JP5217140B2 - Optical semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を有する光半導体装置に関し、特に赤外線検知器に適用して好適なものである。 The present invention relates to an optical semiconductor device having a quantum structure for confining electrons and discretizing the density of states of electrons, and is particularly suitable for application to an infrared detector.
近年、Stranski−Krastanov(S−K)モードと呼ばれる成長モードにより、量子ドット構造が容易に実現可能であることが注目され、量子ドット構造を用いた光半導体デバイスの開発が盛んになっている。例えば、GaAs基板上で成長できる量子ドットの材料としては、InAs, GaInAs, GaInNAs, GaSb等が挙げられる。 In recent years, it has been noted that a quantum dot structure can be easily realized by a growth mode called a Stranski-Krastanov (SK) mode, and development of an optical semiconductor device using the quantum dot structure has become active. For example, examples of materials for quantum dots that can be grown on a GaAs substrate include InAs, GaInAs, GaInNAs, and GaSb.
近時では、新しい赤外線検知器として、量子ドット型赤外線検知器(QDIP:Quantum Dot Infrared Photo-detector)が注目されている。QDIPは、赤外線吸収材料に量子ドットを用いるため、量子ドットによる電子の3次元閉じ込め効果により、3次元全ての方向での光吸収による高感度特性が得られる。そのため、赤外線吸収層に垂直に入射する赤外光を光結合器等を用いることなく検知できることから、作製プロセスを簡易化できるという利点がある。また量子ドットにより、離散的なエネルギー準位が形成されるため、熱励起による量子ドットから励起される暗電流を抑えることができる。従って、電子冷却で動作する赤外線検知器として注目されている(例えば、非特許文献1を参照)。 Recently, a quantum dot infrared detector (QDIP: Quantum Dot Infrared Photo-detector) has attracted attention as a new infrared detector. Since QDIP uses quantum dots as an infrared absorbing material, high sensitivity characteristics are obtained by light absorption in all three dimensions due to the three-dimensional confinement effect of electrons by the quantum dots. Therefore, infrared light incident perpendicularly to the infrared absorption layer can be detected without using an optical coupler or the like, and there is an advantage that the manufacturing process can be simplified. In addition, since discrete energy levels are formed by the quantum dots, dark current excited from the quantum dots due to thermal excitation can be suppressed. Therefore, it attracts attention as an infrared detector that operates by electronic cooling (for example, see Non-Patent Document 1).
QDIPは、赤外線吸収層の両側を電極層で挟んだ構造とされている。赤外線吸収層は、並設された複数の量子ドットを中間層で覆う量子構造層が複数積層されて構成されている。中間層は、量子ドットの成長によって結晶に導入される歪を回復させるためのものである。 QDIP has a structure in which both sides of an infrared absorption layer are sandwiched between electrode layers. The infrared absorption layer is configured by stacking a plurality of quantum structure layers that cover a plurality of arranged quantum dots with an intermediate layer. The intermediate layer is for recovering strain introduced into the crystal by the growth of quantum dots.
図7に、QDIPにおける赤外線吸収の基本原理を示す。
量子ドットの伝導帯の基底準位から量子ドットの励起準位間のエネルギー差に相当する赤外線波長がこのQDIPに入射したとき、量子ドットの伝導帯の基底準位から量子ドットの励起準位へ電子が遷移される。この励起準位は中間層のポテンシャルより低いエネルギー準位にあり障壁が存在することとなるが、この障壁部分をトンネルすることで連続帯へ電子が流れる。この電子が電極に到達し、電流として感知されることで、QDIPは赤外線検知器として機能する。
FIG. 7 shows the basic principle of infrared absorption in QDIP.
When an infrared wavelength corresponding to the energy difference between the ground level of the quantum dot conduction band and the excitation level of the quantum dot is incident on this QDIP, the ground level of the quantum dot conduction band changes to the excitation level of the quantum dot. Electrons are transitioned. This excited level is at an energy level lower than the potential of the intermediate layer and a barrier exists, but electrons flow to the continuous band by tunneling through this barrier portion. The QDIP functions as an infrared detector when the electrons reach the electrode and are detected as a current.
QDIPの典型的なデバイス構造の一例が非特許文献2に記載されている。この文献では、GaAs基板上にバッファ層を成長し、下部電極層、赤外線吸収層、及び上部電極層を順に成長している。赤外線吸収層としては、InAsを材料として成長速度0.22ML/secで2.0ML成長させる。ここで、量子ドットを埋め込むためにGa0.85In0.15Asを20ML成長させ、中間層には180MLのGaAsを成長させる。この構造を複数回繰り返してQDIPの基本構造が構成される。 An example of a typical device structure of QDIP is described in Non-Patent Document 2. In this document, a buffer layer is grown on a GaAs substrate, and a lower electrode layer, an infrared absorption layer, and an upper electrode layer are grown in this order. As the infrared absorbing layer, InAs is used as a material, 2.0 ML is grown at a growth rate of 0.22 ML / sec. Here, 20 ml of Ga 0.85 In 0.15 As is grown to fill the quantum dots, and 180 ml of GaAs is grown on the intermediate layer. This structure is repeated a plurality of times to form the basic structure of QDIP.
QDIPでは、上記のような利点を有する反面、量子ドットと中間層との間に存するエネルギー障壁(トンネル膜厚)が比較的大きいため、赤外線によって励起された電子が連続帯へトンネルする確率が低く、当該電子が電極まで到達できない。そのため、光電流が小さく、高感度の赤外線検知器の実現が困難であるという問題がある。 While QDIP has the above advantages, the energy barrier (tunnel film thickness) that exists between the quantum dots and the intermediate layer is relatively large, so the probability that electrons excited by infrared rays tunnel to the continuous band is low. The electrons cannot reach the electrodes. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize a high-sensitivity infrared detector with a small photocurrent.
この点、電子の閉じ込め方向が1次元とされた量子井戸構造を有する従来の赤外線検知器として、量子井戸型赤外線検知器(QWIP:Quantum Well Infrared Photo-detector)が研究されている。この検知器は、感度が小さいことが問題であるが、この問題を解決するため、非特許文献3では、不純物をデルタドープする方策が示されている。
In this respect, a quantum well infrared detector (QWIP) has been studied as a conventional infrared detector having a quantum well structure in which the direction of electron confinement is one-dimensional. This detector has a problem of low sensitivity. However, in order to solve this problem, Non-Patent
しかしながらQWIPでは、作製プロセスが比較的煩雑であり、またQDIPのように十分には暗電流を抑えることができず、赤外線検知器としては不十分であると言わざるを得ない。また、非特許文献3では不純物のデルタドープを行うことに関する定性的な記載に留まり、当該記載では実際の赤外線検知器への具体的な適用は極めて困難である。
However, in QWIP, the manufacturing process is relatively complicated, and dark current cannot be sufficiently suppressed as in QDIP, and it must be said that it is insufficient as an infrared detector. Further, Non-Patent
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、作製プロセスが簡易であり、十分に暗電流を抑えることができ、しかも高感度の光検出を実現する光半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an optical semiconductor device and a method for manufacturing the same that can simplify the manufacturing process, sufficiently suppress dark current, and realize high-sensitivity light detection. The purpose is to provide.
本発明の光半導体装置は、基板と、前記基板の上方に形成された複数の電極層と、前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層とを含み、前記光吸収層は、量子細線又は量子ドットからなり電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で直接的に覆う量子構造層が複数積層されてなり、少なくとも1層の前記量子構造層は、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にN型不純物が導入されてなる不純物層を有しており、前記量子構造の上面と前記不純物層の下面との離間距離が10nm以内である。 The optical semiconductor device of the present invention includes a substrate, a plurality of electrode layers formed above the substrate, and a light absorption layer having a function of absorbing light when a voltage is applied from the electrode layer. The absorption layer is formed by stacking a plurality of quantum structure layers that are made of quantum wires or quantum dots and directly cover with an intermediate layer a quantum structure that confines electrons and discretizes the density of states of electrons, and includes at least one quantum structure. layer is to have a impurity layer N-type impurities are introduced into the intermediate layer on the side a higher potential than the quantum structure while applying a voltage to the light absorbing layer, the upper surface of the quantum structure And the lower surface of the impurity layer is within 10 nm .
本発明の光半導体装置の製造方法は、基板と、前記基板の上方に形成された複数の電極層と、前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層とを含む光半導体装置を製造するに際して、前記光吸収層を、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で覆う量子構造層が複数積層して形成し、少なくとも1層の前記量子構造層について、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にN型不純物を導入し、不純物層を形成する。 A method for manufacturing an optical semiconductor device of the present invention includes a substrate, a plurality of electrode layers formed above the substrate, and a light absorption layer having a function of absorbing light by applying a voltage from the electrode layer. In manufacturing an optical semiconductor device, the light absorption layer is formed by stacking a plurality of quantum structure layers that cover an electron and confine electrons and discretize the density of states of electrons with an intermediate layer, and at least one quantum structure layer is formed. Regarding the structure layer, an N-type impurity is introduced into the intermediate layer on the side having a higher potential than the quantum structure in a state where a voltage is applied to the light absorption layer to form an impurity layer.
本発明によれば、作製プロセスが簡易であり、十分に暗電流を抑えることができ、しかも高感度の光検出を実現することができる。 According to the present invention, the manufacturing process is simple, dark current can be sufficiently suppressed, and high-sensitivity light detection can be realized.
−本発明の基本骨子−
本発明者は、量子ドットと中間層との間に存するエネルギー障壁(トンネル膜厚)を低減させるべく鋭意検討した結果、光吸収層の中間層内の所定部位にN型不純物を導入することに想到した。
-Basic outline of the present invention-
As a result of intensive studies to reduce the energy barrier (tunnel film thickness) existing between the quantum dots and the intermediate layer, the present inventor has introduced an N-type impurity into a predetermined portion in the intermediate layer of the light absorption layer. I came up with it.
本発明の光半導体装置における光吸収層は、量子ドット層が複数積層されてなる。これらの量子ドット層のうちの少なくとも1層に不純物層が形成される。
図1に、この量子ドット層の基本構造を示す。なお、図1では量子構造として、3次元の各方向から電子を閉じ込める構造の量子ドットを例示するが、2次元の各方向から電子を閉じ込める構造の量子細線としても、量子ドットを用いた場合と同様の効果を得ることができる。
The light absorption layer in the optical semiconductor device of the present invention is formed by stacking a plurality of quantum dot layers. An impurity layer is formed in at least one of these quantum dot layers.
FIG. 1 shows the basic structure of this quantum dot layer. In addition, in FIG. 1, although the quantum dot of the structure which confines an electron from each three-dimensional direction is illustrated as a quantum structure, the case where a quantum dot is used also as a quantum wire of the structure which confine | seals an electron from each two-dimensional direction Similar effects can be obtained.
量子ドット層100は、並設された複数の量子ドット101を中間層102で覆うように構成される。そして、中間層102内の所定部位、ここでは光吸収層に電圧(バイアス)を印加した状態で量子ドット101より高電位(高バイアス)となる側の中間層102内の所定部位に、N型不純物が導入されてなる不純物層103が形成されている。
The
不純物層103は、所望のトンネル膜厚を形成できるN型不純物濃度及び膜厚に形成される。
不純物層103のN型不純物濃度としては、1×1016/cm3〜1×1020/cm3の範囲内の値とされる。ここで、1×1016/cm3よりも小値では、不純物ドープの状態と見なされない程度(換言すれば、真性半導体と見なされる程度)となって不純物添加量としては不十分である。一方、1×1020/cm3よりも大値では、もはや不純物のドープ状態と言うよりは当該不純物が材料組成の一部と見なされるため、不純物添加量としては多きに過ぎる。このN型不純物濃度の値は、印加するバイアスやデバイス構造に依存するため、設計に応じて変化させる。
The impurity layer 103 is formed to have an N-type impurity concentration and thickness that can form a desired tunnel thickness.
The N-type impurity concentration of the impurity layer 103 is set to a value within the range of 1 × 10 16 / cm 3 to 1 × 10 20 / cm 3 . Here, if the value is smaller than 1 × 10 16 / cm 3 , it is not considered as an impurity-doped state (in other words, considered as an intrinsic semiconductor), and is insufficient as an impurity addition amount. On the other hand, when the value is larger than 1 × 10 20 / cm 3 , the impurity is considered to be a part of the material composition rather than being in a doped state of the impurity. The value of the N-type impurity concentration depends on the applied bias and device structure, and is changed according to the design.
不純物層103の膜厚としては、量子ドット101の上面(頭頂部)と当該不純物層103の下面との離間距離を10nm以内とし、量子ドット層100の厚みから量子ドット101の厚み(高さ)及び前記離間距離を差し引いた値以下とされる。前記離間距離を10nm以内とすることにより、電子のトンネル確率を改善することができる。不純物層103を当該膜厚に形成することにより、中間層102内に所望の空乏層を形成されることになる。
The film thickness of the impurity layer 103 is such that the distance between the upper surface (the top of the quantum dot 101) and the lower surface of the impurity layer 103 is within 10 nm, and the thickness (height) of the
上記のように構成された量子ドット層100を備えた半導体装置において、トンネル膜厚とトンネル確率との関係を調べた。その結果を図2に示す。
図2では簡単のため、励起準位から中間層の材料の間に140meVの矩形障壁が存在することを仮定した計算結果を示す。この計算結果より、例えば3nm程度だけトンネル膜厚(量子ドットの励起準位から連続帯へトンネルする膜厚)を減らすことにより、トンネル確率が1桁程度上昇することが判る。
In the semiconductor device provided with the
For the sake of simplicity, FIG. 2 shows a calculation result assuming that a 140 meV rectangular barrier exists between the excitation level and the intermediate layer material. From this calculation result, it is understood that the tunnel probability is increased by about one digit by reducing the tunnel film thickness (film thickness tunneling from the excitation level of the quantum dots to the continuous band) by about 3 nm, for example.
図3に、N型不純物を量子ドットの近傍に導入した場合における伝導帯バンド構造を示す。
N型不純物の導入により、不純物層と中間層との界面近傍に空乏層が形成される。これにより、トンネル膜厚が減少することが判る。
FIG. 3 shows a conduction band structure when an N-type impurity is introduced in the vicinity of a quantum dot.
By introducing the N-type impurity, a depletion layer is formed in the vicinity of the interface between the impurity layer and the intermediate layer. This shows that the tunnel film thickness decreases.
図4に、不純物層の量子ドットの頂上からの位置とトンネル膜厚との関係についての計算結果を示す。
計算した構造は、不純物層のN不純物濃度を1×1018/cm3、膜厚を5nmとした。また中間層の材料をi−GaAsとし、簡単のため当該中間層をP型不純物層として、P型不純物濃度を1×1018/cm3とした。この構造に、内部電界1×107V/mを印加したと仮定して計算を行った。また、量子ドットの励起準位からの障壁の高さは140meVとする。
In FIG. 4, the calculation result about the relationship between the position from the top of the quantum dot of an impurity layer and a tunnel film thickness is shown.
In the calculated structure, the N impurity concentration of the impurity layer was 1 × 10 18 / cm 3 and the film thickness was 5 nm. In addition, the material of the intermediate layer is i-GaAs, for simplicity, the intermediate layer is a P-type impurity layer, and the P-type impurity concentration is 1 × 10 18 / cm 3 . The calculation was performed on the assumption that an internal electric field of 1 × 10 7 V / m was applied to this structure. The height of the barrier from the excitation level of the quantum dot is 140 meV.
中間層内に空乏層が形成されてバンドポテンシャルが変化する結果、量子ドットの励起準位から連続帯の距離が減少する。不純物層の配置の効果によりトンネル膜厚が減少する結果、例えばトンネル膜厚が3nm程度減少したとするとトンネル確率が1桁程度上昇する。そのため光電流が1桁程度増加し、検知器の感度も同様に1桁程度向上することになる。 As a result of the depletion layer being formed in the intermediate layer and the band potential changing, the distance from the excitation level of the quantum dot to the continuous band is reduced. As a result of the reduction of the tunnel film thickness due to the effect of the arrangement of the impurity layers, for example, if the tunnel film thickness is reduced by about 3 nm, the tunnel probability increases by about one digit. As a result, the photocurrent increases by an order of magnitude, and the sensitivity of the detector also improves by an order of magnitude.
−本発明を適用した好適な実施形態−
図5は、本実施形態による量子ドット型赤外線検知器(QDIP)の製造方法を工程順に示す概略断面図である。以下、このQDIPの構成をその製造工程と共に説明する。
-Preferred embodiment to which the present invention is applied-
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the quantum dot infrared detector (QDIP) according to the present embodiment in the order of steps. Hereinafter, the configuration of this QDIP will be described together with its manufacturing process.
先ず、図5(a)に示すように、絶縁性のGaAs基板1上に、GaAs又はAlGaAsを材料としてバッファ層2を500nm程度の厚みに形成する。
次に、バッファ層2上に、N型GaAsを材料とした下部電極層3、赤外線吸収層4、及び上部電極層5を順次成長させる。これらはエピタキシャル層として、MBE(分子線エピタキシャル)法やMOCVD(有機金属気相成長法)法によって形成される。
First, as shown in FIG. 5A, a buffer layer 2 having a thickness of about 500 nm is formed on an insulating
Next, a
下部電極層3は、赤外線吸収層4にバイアスを印加するためのものであり、厚みが例えば1.0μm程度であり、1×1018/cm3程度の濃度の不純物(例えばN型不純物であるSi)を含むように形成される。
The
赤外線吸収層4は、赤外線を吸収する機能を有しており、電子を3次元の各方向に閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子ドット11が、当該量子ドット11の歪を回復させるための中間層12で覆われてなる量子ドット層10が複数層、例えば10層〜20層程度積層されて構成される。
The
ここで、量子ドット11は、その成長条件を固定して均一に形成される。量子ドット11の材料としては、InAsを用いる。この量子ドット11は、例えば分子線エピタキシャル(MBE)法を用いて、基板温度500℃、成長速度0.22ML/secで2.0ML成長させ、S−Kモードを利用した自己組織化量子ドット形成法によって形成される。 Here, the quantum dots 11 are uniformly formed with their growth conditions fixed. As the material of the quantum dots 11, InAs is used. This quantum dot 11 is grown by using, for example, molecular beam epitaxy (MBE), 2.0 ML at a substrate temperature of 500 ° C. and a growth rate of 0.22 ML / sec, and self-assembled quantum dots are formed using the SK mode. Formed by law.
本実施形態における中間層12を形成する様子を図6に示す。
図6(a)に示すように、先ず、中間層12を形成するに際して、GaAs基板1と同じ材料であるi−GaAsを用い、先ず量子ドット11を完全に埋め込むようにi−GaAsを成長させる。
FIG. 6 shows how the
As shown in FIG. 6A, first, when forming the
次に、成長したi−GaAs内に、N型不純物、ここではSiを導入し、不純物層13を形成する。例えば、量子ドット11の頭頂部から6nm程度離間した部位に、Siの不純物濃度が1×1018/cm3程度とされてなる不純物層13を、例えば5nm程度の厚みに成長させる。 Next, an N-type impurity, here Si, is introduced into the grown i-GaAs to form the impurity layer 13. For example, an impurity layer 13 having an Si impurity concentration of about 1 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of about 5 nm, for example, at a site spaced about 6 nm from the top of the quantum dot 11.
次に、不純物層13上に再びi−GaAsを成長させる。このとき、中間層12全体の膜厚が、量子ドット11の歪を充分に回復させるに足る程度、例えば60nm程度となるようにi−GaAsを成長させて、内部に不純物層13を有する中間層12を形成する。
本実施形態では、図6(b)に示すように、上記のような構造の量子ドット層10を、例えば10層成長させて赤外線吸収層4を構成する
Next, i-GaAs is grown again on the impurity layer 13. At this time, i-GaAs is grown so that the film thickness of the entire
In the present embodiment, as shown in FIG. 6B, for example, ten layers of the
なお、上記の例では、赤外線吸収層4を構成する全ての量子ドット層10について、各々の中間層12内に不純物層13を形成する場合について説明したが、全ての量子ドット層10に不純物層13を形成することは必ずしも必要ではない。本発明では、デバイス構造等に応じて少なくとも1層の量子ドット層10に不純物層13を形成することが必須である。
In the above example, the case where the impurity layer 13 is formed in each
上部電極層5は、赤外線吸収層4にバイアスを印加するためのものであり、厚みが例えば1.0μm程度であり、1×1018/cm3程度の濃度の不純物(例えばN型不純物であるSi)を含むように形成される。
The
続いて、図5(b)に示すように、リソグラフィー法により上部電極層5上に所定パターンのレジストマスク21を形成した後、このレジストマスク21を用いて、当該にレジストマスク21で覆われていない部分を、上部電極層5から下部電極層3の途中までドライエッチングする。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, after a resist mask 21 having a predetermined pattern is formed on the
続いて、レジストマスク21を灰化処理等により除去した後、図5(c)に示すように、例えば真空金属蒸着法により全面に電極材料、例えばAuGe/Ag/Auを堆積し、リフトオフ法により、下部電極層3と接続される下部電極6、及び上部電極層5と接続される上部電極7を形成する。
以上により、本実施形態に係るQDIPを完成させる。
Subsequently, after removing the resist mask 21 by ashing or the like, as shown in FIG. 5C, an electrode material, for example, AuGe / Ag / Au, is deposited on the entire surface by, for example, a vacuum metal deposition method, and by a lift-off method. The lower electrode 6 connected to the
As described above, the QDIP according to the present embodiment is completed.
なお、量子ドット11を埋め込む中間層12の材料として、非特許文献2のように基板材料と異なるバンドギャップを有する材料(例えばGaInAs)を用いても良い。この場合には、例えば量子ドット11を埋め込むGaInAs層と、その上方のGaAs層との界面に、例えば厚みを5nm程度、N型不純物(Si)量を1×1018/cm3程度として不純物層13を成長させれば良い。
As a material of the
また、本実施形態では、中間層12の材料としてi−GaAsのみを使用する例を説明したが、量子ドット11及び量子ドット11を埋め込む中間層12をP型にして、空乏層を広げることも効果的である。例えば、量子ドット11を真性半導体の状態とし、量子ドット11を埋め込む中間層12のP型不純物濃度を1×1018/cm3程度として、この層の直上に例えば膜厚5nm、N型不純物濃度を1×1018/cm3程度とした不純物層13を成長させる。その後、i−GaAs層を歪が回復する厚さだけ成長し、中間層12の膜厚が60nm程度となるようにする。
In this embodiment, an example in which only i-GaAs is used as the material of the
また、本実施形態では、GaAs基板1上にInAsからなる量子ドット11を形成する場合について例示したが、例えばSi基板上にSiGeからなる量子ドットを形成したり、InP基板上にInAs又はGaInAsからなる量子ドットを形成しても良い。
In the present embodiment, the case where the quantum dots 11 made of InAs are formed on the
以上説明したように、本実施形態によれば、作製プロセスが簡易であり、十分に暗電流を抑えることができ、しかも高感度の赤外線検出を実現するQDIPを提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a QDIP that has a simple manufacturing process, can sufficiently suppress dark current, and realizes highly sensitive infrared detection.
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)基板と、
前記基板の上方に形成された複数の電極層と、
前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層と
を含み、
前記光吸収層は、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で覆う量子構造層が複数積層されてなり、
少なくとも1層の前記量子構造層は、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にN型不純物が導入されてなる不純物層を有することを特徴とする光半導体装置。
(Appendix 1) a substrate;
A plurality of electrode layers formed above the substrate;
A voltage is applied from the electrode layer, and includes a light absorption layer having a function of absorbing light,
The light absorption layer is formed by laminating a plurality of quantum structure layers that cover the quantum structure for confining electrons and discretizing the density of states of electrons with an intermediate layer,
At least one of the quantum structure layers has an impurity layer in which an N-type impurity is introduced into the intermediate layer on a side having a higher potential than the quantum structure in a state where a voltage is applied to the light absorption layer. An optical semiconductor device.
(付記2)前記量子構造は、量子細線又は量子ドットからなることを特徴とする付記1に記載の光半導体装置。
(Supplementary note 2) The optical semiconductor device according to
(付記3)前記量子構造の上面と前記不純物層の下面との離間距離が10nm以内であることを特徴とする付記1又は2に記載の光半導体装置。
(Additional remark 3) The optical semiconductor device of
(付記4)前記不純物層の厚みは、前記量子構造層の厚みから量子構造の厚み及び前記離間距離を差し引いた値以下であることを特徴とする付記3に記載の光半導体装置。
(Supplementary note 4) The optical semiconductor device according to
(付記5)前記不純物層における前記N型不純物の濃度は、1×1016/cm3〜1×1020/cm3の範囲内の値とされていることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の光半導体装置。
(Supplementary Note 5) The concentration of the N-type impurity in the impurity layer, the
(付記6)前記光吸収層により、赤外線を吸収して検出する赤外線検知器であることを特徴とする付記1〜5のいずれか1項に記載の光半導体装置。
(Appendix 6) The optical semiconductor device according to any one of
(付記7)基板と、
前記基板の上方に形成された複数の電極層と、
前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層と
を含む光半導体装置を製造するに際して、
前記光吸収層を、電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で覆う量子構造層が複数積層して形成し、
少なくとも1層の前記量子構造層について、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にN型不純物を導入し、不純物層を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
(Appendix 7) a substrate;
A plurality of electrode layers formed above the substrate;
When manufacturing an optical semiconductor device including a light absorption layer having a function of absorbing light by applying a voltage from the electrode layer,
The light absorption layer is formed by laminating a plurality of quantum structure layers that cover the quantum structure that confines electrons and discretizes the density of states of electrons with an intermediate layer,
For at least one quantum structure layer, an N-type impurity is introduced into the intermediate layer on the side having a higher potential than the quantum structure in a state where a voltage is applied to the light absorption layer, thereby forming an impurity layer. A method for manufacturing an optical semiconductor device.
(付記8)前記量子構造は、量子細線又は量子ドットからなることを特徴とする付記7に記載の光半導体装置の製造方法。 (Additional remark 8) The said quantum structure consists of a quantum wire or a quantum dot, The manufacturing method of the optical semiconductor device of Additional remark 7 characterized by the above-mentioned.
(付記9)前記量子構造の上面と前記不純物層の下面との離間距離が10nm以内となるように、前記不純物層を形成することを特徴とする付記7又は8に記載の光半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 9) The manufacturing of an optical semiconductor device according to
(付記10)前記不純物層を、前記量子構造層の厚みから量子構造層の厚み及び前記離間距離を差し引いた値以下の厚みとなるように形成することを特徴とする付記9に記載の光半導体装置の製造方法。 (Supplementary note 10) The optical semiconductor according to supplementary note 9, wherein the impurity layer is formed to have a thickness equal to or less than a value obtained by subtracting a thickness of the quantum structure layer and the separation distance from a thickness of the quantum structure layer. Device manufacturing method.
(付記11)前記不純物層を、その前記N型不純物の濃度が1×1016/cm3〜1×1020/cm3の範囲内の値となるように形成することを特徴とする付記7〜10のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
Note the (Supplementary Note 11) the impurity layer, wherein the concentration of the said N-type impurity is formed to a value in the range of 1 × 10 16 / cm 3 ~1 × 10 20 /
1 GaAs基板
2 バッファ層
3 下部電極層
4 赤外線吸収層
5 上部電極層
6 下部電極
7 上部電極
10 量子ドット層
11 量子ドット
12 中間層
13 不純物層
21 レジストマスク
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基板の上方に形成された複数の電極層と、
前記電極層から電圧が印加され、光を吸収する機能を有する光吸収層と
を含み、
前記光吸収層は、量子細線又は量子ドットからなり電子を閉じ込めて電子の状態密度を離散化する量子構造を中間層で直接的に覆う量子構造層が複数積層されてなり、
少なくとも1層の前記量子構造層は、前記光吸収層に電圧を印加した状態で前記量子構造より高電位となる側の前記中間層内にN型不純物が導入されてなる不純物層を有しており、
前記量子構造の上面と前記不純物層の下面との離間距離が10nm以内であることを特徴とする光半導体装置。 A substrate,
A plurality of electrode layers formed above the substrate;
A voltage is applied from the electrode layer, and includes a light absorption layer having a function of absorbing light,
The light absorption layer is formed by stacking a plurality of quantum structure layers that are made of quantum wires or quantum dots and directly cover an intermediate layer with a quantum structure that confines electrons and discretizes the density of states of electrons,
At least one layer wherein the quantum structure layer, and organic impurities layer N-type impurities are introduced into the intermediate layer on the side a higher potential than the quantum structure while applying a voltage to said light absorbing layer And
An optical semiconductor device , wherein a separation distance between an upper surface of the quantum structure and a lower surface of the impurity layer is within 10 nm .
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