JP2006237313A - Electromagnetic wave generating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は1THz程度の高周波領域で動作する半導体素子に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor element that operates in a high frequency region of about 1 THz.
従来の半導体素子は、主に素子構造を微細化することによりその動作速度を向上してきた。たとえば高電子移動度トランジスタは2次元的に分布した2次元電子ガスを利用して不純物散乱を効果的に抑制しているが、数百GHzまでの高速動作が報告されている素子のゲート電極の形成には少なくとも30nm以下の超微細加工技術が要求される。これは信号伝達に電荷(電子)移動を利用しており、その移動速度は材料の飽和速度で制限される為、チャネル走行時間に起因する遅延を免れることができないためである。 Conventional semiconductor elements have been improved in operation speed mainly by miniaturizing the element structure. For example, a high electron mobility transistor effectively suppresses impurity scattering by using a two-dimensionally distributed two-dimensional electron gas, but the high-speed operation up to several hundred GHz has been reported. For the formation, an ultrafine processing technique of at least 30 nm or less is required. This is because charge (electron) movement is used for signal transmission, and the movement speed is limited by the saturation speed of the material, so that delay due to channel travel time cannot be avoided.
この課題に対する従来技術として信号伝達に直接電荷移動を伴わない半導体素子がいくつか提案されている。一つはM. Shurらが提案したFETチャネル内の高濃度電子流体のプラズマ振動を利用する素子である(非特許文献1および2参照)。このプラズマ振動の振動周波数に対応した電子の粗密波を以降はプラズマ波と呼び、チャネルにプラズマ波が形成される素子をプラズマ波素子と定義する。図10は、非特許文献1に示されるプラズマ波素子の構造である。高電子移動度電界効果トランジスタ(FET、HEMT)と同様な構造を有しており、二次元電子ガス54にプラズマ波が形成されるとしている。非特許文献2では、図10の二次元電子ガス54に1THz程度で振動するプラズマ波が形成されて、微弱な(数nW程度)電磁波が放射されることを観測している。
As a prior art for this problem, several semiconductor elements that do not directly transfer charges in signal transmission have been proposed. One is an element that utilizes plasma oscillation of a high-concentration electron fluid in an FET channel proposed by M. Shur et al. (See
また井出下は図11に示される正孔と電子、あるいいは重い電子と軽い電子からなる重い流体と軽い流体の二流体が共存する系で起こる二流体不安定性現象を利用した電磁波増幅素子を提案している(特許文献1参照)。櫛型電極構造の遅波回路61を用いることで、入力部65に導入したテラヘルツ波が増幅されて出力部66より取り出されるとしている。
In addition, Ideshita shows an electromagnetic wave amplifying element using the two-fluid instability phenomenon that occurs in a system in which two fluids, that is, a heavy fluid consisting of holes and electrons as shown in FIG. It has been proposed (see Patent Document 1). By using the
本発明では図1(a)に示したように複数の周期的なゲート電極1を設けている。一方、プラズマ波を発生するという目的は有していないが、一般的技術水準を示す周期的電極構造素子として、X.G. Peraltaらによる光伝導素子(非特許文献3参照)を図12(a)に、A.M. Hashimらによるコンダクタンス変調素子(非特許文献4参照)を図12(b)に示しておく。
In the present invention, a plurality of
また、本発明では図1(b)に示したようにアンテナ素子11を用いて素子内部で注入同期を行っている。プラズマ波素子ではないが、FETなどの発振素子を用いて注入同期を行うアンテナ構成として、藤井らによる送信用アクティブアンテナ(特許文献2参照)を図13に、ガンダイオードを用いて導波管の中で電力合成を行う共振器(特許文献3参照)を図14に、注入同期を行う一般的技術水準として示しておく。
非特許文献1および2において、理論検討では高周波での動作が可能とされているものの、実際には電磁波が極めて微弱であったり、動作範囲が限定されている。また、特許文献1では構造が極めて複雑で、かつ外部から増幅するための電磁波を導入する必要があるといった問題があり、実用性に乏しかった。特に、非特許文献2による構造では、外部から光などの照射を行わなくでも高周波での電磁波発生が観測された初めてのケースではあるが、出力は数nWと極めて小さくなっており、実用化を阻む要因の一つとして考えられる。
In
非特許文献3および4に示した構造は、周期的な電極構造となっているが、これらは電磁波を発生することを目的としておらず、外部から照射されたプラズマ波を受信するために、プラズマ波と効率的に結合することを目的としている。そのため、FETのゲート長に相当する電極の幅は電極の周期の半分である。
The structures shown in
FETのチャネル内でのプラズマ波の屈折率の検討を行った結果、屈折率が300程度ときわめて大きくなることを明らかにすることができた。その結果、例えば非特許文献3では、1本の電極下部には1〜2波長のプラズマ波が励起されていると考えられる。また、非特許文献4では、電極下部に形成されるプラズマ波の波長は0.15波長となっており、プラズマ波とまったく結合していないと思われる。非特許文献4では、期待されていた負のコンダクタンスも観測されていない。このように、ゲート電極が周期的に形成されていても、プラズマ波の発生を目的としていない場合には、プラズマ波の波長に対してマッチングするように電極の周期や幅は特定の値をとっていないことがわかる。
As a result of examining the refractive index of the plasma wave in the channel of the FET, it has been clarified that the refractive index is as large as about 300. As a result, for example, in Non-Patent
そこで、ゲート電極をプラズマ波の波長の周期Λで配置するとともに、ゲート電極の長さ(ゲート長L)をΛ/4とするとともに複数のナノワイヤを配置することで、ゲート電極の本数とナノワイヤの数に比例して電磁波の強度を増大することにした。 Therefore, the number of gate electrodes and the number of nanowires are reduced by arranging the gate electrodes with a period Λ of the wavelength of the plasma wave, setting the length of the gate electrodes (gate length L) to Λ / 4, and arranging a plurality of nanowires. We decided to increase the intensity of electromagnetic waves in proportion to the number.
しかしながら、複数のナノワイヤを配置した場合、ナノワイヤが均一性良く作製されなかった場合には、ナノワイヤのチャネル領域に印加される電圧のばらつきによって、プラズマ波の速度が変化することで、屈折率が変化し、ひいてはプラズマ波の位相も変化してしまうことがわかった。図4に、複数のナノワイヤを配置した時のプラズマ波強度の概念図を示す。図4(a)に示したように、ドレイン電極が共有されている場合は、ナノワイヤに構成上のばらつきがあって、プラズマ波の位相がわずかでもばらつくと、位相が反転したナノワイヤのプラズマ波の出力がキャンセルされて出力が低下するという問題があった。図の場合は5本のナノワイヤがあるが、電磁波の出力は1本分のナノワイヤからの出力しかえられない。ナノワイヤの幅が大きい場合は、この位相の反転はナノワイヤと電極間の絶縁膜の厚みが部分的に異なることに起因するため、絶縁膜の均一性を極めて精密に制御することで改善されるが、膜厚の均一性が多少ばらついても位相が変化しないデバイス構造が、歩留まりを向上するためには必要であった。また、高出力化のためにナノワイヤの断面積を小さくした場合には、ナノワイヤの断面積のばらつきによる影響が増大して、キャリア密度のばらつきが大きくなるという問題があった。ナノワイヤの幅がプラズマ波の波長の半分程度である場合には断面積のばらつきの影響を受けにくいが、幅が100nm以下になると幅を小さくするに従ってキャリア密度が増加する。そこで、特にナノワイヤの幅が100nm以下の場合に、ナノワイヤの幅のばらつきの影響を受けにくい本発明のデバイス構造が必要であった。 However, when a plurality of nanowires are arranged, if the nanowires are not produced with good uniformity, the refractive index changes by changing the velocity of the plasma wave due to variations in the voltage applied to the nanowire channel region. As a result, it was found that the phase of the plasma wave also changed. FIG. 4 shows a conceptual diagram of plasma wave intensity when a plurality of nanowires are arranged. As shown in FIG. 4A, when the drain electrode is shared, if the nanowire has a structural variation and the phase of the plasma wave slightly varies, There was a problem that the output was canceled and the output decreased. In the case of the figure, there are five nanowires, but the output of electromagnetic waves can only be output from one nanowire. When the nanowire width is large, this phase reversal is caused by a partial difference in the thickness of the insulating film between the nanowire and the electrode, which can be improved by controlling the uniformity of the insulating film very precisely. In order to improve the yield, a device structure in which the phase does not change even if the uniformity of the film thickness varies somewhat is required. In addition, when the cross-sectional area of the nanowire is reduced in order to increase the output, there is a problem that the influence of the variation in the cross-sectional area of the nanowire increases and the variation in carrier density increases. When the width of the nanowire is about half the wavelength of the plasma wave, it is difficult to be affected by variations in the cross-sectional area, but when the width is 100 nm or less, the carrier density increases as the width is reduced. Accordingly, the device structure of the present invention that is not easily affected by variations in the width of the nanowire is required particularly when the width of the nanowire is 100 nm or less.
本発明は前記従来技術の課題に鑑みて、安定に結合したプラズマ振動を利用し、新規の動作原理に基づく半導体素子を高い歩留まりで提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and an object thereof is to provide a semiconductor device based on a novel operation principle with high yield by utilizing stably coupled plasma oscillation.
前記従来の課題を解決するために、本発明の電磁波発生装置は、図1に示したように、複数のナノワイヤで構成し、各ナノワイヤにはドレイン電極を個別に設置しており、各ドレイン電極間は特定の波長の高周波成分のみ導波するように細長い導線でできた容量結合部10により容量結合している。あるいは、各ドレイン電極間はL成分をもつフィルタ構造により高周波成分をカットして、DC成分のみを印加できるようにしておき、アンテナ素子11で容量結合されている。各ナノワイヤに発生したプラズマ波による電磁波はドレイン電極に形成した容量結合部10あるいはアンテナ11を通じて近傍に放射される。その結果、図4(b)に示したように位相が一致したアンテナ間で注入同期が生じるので、位相の一致したアンテナ数をnn1とすると、プラズマ波スペクトルのピーク強度PPは1本の場合に比べて(nn1)3/2倍に増大する。図4(c)に示したように、(b)の場合にはそれぞれの位相において注入同期が生ずるので、ナノワイヤ全体ではマルチモードのプラズマ波が発生することになり、位相の反転によるキャンセルが生じなくなる。その結果、プラズマ波の積分強度が低下することが無くなり(P∝Σnn1)となることがわかった。
In order to solve the above-described conventional problems, the electromagnetic wave generator of the present invention includes a plurality of nanowires as shown in FIG. 1, and a drain electrode is individually installed on each nanowire. The gap is capacitively coupled by a
さらに、図8に示したように、ドレイン電極に形成したアンテナ素子からの電磁波を用いて、ドレイン電極とゲート電極間で注入同期を行うことで、位相の整合性を高めて、マルチモードの抑制を可能とした。 Furthermore, as shown in FIG. 8, by using the electromagnetic wave from the antenna element formed on the drain electrode, injection locking is performed between the drain electrode and the gate electrode, thereby improving the phase matching and suppressing the multimode. Made possible.
図13に示した特許文献2の構造では、発振素子85のゲート電極間で結合回路82を用いて注入同期を行っており、アンテナ83を用いた注入同期を行っているわけではない。本発明ではドレイン電極同士を電磁結合して注入同期を行っている点が異なる。その結果、本発明では共振器84や結合回路82が不要となり、小型化が可能となる。
In the structure of
また、図14に示した特許文献3では、基本モード導波管94中にガンダイオードを設置して、反射板93で反射された電磁波を再度基本モード導波管94に結合させることで、注入同期を行って電力合成を行うものであり、ガンダイオードはそれぞれの基本モード導波管94内に1個ずつ配置されている。本発明では、各ナノワイヤを同一の基板上に集積化しており、導波管アレイを用いなくてもドレイン電極間に高インピーダンスの導線を配置することにより電力合成を可能としたものであり、導波管を用いる場合に比べて極めて小型化することができる。また、ガンダイオード全体に電磁波を結合するのとは異なり、本発明のプラズマ波デバイスの場合はドレイン電極を開放としているので、すべてのナノワイヤのドレイン端が電磁波の振幅が最も大きい状態(腹の部分)となっており、非常に高い効率で電磁結合が実現される。
Further, in
前述のように本発明は、複数のナノワイヤ構造を形成して複数のゲート電極を共有化する電磁波発生装置において、注入同期をおこなうことで、プロセスのばらつきなどによるプラズマ波の位相のばらつきがあってもプラズマ波強度の加算を可能とするとともにQ値を増加することで、高出力の電磁波発生素子を提供する。 As described above, according to the present invention, in the electromagnetic wave generator that forms a plurality of nanowire structures and shares a plurality of gate electrodes, by performing injection locking, there is a variation in the phase of the plasma wave due to a variation in the process. In addition, the plasma wave intensity can be added and the Q value is increased to provide a high-power electromagnetic wave generating element.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1) <ナノワイヤの幅が20nm以上の場合>
図1は、本発明の実施の形態1における電磁波発生素子の概略図である。図1以降においても、同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
(Embodiment 1) <When nanowire width is 20 nm or more>
FIG. 1 is a schematic diagram of an electromagnetic wave generating element according to
図1(a)および図3(a)のA−A‘断面に示したように、基板5上に絶縁層6を挟んで半導体層4が堆積されている。ここでは半導体層にGeを用いているために、いわゆるGOI構造となっている。この半導体層4は、エッチングにより幅が400nm以下のナノワイヤ4構造となっている。これは、ナノワイヤ中に形成されるプラズマ波の波長が800nmであるため、単一横モードにするために半波長である400nm以下とする必要があるためである。ナノワイヤを細くしてゆくにつれて、伝導している電子が表面散乱の影響を強く受けるようになり、電子電子散乱以外の散乱が顕著になってくる。そこで、ナノワイヤの幅は3nm以上にする必要がある。ナノワイヤ4の周囲は酸化ケイ素などによる絶縁膜7で覆って周囲の湿度などによる影響から保護している。絶縁膜7上にはナノワイヤ4と直行する方向にゲート電極1が形成されている。本実施の形態においては、半導体層にGeを用いているが、これはSiを用いた場合には有効質量が大きいために、プラズマ波の発生が不安定となるとともに、出力も小さくなるためである。従って、Siでは本実施の形態に示した特性の向上は認められない。Siより有効質量の小さいGeを用いることで初めて砒素を含まないIV族系元素を用いたプラズマ波素子を実現できることがわかった。ドレイン電極間は容量結合部10あるいはアンテナ素子11を用いて、注入同期をかけている。その結果、ドレイン電極間が電磁結合(弱結合)される。特にこれらの場合、ドレイン電極間は強く結合しないで、弱結合される状態になる。これは、強く結合する場合はドレイン電極がAC的に導通がある場合を意味しており、弱結合する場合はドレイン電極がAC的には導通が無く相互に電磁結合していることを意味している。本発明のポイントは、このドレイン電極を弱結合とすることで各ナノワイヤに注入同期を行って、図4(b)に示したように高い電磁波出力を得ることにある。
1A and 3A, the
<プラズマ波の出力のナノワイヤ本数依存性>
ナノワイヤ4は、複数形成してよく、ワイヤの本数を多くするに従って電磁波の出力が増加する。ナノワイヤの本数は、10本以上にすることで、ナノワイヤ間の共鳴によるQ値の向上が確認される。ナノワイヤの幅を400nm程度とした場合には、500nmの周期でナノワイヤを配置し、トータルのゲート幅Wtotalを100μmとした場合でも、ナノワイヤを200本配置することができる。本実施の形態では、ナノワイヤの幅を200nmとしたが、この場合は出力を従来の10倍程度である25mWとするにはナノワイヤの本数は10本程度でよかった。
<Dependence of plasma wave output on the number of nanowires>
A plurality of
<プラズマ波の出力のナノワイヤ幅依存性>
図3(a)〜(c)にナノワイヤ中での電子の分布を、図3(d)に(a)〜(c)のナノワイヤ構造のそれぞれの場所における電子密度の関係を示す。図3(a)に示したように、ナノワイヤの幅が20nm以上の場合(WL)には、チャネル8がナノワイヤ4のゲート電極1側の側壁に形成される。一方、図3(b)に示したように、ナノワイヤの幅を20nm以下(WS)とすることにより、チャネルは側壁を離れ、電子密度が最大となる部分はナノワイヤの中心部分となる。その結果、電子密度は(a)の場合に比べて、20%程度大きな値となる。さらに、図3(c)に示したように、ナノワイヤ下部に導電層9を設けることにより、電子のとじこめを強くして電子密度を(a)の場合に比べて2倍程度に増加することができることがわかった。このように、ナノワイヤの幅を狭くすることにより、電子密度を増大することができ、電磁波の出力を電子密度に比例して増加させることができる。
<Nanowire width dependence of plasma wave output>
FIGS. 3A to 3C show the distribution of electrons in the nanowire, and FIG. 3D shows the relationship of the electron density at each location of the nanowire structure shown in FIGS. As shown in FIG. 3A, when the width of the nanowire is 20 nm or more (W L ), the
ここで、電子密度を上げるためにナノワイヤの幅を20nmとしたが、この場合には出力を25mWとするにはナノワイヤが50本程度必要であった。ゲート幅Wを広くして、本数を10本以下とした場合には、電磁波の出力が増大するが、一方でナノワイヤ内部での電子密度の均一性が低下するなどしてQ値が低下する。また、ナノワイヤを細くして本数を200本以上に増やすにつれてナノワイヤの幅のばらつきによる位相のずれが顕著となる。従って、ナノワイヤは10本から200本程度が適当であった。ここで、ナノワイヤの幅が狭くたくさんの本数のナノワイヤが必要な場合ほど、位相のずれを矯正するために本発明のように注入同期を行う必要性が極めて高くなる。 Here, in order to increase the electron density, the width of the nanowire was set to 20 nm. In this case, about 50 nanowires were required to obtain an output of 25 mW. When the gate width W is widened and the number is 10 or less, the output of electromagnetic waves increases, but on the other hand, the Q value decreases due to a decrease in the uniformity of the electron density inside the nanowire. Further, as the number of nanowires is reduced and the number is increased to 200 or more, the phase shift due to the variation in the width of the nanowire becomes more significant. Therefore, about 10 to 200 nanowires were appropriate. Here, the narrower the width of the nanowire is, the more the number of nanowires is necessary, and the necessity of performing injection locking as in the present invention to correct the phase shift becomes extremely high.
本実施の形態ではナノワイヤの幅を200nmとしたが、ナノワイヤの幅を20nmとして電子密度を増大した素子の特性は実施の形態3で示す。
Although the nanowire width is 200 nm in this embodiment, the characteristics of the element in which the nanowire width is 20 nm and the electron density is increased are described in
<プラズマ波の出力のゲート電極本数依存性>
図1(a)のB−B’断面を図2(c)に示したように、ゲート電極は800nm程度のプラズマ波の周期Λで配置した。プラズマ波の利得の範囲内では、電極の周期Λを変化させることにより、周期と一致するようにプラズマ波の波長が変化する。従って、電極の周期を調整することでプラズモンの周波数や強度を変化させることができる。また、ゲート電極の幅(ゲート長)LはΛ/4である200nmとした。その結果、各ゲート電極下部に独立したプラズマ波が形成されて、プラズマ波の強度がゲート電極の数ngに比例して増大することが明らかとなった。
<Dependence of plasma wave output on the number of gate electrodes>
As shown in FIG. 2C, the BB ′ cross section of FIG. 1A is arranged with a plasma wave period Λ of about 800 nm. Within the range of the plasma wave gain, by changing the electrode period Λ, the wavelength of the plasma wave changes to coincide with the period. Therefore, the frequency and intensity of plasmons can be changed by adjusting the period of the electrodes. The width (gate length) L of the gate electrode was 200 nm, which is Λ / 4. As a result, it became clear that an independent plasma wave was formed below each gate electrode, and the intensity of the plasma wave increased in proportion to the number ng of the gate electrode.
図2を用いて、本発明と従来の発振素子の違いを詳しく説明する。図10のような非特許文献1で示されている発振素子の構造の場合、ゲート電極1は1本であり、図2(a)のようにゲート電極1下部には複数の次数のプラズマ波が生成されている。この場合のプラズマ波の出力はつぎのようになる。
The difference between the present invention and the conventional oscillation element will be described in detail with reference to FIG. In the case of the structure of the oscillation element shown in
P=CU0 2Wν0α2 (1)
ここで、Cはゲート電極下部の容量、U0はゲート電極下部においてチャネルに印加される電圧のDC成分、Wはナノワイヤの幅、ν0は電子の速度、αはゲート電極に印加される電圧をU=U0+U1exp(-iωt)として示したときの変調度α=U1/U0 (=AC成分/DC成分)で定義される。特許文献1や非特許文献2〜4には複数のゲート電極を有する素子が開示されているがいずれも図2(b)に示したように、ゲート電極1下部には複数の次数あるいは1波長に満たないプラズマ波が形成されている。
P = CU 0 2 Wν 0 α 2 (1)
Here, C is the capacitance under the gate electrode, U 0 is the DC component of the voltage applied to the channel under the gate electrode, W is the width of the nanowire, ν 0 is the velocity of electrons, and α is the voltage applied to the gate electrode. Is defined as a modulation degree α = U 1 / U 0 (= AC component / DC component) where U = U 0 + U 1 exp (−iωt).
ところで、式(1)の場合は、出力Pがゲート長L依存性を示さないことがわかる。しかしながら、本実施の形態では、この出力Pの式をゲート長Lの関数として次のように記述することで、出力がゲート長依存性を持つような記載が可能であることを明らかとすることができた。すなわち、
P=(CU0 2WL)・(ν0/L)・α2 = E・nm・α2 (2)
ここで、(2)式の右辺の積の第1項はゲート電極に蓄えられるエネルギーE = CU0 2WLとなり、第2項はゲート電極下部で行き来する電子の往復回数はnm=ν0/Lとなる。電極を分割しても電極のトータルの長さLは一定なので、電極に蓄えられるエネルギーEは一定となる。一方、電極の個数ngを増加させることにより、一個あたりの電極の長さはL/ngとなり、電子の往復回数はn'm=ng・ν0/Lとなる。その結果、
P'=E・n'm・α2=ng・P
となり、電磁波の出力はng倍となることがわかった。ここで、各電極下部で電子が正確に往復するためにはゲート電極1のソース2側は短絡となり、ドレイン電極3側は開放となっている必要がある。そこで、ゲート電極はプラズマ波の波長Λの間隔で配置するとともに、ゲート電極1の長さをΛ/4とすればよいということがわかった。ゲート電極1の周期をΛ/2としなかったのは、それぞれのゲート電極1を並列接続するために、同じ位相の電界がゲート電極に誘起されている必要があるからである。ゲート電極1をこのように配置することにより、各ゲート電極下部で独立して電子の往復運動が生じて、プラズマ波が生成されるために、プラズマ波の強度P’を電極の本数分であるng倍とすることができるのである。
By the way, in the case of Formula (1), it turns out that the output P does not show gate length L dependence. However, in this embodiment, by describing the expression of the output P as a function of the gate length L as follows, it is clarified that the output can be described as having a gate length dependency. I was able to. That is,
P = (CU 0 2 WL) · (ν 0 / L) · α 2 = E · n m · α 2 (2)
Here, the first term of the product on the right side of the equation (2) is energy E = CU 0 2 WL stored in the gate electrode, and the second term is the number of round trips of electrons traveling back and forth below the gate electrode is nm = ν 0. / L. Even if the electrodes are divided, the total length L of the electrodes is constant, so that the energy E stored in the electrodes is constant. On the other hand, by increasing the number n g of the electrodes, the length of one per electrode L / n g, and the reciprocal number of the electron becomes n 'm = n g · ν 0 / L. as a result,
P ′ = E · n ′ m · α 2 = n g · P
Thus, it was found that the output of the electromagnetic wave was ng times. Here, in order for electrons to reciprocate accurately under each electrode, the
プラズマ波の屈折率を評価した結果、半導体層における電子濃度nsが1012cm-2の場合には、屈折率neffが300程度となることを明らかにした。これは、半導体中の光の屈折率が3程度であることからすれば、100倍程度の極めて大きな値となっている。この知見が、プラズマ波素子のナノワイヤ構造を光学系の導波路としてとらえるという展開に結びついて、本願の基本的な考え方のベースができあがった。電子濃度nsを2×1012cm-2へと大きくした場合には、屈折率の電子濃度依存性はΔneff/Δns=−6×10-12となるため、neffは294へと減少する。このように屈折率と電子濃度の関係が明らかとなったことから、半導体層中のプラズマ波の周波数を1THz以上にする場合には、プラズマ波の周期Λが0.8μmとなり、ゲート電極はΛ/4である200nm程度でよいことがわかった。従来最高速度を実現しているInAlAs/InGaAs HEMTなどの場合であっても、ゲート長が200nmもあれば、ftやfmaxは300GHz程度と低くなってしまう。本実施の形態のプラズマ波発生素子では、ゲート長が200nmであっても1THz以上の電磁波を発生できるため、簡便なプロセスで超高周波を発生できるというメリットがある。 As a result of evaluating the refractive index of the plasma wave, it has been clarified that the refractive index n eff is about 300 when the electron concentration n s in the semiconductor layer is 10 12 cm −2 . This is an extremely large value of about 100 times because the refractive index of light in the semiconductor is about 3. This knowledge has led to the development of capturing the nanowire structure of the plasma wave device as a waveguide of an optical system, and the basis of the basic idea of the present application has been completed. If you increase the electron concentration n s to 2 × 10 12 cm -2 is the electron concentration dependence of the refractive index becomes Δn eff / Δn s = -6 × 10 -12, n eff is to 294 Decrease. Thus, since the relationship between the refractive index and the electron concentration has been clarified, when the frequency of the plasma wave in the semiconductor layer is 1 THz or more, the period Λ of the plasma wave is 0.8 μm, and the gate electrode is Λ / It was found that about 200 nm, which is 4, is sufficient. Even in the case of an InAlAs / InGaAs HEMT or the like that has conventionally achieved the maximum speed, if the gate length is 200 nm, ft and fmax are as low as about 300 GHz. The plasma wave generating element of this embodiment has an advantage that an ultra-high frequency can be generated by a simple process because an electromagnetic wave of 1 THz or more can be generated even when the gate length is 200 nm.
電磁波発生素子の作製方法の一例を図5に示す。Si基板5上にSiGe混晶4を成長した後、SiGeとSi基板の界面にO+イオンを注入して酸化膜層6として高温アニールを行った後、表面12を酸化する。その結果、Siと酸素が優先的に結合してSiGe層内のGe濃度が濃縮されて、SiO2よりなる絶縁膜6および12でサンドイッチされたGe薄膜4(膜厚が2〜10nm)よりなるGOI基板が作製される (a)。次に、絶縁膜12とGe薄膜をナノワイヤ構造4となるように、幅が200nmで間隔が110μmのストライプ状にドライエッチングする(b)。基板表面全体にSiO2よりなる絶縁膜7を堆積した後、レジストを塗布して電極部分を露光して除去し、銀を蒸着しリフトオフにより、ゲート長が200nmのゲート電極1を作製する(c)。ソース電極2とドレイン電極3をリフトオフにより形成する(d)。最後に図1(a)に示したように(図5には記載していない)、隣り合ったドレイン電極間に幅が10μm程度の高インピーダンスの金あるいは銅の導線で接続して容量結合部10を得る。この容量接合部10の長さはナノワイヤの間隔である110μmとなるが、これは図1(c)に示したように、導線の周囲の誘電率が4程度となることから、周波数が1.3THzの電磁波の波長となっている。一方、ナノワイヤの間隔を半波長とすれば、チップ面積を半分に減らすことができる(ナノワイヤが10本の場合は、トータルのゲート幅Wtotalは500μm程度)。この場合、互いに隣同士のナノワイヤは反対の位相のプラズマ波が発生することになるが、位相が反転しているだけなので周波数は同一となり、単一モードでの発振が可能となる。ナノワイヤの間隔をより狭めるためには、高インピーダンスのドレイン電極間の導線を直線ではなく図1(b)のフィルタ13のようにジグザグに折り返しても良い。また、折り返す場合は、折り返し数や導線の間隔を調整することで、結合効率を変化させることができる。
An example of a method for manufacturing an electromagnetic wave generating element is shown in FIG. After the SiGe
図6に、本実施の形態の電磁波発生素子と非特許文献で示された素子との性能比較を行った結果を示す。有効質量m*はGeを用いた場合、非特許文献1で使用しているInGaAsに比べて20%程度大きくなってしまう。しかしながら、非特許文献1および2はいずれも砒素(As)を使用していることから、砒素フリーにする場合には、有効質量がわずかに大きいがGeの使用が望まれる。非特許文献2の場合には、実効ゲート長Leffが0.1μm以下となっており、バンドギャップが小さく、直接遷移であるためアバランシェ降伏が発生して電圧U0を0.08V程度しか印加できない。ここで、実効ゲート長というのは、ゲート電極の長さLに対して、周囲に形成される空乏層の厚みδを含めてLeff=L+2δとしたものである。そのため、有効質量が0.042と極めて小さいにもかかわらず電磁波の出力は非特許文献1より小さくなっている。
FIG. 6 shows the result of performance comparison between the electromagnetic wave generating element of the present embodiment and the element shown in the non-patent literature. When Ge is used, the effective mass m * is about 20% larger than that of InGaAs used in
一方、Geの場合は間接遷移であるため、0.5V程度電圧を印加しても動作が不安定となることは無い。その結果、非特許文献1と本実施の形態とはほぼ同じ電子のドリフト速度v0の最大値となっている。トータルのゲート幅Wtotalは、従来は通常のHEMT素子をベースとしているために100μm程度であるが、本実施の形態の場合には200nm程度にナノワイヤ化している。図6の本願1にW=200nmの場合の結果を示す。変調度αはいずれも0.5程度である。シートキャリア密度は、200nm程度のナノワイヤの場合1012cm-2程度となる。ゲート電極の長さLeffは、プロセスの容易性を考えて200nmとした。デバイス長は500μmとした。その結果、ゲート電極の個数は1本のナノワイヤあたり625個となる。ゲート電極の周期は、ゲート電極の長さの4倍である0.8μmとした。また、ナノワイヤの本数nnは10本とした。その結果、非特許文献の出力P’が2mWであるのに対して、本実施の形態(本願1)では25mWと10倍以上となった。これは、導線を用いて注入同期を行ったことにより、位相の違いによるキャンセリングが抑制されたためである。また、共振器の性能を示すQ値も本実施の形態の場合は3となり、従来の1.2や1.8に比べておよそ2倍に増加した。このように、注入同期を行うことにより、Q値が向上することがわかった。
On the other hand, since Ge is an indirect transition, operation does not become unstable even when a voltage of about 0.5 V is applied. As a result, the
<ナノワイヤの幅を400nm以下とする理由>
以上の説明では、半導体層をナノワイヤ構造とすることによるキャリア濃度の増大に関して説明を行った。この場合はナノワイヤの幅を20nm以下とすることで大きな効果を得たが、ナノワイヤの幅が400nm以下の場合でも従来のようなゲート幅が100μmである場合に対して高い優位性を持っている。400nm以下のナノワイヤ構造とすることによるメリットを以下に説明する。本実施の形態では、周期的に配置した電極を用いることで出力の向上を確認したが、ナノワイヤ構造を有していない非特許文献1および2にこの周期的電極構造を用いた場合には、図7に示したように、プラズマ波の波面が大きく乱れることになる。以下、その理由について説明する。図7(a)に示したように、ゲート電極1とソース2を短絡することにより、半導体層に印加されるゲート電圧U0は、ソース側2で低く、ドレイン電極3側に行くにつれて大きくなっている。その結果、プラズマ波の速度sは
s = (eU0/m)1/2 (3)
で示されるように、U0と同様な傾向を示す。伝播しているプラズマ波の周波数fp(波長)は
fp = s / 4L (4)
と表されるが、ナノワイヤ内ではfpは変化しないので、sが増加した分Lを大きくする必要がある。その結果、図7(b)に示したように、プラズマ波の波面(点線で表示)は矢印で波面の方向を示したようにドレイン電極3にいくほど曲がることになる。プラズマ波は二次元電子ガス54内を往復するため、二次元電子ガス内には複数の波面を持つプラズマ波が混在し、図7(c)に示したようにモードが干渉しあって非常にたくさんのモードが存在することになる。このように、複数のモードが同時に存在した場合には、共鳴現象が生じにくく、Q値が低下してプラズマ波が不安定になるという問題があった。しかしながら、図7(d)に示したように、ナノワイヤの幅を半波長である400nm程度に狭くしてナノワイヤ形状4とすることにより、横方向のモードは1つしか存在できなくなる。また、図7(d)に示したように、波面が曲がることができなくなるために、ナノワイヤ全体で見ると部分的にプラズマ波の結合係数は低下するものの複数モードの発生は起こらない。その結果、安定したプラズマ波の発生が可能となる。このように、本実施の形態においてはナノワイヤの幅を20nmと200nmの2種類について示したが、ナノワイヤの幅をプラズマ波の波長の半分以下とすることにより、ゲート電圧の不均一性の影響を受けないプラズマ波の発生が可能となり、複数の電極によるプラズマ波の増大が可能となった。
<Reason for making nanowire width 400 nm or less>
In the above description, the increase in the carrier concentration due to the semiconductor layer having a nanowire structure has been described. In this case, a great effect was obtained by setting the width of the nanowire to 20 nm or less, but even when the width of the nanowire is 400 nm or less, it has a high advantage over the conventional case where the gate width is 100 μm. . The advantages of using a nanowire structure of 400 nm or less will be described below. In this embodiment, the improvement in output was confirmed by using periodically arranged electrodes, but when this periodic electrode structure is used in
s = (eU 0 / m) 1/2 (3)
In as indicated, showing the same tendency as U 0. The frequency fp (wavelength) of the propagating plasma wave is
fp = s / 4L (4)
Although fp does not change in the nanowire, it is necessary to increase L as s increases. As a result, as shown in FIG. 7B, the wavefront of the plasma wave (indicated by a dotted line) is bent toward the
<ナノワイヤの本数とQ値の関係>
ところで、複数のナノワイヤを平行に配置した場合、ゲート電極およびドレイン電極によって各ナノワイヤ内の電磁波が結合することになる。その結果、ナノワイヤ全体にわたって同じ位相のプラズマ波が形成されて、著しく高いQ値が得られる。すなわち、ゲート電極の周期に対応した周波数において極めて線幅の狭い電磁波が発生する。非特許文献1および2に示された電磁波発生素子の場合には半導体層が分割されていないので、複数の共振器に対して同期をとる構造になっていない。式(2)では、電磁波の強度として、電磁波の周波数に対する積分強度を示しているが、このように高いQ値が得られた場合には、特定の周波数における電磁波のピーク強度PPはQ値が低い場合に対して極めて大きくなる。例えば、nn本程度のナノワイヤにおいて同期をとった場合にはPP∝√nnの強度になると考えられるので、100本のナノワイヤの場合にはピーク強度においては1本の場合に対して、10倍の電磁波ピーク強度が得られることがわかった。
<Relationship between number of nanowires and Q value>
By the way, when several nanowire is arrange | positioned in parallel, the electromagnetic waves in each nanowire will couple | bond together by a gate electrode and a drain electrode. As a result, plasma waves with the same phase are formed throughout the nanowire, and a significantly high Q value is obtained. That is, an electromagnetic wave having a very narrow line width is generated at a frequency corresponding to the period of the gate electrode. In the case of the electromagnetic wave generating elements shown in
図6において、Q値を
Q=sτ√nn/Leff
で示したように、ナノワイヤ化してゲート電極の長さがΛ/4となるゲート電極を周期的に配置した電磁波発生素子において、ドレイン電極間で注入同期をとることにより、出力およびQ値を10倍と3倍程度に改善できることがわかった。また、プラズマ波の周波数fpは1.3THzとなり、非特許文献1と同程度の値となっており、ゲート長が200nmであっても1THz以上の電磁波を発生できるため、簡便なプロセスで超高周波を発生できることがわかった。
In FIG. 6, the Q value is expressed as Q = sτ√n n / L eff
In the electromagnetic wave generating element in which the gate electrode having a length of Λ / 4 is periodically arranged as a nanowire as shown in FIG. 8, the output and the Q value are set to 10 by taking injection locking between the drain electrodes. It was found that it can be improved to double and triple. Further, the frequency fp of the plasma wave is 1.3 THz, which is about the same value as that of
なお、本実施の形態において、ゲート電極として銀を含む多層膜としたが、プラズマ波が生じやすい材料であれば金やチタンやクロムなどの他の金属としても良い。 Note that in this embodiment mode, a multilayer film containing silver is used for the gate electrode; however, other materials such as gold, titanium, and chromium may be used as long as the material easily generates plasma waves.
(実施の形態2) <アンテナ素子を用いた場合>
実施の形態1では、ドレイン電極間に高インピーダンスの導線を設置することにより注入同期を行っていたが、この場合相互に電磁結合できるドレイン電極の間隔は最も離れている場合でも4本程度であった。しかしながら、図1(b)に示したようにドレイン電極に1/4波長程度の金属ワイヤを形成することで、アンテナ素子11として機能するため、少なくとも10本程度はなれたアンテナ素子間でも注入同期が可能であることがわかった。図1(b)では、ドレイン電極3の間はローパスフィルター13で結合しており、DCのドレイン電圧を印加できるようにしている。その結果、それぞれのナノワイヤ4を独立に動作させることが可能となっている。一方で、アンテナ素子11によりドレイン電極3は相互に結合している。実施の形態1の場合には同一位相のナノワイヤの塊が存在する場合には充分にキャンセリングを抑制できなかったが、本実施の形態の場合には、充分はなれたナノワイヤとも電磁結合できるために、充分にキャンセリングを抑制することができることがわかった。
(Embodiment 2) <When an antenna element is used>
In the first embodiment, injection locking is performed by installing a high-impedance conductor between the drain electrodes. In this case, the distance between the drain electrodes that can be electromagnetically coupled to each other is about four even when they are farthest apart. It was. However, as shown in FIG. 1 (b), by forming a metal wire of about ¼ wavelength on the drain electrode, it functions as the
また、実施の形態1の場合には、電磁波の半波長の場合でもナノワイヤの間隔を55μm程度に離す必要があったが、本実施の形態の場合、ダイポールアンテナとなっているため、アンテナ素子の間隔に関わらず電磁結合するためにナノワイヤをより密に配置することができるというメリットがある。本実施の形態では、ナノワイヤを2μmの間隔で50本配置して、トータルのゲート幅を100μmとすることができることがわかった。 In the case of the first embodiment, it is necessary to keep the distance between the nanowires to about 55 μm even in the case of the half wavelength of the electromagnetic wave. However, in the case of the present embodiment, the antenna element is a dipole antenna. There is an advantage that the nanowires can be arranged more densely for electromagnetic coupling regardless of the interval. In the present embodiment, it has been found that 50 nanowires can be arranged at intervals of 2 μm to make the total gate width 100 μm.
本実施の形態の素子の作製方法を以下に示す。ソース電極とドレイン電極を作製する図5(d)までは、実施の形態1と同じである。その後、100μm程度のレジストで全体を埋め込んだ後、ドレイン電極3上のレジストに直径が10μm程度の穴をドレイン電極に到達するまで形成する。本レジストは、フィルム上の厚膜のレジストを密着することで形成して、コンタクト露光で露光したのち、現像することで、高アスペクト比のレジスト形状を形成できる。最後に、ドレイン電極から電界メッキによりレジストの穴の中に金を堆積させ、直径が10μm程度で長さが80μm程度の金のアンテナ素子11を形成して電磁波発生素子を得る。
A method for manufacturing the element of this embodiment is described below. The process up to FIG. 5D for producing the source electrode and the drain electrode is the same as that of the first embodiment. Thereafter, the whole is filled with a resist of about 100 μm, and then a hole having a diameter of about 10 μm is formed in the resist on the
さらに、ドレイン電極から放射された電磁波をゲート電極に結合させる電磁波発生素子の構成を図8に示す。図8(a)の構造の場合は、ゲート電極をローパスフィルター13で接続している。その結果、ゲート電極同士は位相が反転していても良い状態となる。しかしながら、ドレイン電極3に形成されたアンテナ素子11と弱結合することにより、ドレイン電極の位相と同位相でゲート電極が振動する。その結果、ゲート電極全体が同一位相で動作することになる。さらに、図8(b)の構造とすることにより、ゲート電極同士の結合を増加することができる。また、ゲート電極とドレイン電極との結合も増加することができる。その結果、より安定してゲート電極にドレイン電極と同一位相の電磁波を結合することが可能となる。
Further, FIG. 8 shows a configuration of an electromagnetic wave generating element that couples an electromagnetic wave radiated from the drain electrode to the gate electrode. In the case of the structure of FIG. 8A, the gate electrodes are connected by the
(実施の形態3) <ナノワイヤの幅が20nm以下の場合>
実施の形態1ではナノワイヤの幅を20nm以上としたが、ナノワイヤの幅Wを20nm以下とした場合は、さらに電磁波の放射効率が向上する。電磁波の強度を本願2に示す。以下に、ナノワイヤの幅とプラズマ波の強度に関して詳しく説明する。
(Embodiment 3) <When nanowire width is 20 nm or less>
In
実施の形態1では、ナノワイヤの幅を200nmとしたが、ナノワイヤの幅を小さくしていくに従って、ナノワイヤ中の電子密度ns=CU0/eが増加する。一方、プラズマ波の強度は電子密度の関数として次のように表される。 In the first embodiment, the width of the nanowire is 200 nm. However, as the width of the nanowire is reduced, the electron density n s = CU 0 / e in the nanowire increases. On the other hand, the intensity of the plasma wave is expressed as a function of electron density as follows.
P = CU0 2Wν0α2 = e ns U0 Wν0 α2 (5)
式(5)から、電子密度nsに比例してプラズマ波の強度Pが増大することがわかる。ここで、図3を用いて電子密度の形状依存性に関して、再度詳しく説明する。ナノワイヤ4の幅を変化させた場合(a〜c)の電子分布を示す。実施の形態1に示したように半導体層の幅を20〜400nmとした場合は、キャリアは電極側であるナノワイヤ4―絶縁膜7界面に集中してチャネル8が形成される(a)。一方、本実施の形態のように、ナノワイヤ4の幅Wを20nm以下にすることにより、キャリアはナノワイヤ4の中心付近で最大値を持つようになる(b)。その結果、図3(d)で示したように、電子密度nsは(a)で示した実施の形態1に対して(b)のほうが20%程度大きくなった。さらに、基板5の表面をドーピングして導電層9を形成すると、基板側にもポテンシャル壁が形成されて電子の閉じ込めが強くなる。その結果、ナノワイヤのより中心付近に電子が集まることになり、(c)に示したように電子密度が実施の形態1に対して2倍程度に増加する。このように、ナノワイヤ4の幅を小さくすることにより電子密度を増加させることができた。
P = CU 0 2 Wν 0 α 2 = en s U 0 Wν 0 α 2 (5)
From equation (5), in proportion to the electron density n s It can be seen that the intensity P of the plasma waves is increased. Here, the shape dependence of the electron density will be described again in detail with reference to FIG. The electron distribution when the width of the
ここで、本実施の形態のように電子の分布がチャネル内部に閉じ込められた場合には半導体層の中心部に電子密度のピークが位置するために、プラズマ波は3次元の分散関係を持つと一般的には考えられるが、プラズマ波の分散の検討を行った結果、本実施の形態のようなナノワイヤの場合にはプラズマ波は1次元の分散関係を持つことが明らかとなった。さらに、1次元の分散関係は実施の形態1で示した2次元の分散関係と等価であることを明らかにすることができた。20nm以下のナノワイヤであっても式(5)を適応することが可能であり、プラズマ波の強度が電子密度に比例することがわかった。その結果、実施の形態1の2倍程度のプラズマ波強度が得られることを明らかにすることができた。 Here, when the electron distribution is confined inside the channel as in this embodiment, the peak of the electron density is located at the center of the semiconductor layer, so that the plasma wave has a three-dimensional dispersion relationship. Although generally considered, as a result of examining the dispersion of the plasma wave, it became clear that the plasma wave has a one-dimensional dispersion relationship in the case of the nanowire as in the present embodiment. Further, it has been clarified that the one-dimensional dispersion relation is equivalent to the two-dimensional dispersion relation shown in the first embodiment. It was found that even for nanowires of 20 nm or less, the formula (5) can be applied, and the intensity of the plasma wave is proportional to the electron density. As a result, it was clarified that the plasma wave intensity about twice that of the first embodiment can be obtained.
式(5)より、電子密度を大きくするほどCが大きくなり、出力Pが大きくなるため、ナノワイヤ4の幅Wを小さくすることで単位ナノワイヤ幅あたりのプラズマ波の出力を増大できる。ただし、ナノワイヤの本数を一定としてナノワイヤ4の幅Wのみを小さくすると式(5)からわかるように、プラズマ波のトータルの強度が低下する。そこで、トータルのプラズマ波の強度を強くするために、ナノワイヤ4の幅を小さくした分、ナノワイヤ4を平行に複数個配置する必要がある。ナノワイヤの幅Wを20nmとした場合は、キャリア密度nsが実施の形態1(本願1)の場合の2倍となる。その結果、ナノワイヤの幅が1/10になった分、ナノワイヤの本数を10倍にしなければならないところが、図6の本願2に示したように、5倍としただけで25mWを得られることがわかった。このときのQ値は6.7となり、Q値に関しても本願1にくらべて2倍以上に増加させることができた。
From equation (5), C increases as the electron density increases, and the output P increases. Therefore, by reducing the width W of the
(実施の形態4) <外部共振構造を用いた場合>
実施の形態1から3に示した電磁波発生素子の電磁波の線幅をより狭くして、ピーク強度PPを大きくするために、電磁波発生素子から放射された電磁波を外部で反射して再度アンテナ素子で結合することにより、Q値をさらに上げることができる。図9に反射板20よりなる空洞にプラズマ素子22を設置しておく。反射板とプラズマ波素子の間隔を電磁波の波長をλとしたときの半分であるλ/2(23)とすることにより、電磁波がプラズマ素子と結合する。ここで、電磁波の放射波25を空洞から取り出す部分に多孔構造26を形成していることにより、多孔構造で決まる特定の波長の電磁波のみ空洞から外部に取り出すことができる。この、多孔構造は、穴径を電磁波の波長の1/3程度とすることにより電磁波のスペクトル線幅を1/5程度とすることができる。多孔構造を透過できない波長の電磁波はすべて多孔構造により反射されるため、空洞内に大きなエネルギーが蓄積される。その結果、放射波の強度は電磁波の線幅が減少した分増大するため、プラズマ素子を単体で使用する場合に比べて5倍程度にピーク強度PPが増加することがわかった。本実施の形態で使用するプラズマ素子は、外部の電磁波と結合しやすい実施の形態2で示した構造が望ましい。
(Embodiment 4) <When using an external resonance structure>
And narrower electromagnetic waves of the line width of the electromagnetic wave generating element shown in
本発明にかかる電磁波発生素子は、複数のナノワイヤ半導体層と周期的ゲート電極を有し、ドレイン電極に注入同期を行うことで、ナノワイヤのばらつきに依存しない電磁波出力が得られる1THz程度の発振素子等として有用である。 An electromagnetic wave generating element according to the present invention has a plurality of nanowire semiconductor layers and a periodic gate electrode, and an oscillation element of about 1 THz, which can obtain an electromagnetic wave output independent of nanowire variations by performing injection locking on the drain electrode. Useful as.
1 ゲート電極
2 ソース電極
3 ドレイン電極
4 ナノワイヤ
5 基板
6 絶縁膜
7 絶縁膜
8 チャネル
9 導電層
10 容量結合部
11 アンテナ素子
12 絶縁膜
13 フィルタ
20 反射板
21 放射孔
22 プラズマ素子
23 λ/2
24 反射波
25 放射波
26 多孔構造
51 ゲート
52 ソース
53 ドレイン
54 二次元電子ガス
55 基板
56 クラッド層
57 バリア層
61 遅波回路
62 電子層コンタクト
63 正孔層コンタクト
64 二流体層
65 入力部
66 出力部
71 ゲート
72 ソース
73 ドレイン
74 第1の量子井戸
75 第2の量子井戸
76 二次元電子ガス
77 基板
78 バリア層
79 バリア層
81 発振器
82 結合回路
83 アンテナ
84 共振器
85 発振素子
86 フィードバック容量
87 出力マッチング回路
91 基本モード導波管アレイ
92 オーバーモード導波管
93 反射板
94 基本モード導波管
95 第1のインピーダンス整合器
96 第2のインピーダンス整合器
DESCRIPTION OF
24 reflected
82 Coupling circuit
83 Antenna
84 Resonator
85 Oscillator
86 Feedback capacity
87 Output matching circuit
91 Basic mode waveguide array
92 Overmode waveguide
93 Reflector
94 fundamental mode waveguide
95 First impedance matcher
96 Second impedance matcher
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