JP2006261386A - 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(HEMT)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電子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 (HEMT) effectively suppresses impurity scattering by using a two-dimensionally distributed two-dimensional electron gas, but it has been reported that a high-speed operation up to several hundred GHz is reported. The formation of the gate electrode requires an ultrafine processing technique of at least 30 nm or less. This is because charge (electron) movement is used for signal transmission, and the movement speed is limited by the electron 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8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(HFET、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8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9に示される正孔と電子、ある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。
Ideshita also proposed an electromagnetic wave amplifying device using the two-fluid instability phenomenon that occurs in a system in which two fluids, a heavy fluid consisting of holes and electrons, or heavy and light electrons, as shown in FIG. (See Patent Document 1). By using the
一方、本発明では図1(a)に示したようにナノワイヤ構造を用いているので、ナノワイヤ中のプラズモンを用いるデバイスの一般的技術水準を示す。プラズモンを用いた光変調器においてナノワイヤを使用する構造(図10)が提案されている(特許文献2参照)。この従来技術は、テラヘルツ波を発生するという目的は有していない。 On the other hand, since the present invention uses a nanowire structure as shown in FIG. 1 (a), the general technical level of a device using plasmons in the nanowire is shown. A structure (FIG. 10) using nanowires in an optical modulator using plasmons has been proposed (see Patent Document 2). This prior art does not have the object of generating terahertz waves.
さらに、本発明では複数の周期的に高いバンドギャップ(Eg)領域を有するナノワイヤを設けているので、ナノワイヤのヘテロ構造の一般的技術水準を示す。これらの従来技術はプラズマ波を発生するという目的は有していない。周期的高Eg領域を有するナノワイヤとして、図11(a)に示したようにJoan M. Redwingらにより、SiとSi1-xGex ( 0.12 < x < 0.25)を交互に配置したナノワイヤ構造(非特許文献3参照)が報告されている。また、図11(b)に示したようにL.J. LauhonらによりSiナノワイヤの周囲を同心円状にGe層で囲んだFET構造(非特許文献4参照)が報告されている。
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たりしている。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。また、特許文献1では図9に示したように、発振器ではなく増幅器であり、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。
In
この、出力が極めて小さくなってしまう原因は、ゲート電極の両端にプラズマ波の自由端と固定端を形成していたことによる。そこで、この課題を解決するために、ゲート電極の両端を用いないで、プラズマ波の自由端と固定端を形成する方法を考案した。詳しく説明するために、以下に上記課題により派生する問題点を示す。 The reason why the output becomes extremely small is that the free end and the fixed end of the plasma wave are formed at both ends of the gate electrode. In order to solve this problem, a method was devised in which the free end and the fixed end of the plasma wave are formed without using both ends of the gate electrode. In order to explain in detail, problems derived from the above-mentioned problems are shown below.
第1の問題点は、ゲート電極の長さを、プラズマ波の周期の1/4にすることにあった。その結果、ゲートの長さ(FETのゲート長に相当)は60nmと短くなり、ゲート電極で形成される容量が減少するので、プラズマ波のエネルギーが低下して、電磁波の強度が減少していた。 The first problem is that the length of the gate electrode is ¼ of the period of the plasma wave. As a result, the length of the gate (corresponding to the gate length of the FET) was shortened to 60 nm and the capacitance formed by the gate electrode was reduced, so the energy of the plasma wave was reduced and the intensity of the electromagnetic wave was reduced. .
第2の問題点は、ゲート電極の長さが60nmと短いため、ゲート幅が100μmの電極を幅方向にゲート長のばらつき無く形成することは極めて困難なことであった。そのためプラズマ波の周波数がばらついて、目的とした周波数の電磁波の強度が低下していた。そこで、電極の長さ以外の方法でプラズマ波の周波数を制御する方法が必要であった。 The second problem is that since the length of the gate electrode is as short as 60 nm, it is extremely difficult to form an electrode having a gate width of 100 μm in the width direction without variation in the gate length. For this reason, the frequency of the plasma wave varies, and the intensity of the electromagnetic wave having the target frequency is reduced. Therefore, a method for controlling the frequency of the plasma wave by a method other than the length of the electrode is required.
さらに、第3の問題点として、非特許文献2の構造の電磁波発生素子を動作させる場合には、ゲート電極51とソース電極52を短絡して、プラズマ波の節の部分を作る必要があった。その結果、ゲート電極のソース側には、電圧が十分印加されないため、電磁波の強度が低下するという問題があった。さらに、プラズマ波の速度が印加電圧の関数となっているために、短絡によってゲート電極下部のチャネルに印加されている電圧がばらつくため、プラズマ波の波面が乱れ、特にゲート幅が広い場合には、プラズマ波の周波数がばらついて、特定の周波数の電磁波の強度が低下していた。
Further, as a third problem, when the electromagnetic wave generating element having the structure of Non-Patent
付随した課題としては、従来の文献では、デバイス基板や結晶体の構成要素に砒素を含む化合物半導体を用いているために、環境に影響を及ぼしてしまうという問題があった。 As an accompanying problem, the conventional literature has a problem of affecting the environment because a compound semiconductor containing arsenic is used as a component of a device substrate or a crystal body.
以降は、本発明と従来技術の一般的技術水準の差異を簡単に説明する。 In the following, differences between general technical levels of the present invention and the prior art will be briefly described.
特許文献2は、図10に示したように高速スイッチングをするための光導波路を提供するものである。光導波部分が負誘電体媒質101と正誘電体媒質102よりなっているので、この光導波部分に光を導波させると、内部に表面プラズモンが形成される。この、表面プラズモンをキャリアとして、外部から高速変調信号を電極104に印加すると光導波部分に入射した光波を高速変調できるというものである。本発明は、外部から電磁波や光を照射しないタイプの電磁波発生素子を作製することを目的としているので、このような表面プラズモンを用いた方法とは異なる方式である。
非特許文献3に示した構造は、図11(a)に示したように周期的にエネルギーバンドギャップEgの異なる半導体であるSi層114とSiGe層11を交互に成長したナノワイヤであり、Siナノワイヤ中にGe濃度の高い領域115が形成されている。また、非特許文献4に示した構造は、図11(b)に示したようにSi114の周囲に同心円状にアンドープのi−Ge層117、絶縁膜118、p型にドーピングしたp−Ge層119を形成したもので、ナノワイヤの場合Si層114にGe層117をエピタキシャルに成長している。また、絶縁層上にもGe層119を成長している。しかしながら、これらはナノワイヤを用いたMOSFETを作製するための基礎的なプロセス技術を提供するだけで、ナノワイヤから電磁波を発生するデバイスへの使用を目的としていない。従って、MOSFET特性も十分に評価されておらず、プラズマ波の発生はまったく考慮されていないので、単にSiやGeおよびこれらのヘテロ構造をナノワイヤに導入した場合の基礎的検討結果を示しているに過ぎない。
The structure shown in Non-Patent Document 3 is a nanowire obtained by alternately growing
以下に、非特許文献3および非特許文献4で作製したデバイスで、プラズマ波による電磁波が検出されていない理由を説明する。
Hereinafter, the reason why electromagnetic waves due to plasma waves are not detected in the devices manufactured in Non-Patent Document 3 and Non-Patent
第1の理由としては、Si層とSiGe層の周期及び間隔が、プラズマ波の発生に適していないことがあげられる。本発明において、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。非特許文献3では、Si層114とSiGe層115よりなる1周期が2.5μm程度となっていることから、1周期の構造中に3波長程度のプラズマ波が励起されていると考えられ、本発明で示した半波長の6倍と極端に長くなっている。
The first reason is that the period and interval between the Si layer and the SiGe layer are not suitable for generating plasma waves. In the present invention, as a result of examining the refractive index of the plasma wave in the channel, it has been clarified that the refractive index is as high as about 300. In Non-Patent Document 3, since one cycle of the
第2の理由としては、Egが大きいSi層114の幅が1.5μm程度と長いことから、電子を次段のSiGe層115に注入するには大きなバリアを超える必要があるという問題がある。このようなナノワイヤ構造の中にはプラズマ波は形成されないと考えられる。
The second reason is that since the width of the
第3の理由としては、非特許文献3ではSiGe層115であっても、Si濃度が70%以上と高くなっていて、有効質量が大きなSiを基材として用いているので、プラズマ波が形成されにくくなっている。また、非特許文献4では、図11(b)に示したように中心部にSiナノワイヤ114が形成されており、直径を小さくして電子の分布を反転させて、ナノワイヤの中心の電子密度を大きくした場合は、非特許文献3の場合と同様に電子速度が小さいSi中に電子が集中することになり、プラズマ波が形成されないと考えられる。このように、Siを基材として使用した場合、電子の速度が小さいためにプラズマ波の強度が小さいくなったと思われる。
As a third reason, even in the
このように、プラズマ波の発生を目的とした高Eg領域の周期や幅および低Eg領域の組成が望ましい値をとっていないことから、プラズマ波の発生が考慮されていないことは明らかである。 Thus, since the period and width of the high Eg region and the composition of the low Eg region for the purpose of generating plasma waves do not take desirable values, it is clear that generation of plasma waves is not considered.
そこで、本発明ではナノワイヤ中に高Eg領域をプラズマ波の波長Λの半周期Λ/2で配置するとともに、高Eg領域の長さ(ゲート長L)を1nm以上で5nm以下とし、有効質量の小さなGeを低Eg領域とするナノワイヤを配置することで、ソース電極とゲート電極を短絡しなくても良いことを明らかにして、電磁波の強度を増大できることを示した。さらに、予期しない効果として高Eg領域の数とナノワイヤの数に比例して電磁波の増大が可能であることを明らかにした。 Therefore, in the present invention, the high Eg region is arranged in the nanowire with a half period Λ / 2 of the wavelength Λ of the plasma wave, and the length of the high Eg region (gate length L) is 1 nm or more and 5 nm or less. By placing nanowires with small Ge in the low-Eg region, it was clarified that the source electrode and the gate electrode do not need to be short-circuited, indicating that the electromagnetic wave intensity can be increased. Furthermore, as an unexpected effect, it was clarified that electromagnetic waves can be increased in proportion to the number of high-Eg regions and the number of nanowires.
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に示したようなナノワイヤで構成し、各ナノワイヤにはEgの高い領域(高Eg領域)35を複数個設置しており、高Eg領域はプラズマ波の半周期の長さに配置した。図2(b)に示したようにナノワイヤに導入された電子は、高Eg領域35を反射点39として反射点39間で振動するので、図2(c)に示したようにプラズマ波は高Eg領域に節を持つような振動を生ずることになり、プラズマ波の波長Λは高Eg領域の周期の2倍となる。その結果、ソース電極とゲート電極を短絡する必要がなくなり、プラズマ波の強度が増大することがわかった。
In order to solve the conventional problem, the electromagnetic wave generator of the present invention is composed of nanowires as shown in FIG. 1, and each nanowire is provided with a plurality of high Eg regions (high Eg regions) 35. The high-Eg region was arranged at the half-cycle length of the plasma wave. As shown in FIG. 2B, the electrons introduced into the nanowire vibrate between the reflection points 39 using the
ここで、低Eg領域34をGeナノワイヤとし、高Eg領域35をSiGeあるいはSiとし、高Eg領域35の幅はバンド障壁の効果が現れるとともに電子がトンネル伝導できるような厚みである1nm以上で5nm以下としているので、電子が注入されつつ反射されて、高Eg領域間でプラズマ振動を得ることが可能となる。ナノワイヤをVLS成長により形成することで、極めて制御性良く高Eg領域の位置をコントロールすることができるため、非特許文献2で行われているような電極の長さ(ゲート長)でプラズマ波の波長をコントロールする場合に対して、本発明の場合は極めて高い制御性が得られることがわかった。
Here, the low-
また、ナノワイヤの直径をプラズマ波の半波長以下にすることで、マルチモード化や波面の乱れを防ぐとともに、望ましくは20nm以下とすることにより、電子の分布が反転し、ナノワイヤ中央部では電子密度が急激に増加するので、プラズマ波強度が増大することがわかった。 In addition, by making the diameter of the nanowire less than half the wavelength of the plasma wave, multimode and wavefront disturbance are prevented, and preferably by making it 20 nm or less, the electron distribution is reversed, and the electron density is at the center of the nanowire. It has been found that the plasma wave intensity increases because of abrupt increase.
さらに予期しなかった効果として、プラズマ波の強度を高Eg領域の数だけ積分することが可能となり、極めて高い強度のプラズマ波が得られることがわかった。すなわち、非特許文献2ではゲート長が60nmの1本のゲート電極しか使用していない。その結果、ゲート長に対応して極めて微弱なプラズマ波しか放射されていなかった。本発明では、図6に示したようにゲート電極内部に高Eg領域35を用いることでプラズマ波の節を複数形成できることから、プラズマ波の波長に関わらずゲート電極を長くすることが可能となる。その結果、プラズマ波の強度を高Eg領域の数だけ積分できた。
Furthermore, as an unexpected effect, it became possible to integrate the intensity of plasma waves by the number of high-Eg regions, and it was found that extremely high-intensity plasma waves can be obtained. That is,
以上に述べた課題とその解決方法をまとめて示す。Geナノワイヤの内部に高Eg領域を形成することにより、次のような問題点が解決された。まず、ナノワイヤの直径を小さくすることにより電子密度が増大してプラズマ波強度が増大するだけでなく、高Eg材料を周期的に配置することで節の数だけプラズマ波強度が積算される予期しなかった効果により、低出力という第1の問題点が解決された。結晶成長を用いて高Eg領域と低Eg領域を作製しているので長さの精密なコントロールが可能となっており、電極の長さの精度が重要でなくなるとともに、長いゲート電極で良いことになりプロセスが簡便となって、第2の問題点が解決された。電極端で反射点を形成しないで高Eg領域で反射点を作製しているので、ゲート電極とソース電極を短絡する必要が無くなり、十分高い電圧をゲート電極に印加できるようになって、プラズマ波の強度が増大し、第3の問題点が解決された。環境に影響の無いGeナノワイヤとすることにより砒素フリーとなるとともに、化合物半導体並みの電子の移動度が得られるため、付随した問題点も解決されている。 The problems described above and their solutions are summarized. By forming a high-Eg region inside the Ge nanowire, the following problems were solved. First, it is expected that not only the electron density will increase by reducing the diameter of the nanowire, but the plasma wave intensity will increase, and the plasma wave intensity will be integrated by the number of nodes by periodically arranging high-Eg materials. The first problem of low output was solved by the effect that was not present. Since high-Eg and low-Eg regions are produced using crystal growth, precise control of the length is possible, and the accuracy of the electrode length is not important, and a long gate electrode is acceptable. As a result, the second problem has been solved. Since the reflection point is created in the high-Eg region without forming the reflection point at the electrode end, it is not necessary to short-circuit the gate electrode and the source electrode, and a sufficiently high voltage can be applied to the gate electrode. The third problem has been solved. By making Ge nanowires that do not affect the environment, arsenic becomes free, and electron mobility similar to that of compound semiconductors can be obtained.
電子の反転分布を用いた電子密度の増加と波面の安定化を目的に、プラズマ波デバイスにヘテロ構造を有するナノワイヤ構造を適応した。その結果、ナノワイヤ中に複数の周期的な高Eg領域を形成することで、プラズマ波強度が増加し、電極プロセスも簡便になった。 For the purpose of increasing the electron density and stabilizing the wavefront using the inversion distribution of electrons, we applied a nanowire structure with a heterostructure to the plasma wave device. As a result, by forming multiple periodic high-Eg regions in the nanowire, the plasma wave intensity increased and the electrode process was simplified.
前述のように本発明は、ナノワイヤを用いた電磁波発生装置において、ゲート電極下部のナノワイヤ中に周期的な高Eg領域を形成することで、予期しない効果として高Eg領域の数だけプラズマ波の強度増加する電磁波発生素子を提供する。また、ナノワイヤの直径を小さくすることにより、ナノワイヤ中の電子分布が反転して電子密度が向上してプラズマ波強度が増大するので、極めて高出力の電磁波発生素子を提供する。 As described above, in the electromagnetic wave generator using the nanowire, the present invention forms an periodic high-Eg region in the nanowire below the gate electrode, and as an unexpected effect, the intensity of the plasma wave is the same as the number of high-Eg regions. An increasing electromagnetic wave generating element is provided. Further, by reducing the diameter of the nanowire, the electron distribution in the nanowire is reversed, the electron density is improved, and the plasma wave intensity is increased. Therefore, an extremely high output electromagnetic wave generating element is provided.
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) <MOS構造>
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) <MOS structure>
FIG. 1 is a schematic diagram of an electromagnetic wave generating element according to
図1(a)のA−A‘断面に示したように、基板37上に絶縁層38を挟んで半導体ナノワイヤ47が配置されている。ここでは半導体ナノワイヤ47の作製において低Eg領域34にGe(Eg=0.66eV)を用い、高Eg領域35にSi(Eg=1.12eV)を用いているために、いわゆるSiとGeのヘテロ接合構造となっている。ここで、ナノワイヤの径が細くなるに従って、電子の閉じ込めがきつくなるので、高Eg領域にはSiGe化合物を用いた。高Eg領域のバンドギャップが大きすぎるとクーロンブロッケードが生じてしまう。そこで、ナノワイヤの直径dが20nm以下の場合には、Si(1-x)Ge(x)化合物のGeの組成(x)を次のように変化させた。
As shown in the AA ′ cross section of FIG. 1A,
x(%) = d(nm)×4+20±10 (ただしxは100%以上とならない)
この低Eg領域34および高Eg領域35よりなる半導体ナノワイヤ47をSiO2よりなる絶縁膜36で同心円状に囲み、その周りをポリSiやTiなどのゲート電極31でさらに同心円状に覆った、ナノワイヤ多層膜体となっている。このナノワイヤ多層膜体を、表面に絶縁膜38を堆積した基板37上に設置し、半導体ナノワイヤ47の両端を露出させた後、両側にソース電極32とドレイン電極33を蒸着している。最後にナノワイヤのゲート電極31と導通をとるためのゲート配線電極30を蒸着して、電磁波発生素子を得ている。
x (%) = d (nm) × 4 + 20 ± 10 (however, x does not exceed 100%)
A
図3を用いて、この電磁波発生素子の作製方法を説明する。半導体ナノワイヤは、VLS(気相−液相−個相)成長法により成長した。直径が10nm程度の金ドット93をSiO2などの絶縁膜42を堆積したSi基板41上に、107cm-2程度の密度に分散させておき、気相成長法(CVD法)で、半導体ナノワイヤを作製する。水素ガスをベースとして、原料としては2%のシランガスおよび2%のゲルマンガスを用いる。ドーピングガスとしては、n型とするために、100ppm水素希釈のホスフィンガスを用いた。アルシンを用いて砒素をドーピングガスとしても良い。ドーパントして砒素を添加した場合には、構成元素として使用する場合と異なり、自然界に存在する程度の砒素濃度以下であるため、環境への影響は無視してよいほど小さい。
A method for manufacturing the electromagnetic wave generating element will be described with reference to FIGS. The semiconductor nanowires were grown by VLS (vapor-liquid-single phase) growth method.
基板を300〜500℃に加熱して、5Torrの減圧状態においてシランガスを供給し、金ドット93を触媒としてSiナノワイヤを成長させた。ナノワイヤの直径は触媒として分散させた金ドットの直径とほぼ同じになる。ナノワイヤの成長速度は2から10nm/sであった。高Eg領域35としてSiナノワイヤを1μm程度成長した後、低Eg領域34としてGeナノワイヤを続けて0.4μm、高Eg領域としてSiナノワイヤを2nm、低Eg領域としてGeナノワイヤを0.4μm成長して、半導体ナノワイヤを得た(図3a)。次に、この半導体ナノワイヤを別のCVD装置内部で、シランガスと亜酸化窒素を原料として、350℃程度でSiO2膜を10nm堆積した。さらに、電子ビーム蒸着法により、チタンを100nm、金を500nm蒸着して、半導体ナノワイヤの外周部に同心円状に絶縁膜36およびゲート電極31よりなるナノワイヤ多層膜体を得た。絶縁膜38を堆積した基板37上に、このナノワイヤ多層膜体を配置した(図3b)。図3bの右側から見た図を図3fに示した。次に、半導体ナノワイヤと導通を取ることを目的として、縮小露光法によりレジストを用いてナノワイヤ多層膜帯の中心部を保護してヨウ素系エッチング液で5分間程度で金をエッチング除去した後、フッ酸を用いてチタンとSiO2をエッチング除去して半導体ナノワイヤの両端部を露出させた(図3c)。レジストを除去した後、再度レジストを塗布して、縮小露光法により半導体ナノワイヤの両端部のレジストを除去して、露出された半導体ナノワイヤの領域に銅、チタン、金よりなる多層膜をEB蒸着し、リフトオスによりソース電極32とドレイン電極33とゲート配線電極30を形成して電磁波発生素子を得た(図3d)。ここで、上方より見た構造を図3eに示した。
The substrate was heated to 300 to 500 ° C., silane gas was supplied in a reduced pressure state of 5 Torr, and Si nanowires were grown using
以下に、本実施の形態の電磁波発生装置を作製する上で注意すべき事項を説明する。半導体ナノワイヤ34は直径が20nm以下の構造となっている。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、単一横モード条件は十分満足している。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、ナノワイヤの直径は1nm以上にする必要がある。ナノワイヤ34の周囲はSiO2などによる絶縁膜36で覆って特に影響を受けやすいGeを周囲の湿度などによる影響から保護した。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ような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。
Below, the matter which should be careful when producing the electromagnetic wave generator of this Embodiment is demonstrated. The
<プラズマ波の出力のナノワイヤ本数依存性>
ナノワイヤ多層膜体は、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。ナノワイヤ多層膜体の本数は、3本以上にすることで、ナノワイヤ間の共鳴によりQ値が向上する。図14の表中の本願2に示したように、ナノワイヤの直径Wを4.6nm程度とした場合には、1μmの周期でナノワイヤを6本配置し、トータルのゲート幅Wtotalを6μmとした。本実施の形態では、ナノワイヤの直径を4.6nmとしたが、この場合は出力を化合物半導体の場合と同様の2mW程度とするにはナノワイヤの本数nnは6本程度必要であった。従って、ナノワイヤ本数を6本以上とすることにより、従来技術に対して大きな強度の電磁波を発生することができることがわかった。
<Dependence of plasma wave output on the number of nanowires>
A plurality of nanowire multilayer films may be formed, and the output of electromagnetic waves increases as the number of wires increases. By setting the number of nanowire multilayer films to 3 or more, the Q value is improved by resonance between nanowires. As shown in this
<プラズマ波出力のナノワイヤの直径依存性>
図13(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、ナノワイヤの直径が20nm以上の場合(RL)には、チャネル48がナノワイヤ47のゲート電極31側の側壁に形成される。一方、図13(b)に示したように、ナノワイヤの直径を20nm以下(RS)とすることにより、チャネル48は側壁を離れ、電子密度が最大となる部分はナノワイヤ47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、ナノワイヤの直径を3nm以下にすることにより、図13dに(c)で示したように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倍程度に電子密度を増加することができることがわかった。このように、ナノワイヤの直径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。
<Diameter dependence of plasma wave output nanowire>
FIGS. 13A to 13C show the electron distribution in the nanowire, and FIG. 3D shows the relationship of the electron density at each location of the nanowire structure of FIGS. As shown in FIG. 3A, when the diameter of the nanowire is 20 nm or more (R L ), the
ここで、電子密度を上げるためにナノワイヤの直径を20nm以下としたが、この場合には出力を化合物半導体と同程度にするにはナノワイヤが6本程度必要であった。ここで、ナノワイヤの直径を大きくして、本数を1本程度とした場合には、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1nm程度に細くして本数を30本以上に増やすにつれてナノワイヤの直径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1本から100本程度が適当であった。 Here, in order to increase the electron density, the diameter of the nanowire was set to 20 nm or less. In this case, about six nanowires were required to make the output comparable to that of the compound semiconductor. Here, when the diameter of the nanowire is increased and the number is about one, the output of the electromagnetic wave increases, but on the other hand, the Q value is reduced due to the decrease in the uniformity of the electron density inside the nanowire. descend. Further, as the number of nanowires is reduced to about 1 nm and the number thereof is increased to 30 or more, the phase shift due to the variation in the diameter of the nanowire becomes more significant. Therefore, about 1 to 100 nanowires were appropriate.
ところで、ドライエッチングなどによるトップダウンでナノワイヤ構造を作製する場合と異なり、ナノワイヤの場合はナノワイヤを1本づつ整列させる必要がある。同程度の高周波特性を得るためには、同程度の直径のナノワイヤが必要となるとともに、高Eg領域の周期も同程度とする必要がある。従って、ナノワイヤを用いてプラズマ波素子を作製する場合には、ナノワイヤの本数をむやみに増やすことができないため、1本のナノワイヤでも良好な特性が得られるように動作電圧などのナノワイヤの本数以外の条件を検討する必要があった。図14の本願1に示したように、ナノワイヤの本数nnを1とした場合には、ゲートに印加する電圧を0.5Vにした場合にはプラズマ波の出力が0.3mWと小さくなるという問題があった。そこで、ゲート電圧を上昇させることで2mW程度のプラズマ波の出力が得られないかを検討した。その結果、ゲート電圧を3.8Vとすれば2mWが得られることがわかった。本実施の形態の場合、高Eg領域で反射点を形成しているために、ゲート電極とソース電極を短絡する必要が無いために、ゲート電極には20V程度までは印加できる。このように、ナノワイヤを用いて反射点を形成することにより、プラズマ波の増大が容易に実現できることがわかった。
By the way, unlike the case of producing a nanowire structure by top-down by dry etching or the like, in the case of a nanowire, it is necessary to align the nanowires one by one. In order to obtain the same high-frequency characteristics, nanowires with the same diameter are required, and the period of the high-Eg region needs to be the same. Therefore, when producing a plasma wave device using nanowires, the number of nanowires cannot be increased unnecessarily, so that a good characteristic can be obtained with one nanowire other than the number of nanowires such as operating voltage. It was necessary to consider the conditions. As shown in the
図15に、ナノワイヤの本数nn、ゲート電圧Vgを変化させた時にプラズマなの周波数fpがどのように変化するかを示した。ここでは、プラズマ波の出力が2mWと一定となるように、高Eg領域の周期Leffを変化させてその時のプラズマ波周波数をシミュレーションしたものである。ここで、ゲート電極の長さLzは0.5mmと一定としているので、周期Leffが大きくなると形成できる高Eg領域の数ngが減少している。本願1の関係を白丸で示したように、ナノワイヤの本数nnを1とした場合には、高Eg領域の周期Leffを0.4μmとした場合、2mWのプラズマ波出力を得るには3.8Vのゲート電圧が必要であった。このときのプラズマ波の周波数fpは2THzとなった。図15に白丸で示したように、ゲート電圧を15Vとした場合にはプラズマ波周波数fpは1THz程度まで低下できた。また、ゲート電圧を1Vとするとプラズマ波周波数fpは4THz程度となった。このように、ナノワイヤを用いたプラズマ波素子では、2THz〜4THz程度は容易に発振させることができるが、2THz以下の発振周波数を得るには多少困難が生じた。従来のFETやHBTなどのデバイスでは動作周波数が高くなるにつれて出力が減少するという問題があったが、プラズマ波素子の場合には周波数を高くするに従って出力が増大した。このことからもプラズマ波素子がTHz帯の発振素子として極めて有望であることがわかる。
FIG. 15 shows how the frequency fp of plasma changes when the number of nanowires n n and the gate voltage V g are changed. Here, the plasma wave frequency at that time is simulated by changing the period L eff of the high Eg region so that the output of the plasma wave is constant at 2 mW. Here, since the length L z of the gate electrode is constant at 0.5 mm, the number ng of high-Eg regions that can be formed decreases as the period L eff increases. As shown the relationship between the
図15に、ナノワイヤの本数nnを変化させた場合の結果を黒丸で同様に示す。この場合は、図14の本願2に示したように、ゲート電圧は0.5Vと一定として、ナノワイヤの本数を1本から6本まで変化させた。本願1と同様に、プラズマ波の出力が2mWとなるように高Eg領域の周期Leffを変化させてその時のプラズマ波周波数をシミュレーションした。その結果、ナノワイヤの本数が1本の場合にはプラズマ波周波数が6THz程度となった。従って、プラズマ波周波数が6THz以上であれば、ナノワイヤが1本でも0.5Vのゲート電圧で2mW程度が得られた。ナノワイヤの本数依存性もゲート電圧依存性と同様にプラズマ波の周波数を低下させるにはナノワイヤの本数を増加する必要があった。ナノワイヤを3本とすることで2THzが得られるが、1THzとするには6本並列に並べる必要があった。ナノワイヤを並べるにはある程度困難なプロセス上の課題を解決する必要があるが、必要となるゲート電圧が急上昇しているのに比べてナノワイヤの本数は現実的レベルにとどまっており、ナノワイヤの本数を変化させるということは、より制御性の良い方法と考えられる。
Figure 15 shows similar results in the case of changing the nanowires number n n by black circles. In this case, as shown in
<プラズマ波の出力の高Eg領域の周期依存性>
図15では、プラズマ波の出力を一定とするために高Eg領域の周期を変化させた。図14の本願2の条件を用いて説明する。図2に示したように、高Eg領域は0.6μm程度のプラズマ波の周期Λの半分の長さΛ/2=Leffである0.3μmで配置した。プラズマ波の利得の範囲内では、高Eg領域の周期Λ/2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、高Eg領域の幅はトンネル電流が流れるように3nmとした。その結果、各高Eg領域を節としたプラズマ波が形成されて、プラズマ波の強度が高Eg領域の数ngに比例して増大することが明らかとなった。
<Period dependence of plasma wave power in high Eg region>
In FIG. 15, the period of the high-Eg region is changed in order to keep the plasma wave output constant. Description will be made using the conditions of the second application in FIG. As shown in FIG. 2, the high Eg region was arranged at 0.3 μm, which is a length Λ / 2 = L eff which is half the period Λ of the plasma wave of about 0.6 μm. Within the range of the gain of the plasma wave, the wavelength of the plasma wave changes so as to coincide with the period by changing the period Λ / 2 of the high Eg region. Therefore, the frequency and intensity of plasmons can be changed by adjusting the period of the electrodes. The width of the high Eg region was 3 nm so that a tunnel current could flow. As a result, it has been clarified that plasma waves having nodes in each high Eg region are formed, and the intensity of the plasma wave increases in proportion to the number ng of the high Eg region.
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8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51は1本であり、ゲート電極51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はナノワイヤの直径、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。
P = CU 0 2 Wν 0 α 2 (1)
Where 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 diameter of the nanowire, ν 0 is the velocity of the electrons, and α is the voltage applied to the gate electrode. U = U 0 + U 1 exp (-iωt)
Is defined by a modulation degree α = U 1 / U 0 (= AC component / DC component).
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項はゲート電極下部に蓄えられるエネルギーE = CU0 2WLとなり、第2項は高Eg領域間で行き来する電子の往復回数はnm=ν0/ Leffとなる。高Eg領域をもうけても電極の長さ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、高Eg領域の個数ngを増加させることにより、一個あたりの高Eg領域間の周期はLeff=L/ngとなり、電子の往復現象がずべての高Eg領域で独立して同時に生じているために、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、各高Eg領域間で電子が正確に往復するためには各高Eg領域で、電子が反射されて節となっている必要がある。そこで、高Eg領域はプラズマ波の波長Λの半分の間隔で配置した。図6に示すように、高Eg領域35を周期的に複数個配置することにより、各高Eg領域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’を高Eg領域の個数分である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 of the right side of the equation (2) is energy E = CU 0 2 WL stored in the lower part of the gate electrode, and the second term is the number of round trips of electrons traveling between the high-Eg regions is n m = ν 0 / L eff . Since the length L of the electrode is constant even if a high Eg region is provided, the energy E stored in the electrode is constant. On the other hand, by increasing the number ng of the high Eg regions, the period between the high Eg regions becomes L eff = L / ng , and the electron reciprocation phenomenon is simultaneously performed independently in all the high Eg regions. As a result, the number of electron reciprocations is 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 the electrons to reciprocate accurately between the high Eg regions, the electrons need to be reflected to form a node in each high Eg region. Therefore, the high Eg region was arranged at a half interval of the plasma wave wavelength Λ. As shown in FIG. 6, by periodically arranging a plurality of
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290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はGeナノワイヤを用いているために通常の3倍程度の3×1012cm-2となっている。この電子濃度を4×1012cm-2と増大させた場合には、屈折率の電子濃度依存性はΔneff/Δns=−6×10-12となるため、neffは284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0.6μmとなり、高Eg領域の周期はΛ/2である300nm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300nm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300nm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 290 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. The electron concentration n s is about 3 × 10 12 cm −2 , which is about three times that of normal because of using Ge nanowires. When this electron concentration is increased to 4 × 10 12 cm −2 , the dependence of the refractive index on the electron concentration becomes Δn eff / Δn s = −6 × 10 −12, and therefore n eff decreases to 284. To do. 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 set to 1 THz or more, the period Λ of the plasma wave is 0.6 μm, and the period of the high-Eg region is increased. It was found that Λ / 2 is about 300 nm. Even in the case of InAlAs / InGaAs HEMT that has achieved the highest speed in the past, if the gate length is 300 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 300 nm.
図14に、本実施の形態の電磁波発生素子と非特許文献1および2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。ここで、非特許文献1と非特許文献2において電磁波出力Pはそれぞれ2mWおよび0.5mWとなっているが、これらはいずれも理想的に得られる最高の出力である。実際にはこの10-6倍の出力しかえられていない。
FIG. 14 shows the results of performance comparison between the electromagnetic wave generating element of the present embodiment and the elements shown 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。ゲート幅W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4.6nmとナノワイヤ化している。図14の本願1にW=4.6nm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nsは、4.6nm程度のナノワイヤの場合、シートキャリア濃度の3倍程度に増大して3×1012cm-2程度となる。高Eg領域の周期Leffは、成長速度を考慮して400nmとした。ゲート電極の長さLzは500μmとした。その結果、高Eg領域の個数ngは1本のナノワイヤあたり350個となる。また、ナノワイヤの本数nnは1本とした。その結果、本実施の形態(本願1)では非特許文献の出力Pの2mWと同程度の出力が得られた。また、共振器の性能を示すQ値は本実施の形態の場合は1.5となり、従来の1.2に比べて増加した。以上の結果より、ナノワイヤの本数を1本以上とすることにより、従来技術に対してプラズマ波強度が増加した。
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
<ナノワイヤの直径を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直径を20nm以下とすることで大きな効果を得たが、ナノワイヤの直径が400nm以下の場合でも従来技術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、周期的に配置した高Eg領域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12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12(a)に示したように、ドレイン33とソース32に電界を印加して定常電流をえることにより、半導体層に印加されるゲート電圧U0は、ソース側32で低く、ドレイン電極33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12(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33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12(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12(d)に示したように、ナノワイヤの直径を半波長である400nm程度に狭くしてナノワイヤ形状47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12(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直径が4.3nmの場合について示したが、ナノワイヤの直径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 diameter 400nm 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 nanowire diameter to 20 nm or less. However, even when the nanowire diameter is 400 nm or less, it has a high advantage over the conventional case where the gate width is 100 μm. Yes. The advantages of having a nanowire structure of 400 nm or less will be described below. In the present embodiment, the improvement in output was confirmed by using the high-Eg region periodically arranged. However, 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. 12B, 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14の本願2において、Q値を
Q=sτ√nn/Leff
で示したように、6本のナノワイヤに対して高Eg領域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PおよびQ値を2.5倍と1.2倍程度に改善できた。また、プラズマ波の周波数fpは1THz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500μm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 this
As shown in Fig. 2, the output P and Q values are about 2.5 and 1.2 times higher by taking injection locking between the drain electrodes in the electromagnetic wave generating element in which the high-Eg region is periodically arranged for the six nanowires. I was able to improve. In addition, the frequency fp of the plasma wave is 1 THz, which is about the same value as that of
なお、本実施の形態において、ゲート電極を銅やチタンとしてとしたが、プラズマ波が生じやすい材料であれば金やクロムおよび銀を含む多層膜などの他の金属としても良い。 Note that although the gate electrode is made of copper or titanium in this embodiment mode, other metal such as a multilayer film containing gold, chromium, or silver may be used as long as it is a material that easily generates plasma waves.
<実施の形態1の変形例1> 共鳴トンネル構造
図1では、ソース側の高Eg領域35をソース電極32から0.4μmの長さに配置したSiナノワイヤを用いたが、図4に示したように、ソース側の高Eg領域35は共鳴トンネル構造としても良い。共鳴トンネル構造からは高いエネルギーを持った電子が半導体ナノワイヤ中に供給されるので、プラズマ波強度が増加する。本構造を作製する場合は、ナノワイヤ成長初期にシランガスを供給する代わりにゲルマンガスを供給して0.4μm程度Geナノワイヤを成長し、ゲルマンガスからシランガスにガス種を変更して、膜厚が2nmのSi層、膜厚が1nmのGe層、膜厚が2nmのSi層を順次ガスを切り替えながら成長し、その後ゲルマンガスを供給しながらGeナノワイヤを成長する。
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このように、ほとんどをGeナノワイヤで作製しており、Si層は数nmしか使用していないために、電子の速度が大きくなっており、熱飽和速度は通常のMOS構造の2.7×107cm-3より30%程度増加した。さらに、共鳴トンネル構造を用いることにより2倍程度の熱飽和速度5×107cm-3となり、プラズマ波強度が1.8倍に増加して3.6mWが得られることがわかった。 In this way, most are made of Ge nanowires, and since the Si layer uses only a few nm, the electron velocity is high, and the thermal saturation rate is 2.7 × 10 7 cm of the normal MOS structure It increased about 30% from -3 . Furthermore, it was found that by using a resonant tunneling structure, the thermal saturation rate was about 2 × 5 × 10 7 cm −3 , and the plasma wave intensity was increased 1.8 times to obtain 3.6 mW.
<実施の形態1の変形例2> 縦型プラズマ波素子
Si基板37上に絶縁膜を堆積することなく、金ドットを直接Si基板上に分散させれば、Si基板と導通を有するSiナノワイヤを形成することができる。その結果、図7に示したように、縦型のプラズマ波デバイスを作製することができる。この場合、分散させた金ドットの密度にナノワイヤを形成できるために、極めて多数のナノワイヤを形成することができる。その結果、プラズマ波の強度Pはナノワイヤの本数nnの関数として、P∝√nnとなることから、100本のナノワイヤを用いた構造を作製した場合、プラズマ波の出力は1本の場合に対して10倍になる。
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If gold dots are dispersed directly on the Si substrate without depositing an insulating film on the
この、縦型プラズマ波素子の作製方法を以下に示す。半導体ナノワイヤは、VLS成長法により成長された。直径が10nm程度の金ドットを直接Si基板41上に、107cm-2程度の密度に分散させておき、気相成長法(CVD法)で、半導体ナノワイヤを作製する。水素ガスをベースとして、原料としては2%のシランガスおよび2%のゲルマンガスを用いる。ドーピングガスとしては、n型とするために、100ppm水素希釈のホスフィンガスを用いた。基板を300〜500℃に加熱して、5Torrの減圧状態においてシランガスを供給し、金ドットを触媒としてSiナノワイヤを成長させる。ナノワイヤの直径は触媒として分散させた金ドットの直径とほぼ同じである。ナノワイヤの成長速度は2から5nm/sであった。絶縁膜を用いてないために、基板37上にもSiが堆積するが、VLS成長の成長速度の方が大きいために、相対的にナノワイヤが成長することになる。ただし、ナノワイヤの成長速度は半分程度に低下した。高Eg領域35としてSiナノワイヤを1μm程度成長した後、低Eg領域34としてGeナノワイヤを続けて0.4μm、高Eg領域としてSiナノワイヤを2nm、低Eg領域としてGeナノワイヤを0.4μm成長して、半導体ナノワイヤ47を得た。次に、この半導体ナノワイヤを別のCVD装置内部で、シランガスと亜酸化窒素を原料として、350℃程度でSiO2膜36を10nm堆積する。さらに、電子ビーム蒸着法により、チタンを100nm、金を500nm蒸着して、半導体ナノワイヤの外周部に同心円状に絶縁膜36およびゲート電極31よりなるナノワイヤ多層膜体を得る。このナノワイヤ多層膜体を倒さないようにSOG膜を堆積して埋め込み、CMP方によりSOG膜の上部を研磨していって、高Eg領域35を露出させ、ドレイン電極33を蒸着する。必要な領域のみSOG膜を残し、それ以外の領域のSOG膜を除去して、ソース電極32とゲート配線43をEB蒸着とリフトオフにより形成して、図7に示した電磁波発生素子を作成することができる。
A method for manufacturing this vertical plasma wave device will be described below. Semiconductor nanowires were grown by VLS growth method. Gold dots having a diameter of about 10 nm are directly dispersed on the
(実施の形態2) <ヘテロ構造>
実施の形態1では、ゲート電極31と半導体ナノワイヤ間に絶縁膜36を挿入しているが、この場合絶縁膜と半導体界面に形成されるチャネルにおける電子密度は、絶縁膜の誘電率や膜厚に依存するため、あまり大きな値が得られない。一方、図1(c)に示したように、絶縁膜36の部分をSiに置き換えることで、低Eg領域34を構成しているGeに対して大きなバンドギャップを持つ高Eg領域を形成することができる。この、高Eg領域の一部に高濃度ドーピング(δドーピング)46を行うことにより、HEMTのように高濃度高Eg領域43から低Eg領域34に、高濃度の電子を供給することが可能となる。成長中断を行ってドーピングガスを供給することでSi中にリンあるいは砒素を3×1012cm-2以上1013cm-2以下で望ましくは5×1012cm-2δドープしたδドープ領域46を形成する。δドープ領域46と低Eg領域34は3nm離した。ここで、砒素を用いているが、チップ全体に対する砒素の濃度は、自然界において存在している濃度以下となっているので、環境への懸念は無い。
(Embodiment 2) <Heterostructure>
In the first embodiment, the insulating
作製方法を以下に示す。半導体ナノワイヤ47の作製方法は実施の形態1と同様であるので省略する。図3aにおいて得られた半導体ナノワイヤを同一のCVD装置内部で、基板を450℃として、50Torrにおいてシランガスを供給し、アンドープSi層34を3nm堆積する。ここで、半導体ナノワイヤの外周部にアンドープSi層34を同心円状に成長するために、成長温度を5Torrから50Torrに増加させた。一旦成長中断して、ドーピングガスである1%ホスフィンあるいはアルシンを3分間供給し、リンあるいは砒素をδドープする。その後、ドーピングを停止して、シランガスのみを供給してアンドープSi層34をさらに20nm成長した。電子ビーム蒸着法により、チタンを100nm、クロムを100nm、金あるいは白金を500nm蒸着して、半導体ナノワイヤの外周部に同心円状のショットキー電極31よりなるナノワイヤ多層膜体を得た。このナノワイヤ多層膜体を絶縁膜38を堆積した基板37上に配置した(図3b)。以降の作製方法は実施の形態1と同様なので、省略する。
A manufacturing method is shown below. Since the manufacturing method of the
高濃度高Eg領域43を形成したことにより、低Eg領域34には、5×1012cm-2の電子が供給されるため、実施の形態1のプラズマ波デバイスより1.7倍高い強度の電磁波が得られることがわかった。
By forming the high-concentration high-
(実施の形態3) <ドーピング周期構造>
実施の形態1では高Eg領域を形成することによりプラズマ波の節を形成したが、同様に高ドープ領域を形成することによってもプラズマ波の節を形成できる。図5に、実施の形態3における電磁波発生素子の概略図を示す。半導体ナノワイヤのソース側に高ドープ領域44を形成するとともに、プラズマ波の半周期離れた位置に厚みが2nmの高ドープ領域44を形成した。それ以外の領域はアンドープ領域34である。高ドープ領域44では、電子の速度が著しく低下するので、プラズマ波の節が形成されるため、実施の形態1と同様にプラズマ波振動が得られることがわかった。
Embodiment 3 <Doping Periodic Structure>
In the first embodiment, the plasma wave node is formed by forming the high-Eg region. However, the plasma wave node can also be formed by forming the highly doped region. FIG. 5 shows a schematic diagram of the electromagnetic wave generating element in the third embodiment. A highly doped
作製方法を以下に示す。半導体ナノワイヤは、VLS(気相−液相−個相)成長法により成長された。直径が10nm程度の金ドットをSiO2などの絶縁膜42を堆積したSi基板41上に、107cm-2程度の密度に分散させておき、気相成長法(CVD法)で、半導体ナノワイヤを作製する。水素ガスをベースとして、原料としては2%のゲルマンガスを用いる。ドーピングガスとしては、n型とするために、100ppm水素希釈のホスフィンあるいはアルシンを用いた。基板を300〜500℃に加熱して、5Torrの減圧状態においてゲルマンを供給し、金ドットを触媒としてGeナノワイヤを成長させる。ナノワイヤの直径は触媒として分散させた金ドットの直径とほぼ同じになる。ナノワイヤの成長速度は2から10nm/sであった。高ドープ領域44としてリンを1018cm-3ドーピングしたGeナノワイヤを1μm程度成長した後、アンドープ領域34としてアンドープのGeナノワイヤを続けて0.4μm、高ドープ領域44としてゲルマンの供給を止めてホスフィンのみ3分間供給して3×1012cm-2以上1013cm-2以下で望ましくは5×1012cm-2にリンあるいは砒素をδドープしたドーピング領域を有するGeナノワイヤを1nm以上5nm以下で望ましくは2nm形成する。さらに、低ドープ領域としてアンドープのGeナノワイヤ34を0.4μm成長して、半導体ナノワイヤを得た(図3a)。以降の行程は、実施の形態1と同様なので省略する。
A manufacturing method is shown below. Semiconductor nanowires were grown by VLS (vapor-liquid-single phase) growth method. Gold dots having a diameter of about 10 nm are dispersed at a density of about 10 7 cm −2 on a
ここで、実施の形態でSiナノワイヤを部分的に使用していたのに対して、本実施の形態ではすべてGeナノワイヤを用いているため、電子の速度が速い状態でナノワイヤに注入されるため、プラズマ波の強度が増加するというメリットがあることがわかった。また、ゲルマンとドーピングガスでよく、シランを使用しなくてすむという利点もある。さらに、高Eg領域を形成する場合のようなクーロンブロッケード減少が生じにくくなるために、ソースドレイン電圧を減少することが可能となった。 Here, while Si nanowires were partially used in the embodiment, Ge nanowires are all used in the present embodiment, so that the electron velocity is injected into the nanowire in a high state, It has been found that there is an advantage that the intensity of the plasma wave increases. Further, germane and doping gas are sufficient, and there is an advantage that it is not necessary to use silane. Furthermore, since the Coulomb blockade is less likely to decrease as in the case of forming a high Eg region, the source-drain voltage can be reduced.
本発明にかかる電磁波発生素子は、半導体ナノワイヤと周期的高バンドギャップ(Eg)領域を有し、高Eg領域の周期をプラズマ波の周期の半分にすることで、高Eg領域の個数分加算された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。 The electromagnetic wave generating element according to the present invention has a semiconductor nanowire and a periodic high bandgap (Eg) region, and the number of high Eg regions is added by making the period of the high Eg region half the period of the plasma wave. It is useful as an oscillation element or the like of about 1 THz from which an electromagnetic wave output can be obtained.
30 ゲート配線
31 ゲート電極
32 ソース電極
33 ドレイン電極
34 低Eg領域
35 高Eg領域
36 絶縁膜
37 基板
38 絶縁膜
39 固定端
40 自由端
41 基板
42 絶縁膜
43 高濃度Eg領域
44 高ドープ領域
45 SOG
46 δドープ領域
47 半導体ナノワイヤ
48 チャネル
51 ゲート電極
52 ソース電極
53 ドレイン電極
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
101 負誘電体構造
102 正誘電体構造
103 半導体基板
104 電極
111 ゲート電極
112 ソース電極
113 ドレイン電極
114 Si
115 SiGe
116 金ドット
117 i−Ge
118 絶縁膜
119 p−Ge
30
46 δ doped
115 SiGe
116 gold dots 117 i-Ge
118 Insulating film 119 p-Ge
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005076797A JP2006261386A (en) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | Electromagnetic wave generating device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005076797A JP2006261386A (en) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | Electromagnetic wave generating device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006261386A true JP2006261386A (en) | 2006-09-28 |
Family
ID=37100289
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005076797A Pending JP2006261386A (en) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | Electromagnetic wave generating device |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2006261386A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009123332A1 (en) * | 2008-04-01 | 2009-10-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Planar tape |
WO2009100458A3 (en) * | 2008-02-08 | 2009-12-03 | Clean Cell International Inc. | Composite nanorod-based structures for generating electricity |
JPWO2016203341A1 (en) * | 2015-06-18 | 2018-06-14 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Semiconductor device |
-
2005
- 2005-03-17 JP JP2005076797A patent/JP2006261386A/en active Pending
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