JP2018037521A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、半導体装置としてナノワイヤダイオードを例示し、その構成及び製造方法について図面を参照して詳細に説明する。
なお、図面において、図示の便宜上、相対的に正確な大きさ及び厚みに示していない構成部材がある。
図1は、本実施形態によるナノワイヤダイオードの主要構成を示す概略断面図である。図2は、図3は、本実施形態によるナノワイヤダイオード他の例について、電流経路を示す概略断面図である。
図4〜図6は、本実施形態によるナノワイヤダイオードの製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、図1と同様の構成部材については同符号を付す。
詳細には、例えば半絶縁性のGaAsで表面の結晶方位が(111)Bの基板21上に、例えばエピタキシャル成長法によりn+−GaAs層22を成長する。n+−GaAs層22は、n型不純物のドーズ量が5×1018cm-2程度で200nm程度の厚みに形成される。基板としては、GaAsの代わりに、Si、InP、GaAsの基板を用いても良い。基板は、高周波動作を考慮すると半絶縁性の方が望ましいが、半絶縁性でなくとも良い。
詳細には、絶縁膜23の開口23a内に、例えばエピタキシャル成長法によりn−InAsナノワイヤを0.5μm程度〜1.0μm程度、例えば0.5μm程度成長する。引き続き、不純物をドーピングしていないi−GaAsを例えば20nm程度成長する。以上により、第1半導体層11及び第2半導体層12が形成される。
詳細には、第1半導体層11及び第2半導体層12の側面を筒状に取り囲むように、例えばエピタキシャル成長法により横方向に成長する所定条件でn−InAsを成長する。以上により、第3半導体層13が形成される。
詳細には、第2半導体層12の上面に、例えばエピタキシャル成長法によりp+−GaSbナノワイヤを0.5μm程度〜1.0μm程度、例えば0.5μm程度成長する。以上により、第4半導体層14が形成される。この構造において、第3半導体層13と第4半導体層14とでは、バックワードダイオード動作するようにバンド間トンネルが生じることになる。ここで、バンド間トンネル電流が流れるのは、第3半導体層13の上面の周縁における接合面積が極めて小さい環状の接合部のみである。
詳細には、絶縁膜23をリソグラフィー及びエッチングにより加工し、絶縁膜23にn+−GaAs層22の表面の一部を露出する開口23bを形成する。
次に、開口23bから露出するn+−GaAs層22上に、蒸着及びリフトオフにより、例えばAuGe/Auを30nm程度/300nm程度の厚みに堆積する。以上により、カソード電極24が形成される。カソード電極24は、n+−GaAs層22を介して第1半導体層11及び第3半導体層13と電気的に接続される。
詳細には、絶縁膜23上に、第4半導体層14を埋め込む厚みに絶縁材料、例えばBCB(Benzocyclobutene)を形成する。第4半導体層14の先端が露出するまでBCBの表面をエッチバックにより平坦化する。以上により、保護絶縁膜25が形成される。
詳細には、第4半導体層14の先端上を含む保護絶縁膜25上に、蒸着及びリフトオフにより、例えばPt/Auを10nm程度/300nm程度の厚みに堆積する。以上により、アノード電極26が形成される。アノード電極26は、第4半導体層14と電気的に接続される。
以上により、本実施形態によるナノワイヤダイオードが形成される。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にナノワイヤダイオード及びその製造方法を例示するが、ナノワイヤダイオードの構成が異なる点で第1の実施形態と相違する。本実施形態では、ナノワイヤダイオードの構成をその製造方法と共に説明する。図7〜図9は、本実施形態によるナノワイヤダイオードの製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、第1の実施形態の図4〜図6と同様の構成部材については同符号を付す。
詳細には、例えば半絶縁性のGaAs(111)B基板21上に、例えばエピタキシャル成長法によりp+−GaSb層27を成長する。p+−GaSb層27は、p型不純物のドーズ量が1×1019cm-2程度で200nm程度の厚みに形成される。
詳細には、絶縁膜23の開口23a内に、例えばエピタキシャル成長法によりp+−GaSbナノワイヤを0.5μm程度〜1.0μm程度、例えば0.5μm程度成長する。引き続き、不純物をドーピングしていないi−GaAsを例えば20nm程度成長する。以上により、第4半導体層14及び第2半導体層12が形成される。
詳細には、第4半導体層14の上面に、例えばエピタキシャル成長法によりn−InAsナノワイヤを0.5μm程度〜1.0μm程度、例えば0.5μm程度成長する。以上により、第1半導体層11が形成される。
詳細には、第1半導体層11及び第2半導体層12の側面を筒状に取り囲むように、例えばエピタキシャル成長法により横方向に成長する所定条件でn−InAsを成長する。以上により、第3半導体層13が形成される。この構造において、第3半導体層13と第4半導体層14とでは、バックワードダイオード動作するようにバンド間トンネルが生じることになる。ここで、バンド間トンネル電流が流れるのは、第3半導体層13の上面の周縁における接合面積が極めて小さい環状の接合部のみである。
詳細には、絶縁膜23をリソグラフィー及びエッチングにより加工し、絶縁膜23にp+−GaSb層27の表面の一部を露出する開口23bを形成する。
次に、開口23bから露出するp+−GaSb層27上に、蒸着及びリフトオフにより、例えばPt/Auを10nm程度/300nm程度の厚みに堆積する。以上により、アノード電極28が形成される。アノード電極28は、p+−GaSb層27を介して第4半導体層14と電気的に接続される。
詳細には、絶縁膜23上に、第1半導体層11及び第3半導体層13を埋め込む厚みに絶縁材料、例えばBCBを形成する。第1半導体層11及び第3半導体層13の先端が露出するまでBCBの表面をエッチバックにより平坦化する。以上により、保護絶縁膜25が形成される。
詳細には、第1半導体層11及び第3半導体層13の先端上を含む保護絶縁膜25上に、蒸着及びリフトオフにより、例えばAuGe/Auを30nm程度/300nm程度の厚みに堆積する。以上により、カソード電極29が形成される。カソード電極29は、第1半導体層11及び第3半導体層13と電気的に接続される。
以上により、本実施形態によるナノワイヤダイオードが形成される。
本実施形態では、第1の実施形態と同様にナノワイヤダイオード及びその製造方法を例示するが、ナノワイヤダイオードの構成が異なる点で第1の実施形態と相違する。本実施形態では、ナノワイヤダイオードの構成をその製造方法と共に説明する。図10は、本実施形態によるナノワイヤダイオードの製造方法の主要工程を示す概略断面図である。なお、第1の実施形態の図4〜図6と同様の構成部材については同符号を付す。
続いて、図10(a)に示すように、第1半導体層11、第5半導体層31、及び第2半導体層12を形成する。
詳細には、絶縁膜23の開口23a内に、例えばエピタキシャル成長法によりn−InAsナノワイヤを0.5μm程度〜1.0μm程度、例えば0.5μm程度成長する。引き続き、不純物をドーピングしていないi−GaAsを例えば20nm程度成長する。引き続き、n−InAsを例えば50nm程度成長する。引き続き、不純物をドーピングしていないi−GaAsを例えば20nm程度成長する。以上により、第1半導体層11、第5半導体層31、及び第2半導体層12が形成される。
また、第2半導体層12と並んで第5半導体層31を1層以上形成することにより、バリア効果が増大し、電子(又はバンド間トンネル電流)が第3半導体層13により流れ易くなる。
本実施形態では、第1又は第2の実施形態によるナノワイヤダイオードを備えた、いわゆるIoT(Internet of Things)センサの駆動装置を例示する。図11は、本実施形態による駆動装置の概略構成を示す模式図である。
前記第1半導体層に接続された、電子障壁となる第2半導体層と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層の周囲を覆う第3半導体層と、
前記第2半導体層に接続された、ナノワイヤ状の第4半導体層と、
を備えており、
前記第3半導体層と前記第4半導体層とは、前記第2半導体層を介してトンネル接合していることを特徴とする半導体装置。
前記第1半導体層に接続された、電子障壁となる第2半導体層と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層の周囲を覆う第3半導体層と、
前記第2半導体層に接続された、ナノワイヤ状の第4半導体層と、
を形成し、
前記第3半導体層と前記第4半導体層とを、前記第2半導体層を介してトンネル接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第1半導体層に続いて、前記第1半導体層上に前記第2半導体層を形成し、
前記第2半導体層に続いて、前記第3半導体層を形成し、
前記第3半導体層に続いて、前記第4半導体層を形成することを特徴とする付記8〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第4半導体層に続いて、前記第4半導体層上に前記第2半導体層を形成し、
前記第2半導体層に続いて、前記第1半導体層を形成し、
前記第1半導体層に続いて、前記第3半導体層を形成することを特徴とする付記8〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記受信アンテナと接続されたダイオードと、
前記ダイオードと接続された平滑キャパシタと、
前記ダイオードと接続された電圧一定化回路と、
を含み、
前記ダイオードは、
ナノワイヤ状の第1半導体層と、
前記第1半導体層に接続された、電子障壁となる第2半導体層と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層の周囲を覆う第3半導体層と、
前記第2半導体層に接続された、ナノワイヤ状の第4半導体層と、
を備えており、
前記第3半導体層と前記第4半導体層とは、前記第2半導体層を介してトンネル接合していることを特徴とする駆動装置。
12 第2半導体層
13 第3半導体層
14 第4半導体層
21 基板
22 n+−GaAs層
23 絶縁膜
23a,23b 開口
24,29 カソード電極
25 保護絶縁膜
26,28 アノード電極
27 p+−GaSb層
31 第5半導体層
41 受信アンテナ
42 ダイオード
43 平滑キャパシタ
44 電圧一定化回路
45 出力端子
Claims (14)
- ナノワイヤ状の第1半導体層と、
前記第1半導体層に接続された、電子障壁となる第2半導体層と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層の周囲を覆う第3半導体層と、
前記第2半導体層に接続された、ナノワイヤ状の第4半導体層と、
を備えており、
前記第3半導体層と前記第4半導体層とは、前記第2半導体層を介してトンネル接合していることを特徴とする半導体装置。 - 前記第2半導体層は、前記第1半導体層と前記第4半導体層との間で電子がトンネルしない厚みに形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1半導体層は第1導電型であり、前記第3半導体層及び前記第4半導体層は第2導電型であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記第1半導体層は第1導電型であり、前記第3半導体層は第2導電型であり、前記第4半導体層はi型であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 基板の上方に、前記第1半導体層の先端を下面として立設されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 基板の上方に、前記第4半導体層の先端を下面として立設されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記第4半導体層と接続された前記第2半導体層と縦方向に並ぶように、電子障壁となる少なくとも1つの第5半導体層を備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- ナノワイヤ状の第1半導体層と、
前記第1半導体層に接続された、電子障壁となる第2半導体層と、
前記第1半導体層及び前記第2半導体層の周囲を覆う第3半導体層と、
前記第2半導体層に接続された、ナノワイヤ状の第4半導体層と、
を形成し、
前記第3半導体層と前記第4半導体層とを、前記第2半導体層を介してトンネル接合することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第2半導体層を、前記第1半導体層と前記第4半導体層との間で電子がトンネルしない厚みに形成することを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1半導体層を第1導電型に、前記第3半導体層及び前記第4半導体層を第2導電型に形成することを特徴とする請求項8又は9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1半導体層を第1導電型に、前記第3半導体層を第2導電型に、前記第4半導体層をi型に形成することを特徴とする請求項8又は9に記載の半導体装置の製造方法。
- 基板の上方に、前記第1半導体層を成長し、
前記第1半導体層に続いて、前記第1半導体層上に前記第2半導体層を形成し、
前記第2半導体層に続いて、前記第3半導体層を形成し、
前記第3半導体層に続いて、前記第4半導体層を形成することを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 基板の上方に、前記第4半導体層を成長し、
前記第4半導体層に続いて、前記第4半導体層上に前記第2半導体層を形成し、
前記第2半導体層に続いて、前記第1半導体層を形成し、
前記第1半導体層に続いて、前記第3半導体層を形成することを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第4半導体層と接続された前記第2半導体層と縦方向に並ぶように、電子障壁となる少なくとも1つの第5半導体層を形成することを特徴とする請求項8〜13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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