JP2019153639A - Semiconductor device, receiver and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体デバイス、受信機及び半導体デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, a receiver, and a method for manufacturing a semiconductor device.
微小な縦型半導体デバイスを形成する手法として、ボトムアップにより半導体ナノワイヤを形成し、この半導体ナノワイヤをコアとして縦型半導体デバイスを形成する方法がある。半導体ナノワイヤは、半導体基板の表面に、半導体ナノワイヤが形成される領域に開口部を有するマスクを形成し、MOVPE(Metalorganic vapor phase epitaxy:有機金属気相成長)法による結晶成長により形成することができる(例えば、特許文献1)。 As a method for forming a minute vertical semiconductor device, there is a method of forming a semiconductor nanowire by bottom-up and forming a vertical semiconductor device using the semiconductor nanowire as a core. The semiconductor nanowire can be formed by forming a mask having an opening in a region where the semiconductor nanowire is formed on the surface of the semiconductor substrate and growing the crystal by a MOVPE (Metalorganic vapor phase epitaxy) method. (For example, patent document 1).
また、半導体ナノワイヤを用いた縦型半導体デバイスとしては、III−V族化合物半導体ナノワイヤを用いた縦型トランジスタ等が開示されている(例えば、非特許文献1)。 As vertical semiconductor devices using semiconductor nanowires, vertical transistors using III-V compound semiconductor nanowires are disclosed (for example, Non-Patent Document 1).
このような半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスでは、半導体基板の上の高濃度に不純物元素がドープされた導電性を有する半導体層の上に、半導体ナノワイヤが形成されている。この導電性を有する半導体層には、半導体デバイスの下部電極が接触しており、導電性を有する半導体層がコンタクト層となっている。 In such a semiconductor device using semiconductor nanowires, semiconductor nanowires are formed on a semiconductor layer having a conductivity doped with an impurity element at a high concentration on a semiconductor substrate. The semiconductor layer having conductivity is in contact with the lower electrode of the semiconductor device, and the semiconductor layer having conductivity is a contact layer.
ところで、半導体ナノワイヤは直径が小さく細長い形状のものであり、導電性を有する半導体層との接触面積は極めて狭く、半導体ナノワイヤと導電性を有する半導体層との接触部分における抵抗が高い。このため、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、良好な高周波特性等の電気的特性を得ることができない場合がある。 By the way, the semiconductor nanowire has an elongated shape with a small diameter, the contact area with the conductive semiconductor layer is extremely narrow, and the resistance at the contact portion between the semiconductor nanowire and the conductive semiconductor layer is high. For this reason, in a semiconductor device using semiconductor nanowires, there are cases where good electrical characteristics such as high-frequency characteristics cannot be obtained.
よって、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、電気的特性の良好なものが求められている。 Therefore, semiconductor devices using semiconductor nanowires are required to have good electrical characteristics.
本実施の形態の一観点によれば、化合物半導体により形成された半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された前記半導体基板の基板面より上方に延びる化合物半導体により形成された半導体ナノワイヤと、前記半導体基板の上の前記半導体ナノワイヤの周囲に、金属材料により形成された下部電極層と、前記下部電極層の上に形成された絶縁膜と、を有し、前記半導体ナノワイヤは前記半導体基板側の第1の導電型の第1のナノワイヤ領域と、前記第1のナノワイヤ領域に接触している前記半導体基板とは反対側の第2の導電型の第2のナノワイヤ領域とを有しており、前記半導体ナノワイヤの前記第1のナノワイヤ領域の前記半導体基板側の周囲は、前記下部電極層と接触していることを特徴とする。 According to one aspect of the present embodiment, a semiconductor substrate formed of a compound semiconductor, a semiconductor nanowire formed of a compound semiconductor extending above the substrate surface of the semiconductor substrate formed on the semiconductor substrate, A lower electrode layer formed of a metal material around the semiconductor nanowire on the semiconductor substrate; and an insulating film formed on the lower electrode layer, the semiconductor nanowire on the semiconductor substrate side A first nanowire region of the first conductivity type, and a second nanowire region of the second conductivity type opposite to the semiconductor substrate in contact with the first nanowire region. The periphery of the first nanowire region of the semiconductor nanowire on the semiconductor substrate side is in contact with the lower electrode layer.
開示の半導体デバイスによれば、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、電気的特性を良好にすることができる。 According to the disclosed semiconductor device, electrical characteristics can be improved in a semiconductor device using semiconductor nanowires.
発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。 Modes for carrying out the invention will be described below. In addition, about the same member etc., the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
〔第1の実施の形態〕
最初に、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、良好な電気的特性を得ることができない理由について説明する。
[First Embodiment]
First, the reason why good electrical characteristics cannot be obtained in a semiconductor device using semiconductor nanowires will be described.
図1は、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスとして、半導体ナノワイヤを用いたダイオード(ナノワイヤダイオード)について説明する。このナノワイヤダイオードは、半導体基板910の上に、導電性を有する導電性半導体層911が形成されており、この導電性半導体層911の上に、半導体ナノワイヤ920が、半導体基板910の基板面に略垂直に延びるように形成されている。
FIG. 1 illustrates a diode using a semiconductor nanowire (nanowire diode) as a semiconductor device using the semiconductor nanowire. In this nanowire diode, a
半導体基板910は、半絶縁性の半導体基板であり、不純物元素がドープされていないノンドープのGaAs基板が用いられている。不純物元素のドープされていないGaAs基板は抵抗が高いため、半絶縁性基板と呼ばれる。導電性半導体層911は、不純物元素としてSiが1×1018〜1×1019の濃度でドープされているn−GaAs層であり、このようにGaAsにSiを高濃度でドープすることにより導電性を得ることができる。
The
半導体ナノワイヤ920は、下部のn−InAs領域921と上部のp−GaAsSb領域922により形成されており、n−InAs領域921とp−GaAsSb領域922との間でpn接合が形成され、縦型のダイオードが形成される。
The
導電性半導体層911の上には、n側電極931が形成されており、半導体ナノワイヤ920のp−GaAsSb領域922の上部にはp側電極932が形成されている。また、導電性半導体層911の上には、半導体ナノワイヤ920及びn側電極931が形成されている領域を除く領域に、SiN等の絶縁膜940が形成されている。尚、p側電極932は、半導体ナノワイヤ920を成長させるための触媒となる金属であってもよいが、便宜上、p側電極932と記載する。
An n-
図1に示す構造のナノワイヤダイオードでは、一点鎖線1Aにより囲まれた導電性半導体層911と、半導体ナノワイヤ920の下部のn−InAs領域921との接触部分の抵抗が高くなる。具体的には、半導体ナノワイヤ920は、直径が約100nmの細長い形状のものである。従って、この場合における導電性半導体層911と、半導体ナノワイヤ920の下部のn−InAs領域921との接触面積、即ち、半導体ナノワイヤ920の底面921bの面積は、502×πnm2であり極めて狭い。よって、接触部分において抵抗が高くなる。
In the nanowire diode having the structure shown in FIG. 1, the resistance of the contact portion between the
このように、導電性半導体層911と半導体ナノワイヤ920の下部のn−InAs領域921との接触部分の抵抗が高いと、半導体デバイスにおいて、良好な高周波特性を得ることができず、また、消費電力が大きくなる。従って、図1に示される構造のナノワイヤダイオードでは、良好な電気的特性を得ることができない。
Thus, if the resistance of the contact portion between the
このため、ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、電気的特性が良好なものが求められている。 For this reason, semiconductor devices using nanowires are required to have good electrical characteristics.
(半導体デバイス)
次に、図2に基づき本実施の形態における半導体デバイスであるナノワイヤダイオードについて説明する。本実施の形態におけるナノワイヤダイオードでは、半導体基板10の上に、半導体ナノワイヤ20が上方に延びるように、例えば、半導体基板10の基板面に略垂直に延びるように形成されている。
(Semiconductor device)
Next, a nanowire diode that is a semiconductor device in the present embodiment will be described with reference to FIG. In the nanowire diode in the present embodiment, the
半導体基板10には、半絶縁性の半導体基板であり、不純物元素がドープされていないGaAs結晶基板が用いられている。
As the
半導体ナノワイヤ20は、下部のn−InAs領域21と上部のp−GaAsSb領域22により形成されており、n−InAs領域21とp−GaAsSb領域22との間でpn接合が形成され、縦型のダイオードが形成される。半導体ナノワイヤ20の直径は、40nm以上、500nm以下であり、より好ましくは、50nm以上、300nm以下であり、本実施の形態においては、約100nmとなるように形成されている。半導体ナノワイヤ20のp−GaAsSb領域22の上端にはp側電極51が形成されている。本願においては、n−InAs領域21を第1のナノワイヤ領域と記載し、p−GaAsSb領域22を第2のナノワイヤ領域と記載する場合がある。尚、p側電極51は、半導体ナノワイヤ20を成長させるための触媒となる金属であってもよいが、便宜上、p側電極51と記載する。
The
半導体ナノワイヤ20は全体の高さが1μm〜2μmであり、n−InAs領域21の高さが0.5〜1μm、p−GaAsSb領域22の高さが0.5〜1μmとなるように形成されている。半導体ナノワイヤ20は、半導体基板10の上に直接形成されており、半導体基板10において半導体ナノワイヤ20が形成されている面では、半導体ナノワイヤ20が形成されている領域を除き、下部電極層30となる金属膜により覆われている。尚、下部電極層30の上には、SiN等により絶縁膜40が形成されている。下部電極層30となる金属膜は、厚さが100nm〜300nmのAu膜であり、半導体ナノワイヤ20のn−InAs領域21の側面21cと接触している。半導体ナノワイヤ20のn−InAs領域21において、下部電極層30と接触している部分は、n−InAs領域21の他の部分よりも不純物濃度の高いn+−InAsにより形成された高濃度領域21aとなっている。
The
本実施の形態においては、半導体ナノワイヤ20のn−InAs領域21の側面21cにおいて、下部電極層30と接触しているが、この側面21cの接触している部分の高さをh、半導体ナノワイヤ20の半径をrとした場合、接触部分の面積は2πrhとなる。ここで、rを50nm、hを100nmとすると、1002×πnm2となる。一方、図1に示す構造の半導体デバイスでは、半導体ナノワイヤ920の下端となる底面921bの接触部分の面積はπr2であり、rを50nm、hを100nmとすると、502×πnm2となる。従って、本実施の形態における半導体デバイスは、図1に示す構造の半導体デバイスに比べて、接触面積を約4倍広くすることができ、この部分における抵抗を約1/4にすることができる。尚、半導体ナノワイヤ20の底面21bと半導体基板10との接触部分の面積はπr2であり、rを50nm、hを100nmとすると、502×πnm2である。
In the present embodiment, the
また、半導体ナノワイヤは直径がサブミクロン、具体的には、500nm以下であり、直径が大きくなると半導体ナノワイヤではなくなることから、半導体ナノワイヤの太さには上限があり、これに対応して、半導体ナノワイヤの底面の面積にも上限がある。更に、半導体ナノワイヤの直径を小さくすればするほど半導体ナノワイヤの直径も小さくなるため、この部分の抵抗が高く傾向が顕著となる。 In addition, the semiconductor nanowire has a submicron diameter, specifically, 500 nm or less, and since the semiconductor nanowire is not a semiconductor nanowire when the diameter increases, there is an upper limit on the thickness of the semiconductor nanowire. There is also an upper limit to the area of the bottom surface of. Furthermore, since the diameter of the semiconductor nanowire is reduced as the diameter of the semiconductor nanowire is reduced, the resistance of this portion is high and the tendency becomes remarkable.
しかしながら、本実施の形態においては、半導体ナノワイヤ20の側面21cにおいて下部電極層30が接触しているため、下部電極層30の厚さを厚くすれば、接触面積を増やすことができ、抵抗を低くすることができる。これにより、本実施の形態における半導体デバイスにおいては、高周波特性を向上させることや、消費電力を低くすること等が可能となり、電気的特性を向上させることができる。
However, in the present embodiment, since the
本実施の形態においては、高濃度領域21aを除く、n−InAs領域21では、n型となる不純物元素としてSnが1×1018cm−3以上、2×1019cm−3以下の濃度でドープされている。また、高濃度領域21aでは、n型となる不純物元素としてSnが3×1019cm−3以上、1×1021cm−3以下の濃度でドープされている。また、p−GaAsSb領域22では、p型となる不純物元素としてZnが1×1018cm−3以上、1×1020cm−3以下の濃度でドープされている。
In the present embodiment, in the n-
従って、高濃度領域21aにおける不純物元素の濃度は、高濃度領域21aを除くn−InAs領域21の不純物元素の濃度よりも高い。また、n−InAs領域21の高濃度領域21aの側面21cにおいて下部電極層30と接触しているため、この接触している部分の不純物濃度を高くして、オーミックコンタクトさせることにより、抵抗を低くすることができる。このように、n−InAs領域21の高濃度領域21aと下部電極層30とが接触している部分に、双方の材料によるアロイを形成することにより、抵抗を低くすることができる。
Therefore, the concentration of the impurity element in the
図3は、本実施の形態における半導体デバイスであるナノワイヤダイオードの構造を示すものである。このナノワイヤダイオードはナノワイヤバックワードダイオードであり、絶縁膜40の上に、BCB(ベンゾシクロブテン)等により樹脂層41が形成されている。樹脂層41は絶縁体であり、半導体ナノワイヤ20の上端と略同じ高さとなるように形成されている。絶縁膜40及び樹脂層41には、絶縁膜40及び樹脂層41を貫通する貫通孔が形成されており、この部分を埋め込むことにより下部電極層30と接触するn側電極31が形成される。また、半導体ナノワイヤ20のp−GaAsSb領域22の上端にはp側電極32が形成されている。樹脂層41は絶縁性を有しているため、絶縁膜40と樹脂層41とにより厚い絶縁層が形成される。
FIG. 3 shows a structure of a nanowire diode which is a semiconductor device in the present embodiment. This nanowire diode is a nanowire backward diode, and a
図3に示される構造のナノワイヤバックワードダイオードは、1本の半導体ナノワイヤ20により形成されているものであるが、これに限定されるものではない。本実施の形態における半導体デバイスは、例えば、複数の半導体ナノワイヤ20により形成されるナノワイヤバックワードダイオードであってもよい。また、ナノワイヤバックワードダイオードにおける半導体ナノワイヤを形成している材料はn−InAsとp−GaAsSbのヘテロ接合に限定されるものではなく、例えば、p−GaSb/GaAs/n−InGaAs等の構造のものであってもよい。
The nanowire backward diode having the structure shown in FIG. 3 is formed by one
(半導体デバイスの製造方法)
次に、本実施の形態における半導体デバイスの製造方法について説明する。
(Semiconductor device manufacturing method)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment will be described.
最初に、図4(a)に示すように、半導体基板10の上に、下部電極層30、絶縁膜40を形成する。
First, as shown in FIG. 4A, the
半導体基板10には、不純物元素がドープされていない半絶縁性(SI:semi-insulating)−GaAs(111)B基板が用いられている。
The
下部電極層30は、EB(electron beam)蒸着等により、膜厚が100nm〜300nmのAu膜を成膜することにより形成されている。
The
絶縁膜40は、成長マスクとなる層であり、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)により、膜厚が約50nmのSiN膜を成膜することにより形成されている。
The insulating
次に、図4(b)に示すように、半導体ナノワイヤ20が形成される領域に、下部電極層30、絶縁膜40に開口部を形成し、開口部において露出している半導体基板10の表面にAuSnにより触媒層50を形成する。具体的には、絶縁膜40の表面にEBレジストを塗布し、EB描画装置によるEB描画、現像を行うことにより、半導体ナノワイヤ20が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域の絶縁膜40及び下部電極層30をドライエッチングにより除去することにより、絶縁膜40及び下部電極層30に開口部を形成する。絶縁膜40を形成しているSiNはRIE(Reactive Ion Etching)等により除去し、下部電極層30を形成しているAu膜はAr等のイオンエッチングにより除去する。これにより、レジストパターンの形成されていない領域において、半導体基板10の表面を露出させる。この後、EB蒸着によりAuSn膜を成膜した後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターンの上に形成されたAuSn膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、開口部における半導体基板10の表面にAuSnにより触媒層50が形成される。このようにして形成される触媒層50は、半導体ナノワイヤの成長触媒となるものであり、直径は20nm〜100nmである。
Next, as shown in FIG. 4B, an opening is formed in the
次に、図5(a)に示すように、半導体ナノワイヤ20を例えばMOCVD(metal organic chemical vapor deposition)により形成する。半導体ナノワイヤ20を成長させる際の成長温度は、280℃〜300℃であり、AuSnの融点を超えているため、液滴化し、VLS(Vapor-Liquid-Solid)モード成長により、半導体ナノワイヤ20が形成される。尚、Auの融点は1064℃であり、半導体ナノワイヤ20の成長温度よりも低いため、半導体ナノワイヤ20の成長により、下部電極層30は変化することはない。即ち、本実施の形態においては、半導体ナノワイヤ20の成長温度は、触媒層50を形成しているAuSnの融点を超える温度であって、下部電極層30の融点未満の温度である。
Next, as shown in FIG. 5A, the
半導体ナノワイヤ20が成長し、上方に伸びていく際に、半導体ナノワイヤ20の側面が下部電極層30とが接触し、電気的に接続される。AuSnを触媒に用いた場合には、AuSnに含まれるSnのInAsへの固溶度が高く、AuのInAsへの固溶度は極めて低く無視することができるため、半導体ナノワイヤ20にはSnのみ取り込まれる。従って、不純物元素を意図的にドープしなくとも、不純物元素としてSnが高濃度にドープされているn+−InAsナノワイヤが半導体ナノワイヤ20の成長初期に形成される。本実施の形態においては、この部分が、下部電極層30と接触するn−InAs領域21の高濃度領域21aとなる。
When the
尚、AuSnにより形成される触媒層50が液滴化される際に、Auにより形成されている下部電極層30まで巻き込まれることのないように、開口部の径は、触媒層50の径よりも若干広く形成されていることが好ましい。開口部において触媒層50と下部電極層30との間に隙間があっても、半導体ナノワイヤ20が成長により上へ伸びる際には、横方向にもゆっくりと成長するため半導体ナノワイヤ20の直径も大きくなる。このため、半導体ナノワイヤ20は成長により下部電極層30に接触し、半導体ナノワイヤ20と下部電極層30とが電気的に接続される。
The diameter of the opening is smaller than the diameter of the
本実施の形態においては、n−InAs領域21を高さ、即ち、ナノワイヤ長が1μmとなるまで結晶成長させる。n−InAs領域21を形成する際の原料には、例えば、トリメチインジウム(TMIn)、アルシン(AsH3)が用いられる。また、n型となる不純物元素は、触媒層50であるAuSnに含まれるSnによりドープされるが、原料としてテトラメチルスズ(TMSn)を供給してもよく、また、シラン(SiH4)を供給することにより、n型となるSiをドープしてもよい。
In the present embodiment, the n-
この後、AsH3を供給したままの状態(AsH3雰囲気)で、基板をp−GaAsSbの成長温度である500℃〜550℃まで加熱する。この加熱により、下部電極層30を形成しているAuとn−InAs領域21との接触界面においてアロイ領域が形成される。
Thereafter, the substrate is heated to 500 ° C. to 550 ° C., which is the growth temperature of p-GaAsSb, with AsH 3 supplied (AsH 3 atmosphere). By this heating, an alloy region is formed at the contact interface between Au forming the
この後、この温度で、p−GaAsSb領域22を高さ、即ち、ナノワイヤ長が1μmとなるまで結晶成長させる。p−GaAsSb領域22を形成する際の原料には、例えば、トリエチルガリウム(TEGa)、アルシン(AsH3)、トリメチルアンチモン(TMSb)が用いられる。p−GaAsSb領域22を成長させる際には、同時にジエチル亜鉛(DEZn)が供給されており、これにより、p−GaAsSb領域22にはp型となる不純物元素としてZnがドープされる。p−GaAsSb領域22におけるZnの濃度は、例えば、1×1018cm−3以上、1×1020cm−3以下の濃度である。
Thereafter, at this temperature, the p-
本実施の形態においては、ドーピングされる不純物元素の濃度とバンドギャップとを適切に制御することにより、トンネル接合が形成され、バックワードダイオードを形成することができる。 In this embodiment mode, a tunnel junction is formed and a backward diode can be formed by appropriately controlling the concentration of impurity elements to be doped and the band gap.
次に、図5(b)に示すように、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)法により、例えば膜厚が5nm〜10nmの酸化アルミニウム(AlO)膜を成膜することにより、パッシベーション膜となる絶縁膜60を形成する。これにより、触媒層50、半導体ナノワイヤ20の側面、絶縁膜40の上は、形成された絶縁膜60により覆われる。
Next, as shown in FIG. 5B, the passivation film and the passivation film are formed by, for example, forming an aluminum oxide (AlO) film having a film thickness of 5 nm to 10 nm by an atomic layer deposition (ALD) method. An insulating
次に、図6(a)に示すように、絶縁膜60の上の全面に樹脂層41を形成する。具体的には、スピンコーターによりBCB等を塗布した後、加熱し熱硬化させることにより、樹脂層41を形成する。これにより、半導体ナノワイヤ20が形成されている領域を含み絶縁膜60の上が樹脂層41により覆われる。
Next, as illustrated in FIG. 6A, a
次に、図6(b)に示すように、樹脂層41、絶縁膜60の一部及び触媒層50をエッチバックにより除去し、p−GaAsSb領域22の上端を露出させ、p−GaAsSb領域22の上にp側電極32を形成する。具体的には、樹脂層41、絶縁膜60の一部及び触媒層50をエッチバックにより除去し、半導体ナノワイヤ20のp−GaAsSb領域22の上端を露出させる。このエッチバックはドライエッチングにより行う。この後、エッチバックされた樹脂層41及びp−GaAsSb領域22の表面に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、p側電極32が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、真空蒸着により、AuZn膜を成膜し、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されたAuZn膜をレジストパターンとともに、リフトオフにより除去する。これにより、残存するAuZn膜によりp側電極32が形成される。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、図7(a)に示すように、樹脂層41、絶縁膜60、絶縁膜40を貫通する開口部41aを形成し、開口部41aにおいて、下部電極層30の表面を露出させる。具体的には、樹脂層41及びp側電極32の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、開口部41aが形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域における樹脂層41、絶縁膜60、絶縁膜40をドライエッチングにより除去することにより、下部電極層30の表面を露出させて開口部41aを形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
Next, as shown in FIG. 7A, an
次に、図7(b)に示すように、開口部41aをAu膜により埋め込むことにより、n側電極31を形成する。具体的には、n側電極31が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成し、Auメッキにより、開口部41aにおいて露出している下部電極層30の上に、Au膜を堆積させることによりn側電極31を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
Next, as shown in FIG. 7B, the n-
以上の工程により、本実施の形態における半導体デバイスを製造することができる。 Through the above steps, the semiconductor device in the present embodiment can be manufactured.
(変形例1)
本実施の形態における半導体デバイスは、図8に示されるように、n−InAs領域21において高濃度領域21aが設けられていない構造のものであってもよい。このような構造の半導体デバイスであっても、半導体ナノワイヤ20のn−InAs領域21と下部電極層30との接触面積が広いため、この部分の抵抗を低くすることができる。また、n−InAs領域21の全体においてn型となる不純物元素の濃度を高くした構造のものであってもよい。
(Modification 1)
The semiconductor device in the present embodiment may have a structure in which the
(変形例2)
また、本実施の形態における半導体デバイスは、図9に示されるように、半導体基板10の上に、絶縁膜42を形成し、絶縁膜42の上に、下部電極層30を形成した構造のものであってもよい。半導体基板10と下部電極層30との間に絶縁膜42を形成することにより、半導体基板10と下部電極層30とが直接接触することを避けることができ、また、半導体基板10と下部電極層30との間の絶縁性を高くすることができる。このため、加熱した場合であっても、半導体基板10に含まれるGaAsと下部電極層30に含まれるAuとのアロイ化を防ぐことができる。
(Modification 2)
Further, as shown in FIG. 9, the semiconductor device in the present embodiment has a structure in which an insulating
〔第2の実施の形態〕
(半導体デバイス)
次に、第2の実施の形態における半導体デバイスであるナノワイヤトランジスタについて図10及び図11に基づき説明する。尚、図10は、本実施の形態におけるナノワイヤトランジスタの断面図であり、図11は、絶縁膜40及び樹脂層140を透過した斜視図である。図11においては、便宜上、絶縁膜60は省略されている。本実施の形態におけるナノワイヤトランジスタでは、半導体基板10の上に、半導体ナノワイヤ20が、半導体基板10の基板面に略垂直に延びるように形成されている。樹脂層140は絶縁性を有しており、絶縁膜40、絶縁膜60の一部、樹脂層140とにより厚い絶縁層が形成される。
[Second Embodiment]
(Semiconductor device)
Next, a nanowire transistor that is a semiconductor device in the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a cross-sectional view of the nanowire transistor in the present embodiment, and FIG. 11 is a perspective view through the insulating
半導体ナノワイヤ20は、下部のn−InAs領域21と上部のp−GaAsSb領域22により形成されており、半導体ナノワイヤ20の側面は絶縁膜60により覆われている。n−InAs領域21とp−GaAsSb領域22との接合部分と略同じ高さ位置には、絶縁膜60を介しゲート電極層130が形成されており、ゲート電極層130にはゲート電極131が接続されている。半導体ナノワイヤ20のp−GaAsSb領域22の上端にはソース電極132が形成されており、半導体ナノワイヤ20のn−InAs領域21の下端の近傍の側面は、下部電極層30と接触しており、下部電極層30はドレイン電極133と接続されている。
The
(半導体デバイスの製造方法)
次に、本実施の形態における半導体デバイスの製造方法について説明する。
(Semiconductor device manufacturing method)
Next, a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment will be described.
最初に、図12(a)に示すように、半導体基板10の上に、下部電極層30、絶縁膜40を形成する。
First, as shown in FIG. 12A, the
次に、図12(b)に示すように、半導体ナノワイヤ20が形成される領域において、下部電極層30、絶縁膜40に開口部を形成し、開口部において露出している半導体基板10の表面にAuSnにより触媒層50を形成する。
Next, as shown in FIG. 12B, in the region where the
次に、図13(a)に示すように、触媒層50を用いて半導体ナノワイヤ20を例えばMOCVDにより形成する。
Next, as shown in FIG. 13A, the
次に、図13(b)に示すように、原子層堆積法により、例えば膜厚が5nm〜10nmの酸化アルミニウム(AlO)膜を成膜することにより、パッシベーション膜となる絶縁膜60を形成する。
Next, as shown in FIG. 13B, an insulating
次に、図14(a)に示すように、絶縁膜60の上に樹脂層141を形成する。樹脂層141は、BCB等により形成されており、n−InAs領域21とp−GaAsSb領域22との接合部分よりも若干下の位置の高さとなるように形成する。
Next, as illustrated in FIG. 14A, a
次に、図14(b)に示すように、半導体ナノワイヤ20を覆っている絶縁膜60の上、及び、半導体ナノワイヤ20の周囲の樹脂層141の上にAu等により金属膜130aを形成する。具体的には、樹脂層141の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、金属膜130aが形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、真空蒸着により金属膜を成膜し、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上の金属膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、半導体ナノワイヤ20を覆っている絶縁膜60の上、及び、半導体ナノワイヤ20の周囲の樹脂層141の上に金属膜130aが形成される。
Next, as shown in FIG. 14B, a
次に、図15(a)に示すように、n−InAs領域21とp−GaAsSb領域22との接合部分の近傍で絶縁膜60と接している部分を除き、金属膜130aを一部除去し、ゲート電極層130を形成する。具体的には、フォトレジストを塗布し、露光、現像をすることにより、半導体ナノワイヤ20が形成されている領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ar等のイオンエッチングにより、フォトレジストの形成されていない領域において露出している金属膜130aを除去し、この部分の絶縁膜60を露出させる。これにより、残存する金属膜130aによりゲート電極層130が形成される。この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。
Next, as shown in FIG. 15A, a part of the
次に、図15(b)に示すように、樹脂層141及びゲート電極層130の上に、樹脂層142を形成する。樹脂層142は、BCB等により形成されており、半導体ナノワイヤ20が形成されている領域を含み絶縁膜60の上は樹脂層142に覆わる。このように形成された樹脂層141と樹脂層142により樹脂層140が形成される。
Next, as illustrated in FIG. 15B, the
次に、図16に示すように、ゲート電極131、ソース電極132、ドレイン電極133を形成する。具体的には、樹脂層141及び触媒層50をエッチバックにより除去し、p−GaAsSb領域22の上端を露出させ、p−GaAsSb領域22の上にソース電極132を形成する。この後、樹脂層140に、ゲート電極131及びドレイン電極133が形成される領域に開口部を形成する。この際形成される開口部は、ゲート電極131が形成される領域の開口部の底面では、ゲート電極層130の表面が露出しており、ドレイン電極133が形成される領域の開口部の底面では、下部電極層30の表面が露出している。この後、各々の開口部をメッキにより埋め込むことにより、ゲート電極131及びドレイン電極133を形成する。
Next, as shown in FIG. 16, a
以上の工程により、本実施の形態における半導体デバイスを製造することができる。 Through the above steps, the semiconductor device in the present embodiment can be manufactured.
〔第3の実施の形態〕
次に、第3の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態におけるナノワイヤダイオードを用いた電波受信機、及び、発電機である。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described. The present embodiment is a radio wave receiver and a generator using the nanowire diode in the first embodiment.
図17に示されるように、本実施の形態における電波受信機210は、第1の実施の形態におけるナノワイヤダイオードを有する大容量無線通信システムの電波受信機である。この電波受信機210は、受信アンテナ211、ローノイズアンプ212、ナノワイヤダイオード200、インダクタ213、及び、出力端子を有している。ナノワイヤダイオード200には、第1の実施の形態におけるナノワイヤダイオードが用いられている。
As shown in FIG. 17, the
この電波受信機210では、受信アンテナ211はローノイズアンプ212の入力に接続されており、ローノイズアンプ212の出力には、ナノワイヤダイオード200のアノード、及び、インダクタ213の一方の端子に接続されている。ナノワイヤダイオード200のカソードは接地されており、インダクタ213の他方の端子には出力端子が接続されている。
In this
受信アンテナ211において受信された電波は、ローノイズアンプ212で増幅され、ナノワイヤダイオード200で半波整流され、インダクタ213でインピーダンス整合されて、出力端子から出力される。
The radio wave received by the receiving
ナノワイヤダイオード200は、従来のダイオードよりも接合容量が小さく、テラヘルツ波帯領域までの電波を受信することができる。ナノワイヤダイオード200の優れた高周波特性により、信頼性の高い大容量無線通信ネットワークシステムを実現することができる。尚、複数のナノワイヤを束ねて用いることにより十分な機械的強度を得ることも可能である。
The
また、図18に示されるように、本実施の形態における発電機220は、第1の実施の形態におけるナノワイヤダイオードを用いたIoT(Internet of Things)センサの発電機である。この発電機220は、受信アンテナ221、ナノワイヤダイオード201及び202、平滑キャパシタ222、電圧一定化回路223、出力端子等を有している。発電機220では、受信アンテナ221は、ナノワイヤダイオード201のカソード及びナノワイヤダイオード202のアノードが接続されており、ナノワイヤダイオード201のアノードは接地されている。ナノワイヤダイオード202のカソードには、平滑キャパシタ222の一方の端子、及び、電圧一定化回路223の入力に接続されており、電圧一定化回路223の出力が出力端子に接続されている。尚、平滑キャパシタ222の他方の端子は接地されている。
As shown in FIG. 18, the
受信アンテナ221は、エネルギーとして例えばマイクロ波を受信するアンテナである。ナノワイヤダイオード201及び202は交互に導通して、受信アンテナ221から入射したマイクロ波を全波整流する。平滑キャパシタ222により、安定したDC(直流)出力が得られる。電圧一定化回路223は、DC出力を一定値にする。出力端子は、IoTセンサの電源に接続されており、整流されて一定値となったDC出力が、IoTセンサの電源に供給される。
The
本実施の形態における発電機220においては、ナノワイヤダイオード201及び202には、第1の実施の形態におけるナノワイヤダイオードが用いられている。このため、ナノワイヤダイオード201及び202の優れた高周波特性により、マイクロ波等の微小な電力を高いエネルギー変換効率でハーベスティングすることができる。これにより、低電力で動作可能なIoTセンサを、電池等を用いずに駆動することができる。
In the
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。 Although the embodiment has been described in detail above, it is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
化合物半導体により形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された前記半導体基板の基板面より上方に延びる化合物半導体により形成された半導体ナノワイヤと、
前記半導体基板の上の前記半導体ナノワイヤの周囲に、金属材料により形成された下部電極層と、
前記下部電極層の上に形成された絶縁膜と、
を有し、
前記半導体ナノワイヤは前記半導体基板側の第1の導電型の第1のナノワイヤ領域と、前記第1のナノワイヤ領域に接触している前記半導体基板とは反対側の第2の導電型の第2のナノワイヤ領域とを有しており、
前記半導体ナノワイヤの前記第1のナノワイヤ領域の前記半導体基板側の周囲は、前記下部電極層と接触していることを特徴とする半導体デバイス。
(付記2)
前記第1のナノワイヤ領域の前記半導体基板側には、前記第1のナノワイヤ領域の他の部分よりも不純物元素の濃度の高い高濃度領域が形成されており、
前記高濃度領域の周囲において、前記下部電極層と接触していることを特徴とする付記1に記載の半導体デバイス。
(付記3)
前記半導体ナノワイヤは、III−V族化合物半導体により形成されており、
前記高濃度領域には、Snがドープされていることを特徴とする付記2に記載の半導体デバイス。
(付記4)
前記第1の導電型はn型であり、
前記第2の導電型はp型であることを特徴とする付記1から3のいずれかに記載の半導体デバイス。
(付記5)
前記第1のナノワイヤ領域は、InAsを含む材料により形成されており、
前記第2のナノワイヤ領域は、GaAsSbを含む材料により形成されている付記1から4のいずれかに記載の半導体デバイス。
(付記6)
前記半導体基板は、半絶縁性のGaAs基板であり、
前記下部電極層は、Auを含む材料により形成されていることを特徴とする付記1から5のいずれかに記載の半導体デバイス。
(付記7)
アンテナと、
前記アンテナに接続された付記1から6のいずれかに記載の半導体デバイスと、
を有することを特徴とする受信機。
(付記8)
化合物半導体により形成された半導体基板の上に、金属材料により下部電極層、絶縁材料により絶縁膜を順に積層して形成する工程と、
前記下部電極層及び前記絶縁膜に開口部を形成し、前記開口部における前記半導体基板の上に触媒層を形成する工程と、
前記半導体ナノワイヤに含まれる化合物半導体のうちの一方の元素を含むガスと、他方の元素を含むガスとを供給することにより、前記触媒層が形成されている領域に化合物半導体を成長させて、半導体ナノワイヤを形成する工程と、
を有し、
前記触媒層を形成している材料の融点は、前記下部電極層を形成している材料の融点よりも低いことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
(付記9)
前記半導体ナノワイヤを形成する工程において、前記半導体ナノワイヤの成長温度は、触媒層を形成している材料の融点を超え、前記下部電極層を形成している材料の融点未満であることを特徴とする付記8に記載の半導体デバイスの製造方法。
(付記10)
前記半導体ナノワイヤは、III−V族化合物半導体により形成されており、
前記触媒層は、AuとSnとを含む材料であることを特徴とする付記8または9に記載の半導体デバイスの製造方法。
(付記11)
前記第1の導電型はn型であり、
前記第2の導電型はp型であることを特徴とする付記8から10のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
(付記12)
前記第1のナノワイヤ領域は、InAsを含む材料により形成されており、
前記第2のナノワイヤ領域は、GaAsSbを含む材料により形成されている付記8から11のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
(付記13)
前記半導体基板は、GaAsにより形成された半絶縁性基板であり、
前記下部電極層は、Auを含む材料により形成されていることを特徴とする付記8から12のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
In addition to the above description, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
A semiconductor substrate formed of a compound semiconductor;
A semiconductor nanowire formed of a compound semiconductor extending above a substrate surface of the semiconductor substrate formed on the semiconductor substrate;
A lower electrode layer formed of a metal material around the semiconductor nanowire on the semiconductor substrate;
An insulating film formed on the lower electrode layer;
Have
The semiconductor nanowire includes a first conductivity type first nanowire region on the semiconductor substrate side, and a second conductivity type second on the opposite side of the semiconductor substrate in contact with the first nanowire region. A nanowire region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a periphery of the first nanowire region of the semiconductor nanowire on the semiconductor substrate side is in contact with the lower electrode layer.
(Appendix 2)
On the semiconductor substrate side of the first nanowire region, a high concentration region having a higher impurity element concentration than other portions of the first nanowire region is formed,
The semiconductor device according to appendix 1, wherein the semiconductor device is in contact with the lower electrode layer around the high concentration region.
(Appendix 3)
The semiconductor nanowire is made of a III-V compound semiconductor,
The semiconductor device according to appendix 2, wherein the high concentration region is doped with Sn.
(Appendix 4)
The first conductivity type is n-type;
4. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein the second conductivity type is p-type.
(Appendix 5)
The first nanowire region is formed of a material containing InAs,
The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 4, wherein the second nanowire region is formed of a material containing GaAsSb.
(Appendix 6)
The semiconductor substrate is a semi-insulating GaAs substrate,
6. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 5, wherein the lower electrode layer is made of a material containing Au.
(Appendix 7)
An antenna,
A semiconductor device according to any one of appendices 1 to 6 connected to the antenna;
A receiver comprising:
(Appendix 8)
On the semiconductor substrate formed of a compound semiconductor, a step of sequentially laminating a lower electrode layer with a metal material and an insulating film with an insulating material;
Forming an opening in the lower electrode layer and the insulating film, and forming a catalyst layer on the semiconductor substrate in the opening;
By supplying a gas containing one element of the compound semiconductor contained in the semiconductor nanowire and a gas containing the other element, the compound semiconductor is grown in a region where the catalyst layer is formed, and the semiconductor Forming a nanowire;
Have
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein a melting point of a material forming the catalyst layer is lower than a melting point of a material forming the lower electrode layer.
(Appendix 9)
In the step of forming the semiconductor nanowire, the growth temperature of the semiconductor nanowire is higher than the melting point of the material forming the catalyst layer and lower than the melting point of the material forming the lower electrode layer. 9. A method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 8.
(Appendix 10)
The semiconductor nanowire is formed of a III-V group compound semiconductor,
The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 8 or 9, wherein the catalyst layer is a material containing Au and Sn.
(Appendix 11)
The first conductivity type is n-type;
11. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 8 to 10, wherein the second conductivity type is p-type.
(Appendix 12)
The first nanowire region is formed of a material containing InAs,
12. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 8 to 11, wherein the second nanowire region is formed of a material containing GaAsSb.
(Appendix 13)
The semiconductor substrate is a semi-insulating substrate formed of GaAs,
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 8 to 12, wherein the lower electrode layer is made of a material containing Au.
10 半導体基板
20 半導体ナノワイヤ
21 n−InAs領域
21a 高濃度領域
22 p−GaAsSb領域
30 下部電極層
31 n側電極
32 p側電極
40 絶縁膜
41 樹脂層
50 触媒層
60 絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体基板の上に形成された前記半導体基板の基板面より上方に延びる化合物半導体により形成された半導体ナノワイヤと、
前記半導体基板の上の前記半導体ナノワイヤの周囲に、金属材料により形成された下部電極層と、
前記下部電極層の上に形成された絶縁膜と、
を有し、
前記半導体ナノワイヤは前記半導体基板側の第1の導電型の第1のナノワイヤ領域と、前記第1のナノワイヤ領域に接触している前記半導体基板とは反対側の第2の導電型の第2のナノワイヤ領域とを有しており、
前記半導体ナノワイヤの前記第1のナノワイヤ領域の前記半導体基板側の周囲は、前記下部電極層と接触していることを特徴とする半導体デバイス。 A semiconductor substrate formed of a compound semiconductor;
A semiconductor nanowire formed of a compound semiconductor extending above a substrate surface of the semiconductor substrate formed on the semiconductor substrate;
A lower electrode layer formed of a metal material around the semiconductor nanowire on the semiconductor substrate;
An insulating film formed on the lower electrode layer;
Have
The semiconductor nanowire includes a first conductivity type first nanowire region on the semiconductor substrate side, and a second conductivity type second on the opposite side of the semiconductor substrate in contact with the first nanowire region. A nanowire region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a periphery of the first nanowire region of the semiconductor nanowire on the semiconductor substrate side is in contact with the lower electrode layer.
前記高濃度領域の周囲において、前記下部電極層と接触していることを特徴とする請求項1に記載の半導体デバイス。 On the semiconductor substrate side of the first nanowire region, a high concentration region having a higher impurity element concentration than other portions of the first nanowire region is formed,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is in contact with the lower electrode layer around the high concentration region.
前記高濃度領域には、Snがドープされていることを特徴とする請求項2に記載の半導体デバイス。 The semiconductor nanowire is formed of a III-V group compound semiconductor,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the high concentration region is doped with Sn.
前記第2の導電型はp型であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の半導体デバイス。 The first conductivity type is n-type;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second conductivity type is p-type.
前記第2のナノワイヤ領域は、GaAsSbを含む材料により形成されている請求項1から4のいずれかに記載の半導体デバイス。 The first nanowire region is formed of a material containing InAs,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second nanowire region is formed of a material containing GaAsSb.
前記下部電極層は、Auを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の半導体デバイス。 The semiconductor substrate is a semi-insulating GaAs substrate,
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the lower electrode layer is made of a material containing Au.
前記アンテナに接続された請求項1から6のいずれかに記載の半導体デバイスと、
を有することを特徴とする受信機。 An antenna,
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6, connected to the antenna;
A receiver comprising:
前記下部電極層及び前記絶縁膜に開口部を形成し、前記開口部における前記半導体基板の上に触媒層を形成する工程と、
化合物半導体を形成する一方の元素を含むガスと、他方の元素を含むガスとを供給することにより、前記触媒層が形成されている領域に化合物半導体を成長させて、半導体ナノワイヤを形成する工程と、
を有し、
前記触媒層を形成している材料の融点は、前記下部電極層を形成している材料の融点よりも低いことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 On the semiconductor substrate formed of a compound semiconductor, a step of sequentially laminating a lower electrode layer with a metal material and an insulating film with an insulating material;
Forming an opening in the lower electrode layer and the insulating film, and forming a catalyst layer on the semiconductor substrate in the opening;
Forming a semiconductor nanowire by growing a compound semiconductor in a region where the catalyst layer is formed by supplying a gas containing one element forming a compound semiconductor and a gas containing the other element; ,
Have
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein a melting point of a material forming the catalyst layer is lower than a melting point of a material forming the lower electrode layer.
前記触媒層は、AuとSnとを含む材料であることを特徴とする請求項8または9に記載の半導体デバイスの製造方法。 The semiconductor nanowire is formed of a III-V group compound semiconductor,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the catalyst layer is a material containing Au and Sn.
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