JP6341551B2 - Vacuum channel transistor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体を使用した半導体素子である真空チャネルトランジスタおよびその製造方法に関し、さらに詳しくは、電子親和力が小さな窒化物系半導体を利用して、低消費電力および低電圧駆動とするとともに、1THz〜10THzの周波数範囲での動作を可能とする真空チャネルトランジスタおよびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a vacuum channel transistor, which is a semiconductor device using a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor, and a method for manufacturing the same, and more particularly, using a nitride-based semiconductor having a low electron affinity to reduce power consumption and voltage. The present invention relates to a vacuum channel transistor that can be driven and can operate in a frequency range of 1 THz to 10 THz, and a manufacturing method thereof.

現在、電磁波の利用周波数の高周波化が進んでおり、光の周波数領域に近いテラヘルツ波は、次世代高速無線通信や監視用イメージング、遺伝子・たんぱく質機能解析の医療応用など多くの応用が期待されている。なお、一般的にはテラヘルツ波として周波数100GHz〜10THzの電磁波を言う場合もあるが、ここではテラヘルツ波を1THz〜10THzの電磁波とする。   Currently, the frequency of electromagnetic waves is increasing, and terahertz waves close to the optical frequency range are expected to have many applications such as next-generation high-speed wireless communications, monitoring imaging, and medical applications such as gene / protein functional analysis. Yes. In general, an electromagnetic wave having a frequency of 100 GHz to 10 THz may be referred to as a terahertz wave. Here, the terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of 1 THz to 10 THz.

この1THz〜10THzの周波数範囲でのデバイス実用化に向かって、その低周波数側に関しては電子工学的な研究開発が推し進められており、その高周波数側に関しては光子工学(フォトニクス)的な研究開発が推し進められている。すなわち、電子工学的アプローチでは電子デバイスを高速化してその動作周波数が1THzを超えることを目指して開発が進められてきた。一方、フォトニクス的アプローチでは半導体レーザーや量子カスケードレーザーにおいて発生する光の波長を長波長化し10THz以下にまで発生電磁波の周波数を下げる試みがなされてきた。   Toward the practical application of devices in the frequency range of 1 THz to 10 THz, electronic research and development has been promoted on the low frequency side, and photon engineering (photonics) research and development has been promoted on the high frequency side. It is being pushed forward. In other words, the electronic approach has been developed with the aim of speeding up electronic devices so that their operating frequency exceeds 1 THz. On the other hand, in the photonics approach, attempts have been made to lengthen the wavelength of light generated in a semiconductor laser or quantum cascade laser and reduce the frequency of the generated electromagnetic wave to 10 THz or less.

しかし、電子工学的アプローチにおける電子デバイスの高速化には限界があり、いまだに1THz超える電磁波を実用的に発生できる電子デバイスは実現できていない。また、フォトニクス的アプローチでも光デバイスの低周波化には限界があり、10THz以下の電磁波を実用的に発生できる光デバイスは実現できていない。また、光デバイスに関しては、1THz〜10THzの光子に対応する光学遷移のエネルギー準位差が室温の熱エネルギーに近い領域となり、室温の熱エネルギーによって擾乱を受けるため、光デバイスの室温での動作が難しくなると言う問題点がある。   However, there is a limit to speeding up electronic devices in an electronic approach, and electronic devices that can practically generate electromagnetic waves exceeding 1 THz have not been realized. Even in the photonics approach, there is a limit to lowering the frequency of an optical device, and an optical device that can practically generate an electromagnetic wave of 10 THz or less has not been realized. Regarding optical devices, the optical transition energy level difference corresponding to photons of 1 THz to 10 THz is a region close to room temperature thermal energy and is disturbed by room temperature thermal energy, so that the optical device operates at room temperature. There is a problem that it becomes difficult.

このように、多くの応用が期待されているテラヘルツ波領域ではあるが、電子工学的アプローチにおいても、フォトニクス的アプローチにおいても、この領域の電磁波の発生を実用的に行うデバイスはいまだ実現されていない。周波数1THz〜10THzの領域の電磁波に関しては、実質的に電磁波の発生や信号処理を行うことのできない空白領域として取り残されていた。   In this way, although it is in the terahertz wave region where many applications are expected, there has not yet been realized a device that practically generates electromagnetic waves in this region in both the electronic approach and the photonics approach. . The electromagnetic wave in the frequency range of 1 THz to 10 THz is left as a blank area where generation of electromagnetic waves and signal processing cannot be performed substantially.

以上のようなテラヘルツ波領域における問題点の打開を目指すものとして、下記の非特許文献1に示すようなゲート絶縁型真空チャネルトランジスタが提案された。非特許文献1には、キャリアとしての電子が真空空間のチャネル中を走行する構造の電界効果トランジスタが記載されている。半導体中にチャネルが設けられた通常の電界効果トランジスタでは、動作速度の上限は半導体材料によって定まる電子の飽和速度に依存してしまう。しかし、真空中を走行する電子の速度には飽和速度はなく、理論的には電子を光速度近くまで加速することが可能である。   In order to overcome the problems in the terahertz wave region as described above, a gate insulating type vacuum channel transistor as shown in the following Non-Patent Document 1 has been proposed. Non-Patent Document 1 describes a field effect transistor having a structure in which electrons as carriers travel in a channel in a vacuum space. In a normal field effect transistor in which a channel is provided in a semiconductor, the upper limit of the operating speed depends on the electron saturation speed determined by the semiconductor material. However, there is no saturation speed in the speed of electrons traveling in vacuum, and it is theoretically possible to accelerate the electrons to near the speed of light.

このため真空チャネルトランジスタによってテラヘルツ波領域の電磁波の発生が可能となることが期待できる。しかし、非特許文献1による真空チャネルトランジスタでは、実際の遮断周波数として0.46THzにとどまり、1THzの壁は超えることができなかった。この原因としてはソースから電子を放出する効率が小さいことが考えられる。非特許文献1の真空チャネルトランジスタでは、ソース電極の先端を先鋭形状として、さらにソースとドレイン間の距離も微小として電子放出の効率をそれなりに改善してはいるが、それでも十分な効率が得られているとは言えない。   Therefore, it can be expected that electromagnetic waves in the terahertz wave region can be generated by the vacuum channel transistor. However, in the vacuum channel transistor according to Non-Patent Document 1, the actual cutoff frequency is only 0.46 THz, and the wall of 1 THz cannot be exceeded. This may be due to the low efficiency of emitting electrons from the source. In the vacuum channel transistor of Non-Patent Document 1, although the tip of the source electrode has a sharp shape and the distance between the source and the drain is very small, the efficiency of electron emission is improved to some extent, but still sufficient efficiency can be obtained. I can't say that.

ソースとドレイン間に電圧を印加して電流が流れ始める最小の電圧をしきい電圧と呼ぶことにすると、非特許文献1の真空チャネルトランジスタでは10V程度のしきい電圧を必要としており、しきい電圧の値が比較的大きい。これは、ソースにおける電子放出の効率がまだ十分ではないことを示している。非特許文献1はシリコン(ケイ素)に基づいたデバイスでありソース、ドレインの両電極もシリコンからなる。   When the minimum voltage at which a current starts to flow when a voltage is applied between the source and drain is called a threshold voltage, the vacuum channel transistor of Non-Patent Document 1 requires a threshold voltage of about 10 V. The value of is relatively large. This indicates that the efficiency of electron emission at the source is not yet sufficient. Non-Patent Document 1 is a device based on silicon (silicon), and both source and drain electrodes are also made of silicon.

シリコンは電子親和力が大きいので、シリコン電極において電子を電界放出するためには大きな電子親和力に相当するエネルギーを電子に与えなければならない。そのため、しきい電圧は高くなり、電子放出の効率は低くなり、消費電力は大きくなってしまう。また、微細加工により電極形状を先鋭形状とするなどして高い電界集中を発生させることも必要となる。   Since silicon has a high electron affinity, energy corresponding to a large electron affinity must be given to the electrons in order to field-emit electrons at the silicon electrode. As a result, the threshold voltage increases, the electron emission efficiency decreases, and the power consumption increases. It is also necessary to generate a high electric field concentration by making the electrode shape sharp by fine processing.

これに対して、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体の電極を使用することにより、電子放出の効率を向上させようとする電子デバイスが提案されている。窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体における窒化アルミニウムの割合をxとする。ここで、割合xは、全体に対する窒化アルミニウムの分子数の比であり、0≦x≦1である。なお、x=0,1の場合の混晶半導体は実際には純粋な化合物となるが、本明細書では便宜上これらの場合も含めて混晶半導体と記載する。   On the other hand, there has been proposed an electronic device that attempts to improve electron emission efficiency by using an electrode of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor. Let x be the ratio of aluminum nitride in the gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor. Here, the ratio x is the ratio of the number of aluminum nitride molecules to the whole, and 0 ≦ x ≦ 1. Note that the mixed crystal semiconductor in the case of x = 0, 1 is actually a pure compound, but in this specification, for convenience, the mixed crystal semiconductor is also described as a mixed crystal semiconductor.

すなわち、この混晶半導体は、AlxGa1-xNと表すことができる。割合xが0の場合は、この混晶半導体は窒化ガリウムとなり、電子親和力は3.3eV程度であり、正の電子親和力となる。窒化アルミニウムの割合xが増加するにつれて電子親和力は減少する。割合xが0.65程度で混晶半導体の電子親和力はほぼ0となる。そして割合xが1となる窒化アルミニウムでは電子親和力は負となる。That is, this mixed crystal semiconductor can be expressed as Al x Ga 1-x N. When the ratio x is 0, the mixed crystal semiconductor is gallium nitride and has an electron affinity of about 3.3 eV, which is a positive electron affinity. As the aluminum nitride ratio x increases, the electron affinity decreases. When the ratio x is about 0.65, the electron affinity of the mixed crystal semiconductor is almost zero. In addition, in aluminum nitride where the ratio x is 1, the electron affinity is negative.

このような窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体を使用した電子デバイスとしては、下記の特許文献1のようなものがある。特許文献1には、電極の表面層として窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体を使用し、電極材料としてその電子親和力が0または負となる物質を使用することにより、電子放出の効率を改善するようにした電子デバイスが記載されている。   An electronic device using such a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor is disclosed in Patent Document 1 below. In Patent Document 1, a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor is used as a surface layer of an electrode, and a substance having an electron affinity of 0 or negative is used as an electrode material to improve the efficiency of electron emission. An electronic device is described.

特開2002−57322号公報JP 2002-57322 A

Jin-Woo Han, Jae Sub Oh, and M. Meyyappan,“Vacuum nanoelectronics: Back to the future? - Gate insulated nanoscale vacuum channel transistor”, Applied Physics Letters, vol.100, pp.213505-1〜213505-4, 2012Jin-Woo Han, Jae Sub Oh, and M. Meyyappan, “Vacuum nanoelectronics: Back to the future?-Gate insulated nanoscale vacuum channel transistor”, Applied Physics Letters, vol. 100, pp. 2012

前述のように、多くの応用が期待されているテラヘルツ波領域の電磁波の発生や信号処理を行うことのできる電子デバイスの実現が待ち望まれている。非特許文献1に示されたような真空チャネルトランジスタによってテラヘルツ波領域の電磁波の発生が可能となることが期待されていたが、非特許文献1による真空チャネルトランジスタではいまだ1THzの壁を超えることができていない。   As described above, the realization of an electronic device capable of generating electromagnetic waves in the terahertz wave region and performing signal processing, which is expected to be applied in many ways, is desired. Although it was expected that a terahertz wave electromagnetic wave could be generated by a vacuum channel transistor as shown in Non-Patent Document 1, the vacuum channel transistor according to Non-Patent Document 1 still exceeds the 1 THz wall. Not done.

非特許文献1のようなシリコン電極を使用した電子デバイスでは、シリコンの電子親和力が大きいために、電子放出のためのしきい電圧も大きくならざるを得ない。そのため、電子デバイスのしきい電圧が大きくなり、電子放出の効率も低下してしまう。このことがテラヘルツ波領域で動作可能な真空チャネルトランジスタを実現する上で大きな技術的障害となっている。   In an electronic device using a silicon electrode as in Non-Patent Document 1, since the electron affinity of silicon is large, the threshold voltage for electron emission must be increased. As a result, the threshold voltage of the electronic device increases and the efficiency of electron emission also decreases. This is a major technical obstacle for realizing a vacuum channel transistor operable in the terahertz wave region.

一方、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体の電極を使用することにより、電子放出の効率を向上させようとする電子デバイスが提案されている。ただし、テラヘルツ波領域で動作可能な電子デバイスの実現のためには、電子放出の効率のさらなる向上が望ましい。そして、電子放出のためのしきい電圧をさらに低下させることが望まれている。   On the other hand, there has been proposed an electronic device that attempts to improve electron emission efficiency by using an electrode of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor. However, in order to realize an electronic device that can operate in the terahertz wave region, it is desirable to further improve the efficiency of electron emission. It is desired to further reduce the threshold voltage for electron emission.

そこで、本発明は、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体を使用した半導体素子および真空チャネルトランジスタにおいて、電子放出の効率を向上させ、電子放出のためのしきい電圧を低下させた半導体素子および真空チャネルトランジスタを提供することを目的とする。また、本発明は、そのような真空チャネルトランジスタの製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention relates to a semiconductor device and a vacuum channel transistor that use a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor and improve the electron emission efficiency and reduce the threshold voltage for electron emission. An object is to provide a transistor. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing such a vacuum channel transistor.

上記目的を達成するために、本発明の半導体素子は、窒化アルミニウムが分子数の比で全体の0.65以上となる窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体のウルツ鉱型構造の結晶からなる電極を有し、前記電極は、電子の主要な放出方向と結晶構造のc軸方向とのなす角度が30度以下となるように配置されたものである。 In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention is provided with an electrode made of a wurtzite structure crystal of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor in which aluminum nitride has a total number ratio of 0.65 or more. And the electrode is arranged so that an angle formed between the main electron emission direction and the c-axis direction of the crystal structure is 30 degrees or less.

また、上記の半導体素子において、前記電極は、電子の主要な放出方向が結晶構造のc軸方向となるように配置されたものであることが好ましい。   In the above semiconductor device, it is preferable that the electrodes are arranged so that the main electron emission direction is the c-axis direction of the crystal structure.

また、本発明の真空チャネルトランジスタは、ゲート電極をなす導体基板と、前記導体基板の上に形成された絶縁体からなる絶縁層と、前記絶縁層の上に形成されたソース電極と、前記絶縁層の上に形成され、前記ソース電極と対向するように設けられたドレイン電極とを有する。そして、前記ソース電極は、窒化アルミニウムが分子数の比で全体の0.65以上となる窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体のウルツ鉱型構造の結晶からなるものであり、電子の主要な放出方向と結晶構造のc軸方向とのなす角度が30度以下となるように配置されたものである。 The vacuum channel transistor of the present invention includes a conductor substrate that forms a gate electrode, an insulating layer made of an insulator formed on the conductor substrate, a source electrode formed on the insulating layer, and the insulating And a drain electrode provided on the layer so as to face the source electrode. The source electrode is made of a wurtzite structure crystal of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor in which aluminum nitride has a total number ratio of 0.65 or more, and the main emission direction of electrons. And the c-axis direction of the crystal structure are arranged to be 30 degrees or less.

また、上記の半導体素子において、前記ソース電極は、電子の主要な放出方向が結晶構造のc軸方向となるように配置されたものであることが好ましい。   In the above semiconductor element, the source electrode is preferably arranged so that the main electron emission direction is the c-axis direction of the crystal structure.

また、上記の真空チャネルトランジスタにおいて、前記導体基板は、n型シリコンからなるものであり、前記絶縁層は、n型シリコン基板の表面に形成された二酸化ケイ素の層であることが好ましい。   In the vacuum channel transistor, the conductor substrate is preferably made of n-type silicon, and the insulating layer is preferably a silicon dioxide layer formed on the surface of the n-type silicon substrate.

また、上記の真空チャネルトランジスタにおいて、前記ソース電極は、当該ソース電極に通電するための金属電極が接続されたものであることが好ましい。   In the above vacuum channel transistor, the source electrode is preferably connected to a metal electrode for energizing the source electrode.

また、上記の真空チャネルトランジスタにおいて、前記ソース電極と前記金属電極との間に、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体からなり、窒化アルミニウムの割合が前記金属電極側から前記ソース電極側に向かって増大する結合層を形成することができる。   In the above vacuum channel transistor, a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor is formed between the source electrode and the metal electrode, and the proportion of aluminum nitride increases from the metal electrode side toward the source electrode side. A bonding layer can be formed.

また、上記の真空チャネルトランジスタにおいて、前記金属電極と前記結合層との間に、窒化ガリウムからなる接触層を形成することができる。   In the above vacuum channel transistor, a contact layer made of gallium nitride can be formed between the metal electrode and the coupling layer.

また、本発明の真空チャネルトランジスタの製造方法は、窒化ガリウムのウルツ鉱型構造の結晶からなり、表面がm面である基板に、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体からなる半導体層を結晶成長させる工程と、n型シリコンからなる導体基板の表面を酸化させて二酸化ケイ素からなる絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の表面と前記半導体層の表面を重ね合わせ、前記絶縁層と前記半導体層を結合する工程と、前記基板を前記半導体層から剥離する工程と、前記半導体層をソース電極とドレイン電極として形成する工程とを有し、前記半導体層は、窒化アルミニウムが分子数の比で全体の0.65以上となる窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体のウルツ鉱型構造の結晶からなるものであり、前記ソース電極と前記ドレイン電極とは、電子の主要な放出方向と結晶構造のc軸方向とのなす角度が30度以下となるように形成されるものであるAlso, the method for manufacturing a vacuum channel transistor of the present invention comprises growing a semiconductor layer made of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor on a substrate having a surface of m-plane and comprising a gallium nitride wurtzite structure crystal. A step of oxidizing the surface of the conductive substrate made of n-type silicon to form an insulating layer made of silicon dioxide, and superimposing the surface of the insulating layer and the surface of the semiconductor layer, the insulating layer and the semiconductor layer It possesses a step of coupling and a step of peeling the substrate from the semiconductor layer, and forming the semiconductor layer as a source electrode and a drain electrode, the semiconductor layer, the entire aluminum nitride with a ratio of the number of molecules Of a wurtzite structure crystal of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor of 0.65 or more, and the source electrode and the drain The emission electrode, in which the angle between the main emission direction of the electron and c-axis direction of the crystal structure are formed to be equal to or less than 30 degrees.

また、上記の真空チャネルトランジスタの製造方法において、前記ソース電極と前記ドレイン電極とは、電子の主要な放出方向が前記半導体層の結晶構造のc軸方向となるように形成されるものであることが好ましい。   In the method for manufacturing a vacuum channel transistor, the source electrode and the drain electrode are formed such that a main electron emission direction is a c-axis direction of the crystal structure of the semiconductor layer. Is preferred.

本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。   Since this invention is comprised as mentioned above, there exist the following effects.

本発明の半導体素子としての真空チャネルトランジスタは、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体を使用し、ソース電極における電子の主要な放出方向を結晶構造のc軸方向としたので、電子放出の効率を最大限に向上させ、電子放出のためのしきい電圧を著しく低減させることができる。これにより、真空チャネルトランジスタの動作速度を大幅に向上させることができ、1THz〜10THzの周波数範囲内での動作も可能となる。それに加えて、本発明の真空チャネルトランジスタでは、消費電力の大幅な低減を実現することができる。   The vacuum channel transistor as the semiconductor device of the present invention uses a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor, and the main emission direction of electrons at the source electrode is the c-axis direction of the crystal structure, so that the electron emission efficiency is maximized. The threshold voltage for electron emission can be remarkably reduced. As a result, the operating speed of the vacuum channel transistor can be greatly improved, and operation within a frequency range of 1 THz to 10 THz is also possible. In addition, the vacuum channel transistor of the present invention can achieve a significant reduction in power consumption.

図1は、窒化ガリウム(GaN)の結晶構造を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a crystal structure of gallium nitride (GaN). 図2は、結晶構造における各軸方向を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing each axial direction in the crystal structure. 図3は、本発明の半導体素子である真空チャネルトランジスタ1の断面構造を模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a vacuum channel transistor 1 which is a semiconductor element of the present invention. 図4は、真空チャネルトランジスタ1を上方から見た平面図である。FIG. 4 is a plan view of the vacuum channel transistor 1 as viewed from above. 図5は、本発明の真空チャネルトランジスタ1と従来のデバイスの特性を比較したグラフである。FIG. 5 is a graph comparing the characteristics of the vacuum channel transistor 1 of the present invention and a conventional device. 図6は、電子の放出方向がc軸方向の場合とm軸方向の場合のデバイス特性の比較を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a comparison of device characteristics when the electron emission direction is the c-axis direction and the m-axis direction. 図7は、本発明の真空チャネルトランジスタ1の製造方法の各工程を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing each step of the manufacturing method of the vacuum channel transistor 1 of the present invention. 図8は、真空チャネルトランジスタ1の製造方法の各工程を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing each step of the manufacturing method of the vacuum channel transistor 1. 図9は、真空チャネルトランジスタ1の製造方法の各工程を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing each step of the manufacturing method of the vacuum channel transistor 1. 図10は、真空チャネルトランジスタ1の製造方法の各工程を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing each step of the manufacturing method of the vacuum channel transistor 1. 図11は、真空チャネルトランジスタ1の製造方法の各工程を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing each step of the manufacturing method of the vacuum channel transistor 1. 図12は、他の形態の真空チャネルトランジスタ1aの構成を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of another form of vacuum channel transistor 1a. 図13は、他の形態の真空チャネルトランジスタ1bの構成を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing the configuration of another form of vacuum channel transistor 1b.

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は、本発明の半導体素子の基本材料となる窒化ガリウム(GaN)の結晶構造を示す模式図である。窒化ガリウムまたは窒化アルミニウム(AlN)は、六方晶系のウルツ鉱型結晶構造と立法晶系の閃亜鉛鉱型結晶構造の2種類の結晶構造を取りうるが、ウルツ鉱型結晶構造の方が安定である。図1は、ウルツ鉱型結晶の窒化ガリウムの単位格子を示している。白い球体が窒素原子(N)を表し、ハッチングを施した球体がガリウム原子(Ga)を表している。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a crystal structure of gallium nitride (GaN) which is a basic material of a semiconductor element of the present invention. Gallium nitride or aluminum nitride (AlN) can take two types of crystal structures, a hexagonal wurtzite crystal structure and a cubic zinc blende crystal structure, but the wurtzite crystal structure is more stable It is. FIG. 1 shows a unit cell of gallium nitride in a wurtzite crystal. White spheres represent nitrogen atoms (N), and hatched spheres represent gallium atoms (Ga).

なお、ガリウム原子をアルミニウム原子(Al)に置き換えれば、図1は窒化アルミニウム(AlN)の結晶構造を表すことになる。図1のような結晶構造のガリウム原子のいくつかをアルミニウム原子(Al)に置き換えれば、結晶体は窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶体となる。本発明の半導体素子はウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体を基本材料とするものである。   If gallium atoms are replaced with aluminum atoms (Al), FIG. 1 represents the crystal structure of aluminum nitride (AlN). If some of the gallium atoms having the crystal structure shown in FIG. 1 are replaced with aluminum atoms (Al), the crystal body becomes a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal body. The semiconductor element of the present invention is based on a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor having a wurtzite crystal structure.

この窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体は、混晶体全体に対する窒化アルミニウムの分子数の割合をxとして、AlxGa1-xNと表すことができる。ただし、割合xにおける数値xは0≦x≦1の範囲である。なお、割合xは、ガリウムとアルミニウムの合計原子数に対するアルミニウム原子数の割合と言うこともできる。This gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor can be expressed as Al x Ga 1-x N, where x is the ratio of the number of aluminum nitride molecules to the entire mixed crystal. However, the numerical value x in the ratio x is in the range of 0 ≦ x ≦ 1. The ratio x can also be said to be the ratio of the number of aluminum atoms to the total number of atoms of gallium and aluminum.

この混晶半導体AlxGa1-xNは、割合xが0の場合は窒化ガリウムとなり、電子親和力は3.3eV程度の正の電子親和力となる。混晶半導体における窒化アルミニウムの割合xが増加するにつれて電子親和力は減少する。割合xが0.65程度で混晶半導体の電子親和力はほぼ0となる。そして割合xが1となる窒化アルミニウムでは電子親和力は負となる。This mixed crystal semiconductor Al x Ga 1-x N becomes gallium nitride when the ratio x is 0, and has a positive electron affinity of about 3.3 eV. The electron affinity decreases as the proportion x of aluminum nitride in the mixed crystal semiconductor increases. When the ratio x is about 0.65, the electron affinity of the mixed crystal semiconductor is almost zero. In addition, in aluminum nitride where the ratio x is 1, the electron affinity is negative.

図2は、結晶構造の単位格子における基本ベクトルを示す図である。図1に示すウルツ鉱型結晶構造の単位格子は正六角柱の形状であるが、図2はその単位格子の正六角柱を示している。単位格子である正六角柱の中心軸方向の基本ベクトルをベクトルcとする。また、ベクトルcの方向をc軸方向とする。正六角柱の中心軸から正六角形の3つの頂点に向かうベクトルをそれぞれベクトルa1,ベクトルa2,ベクトルa3とする。なお、正六角形の3つの頂点は図示のように1つおきに選ばれている。FIG. 2 is a diagram illustrating basic vectors in a unit cell of a crystal structure. The unit cell of the wurtzite crystal structure shown in FIG. 1 has a regular hexagonal column shape, and FIG. 2 shows the regular hexagonal column of the unit cell. A basic vector in the direction of the central axis of a regular hexagonal prism that is a unit cell is defined as a vector c. The direction of vector c is the c-axis direction. Vectors from the central axis of the regular hexagonal column to the three vertices of the regular hexagon are designated as vector a 1 , vector a 2 , and vector a 3 , respectively. Note that every other three vertices of the regular hexagon are selected as shown.

これら4つの基本ベクトルa1,a2,a3,cによって結晶構造における方向と平面を表現できる。各基本ベクトルa1,a2,a3,cにそれぞれ係数i,j,k,lを乗じたベクトルを加算したベクトルの方向を[ijkl]と表す。ただし、係数i,j,k,lはそれぞれ整数値であり、例えば−1,0,1等の値を取る。この表記法によれば、c軸方向は[0001]で表され、基本ベクトルa1の方向は[1000]で表される。c軸方向と逆方向は[000−1]で表される。The direction and plane in the crystal structure can be represented by these four basic vectors a 1 , a 2 , a 3 and c. A vector direction obtained by adding a vector obtained by multiplying each basic vector a 1 , a 2 , a 3 , and c by coefficients i, j, k, and l is represented as [ijkl]. However, the coefficients i, j, k, and l are integer values, for example, values such as −1, 0, 1 and the like. According to this notation, the c-axis direction is represented by [0001], and the direction of the basic vector a 1 is represented by [1000]. The direction opposite to the c-axis direction is represented by [000-1].

また、法線方向が[ijkl]となる平面を(ijkl)面と表記する。すなわち、c軸方向に垂直な平面は(0001)面と表される。この(0001)面は簡単にc面とも呼ばれる。図2において、符号Scによって示される平面もc面となる。単位格子の正六角柱の側面に相当する平面は総称してm面と呼ばれる。m面の例としては、(10−10)面がある。この(10−10)面は、図2において符号Smによって示される平面である。この他にも(−1010)面、(1−100)面、(−1100)面、(01−10)面、(0−110)面がm面と呼ばれる。そして、m面に対するその法線方向をm軸方向と呼ぶ。   A plane whose normal direction is [ijkl] is expressed as (ijkl) plane. That is, a plane perpendicular to the c-axis direction is represented as a (0001) plane. This (0001) plane is simply called a c-plane. In FIG. 2, the plane indicated by the symbol Sc is also the c-plane. A plane corresponding to the side surface of the regular hexagonal column of the unit cell is collectively referred to as an m-plane. An example of the m-plane is the (10-10) plane. The (10-10) plane is a plane indicated by a symbol Sm in FIG. In addition, the (−1010) plane, the (1-100) plane, the (−1100) plane, the (01-10) plane, and the (0-110) plane are called m-planes. The normal direction with respect to the m plane is referred to as the m-axis direction.

ウルツ鉱型結晶構造の結晶体のc面を基礎としてエピタキシャル成長を行う場合、このような結晶成長をc面成長と言う。このとき、c面を成長面と言い、c面成長によって形成された半導体の層をc面半導体層と言う。同様に、m面を基礎とする結晶成長をm面成長と言う。この場合は、m面が成長面であり、m面成長によって形成された半導体の層をm面半導体層と言う。a面についても同様である。   When epitaxial growth is performed based on the c-plane of a crystal having a wurtzite crystal structure, such crystal growth is referred to as c-plane growth. At this time, the c-plane is referred to as a growth plane, and a semiconductor layer formed by the c-plane growth is referred to as a c-plane semiconductor layer. Similarly, crystal growth based on the m-plane is referred to as m-plane growth. In this case, the m-plane is a growth plane, and a semiconductor layer formed by m-plane growth is called an m-plane semiconductor layer. The same applies to the a-plane.

図3は、本発明の半導体素子である真空チャネルトランジスタ1の断面構造を模式的に示す図である。真空チャネルトランジスタ1は、キャリアとしての電子が真空空間のチャネル中を走行する構造の電界効果トランジスタである。このため、理論的には電子を光速度近くまで加速可能であり、動作速度の上限が半導体材料中の電子の飽和速度に依存することがない。これにより、動作速度の大幅な向上が可能となる。   FIG. 3 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a vacuum channel transistor 1 which is a semiconductor element of the present invention. The vacuum channel transistor 1 is a field effect transistor having a structure in which electrons as carriers travel in a channel in a vacuum space. For this reason, it is theoretically possible to accelerate the electrons to near the speed of light, and the upper limit of the operation speed does not depend on the saturation speed of the electrons in the semiconductor material. As a result, the operating speed can be greatly improved.

真空チャネルトランジスタ1は、基板としての導体基板11の上面に絶縁層12を形成し、その絶縁層12の上面に半導体層13を設けた積層体から製造される。この積層体については図10を参照されたい。この積層体の半導体層13からドライエッチング等によりソース131およびドレイン132が形成される。すなわち、ソース131およびドレイン132は半導体層13と同一の組成の半導体である。   The vacuum channel transistor 1 is manufactured from a laminate in which an insulating layer 12 is formed on an upper surface of a conductor substrate 11 as a substrate, and a semiconductor layer 13 is provided on the upper surface of the insulating layer 12. See FIG. 10 for this laminate. A source 131 and a drain 132 are formed from the stacked semiconductor layer 13 by dry etching or the like. That is, the source 131 and the drain 132 are semiconductors having the same composition as the semiconductor layer 13.

ソース131とドレイン132が対向する空間は真空空間であり、この部分が電子の走行するチャネルとなる。なお、ソース131とドレイン132間の間隙が十分に小さい場合には、ソース131とドレイン132間の空間を必ずしも真空とする必要はなく、この空間に大気等の気体が存在していてもよい。電界効果トランジスタとしてのゲートに相当するのは導体基板11自体である。これらのソース131、ドレイン132、ゲートにより真空チャネルトランジスタ1は電界効果トランジスタとしての動作を行う。   The space where the source 131 and the drain 132 face each other is a vacuum space, and this portion becomes a channel through which electrons travel. Note that when the gap between the source 131 and the drain 132 is sufficiently small, the space between the source 131 and the drain 132 is not necessarily evacuated, and a gas such as the atmosphere may exist in this space. The conductor substrate 11 itself corresponds to the gate as a field effect transistor. With these source 131, drain 132, and gate, the vacuum channel transistor 1 operates as a field effect transistor.

半導体層13は窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体AlxGa1-xNであり、窒化アルミニウムの割合xが0.65以上となっている。また、この混晶半導体はウルツ鉱型の結晶構造となっている。図3に示すように、ソース131とドレイン132の対向方向はウルツ鉱型結晶構造のc軸方向となっている。この方向はソース131からドレイン132に向けて電子が放出される際の電子の主要な放出方向となっている。すなわち、ソース131から放出される電子の主要な放出方向がc軸方向と一致するように構成されている。The semiconductor layer 13 is a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor Al x Ga 1-x N, and the aluminum nitride ratio x is 0.65 or more. The mixed crystal semiconductor has a wurtzite crystal structure. As shown in FIG. 3, the facing direction of the source 131 and the drain 132 is the c-axis direction of the wurtzite crystal structure. This direction is the main electron emission direction when electrons are emitted from the source 131 toward the drain 132. That is, the main emission direction of electrons emitted from the source 131 is configured to coincide with the c-axis direction.

図4は、真空チャネルトランジスタ1を上方から見た平面図である。導体基板11上面の絶縁層12の上に形成されたソース131およびドレイン132は先端部が互いに近接するような形状に構成されている。ソース131とドレイン132の対向方向がこれらの半導体層のウルツ鉱型結晶構造のc軸方向と一致するようにされている。すなわち、ソース131からドレイン132に向けて放出される電子の主要な放出方向がc軸方向となっている。   FIG. 4 is a plan view of the vacuum channel transistor 1 as viewed from above. The source 131 and the drain 132 formed on the insulating layer 12 on the upper surface of the conductor substrate 11 are configured so that the tips are close to each other. The facing direction of the source 131 and the drain 132 is made to coincide with the c-axis direction of the wurtzite crystal structure of these semiconductor layers. That is, the main emission direction of electrons emitted from the source 131 toward the drain 132 is the c-axis direction.

ソース131の上面にはソース131に通電するための金属電極21が設けられ、ドレイン132の上面にはドレイン132に通電するための金属電極22が設けられている。また、導体基板11の下面にはゲートに通電するための金属電極23が設けられている。なお、ここでは導体基板11として、n型シリコン基板を使用している。シリコン基板を使用した場合には、加熱・酸化処理によって二酸化ケイ素からなる絶縁層12を容易に形成することができる。しかし、導体基板11としては、シリコン基板に限定されることはなく、任意の導体を使用することもできる。   A metal electrode 21 for energizing the source 131 is provided on the upper surface of the source 131, and a metal electrode 22 for energizing the drain 132 is provided on the upper surface of the drain 132. In addition, a metal electrode 23 for energizing the gate is provided on the lower surface of the conductor substrate 11. Here, an n-type silicon substrate is used as the conductor substrate 11. When a silicon substrate is used, the insulating layer 12 made of silicon dioxide can be easily formed by heating and oxidation treatment. However, the conductor substrate 11 is not limited to a silicon substrate, and any conductor can be used.

本発明の真空チャネルトランジスタ1において、電子の放出方向をc軸方向とするのは以下の理由による。本発明者は電子放出の効率向上の条件を探るために、ウルツ鉱型結晶構造の窒化ガリウムについて各面方位に対するショットキー特性を測定することにより、電子親和力の面方位依存性を調べた。その結果、m軸方向が最も電子親和力が大きく、c軸方向が最も電子親和力が小さくなることを見出した。このような電子親和力の面方位依存性は窒化アルミニウムや窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体でも同様に発生すると考えられる。   In the vacuum channel transistor 1 of the present invention, the electron emission direction is the c-axis direction for the following reason. In order to investigate the conditions for improving the efficiency of electron emission, the present inventor investigated the dependence of the electron affinity on the plane orientation by measuring the Schottky characteristics for each plane orientation of gallium nitride having a wurtzite crystal structure. As a result, it was found that the electron affinity is the largest in the m-axis direction and the electron affinity is the smallest in the c-axis direction. Such plane orientation dependence of electron affinity is considered to occur similarly in aluminum nitride and gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductors.

前述のように電子放出の効率は電子親和力に強く関係しているため、電子の放出方向をc軸方向とすることにより、電子親和力を最小として電子放出の効率を最大限向上できることが期待される。この結果から、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体を用いた真空チャンネルトランジスタは、電子の放出方向がc軸方向と一致するような構造が最適構造であることが判明した。   Since the electron emission efficiency is strongly related to the electron affinity as described above, it is expected that the electron emission efficiency can be minimized and the electron emission efficiency can be maximized by setting the electron emission direction to the c-axis direction. . From this result, it was found that the optimum structure of the vacuum channel transistor using the gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor is such that the electron emission direction coincides with the c-axis direction.

なお、電子の放出方向はc軸と一致させることが最適ではあるが、電子の放出方向とc軸方向がある程度の角度を成すものであっても、電子放出の効率向上はある程度期待できる。電子放出に対するピエゾ分極と自発分極の影響を調べるシミュレーション計算によれば、電子の放出方向とc軸方向とのなす角度が30度を超えると、電子放出の効率は半減する。したがって、電子の主要な放出方向と結晶構造のc軸方向とのなす角度が30度以下であることが望ましい。   Although it is optimal that the electron emission direction coincides with the c-axis, even if the electron emission direction and the c-axis direction form a certain angle, an improvement in electron emission efficiency can be expected to some extent. According to a simulation calculation for examining the influence of piezo polarization and spontaneous polarization on electron emission, the efficiency of electron emission is halved when the angle between the electron emission direction and the c-axis direction exceeds 30 degrees. Therefore, it is desirable that the angle formed between the main electron emission direction and the c-axis direction of the crystal structure is 30 degrees or less.

図5は、本発明の真空チャネルトランジスタ1と従来のデバイスの特性を比較したグラフである。図5はソース・ドレイン間距離としきい電圧との関係を示すものであり、横軸がソース・ドレイン間距離[μm]を表し、縦軸がしきい電圧を表している。なお、しきい電圧とはソースとドレイン間に電圧を印加して電流が流れ始める最小の電圧である。実線グラフが本発明のデバイスに相当し、点線グラフが従来のシリコンに基づいたデバイスに相当する。   FIG. 5 is a graph comparing the characteristics of the vacuum channel transistor 1 of the present invention and a conventional device. FIG. 5 shows the relationship between the source-drain distance and the threshold voltage. The horizontal axis represents the source-drain distance [μm], and the vertical axis represents the threshold voltage. The threshold voltage is the minimum voltage at which current starts to flow when a voltage is applied between the source and drain. The solid line graph corresponds to the device of the present invention, and the dotted line graph corresponds to a conventional silicon-based device.

本発明のデバイスとしては、窒化アルミニウムをソース電極としてc軸方向に電子を放出する構造であるとした。従来デバイスはシリコンをソース電極とした。図5の結果は、デバイス・シミュレーションの計算に基づくものである。例えば、ソース・ドレイン間距離が10μmの場合、従来デバイスではしきい電圧が350Vに達するのに対して、本発明のデバイスではしきい電圧が2.5V程度となる。   The device of the present invention has a structure in which electrons are emitted in the c-axis direction using aluminum nitride as a source electrode. Conventional devices use silicon as the source electrode. The results in FIG. 5 are based on device simulation calculations. For example, when the distance between the source and the drain is 10 μm, the threshold voltage reaches 350 V in the conventional device, whereas the threshold voltage is about 2.5 V in the device of the present invention.

実線、点線両グラフの左端の計算点はソース・ドレイン間距離が150nmの場合であるが、このソース・ドレイン間距離では、従来デバイスのしきい電圧が約10Vであるのに対し、本発明のデバイスのしきい電圧は1mV以下となっている。このように、本発明によればデバイスのしきい電圧を従来より著しく低下させることができ、電子放出の効率を大幅に向上させることができる。これにより、本発明のデバイスでは、動作速度の大幅な向上に加えて消費電力の大幅な低減を実現することができる。   The calculation points at the left end of both the solid line and the dotted line graph are when the distance between the source and the drain is 150 nm. At this distance between the source and the drain, the threshold voltage of the conventional device is about 10 V, whereas The threshold voltage of the device is 1 mV or less. Thus, according to the present invention, the threshold voltage of the device can be significantly reduced as compared with the prior art, and the efficiency of electron emission can be greatly improved. Thereby, in the device of the present invention, it is possible to realize a significant reduction in power consumption in addition to a significant improvement in operating speed.

図6は、窒化アルミニウムのソース電極に対して、電子の放出方向がc軸方向の場合とm軸方向の場合のデバイス特性の比較を示すグラフである。図6はデバイスのゲート電圧に対するドレイン電流の特性を示すものであり、横軸がゲート電圧[V]を表し、縦軸がドレイン電流[μA]を表している。図6の結果は、デバイス・シミュレーションの計算に基づくものである。   FIG. 6 is a graph showing a comparison of device characteristics when the electron emission direction is the c-axis direction and the m-axis direction with respect to the aluminum nitride source electrode. FIG. 6 shows the characteristics of the drain current with respect to the gate voltage of the device. The horizontal axis represents the gate voltage [V], and the vertical axis represents the drain current [μA]. The results in FIG. 6 are based on device simulation calculations.

ここでは、電子の放出方向によるデバイス特性の相違が明瞭となるように、ソース・ドレイン間距離を1mmとした。実線グラフが電子の放出方向をc軸方向とした場合であり、点線グラフが電子の放出方向をm軸方向とした場合である。電子の放出方向をc軸方向とした場合、放出方向をm軸方向とした場合に比べてドレイン電流が著しく増加しており、電子放出の効率が大幅に向上していることが分かる。   Here, the distance between the source and the drain is set to 1 mm so that the difference in device characteristics depending on the electron emission direction becomes clear. The solid line graph shows a case where the electron emission direction is the c-axis direction, and the dotted line graph shows a case where the electron emission direction is the m-axis direction. When the electron emission direction is set to the c-axis direction, the drain current is remarkably increased as compared with the case where the emission direction is set to the m-axis direction, and it can be seen that the electron emission efficiency is greatly improved.

電子の放出方向をm軸方向とした場合、ゲート電圧を増加してもドレイン電流はほとんど流れていない。これに対して、電子の放出方向をc軸方向とした場合、ドレイン電流はゲート電圧が3.5V付近からゲート電圧の増加とともに急激に増加している。この場合の相互コンダクタンスはゲート電圧が10Vのときに約1.3μSとなっている。このため、これに相当する遮断周波数は1THz以上となることが推定できる。   When the electron emission direction is the m-axis direction, the drain current hardly flows even when the gate voltage is increased. On the other hand, when the electron emission direction is the c-axis direction, the drain current increases rapidly with an increase in the gate voltage from around 3.5 V. The transconductance in this case is about 1.3 μS when the gate voltage is 10V. For this reason, it can be estimated that the cut-off frequency corresponding to this becomes 1 THz or more.

次に、本発明の真空チャネルトランジスタ1の製造方法について説明する。図7から図11は、本発明の真空チャネルトランジスタ1の製造方法の各工程を示す図である。まず、図7に示すように、導体基板11の上面に絶縁層12を形成する。ここでは導体基板11として、n型シリコン基板を使用している。シリコン基板の上面に対して加熱・酸化処理を施し、二酸化ケイ素からなる絶縁層12を形成する。   Next, a method for manufacturing the vacuum channel transistor 1 of the present invention will be described. 7 to 11 are views showing each step of the manufacturing method of the vacuum channel transistor 1 of the present invention. First, as shown in FIG. 7, the insulating layer 12 is formed on the upper surface of the conductor substrate 11. Here, an n-type silicon substrate is used as the conductor substrate 11. The upper surface of the silicon substrate is heated and oxidized to form the insulating layer 12 made of silicon dioxide.

また、図8に示すように、窒化ガリウムの基板14の上面に半導体層13を形成する。基板14はウルツ鉱型結晶構造の窒化ガリウムの結晶体であり、上面はm面となっている。基板14のこのm面を基礎として結晶成長を行い、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶体からなる半導体層13を形成する。この半導体層13の混晶半導体AlxGa1-xNは、窒化アルミニウムの割合xが0.65以上であり、基板14と同じウルツ鉱型の結晶構造となる。この半導体層13のc軸方向はm面の平面と平行である。Also, as shown in FIG. 8, a semiconductor layer 13 is formed on the upper surface of a gallium nitride substrate 14. The substrate 14 is a crystal of gallium nitride having a wurtzite crystal structure, and the upper surface is an m-plane. Crystal growth is performed on the basis of the m-plane of the substrate 14 to form the semiconductor layer 13 made of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal. The mixed crystal semiconductor Al x Ga 1-x N of the semiconductor layer 13 has an aluminum nitride ratio x of 0.65 or more, and has the same wurtzite crystal structure as the substrate 14. The c-axis direction of the semiconductor layer 13 is parallel to the m-plane.

半導体層13は具体的には有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって基板14のm面に対して混晶半導体を結晶成長させて形成する。例えば、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH3)の混合ガスを1000℃で保持された基板14のm面上に導入することにより混晶半導体AlxGa1-xNを形成する。混合ガスの混合割合を調整すれば任意の割合xの混晶半導体AlxGa1-xNを形成することができる。混晶半導体は基板14のm面に対してm軸方向にエピタキシャル成長する。混晶半導体の半導体層13はm面半導体層となっている。Specifically, the semiconductor layer 13 is formed by growing a mixed crystal semiconductor on the m-plane of the substrate 14 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). For example, a mixed crystal semiconductor Al x Ga 1-x N is introduced by introducing a mixed gas of trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), and ammonia (NH 3 ) onto the m-plane of the substrate 14 held at 1000 ° C. Form. If the mixing ratio of the mixed gas is adjusted, mixed crystal semiconductor Al x Ga 1-x N having an arbitrary ratio x can be formed. The mixed crystal semiconductor is epitaxially grown in the m-axis direction with respect to the m-plane of the substrate 14. The mixed crystal semiconductor layer 13 is an m-plane semiconductor layer.

次に、図9に示すように、絶縁層12が形成された導体基板11の上面に、半導体層13が下面となるように反転させた基板14を接近させ、絶縁層12の上面に半導体層13を貼り合わせる。導体基板11と基板14は窒素ガス雰囲気において1000℃で20分間の加熱処理が施される。この工程により導体基板11の絶縁層12と基板14の半導体層13は結合される。   Next, as shown in FIG. 9, the substrate 14 inverted so that the semiconductor layer 13 becomes the lower surface is brought close to the upper surface of the conductor substrate 11 on which the insulating layer 12 is formed, and the semiconductor layer is placed on the upper surface of the insulating layer 12. Paste 13 together. The conductive substrate 11 and the substrate 14 are heat-treated at 1000 ° C. for 20 minutes in a nitrogen gas atmosphere. By this step, the insulating layer 12 of the conductor substrate 11 and the semiconductor layer 13 of the substrate 14 are combined.

次に、図10に示すように、レーザーリフトオフ法により半導体層13と基板14とを剥離する。基板14と半導体層13との境界面には格子不整合によるミスフィット転位が発生しているため、レーザー光を吸収しやすい。レーザー光を照射すると、レーザー光がこの境界面で選択的に吸収され、境界面の融解が生じて容易に基板14を剥離することができる。   Next, as shown in FIG. 10, the semiconductor layer 13 and the substrate 14 are peeled off by a laser lift-off method. Since misfit dislocations due to lattice mismatch occur at the interface between the substrate 14 and the semiconductor layer 13, the laser beam is easily absorbed. When the laser beam is irradiated, the laser beam is selectively absorbed at the boundary surface, the boundary surface is melted, and the substrate 14 can be easily peeled off.

次に、図11に示すように、塩素系ドライエッチングにより、半導体層13を混晶半導体から成るソース131およびドレイン132の形状に加工する。ソース131およびドレイン132の先端間の間隔は例えば5μmとする。このソース・ドレイン間の間隔は、シリコンLSIなどに用いられる超微細加工技術を用いる必要がないサイズである。このため、本発明の真空チャネルトランジスタ1は、高価なステッパー(縮小投影型露光装置)や高度なエッチング技術を必要とせず、デバイスの製造コストを低減することができる。   Next, as shown in FIG. 11, the semiconductor layer 13 is processed into the shape of a source 131 and a drain 132 made of a mixed crystal semiconductor by chlorine-based dry etching. The distance between the tips of the source 131 and the drain 132 is, for example, 5 μm. The distance between the source and the drain is a size that does not require the use of an ultra-fine processing technique used in a silicon LSI or the like. Therefore, the vacuum channel transistor 1 of the present invention does not require an expensive stepper (reduction projection type exposure apparatus) or an advanced etching technique, and can reduce the manufacturing cost of the device.

そして最後に、導体基板11の下面側に金属電極23を形成し、ソース131上面に金属電極21を形成し、ドレイン132上面に金属電極22を形成する。これにより、図3に示すような真空チャネルトランジスタ1が完成する。金属電極21,22としてはアルミニウムが使用でき、金属電極23としてはチタンシリコンとアルミニウムの積層構造電極などが使用できる。   Finally, the metal electrode 23 is formed on the lower surface side of the conductor substrate 11, the metal electrode 21 is formed on the upper surface of the source 131, and the metal electrode 22 is formed on the upper surface of the drain 132. Thereby, the vacuum channel transistor 1 as shown in FIG. 3 is completed. Aluminum can be used as the metal electrodes 21 and 22, and a laminated structure electrode of titanium silicon and aluminum can be used as the metal electrode 23.

なお、金属電極21はソース131の先端(電子放出端)から10μmの範囲は形成されていない。これは金属電極21より注入される電子が先端側10μmの範囲の混晶半導体で充分加速されるようにするためである。しかし、この部分の寸法を増加しすぎると、電子が走行する距離が増し、抵抗が増加してしまう。そのため、この部分の寸法には最良値が存在する。この実施例の場合は10μmとなる。   The metal electrode 21 is not formed in a range of 10 μm from the tip (electron emission end) of the source 131. This is because electrons injected from the metal electrode 21 are sufficiently accelerated by the mixed crystal semiconductor in the range of 10 μm on the tip side. However, if the size of this part is increased too much, the distance traveled by the electrons increases and the resistance increases. Therefore, there is a best value for the dimension of this part. In this embodiment, the thickness is 10 μm.

この真空チャネルトランジスタ1の各層の実際の寸法例としては、例えば、絶縁層12の厚さは100nm、半導体層13の厚さは100nmとすることができる。また、ソース131およびドレイン132の先端間の間隔は例えば5μmとすることができる。   As an example of actual dimensions of each layer of the vacuum channel transistor 1, for example, the thickness of the insulating layer 12 can be 100 nm, and the thickness of the semiconductor layer 13 can be 100 nm. Further, the distance between the tips of the source 131 and the drain 132 can be set to 5 μm, for example.

次に、本発明の真空チャネルトランジスタの変形例について説明する。図12は、本発明の真空チャネルトランジスタの変形例としての真空チャネルトランジスタ1aの断面構成を模式的に示す図である。この真空チャネルトランジスタ1aでは、図3に示す真空チャネルトランジスタ1の構成に加えて、ソース131およびドレイン132の上面にそれぞれ結合層151,152が形成されている。金属電極21,22は結合層151,152の上面に設けられている。真空チャネルトランジスタ1aのその他の構成は図3の真空チャネルトランジスタ1と同様である。   Next, a modification of the vacuum channel transistor of the present invention will be described. FIG. 12 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a vacuum channel transistor 1a as a modification of the vacuum channel transistor of the present invention. In this vacuum channel transistor 1a, in addition to the configuration of the vacuum channel transistor 1 shown in FIG. 3, coupling layers 151 and 152 are formed on the upper surfaces of the source 131 and the drain 132, respectively. The metal electrodes 21 and 22 are provided on the upper surfaces of the coupling layers 151 and 152. The other configuration of the vacuum channel transistor 1a is the same as that of the vacuum channel transistor 1 of FIG.

結合層151,152は、ソース131およびドレイン132側から金属電極21,22側に向かうにつれて混晶半導体AlxGa1-xNの割合xが単調に減少するように組成が調整された混晶半導体の層である。換言すれば、結合層151,152では、混晶半導体における割合xが金属電極21,22側からソースおよびドレイン側に向かって単調に増大する。結合層151,152の下端面ではx=0.65となっており、上端面ではx=0.2となっている。混晶半導体の割合xは上方に向かって単調に減少している。この結合層151,152の厚さは500nmである。The bonding layers 151 and 152 are mixed crystals whose compositions are adjusted so that the ratio x of the mixed crystal semiconductor Al x Ga 1-x N monotonously decreases from the source 131 and drain 132 side toward the metal electrodes 21 and 22 side. It is a semiconductor layer. In other words, in the coupling layers 151 and 152, the ratio x in the mixed crystal semiconductor monotonously increases from the metal electrodes 21 and 22 side toward the source and drain sides. In the lower end surfaces of the coupling layers 151 and 152, x = 0.65, and in the upper end surface, x = 0.2. The ratio x of the mixed crystal semiconductor monotonously decreases upward. The thickness of the coupling layers 151 and 152 is 500 nm.

混晶半導体AlxGa1-xNの割合xが大きいほど混晶半導体と金属電極の接触抵抗率は大きくなる。このため混晶半導体と金属電極の接触界面では割合xが小さい方が電気抵抗が小さくなり望ましい。しかし、ソース131の混晶半導体AlxGa1-xNの割合xを小さくしてしまったのでは電子放出の効率が低下してしまう。そこで、真空チャネルトランジスタ1aでは、ソース131およびドレイン132の上面に結合層151,152を形成して、電子放出の効率向上と金属電極との接触抵抗率の低下という相反する要望を両立させるようにしたものである。The larger the ratio x of the mixed crystal semiconductor Al x Ga 1 -xN, the higher the contact resistivity between the mixed crystal semiconductor and the metal electrode. For this reason, it is desirable that the ratio x is smaller at the contact interface between the mixed crystal semiconductor and the metal electrode because the electric resistance becomes smaller. However, if the ratio x of the mixed crystal semiconductor Al x Ga 1-x N of the source 131 is reduced, the electron emission efficiency is lowered. Therefore, in the vacuum channel transistor 1a, the coupling layers 151 and 152 are formed on the upper surfaces of the source 131 and the drain 132 so that the conflicting demands of improving the efficiency of electron emission and reducing the contact resistivity with the metal electrode can be achieved. It is a thing.

図13は、他の変形例としての真空チャネルトランジスタ1bの断面構成を模式的に示す図である。この真空チャネルトランジスタ1bでは、図12に示す真空チャネルトランジスタ1aの構成に、結合層151,152上面の接触層161,162が追加されている。金属電極21,22は接触層161,162の上面に設けられている。真空チャネルトランジスタ1bのその他の構成は図12の真空チャネルトランジスタ1aと同様である。   FIG. 13 is a diagram schematically showing a cross-sectional configuration of a vacuum channel transistor 1b as another modification. In the vacuum channel transistor 1b, contact layers 161 and 162 on the upper surfaces of the coupling layers 151 and 152 are added to the configuration of the vacuum channel transistor 1a shown in FIG. The metal electrodes 21 and 22 are provided on the upper surfaces of the contact layers 161 and 162. The other configuration of the vacuum channel transistor 1b is the same as that of the vacuum channel transistor 1a of FIG.

真空チャネルトランジスタ1bでは、結合層151,152と金属電極21,22の間に接触層161,162が追加されている。接触層161,162は窒化ガリウムから成る層であり、金属電極との接触抵抗率は小さい。このため、真空チャネルトランジスタ1bでは、図12の真空チャネルトランジスタ1aよりも金属電極との接触抵抗率をさらに低下させることができる。これにより、高濃度の電子をソース131に供給でき、しきい電圧をさらに低減することができる。なお、本例では結合層151,152の厚さは500nmであり、接触層161,162の厚さも500nmである。   In the vacuum channel transistor 1 b, contact layers 161 and 162 are added between the coupling layers 151 and 152 and the metal electrodes 21 and 22. The contact layers 161 and 162 are layers made of gallium nitride and have a low contact resistivity with the metal electrode. Therefore, in the vacuum channel transistor 1b, the contact resistivity with the metal electrode can be further reduced as compared with the vacuum channel transistor 1a of FIG. Thereby, high-concentration electrons can be supplied to the source 131, and the threshold voltage can be further reduced. In this example, the thickness of the coupling layers 151 and 152 is 500 nm, and the thickness of the contact layers 161 and 162 is also 500 nm.

なお、以上の実施の形態では基板14上面の面方位がm面であるとしたが、基板14上面の面方位はa面であって同等のデバイスを製造することができる。最良の形態としては、混晶半導体から成る半導体層がm面半導体層またはa面半導体層であり、ピエゾ分極や自発分極の影響を受けないことが望ましい。電子がm面またはa面内で加速されてc軸方向に放出される場合に、電子放出の効率が最も大きくなり、しきい電圧も低減できる。   In the above embodiment, the surface orientation of the upper surface of the substrate 14 is the m-plane, but the surface orientation of the upper surface of the substrate 14 is the a-plane, and an equivalent device can be manufactured. As the best mode, it is desirable that the semiconductor layer made of a mixed crystal semiconductor is an m-plane semiconductor layer or an a-plane semiconductor layer and is not affected by piezoelectric polarization or spontaneous polarization. When electrons are accelerated in the m-plane or a-plane and emitted in the c-axis direction, the efficiency of electron emission is maximized and the threshold voltage can be reduced.

ただし、実際の半導体層13上面の面方位はm面やa面に対して完全に一致する必要はなく、一定の角度内で傾いていても良い。また電子を放出する方向もc軸に完全に一致する必要はなく、c軸に対して一定の角度内で傾いていても良い。電子放出に対するピエゾ分極と自発分極の影響を調べるシミュレーション計算によれば、電子の放出方向とc軸方向とのなす角度が30度を超えると、電子放出の効率は半減する。したがって、電子の主要な放出方向と結晶構造のc軸方向とのなす角度が30度以下であることが望ましい。   However, the actual plane orientation of the upper surface of the semiconductor layer 13 does not have to be completely coincident with the m-plane or the a-plane, and may be inclined within a certain angle. Further, the direction in which electrons are emitted does not have to coincide completely with the c-axis, and may be inclined within a certain angle with respect to the c-axis. According to a simulation calculation for examining the influence of piezo polarization and spontaneous polarization on electron emission, the efficiency of electron emission is halved when the angle between the electron emission direction and the c-axis direction exceeds 30 degrees. Therefore, it is desirable that the angle formed between the main electron emission direction and the c-axis direction of the crystal structure is 30 degrees or less.

ソースの半導体層において電子を加速する場合、ピエゾ分極や自発分極の影響を受けにくいm面またはa面に近い面内で電子を加速することにより、層内でのキャリアを均一な電界分布で加速することができるため、電子の加速効率を高めることができる。さらに、m面またはa面ではピエゾ分極や自発分極の影響を受けにくいため、ヘテロ界面でのバンドの障壁もなく金属電極からのキャリアの注入も容易となる。また、結合層151を有する真空チャネルトランジスタ1aや結合層151、接触層161を有する真空チャネルトランジスタ1bの場合、金属電極21からソース131に電子が移動することになるが、この場合の電子の移動方向がm軸またはa軸方向となるため、低抵抗で効率的な電子の移動が可能である。これらの効果により、真空チャンネルトランジスタのしきい電圧の低減と効率の向上を実現できる。   When accelerating electrons in the semiconductor layer of the source, the electrons are accelerated in a plane close to the m-plane or a-plane that is not easily affected by piezo polarization or spontaneous polarization, thereby accelerating the carriers in the layer with a uniform electric field distribution. Therefore, the acceleration efficiency of electrons can be increased. Further, since the m-plane or a-plane is not easily affected by piezo-polarization or spontaneous polarization, there is no band barrier at the heterointerface, and carriers can be easily injected from the metal electrode. In the case of the vacuum channel transistor 1 a having the coupling layer 151, the coupling layer 151, and the vacuum channel transistor 1 b having the contact layer 161, electrons move from the metal electrode 21 to the source 131. Since the direction is the m-axis or a-axis direction, it is possible to move electrons efficiently with low resistance. With these effects, the threshold voltage of the vacuum channel transistor can be reduced and the efficiency can be improved.

以上のように、本発明の半導体素子としての真空チャネルトランジスタは、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体を使用し、ソース電極における電子の主要な放出方向を結晶構造のc軸方向としたので、電子放出の効率を最大限に向上させ、電子放出のためのしきい電圧を著しく低減させることができる。これにより、真空チャネルトランジスタの動作速度を大幅に向上させることができ、1THz〜10THzの周波数範囲内での動作も可能となる。それに加えて、本発明の真空チャネルトランジスタでは、消費電力の大幅な低減を実現することができる。   As described above, the vacuum channel transistor as the semiconductor element of the present invention uses a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor, and the main emission direction of electrons at the source electrode is the c-axis direction of the crystal structure. The emission efficiency can be maximized and the threshold voltage for electron emission can be significantly reduced. As a result, the operating speed of the vacuum channel transistor can be greatly improved, and operation within a frequency range of 1 THz to 10 THz is also possible. In addition, the vacuum channel transistor of the present invention can achieve a significant reduction in power consumption.

なお、以上に示した実施の形態では、半導体素子を真空チャネルトランジスタとして説明したが、本発明の半導体素子は真空チャネルトランジスタに限定されることはない。本発明は、電子供給素子やその他の任意の電子放出を伴う半導体素子に適用することができる。   In the embodiment described above, the semiconductor element is described as a vacuum channel transistor, but the semiconductor element of the present invention is not limited to a vacuum channel transistor. The present invention can be applied to an electron supply element and other semiconductor elements with any electron emission.

本発明により、真空チャネルトランジスタにおける電子放出の効率を最大限に向上させるとともに電子放出のためのしきい電圧を著しく低減させることができ、真空チャネルトランジスタの動作速度を大幅に向上させるとともに消費電力を大幅に低減することができる。これにより、1THz〜10THzの周波数範囲内で動作可能な真空チャネルトランジスタを提供できる。   According to the present invention, the efficiency of electron emission in the vacuum channel transistor can be maximized and the threshold voltage for electron emission can be significantly reduced, thereby greatly improving the operating speed of the vacuum channel transistor and reducing the power consumption. It can be greatly reduced. As a result, a vacuum channel transistor that can operate within a frequency range of 1 THz to 10 THz can be provided.

1,1a,1b 真空チャネルトランジスタ
11 導体基板
12 絶縁層
13 半導体層
14 基板
21,22,23 金属電極
131 ソース
132 ドレイン
151,152 結合層
161,162 接触層
1, 1a, 1b Vacuum channel transistor 11 Conductor substrate 12 Insulating layer 13 Semiconductor layer 14 Substrate 21, 22, 23 Metal electrode 131 Source 132 Drain 151, 152 Coupling layer 161, 162 Contact layer

Claims (10)

窒化アルミニウムが分子数の比で全体の0.65以上となる窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体のウルツ鉱型構造の結晶からなる電極(131)を有し、
前記電極(131)は、電子の主要な放出方向と結晶構造のc軸方向とのなす角度が30度以下となるように配置されたものである半導体素子。
An electrode ( 131 ) made of a crystal of a wurtzite structure of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor in which aluminum nitride has a total molecular weight ratio of 0.65 or more ,
The electrode (131) is a semiconductor device in which the angle formed between the main electron emission direction and the c-axis direction of the crystal structure is 30 degrees or less.
請求項1に記載した半導体素子であって、
前記電極(131)は、電子の主要な放出方向が結晶構造のc軸方向となるように配置されたものである半導体素子。
A semiconductor device according to claim 1,
The said electrode (131) is a semiconductor element arrange | positioned so that the main emission direction of an electron may turn into the c-axis direction of a crystal structure.
ゲート電極をなす導体基板(11)と、
前記導体基板(11)の上に形成された絶縁体からなる絶縁層(12)と、
前記絶縁層(12)の上に形成されたソース電極(131)と、
前記絶縁層(12)の上に形成され、前記ソース電極(131)と対向するように設けられたドレイン電極(132)とを有し、
前記ソース電極(131)は、窒化アルミニウムが分子数の比で全体の0.65以上となる窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体のウルツ鉱型構造の結晶からなるものであり、電子の主要な放出方向と結晶構造のc軸方向とのなす角度が30度以下となるように配置されたものである真空チャネルトランジスタ。
A conductor substrate (11) forming a gate electrode;
An insulating layer (12) made of an insulator formed on the conductor substrate (11);
A source electrode (131) formed on the insulating layer (12);
A drain electrode (132) formed on the insulating layer (12) and provided to face the source electrode (131);
The source electrode 131 is composed of a wurtzite structure crystal of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor in which aluminum nitride has a total number ratio of 0.65 or more, and emits electrons mainly. The vacuum channel transistor is arranged so that the angle formed by the direction and the c-axis direction of the crystal structure is 30 degrees or less.
請求項に記載した真空チャネルトランジスタであって、
前記ソース電極(131)は、電子の主要な放出方向が結晶構造のc軸方向となるように配置されたものである真空チャネルトランジスタ。
A vacuum channel transistor according to claim 3 ,
The source electrode (131) is a vacuum channel transistor arranged such that the main electron emission direction is the c-axis direction of the crystal structure.
請求項に記載した真空チャネルトランジスタであって、
前記導体基板(11)は、n型シリコンからなるものであり、
前記絶縁層(12)は、n型シリコン基板の表面に形成された二酸化ケイ素の層である真空チャネルトランジスタ。
A vacuum channel transistor according to claim 4 ,
The conductor substrate (11) is made of n-type silicon,
The insulating layer (12) is a vacuum channel transistor which is a layer of silicon dioxide formed on the surface of an n-type silicon substrate.
請求項に記載した真空チャネルトランジスタであって、
前記ソース電極(131)は、当該ソース電極(131)に通電するための金属電極(21)が接続されたものである真空チャネルトランジスタ。
A vacuum channel transistor according to claim 5 ,
The source electrode (131) is a vacuum channel transistor in which a metal electrode (21) for energizing the source electrode (131) is connected.
請求項に記載した真空チャネルトランジスタであって、
前記ソース電極(131)と前記金属電極(21)との間に、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体からなり、窒化アルミニウムの割合が前記金属電極(21)側から前記ソース電極(131)側に向かって増大する結合層(151)を有する真空チャネルトランジスタ。
A vacuum channel transistor according to claim 6 , comprising:
A gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor is formed between the source electrode (131) and the metal electrode (21), and the proportion of aluminum nitride is from the metal electrode (21) side to the source electrode (131) side. A vacuum channel transistor with a coupling layer (151) increasing towards it.
請求項に記載した真空チャネルトランジスタであって、
前記金属電極(21)と前記結合層(151)との間に、窒化ガリウムからなる接触層(161)を有する真空チャネルトランジスタ。
A vacuum channel transistor according to claim 7 ,
A vacuum channel transistor having a contact layer (161) made of gallium nitride between the metal electrode (21) and the coupling layer (151).
窒化ガリウムのウルツ鉱型構造の結晶からなり、表面がm面である基板(14)に、窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体からなる半導体層(13)を結晶成長させる工程と、
n型シリコンからなる導体基板(11)の表面を酸化させて二酸化ケイ素からなる絶縁層(12)を形成する工程と、
前記絶縁層(12)の表面と前記半導体層(13)の表面を重ね合わせ、前記絶縁層(12)と前記半導体層(13)を結合する工程と、
前記基板(14)を前記半導体層(13)から剥離する工程と、
前記半導体層(13)をソース電極(131)とドレイン電極(132)として形成する工程とを有し、
前記半導体層(13)は、窒化アルミニウムが分子数の比で全体の0.65以上となる窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体のウルツ鉱型構造の結晶からなるものであり、
前記ソース電極(131)と前記ドレイン電極(132)とは、電子の主要な放出方向と結晶構造のc軸方向とのなす角度が30度以下となるように形成されるものである真空チャネルトランジスタの製造方法。
A step of crystal growth of a semiconductor layer (13) made of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor on a substrate (14) comprising a wurtzite structure crystal of gallium nitride and having a m-plane surface;
oxidizing the surface of the conductive substrate (11) made of n-type silicon to form an insulating layer (12) made of silicon dioxide;
Overlaying the surface of the insulating layer (12) and the surface of the semiconductor layer (13) to bond the insulating layer (12) and the semiconductor layer (13);
Peeling the substrate (14) from the semiconductor layer (13);
Possess and forming said semiconductor layer (13) as a drain electrode (132) and the source electrode (131),
The semiconductor layer (13) is made of a wurtzite structure crystal of a gallium nitride-aluminum nitride mixed crystal semiconductor in which aluminum nitride has a molecular number ratio of 0.65 or more as a whole,
The source electrode (131) and the drain electrode (132) are formed so that the angle formed between the main electron emission direction and the c-axis direction of the crystal structure is 30 degrees or less. Manufacturing method.
請求項に記載した真空チャネルトランジスタの製造方法であって、
前記ソース電極(131)と前記ドレイン電極(132)とは、電子の主要な放出方向が前記半導体層(13)の結晶構造のc軸方向となるように形成されるものである真空チャネルトランジスタの製造方法。
A method of manufacturing a vacuum channel transistor according to claim 9 ,
The source electrode (131) and the drain electrode (132) are formed in such a way that the main electron emission direction is the c-axis direction of the crystal structure of the semiconductor layer (13). Production method.
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