JP7331672B2 - Semiconductor device, wireless receiver using the same, and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、半導体デバイス、これを用いた無線受信器、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 radio receiver using the same, and a method of manufacturing the semiconductor device.
環境電波発電、無線通信などで電波を受信するデバイスとして、トンネルダイオードの一種であるバックワードダイオードが検討されている(たとえば、特許文献1参照)。マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波などの高周波を感度良く検知し、または効率良く電気エネルギーに変換するには、電圧対電流(I-V)特性で0V付近の非線形性が大きいことが望ましい。すなわち、電流が流れる方向で電流の立ち上がりが急峻であり、電流が流れる方向と反対方向の耐圧が高いことが求められる。 A backward diode, which is a type of tunnel diode, has been studied as a device for receiving radio waves in environmental radio wave generation, wireless communication, and the like (see, for example, Patent Document 1). In order to detect high frequencies such as microwaves, millimeter waves, and terahertz waves with high sensitivity or to convert them into electrical energy efficiently, it is desirable that the voltage-to-current (IV) characteristics have large nonlinearity near 0V. That is, it is required that the current rises steeply in the direction of current flow and that the breakdown voltage in the direction opposite to the direction of current flow is high.
バックワードダイオードは、電流が流れる側(負バイアス側)でバンド間トンネル電流による電流の立ち上がりが急峻であり、ゼロバイアス付近で急峻なオン・オフの整流性が得られる。この特性により、ダイオードの受光感度が高く、微弱な高周波(RF:Radio Frequency)を直流(DC:Direct Current)に変換することができる。 In the backward diode, current rises steeply due to band-to-band tunneling current on the current flow side (negative bias side), and steep on/off rectification is obtained near zero bias. Due to this characteristic, the light receiving sensitivity of the diode is high, and weak high frequency (RF: Radio Frequency) can be converted into direct current (DC: Direct Current).
MOSトレンチを有するショットキー障壁整流装置が知られている(たとえば、特許文献2参照)。 Schottky barrier rectifiers with MOS trenches are known (see, for example, Patent Document 2).
従来のバックワードダイオードは、電流を抑制したい正バイアス側での耐圧が不十分であり、入力電力が大きいと、電圧スイングによって順方向に電流が流れてしまう。大電力のRF信号をDC電流に変換することができず、整流性能を発揮できるダイナミックレンジが限られる。 Conventional backward diodes do not have sufficient withstand voltage on the positive bias side where the current is to be suppressed, and when the input power is large, current flows in the forward direction due to the voltage swing. It cannot convert high-power RF signals to DC current, and has a limited dynamic range for rectifying performance.
本発明は、高感度の検波が可能で、かつ整流のダイナミックレンジが広い半導体デバイスを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of highly sensitive detection and having a wide dynamic range of rectification.
一つの態様では、半導体デバイスは、
表面に複数の突起を有する第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の底面に接する第2導電型の第2半導体層と、
前記複数の突起の側面に形成された絶縁膜と、
前記複数の突起の各々の頂部とオーミック接続する第1の金属電極と、
前記第2半導体層に接続された第2の金属電極と
を備える。
In one aspect, the semiconductor device comprises:
a first conductivity type first semiconductor layer having a plurality of protrusions on its surface;
a second conductivity type second semiconductor layer in contact with the bottom surface of the first semiconductor layer;
an insulating film formed on side surfaces of the plurality of protrusions;
a first metal electrode ohmically connected to the top of each of the plurality of protrusions;
and a second metal electrode connected to the second semiconductor layer.
高感度の検波が可能で、かつ整流のダイナミックレンジが広い半導体デバイスが実現される。 A semiconductor device capable of highly sensitive detection and having a wide dynamic range of rectification is realized.
実施形態を詳細に説明する前に、バックワードダイオードの順方向耐圧の問題を説明する。図1は、メササイズが20μmのバックワードダイオードの電流-電圧特性を示す。pn接合の障壁を流れるトンネル電流を利用したバックワードダイオードは、わずかな負バイアスによってマイナスの電流が急峻に立ち上がる。一方、電流を抑制したい正バイアス側で、0.2Vを超えると電流が流れ出す。受信するRF信号のパワーが大きいときにも整流性能を発揮させるためには、負バイアス側での急峻な立ち上がりを維持し、かつ正バイアス側の耐圧を高めて、ゼロバイアス近傍での非線形性を向上する必要がある。 Before describing the embodiments in detail, the problem of the forward withstand voltage of the backward diode will be described. FIG. 1 shows the current-voltage characteristics of a backward diode with a mesa size of 20 μm. A backward diode that utilizes a tunnel current flowing through a pn junction barrier causes a sharp negative current to rise with a slight negative bias. On the other hand, when the voltage exceeds 0.2 V on the positive bias side where the current should be suppressed, the current starts to flow. In order to exhibit rectification performance even when the power of the received RF signal is large, the sharp rise on the negative bias side is maintained, and the positive bias side withstand voltage is increased to reduce the nonlinearity near zero bias. Need to improve.
実施形態では、電流が流れる方向と反対方向のバイアスがかかったときに電流パスが狭窄化しやすい形状を提案することで、電流が流れる方向での感度を維持し、かつ電流を抑圧すべき方向での耐圧を強化する。半導体デバイスがバックワード的に動作するときは、逆方向での電流の立ち上がりを急峻にし、順方向の耐圧を大きくする。 In the embodiment, by proposing a shape in which the current path is likely to be narrowed when a bias is applied in the direction opposite to the direction in which the current flows, the sensitivity in the direction in which the current flows is maintained, and the current is to be suppressed in the direction in which it should be suppressed. Strengthen the pressure resistance of When the semiconductor device operates backward, the rise of the current in the reverse direction is made steeper and the withstand voltage in the forward direction is increased.
<デバイス構成>
図2は、実施形態の半導体デバイス10の断面模式図である。基板11上に、第2導電型の半導体層13と、第1導電型の半導体層15がこの順で積層されている。第1導電型の半導体層15は第1の金属電極18と電気的に接続され、第2導電型の半導体層13は第2の金属電極19と電気的に接続されている。
<Device configuration>
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
一例として、第1導電型の半導体層15をp型半導体で形成し、第2導電型の半導体層13をn型の半導体で形成する。この例では、p型の半導体層15は、メサ形状に加工されており、p型の半導体層15とn型の半導体層13の界面に、p-n接合が形成されている。p型の半導体層15のメサの周囲は、絶縁膜16及び絶縁膜17で埋め込まれている。
As an example, the
p型の半導体層15は、第1の金属電極18との界面に複数の突起150を有する。各突起150は、底部から頂部へ向けて基板と水平な面内での断面積が小さくなる形状を有している。突起150の側面は薄い絶縁膜161で覆われているが、先端でp型の半導体層15が露出して、第1の金属電極18とオーミック接触している。
The p-
p型の半導体層15のメサの幅は、たとえば数μm~10μm、あるいはそれ以上であってもよい。一方、半導体層15の上端部に形成される突起150は、その配列方向での幅が100nm以下と、微細である。
The mesa width of the p-
底部よりも頂部が狭くなった微細な突起150の形状により、電流パスを効果的に狭窄化して、順方向バイアスに対する耐圧を向上する。
The shape of the
図3は、図2のp型の半導体層15と第1の金属電極18の接続部の拡大図である。メサ形状に加工されたp型の半導体層15の側面と、各突起150の側面は、薄い絶縁膜161で覆われている。絶縁膜161は、たとえば酸化アルミニウム(Al2O3)の膜である。絶縁膜161の厚さは、先端へ向かうほど細くなる突起150の形状を損なわない厚さであり、一例として5~15nm程度である。
FIG. 3 is an enlarged view of the connecting portion between the p-
第1の金属電極18は、p型の半導体層15の上端の凹凸を埋め込んでいる。突起150を覆う絶縁膜161の一部が除去されて、各突起150の頂部151が露出している。p型の半導体層15は、露出面152で第1の金属電極18と接触している。上述のように、p型の半導体層15と第1の金属電極18との接触は、オーミック接触である。
The
突起150の配列方向の幅は"d"、高さは"h"である。突起150の高さhは、幅d以上である(h≧d)。高さhを配列方向の幅d以上にすることで、突起150が縦長になり、順方向のバイアス印加時に電流狭窄化の効果が得やすくなる。h≧dの条件で、突起150の断面での頂角θは、53°以下となる。
The
突起150の幅dは、電流狭窄化の効果が得られる限り、適切な値に設計可能である。図2及び図3の例では、p型の半導体層15の積層方向の上面に、幅dが100nm以下の微細な突起150を設けられる。換言すると、突起150の面内方向のピッチは100nm以下である。
The width d of the
各突起150の側面は、第1の金属電極18と、絶縁膜161と、p型の半導体層15によるMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)接合となっている。このMIS接合により、キャリアが流れる方向と交差する方向に空乏層の拡がりを制御することができる。
A side surface of each
図4は、半導体デバイス10の動作を説明する図である。図4(A)は、逆方向バイアス(この例では負バイアス)を印加したときの空乏層155の状態を示す。図4(B)は順方向バイアス(この例では正バイアス)を印加したときの空乏層155の状態を示す
第1導電型がp型のとき、図4(A)のように逆方向のバイアス(負バイアス)が印加されると、各突起150の空乏層155は、絶縁膜161との界面の近傍に存在し、p型の半導体層15のホールが第1の金属電極18に流れ込む。
4A and 4B are diagrams for explaining the operation of the
図4(B)のように、第1の金属電極18に順方向のバイアス(正バイアス)が印加されると、空乏層155はp型の半導体層15の界面から突起150の中心に向かって拡がり、ホールはオーミック接合の価電子帯準位へ通り抜けることができない。
When a forward bias (positive bias) is applied to the
この動作は、第1導電型と第2導電型が逆の場合も成り立つ。第1導電型がn型のときは、第1の金属電極に逆方向のバイアス(負バイアス)が印加されると、各突起150の空乏層155は、絶縁膜161との界面の近傍に存在し、n型半導体層の電子がp型半導体(第2導電型の半導体層13)とのp-n接合に向かって流れ出す。
This operation also holds when the first conductivity type and the second conductivity type are reversed. When the first conductivity type is the n-type, when a reverse bias (negative bias) is applied to the first metal electrode, the
第1の金属電極に順方向のバイアス(正バイアス)が印加されると、空乏層155はn型半導体層の界面から突起150の中心に向かって拡がり、電子はオーミック接合の伝導帯の準位へ通り抜けることができない。
When a forward bias (positive bias) is applied to the first metal electrode, the
各突起150が、頂部に向かって基板と水平な面内での断面積が小さくなる形状を有するので、突起150の内部の空乏層の拡がりを、キャリアが流れる方向と交差する方向に制御することができる。空乏層155による電流狭窄は、突起150の幅または径が、空乏層155の拡がりに対して十分に小さいことにより発現する。
Since each
突起150の幅dが100nm以下の場合は、突起150の側面から拡がる空乏層155を接触させることができ、高効率の電流制御が可能になる。空乏層155の幅は、半導体中のドーピング濃度、材料等にも依存するため、これらのパラメータを制御して、順方向バイアスがかかったときに空乏層155が突起150の幅または径の半分を超えるように制御してもよい。
When the width d of the
これにより、順方向の耐圧が向上し、逆方向では、小さなオン電圧で急峻に電流が流れて、整流性能のダイナミックレンジが拡張される。 As a result, the withstand voltage in the forward direction is improved, and in the reverse direction, current flows steeply with a small on-voltage, expanding the dynamic range of rectification performance.
図5は、第1導電型の半導体層15に設けられる突起の構成例である。いずれも、半導体デバイス10の積層方向の上面から見た図である。図5(A)では、複数の角錐形の突起150Aが二次元方向に配置されている。各突起150Aは、頂部151aを有する。頂部151aとその周辺を除いて、突起150Aの斜面は絶縁膜161で覆われることになる。
FIG. 5 is a configuration example of protrusions provided on the
図5(B)では、複数の円錐状の突起150Bが二次元方向に配置されている。各突起150Bは、頂部151bを有する。頂部151bとその周辺を除いて、突起150Bの斜面は絶縁膜161で覆われることになる。
In FIG. 5B, a plurality of
図5(C)では、複数の三角プリズム状の突起150Cが、突起150Cの長軸と直交する方向に配列されている。各突起150Cは、頂部151cを有する。頂部151cとその周辺を除いて、突起150Cの斜面は絶縁膜161で覆われることになる。
In FIG. 5C, a plurality of triangular prism-shaped
図6は、図5の突起構造を形成するときのレジストパターンである。いずれも、半導体デバイス10の積層方向の上面から見た図である。図6(A)のレジストパターン26Aは、図5(A)の突起150Aを形成するときに用いられる。異なる方向から斜めエッチングを行うことで、図5(A)の突起150Aが得られる。
FIG. 6 is a resist pattern for forming the protrusion structure of FIG. All of them are views of the
図6(B)のレジストパターン26Bは、図5(B)の突起150Bを形成するときに用いられる。反応性エッチングでエッチングガスの供給レートや反応速度を制御しながら等方性のエッチングを行うことで、図5(B)の突起150Bが得られる。
The resist
図6(C)のレジストパターン26Cは、図5(C)の突起150Cを形成するときに用いられる。ストライプ状のレジストパターン26Cを形成し、レジストパターン26Cの両方向から斜めエッチングを行うことで、図5(C)の突起150Cが得られる。
The resist
図5(A)~図5(C)のいずれの形状でも、各突起150の幅または径を十分に小さくすることで、突起150の内部で拡張された空乏層155を接触させることができる。
5A to 5C, by sufficiently reducing the width or diameter of each
<デバイスの製造工程>
図7A~図7Lは、実施形態の半導体デバイス10の製造工程図である。以下で述べる工程と用いられる材料は一例であって、本発明を限定するものではない。
<Device manufacturing process>
7A to 7L are manufacturing process diagrams of the
図7Aで、半絶縁性のInP基板11に、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属気相成長)法によるエピタキシャル成長により、半導体層を積層する。具体的には、InP基板11上に、i-InAlAsのバッファ層12を、200~300nmの厚さに成長する。次に、n型の不純物が高濃度にドープされたInGaAsで第2導電型の半導体層13を形成する。第2導電型の半導体層13は、必ずしも単層である必要はなく、n型不純物の濃度を変えた2以上のInGaAs層で形成されてもよい。この場合、少なくとも一つの層の不純物濃度を1×1019cm-3程度にする。
In FIG. 7A, semiconductor layers are laminated on a
次に、p型の不純物がドープされたGaAsSbで、第1導電型の半導体層15を形成する。p型の不純物として、たとえばZnを2×1019cm-3の濃度でドープする。これにより、図7Aの積層が得られる。
Next, the
図7Bで、たとえば、ウェットエッチングにより、第1導電型の半導体層15を所定のメサ形状に加工する。メサの平面サイズは、数μm~10μm、あるいはそれ以上であってもよい。このメサ加工により、第2導電型の半導体層13の表面が部分的に露出する。
In FIG. 7B, for example, by wet etching, the
図7Cで、全面にCVD法等により酸化アルミニウム等の絶縁膜16を形成する。その後、全面にBCB(ベンゾシクロブテン)等の絶縁性樹脂をスピンコートし、ベークして絶縁膜17を形成する。
In FIG. 7C, an insulating
図7Dで、切削加工により絶縁膜17を薄化して、第1導電型の半導体層15の上端部を、絶縁膜17から所定量突出させる。切削加工により、第1導電型の半導体層15を覆っていた絶縁膜16も除去される。絶縁膜17の表面からの第1導電型の半導体層15の突出量は、突起150の高さhが確保できる量である。
In FIG. 7D, the insulating
図7Eで、全面にレジスト膜260を塗布し、目的とする突起150の形状に対応するパターンにパターニングする。パターニングされた部分がレジストパターン26になる。突起の底部の幅dを100nm以下にする場合、電子線(EB)リソグラフィ技術によりレジスト膜260をパターニングする。レジストパターン26を含むレジスト膜260をマスクにして、ドライエッチングにより、第1導電型の半導体層15に突起150を形成する。ドライエッチングの後にウェットエッチングを行って、突起150の形状を整えてもよい。
In FIG. 7E, a resist
図7Fで、レジストパターン26を含むレジスト膜260を除去し、全面に薄い絶縁膜161を形成する。絶縁膜161の厚さは、突起150の内部の空乏層の制御を可能にする厚さ、たとえば、5~15nmである。薄い絶縁膜161は、たとえば、酸化アルミニウムの薄膜であり、ALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積法)法により形成される。
In FIG. 7F, the resist
図7Gで、全面にレジストをスピンコートしベーク処理した後に、第1導電型の半導体層15の突起150の頂部151が露出するまで、切削加工でレジストを薄化する。この時の切削加工で、絶縁膜17上に形成されていたレジスト膜と、突起150の頂部151を覆っていた絶縁膜161も除去される。これにより、突起150の頂部151が露出面152となる。
In FIG. 7G, after resist is spin-coated on the entire surface and baked, the resist is thinned by cutting until the
図7Hで、所定の開口パターン311を有するレジストマスク31を形成し、絶縁膜17にコンタクトホール171を形成する。
In FIG. 7H, a resist
図7Iで、たとえばAuを蒸着し、リフトオフすることで、第2導電型の半導体層13に接続される第2の金属電極14を形成する。その後、レジストマスク31を除去し、第1導電型の半導体層15のメサに対応する位置に開口パターン321を有するレジストマスク32を形成する。
In FIG. 7I, for example Au is deposited and lifted off to form a second metal electrode 14 connected to the
図7Jで、Auを蒸着し、リフトオフすることで、第1導電型の半導体層15の突起150を覆う第1の金属電極18を形成する。その後、レジストマスク32を除去する。各突起150の先端は露出面152となっているため、第1の金属電極18は、突起150の先端で第1導電型の半導体層15と接触する。この接触はオーミック性の接触である。第1の金属電極18は、隣接する突起間の谷を埋め込んでいる。
In FIG. 7J, Au is deposited and lifted off to form the
図7Kで、たとえば、BCBをスピンコートし、ベークすることで、層間絶縁膜35を形成し、層間絶縁膜35に、第1の金属電極18に達するコンタクトホール351と、第2の金属電極19に達するコンタクトホール352を形成する。
In FIG. 7K, an
図7Lで、コンタクトホールを導電材料で埋め込み、層間絶縁膜35の表面を覆う導電膜を所定の形状にパターニングして、第1の金属電極18に接続される引き出し電極36と、第2の金属電極19に接続される引き出し電極37を形成する。これにより、突起150を有するバックワード型の半導体デバイス10が得られる。
In FIG. 7L, the contact hole is filled with a conductive material, the conductive film covering the surface of the
半導体デバイス10に逆方向のバイアスがかかったときは、突起150の界面の空乏層が薄くなってキャリアが流れる。第1導電型の半導体層15と、第2導電型の半導体層13は、1×1018cm-3以上の濃度に不純物がドープされており、キャリアは第1導電型の半導体層15と第2導電型の半導体層13の界面の電位障壁を直接トンネリングする。これにより、小さな逆方向バイアスで、電流が急峻に立ち上がる。
When the
一方、半導体デバイス10に順方向のバイアスがかかったときに、突起150の界面から中心方向に向かって空乏層が拡がり、キャリアの流れが遮断され、順方向耐圧が向上する。
On the other hand, when the
<変形例>
図8は、実施形態の半導体デバイスの変形例である半導体デバイス20の断面模式図である。図2の半導体デバイス10と同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略する。
<Modification>
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a
図2の半導体デバイス10では、第1導電型の半導体層15の表面に、配列方向の幅dが100nm以下、高さhが100nm以上の微細な縦長の突起を形成した。第1の金属電極18は、隣接する突起150間の谷間を突起150の根元まで埋め込んでおり、頂部151を除く突起150の側面、すなわち斜面全体で空乏層の厚さを制御した。
In the
図8の変形例では、個々の突起250のサイズを大きくし、各突起250の頂部251の近傍だけを第1の金属電極28覆う。これにより突起250の形成を容易にし、かつ、微細な構造の内部での空乏層の厚さ制御を維持して、高感度かつ高耐圧の整流性能を確保する。
In the modified example of FIG. 8, the size of each
半導体デバイス20は、基板11上に、第2導電型の半導体層13と第1導電型の半導体層25の積層を有する。一例として、第1導電型の半導体層25はp型半導体で形成され、第2導電型の半導体層13はn型半導体で形成されている。メサ形状に加工されたp型の半導体層25とn型の半導体層13の界面は、p-n接合となっている。メサの幅は、たとえば数μm~10μm、あるいはそれ以上であってもよい。p型の半導体層25は、第1の金属電極28と電気的に接続され、n型の半導体層13は、第2の金属電極19と電気的に接続されている。
The
p型の半導体層25は、p-n接合と反対側の面に複数の突起250を有する。各突起250は、底部から頂部251に向かって基板と水平な面内での断面積が小さくなる形状を有している。突起250の配列方向に沿った底部の幅Dは200nm程度であり、図2の突起150と比較して、サイズが大きい。突起250の高さは200nm以上に設定され、図2と同様に、垂直断面でみたときの頂角が53°以下となる縦長の形状を有している。
The p-
突起250の側面は薄い絶縁膜261で覆われているが、先端でp型の半導体層25が露出して、第1の金属電極28と接触している。p型の半導体層25と第1の金属電極28との接触は、オーミック接触である。
The side surface of the
突起250の全体のサイズは大きいが、第1の金属電極28は、突起250の頂部251の近傍だけを覆っている。第1の金属電極28の積層方向の最下端での突起250の配列方向の幅dは、図2と同様に100nm以下である。絶縁膜261を介したバイアス印加によって突起250の界面の空乏層の厚さまたは拡がりが制御されるのは、頂部251の近傍の微細な構造の内部である。
Although the overall size of the
第1の金属電極28は、突起250の頂部251の近傍だけを覆っており、突起250と突起250の谷間は、第1の金属電極28の下層に設けられた絶縁膜280で埋め込まれている。絶縁膜280は、絶縁膜27と同様に、BCBなどの絶縁性樹脂であってもよい。
The
半導体デバイス20を作製する場合は、突起250の形成後に全面に薄い絶縁膜261を形成し、樹脂膜を塗布してから、切削により、樹脂膜の厚さを所定の厚さに低減してい絶縁膜280を形成する。このときの切削加工により、突起250の頂部251で絶縁膜261の一部が除去されて、第1導電型の半導体層25が露出する。
When manufacturing the
図8の構成は、突起250を大きくすることができ、EBリソグラフィを使わなくても通常のフォトリソグラフィとエッチングで突起250を形成することができ、製造プロセスの観点から有利である。一方、絶縁膜261を介した順方向のバイアス印加により、頂部251の近傍の微細な構造の内部で空乏層の厚さが制御されるので、抑圧すべきキャリアの流れを効果的にブロックすることができる。
The configuration of FIG. 8 is advantageous from the viewpoint of the manufacturing process because the
<応用例>
図9は、実施形態の半導体デバイス10または20(以下、単に「半導体デバイス」とする)が適用される無線受信器300の模式図である。無線受信器300は、無線通信システムの受信側の検波に用いられる。
<Application example>
FIG. 9 is a schematic diagram of a
無線受信器300は、受信アンテナ301、受信アンテナ301に接続されたローノイズアンプ302、ローノイズアンプ302に接続されたダイオード303、ローノイズアンプ302に接続されたインダクタ304、及び出力端子305を有する。ダイオード303に、実施形態の半導体デバイスを用いることができる。
A
受信アンテナ301で受信された高周波無線信号は、ローノイズアンプ302で増幅されたあと、ダイオード303に入力される。ダイオード303はたとえばバックワード的に動作し、入力される高周波を感度良く検出し、整流する。インダクタ219は整流された電流に残る交流成分を除去して、電圧を出力する。
A high-frequency radio signal received by the receiving
図10は、実施形態の半導体デバイスが適用される無線受信器400の模式図である。無線受信器400は、環境電波を電力に変換するエネルギーハーベスティング、あるいはマイクロ波発電機に用いられる。
FIG. 10 is a schematic diagram of a
無線受信器400は、受信アンテナ401と、受信アンテナ401に接続されるダイオード402及び403、ダイオード403に接続される平滑キャパシタ404及び電圧一定化回路405、及び出力端子406を有する。
受信アンテナ401は、エネルギーとして、たとえばマイクロ波を受信する。ダイオード402及び403は、受信アンテナ401から入射するマイクロ波を全波整流する。平滑キャパシタ404により、安定したDC出力が得られる。電圧一定化回路405は、DC出力を一定値にする。出力端子406は、電子機器の電源に接続されており、一定値にされたDC出力が電源に供給される。
Receiving
この構成により、幅広い電波強度レンジに対してエネルギー変換効率が向上する。環境電波のような微小電力のハーベスティングから、マイクロ波送電で用いられる強力なマイクロ波の電力変換まで、広範囲かつ高効率の電力変換が実現する。 This configuration improves energy conversion efficiency over a wide range of radio wave intensity. A wide range of highly efficient power conversion can be realized, from the harvesting of minute power such as environmental radio waves to the power conversion of powerful microwaves used in microwave power transmission.
本発明は、上述した実施例に限定されず、多様な変形例が可能である。突起150または250が形成される第1導電型の半導体層は、n型半導体であってもよい。たとえば、実施形態では、n-InGaAs層の上にp-GaAsSb層を積層して、p-GaAsSb層に突起を設けたが、p-GaAsSbの上にn-InGaAsを積層して、n-InGaAsに突起を設けてもよい。この場合、n-InGaAsの突起にカソードとなる金属電極がオーミック接触する。
The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible. The first conductivity type semiconductor layer on which the
カソードに順方向のバイアスが印加されると、突起150または250の内部の空乏化によって電流狭窄が起き、整流作用が生じる。空乏化は、電圧が高くなるほど電流が流れなくなる現象であるため、耐圧の高い整流動作が実現する。カソードに逆方向のバイアスが印加されると空乏層が薄くなり、電子が流れ込んで、従来のダイオードと同等の電流を流すことができる。
When a forward bias is applied to the cathode, current constriction occurs due to depletion inside
n型半導体とp型半導体の組み合わせとして、n-InGaAsとp-AlGaSb、n-InAlAsとp-InGaSb等を用いてもよい。 As a combination of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor, n-InGaAs and p-AlGaSb, n-InAlAs and p-InGaSb, or the like may be used.
第1の金属電極と第2の金属電極の材料はAuに限定されず、オーミック電極としての性能を高めるために、p型半導体とAuの間にTiWを挿入し、n型半導体とAuの間にAuGeを挿入してもよい。 The material of the first metal electrode and the second metal electrode is not limited to Au. In order to improve the performance as an ohmic electrode, TiW is inserted between the p-type semiconductor and Au, and TiW is inserted between the n-type semiconductor and Au. may be inserted with AuGe.
第1導電型の半導体層と第1の金属電極の接合をオーミック接触にするために、仕事関数、電子親和力、界面準位等に基づいて、第1導電型の半導体材料に適した電極材料が選択されてもよい。 In order to form an ohmic contact between the semiconductor layer of the first conductivity type and the first metal electrode, an electrode material suitable for the semiconductor material of the first conductivity type is selected based on the work function, electron affinity, interface level, etc. may be selected.
第1導電型の半導体層をp-GaAsSbで形成する場合、オーミック接合する金属として、Auに替えてNi,Pd,Pt等を用いてもよい。第1導電型の半導体層をn-GaAsSbで形成する場合、オーミック接触する金属として、Auに替えてTi等を用いてもよい。 When the semiconductor layer of the first conductivity type is formed of p-GaAsSb, Ni, Pd, Pt, or the like may be used instead of Au as the metal for ohmic contact. When the semiconductor layer of the first conductivity type is formed of n-GaAsSb, Ti or the like may be used instead of Au as the metal for ohmic contact.
積層される半導体層の数はp型半導体層とn型半導体層が1層ずつに限定されず、少なくとも一方の導電型で組成、ドープ量等が異なる2層以上の半導体層を積層してもよい。たとえば、p-GaAsSbとn-InGaAsの間に、n-InAsを挿入して、p-GaAsSbとInAsでメサを形成してもよい。この場合、p-GaAsSbとn-InAsの界面がp-n接合となる。n-InAsはn-InGaAsを介して第2の金属電極19に電気的に接続される。
The number of stacked semiconductor layers is not limited to one p-type semiconductor layer and one n-type semiconductor layer. good. For example, n-InAs may be inserted between p-GaAsSb and n-InGaAs to form a mesa with p-GaAsSb and InAs. In this case, the interface between p-GaAsSb and n-InAs becomes a pn junction. The n-InAs is electrically connected to the
いずれの変形例でも、微細な突起構造の内部の空乏層の厚さを制御することで、順方向のバイアスで耐圧が向上し、逆方向のバイアスで急峻な電流の立ち上がりを得ることができる。 In any of the modifications, by controlling the thickness of the depletion layer inside the fine projection structure, the breakdown voltage can be improved in the forward bias, and a steep current rise can be obtained in the reverse bias.
10、20 半導体デバイス
11 基板
13 第2導電型の半導体層
15、25 第1導電型の半導体層
18、28 第1の金属電極
19 第2の金属電極
16 絶縁膜
17,280 絶縁膜
150、250 突起
151、251 頂部
152 露出面
161、261 絶縁膜
300、400 無線受信器
10, 20
Claims (10)
前記第1半導体層の底面に接する第2導電型の第2半導体層と、
前記複数の突起の側面に形成された絶縁膜と、
前記複数の突起の各々の頂部とオーミック接続する第1の金属電極と、
前記第2半導体層に接続された第2の金属電極と
を備え、
前記複数の突起の各々は、底部から前記頂部へ向けて断面積が小さくなる形状であり、前記複数の突起の頂角は53°以下である半導体デバイス。 a first conductivity type first semiconductor layer having a plurality of protrusions on its surface;
a second conductivity type second semiconductor layer in contact with the bottom surface of the first semiconductor layer;
an insulating film formed on side surfaces of the plurality of protrusions;
a first metal electrode ohmically connected to the top of each of the plurality of protrusions;
a second metal electrode connected to the second semiconductor layer ;
A semiconductor device according to claim 1, wherein each of said plurality of projections has a shape in which a cross-sectional area decreases from a bottom portion toward said top portion, and a vertical angle of said plurality of projections is 53° or less.
前記第1半導体層の底面に接する第2導電型の第2半導体層と、
前記複数の突起の側面に形成された絶縁膜と、
前記複数の突起の各々の頂部とオーミック接続する第1の金属電極と、
前記第2半導体層に接続された第2の金属電極と
を備え、
前記第1の金属電極の積層方向での最下端位置で、前記複数の突起の配列方向の幅は100nm以下であることを特徴とする半導体デバイス。 a first conductivity type first semiconductor layer having a plurality of protrusions on its surface;
a second conductivity type second semiconductor layer in contact with the bottom surface of the first semiconductor layer;
an insulating film formed on side surfaces of the plurality of protrusions;
a first metal electrode ohmically connected to the top of each of the plurality of protrusions;
a second metal electrode connected to the second semiconductor layer;
with
A semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of protrusions have a width of 100 nm or less in the arrangement direction at the lowest position in the stacking direction of the first metal electrode.
前記第1半導体層の底面に接する第2導電型の第2半導体層と、
前記複数の突起の側面に形成された絶縁膜と、
前記複数の突起の各々の頂部とオーミック接続する第1の金属電極と、
前記第2半導体層に接続された第2の金属電極と
を備え、
前記第1の金属電極は、前記複数の突起の前記頂部から前記側面の途中までに形成されており、
前記側面の途中から前記複数の突起の底部までに形成された絶縁性樹脂を更に備えることを特徴とする半導体デバイス。 a first conductivity type first semiconductor layer having a plurality of protrusions on its surface;
a second conductivity type second semiconductor layer in contact with the bottom surface of the first semiconductor layer;
an insulating film formed on side surfaces of the plurality of protrusions;
a first metal electrode ohmically connected to the top of each of the plurality of protrusions;
a second metal electrode connected to the second semiconductor layer;
with
The first metal electrode is formed from the top of the plurality of protrusions to the middle of the side surface,
A semiconductor device according to claim 1, further comprising an insulating resin formed from the middle of the side surface to the bottoms of the plurality of projections.
前記第1半導体層の底面に接する第2導電型の第2半導体層と、
前記複数の突起の側面に形成された絶縁膜と、
前記複数の突起の各々の頂部とオーミック接続する第1の金属電極と、
前記第2半導体層に接続された第2の金属電極と
を備え、
前記第1半導体層へのバイアスの印加により、前記複数の突起と前記絶縁膜との界面から前記複数の突起の内部に向かって拡がる空乏層の厚さが制御されることを特徴とする半導体デバイス。 a first conductivity type first semiconductor layer having a plurality of protrusions on its surface;
a second conductivity type second semiconductor layer in contact with the bottom surface of the first semiconductor layer;
an insulating film formed on side surfaces of the plurality of protrusions;
a first metal electrode ohmically connected to the top of each of the plurality of protrusions;
a second metal electrode connected to the second semiconductor layer;
with
A semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of a depletion layer extending from an interface between the plurality of protrusions and the insulating film toward the inside of the plurality of protrusions is controlled by applying a bias to the first semiconductor layer. conductor device.
前記半導体デバイスに接続される受信アンテナと、
を有する無線受信器。 A semiconductor device according to any one of claims 1 to 6 ;
a receiving antenna connected to the semiconductor device;
a radio receiver with
前記突起の側面に絶縁膜を形成し、
前記突起の各々の頂部とオーミック接触する第1の金属電極を形成し、
前記第2半導体層に接する第2の金属電極を形成し、
前記複数の突起の各々を、底部から前記頂部へ向けて断面積が小さくなる形状に形成し、前記複数の突起の頂角を53°以下とする
半導体デバイスの製造方法。 forming a first semiconductor layer of a first conductivity type having a plurality of protrusions on a surface thereof on a second semiconductor layer of a second conductivity type;
forming an insulating film on the side surface of the protrusion;
forming a first metal electrode in ohmic contact with the top of each of the protrusions;
forming a second metal electrode in contact with the second semiconductor layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein each of the plurality of projections is formed to have a cross-sectional area that decreases from the bottom toward the top, and the apex angle of the plurality of projections is 53° or less.
前記突起の側面に絶縁膜を形成し、 forming an insulating film on the side surface of the protrusion;
前記突起の各々の頂部とオーミック接触する第1の金属電極を形成し、 forming a first metal electrode in ohmic contact with the top of each of the protrusions;
前記第2半導体層に接する第2の金属電極を形成し、 forming a second metal electrode in contact with the second semiconductor layer;
前記第1の金属電極の積層方向での最下端位置で、前記複数の突起の配列方向の幅を100nm以下とする The width in the array direction of the plurality of protrusions is set to 100 nm or less at the lowest position in the stacking direction of the first metal electrode.
半導体デバイスの製造方法。A method of manufacturing a semiconductor device.
前記突起の側面に絶縁膜を形成し、 forming an insulating film on the side surface of the protrusion;
前記突起の各々の頂部とオーミック接触する第1の金属電極を形成し、 forming a first metal electrode in ohmic contact with the top of each of the protrusions;
前記第2半導体層に接する第2の金属電極を形成し、 forming a second metal electrode in contact with the second semiconductor layer;
前記第1の金属電極を、前記複数の突起の前記頂部から前記側面の途中まで形成し、前記側面の途中から前記複数の突起の底部まで絶縁性樹脂を配置する The first metal electrode is formed from the top of the plurality of projections to the middle of the side surface, and an insulating resin is arranged from the middle of the side surface to the bottom of the plurality of projections.
半導体デバイスの製造方法。A method of manufacturing a semiconductor device.
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