JP6981289B2 - Compound semiconductor devices, their manufacturing methods, and receivers - Google Patents
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Description
本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法、並びに化合物半導体装置を使用する受信機に関する。 The present invention relates to a compound semiconductor device, a method for manufacturing the same, and a receiver using the compound semiconductor device.
ミリメートル波やテラヘルツ波のような高周波の電波を受信して検波する受信装置の検波素子として、ショットキーダイオードやバックワードダイオードが使用されている。 A Schottky diode or a backward diode is used as a detection element of a receiving device that receives and detects high-frequency radio waves such as millimeter waves and terahertz waves.
また、このような高周波の電波を受信して電力に変換する電力変換装置の電力変換素子としても、これらのダイオードが使用され得る。 Further, these diodes can also be used as a power conversion element of a power conversion device that receives such high-frequency radio waves and converts them into electric power.
これらのダイオードのうちバックワードダイオードは、電子のバンド間トンネル現象を利用したダイオードである。 Of these diodes, the backward diode is a diode that utilizes the electron band-to-band tunnel phenomenon.
このバックワードダイオードは、受信装置や電力変換装置に使用したときにショットキーダイオードよりも検波感度や電力変換効率が高いので、微弱な電波を受信する場合に適している。 This backward diode has higher detection sensitivity and power conversion efficiency than a Schottky diode when used in a receiving device or a power conversion device, and is therefore suitable for receiving weak radio waves.
そのバックワードダイオードでは、p型半導体とn型半導体が接合したpn接合の構造として、断面形状が台形のメサ型が採用される。 In the backward diode, a mesa type having a trapezoidal cross section is adopted as a pn junction structure in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are joined.
一方、ダイオードの検波感度や電力変換効率をより向上させるには、pn接合の面積を小さくして、接合容量を小さくすることが効果的である。 On the other hand, in order to further improve the detection sensitivity and the power conversion efficiency of the diode, it is effective to reduce the area of the pn junction and reduce the junction capacitance.
しかし、メサ型のpn接合はパターニングによって形成されるため、pn接合の面積の縮小にはパターニングの性能に起因する限界があり、これに伴ってダイオードの検波感度や電力変換効率の向上にも限界がある。 However, since the mesa-type pn junction is formed by patterning, there is a limit to the reduction of the area of the pn junction due to the patterning performance, and accordingly, there is a limit to the improvement of the detection sensitivity and the power conversion efficiency of the diode. There is.
pn接合の面積を縮小させる方法として、基板から線状のp型半導体及びn型半導体を上に向かって連続して成長させることにより、pn接合をナノワイヤで形成するという方法が考えられる。 As a method of reducing the area of the pn junction, a method of forming a pn junction with nanowires by continuously growing linear p-type semiconductors and n-type semiconductors upward from a substrate can be considered.
この方法によれば、pn接合の面積をナノレベルの大きさまで縮小させることが可能となる。 According to this method, the area of the pn junction can be reduced to the nano-level size.
しかし、pn接合を備えたナノワイヤには、リーク電流を抑制するという点で改善の余地がある。 However, nanowires with a pn junction have room for improvement in terms of suppressing leakage current.
一側面によれば、化合物半導体装置及びその製造方法、並びに受信機において、pn接合を備えたナノワイヤのリーク電流を抑制することを目的とする。 According to one aspect, an object thereof is to suppress a leakage current of a nanowire having a pn junction in a compound semiconductor device, a method for manufacturing the same, and a receiver.
以下の開示の技術の一観点によれば、基板と、前記基板から上に伸びた線状の化合物半導体であり、第1の導電型の下部と、前記下部の上に伸びた第2の導電型の上部とを備えた線状半導体と、前記線状半導体の側面を覆うi型化合物半導体結晶の保護層とを有し、前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型であり、前記保護層の伝導帯の下端が前記下部の伝導帯の下端よりも高く、前記保護層の価電子帯の上端が前記上部の価電子帯の上端よりも低い化合物半導体装置が提供される。 According to one aspect of the technique disclosed below, the substrate and the linear compound semiconductor extending upward from the substrate, the lower part of the first conduction type and the second conduction extending above the lower part. possess a linear semiconductor that includes a mold top, and a protective layer of i-type compound semiconductor crystal covering a side surface of the linear semiconductor, the first conductivity type is n-type, the second conductivity The type is p-type, and the lower end of the conduction band of the protective layer is higher than the lower end of the lower conduction band, and the upper end of the valence band of the protective layer is lower than the upper end of the upper valence band. Equipment is provided.
以下の開示の技術によれば、線状半導体の側面をi型化合物半導体結晶の保護層で覆っているので、線状半導体の側面は酸化されず、この側面に導電性の酸化物が形成されるのを抑制することができる。 According to the technique disclosed below, since the side surface of the linear semiconductor is covered with the protective layer of the i-type compound semiconductor crystal, the side surface of the linear semiconductor is not oxidized and a conductive oxide is formed on this side surface. Can be suppressed.
その結果、線状半導体の側面では導電性の酸化物によって第1導電型の下部と第2導電型の上部が電気的に接続されるのを抑制することができる。これにより、線状半導体に電圧を印加したときに線状半導体の側面を流れるリーク電流を抑制することができる。 As a result, on the side surface of the linear semiconductor, it is possible to prevent the lower part of the first conductive type and the upper part of the second conductive type from being electrically connected by the conductive oxide. This makes it possible to suppress the leakage current flowing on the side surface of the linear semiconductor when a voltage is applied to the linear semiconductor.
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。 Prior to the description of the present embodiment, the matters examined by the inventor of the present application will be described.
図1は、その検討に使用した化合物半導体装置の断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of the compound semiconductor device used in the study.
この化合物半導体装置1は、前述のナノワイヤ型のバルクを採用したバックワードダイオードであり、半絶縁性のGaAs基板2の上にコンタクト層3及びマスク層4がこの順に形成される。
The compound semiconductor device 1 is a backward diode adopting the above-mentioned nanowire type bulk, and a contact layer 3 and a
このうち、コンタクト層3は、半導体に不純物が高濃度にドープされた高濃度n型のGaAs層である。 Of these, the contact layer 3 is a high-concentration n-type GaAs layer in which impurities are heavily doped in the semiconductor.
また、マスク層4は、コンタクト層3の一部が露出する開口4aが設けられたSiO2層であり、後述するナノワイヤをコンタクト層3の上に選択的に形成するときのマスクとなる。 Further, the mask layer 4 is a SiO 2 layer provided with an opening 4a in which a part of the contact layer 3 is exposed, and serves as a mask when the nanowires described later are selectively formed on the contact layer 3.
その開口4a内のコンタクト層3からナノワイヤ5が上に向かって伸びている。このナノワイヤ5はn型半導体のn型下部6とp型半導体のp型上部7を有し、このn型下部6とp型上部7が接合したpn接合を形成する。
この例では、n型下部6としてn型不純物がドープされたn型InAsの線状体を形成し、p型上部7としてp型不純物が高濃度にドープされた高濃度p型GaAsSbの線状体を形成する。
In this example, the n-type
そのナノワイヤ5の側面5aは、外部からの水分の進入を防止する水分防止絶縁層8で覆われる。この例では、水分防止絶縁層8としてAl2O3層を形成する。
The
また、コンタクト層3の上には金属のカソード電極9が形成される。このカソード電極9は、熱処理によってコンタクト層3にオーミック接触する。
Further, a
そのカソード電極9を含めGaAs基板2の上側全面には、被覆絶縁膜10としてBCB(benzocyclobutene)のような樹脂膜が形成されており、ナノワイヤ5はこの被覆絶縁膜10に埋め込まれている。
A resin film such as BCB (benzocyclobutene) is formed as a
被覆絶縁膜10及びナノワイヤ5の上には金属のアノード電極11が形成される。このアノード電極11は、熱処理によってp型上部7にオーミック接触する。
A
また、被覆絶縁膜10にはコンタクトホール10aが形成され、このコンタクトホール10a内及び被覆絶縁膜10の上に引き出し配線12が形成される。この引き出し電極12はカソード電極9に接続されている。
Further, a
このような化合物半導体装置1において、ナノワイヤ5に逆方向の電圧を印加したときには、p型上部7の価電子帯の電子が、バンド間トンネリングによってn型下部6の伝導帯に輸送されて、電流が流れる。
In such a compound semiconductor device 1, when a voltage in the opposite direction is applied to the
一方、ナノワイヤ5に順方向の電圧を印加したときには、ポテンシャル障壁によってn型下部6の伝導帯の電子はp型上部7の価電子帯に移動できず、またp型上部7の価電子帯の正孔もn型下部6の伝導帯に移動できず、電流は流れない。
On the other hand, when a forward voltage is applied to the
このような化合物半導体装置1によれば、ナノワイヤ5の側面5aが水分防止絶縁層8で覆われているので、水分によるpn接合の劣化を抑えることができ、長期間の使用が可能となる。
According to such a compound semiconductor device 1, since the
しかし、このような化合物半導体装置1では、ナノワイヤ5の側面5aを流れるリーク電流が発生することがある。その理由は以下のように考えられる。
However, in such a compound semiconductor device 1, a leakage current flowing through the
ナノワイヤ5のn型下部6に含まれるInやp型上部7に含まれるSbは、酸化して酸化物となったときでも導電性を示す。
In contained in the n-type
一方、ナノワイヤ5の側面5aを覆っている水分防止絶縁層8は、ナノレベルの幅のナノワイヤ5にナノレベルの厚さの薄層を形成することが可能なALD(Atomic Layer Deposition)法によって形成される。
On the other hand, the moisture-proof insulating layer 8 covering the
しかも、そのALD法は、ナノワイヤ5へのダメージを抑えるためにプラズマを使用しないALD法が採用されることがある。
Moreover, as the ALD method, an ALD method that does not use plasma may be adopted in order to suppress damage to the
このプラズマを使用しないALD法で水分防止絶縁層8としてAl3O2層を形成する場合には、原料ガスとしてAlを含む有機金属ガスと、酸化剤として水蒸気(H2O)を使用し、基板温度を高温にする。 When forming an Al 3 O 2 layer as a moisture-proof insulating layer 8 by the ALD method that does not use this plasma, an organic metal gas containing Al is used as a raw material gas and water vapor (H 2 O) is used as an oxidizing agent. Raise the substrate temperature to a high temperature.
このため、水分防止絶縁層8を形成しているときに、ナノワイヤ5の側面5aのうちのn型下部6の側面6aにInの導電性の酸化物が形成され、またp型上部7の側面7aにSbの導電性の酸化物が形成されてしまう。
Therefore, when the moisture-preventing insulating layer 8 is formed, a conductive oxide of In is formed on the
その結果、これらの導電性の酸化物によってn型下部6とp型上部7が電気的に接続されてしまう。
As a result, the n-type
これにより、ナノワイヤ5に順方向の電圧を印加したときに、ナノワイヤ5の内部には電流が流れないにもかかわらず、その側面5aにはリーク電流が流れてしまう。
As a result, when a forward voltage is applied to the
そして、このリーク電流が生じると、ナノワイヤ5に逆方向の電圧を印加したときに流れた電流の一部がリーク電流によって相殺されてしまうので、ダイオードの検波感度や電力変換効率が低下することになる。
When this leakage current is generated, a part of the current flowing when a voltage in the reverse direction is applied to the
特に、ナノワイヤ型のpn接合は、その細さからメサ型のpn接合と比べると側面を流れるリーク電流の影響が大きい。その理由は以下の通りである。 In particular, the nanowire type pn junction is more affected by the leak current flowing on the side surface than the mesa type pn junction because of its fineness. The reason is as follows.
図2(a)は、メサ型のpn接合の構造を示す斜視図であり、図2(b)は、図2(a)のI−I線における断面図である。また、図3(a)は、ナノワイヤ型のpn接合の構造を示す斜視図であり、図3(b)は、図3(a)のII−II線における断面図である。 2 (a) is a perspective view showing the structure of a mesa-type pn junction, and FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 2 (a). Further, FIG. 3 (a) is a perspective view showing the structure of a nanowire type pn junction, and FIG. 3 (b) is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG. 3 (a).
図2(a)に示すように、メサ型のpn接合はn型下部16とp型上部17が接合したものであり、pn接合面15bの幅dmは1μm〜10μm程度である。
As shown in FIG. 2A, the mesa-type pn junction is a junction between the n-type
一方、図3(a)に示すように、ナノワイヤ型のpn接合は前述のn型下部6とp型上部7が接合したものであり、pn接合面5bの幅dwは100nm(=0.1μm)以下である。
On the other hand, as shown in FIG. 3A, the nanowire type pn junction is a junction of the above-mentioned n-type
このように、ナノワイヤ型のpn接合の幅dwは、メサ型のバルクの幅dmの1/10〜1/100程度であり、メサ型のpn接合に比べて細い。 As described above, the width dw of the nanowire type pn junction is about 1/10 to 1/100 of the width dm of the mesa type bulk, which is narrower than that of the mesa type pn junction.
ところで、pn接合の内部を流れる電流の大きさは、電流密度が一定であると仮定すると、基板面に平行な面で切断した断面の面積によって決まる。 By the way, the magnitude of the current flowing inside the pn junction is determined by the area of the cross section cut by the plane parallel to the substrate plane, assuming that the current density is constant.
一方、pn接合の側面を流れるリーク電流の大きさは、単位長さ当たりのリーク電流の大きさが一定であると仮定すると、側面の周囲の長さによって決まる。 On the other hand, the magnitude of the leak current flowing on the side surface of the pn junction is determined by the length around the side surface, assuming that the magnitude of the leak current per unit length is constant.
ここで、pn接合の基板面に平行な面で切断した断面の形状が円形であると仮定すると、図2(b)に示すように、メサ型のpn接合では、pn接合面15bの断面積Smはπdm2/4となり、またpn接合面15bの周囲の長さLmはπdmとなる。
Here, assuming that the shape of the cross section cut by the plane parallel to the substrate surface of the pn junction is circular, as shown in FIG. 2 (b), in the mesa type pn junction, the cross-sectional area of the
一方、図3(b)に示すように、ナノワイヤ型のpn接合では、pn接合面5bの断面積Swはπdw2/4となり、またpn接合面5bの周囲の長さLwはπdwとなる。
On the other hand, as shown in FIG. 3 (b), the nanowire-type pn junction, the cross-sectional area Sw of the
そうすると、pn接合の断面積Sに対する周囲の長さLの割合をL/Sとしたときに、ナノワイヤ型のpn接合のLw/Sw(=4/dw)は、メサ型のpn接合のLm/Sm(=4/dm)の10倍〜100倍程度となる。 Then, when the ratio of the peripheral length L to the cross-sectional area S of the pn junction is L / S, the Lw / Sw (= 4 / dw) of the nanowire type pn junction is the Lm / of the mesa type pn junction. It is about 10 to 100 times that of Sm (= 4 / dm).
このことから、ナノワイヤ型のpn接合は、内部を流れる電流に対する側面を流れるリーク電流の割合がメサ型のpn接合よりも10倍〜100倍程度大きく、側面を流れるリーク電流の影響がかなり大きいといえる。 From this, it is said that the ratio of the leakage current flowing on the side surface to the current flowing inside the nanowire type pn junction is about 10 to 100 times larger than that of the mesa type pn junction, and the influence of the leakage current flowing on the side surface is considerably large. I can say.
なお、水分防止絶縁層8として、Al3O2層の代わりに、Al3O2層と同様の水分防止機能を有するSiO2層を形成することも考えられる。 As the moisture-preventing insulating layer 8, it is conceivable to form a SiO 2 layer having the same moisture-preventing function as the Al 3 O 2 layer instead of the Al 3 O 2 layer.
しかしながら、プラズマを使用しないALD法によってSiO2層を形成する場合には、酸化剤としてオゾン(O3)が使用され、基板温度が高温になる。このため、この場合にも、ナノワイヤ5の側面5aに導電性の酸化物が形成されてしまう。
However, when the SiO 2 layer is formed by the ALD method that does not use plasma, ozone (O 3 ) is used as an oxidizing agent and the substrate temperature becomes high. Therefore, even in this case, a conductive oxide is formed on the
このような知見に鑑み、本実施形態では、以下のようにしてナノワイヤ型のpn接合の側面を流れるリーク電流の発生を抑制する。 In view of such findings, in the present embodiment, the generation of leakage current flowing on the side surface of the nanowire type pn junction is suppressed as follows.
(第1実施形態)
本実施形態に係る化合物半導体装置について、その製造方法を追いながら説明する。
(First Embodiment)
The compound semiconductor device according to the present embodiment will be described while following the manufacturing method thereof.
図4〜図23は、本実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図である。 4 to 23 are cross-sectional views of the compound semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing.
本実施形態では、以下のようにしてナノワイヤ型のpn接合を有するバックワードダイオードを備えた化合物半導体装置を製造する。 In the present embodiment, a compound semiconductor device including a backward diode having a nanowire type pn junction is manufactured as follows.
まず、図4(a)に示すように、基板20として半絶縁性のGaAs基板を用意する。そのGaAs基板の表面の面方位は、表面にV族原子のAsのみが並んだ(111)B面とする。
First, as shown in FIG. 4A, a semi-insulating GaAs substrate is prepared as the
なお、用意する基板20は特に限定されない。例えば、InP基板やGaSb基板などの化合物半導体基板や、Si基板でもよい。
The
また、その基板20は導電性基板でもよい。但し、化合物半導体装置で高周波の電波を使用することを考慮すると、基板20はキャリアが出にくい半絶縁性基板であることが好ましい。
Further, the
そして、その基板20の上にMOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法でコンタクト層21としてGaAs層を200nmの厚さに形成する。
Then, a GaAs layer is formed on the
そのGaAs層を形成するための成長ガスは特に限定されない。例えば、Gaの原料ガスとしてトリエチルガリウム((C2H5)3Ga)を使用し、Asの原料ガスとしてアルシン(AsH3)を使用し得る。 The growth gas for forming the GaAs layer is not particularly limited. For example, using the triethyl gallium ((C 2 H 5) 3 Ga) as a material gas of Ga, may be used arsine (AsH 3) as a source gas of As.
また、前述のGaAs用の成長ガスにシランやジシラン等のシラン系のガスを添加することにより、GaAs層にn型不純物としてSiをドープする。更に、そのシラン系のガスの流量を調節することにより、本実施形態ではGaAs層におけるSiのドープ量を5×1018cm−2程度とする。 Further, by adding a silane-based gas such as silane or disilane to the above-mentioned growth gas for GaAs, Si is doped in the GaAs layer as an n-type impurity. Further, by adjusting the flow rate of the silane-based gas, the doping amount of Si in the GaAs layer is set to about 5 × 10 18 cm- 2 in the present embodiment.
次に、図4(b)に示すように、基板20の上側全面にCVD(Chemical Vapor Deposition)法でマスク層22としてSiO2層を50nm程度の厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 4B, a SiO 2 layer is formed on the entire upper surface of the
次に、図5(a)に示すように、マスク層22の上に電子線レジストを塗布し、それを電子線によって露光した後に現像することにより、平面視で円形の開口23aを備えた第1のレジスト層23を形成する。
Next, as shown in FIG. 5A, an electron beam resist is applied onto the
続いて、図5(b)に示すように、第1のレジスト層23の開口23aを通じてマスク層22をドライエッチングすることにより、コンタクト層21の一部が露出する100nm程度の幅の円形の開口22aをマスク層22に形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, a circular opening having a width of about 100 nm is exposed by dry etching the
そのドライエッチングで使用するエッチングガスは特に限定されないが、例えば、CF4のようなフッ素を含むガスをエッチングガスとして使用し得る。 The etching gas used in the dry etching is not particularly limited, but for example, a gas containing fluorine such as CF 4 can be used as the etching gas.
次に、図6(a)に示すように、第1のレジスト層23の上と、マスク層22の開口22a内のコンタクト層21の上に、蒸着法によってAu層24を30nm程度の厚さで形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, the
続いて、図6(b)に示すように、有機溶剤で第1のレジスト層23を除去することにより、開口22a内に形成されたAu層24を触媒24aとしてコンタクト層21の上に残す。このようなAu層24のパターニング方法はリフトオフ法とも呼ばれる。
Subsequently, as shown in FIG. 6B, the first resist
次に、図7に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 7 will be described.
まず、不図示のチャンバ内に基板20を入れ、基板温度を400℃程度に上げることにより、触媒24aを液体化する。
First, the
そして、そのチャンバ内にInAs用の成長ガスを供給することにより、コンタクト層21を種結晶とし、液体化した触媒24aを溶媒としたVLS(Vapor Liquid Solid)法でマスク層22の開口22a内のコンタクト層21からInAsの結晶を上に向かって成長させる。
Then, by supplying a growth gas for InAs into the chamber, the
このとき、前述したように基板20として表面の面方位が(111)B面のGaAs基板を使用しているので、コンタクト層21が基板20の面方位を引き継ぎ、このコンタクト層21の表面からAsを含むInAsの結晶が上に向かって成長しやすくなる。
At this time, since a GaAs substrate having a surface orientation of (111) B surface is used as the
そのInAs用の成長ガスは特に限定されない。例えば、Inの原料ガスとしてトリエチルインジウム((C2H5)3In)を使用し、Asの原料ガスとしてアルシン(AsH3)を使用し得る。 The growth gas for InAs is not particularly limited. For example, using triethyl indium ((C 2 H 5) 3 In) as a source gas for In, may be used arsine (AsH 3) as a source gas of As.
更に、前述のInAs用の成長ガスにシランやジシラン等のシラン系のガスを添加することにより、InAsにn型不純物としてSiをドープする。本実施形態では、InAsにSiを1×1017cm−3程度の濃度でドープしている。 Further, by adding a silane-based gas such as silane or disilane to the above-mentioned growth gas for InAs, Si is doped into InAs as an n-type impurity. In this embodiment, InAs is doped with Si at a concentration of about 1 × 10 17 cm -3.
また、InAsを成長させるときの基板温度は特に限定されないが、例えば500℃とする。 The substrate temperature at which InAs is grown is not particularly limited, but is set to, for example, 500 ° C.
このようにして、コンタクト層21の上にナノワイヤ25のn型下部26としてn型InAsの線状体を形成する。このInAsの線状体の大きさは、例えば、幅はマスク層22の開口22aよりも小さい80nmで、長さは0.5〜1μmとする。
In this way, a linear body of n-type InAs is formed on the
続いて、InAs用の成長ガスの供給を停止して、上記のチャンバ内にGaAsSb用の成長ガスを供給することにより、前述の液体化した触媒24aを溶媒としたVLS法でn型下部26からGaAsSbの結晶を上に向かって成長させる。
Subsequently, by stopping the supply of the growth gas for InAs and supplying the growth gas for GaAsSb into the chamber, the above-mentioned
そのGaAsSb用の成長ガスは特に限定されない。例えば、Gaの原料ガスとして前述のトリエチルガリウム((C2H5)3Ga)を使用し、Asの原料ガスとしてアルシン(AsH3)を使用し、Sbの原料ガスとしてトリメチルアンチモン((CH3)3Sb)を使用し得る。 The growth gas for the GaAsSb is not particularly limited. For example, the above-mentioned triethyl gallium ((C 2 H 5 ) 3 Ga) is used as the raw material gas for Ga, arsine (AsH 3 ) is used as the raw material gas for As, and trimethylantimony ((CH 3)) is used as the raw material gas for Sb. ) 3 Sb) can be used.
また、前述のGaAsSb用の成長ガスにジエチル亜鉛やジメチル亜鉛等の亜鉛を含む有機金属ガスを添加することにより、GaAsSbにp型不純物としてZnをドープする。更に、その有機金属ガスの流量を調節することにより、本実施形態ではGaAsSbにおけるZnのドープ量を1×1018cm−3程度とする。 Further, by adding an organometallic gas containing zinc such as diethylzinc and dimethylzinc to the above-mentioned growth gas for GaAsSb, Zn is doped in GaAsSb as a p-type impurity. Further, by adjusting the flow rate of the organometallic gas, the doping amount of Zn in GaAsSb is set to about 1 × 10 18 cm -3 in the present embodiment.
また、GaAsSbを成長させるときの基板温度は特に限定されないが、例えば、InAsと同じ500℃とする。 The substrate temperature at which GaAsSb is grown is not particularly limited, but is, for example, 500 ° C., which is the same as InAs.
このようにして、n型下部26の上にp型上部27として高濃度p型GaAsSbの線状体を形成する。このGaAsSbの線状体の大きさは、例えば、幅はInAsの線状体と同じ80nmで、長さは0.5〜1μmとする。
In this way, a high-concentration p-type GaAsSb striatum is formed on the n-type
以上により、ナノワイヤ25にn型下部26とp型上部27が接合したpn接合を形成する。
As described above, a pn junction is formed in which the n-type
その後、GaAsSb用の成長ガスの供給を停止する。 After that, the supply of the growth gas for GaAsSb is stopped.
次に、図8に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 8 will be described.
まず、上記のチャンバを引き続き使用し、基板温度を500℃から400℃に下げる。 First, the above chamber is still used to reduce the substrate temperature from 500 ° C to 400 ° C.
そして、そのチャンバ内にコンタクト層21と同じGaAs用の成長ガスを供給する。但し、コンタクト層21と異なり、そのGaAs用の成長ガスには不純物をドープするためのガスを添加しない。
Then, the same growth gas for GaAs as the
これにより、ナノワイヤ25の側面25aからi型GaAsの結晶を基板面に平行な方向に成長させて、保護層28としてi型GaAs層を形成する。
As a result, i-type GaAs crystals are grown from the
その保護層28は、格子不整合転位が入る直前の臨界膜厚以下の厚さ、例えば5nmの厚さに形成する。なお、保護層28の厚さの範囲は原子層1層分(0.2nm)から10nmくらいが目安であり、臨界膜厚を超えると結晶が壊れてリーク電流の原因となる。
The
このため、この工程では、保護層28の格子定数がn型下部26及びp型上部27の格子定数の各々からずれていても、保護層28をn型下部26の側面26a及びp型上部27の側面27aの各々に成長させることができる。
Therefore, in this step, even if the lattice constant of the
図24は、この工程で得られる構造の基板面に平行な面で切断した断面図である。図24(a)は、図8のIII−III線における部分の構造を示し、図24(b)は、図8のIV−IV線における部分の構造を示している。 FIG. 24 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the substrate surface of the structure obtained in this step. FIG. 24 (a) shows the structure of the part in line III-III of FIG. 8, and FIG. 24 (b) shows the structure of the part in line IV-IV of FIG.
図8の工程を行うことにより、図24(a)に示すようにn型下部26の側面26aが保護層28で覆われる。更に、図24(b)に示すようにp型上部27の側面27aも保護層28で覆われる。
By performing the step of FIG. 8, the
このようにして、ナノワイヤ25の側面25aの全体が保護層28で覆われる。
In this way, the
その後、上記のチャンバから基板20を取り出す。
Then, the
次に、図9に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 9 will be described.
図9に示すように、触媒24aの表面、保護層28の表面の全体、及びマスク層22の上に、プラズマを使用しないALD法で水分防止絶縁層29としてAl3O2層を数nmの厚さに形成する。
As shown in FIG. 9, on the surface of the
そのAl3O2層を形成するための成長ガスは特に限定されない。例えば、Alの原料ガスとしてトリメチルアルミニウム((CH3)3Al)を使用し得て、酸化剤として水蒸気(H2O)を使用し得る。 The growth gas for forming the Al 3 O 2 layer is not particularly limited. For example, trimethylaluminum ((CH 3 ) 3 Al) can be used as the raw material gas for Al, and water vapor (H 2 O) can be used as the oxidizing agent.
また、このようにプラズマを使用しないALD法を使用することにより、プラズマによるダメージをナノワイヤ25に与えるのを回避することができる。
Further, by using the ALD method that does not use plasma in this way, it is possible to avoid damaging the
なお、Al3O2層の代わりに、ALD法で水分防止絶縁層29としてSiO2層やSiN層を形成してもよい。但し、SiO2層やSiN層を形成する場合でも、プラズマによるダメージを回避するために、プラズマを使用しないALD法を使用することが好ましい。
Instead of the Al 3 O 2 layer, a SiO 2 layer or a SiN layer may be formed as the moisture-preventing insulating
次に、図10に示すように、基板20の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、開口30aを備えた第2のレジスト層30を形成する。
Next, as shown in FIG. 10, a photoresist is applied to the entire upper surface of the
続いて、図11に示すように、第2のレジスト層30をマスクにしながら、水分防止絶縁層29及びマスク層22をドライエッチングすることにより、これらの層29、22の各々にコンタクト層21の一部が露出する開口29b、22bを形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 11, by dry etching the moisture-preventing insulating
そのドライエッチングで使用するエッチングガスは特に限定されないが、例えば、CF4のようなフッ素を含むガスをエッチングガスとして使用し得る。 The etching gas used in the dry etching is not particularly limited, but for example, a gas containing fluorine such as CF 4 can be used as the etching gas.
次に、図12に示すように、第2のレジスト層30の上と、開口29b,22b内のコンタクト層21の上に、蒸着法によって金属積層膜31を形成する。
Next, as shown in FIG. 12, a metal laminated
その金属積層膜31は、例えば下から順に厚さ約30nmのAuGe層、及び厚さ約300nmのAu層を積層した積層膜である。
The metal laminated
続いて、図13に示すように、有機溶剤で第2のレジスト層30を除去することにより、開口29b,22b内に形成された金属積層膜31をカソード電極31aとしてコンタクト層21の上に残す。
Subsequently, as shown in FIG. 13, by removing the second resist
更に、カソード電極31aに対して熱処理を行うことにより、カソード電極31aをコンタクト層21にオーミック接触させる。
Further, by heat-treating the
次に、図14に示すように、基板20の上側全面に樹脂材料としてBCBを塗布し、この樹脂を加熱して熱硬化させることにより、被覆絶縁膜32として樹脂膜をナノワイヤ25を完全に埋め込む程度の厚さに形成する。
Next, as shown in FIG. 14, BCB is applied as a resin material to the entire upper surface of the
なお、その被覆絶縁膜32の材料は特に限定されない。例えば、BCBの代わりにポリイミドやSOG(Spin on Glass)を使用し得る。
The material of the covering insulating
但し、化合物半導体装置で高周波の電波を使用することを考慮すると、被覆絶縁膜32の材料は信号の遅延時間が短くなる低誘電率の材料であることが好ましい。
However, considering the use of high-frequency radio waves in the compound semiconductor device, the material of the coated insulating
続いて、図15に示すように、被覆絶縁膜32の上面32bをエッチバックすることにより、水分防止絶縁膜29を露出させる。
Subsequently, as shown in FIG. 15, the moisture-preventing insulating
そのエッチバックで使用するエッチングガスは特に限定されないが、例えば、Al2O3をエッチング可能なCF4のようなフッ素を含むガスとO2ガスとの混合ガスをエッチングガスとして使用する。 The etching gas used in the etching back is not particularly limited, but for example, a mixed gas of a gas containing fluorine such as CF 4 capable of etching Al 2 O 3 and an O 2 gas is used as the etching gas.
これにより、この工程では、水分防止絶縁層29の上側の一部も除去される。
Thereby, in this step, a part of the upper side of the moisture-preventing insulating
このようにして、被覆絶縁膜32の上面32bに、触媒24aと保護層28の上面28bが露出する。
In this way, the
一方、保護層28の側面28aは水分防止絶縁層29で覆われたままとなる。
On the other hand, the
次に、図16に示すように、基板20の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、その内側にナノワイヤ25を含む開口33aを備えた第3のレジスト層33を形成する。
Next, as shown in FIG. 16, a photoresist is applied to the entire upper surface of the
続いて、図17に示すように、第3のレジスト層33の上とその開口33a内に蒸着法によって金属積層膜34を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 17, a metal laminated
その金属積層膜34は、例えば下から順に厚さ約30nmのAuZn層、及び厚さ約300nmのAu層を積層した積層膜であり、触媒24aを覆う。
The metal laminated
次いで、図18に示すように、有機溶剤で第3のレジスト層33を除去することにより、第3のレジスト層33の開口33a内に形成されていた金属積層膜34をアノード電極34aとして被覆絶縁膜32の上に残す。
Next, as shown in FIG. 18, by removing the third resist
更に、アノード電極34に対して熱処理を行うことにより、ナノワイヤ25上の触媒24aをアノード電極34aと合金化して一体化させると共に、アノード電極34aをナノワイヤ25のp型上部27にオーミック接触させる。
Further, by heat-treating the
次に、図19に示すように、基板20の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、カソード電極31aの上方に開口35aを備えた第4のレジスト層35を形成する。
Next, as shown in FIG. 19, a photoresist is applied to the entire upper surface of the
続いて、図20に示すように、第4のレジスト層35をマスクにしながら、被覆絶縁膜32をドライエッチングすることにより、被覆絶縁膜32にカソード電極31aの一部が露出するコンタクトホール32aを形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 20, the
そのドライエッチングで使用するエッチングガスは特に限定されないが、例えば、前述のエッチバックで使用するエッチングガスと同じエッチングガスを使用し得る。 The etching gas used in the dry etching is not particularly limited, but for example, the same etching gas as the etching gas used in the above-mentioned etch back may be used.
その後、第4のレジスト層35を除去する。
After that, the fourth resist
次に、被覆絶縁膜32の上、及びコンタクトホール32aの内壁に不図示のバリアメタル膜を形成する。続いて、図21に示すように、基板20の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、その内側にコンタクトホール32aを含む開口36aを備えた第5のレジスト層36を形成する。
Next, a barrier metal film (not shown) is formed on the covering insulating
続いて、図22に示すように、バリアメタル膜をシード層にした電解メッキ法によって第5のレジスト層36の開口36aの内壁やコンタクトホール32aを埋め込むAu膜37を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 22, an
次に、図23に示すように、有機溶剤で第5のレジスト層36を除去することにより、第5のレジスト層36の開口36a内に形成されたAu膜37を引き出し電極37aとして被覆絶縁膜32の上に残す。その後、図示しないものの余分なシード層を除去する。
Next, as shown in FIG. 23, the
以上により、本実施形態に係る化合物半導体装置40の基本構造が完成する。
As described above, the basic structure of the
図25(a)〜(c)は、その化合物半導体装置40におけるナノワイヤ25のエネルギーバンドを示す図である。
25 (a) to 25 (c) are diagrams showing the energy band of the
なお、図25(a)は平衡状態であるときのエネルギーバンドを示し、図25(b)はナノワイヤ25に逆方向の電圧を印加したときのエネルギーバンドを示し、図25(c)はナノワイヤ25に順方向の電圧を印加したときのエネルギーバンドを示す。
Note that FIG. 25 (a) shows an energy band in an equilibrium state, FIG. 25 (b) shows an energy band when a voltage in the opposite direction is applied to the
本実施形態では、図7の工程でn型下部26となるInAsのn型不純物の濃度を調整し、またp型上部27となるGaAsSbのp型不純物の濃度を調整している。
In the present embodiment, the concentration of the n-type impurity of InAs, which is the lower part of the n-
これにより、図25(a)に示すように、平衡状態であるときには、n型下部26では、伝導帯の下端ECがフェルミ準位EFとほぼ一致するようになり、高濃度p型上部27では、価電子帯の上端EVがフェルミ準位EFよりも高くなる。
As a result, as shown in FIG. 25 (a), in the n-type
そして、図25(b)に示すように、ナノワイヤ25に逆方向の電圧を印加したときには、n型下部26とp型上部27の界面におけるエネルギーバンドの曲がりが生じている部分Aが薄くなる。
Then, as shown in FIG. 25 (b), when a voltage in the opposite direction is applied to the
このため、p型上部27の価電子帯の電子が、バンド間トンネリングによってn型下部26の伝導帯に輸送されて、電流が流れる。 Therefore, the electrons in the valence band of the p-type upper 27 are transported to the conduction band of the n-type lower 26 by interband tunneling, and a current flows.
一方、図25(c)に示すように、ナノワイヤ25に順方向の電圧を印加したときには、ポテンシャル障壁PBによってn型下部26の伝導帯の電子はp型上部27の価電子帯に移動できず、またp型上部27の価電子帯の正孔もn型下部26の伝導帯に移動できず、電流は流れない。
On the other hand, as shown in FIG. 25 (c), when a forward voltage is applied to the
図26は、ナノワイヤ25の電流−電圧特性を示すグラフである。
FIG. 26 is a graph showing the current-voltage characteristics of the
このようにして、本実施形態のナノワイヤ25は、図26に示すようにバックワードダイオードとして動作するようになる。
In this way, the
図27(a)は、ナノワイヤ25のn型下部26及び保護層28のエネルギーバンドを示す図であり、図27(b)は、p型上部27及び保護層28のエネルギーバンドを示す図である。
FIG. 27 (a) is a diagram showing the energy bands of the n-type
本実施形態によれば、図7の工程でn型下部26となるInAsにn型不純物をドープし、またp型上部27となるGaAsSbにp型不純物をドープし、更に図8の工程でナノワイヤ25の側面25aの全体をi型半導体の保護層28で覆っている。
According to the present embodiment, the InAs which becomes the n-type
このようにして、図27(a)に示すように保護層28の伝導帯の下端ECをn型下部26の伝導帯の下端ECよりも高くすると共に、図27(b)に示すように保護層28の価電子帯の上端EVをp型上部27の価電子帯の上端EVよりも低くしている。
In this way, as shown in FIG. 27 (a), the lower end E C of the conduction band of the protective layer 28 is made higher than the lower end E C of the conduction band of the n-type lower 26, and as shown in FIG. 27 (b). The upper end E V of the valence band of the
これにより、ナノワイヤ25に順方向の電圧を印加したときに、n型下部26の伝導帯の電子は、保護層28によるポテンシャル障壁PBを乗り越えらず、p型上部27の価電子帯に移動できなくなる。また、p型上部27の価電子帯の正孔も、保護層28によるポテンシャル障壁PBを乗り越えらず、n型下部26の伝導帯に移動できなくなる。
As a result, when a forward voltage is applied to the
このため、ナノワイヤ25に順方向の電圧を印加したときに生じるナノワイヤ25の内部を流れるリーク電流を抑制することができる。
Therefore, it is possible to suppress the leakage current flowing inside the
また、本実施形態によれば、前述したようにナノワイヤ25の側面25aの全体を保護層28で覆っているので、図9の工程で水蒸気のような酸化剤を使用したとしても、酸化剤の水分や酸素がナノワイヤ25の側面25aに進入するのを阻止することができる。
Further, according to the present embodiment, as described above, the
これにより、n型下部26の側面26a及びp型上部27の側面27aは酸化されず、これらの側面26a、27aにInの酸化物やSbの酸化物などの導電性の酸化物が形成されるのを抑制することができる。
As a result, the
しかも、保護層28はi型GaAsからなるので、その酸化剤によって酸化されたとしても保護層28自体は導電性の酸化物にはならない。
Moreover, since the
これらにより、ナノワイヤ25の側面25aでは、導電性の酸化物によってn型下部26とp型上部27が電気的に接続されるのを抑制することができる。
As a result, on the
このため、ナノワイヤ25に順方向の電圧を印加したときに生じるナノワイヤ25の側面25aを流れるリーク電流を抑制することができる。
Therefore, it is possible to suppress the leakage current flowing through the
特に、ナノワイヤ25では、その細さから側面25aを流れるリーク電流の影響が大きいので、このリーク電流の発生を抑制することは効果的である。
In particular, since the
更に、本実施形態によれば、ナノワイヤ25及び保護層28を同じチャンバ内で連続して形成しているので、ナノワイヤ25を形成してから保護層28を形成するまでの間に基板20が大気に曝されることがない。
Further, according to the present embodiment, since the
これにより、ナノワイヤ25の側面25aに導電性の酸化物が形成されるのをより一層抑制することができる。
This makes it possible to further suppress the formation of conductive oxides on the
このようにして、本実施形態では、ナノワイヤ25の側面25aを流れるリーク電流を抑制することができるので、ダイオードの検波感度や電力変換効率が優れているというナノワイヤ25本来の電気伝導特性を維持することができる。
In this way, in the present embodiment, the leakage current flowing through the
(第2実施形態)
第1実施形態では、n型下部26の側面26a及びp型下部27の側面27aの両方に保護層28を形成したが、本実施形態では、これらの側面のうちの一方のみに保護層を形成する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the
図28〜図32は、本実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図である。なお、図28〜図32において、第1実施形態と同じ要素には第1実施形態におけるそれと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。 28 to 32 are cross-sectional views of the compound semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. In FIGS. 28 to 32, the same elements as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted below.
まず、第1実施形態の図4〜図6の工程を行うことにより、図28に示すように、マスク層22の開口22a内のコンタクト層21の上にナノワイヤ形成用の触媒24aが形成された構造を得る。
First, by performing the steps of FIGS. 4 to 6 of the first embodiment, as shown in FIG. 28, a
次に、図29に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 29 will be described.
まず、不図示のチャンバ内に基板20を入れ、基板温度を400℃程度に上げることにより、触媒24aを液体化する。
First, the
そして、そのチャンバ内にInAs用の成長ガスを供給することにより、コンタクト層21を種結晶とし、液体化した触媒24aを溶媒としたVLS法でコンタクト層21からInAsの結晶を上に向かって成長させる。
Then, by supplying a growth gas for InAs into the chamber, the
そのInAs用の成長ガスは第1実施形態と同じく、例えば、Inの原料ガスとしてトリエチルインジウムを使用し、Asの原料ガスとしてアルシンを使用し得る。更に、そのInAsにn型不純物としてSiを1×1017cm−3程度の濃度でドープする。 As the growth gas for InAs, for example, triethylindium can be used as the raw material gas for In and arsine can be used as the raw material gas for As as in the first embodiment. Further, the InAs is doped with Si as an n-type impurity at a concentration of about 1 × 10 17 cm -3.
また、InAsを成長させるときの基板温度も第1実施形態と同じく、例えば500℃とする。 Further, the substrate temperature at which InAs is grown is also set to, for example, 500 ° C. as in the first embodiment.
一方、前述のInAs用の成長ガスのうち、III族原子のInの原料ガスの流量を第1実施形態と同じにし、V族原子のAsの原料ガスの流量を第1実施形態よりも少なくすることにより、Inの原料ガスとAsの原料ガスとの流量比を変える。 On the other hand, among the above-mentioned growth gases for InAs, the flow rate of the raw material gas of In of the group III atom is the same as that of the first embodiment, and the flow rate of the raw material gas of As of the group V atom is smaller than that of the first embodiment. By doing so, the flow rate ratio between the raw material gas of In and the raw material gas of As is changed.
これにより、第1実施形態のInAsは閃亜鉛鉱型の結晶構造となるのに対し、本実施形態のInAsはウルツ鉱型の結晶構造になる。 As a result, the InAs of the first embodiment has a sphalerite-type crystal structure, whereas the InAs of the present embodiment has a wurtzite-type crystal structure.
このようにして、コンタクト層21の上にナノワイヤ45のn型下部46としてn型InAsの線状体を形成する。このInAsの線状体の大きさは第1実施形態と同じく、例えば、幅は80nmで、長さは0.5〜1μmとする。
In this way, a linear body of n-type InAs is formed on the
一方、そのInAsの線状体の側面は、第1実施形態と異なりウルツ鉱型の結晶構造にすることにより、凹凸が少なくなり、比較的平坦となる。 On the other hand, unlike the first embodiment, the side surface of the linear body of InAs has a wurtzite-type crystal structure, so that the unevenness is reduced and the side surface is relatively flat.
続いて、InAs用の成長ガスの供給を停止し、上記のチャンバ内にGaAsSb用の成長ガスを供給することにより、前述の液体化した触媒24aを溶媒としたVLS法でn型下部46からGaAsSbの結晶を上に向かって成長させる。
Subsequently, by stopping the supply of the growth gas for InAs and supplying the growth gas for GaAsSb into the chamber, the above-mentioned
そのGaAsSb用の成長ガスも第1実施形態と同じく、例えば、Gaの原料ガスとしてトリエチルガリウムを使用し、Asの原料ガスとしてアルシン(AsH3)を使用し、Sbの原料ガスとしてトリメチルアンチモンを使用し得る。更に、そのGaAsSbにp型不純物としてZnを1×1018cm−3程度の濃度でドープする。 As for the growth gas for GaAsSb, for example, triethylgallium is used as the raw material gas for Ga, arsine (AsH 3 ) is used as the raw material gas for As, and trimethylantimony is used as the raw material gas for Sb. Can be. Further, the GaAsSb is doped with Zn as a p-type impurity at a concentration of about 1 × 10 18 cm -3.
また、GaAsSbを成長させるときの基板温度も第1実施形態と同じく、例えば500℃とする。 Further, the substrate temperature at which GaAsSb is grown is also set to, for example, 500 ° C. as in the first embodiment.
更にまた、前述のGaAsSb用の成長ガスにおけるIII族原子のGaの原料ガスとV族原子のSbの原料ガスとの流量比も第1実施形態と同じにする。これにより、本実施形態のGaAsSbは、第1実施形態と同じく閃亜鉛鉱型の結晶構造となる。 Furthermore, the flow rate ratio of the Ga raw material gas of the Group III atom and the raw material gas of Sb of the V group atom in the above-mentioned growth gas for GaAsSb is also the same as in the first embodiment. As a result, the GaAsSb of the present embodiment has a sphalerite-type crystal structure as in the first embodiment.
このようにして、n型下部46の上にp型上部47として高濃度p型GaAsSbの線状体を形成する。このGaAsSbの線状体の大きさは第1実施形態と同じく、例えば、幅が80nmで、長さは0.5〜1μmとする。
In this way, a high-concentration p-type GaAsSb striatum is formed on the n-type
また、そのGaAsSbの線状体の側面は、第1実施形態と同じく閃亜鉛鉱型の結晶構造にすることにより、凹凸が多くなる。 Further, the side surface of the linear body of the GaAsSb has a large number of irregularities by forming a sphalerite-type crystal structure as in the first embodiment.
以上により、ナノワイヤ45にn型下部46とp型上部47が接合したpn接合を形成する。
As described above, a pn junction is formed in which the n-type
その後、GaAsSb用の成長ガスの供給を停止する。 After that, the supply of the growth gas for GaAsSb is stopped.
次に、図30に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 30 will be described.
上記のチャンバを引き続き使用し、基板温度を500℃から400℃に下げて、このチャンバ内に第1実施形態と同じi型GaAs用の成長ガスを供給する。 The above chamber will continue to be used, the substrate temperature will be lowered from 500 ° C to 400 ° C, and the same growth gas for i-type GaAs as in the first embodiment will be supplied into this chamber.
これにより、ナノワイヤ45の側面45aのうち、凹凸が多い閃亜鉛鉱型の結晶構造のp型上部47の側面47aからi型GaAsの結晶を基板面に平行な方向に成長させて、保護層28としてi型GaAs層を形成する。
As a result, among the side surfaces 45a of the
その保護層28は、臨界膜厚以下の厚さ、例えば5nmの厚さに形成する。
The
このため、この工程では、保護層28の格子定数がp型上部47の格子定数からずれていても、保護層28をp型上部47の側面47aに成長させることができる。
Therefore, in this step, even if the lattice constant of the
一方、凹凸が少ないウルツ鉱型の結晶構造のn型下部46の側面46aでは、i型GaAsの結晶は基板面に平行な方向に成長しにくい。このため、n型下部46の側面46aからi型GaAsの結晶は殆ど成長しない。
On the other hand, on the
図33は、この工程で得られる構造の基板面に平行な面で切断した断面図である。図33(a)は、図30のV−V線における部分の構造を示し、図33(b)は、図30のVI−VI線における部分の構造を示している。 FIG. 33 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the substrate surface of the structure obtained in this step. 33 (a) shows the structure of the portion on the VV line of FIG. 30, and FIG. 33 (b) shows the structure of the portion on the VI-VI line of FIG. 30.
図30の工程を行うことにより、図33(b)に示すようにp型上部47の側面47aが保護層28で覆われる。一方、図33(a)に示すようにn型下部46の側面46aは保護層28で覆われずに露出する。
By performing the step of FIG. 30, the
このようにして、ナノワイヤ45の側面45aのうちのp型上部47の側面47aのみが保護層28で覆われる。
In this way, only the
その後、上記のチャンバから基板20を取り出す。
Then, the
次に、図31に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 31 will be described.
図31に示すように、触媒24aの表面、側面28aを含む保護層28の表面の全体、n型下部46の側面46a、及びマスク層22の上に、プラズマを使用しないALD法で水分防止絶縁層29としてAl3O2層を数nmの厚さに形成する。
As shown in FIG. 31, moisture prevention insulation is performed on the surface of the
そのAl3O2層を形成するための成長ガスは第1実施形態と同じく、例えば、Alの原料ガスとしてトリメチルアルミニウムを使用し得て、酸化剤として水蒸気を使用し得る。 As the growth gas for forming the Al 3 O 2 layer, for example, trimethylaluminum can be used as the raw material gas for Al, and water vapor can be used as the oxidizing agent, as in the first embodiment.
なお、Al3O2層の代わりに、プラズマを使用しないALD法で水分防止絶縁層29としてSiO2層やSiN層を形成してもよい。
Instead of the Al 3 O 2 layer, a SiO 2 layer or a SiN layer may be formed as the moisture-preventing insulating
この後は、第1実施形態で説明した図10〜図23の工程を行うことにより、図32に示すように、本実施形態に係る化合物半導体装置50の基本構造を完成させる。
After that, by performing the steps of FIGS. 10 to 23 described in the first embodiment, as shown in FIG. 32, the basic structure of the
以上説明した本実施形態によれば、ナノワイヤ45の側面45aのうちのp型上部47の側面47aを保護層28で覆っているので、図31の工程で水蒸気のような酸化剤を使用したとしても、酸化剤の水分や酸素がp型上部47の側面47aに進入するのを阻止することができる。
According to the present embodiment described above, since the
これにより、p型上部47の側面47aは酸化されず、この側面47aにSbの酸化物のような導電性の酸化物が形成されるのを抑制することができる。
As a result, the
一方、n型下部46の側面46aは保護層28で覆われていないので、その酸化剤によってn型下部46の側面46aが酸化されて、この側面46aにInの酸化物のような導電性の酸化物が形成される可能性がある。
On the other hand, since the
しかし、p型上部47の側面47aに導電性の酸化物が形成されないので、ナノワイヤ45の側面45aでは、導電性の酸化物によってn型下部46とp型上部47が電気的に接続されるのを抑制することができる。
However, since the conductive oxide is not formed on the
このため、ナノワイヤ45に順方向の電圧を印加したときに生じるナノワイヤ45の側面45aを流れるリーク電流を抑制することができる。
Therefore, it is possible to suppress the leakage current flowing through the
更に、本実施形態によれば、ナノワイヤ45及び保護層28を同じチャンバ内で連続して形成しているので、ナノワイヤ45を形成してから保護層28を形成するまでの間に基板が大気に曝されることがない。
Further, according to the present embodiment, since the
これにより、ナノワイヤ45の側面45aに導電性の酸化物が形成されるのをより一層抑制することができる。
As a result, it is possible to further suppress the formation of the conductive oxide on the
このようにして、本実施形態でも、第1実施形態と同じくダイオードの検波感度や電力変換効率が優れているというナノワイヤ45本来の電気伝導特性を維持することができる。
In this way, also in this embodiment, it is possible to maintain the original electrical conduction characteristics of the
なお、本実施形態ではナノワイヤ45の側面45aのうちのp型上部47の側面47aのみを保護層28で覆う場合を例にして説明したが、n型下部46の側面46aのみを保護層28で覆うようにしてもよい。
In this embodiment, the case where only the
n型下部46の側面46aのみを保護層28で覆う場合には、図29の工程で、InAs用の成長ガスにおけるIII族原子のInの原料ガスとV族原子のAsの原料ガスとの流量比を第1実施形態と同じにして、n型下部46となるInAsを閃亜鉛鉱型の結晶構造にする。
When only the
一方、GaAsSb用の成長ガスのうち、III族原子のGaの原料ガスの流量を第1実施形態と同じにし、V族原子のSbの原料ガスの流量を第1実施形態よりも少なくして、Gaの原料ガスとAs、Sbの原料ガスとの流量比を変える。 On the other hand, among the growth gases for GaAsSb, the flow rate of the raw material gas of Ga of the group III atom is the same as that of the first embodiment, and the flow rate of the raw material gas of Sb of the group V atom is smaller than that of the first embodiment. Change the flow rate ratio between the raw material gas of Ga and the raw material gas of As and Sb.
このようにして、p型上部47となるGaAsSbをウルツ鉱型の結晶構造にする。
In this way, the GaAsSb that becomes the p-type
これにより、図30の工程では、凹凸が多い閃亜鉛鉱型の結晶構造のn型下部46の側面46aからi型GaAsの結晶が基板面に平行な方向に成長する一方で、凹凸が少ないウルツ鉱型の結晶構造のp型上部47の側面47aからはi型GaAsの結晶は殆ど成長しなくなる。
As a result, in the process of FIG. 30, i-type GaAs crystals grow from the
このようにして、ナノワイヤ45の側面45aのうちのn型下部46の側面46aのみが保護層28で覆われるようになる。
In this way, only the
また、結晶構造を閃亜鉛鉱型からウルツ鉱型に変える方法は、前述したInAs用の成長ガス及びGaAsSb用の成長ガスのどちらか一方におけるIII族原子の原料ガスとV族原子の原料ガスとの流量比を変えることに限定されない。 The method of changing the crystal structure from the sphalerite type to the wurtzite type is to use the raw material gas of the group III atom and the raw material gas of the group V atom in either the growth gas for InAs or the growth gas for GaAsSb described above. It is not limited to changing the flow rate ratio of.
例えば、これらの原料ガスの流量比を変えずに、III族原子の原料ガス及びV族原子の原料ガスの流量の総量を増やすことにより、InAs及びGaAsSbのどちらか一方の成長速度を早くするようにしてもよい。 For example, by increasing the total flow rate of the raw material gas of the group III atom and the raw material gas of the group V atom without changing the flow rate ratio of these raw material gases, the growth rate of either InAs or GaAsSb should be increased. You may do it.
このようにしても、InAs及びGaAsSbのどちらか一方の結晶構造を閃亜鉛鉱型からウルツ鉱型に変えることができる。 Even in this way, the crystal structure of either InAs or GaAsSb can be changed from the sphalerite type to the wurtzite type.
(第3実施形態)
本実施形態では、第1実施形態及び第2実施形態とは別の方法でナノワイヤの側面に保護層を形成する。
(Third Embodiment)
In this embodiment, a protective layer is formed on the side surface of the nanowire by a method different from that of the first embodiment and the second embodiment.
図34〜図38は、本実施形態に係る化合物半導体装置の製造途中の断面図である。なお、図34〜図38において、第1実施形態と同じ要素には第1実施形態におけるそれと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。 34 to 38 are cross-sectional views of the compound semiconductor device according to the present embodiment during manufacturing. In FIGS. 34 to 38, the same elements as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted below.
まず、第1実施形態の図4〜図6の工程を行うことにより、図34に示すように、マスク層22の開口22a内のコンタクト層21の上にナノワイヤ形成用の触媒24aが形成された構造を得る。
First, by performing the steps of FIGS. 4 to 6 of the first embodiment, as shown in FIG. 34, a
次に、図35に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 35 will be described.
まず、不図示のチャンバ内に基板20を入れ、基板温度を400℃程度に上げることにより、触媒24aを液体化する。
First, the
そして、そのチャンバ内にInAs用の成長ガスを供給することにより、コンタクト層21を種結晶とし、液体化した触媒24aを溶媒としたVLS法でコンタクト層21からInAsの結晶を上に向かって成長させる。
Then, by supplying a growth gas for InAs into the chamber, the
そのInAs用の成長ガスは第1実施形態と同じく、例えば、Inの原料ガスとしてトリエチルインジウムを使用し、Asの原料ガスとしてアルシンを使用し得る。更に、そのInAsにn型不純物としてSiを1×1017cm−3程度の濃度でドープする。 As the growth gas for InAs, for example, triethylindium can be used as the raw material gas for In and arsine can be used as the raw material gas for As as in the first embodiment. Further, the InAs is doped with Si as an n-type impurity at a concentration of about 1 × 10 17 cm -3.
また、InAsを成長させるときの基板温度は第1実施形態と同じく、例えば500℃とする。 Further, the substrate temperature when growing InAs is, for example, 500 ° C. as in the first embodiment.
一方、前述のInAs用の成長ガスのうち、III族原子のInの原料ガスの流量を第1実施形態と同じにし、V族原子のAsの原料ガスの流量を第1実施形態よりも少なくすることにより、Inの原料ガスとAsの原料ガスとの流量比を変える。 On the other hand, among the above-mentioned growth gases for InAs, the flow rate of the raw material gas of In of the group III atom is the same as that of the first embodiment, and the flow rate of the raw material gas of As of the group V atom is smaller than that of the first embodiment. By doing so, the flow rate ratio between the raw material gas of In and the raw material gas of As is changed.
これにより、本実施形態のInAsは、第1実施形態と異なりウルツ鉱型の結晶構造になる。 As a result, the InAs of the present embodiment has a wurtzite-type crystal structure unlike the first embodiment.
このようにして、コンタクト層21の上にナノワイヤ45のn型下部46としてn型InAsの線状体を形成する。このInAsの線状体の大きさは第1実施形態と同じく、例えば、幅は80nmで、長さは0.5〜1μmとする。
In this way, a linear body of n-type InAs is formed on the
続いて、InAs用の成長ガスの供給を停止し、上記のチャンバ内にGaAsSb用の成長ガスを供給することにより、前述の液体化した触媒24aを溶媒としたVLS法でn型下部46からGaAsSbの結晶を上に向かって成長させる。
Subsequently, by stopping the supply of the growth gas for InAs and supplying the growth gas for GaAsSb into the chamber, the above-mentioned
そのGaAsSb用の成長ガスも第1実施形態と同じく、例えば、Gaの原料ガスとしてトリエチルガリウムを使用し、Asの原料ガスとしてアルシン(AsH3)を使用し、Sbの原料ガスとしてトリメチルアンチモンを使用し得る。更に、そのGaAsSbにp型不純物としてZnを1×1018cm−3程度の濃度でドープする。 As for the growth gas for GaAsSb, for example, triethylgallium is used as the raw material gas for Ga, arsine (AsH 3 ) is used as the raw material gas for As, and trimethylantimony is used as the raw material gas for Sb. Can be. Further, the GaAsSb is doped with Zn as a p-type impurity at a concentration of about 1 × 10 18 cm -3.
また、GaAsSbを成長させるときの基板温度も第1実施形態と同じく、例えば500℃とする。 Further, the substrate temperature at which GaAsSb is grown is also set to, for example, 500 ° C. as in the first embodiment.
更にまた、前述のGaAsSb用の成長ガスにおけるIII族原子のGaの原料ガスとV族原子のSbの原料ガスとの流量比も第1実施形態と同じにする。 Furthermore, the flow rate ratio of the Ga raw material gas of the Group III atom and the raw material gas of Sb of the V group atom in the above-mentioned growth gas for GaAsSb is also the same as in the first embodiment.
これにより、本実施形態のGaAsSbは、第1実施形態と同じく閃亜鉛鉱型の結晶構造となる。 As a result, the GaAsSb of the present embodiment has a sphalerite-type crystal structure as in the first embodiment.
このようにして、n型下部46の上にp型上部47として高濃度p型GaAsSbの線状体を形成する。このGaAsSbの線状体の大きさは第1実施形態と同じく、例えば、幅が80nmで、長さは0.5〜1μmとする。
In this way, a high-concentration p-type GaAsSb striatum is formed on the n-type
以上により、ナノワイヤ45にn型下部46とp型上部47が接合したpn接合を形成する。
As described above, a pn junction is formed in which the n-type
次に、図36に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 36 will be described.
上記のチャンバを引き続き使用し、GaAsSb用の成長ガスのうちのSbの原料ガスと、Znをドープするための有機金属ガスの供給を停止して、基板温度を500℃から400℃に下げる。 The above chamber will continue to be used, and the supply of the Sb raw material gas among the growth gases for GaAsSb and the organometallic gas for doping Zn will be stopped, and the substrate temperature will be lowered from 500 ° C. to 400 ° C.
これにより、ナノワイヤ45の側面45aのうち、凹凸が多い閃亜鉛鉱型の結晶構造のp型上部47の側面47aからi型GaAsの結晶を基板面に平行な方向に成長させて、保護層58としてi型GaAs層を形成する。
As a result, among the side surfaces 45a of the
その保護層58は数原子層分の厚さに形成する。
The
これにより、この工程では、保護層58の格子定数がp型上部47の格子定数からずれていても臨界膜厚より十分に薄いことから、保護層58をp型上部47の側面47aに成長させることができる。
As a result, in this step, even if the lattice constant of the
図39は、この工程で得られる構造の基板面に平行な面で切断した断面図である。図39(a)は、図36のVII−VII線における部分の構造を示し、図39(b)は、図36のVIII−VIII線における部分の構造を示している。 FIG. 39 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the substrate plane of the structure obtained in this step. 39 (a) shows the structure of the portion of line VII-VII of FIG. 36, and FIG. 39 (b) shows the structure of the portion of line VIII-VIII of FIG.
図36の工程を行うことにより、図39(b)に示すようにp型上部47の側面47aが保護層58で覆われる。一方、図39(a)に示すようにn型下部46の側面46aは保護層58で覆われずに露出する。
By performing the step of FIG. 36, the
このようにして、ナノワイヤ45の側面45aのうちのp型上部47の側面47aのみが保護層58で覆われる。
In this way, only the
その後、上記のチャンバから基板20を取り出す。
Then, the
次に、図37に示す工程について説明する。 Next, the process shown in FIG. 37 will be described.
図37に示すように、触媒24aの表面、側面58aを含む保護層58の表面の全体、n型下部46の側面46a、及びマスク層22の上に、プラズマを使用しないALD法で水分防止絶縁層29としてAl3O2層を数nmの厚さに形成する。
As shown in FIG. 37, moisture prevention insulation is performed by the ALD method without using plasma on the surface of the
そのAl3O2層を形成するための成長ガスは第1実施形態と同じく、例えば、Alの原料ガスとしてトリメチルアルミニウムを使用し得て、酸化剤として水蒸気を使用し得る。 As the growth gas for forming the Al 3 O 2 layer, for example, trimethylaluminum can be used as the raw material gas for Al, and water vapor can be used as the oxidizing agent, as in the first embodiment.
なお、Al3O2層の代わりに、プラズマを使用しないALD法で水分防止絶縁層29としてSiO2層やSiN層を形成してもよい。
Instead of the Al 3 O 2 layer, a SiO 2 layer or a SiN layer may be formed as the moisture-preventing insulating
この後は、第1実施形態で説明した図10〜図23の工程を行うことにより、図38に示すように、本実施形態に係る化合物半導体装置60の基本構造を完成させる。
After that, by performing the steps of FIGS. 10 to 23 described in the first embodiment, as shown in FIG. 38, the basic structure of the
以上説明した本実施形態によれば、ナノワイヤ45の側面45aのうちのp型上部47の側面47aを保護層58で覆っているので、図37の工程で水蒸気のような酸化剤を使用したとしても、酸化剤の水分や酸素がp型上部47の側面47aに進入するのを阻止することができる。
According to the present embodiment described above, since the
これにより、p型上部47の側面47aは酸化されず、この側面47aにSbの酸化物などの導電性の酸化物が形成されるのを抑制することができる。
As a result, the
しかも、保護層58はi型GaAsからなるので、その酸化剤によって酸化されたとしても保護層58自体は導電性の酸化物にはならない。
Moreover, since the
一方、n型下部46の側面46aは保護層58で覆われていない。
On the other hand, the
しかし、p型上部47の側面47aに導電性の酸化物が形成されないので、ナノワイヤ45の側面45aでは、導電性の酸化物によってn型下部46とp型上部47が電気的に接続されるのを抑制することができる。
However, since the conductive oxide is not formed on the
このため、ナノワイヤ45に順方向の電圧を印加したときに生じるナノワイヤ45の側面45aを流れるリーク電流を抑制することができる。
Therefore, it is possible to suppress the leakage current flowing through the
更に、本実施形態によれば、ナノワイヤ45及び保護層58を同じチャンバ内で連続して形成しているので、ナノワイヤ45を形成してから保護層58を形成するまでの間に基板20が大気に曝されることがない。
Further, according to the present embodiment, since the
これにより、ナノワイヤ45の側面45aに導電性の酸化物が形成されるのをより一層抑制することができる。
As a result, it is possible to further suppress the formation of the conductive oxide on the
以上により、本実施形態でも、第1実施形態と同じくダイオードの検波感度や電力変換効率が優れているというナノワイヤ45本来の電気伝導特性を維持することができる。
As described above, also in this embodiment, it is possible to maintain the original electrical conduction characteristics of the
ところで、上記した本実施形態では、保護層58をi型GaAsのようにAsを含むi型半導体で形成している。
By the way, in the above-described embodiment, the
そして、p型上部45をp型GaAsSbで形成する場合には、その保護層58を形成する図36の工程で、GaAsSb用の成長ガスのうちSbの原料ガスと、Znをドープするための有機金属ガスの供給を停止している。
When the p-type
これに対し、例えば、p型上部を後述するp型GaSbで形成する場合には、保護層58を形成する図36の工程では、GaSb用の成長ガスのうちSbの原料ガスと、Znをドープするための有機金属ガスの供給を停止して、Asの原料ガスとしてアルシン(AsH3)を供給すればよい。
On the other hand, for example, when the upper part of the p-type is formed of the p-type GaSb described later, in the step of FIG. 36 for forming the
また、上記した本実施形態では、ナノワイヤ45の側面45aのうちのp型上部47の側面47aのみを極薄の保護層58で覆う場合を例にして説明したが、n型下部46の側面46aのみを極薄の保護層58で覆うようにしてもよい。
Further, in the above-described embodiment, the case where only the
n型下部46の側面46aのみを極薄の保護層58で覆う場合には、図35の工程で、n型下部46のInAsを閃亜鉛鉱型の結晶構造にし、p型上部47のGaAsSbをウルツ鉱型の結晶構造にすればよい。
When only the
更にまた、第1実施形態のようにn型下部26の側面26a及びp型上部27の側面27aの両方、すなわちナノワイヤ25の側面25aの全体を極薄の保護層58で覆うようにしてもよい。
Furthermore, as in the first embodiment, both the
ナノワイヤ25の側面25aの全体を極薄の保護層58で覆う場合には、図35の工程で、n型下部のInAs及びp型上部のGaAsSbの両方を閃亜鉛鉱型の結晶構造にすればよい。
When the
上記の第1実施形態〜第3実施形態では、バックワードダイオードとして動作するナノワイヤ25、45のn型下部26、46をn型InAsで形成し、p型上部27、47をp型GaAsSbで形成する場合を例にして説明した。
In the first to third embodiments described above, the n-type
しかし、n型下部26、46及びp型上部27、47の材料はこれに限定されるものではない。
However, the materials of the n-type
例えば、n型下部を、Inを含むn型III−V族化合物半導体としてn型InGaAsで形成してもよい。また、p型上部を、Sbを含むp型III−V族化合物半導体としてp型GaSbやp型AlGaSbで形成してもよい。 For example, the n-type lower portion may be formed of n-type InGaAs as an n-type III-V group compound semiconductor containing In. Further, the upper part of p-type may be formed of p-type GaSb or p-type AlGaSb as a p-type III-V compound semiconductor containing Sb.
更に、そのナノワイヤ25、45のn型下部26、46及びp型上部27、47のうちのp型上部27、47の不純物の濃度を高濃度にした場合を例にして説明したが、n型下部26、46の不純物の濃度を高濃度にしてもよい。
Further, the case where the concentration of impurities in the p-type
また、第1実施形態及び第2実施形態では、保護層28、58をi型GaAs結晶で形成する場合を例にして説明したが、i型GaAs結晶と同じく酸化されたとしても導電性の酸化物にはならないi型のGaN、GaP、InP、又はInGaPの結晶で保護層を形成してもよい。
Further, in the first embodiment and the second embodiment, the case where the
(第4実施形態)
本実施形態では、第1実施形態〜第3実施形態で製造した化合物半導体装置を使用した電力変換装置について説明する。
(Fourth Embodiment)
In this embodiment, a power conversion device using the compound semiconductor device manufactured in the first to third embodiments will be described.
図40は、その電力変換装置の回路図である。 FIG. 40 is a circuit diagram of the power conversion device.
図40に示すように、この電力変換装置70は、アンテナ71、整合回路72、第1実施形態〜第3実施形態で製造した化合物半導体装置のいずれかである電力変換素子73、昇圧回路74、及びコンデンサ75を備える。
As shown in FIG. 40, the power conversion device 70 includes an
このうち、整合回路72は、アンテナ71で受信したマイクロ波のような高周波の電波RFのインピーダンスを整合する。
Of these, the matching
電力変換素子73は、前述のバックワードダイオードとして動作するナノワイヤ25、45を備えている。
The
そのナノワイヤ25、45では、n型下部26、46は、コンタクト層21、カソード電極31a、及び引き出し配線37aを介して整合回路72に接続される。一方、p型上部27、47は、アノード電極34aを介して接地される。
In the
このようにして、電力変換素子73では、整合回路72でインピーダンス整合された電波を入力し、これをナノワイヤ25、45によって直流電圧に変換する。
In this way, the
昇圧回路74は、電力変換素子73で変換された電圧を昇圧する。そして、昇圧された電圧の電荷を電力としてコンデンサ75に一時的に蓄える。
The
そして、電力変換装置70は、このようにして蓄えた電力を外部の機器77、例えば、インターネットと接続可能な通信機能を備えた温度センサや湿度センサに供給する。
Then, the power conversion device 70 supplies the power stored in this way to an
以上説明した本実施形態によれば、電力変換素子73が電力変換効率に優れたナノワイヤ25、45を備えているので、周囲の環境に微弱な電波しかなくてもその電波を効率良く電力に変換することができる。
According to the present embodiment described above, since the
このため、送電設備のない環境でも前述の機器77を駆動することが可能な電力変換装置70を提供することができる。
Therefore, it is possible to provide the power conversion device 70 capable of driving the above-mentioned
なお、本実施形態では、電力変換装置70に電力変換素子73を1つ備えた場合を例にして説明したが、電力変換素子73を複数備えてもよい。これにより、電力変換装置70ではより大きな電力を蓄えることができる。
In this embodiment, the case where the power conversion device 70 is provided with one
その電力変換素子73を複数備えた電力変換装置では、1つの基板20に複数のナノワイヤ25、45を形成して、その複数のナノワイヤ25、45の各々の側面25a、45aを保護層28、58で覆うようにすればよい。
In a power conversion device including a plurality of
また、本実施形態では、第1実施形態〜第3実施形態で製造した化合物半導体装置40、50、60を電力変換装置70の電力変換素子73に適用した場合を例にして説明したが、これらの化合物半導体装置40、50、60を受信装置の検波素子に適用してもよい。
Further, in the present embodiment, the case where the
このように適用した受信装置によれば、検波素子が検波感度に優れたナノワイヤ25、45を備えているので、微弱な電波に対しても十分な検波特性を得ることができる。
According to the receiving device applied in this way, since the detection element includes
(その他の実施形態)
上記の第1実施形態〜第3実施形態では、バックワードダイオードとして動作するナノワイヤ25、45を備えた化合物半導体装置40、50、60を例にして説明したが、ナノワイヤ25、45で動作するダイオードの種類はこれに限定されない。
(Other embodiments)
In the first to third embodiments described above, the
本実施形態では、化合物半導体装置のバリエーションについて説明する。 In this embodiment, variations of the compound semiconductor device will be described.
<エサキダイオード>
本例のエサキダイオードは、バックワードダイオードと同じくトンネルダイオードであるが、バックワードダイオードと異なりn型下部及びp型上部の両方に不純物が高濃度にドープされている。
<Esaki diode>
The Esaki diode of this example is a tunnel diode like the backward diode, but unlike the backward diode, both the n-type lower part and the p-type upper part are heavily doped with impurities.
図41は、そのエサキダイオードとして動作するナノワイヤを備えた化合物半導体装置の構造の一例を示す断面図である。なお、図41において、第1実施形態と同じ要素には第1実施形態におけるそれと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。 FIG. 41 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a compound semiconductor device including nanowires that operate as the esaki diode. In FIG. 41, the same elements as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted below.
図41に示すように、本例の化合物半導体装置85において、エサキダイオードとして動作するナノワイヤ81は、高濃度n型半導体のn型下部82と高濃度p型半導体のp型上部83を有する。
As shown in FIG. 41, in the
そのn型下部82の材料はn型InGaAsであり、p型上部83の材料はp型GaAsSbである。このように、本例のエサキダイオードはヘテロ接合となっている。
The material of the n-type
図42は、エサキダイオードがヘテロ接合となっている場合のナノワイヤのエネルギーバンドを示す図である。 FIG. 42 is a diagram showing an energy band of nanowires when the Esaki diode is heterojunction.
図42に示すように、平衡状態であるときには、n型下部82では、伝導帯の下端ECがフェルミ準位EFよりも低くなり、p型上部83では、価電子帯の上端EVがフェルミ準位EFよりも高くなっている。
As shown in FIG. 42, in the equilibrium state, the lower end E C of the conduction band is lower than the Fermi level E F in the n-type lower part 82, and the upper end E V of the valence band is in the p-type
そして、図41に示すように、本例の化合物半導体装置85でも、第1実施形態と同じく、ナノワイヤ81の側面81aの全体をi型GaAs結晶の保護層28で覆っている。
As shown in FIG. 41, also in the
これにより、ナノワイヤ81の側面81aでは、Inの酸化物やSbの酸化物などの導電性の酸化物によってn型下部82とp型上部83とが電気的に接続されるのを抑制することができる。
As a result, on the side surface 81a of the
このため、ナノワイヤ81に電圧を印加したときに生じるナノワイヤ81の側面81aを流れるリーク電流を抑制することができる。
Therefore, it is possible to suppress the leakage current flowing through the side surface 81a of the
なお、エサキダイオードはヘテロ接合に限定されない。 The Esaki diode is not limited to the heterojunction.
図43は、エサキダイオードとして動作するナノワイヤを備えた化合物半導体装置の構造の別例を示す断面図である。なお、図43において、第1実施形態と同じ要素には第1実施形態におけるそれと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。 FIG. 43 is a cross-sectional view showing another example of the structure of a compound semiconductor device including nanowires operating as an esaki diode. In FIG. 43, the same elements as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted below.
図43に示すように、本例の化合物半導体装置90において、エサキダイオードとして動作するナノワイヤ86は、前述のナノワイヤ85と同じく、高濃度n型半導体のn型下部87と高濃度p型半導体のp型上部88を有する。
As shown in FIG. 43, in the compound semiconductor device 90 of this example, the
一方、そのナノワイヤ85と異なり、n型下部87の材料はn型InGaAsであり、p型上部88の材料はp型InGaAsである。このように、本例のエサキダイオードはホモ接合となっている。
On the other hand, unlike the
図44は、エサキダイオードがホモ接合となっている場合のナノワイヤのエネルギーバンドを示す図である。 FIG. 44 is a diagram showing an energy band of nanowires when the Esaki diode is homozygous.
図44に示すように、平衡状態であるときには、n型下部87では、伝導帯の下端ECがフェルミ準位EFよりも低くなり、p型上部88では、価電子帯の上端EVがフェルミ準位EFよりも高くなっている。 As shown in FIG. 44, in the equilibrium state, the lower end E C of the conduction band is lower than the Fermi level E F in the n-type lower 87, and the upper end E V of the valence band is in the p-type upper 88. It is higher than the Fermi level E F.
そして、図43に示すように、本例の化合物半導体装置90でも、第1実施形態と同じく、ナノワイヤ86の側面86aの全体をi型GaAs結晶の保護層28で覆っている。
As shown in FIG. 43, also in the compound semiconductor device 90 of this example, the
これにより、ナノワイヤ86の側面86aでは、Inの酸化物などの導電性の酸化物によってn型下部87とp型上部88とが電気的に接続されるのを抑制することができる。
As a result, on the
このため、ナノワイヤ86に電圧を印加したときに生じるナノワイヤ86の側面86aを流れるリーク電流を抑制することができる。
Therefore, it is possible to suppress the leakage current flowing through the
<通常のダイオード>
本例の通常のダイオードとは、トンネルダイオードではないダイオードのことを意味する。
<Normal diode>
The normal diode in this example means a diode that is not a tunnel diode.
その通常のダイオードは、バックワードダイオードやエサキダイオードと異なりn型下部及びp型上部の両方に不純物が低濃度にドープされている。 Unlike the backward diode and the Esaki diode, the ordinary diode is doped with impurities at a low concentration in both the n-type lower part and the p-type upper part.
図45は、通常のダイオードとして動作するナノワイヤを備えた化合物半導体装置の構造の一例を示す断面図である。なお、図45において、第1実施形態と同じ要素には第1実施形態におけるそれと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。 FIG. 45 is a cross-sectional view showing an example of the structure of a compound semiconductor device including nanowires that operate as a normal diode. In FIG. 45, the same elements as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted below.
図45に示すように、本例の化合物半導体装置95において、通常のダイオードとして動作するナノワイヤ91は、n型半導体のn型下部92とp型半導体のp型上部93を有する。
As shown in FIG. 45, in the
そのn型下部92の材料はn型InGaAsであり、p型上部93の材料はp型GaAsSbである。このように、本例のダイオードはヘテロ接合となっている。
The material of the n-type
図46は、通常のダイオードがヘテロ接合となっている場合のナノワイヤのエネルギーバンドを示す図である。 FIG. 46 is a diagram showing an energy band of nanowires when a normal diode is heterojunction.
図46に示すように、平衡状態であるときには、n型下部92では、伝導帯の下端ECがフェルミ準位EFよりも高くなり、p型上部93では、価電子帯の上端EVがフェルミ準位EFよりも低くなっている。 As shown in FIG. 46, in the equilibrium state, the lower end E C of the conduction band is higher than the Fermi level E F in the n-type lower part 92, and the upper end E V of the valence band is higher in the p-type upper 93. It is lower than the Fermi level E F.
そして、図45に示すように、本例の化合物半導体装置95でも、第1実施形態と同じく、ナノワイヤ91の側面91aの全体をi型GaAs結晶の保護層28で覆っている。
As shown in FIG. 45, also in the
これにより、ナノワイヤ91の側面91aでは、Inの酸化物やSbの酸化物などの導電性の酸化物によってn型下部92とp型上部93とが電気的に接続されるのを抑制することができる。
As a result, on the
このため、ナノワイヤ91に電圧を印加したときに生じるナノワイヤ91の側面91aを流れる側面リーク電流を抑制することができる。
Therefore, it is possible to suppress the side leakage current flowing through the
なお、その通常のダイオードはヘテロ接合に限定されない。 The ordinary diode is not limited to the heterojunction.
図47は、通常のダイオードとして動作するナノワイヤを備えた化合物半導体装置の構造の別例を示す断面図である。なお、図47において、第1実施形態と同じ要素には第1実施形態におけるそれと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。 FIG. 47 is a cross-sectional view showing another example of the structure of a compound semiconductor device including nanowires that operate as a normal diode. In FIG. 47, the same elements as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals as those in the first embodiment, and the description thereof will be omitted below.
図47に示すように、本例の化合物半導体装置100において、通常のダイオードとして動作するナノワイヤ96は、前述のナノワイヤ95と同じく、n型半導体のn型下部97とp型半導体のp型上部98を有する。
As shown in FIG. 47, in the
一方、そのナノワイヤ95と異なり、n型下部97の材料はn型InGaAsであり、p型上部98の材料はp型InGaAsである。このように、本例のダイオードはホモ接合となっている。
On the other hand, unlike the
図48は、ダイオードがホモ接合となっている場合のナノワイヤのエネルギーバンドを示す図である。 FIG. 48 is a diagram showing the energy band of nanowires when the diode is homozygous.
図48に示すように、平衡状態であるときには、n型下部97では、伝導帯の下端ECがフェルミ準位EFよりも高くなり、p型上部98では、価電子帯の上端EVがフェルミ準位EFよりも低くなっている。 As shown in FIG. 48, in the equilibrium state, the lower end E C of the conduction band is higher than the Fermi level E F in the n-type lower 97, and the upper end E V of the valence band is higher in the p-type upper 98. It is lower than the Fermi level E F.
そして、図47に示すように、本例の化合物半導体装置100でも、第1実施形態と同じく、ナノワイヤ96の側面96aの全体をi型GaAs結晶の保護層28で覆っている。
As shown in FIG. 47, also in the
これにより、ナノワイヤ96の側面96aでは、Inの酸化物などの導電性の酸化物によってn型下部97とp型上部98とが電気的に接続されるのを抑制することができる。
As a result, on the
このため、ナノワイヤ96に電圧を印加したときに生じるナノワイヤ96の側面96aを流れる側面リーク電流を抑制することができる。
Therefore, it is possible to suppress the side leakage current flowing through the
なお、以上説明した本実施形態では、n型下部82、87、92、97及びp型上部83、88、93、98の材料としてInGaAs又はGaAsSbを使用した場合を例にして説明したが、これらの材料としてGaAs、InP、GaN、又はSiを使用してもよい。
In the present embodiment described above, the case where InGaAs or GaAsSb is used as the material of the n-type
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。 The following additional notes will be further disclosed with respect to each of the above-described embodiments.
(付記1)基板と、
前記基板から上に伸びた線状の化合物半導体であり、第1の導電型の下部と、前記下部の上に伸びた第2の導電型の上部とを備えた線状半導体と、
前記線状半導体の側面を覆うi型化合物半導体結晶の保護層と
を有することを特徴とする化合物半導体装置。
(Appendix 1) Board and
A linear compound semiconductor extending upward from the substrate, the linear semiconductor having a lower portion of a first conductive type and an upper portion of a second conductive type extending above the lower portion.
A compound semiconductor device comprising an i-type compound semiconductor crystal protective layer that covers the side surfaces of the linear semiconductor.
(付記2)前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型であり、
前記保護層の伝導帯の下端が前記下部の伝導帯の下端よりも高く、前記保護層の価電子帯の上端が前記上部の価電子帯の上端よりも低いことを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 2) The first conductive type is n type, and the second conductive type is p type.
Note 1 is characterized in that the lower end of the conduction band of the protective layer is higher than the lower end of the lower conduction band, and the upper end of the valence band of the protective layer is lower than the upper end of the upper valence band. Compound semiconductor device.
(付記3)前記保護層は、前記線状半導体において前記下部及び前記上部の両方を覆うことを特徴とする付記1又は付記2に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary Note 3) The compound semiconductor apparatus according to Supplementary note 1 or
(付記4)前記保護層は、前記線状半導体において前記下部及び前記上部のうちの一方を覆うことを特徴とする付記1又は付記2に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary Note 4) The compound semiconductor apparatus according to Supplementary note 1 or
(付記5)前記保護層は、GaN、GaP、GaAs、InP、及びInGaPのいずれか1つからなることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary Note 5) The compound semiconductor device according to any one of Supplementary note 1 to
(付記6)前記基板から複数の前記線状半導体が上に伸びていて、
前記複数の線状半導体の各々の側面が、前記保護層に覆われたことを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Appendix 6) A plurality of the linear semiconductors extend upward from the substrate.
The compound semiconductor device according to any one of Supplementary note 1 to
(付記7)前記保護層の表面を覆い、前記保護層への水分の進入を防止する水分防止絶縁層を有することを特徴とする付記1乃至付記6のいずれか1項に記載の化合物半導体装置。
(Supplementary Note 7) The compound semiconductor device according to any one of Supplementary note 1 to
(付記8)電波を受信する受信部と、
前記受信部で受信した電波を電圧に変換する変換部と
を有し、
前記変換部は、
基板と、
前記基板から上に伸びた線状の化合物半導体であり、前記電波が入力される第1の導電型の下部と、前記下部の上に伸びた第2の導電型の上部とを備えた線状半導体と、
前記線状半導体の側面を覆うi型化合物半導体結晶の保護層と
を有することを特徴とする受信機。
(Appendix 8) A receiver that receives radio waves and
It has a conversion unit that converts radio waves received by the reception unit into voltage.
The conversion unit
With the board
A linear compound semiconductor extending upward from the substrate, having a lower portion of a first conductive mold into which radio waves are input and an upper portion of a second conductive mold extending above the lower portion. With semiconductors
A receiver characterized by having a protective layer of an i-type compound semiconductor crystal covering the side surface of the linear semiconductor.
(付記9)基板から第1の導電型の化合物半導体を上に向かって線状に成長させることにより、前記基板の上に線状半導体の下部を形成する工程と、
前記下部から第2の導電型の化合物半導体を上に向かって線状に成長させることにより、前記下部の上に前記線状半導体の上部を形成する工程と、
前記線状半導体の側面にi型化合物半導体結晶の保護層を成長させる工程と
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 9) A step of forming a lower portion of the linear semiconductor on the substrate by linearly growing the first conductive type compound semiconductor from the substrate.
A step of forming an upper portion of the linear semiconductor on the lower portion by linearly growing a second conductive type compound semiconductor from the lower portion.
A method for manufacturing a compound semiconductor device, which comprises a step of growing a protective layer of an i-type compound semiconductor crystal on a side surface of the linear semiconductor.
(付記10)前記保護層を成長させる工程では、前記線状半導体において前記下部及び前記上部の両方に前記保護層を成長させることを特徴とする付記9に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 10) The method for manufacturing a compound semiconductor device according to
(付記11)前記保護層を成長させる工程では、前記線状半導体において前記下部及び前記上部のうちの一方に前記保護層を成長させることを特徴とする付記9に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 11) The method for manufacturing a compound semiconductor device according to
(付記12)前記保護層を成長させる工程では、前記保護層を臨界膜厚以下の膜厚にすることを特徴とする付記9乃至付記11のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 12) The method for manufacturing a compound semiconductor device according to any one of
(付記13)前記保護層は、GaN、GaP、GaAs、InP、及びInGaPのいずれか1つからなることを特徴とする付記9乃至付記12のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Supplementary Note 13) The method for manufacturing a compound semiconductor device according to any one of
(付記14)前記線状半導体の前記下部を形成する工程、前記上部を形成する工程、及び前記保護層を成長させる工程を、前記基板を大気に曝すことなく行うことを特徴とする付記9乃至付記13のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Supplementary note 14) The steps of forming the lower portion of the linear semiconductor, forming the upper portion, and growing the protective layer are performed without exposing the substrate to the atmosphere. The method for manufacturing a compound semiconductor device according to any one of Supplementary note 13.
(付記15)前記保護層を成長させる工程の後に、
前記保護層の表面に、前記保護層への水分の進入を防止する水分防止絶縁層を形成する工程を有することを特徴とする付記9乃至付記14のいずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。
(Appendix 15) After the step of growing the protective layer,
The compound semiconductor device according to any one of
(付記16)前記水分防止絶縁層を形成する工程を、プラズマを使用しないALD(Atomic Layer Deposition)法によって行うことを特徴とする付記15に記載の化合物半導体装置の製造方法。 (Appendix 16) The method for manufacturing a compound semiconductor device according to Appendix 15, wherein the step of forming the moisture-preventing insulating layer is performed by an ALD (Atomic Layer Deposition) method that does not use plasma.
1,40,50,60,85,90,95,100…化合物半導体装置、2,20…基板、3,21…コンタクト層、4,22…マスク層、5,25,45,81,86,91,96…ナノワイヤ、5a,25a,45a,81a,86a,91a,96a…ナノワイヤの側面、6,26,46,82,87,92,97…n型下部、6a,26a,46a,82a,87a,92a,97a…n型下部の側面、7,27,47,83,88,93,98…p型下部、7a,27a,47a,83a,88a,93a,98a…p型下部の側面、28,58…保護層、28a,58a…保護層の側面、8,29…水分防止絶縁層、9,31a…カソード電極、10,32…被覆絶縁膜、11,34a…アノード電極、70…電力変換装置、71…アンテナ、73…電力変換素子。 1,40,50,60,85,90,95,100 ... compound semiconductor device, 2,20 ... substrate, 3,21 ... contact layer, 4,22 ... mask layer, 5,25,45,81,86, 91, 96 ... Nanowires, 5a, 25a, 45a, 81a, 86a, 91a, 96a ... Side surfaces of nanowires, 6,26,46,82,87,92,97 ... n-type lower part, 6a, 26a, 46a, 82a, 87a, 92a, 97a ... n-type lower side surface, 7,27,47,83,88,93,98 ... p-type lower part, 7a, 27a, 47a, 83a, 88a, 93a, 98a ... p-type lower side surface, 28, 58 ... protective layer, 28a, 58a ... side surface of protective layer, 8, 29 ... moisture-preventing insulating layer, 9, 31a ... cathode electrode, 10, 32 ... coated insulating film, 11, 34a ... anode electrode, 70 ... power Conversion device, 71 ... antenna, 73 ... power conversion element.
Claims (12)
前記基板から上に伸びた線状の化合物半導体であり、第1の導電型の下部と、前記下部の上に伸びた第2の導電型の上部とを備えた線状半導体と、
前記線状半導体の側面を覆うi型化合物半導体結晶の保護層と、
を有し、
前記第1の導電型はn型であり、前記第2の導電型はp型であり、
前記保護層の伝導帯の下端が前記下部の伝導帯の下端よりも高く、前記保護層の価電子帯の上端が前記上部の価電子帯の上端よりも低いことを特徴とする化合物半導体装置。 With the board
A linear compound semiconductor extending upward from the substrate, the linear semiconductor having a lower portion of a first conductive type and an upper portion of a second conductive type extending above the lower portion.
A protective layer of an i-type compound semiconductor crystal covering the side surface of the linear semiconductor,
Have,
The first conductive type is n-type, and the second conductive type is p-type.
The lower end of the conduction band of the protective layer is higher than the conduction band bottom of the lower, lower it to that of compound wherein the upper end of the upper end of the valence band of the protective layer is the valence band of the upper Semiconductor device.
前記基板から上に伸びた線状の化合物半導体であり、第1の導電型の下部と、前記下部の上に伸びた第2の導電型の上部とを備えた線状半導体と、
前記線状半導体の側面を覆うi型化合物半導体結晶の保護層と、
を有し、
前記保護層は、前記線状半導体において前記下部及び前記上部のうちの一方を覆うことを特徴とする化合物半導体装置。 With the board
A linear compound semiconductor extending upward from the substrate, the linear semiconductor having a lower portion of a first conductive type and an upper portion of a second conductive type extending above the lower portion.
A protective layer of an i-type compound semiconductor crystal covering the side surface of the linear semiconductor,
Have,
The protective layer, characterized in that in said linear semiconductor covering one of the lower and the upper of compound semiconductor devices.
前記基板から上に伸びた線状の化合物半導体であり、第1の導電型の下部と、前記下部の上に伸びた第2の導電型の上部とを備えた線状半導体と、A linear compound semiconductor extending upward from the substrate, the linear semiconductor having a lower portion of a first conductive type and an upper portion of a second conductive type extending above the lower portion.
前記線状半導体の側面を覆うi型化合物半導体結晶の保護層と、A protective layer of an i-type compound semiconductor crystal covering the side surface of the linear semiconductor,
を有し、Have,
前記保護層は、GaN、GaP、GaAs、InP、及びInGaPのいずれか1つからなることを特徴とする化合物半導体装置。The protective layer is a compound semiconductor device comprising any one of GaN, GaP, GaAs, InP, and InGaP.
前記基板から上に伸びた線状の化合物半導体であり、第1の導電型の下部と、前記下部の上に伸びた第2の導電型の上部とを備えた線状半導体と、
前記線状半導体の側面を覆うi型化合物半導体結晶の保護層と、
前記保護層の表面を覆い、前記保護層への水分の進入を防止する水分防止絶縁層と、
を有することを特徴とする化合物半導体装置。 With the board
A linear compound semiconductor extending upward from the substrate, the linear semiconductor having a lower portion of a first conductive type and an upper portion of a second conductive type extending above the lower portion.
A protective layer of an i-type compound semiconductor crystal covering the side surface of the linear semiconductor,
A moisture-preventing insulating layer that covers the surface of the protective layer and prevents moisture from entering the protective layer .
It shall be the characterization compound semiconductor device that has a.
前記受信部で受信した電波を電圧に変換する変換部と
を有し、
前記変換部は、
基板と、
前記基板から上に伸びた線状の化合物半導体であり、前記電波が入力される第1の導電型の下部と、前記下部の上に伸びた第2の導電型の上部とを備えた線状半導体と、
前記線状半導体の側面を覆うi型化合物半導体結晶の保護層と
を有することを特徴とする受信機。 The receiver that receives radio waves and
It has a conversion unit that converts radio waves received by the reception unit into voltage.
The conversion unit
With the board
A linear compound semiconductor extending upward from the substrate, having a lower portion of a first conductive mold into which radio waves are input and an upper portion of a second conductive mold extending above the lower portion. With semiconductors
A receiver characterized by having a protective layer of an i-type compound semiconductor crystal covering the side surface of the linear semiconductor.
前記下部から第2の導電型の化合物半導体を上に向かって線状に成長させることにより、前記下部の上に線状半導体の上部を形成する工程と、
前記線状半導体の側面にi型化合物半導体結晶の保護層を成長させる工程と
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。 A step of forming a lower portion of the linear semiconductor on the substrate by linearly growing the first conductive type compound semiconductor from the substrate.
A step of forming an upper portion of the linear semiconductor on the lower portion by linearly growing the second conductive type compound semiconductor from the lower portion.
A method for manufacturing a compound semiconductor device, which comprises a step of growing a protective layer of an i-type compound semiconductor crystal on a side surface of the linear semiconductor.
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