特許 6623863 半導体装置及び半導体回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6623863

(24)【登録日】2019年12月6日

(45)【発行日】2019年12月25日

(54)【発明の名称】半導体装置及び半導体回路

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/329 20060101AFI20191216BHJP

   H01L 29/88 20060101ALI20191216BHJP

   H01L 29/861 20060101ALI20191216BHJP

   H01L 29/868 20060101ALI20191216BHJP

【ＦＩ】

   H01L29/88 F

   H01L29/91 F

   H01L29/91 H

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-50022(P2016-50022)

(22)【出願日】2016年3月14日

(65)【公開番号】特開2017-168518(P2017-168518A)

(43)【公開日】2017年9月21日

【審査請求日】2018年12月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090273

【弁理士】

【氏名又は名称】國分 孝悦

(72)【発明者】

【氏名】高橋 剛

【審査官】 恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０３３８３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５２５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４３９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−１２８５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−１４７３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０３６３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１１２５２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０３７２７５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２９／８８

Ｈ０１Ｌ ２９／８６１

Ｈ０１Ｌ ２９／８６８

Ｈ０１Ｌ ２１／３２９

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

負性微分抵抗を生じる共鳴トンネル構造を有しており、負バイアス時にのみ共鳴トンネルを生じ、正バイアス時に流れる電流量が負バイアス時に流れる電流量よりも少ない半導体整流素子を備えたことを特徴とする半導体装置。

【請求項2】

前記半導体整流素子は、無バイアス又は負バイアスに印加電圧が選択的に制御されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記半導体整流素子に接続されたアンテナを更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有しており、ｐ層がｐ−ＧａＳｂ層又はｐ−ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x層（０．４９≦ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有しており、ｎ層がｎ−ＩｎＡｓ層又はｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ層（０．５３＜ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有し、前記共鳴トンネル構造であるｉ層が第１層、第２層及び第３層の積層構造とされており、
前記第２層は、ｉ−ＩｎＡｓ層、ｉ−ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x層（０≦ｘ＜１）、及びｉ−ＩｎＧａ_xＡｓ_1-x層（０．５３＜ｘ＜１）から選ばれた１種であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有し、前記共鳴トンネル構造であるｉ層が第１層、第２層及び第３層の積層構造とされており、
前記第１層及び前記第３層は、ｉ−ＡｌＳｂ層又はｉ−ＡｌＡｓ_1-xＳｂ_x層（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項8】

負性微分抵抗を生じる共鳴トンネル構造を有しており、負バイアス時にのみ共鳴トンネルを生じ、正バイアス時に流れる電流量が負バイアス時に流れる電流量よりも少ない半導体整流素子と、
前記半導体整流素子を無バイアス状態又は負バイアス状態に選択的に制御する電位供給部と
を備え、
前記半導体整流素子が無バイアス状態の場合には受信器、負バイアス状態の場合には送信器として機能することを特徴とする半導体回路。

【請求項9】

前記半導体整流素子に接続されたアンテナを更に備えたことを特徴とする請求項８に記載の半導体回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置及び半導体回路に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近時では、大容量無線通信やイメージング等のために、ミリ波又はテラヘルツ波を利用する研究がされている。これらの高い周波数を扱うには、ミリ波又はテラヘルツ波を発生させる高速な送信デバイスと、高感度な受信デバイスとが必要になる。特にテラヘルツ波の領域での容易な取扱いを実現させるには、小型の送信デバイス及び受信デバイスの開発が望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３−３３８３０号公報

【特許文献2】特開２００９−１５２５４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

テラヘルツ波の発生には、光学非線形性を利用する手法や、低温成長（ＬＴ）ＧａＡｓに短波パルスレーザを用いる手法等があるが、システムの小型化が難しい。テラヘルツ波を発生させる電子デバイスであり、小型化に適したものには、共鳴トンネルダイオード（Resonant Tunneling Diode：ＲＴＤ）を用いた発振器がある。一方、テラヘルツの検出には、ボロメータや光学的手法等があるが、小型化や応答速度の問題があった。小型化に適した電子デバイスとしては、ショットキーダイオードを用いる手法がある。但しこの場合、専用のモジュールを使用することが一般的であるため、発振器モジュールと組み合わせると小型化が制限されるという問題があった。テラヘルツの検波にＲＴＤの非線形性を用いる場合もあるが、動作電圧までバイアスを加えるバイアス回路が必要であり、ノイズが発生するという問題があった。

【0005】

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、１つの装置構成で例えばミリ波又はテラヘルツ波の送信機能及び受信機能の選択的な発揮に寄与する小型の半導体装置及びこの半導体装置を備えた半導体回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

半導体装置の一態様は、負性微分抵抗を生じる共鳴トンネル構造を有しており、負バイアス時にのみ共鳴トンネルを生じ、正バイアス時に流れる電流量が負バイアス時に流れる電流量よりも少ない半導体整流素子を備えている。

【0007】

半導体回路の一態様は、負性微分抵抗を生じる共鳴トンネル構造を有しており、負バイアス時にのみ共鳴トンネルを生じ、正バイアス時に流れる電流量が負極性のバイアス時に流れる電流量よりも少ない半導体整流素子を備え、前記半導体整流素子は、無バイアス又は負バイアスに印加電圧が選択的に制御され、無バイアス時に受信器、負バイアス時に送信器として機能する。

【発明の効果】

【0008】

上記の態様によれば、１つの装置構成で例えばミリ波又はテラヘルツ波の送信機能及び受信機能の選択的な発揮に寄与する小型の半導体装置が実現する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。

【図2】第１の実施形態による半導体装置のＩ−Ｖ特性を示す特性図である。

【図3】第１の実施形態による半導体装置の製造方法について、工程順に示す概略断面図である。

【図4】図３に引き続き、第１の実施形態による半導体装置の製造方法について、工程順に示す概略断面図である。

【図5】図４に引き続き、第１の実施形態による半導体装置の製造方法について、工程順に示す概略断面図である。

【図6】第１の実施形態の変形例１による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。

【図7】第１の実施形態の変形例１による半導体装置の概略構成を示す断面図である。

【図8】第１の実施形態の変形例２による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。

【図9】第１の実施形態の変形例２による半導体装置の概略構成を示す断面図である。

【図10】第１の実施形態の変形例３による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。

【図11】第１の実施形態の変形例３による半導体装置の概略構成を示す断面図である。

【図12】第１の実施形態の変形例４による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。

【図13】第１の実施形態の変形例４による半導体装置の概略構成を示す断面図である。

【図14】第２の実施形態による半導体回路の概略構成を示す模式図である。

【図15】第２の実施形態による半導体回路における半導体ダイオードのＩ−Ｖ特性を示す特性図である。

【図16】第２の実施形態による半導体回路を検波器として用いる場合を示す模式図である。

【図17】半導体ダイオードのＩ−Ｖ特性において、第２の実施形態による半導体回路を検波器として用いる場合を示す特性図である。

【図18】第２の実施形態による半導体回路を発振器として用いる場合を示す模式図である。

【図19】半導体ダイオードのＩ−Ｖ特性において、第２の実施形態による半導体回路を発振器として用いる場合を示す特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態による半導体装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0011】

−半導体装置の基本構成−
先ず、本実施形態による半導体装置の基本構成について説明する。この半導体装置は、負性微分抵抗を生じる共鳴トンネル構造を有しており、負バイアス時にのみ共鳴トンネルを生じ、正バイアス時に流れる電流量が負バイアス時に流れる電流量よりも少ない半導体ダイオードを備えている。半導体ダイオードは、無バイアス又は負バイアスに印加電圧が選択的に制御される。半導体ダイオードは、無バイアス時にはＩ−Ｖ特性において強い非線形性を示し、バックワードダイオード機能を発揮する。バックワードダイオード機能とは、一方の極性、ここでは負極性にのみ電流が流れる機能である。半導体ダイオードは、所定の負バイアス時には、負性微分抵抗を生ずる共鳴トンネルダイオード機能を発揮する。

【0012】

図１は、本実施形態による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。図２は、本実施形態による半導体装置のＩ−Ｖ特性を示す特性図である。
本実施形態の半導体装置における半導体ダイオードは、ｐｉｎ構造を有しており、バンド間トンネルを生じるｐ型層及びｎ型層において、これらの接合界面にｉ層として共鳴トンネル構造が設けられる。本実施形態では、ｐ型層にはｐ−ＧａＳｂ、ｎ型層にはｎ−ＩｎＧａＡｓ、共鳴トンネル構造にはｉ−ＡｌＳｂ／ｉ−ＩｎＡｓ／ｉ−ＡｌＳｂを用いる。２層のｉ−ＡｌＳｂが共鳴トンネルバリアを形成し、当該２層に挟まれたｉ−ＩｎＡｓが共鳴トンネル準位を形成する。ｎ型層に、ｎ−ＩｎＧａＡｓの代わりにｎ−ＩｎＡｓを用いるようにしても良い。

【0013】

負極性にのみ電流が流れるバックワードダイオードの動作をさせるために、ｐ−ＧａＳｂ及びｎ−ＩｎＧａＡｓのドーピング濃度、及びｎ−ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成（ｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓとした場合のｘ）を０．５３≦ｘ≦１の範囲内で調整する。Ｉ−Ｖ特性では、ゼロバイアス付近で強い非線形性を示し、負バイアスで負性抵抗が生じる。この特性を用いて、無バイアス時にはバックワードダイオード動作をし、負バイアス時には共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗が生じるように制御を行う。これにより、当該半導体装置においてバックワードダイオード機能と共鳴トンネルダイオード機能とを自在に選択することができる。更に、半導体ダイオードにアンテナを接続することで、高周波信号の入出力を行う。第２の実施形態として詳述するように、バックワードダイオード機能では受信器として、共鳴トンネルダイオード機能では送信器として動作させることができる。

【0014】

−半導体装置の製造方法−
次いで、本実施形態による半導体装置の基本構成について、その製造方法と共に説明する。
図３〜図５は、本実施形態による半導体装置の製造方法について、工程順に示す概略断面図である。

【0015】

先ず、図３（ａ）に示すように、ＧａＳｂ基板１１上に、ｐ⁺−ＧａＳｂ層１２、ｐ−ＧａＳｂ層１３、ｉ−ＡｌＳｂ層１４、ｉ−ＩｎＡｓ層１５、ｉ−ＡｌＳｂ層１６、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層１７、及びｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ層１８を順次結晶成長させる。
詳細には、成長用基板として例えばＧａＳｂ基板１１を用いる。ＧａＳｂは導電型でも高抵抗型でも良い。ＧａＳｂ基板１１上に、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法により、上記の各化合物半導体を成長する。ＭＯＶＰＥ法の代わりに、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いても良い。ドープするｐ型不純物としては例えばＺｎが、ドープするｎ型不純物としては例えばＳｉがそれぞれ用いられる。

【0016】

ｐ⁺−ＧａＳｂ層１２は、ｐ型不純物濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³程度、厚みが３００ｎｍ程度に成長される。ｐ−ＧａＳｂ層１３は、ｐ型不純物濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³程度、厚みが５０ｎｍ程度に成長される。ｐ−ＧａＳｂ層１３では、フェルミレベルが価電子帯の上部に近くなるようにｐ型不純物濃度を調節することが望ましい。

【0017】

ｉ−ＡｌＳｂ層１４、ｉ−ＩｎＡｓ層１５、ｉ−ＡｌＳｂ層１６は、共鳴トンネル構造を構成しており、ノンドープであって厚みが順に２ｎｍ程度、５ｎｍ程度、２ｎｍ程度に成長される。共鳴トンネルバリア内の第１量子準位は、フェルミレベルに接近していることが望ましい。

【0018】

ｎ−ＩｎＧａＡｓ層１７は、ｎ−ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成（ｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓとした場合のｘ）を０．５３＜ｘ＜１の範囲内で調整される。Ｉｎ組成ｘは、ｎ型不純物濃度との兼ね合いで決まり、例えば０．７である。伝導帯の底ができるだけフェルミレベルに近いことが望ましい。ｎ−ＩｎＧａＡｓ層１７は、例えばｎ型不純物濃度が１×１０¹⁸／ｃｍ³程度、厚みが５０ｎｍ程度に成長される。ｐ−ＧａＳｂ層１３のｐ型不純物濃度、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層１７のｎ型不純物濃度及びＩｎ組成を調節することにより、バックワードダイオードの動作が実現する。ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ層１８は、ｎ型不純物濃度が１×１０¹⁹／ｃｍ³程度、厚みが５０ｎｍ程度に成長される。

【0019】

続いて、図３（ｂ）に示すように、ｐ−ＧａＳｂ層１３、ｉ−ＡｌＳｂ層１４、ｉ−ＩｎＡｓ層１５、ｉ−ＡｌＳｂ層１６、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層１７、及びｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ層１８をメサ形状に加工する。
詳細には、先ず、フォトリソグラフィーによりｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ層１８上にレジストマスクを形成する。次に、ｐ−ＧａＳｂ層１３、ｉ−ＡｌＳｂ層１４、ｉ−ＩｎＡｓ層１５、ｉ−ＡｌＳｂ層１６、ｎ−ＩｎＧａＡｓ層１７、及びｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ層１８をメサ形状にウェットエッチングする。ウェットエッチングには、例えばリン酸と過酸化水素水の混合液を用いる。レジストマスクは、薬液を用いたウェット処理又はアッシング処理に除去される。

【0020】

続いて、図３（ｃ）に示すように、素子分離領域を画定する。
詳細には、先ず、フォトリソグラフィーにより、上記のメサ形状部を覆うように、ｐ⁺−ＧａＳｂ層１２上にレジストマスクを形成する。次に、ｐ⁺−ＧａＳｂ層１２をウェットエッチングし、ＧａＳｂ基板１の表面の一部を露出させる。ウェットエッチングには、例えばリン酸と過酸化水素水の混合液を用いる。以上により、素子分離領域が画定される。レジストマスクは、薬液を用いたウェット処理又はアッシング処理に除去される。

【0021】

続いて、図４（ａ）に示すように、アノード電極２１及びカソード電極２２を形成する。
詳細には、先ず、フォトリソグラフィーにより、アノード電極及びカソード電極の形成予定箇所に開口を有するレジストマスクを形成する。開口内を埋め込むように、レジストマスク上に電極材料、例えばＴｉ，Ｐｔ，Ａｕを、例えば真空蒸着法により１０ｎｍ程度、３０ｎｍ程度、３００ｎｍ程度の厚みに順次堆積する。リフトオフにより、レジストマスク及びその上の電極材料を除去する。以上により、ｐ⁺−ＧａＳｂ層１２上にアノード電極２１、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ層１８上にカソード電極２２がそれぞれ形成される。

【0022】

続いて、図４（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２３を形成する。
詳細には、全面を覆うように絶縁物、ここではベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を塗布し、熱硬化させる。以上により、層間絶縁膜２３が形成される。

【0023】

続いて、図５（ａ）に示すように、層間絶縁膜２３に接続孔２３ａを形成する。
詳細には、先ず、フォトリソグラフィーにより、層間絶縁膜２３上に、カソード電極２２の表面の一部を開口するレジストマスクを形成する。層間絶縁膜２３をドライエッチングする。以上により、層間絶縁膜２３には、カソード電極２２の表面の一部を露出させる接続孔２３ａが形成される。

【0024】

続いて、図５（ｂ）に示すように、配線２４及びアンテナ２５を形成する。
詳細には、例えば金めっきにより、接続孔２３ａを埋め込む配線２４と、配線２４を介してカソード電極２２と電気的に接続されたアンテナ２５とを形成する。
以上により、アンテナ２５を持つ半導体ダイオードを備えた半導体装置が形成される。

【0025】

なお、上記の製造方法では、基板としてノンドープＧａＳｂ基板１１を用いたが、ｐ型のＧａＳｂ基板を用いても良い。この場合、素子分離を行うには、基板ごとに分割して素子分離領域を画定する。

【0026】

以上説明したように、本実施形態による半導体ダイオードは、バックワードダイオード機能と共鳴トンネルダイオード機能とを自在に選択することができる。この性質を利用して、１つの装置構成で例えばミリ波又はテラヘルツ波の送信機能及び受信機能の選択的な発揮に寄与する小型の半導体装置が実現する。

【0027】

（変形例）
以下、第１の実施形態の諸変形例について説明する。諸変形例では、半導体ダイオードを構成する半導体層が若干異なる点で第１の実施形態と相違する。

【0028】

−変形例１−
図６は、変形例１による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。図７は、変形例１による半導体装置の概略構成を示す断面図である。本例では、半導体ダイオードの共鳴トンネル構造を持つｉ層において、ｉ−ＩｎＡｓの代わりにｉ−ＩｎＡｓＳｂが用いられている。

【0029】

本例の半導体装置における半導体ダイオードは、ｐｉｎ構造を有しており、バンド間トンネルを生じるｐ型層及びｎ型層において、これらの接合界面にｉ層として共鳴トンネル構造が設けられる。本実施形態では、ｐ型層にはｐ−ＧａＳｂ、ｎ型層にはｎ−ＩｎＧａＡｓ、共鳴トンネル構造にはｉ−ＡｌＳｂ／ｉ−ＩｎＡｓＳｂ／ｉ−ＡｌＳｂを用いる。２層のｉ−ＡｌＳｂが共鳴トンネルバリアを形成し、当該２層に挟まれたｉ−ＩｎＡｓＳｂが共鳴トンネル準位を形成する。

【0030】

負極性にのみ電流が流れるバックワードダイオードの動作をさせるために、ｐ−ＧａＳｂ及びｎ−ＩｎＧａＡｓのドーピング濃度、及びｎ−ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成（ｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓとした場合のｘ）を０．５３＜ｘ＜１の範囲内で調整する。ｉ−ＩｎＡｓＳｂのＡｓ組成（ｉ−ＩｎＡｓ_yＳｂ_1-yとした場合のｙ）を０≦ｙ＜１の範囲内で調整する。

【0031】

本例の半導体装置を製造するには、第１の実施形態の図３（ａ）において、ｉ−ＩｎＡｓ層１５の代わりにｉ−ＩｎＡｓＳｂ層３１を形成し、図３（ｂ）〜図５（ｂ）の工程を順次行えば良い。以上により、図７に示すような半導体装置が形成される。

【0032】

本例による半導体ダイオードは、バックワードダイオード機能と共鳴トンネルダイオード機能とを自在に選択することができる。この性質を利用して、１つの装置構成で例えばミリ波又はテラヘルツ波の送信機能及び受信機能の選択的な発揮に寄与する小型の半導体装置が実現する。

【0033】

−変形例２−
図８は、変形例２による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。図９は、変形例２による半導体装置の概略構成を示す断面図である。本例では、半導体ダイオードの共鳴トンネル構造を持つｉ層において、ｉ−ＩｎＡｓの代わりにｉ−ＩｎＧａＡｓが用いられている。

【0034】

本例の半導体装置における半導体ダイオードは、ｐｉｎ構造を有しており、バンド間トンネルを生じるｐ型層及びｎ型層において、これらの接合界面にｉ層として共鳴トンネル構造が設けられる。本実施形態では、ｐ型層にはｐ−ＧａＳｂ、ｎ型層にはｎ−ＩｎＧａＡｓ、共鳴トンネル構造にはｉ−ＡｌＳｂ／ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ｉ−ＡｌＳｂを用いる。２層のｉ−ＡｌＳｂが共鳴トンネルバリアを形成し、当該２層に挟まれたｉ−ＩｎＧａＡｓが共鳴トンネル準位を形成する。

【0035】

負極性にのみ電流が流れるバックワードダイオードの動作をさせるために、ｐ−ＧａＳｂ及びｎ−ＩｎＧａＡｓのドーピング濃度、及びｎ−ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成（ｎ−Ｉｎ_xＧａＡｓとした場合のｘ）を０．５３＜ｘ＜１の範囲内で調整する。ｉ−ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成（ｉ−Ｉｎ_yＧａ_1-yＡｓとした場合のｙ）を０≦ｙ＜１，ｘ＜ｙの範囲内で調整する。更に、Ｉｎ組成ｙは、共鳴トンネル内の量子準位がフェルミレベル近くに制御されるような値であることが望ましい。

【0036】

本例の半導体装置を製造するには、第１の実施形態の図３（ａ）において、ｉ−ＩｎＡｓ層１５の代わりにｉ−ＩｎＧａＡｓ層３２を形成し、図３（ｂ）〜図５（ｂ）の工程を順次行えば良い。以上により、図９に示すような半導体装置が形成される。

【0037】

本例による半導体ダイオードは、バックワードダイオード機能と共鳴トンネルダイオード機能とを自在に選択することができる。この性質を利用して、１つの装置構成で例えばミリ波又はテラヘルツ波の送信機能及び受信機能の選択的な発揮に寄与する小型の半導体装置が実現する。

【0038】

−変形例３−
図１０は、変形例３による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。図１１は、変形例３による半導体装置の概略構成を示す断面図である。本例では、半導体ダイオードの共鳴トンネル構造を持つｉ層において、２層のｉ−ＡｌＳｂの代わりにｉ−ＡｌＡｓＳｂが用いられている。

【0039】

本例の半導体装置における半導体ダイオードは、ｐｉｎ構造を有しており、バンド間トンネルを生じるｐ型層及びｎ型層において、これらの接合界面にｉ層として共鳴トンネル構造が設けられる。本実施形態では、ｐ型層にはｐ−ＧａＳｂ、ｎ型層にはｎ−ＩｎＧａＡｓ、共鳴トンネル構造にはｉ−ＡｌＡｓＳｂ／ｉ−ＩｎＡｓ／ｉ−ＡｌＡｓＳｂを用いる。２層のｉ−ＡｌＡｓＳｂが共鳴トンネルバリアを形成し、当該２層に挟まれたｉ−ＩｎＡｓが共鳴トンネル準位を形成する。

【0040】

負極性にのみ電流が流れるバックワードダイオードの動作をさせるために、ｐ−ＧａＳｂ及びｎ−ＩｎＧａＡｓのドーピング濃度、及びｎ−ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成（ｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓとした場合のｘ）を０．５３＜ｘ＜１の範囲内で調整する。２層のｉ−ＡｌＡｓＳｂのＳｂ組成（ｉ−ＡｌＡｓ_1-yＳｂ_yとした場合のｙ）を０≦ｙ＜１の範囲内で調整する。

【0041】

本例の半導体装置を製造するには、第１の実施形態の図３（ａ）において、ｉ−ＡｌＳｂ層１４，１６の代わりにｉ−ＡｌＡｓＳｂ層３３，３４を形成し、図３（ｂ）〜図５（ｂ）の工程を順次行えば良い。以上により、図１１に示すような半導体装置が形成される。

【0042】

本例による半導体ダイオードは、バックワードダイオード機能と共鳴トンネルダイオード機能とを自在に選択することができる。この性質を利用して、１つの装置構成で例えばミリ波又はテラヘルツ波の送信機能及び受信機能の選択的な発揮に寄与する小型の半導体装置が実現する。

【0043】

−変形例４−
図１２は、変形例４による半導体装置のバンド構造を示す模式図である。図１３は、変形例４による半導体装置の概略構成を示す断面図である。本例では、半導体ダイオードのｐ層について、ｐ−ＧａＳｂの代わりにｐ−ＧａＡｓＳｂが用いられている。

【0044】

本例の半導体装置における半導体ダイオードは、ｐｉｎ構造を有しており、バンド間トンネルを生じるｐ型層及びｎ型層において、これらの接合界面にｉ層として共鳴トンネル構造が設けられる。本実施形態では、ｐ型層にはｐ−ＧａＡｓＳｂ、ｎ型層にはｎ−ＩｎＧａＡｓ、共鳴トンネル構造にはｉ−ＡｌＳｂ／ｉ−ＩｎＡｓ／ｉ−ＡｌＳｂを用いる。２層のｉ−ＡｌＳｂが共鳴トンネルバリアを形成し、当該２層に挟まれたｉ−ＩｎＡｓが共鳴トンネル準位を形成する。

【0045】

負極性にのみ電流が流れるバックワードダイオードの動作をさせるために、ｐ−ＧａＳｂ及びｎ−ＩｎＧａＡｓのドーピング濃度、及びｎ−ＩｎＧａＡｓのＩｎ組成（ｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓとした場合のｘ）を０．５３＜ｘ＜１の範囲内で調整する。ｐ−ＧａＡｓＳｂのＳｂ組成（ｐ−ＧａＡｓ_yＳｂ_1-yとした場合のｙ）を０．４９≦ｙ＜１の範囲内で調整する。

【0046】

本例の半導体装置を製造するには、第１の実施形態の図３（ａ）において、ｐ⁺−ＧａＳｂ層１２、ｐ−ＧａＳｂ層１３の代わりにｐ⁺−ＧａＡｓＳｂ層３５、ｐ−ＧａＡｓＳｂ層３６を形成し、図３（ｂ）〜図５（ｂ）の工程を順次行えば良い。以上により、図１３に示すような半導体装置が形成される。

【0047】

本例による半導体ダイオードは、バックワードダイオード機能と共鳴トンネルダイオード機能とを自在に選択することができる。この性質を利用して、１つの装置構成で例えばミリ波又はテラヘルツ波の送信機能及び受信機能の選択的な発揮に寄与する小型の半導体装置が実現する。

【0048】

なお、第１の実施形態及び変形例１〜４の半導体ダイオードを構成する各半導体層については、これらの場合を含めて、以下のように組み合わせて用いることができる。
ｐ層については、例えばｐ−ＧａＳｂ層又はｐ−ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x層（０．４９≦ｘ＜１）のいずれかを用いる。
ｎ層については、例えばｎ−ＩｎＡｓ層又はｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ層（０．５３＜ｘ＜１）のいずれかを用いる。
第１層、第２層及び第３層の積層構造であるｉ層のうち、第２層については、例えばｉ−ＩｎＡｓ層、ｉ−ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x層（０≦ｘ＜１）、及びｉ−ＩｎＧａ_xＡｓ_1-x層（０．５３＜ｘ＜１）から選ばれた１種を用いる。
ｉ層のうち、第１層及び第３層ついては、電子に対してバリア性のある材料、例えばｉ−ＡｌＳｂ層又はｉ−ＡｌＡｓ_1-xＳｂ_x層（０≦ｘ＜１）のいずれかを用いる。

【0049】

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態による半導体回路について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態による半導体回路は、第１の実施形態又は諸変形例の半導体装置を適用したものである。この半導体回路は、受信器（受信機能を有する検波器）及び送信器（送信機能を有する発振器）を併せ持っている。

【0050】

図１４は、本実施形態による半導体回路の概略構成を示す模式図である。図１５は、本実施形態による半導体回路における半導体ダイオードのＩ−Ｖ特性を示す特性図である。
この半導体回路は、第１の実施形態及び諸変形例のうちから選ばれた１種の半導体ダイオード１０を備えている。半導体ダイオード１０は、印加電圧を０（Ｖ₀）に設定することで検波器として、加電圧を負極性の−Ｖｒに設定することで発振器として用いられる。

【0051】

この半導体回路は、半導体ダイオード１０のアノード側に電位供給部４１、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２、アンテナ２５、ＬＰＦ４５、及びＬＣＲ回路４６が接続されて構成されている。電位供給部４１は、半導体ダイオード１０への印加電圧を０（Ｖ₀）又は−Ｖｒに選択的に切換制御するものである。電気信号がＬＰＦ４５を通過することにより、周波成分がカットされてＤＣ成分が加わる。

【0052】

半導体ダイオード１０とＬＰＦ４５との間にスイッチＳＷ１が、半導体ダイオード１０とＬＣＲ回路４６との間にスイッチＳＷ２がそれぞれ設けられている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、一方がオン状態のときには他方がオフ状態となるものである。スイッチＳＷ１をオン状態、スイッチＳＷ２をオフ状態とすることで検波器として機能する。スイッチＳＷ２をオン状態、スイッチＳＷ１をオフ状態とすることで発振器として機能する。

【0053】

図１６は、本実施形態による半導体回路を検波器として用いる場合を示す模式図である。図１７は、半導体ダイオードのＩ−Ｖ特性において、本実施形態による半導体回路を検波器として用いる場合を示す特性図である。
半導体回路を検波器として用いる場合には、スイッチＳＷ１をオン状態、スイッチＳＷ２をオフ状態とし、電位供給部４１において印加電圧を０（Ｖ₀）に設定する。このとき、半導体ダイオード１０では、Ｉ−Ｖ特性において強い非線形特性を示す。電気信号がアンテナ２５で受信されて検波され、ＬＰＦ２５で高周波成分が除去されてＤＣ成分として出力される。

【0054】

図１８は、本実施形態による半導体回路を発振器として用いる場合を示す模式図である。図１９は、半導体ダイオードのＩ−Ｖ特性において、本実施形態による半導体回路を発振器として用いる場合を示す特性図である。
半導体回路を発振器として用いる場合には、スイッチＳＷ２をオン状態、スイッチＳＷ１をオフ状態とし、電位供給部４１において印加電圧を−Ｖｒに設定する。このとき、半導体ダイオード１０では、Ｉ−Ｖ特性において共鳴トンネルの負性微分抵抗が生じる。この負性微分抵抗及びＬＣＲ回路４６により発振が生じる。発振で生じた高周波信号は、アンテナ２５から外部に放射される。

【0055】

以上説明したように、半導体ダイオード１０を備えた回路構成とすることにより、１つの装置構成で例えばミリ波又はテラヘルツ波の送信機能及び受信機能の双方を併せ持ち、一方の機能を選択的に発揮させることができる小型の半導体回路が実現する。

【0056】

本実施形態による半導体回路は、例えば、超高周波のテラヘルツセンサや、テラヘルツ無線通信を行う無線通信装置に適用することができる。

【0057】

以下、半導体装置及び半導体回路の諸態様について、付記としてまとめて記載する。

【0058】

（付記１）負性微分抵抗を生じる共鳴トンネル構造を有しており、負バイアス時にのみ共鳴トンネルを生じ、正バイアス時に流れる電流量が負バイアス時に流れる電流量よりも少ない半導体整流素子を備えたことを特徴とする半導体装置。

【0059】

（付記２）前記半導体整流素子は、無バイアス又は負バイアスに印加電圧が選択的に制御されることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。

【0060】

（付記３）前記半導体整流素子に接続されたアンテナを更に備えたことを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置。

【0061】

（付記４）前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有しており、ｐ層がｐ−ＧａＳｂ層又はｐ−ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x層（０．４９≦ｘ＜１）であることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【0062】

（付記５）前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有しており、ｎ層がｎ−ＩｎＡｓ層又はｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ層（０．５３＜ｘ＜１）であることを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。

【0063】

（付記６）前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有し、前記共鳴トンネル構造であるｉ層が第１層、第２層及び第３層の積層構造とされており、
前記第２層は、ｉ−ＩｎＡｓ層、ｉ−ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x層（０≦ｘ＜１）、及びｉ−ＩｎＧａ_xＡｓ_1-x層（０．５３＜ｘ＜１）から選ばれた１種であることを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の半導体装置。

【0064】

（付記７）前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有し、前記共鳴トンネル構造であるｉ層が第１層、第２層及び第３層の積層構造とされており、
前記第１層及び前記第３層は、ｉ−ＡｌＳｂ層又はｉ−ＡｌＡｓ_1-xＳｂ_x層（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。

【0065】

（付記８）負性微分抵抗を生じる共鳴トンネル構造を有しており、負バイアス時にのみ共鳴トンネルを生じ、正バイアス時に流れる電流量が負バイアス時に流れる電流量よりも少ない半導体整流素子と、
前記半導体整流素子を無バイアス状態又は負バイアス状態に選択的に制御する電位供給部と
を備え、
前記半導体整流素子が無バイアス状態の場合には受信器、負バイアス状態の場合には送信器として機能することを特徴とする半導体回路。

【0066】

（付記９）前記半導体整流素子に接続されたアンテナを更に備えたことを特徴とする付記８に記載の半導体回路。

【0067】

（付記１０）前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有しており、ｐ層がｐ−ＧａＳｂ層又はｐ−ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x層（０．４９≦ｘ＜１）であることを特徴とする付記８又は９に記載の半導体回路。

【0068】

（付記１１）前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有しており、ｎ層がｎ−ＩｎＡｓ層又はｎ−Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ層（０．５３＜ｘ＜１）であることを特徴とする付記８〜１０のいずれか１項に記載の半導体回路。

【0069】

（付記１２）前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有し、前記共鳴トンネル構造であるｉ層が第１層、第２層及び第３層の積層構造とされており、
前記第２層は、ｉ−ＩｎＡｓ層、ｉ−ＩｎＡｓ_xＳｂ_1-x層（０≦ｘ＜１）、及びｉ−ＩｎＧａ_xＡｓ_1-x層（０．５３＜ｘ＜１）から選ばれた１種であることを特徴とする付記８〜１１のいずれか１項に記載の半導体回路。

【0070】

（付記１３）前記半導体整流素子は、ｐｉｎ構造を有し、前記共鳴トンネル構造であるｉ層が第１層、第２層及び第３層の積層構造とされており、
前記第１層及び前記第３層は、ｉ−ＡｌＳｂ層又はｉ−ＡｌＡｓ_1-xＳｂ_x層（０≦ｘ＜１）であることを特徴とする付記８〜１２のいずれか１項に記載の半導体回路。

【符号の説明】

【0071】

１０ 半導体ダイオード
１１ ｐ−ＧａＳｂ基板
１２ ｐ⁺−ＧａＳｂ層
１３ ｐ−ＧａＳｂ層
１４，１６ ｉ−ＡｌＳｂ層
１５ ｉ−ＩｎＡｓ層
１７ ｎ−ＩｎＧａＡｓ層
１８ ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓ層
２１ アノード電極
２２ カソード電極
２３ 層間絶縁膜
２３ａ 接続孔
２４ 配線
２５ アンテナ
３１ ｉ−ＩｎＡｓＳｂ層
３２ ｉ−ＩｎＧａＡｓ層
３３，３４ ｉ−ＡｌＡｓＳｂ層
３５ ｐ⁺−ＧａＡｓＳｂ層
３６ ｐ−ＧａＡｓＳｂ層
４１ 電位供給部
４２，４５ ＬＰＦ
４３ ＳＷ１
４４ ＳＷ２
４６ ＬＣＲ回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】