(57)【要約】【課題】他の電子回路との集積化が容易で、高い効率を有するフォノン誘導放出装置を提供する。【解決手段】実施の形態のフォノン誘導放出装置は、第１導電型で間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、半導体基板中に形成される第２導電型のウェル領域と、ウェル領域よりも深い素子分離領域と、素子分離領域に囲まれる素子領域と、素子領域中のウェル領域に形成され互いに平行で一定のピッチで配置される電気的に共通な複数のゲート電極と、ゲート電極の両側の素子領域に形成される第１導電型のソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、を備える。【選択図】図１
2014045031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型で間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、
前記半導体基板中に形成される第２導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域よりも深い素子分離領域と、
前記素子分離領域に囲まれる素子領域と、
前記素子領域中の前記ウェル領域に形成され互いに平行で一定のピッチで配置される電気的に共通な複数のゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記素子領域に形成される第１導電型のソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、
を備えるフォノン誘導放出装置。
【請求項２】
前記素子分離領域の深さが、前記ピッチの０．３倍以上であることを特徴とする請求項１記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項３】
前記素子分離領域に空洞が設けられことを特徴とする請求項１または請求項２記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項４】
前記ゲート電極、前記ソース領域および前記ドレイン領域のそれぞれに電圧を印加するゲート端子、ソース端子およびドレイン端子と、を備え、
前記電界効果トランジスタの閾値電圧をＶｔｈとすると、前記ソース端子と前記ゲート端子間に印加されるゲート電圧Ｖｇｓ、前記ソース端子と前記ドレイン端子間に印加されるドレイン電圧Ｖｄｓが、
Ｖｔｈ＜Ｖｇｓ＜Ｖｄｓ＋Ｖｔｈの関係を充足することを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか一項に記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項５】
前記間接遷移型半導体結晶が、シリコンまたはゲルマニウムであることを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか一項に記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５いずれか一項に記載のフォノン誘導放出装置を備える発振器。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５いずれか一項に記載のフォノン誘導放出装置を備える周波数フィルタ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項５いずれか一項に記載のフォノン誘導放出装置を備える冷却装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項５いずれか一項に記載のフォノン誘導放出装置を備える受光装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項５いずれか一項に記載のフォノン誘導放出装置を備える発光装置。
【請求項１１】
間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、
前記半導体基板に形成される素子領域と、
前記素子領域中に形成され互いに平行で一定のピッチで配置される電気的に共通な複数のゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記素子領域に形成されるソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、
前記複数のゲート電極の少なくとも両側に形成され、前記ゲート電極に略平行な端部を備え、前記ピッチの０．３倍以上の深さを有する第１の素子分離領域と、
を備えるフォノン誘導放出装置。
【請求項１２】
前記第１の素子分離領域よりも浅い第２の素子分離領域を備えることを特徴とする請求項１１記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項１３】
前記第１の素子分離領域に空洞が設けられことを特徴とする請求項１１または請求項１２記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項１４】
前記ゲート電極、前記ソース領域および前記ドレイン領域のそれぞれに電圧を印加するゲート端子、ソース端子およびドレイン端子と、を備え、
前記電界効果トランジスタの閾値電圧をＶｔｈとすると、前記ソース端子と前記ゲート端子間に印加されるゲート電圧Ｖｇｓ、前記ソース端子と前記ドレイン端子間に印加されるドレイン電圧Ｖｄｓが、
Ｖｔｈ＜Ｖｇｓ＜Ｖｄｓ＋Ｖｔｈの関係を充足することを特徴とする請求項１１ないし請求項１３いずれか一項に記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項１５】
第１導電型で間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、
前記半導体基板中に形成される第２導電型のウェル領域と、
前記ウェル領域よりも深い素子分離領域と、
前記素子分離領域に囲まれる素子領域と、
前記素子領域中の前記ウェル領域に形成される単一のゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記素子領域に形成される第１導電型のソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、
を備えるフォノン誘導放出装置。
【請求項１６】
前記素子分離領域の深さが、前記素子領域の前記ゲート長方向の長さの０．３倍以上であることを特徴とする請求項１５記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項１７】
前記素子分離領域に空洞が設けられことを特徴とする請求項１５または請求項１６記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項１８】
間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、
前記半導体基板に形成される素子領域と、
前記素子領域中に形成される単一のゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記素子領域に形成されるソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、
前記ゲート電極の少なくとも両側に形成され、前記ゲート電極に略平行な端部を備え、
前記素子領域の前記ゲート長方向の長さの０．３倍以上の深さを有する第１の素子分離領域と、
を備えるフォノン誘導放出装置。
【請求項１９】
前記第１の素子分離領域よりも浅い第２の素子分離領域を備えることを特徴とする請求項１８記載のフォノン誘導放出装置。
【請求項２０】
前記第１の素子分離領域に空洞が設けられことを特徴とする請求項１８または請求項１９記載のフォノン誘導放出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォノン誘導放出装置およびこれを備える発振器、周波数フィルタ、冷却装置、受光装置、発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶中の格子振動を量子化したものはフォノンと呼ばれ、比熱をはじめとして、結晶において生じる様々な物理現象はフォノンの考え方を導入することによってはじめて説明することができる。フォノンは結晶格子の熱振動エネルギーの形態として理解されることが多いものの、低振動数の極限においては結晶中を伝播する弾性波(音響波)もまたフォノンの一形態であるということができる。
【０００３】
従来、結晶中の音響波を用いた素子として、水晶振動子や弾性表面波素子などの圧電共振器が広く用いられている。しかしながら、これらは他の半導体電子回路と集積化することが困難であった。
【０００４】
一方、半導体結晶内部において、電子とフォノンの相互作用を用いて、フォノン共振器を実現する方法が知られている。しかしながら、従来の技術では複雑な周期構造を形成する必要があるなど、集積回路プロセスを用いて実現することが困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４９４５６５０号公報
【特許文献２】特表平１１−５００５８０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｓ．Ｓｉｎｈａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ，Ｖｏｌ．１２８（２００６），ｐｐ．６３８−６４７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、他の電子回路との集積化が容易で、高い効率を有するフォノン誘導放出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様のフォノン誘導放出装置は、第１導電型で間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、前記半導体基板中に形成される第２導電型のウェル領域と、前記ウェル領域よりも深い素子分離領域と、前記素子分離領域に囲まれる素子領域と、前記素子領域中の前記ウェル領域に形成され互いに平行で一定のピッチで配置される電気的に共通な複数のゲート電極と、前記ゲート電極の両側の前記素子領域に形成される第１導電型のソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、を備えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。
【図２】第１の実施の形態のフォノン誘導放出装置の作用を説明する図である。
【図３】第１の実施の形態のフォノン誘導放出装置の作用を説明する図である。
【図４】第１の実施の形態のフォノン誘導放出装置の作用を説明する図である。
【図５】トランジスタのホットスポット近傍のフォノン密度分布を模式的に示す図である。
【図６】シリコンのフォノン分散曲線を模式的に示す図である。
【図７】フォノン間の変換過程の一例を示す図である。
【図８】素子分離領域の深さと放射特性の関係を示す図である。
【図９】音響波の振幅の深さ依存性を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態の変形例のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。
【図１１】第２の実施の形態のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。
【図１２】第３の実施の形態のフォノン誘導放出装置の等価回路図である。
【図１３】第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。
【図１４】第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置で励起される音響定在波の説明図である。
【図１５】第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置で観測される基板電流の測定結果を示す図である。
【図１６】第４の実施の形態の変形例のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。
【図１７】第５の実施の形態のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。
【図１８】第６の実施の形態の共振器の等価回路図、および、インピーダンスの周波数依存性を示す図である。
【図１９】第７の実施の形態の周波数フィルタの等価回路図である。
【図２０】第７の実施の形態の周波数フィルタの作用の説明図である。
【図２１】第７の実施の形態で用いるトランジスタの説明図である。
【図２２】第７の実施の形態の周波数フィルタの作用を示す図である。
【図２３】第７の実施の形態の周波数フィルタの作用を示す図である。
【図２４】第８の実施の形態の周波数フィルタの等価回路図である。
【図２５】第９の実施の形態の冷却装置を備える電力増幅器の等価回路図である。
【図２６】第１０の実施の形態の受光装置の等価回路図である。
【図２７】第１０の実施の形態の受光装置の要部の断面図である。
【図２８】第１１の実施の形態の発光装置の等価回路図である。
【図２９】第１１の実施の形態の発光装置の要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
発明者らは、半導体プロセスで形成された電界効果トランジスタを用いて、所定の周波数を備えるコーヒーレントなフォノンを発生するフォノン誘導放出装置が実現可能なことを見出した。本発明は、上記知見を基になされたものである。
【００１１】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
なお、本明細書中、ゲート電極のゲート端子等の「端子」とは、必ずしも物理的に電極、不純物拡散領域、コンタクト領域や配線領域と独立して識別される構造物である必要はない。例えば、ゲート端子であればゲート電極に電位を与える構造物であればその形態を問わない。
【００１３】
（第１の実施の形態）
本実施の形態のフォノン誘導放出装置は、第１導電型で間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、半導体基板中に形成される第２導電型のウェル領域と、ウェル領域よりも深い素子分離領域と、素子分離領域に囲まれる素子領域と、素子領域中のウェル領域に形成される単一のゲート電極と、ゲート電極の両側の素子領域に形成される第１導電型のソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、を備える。
【００１４】
本実施の形態は、上記構成を備えることにより、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、他の電子回路との集積化が容易で、高効率なフォノン誘導放出装置を実現することが可能となる。
【００１５】
図１は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００１６】
図１に示すように、フォノン誘導放出装置は、第１導電型で間接遷移型半導体結晶の半導体基板１０を備える。例えば、半導体基板１０は、ｎ型のシリコンである。半導体基板１０は、シリコン以外にも、例えば、ゲルマニウムなど、その他の間接遷移型半導体結晶を適用することが可能である。半導体基板１０のさらに下部には、異なる導電型の半導体結晶を備えていても良い。この場合、半導体基板１０は、ｐ型シリコン中に形成されたｎ型ディープウェルに相当する。
【００１７】
半導体基板１０には、第２導電型のウェル領域１２が形成される。ウェル領域１２は、例えば、ｐ型である。
【００１８】
また、半導体基板１０上面からの深さｄが、ウェル領域１２の深さよりも深い素子分離領域１４を備えている。素子領域分離領域１４は、絶縁膜、例えば、シリコン酸化膜で埋め込まれている。素子領域分離領域１４は、音響反射構造として機能する。  
【００１９】
また、素子領域分離領域１４に囲まれる素子領域１６を備えている。ウェル領域１２は、素子領域１６に形成される。
【００２０】
素子領域１６中のウェル領域１２に電界効果トランジスタが形成される。電界効果トランジスタは、単一のゲート電極１８と、ゲート電極１８の両側の素子領域１２に形成されるｎ型のソース領域２０およびドレイン領域２２とを備える。
【００２１】
ゲート電極１８は、素子領域１２上にゲート絶縁膜（図示せず）を介して形成される。
【００２２】
素子領域１６は、例えば、電界効果トランジスタのゲート長方向の長さがＬの矩形形状を呈する。素子分離領域１４は、ゲート電極１８に略平行な端部を備えていることが望ましい。すなわち、ゲート電極１８のゲート長方向の素子領域１６と素子分離領域１４の境界は、ゲート電極の伸長方向に略平行であることが望ましい。安定した音響定在波が生成可能となるからである。
【００２３】
図２は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置の作用を説明する図である。
【００２４】
本実施の形態では、例えば、電界効果トランジスタのゲート電極１８、ドレイン領域２２、ソース領域２０間に適当なバイアス条件、具体的には電界効果トランジスタにおけるチャネルの一部がピンチオフする条件、すなわちドレイン電流が飽和する条件のバイアス電圧を印加する。具体的には、電界効果トランジスタのゲート電極１８、ソース領域２０およびドレイン領域２２のそれぞれに電圧を印加するゲート端子、ソース端子およびドレイン端子と、を設け、電界効果トランジスタの閾値電圧をＶｔｈとすると、ソース端子とゲート端子間に印加されるゲート電圧Ｖｇｓ、ソース端子とドレイン端子間に印加されるドレイン電圧Ｖｄｓが、Ｖｔｈ＜Ｖｇｓ＜Ｖｄｓ＋Ｖｔｈの関係を充足するようバイアス条件を印加する。
【００２５】
これにより、チャネルを走行するキャリアが、ドレイン−ソース間電圧によって十分加速されて高いエネルギーを付与され、いわゆるホットキャリアと呼ばれる状態になる。ホットキャリアは、ある確率（インパクトイオン化率）により結晶格子と衝突し、衝突電離を引き起す。
【００２６】
この衝突電離により新たに電子とホールが発生するが、同時に音響波が発生し、例えば、ゲート長方向に伝搬し、音響反射構造として機能する素子分離領域１４で反射される。その結果、素子領域１２に音響定在波が発生する。
【００２７】
図３は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置の作用を説明する図である。間接遷移型半導体における衝突電離の原理を模式的に示した図である。図３（ａ）は電子の波数を考慮せずに描かれたバンドダイアグラム、図３（ｂ）は横軸に電子の波数ｋを考慮したバンドダイアグラムを模式的に示したものであり、それぞれ縦軸は荷電子帯と伝導帯における電子のエネルギーＥを示す。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、ホットキャリアが結晶格子と衝突し、衝突電離を引き起すと、ホットキャリアが持っていたエネルギーを一部失い、原子の軌道に束縛されていた電子のうち最も高いエネルギーをもつ電子が、荷電子帯から伝導帯に励起される。これにより伝導帯には励起電子が発生し、荷電子帯にはホールが発生する。
【００２９】
しかしながら、図３（ｂ）に示すように、シリコンに代表される間接遷移半導体結晶においては、荷電子帯中の最も高いエネルギーを持った電子と、伝導帯中の最も低いエネルギーをもった電子とでは、電子の波数ｋが異なる。このような波数の変化は、放出フォノンの発生によって補われる。
【００３０】
フォノンはボース粒子の一種であり、ボース・アインシュタイン統計に従う。ボース粒子は、複数の粒子が同じエネルギー状態に存在することが許される。また、フォノン粒子の個数の増減に関しては、量子力学におけるボース粒子の生成・消滅の規則に従う。
【００３１】
特定のエネルギー状態にフォノンがｎｑ個あるような量子力学的な状態を、
【数１】
2014045031.tif 000003
で表す。また、状態
【数２】
2014045031.tif 000004
に作用させることにより、フォノンの個数を一つ増やすような状態変化をもたらす量子力学的な生成のオペレーションを、
【数３】
2014045031.tif 000005
で表す。
【００３２】
すると、この生成オペレーションによって生じる状態変化については、一般に次のような式（１）で表される。
［式（１）］
【数４】
2014045031.tif 000006
【００３３】
式（１）は、フォノンの個数を一つ増やすようなオペレーションにおいては、その固有値が
【数５】
2014045031.tif 000007
であることを示している。量子力学によれば確率は波動関数の二乗に比例するので、確率はｎｑ＋１倍となる。もし、フォノンが存在しない状態であったとしても、すなわちｎｑ＝０個であったとしても、ある一定の確率でこのプロセス（フォノンの自然放出）は生じ得ることを示している。
【００３４】
しかしながら、もし、フォノンが多数存在する状態にあったとすれば、フォノンの個数ｎｑ個に比例して、このプロセス（フォノンの誘導放出）が生じる確率が高くなる。例えば図３（ｂ）において、入射するフォノン数がｎｑ個、放出フォノン数が1個増えてｎｑ＋１個であるとすると、このプロセスが生じる確率は自然放出の場合（ｎｑ＝０個）と比較してｎｑ＋１倍となる。なお、フォノンの増減に関するこのような性質は、ボース粒子であることに起因しており、物理的機構はフォトン（光子）の増減と同じである。すなわち、図３（ｂ）に示すメカニズムはレーザー発振と同じである。
【００３５】
図４は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置の作用を説明する図である。シリコンは間接遷移型半導体であり、その結晶対称性より伝導帯におけるエネルギーの最小点が、図４（ａ）に示すように、原点から見て対称な６方向にあり、これらは互いに等価である。このためシリコンは多谷間半導体とも呼ばれる。これら６つの最小点における電子エネルギーは等しく、荷電子帯から伝導帯に電子が励起される場合、特に理由がなければ、６つの方向とも励起される確率は互いに等しい。
【００３６】
電子の励起に伴って、電子の波数変化を補償するようにフォノンが発生する。発生するフォノンの方向は、励起電子の方向に規定されるため、生成される確率は６つの方向について互いに等しい。
【００３７】
フォノンの観点から見ると、この素過程はフォノン生成のオペレーションの一種と見なすことができる。もし６つの方向ともフォノンが全く無かったとするならば、すなわち、６つの方向のフォノンの個数をそれぞれｎｑ１，ｎｑ２，ｎｑ３，ｎｑ４，ｎｑ５，ｎｑ６であるとして、
［式（２）］
【数６】
2014045031.tif 000008
である場合には、全ての方向についてフォノン生成の確率は等しい（フォノンの自然放出）。フォノンの自然放出においては、発生するフォノンがどの方向に発生するか、あらかじめ予測することができない。
【００３８】
また、６つの方向のフォノンの個数が等しければ、必ずしもゼロでなくても、すなわち、
［式（３）］
【数７】
2014045031.tif 000009
であっても、同様にいずれの方向に生成される確率も互いに等しい。
【００３９】
ところが、何らかの理由により、特定の方向のフォノンの個数だけが多い状態が実現したとするならば、例えばｎｑ１だけが他のフォノンの個数と比べて多い場合、すなわち、
［式（４）］
【数８】
2014045031.tif 000010
の関係を満たす場合には、新たに生成するフォノンは、他の方向と比較して、ｎｑ１と同じ方向に向く確率が高くなる。
【００４０】
一方、このようなフォノン生成が、ホットキャリアの衝突電離に伴って生じている場合、フォノン生成と同時に励起される電子の方向についても、他の方向に励起される確率と比較して、特定の方向に励起される確率が高くなる。
【００４１】
例えば、図４（ｂ）に示すように、伝導帯の６つの電子のエネルギー最小点には、それぞれ対応する方向をもつフォノンの状態が存在し、それぞれのフォノンの個数が、ｎｑ１，ｎｑ２，ｎｑ３，ｎｑ４，ｎｑ５，ｎｑ６であるとする。
【００４２】
また、何らかの理由により、特定の方向のフォノンの個数だけが多い状態が実現して、上記式（４）の関係が成立しているとすると、衝突電離により発生する励起電子はｎｑ１に対応する方向に励起する確率が、他の方向よりも高くなる。すなわち、励起電子にはフォノンにより特定の方向性が付与される。
【００４３】
図５は、トランジスタのホットスポット近傍のフォノン密度分布を模式的に示す図である。この図によれば、トランジスタのホットスポット近傍ではフォノン全体の密度は高く、ホットスポットから離れるに従って、急激に低くなる。また、トランジスタのホットスポット近傍では縦波光学フォノン（ＬＯフォノン）の密度が支配的である。ホットスポットから離れるに従って、縦波光学フォノン（ＬＯフォノン）の密度が急激に低下する。これに代わって縦波音響フォノン（ＬＡフォノン）の密度が相対的に高くなってくる。
【００４４】
ＬＯフォノンの密度とＬＡフォノンの密度は、ある点（交差点）で逆転し、それより離れた場所では、フォノン全体の密度に対してＬＡフォノンの密度が占める比率が支配的になる。ＬＯフォノンの密度とＬＡフォノンの密度が、逆転する点は、ホットスポットから約２０ｎｍ離れた位置であることが知られている。
【００４５】
ホットスポット近傍におけるフォノンの振る舞いは、次のように説明することができる。すなわち、衝突電離によって発生するフォノンはＬＯフォノンが支配的である。ところが、ＬＯフォノンは（１）群速度が小さい、（２）Ｕｍｋｌａｐｐ散乱が生じやすい、などの理由により、ホットスポット近傍に滞留しやすい。すなわちホットスポットから離れた位置に、速やかに伝播することができない。
【００４６】
ところがＬＯフォノンがホットスポット近傍でフォノン間衝突を繰り返す中で、ＬＡフォノンに変化すると、ＬＡフォノンは群速度が大きく音速に等しいことから、速やかに結晶中を伝播することができる。
【００４７】
図６は、シリコンのフォノン分散曲線を模式的に示す図である。簡略化のため、Γ点からＸ点の間に限定し、横波フォノン（ＴＡフォノン、ＴＯフォノン）の分散曲線は省略している。
【００４８】
低い振動数のフォノンを示す領域Ａでは、フォノンの波数ｑと角振動数ωの関係は比例しており、この傾きは結晶中を伝播する縦波音響波の音速に相当する。以下の説明では、この領域に属するフォノンを低エネルギーフォノン、あるいは単に「音」と呼ぶことにする。
【００４９】
低エネルギーフォノンの波数ｑと角振動数ωの関係は比例を、ゾーン境界まで外挿した点の振動数は、デバイ振動数ωＤと呼ばれている。デバイ温度とデバイ振動数の間には、次のような関係がある。
［式（５）］
【数９】
2014045031.tif 000011
ここでｋはボルツマン定数、（エイチバー）は換算プランク定数である。デバイ温度θＤは、結晶の熱的性質を示す指標であり、シリコンの場合デバイ温度θＤが６４５Ｋであることが知られている。
【００５０】
一方、高い振動数のフォノンを示す領域Ｂにおいては、かならずしもフォノンの波数ｑと角振動数ωの関係は比例していない。分散曲線の傾きはフォノンの群速度に相当し、フォノンのエネルギーは、音速よりも小さい速度でしか、結晶中を伝播することができない。この領域に属するフォノンを以下の説明では高エネルギーフォノン、あるいは単に「熱」と呼ぶことにする。
【００５１】
高エネルギーフォノンは互いに衝突することにより、進行方向が反転する（Ｕｍｋｌａｐｐ散乱）。Ｕｍｋｌａｐｐ散乱が生じるためには、少なくとも衝突するフォノンの少なくとも一方の振動数がデバイ振動数ωＤの１／２以上であることが必要条件であることが知られている。そこで、以下の説明では、便宜的に高エネルギーフォノン（「熱」）と低エネルギーフォノン（「音」）を、振動数がωＤ／２以上かどうかで分類することにする。シリコンのデバイ温度θＤが６４５Ｋであることから、室温（３００Ｋ）の熱平衡状態では、高エネルギーフォノンと低エネルギーフォノンが同程度で混在していると考えられる。
【００５２】
なお、高エネルギーフォノンには、ＬＯフォノンとＬＡフォノンが含まれるが、この二種類のフォノンはゾーン境界Ｃにおいて縮退している。縮退した状態にあるフォノンは、ＬＯフォノンとＬＡフォノンを区別することができない。
【００５３】
トランジスタのホットスポットにおいて発生した大量の高エネルギーＬＯフォノンが、ＬＡフォノンに分解する過程については、一例として図６に示した模式的な分散曲線上の三つの状態α、β、γ間の変化をあげることができる。このようなフォノン間の変換過程は、エネルギー保存則、運動量保存則、すなわち次の関係を満たさなければならない。
【００５４】
［式（６）］
【数１０】
2014045031.tif 000012
［式（７）］
【数１１】
2014045031.tif 000013
【００５５】
ここで、ＬＯフォノンαの振動数および波数をそれぞれωＬＯ、ｑＬＯ、高エネルギー（高波数）ＬＡフォノンβの振動数および波数をそれぞれωＬＡ１、ｑＬＡ１、低エネルギー（低波数）ＬＡフォノンγの振動数および波数をそれぞれωＬＡ２、ｑＬＡ２とした。また、高エネルギー（高波数）ＬＡフォノンβの振動数ωＬＡ１と波数ｑＬＡ１は、それぞれ低エネルギー（低波数）ＬＡフォノンγの振動数ωＬＡ２と波数ｑＬＡ２に比べて、十分大きいとした。
【００５６】
すなわち、
［式（８）］
【数１２】
2014045031.tif 000014
［式（９）］
【数１３】
2014045031.tif 000015
が成り立っているものとした。
【００５７】
これらの関係は、シリコンの分散曲線上のゾーン境界において、ＬＡフォノンとＬＯフォノンが縮退していることから、どんなに小さい振動数ωＬＡ２、どんなに小さい波数ｑＬＡ２の低エネルギーＬＡフォノンγに対しても、式（６）と式（７）を満足するような、ＬＯフォノンαと高エネルギーＬＡフォノンγの組み合わせは必ず存在する。
【００５８】
また、式（６）は、つぎのように変形することが可能である。
［式（１０）］
【数１４】
2014045031.tif 000016
【００５９】
ここで、式（１０）は、一行目から二行目への変形では両辺にエイチバー（換算プランク定数）をかけ、二行目から三行目への変形では（エイチバー）×ωＬＡ１の項を右辺から左辺に移項し、三行目から四行目への変形ではεＬＯ＝（エイチバー）×ωＬＯ、εＬＡ１＝（エイチバー）×ωＬＡ１とおいた。εＬＯとεＬＡ１はそれぞれ、ＬＯフォノンαと高エネルギーＬＡフォノンβのエネルギーを表す。
【００６０】
図７は、フォノン間の変換過程の一例を示す図である。式（１０）が示すＬＯフォノンとＬＡフォノン間の変換過程の一例を模式的に示した図である。
【００６１】
ＬＯフォノンαと高エネルギーＬＡフォノンβすなわち「熱」の状態間変化が生じる際には、低エネルギーＬＡフォノンγすなわち「音」の吸収、自然放出、誘導放出を伴い得る。
【００６２】
低エネルギーＬＡフォノンγもまたボース粒子であり、その発生過程は、フォノンの個数を一つ増やすような変化をもたらす量子力学的なオペレーションの一種とみなすことができる。すなわちその過程もまた、上記式（１）に従う。このため低エネルギーＬＡフォノンγがｎＬＡ２個入射すると、誘導放出によりｎＬＡ２＋１個に増え、「音」は増幅される。
【００６３】
誘導放出により、「音」が増幅される条件は、ＬＯフォノンαの個数ｎＬＯが、高エネルギーＬＡフォノンβの個数ｎＬＡ１よりも多いこと、すなわち、
［式（１１）］
【数１５】
2014045031.tif 000017
である。この条件は、レーザー発振における反転分布条件に相当する。
【００６４】
以上のように、間接遷移型半導体結晶におけるホットキャリアの衝突電離に伴い発生するＬＯフォノンにより、音響波に相当する低エネルギーＬＡフォノンを誘導放出することが可能であることが、発明者らによって見出された。そして、この現象は原理的にも説明可能である。
【００６５】
図１に示すように、本実施の形態では、ホットキャリアによるフォノンの発生源となる電界効果型トランジスタを、ウェルよりも深い素子分離領域１４で取り囲む。
【００６６】
そして、電界効果型トランジスタが、衝突電離機構（フォノン源）およびフォノンの波数変換機構として機能し、素子分離領域１４が音響反射構造として機能する。
【００６７】
素子分離領域１４は、例えば、絶縁体で埋め込まれている。電界効果トランジスタで発生し、半導体基板１０と素子分離領域１４の界面に到達したフォノンは、半導体基板１０を構成する半導体結晶と、素子分離領域１４を埋め込む絶縁体との密度、弾性定数の違いにより反射される。
【００６８】
音響反射構造として機能する素子分離領域１４の深さｄ（図１（ｂ））は、音響波の反射量を向上させる観点から所定以上の深さを備えることが望ましい。また、音響波の反射量を向上させる観点から、素子分離領域１４の側面は、半導体基板１０表面に対し略垂直であることが望ましい。
【００６９】
図８は、素子分離領域の深さと放射特性の関係を示す図である。図８（ａ）が素子分離領域の深さが浅い場合の断面模式図、図８（ｂ）が素子分離領域の深さが深い場合の断面模式図、図８（ｃ）がそれぞれの放射特性である。
【００７０】
図８（ａ）に示すように、フォノン源から２０μｍ離れた位置に、深さ０．２μｍの浅い素子分離領域を配置し、これを音響反射構造として用いた場合、フォノン源からみた音響反射構造を見込む角度は約０．６°に相当する。これに対して。図８（ｂ）に示すように、同じくフォノン源から２０μｍ離れた位置に、深さ１３．５μｍの深い素子分離領域を配置し、これを音響反射構造として用いた場合、フォノン源からみた音響反射構造を見込む角度は約３４°に相当する。
【００７１】
ここで簡単のために、フォノン源からフォノンの放射特性を図８（ｃ）に示すように、放射角θに対して放射強度がｃｏｓθに比例すると仮定する。深い素子分離領域の採用により、フォノンの散逸を大幅に減らすことができ、有効にフォノンを反射させることができ、反射量は約５０倍に向上することが期待される。これにより、フォノン源のフォノン発生効率を向上させることができる。
【００７２】
上述したように、間接遷移型半導体結晶にフォノン源を配置し、その両端を音響反射構造で挟むことにより、この間に「音」が閉じ込められて、定在波が励起される。定在波が励起する周波数は、音響反射構造間の距離をＬとすると、
［式（１２）］
【数１６】
2014045031.tif 000018
ただし、ｖＬＡは低振動数ＬＡフォノンの群速度（音速）である。
【００７３】
「音」の反射構造を備えることにより、式（１２）を満足する特定の波長の音響波が強め合う。これは低エネルギー（低波数）ＬＡフォノンγ（図６、図７）の個数が増えることに相当する。
【００７４】
これに伴い図７において、上述したプロセスとは逆のプロセス、すなわち高エネルギーＬＡフォノンβが低エネルギーＬＡフォノンγを吸収し、ＬＯフォノンαを励起する確率も高くなる。さらにこのようにしてＬＯフォノンαの個数が増えると、図２に示したプロセス、すなわち電子の衝突電離によりＬＯフォノンが誘導放出される確率が高くなる。
【００７５】
一連のプロセスによりホットキャリアから供給されるエネルギーによって、正帰還状態が実現しうる。これはまた、音響反射構造の内部に定在波が励起されることに相当する。したがって、本実施の形態の構成により、フォノン誘導放出を伴う衝突電離の確率を高くすることができ、効率が高いフォノン誘導放出装置を提供することができる。
【００７６】
図９は、音響波伝搬の一形態である表面弾性波（レイリー波）における、振幅の深さ依存性を示す図である。横軸が表面からの深さを、実際の深さｚと音響波の波長λの比で表した値、縦軸が音響波の振幅である。図のように最表面の振幅が最大で深くなるにつれ振幅が減衰する。
【００７７】
深さが波長の０．３倍を超えると、ほぼ単調に振幅が減衰し始める。したがって、音響定在波を効果的に反射する観点から、素子分離領域１４の深さｄは、音響定在波の波長の０．３倍以上であることが望ましく、０．４５倍以上であることがより望ましく、ほぼ完全に振幅が減衰する１．０倍以上であることがさらに望ましい。
【００７８】
なお、本実施の形態のように、単一のゲート電極の電界効果トランジスタで形成されるフォノン誘導放出装置の場合、音響定在波の波長は、素子領域１６のゲート長方向の長さＬ（図１（ａ））となる。
【００７９】
よって、素子分離領域１４の深さが、素子領域１６のゲート長方向の長さの０．３倍以上であることが望ましく、０．４５倍以上であることがより望ましく、振幅がほぼ完全に減衰する１．０倍以上であることがさらに望ましい。
【００８０】
本実施の形態のフォノン誘導放出装置によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率なフォノン誘導放出装置を実現することが可能となる。
【００８１】
また、本実施の形態では、素子分離領域１４の深さをウェル１２よりも深くすることで、例えば、ホットキャリアによって発生するホールをウェル１２内に有効に閉じ込めることが可能となる。したがって、例えば、本実施の形態のフォノン誘導放出装置を、基板電流を利用した発振器に用いるような場合、発振器の効率を向上させることが可能となる。また、発生するホールが、周囲の他の素子の動作に悪影響を与えることを防止することが可能となる。
【００８２】
図１０は、本実施の形態の変形例のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。素子分離領域１４に空洞２４が設けられている。このように空洞２４を設けることにより、半導体基板と素子分離領域の密度や弾性定数の違いにより音響インピーダンスの比が大きくなり、音響波の反射率を向上させることが可能となる。したがって、より高い効率のフォノン誘導放出装置を実現することが可能となる。
【００８３】
（第２の実施の形態）
本実施の形態のフォノン誘導放出装置は、間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、半導体基板に形成される素子領域と、素子領域中に形成される単一のゲート電極と、ゲート電極の両側の素子領域に形成されるソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、ゲート電極の少なくとも両側に形成され、ゲート電極の伸長方向に略平行な端部を備え、素子領域のゲート長方向の長さの０．３倍以上の深さを有する第１の素子分離領域を備える。
【００８４】
本実施の形態のフォノン誘導装置は、半導体基板と反対導電型のウェルを備えない点で第１の実施の形態と相違する。フォノン誘導放出に関わる原理等は第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
【００８５】
図１１は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。図１１（ａ）は平面図である。図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１１（ｃ）は図１１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００８６】
例えば、ｐ型の半導体基板１０に、ｎ型のソース領域２０と、ｎ型のドレイン領域２２を備えるｎ型の電界効果トランジスタが形成されている。そして、単一のゲート電極１８のチャネル長方向の両側に形成され、ゲート電極１８に略平行な端部を備え、素子領域１６のゲート長方向の長さＬの０．３倍以上の深さを有する第１の素子分離領域１４ａを備えている。
【００８７】
本実施の形態のフォノン誘導放出装置で励起される音響定在波の波長λは、素子領域１６のゲート長方向の長さＬに等しくなる。したがって、素子分離領域１４ａの深さｄは、音響定在波の波長の０．３倍以上となっており、効果的に音響波を反射することが可能となる。
【００８８】
なお、図１１（ｃ）に示すように、ゲート電極１８のゲート幅方向には、第１の素子分離領域１４ａよりも、深さｓが浅い第２の素子分離領域１４ｂが設けられている。ゲート幅方向の素子分離領域の端部は、直接音響波の反射には関与しないため、このように浅い素子分離領域１４ｂとすることも可能である。
【００８９】
本実施の形態のフォノン誘導放出装置によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率なフォノン誘導放出装置を実現することが可能となる。
【００９０】
さらに、深い素子分離領域１４ａを音響反射構造として必要な領域のみに形成する。したがって、例えば、深い素子分離領域１４ａ形成に要するコストを低減することが可能となる。
【００９１】
なお、音響波の反射率を向上させる観点から第１の素子分離領域１４ａに空洞が設けられることが望ましい。
【００９２】
（第３の実施の形態）
本実施の形態のフォノン誘導放出装置は、半導体基板が埋め込み絶縁層を備えるＳＯＩ基板であり、素子分離領域が埋め込み層に達する深さを備える以外は、第２の実施の形態と同様である。したがって、第２の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
【００９３】
図１２は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。図１２（ａ）は平面図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１２（ｃ）は図１２（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【００９４】
例えば、半導体基板１０がＳＯＩ基板であり、埋め込み絶縁層２８を備えている。そして、半導体基板１０のＳＯＩ層３０に電界効果トランジスタが形成されている。
【００９５】
本実施の形態のフォノン誘導放出装置によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率なフォノン誘導放出装置を実現することが可能となる。
【００９６】
さらに、電界効果トランジスタのチャネル領域（ウェル領域）が素子分離領域１４と埋め込み絶縁層２８とで囲まれている。したがって、例えば、ホットキャリアによって発生するホールをウェル内に有効に閉じ込めることが可能となる。よって、例えば、本実施の形態のフォノン誘導放出装置を、基板電流を利用した発振器に用いるような場合、発振器の効率を向上させることが可能となる。また、発生するホールが、周囲の他の素子の動作に悪影響を与えることを防止することが可能となる。
【００９７】
（第４の実施の形態）
本実施の形態のフォノン誘導放出装置は、第１導電型で間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、半導体基板中に形成される第２導電型のウェル領域と、ウェル領域よりも深い素子分離領域と、素子分離領域に囲まれる素子領域と、素子領域中のウェル領域に形成され互いに平行で一定のピッチで配置される電気的に共通な複数のゲート電極と、ゲート電極の両側の素子領域に形成される第１導電型のソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタとを備える。
【００９８】
本実施の形態のフォノン誘導放出装置は、複数のゲート電極を備える、いわゆるマルチフィンガー型の電界効果トランジスタを備える点で、第１の実施の形態と異なっている。ゲート電極が複数であること以外は第１の実施の形態と同様である。したがって、第１の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
【００９９】
図１３は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。図１３（ａ）は平面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【０１００】
図１３に示すように、フォノン誘導放出装置は、第１導電型で間接遷移型半導体結晶の半導体基板１０を備える。例えば、半導体基板１０は、ｎ型のシリコンである。半導体基板１０は、シリコン以外にも、例えば、ゲルマニウムなど、その他の間接遷移型半導体結晶を適用することが可能である。半導体基板１０のさらに下部には、異なる導電型の半導体結晶を備えていても良い。この場合、半導体基板１０は、ｐ型シリコン中に形成されたｎ型ディープウェルに相当する。
【０１０１】
半導体基板１０には、第２導電型のウェル領域１２が形成される。ウェル領域１２は、例えば、ｐ型である。
【０１０２】
また、半導体基板１０上面からの深さｄが、ウェル領域１２の深さよりも深い素子分離領域１４を備えている。素子領域分離領域１４は、絶縁膜、例えば、シリコン酸化膜で埋め込まれている。素子領域分離領域１４は、音響反射構造として機能する。  
【０１０３】
また、素子領域分離領域１４に囲まれる素子領域１６を備えている。ウェル領域１２は、素子領域１６に形成される。
【０１０４】
素子領域１６中のウェル領域１２に電界効果トランジスタが形成される。電界効果トランジスタは、互いに平行で一定のピッチで配置される電気的に共通な複数のゲート電極１８を備える。ここでは、ゲート電極１８が、５本の場合を例に説明する。
【０１０５】
また、電界効果トランジスタは、ゲート電極１８の両側の素子領域１２に形成されるｎ型のソース領域２０およびドレイン領域２２とを備える。
【０１０６】
ゲート電極１８は、素子領域１２上にゲート絶縁膜（図示せず）を介して形成される。  
【０１０７】
図１４は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置で励起される音響定在波の説明図である。図１４（ａ）は断面図、図１４（ｂ）は音響定在波の波形である。
【０１０８】
図に示すように、励起される音響定在波の波長λは、ゲート電極１８のピッチに等しくなる。
【０１０９】
よって、音響定在波を効果的に反射する観点から、素子分離領域１４の深さが、ゲート電極１８のピッチの０．３倍以上であることが望ましく、０．４５倍以上であることがより望ましく、振幅がほぼ完全に減衰する１．０倍以上であることがさらに望ましい。
【０１１０】
図１５は、本実施の形態のフォノン誘導放出装置で観測される基板電流の測定結果を示す図である。図に示すように、インパクトイオン化が生じホットキャリアの発生する特定のバイアス条件、具体的には、電界効果トランジスタのゲート電極１８、ソース領域２０およびドレイン領域２２のそれぞれに電圧を印加するゲート端子、ソース端子およびドレイン端子に、電界効果トランジスタの閾値電圧をＶｔｈとすると、ソース端子とゲート端子間に印加されるゲート電圧Ｖｇｓ、ソース端子とドレイン端子間に印加されるドレイン電圧Ｖｄｓが、Ｖｔｈ＜Ｖｇｓ＜Ｖｄｓ＋Ｖｔｈの関係を充足するようバイアス条件を印加することで、極めて高い基板電流が観測される。この基板電流は、特定の周波数で発振していることが明らかになっている。
【０１１１】
本実施の形態のように、マルチフィンガー型の電界効果トランジスタを採用することで、発生する音響定在波の振幅が大きくなり、発生するフォノン数が増大する。そして、その結果、衝突電離が促進され、音響定在波の周期に同期した基板電流の著しい増大と発振現象が観測される。
【０１１２】
本実施の形態のフォノン誘導放出装置によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率なフォノン誘導放出装置を実現することが可能となる。
【０１１３】
また、本実施の形態では、素子分離領域１４の深さをウェル１２よりも深くすることで、例えば、ホットキャリアによって発生するホールをウェル１２内に有効に閉じ込めることが可能となる。したがって、例えば、本実施の形態のフォノン誘導放出装置を、基板電流を利用した発振器に用いるような場合、発振器の効率を向上させることが可能となる。また、発生するホールが、周囲の他の素子の動作に悪影響を与えることを防止することが可能となる。
【０１１４】
さらに、マルチフィンガー型の電界効果トランジスタを採用することで、発生するフォノンの数を増大させることが可能である。よって、さらに効率の高いフォノン誘導放出装置を実現することが可能である。
【０１１５】
図１６は、本実施の形態の変形例のフォノン誘導放出装置の構成を模式的に示した図である。素子分離領域１４に空洞２４が設けられている。このように空洞２４を設けることにより、音響波の反射率を向上させることが可能となる。したがって、より高い効率のフォノン誘導放出装置を実現することが可能となる。
（第５の実施の形態）
本実施の形態のフォノン誘導放出装置は、間接遷移型半導体結晶の半導体基板と、半導体基板に形成される素子領域と、素子領域中に形成され互いに平行で一定のピッチで配置される電気的に共通な複数のゲート電極と、ゲート電極の両側の素子領域に形成されるソース領域およびドレイン領域とを有する電界効果トランジスタと、複数のゲート電極の少なくとも両側に形成され、ゲート電極の伸長方向に略平行な端部を備え、ピッチの０．３倍以上の深さを有する第１の素子分離領域を備える。
【０１１６】
本実施の形態のフォノン誘導装置は、半導体基板と反対導電型のウェルを備えない点で第４の実施の形態と相違する。フォノン誘導放出に関わる原理等は第４の実施の形態と同様である。したがって、第４の実施の形態と重複する内容については記述を省略する。
【０１１７】
図１７は、本実施の形態のフォノン誘導装置の構成を模式的に示した図である。図１７（ａ）は平面図である。図１７（ｂ）は図１７（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１７（ｃ）は図１７（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【０１１８】
例えば、ｐ型の半導体基板１０に、ｎ型のソース領域２０と、ｎ型のドレイン領域を備えるｎ型の電界効果トランジスタが形成されている。そして、ゲート電極１８のチャネル長方向の両側に形成され、ゲート電極１８に略平行な端部を備え、ゲート電極１８のピッチの０．３倍以上の深さを有する第１の素子分離領域１４ａを備えている。
【０１１９】
本実施の形態のフォノン誘導放出装置で励起される音響定在波の波長λは、ゲート電極１８のピッチに等しくなる。したがって、素子分離領域１４ａの深さｄは、音響定在波の波長の０．３倍以上となっており、効果的に音響波を反射することが可能となる。
【０１２０】
なお、図１７（ｃ）に示すように、ゲート電極１８のゲート幅方向には、第１の素子分離領域１４ａよりも、深さｓが浅い第２の素子分離領域１４ｂが設けられている。ゲート幅方向の素子分離領域の端部は、直接音響波の反射には関与しないため、このように浅い素子分離領域１４ｂとすることも可能である。
【０１２１】
本実施の形態のフォノン誘導放出装置によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率なフォノン誘導放出装置を実現することが可能となる。
【０１２２】
さらに、深い素子分離領域１４ａを音響反射構造として必要な領域のみに形成する。したがって、例えば、深い素子分離領域１４ａ形成に要するコストを低減することが可能となる。
【０１２３】
さらに、マルチフィンガー型の電界効果トランジスタを採用することで、発生するフォノンの数を増大させることが可能である。よって、さらに効率の高いフォノン誘導放出装置を実現することが可能である。
【０１２４】
なお、音響波の反射率を向上させる観点から第１の素子分離領域１４ａに空洞が設けられることが望ましい。
【０１２５】
（第６の実施の形態）
本実施の形態の発振器は、例えば、第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置を備える発振器である。
【０１２６】
フォノン誘導放出装置の構造は、例えば、第４の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
【０１２７】
図１８（ａ）は、本実施の形態の共振器の等価回路図である。図中、点線枠で囲んだ領域が、例えば、第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置に相当する。電界効果トランジスタ（以下、単にトランジスタとも称する：図中Ｔｒ）のウェルから出力端子（Ｖｏｕｔ）を取り出している。
【０１２８】
図１５に示すように、例えば、第４の形態のフォノン誘導放出装置は、インパクトイオン化が生じホットキャリアの発生する特定のバイアス条件で、発振する基板電流を発生する。したがって、出力端子からこの基板電流を取り出す回路構成とすることで、発振器として機能する。例えば、ゲート電極１８のピッチが１８μｍの場合には、音響定在波の波長についてもλ＝１８μｍとなり、シリコン結晶中を伝搬する表面弾性波（レイリー波）の音速が５３７０ｍ／ｓであることから、式（１２）より、発振周波数は約３００ＭＨｚとなる。このようにして得られた発振器における出力端子（ウェル端子）からみたインピーダンスの周波数依存性を図１８（ｂ）に示す。特定の周波数でインピーダンスの実数部Ｒが負の値を示すが、これはこの周波数で発振していることを意味している。またインピーダンスの周波数変化率から見積もられるＱ値としては、約１５００が得られた。このような高いＱ値は、ＬＣ共振器により実現することが不可能であり、フォノン誘導放出の利用により初めて可能となったものである。
【０１２９】
本実施の形態の発振器によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率で、かつ周波数精度が高い発振器を実現することが可能となる。
【０１３０】
なお、第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置にかえて、第１、第２、第３、または第５の実施の形態のフォノン誘導装置を適用して発振器を実現することも可能である。
【０１３１】
（第７の実施の形態）
本実施の形態の周波数フィルタは、例えば、第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置を備える周波数フィルタである。
【０１３２】
フォノン誘導放出装置の構造は、例えば、第４の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
【０１３３】
図１９は、本実施の形態の周波数フィルタの等価回路図である。図中、点線枠で囲んだ領域が、例えば、第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置に相当する。
【０１３４】
トランジスタＴｒは素子領域のサイズ、およびゲート電極の本数と配置により決まる特定の音響的な定在波の励起が可能である。また、ゲート電極およびドレイン領域には、インパクトイオン化により電子−正孔対が発生するように、直流のバイアス電圧ＶｇｓおよびＶｄｓが印加される。ゲート電極にはさらにキャパシタＣｉｎを介して入力端子Ｖｉｎに接続されている。このような接続により、入力端子Ｖｉｎから入力された交流信号がトランジスタＴｒのゲート電極に入力される。
【０１３５】
また、トランジスタＴｒは、例えば、異なる導電型半導体ウェルの内部に構成されており、インパクトイオン化により発生した電子−正孔対の一部は、ウェル端子から出力される。ウェル電流のうち直流成分については、抵抗Ｒｗｅｌｌを介して接地電位に接続される。また交流成分については、キャパシタＣｏｕｔを介して出力端子Ｖｏｕｔに出力される。
【０１３６】
図２０は、本実施の形態の周波数フィルタの作用の説明図である。本実施の形態のトランジスタＴｒのゲート電圧Ｖｇｓ（横軸）とウェル電流Ｉｗｅｌｌ（縦軸：対数）の関係を示す。
【０１３７】
ドレイン電圧Ｖｄｓを一定に保ち、ゲート電圧Ｖｇｓを変化させると、特定の電圧範囲（Ｖｇ１＜Ｖｇｓ＜Ｖｇ２）において、ウェル電流が不連続に増大し、この範囲でフォノンの誘導放出が発生する。しかしながら、このバイアス条件ではトランジスタが自励的に発振するため周波数フィルタとしての用途には適さない。
【０１３８】
本実施の形態による周波数フィルタでは、誘導放出条件に近く、かつ誘導放出を生じないバイアス条件、例えばＶｇｓ＜Ｖｇ１、もしくはＶｇｓ＞Ｖｇ２に設定する。低消費電力の観点からは、前者（Ｖｇｓ＜Ｖｇｓ）であることが好ましい。
【０１３９】
図２１は、本実施の形態で用いるトランジスタの説明図である。図２１（ａ）が断面図、図２１（ｂ）が励起される音響定在波の波形を示す。
【０１４０】
トランジスタはゲート電極１８と、ドレイン領域２２と、ソース領域２０などから構成される。トランジスタの素子領域と外部とは、周囲に設けられた素子分離領域１４により音響的に分離されている。
【０１４１】
図２１（ａ）に示すように、このトランジスタの素子領域の内部には、素子領域のサイズＬとゲート電極１８の本数、配置により決まる音響的な定在波が励起される。周期的に配置されたゲート電極１８の位置で、定在波の位相が一致する。この図の場合には、ゲート電極の本数が４であることを反映して波の個数がｎ＝４個となり、一波長は、ゲート電極１８のピッチに等しくなる。したがって、このトランジスタの固有の振動数（共振周波数ｆ０）は、Ｓｉ結晶中を伝搬する音速をＶｃとすると、ｆ０＝Ｖｃ／λで与えられる。
【０１４２】
図２２、図２３は、本実施の形態の周波数フィルタの作用を示す図である。トランジスタＴｒのゲート電極１８に、共振周波数とは異なる周波数の信号を入力しても、図２２に示すように、交流成分の出力信号は得られない。一方、図２３に示すように、このトランジスタＴｒの共振周波数と同じ周波数成分をもつ入力信号を供給すると、ゲート電極に加えられる交流成分に応じて、ドレイン電流Ｉｄが周期的に変化する。
【０１４３】
インパクトイオン化の発生頻度はドレイン電流Ｉｄに比例するので、インパクトイオン化の発生率もこの周波数に同期して変化する。インパクトイオン化により発生するフォノン数も周期的に変化する。しかもこのフォノンと同期して音響的な定在波が励起することにより、インパクトイオン化率が増大する。これにより、ウェル端子には、入力信号と同じ周波数成分をもつ交流信号が出力される。
【０１４４】
本実施の形態の周波数フィルタによれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率な周波数フィルタを実現することが可能となる。
【０１４５】
なお、第４の実施の形態のフォノン誘導放出装置にかえて、第１、第２、第３、または第５の実施の形態のフォノン誘導装置を適用して周波数フィルタを実現することも可能である。
【０１４６】
（第８の実施の形態）
本実施の形態の周波数フィルタは、フォノン誘導放出装置を備える周波数フィルタである。
【０１４７】
フォノン誘導放出装置の基本的な構造は、第１ないし第５の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
【０１４８】
図２４は、本実施の形態の周波数フィルタの等価回路図である。図中、点線枠で囲んだ領域が、フォノン誘導放出装置に相当する。
【０１４９】
本実施の形態では、同じ素子領域内にトランジスタ対Ｔｒ１とＴｒ２を対称位置に配置する。図２１を例にとると、ゲート電極１８が交互にトランジスタＴｒ１と、トランジスタＴｒ２のゲート電極を構成する。トランジスタＴｒ１とＴｒ２を構成するドレイン領域にはそれぞれ、キャパシタＣｉｎとＣｏｕｔを介して、入力端子Ｖｉｎと出力端子Ｖｏｕｔが接続されている。
【０１５０】
本実施の形態の構成でも、ゲート電圧Ｖｇｓおよびドレイン電圧Ｖｄｓにはフォノンの誘導放出により自励的には発振しないが、これに近い条件のバイアス電圧を印加する。入力端子Ｖｉｎから、音響共振の共振周波数と同じ周波数成分をもつ入力信号が入力されると、トランジスタＴｒ１のドレイン電流が周期的に変化するため、これと同期してインパクトイオン化率が周期的に変化し、フォノンが発生し、音響的な定在波が励起される。
【０１５１】
すると同じ素子領域内に配置されたトランジスタＴｒ２に、この音響波が伝搬するため、Ｔｒ２においてもインパクトイオン化率が周期的に変化する。インパクトイオン化によりトランジスタＴｒ２のドレイン電流が周期的に変化するため、出力端子Ｖｏｕｔから同じ周波数成分の出力信号が出力される。すなわち、この回路は周波数フィルタとして機能する。
【０１５２】
本実施の形態の周波数フィルタによれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率な周波数フィルタを実現することが可能となる。
【０１５３】
（第９の実施の形態）
本実施の形態の冷却装置は、フォノン誘導放出装置を備える冷却装置である。
【０１５４】
フォノン誘導放出装置の基本構造は、第１ないし第５の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
【０１５５】
図２５は、本実施の形態の冷却装置を備える電力増幅器の等価回路図である。図中、点線枠で囲んだ領域が、フォノン誘導放出装置に相当する。
【０１５６】
この回路では、高周波電力増幅器を構成するトランジスタＴｒ１と冷却機能を有するトランジスタＴｒ２を備え、これらのトランジスタは破線で示される同じ素子領域の内部に配置される。トランジスタＴｒ１とＴｒ２を構成するゲート電極は、素子領域内に励起される音響定在波に対して、同じ位相となる位置に配置される。
【０１５７】
このトランジスタの音響的な共振周波数は、トランジスタの素子領域のサイズと、ゲート電極の本数および配置位置によって決まる。このとき、高周波電力増幅器が増幅する高周波信号の周波数ｆｓが、音響共振周波数ｆ０、およびその整数倍の周波数とは異なる周波数となるよう、トランジスタのレイアウトを設計する。すなわち、
ｆｓ≠Ｎｆ０
ただし、Ｎは１以上の整数である。
【０１５８】
電力増幅器として用いるトランジスタＴｒ１には、ゲート電極にはインダクタＬｉｎを介してバイアス電圧Ｖｇｓ１を印加し、またキャパシタＣｉｎを介して高周波の入力信号Ｖｉｎを入力する。またトランジスタＴｒ１のドレイン領域には、インダクタＬｏｕｔを介してバイアス電圧Ｖｄｓ１を印加し、またキャパシタＣｏｕｔを介して高周波出力信号Ｖｏｕｔを出力する。
【０１５９】
冷却装置として用いるトランジスタＴｒ２には、ゲート電極とドレイン領域にそれぞれバイアス電圧Ｖｇｓ２とＶｄｓ２を印加する。
【０１６０】
ただし、これら二つのトランジスタに印加する直流バイアス電圧は異なる。電力増幅器として用いるトランジスタＴｒ１については、より大きな出力信号を得るために、ドレイン電流がより多く流れるバイアス条件とする。一方、冷却装置としても用いるトランジスタＴｒ２については、消費電力を低減するためより少ないドレイン電流が流れるバイアス条件に設定する。
【０１６１】
例えば図２０（ゲート電圧Ｖｇｓとウェル電流Ｉｗｅｌｌの関係を示す図）を用いて説明すると、トランジスタＴｒ１にはＶｇ２よりも高い直流バイアス電圧Ｖｇｓ１を印加し、トランジスタＴｒ２にはＶｇ１よりも低い直流バイアス電圧Ｖｇｓ１を印加する。
【０１６２】
入力信号Ｖｉｎを入力すると、トランジスタＴｒ１がこの信号を増幅して、出力端子Ｖｏｕｔに出力信号を出力する。このとき、信号の周波数は音響共振の周波数とは異なるため、信号の周波数そのものが音響的な定在波を励起することはない。ただし、高周波信号の電力増幅の結果として、トランジスタＴｒ１には大量の熱が発生する。
【０１６３】
この熱はいろいろな振動数成分を有するＬＯフォノンを主な成分とする半導体結晶の格子振動のエネルギーである。ＬＯフォノンは群速度（エネルギーの伝搬速度）が音響波の伝搬速度に比べて極めて小さいため、結晶内の熱エネルギーの移動は遅い（熱伝導率が小さい）。このためトランジスタＴｒ１の温度が局所的に上昇する。
【０１６４】
しかしながら、このトランジスタＴｒ１が発生する熱エネルギーの周波数成分の一部には、音響的な共振周波数の高調波に相当する成分が含まれる。フォノンの分散曲線は非線形性が含まれるため、このような高調波が複数の周波数成分のＬＡフォノンに分解して、これによりトランジスタの素子領域内部には音響的な定在波が励起される。このとき、バイアス条件の違い、高周波信号入力の有無を反映して、トランジスタＴｒ１においてはフォノンの密度ｎ１が高く、トランジスタＴｒ２においてはフォノンの密度ｎ２が低い、すなわち、ｎ１＞＞ｎ２の関係が成り立つ。
【０１６５】
このようにして発生する音響的に結合したトランジスタ間のフォノン密度の差を解消するように、熱エネルギーの一部はＬＡフォノンの形を介して、トランジスタＴｒ１からトランジスタＴｒ２に移動する。これにより、トランジスタＴｒ１の温度は低下する。すなわち、この場合トランジスタＴｒ２は冷却装置として機能する。
【０１６６】
本実施の形態の冷却装置によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率な冷却装置を実現することが可能となる。
【０１６７】
（第１０の実施の形態）
本実施の形態の受光装置は、フォノン誘導放出装置を備える受光装置である。
【０１６８】
フォノン誘導放出装置の基本構造は、第１ないし第５の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
【０１６９】
図２６は、本実施の形態の受光装置の等価回路図である。図中、点線枠で囲んだ領域が、フォノン誘導放出装置に相当する。
【０１７０】
本実施の形態の受光装置は、フォノンの誘導放出装置としての機能を担うトランジスタＴｒと、受光素子としての機能を担うダイオードＰｎが、同じ素子領域内に配置され、音響的には結合している。
【０１７１】
トランジスタＴｒのゲート電極には直流バイアス電圧Ｖｇｓ、ドレイン領域に直流バイアス電圧Ｖｄｓを印加することにより、フォノンの誘導放出が発生し、この素子領域内部には音響定在波が励起される。
【０１７２】
図２７は、本実施の形態の受光装置の要部の断面図である。トランジスタＴｒのゲート電極１８は素子領域内に等間隔に配置され、電気的には共通に接続されている。この素子領域内部にはゲート電極１８のピッチと等しい波長λの音響定在波が励起される。この定在波に対して、各ゲート電極は同じ位相となる位置に配置される。
【０１７３】
トランジスタのドレイン領域２２の内部には、ドレイン領域２２とは異なる導電型の不純物領域４０が配置される。これによりドレイン領域２２と不純物領域４０間にＰＮ接合型のダイオードが形成されて、これを受光素子として用いる。
【０１７４】
受光素子の配置は、隣り合うゲート電極１８の中間位置とすることにより、素子領域内部に励起される音響定在波に対して、ダイオードにはトランジスタＴｒと逆位相の波が励起される。実際には、波長λの音響定在波にはより高い振動数のフォノンが重畳されているため、この高い振動数のフォノンが、受光の際に電子を励起する確率を増大させるように機能する。
【０１７５】
本実施の形態では、ｐｎ接合型ダイオードのｎ型電極が、電気的にトランジスタＴｒのドレイン領域２２と共通接続されている。ドレイン電圧Ｖｄｓの印加により、受光素子のｐｎ接合には逆方向バイアスが印加される。
【０１７６】
このときｐｎ接合に光エネルギーが供給されると、ｐｎ接合間の空乏層では価電子帯の電子が伝導帯に励起され、電子−正孔対が発生する。例えば、シリコンは間接遷移型半導体であるため、この際フォノンの生成・消滅を伴う。フォノンはボース粒子であるため、この遷移確率はフォノンの数に強く依存する。
【０１７７】
すなわちフォノン数をｎｑとすると遷移確率はｎｑ＋１に比例する。この式で１は自然放出の確率に相当する。また遷移確率が高いほど、シリコンの光吸収率は高くなる。
【０１７８】
本実施の形態では、フォノン誘導放出装置から発生する大量のフォノンが、受光素子であるｐｎ接合ダイオードに供給されるため、光の吸収率が大幅に増大する。例えばフォノン数ｎｑが５０００倍になれば、光吸収率も５０００倍となり、直接遷移型半導体結晶であるＧａＡｓやＩｎＰを受光素子に用いた場合にも匹敵する光吸収率が得られる。
【０１７９】
本実施の形態の受光装置によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率な受光装置を実現することが可能となる。
【０１８０】
（第１１の実施の形態）
本実施の形態の発光装置は、フォノン誘導放出装置を備える発光装置である。
【０１８１】
フォノン誘導放出装置の基本構造は、第１ないし第５の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
【０１８２】
図２８は、本実施の形態の発光装置の等価回路図である。図中、点線枠で囲んだ領域が、フォノン誘導放出装置に相当する。
【０１８３】
本実施の形態の発光装置は、フォノンの誘導放出装置としての機能を担うトランジスタＴｒと、受光素子としての機能を担うダイオードＰｎが、同じ素子領域内に配置され、音響的に結合している。トランジスタＴｒのゲート電極に直流バイアス電圧Ｖｇｓ、ドレイン領域に直流バイアス電圧Ｖｄｓを印加することにより、フォノンの誘導放出が発生し、この素子領域内部には音響定在波が励起される。
【０１８４】
図２９は、本実施の形態の発光装置の要部の断面図である。本実施の形態による発光装置は、図２７に示した受光装置の断面図と類似の構造を有する。
【０１８５】
トランジスタＴｒのゲート電極１８は、素子領域内に等間隔に配置され、電気的には共通に接続されている。この素子領域内部にはゲート電極１８のピッチと等しい波長λの音響定在波が励起される。この定在波に対して、各ゲート電極は同じ位相となる位置に配置される。
【０１８６】
トランジスタのソース領域２０の内部には、異なる導電型の不純物領域４０が配置される。これによりソース領域２０と不純物領域４０間にｐｎ接合型のダイオードが形成されて、これを発光素子として用いる。発光素子の配置は、隣り合うゲート電極の中間位置とすることにより、素子領域内部に励起される音響定在波に対して、ダイオードにはトランジスタＴｒと逆位相で同じ振幅の波が励起される。実際には、波長λの音響定在波にはより高い振動数のフォノンが重畳されているため、この高い振動数のフォノンが、発光の際に電子と正孔が再結合する確率を増大させるように機能する。
【０１８７】
本実施の形態では、ｐｎ接合型ダイオードのｐ型電極には、直流バイアス電圧Ｖｐが印加されている。直流バイアス電圧Ｖｐの印加により、発光素子のｐｎ接合には順方向バイアスが印加される。
【０１８８】
このときｐｎ接合で生じる電子と正孔の再結合の際、電子が失うエネルギーに相当する振動数の光子が発生する。シリコンは間接遷移型半導体であるため、再結合の際フォノンの生成・消滅を伴う。フォノンはボース粒子であるため、この遷移確率はフォノンの数に強く依存する。
【０１８９】
すなわちフォノン数をｎｑとすると遷移確率はｎｑ＋１に比例する。この式で１は自然放出の確率に相当する。また遷移確率が高いほど、シリコンの光の発光効率は高くなる。本実施の形態では、フォノン誘導放出装置から発生する大量のフォノンが、発光素子であるｐｎ接合ダイオードに供給されるため、発光効率が大幅に増大する。
【０１９０】
例えばフォノン数ｎｑが５０００倍になれば、発光効率も５０００倍となり、直接遷移型半導体結晶であるＧａＡｓやＩｎＰを受光素子に用いた場合にも匹敵する発光効率が得られる。
【０１９１】
本実施の形態の発光装置によれば、一般的な半導体プロセスを用いて、簡易な構造で、高効率な発光装置を実現することが可能となる。
【０１９２】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。上記、実施の形態はあくまで、例として挙げられているだけであり、本発明を限定するものではない。また、実施の形態の説明においては、フォノン誘導放出装置等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるフォノン誘導放出装置等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
【０１９３】
本発明は、電子をキャリアとするｎ型ＭＯＳトランジスタ（ｎ型ＭＩＳトランジスタ）、正孔をキャリアとするｐ型ＭＯＳトランジスタ（ｐ型ＭＩＳトランジスタ）のいずれの電界効果トランジスタにも適用可能である。
【０１９４】
さらに、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【０１９５】
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのフォノン誘導放出装置およびこれを備える発振器、周波数フィルタ、冷却装置、受光装置、発光装置が、本発明の範囲に包含される。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびその均等物の範囲によって定義されるものである。
【符号の説明】
【０１９６】
１０      半導体基板
１２      ウェル
１４      素子分離領域
１４ａ    第１の素子分離領域
１４ｂ    第２の素子分離領域
１６      素子領域
１８      ゲート電極
２０      ソース領域
２２      ドレイン領域
２４      空洞
【図１】
2014045031.tif 000019
【図２】
2014045031.tif 000020
【図３】
2014045031.tif 000021
【図４】
2014045031.tif 000022
【図５】
2014045031.tif 000023
【図６】
2014045031.tif 000024
【図８】
2014045031.tif 000025
【図９】
2014045031.tif 000026
【図１０】
2014045031.tif 000027
【図１１】
2014045031.tif 000028
【図１２】
2014045031.tif 000029
【図１３】
2014045031.tif 000030
【図１４】
2014045031.tif 000031
【図１６】
2014045031.tif 000032
【図１７】
2014045031.tif 000033
【図１９】
2014045031.tif 000034
【図２１】
2014045031.tif 000035
【図２２】
2014045031.tif 000036
【図２３】
2014045031.tif 000037
【図２４】
2014045031.tif 000038
【図２５】
2014045031.tif 000039
【図２６】
2014045031.tif 000040
【図２７】
2014045031.tif 000041
【図２８】
2014045031.tif 000042
【図２９】
2014045031.tif 000043
【図７】
2014045031.tif 000044
【図１５】
2014045031.tif 000045
【図１８】
2014045031.tif 000046
【図２０】
2014045031.tif 000047