(57)【要約】【課題】プラズマ波の強度が小さいこと。【解決手段】半導体基板３７と、複数の高Eg領域３５と低Eg領域３４よりなる半導体ナノワイヤと、絶縁膜３６と、ゲート電極３１と、ドレイン電極３３と、ソース電極３２を含み、半導体ナノワイヤに励起するプラズマ波の波長の周期の半分で高Eg領域を配置することでプラズマ波の強度が高Eg領域の個数倍およびゲート電極の本数倍される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に保持された半導体層と、前記半導体層の周囲を取り囲んだ絶縁膜と、前記絶縁膜の周囲を取り囲んだゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極を含み、前記半導体層は長軸方向に直角方向の断面において直交する幅がいずれもプラズマ波の波長以下であり、前記長軸方向に高Ｅｇ材料よりなる複数の高Eg領域と低Ｅｇ材料よりなる複数の低Eg領域で構成されてあり、前記高Ｅｇ領域と低Ｅｇ領域よりなる接合部はゲート電極下部に位置しており、前記高Eg領域の間隔がプラズマ波の波長の周期の半分であることを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２】
高Ｅｇ領域がソース電極側から周期的に複数配置されており、プラズマ波の強度が高Eg領域の個数倍されることを特徴とする請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
ソース電極側に高Ｅｇ領域よりなる共鳴トンネル構造を有することを特徴とする請求項１から２記載の電磁波発生装置。
【請求項４】
高Eg領域の幅は1nm以上5nm以下であることを特徴とする請求項１から３記載の電磁波発生装置。
【請求項５】
アンドープの低Eg材料の半導体層の周囲を同心円状に3×1012cm-2以上1013cm-2以下にドーピングしたδドープ領域を含む高Eg材料の半導体層で取り囲んでいることを特徴とする請求項１から４記載の電磁波発生装置。
【請求項６】
半導体基板と、断面の直交する幅がいずれもプラズマ波の波長以下の半導体層と、半導体層の周囲を取り囲んだ絶縁膜と、ゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極を含み、前記半導体層は長軸方向に高濃度にドーピングされた高濃度領域とドーピングされてない低濃度領域より構成されてあり、前記高濃度領域と低濃度領域よりなる接合部はゲート電極下部に位置しており、高濃度領域がソース電極側から周期的に配置されており、前記高濃度領域の周期がプラズマ波の波長の周期の半分であることを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項７】
高濃度領域が複数配置されており、前記高濃度領域が3×1012cm-2以上1013cm-2以下にδドーピングされており、プラズマ波の強度が前記高濃度領域の個数倍されていることを特徴とする請求項６記載の電磁波発生装置。
【請求項８】
高濃度領域の幅は1nm以上5nm以下であることを特徴とする請求項６および７記載の電磁波発生装置。
【請求項９】
断面の直交する幅がいずれもプラズマ波の波長以下の半導体層が直径が1nm以上で20nm以下の半導体ナノワイヤからなることを特徴とする請求項１から８に記載の電磁波発生装置。
【請求項１０】
高Ｅｇ材料がSiあるいはSi(1-x)Ge(x)であり、低Ｅｇ材料がGeであり、半導体層の直交する幅が20nm以下の場合には、x(%) = d(nm)×4+20±10とすることを特徴とする請求項１から５記載の電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１ＴＨｚ程度の高周波領域で動作する半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体素子は、主に素子構造を微細化することによりその動作速度を向上してきた。たとえば高電子移動度トランジスタ（HEMT)は２次元的に分布した２次元電子ガスを利用して不純物散乱を効果的に抑制しているが、数百ＧＨｚまでの高速動作が報告されている素子のゲート電極の形成には少なくとも３０ｎｍ以下の超微細加工技術が要求される。これは信号伝達に電荷（電子）移動を利用しており、その移動速度は材料の電子飽和速度で制限される為、チャネル走行時間に起因する遅延を免れることができないためである。
【０００３】
この課題に対する従来技術として信号伝達に直接電荷移動を伴わない半導体素子がいくつか提案されている。一つはM. Shurらが提案したＦＥＴチャネル内の高濃度電子流体のプラズマ振動を利用する素子である(非特許文献１および２参照)。このプラズマ振動の振動周波数に対応した電子の粗密波を以降はプラズマ波と呼び、チャネルにプラズマ波が形成される素子をプラズマ波素子と定義する。図８は、非特許文献１に示されるプラズマ波素子の構造である。高電子移動度電界効果トランジスタ（HＦＥＴ、ＨＥＭＴ）と同様な構造を有しており、二次元電子ガス５４にプラズマ波が形成されるとしている。非特許文献２では、図８の二次元電子ガス54に１ＴＨｚ程度で振動するプラズマ波が形成されて、微弱な（数ｎＷ程度）電磁波が放射されることを観測している。
【０００４】
また井出下は図９に示される正孔と電子、あるいは重い電子と軽い電子からなる重い流体と軽い流体の二流体が共存する系で起こる二流体不安定性現象を利用した電磁波増幅素子を提案している（特許文献１参照）。櫛型電極構造の遅波回路６１を用いることで、入力部６５に導入したテラヘルツ波が増幅されて出力部６６より取り出されるとしている。
【０００５】
一方、本発明では図１(a)に示したようにナノワイヤ構造を用いているので、ナノワイヤ中のプラズモンを用いるデバイスの一般的技術水準を示す。プラズモンを用いた光変調器においてナノワイヤを使用する構造（図１０）が提案されている（特許文献２参照）。この従来技術は、テラヘルツ波を発生するという目的は有していない。
【０００６】
さらに、本発明では複数の周期的に高いバンドギャップ（Ｅｇ）領域を有するナノワイヤを設けているので、ナノワイヤのヘテロ構造の一般的技術水準を示す。これらの従来技術はプラズマ波を発生するという目的は有していない。周期的高Ｅｇ領域を有するナノワイヤとして、図１１(a)に示したようにJoan M. Redwingらにより、SiとSi1-xGex （ 0.12 < x < 0.25)を交互に配置したナノワイヤ構造(非特許文献３参照)が報告されている。また、図１１（ｂ）に示したようにL.J. LauhonらによりSiナノワイヤの周囲を同心円状にGe層で囲んだFET構造（非特許文献４参照）が報告されている。
【特許文献１】特開平８−１３９３０６号公報
【特許文献２】特開２００３−６６３８６号公報
【非特許文献１】Phys. Rev. Lett. 71(1993)2465
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett. 84(2004)2331
【非特許文献３】Proc. SPIE 5361(2004)52
【非特許文献４】Nature 420(2002)57
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１および２において、理論検討では高周波での動作が可能とされているものの、実際には電磁波が極めて微弱であったり、動作範囲が限定されたりしている。特に、非特許文献２による構造では、外部から光などの照射を行わなくでも高周波での電磁波発生が観測された初めてのケースではあるが、出力は数ｎＷと極めて小さくなっており、実用化を阻む要因の一つとして考えられる。また、特許文献１では図９に示したように、発振器ではなく増幅器であり、構造が極めて複雑で、かつ外部から増幅するための電磁波を導入する必要があるといった問題があり、実用性に乏しかった。
【０００８】
この、出力が極めて小さくなってしまう原因は、ゲート電極の両端にプラズマ波の自由端と固定端を形成していたことによる。そこで、この課題を解決するために、ゲート電極の両端を用いないで、プラズマ波の自由端と固定端を形成する方法を考案した。詳しく説明するために、以下に上記課題により派生する問題点を示す。
【０００９】
第１の問題点は、ゲート電極の長さを、プラズマ波の周期の1/4にすることにあった。その結果、ゲートの長さ（FETのゲート長に相当）は60nmと短くなり、ゲート電極で形成される容量が減少するので、プラズマ波のエネルギーが低下して、電磁波の強度が減少していた。
【００１０】
第２の問題点は、ゲート電極の長さが60nmと短いため、ゲート幅が100μmの電極を幅方向にゲート長のばらつき無く形成することは極めて困難なことであった。そのためプラズマ波の周波数がばらついて、目的とした周波数の電磁波の強度が低下していた。そこで、電極の長さ以外の方法でプラズマ波の周波数を制御する方法が必要であった。
【００１１】
さらに、第３の問題点として、非特許文献２の構造の電磁波発生素子を動作させる場合には、ゲート電極５１とソース電極５２を短絡して、プラズマ波の節の部分を作る必要があった。その結果、ゲート電極のソース側には、電圧が十分印加されないため、電磁波の強度が低下するという問題があった。さらに、プラズマ波の速度が印加電圧の関数となっているために、短絡によってゲート電極下部のチャネルに印加されている電圧がばらつくため、プラズマ波の波面が乱れ、特にゲート幅が広い場合には、プラズマ波の周波数がばらついて、特定の周波数の電磁波の強度が低下していた。
【００１２】
付随した課題としては、従来の文献では、デバイス基板や結晶体の構成要素に砒素を含む化合物半導体を用いているために、環境に影響を及ぼしてしまうという問題があった。
【００１３】
以降は、本発明と従来技術の一般的技術水準の差異を簡単に説明する。
【００１４】
特許文献２は、図１０に示したように高速スイッチングをするための光導波路を提供するものである。光導波部分が負誘電体媒質１０１と正誘電体媒質１０２よりなっているので、この光導波部分に光を導波させると、内部に表面プラズモンが形成される。この、表面プラズモンをキャリアとして、外部から高速変調信号を電極１０４に印加すると光導波部分に入射した光波を高速変調できるというものである。本発明は、外部から電磁波や光を照射しないタイプの電磁波発生素子を作製することを目的としているので、このような表面プラズモンを用いた方法とは異なる方式である。
【００１５】
非特許文献３に示した構造は、図１１(a)に示したように周期的にエネルギーバンドギャップEgの異なる半導体であるSi層１１４とSiGe層１１を交互に成長したナノワイヤであり、Siナノワイヤ中にGe濃度の高い領域１１５が形成されている。また、非特許文献４に示した構造は、図１１(ｂ)に示したようにSi１１４の周囲に同心円状にアンドープのｉ−Ge層１１７、絶縁膜１１８、ｐ型にドーピングしたp−Ge層１１９を形成したもので、ナノワイヤの場合Si層１１４にGe層１１７をエピタキシャルに成長している。また、絶縁層上にもGe層１１９を成長している。しかしながら、これらはナノワイヤを用いたMOSFETを作製するための基礎的なプロセス技術を提供するだけで、ナノワイヤから電磁波を発生するデバイスへの使用を目的としていない。従って、MOSFET特性も十分に評価されておらず、プラズマ波の発生はまったく考慮されていないので、単にSiやGeおよびこれらのヘテロ構造をナノワイヤに導入した場合の基礎的検討結果を示しているに過ぎない。
【００１６】
以下に、非特許文献３および非特許文献４で作製したデバイスで、プラズマ波による電磁波が検出されていない理由を説明する。
【００１７】
第１の理由としては、Si層とSiGe層の周期及び間隔が、プラズマ波の発生に適していないことがあげられる。本発明において、チャネル内でのプラズマ波の屈折率の検討を行った結果、屈折率が３００程度ときわめて大きくなることを明らかにすることができた。非特許文献３では、Si層１１４とSiGe層１１５よりなる１周期が2.5μm程度となっていることから、１周期の構造中に3波長程度のプラズマ波が励起されていると考えられ、本発明で示した半波長の6倍と極端に長くなっている。
【００１８】
第２の理由としては、Egが大きいSi層１１４の幅が1.5μm程度と長いことから、電子を次段のSiGe層１１５に注入するには大きなバリアを超える必要があるという問題がある。このようなナノワイヤ構造の中にはプラズマ波は形成されないと考えられる。
【００１９】
第３の理由としては、非特許文献３ではSiGe層１１５であっても、Si濃度が70%以上と高くなっていて、有効質量が大きなSiを基材として用いているので、プラズマ波が形成されにくくなっている。また、非特許文献４では、図１１(b)に示したように中心部にSiナノワイヤ１１４が形成されており、直径を小さくして電子の分布を反転させて、ナノワイヤの中心の電子密度を大きくした場合は、非特許文献３の場合と同様に電子速度が小さいSi中に電子が集中することになり、プラズマ波が形成されないと考えられる。このように、Siを基材として使用した場合、電子の速度が小さいためにプラズマ波の強度が小さいくなったと思われる。
【００２０】
このように、プラズマ波の発生を目的とした高Eg領域の周期や幅および低Eg領域の組成が望ましい値をとっていないことから、プラズマ波の発生が考慮されていないことは明らかである。
【００２１】
そこで、本発明ではナノワイヤ中に高Eg領域をプラズマ波の波長Λの半周期Λ/2で配置するとともに、高Eg領域の長さ（ゲート長Ｌ）を1nm以上で5nm以下とし、有効質量の小さなGeを低Eg領域とするナノワイヤを配置することで、ソース電極とゲート電極を短絡しなくても良いことを明らかにして、電磁波の強度を増大できることを示した。さらに、予期しない効果として高Eg領域の数とナノワイヤの数に比例して電磁波の増大が可能であることを明らかにした。
【００２２】
本発明は前記従来技術の課題に鑑みて、安定に結合したプラズマ振動を利用し、新規の動作原理に基づく半導体素子を高い歩留まりで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電磁波発生装置は、図１に示したようなナノワイヤで構成し、各ナノワイヤにはEgの高い領域（高Eg領域）３５を複数個設置しており、高Eg領域はプラズマ波の半周期の長さに配置した。図２（ｂ）に示したようにナノワイヤに導入された電子は、高Eg領域３５を反射点３９として反射点３９間で振動するので、図２（ｃ）に示したようにプラズマ波は高Eg領域に節を持つような振動を生ずることになり、プラズマ波の波長Λは高Eg領域の周期の2倍となる。その結果、ソース電極とゲート電極を短絡する必要がなくなり、プラズマ波の強度が増大することがわかった。
【００２４】
ここで、低Eg領域３４をGeナノワイヤとし、高Eg領域３５をSiGeあるいはSiとし、高Eg領域３５の幅はバンド障壁の効果が現れるとともに電子がトンネル伝導できるような厚みである1nm以上で5nm以下としているので、電子が注入されつつ反射されて、高Eg領域間でプラズマ振動を得ることが可能となる。ナノワイヤをVLS成長により形成することで、極めて制御性良く高Eg領域の位置をコントロールすることができるため、非特許文献２で行われているような電極の長さ（ゲート長）でプラズマ波の波長をコントロールする場合に対して、本発明の場合は極めて高い制御性が得られることがわかった。
【００２５】
また、ナノワイヤの直径をプラズマ波の半波長以下にすることで、マルチモード化や波面の乱れを防ぐとともに、望ましくは20nm以下とすることにより、電子の分布が反転し、ナノワイヤ中央部では電子密度が急激に増加するので、プラズマ波強度が増大することがわかった。
【００２６】
さらに予期しなかった効果として、プラズマ波の強度を高Eg領域の数だけ積分することが可能となり、極めて高い強度のプラズマ波が得られることがわかった。すなわち、非特許文献２ではゲート長が60nmの１本のゲート電極しか使用していない。その結果、ゲート長に対応して極めて微弱なプラズマ波しか放射されていなかった。本発明では、図６に示したようにゲート電極内部に高Eg領域３５を用いることでプラズマ波の節を複数形成できることから、プラズマ波の波長に関わらずゲート電極を長くすることが可能となる。その結果、プラズマ波の強度を高Eg領域の数だけ積分できた。
【００２７】
以上に述べた課題とその解決方法をまとめて示す。Geナノワイヤの内部に高Eg領域を形成することにより、次のような問題点が解決された。まず、ナノワイヤの直径を小さくすることにより電子密度が増大してプラズマ波強度が増大するだけでなく、高Eg材料を周期的に配置することで節の数だけプラズマ波強度が積算される予期しなかった効果により、低出力という第１の問題点が解決された。結晶成長を用いて高Eg領域と低Eg領域を作製しているので長さの精密なコントロールが可能となっており、電極の長さの精度が重要でなくなるとともに、長いゲート電極で良いことになりプロセスが簡便となって、第２の問題点が解決された。電極端で反射点を形成しないで高Eg領域で反射点を作製しているので、ゲート電極とソース電極を短絡する必要が無くなり、十分高い電圧をゲート電極に印加できるようになって、プラズマ波の強度が増大し、第３の問題点が解決された。環境に影響の無いGeナノワイヤとすることにより砒素フリーとなるとともに、化合物半導体並みの電子の移動度が得られるため、付随した問題点も解決されている。
【００２８】
電子の反転分布を用いた電子密度の増加と波面の安定化を目的に、プラズマ波デバイスにヘテロ構造を有するナノワイヤ構造を適応した。その結果、ナノワイヤ中に複数の周期的な高Eg領域を形成することで、プラズマ波強度が増加し、電極プロセスも簡便になった。
【発明の効果】
【００２９】
前述のように本発明は、ナノワイヤを用いた電磁波発生装置において、ゲート電極下部のナノワイヤ中に周期的な高Eg領域を形成することで、予期しない効果として高Eg領域の数だけプラズマ波の強度増加する電磁波発生素子を提供する。また、ナノワイヤの直径を小さくすることにより、ナノワイヤ中の電子分布が反転して電子密度が向上してプラズマ波強度が増大するので、極めて高出力の電磁波発生素子を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（実施の形態１）  ＜MOS構造＞
図１は、本発明の実施の形態１における電磁波発生素子の概略図である。図１以降においても、同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００３２】
図１(a)のＡ−Ａ‘断面に示したように、基板３７上に絶縁層３８を挟んで半導体ナノワイヤ４７が配置されている。ここでは半導体ナノワイヤ４７の作製において低Eg領域３４にＧｅ（Eg=0.66eV)を用い、高Eg領域３５にSi（Eg=1.12eV)を用いているために、いわゆるSiとGeのヘテロ接合構造となっている。ここで、ナノワイヤの径が細くなるに従って、電子の閉じ込めがきつくなるので、高Eg領域にはSiGe化合物を用いた。高Eg領域のバンドギャップが大きすぎるとクーロンブロッケードが生じてしまう。そこで、ナノワイヤの直径ｄが20nm以下の場合には、Si(1-x)Ge(x)化合物のGeの組成（ｘ）を次のように変化させた。
【００３３】
x(%) = d(nm)×4+20±10  （ただしｘは100％以上とならない）
この低Eg領域３４および高Eg領域３５よりなる半導体ナノワイヤ４７をSiO2よりなる絶縁膜３６で同心円状に囲み、その周りをポリSiやTiなどのゲート電極３１でさらに同心円状に覆った、ナノワイヤ多層膜体となっている。このナノワイヤ多層膜体を、表面に絶縁膜３８を堆積した基板３７上に設置し、半導体ナノワイヤ４７の両端を露出させた後、両側にソース電極３２とドレイン電極３３を蒸着している。最後にナノワイヤのゲート電極３１と導通をとるためのゲート配線電極３０を蒸着して、電磁波発生素子を得ている。
【００３４】
図３を用いて、この電磁波発生素子の作製方法を説明する。半導体ナノワイヤは、VLS（気相−液相−個相）成長法により成長した。直径が10nm程度の金ドット９３をSiO2などの絶縁膜４２を堆積したSi基板４１上に、107cm-2程度の密度に分散させておき、気相成長法（CVD法）で、半導体ナノワイヤを作製する。水素ガスをベースとして、原料としては2％のシランガスおよび2％のゲルマンガスを用いる。ドーピングガスとしては、ｎ型とするために、100ppm水素希釈のホスフィンガスを用いた。アルシンを用いて砒素をドーピングガスとしても良い。ドーパントして砒素を添加した場合には、構成元素として使用する場合と異なり、自然界に存在する程度の砒素濃度以下であるため、環境への影響は無視してよいほど小さい。
【００３５】
基板を300〜500℃に加熱して、5Torrの減圧状態においてシランガスを供給し、金ドット９３を触媒としてSiナノワイヤを成長させた。ナノワイヤの直径は触媒として分散させた金ドットの直径とほぼ同じになる。ナノワイヤの成長速度は2から10nm/sであった。高Eg領域３５としてSiナノワイヤを1μm程度成長した後、低Eg領域３４としてGeナノワイヤを続けて0.4μm、高Eg領域としてSiナノワイヤを2nm、低Eg領域としてGeナノワイヤを0.4μm成長して、半導体ナノワイヤを得た（図３ａ）。次に、この半導体ナノワイヤを別のＣＶＤ装置内部で、シランガスと亜酸化窒素を原料として、３５０℃程度でSiO2膜を10nm堆積した。さらに、電子ビーム蒸着法により、チタンを100nm、金を500nm蒸着して、半導体ナノワイヤの外周部に同心円状に絶縁膜３６およびゲート電極３１よりなるナノワイヤ多層膜体を得た。絶縁膜３８を堆積した基板３７上に、このナノワイヤ多層膜体を配置した（図３ｂ）。図３ｂの右側から見た図を図３ｆに示した。次に、半導体ナノワイヤと導通を取ることを目的として、縮小露光法によりレジストを用いてナノワイヤ多層膜帯の中心部を保護してヨウ素系エッチング液で５分間程度で金をエッチング除去した後、フッ酸を用いてチタンとSiO2をエッチング除去して半導体ナノワイヤの両端部を露出させた（図３ｃ）。レジストを除去した後、再度レジストを塗布して、縮小露光法により半導体ナノワイヤの両端部のレジストを除去して、露出された半導体ナノワイヤの領域に銅、チタン、金よりなる多層膜をEB蒸着し、リフトオスによりソース電極３２とドレイン電極３３とゲート配線電極３０を形成して電磁波発生素子を得た（図３ｄ）。ここで、上方より見た構造を図３ｅに示した。
【００３６】
以下に、本実施の形態の電磁波発生装置を作製する上で注意すべき事項を説明する。半導体ナノワイヤ３４は直径が20nm以下の構造となっている。ナノワイヤ中に形成されるプラズマ波の波長が800nmであるため、単一横モード条件は十分満足している。ナノワイヤを細くしてゆくにつれて、伝導している電子が表面散乱の影響を強く受けるようになり、電子電子散乱以外の散乱が顕著になってくる。そこで、ナノワイヤの直径は1nm以上にする必要がある。ナノワイヤ３４の周囲はSiO2などによる絶縁膜３６で覆って特に影響を受けやすいGeを周囲の湿度などによる影響から保護した。本実施の形態においては、半導体層にＧｅを用いているが、これはＳｉを用いた場合には有効質量が大きいために、プラズマ波の発生が不安定となるとともに、出力も小さくなるためである。従って、Ｓｉでは本実施の形態に示したような特性の向上は認められない。Ｓｉより有効質量の小さいＧｅを用いることで初めて砒素を含まないＩＶ族系元素を用いたプラズマ波素子を実現できることがわかった。
【００３７】
＜プラズマ波の出力のナノワイヤ本数依存性＞
ナノワイヤ多層膜体は、複数形成してよく、ワイヤの本数を多くするに従って電磁波の出力が増加する。ナノワイヤ多層膜体の本数は、３本以上にすることで、ナノワイヤ間の共鳴によりＱ値が向上する。図１４の表中の本願2に示したように、ナノワイヤの直径Wを4.6nm程度とした場合には、1μmの周期でナノワイヤを6本配置し、トータルのゲート幅Ｗtotalを6μmとした。本実施の形態では、ナノワイヤの直径を4.6nmとしたが、この場合は出力を化合物半導体の場合と同様の2mW程度とするにはナノワイヤの本数nnは6本程度必要であった。従って、ナノワイヤ本数を６本以上とすることにより、従来技術に対して大きな強度の電磁波を発生することができることがわかった。
【００３８】
＜プラズマ波出力のナノワイヤの直径依存性＞
図１３（ａ）〜（ｃ）にナノワイヤ中での電子の分布を、図３（ｄ）に（ａ）〜（ｃ）のナノワイヤ構造のそれぞれの場所における電子密度の関係を示す。図３（ａ）に示したように、ナノワイヤの直径が20nm以上の場合（RＬ）には、チャネル４８がナノワイヤ４７のゲート電極３１側の側壁に形成される。一方、図１３（ｂ）に示したように、ナノワイヤの直径を20nm以下（RＳ）とすることにより、チャネル４８は側壁を離れ、電子密度が最大となる部分はナノワイヤ４７の中心部分となる。その結果、電子密度は（ａ）の場合に比べて、２０％程度大きな値となる。さらに、図３（ｃ）に示したように、ナノワイヤの直径を3nm以下にすることにより、図１３ｄに（ｃ）で示したように電子のとじこめを強くして電子密度を（ａ）の場合に比べて２倍程度に電子密度を増加することができることがわかった。このように、ナノワイヤの直径を狭くすることにより、電子密度を増大することができ、電磁波の出力を電子密度に比例して増加させることができる。
【００３９】
ここで、電子密度を上げるためにナノワイヤの直径を20nm以下としたが、この場合には出力を化合物半導体と同程度にするにはナノワイヤが6本程度必要であった。ここで、ナノワイヤの直径を大きくして、本数を1本程度とした場合には、電磁波の出力が増大するが、一方でナノワイヤ内部での電子密度の均一性が低下するなどしてＱ値が低下する。また、ナノワイヤを1nm程度に細くして本数を30本以上に増やすにつれてナノワイヤの直径のばらつきによる位相のずれが顕著となる。従って、ナノワイヤは1本から100本程度が適当であった。
【００４０】
ところで、ドライエッチングなどによるトップダウンでナノワイヤ構造を作製する場合と異なり、ナノワイヤの場合はナノワイヤを１本づつ整列させる必要がある。同程度の高周波特性を得るためには、同程度の直径のナノワイヤが必要となるとともに、高Eg領域の周期も同程度とする必要がある。従って、ナノワイヤを用いてプラズマ波素子を作製する場合には、ナノワイヤの本数をむやみに増やすことができないため、１本のナノワイヤでも良好な特性が得られるように動作電圧などのナノワイヤの本数以外の条件を検討する必要があった。図１４の本願１に示したように、ナノワイヤの本数ｎｎを１とした場合には、ゲートに印加する電圧を0.5Ｖにした場合にはプラズマ波の出力が0.3mWと小さくなるという問題があった。そこで、ゲート電圧を上昇させることで2mW程度のプラズマ波の出力が得られないかを検討した。その結果、ゲート電圧を3.8Vとすれば2mWが得られることがわかった。本実施の形態の場合、高Eg領域で反射点を形成しているために、ゲート電極とソース電極を短絡する必要が無いために、ゲート電極には20V程度までは印加できる。このように、ナノワイヤを用いて反射点を形成することにより、プラズマ波の増大が容易に実現できることがわかった。
【００４１】
図１５に、ナノワイヤの本数ｎｎ、ゲート電圧Vgを変化させた時にプラズマなの周波数fpがどのように変化するかを示した。ここでは、プラズマ波の出力が2mWと一定となるように、高Eg領域の周期Leffを変化させてその時のプラズマ波周波数をシミュレーションしたものである。ここで、ゲート電極の長さLzは0.5mmと一定としているので、周期Leffが大きくなると形成できる高Eg領域の数ngが減少している。本願１の関係を白丸で示したように、ナノワイヤの本数ｎｎを１とした場合には、高Eg領域の周期Leffを0.4μmとした場合、2mWのプラズマ波出力を得るには3.8Vのゲート電圧が必要であった。このときのプラズマ波の周波数ｆｐは2THzとなった。図１５に白丸で示したように、ゲート電圧を15Vとした場合にはプラズマ波周波数fpは１THｚ程度まで低下できた。また、ゲート電圧を１Vとするとプラズマ波周波数fpは4THｚ程度となった。このように、ナノワイヤを用いたプラズマ波素子では、2THz〜4THz程度は容易に発振させることができるが、2THz以下の発振周波数を得るには多少困難が生じた。従来のFETやHBTなどのデバイスでは動作周波数が高くなるにつれて出力が減少するという問題があったが、プラズマ波素子の場合には周波数を高くするに従って出力が増大した。このことからもプラズマ波素子がTHｚ帯の発振素子として極めて有望であることがわかる。
【００４２】
図１５に、ナノワイヤの本数ｎｎを変化させた場合の結果を黒丸で同様に示す。この場合は、図１４の本願２に示したように、ゲート電圧は0.5Vと一定として、ナノワイヤの本数を１本から６本まで変化させた。本願１と同様に、プラズマ波の出力が2mWとなるように高Eg領域の周期Leffを変化させてその時のプラズマ波周波数をシミュレーションした。その結果、ナノワイヤの本数が１本の場合にはプラズマ波周波数が6THz程度となった。従って、プラズマ波周波数が6THz以上であれば、ナノワイヤが１本でも0.5Vのゲート電圧で2mW程度が得られた。ナノワイヤの本数依存性もゲート電圧依存性と同様にプラズマ波の周波数を低下させるにはナノワイヤの本数を増加する必要があった。ナノワイヤを3本とすることで2THzが得られるが、1THzとするには６本並列に並べる必要があった。ナノワイヤを並べるにはある程度困難なプロセス上の課題を解決する必要があるが、必要となるゲート電圧が急上昇しているのに比べてナノワイヤの本数は現実的レベルにとどまっており、ナノワイヤの本数を変化させるということは、より制御性の良い方法と考えられる。
【００４３】
＜プラズマ波の出力の高Eg領域の周期依存性＞
図１５では、プラズマ波の出力を一定とするために高Eg領域の周期を変化させた。図１４の本願２の条件を用いて説明する。図２に示したように、高Eg領域は0.6μm程度のプラズマ波の周期Λの半分の長さΛ/2=Leffである0.3μmで配置した。プラズマ波の利得の範囲内では、高Eg領域の周期Λ/2を変化させることにより、周期と一致するようにプラズマ波の波長が変化する。従って、電極の周期を調整することでプラズモンの周波数や強度を変化させることができる。また、高Eg領域の幅はトンネル電流が流れるように3nmとした。その結果、各高Eg領域を節としたプラズマ波が形成されて、プラズマ波の強度が高Eg領域の数ｎｇに比例して増大することが明らかとなった。
【００４４】
図２を用いて、本発明と従来の発振素子の違いを詳しく説明する。図８のような非特許文献１で示されている発振素子の構造の場合、ゲート電極５１は１本であり、ゲート電極５１下部には複数の次数のプラズマ波が生成されている。この場合のプラズマ波の出力はつぎのようになる。
【００４５】
Ｐ＝ＣＵ０２Ｗν０α2                     （１）
ここで、Ｃはゲート電極下部の容量、Ｕ０はゲート電極下部においてチャネルに印加される電圧のＤＣ成分、Ｗはナノワイヤの直径、ν０は電子の速度、αはゲート電極に印加される電圧を
Ｕ＝Ｕ０+Ｕ1exp(-iωt)
として示したときの変調度α＝Ｕ１／Ｕ０  （＝ＡＣ成分/ＤＣ成分）で定義される。
【００４６】
ところで、式（１）の場合は、出力Ｐがゲート長Ｌ依存性を示さないことがわかる。しかしながら、本実施の形態では、この出力Ｐの式をゲート長Ｌの関数として次のように記述することで、出力がゲート長依存性を持つような記載が可能であることを明らかとすることができた。すなわち、
Ｐ＝（ＣＵ０２ＷＬ）・（ν０/Ｌ）・α2 ＝ Ｅ・ｎｍ・α2                    （２）
ここで、（２）式の右辺の積の第１項はゲート電極下部に蓄えられるエネルギーE = ＣＵ０２ＷＬとなり、第２項は高Eg領域間で行き来する電子の往復回数はｎｍ=ν０/ Leffとなる。高Eg領域をもうけても電極の長さＬは一定なので、電極に蓄えられるエネルギーＥは一定となる。一方、高Eg領域の個数ｎｇを増加させることにより、一個あたりの高Eg領域間の周期はLeff＝Ｌ/ｎｇとなり、電子の往復現象がずべての高Eg領域で独立して同時に生じているために、電子の往復回数はｎ'ｍ=ｎｇ・ν０/Ｌとなる。その結果、
Ｐ'＝Ｅ・ｎ'ｍ・α2＝ｎｇ・Ｐ
となり、電磁波の出力はｎｇ倍となることがわかった。ここで、各高Eg領域間で電子が正確に往復するためには各高Eg領域で、電子が反射されて節となっている必要がある。そこで、高Eg領域はプラズマ波の波長Λの半分の間隔で配置した。図６に示すように、高Eg領域３５を周期的に複数個配置することにより、各高Eg領域で独立して電子の往復運動が生じて、プラズマ波が生成されるために、プラズマ波の強度Ｐ’を高Eg領域の個数分であるｎｇ倍とすることができるのである。
【００４７】
プラズマ波の屈折率を評価した結果、半導体層における電子濃度ｎｓが１０１2cm-2の場合には、屈折率neffが290程度となることを明らかにした。これは、半導体中の光の屈折率が３程度であることからすれば、100倍程度の極めて大きな値となっている。この知見が、プラズマ波素子のナノワイヤ構造を光学系の導波路としてとらえるという展開に結びついて、本願の基本的な考え方のベースができあがった。電子濃度ｎｓはGeナノワイヤを用いているために通常の３倍程度の３×１０１2cm-2となっている。この電子濃度を４×１０１2cm-2と増大させた場合には、屈折率の電子濃度依存性はΔneff/Δｎｓ=−６×１０-１2となるため、neffは284へと減少する。このように屈折率と電子濃度の関係が明らかとなったことから、半導体層中のプラズマ波の周波数を１THｚ以上にする場合には、プラズマ波の周期Λが0.6μｍとなり、高Eg領域の周期はΛ/2である300nm程度でよいことがわかった。従来最高速度を実現しているＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ ＨＥＭＴなどの場合であっても、ゲート長が300nmもあれば、ｆｔやｆｍａｘは３００ＧＨｚ程度と低くなってしまう。本実施の形態のプラズマ波発生素子では、ゲート長が300nmであっても１ＴＨｚ以上の電磁波を発生できるため、簡便なプロセスで超高周波を発生できるというメリットがある。
【００４８】
図１４に、本実施の形態の電磁波発生素子と非特許文献１および２で示された素子との性能比較を行った結果を示す。有効質量ｍ*はＧｅを用いた場合、非特許文献１で使用しているＩｎＧａＡｓに比べて２０％程度大きくなってしまう。しかしながら、非特許文献１および２はいずれも砒素（Ａｓ）を使用していることから、砒素フリーにする場合には、有効質量がわずかに大きいがＧｅの使用が望まれる。非特許文献２の場合には、実効ゲート長Ｌｅｆｆが0.1μｍ以下となっており、バンドギャップが小さく、直接遷移であるためアバランシェ降伏が発生して電圧Ｕ０を0.08Ｖ程度しか印加できない。ここで、実効ゲート長というのは、ゲート電極の長さＬに対して、周囲に形成される空乏層の厚みδを含めてＬｅｆｆ=L+2δとしたものである。そのため、有効質量が0.042と極めて小さいにもかかわらず電磁波の出力は非特許文献１より小さくなっている。ここで、非特許文献１と非特許文献２において電磁波出力Pはそれぞれ2mWおよび0.5mWとなっているが、これらはいずれも理想的に得られる最高の出力である。実際にはこの10-6倍の出力しかえられていない。
【００４９】
一方、Ｇｅの場合は間接遷移であるため、0.5Ｖ程度電圧を印加しても動作が不安定となることは無い。その結果、非特許文献１と本実施の形態とはほぼ同じ電子のドリフト速度ｖ０の最大値となっている。ゲート幅Ｗは、従来は通常のＨＥＭＴ素子をベースとしているために100μｍ程度であるが、本実施の形態の場合には4.6nmとナノワイヤ化している。図１４の本願１にＷ＝4.6nmの場合の結果を示す。変調度αはいずれも0.5程度である。シートキャリア密度nsは、4.6nm程度のナノワイヤの場合、シートキャリア濃度の3倍程度に増大して3×1012cm-2程度となる。高Eg領域の周期Ｌｅｆｆは、成長速度を考慮して400nmとした。ゲート電極の長さLzは500μmとした。その結果、高Eg領域の個数ngは１本のナノワイヤあたり350個となる。また、ナノワイヤの本数ｎnは１本とした。その結果、本実施の形態（本願１）では非特許文献の出力Pの2mWと同程度の出力が得られた。また、共振器の性能を示すQ値は本実施の形態の場合は1.5となり、従来の1.2に比べて増加した。以上の結果より、ナノワイヤの本数を１本以上とすることにより、従来技術に対してプラズマ波強度が増加した。
【００５０】
＜ナノワイヤの直径を400nm以下とする理由＞
以上の説明では、半導体層をナノワイヤ構造とすることによるキャリア濃度の増大に関して説明を行った。この場合はナノワイヤの直径を20nm以下とすることで大きな効果を得たが、ナノワイヤの直径が400nm以下の場合でも従来技術のようなゲート幅が100μmである場合に対して高い優位性を持っている。400nm以下のナノワイヤ構造とすることによるメリットを以下に説明する。本実施の形態では、周期的に配置した高Eg領域を用いることで出力の向上を確認したが、ナノワイヤ構造を有していない非特許文献１および２にこの周期的電極構造を用いた場合には、図１２に示したように、プラズマ波の波面が大きく乱れることになる。以下、その理由について説明する。図１２(a)に示したように、ドレイン３３とソース３２に電界を印加して定常電流をえることにより、半導体層に印加されるゲート電圧U0は、ソース側３２で低く、ドレイン電極３３側に行くにつれて大きくなっている。その結果、プラズマ波の速度ｓは
s = (eU0/m)1/2                                        (3)
で示されるように、U0と同様な傾向を示す。伝播しているプラズマ波の周波数ｆｐ（波長）は
fp = s / 4L                                        (4)
と表されるが、ナノワイヤ内ではｆｐは変化しないので、ｓが増加した分Lを大きくする必要がある。その結果、図１２（ｂ）に示したように、プラズマ波の波面（点線で表示）は矢印で波面の方向を示したようにドレイン電極３３にいくほど曲がることになる。プラズマ波は二次元電子ガス５４内を往復するため、二次元電子ガス内には複数の波面を持つプラズマ波が混在し、図１２（ｃ)に示したようにモードが干渉しあって非常にたくさんのモードが存在することになる。このように、複数のモードが同時に存在した場合には、共鳴現象が生じにくく、Q値が低下してプラズマ波が不安定になるという問題があった。しかしながら、図１２（ｄ）に示したように、ナノワイヤの直径を半波長である400nm程度に狭くしてナノワイヤ形状４７とすることにより、横方向のモードは１つしか存在できなくなる。また、図１２（ｄ）に示したように、波面が曲がることができなくなるために、ナノワイヤ全体で見ると部分的にプラズマ波の結合係数は低下するものの複数モードの発生は起こらない。その結果、安定したプラズマ波の発生が可能となる。このように、本実施の形態においてはナノワイヤの直径が4.3nmの場合について示したが、ナノワイヤの直径をプラズマ波の波長の半分以下とすることにより、ゲート電圧の不均一性の影響を受けないプラズマ波の発生が可能となり、複数の電極によるプラズマ波の増大が可能となった。
【００５１】
＜ナノワイヤの本数とＱ値の関係＞
ところで、複数のナノワイヤを平行に配置した場合、ゲート電極およびドレイン電極によって各ナノワイヤ内の電磁波が結合することになる。その結果、ナノワイヤ全体にわたって同じ位相のプラズマ波が形成されて、著しく高いＱ値が得られる。すなわち、ゲート電極の周期に対応した周波数において極めて線幅の狭い電磁波が発生する。非特許文献１および２に示された電磁波発生素子の場合には半導体層が分割されていないので、複数の共振器に対して同期をとる構造になっていない。式（２）では、電磁波の強度として、電磁波の周波数に対する積分強度を示しているが、このように高いＱ値が得られた場合には、特定の周波数における電磁波のピーク強度PPはＱ値が低い場合に対して極めて大きくなる。例えば、ｎｎ本程度のナノワイヤにおいて同期をとった場合にはPP∝√ｎｎの強度になると考えられるので、100本のナノワイヤの場合にはピーク強度においては１本の場合に対して、10倍の電磁波ピーク強度が得られることがわかった。
【００５２】
図１４の本願２において、Ｑ値を
Ｑ=sτ√nn/Leff
で示したように、6本のナノワイヤに対して高Eg領域を周期的に配置した電磁波発生素子において、ドレイン電極間で注入同期をとることにより、出力PおよびＱ値を2.5倍と1.2倍程度に改善できた。また、プラズマ波の周波数ｆｐは１ＴＨｚとなり、非特許文献１と同程度の値となっており、ゲート長が500μmであっても１ＴＨｚ以上の電磁波を発生できるため、簡便なプロセスで超高周波を発生できることがわかった。
【００５３】
なお、本実施の形態において、ゲート電極を銅やチタンとしてとしたが、プラズマ波が生じやすい材料であれば金やクロムおよび銀を含む多層膜などの他の金属としても良い。
【００５４】
＜実施の形態１の変形例１＞  共鳴トンネル構造
図１では、ソース側の高Eg領域３５をソース電極３２から0.4μmの長さに配置したSiナノワイヤを用いたが、図４に示したように、ソース側の高Eg領域３５は共鳴トンネル構造としても良い。共鳴トンネル構造からは高いエネルギーを持った電子が半導体ナノワイヤ中に供給されるので、プラズマ波強度が増加する。本構造を作製する場合は、ナノワイヤ成長初期にシランガスを供給する代わりにゲルマンガスを供給して0.4μm程度Geナノワイヤを成長し、ゲルマンガスからシランガスにガス種を変更して、膜厚が2nmのSi層、膜厚が1nmのGe層、膜厚が2nmのSi層を順次ガスを切り替えながら成長し、その後ゲルマンガスを供給しながらGeナノワイヤを成長する。
【００５５】
このように、ほとんどをGeナノワイヤで作製しており、Si層は数nmしか使用していないために、電子の速度が大きくなっており、熱飽和速度は通常のMOS構造の2.7×107cm-3より30%程度増加した。さらに、共鳴トンネル構造を用いることにより2倍程度の熱飽和速度5×107cm-3となり、プラズマ波強度が1.8倍に増加して3.6ｍWが得られることがわかった。
【００５６】
＜実施の形態１の変形例２＞  縦型プラズマ波素子
Si基板３７上に絶縁膜を堆積することなく、金ドットを直接Si基板上に分散させれば、Si基板と導通を有するSiナノワイヤを形成することができる。その結果、図７に示したように、縦型のプラズマ波デバイスを作製することができる。この場合、分散させた金ドットの密度にナノワイヤを形成できるために、極めて多数のナノワイヤを形成することができる。その結果、プラズマ波の強度Ｐはナノワイヤの本数nnの関数として、Ｐ∝√nnとなることから、100本のナノワイヤを用いた構造を作製した場合、プラズマ波の出力は１本の場合に対して10倍になる。
【００５７】
この、縦型プラズマ波素子の作製方法を以下に示す。半導体ナノワイヤは、VLS成長法により成長された。直径が10nm程度の金ドットを直接Si基板４１上に、107cm-2程度の密度に分散させておき、気相成長法（CVD法）で、半導体ナノワイヤを作製する。水素ガスをベースとして、原料としては2％のシランガスおよび2％のゲルマンガスを用いる。ドーピングガスとしては、ｎ型とするために、100ppm水素希釈のホスフィンガスを用いた。基板を300〜500℃に加熱して、5Torrの減圧状態においてシランガスを供給し、金ドットを触媒としてSiナノワイヤを成長させる。ナノワイヤの直径は触媒として分散させた金ドットの直径とほぼ同じである。ナノワイヤの成長速度は2から5nm/sであった。絶縁膜を用いてないために、基板３７上にもSiが堆積するが、VLS成長の成長速度の方が大きいために、相対的にナノワイヤが成長することになる。ただし、ナノワイヤの成長速度は半分程度に低下した。高Eg領域３５としてSiナノワイヤを1μm程度成長した後、低Eg領域３４としてGeナノワイヤを続けて0.4μm、高Eg領域としてSiナノワイヤを2nm、低Eg領域としてGeナノワイヤを0.4μm成長して、半導体ナノワイヤ４７を得た。次に、この半導体ナノワイヤを別のＣＶＤ装置内部で、シランガスと亜酸化窒素を原料として、３５０℃程度でSiO2膜３６を10nm堆積する。さらに、電子ビーム蒸着法により、チタンを100nm、金を500nm蒸着して、半導体ナノワイヤの外周部に同心円状に絶縁膜３６およびゲート電極３１よりなるナノワイヤ多層膜体を得る。このナノワイヤ多層膜体を倒さないようにSOG膜を堆積して埋め込み、CMP方によりSOG膜の上部を研磨していって、高Eg領域３５を露出させ、ドレイン電極３３を蒸着する。必要な領域のみSOG膜を残し、それ以外の領域のSOG膜を除去して、ソース電極３２とゲート配線４３をEB蒸着とリフトオフにより形成して、図７に示した電磁波発生素子を作成することができる。
【００５８】
（実施の形態２）  ＜ヘテロ構造＞
実施の形態１では、ゲート電極３１と半導体ナノワイヤ間に絶縁膜３６を挿入しているが、この場合絶縁膜と半導体界面に形成されるチャネルにおける電子密度は、絶縁膜の誘電率や膜厚に依存するため、あまり大きな値が得られない。一方、図１(ｃ)に示したように、絶縁膜３６の部分をSiに置き換えることで、低Eg領域３４を構成しているGeに対して大きなバンドギャップを持つ高Eg領域を形成することができる。この、高Eｇ領域の一部に高濃度ドーピング（δドーピング）４６を行うことにより、HEMTのように高濃度高Eg領域４３から低Eg領域３４に、高濃度の電子を供給することが可能となる。成長中断を行ってドーピングガスを供給することでSi中にリンあるいは砒素を3×1012cm-2以上1013cm-2以下で望ましくは5×1012cm-2δドープしたδドープ領域４６を形成する。δドープ領域４６と低Eg領域３４は3nm離した。ここで、砒素を用いているが、チップ全体に対する砒素の濃度は、自然界において存在している濃度以下となっているので、環境への懸念は無い。
【００５９】
作製方法を以下に示す。半導体ナノワイヤ４７の作製方法は実施の形態１と同様であるので省略する。図３ａにおいて得られた半導体ナノワイヤを同一のＣＶＤ装置内部で、基板を450℃として、50Torrにおいてシランガスを供給し、アンドープSi層３４を3nm堆積する。ここで、半導体ナノワイヤの外周部にアンドープSi層３４を同心円状に成長するために、成長温度を5Torrから50Torrに増加させた。一旦成長中断して、ドーピングガスである1％ホスフィンあるいはアルシンを３分間供給し、リンあるいは砒素をδドープする。その後、ドーピングを停止して、シランガスのみを供給してアンドープSi層３４をさらに20nm成長した。電子ビーム蒸着法により、チタンを100nm、クロムを100nm、金あるいは白金を500nm蒸着して、半導体ナノワイヤの外周部に同心円状のショットキー電極３１よりなるナノワイヤ多層膜体を得た。このナノワイヤ多層膜体を絶縁膜３８を堆積した基板３７上に配置した（図３ｂ）。以降の作製方法は実施の形態１と同様なので、省略する。
【００６０】
高濃度高Eg領域４３を形成したことにより、低Eg領域３４には、5×1012cm-2の電子が供給されるため、実施の形態１のプラズマ波デバイスより1.7倍高い強度の電磁波が得られることがわかった。
【００６１】
（実施の形態３）  ＜ドーピング周期構造＞
実施の形態１では高Eg領域を形成することによりプラズマ波の節を形成したが、同様に高ドープ領域を形成することによってもプラズマ波の節を形成できる。図５に、実施の形態３における電磁波発生素子の概略図を示す。半導体ナノワイヤのソース側に高ドープ領域４４を形成するとともに、プラズマ波の半周期離れた位置に厚みが2nmの高ドープ領域４４を形成した。それ以外の領域はアンドープ領域３４である。高ドープ領域４４では、電子の速度が著しく低下するので、プラズマ波の節が形成されるため、実施の形態１と同様にプラズマ波振動が得られることがわかった。
【００６２】
作製方法を以下に示す。半導体ナノワイヤは、VLS（気相−液相−個相）成長法により成長された。直径が10nm程度の金ドットをSiO2などの絶縁膜４２を堆積したSi基板４１上に、107cm-2程度の密度に分散させておき、気相成長法（CVD法）で、半導体ナノワイヤを作製する。水素ガスをベースとして、原料としては2％のゲルマンガスを用いる。ドーピングガスとしては、ｎ型とするために、100ppm水素希釈のホスフィンあるいはアルシンを用いた。基板を300〜500℃に加熱して、5Torrの減圧状態においてゲルマンを供給し、金ドットを触媒としてGeナノワイヤを成長させる。ナノワイヤの直径は触媒として分散させた金ドットの直径とほぼ同じになる。ナノワイヤの成長速度は2から10nm/sであった。高ドープ領域４４としてリンを1018cm-3ドーピングしたGeナノワイヤを1μm程度成長した後、アンドープ領域３４としてアンドープのGeナノワイヤを続けて0.4μm、高ドープ領域４４としてゲルマンの供給を止めてホスフィンのみ３分間供給して3×1012cm-2以上1013cm-2以下で望ましくは5×1012cm-2にリンあるいは砒素をδドープしたドーピング領域を有するGeナノワイヤを1nm以上5nm以下で望ましくは2nm形成する。さらに、低ドープ領域としてアンドープのGeナノワイヤ３４を0.4μm成長して、半導体ナノワイヤを得た（図３ａ）。以降の行程は、実施の形態１と同様なので省略する。
【００６３】
ここで、実施の形態でSiナノワイヤを部分的に使用していたのに対して、本実施の形態ではすべてGeナノワイヤを用いているため、電子の速度が速い状態でナノワイヤに注入されるため、プラズマ波の強度が増加するというメリットがあることがわかった。また、ゲルマンとドーピングガスでよく、シランを使用しなくてすむという利点もある。さらに、高Eg領域を形成する場合のようなクーロンブロッケード減少が生じにくくなるために、ソースドレイン電圧を減少することが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明にかかる電磁波発生素子は、半導体ナノワイヤと周期的高バンドギャップ（Eg)領域を有し、高Eg領域の周期をプラズマ波の周期の半分にすることで、高Eg領域の個数分加算された電磁波出力が得られる１ＴＨｚ程度の発振素子等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施の形態１および２における電磁波発生素子の概略図
【図２】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子のプラズマ波と高Eg領域の周期の関係図
【図３】本発明の実施の形態１から３における電磁波発生素子の製造方法の説明図
【図４】本発明の実施の形態１の変形における電磁波発生素子のプラズマ波と高Eg領域の周期の関係図
【図５】本発明の実施の形態３における電磁波発生素子の概略図
【図６】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子のプラズマ波と高Eg領域の周期の関係図
【図７】本発明の実施の形態１の変形における縦型電磁波発生素子の概略図
【図８】従来の電磁波発生素子の概略図
【図９】従来の電磁波発生素子の概略図
【図１０】従来の電磁波発生素子の概略図
【図１１】従来の電磁波発生素子の概略図
【図１２】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子内部のプラズマ波の波面の説明図
【図１３】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子の電子密度の説明図
【図１４】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子の特性図
【図１５】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子の特性図
【符号の説明】
【００６６】
３０    ゲート配線
３１    ゲート電極
３２    ソース電極
３３    ドレイン電極
３４    低Eg領域
３５    高Eg領域
３６    絶縁膜
３７    基板
３８    絶縁膜
３９    固定端
４０    自由端
４１    基板
４２    絶縁膜
４３    高濃度Eg領域
４４    高ドープ領域
４５    SOG
４６    δドープ領域
４７    半導体ナノワイヤ
４８    チャネル
５１    ゲート電極
５２    ソース電極
５３    ドレイン電極
５４    二次元電子ガス
５５    基板
５６    クラッド層
５７    バリア層
６１    遅波回路
６２    電子層コンタクト
６３    正孔層コンタクト
６４    二流体層
６５    入力部
６６    出力部
１０１    負誘電体構造
１０２    正誘電体構造
１０３    半導体基板
１０４    電極
１１１    ゲート電極
１１２    ソース電極
１１３    ドレイン電極
１１４    Si
１１５    SiGe
１１６    金ドット
１１７    i−Ge
１１８    絶縁膜
１１９    ｐ−Ge
【図１】
2006261386.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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