(57)【要約】【課題】ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤを備えた信頼性の高い半導体装置を実現する。【解決手段】ナノワイヤトンネルダイオードは、基板１と、基板１の上方に設けられた、閃亜鉛鉱構造（ＺＢ）のｎ型化合物半導体（例えばｎ−ＧａＡｓ）３ａと、ｎ型化合物半導体３ａと同じ元素で構成されたウルツ鉱構造（ＷＺ）のｐ型化合物半導体（例えばｐ−ＧａＡｓ）３ｂとが接合されてなるナノワイヤ３とを備えて構成されている。【選択図】図１
2018056381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上方に設けられた、閃亜鉛鉱構造のｎ型化合物半導体と、前記ｎ型化合物半導体と同じ元素で構成されたウルツ鉱構造のｐ型化合物半導体とが接合されてなるナノワイヤと
を含むことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ナノワイヤは、前記ｎ型化合物半導体が前記基板側に配置されてい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】
前記ナノワイヤは、前記ｐ型化合物半導体が前記基板側に配置されてい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４】
前記ｐ型化合物半導体は、前記ｎ型化合物半導体の表面を被覆してい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ｎ型化合物半導体は、前記ｐ型化合物半導体の表面を被覆してい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６】
前記基板は導電性基板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】
前記基板は半絶縁性基板であり、
前記ナノワイヤは、前記基板上に形成された導電性エピタキシャル結晶を介して設けられてい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８】
前記ナノワイヤは、絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
基板の上方に、閃亜鉛鉱構造のｎ型化合物半導体と、前記ｎ型化合物半導体と同じ元素で構成されたウルツ鉱構造のｐ型化合物半導体とが接合されてなるナノワイヤを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記ナノワイヤを、前記ｎ型化合物半導体が前記基板側に配置するように形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ナノワイヤを、前記ｐ型化合物半導体が前記基板側に配置するように形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記ｐ型化合物半導体を、前記ｎ型化合物半導体の表面を被覆するように形成することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記ｎ型化合物半導体を、前記ｐ型化合物半導体の表面を被覆するように形成することを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エサキダイオード代表とするトンネルダイオードは、半導体のｐｎ接合を介したバンド間トンネル現象を利用し、負性微分抵抗特性という特異な電流-電圧特性を持つ。また、ヘテロ接合バンドエンジニアリングで順方向バイアス側のピーク電流を抑えることにより、バックワードダイオードとなる。これらのトンネルダイオードは、エネルギーハーベスティングやテラヘルツ検波等への応用が期待されている。トンネルダイオードの特性向上にはｐｎ接合界面での容量低減が不可欠である。そのため、接合領域の直径を１００ｎｍ程度とすることができるＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＳｂ等の化合物半導体を用いてナノワイヤトンネルダイオードを構成することが有効である。
【０００３】
特許文献１によれば、従来のナノワイヤトンネルダイオードとしては、同一材料によるｐｎ接合（ホモ接合）のものと、種材料によるｐｎ接合（ヘテロ接合）のものがある。ホモ接合によるナノワイヤトンネルダイオードは、例えばｎ−ＧａＡｓとｐ−ＧａＡｓとがｐｎ接合されている。ヘテロ接合によるナノワイヤトンネルダイオードは、例えばｎ−ＩｎＡｓとｐ−ＧａＳｂとがｐｎ接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５０８９６６号公報
【特許文献２】特開平６−９７４２５号公報
【特許文献３】国際公開第２０１４／０４５３３３号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M. Hjort et al., Nano Lett. Vol.13 (2013) 4492.
【非特許文献２】K. Pemasiri et al., Nano Lett. Vol.9 (2009) 648.
【非特許文献３】S. Assali et al., Nano Lett. Vol.15 (2015) 8062.
【非特許文献４】G. Jacopin et al., J. Appl. Phys. Vol.110 (2011) 064313.
【非特許文献５】H. Zheng et al., Nano Lett. Vol.13 (2013) 6023.
【非特許文献６】D. Ren et al., Nano Lett. Vol.16 (2016) 1201.
【非特許文献７】S. Lehmann et al., Nano Lett. Vol.13 (2013) 4099.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
トンネルダイオードの特性指標であるピーク−バレー比（Ｐ／Ｖ比）は、ホモ接合の場合、ｐｎ接合のドーピング濃度制御だけで特性が決まる。そのため、これ以上の高性能化が望めないという問題がある。一方、ヘテロ接合の場合、バンドアライメントをタイプＩＩ構造にすると、ΔＥｃ（伝導帯不連続）によりホモ接合よりもＰ／Ｖ比を高めることが可能である。しかしながら、異種材料界面における材料のミキシングにより、ｐｎ接合界面が量子井戸や障壁層となり、特性が安定しないという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤを備えた信頼性の高い半導体装置及びその製造方法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】
【０００８】
半導体装置の一態様は、基板と、前記基板の上方に設けられた、閃亜鉛鉱構造のｎ型化合物半導体と、前記ｎ型化合物半導体と同じ元素で構成されたウルツ鉱構造のｐ型化合物半導体とが接合されてなるナノワイヤとを含む。
【０００９】
半導体装置の製造方法の一態様は、基板の上方に、閃亜鉛鉱構造のｎ型化合物半導体と、前記ｎ型化合物半導体と同じ元素で構成されたウルツ鉱構造のｐ型化合物半導体とが接合されてなるナノワイヤを形成する。
【発明の効果】
【００１０】
上記の諸態様によれば、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤを備えた信頼性の高い半導体装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【図２】本実施形態のナノワイヤについて、比較例のナノワイヤとの比較に基づく特性を示す特性図である。
【図３】第１の実施形態による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの製造方法を工程順に示す模式図である。
【図４】図３に引き続き、第１の実施形態による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの製造方法を工程順に示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の変形例１による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【図６】第１の実施形態の変形例２による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【図７】第２の実施形態によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【図８】第２の実施形態によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの製造方法を工程順に示す模式図である。
【図９】図８に引き続き、第２の実施形態によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの製造方法を工程順に示す模式図である。
【図１０】第２の実施形態の変形例１によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【図１１】第２の実施形態の変形例２によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【図１２】第３の実施形態による電波受信機の概略構成を示す模式図である。
【図１３】第４の実施形態による発電機の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について説明する。本実施形態では、半導体装置として積層型のナノワイヤトンネルダイオードを例示し、その構成及び製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
［ナノワイヤトンネルダイオードの構成］
図１は、第１の実施形態による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
このナノワイヤトンネルダイオードは、導電性基板１上に絶縁膜２が形成され、絶縁膜２の各開口を埋め込むようにナノワイヤ３及びカソード電極４が設けられ、ナノワイヤ３上にアノード電極５が設けられて構成されている。
【００１４】
ナノワイヤ３は、ｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａと、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ３ｂとが積層され、ｐｎ接合が形成されて構成されている。ｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａは、閃亜鉛鉱（ZincBlende：ＺＢ）構造のｎ型化合物半導体、例えばＺＢ構造のｎ+ＧａＡｓで形成されている。ｐ型化合物半導体ナノワイヤ３ｂは、ｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａと同じ元素で形成されたウルツ鉱（Wurtzite,：ＷＺ）構造のｐ型化合物半導体、例えばＷＺ構造のｐ+ＧａＡｓで形成されている。ナノワイヤ３において、図１では、ｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａが基板１側に配置されている。ｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａ及びｐ型化合物半導体ナノワイヤ３ｂを構成する元素としては、ＧａＡｓ以外にも、タイプＩＩ構造を得ることができる半導体を用いることができる。
【００１５】
以下、本実施形態によるナノワイヤトンネルダイオードの奏する作用効果について説明する。図２は、本実施形態のナノワイヤ（ＷＺ／ＺＢ型ＧａＡｓ：以下、ＷＺ／ＺＢ構造と言う。）について、比較例のナノワイヤ（ＺＢ／ＺＢ型ＧａＡｓ：以下、ＺＢ／ＺＢ構造と言う。）との比較に基づく特性を示す特性図である。（ａ）がｐｎ接合のバンドアライメントを、（ｂ）がＩ−Ｖ特性をそれぞれ示している。
【００１６】
ＷＺ/ＺＢ型ＧａＡｓのナノワイヤのバンドアライメントは、タイプＩＩ構造となる。ＷＺ型ＧａＡｓのバンドギャップは１．５２ｅＶ、ＺＢ型ＧａＡｓのバンドギャップは１．４２ｅＶで、ΔＥｃ（ＷＺ−ＺＢ）は０．２３ｅＶである。ＷＺ／ＺＢ構造及びＺＢ／ＺＢ構造では共に、ｎ型化合物半導体のドーピング濃度が５×１０18ｃｍ-3、ｐ型化合物半導体のドーピング濃度が４×１０19ｃｍ-3である。
【００１７】
図２（ａ）のように、ｎ型化合物半導体の電子がトンネル可能なバイアス条件では、空乏層領域のポテンシャル高さがＺＢ／ＺＢ構造よりもＷＺ／ＺＢ構造の方が小さくなり、電子はトンネルし易い。しかし、トンネル不可なバイアス条件ではΔＥｃ分だけバリアが高くなり、電子の乗り越えが困難になる。このため、図２（ｂ）のように、ＷＺ／ＺＢ構造では、ＺＢ／ＺＢ構造よりもＰ／Ｖ比が向上する。更に、ＷＺ／ＺＢ構造では、ｎ型化合物半導体及びｐ型化合物半導体が同じ元素で積層されるため、通常のヘテロ接合のような材料のミキシングの影響を受けず、安定な特性が得られる。
【００１８】
［半導体装置の製造方法］
図３〜図４は、第１の実施形態による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの製造方法を工程順に示す模式図であり、図３及び図４（ａ）〜（ｃ）が断面図、図４（ｄ）が平面図である。
【００１９】
先ず、図３（ａ）に示すように、導電性基板１上に絶縁膜２を形成する。
詳細には、導電性基板１として、例えばｎ型ＧａＡｓ(１１１)Ｂ基板を用意する。導電性基板１上の全面に、絶縁膜２として例えばシリコン酸化膜を５０ｎｍ程度の厚みに形成する。
【００２０】
続いて、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜２に開口２ａを形成する。
詳細には、絶縁膜２上にレジスト１０を塗布し、例えば電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーにより、絶縁膜２のナノワイヤ形成領域を露出させる開口１０ａを形成する。このレジスト１０をマスクとして用い、ドライエッチングにより、絶縁膜２のナノワイヤ形成領域に導電性基板１の表面の一部を露出させる開口２ａを形成する。開口２ａは、１００ｎｍ程度以下の所定のサイズに形成される。レジスト１０は、ウェット処理又はアッシング処理により除去される。ナノワイヤ成長のために、開口２ａ内に３０ｎｍ程度の厚みのＡｕ触媒を蒸着及びリフトオフにより形成しても良い。
【００２１】
続いて、ナノワイヤ３を形成する。
ナノワイヤ３の形成には、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）法を用いる。
【００２２】
先ず、図３（ｃ）に示すように、ｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａを形成する。
詳細には、絶縁膜２の開口２ａ内に、１００ｎｍ以下の所定径のＺＢ構造のｎ+−ＧａＡｓナノワイヤを、０．５μｍ程度の長さに成長する。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ3）を用い、ドーピング原料にはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用いる。このとき、ＺＢ構造になる成長条件として、基板温度を５３０℃〜５８０℃程度、Ｖ／ＩＩＩ比を２０〜５０程度、圧力を１００ｍｂａｒ程度とする。以上により、ｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａが形成される。
【００２３】
引き続き、図３（ｄ）に示すように、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ３ｂを形成する。
詳細には、１００ｎｍ以下の所定径のＷＺ構造のｐ+−ＧａＡｓナノワイヤを、０．５μｍ程度の長さに成長する。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ3）を用い、ドーピング原料にはジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を用いる。このとき、ＷＺ構造になる成長条件として、基板温度を５３０℃〜５８０℃程度、Ｖ／ＩＩＩ比を２〜５程度、圧力を１００ｍｂａｒ程度とする。これにより、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ３ｂが形成される。以上により、ＺＢ構造のｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａとＷＺ構造のｐ型化合物半導体ナノワイヤ３ｂとが積層されてなる、同一元素で構成されたタイプＩＩのナノワイヤ３が形成される。
【００２４】
続いて、図４（ａ）に示すように、カソード電極４を形成する。
詳細には、先ず、絶縁膜２上にレジストを塗布し、例えば電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーにより、レジストに絶縁膜２のナノワイヤ形成領域を露出させる開口を形成する。このレジストをマスクとして用い、ドライエッチングにより、絶縁膜２の電極形成領域に導電性基板１の表面の一部を露出させる開口２ｂを形成する。
次に、全面にレジストを塗布し、レジストに絶縁膜２の開口２ｂを露出する開口を形成する。このレジストをマスクとして用い、全面に電極金属、例えばＡｕＧｅ／Ａｕ（３０ｎｍ程度／３００ｎｍ程度）を蒸着法により堆積する。レジスト及びその上の電極金属を除去する。以上により、絶縁膜２の開口２ｂを埋め込むカソード電極４が形成される。
【００２５】
続いて、図４（ｂ）に示すように、層間絶縁膜６を形成する。
詳細には、ナノワイヤ３を埋め込むように、全面に絶縁膜、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等を堆積し、ナノワイヤ３の全体をパッシベーションする。必要に応じて、絶縁膜の表面をエッチバックし、絶縁膜の表面からナノワイヤ３の先端を露出させる。以上により、層間絶縁膜６が形成される。
【００２６】
続いて、図４（ｃ），（ｄ）に示すように、アノード電極５を形成する。
詳細には、層間絶縁膜５上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより、レジストに層間絶縁膜５の電極形成領域を露出させる開口を形成する。このレジストをマスクとして用い、全面に電極金属、例えばＰｔ／Ａｕ（１０ｎｍ程度／３００ｎｍ程度）蒸着法により堆積する。レジスト及びその上の電極金属を除去する。以上により、層間絶縁膜５から露出するナノワイヤ３の上面上に、アノード電極５が形成される。
以上により、本実施形態によるナノワイヤトンネルダイオードが形成される。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤ３を備えた信頼性の高いナノワイヤトンネルダイオードが実現する。
【００２８】
本実施形態では、基板１としてＧａＡｓ(１１１)Ｂ基板を例示したが、これに限定されるものではない。ナノワイヤの半導体は、Ｇａ，Ｉｎ，Ａｌのうちの少なくとも何れか１種と、Ｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂのうちのいずれか少なくとも何れか１種とを含む化合物半導体である。当該半導体は、格子不整合系基板上でも欠陥なく成膜可能であるため、ナノワイヤ３と格子定数の異なるＳｉ，Ｇｅ，ＧａＳｂ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ,ＧａＮ等の基板を用いても良い。
【００２９】
また、ナノワイヤ３をＳｉＮ，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3等の薄い絶縁膜で被覆するようにしても良い。
また、本実施形態では、ナノワイヤ３の半導体材料としてＧａＡｓを例示したが、これに限定されるものではない。ナノワイヤ３の半導体材料としては、ＧａＡｓ以外でも、ＩｎＰ，ＧａＮ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＧａＰ等の半導体材料を用いることができる。
【００３０】
（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。以下の各図において、第１の実施形態と同様の構成部材については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
【００３１】
−変形例１−
図５は、第１の実施形態の変形例１による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【００３２】
このナノワイヤトンネルダイオードは、第１の実施形態と同様に、ＺＢ構造のｎ型化合物半導体ナノワイヤ３ａとこれと同一元素のＷＺ構造のｐ型化合物半導体ナノワイヤ３ｂとが積層されたナノワイヤ３、カソード電極４、及びアノード電極５が設けられてなる。
変形例１では、基板として半絶縁性基板１１、例えば半絶縁性ＧａＡｓ(１１１)Ｂ基板が用いられる。この半絶縁性基板１１上にｎ型導電性エピタキシャル結晶１２、例えばn型ＧａＡｓエピタキシャル層が形成される。ｎ型導電性エピタキシャル結晶１２上に絶縁膜２が形成され、ナノワイヤトンネルダイオードが形成される。
【００３３】
変形例１によれば、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤ３を備えた信頼性の高いナノワイヤトンネルダイオードが実現する。
【００３４】
−変形例２−
図６は、第１の実施形態の変形例２による積層型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【００３５】
このナノワイヤトンネルダイオードは、ナノワイヤ１４及びアノード電極５が設けられ、ナノワイヤ３上にカソード電極４が設けられて構成されている。基板としては変形例１と同様に半絶縁性基板１１、例えば半絶縁性ＧａＡｓ(１１１)Ｂ基板が用いられる。この半絶縁性基板１１上にｐ型導電性エピタキシャル結晶１３、例えばｐ型ＧａＡｓエピタキシャル層が形成される。ｐ型導性エピタキシャル結晶１３上に絶縁膜２が形成される。
【００３６】
ナノワイヤ１４は、第１の実施形態と同様に、ＷＺ構造のｐ型化合物半導体ナノワイヤ１４ａと、これと同一元素のＺＢ構造のｎ型化合物半導体ナノワイヤ１４ｂとが積層されたものであるが、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ１４ａが基板１側に配置されている。ｐ型化合物半導体ナノワイヤ１４ａの材料はＷＺ構造の例えばｐ+−ＧａＡｓ、ｎ型化合物半導体ナノワイヤ１４ｂの材料はＺＢ構造のｎ+−ＧａＡｓとされている。
【００３７】
変形例２によれば、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤ１４を備えた信頼性の高いナノワイヤトンネルダイオードが実現する。
【００３８】
（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、コアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードを例示する。この本実施形態は、ナノワイヤの構成が異なる点で第１の実施形態と相違する。以下の各図において、第１の実施形態及びその諸変形例と同様の構成部材については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
【００３９】
［ナノワイヤトンネルダイオードの構成］
図７は、第２の実施形態によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
このナノワイヤトンネルダイオードは、導電性基板２１上に絶縁膜２が形成され、絶縁膜２の各開口を埋め込むようにナノワイヤ２２及びアノード電極５が設けられ、ナノワイヤ２２上にカソード電極４が設けられて構成されている。
【００４０】
ナノワイヤ２２は、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａと、ｎ型化合物半導体膜２２ｂとが積層され、ｐｎ接合が形成されて構成されている。ｎ型化合物半導体膜２２ｂは、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａの表面（上面及び側面）を覆うように形成されている。ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａは、ＷＺ構造のｐ型化合物半導体、例えばＷＺ構造のｐ+ＧａＡｓで形成されている。ｎ型化合物半導体膜２２ｂは、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａと同じ元素で形成されたＺＢ構造のｎ型化合物半導体、例えばＺＢ構造のｎ+ＧａＡｓで形成されている。ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａ及びｎ型化合物半導体膜２２ｂを構成する元素としては、ＧａＡｓ以外にも、タイプＩＩ構造を得ることができる半導体を用いることができる。
【００４１】
［半導体装置の製造方法］
図８〜図９は、第２の実施形態によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの製造方法を工程順に示す模式図であり、図８及び図９（ａ）〜（ｃ）が断面図、図９（ｄ）が平面図である。
【００４２】
先ず、図８（ａ）に示すように、導電性基板２１上に絶縁膜２を形成する。
詳細には、導電性基板２１として、例えばｐ型ＧａＡｓ(１１１)Ｂ基板を用意する。導電性基板２１上の全面に、絶縁膜２として例えばシリコン酸化膜を５０ｎｍ程度の厚みに形成する。
【００４３】
続いて、図８（ｂ）に示すように、絶縁膜２に開口２ａを形成する。
詳細には、絶縁膜２上にレジスト１０を塗布し、例えば電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーにより、絶縁膜２のナノワイヤ形成領域を露出させる開口１０ａを形成する。このレジスト１０をマスクとして用い、ドライエッチングにより、絶縁膜２のナノワイヤ形成領域に導電性基板１の表面の一部を露出させる開口２ａを形成する。開口２ａは、１００ｎｍ程度以下の所定のサイズに形成される。レジスト１０は、ウェット処理又はアッシング処理により除去される。ナノワイヤ成長のために、開口２ａ内に３０ｎｍ程度の厚みのＡｕ触媒を蒸着及びリフトオフにより形成しても良い。
【００４４】
続いて、ナノワイヤ２２を形成する。
ナノワイヤ２２の形成には、ＭＯＣＶＤ法を用いる。
【００４５】
先ず、図８（ｃ）に示すように、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａを形成する。
詳細には、絶縁膜２の開口２ａ内に、１００ｎｍ以下の所定径のＷＺ構造のｐ+−ＧａＡｓナノワイヤを、０．５μｍ程度の長さに成長する。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ3）を用い、ドーピング原料にはジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を用いる。このとき、ＷＺ構造になる成長条件として、基板温度を５３０℃〜５８０℃程度、Ｖ／ＩＩＩ比を２〜５程度、圧力を１００ｍｂａｒ程度とする。以上により、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａが形成される。
【００４６】
引き続き、図８（ｄ）に示すように、ｎ型化合物半導体膜２２ｂを形成する。
詳細には、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａの表面（上面及び側面）を覆うように、ＺＢ構造のｎ+−ＧａＡｓ膜を形成する。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ3）を用い、ドーピング原料にはジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用いる。このとき、ＺＢ構造になる成長条件として、基板温度を５３０℃〜５８０℃程度、Ｖ／ＩＩＩ比を２０〜５０程度、圧力を１００ｍｂａｒ程度とする。これにより、ｎ型化合物半導体膜２２ｂが形成される。以上により、ＷＺ構造のｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａ及びその表面を覆うＺＢ構造のｎ型化合物半導体膜２２ｂからなる、同一元素で構成されたタイプＩＩのナノワイヤ２２が形成される。
【００４７】
続いて、図９（ａ）に示すように、アノード電極５を形成する。
詳細には、先ず、絶縁膜２上にレジストを塗布し、例えば電子ビーム（ＥＢ）リソグラフィーにより、レジストに絶縁膜２のナノワイヤ形成領域を露出させる開口を形成する。このレジストをマスクとして用い、ドライエッチングにより、絶縁膜２の電極形成領域に導電性基板１の表面の一部を露出させる開口２ｂを形成する。
次に、全面にレジストを塗布し、レジストに絶縁膜２の開口２ｂを露出する開口を形成する。このレジストをマスクとして用い、全面に電極金属、例えばＰｔ／Ａｕ（１０ｎｍ程度／３００ｎｍ程度）を蒸着法により堆積する。レジスト及びその上の電極金属を除去する。以上により、絶縁膜２の開口２ｂを埋め込むアノード電極５が形成される。
【００４８】
続いて、図９（ｂ）に示すように、層間絶縁膜６を形成する。
詳細には、ナノワイヤ２２を埋め込むように、全面に絶縁膜、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等を堆積し、ナノワイヤ２２の全体をパッシベーションする。必要に応じて、絶縁膜の表面をエッチバックし、絶縁膜の表面からナノワイヤ２２の先端（ｎ型化合物半導体膜２２ｂの上面）を露出させる。以上により、層間絶縁膜６が形成される。
【００４９】
続いて、図９（ｃ），（ｄ）に示すように、カソード電極５を形成する。
詳細には、層間絶縁膜５上にレジストを塗布し、リソグラフィーにより、レジストに層間絶縁膜５の電極形成領域を露出させる開口を形成する。このレジストをマスクとして用い、全面に電極金属、例えばＡｕＧｅ／Ａｕ（３０ｎｍ程度／３００ｎｍ程度）を蒸着法により堆積する。レジスト及びその上の電極金属を除去する。以上により、層間絶縁膜５から露出するナノワイヤ２２の上面上に、カソード電極５が形成される。
以上により、本実施形態によるナノワイヤトンネルダイオードが形成される。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態によれば、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤ２２を備えた信頼性の高いナノワイヤトンネルダイオードが実現する。
また、ナノワイヤ２２では、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａの表面（上面及び側面）を覆うようにｎ型化合物半導体膜２２ｂが形成されているため、両者の接触面積が大きく、コンタクト抵抗が低減される。
【００５１】
本実施形態では、基板１としてＧａＡｓ(１１１)Ｂ基板を例示したが、これに限定されるものではない。ナノワイヤの半導体は格子不整合系基板上でも欠陥なく成膜可能であるため、ナノワイヤ２２と格子定数の異なるＳｉＣ，ＡｌＮ，ＺｎＯ，Ｇａ2Ｏ3，サファイア等の基板を用いても良い。
【００５２】
また、ナノワイヤ２２をＳｉＮ，ＳｉＯ2，Ａｌ2Ｏ3等の薄い絶縁膜で被覆するようにしても良い。
また、本実施形態では、ナノワイヤ２２の半導体材料としてＧａＡｓを例示したが、これに限定されるものではない。ナノワイヤ２２の半導体材料としては、ＧａＡｓ以外でも、ＩｎＰ，ＧａＮ，ＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＧａＰ等の半導体材料を用いることができる。
【００５３】
（変形例）
以下、第２の実施形態の諸変形例について説明する。第１及び第２の実施形態並びに諸変形例と同様の構成部材については、同符号を付して詳しい説明を省略する。
【００５４】
−変形例１−
図１０は、第２の実施形態の変形例１によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【００５５】
このナノワイヤトンネルダイオードは、第２の実施形態と同様に、ナノワイヤ２２、カソード電極４、及びアノード電極５が設けられてなる。ナノワイヤ２２は、ＷＺ構造のｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａと、その表面（上面及び側面）を覆うように形成された、これと同一元素のＺＢ構造のｎ型化合物半導体膜２２ｂとが接合されてなる。
【００５６】
変形例１では、基板として半絶縁性基板１１、例えば半絶縁性ＧａＡｓ(１１１)Ｂ基板が用いられる。この半絶縁性基板１１上にｐ型導電性エピタキシャル結晶１３、例えばｐ型ＧａＡｓエピタキシャル層が形成される。ｐ型導電性エピタキシャル結晶１３上に絶縁膜２が形成され、ナノワイヤトンネルダイオードが形成される。
【００５７】
変形例１によれば、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤ２２を備えた信頼性の高いナノワイヤトンネルダイオードが実現する。
ナノワイヤ２２では、ｐ型化合物半導体ナノワイヤ２２ａの表面（上面及び側面）を覆うようにｎ型化合物半導体膜２２ｂが形成されているため、両者の接触面積が大きく、コンタクト抵抗が低減される。
【００５８】
−変形例２−
図１１は、第２の実施形態の変形例２によるコアシェル型のナノワイヤトンネルダイオードの構成を示す概略断面図である。
【００５９】
このナノワイヤトンネルダイオードは、ナノワイヤ２３、カソード電極４、及びアノード電極５が設けられてなる。基板としては変形例１と同様に半絶縁性基板１１、例えば半絶縁性ＧａＡｓ(１１１)Ｂ基板が用いられる。この半絶縁性基板１１上にｎ型導電性エピタキシャル結晶１２、例えばｎ型ＧａＡｓエピタキシャル層が形成される。ｎ型導性エピタキシャル結晶１２上に絶縁膜２が形成される。
【００６０】
ナノワイヤ２３は、ＺＢ構造のｎ型化合物半導体ナノワイヤ２３ａと、その表面（上面及び側面）を覆うように形成された、これと同一元素のＷＺ構造のｐ型化合物半導体膜２３ｂとが接合してなる。ｎ型化合物半導体ナノワイヤ２３ａの材料はＺＢ構造の例えばｎ+−ＧａＡｓ、ｐ型化合物半導体膜２３ｂの材料はＷＺ構造の例えばｐ+−ＧａＡｓとされている。
【００６１】
変形例２によれば、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤ２３を備えた信頼性の高いナノワイヤトンネルダイオードが実現する。
また、ナノワイヤ２３では、ｎ型化合物半導体ナノワイヤ２３ａの表面（上面及び側面）を覆うようにｐ型化合物半導体膜２３ｂが形成されているため、両者の接触面積が大きく、コンタクト抵抗が低減される。
【００６２】
（第３の実施形態）
本実施形態では、第１及び第２の実施形態並びにこれらの諸変形例から選ばれた１種のナノワイヤトンネルダイオードを備えた、いわゆる超大容量無線通信システムの電波受信機を例示する。図１２は、本実施形態による電波受信機の概略構成を示す模式図である。
【００６３】
この電波受信機は、受信アンテナ３１、受信アンテナ３１に接続されたローノイズアンプ３２、ローノイズアンプ３２に接続されたダイオード３３、ローノイズアンプ３２に接続されたインダクタ３４、及び出力端子３５を備えて構成されている。ダイオード３３は、第１の実施形態又は諸変形例の１種によるダイオード構造である。
【００６４】
ナノワイヤダイオードは、従来のダイオードよりも接合容量が小さいため、テラヘルツ波帯領域までの電波を受信することができる。本実施形態では、ダイオード３３に、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤを備えた信頼性の高いナノワイヤトンネルダイオードを適用する。この構成により、信頼性の高い超大容量無線通信ネットワークシステムが実現する。
【００６５】
（第４の実施形態）
本実施形態では、第１及び第２の実施形態並びにこれらの諸変形例から選ばれた１種のナノワイヤトンネルダイオードを備えた、いわゆるＩｏＴ（Internet of Things）センサの発電機を例示する。図１３は、本実施形態による発電機の概略構成を示す模式図である。
【００６６】
この発電機は、受信アンテナ４１、受信アンテナ４１と接続されたダイオード４２、ダイオード４２と接続された平滑キャパシタ４３、ダイオード４２と接続された電圧一定化回路４４、及び出力端子４５を備えて構成されている。
【００６７】
受信アンテナ４１は、エネルギーとして例えばマイクロ波を受信するアンテナである。ダイオード４２は、第１及び第２の実施形態並びにこれらの諸変形例から選ばれた１種のナノワイヤトンネルダイオードであり、受信アンテナ４１から入射したマイクロ波を全波整流する。平滑キャパシタ４３により、安定したＤＣ（直流）出力が得られる。電圧一定化回路４４は、ＤＣ出力を一定値にする。出力端子４５は、ＩｏＴセンサの電源に接続されており、一定値とされたＤＣ出力が当該電源に供給される。
【００６８】
本実施形態による発電機では、ダイオード４２に、ｐｎ接合界面において材料のミキシングが生じることなく、ヘテロ接合と同等にＰ／Ｖ比の高いナノワイヤを備えた信頼性の高いナノワイヤトンネルダイオードが適用される。この構成により、エネルギー変換効率が向上し、マイクロ波等の微小電力の高効率なハーベスティングに寄与する。これにより、低電力で動作可能なＩｏＴセンサを、電池等を用いることなく高効率に駆動することができる。
【００６９】
以下、半導体装置及びその製造方法、並びに電波受信機及び発電機の諸態様について、付記としてまとめて記載する。
【００７０】
（付記１）基板と、
前記基板の上方に設けられた、閃亜鉛鉱構造のｎ型化合物半導体と、前記ｎ型化合物半導体と同じ元素で構成されたウルツ鉱構造のｐ型化合物半導体とが接合されてなるナノワイヤと
を含むことを特徴とする半導体装置。
【００７１】
（付記２）前記ナノワイヤは、前記ｎ型化合物半導体が前記基板側に配置されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００７２】
（付記３）前記ナノワイヤは、前記ｐ型化合物半導体が前記基板側に配置されていることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
【００７３】
（付記４）前記ｐ型化合物半導体は、前記ｎ型化合物半導体の表面を被覆してい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。
【００７４】
（付記５）前記ｎ型化合物半導体は、前記ｐ型化合物半導体の表面を被覆してい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。
【００７５】
（付記６）前記基板は導電性基板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。
【００７６】
（付記７）前記基板は半絶縁性基板であり、
前記ナノワイヤは、前記基板上に形成された導電性エピタキシャル結晶を介して設けられてい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。
【００７７】
（付記８）前記ナノワイヤは、絶縁膜で覆われていることを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置。
【００７８】
（付記９）基板の上方に、閃亜鉛鉱構造のｎ型化合物半導体と、前記ｎ型化合物半導体と同じ元素で構成されたウルツ鉱構造のｐ型化合物半導体とが接合されてなるナノワイヤを形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【００７９】
（付記１０）前記ナノワイヤを、前記ｎ型化合物半導体が前記基板側に配置するように形成することを特徴とする付記９に記載の半導体装置の製造方法。
【００８０】
（付記１１）前記ナノワイヤを、前記ｐ型化合物半導体が前記基板側に配置するように形成することを特徴とする付記９に記載の半導体装置の製造方法。
【００８１】
（付記１２）前記ｐ型化合物半導体を、前記ｎ型化合物半導体の表面を被覆するように形成することを特徴とする付記９〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【００８２】
（付記１３）前記ｎ型化合物半導体を、前記ｐ型化合物半導体の表面を被覆するように形成することを特徴とする付記９〜１１のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【００８３】
（付記１４）受信アンテナと、
前記受信アンテナと接続された増幅器と、
前記増幅器と接続されたダイオードと、
前記増幅器と接続されたインダクタと
を含み、
前記ダイオードは、
基板と、
前記基板の上方に設けられた、閃亜鉛鉱構造のｎ型化合物半導体と、前記ｎ型化合物半導体と同じ元素で構成されたウルツ鉱構造のｐ型化合物半導体とが積層されてなるナノワイヤと
を含むことを特徴とする電波受信装置。
【００８４】
（付記１５）受信アンテナと、
前記受信アンテナと接続されたダイオードと、
前記ダイオードと接続された平滑キャパシタと、
前記ダイオードと接続された電圧一定化回路と、
を含み、
前記ダイオードは、
基板と、
前記基板の上方に設けられた、閃亜鉛鉱構造のｎ型化合物半導体と、前記ｎ型化合物半導体と同じ元素で構成されたウルツ鉱構造のｐ型化合物半導体とが積層されてなるナノワイヤと
を含むことを特徴とする発電装置。
【符号の説明】
【００８５】
１，２１  導電性基板
２  絶縁膜
２ａ，２ｂ，１０ａ  開口
３，１４，２２，２３  ナノワイヤ
３ａ，１４ｂ，２３ａ  ｎ型化合物半導体ナノワイヤ（ＺＢ）
３ｂ，１４ａ，２２ａ  ｐ型化合物半導体ナノワイヤ（ＷＺ）
４  カソード電極
５  アノード電極
６  層間絶縁膜
１０  レジスト
１１  半絶縁性基板
１２  ｎ型導電性エピタキシャル結晶
１３  ｐ型導電性エピタキシャル結晶
２２ｂ  ｎ型化合物半導体膜（ＺＢ）
２３ｂ  ｐ型化合物半導体膜（ＷＺ）
３１，４１  受信アンテナ
３２  ローノイズアンプ
３３，４２  ダイオード
３４  インダクタ
３５，４５  出力端子
４３  平滑キャパシタ
４４  電圧一定化回路
【図１】
2018056381.tif 000003
【図２】
2018056381.tif 000004
【図３】
2018056381.tif 000005
【図４】
2018056381.tif 000006
【図５】
2018056381.tif 000007
【図６】
2018056381.tif 000008
【図７】
2018056381.tif 000009
【図８】
2018056381.tif 000010
【図９】
2018056381.tif 000011
【図１０】
2018056381.tif 000012
【図１１】
2018056381.tif 000013
【図１２】
2018056381.tif 000014
【図１３】
2018056381.tif 000015