(57)【要約】【課題】抵抗および寄生容量が低減され、感度と高周波特性に優れた電子デバイスとその製造方法を提供する。【解決手段】電子デバイスは、半絶縁性の半導体基板と、前記半導体基板の上に配置され複数のサブミクロンサイズの開口が形成された開口領域と前記開口領域の端部に設けられた穴とを有する絶縁膜と、前記絶縁膜の上で前記開口領域に配置される導電性薄膜と、前記穴の中の前記半導体基板の表面から基板面と垂直な方向に延伸する第１のナノワイヤと、を有し、前記第１のナノワイヤは前記導電性薄膜と同じ導電型、かつ同じ組成を有し、  前記導電性薄膜は前記開口の内部を充填し、前記絶縁膜の上で前記第１のナノワイヤと接続されている。【選択図】図２
2019016710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性の半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置され、複数のサブミクロンサイズの開口が形成された開口領域と前記開口領域の端部に設けられた穴とを有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の上で前記開口領域に配置される導電性薄膜と、
前記穴の中の前記半導体基板の表面から基板面と垂直な方向に延伸する第１のナノワイヤと、
を有し、
前記第１のナノワイヤは前記導電性薄膜と同じ導電型、かつ同じ組成を有し、
前記導電性薄膜は前記開口の内部を充填し、前記絶縁膜の上で前記第１のナノワイヤと接続されていることを特徴とする電子デバイス。
【請求項２】
前記絶縁膜と前記導電性薄膜の間に空間が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記基板面と垂直な方向で前記第１のナノワイヤと接合され、前記第１のナノワイヤと異なる組成、異なる導電型を有する第２のナノワイヤ、
をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の電子デバイス。
【請求項４】
前記第１のナノワイヤと前記第２のナノワイヤの外周を覆う絶縁薄膜と、
前記絶縁薄膜を介して前記第１のナノワイヤと前記第２のナノワイヤの接合部に接続されるゲート電極と、
をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の電子デバイス。
【請求項５】
前記第１のナノワイヤの上端面と接触する金属層、
をさらに有し、前記第１のナノワイヤと前記金属層の界面にショットキー障壁が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子デバイス。
【請求項６】
前記穴から前記開口領域の中で最も近い開口までの距離は、前記開口領域の中で隣接する開口間の距離よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子デバイス。
【請求項７】
半絶縁性の半導体基板の上に、複数のサブミクロンサイズの開口が形成された開口領域と前記開口領域の端部に設けられた穴とを有する絶縁膜を形成し、
前記穴の中に金属触媒を配置し、
前記開口と前記穴の内部で前記半導体基板の表面から第１の導電型の半導体結晶を成長し、
前記開口の内部から成長して前記開口領域で前記絶縁膜と水平な方向に連続して拡がる導電性薄膜を、前記穴の内部から前記半導体基板の前記表面と垂直な方向に成長した第１のナノワイヤに接続させる、
ことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記第１の導電型の半導体結晶を、前記開口の中から前記絶縁膜の表面を超えて前記半導体基板の表面と垂直な方向に成長した後で、前記半導体基板の表面と水平な方向に成長して前記導電性薄膜を形成し、
前記導電性薄膜と前記絶縁膜の表面の間に空間を形成する、
ことを特徴とする請求項７に記載の電子デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイス、及び電子デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境電波発電や無線通信向けの高感度な高周波受信デバイスとして、化合物半導体のヘテロ接合を用いたバックワードダイオードが期待されている。ＧａＡｓＳｂ系ヘテロ接合のドープ濃度を最適化することで、バックワードダイオードの感度を高める手法が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。ここでは、ＧａＡｓＳｂ系のヘテロ接合は格子整合するＩｎＰ基板上に形成されている。
【０００３】
一方、格子不整合の基板上への化合物半導体ナノワイヤの成長が知られている（たとえば、非特許文献２参照）。ここでは、ＧａＡｓ基板上にＩｎＰナノワイヤが臨界直径９６ｎｍで成長することが報告されている。
【０００４】
化合物半導体ナノワイヤが持つ高感度と高周波特性を活かすには、ナノワイヤ以外の構成要素で抵抗と寄生容量をできるだけ低減することが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T．Takahashi  et  al．,“Sensitivity  Improvement  in  GaAsSb-Based  Heterojunction  Backward  Diodes  by  Optimized  Doping  Concentration,”IEEE  TRANSACTIONS  ON  ELECTRON  DEVICES，Vol．62，No．6，June  2015
【非特許文献２】Chuang  et  al．,“Critical  diameter  for  III-V  nanowires  grown  on  Lattice-mismatched  substrates,”Appl．Phys．Lett．90，043115  （2007）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＧａＡｓＳｂ系バックワードダイオードは格子整合系で作製されるため、汎用的なＧａＡｓ基板を使うことができず、高価なＩｎＰ基板が用いられている。半絶縁性のＧａＡｓ基板上に化合物半導体材料でバックワードダイオードを作製する場合、電気的なコンタクトをとるためにＧａＡｓ基板上に導電性の薄膜を形成することになる。この場合、半導体材料の格子整合の制約から、狭バンドギャップのＩｎＡｓを用いることができず、抵抗を下げることが難しいという問題がある。また、導電性薄膜の加工上の制約から十分に寄生容量を低減することができない。
【０００７】
本発明は、抵抗および寄生容量が低減され、感度と高周波特性に優れた電子デバイスとその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様では、電子デバイスは、
半絶縁性の半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置され、複数のサブミクロンサイズの開口が形成された開口領域と前記開口領域の端部に設けられた穴とを有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の上で前記開口領域に配置される導電性薄膜と、
前記穴の中の前記半導体基板の表面から基板面と垂直な方向に延伸する第１のナノワイヤと、
を有し、
前記第１のナノワイヤは前記導電性薄膜と同じ導電型、かつ同じ組成を有し、
前記導電性薄膜は前記開口の内部を充填し、前記絶縁膜の上で前記第１のナノワイヤと接続されている。
【発明の効果】
【０００９】
抵抗および寄生容量が低減され感度と高周波特性に優れた電子デバイスが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】半絶縁性の半導体基板上に導電性薄膜とナノワイヤを形成するときの問題点を説明する図である。
【図２】実施形態の電子デバイスの作用を説明する図である。
【図３】実施例１の電子デバイスの構成例を示す図である。
【図４】実施例１の電子デバイスの製造工程図である。
【図５】実施例１の電子デバイスの製造工程図である。
【図６】導電性薄膜を形成する開口部領域の開口形状の例を示す図である。
【図７】低容量化のための変形例を示す図である。
【図８】実施例２の電子デバイスの構成を示す図である。
【図９】実施例３の電子デバイスの構成を示す図である。
【図１０】実施形態の電子デバイスの適用例として、無線通信システムで用いられる電波受信機の模式図である。
【図１１】実施形態の電子デバイスの適用例として、ＩｏＴ（Internet  of  Things）センサの発電機の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施形態では、ナノワイヤを用いた電子デバイスとその製造方法を提供する。実施形態の電子デバイスは、小電力及び／または高周波を扱うデバイス一般に有用であり、特に無線通信や電波発電における高周波の受信（検波）性能の向上に効果を発揮する。
【００１２】
図１は、半絶縁性の半導体基板上に導電性薄膜１０５とナノワイヤダイオード２００を形成するときの問題点を説明する図である。半絶縁性の半導体基板として、汎用的な化合物半導体基板であるＧａＡｓ基板１０１を用いる場合を説明する。
【００１３】
ナノワイヤダイオード２００を下部電極１０３と電気的に接続するために、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１の上に導電性薄膜１０５が形成される。ナノワイヤダイオード２００に接続される導電性薄膜１０５は、転位等の欠陥がない、良好な結晶性を有する半導体薄膜であることが求められる。ＧａＡｓと性質が近く、狭バンドギャップの材料はＩｎＧａＡｓである。導電性薄膜１０５として、たとえばｎ型のＩｎＧａＡｓの薄膜を成長する。ナノワイヤダイオード２００は、導電性薄膜１０５に接続されるｎ型のＩｎＡｓ（「ｎ−ＩｎＡｓ」と標記されてもよい）のナノワイヤ２０１と、ｐ型化合物半導体のナノワイヤ２０２で形成されている。
【００１４】
デバイスの抵抗を下げる観点から、導電性薄膜１０５として、できるだけインジウム（Ｉｎ）の組成比が大きいＩｎＧａＡｓを用いることが望ましい。しかし、ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓの格子不整合の影響により、良好な結晶性を維持して積層できる膜厚とＩｎの組成の間に制限がある。たとえば、導電性薄膜１０５に必要とされる１００ｎｍ程度の膜厚を得るには、Ｉｎ組成が高々５％のＩｎＧａＡｓを用いるのが限界である。Ｉｎ組成が５％よりも高いＩｎＧａＡｓを用いると、成膜の途中で歪みを開放するための転位が高密度に発生し、結晶性が劣化するため、デバイス性能が損なわれる。
【００１５】
容量の点では、導電性薄膜１０５を加工して不要な部分をエッチング除去する際に、ナノワイヤ２０１、２０２に対する保護とリソグラフィ精度の観点から、ナノワイヤ２０１、２０２から十分に離れたところでエッチングが行われる。そのため、寄生容量を十分に低減することが難しい。また、ナノワイヤ２０１の成長に先立って導電性薄膜１０５が形成されたエピタキシャル基板を用意するので、工程が煩雑になる。
【００１６】
図２は、実施形態のナノワイヤ素子２０を用いた電子デバイスの作用を説明する図である。ナノワイヤ素子２０は、半絶縁性の半導体基板１１の表面から縦方向（基板面と垂直な方向）に延伸し、半導体基板１１の上に絶縁膜１２を介して配置されている導電性薄膜１５と電気的に接続されている。絶縁膜１２は、サブミクロンサイズの複数の開口１３が形成された開口領域１４と、開口領域１４の端部に形成されたサブミクロン径の単一の穴１３２を有する。開口１３と穴１３２は、絶縁膜１２を貫通して半導体基板１１に到達している。穴１３２の径は、ナノワイヤの成長触媒を配置する空間を確保する観点と、ナノワイヤの機械的強度を得る観点から、たとえば１００ｎｍ〜５００ｎｍである。開口１３は、径または少なくとも１つの方向での最大幅がサブミクロンサイズであればよい。
【００１７】
導電性薄膜１５は、開口領域１４において、開口１３内の半導体基板１１の表面を起点として成長し、絶縁膜１２の表面で横方向（面内方向）に拡がっている。導電性薄膜１５のうち、開口１３内を充填する部分は、半導体基板１１に接続するレッグ１５１となっている。
【００１８】
ナノワイヤ素子２０は、単一の穴１３２の内部の半導体基板１１の表面を起点として、基板面と垂直な方向（縦方向）に延伸している。ナノワイヤ素子２０は、半導体基板１１の基板面に対して垂直な方向に接合されたナノワイヤ２１とナノワイヤ２２を含む。ナノワイヤ２１は、導電性薄膜１５と同じ組成、同じ導電型であり、導電性薄膜１５に接続されている。ナノワイヤ２２は、ナノワイヤ２１と異なる組成、異なる導電型を有する。ナノワイヤ２１とナノワイヤ２２の界面はヘテロ接合となっている。
【００１９】
穴１３２の内部に触媒を配置しておくことで、導電性薄膜１５とナノワイヤ２１を結晶成長により同時に形成する際に、ナノワイヤ２１の垂直方向への成長を促進する。絶縁膜１２上での導電性薄膜１５の横方向への成長により、開口領域１４の端部で、導電性薄膜１５とナノワイヤ２１が電気的に接続される。導電性薄膜１５の一部に金属の電極パッドまたは下部電極２７が配置され、外部への接続端子となる。
【００２０】
この構成によると、半絶縁性の半導体基板１１として安価なＧａＡｓ基板を用い、導電性薄膜１５としてＩｎ組成が大きなＩｎＧａＡｓを用いた場合でも、良好な結晶性を有する導電性薄膜１５とナノワイヤ素子２０を得ることができる。また、導電性薄膜１５を所望の面積と形状に成長することができる。その結果、電気抵抗と寄生容量を低減することができる。
【００２１】
ここで、導電性薄膜１５の形成領域、すなわち複数の開口１３が形成された開口領域１４での結晶成長メカニズムについて説明する。サブミクロン径の開口１３の内部では、半導体結晶が横方向に歪みを開放することができる。そのため、格子不整合の材料であっても、歪みの蓄積が原因となる転位の発生を抑制して結晶成長が上向き（基板面と垂直な方向）に進む。その後、絶縁膜１２上の開放空間に達したところで、結晶は基板面と垂直な方向だけなく水平な方向（横方向または面内方向）に成長が進む。成長条件の適切に選ぶことで、上方向と横方向の成長速度比を変えることができ、横方向の成長を優勢にすることも可能である。
【００２２】
絶縁膜１２上での成長は、束縛を受ける要素がないため無転位のまま成長が進行する。横方向の成長をさらに進めていくことで、各開口１３から成長する結晶同士が互いに接続する。このとき、各開口１３から成長する結晶材料が同一材料であること、および土台となるＧａＡｓ基板が単結晶であり、各開口１３部からの結晶はその結晶方位を引き継いでいることから、良好な単結晶の導電性薄膜１５を得ることができる。
【００２３】
一方、金（Ａｕ）の触媒を施した単一の穴１３２の内部では、Ａｕ触媒の効果によって成長速度が他の開口１３と比べて大きくなる。絶縁膜１２上においても、Ａｕ触媒の効果によって上方向に選択的に成長が進むことから、ナノワイヤ２１を形成することが可能となる。ナノワイヤ２１と導電性薄膜１５は、導電性薄膜１５の成長が横方向に進むことによって接続される。
複数の開口１３がサブミクロンサイズであるという条件は、少なくとも１方向に対してサブミクロンオーダーであればよい。たとえば、幅がサブミクロンのスリット状の開口１３や、格子状の開口１３を用いてもよい。開口１３を円形、多角形等の穴で形成する場合は、開口１３のサイズが全周に渡って制限されているため、無転位の導電性薄膜１５が形成される点でより好ましい。開口１３の具体的な形状については、後述する。
サブミクロン径の開口１３内で結晶が横方向に歪を開放することの理由を説明する。横方向への歪みの解放は、サブミクロン径の開口内での結晶成長に特徴的にみられる現象である。まず、開口が制限されていない基板上での薄膜成長を微視的に説明する。
【００２４】
基板上に成長原料が供給されると、底面サイズが約３０ｎｍ〜５０ｎｍの原子層ディスクが成長の初期核として形成される。その後、この初期核（原子層ディスク）に対してステップフロー成長を起こし、テラスが広がることで薄膜が形成される。このとき、薄膜は下地の基板の原子に拘束されるように結合する。よって薄膜が歪み材料の場合は、横方向（基板の面内方向）には、基板との格子不整合に相当する量の歪が蓄積される。
【００２５】
次に、サブミクロン径の開口１３内での成長について、微視的に見ていく。開口１３内には、初期核の原子層ディスクが形成され、開口１３の径に近づくまで薄膜ディスクが拡がるところまでは同じである。ところが、開口１３の内壁を形成する絶縁膜１２の存在によって、薄膜ディスクの横方向の成長は絶縁膜１２に接触する前に停止する。このとき、薄膜と絶縁膜１２の壁との間に結合はなく、絶縁膜１２から薄膜に対する力は働かない。よって、ディスクの周囲は歪み開放端として作用する。また、歪みを受ける要素そのものも、基板との小さな接触面に限られるため、トータルの歪エネルギーは、解放された基板面に形成される薄膜と比較して大幅に低減することができる。歪みの低減により、各開口１３から絶縁膜１２上に拡がる導電性薄膜１５は、転位の少ない良好な結晶性を有し、電気抵抗を低くすることができる。
【００２６】
実施形態の構成では、転位が抑制された結晶性の良い導電性薄膜１５が形成され、導電性薄膜１５と同じ材料、同じ組成で形成されるナノワイヤ２１が導電性薄膜１５に接続されているので、デバイス全体の抵抗を低減することができる。また、複数の開口１３を形成する開口領域１４のサイズ、形状を適切に限定することにより、電極パッドまたは下部電極２７を形成する領域にだけ導電性薄膜１５を配置することができ、寄生容量を低減することができる。したがって、ナノワイヤ素子２０の感度と高周波特性を活かして、ナノワイヤ素子２０を用いたデバイスの性能を向上することができる。さらに、導電性薄膜１５とナノワイヤ２１を一括成長で形成することができるので、あらかじめエピ膜が施された特殊な基板を用いずに電子デバイスを作製することができる。
【実施例１】
【００２７】
図３は、実施例１の電子デバイス１０の構成例を示す。電子デバイス１０は、図２の構成に基づいている。電子デバイス１０は、ナノワイヤ素子の一例として、ナノワイヤバックワードダイオード１２０を有する。バックワードダイオードは電圧の低い範囲で導通の立ち上がりが急峻であり、検波器、高周波整流器など、高周波対応のデバイスに適している。
【００２８】
ナノワイヤバックワードダイオード１２０は、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１と、ｐ型ＧａＡｓＳｂ（「ｐ−ＧａＡｓＳｂ」と標記されてもよい）のナノワイヤ１２２の接合により形成されている。ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１と、ｐ−ＧａＡｓＳｂのナノワイヤ１２２は基板面と垂直な方向に接合されており、接合界面はヘテロ接合となっている。
【００２９】
ナノワイヤバックワードダイオード１２０は、半絶縁性の半導体基板１１の上に形成されている。半導体基板１１として、半絶縁性のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板を用いる。半導体基板１１上に形成されている絶縁膜１２の一部の領域に、ｎ−ＩｎＡｓの導電性薄膜１５が形成されている。ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１は導電性薄膜１５に接続され、かつ絶縁膜１２を貫通して半導体基板１１の表面に接続されている。
【００３０】
導電性薄膜１５の一部に下部電極２７が配置され、下部電極２７が配置された領域を除く導電性薄膜１５上に、ｐ−ＧａＡｓＳｂの薄膜２３が配置されている。このｐ−ＧａＡｓＳｂの薄膜２３は、後述するようにｐ−ＧａＡｓＳｂのナノワイヤ１２２の成長と同時に導電性薄膜１５上に形成される。
【００３１】
ｐ−ＧａＡｓＳｂのナノワイヤ１２２は、絶縁膜３１上の正極の電極３６に接続されている。下部電極２７は、ビアコンタクト３３を介して、絶縁膜３１上の負極の電極３５に接続されている。負極の電極３５と正極の電極３６に逆方向のバイアス電圧を印加することで、ｐ型ＧａＡｓＳｂの価電子帯からｎ型ＩｎＡｓの伝導帯に電子が流れる。ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１と導電性薄膜１５の抵抗は低減されており、また、寄生容量も低減されているので、ナノワイヤバックワードダイオード１２０の動作特性は良好である。
【００３２】
図４と図５は、図３の電子デバイス１０の製造工程を示す。図４（Ａ）で、半導体基板１１としての半絶縁性のＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板の上に、成長マスクとなる絶縁膜１２を形成する。絶縁膜１２として、たとえば、厚さ５０ｎｍのシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を堆積する。ＳｉＮ膜に替えて、シリコン酸化（ＳｉＯ2）膜やその他の絶縁膜を用いてもよい。絶縁膜１２の所定の領域に、導電性薄膜を形成するための複数の開口１３と、ナノワイヤを形成するための穴１３２をリソグラフィにより形成する。複数の開口１３が形成された領域は開口領域１４となる。穴１３２は開口領域１４の端部に位置する。穴１３２の中に、ナノワイヤ成長の金属触媒１９となる金属薄膜を堆積する。金属薄膜のディスクの直径は２０〜１００ｎｍのものが好ましい。金属触媒１９の材料は、たとえば金（Ａｕ）である。これにより、結晶成長用の基板が完成する。
【００３３】
図４（Ｂ）で、ｎ−ＩｎＡｓをたとえばＭＯＣＶＤ法によって成長温度４００〜４５０℃で成長する。原料ガスとして、たとえばトリメチインジウム（ＴＭＩｎ）と、アルシン（ＡｓＨ3）を用いる。ｎ型のドーピングには、成長時に硫化水素（Ｈ2Ｓ）を供給して硫黄（Ｓ）をドープする。Ｓ濃度は、たとえば１×１０18〜１×１０20ｃｍ-3とする。この結晶成長時に、金属触媒のない複数の開口１３の内部では、ｎ−ＩｎＡｓが横方向への歪みのない状態でまず上方（基板面と垂直な方向）に成長し、開口１３の外に出ると横方向（面内方向）に成長して、開口領域１４に導電性薄膜１５が形成される。金属触媒を有する穴１３２の内部では、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１が成長する。ナノワイヤ１２１の長さが１μｍになるように結晶成長を行う。ナノワイヤ１２１の成長と同時に開口領域１４に形成される導電性薄膜１５の厚さは、開口領域１４での開口１３とマスク（絶縁膜１２）の面積比によって調整することができる。たとえば、導電性薄膜１５の厚さが１００ｎｍとなるように面積比が調整される。
【００３４】
図４（Ｃ）で、ｐ−ＧａＡｓＳｂをたとえば成長温度５００〜５５０℃で成長する。原料ガスとして、たとえばトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、アルシン（ＡｓＨ3）、トリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を用いる。ｐ型のドーピングには、成長時にジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を供給してＺｎをドープする。Ｚｎ濃度は、たとえば１×１０18〜１×１０20  ｃｍ-3とする。結晶成長量は、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１上にｐ−ＧａＡｓＳｂのナノワイヤ１２２が１μｍ成長する量とする。このとき、開口領域１４の導電性薄膜１５の上に、厚さ１００ｎｍのｐ−ＧａＡｓＳｂの薄膜２３が形成される。ｐ−ＧａＡｓＳｂの薄膜２３とｐ−ＧａＡｓＳｂのナノワイヤ１２２は、間にｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１が介在するため電気的に接続されない。ドーピング濃度とバンドギャップを適切に制御することにより、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１とｐ−ＧａＡｓＳｂのナノワイヤ１２２の界面にトンネル接合が形成され、バックワードダイオードとして機能させることができる。
【００３５】
図４（Ｄ）で、ｐ−ＧａＡｓＳｂの薄膜２３の一部を除去し、ｎ−ＩｎＡｓの導電性薄膜１５の上に金属パッドまたは下部電極２７を形成する。下部電極２７の金属材料には、たとえばＡｕＧｅを用いる。
【００３６】
図５（Ａ）で、全面を樹脂等の絶縁膜３１で埋め込む。絶縁膜３１で埋め込む前に、ナノワイヤ保護のために、ナノワイヤ１２１、１２２の周囲に、たとえば膜厚５〜１０ｎｍの保護膜をＡＬＤ（Atomic  Layer  Deposition：原子層堆積法）で形成してもよい。保護膜として、たとえばＡｌ2Ｏ3膜が用いられる。
【００３７】
図５（Ｂ）で、絶縁膜３１の所定の位置にドライエッチングで開口を形成し、下部電極２７を露出し、開口内に金属（たとえばＡｕ）を埋め込んでビアコンタクト３３を形成する。
【００３８】
図５（Ｃ）で、絶縁膜３１をナノワイヤ１２２の頭頂部が露出するまでエッチングし、絶縁膜３１上に正極の電極３６と負極の電極３５を形成する。正極の電極３６は、露出したｐ−ＧａＡｓＳｂのナノワイヤ１２２の端面と接続する。負極の電極３５は、ビアコンタクト３３及び下部電極２７を介して、導電性薄膜１５とｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１と電気的に接続される。この後、たとえば不要な絶縁膜３１を除去することで、さらに低容量化を図ってもよい。
【００３９】
上述した製造工程では、ナノワイヤバックワードダイオード１２０は、たとえば１００ｎｍ径の穴１３２から成長した１本のナノワイヤで形成されているが、これに限定されない。穴１３２の径を広げてｎ型半導体で複数のナノワイヤ１２１を成長し、連続してｐ型半導体で複数のナノワイヤ１２２を成長してナノワイヤバックワードダイオード１２０を形成してもよい。この場合、ナノワイヤバックワードダイオード１２０の機械的強度を高めることができる。ナノワイヤバックワードダイオード１２０の構成材料は、ｎ−ＩｎＡｓとｐ−ＧａＡｓＳｂのヘテロ接合に限定されず、既知の組み合わせを用いることができる。たとえば、ｐ−ＧａＳｂ／ｉ−ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＧａＡｓのヘテロ構造を用いてもよい。
【００４０】
図６は、開口領域１４に形成される複数の開口１３の形状の例を示す。図６（Ａ）では開口領域１４ａに複数の円形の開口１３ａが配置されている。開口領域１４ａは、触媒となる金属触媒１９が配置される穴１３２の方向に向かって先細りになり、開口領域１４ａないに、複数の円形の開口１３ａが所定のピッチで形成されている。開口１３ａの径はサブミクロン径であり、たとえば２００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍである。開口１３ａの径を２００ｎｍ以下にすることで、欠陥の少ない結晶性の良い導電性薄膜１５を形成することができる。
【００４１】
上述したように、サブミクロン径の開口１３ａの内部では、半導体結晶が横方向（面内方向）に歪みを開放することができる。開口の直径は小さいほど半絶縁性の半導体基板１１との間の拘束面積が小さくなり、面内方向の歪みを開放して基板と垂直な方向に均一な結晶が成長する。発明者は、非特許文献２に示されている格子不整合（％）の関数としての臨界直径の実験データ曲線から、実用的な化合物半導体材料であるＩｎ0．3Ｇａ0．7Ａｓ（歪２％）を開口１３ａ内に無転位で形成できる直径は２００ｎｍ以下であると解析した。開口１３ａの直径が１００ｎｍ以下のときは、結晶成長の初期核が１開口あたり１つ存在することになり、開口１３ａの内部で初期核の合体に伴う欠陥発生の確率をほぼゼロにすることができる。したがって、開口１３ａの直径を１００ｎｍ以下にすることがより望ましい。一方で、開口１３ａの直径が２０ｎｍを下回ると、初期核を１つ形成するのに十分な面積を確保することが困難になる。したがって、開口１３ａの直径は２０ｎｍ〜２００ｎｍであるのが望ましく、より好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。
【００４２】
図６（Ｂ）では、開口領域１４ｂに複数の六角形の開口１３ｂが形成されている。図６（Ｃ）でも、開口領域１４ｃに複数の六角形の開口１３ｃが形成されている。図６（Ｂ）と図６（Ｃ）で、金属触媒１９が配置される穴１３２に対して六角形の頂角が向く方向が異なっているが、いずれにおいても、六角形の開口の頂角が半導体基板１１の［１１０］方位を向くように配置されている。図６（Ｂ）と図６（Ｃ）で半導体基板１１の向きが異なるため、ナノワイヤ形成用の穴１３２に対する開口１３ｂと開口１３ｃの頂角の方向が異なっている。開口１３ｂと開口１３ｃを、六角形の頂角が［１１０］方位と平行な方向を向くように配置することで、導電性薄膜１５をウルツ鉱型結晶で形成した場合に、［１１−２０］方向で結晶同士が合体する。この場合は、ウルツ鉱型結晶特有の効果により、特に良好な結晶性を持った導電性薄膜１５が得られる。
【００４３】
図６（Ｄ）では開口領域１４ｄにスリット状の開口１３ｄが形成され、図６（Ｅ）では開口領域１４ｅにスリット状の開口１３ｅが形成されている。開口１３ｄと開口１３ｅでスリットの長軸方向が異なるが、開口の少なくとも一つの方向で開口径がサブミクロンとなればよいので、スリットの長軸はどの方向を向いていてもよい。図６（Ｄ）と図６（Ｅ）の例では、開口のサイズが制限される方向が１方向に限定されるため、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）と比較して開口内での歪み解放の効果はやや小さくなるが、スリット状の開口の幅、ピッチ、長さ等を適切に選択することで、歪解放と結晶性改善の効果を得ることができる。
【００４４】
図６（Ｆ）では、開口領域１４ｆに格子溝状の開口１３ｆが形成されている。図６（Ｄ）と図６（Ｅ）の開口パターンを足し合わせると、図６（Ｆ）の開口パターンになる。図６（Ｆ）では、開口のサイズが制限される箇所が増えるため、図６（Ｄ）と図６（Ｅ）と比較して歪解放の効果を向上することができる。
【００４５】
図６（Ｄ）〜図６（Ｆ）において、開口１３ｄ〜１３ｆの幅を２００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍとすることで、開口内に欠陥の少ない結晶を成長させることができる。図６に示す例以外にも、複数の開口１３を楕円形の穴としてもよい。この場合は、少なくとも短軸方向の径がサブミクロン、好ましくは２０ｎｍ〜２００ｎｍ、さらに好ましくは２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあればよい。多角形としては、六角形以外に、四角形、五角形、八角形など任意の形状を採用できる。
【００４６】
図６（Ａ）〜図６（Ｆ）で、開口の間隔は適宜調整可能である。ナノワイヤ形成用の穴１３２から最も近い開口１３までの距離ｄ１を、開口領域１４の隣接する開口１３間の距離ｄ２よりも大きくすることで、成長初期においてナノワイヤ１２１と導電性薄膜１５の成長の干渉が抑制される。開口領域１４において、隣接する開口１３間の間隔を２００ｎｍ以下とする場合は、半導体基板１１に対して良好な密着性が得られ、また、成長の早い段階で絶縁膜１２上に連続膜が形成されるというメリットがある。
【００４７】
図６で、開口領域１４ａ〜１４ｆの形状は、ナノワイヤ形成用の穴１３２の方向に頂点が向く５角形の形状をしているが、この例に限定されない。ナノワイヤへの寄生容量の影響を低減できればよいので、穴１３２の方向に頂点を有する三角形、菱形等の領域であってもよい。開口領域１４の形状を、ナノワイヤ形成用の穴１３２の方向に頂点が向く形状とすることで、開口領域１４に形成される導電性薄膜１５が、点接触または線接触に近い状態でｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１と接続され、寄生容量を低減することができる。
【００４８】
＜変形例＞
図７は、図２の変形例を示す。図２では、導電性薄膜１５は絶縁膜１２の表面に接して面内方向に連続する薄膜であった。図７では、導電性薄膜１５は、絶縁膜１２の表面との間に空間１６を保って面内方向で連続して延設されている。開口１３内の外でも基板面と垂直な方向への結晶成長を促進し、その後横方向への成長を促進する等、成長条件を適切に制御することで、空間１６を設けることができる。たとえば、成長の前半は、V/III比（リアクタに供給するＶ族とIII族の原料の分圧比または分子数比）を低く設定して開口１３から基板と垂直な方向への成長を促進する。その後、V/III比を高くして、横方向（面内方向）の成長を促進する。一例として、成長の前半は原料ガスとしてトリブチルヒ素（ＴＢＡｓ）を用い、成長の後半は原料ガスとしてアルシン（ＡｓＨ3）を用いることでV/III比を高くしてもよい。図７の構成は、低容量化の点で好ましい。
なお、絶縁膜１２の開口領域１４の形状をナノワイヤ形成用の穴１３２に向かって先細りの形状とすることで、導電性薄膜１５がナノワイヤ２１と点接触または線接触に近い状態で接続されているのは、上述した実施例と同様である。
【実施例２】
【００４９】
図８は、実施例２の電子デバイス１０Ａの構成例を示す。電子デバイス１０Ａは、ナノワイヤのＰＮ接合に替えて、ショットキー接合を利用する。電子デバイス１０Ａは、ナノワイヤ素子としてショットキーバリアダイオード１２０Ａを有する。
【００５０】
ショットキーバリアダイオード１２０Ａは、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１と、ナノワイヤ１２１と金属の電極３６の界面領域４１に形成されるショットキー障壁を有する。電極３６の仕事関数が、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１の仕事関数よりも大きいときにショットキー接合が形成される。
【００５１】
ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１は、実施例１と同様に、絶縁膜１２に形成された穴１３２の内部で半絶縁性の半導体基板１１の表面を起点として成長し、絶縁膜１２上のｎ−ＩｎＡｓの導電性薄膜１５と接続している。ｎ−ＩｎＡｓの導電性薄膜１５は、実施例１と同様に、絶縁膜１２の開口領域１４に形成された複数の開口１３の内部で、半絶縁性の半導体基板１１の表面を起点として成長し、絶縁膜上１２の開口領域１４で面内方向に拡がっている。
【００５２】
導電性薄膜１５の一部に下部電極２７が配置され、下部電極２７はビアコンタクト３３を介して絶縁膜３１上の電極３５に接続されている。ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１、導電性薄膜１５、及び下部電極２７が形成された基板全体を絶縁膜３１で埋め込み、下部電極２７に到達するビアホールを形成して、ビアホール内に金属を埋め込んでビアプラグ３３を形成する。その後、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１の上端が露出するまで絶縁膜３１の厚さを低減し、平坦化する。ビアプラグ３３に接続する電極３５と、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤの上面に接続する電極３６を金属で形成する。
【００５３】
電極３５と電極３６に順方向のバイアス電圧を印加することで、ショットキー障壁を乗り越えた電子がｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１から電極３６に流れる。逆方向のバイアス電圧を印加する場合は、ショットキー障壁の存在によって、順方向より電流が流れにくくなる。その結果、順方向に電流が多く流れる（整流性をもった）ダイオード特性が得られる。
電子デバイス１０Ａは、複数の開口１３から成長して面内方向に連続した結晶性のよい導電性薄膜１５を有する。導電性薄膜１５はナノワイヤ１２１と同じ材料、同じ組成で形成され、ナノワイヤ１２１と点接触または線接触に近い状態で接続されている。これにより、抵抗と寄生容量が低減された高性能のナノワイヤデバイスが得られる。
【実施例３】
【００５４】
図９は、実施例３の電子デバイス１０Ｂの構成例を示す。電子デバイス１０Ｂは、ナノワイヤ素子１２０Ｂを用いたトランジスタを有する。ナノワイヤ素子１２０Ｂは、図９（Ｂ）に示すように、ｎ−ＩｎＡｓのナノワイヤ１２１と、ｐ−ＧａＡｓＳｂのナノワイヤ１２２が基板と垂直方向に接合されており、ナノワイヤ１２１及び１２２の外周に、絶縁薄膜１２５が形成されている。
【００５５】
絶縁薄膜１２５は、一例としてＡＬＤ法で形成される膜厚５〜１０ｎｍのＡｌ2Ｏ3膜であり、ゲート絶縁膜として機能する。図９（Ａ）に示すように、電子デバイス１０Ｂは、ゲート電極５１、ソース電極５２、及びドレイン電極５３を有する。ゲート電極５１は、ビアプラグ４６と水平配線４５を介して、ナノワイヤ素子１２０Ｂのｐ−ｎ接合部１２６に相当する位置に接続されている。ゲート電極５１からｐ−ｎ接合部１２６に、絶縁薄膜１２５を介してゲート電圧が印加される。
【００５６】
トランジスタ構成を除くその他の構成は実施例１と同じであり、重複する説明を省略する。実施例３においても、ナノワイヤ１２１は、複数の開口１３から成長して面内方向に連続した結晶性のよい導電性薄膜１５に接続されており、低抵抗、低寄生容量のトランジスタを得ることができる。
【００５７】
＜電子デバイスの適用例＞
図１０は、実施形態のナノワイヤダイオードを備えた大容量無線通信システムの電波受信機６０の概略図である。電波受信機６０は、受信アンテナ６１、受信アンテナに接続されたローノイズアンプ６２、ローノイズアンプ６２に接続されたナノワイヤダイオード１３０、ローノイズアンプ６２に接続されたインダクタ６３、及び出力端子を有する。
【００５８】
受信アンテナ６１で受信された電波は、ローノイズアンプ６２で増幅され、ナノワイヤダイオード１３０で半波整流され、インダクタ６３でインピーダンス整合されて、出力端子から出力される。ナノワイヤダイオード１３０として、たとえば図２のナノワイヤ素子２０や、実施例１のナノワイヤバックワードダイオード１２０を用いることができる。
【００５９】
ナノワイヤダイオード１３０は、従来のダイオードよりも接合容量が小さく、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。また、複数のナノワイヤを束ねて用いる場合は十分な機械的強度を有する。ナノワイヤダイオード１３０の機械的強度と優れた高周波特性により、信頼性の高い大容量無線通信ネットワークシステムが実現する。
【００６０】
図１１は、実施形態のナノワイヤダイオードを備えた、いわゆるＩｏＴ（Internet  of  Things）センサの発電機７０の概略図である。発電機７０は、受信アンテナ７１、受信アンテナ７１と接続されたナノワイヤダイオード１３０−１及び１３０−２、ナノワイヤダイオード１３０−１及び１３０−２と接続された平滑キャパシタ７２、ナノワイヤダイオード１３０−１及び１３０−２と接続された電圧一定化回路７３、及び出力端子を有する。
【００６１】
受信アンテナ７１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。ナノワイヤダイオード１３０−１及び１３０−２は交互に導通して、受信アンテナ７１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７２により、安定したＤＣ（直流）出力が得られる。電圧一定化回路７３は、ＤＣ出力を一定値にする。出力端子は、ＩｏＴセンサの電源に接続されており、整流されて一定値となったＤＣ出力が、ＩｏＴセンサの電源に供給される。
【００６２】
図１１の構成でも、ナノワイヤダイオード１３０−１、１３０−２の機械的強度と優れた高周波特性により、マイクロ波等の微小な電力を高いエネルギー変換効率でハーベスティングすることができる。これにより、低電力で動作可能なＩｏＴセンサを、電池等を用いずに駆動することができる。
【００６３】
以上、特定の実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらの例に限定されず、各実施例の構成を任意に組み合わせてもよい。たとえば、実施例１のナノワイヤバックワードダイオード１２０と、実施例３のナノワイヤトランジスタを同時に形成して、ナノワイヤダイオードとナノワイヤトランジスタを有する電子デバイスを製造してもよい。また、図８の電子デバイス１０Ａや図９の電子デバイス１０Ｂで、図７のように絶縁膜１２と導電性薄膜１５の間に空間１６を設けて寄生容量を低減してもよい。
【００６４】
以上の説明に対して、以下の付記を呈示する。
（付記１）
半絶縁性の半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置され、複数のサブミクロンサイズの開口が形成された開口領域と前記開口領域の端部に設けられた穴とを有する絶縁膜と、
前記絶縁膜の上で前記開口領域に配置される導電性薄膜と、
前記穴の中の前記半導体基板の表面から基板面と垂直な方向に延伸する第１のナノワイヤと、
を有し、
前記第１のナノワイヤは前記導電性薄膜と同じ導電型、かつ同じ組成を有し、
前記導電性薄膜は前記開口の内部を充填し、前記絶縁膜の上で前記第１のナノワイヤと接続されていることを特徴とする電子デバイス。
（付記２）
前記絶縁膜と前記導電性薄膜の間に空間が設けられていることを特徴とする付記１に記載の電子デバイス。
（付記３）
前記基板面と垂直な方向で前記第１のナノワイヤと接合され、前記第１のナノワイヤと異なる組成、異なる導電型を有する第２のナノワイヤ、
をさらに有することを特徴とする付記１または２に記載の電子デバイス。
（付記４）
前記第１のナノワイヤと前記第２のナノワイヤの外周を覆う絶縁薄膜と、
前記絶縁薄膜を介して前記第１のナノワイヤと前記第２のナノワイヤの接合部に接続されるゲート電極と、
をさらに有することを特徴とする付記３に記載の電子デバイス。
（付記５）
前記第１のナノワイヤの上端面と接触する金属層、
をさらに有し、前記第１のナノワイヤと前記金属層の界面にショットキー障壁が形成されていることを特徴とする付記１または２に記載の電子デバイス。
（付記６）
前記開口領域は、前記穴に向かって先細りの形状を有することを特徴とする付記１〜５の何れかに記載の電子デバイス。
（付記７）
前記導電性薄膜と前記ナノワイヤは点接触または線接触で接続されていることを特徴とする付記６に記載の電子デバイス。
（付記８）
前記開口は、円形、楕円形または多角形の形状を有することを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の電子デバイス。
（付記９）
前記開口の径は２０ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする付記８に記載の電子デバイス。
（付記１０）
前記開口は六角形の開口であり、前記開口の頂角が前記半導体基板の［１１０］方位と平行な方向を向いていることを特徴とする付記８又は９に記載の電子デバイス。
（付記１１）
前記開口は、スリットまたは格子溝であることを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の電子デバイス。
（付記１２）
前記スリットまたは前記格子溝の最大幅は２０ｎｍ〜２００ｎｍであることを特徴とする付記１１に記載の電子デバイス。
（付記１３）
前記穴から前記開口領域の中で最も近い開口までの距離は、前記開口領域の中で隣接する開口間の距離よりも大きいことを特徴とする付記１〜１２のいずれかに記載の電子デバイス。
（付記１４）
複数の前記開口の間隔は２００ｎｍ以下であることを特徴とする付記１〜１３のいずれかに記載の電子デバイス。
（付記１５）
半絶縁性の半導体基板の上に、複数のサブミクロンサイズの開口が形成された開口領域と前記開口領域の端部に設けられた穴とを有する絶縁膜を形成し、
前記穴の中に金属触媒を配置し、
前記開口と前記穴の内部で前記半導体基板の表面から第１の導電型の半導体結晶を成長し、
前記開口の内部から成長して前記開口領域で前記絶縁膜と水平な方向に連続して拡がる導電性薄膜を、前記穴の内部から前記半導体基板の前記表面と垂直な方向に成長した第１のナノワイヤに接続させる、
ことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
（付記１６）
前記第１の導電型の半導体結晶を、前記開口の中から前記絶縁膜の表面を超えて前記半導体基板の表面と垂直な方向に成長した後で、前記半導体基板の表面と水平な方向に成長して前記導電性薄膜を形成し、
前記導電性薄膜と前記絶縁膜の表面の間に空間を形成する、
ことを特徴とする付記１５に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１７）
前記導電性薄膜と前記第１のナノワイヤの上に、前記第１の導電型と異なる第２の導電型の半導体結晶を成長する、
ことを特徴とする付記１５または１６に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１８）
前記第１のナノワイヤの上に、前記第２の導電型の第２のナノワイヤを成長し、
前記第１のナノワイヤと前記第２のナノワイヤの外周を絶縁薄膜で被覆し、
前記絶縁薄膜を介して前記第１のナノワイヤと前記第２のナノワイヤの接合部に接続されるゲート電極を形成する、
ことを特徴とする付記１７に記載の電子デバイスの製造方法。
（付記１９）
前記第１のナノワイヤの上端面と接触する金属層を形成することを特徴とする付記１５または１６に記載の電子電場椅子の製造方法。
【符号の説明】
【００６５】
１、２、３  光送信器
１０、１０Ａ、１０Ｂ  電子デバイス
１１  半導体基板
１２、３１  絶縁膜
１３  開口
１４  開口領域
１５  導電性薄膜
１６  空間
１９  金属触媒
２０、１２０Ｂ  ナノワイヤ素子
２１、１２１  ナノワイヤ（第１のナノワイヤ）
２２、１２２  ナノワイヤ（第２のナノワイヤ）
２３  薄膜
２７  下部電極
３３  ビアコンタクト
３５  電極
３６  電極（金属層）
４５  水平配線
４６  ビアプラグ
５１  ゲート電極
５２  ソース電極
５３  ドレイン電極
６０  電波受信機
６１、７１  受信アンテナ
６２  ローノイズアンプ
６３  インダクタ
７０  発電機
７２  平滑キャパシタ  
７３  電圧一定化回路
１２０  ナノワイヤバックワードダイオード
１２５  絶縁薄膜
１２６  ｐ−ｎ接合部
１２０Ａ  ショットキーバリアダイオード
１３０、１３０−１、１３０−２  ナノワイヤダイオード
１３２  穴
１５１  レッグ
【図１】
2019016710.tif 000003
【図２】
2019016710.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019016710.tif 000006
【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】
2019016710.tif 000011
【図１０】
2019016710.tif 000012
【図１１】
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