(57)【要約】【課題】半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、電気的特性を良好にする。【解決手段】化合物半導体により形成された半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された前記半導体基板の基板面より上方に延びる化合物半導体により形成された半導体ナノワイヤと、前記半導体基板の上の前記半導体ナノワイヤの周囲に、金属材料により形成された下部電極層と、前記下部電極層の上に形成された絶縁膜と、を有し、前記半導体ナノワイヤは前記半導体基板側の第１の導電型の第１のナノワイヤ領域と、前記第１のナノワイヤ領域に接触している前記半導体基板とは反対側の第２の導電型の第２のナノワイヤ領域とを有しており、前記半導体ナノワイヤの前記第１のナノワイヤ領域の前記半導体基板側の周囲は、前記下部電極層と接触していることを特徴とする半導体デバイスにより上記課題を解決する。【選択図】図３
2019153639.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体により形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された前記半導体基板の基板面より上方に延びる化合物半導体により形成された半導体ナノワイヤと、
前記半導体基板の上の前記半導体ナノワイヤの周囲に、金属材料により形成された下部電極層と、
前記下部電極層の上に形成された絶縁膜と、
を有し、
前記半導体ナノワイヤは前記半導体基板側の第１の導電型の第１のナノワイヤ領域と、前記第１のナノワイヤ領域に接触している前記半導体基板とは反対側の第２の導電型の第２のナノワイヤ領域とを有しており、
前記半導体ナノワイヤの前記第１のナノワイヤ領域の前記半導体基板側の周囲は、前記下部電極層と接触していることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項２】
前記第１のナノワイヤ領域の前記半導体基板側には、前記第１のナノワイヤ領域の他の部分よりも不純物元素の濃度の高い高濃度領域が形成されており、
前記高濃度領域の周囲において、前記下部電極層と接触していることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項３】
前記半導体ナノワイヤは、III−Ｖ族化合物半導体により形成されており、
前記高濃度領域には、Ｓｎがドープされていることを特徴とする請求項２に記載の半導体デバイス。
【請求項４】
前記第１の導電型はｎ型であり、
前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項５】
前記第１のナノワイヤ領域は、ＩｎＡｓを含む材料により形成されており、
前記第２のナノワイヤ領域は、ＧａＡｓＳｂを含む材料により形成されている請求項１から４のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項６】
前記半導体基板は、半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、
前記下部電極層は、Ａｕを含む材料により形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の半導体デバイス。
【請求項７】
アンテナと、
前記アンテナに接続された請求項１から６のいずれかに記載の半導体デバイスと、
を有することを特徴とする受信機。
【請求項８】
化合物半導体により形成された半導体基板の上に、金属材料により下部電極層、絶縁材料により絶縁膜を順に積層して形成する工程と、
前記下部電極層及び前記絶縁膜に開口部を形成し、前記開口部における前記半導体基板の上に触媒層を形成する工程と、
化合物半導体を形成する一方の元素を含むガスと、他方の元素を含むガスとを供給することにより、前記触媒層が形成されている領域に化合物半導体を成長させて、半導体ナノワイヤを形成する工程と、
を有し、
前記触媒層を形成している材料の融点は、前記下部電極層を形成している材料の融点よりも低いことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記半導体ナノワイヤを形成する工程において、前記半導体ナノワイヤの成長温度は、触媒層を形成している材料の融点を超え、前記下部電極層を形成している材料の融点未満であることを特徴とする請求項８に記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記半導体ナノワイヤは、III−Ｖ族化合物半導体により形成されており、
前記触媒層は、ＡｕとＳｎとを含む材料であることを特徴とする請求項８または９に記載の半導体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、半導体デバイス、受信機及び半導体デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な縦型半導体デバイスを形成する手法として、ボトムアップにより半導体ナノワイヤを形成し、この半導体ナノワイヤをコアとして縦型半導体デバイスを形成する方法がある。半導体ナノワイヤは、半導体基板の表面に、半導体ナノワイヤが形成される領域に開口部を有するマスクを形成し、ＭＯＶＰＥ（Metalorganic  vapor  phase  epitaxy：有機金属気相成長）法による結晶成長により形成することができる（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、半導体ナノワイヤを用いた縦型半導体デバイスとしては、III−Ｖ族化合物半導体ナノワイヤを用いた縦型トランジスタ等が開示されている（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−３４１１５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Tomas  Bryllert，Lars-Erik  Wernersson，Linus  E．Froberg，and  Lars  Samuelson，“Vertical  High-Mobility  Wrap-Gated  InAs  Nanowire  Transistor”IEEE  ELECTRON  DEVICE  LETTERS，VOL．27，NO．5，MAY  2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスでは、半導体基板の上の高濃度に不純物元素がドープされた導電性を有する半導体層の上に、半導体ナノワイヤが形成されている。この導電性を有する半導体層には、半導体デバイスの下部電極が接触しており、導電性を有する半導体層がコンタクト層となっている。
【０００７】
ところで、半導体ナノワイヤは直径が小さく細長い形状のものであり、導電性を有する半導体層との接触面積は極めて狭く、半導体ナノワイヤと導電性を有する半導体層との接触部分における抵抗が高い。このため、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、良好な高周波特性等の電気的特性を得ることができない場合がある。
【０００８】
よって、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、電気的特性の良好なものが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施の形態の一観点によれば、化合物半導体により形成された半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された前記半導体基板の基板面より上方に延びる化合物半導体により形成された半導体ナノワイヤと、前記半導体基板の上の前記半導体ナノワイヤの周囲に、金属材料により形成された下部電極層と、前記下部電極層の上に形成された絶縁膜と、を有し、前記半導体ナノワイヤは前記半導体基板側の第１の導電型の第１のナノワイヤ領域と、前記第１のナノワイヤ領域に接触している前記半導体基板とは反対側の第２の導電型の第２のナノワイヤ領域とを有しており、前記半導体ナノワイヤの前記第１のナノワイヤ領域の前記半導体基板側の周囲は、前記下部電極層と接触していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
開示の半導体デバイスによれば、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、電気的特性を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスの説明図
【図２】第１の実施の形態における半導体デバイスの説明図
【図３】第１の実施の形態における半導体デバイスの構造図
【図４】第１の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（１）
【図５】第１の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（２）
【図６】第１の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（３）
【図７】第１の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（４）
【図８】第１の実施の形態における半導体デバイスの変形例１の構造図
【図９】第１の実施の形態における半導体デバイスの変形例２の構造図
【図１０】第２の実施の形態における半導体デバイスの構造図
【図１１】第２の実施の形態における半導体デバイスの説明図
【図１２】第２の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（１）
【図１３】第２の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（２）
【図１４】第２の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（３）
【図１５】第２の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（４）
【図１６】第２の実施の形態における半導体デバイスの製造方法の工程図（５）
【図１７】第３の実施の形態における電波受信機の説明図
【図１８】第３の実施の形態における発電機の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１３】
〔第１の実施の形態〕
最初に、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、良好な電気的特性を得ることができない理由について説明する。
【００１４】
図１は、半導体ナノワイヤを用いた半導体デバイスとして、半導体ナノワイヤを用いたダイオード（ナノワイヤダイオード）について説明する。このナノワイヤダイオードは、半導体基板９１０の上に、導電性を有する導電性半導体層９１１が形成されており、この導電性半導体層９１１の上に、半導体ナノワイヤ９２０が、半導体基板９１０の基板面に略垂直に延びるように形成されている。
【００１５】
半導体基板９１０は、半絶縁性の半導体基板であり、不純物元素がドープされていないノンドープのＧａＡｓ基板が用いられている。不純物元素のドープされていないＧａＡｓ基板は抵抗が高いため、半絶縁性基板と呼ばれる。導電性半導体層９１１は、不純物元素としてＳｉが１×１０１８〜１×１０１９の濃度でドープされているｎ−ＧａＡｓ層であり、このようにＧａＡｓにＳｉを高濃度でドープすることにより導電性を得ることができる。
【００１６】
半導体ナノワイヤ９２０は、下部のｎ−ＩｎＡｓ領域９２１と上部のｐ−ＧａＡｓＳｂ領域９２２により形成されており、ｎ−ＩｎＡｓ領域９２１とｐ−ＧａＡｓＳｂ領域９２２との間でｐｎ接合が形成され、縦型のダイオードが形成される。
【００１７】
導電性半導体層９１１の上には、ｎ側電極９３１が形成されており、半導体ナノワイヤ９２０のｐ−ＧａＡｓＳｂ領域９２２の上部にはｐ側電極９３２が形成されている。また、導電性半導体層９１１の上には、半導体ナノワイヤ９２０及びｎ側電極９３１が形成されている領域を除く領域に、ＳｉＮ等の絶縁膜９４０が形成されている。尚、ｐ側電極９３２は、半導体ナノワイヤ９２０を成長させるための触媒となる金属であってもよいが、便宜上、ｐ側電極９３２と記載する。
【００１８】
図1に示す構造のナノワイヤダイオードでは、一点鎖線１Ａにより囲まれた導電性半導体層９１１と、半導体ナノワイヤ９２０の下部のｎ−ＩｎＡｓ領域９２１との接触部分の抵抗が高くなる。具体的には、半導体ナノワイヤ９２０は、直径が約１００ｎｍの細長い形状のものである。従って、この場合における導電性半導体層９１１と、半導体ナノワイヤ９２０の下部のｎ−ＩｎＡｓ領域９２１との接触面積、即ち、半導体ナノワイヤ９２０の底面９２１ｂの面積は、５０２×πｎｍ２であり極めて狭い。よって、接触部分において抵抗が高くなる。
【００１９】
このように、導電性半導体層９１１と半導体ナノワイヤ９２０の下部のｎ−ＩｎＡｓ領域９２１との接触部分の抵抗が高いと、半導体デバイスにおいて、良好な高周波特性を得ることができず、また、消費電力が大きくなる。従って、図１に示される構造のナノワイヤダイオードでは、良好な電気的特性を得ることができない。
【００２０】
このため、ナノワイヤを用いた半導体デバイスにおいて、電気的特性が良好なものが求められている。
【００２１】
（半導体デバイス）
次に、図２に基づき本実施の形態における半導体デバイスであるナノワイヤダイオードについて説明する。本実施の形態におけるナノワイヤダイオードでは、半導体基板１０の上に、半導体ナノワイヤ２０が上方に延びるように、例えば、半導体基板１０の基板面に略垂直に延びるように形成されている。
【００２２】
半導体基板１０には、半絶縁性の半導体基板であり、不純物元素がドープされていないＧａＡｓ結晶基板が用いられている。
【００２３】
半導体ナノワイヤ２０は、下部のｎ−ＩｎＡｓ領域２１と上部のｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２により形成されており、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１とｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２との間でｐｎ接合が形成され、縦型のダイオードが形成される。半導体ナノワイヤ２０の直径は、４０ｎｍ以上、５００ｎｍ以下であり、より好ましくは、５０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下であり、本実施の形態においては、約１００ｎｍとなるように形成されている。半導体ナノワイヤ２０のｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の上端にはｐ側電極５１が形成されている。本願においては、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１を第１のナノワイヤ領域と記載し、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２を第２のナノワイヤ領域と記載する場合がある。尚、ｐ側電極５１は、半導体ナノワイヤ２０を成長させるための触媒となる金属であってもよいが、便宜上、ｐ側電極５１と記載する。
【００２４】
半導体ナノワイヤ２０は全体の高さが１μｍ〜２μｍであり、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１の高さが０．５〜１μｍ、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の高さが０．５〜１μｍとなるように形成されている。半導体ナノワイヤ２０は、半導体基板１０の上に直接形成されており、半導体基板１０において半導体ナノワイヤ２０が形成されている面では、半導体ナノワイヤ２０が形成されている領域を除き、下部電極層３０となる金属膜により覆われている。尚、下部電極層３０の上には、ＳｉＮ等により絶縁膜４０が形成されている。下部電極層３０となる金属膜は、厚さが１００ｎｍ〜３００ｎｍのＡｕ膜であり、半導体ナノワイヤ２０のｎ−ＩｎＡｓ領域２１の側面２１ｃと接触している。半導体ナノワイヤ２０のｎ−ＩｎＡｓ領域２１において、下部電極層３０と接触している部分は、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１の他の部分よりも不純物濃度の高いｎ＋−ＩｎＡｓにより形成された高濃度領域２１ａとなっている。
【００２５】
本実施の形態においては、半導体ナノワイヤ２０のｎ−ＩｎＡｓ領域２１の側面２１ｃにおいて、下部電極層３０と接触しているが、この側面２１ｃの接触している部分の高さをｈ、半導体ナノワイヤ２０の半径をｒとした場合、接触部分の面積は２πｒｈとなる。ここで、ｒを５０ｎｍ、ｈを１００ｎｍとすると、１００２×πｎｍ２となる。一方、図１に示す構造の半導体デバイスでは、半導体ナノワイヤ９２０の下端となる底面９２１ｂの接触部分の面積はπｒ２であり、ｒを５０ｎｍ、ｈを１００ｎｍとすると、５０２×πｎｍ２となる。従って、本実施の形態における半導体デバイスは、図１に示す構造の半導体デバイスに比べて、接触面積を約４倍広くすることができ、この部分における抵抗を約１／４にすることができる。尚、半導体ナノワイヤ２０の底面２１ｂと半導体基板１０との接触部分の面積はπｒ２であり、ｒを５０ｎｍ、ｈを１００ｎｍとすると、５０２×πｎｍ２である。
【００２６】
また、半導体ナノワイヤは直径がサブミクロン、具体的には、５００ｎｍ以下であり、直径が大きくなると半導体ナノワイヤではなくなることから、半導体ナノワイヤの太さには上限があり、これに対応して、半導体ナノワイヤの底面の面積にも上限がある。更に、半導体ナノワイヤの直径を小さくすればするほど半導体ナノワイヤの直径も小さくなるため、この部分の抵抗が高く傾向が顕著となる。
【００２７】
しかしながら、本実施の形態においては、半導体ナノワイヤ２０の側面２１ｃにおいて下部電極層３０が接触しているため、下部電極層３０の厚さを厚くすれば、接触面積を増やすことができ、抵抗を低くすることができる。これにより、本実施の形態における半導体デバイスにおいては、高周波特性を向上させることや、消費電力を低くすること等が可能となり、電気的特性を向上させることができる。
【００２８】
本実施の形態においては、高濃度領域２１ａを除く、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１では、ｎ型となる不純物元素としてＳｎが１×１０１８ｃｍ−３以上、２×１０１９ｃｍ−３以下の濃度でドープされている。また、高濃度領域２１ａでは、ｎ型となる不純物元素としてＳｎが３×１０１９ｃｍ−３以上、１×１０２１ｃｍ−３以下の濃度でドープされている。また、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２では、ｐ型となる不純物元素としてＺｎが１×１０１８ｃｍ−３以上、１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度でドープされている。
【００２９】
従って、高濃度領域２１ａにおける不純物元素の濃度は、高濃度領域２１ａを除くｎ−ＩｎＡｓ領域２１の不純物元素の濃度よりも高い。また、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１の高濃度領域２１ａの側面２１ｃにおいて下部電極層３０と接触しているため、この接触している部分の不純物濃度を高くして、オーミックコンタクトさせることにより、抵抗を低くすることができる。このように、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１の高濃度領域２１ａと下部電極層３０とが接触している部分に、双方の材料によるアロイを形成することにより、抵抗を低くすることができる。
【００３０】
図３は、本実施の形態における半導体デバイスであるナノワイヤダイオードの構造を示すものである。このナノワイヤダイオードはナノワイヤバックワードダイオードであり、絶縁膜４０の上に、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）等により樹脂層４１が形成されている。樹脂層４１は絶縁体であり、半導体ナノワイヤ２０の上端と略同じ高さとなるように形成されている。絶縁膜４０及び樹脂層４１には、絶縁膜４０及び樹脂層４１を貫通する貫通孔が形成されており、この部分を埋め込むことにより下部電極層３０と接触するｎ側電極３１が形成される。また、半導体ナノワイヤ２０のｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の上端にはｐ側電極３２が形成されている。樹脂層４１は絶縁性を有しているため、絶縁膜４０と樹脂層４１とにより厚い絶縁層が形成される。
【００３１】
図３に示される構造のナノワイヤバックワードダイオードは、１本の半導体ナノワイヤ２０により形成されているものであるが、これに限定されるものではない。本実施の形態における半導体デバイスは、例えば、複数の半導体ナノワイヤ２０により形成されるナノワイヤバックワードダイオードであってもよい。また、ナノワイヤバックワードダイオードにおける半導体ナノワイヤを形成している材料はｎ−ＩｎＡｓとｐ−ＧａＡｓＳｂのヘテロ接合に限定されるものではなく、例えば、ｐ−ＧａＳｂ／ＧａＡｓ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ等の構造のものであってもよい。
【００３２】
（半導体デバイスの製造方法）
次に、本実施の形態における半導体デバイスの製造方法について説明する。
【００３３】
最初に、図４（ａ）に示すように、半導体基板１０の上に、下部電極層３０、絶縁膜４０を形成する。
【００３４】
半導体基板１０には、不純物元素がドープされていない半絶縁性（ＳＩ：semi-insulating）−ＧａＡｓ（１１１）Ｂ基板が用いられている。
【００３５】
下部電極層３０は、ＥＢ（electron  beam）蒸着等により、膜厚が１００ｎｍ〜３００ｎｍのＡｕ膜を成膜することにより形成されている。
【００３６】
絶縁膜４０は、成長マスクとなる層であり、プラズマＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition：化学気相成長）により、膜厚が約５０ｎｍのＳｉＮ膜を成膜することにより形成されている。
【００３７】
次に、図４（ｂ）に示すように、半導体ナノワイヤ２０が形成される領域に、下部電極層３０、絶縁膜４０に開口部を形成し、開口部において露出している半導体基板１０の表面にＡｕＳｎにより触媒層５０を形成する。具体的には、絶縁膜４０の表面にＥＢレジストを塗布し、ＥＢ描画装置によるＥＢ描画、現像を行うことにより、半導体ナノワイヤ２０が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域の絶縁膜４０及び下部電極層３０をドライエッチングにより除去することにより、絶縁膜４０及び下部電極層３０に開口部を形成する。絶縁膜４０を形成しているＳｉＮはＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）等により除去し、下部電極層３０を形成しているＡｕ膜はＡｒ等のイオンエッチングにより除去する。これにより、レジストパターンの形成されていない領域において、半導体基板１０の表面を露出させる。この後、ＥＢ蒸着によりＡｕＳｎ膜を成膜した後、有機溶剤に浸漬させることにより、レジストパターンの上に形成されたＡｕＳｎ膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、開口部における半導体基板１０の表面にＡｕＳｎにより触媒層５０が形成される。このようにして形成される触媒層５０は、半導体ナノワイヤの成長触媒となるものであり、直径は２０ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００３８】
次に、図５（ａ）に示すように、半導体ナノワイヤ２０を例えばＭＯＣＶＤ（metal  organic  chemical  vapor  deposition）により形成する。半導体ナノワイヤ２０を成長させる際の成長温度は、２８０℃〜３００℃であり、ＡｕＳｎの融点を超えているため、液滴化し、ＶＬＳ（Vapor-Liquid-Solid）モード成長により、半導体ナノワイヤ２０が形成される。尚、Ａｕの融点は１０６４℃であり、半導体ナノワイヤ２０の成長温度よりも低いため、半導体ナノワイヤ２０の成長により、下部電極層３０は変化することはない。即ち、本実施の形態においては、半導体ナノワイヤ２０の成長温度は、触媒層５０を形成しているＡｕＳｎの融点を超える温度であって、下部電極層３０の融点未満の温度である。
【００３９】
半導体ナノワイヤ２０が成長し、上方に伸びていく際に、半導体ナノワイヤ２０の側面が下部電極層３０とが接触し、電気的に接続される。ＡｕＳｎを触媒に用いた場合には、ＡｕＳｎに含まれるＳｎのＩｎＡｓへの固溶度が高く、ＡｕのＩｎＡｓへの固溶度は極めて低く無視することができるため、半導体ナノワイヤ２０にはＳｎのみ取り込まれる。従って、不純物元素を意図的にドープしなくとも、不純物元素としてＳｎが高濃度にドープされているｎ＋−ＩｎＡｓナノワイヤが半導体ナノワイヤ２０の成長初期に形成される。本実施の形態においては、この部分が、下部電極層３０と接触するｎ−ＩｎＡｓ領域２１の高濃度領域２１ａとなる。
【００４０】
尚、ＡｕＳｎにより形成される触媒層５０が液滴化される際に、Ａｕにより形成されている下部電極層３０まで巻き込まれることのないように、開口部の径は、触媒層５０の径よりも若干広く形成されていることが好ましい。開口部において触媒層５０と下部電極層３０との間に隙間があっても、半導体ナノワイヤ２０が成長により上へ伸びる際には、横方向にもゆっくりと成長するため半導体ナノワイヤ２０の直径も大きくなる。このため、半導体ナノワイヤ２０は成長により下部電極層３０に接触し、半導体ナノワイヤ２０と下部電極層３０とが電気的に接続される。
【００４１】
本実施の形態においては、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１を高さ、即ち、ナノワイヤ長が１μｍとなるまで結晶成長させる。ｎ−ＩｎＡｓ領域２１を形成する際の原料には、例えば、トリメチインジウム（ＴＭＩｎ）、アルシン（ＡｓＨ３）が用いられる。また、ｎ型となる不純物元素は、触媒層５０であるＡｕＳｎに含まれるＳｎによりドープされるが、原料としてテトラメチルスズ（ＴＭＳｎ）を供給してもよく、また、シラン（ＳｉＨ４）を供給することにより、ｎ型となるＳｉをドープしてもよい。
【００４２】
この後、ＡｓＨ３を供給したままの状態（ＡｓＨ３雰囲気）で、基板をｐ−ＧａＡｓＳｂの成長温度である５００℃〜５５０℃まで加熱する。この加熱により、下部電極層３０を形成しているＡｕとｎ−ＩｎＡｓ領域２１との接触界面においてアロイ領域が形成される。
【００４３】
この後、この温度で、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２を高さ、即ち、ナノワイヤ長が１μｍとなるまで結晶成長させる。ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２を形成する際の原料には、例えば、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）が用いられる。ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２を成長させる際には、同時にジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）が供給されており、これにより、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２にはｐ型となる不純物元素としてＺｎがドープされる。ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２におけるＺｎの濃度は、例えば、１×１０１８ｃｍ−３以上、１×１０２０ｃｍ−３以下の濃度である。
【００４４】
本実施の形態においては、ドーピングされる不純物元素の濃度とバンドギャップとを適切に制御することにより、トンネル接合が形成され、バックワードダイオードを形成することができる。
【００４５】
次に、図５（ｂ）に示すように、原子層堆積（ＡＬＤ：Atomic  Layer  Deposition）法により、例えば膜厚が５ｎｍ〜１０ｎｍの酸化アルミニウム（ＡｌＯ）膜を成膜することにより、パッシベーション膜となる絶縁膜６０を形成する。これにより、触媒層５０、半導体ナノワイヤ２０の側面、絶縁膜４０の上は、形成された絶縁膜６０により覆われる。
【００４６】
次に、図６（ａ）に示すように、絶縁膜６０の上の全面に樹脂層４１を形成する。具体的には、スピンコーターによりＢＣＢ等を塗布した後、加熱し熱硬化させることにより、樹脂層４１を形成する。これにより、半導体ナノワイヤ２０が形成されている領域を含み絶縁膜６０の上が樹脂層４１により覆われる。
【００４７】
次に、図６（ｂ）に示すように、樹脂層４１、絶縁膜６０の一部及び触媒層５０をエッチバックにより除去し、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の上端を露出させ、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の上にｐ側電極３２を形成する。具体的には、樹脂層４１、絶縁膜６０の一部及び触媒層５０をエッチバックにより除去し、半導体ナノワイヤ２０のｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の上端を露出させる。このエッチバックはドライエッチングにより行う。この後、エッチバックされた樹脂層４１及びｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の表面に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、ｐ側電極３２が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、真空蒸着により、ＡｕＺｎ膜を成膜し、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上に成膜されたＡｕＺｎ膜をレジストパターンとともに、リフトオフにより除去する。これにより、残存するＡｕＺｎ膜によりｐ側電極３２が形成される。
【００４８】
次に、図７（ａ）に示すように、樹脂層４１、絶縁膜６０、絶縁膜４０を貫通する開口部４１ａを形成し、開口部４１ａにおいて、下部電極層３０の表面を露出させる。具体的には、樹脂層４１及びｐ側電極３２の上に、フォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、開口部４１ａが形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、レジストパターンの形成されていない領域における樹脂層４１、絶縁膜６０、絶縁膜４０をドライエッチングにより除去することにより、下部電極層３０の表面を露出させて開口部４１ａを形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
【００４９】
次に、図７（ｂ）に示すように、開口部４１ａをＡｕ膜により埋め込むことにより、ｎ側電極３１を形成する。具体的には、ｎ側電極３１が形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成し、Ａｕメッキにより、開口部４１ａにおいて露出している下部電極層３０の上に、Ａｕ膜を堆積させることによりｎ側電極３１を形成する。この後、不図示のレジストパターンは、有機溶剤等により除去する。
【００５０】
以上の工程により、本実施の形態における半導体デバイスを製造することができる。
【００５１】
（変形例１）
本実施の形態における半導体デバイスは、図８に示されるように、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１において高濃度領域２１ａが設けられていない構造のものであってもよい。このような構造の半導体デバイスであっても、半導体ナノワイヤ２０のｎ−ＩｎＡｓ領域２１と下部電極層３０との接触面積が広いため、この部分の抵抗を低くすることができる。また、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１の全体においてｎ型となる不純物元素の濃度を高くした構造のものであってもよい。
【００５２】
（変形例２）
また、本実施の形態における半導体デバイスは、図９に示されるように、半導体基板１０の上に、絶縁膜４２を形成し、絶縁膜４２の上に、下部電極層３０を形成した構造のものであってもよい。半導体基板１０と下部電極層３０との間に絶縁膜４２を形成することにより、半導体基板１０と下部電極層３０とが直接接触することを避けることができ、また、半導体基板１０と下部電極層３０との間の絶縁性を高くすることができる。このため、加熱した場合であっても、半導体基板１０に含まれるＧａＡｓと下部電極層３０に含まれるＡｕとのアロイ化を防ぐことができる。
【００５３】
〔第２の実施の形態〕
（半導体デバイス）
次に、第２の実施の形態における半導体デバイスであるナノワイヤトランジスタについて図１０及び図１１に基づき説明する。尚、図１０は、本実施の形態におけるナノワイヤトランジスタの断面図であり、図１１は、絶縁膜４０及び樹脂層１４０を透過した斜視図である。図１１においては、便宜上、絶縁膜６０は省略されている。本実施の形態におけるナノワイヤトランジスタでは、半導体基板１０の上に、半導体ナノワイヤ２０が、半導体基板１０の基板面に略垂直に延びるように形成されている。樹脂層１４０は絶縁性を有しており、絶縁膜４０、絶縁膜６０の一部、樹脂層１４０とにより厚い絶縁層が形成される。
【００５４】
半導体ナノワイヤ２０は、下部のｎ−ＩｎＡｓ領域２１と上部のｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２により形成されており、半導体ナノワイヤ２０の側面は絶縁膜６０により覆われている。ｎ−ＩｎＡｓ領域２１とｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２との接合部分と略同じ高さ位置には、絶縁膜６０を介しゲート電極層１３０が形成されており、ゲート電極層１３０にはゲート電極１３１が接続されている。半導体ナノワイヤ２０のｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の上端にはソース電極１３２が形成されており、半導体ナノワイヤ２０のｎ−ＩｎＡｓ領域２１の下端の近傍の側面は、下部電極層３０と接触しており、下部電極層３０はドレイン電極１３３と接続されている。
【００５５】
（半導体デバイスの製造方法）
次に、本実施の形態における半導体デバイスの製造方法について説明する。
【００５６】
最初に、図１２（ａ）に示すように、半導体基板１０の上に、下部電極層３０、絶縁膜４０を形成する。
【００５７】
次に、図１２（ｂ）に示すように、半導体ナノワイヤ２０が形成される領域において、下部電極層３０、絶縁膜４０に開口部を形成し、開口部において露出している半導体基板１０の表面にＡｕＳｎにより触媒層５０を形成する。
【００５８】
次に、図１３（ａ）に示すように、触媒層５０を用いて半導体ナノワイヤ２０を例えばＭＯＣＶＤにより形成する。
【００５９】
次に、図１３（ｂ）に示すように、原子層堆積法により、例えば膜厚が５ｎｍ〜１０ｎｍの酸化アルミニウム（ＡｌＯ）膜を成膜することにより、パッシベーション膜となる絶縁膜６０を形成する。
【００６０】
次に、図１４（ａ）に示すように、絶縁膜６０の上に樹脂層１４１を形成する。樹脂層１４１は、ＢＣＢ等により形成されており、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１とｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２との接合部分よりも若干下の位置の高さとなるように形成する。
【００６１】
次に、図１４（ｂ）に示すように、半導体ナノワイヤ２０を覆っている絶縁膜６０の上、及び、半導体ナノワイヤ２０の周囲の樹脂層１４１の上にＡｕ等により金属膜１３０ａを形成する。具体的には、樹脂層１４１の上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、金属膜１３０ａが形成される領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、真空蒸着により金属膜を成膜し、有機溶剤等に浸漬させることにより、レジストパターンの上の金属膜をレジストパターンとともに除去する。これにより、半導体ナノワイヤ２０を覆っている絶縁膜６０の上、及び、半導体ナノワイヤ２０の周囲の樹脂層１４１の上に金属膜１３０ａが形成される。
【００６２】
次に、図１５（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＡｓ領域２１とｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２との接合部分の近傍で絶縁膜６０と接している部分を除き、金属膜１３０ａを一部除去し、ゲート電極層１３０を形成する。具体的には、フォトレジストを塗布し、露光、現像をすることにより、半導体ナノワイヤ２０が形成されている領域に開口を有する不図示のレジストパターンを形成する。この後、Ａｒ等のイオンエッチングにより、フォトレジストの形成されていない領域において露出している金属膜１３０ａを除去し、この部分の絶縁膜６０を露出させる。これにより、残存する金属膜１３０ａによりゲート電極層１３０が形成される。この後、不図示のレジストパターンは有機溶剤等により除去する。
【００６３】
次に、図１５（ｂ）に示すように、樹脂層１４１及びゲート電極層１３０の上に、樹脂層１４２を形成する。樹脂層１４２は、ＢＣＢ等により形成されており、半導体ナノワイヤ２０が形成されている領域を含み絶縁膜６０の上は樹脂層１４２に覆わる。このように形成された樹脂層１４１と樹脂層１４２により樹脂層１４０が形成される。
【００６４】
次に、図１６に示すように、ゲート電極１３１、ソース電極１３２、ドレイン電極１３３を形成する。具体的には、樹脂層１４１及び触媒層５０をエッチバックにより除去し、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の上端を露出させ、ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域２２の上にソース電極１３２を形成する。この後、樹脂層１４０に、ゲート電極１３１及びドレイン電極１３３が形成される領域に開口部を形成する。この際形成される開口部は、ゲート電極１３１が形成される領域の開口部の底面では、ゲート電極層１３０の表面が露出しており、ドレイン電極１３３が形成される領域の開口部の底面では、下部電極層３０の表面が露出している。この後、各々の開口部をメッキにより埋め込むことにより、ゲート電極１３１及びドレイン電極１３３を形成する。
【００６５】
以上の工程により、本実施の形態における半導体デバイスを製造することができる。
【００６６】
〔第３の実施の形態〕
次に、第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態におけるナノワイヤダイオードを用いた電波受信機、及び、発電機である。
【００６７】
図１７に示されるように、本実施の形態における電波受信機２１０は、第１の実施の形態におけるナノワイヤダイオードを有する大容量無線通信システムの電波受信機である。この電波受信機２１０は、受信アンテナ２１１、ローノイズアンプ２１２、ナノワイヤダイオード２００、インダクタ２１３、及び、出力端子を有している。ナノワイヤダイオード２００には、第１の実施の形態におけるナノワイヤダイオードが用いられている。
【００６８】
この電波受信機２１０では、受信アンテナ２１１はローノイズアンプ２１２の入力に接続されており、ローノイズアンプ２１２の出力には、ナノワイヤダイオード２００のアノード、及び、インダクタ２１３の一方の端子に接続されている。ナノワイヤダイオード２００のカソードは接地されており、インダクタ２１３の他方の端子には出力端子が接続されている。
【００６９】
受信アンテナ２１１において受信された電波は、ローノイズアンプ２１２で増幅され、ナノワイヤダイオード２００で半波整流され、インダクタ２１３でインピーダンス整合されて、出力端子から出力される。
【００７０】
ナノワイヤダイオード２００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。ナノワイヤダイオード２００の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を実現することができる。尚、複数のナノワイヤを束ねて用いることにより十分な機械的強度を得ることも可能である。
【００７１】
また、図１８に示されるように、本実施の形態における発電機２２０は、第１の実施の形態におけるナノワイヤダイオードを用いたＩｏＴ（Internet  of  Things）センサの発電機である。この発電機２２０は、受信アンテナ２２１、ナノワイヤダイオード２０１及び２０２、平滑キャパシタ２２２、電圧一定化回路２２３、出力端子等を有している。発電機２２０では、受信アンテナ２２１は、ナノワイヤダイオード２０１のカソード及びナノワイヤダイオード２０２のアノードが接続されており、ナノワイヤダイオード２０１のアノードは接地されている。ナノワイヤダイオード２０２のカソードには、平滑キャパシタ２２２の一方の端子、及び、電圧一定化回路２２３の入力に接続されており、電圧一定化回路２２３の出力が出力端子に接続されている。尚、平滑キャパシタ２２２の他方の端子は接地されている。
【００７２】
受信アンテナ２２１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２０１及び２０２は交互に導通して、受信アンテナ２２１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２２２により、安定したＤＣ（直流）出力が得られる。電圧一定化回路２２３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。
【００７３】
本実施の形態における発電機２２０においては、ナノワイヤダイオード２０１及び２０２には、第１の実施の形態におけるナノワイヤダイオードが用いられている。このため、ナノワイヤダイオード２０１及び２０２の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。
【００７４】
以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。
【００７５】
上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
化合物半導体により形成された半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された前記半導体基板の基板面より上方に延びる化合物半導体により形成された半導体ナノワイヤと、
前記半導体基板の上の前記半導体ナノワイヤの周囲に、金属材料により形成された下部電極層と、
前記下部電極層の上に形成された絶縁膜と、
を有し、
前記半導体ナノワイヤは前記半導体基板側の第１の導電型の第１のナノワイヤ領域と、前記第１のナノワイヤ領域に接触している前記半導体基板とは反対側の第２の導電型の第２のナノワイヤ領域とを有しており、
前記半導体ナノワイヤの前記第１のナノワイヤ領域の前記半導体基板側の周囲は、前記下部電極層と接触していることを特徴とする半導体デバイス。
（付記２）
前記第１のナノワイヤ領域の前記半導体基板側には、前記第１のナノワイヤ領域の他の部分よりも不純物元素の濃度の高い高濃度領域が形成されており、
前記高濃度領域の周囲において、前記下部電極層と接触していることを特徴とする付記１に記載の半導体デバイス。
（付記３）
前記半導体ナノワイヤは、ＩＩＩ−V族化合物半導体により形成されており、
前記高濃度領域には、Ｓｎがドープされていることを特徴とする付記２に記載の半導体デバイス。
（付記４）
前記第１の導電型はｎ型であり、
前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載の半導体デバイス。
（付記５）
前記第１のナノワイヤ領域は、ＩｎＡｓを含む材料により形成されており、
前記第２のナノワイヤ領域は、ＧａＡｓＳｂを含む材料により形成されている付記１から４のいずれかに記載の半導体デバイス。
（付記６）
前記半導体基板は、半絶縁性のＧａＡｓ基板であり、
前記下部電極層は、Ａｕを含む材料により形成されていることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載の半導体デバイス。
（付記７）
アンテナと、
前記アンテナに接続された付記１から６のいずれかに記載の半導体デバイスと、
を有することを特徴とする受信機。
（付記８）
化合物半導体により形成された半導体基板の上に、金属材料により下部電極層、絶縁材料により絶縁膜を順に積層して形成する工程と、
前記下部電極層及び前記絶縁膜に開口部を形成し、前記開口部における前記半導体基板の上に触媒層を形成する工程と、
前記半導体ナノワイヤに含まれる化合物半導体のうちの一方の元素を含むガスと、他方の元素を含むガスとを供給することにより、前記触媒層が形成されている領域に化合物半導体を成長させて、半導体ナノワイヤを形成する工程と、
を有し、
前記触媒層を形成している材料の融点は、前記下部電極層を形成している材料の融点よりも低いことを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
（付記９）
前記半導体ナノワイヤを形成する工程において、前記半導体ナノワイヤの成長温度は、触媒層を形成している材料の融点を超え、前記下部電極層を形成している材料の融点未満であることを特徴とする付記８に記載の半導体デバイスの製造方法。
（付記１０）
前記半導体ナノワイヤは、III−Ｖ族化合物半導体により形成されており、
前記触媒層は、ＡｕとＳｎとを含む材料であることを特徴とする付記８または９に記載の半導体デバイスの製造方法。
（付記１１）
前記第１の導電型はｎ型であり、
前記第２の導電型はｐ型であることを特徴とする付記８から１０のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
（付記１２）
前記第１のナノワイヤ領域は、ＩｎＡｓを含む材料により形成されており、
前記第２のナノワイヤ領域は、ＧａＡｓＳｂを含む材料により形成されている付記８から１１のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
（付記１３）
前記半導体基板は、ＧａＡｓにより形成された半絶縁性基板であり、
前記下部電極層は、Ａｕを含む材料により形成されていることを特徴とする付記８から１２のいずれかに記載の半導体デバイスの製造方法。
【符号の説明】
【００７６】
１０        半導体基板
２０        半導体ナノワイヤ
２１        ｎ−ＩｎＡｓ領域
２１ａ      高濃度領域
２２        ｐ−ＧａＡｓＳｂ領域
３０        下部電極層
３１        ｎ側電極
３２        ｐ側電極
４０        絶縁膜
４１        樹脂層
５０        触媒層
６０        絶縁膜
【図１】
2019153639.tif 000003
【図２】
2019153639.tif 000004
【図３】
2019153639.tif 000005
【図４】
2019153639.tif 000006
【図５】
2019153639.tif 000007
【図６】
2019153639.tif 000008
【図７】
2019153639.tif 000009
【図８】
2019153639.tif 000010
【図９】
2019153639.tif 000011
【図１０】
2019153639.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2019153639.tif 000014
【図１３】
2019153639.tif 000015
【図１４】
2019153639.tif 000016
【図１５】
2019153639.tif 000017
【図１６】
2019153639.tif 000018
【図１７】
2019153639.tif 000019
【図１８】
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