(57)【要約】【課題】２次元電子層をチャネルとした電界効果トランジスタを用い、より容易に、室温条件でプラズモン共鳴が実現できるようにする。【解決手段】第１障壁層１０１，チャネル層１０２，第２障壁層１０３から構成された梁構造１０４を備え、梁構造１０４の周囲を取り巻く状態で、ゲート絶縁層１０５を介してゲート電極１０６が形成されている。梁構造１０４の延在方向がチャネル長方向となり、ゲート電極１０６は、梁構造１０４の延在方向に延在するチャネルの全周囲を取り巻く状態に配置される。【選択図】  図１
2015207651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１障壁層と、
半導体から構成されて前記第１障壁層の上に形成された二次元電子層が形成されるチャネル層と、
前記チャネル層の上に形成された第２障壁層と、
前記第１障壁層，前記チャネル層，前記第２障壁層から構成された梁構造と、
前記梁構造の前記第２障壁層の側の上面および前記梁構造の両側面にかけてゲート絶縁層を介して形成されたゲート電極と、
ソース電極およびドレイン電極と
を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記ゲート電極は、前記梁構造の周囲を前記ゲート絶縁層を介して取り巻く状態に形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体装置において、
前記第１障壁層および前記第２障壁層の一方に形成されたキャリア供給層を備えることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チャネルにプラズモン共鳴が生じる電界効果トランジスタより構成された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、我々の生活に必要不可欠な技術が、幅広い周波数における電磁波を用いて数多く確立されている。ここで、電磁波のなかで、一般的に３ＴＨｚよりも低い周波数を「電波」といい、３ＴＨｚよりも高い周波数を「光波」という。電波と光波の境を中心とする数百ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの周波数領域（テラヘルツ帯）の電磁波（以下、テラヘルツ波）は、電波の有する信号処理能力や透過性、光波の直進性など、両者の長所とも言える特徴を有する。
【０００３】
テラヘルツ波の応用技術として、イメージング技術、超高速通信システムの構築、また医療用生体計測システムなど、幅広く挙げることができる。これらを背景として、近年、テラヘルツ帯は、現在使用することのできる周波数帯の枯渇化問題の解決、また既存技術の飛躍的向上、新技術の可能性を持つ周波数帯として非常に期待されている。
【０００４】
今後、テラヘルツ帯の応用開発を行うためには、テラヘルツ波を発振・制御することのできる光源デバイスが必要であるが、いまだに室温で動作する小型集積化可能な光源デバイスは実現されていない。この中で、小型集積化技術が確立された電界効果型トランジスタ（Field Effect Transistor；ＦＥＴ）が、室温動作可能なテラヘルツ光源になり得る候補として期待されている。
【０００５】
例えば、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合による電界効果トランジスタでは、ゲート電極にバイアス電圧を印加すると、ゲート電極直下のチャネル領域に電子を誘引し、シート状の２次元電子層（２次元電子ガス）が形成される。この高濃度に凝縮された電子群は、流体として振る舞い、電子粗密の波を生じる。これが、２次元電子プラズマと呼ばれている。
【０００６】
２次元電子プラズマ波は、良好な電子輸送特性に加えて、チャネルを共振器としてみた場合、この共振器両端の境界条件が整えば、直流電流成分によって不安定性が誘発され、電子濃度とチャネル長により定まる特性周波数において共鳴振動を誘起する（非特許文献１，非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】M.Dyakonov et al. , "Shallow Water Analogy for a Ballistic Field Effect Transistor: New Mechanism of Plasma Wave Generation by dc Current", Physical Review Letters, vol.71, no.15, pp.2465-2468, 1993.
【非特許文献２】M. Dyakonov et al. , "Detection, Mixing, and Frequency Multiplication of Terahertz Radiation by Two-Dimensional Electronic Fluid", IEEE Transactions on Electron Devices, vol.43, no.3, pp.380-367,1996.
【非特許文献３】V. V. Popov et al. , "Oblique terahertz plasmons in graphene nanoribbon arrays", Physical Review B, vol.81, 073404, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、室温でプラズモン共鳴を生じさせようとした際、チャネル長方向に対して斜方向のプラズモンが誘起されやすく、チャネル長方向に沿ったプラズモンの誘起が阻害される。この結果、非共振のプラズモンが優性になり、共振モードを有するプラズモンが過減衰されるため、室温動作が困難になるという課題があった。
【０００９】
上述した問題に対する１つの解決方法として、幅１００ｎｍ程度の短冊状のグラフェンナノリボンをチャネルとし、ナノリボンの延在方向に沿ったプラズモンを増強し、共鳴周波数をテラヘルツ帯に到達させる理論がある（非特許文献３参照）。しかしながら、この技術では、グラフェンを幅１００ｎｍの短冊状にパターニングする必要があるが、このような微細加工は、リソグラフィー技術解像限界のため、制御性よく作製することは容易ではない。
【００１０】
以上に説明したように、従来では、２次元電子層をチャネルとした電界効果トランジスタを用い、室温条件でプラズモン共鳴を生じさせることが容易ではないという問題があった。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、２次元電子層をチャネルとした電界効果トランジスタを用い、より容易に、室温条件でプラズモン共鳴が実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る半導体装置は、第１障壁層と、半導体から構成されて第１障壁層の上に形成された２次元電子層が形成されるチャネル層と、チャネル層の上に形成された第２障壁層と、第１障壁層，チャネル層，第２障壁層から構成された梁構造と、梁構造の第２障壁層の側の上面および梁構造の両側面にかけてゲート絶縁層を介して形成されたゲート電極と、ソース電極およびドレイン電極とを備える。
【００１３】
上記半導体装置において、ゲート電極は、梁構造の周囲をゲート絶縁層を介して取り巻く状態に形成されているとよい。
【００１４】
上記半導体装置において、第１障壁層および第２障壁層の一方に形成されたキャリア供給層を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したことにより、本発明によれば、２次元電子層をチャネルとした電界効果トランジスタを用い、より容易に、室温条件でプラズモン共鳴が実現できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における半導体装置の一部構成を示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態における作用を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１，図２は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図１のａａ’線の断面が図２に示され、図２のｂｂ’線の断面が図１に示されている。
【００１８】
この半導体装置は、第１障壁層１０１と、半導体から構成されて第１障壁層１０１の上に形成された２次元電子層が形成されるチャネル層１０２と、チャネル層１０２の上に形成された第２障壁層１０３とを備える。また、この半導体装置は、第１障壁層１０１，チャネル層１０２，第２障壁層１０３から構成された梁構造１０４を備え、梁構造１０４の周囲を取り巻く状態で、ゲート絶縁層１０５を介してゲート電極１０６が形成されている。梁構造１０４の延在方向がチャネル長方向となり、ゲート電極１０６は、梁構造１０４の延在方向に延在するチャネルの全周囲を取り巻く状態に配置される。
【００１９】
例えば、基板１１１の上に犠牲層１１２，第１障壁層形成層１１３，チャネル層形成層１１４，第２障壁層形成層１１５が形成され、第１障壁層形成層１１３，チャネル層形成層１１４，第２障壁層形成層１１５をパターニングすることで、梁構造１０４が形成されている。
【００２０】
例えば、図３の平面図にも示すように、第１障壁層形成層１１３，チャネル層形成層１１４，第２障壁層形成層１１５を、パターニングすることで、開口部１２１を形成する。開口部１２１は、例えば、図１の紙面左右方向に延在する溝である。次に、開口部１２１を介して犠牲層１１２を選択的にエッチング除去することで、空間１２２を形成し、第１障壁層１０１が基板１１１より離間した状態として梁構造１０４を形成する。梁構造１０４は、平面視で幅１０〜３０ｎｍ程度とすればよい。
【００２１】
例えば、第１障壁層形成層１１３および第２障壁層形成層１１５をＩｎＡｌＡｓから構成し、チャネル層形成層１１４をＩｎＧａＡｓから構成すれば、これら各層を公知のリソグラフィー技術およびドライエッチング技術によりパターニングして開口部１２１を形成することで、第１障壁層１０１，チャネル層１０２，第２障壁層１０３とすることができる。また、犠牲層１１２をＩｎＰから構成すれば、塩酸系ウェットエッチング溶液を用いることで、開口部１２１を介して他の層に対して選択的に犠牲層１１２を除去して空間１２２が形成できる。
【００２２】
また、よく知られた等方的な堆積が可能なスパッタ装置を用い、梁構造１０４以外の領域をマスクパターンで覆った状態で絶縁材料を堆積すれば、梁構造１０４の周囲を取り巻くように、ゲート絶縁層１０５が形成できる。絶縁材料としては、酸化アルミニウム，酸化ハフニウム，酸化タンタルなどの酸化物を用いればよい。また、他の絶縁材料を用いてもよい。また、ゲート絶縁層１０５は、層厚〜１０ｎｍとすればよい。
【００２３】
また、上述同様に、よく知られた等方的な堆積が可能なスパッタ装置を用い、梁構造１０４以外の領域をマスクパターンで覆った状態でゲート材料を堆積すれば、梁構造１０４の周囲を取り巻く状態で、ゲート絶縁層１０５の上にゲート電極１０６が形成できる。なお、図示していないが、第２障壁層１０３の上には、梁構造１０４の延在方向においてゲート電極１０６を挾み、ソース電極およびドレイン電極が形成されている。
【００２４】
上述した実施の形態では、ゲート電極１０６からチャネルまでの距離が、各層の積層方向とこれに垂直な方向とで異なるところに大きな特長がある。なお、実施の形態では、積層方向は、基板１１１平面の法線方向であり、積層方向に垂直な方向は、基板１１１平面に平行な方向であり、２次元電子層によるチャネル幅の方向である。また、いずれの方向も、梁構造１０４の延在する方向に対して垂直な方向である。下では、便宜上、積層方向を基板垂直方法とし、積層方向に垂直な方向を基板水平方向とする。
【００２５】
図４の断面図に示すように、チャネルが形成されるチャネル層１０２に対し、基板垂直方向では、第１障壁層１０１およびゲート絶縁層１０５、または第２障壁層１０３およびゲート絶縁層１０５を挾んでゲート電極１０６が配置されている。図４は、梁構造１０４の延在方向に対して垂直な断面である。これに対し、基板水平方向では、チャネル層１０２に対し、ゲート絶縁層１０５のみを挾んでゲート電極１０６が配置される。このため、ゲート電極１０６からのチャネル層１０２への距離が、基板垂直方向と基板水平方向とで異なることになる。
【００２６】
上述した実施の形態における構成において、ゲート電極１０６にゲート電圧を印加した場合、空乏化はゲート電極１０６とチャネル間距離に応じて進むため、基板垂直方向の空乏領域４０１に比較して、基板水平方向の空乏領域４０２の方が、より大きくなる。このため、図４の紙面左右方向に延在する２次元電子層によるチャネル（不図示）は、基板垂直方向に細長い領域４０３に閉じ込められるようになり、実効的なチャネル幅が狭くなる。印加するゲート電圧を適宜に設定することで、幅が３０ｎｍ程度の梁構造１０４であっても、チャネル幅を１０ｎｍ以下に狭くすることができる。
【００２７】
この結果、プラズモン共鳴を阻害する斜方向プラズモンが抑制され、チャネル長方向（ソース・ドレイン方向）に沿ったプラズモンの良好な閉じ込めが実現され、強いプラズモン共鳴が得られるようになる。また、実施の形態では、従来よりプラズモン共鳴の到達が容易であるため、室温動作も可能になる。
【００２８】
なお、上述したことから明らかなように、ゲート電極は、梁構造の周囲を取り巻く状態に形成されている必要はない。基板水平方向にも空乏領域が形成されるようにすればよいので、ゲート電極は、梁構造の第２障壁層の側の上面および梁構造の両側面にかけて配置されていればよい。この構成では、第１障壁層の下に空間を形成する必要はない。ただし、梁構造の周囲をゲート絶縁層を介して取り巻く状態にゲート電極を形成し、梁構造の第１障壁層の側の下面にもゲート電極が配置される状態とした方が、ゲート制御などがより容易となり、より効果的である。
【００２９】
一般に、素子の形状のみで２次元プラズモンを誘起するためには、チャネルが形成される構造の幅を約１０ｎｍ以下にする必要がある。この幅は、より容易に２次元プラズモンを誘起するためには、より縮小した方がよい。このような微細な形状は、高度な微細加工技術が必要となり、再現性よく実現することが容易ではない。
【００３０】
これに対し、本発明では、梁構造１０４によるチャネル空乏化の制御により、梁構造１０４の幅を１０〜３０ｎｍ程度と比較的大きくしても、２次元プラズモンが誘起可能となる程度の１０ｎｍ以下のチャネル幅を実効的に得ることができる。このように、本発明によれば、標準的な微細加工技術で形成可能な１０〜３０ｎｍ程度の幅の構造を形成すればよく、製造が容易である。また、前述したように、強いプラズモン共鳴が実現できるとともに、ゲート電圧の値により２次元プラズモン共鳴の周波数同調も実現できる。
【００３１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から各層を構成したが、これに限るものではなく、窒化物半導体を用いてもよい。また、ひずみを導入したシリコンからチャネル層を構成することもできる。
【００３２】
また、障壁層内にキャリア供給層を挿入してチャネル層に２次元電子層を形成する高電子移動度トランジスタ構造としてもよい。いずれにしても、２次元電子層をチャネルとする電界効果トランジスタ動作が可能とされていればよい。また、梁構造の幅は、１０〜３０ｎｍに限るものではない。ゲート電圧による基板水平方向（チャネル幅方向）の空乏領域により閉じ込められる２次元電子層（チャネル）の幅が、１０ｎｍ以下となればよく、印加されるゲート電圧により、梁構造の幅は適宜に設定すればよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０１…第１障壁層、１０２…チャネル層、１０３…第２障壁層、１０４…梁構造、１０５…ゲート絶縁層、１０６…ゲート電極、１１１…基板、１１２…犠牲層、１１３…第１障壁層形成層、１１４…チャネル層形成層、１１５…第２障壁層形成層、１２１…開口部、１２２…空間。
【図１】
2015207651.tif 000003
【図２】
2015207651.tif 000004
【図３】
2015207651.tif 000005
【図４】
2015207651.tif 000006