(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法において、
電子漂流速度をｘ軸に設定するｘ軸設定ステップと、
プラズマ波速度をｙ軸に設定するｙ軸設定ステップと、
電子漂流速度によるプラズマ波速度の関係式とサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスのプラズマ波発生条件を用いて、デザインウィンドウを生成して素子の動作を判断する素子性能判断ステップと、
を含み、
前記サスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスのプラズマ波発生条件は、周波数条件、増加条件、及び不安定条件を含むことを特徴とするサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法。
【請求項２】
前記増加条件は、理想的なドレインインピーダンス及び有限インピーダンスを区分して判断することを特徴とする請求項１に記載のサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法。
【請求項３】
前記有限インピーダンスで増加条件は、ω’値を固定した周波数条件と交点を用いることを特徴とする請求項２に記載のサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法。
【請求項４】
素子性能判断ステップは、チャネル長さをｚ軸に設定するｚ軸設定ステップをさらに含み、３次元形状のデザインウィンドウを用いて素子性能を判断することを特徴とする請求項１に記載のサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サスペンデッドチャネルプラズマ波トランジスタの性能評価方法に関し、より詳しくは、デザインウィンドウを用いたスサスペンデッドチャネルプラズマ波トランジスタの性能評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ帯域の未開発周波数リソースであって、電磁波スペクトルで赤外線とミリ波の中間領域であり、現在の技術レベルでは進入障壁が極めて高いことから一種のテラヘルツギャップと認識される未開拓の技術分野である。テラヘルツ波技術は、最初には主に光学的な領域であったが、徐々にナノ級電子素子／素材技術が発達しながら光工学技術と電子工学技術が混在する態様に展開している。
【０００３】
電子工学技術として、ＲＴＤ（ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）、ＳＢＤ（ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｂａｒｒｉｅｒ  ｄｉｏｄｅ）などの受動素子に対する研究が活発に進行中であり、ＩＩＩ−Ｖ  ＨＢＴ、ＨＥＭＴ素子は、最近遮断周波数１ＴＨｚまで接近してＳｕｂ−ＴＨｚ動作が可能になった。一方、光工学技術として、光伝導スイッチ、光整流、差周波数発生（ＤＦＧ）、光パラメトリック、テラヘルツ量子カスケードレーザ（ＴＨｚ−ＱＣＬ）、及び単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ−ＰＤ）などのような素子の開発を現実化しながらテラヘルツ技術をより引っ張っている。
【０００４】
現在のナノトランジスタ技術は、より高い動作周波数のために持続的に２０ｎｍまでスケールダウンしているが、トランジットモード（ｔｒａｎｓｉｔ−ｍｏｄｅ）におけるチャネル縮小化だけでは５００ＧＨｚ以上の帯域で動作するには限界がある。これを克服するための新しい概念の素子であるプラズマ波トランジスタ（ｐｌａｓｍａ  ｗａｖｅ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＰＷＴ）は、チャネル電子密度の時空間の振動波として定義されるプラズマ波を用いてトランジットモード電子漂流速度の１０〜１００倍の速度で動作可能である。このような２Ｄチャネル電子密度のプラズマ共振現象を用いてトランジスタの遮断周波数よりも高い周波数領域で動作するテラヘルツ発振及び検出用プラズマ波トランジスタに対する素子研究は、テラヘルツギャップを埋めるための技術として世界的に多くの研究が行われている。
【０００５】
プラズマ波トランジスタを用いたテラヘルツ発振及び検出素子の研究は、１９９３年の米国ＲＰＩのＭｉｃｈａｅｌ  Ｓｈｕｒ教授が初めて提示した後、２０年間の実現及び応用への研究が米国、日本、ヨーロッパの大学を中心に進行しているが、依然として商用化レベルに達するテラヘルツ素子及び特性を評価するには技術的な困難が存在する。
【０００６】
一方、Terahertz Emitters、Detectors and Sensors:Current Status and Future Prospects、M.Ghanashyam Krishna、Sachin D.ｖKshirsagar and Surya P.Tewari、intech.とTerahertz Resonant Detection by Plasma Waves in Nanometric Transistors、F.Teppe、A.El Fatimy、S.Boubanga、D.Seliuta、G.Valusis、B.Chenaud and W.Knap、Proceedings of the 13th International Symposium UFPS.には、プラズマ波のための共振器を用いてテラヘルツ範囲内に到達する技術的な概要とドレイン−ソース電流やプラズマ波の周波数に関する相関関係ないしプラズマ波の速度及びドリフト速度の関係を理論的に解説している。
【０００７】
前記先行技術の理論を用いたプラズマ波トランジスタの性能を評価する方法が本出願人によって出願され、登録特許第１５２１１１６号として登録されている。前記特許は、共振型プラズマ波トランジスタをその対象にし、テラヘルツ発振器で適用特性を評価することを特徴としている。
【０００８】
一方、本出願人は、既存の共振型プラズマ波トランジスタの短所を克服したサスペンデッドチャネルプラズマ波トランジスタ（ＳＣ−ＰＷＴ、ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ  ｐｌａｓｍａ  ｗａｖｅ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を提案し、前記構成に基づいて発振器及び検出器の構成について特許第２０１４−０１９３０９８号に出願した。
【０００９】
前記ＳＣ−ＰＷＴ（又は、ＳＣ−ＰＷＤ、ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｃｈａｎｎｅｌ  ｐｌａｓｍａ  ｗａｖｅ  ｄｅｖｉｃｅ）の場合、共振型プラズマ波トランジスタと基本的な特性において差があり、従来の評価方法によって素子特性の評価は不適であるため、新しい方式の評価方法が求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記のような必要によって案出されたものであり、サスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの物理的特性を用いて当該素子のテラヘルツ発振の可能性を評価するサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために本発明は、サスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法において、電子漂流速度をｘ軸に設定するｘ軸設定ステップと、プラズマ波速度をｙ軸に設定するｙ軸設定ステップと、電子漂流速度によるプラズマ波速度の関係式とサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスのプラズマ波発生条件を用いて、デザインウィンドウを生成して素子の動作を判断する素子性能判断ステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
より好ましくは、前記サスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスのプラズマ波発生条件は、周波数条件、増加条件、及び不安定条件を含むことを特徴とする。
【００１３】
より好ましくは、前記増加条件は、理想的なドレインインピーダンス及び有限インピーダンスを区分して判断することを特徴とする。
【００１４】
より好ましくは、前記有限インピーダンスで増加条件は、ω’値を固定した周波数条件と交点を用いることを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、素子性能判断ステップは、チャネル長さをｚ軸に設定するｚ軸設定ステップをさらに含み、３次元形状のデザインウィンドウを用いて素子性能を判断することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法は、サスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの評価において、エミッション性能に影響を及ぼす性能パラメータを選定してその関係を導き出し、試験前にエミッタが理論的にいかなる性能を発現するかを検査できるデザインウィンドウを設計することで、サスペンデッドチャネルプラズマ波プラズマパデバイスがテラヘルツ発振器として動作できるかを容易に評価し、半導体素子に活用され得る様々な物質に対するエミッタ性能評価によって新しい素材を活用したサスペンデッドチャネルプラズマ波テラヘルツエミッタの開発を提案できる効果を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法の手続図である。
【図２】周波数条件によるデザインウィンドウグラフである。
【図３】増加条件によるデザインウィンドウグラフである。
【図４】有限インピーダンスを有する増加条件によるデザインウィンドウグラフである。
【図５】不安定条件によるデザインウィンドウグラフである。
【図６】全体条件によるデザインウィンドウグラフである。
【図７】実施形態１に係るデザインウィンドウグラフである。
【図８】実施形態２に係るデザインウィンドウグラフである。
【図９】実施形態３に係るデザインウィンドウグラフである。
【図１０】実施形態４に係るデザインウィンドウグラフである。
【図１１】実施形態５に係るデザインウィンドウグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る好適な実施形態を添付した図面を参照して具体的に説明する。
【００１９】
また、本発明に係るサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法は、下記の非特許文献で提案された関係式を用いて必要な数式を誘導してデザインウィンドウを示す。
【００２０】
非特許文献１：Michel Dyakonov、Laboratoire’de Physique Theorique et Asteropaticules、cc 070、Univesite’Montpellier H、34095 Montpellier、France
非特許文献２：Michael S.Shur、Rensselar Polytechnic Institute、CII-9017、ECSE and Broadband Data Transport Center、Try、New York 1218
非特許文献３：M.V.Cheremisin、Solid-State Electronics 52、338 2008
まず、２次元ＳＣ−ＰＷＤにおいて、拡散関係（ｄｉｓｐｅｒｔｉｏｎ  ｒｅｌａｔｉｏｎ）とプラズマ波速度（ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｏｆ  ｐｌａｓｍａ−ｗａｖｅ）は非特許文献１及び非特許文献２の関係式、チャネル内部プラズマ波関係式、オイラー式と連続方程式を用いる場合に次のように誘導される。
【００２１】
【化１】
0006530503.tif 000002
【００２２】
【数１】
0006530503.tif 000003
【００２３】
【数２】
0006530503.tif 000004
ここで、ωは角速度、ｅは電荷量、ｋは波数（ｗａｖｅ  ｎｕｍｂｅｒ）、νは電子漂流の速度、ｎ０は表面電子密度、ｋ±はそれぞれ下流（ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ）と上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）に対する波数、εは２Ｄチャネル物質の誘電定数、Ｓ±はプラズマ波速度を意味する。
【００２４】
そして、ｋ±は、非特許文献３に開示された波数と周波数の関係式を用いる場合、次の数式（３）のように誘導される。
【００２５】
【数３】
0006530503.tif 000005
ここで、αはプラズマ波の加速度成分であり、角周波数（Ａｎｇｕｌａｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙω’＋ｉω”）は次のように誘導される。
【００２６】
【数４】
0006530503.tif 000006
ここでω”＞０であれば、プラズマ波増幅が開始される。
【００２７】
そして、ドレイン反射係数は、ドレイン境界条件インピーダンス値がＺｄである場合に、数式（５）のように誘導される。
【００２８】
すなわち、次の式を用いて、
【００２９】
【化２】
0006530503.tif 000007
整理すると、
【００３０】
【数５】
0006530503.tif 000008
一方、ＳＣ−ＰＷＤは、次の表１のような条件下でテラヘルツ素子として動作する。
【００３１】
【表１】
0006530503.tif 000009
すなわち、ＳＣ−ＰＷＤのプラズマ波が発生する判定基準は、不安定（ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）、増加（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）及び周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）条件である。したがって、ＳＣ−ＰＷＤは、前記表１の条件下でテラヘルツ発振器として動作し、前記条件を各パラメータに対して説明する。
【００３２】
そして、ηを導入する場合、プラズマ波速度と電子漂流速度との関係を示す基本式は数式（６）のように整理される。
【００３３】
【数６】
0006530503.tif 000010
以下、本発明に係るサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法は、図１に示すように、電子漂流速度をｘ軸に設定するｘ軸設定ステップ（Ｓ１）、プラズマ波速度をｙ軸に設定するｙ軸設定ステップ（Ｓ２）、及び電子漂流速度によるプラズマ波速度の関係を示すデザインウィンドウを生成して素子の動作を判断する素子性能判断ステップ（Ｓ３）を含んで構成される。
【００３４】
以下、各ステップについて説明する。
【００３５】
ｘ軸設定ステップ（Ｓ１）
デザインウィンドウは、ｘ軸、ｙ軸、及び必要な場合にｚ軸を含む。
【００３６】
ここで、ｘ軸は電子漂流の速度ｖ０に設定する。前記ｖ０は０から次第に増加させる。
【００３７】
ｙ軸設定ステップ（Ｓ２）
デザインウィンドウのｙ軸を設定するステップであって、ｙ値はｘ値の変化により変化し、ここで、ｙ軸はプラズマ波速度ｓ＋に設定する。
【００３８】
素子性能判断ステップ（Ｓ３）
素子性能判断ステップ（Ｓ３）は、ｖ０値と素子パラメータであるチャネル長さＬ、チャネル幅Ｗ、移動度μ、ドレインインピーダンスＺｄの変化によるデザインウィンドウを生成してエミッタの動作範囲を判断するステップであって、表１の３つの条件を適用して素子の動作範囲を判断する。
【００３９】
１．周波数条件（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ  ｆ＜１０ＴＨｚ）
数式（４）及び数式（６）を用いる場合、角周波数の条件でプラズマ波速度と電子漂流速度の関係は数式（７）のように誘導される。
【００４０】
【数７】
0006530503.tif 000011
ここで、周波数の大きさによるプラズマ波速度と電子漂流の速度関係は、図２に示すグラフのように示される。
【００４１】
２．増加条件（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ、ω”＝０）
ω”＝０はｒｄ＝ｒｄ、ｉ＝ｒｄ、ｃとなる地点を意味するため、数式（４）及び数式（６）を用いて次のような数式（８）が誘導される。
【００４２】
【数８】
0006530503.tif 000012
前記数式（８）を用いた場合、図３に示すグラフを取得できる。
【００４３】
３．増加条件−有限Ｚｄ（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ、ω”＝０）
また、ω”＝０はｒｄ＝ｒｄ、ｉ＝ｒｄ、ｃとなる地点を意味するため、数式（４）及び数式（６）を用いてインピーダンスが追加されるため、数式（３）を追加すると、次のような数式（９）が誘導される。
【００４４】
【数９】
0006530503.tif 000013
しかし、前記数式（９）はω’を含んでいるため、ηの変化だけでウィンドウを図示することができない。したがって、別途の式が必要であれば、本発明では数式（７）及び数式（９）を使用し、ここで、ｖ０−ｖｏ’＝０の条件であり、この条件は数式（１０）に誘導される。したがって、ω’を固定した後、η値を数式（１０）の非線型方程式に解いて求める。
【００４５】
【数１０】
0006530503.tif 000014
数式（１０）と数式（９）を利用すると、図４に示すグラフを取得できる。
【００４６】
４．不安定条件（ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）
ｄｃ電流源の付加によりｖ０はチャネルの全般にわたって定数値を有するものと仮定し、ここで、最大速度は、ソースから電子が注入された速度ｖｉｎｊのように仮定し、また、ｖ０はプラズマ波速度ｓを超えない状況であると仮定すれば、条件はｖ０＝ｖｉｎｊに限定される。
【００４７】
前記の不安定条件を付加したグラフが図５に示す通りであり、全体の２つの条件を総合すると、図６に示すような最終デザインウィンドウを取得できる。
【００４８】
以下、本発明を実施形態によりさらに詳しく説明する。
【００４９】
実施形態１
移動度１０万のｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｇｒａｐｈｅｎｅ（ｍ＝０．０２ｍ０）をＬ（長さ）＝３００ｎｍ、Ｗ（幅）＝１０００ｎｍの大きさを有するチャネル物質に使用するとき、ＳＣ−ＰＷＤ  ＴＨｚエミッタのデザインウィンドウの変化を｜Ｚｄ｜により示したグラフを図７に示した。
【００５０】
実施形態２
移動度の変化によるデザインウィンドウの変化を図８に示した。前記図８に示すように、高い移動度で比較的に広いデザイン自由度を有するものと分析された。
【００５１】
実施形態３
同一の移動度を有するとき、チャネルの長さに対して変化するデザインウィンドウを図９に示した。同一のｍｉｎ．ｈを共有する。
【００５２】
前記図９に示すように、チャネル長さが長くなるにつれて次第にデザインウィンドウの幅が狭くなり、Ｌｍａｘに達すると、デザインウィンドウが消えることになる。
【００５３】
一方、移動度が１０万、有効質量ｍ＝０．０２ｍ０のｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｇｒａｐｈｅｎｅの場合、Ｌｍａｘ＝８６５ｎｍであることを算出する。そして、チャネル移動度がより増加すると、もし、移動度が１５万のｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｇｒａｐｈｅｎｅを確保することになると、Ｌｍａｘ＝１２９８ｎｍになることが確認された。
【００５４】
実施形態４
チャネル幅に対する共振ウィンドウ（デザインウィンドウ）の変化を図１０に示した。図１０に示すように、ある程度のチャネル幅が増加すれば、周波数レンジは大幅に増加し、共振を発生させるための閾値インピーダンス｜Ｚｄ、ｃ｜が増加することになり、これと同時に理想的にはｘ軸の一方向に進行しなければならないプラズマ波がチャネル幅の増加によってｙ軸にも進行する成分が次第に増大することでその特性が低下する恐れがあるが、図１０に示すようなデザインウィンドウで適切な値を選定する場合は有用な素子を設計できるという長所がある。
【００５５】
実施形態５
チャネル長さＬをｚ軸に追加する場合、図１１に示すような３次元グラフを取得することができる。図１１によって様々な変数に対する共振ウィンドウの変化を一回に察し得る長所がある。特に、チャネル移動度も１０万、有効質量ｍ＝０．０２ｍ０、理想的なドレインインピーダンスを想定した場合にＬｍａｘ＝８６５ｎｍであるが、８００ｎｍの近所では高い｜Ｚｄ｜を確保しなければならないことが分かる。
【００５６】
したがって、可能な限り短いチャネルの長さを有するＳＣ−ＰＷＤを作ることによりＴＨｚエミッタの実現可能性も高まることが図１１によって確認できる。
【００５７】
上記のように本発明に係るサスペンデッドチャネルプラズマ波デバイスの性能評価方法は、構成物質を選定した後、チャネル長さ、チャネル幅、及びインピーダンスによる素子特性を把握することができ、反対に、チャネル長さ、チャネル幅、及びインピーダンスを選定した後、発振器で使用可能な物質を選定することもできる。
【００５８】
また、４つのパラメータのうち３つを固定した後、１つのパラメータを変化させて発振器で使用可能な当該パラメータの範囲を設定し得る。
【００５９】
以上では本発明を特定の好適な実施形態について図示して説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されず、当該の発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的な思想を逸脱しない範囲内で実施できる様々な形態の実施形態を全て含む。
【符号の説明】
【００６０】
Ｓ１：ｘ軸設定ステップ
Ｓ２：ｙ軸設定ステップ
Ｓ３：素子性能評価ステップ
【図１】
0006530503.tif 000015
【図２】
0006530503.tif 000016
【図３】
0006530503.tif 000017
【図４】
0006530503.tif 000018
【図５】
0006530503.tif 000019
【図６】
0006530503.tif 000020
【図７】
0006530503.tif 000021
【図８】
0006530503.tif 000022
【図９】
0006530503.tif 000023
【図１０】
0006530503.tif 000024
【図１１】
0006530503.tif 000025