(57)【要約】【課題】  本発明は、配線網及び集積回路、ならびにそれを製造するための方法に関する。さらに、本発明は、半導体構造間で信号を伝達するための方法に関する。【解決手段】  本発明は、第１の半導体構造の信号が送信機に供給され、当該送信機が、その信号からプラズモン波を生成し、プラズモン波を導波路に結合することを特徴とする。導波路を通して供給されるプラズモンは、受信機によって受信され、電気信号に変換され、第２の半導体構造に送られる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網であって、
前記第１の半導体構造に電気的に接続され、該信号を変調されたプラズモン波に変換するようになっている、前記第１の半導体構造から生じる信号を送信するための送信機と、
前記第１の半導体構造から前記第２の半導体構造まで延在し、前記送信機と協働して前記変調されたプラズモン波を受信する導波路と、
前記第２の半導体構造に電気的に接続され、前記導波路と協働して前記変調されたプラズモン波を受信し、該プラズモン波を変調された電気信号に変換するようになっている受信機と
を備える、第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項２】
前記送信機又は前記受信機のいずれかは、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを含み、該ＭＯＳＦＥＴは、絶縁性ゲート電極によって画定されるチャネル領域に隣接するソース電極及びドレイン電極を備え、前記ＭＯＳＦＥＴは前記チャネル領域においてプラズモン波を生成するようになっている、請求項１に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項３】
前記送信機又は前記受信機のいずれかは、少なくとも１つのダイオードを含む、請求項１に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項４】
前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴの前記チャネル領域は、電荷担体をバリスティック輸送できるようになっている、請求項２に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項５】
前記導波路は、金属層と半導体との間の境界層、又は金属層と絶縁体との間の境界層のうちの少なくともいずれかを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項６】
前記金属層は部分コーティングとして具現され、部分エリアはそれぞれ少なくとも１０ｎｍから最大で１００ｎｍまでの長さ及び幅を有し、該部分エリアはそれぞれ、前記導波路の方向において該部分エリアの寸法よりも短い長さを有する間隙によって隣接する部分エリアから分離される、請求項５に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項７】
前記導波路は、少なくとも１つの金属層、絶縁層及び半導体を含む層構造を有する、請求項５又は６に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項８】
前記絶縁層は酸化物層を含む、請求項５〜７のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項９】
前記導波路の前記金属層は、前記送信機又は前記受信機のうちのいずれかの任意の部分と電気的に接触しない、請求項５〜８のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項１０】
前記導波路は半導体領域を含み、該半導体領域中に２次元電子ガスを形成することができる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項１１】
前記受信機又は前記送信機のいずれかは、前記導波路の一端部と、前記送信機又は前記受信機のいずれかの小領域との間に幾何学的に重なる部分を形成することによって、前記導波路と協働するようになっている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項１２】
前記受信機又は前記送信機のいずれかは、トンネル障壁の第１の側及びトンネル障壁の第２の側にそれぞれ当接することによって、前記導波路と協働するようになっている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項１３】
前記受信機又は前記送信機のいずれかは、電磁結合によって前記導波路と協働するようになっている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の配線網を含む集積回路。
【請求項１５】
前記配線網は、前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造と共に、シリコンダイ上にモノリシック構造で集積される、請求項１４に記載の集積回路。
【請求項１６】
第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法であって、
前記第１の半導体構造を用いることによって電気信号を生成するステップと、
前記電気信号を送信するために送信機に該電気信号を送信するステップと、
前記送信機を用いることによって、前記電気信号を変調されたプラズモン波に変換するステップと、
前記変調されたプラズモン波を、前記送信機と協働する導波路の第１の端部に結合するステップと、
前記変調されたプラズモン波を、前記導波路の第２の端部から、該導波路と協働する受信機に結合するステップと、
前記受信機を用いることによって、前記変調されたプラズモン波を電気信号に変換するステップと、
前記電気信号を前記第２の半導体構造に送信するステップと
を含む、第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法。
【請求項１７】
前記導波路又は前記受信機若しくは前記送信機のいずれかにおいて、２次元電子ガスが形成される、請求項１６に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法。
【請求項１８】
前記送信機又は前記受信機のいずれかは、少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを含み、該ＭＯＳＦＥＴは、絶縁性ゲート電極によって画定されるチャネル領域に隣接するソース電極及びドレイン電極を備え、前記変調されたプラズモン波は前記チャネル領域において生成される、請求項１６又は１７に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法。
【請求項１９】
前記送信機又は前記受信機のいずれかは、少なくとも１つのダイオードを含み、前記変調されたプラズモン波は該ダイオードにおいて生成される、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法。
【請求項２０】
前記送信機としての役割を果たすための少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴが設けられ、該送信機は、前記導波路の一端部と、前記ＭＯＳＦＥＴの前記チャネル領域の少なくとも１つの小領域との間に幾何学的に重なる部分を形成することによって、前記導波路と協働し、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ソースコンタクトと前記ドレインコンタクトとの間で、電荷担体のバリスティック輸送が引き起こされる、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法。
【請求項２１】
前記ＭＯＳＦＥＴの前記チャネル領域内に電荷担体反転層が形成される、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法。
【請求項２２】
前記受信機としての役割を果たすための少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴが設けられ、該受信機は、前記導波路の一端部と、前記ＭＯＳＦＥＴの前記チャネル領域の少なくとも１つの小領域との間に幾何学的に重なる部分を形成することによって、前記導波路と協働し、前記ＭＯＳＦＥＴの前記ソースコンタクトと前記ドレインコンタクトとの間に、変調されたプラズモン波が誘発され、それにより、該ソースコンタクトと該ドレインコンタクトとの間に電圧が生成される、請求項１６〜２１のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴの前記チャネル領域内の前記プラズモン波の固有周波数、及び前記導波路内の前記プラズモン波の固有周波数は同一である、請求項１６〜２２のいずれか一項に記載の第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体構造間で信号を伝達するための導波路と、第１の半導体構造の信号を受信し、その信号を導波路に結合するための送信機と、その信号を導波路から受信し、その信号を第２の半導体構造に送るための受信機とを備える、半導体構造間の配線網に関する。そのような配線網は、集積回路において、種々の半導体構造間でデータ信号、コマンド信号又はクロック信号のいずれかを伝達するために用いられる。これらの半導体構造は、一例として、記憶素子又は演算構造を含むことができる。
【背景技術】
【０００２】
集積回路上にある種々の半導体構造間の従来の配線網は、抵抗性の導体を用いることによって製造される。このために、半導体の表面の適当な小領域が、アルミニウム、金又は銅で金属化される。電気信号はその金属化されたエリアの一端に結合されることができ、他端において受信される。しかしながら、ここで、そのような配線は電気容量及び抵抗を有し、信号が送信される度に再充電されなければならないという不都合がある。この容量を再充電するために利用することができる電流は、回路の電気抵抗によって制限されるので、集積回路において信号遅延が生じる。６５ｎｍの構造サイズを特徴としている集積回路では、この遅延は、演算ユニット又は記憶デバイスのゲート遅延よりも５倍大きい。
【０００３】
これらの遅延を低減するために、信号中継器及び増幅器として、付加的なトランジスタを導入することが知られている。しかしながら、このために、集積回路上に付加的な回路素子が必要とされ、それにより集積回路において欠陥が生じやすくなるだけでなく、集積回路の消費電流及び製造コストも増加する。
【０００４】
この問題を解決するために、半導体構造間に光配線を導入することが知られている。この場合には、光の速度で、それゆえ、電荷キャリアのドリフト速度及び静電容量とは無関係に信号を処理することができる。しかしながら、それに要する労力は何倍も大きくなる。半導体構造上で生成される電気信号は、最初に光信号に変換されなければならない。このために、特別な光電子回路素子が必要とされ、シリコンダイの間接バンドギャップのために、それらの素子は、既知の技術分野のシリコン技術で製造することはできない。その後、光導波路の端点において、この光信号は電気信号に戻すように変換されなければならないが、それにも同程度の労力を要する。さらに、効率的な光学素子は、用いられる光の波長と同程度の幾何学的寸法を必要とする。しかしながら、現時点において商用で用いられているＣＭＯＳ構造は既に、９０ｎｍ以下の構造サイズを有する。９０ｎｍの波長において発光するための送信機用ダイオードとして、半導体素子を利用することはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それゆえ、本発明の目的は、電気信号を光信号に変換することを必要とすることなく、且つ従来の配線網の容量及び抵抗によって引き起こされる遅延を生じることなく、第１の半導体構造の電気信号を第２の半導体構造に伝達することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施の形態は、第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網であって、上記第１の半導体構造から生じる信号を送信するための送信機であって、上記第１の半導体構造に電気的に接続される送信機を備える、第１の半導体構造と第２の半導体構造との間の配線網に関する。送信機は、上記電気信号を変調されたプラズモン波に直に変換し、当該信号を上記第１の半導体構造から上記第２の半導体構造まで延在する導波路に結合するようになっている。導波路は、当該導波路と協働して上記変調されたプラズモン波を受信し、当該プラズモン波を変調された電気信号に変換するようになっている受信機で終端し、当該受信機は上記第２の半導体構造に電気的に接続される。
【０００７】
本発明の別の実施の形態は、第１の半導体構造と第２の半導体構造との間にある配線網であって、上記第１の半導体構造から生じる信号を送信するための少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを備え、当該ＭＯＳＦＥＴは、絶縁性ゲート電極によって画定されるチャネル領域に隣接するソース電極及びドレイン電極を備え、当該ＭＯＳＦＥＴは上記第１の半導体構造に電気的に接続され、且つ上記チャネル領域において、変調されたプラズモン波を生成するようになっている、第１の半導体構造と第２の半導体構造との間にある配線網に関する。少なくとも１つの導波路が、上記第１の半導体構造から上記第２の半導体構造まで延在し、当該導波路の第１の端部が上記ＭＯＳＦＥＴと協働して、上記変調されたプラズモン波を受信する。導波路は、金属層と半導体との間にある境界層、又は金属層と絶縁体との間のある境界層の少なくともいずれかを備える。さらに、本発明の実施の形態は、上記導波路から生じる信号を受信するための少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴを備える。ＭＯＳＦＥＴは、絶縁性ゲート電極によって画定されるチャネル領域に隣接するソース電極及びドレイン電極を備え、且つ第２の半導体構造に電気的に接続される。ＭＯＳＦＥＴは、導波路の上記第２の端部と協働して、変調されたプラズモン波を上記チャネル領域において受信し、それを変調された電気信号に変換するようになっている。
【０００８】
さらに別の実施の形態では、本発明は、第１の半導体構造及び第２の半導体構造を含む、集積回路に関する。さらに、集積回路は、上記第１の半導体構造から生じる信号を送信するための送信機を備えており、第１の半導体構造に電気的に接続され、上記信号を変調されたプラズモン波に直に変換するようになっている。上記第１の半導体構造から上記第２の半導体構造まで延在する導波路が設けられ、その導波路は上記送信機と協働して、上記変調されたプラズモン波を受信する。導波路は、金属層と半導体との間にある境界層、又は金属層と絶縁体との間のある境界層の少なくともいずれかを備える。受信機が上記導波路と協働して、上記変調されたプラズモン波を受信し、それを変調された電気信号に変換するようになっている。受信機は、第２の半導体構造に電気的に接続される。
【０００９】
本発明の別の実施の形態は、第１の半導体構造と第２の半導体構造との間で信号を伝達するための方法に関する。当該方法は、
上記第１の半導体構造を用いることによって電気信号を生成するステップと、
上記信号を送信するために送信機に上記電気信号を送信するステップと、
上記送信機を用いることによって、上記電気信号を変調されたプラズモン波に変換するステップと、
上記変調されたプラズモン波を、上記送信機と協働する導波路の第１の端部に結合するステップと、
上記変調されたプラズモン波を、上記導波路の第２の端部から、上記導波路と協働する受信機に結合するステップと、
上記受信機を用いることによって、上記変調されたプラズモン波を電気信号に変換するステップと、
上記電気信号を上記第２の半導体構造に送信するステップと
を含む。
【００１０】
本発明のさらに別の実施の形態は、集積回路を製造する方法であって、半導体基板が設けられ、この構造上に第１の半導体構造及び第２の半導体構造が製造される、集積回路を製造する方法に関する。次のステップでは、上記第１の半導体構造から生じる信号を送信するための送信機が設けられ、当該送信機は、上記第１の半導体構造に電気的に接続され、上記信号を変調されたプラズモン波に変換するようになっている。送信機は、第１の半導体構造の一部を形成し得る。上記第１の半導体構造から上記第２の半導体構造まで延在し、上記送信機と協働して上記変調されたプラズモン波を受信する導波路が形成される。導波路は、金属層と半導体との間にある境界層、又は金属層と絶縁体との間のある境界層の少なくともいずれかを備える。当該方法の別のステップは、上記導波路と協働して上記変調されたプラズモン波を受信し、そのプラズモン波を変調された電気信号に変換するようになっている受信機を設けることである。受信機は、上記第２の半導体構造に電気的に接続される。受信機は、この第２の半導体構造の一部を成し得る。
【００１１】
本発明の先に述べられた特徴は、添付の図面と共に取り上げられる以下の説明から明らかになるであろう。添付の図面は本発明の典型的な実施形態を例示するだけであり、それゆえ、本発明の範囲に制限を加えるものと見なされるべきでないことに留意されたい。本発明は、他の同じく実効的な実施形態を受け入れることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、受信機及び送信機を備える集積回路の概略図を示す。その集積回路は、第１の半導体構造５及び第２の半導体構造４を備える。第１の半導体構造５の近くには、送信機１が配置される。第２の半導体構造４の近くには、受信機２が配置される。送信機１及び受信機２は、導波路３によって互いに接続される。さらに、受信機２は、従来のオーム配線によって、第２の半導体構造４に接続される。送信機１は、従来のオーム配線によって、第１の半導体構造５に接続される。述べられた全ての部品は、単一の半導体ダイ１０上に配置される。半導体ダイ１０は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、インジウムアンチモン等から形成することができる。半導体ダイはドーパントを含み得る。
【００１３】
一例として、送信機１は、第１の半導体構造５によって生成される電気信号を、変調されたプラズモン波に変換し、このプラズモン波を導波路３に結合するための単一のＭＯＳＦＥＴを備え得る。そのＭＯＳＦＥＴは、絶縁性ゲート電極８ａによって画定されるチャネル領域１１ａに隣接するソース電極６ａ及びドレイン電極７ａを備える。ゲート電極８ａがチャネル領域１１ａを覆うので、図１においてチャネル領域を見ることはできない。ゲート電極８ａは、第１の半導体構造に接続され、変調された電気信号を受信する。ゲート電極８ａにおいて電圧が変調されるとき、チャネル領域において出力されるプラズモン波も変調される。ソース電極６ａ及びドレイン電極７ａは、それぞれの供給電圧に接続される。一方の供給電圧は、グランド電位によって構成され得る。供給電圧を与えるための手段は、図１には示されない。ソース電極６ａ及びドレイン電極７ａはそれぞれ、集積回路を含む半導体基板１０上のドープされた領域から形成される。
【００１４】
一例として、受信機２は、導波路３から受信されたプラズモン波を、第２の半導体構造４によって受信されることになる電気信号に変換するための単一のＭＯＳＦＥＴを備えることができる。そのＭＯＳＦＥＴは、絶縁性ゲート電極８ｂによって画定されるチャネル領域１１ｂに隣接するソース電極６ｂ及びドレイン電極７ｂを備える。ゲート電極８ｂがチャネル領域１１ｂを覆うので、図１においてチャネル領域を見ることはできない。ソース電極６ａ及びドレイン電極７ａはそれぞれ、集積回路を含む半導体基板１０上のドープされた領域から形成される。ゲート電極８ｂは供給電圧に接続される。供給電圧はグランド電位によって構成され得る。供給電圧を与えるための手段は、図１には示されない。ソース電極６ａ及びドレイン電極７ａは第２の半導体構造に接続される。導波路３から受信されるプラズモン波は、チャネル領域１１において整流され、それにより、ソース電極６ｂとドレイン電極７ｂとの間に電圧信号が生成される。
【００１５】
図１には示されない本発明の別の実施形態では、送信機１及び／又は受信機２は、ダイオードを備え得る。そのダイオードは、ｎドープエリア及びｐドープエリアを含み得る。代替形態として、そのダイオードは、半導体と金属層との間に境界層を含み得る。ダイオードを供給電圧に接続し、変調された電気信号を供給することによって、ダイオードは、変調されたプラズモン波の送波器又は受波器として用いることができる。トンネルダイオード構造が、プラズモン励起の発生器として知られている。
【００１６】
ダイオードは、表面プラズモンの効率的な検出器としての役割も果たすことができる。一体に構成される表面プラズモン検出器として、有機ダイオードを使用することが知られている。共鳴トンネルダイオードによって光子を効率的に検出することも示されている。
【００１７】
図１には示されない本発明の別の実施形態では、送信機１として、プラズモン波を放射する任意の他の電気的に駆動されるデバイスが用いられることもある。受信機２として、プラズモン波を電気信号に変換する任意の他のデバイスが用いられることがある。受信機２及び送信機１は同じタイプから構成される必要はないことに留意されたい。本発明に従って用いられる受信機及び送信機は、プラズモン波を電気信号に直に変換することができるので、最初にプラズモン波を光信号、たとえば赤外線又は可視光に変換する必要はない。
【００１８】
図１に示される本発明の実施形態では、プラズモン送波器１又は受波器２として、１つのＭＯＳＦＥＴだけで十分である。本発明の他の実施形態では、複数のＭＯＳＦＥＴからのプラズモンが１つの導波路３に加えられ、信号対雑音比が高められる。場合によっては、当業者が、電気信号を調整するために、且つ送信側ＭＯＳＦＥＴ１に電気的にインピーダンス整合できるようにするために、他のトランジスタを設けることもできる。
【００１９】
導波路３において信号を伝達するために用いられる表面プラズモンは、自由電子の振動であり、それは、金属１３の表面に沿って、又は金属１３と半導体１０との間の境界層に沿って、又は半導体１０の２次元電子ガスの中を、又は金属１３と絶縁体１４との間の境界層において伝搬する。それゆえ、本発明による導波路は、プラズモン伝搬のために言及された条件のうちの少なくとも１つが満たされるように構成される。波が導波路３に沿って伝搬するとき、導波路３に沿って、巨視的な電子の電荷は輸送されないことに留意されたい。
【００２０】
ＭＯＳＦＥＴのチャネル領域においてプラズモン波を生成するために、ソース電極６ａとドレイン電極７ａとの間の電荷担体のバリスティック輸送が引き起こされなければならない。電荷担体反転層がソース電極６ａとドレイン電極７ａとの間のチャネル領域内に形成されるように、送信側ＭＯＳＦＥＴ１のドレイン電極７ａ及びゲート電極８ａに電圧が印加される。これにより、ソース電極６ａとドレイン電極７ａとの間に電荷担体のバリスティック輸送が生じる。このバリスティック輸送は、不純物原子又はフォノンにおいて大きく散乱されることなく、電子又は正孔がソースからドレインまで移動することを特徴とする。電子は、ランダムな向きを有する熱速度分布で、チャネル領域１１ａの中を伝搬する。ここで、ＭＯＳＦＥＴ１は、そのチャネル領域１１ａから表面プラズモンを放射する。プラズモン波の速度Ｓは、電子密度の平方根に比例し、それゆえ、単にゲート電圧によって左右されることがある。電界効果トランジスタのチャネル領域１１ａは、プラズモン波のための空胴共振器としての役割を果たす。
【００２１】
本発明によれば、ソース電極６とドレイン電極７との間の電荷担体のバリスティック輸送によってＭＯＳＦＥＴのチャネル領域において生成される表面プラズモンは、プラズモン導波路に直に結合することができる。ＭＯＳＦＥＴは、この原理を例示するための１つの実施形態にすぎない。プラズモン波を生成する任意の他のデバイスを用いて、直接的な電磁結合によって、この波を導波路に結合することができる。したがって、本発明によれば、プラズモン導波路のための送信機デバイス又はラインドライバとして、ＭＯＳＦＥＴ等を用いることができる。プラズモン波が導波路に沿って伝搬できるようにするために、プラズモン伝搬のための条件が満たされなければならない。
【００２２】
本発明の一実施形態では、導波路は２次元電子ガスを画定する。２次元電子ガスを達成するために、導波路はＭＩＳ構造、すなわち、半導体表面１０上に絶縁体１４及び金属層１３を含む。絶縁体１４は、酸化化合物又は窒化化合物を含み得る。半導体がシリコンから形成される場合には、絶縁体はＳｉＯｘ及び／又はＳｉＮから形成され得る。
【００２３】
ｎドープ半導体と絶縁体との間の境界層において電子のポテンシャルエネルギーを下げるために、金属層１３に正の供給電圧が印加される。ｐドープ半導体が用いられる場合には、供給電圧は負でなければならない。その電圧の振幅は、伝導帯がフェルミエネルギーよりも低くなるように選択される。電子の動きを導波路の平面内に制限する三角形の量子井戸が現れる。いわゆる電荷担体反転層が２次元電子ガスを画定し、その中を、プラズモン波が、幾何学的に場所を限定されるようにして伝搬する。
【００２４】
本発明との関連において、金属層１３は合金を含むこともある。金属層は、金、銅又はアルミニウムを含むことが好ましい。導波路のそのような実施形態では、オーム回路配線を製造するために、当該技術分野においてこれまでに知られている方法に頼ることができる。しかしながら、本発明による信号は、金属内の電子のドリフト速度及び散乱過程によって制限される電子流によって輸送されるのではなく、境界を成す表面における自由電子ガスのプラズモン振動によって輸送され、その振動は概ね光の速度で伝搬する。
【００２５】
導波路のゲート電極１３は、送信側ＭＯＳＦＥＴ１及び／又は受信側ＭＯＳＦＥＴ２のゲート電極と同じ電位にあることができる。好ましい実施形態では、導波路のゲート電極１３は、ＭＯＳＦＥＴ８のゲート電極から絶縁される。それにより、トランジスタのゲートキャパシタンスが低減され、より迅速なスイッチング特性を利用することができる。
【００２６】
別の実施形態では、金属層は連続コーティングを含むのではなく、部分コーティングを含む。部分的なコーティングは、複数のサブエリアを含む。各サブエリアは、少なくとも１０ｎｍから最長で１００ｎｍまでの長さ及び幅を有する。導波路が延在する方向において、サブエリアは、間隙によって互いに分離される。その間隙は、長さ方向において個々のサブエリアの幅よりも短い長さを有する。導波路のこの実施形態によって、部分コーティングは非常に小さな寸法で製造することができ、チップ上の空間要件が緩和される。
【００２７】
本発明のさらに別の実施形態では、導波路内の２次元電子ガスは、半導体基板の超格子及び適当なドーピングによっても入手することができる。超格子は、第１のバンドギャップを含む半導体から成る少なくとも１つの層と、その層を覆う、第２のバンドギャップを含む半導体から成る少なくとも１つの層によって形成される。この方策によれば、２次元電子ガスを閉じ込めることができる量子井戸が形成される。半導体ダイ上に超格子を形成する技法は、当業者によく知られている。電荷担体を供給するために、超格子は、周期系の第３族又は第５族の元素のようなドーパントによってドープされる。一例として、そのドーパントは、窒素、リン、ヒ素、ホウ素、アルミニウム又はガリウムを含み得る。この実施形態は、導波路がもはや、いかなる種類の動作電圧も必要とせず、導波路を集積回路内に受動部品として集積することができるので好都合である。
【００２８】
変調されたプラズモン波は、電極１３の下にある電荷担体反転層において導波路３に沿って伝搬し、それにより、ドレイン電極７ｂとソース電極６ｂとの間にある受信側ＭＯＳＦＥＴ２のチャネル領域に達する。導波路の構成によっては、プラズモン波は損失を受けるが、その損失は数ｄＢ／ｃｍまで低減することができる。第２のＭＯＳＦＥＴ２のチャネル領域１１ｂ内にプラズモン波が達する結果として、電流が誘導される。チャネル領域１１ｂのオーム抵抗、及びＭＯＳＦＥＴ２による整流によって、ドレイン電極７ｂとソース電極６ｂとの間で電圧を測定することができる。この誘導された電圧は電気信号を表しており、これは、変調されたプラズモン波の信号に対応し、集積回路の第２の半導体構造４を用いることによってさらに処理することができる。
【００２９】
図２を参照すると、送信側ＭＯＳＦＥＴ１又は受信側ＭＯＳＦＥＴ２及び導波路３の断面が示される。この図は、ＭＯＳＦＥＴ１、２のチャネル領域１１を示す。チャネル領域１１は、絶縁体１４、及び金属層から形成される電極８によって覆われる。絶縁体１４は、酸化化合物又は窒化化合物を含み得る。半導体がシリコンから形成される場合には、絶縁体は、ＳｉＯｘ及び／又はＳｉＮから形成されることがある。金属層は、金、銅又はアルミニウムを含むことが好ましい。
【００３０】
チャネル領域１１に隣接して、導波路領域１２がある。導波路領域１２も、絶縁体１４及びさらに別の金属層１３によって画定される。プラズモン波の伝搬を達成するために、金属層１３に正の供給電圧が印加され、ｎ型半導体１０と絶縁体１４との間の境界層において、電子のポテンシャルエネルギーが下げられる。その電圧の振幅は、伝導帯がフェルミエネルギーよりも低くなるように選択される。電子の動きを導波路の平面内に制限する三角形の量子井戸が現れる。いわゆる電荷担体反転層が２次元電子ガスを画定し、その中を、プラズモン波が、幾何学的に場所を限定されるようにして伝搬する。
【００３１】
本発明によれば、送信側ＭＯＳＦＥＴ１のチャネル領域１１において生成される表面プラズモンは、ＭＯＳトランジスタのチャネル及び導波路の小領域が幾何学的に重なり合うように導波路領域１２に結合される。ＭＯＳトランジスタは全ての側面において、ゲート電極８、ドレイン電極７、ソース電極６及びチャネル領域１１のドーピングプロファイルの形状によって閉じ込められるので、プラズモン波は、導波路領域１２の方向に伝搬する。受信側ＭＯＳＦＥＴ２も、同じようにして導波路領域１２と相互接続される。
【００３２】
少なくとも１つのＭＯＳＦＥＴ１のチャネル領域１１内のプラズモンの固有周波数と導波路領域１２内の固有周波数が同一である場合には、送信側ＭＯＳＦＥＴ１又は受信側ＭＯＳＦＥＴ２と導波路３との間に特に良好な結合が確保される。それにより、結合のための共振条件が満たされ、信号を低い損失で伝達できるようになる。固有周波数は、ドーパントのタイプ及び濃度、それらの元素の幾何学的サイズ、及びゲート電圧によって決定される。言うまでもなく、本発明との関連では、同一のドーピングも、そのような形の実施形態を含むが、その場合に、ドーピング材料が拡散する結果として、又は製造条件によって引き起こされる注入の深さ及び量の差の結果として、２つの領域間に小さな偏差が生じることは当業者にはよく知られている。製造工程において、通常、導波路のドーピングとチャネル領域のドーピングとの間の十分なアライメントを達成することはできない。
【００３３】
図３に関して、本発明の異なる実施形態が説明される。その図は、送信側ＭＯＳＦＥＴ１又は受信側ＭＯＳＦＥＴ２及び導波路１３の断面を示す。図は、ＭＯＳＦＥＴ１、２のチャネル領域１１を示す。チャネル領域１１は、絶縁体１４、及び金属層から形成されるゲート電極８によって覆われる。絶縁体１４は、酸化化合物又は窒化化合物を含み得る。半導体がシリコンから形成される場合には、絶縁体は、ＳｉＯｘ及び／又はＳｉＮから形成されることがある。金属層は、金、銅又はアルミニウムを含むことが好ましい。
【００３４】
チャネル領域１１に隣接して、トンネル障壁９がある。トンネル障壁９の他方の側は導波路領域１２に隣接する。導波路領域１２も、絶縁体１４及びさらに別の金属層１３によって画定される。プラズモン波の伝搬を達成するために、金属層１３に負の供給電圧が印加され、ｐ型半導体１０と絶縁体１４との間の境界層において、電子のポテンシャルエネルギーが下げられる。その電圧の振幅は、伝導帯がフェルミエネルギーよりも低くなるように選択される。電子の動きを導波路の平面内に制限する三角形の量子井戸が現れる。いわゆる電荷担体反転層が２次元電子ガスを画定し、その中を、プラズモン波が、幾何学的に場所を限定されるようにして伝搬する。
【００３５】
絶縁体１４は、トンネル障壁のエリア９を覆っても、覆わなくてもよい。障壁９そのものは、ドープされた領域、又は絶縁性材料で満たされるトレンチから形成される。障壁９は、チャネル領域１１からの電荷担体が導波路領域１２に注入されるのを防ぐ。チャネル領域１１と導波路領域１２との間に電気的な接触は生じないが、それにもかかわらず、或る量の電荷担体が、トンネル効果によって、障壁９を貫通することがある。障壁９はわずかな幅しかないので、チャネル領域１１と導波路領域１２との間のプラズモン波の電磁結合がそれでも可能である。
【００３６】
ＭＯＳＦＥＴ１のゲート領域１１におけるプラズモン励起のために、バリスティック輸送が必要条件である。緩和時間τ及びプラズモン速度Ｓの積がＭＯＳＦＥＴ１のチャネル領域１１の長さＬよりも大きい場合には、バリスティック輸送が生じる。緩和時間τが、電荷担体の移動度μ及び電荷担体の実効質量ｍ＊によって与えられるとき、プラズモン速度Ｓは、以下の式のように、ゲート電圧によって表すことができる。
【００３７】
【数１】
2008187168.tif 000003
【００３８】
それゆえ、チャネル領域１１の長さＬが、緩和時間τ及びプラズモン速度Ｓの積によって与えられる臨界長Ｌｋτよりも小さい場合には、バリスティック輸送が可能である。
【００３９】
ゲート長Ｌを特徴とするＭＯＳＦＥＴ１のチャネル領域１１内のプラズモン波の最も低い共振周波数ｆＲは、以下の式によって与えられる。
【００４０】
【数２】
2008187168.tif 000004
【００４１】
プラズモン波の適当な共振周波数ｆＲを考慮に入れると、ゲート長Ｌは、シリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素又はインジウムアンチモン等の最も一般的な半導体材料の場合に１００ｎｍ未満でなければならない。
【００４２】
ＭＯＳＦＥＴ１のチャネル領域１１は、プラズモン波のための空胴共振器である。それゆえ、品質係数Ｑを割り当てることができる。プラズモン波を生成するＭＯＳＦＥＴ１のチャネル領域１１の品質係数Ｑは、実際の長さＬに対する臨界長Ｌｋτの比率に等しい。それゆえ、プラズモン波の特性は、チャネル領域１１の長さが減るのに応じて良好になる。１００ｎｍのゲート長の場合、種々の半導体材料のための品質係数Ｑは２〜２０である。
【００４３】
図４は、プラズモン速度Ｓがゲートオーバードライブ電圧及び半導体材料に如何に依存するかを示す。プラズモン速度Ｓは、プラズモン導波路によって伝達される信号の伝搬速度を制限する。従来のシリコンデバイスにおける電子のドリフト速度は常に１０５ｍ／ｓ未満であることに留意されたい。この値と比較すると、プラズモン速度は少なくとも１０倍だけ高い。ゲートのオーバードライブ電圧及び用いられる半導体材料によっては、プラズモン速度をさらに速くすることができる。
【００４４】
図５は、ゲートオーバードライブ電圧及び用いられる半導体材料に依存するチャネル領域１１の臨界長Ｌｋτを示す。図５から明らかなように、１ボルトのそれほど高くないゲートオーバードライブ電圧におけるシリコンＭＯＳＦＥＴの最悪の場合であっても、１００ｎｍよりも長い臨界長Ｌｋτが与えられる。ＭＯＳＦＥＴを用いることによってプラズモン波を効率的に刺激又は検出するために、チャネル領域１１の長さＬは、臨界長よりも短くなければならない。それゆえ、半導体材料としてシリコンが用いられるとき、チャネル領域の長さは、１００ｎｍよりも短くしなければならない。そのようなＭＯＳＦＥＴを形成することは、当業者にはよく知られている。
【００４５】
図６は、ゲートオーバードライブ電圧及び用いられる半導体材料に対する共振周波数ｆＲの依存性を示す。図６に示される値は、長さが２０ｎｍのチャネル領域を有するＭＯＳＦＥＴに当てはまる。プラズモン導波路３の幅が狭くなるのに応じて、周波数が高くなることが好ましい。従来の半導体エレクトロニクスに適用することができる共振周波数を超える高い共振周波数にもかかわらず、長さが１ｃｍまでの導波路の場合に、８ｄＢ／ｃｍ程度の低い減衰が達成されている。
【００４６】
図４〜図６において指示されるゲートオーバードライブ電圧は、導波路領域１２又はチャネル領域１１のためにｎ型半導体材料が用いられる場合に正の電圧である。チャネル領域１１及び／又は導波路領域１２のためにｐ型半導体材料が用いられる場合には、ゲートオーバードライブ電圧は、グランド電位に対して負の電圧として選択される。ゲートオーバードライブ電圧は、ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧だけ下げられた実際のゲート電圧である。
【００４７】
これまでの説明は、本発明の好都合の例示的な実施形態を説明するだけである。それゆえ、個別に、及び任意の組み合わせで、本発明を種々の実施形態において実現する上で、本明細書に開示される特徴、ならびに特許請求の範囲及び図面は欠かすことはできない。これまでの説明は本発明の複数の実施形態に関するが、本発明の基本的な範囲から離れることなく、本発明の他の実施形態及びさらに進んだ実施形態を考案することができ、この範囲は添付の特許請求の範囲によって詳述される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】受信機及び送信機を有する集積回路の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による、導波路と協働するＭＯＳＦＥＴの概略的な断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態による、導波路と協働するＭＯＳＦＥＴの概略的な断面図である。
【図４】異なる材料から形成され、ゲート電圧が異なる場合のＭＯＳＦＥＴのプラズモン速度を示すグラフである。
【図５】異なる材料から形成され、ゲート電圧が異なる場合のＭＯＳＦＥＴの臨界長を示すグラフである。
【図６】用いられる半導体材料、及び印加されるゲート電極に依存するＭＯＳＦＥＴの共振周波数を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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