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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schottky-Diode und insbesondere
auf eine Technik zum Verringern von Rauschen in einem Mischer zur
Verwendung in elektronischen und Kommunikationsgeräten in Mikrowellen-
und Millimeterwellenbändern.
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Ein
MMIC (monolithische integrierte Mikrowellenschaltung), in dem eine
Mehrzahl von Vorrichtungen einschließlich eines Mikrowellen- und
eines Millimeterwellen-Mischers auf einem einzelnen Substrat befestigt sind,
wird nicht nur zum Erhöhen
der Leistung davon, sondern auch zum Verringern der Größe und der
Kosten davon benötigt.
In den letzten Jahren wurde in einem Millimeterwellensystem ein
Homodynverfahren verwendet, das ein Eingangssignal in ein IF(Zwischenfrequenz)-Signal
mit einer Frequenz, die so gering wie 100 kHz ist, umwandelt. Es
ist für
einen Empfangsmischer zur Verwendung in dem Homodynverfahren wesentlich,
die Rauschzahl NF davon zu verringern. Die Rauschzahl NF des Mischers,
der das Eingangssignal in das IF-Signal mit einer solchen geringen
Frequenz umwandelt, ist wesentlich beeinflusst durch ein 1/f-Rauschen
in einer Vorrichtung, welche in dem Mischer verwendet wird. Das
1/f-Rauschen bezieht sich auf ein Rauschen, dessen Pegel umgekehrt
proportional zu der Frequenz ist, und ist vorherrschend in einem
Frequenzband so gering wie 100 kHz.
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Angesichts
der Größenverringerung
und der Kostenverringerung ist es ein effektives Verfahren, einen rauscharmen
Verstärker
(im Folgenden als ein LNA bezeichnet) und den Mischer auf dem gleichen
Chip durch Verwenden eines HEMT(High Electron Mobility Transistor)-Prozesses
zu bilden. Eine typische Konfiguration ist derart, dass ein HEMT
für den
LNA verwendet wird, und ein HEMT oder eine Schottky-Diode (im Folgenden als
eine SBD bezeichnet), die durch Miteinanderverbinden von Source
und Drain des HEMT gebildet ist, für den Mischer verwendet wird.
Es ist jedoch für
den HEMT schwierig, die Eigenschaft eines ausreichend geringen Rauschens
in einem niedrigen Zwischenfrequenzband bereitzustellen, da der
HEMT im allgemeinen ein äußerst hohes
1/f-Rauschen aufweist.
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Ein
Si-SBD-Mischer, der eine Si-SBD verwendet, ist angesichts der Zunahme
der Leistung und der Abnahme des Rauschens für den Empfangsmischer effektiv.
Da die Si-SBD ein geringeres 1/f-Rauschen
aufweist als eine GaAs-SBD, kann der Si-SBD-Mischer gute Rauscheigenschaften
bereitstellen. Jedoch ist es unpassend, all die Vorrichtungen auf
einem Si-Substrat zu befestigen, da die Übertragungsleitungsdämpfung des Si-Substrats
in den Mikrowellen- und Millimeterwellenbändern extrem hoch ist. Somit
entsteht ein Bedürfnis, das
Millimeterwellensystem durch Verwendung eines MIC (integrierte Mikrowellenschaltung),
der eine Mehrzahl von Substraten verwendet, an Stelle des MMIC zu
bilden. Folglich ist der Si-SBD-Mischer nicht geeignet für die Größenverringerung
und die Kostenverringerung.
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Beispiele
von herkömmlichen
Dioden, sowie von MMICs und Mischern, welche die herkömmlichen
Dioden verwenden, sind z. B. offenbart in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2001-177060 (
3), der
japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 2002-299570 , der japanischen
Patentoffenlegungsschrift
JP 10-51012 (1998)
(
10 und
11), der
japani schen Patentoffenlegungsschrift
JP 2003-69048 (
1)
und dem japanischen Patent
JP
2795972 (
1).
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Wie
oben erwähnt
erfordern die Größenverringerung
und die Kostenverringerung des Empfangsmischers die Bildung der
Mehrzahl von Vorrichtungen in der Form des MMIC auf dem gleichen
Chip durch Verwendung der GaAs-SBD an Stelle der Si-SBD. Außerdem erfordert
die Erhöhung
der Leistung des Empfangsmischers die Verringerung des 1/f-Rauschens,
das bei der Zwischenfrequenz in der GaAs-SBD vorherrschend ist.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2001-177060 und die japanische
Patentoffenlegungsschrift
JP
2002-299570 offenbaren, dass eine Ätzstoppschicht aus AlGaAs und
dergleichen zwischen einer n
+-GaAs-Schicht
und einer n
–-GaAs-Schicht über einem
GaAs-Substrat angeordnet ist. Das Vorsehen einer solchen Ätzstoppschicht
erzeugt ein Problem dahingehend, dass ein tiefes Niveau in dem AlGaAs
nahe einem Schottky-Übergang
das 1/f-Rauschen
herbeiführt.
Dort tritt ein anderes Problem dahingehend auf, dass die Zunahme
der Serienwiderstandkomponente in der SBD die Mischverstärkung (Conversion
Gain) der Frequenzumsetzung in dem Mischer, der die SBD verwendet,
derart verringert, dass die Rauschzahl erhöht wird.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift
JP
10-51012 offenbart den Effekt des Verringerns eines Widerstands
durch Abätzen
in eine n
–-GaAs-Schicht,
aber sie offenbart nicht den Effekt des Verringerns des Rauschens.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2003-69048 offenbart, dass ein
mit hoher Konzentration ionenimplantierter Bereich zwischen einer
n
+-GaAs-Schicht und einer Elektrode ausgebildet
ist zum Zwecke des Bereitstellens eines ohmschen Kontakts dazwischen.
Dies bringt jedoch ein Problem dahingehend mit sich, dass Kristalldefekte
in einem GaAs-Substrat erzeugt werden, so dass Rauschen herbeigeführt wird,
wenn Ionenimplantation durchgeführt
wird. Ein anderes Problem besteht dahingehend, dass der mit hoher
Konzentration ionenimplantierte Bereich, der einen höheren Widerstand
als Metall besitzt, die Zunahme der Rauschzahl zur Folge hat.
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US 2003/0025175 A1 offenbart
eine Schottkydiode mit einer Schottkyelektrode auf einem Betriebsbereich
eines GaAs-Substrats
und einer ohmschen Elektrode, die die Schottkyelektrode umgibt.
Die ohmsche Elektrode ist direkt auf einem Implantationbereich angeordnet,
der auf einem Substratbereich gebildet ist. Eine Nitridschicht isoliert
den ohmschen Kontakt von einer Verdrahtungsschicht, die mit der
Schottkyelektrode verbunden ist und über die ohmsche Elektrode hinwegführt.
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US 5,898,210 offenbart eine
Schottkydiode mit einer Reihe gestapelter Schichten, beginnend mit
einem herkömmlichen
Substrat mit einer semi-isolierenden GaAs-Schicht und einer undotierten
GaAs-Pufferschicht. Eine n-Si-GaAs-Kanalschicht ist auf der GaAs-Pufferschicht
aufgewachsen. Eine bei niedriger Temperatur gewachsene GaAs-Barrierenschicht
bedeckt den Mittelabschnitt der Oberfläche der n-Kanalschicht. Die
Schottkydiode enthält
einen ringförmigen
ohmschen Kontakt, der auf der Oberfläche der Kanalschicht angeordnet
ist und die Barrierenschicht umgibt, und eine Metallschicht, die
mit der Oberfläche
der Barrierenschicht einen Schottkykontakt bildet. Das Ga/As-Verhältnis in
der bei niedriger Temperatur gewachsenen GaAs-Barrierenschicht ist so eingestellt,
dass die Barrierenschicht eine hinreichende Anzahl freier Elektronen enthält, um einen
Stromfluss für
Vorspannung über
der Schottkybarrierenhöhe
zu unterstützen.
Bei Rückwärtsvorspannung
wirkt die Barrierenschicht als Isolator, was einen Diodendurchbruch
bei relativ hohen Rückwärtsvorspannungen
verhindert.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schottky-Diode bereitzustellen,
mit der das Rauschen verringert werden kann, während eine Größenverringerung
und eine Kostenverringerung erreicht werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird gelöst
durch eine Schottky-Diode
nach Anspruch 1 oder 10. Weiterentwicklungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Bei
einer solchen Schottky-Diode sind eine Serienwiderstandskomponente
und eine Kapazitätskomponente
verringert, wodurch eine Mischverstärkung verbessert wird und eine
Rauschzahl mit geringer LO-Leistung verringert wird, wenn eine Frequenzumsetzung
in einem Mischer durchge führt
wird. In anderen Worten wird die höhere Leistung des Mischers
erzielt.
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Weiter
Merkmale und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Zeichnungen.
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Von
den Figuren zeigen:
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1 eine
Schnittansicht, die einen Aufbau von Hauptteilen einer SBD gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
Diagramm, das Änderungen
der Ausgangsrauschleistung als eine Funktion des Stroms darstellt;
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3 ein
Diagramm, das Änderungen
der Ausgangsrauschleistung als eine Funktion der Ladungsträgerkonzentration
darstellt;
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4–7 Draufsichten
der SBD;
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8 ein
Diagramm, das Änderungen
der Ausgangsrauschleistung als eine Funktion des Stroms darstellt;
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9A–9C Schnittansichten,
die ein Herstellungsverfahren für
die SBD darstellen;
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10 eine
Draufsicht eines APDP mit einem Paar von SBDs, die antiparallel
zueinander geschaltet sind;
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11 einen
Schaltplan eines Mischers; und
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12 ein
Diagramm, das die Änderungen
der Rauschzahl als eine Funktion der LO-Leistung darstellt.
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Erste bevorzugte Ausführungsform
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Ein
Empfangsmischer gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
ist gekennzeichnet durch die Verwendung einer GaAs-SBD (Schottky-Diode)
zum Zwecke der Größenverringerung
und der Kostenverringerung und durch die Verringerung des Rauschens
bei einer Zwischenfrequenz in der GaAs-SBD.
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Allgemein
wird die Rauschzahl NF eines Mischers ausgedrückt durch:
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Wobei
Si die Eingangssignalleistung, Ni die Eingangsrauschleistung, So
die Ausgangssignalleistung, No die Ausgangsrauschleistung und Gc
eine Mischverstärkung
ist.
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Die
Eingangsrauschleistung Ni ist eine Konstante, die durch die Temperatur
bestimmt ist. Somit zeigt die Gleichung (1) dass die Rauschzahl
NF von der Ausgangsrauschleistung No, die in der SBD erzeugt ist,
und der Mischverstärkung
Gc abhängt.
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1 ist
eine Schnittansicht, die einen Aufbau von Hauptteilen von einer
SBD 100 gemäß der ersten bevorzugten
Ausführungsform
zeigt. Teile, die nicht unmittelbar relevant für die vorliegende Erfindung
sind, sind in 1 nicht dargestellt.
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Mit
Bezug auf z. B. 1 sind eine Pufferschicht 2 aus
i-GaAs, das nicht
mit Fremdatomen implantiert ist, und eine n+-GaAs-Schicht 3 (GaAs-Schicht
hoher Ladungsträgerkonzentration),
die mit einer hohen Konzentration an n-Typ-Fremdatomen implantiert
ist, in der genannten Reihenfolge auf einem semiisolierenden GaAs-Substrat 1 ausgebildet.
Eine n–-GaAs-Schicht 4 (GaAs-Schicht
geringer Ladungsträgerkonzentration), die
mit einer geringen Konzentration an n-Typ-Verunreinigungen implantiert
ist, ist teilweise auf der n+-GaAs-Schicht 3 ausgebildet.
Kathodenelektroden 6 sind in Öffnungsbereichen ausgebildet,
in denen die n–-GaAs-Schicht 4 nicht
auf der n+-GaAs-Schicht 3 ausgebildet
ist. Eine Anodenelektrode 5 ist auf der n–-GaAS-Schicht 4 ausgebildet.
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Die
Pufferschicht 2, die n+-GaAs-Schicht 3 und
die n–-GaAs-Schicht 4 sind
durch ein epitaktisches Verfahren auf dem GaAs-Substrat 1 gebildet. In anderen
Worten wirken das GaAs-Substrat 1,
die Pufferschicht 2, die n+-GaAs-Schicht 3 und
die n–-GaAs-Schicht 4 als
eine epitaktische Struktur gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die SBD 100 ist so aufgebaut, dass ein Isolationsbereich 32 zur
Isolation zwischen Vorrichtungen außerhalb eines aktiven Bereichs 31 ausgebildet
ist, in dem die n–-GaAs-Schicht 4 enthalten
ist und in dem ein Diodenkörper
ausgebildet ist.
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Die
n+-GaAs-Schicht 3 besitzt eine
hohe Ladungsträgerkonzentration
von 5 × 1018 cm–3 und bildet mit den
Kathodenelektroden 6 einen ohmschen Kontakt. Die n+-GaAs-Schicht 3 besitzt eine Dicke
von 600 nm.
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Die
n–-GaAs-Schicht 4 besitzt
eine niedrige Ladungsträgerkonzentration
von 1,2 × 1017 cm–3 und bildet mit der
Anodenelektrode 5 einen Schottky-Kontakt. Die n–-GaAs-Schicht 4 besitzt
eine Dicke von 400 nm.
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In
der SBD 100 ist die Pufferschicht 2 zwischen dem
GaAs-Substrat 1 und
einer Halbleiterschicht angeordnet, welche die n+-GaAs-Schicht 3 und
die n–-GaAs-Schicht 4 enthält sowie
als ein Strompfad dient. Da davon auszugehen ist, dass das 1/f- Rauschen eine Folge
von Kristalldefekten ist, verringert ein solcher Aufbau den Einfluss
der Defekte in dem GaAs-Substrat 1.
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Ströme sind
lokal in Bereichen 7 konzentriert, die in der n+-GaAs-Schicht 3 enthalten
sind und unter den entgegengesetzen Enden der Anodenelektrode 5 liegen.
Da elektrische Felder darin konzentriert sind, neigt das 1/f-Rauschen
in den Bereichen 7 dazu, dementsprechend zuzunehmen. Das
1/f-Rauschen wird als umgekehrt proportional zu der Anzahl der Ladungsträger betrachtet.
Die SBD 100 kann die Ladungsträgerkonzentration in den Bereichen 7 erhöhen, um
das 1/f-Rauschen durch Festlegen der Ladungsträgerkonzentration in der n+-GaAs-Schicht 3 auf einen relativ
hohen Wert von 5 × 1018 cm–3 zu verringern.
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Mit
Bezug auf
1 wird Ätzen so durchgeführt, dass
die n
+-GaAs-Schicht
3 überätzt wird
beim Bilden der Öffnungen
in der n
–-GaAs-Schicht
4.
Ein solches Ätzen
ermöglicht,
dass die Dicke der n
–-GaAs-Schicht
4 nach
dem Ätzen überall gleich
der Dicke der n
–-GaAs-Schicht
4 ist,
die durch das epitaktische Verfahren vor dem Ätzen gebildet ist (d. h. es
ist keine n
–-GaAs-Schicht
4 in
den Öffnungsbereichen übrig gelassen
nach dem Ätzen).
Dies verringert Schwankungen in der Dicke der als eine Schottky-Schicht dienenden
n
–-GaAs-Schicht
4 aufgrund
des Ätzens,
wodurch Schwankungen in dem 1/f-Rauschen verringert werden, die
aus auf den Schwankungen der Dicke der n
–-GaAs-Schicht
4 basierenden
Schwankungen in der Anzahl der Ladungsträger folgen. Die erste bevorzugte
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung verringert weiter die Schwankungen in dem 1/f-Rauschen verglichen
mit der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 10-51012 , die das Verfahren des
Abätzens
in die n
–-GaAs-Schicht offenbart.
Zusätzlich
kann die erste bevorzugte Ausführungsform,
bei der das Verfahren des Abätzens
nicht durchführt
wird, die Dicke der n
–-GaAs-Schicht
4 dementsprechend
derart größer halten,
dass eine größere Anzahl
an La dungsträgern
in der n
–-GaAs-Schicht
4 enthalten
bleibt, wodurch eine weitere Verringerung des 1/f-Rauschens erreicht
wird verglichen mit der japanischen Patentoffenlegungsschrift
JP 10-51012 . Die Durchführung des Überätzens bewirkt
Schwankungen in der Dicke der n
+-GaAs-Schicht
3.
Jedoch ist der Einfluss der Schwankungen der Dicke der n
+-GaAs-Schicht
3, die als eine ohmsche
Schicht dient, auf das 1/f-Rauschen äußerst gering und wird nicht
zu einem Problem.
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Weiter
sind die Ladungsträgerkonzentration
und das Volumen der n–-GaAs-Schicht 4 vorzugsweise höher, da
das 1/f-Rauschen als umgekehrt proportional zu der Anzahl der Ladungsträger angesehen
wird, wie oben erwähnt.
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2 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Ausgangsrauschleistung No als eine Funktion des Stroms darstellt,
wenn die Ladungsträgerkonzentrationen
der n–-GaAs-Schicht 4 gleich
2 × 1016 cm–3, 1,2 × 1017 cm–3 und 8 × 1017 cm–3 sind. Eine graphische
Darstellung der Ausgangsrauschleistung No bei einer Zwischenfrequenz
von 100 kHz ist auch in 2 (und auch in den 3 und 8)
durch Verwenden von Strom pro Einheitsfläche dargestellt.
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Da
der Empfangsmischer durch die LO (Lokaloszillator)-Leistung angeregt
ist, ist es wünschenswert, dass
die Ausgangsrauschleistung No zumindest in einem Bereich, in dem
der Strom nicht größer als
1 mA/μm2 ist, gering ist. Wie in 2 dargestellt
ist die Ausgangsrauschleistung No, wenn die Ladungsträgerkonzentration
so gering wie 2 × 1016 cm–3 ist, hoch in dem Bereich,
in dem der Strom nicht größer als
1 mA/μm2 ist. Andererseits, wenn die Ladungsträgerkonzentrationen
1,2 × 1017 cm–3 und 8 × 1017 cm–3 sind, ist die Ausgangsrauschleistung
No in dem Bereich gering, in dem der Strom nicht größer als
1 mA/μm2 ist. Die Ergebnisse von Experimenten haben
gezeigt, dass die Ausgangsrauschleistung No in dem Bereich, in dem
der Strom nicht grö ßer als
1 mA/μm2 ist, relativ gering sein kann, wenn die
Ladungsträgerkonzentration
der n–-GaAs-Schicht 4 nicht
weniger als 1 × 1017 cm–3 ist.
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Jedoch
ruft eine zu hohe Ladungsträgerkonzentration
in der als die Schottky-Schicht dienenden n–-GaAs-Schicht 4 das
Problem der Verringerung der Rückwärtsdurchbruchspannung
hervor. Die Ergebnisse von Experimenten haben gezeigt, dass die
Rückwärtsdurchbruchspannung
zu einem solchen Grade erhöht werden
kann, dass die praktische Verwendung eines Mischers, der unter Verwendung
der SBD 100 aufgebaut ist, erlaubt ist, wenn die Ladungsträgerkonzentration
der n–-GaAs-Schicht
nicht größer als
8 × 1017 cm–3 ist. Das bedeutet,
dass die Festlegung der Ladungsträgerkonzentration der n–-GaAs-Schicht 4 in
dem Bereich von 1 × 1017 bis 8 × 1017 cm–3 die
Verringerung der Ausgangsrauschleistung No erlaubt, während die
Durchbruchspannung sichergestellt wird.
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3 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Ausgangsrauschleistung No als eine Funktion der Ladungsträgerkonzentration
der als die ohmsche Schicht dienenden n+-GaAs-Schicht 3 zeigt,
wenn die Kombination von Dicke und Ladungsträgerkonzentration der als die
Schottky-Schicht dienenden n–-GaAs-Schicht 4 gleich
(200 nm und 1,2 × 1017 cm–3) und (100 nm und 5 × 1017 cm–3) ist. Mit Bezug auf 3 ist
die Ausgangsrauschleistung No umso geringer, je höher die
Ladungsträgerkonzentration
der n+-GaAs-Schicht 3 ist. Die Ergebnisse
von Experimenten haben gezeigt, dass die Ausgangsrauschleistung
No zu einem solchen Grade verringert werden kann, dass die praktische
Verwendung des Mischers, der unter Verwendung der SBD 100 aufgebaut
ist, erlaubt ist, wenn die Ladungsträgerkonzentration der n+-GaAs-Schicht 3 nicht
weniger als 1 × 1018 cm–3 ist.
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Die
Dicken der n+-GaAs-Schicht 3 und
der n–-GaAs-Schicht 4 sind
vorzugsweise größer, da
das 1/f-Rauschen wie oben erwähnt
um gekehrt proportional zu der Anzahl der Ladungsträger ist.
Da außerdem die
als die ohmsche Schicht dienende n+-GaAs-Schicht 3 erhöht ist,
sind die Widerstandskomponente und der Einfluss der Defekte in dem
GaAs-Substrat 1 verringert und die Ausgangsrauschleistung
No ist dementsprechend verringert. Die Ergebnisse von Experimenten
haben gezeigt, dass die Ausgangsrauschleistung No zu einem solchen
Grade verringert werden kann, dass die praktische Verwendung des
Mischers, der unter Verwendung der SBD 100 aufgebaut ist,
erlaubt ist, wenn die Dicke der n+-GaAs-Schicht 3 nicht
geringer als 100 nm ist. Zusätzlich
haben die Ergebnisse von Experimenten gezeigt, dass die Ausgangsrauschleistung
No zu einem solchen Grade verringert werden kann, dass die praktische
Verwendung des Mischers, der unter Verwendung der SBD 100 aufgebaut
ist, erlaubt ist, wenn die Dicke der n–-GaAs-Schicht 4 nicht
geringer als 100 nm ist.
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4 ist
eine Draufsicht der SBD 100. Ein Schnitt entlang der Linie
A-A' in 4 entspricht
dem der 1.
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4 zeigt
ein Layoutmuster der SBD 100 wie es in Draufsicht zu sehen
ist. Die beiden Kathodenelektroden 6 sind miteinander durch
eine Übertragungsleitung 8 verbunden.
Eine Anodenerweiterungsverbindungsleitung 9 ist mit der
Anodenelektrode 5 verbunden. Die Übertragungsleitung 8 und
die Anodenerweiterungsverbindungsleitung 9 sind von der
n+-GaAs-Schicht 3 und der n–-GaAs-Schicht 4 jeweils
durch einen SiN-Film (nicht in 4 und dergleichen
dargestellt) isoliert wie später
mit Bezug auf die 9A bis 9C beschrieben
werden wird.
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Bei
dem in 4 gezeigten Layoutmuster ist der aktive Bereich 31 derart
ausgebildet, dass er sich über
einen breiten Bereich so erstreckt, dass er die Anodenelektrode 5 und
die Kathodenelektroden 6 umgibt. Da der Strom von der Anodenelektrode 5 zu
den Kathodenelektroden 6 in den aktiven Bereich 31 fließt, wird der
Bereich eines Querschnitts des aktiven Bereichs 31 senkrecht
zu einer Richtung, in der der Strom fließt, gering, wenn der aktive
Bereich 31 derart ausgebildet ist, dass er sich über einen
relativ schmalen Bereich erstreckt, wie z. B. in 5 gezeigt
ist. Dies ruft das Problem einer erhöhten Serienwiderstandskomponente
gegen den Strom hervor. Wie in 4 veranschaulicht
wird beim Machen einer Abmessung des aktiven Bereichs 31,
gemessen in einer ersten Richtung senkrecht zu einer zweiten Richtung,
in der die Anodenelektrode 5 und die Kathodenelektroden 6 angeordnet
sind, größer als
die Abmessungen der Anodenelektrode 5 und der Kathodenelektroden 6,
gemessen in der ersten Richtung, der aktive Bereich 31 derart
vorgesehen, dass er die Anodenelektrode 5 und die Kathodenelektroden 6 umgibt,
wodurch die Widerstandskomponente verringert wird. Zusätzlich können die
Anodenelektrode 5 und die Kathodenelektroden 6 verkleinert
sein um die vergrößerten Schottky-Kontaktflächen mit
dem aktiven Bereich 31, wodurch eine Kapazitätskomponente
verringert wird.
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Die
SBD 100 macht eine Frequenzumsetzung in dem Mischer, die
später
mit Bezug auf die 10 und 11 beschrieben
werden wird. Die erhöhte
Kapazitätskomponente
hindert die LO-Leistung daran, effizient in die Widerstandskomponente
der SBD 100 einspeist zu werden. Somit, wenn die LO-Leistung
angehoben wird, nimmt die Ausgangsrauschleistung No zu, aber die
Mischverstärkung
Gc in Gleichung (1) nimmt ab und die Rauschzahl NF nimmt dementsprechend
zu. Daher verbessert das Bilden des sich über einen breiten Bereich zum
Verringern der Kapazitätskomponente
erstreckenden aktiven Bereichs 31 die Mischverstärkung Gc
derart, dass die Rauschzahl NF mit geringer LO-Leistung verringert
wird. Das bedeutet, dass die höhere Leistungsfähigkeit
des Mischers erzielt wird.
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Mit
Bezug auf 4 sind die zwei Kathodenelektroden 6 (erste
und zweite Kathodenelektrode) und die einzelne Anodenelektrode 5 in
der Länge
gleich zu einander und parallel zueinander angeordnet. Wie z. B. in 6 gezeigt,
führt die
Bildung einer einzelnen Kathodenelektrode 6 einer im Wesentlichen
U-förmigen
Gestaltung an Stelle der zwei Kathodenelektroden 6 zu der
vergrößerten Fläche der
Kathodenelektrode 6 derart, dass sich das Problem einer
höheren
Kapazitätskomponente
verglichen mit der aus 4 darstellt. Die Anordnung der
zwei Kathodenelektroden 6 und der einzelnen Anodenelektrode 5 parallel
zueinander wie in 4 gezeigt, stellt die geringere
Kapazitätskomponente
bereit. Dies verbessert die Mischverstärkung Gc derart, dass die Rauschzahl
NF verringert wird mit der geringen LO-Leistung. Das Vorsehen der zwei Kathodenelektroden 6,
die länger
sind als die Anodenelektrode 5, wie z. B. in 7 dargestellt,
führt zu
einer höheren
Kapazitätskomponente
verglichen mit der in 4, aber ist in der Verringerung
der Widerstandskomponente vorteilhaft.
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Mit
Bezug auf 4 ist eine Anodenbreite Wa,
welche die Abmessung der Anodenelektrode 5 gemessen in
der ersten Richtung ist, gleich 5 μm und ist eine Anodenlänge La,
die eine Abmessung der Anodenelektrode 5 gemessen in der
zweiten Richtung ist, gleich 4 μm.
Das Verhältnis
r der Anodenbreite Wa zu der Anodenlänge La ist ausgedrückt durch
r = 5/4 = 1,25.
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Je
größer in der
in 4 gezeigten SBD 100 die Anodenbreite
Wa ist, desto größer ist
das Volumen der n–-GaAs-Schicht 4 in
Kontakt mit der Anodenelektrode 5 und desto geringer ist
die Ausgangsrauschleistung No in Gleichung (1). Jedoch erhöht die Zunahme
der Anodenbreite Wa die Kapazitätskomponente
derart, dass die Mischverstärkung
Gc verringert wird, wodurch die Rauschzahl NF zunimmt. Die Ergebnisse
von Experimenten haben gezeigt, dass die Mischverstärkung Gc
verbessert wird und die Rauschzahl NF verringert wird mit der geringen
LO-Leistung, wenn die Anodenbreite Wa gleich 4 bis 10 μm ist.
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8 ist
ein Diagramm, das Änderungen
der Ausgangsrauschleistung No als eine Funktion des Stroms zeigt,
wenn das Verhältnis
r = Wa/La gleich 0,5, 1,25 und 2 ist. Wie in 8 gezeigt
ist, wenn das Verhältnis
r = 0,5 ist, die Ausgangsrauschleistung No in dem Bereich hoch,
in dem der Strom nicht größer als
1 mA/μm2 ist. Wenn andererseits das Verhältnis r
= 1,25 ist und wenn das Verhältnis
r = 2 ist, ist die Ausgangsrauschleistung No relativ gering in dem
Bereich, in dem der Strom nicht größer als 1 mA/μm2 ist. Wenn das Verhältnis r > 3 ist, wird die LO-Leistung nicht effizient
in die Widerstandskomponente der SBD 100 eingespeist. Dies
verringert die Mischverstärkung
Gc, um die Rauschzahl NF in Gleichung (1) zu veringern. Die Ergebnisse
von Experimenten haben gezeigt, dass wenn das Verhältnis r
in dem Bereich von 1 bis 3 ist, die Ausgangsrauschleistung No in
dem Bereich, in dem der Strom nicht größer als 1 mA/μm2 ist, relativ gering ist, die Mischverstärkung Gc
verbessert ist und die Rauschzahl NF verringert ist mit der geringen
LO-Leistung.
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Die 9A bis 9C sind
Schnittansichten, die ein Verfahren des Herstellens der SBD 100 zeigen.
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Zuerst
werden, wie in 9A gezeigt, die Pufferschicht 2 aus
i-GaAs, die n+-GaAs-Schicht 3 und
die n–-GaAs-Schicht 4 auf
dem semiisolierenden GaAs-Substrat 1 durch ein epitaktisches
Verfahren gebildet. Als nächstes
werden Fremdstoffionen von Wasserstoff und dergleichen implantiert,
wobei ein Diodenbildungsbereich mit einer Photolackmaske bedeckt
ist, zum Zwecke der elektrischen Isolierung einer Diode von anderen Bereichen
auf dem Wafer, wodurch der Isolationsbereich 32 (in den 9A bis 9C nicht
dargestellt) gebildet wird. Als nächstes wird ein Aufdampf- und
Lift-Off-Verfahren verwendet zum Bilden der Anodenelektrode 5 auf
der n–-GaAs-Schicht 4.
Die Bildung der Anodenelektrode 5 wird ausgeführt durch
Aufdampfen von Metall auf die n–-GaAs-Schicht 4 und
das Bearbeiten des abge schiedenen Metalls, wobei eine Photolackmaske
mit einer Öffnung
in einem Bereich, in dem die Anodenelektrode 5 gebildet
werden soll, verwendet wird.
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Als
nächstes
wird, wie in 9B dargestellt, ein SiN-Film 11 auf
der n–-GaAs-Schicht 4 und
der Anodenelektrode 5 durch ein CVD-Verfahren gebildet.
Dann wird der SiN-Film 11 durch ein RIE (Reaktives Ionenätzen)-Verfahren
anisotrop geätzt,
wobei eine Photolackmaske mit Öffnungen
in Bereichen, in denen die Kathodenelektroden 6 gebildet
werden sollen, verwendet wird, wodurch die n–-GaAs-Schicht 4 freigelegt
wird. Als nächstes
wird isotropes Ätzen
unter Verwendung einer Mischung von Weinsäure und Wasserstoffperoxidlösung durchgeführt auf
der freigelegten n–-GaAs-Schicht 4 in
einer zeitgesteuerten Art und Weise derart, dass die n+-GaAs-Schicht 3 freigelegt
wird. Dann wird ein Aufdampf- und Lift-Off-Verfahren unter Verwendung
eines Metalls wie z. B. AuGe und dergleichen derart durchgeführt, dass
die Kathodenelektroden 6 auf der freigelegten n+-GaAs-Schicht 3 gebildet
werden. Als nächstes
wird eine Wärmebehandlung
bei 360°C
für etwa
2 Minuten durchgeführt.
Dann wird ein SiN-Film 13 durch ein CVD-Verfahren vollständig über der
n+-GaAs-Schicht 3, den Kathodenelektroden 6 und
dem SiN-Film 11 gebildet.
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Dann
wird wie in 9C gezeigt der SiN-Film 13 durch
ein RIE-Verfahren unter Verwendung einer Photolackmaske mit Öffnungen über der
Anodenelektrode 5 und den Kathodenelektroden 6 geätzt, wodurch Kontaktlöcher 14 gebildet
werden. Als nächstes
werden die Anodenerweiterungsverbindungsleitung 9 und die Übertragungsleitung 8 (beide
nicht in den 9A bis 9C gezeigt)
in einer solchen Art und Weise gebildet, dass sie sich aus den Kontaktlöchern 14 erstrecken.
Die SBD 100 wird durch das oben erwähnte Verfahren hergestellt.
Der SiN-Film 11, der SiN-Film 13 und dergleichen,
die in den 9A bis 9C ge zeigt
sind, sind in den 1 bis 4 zum Zwecke
der Beschreibung nicht dargestellt.
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10 ist
eine Draufsicht, die einen Aufbau eines antiparallelen Diodenpaars
15 (im
Folgenden als ein APDP bezeichnet) zeigt, das ein Paar von SBDs
100 enthält, die
jeweils in
4 gezeigt und antiparallel miteinander
verschaltet sind, wobei ein isolierender Bereich (Isolationsbereich)
dazwischen angeordnet ist.
11 ist
ein Schaltplan eines Mischers
110, der das APDP
15 aus
10 als
ein APDP in einem Schaltungsaufbau verwendet, der im Wesentlichen
gleich dem in dem japanischen Patent
JP
2795972 offenbarten Mischer ist (
1).
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Wie
in 11 veranschaulicht beinhaltet der Mischer 110 das
APDP 15, eine offene Stichleitung 16, kurzgeschlossene
Stichleitungen 17 und 18, einen Filter 19,
eine Kapazität 20,
einen LO-Eingangsanschluss 21, einen RF (Radiofrequenz)-Eingangsanschluss 22 und
einen IF-Ausgangsanschluss 23.
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Mit
Bezug auf 11 mischt der Mischer 110 ein
an dem LO-Eingangsanschluss 21 eingespeistes LO-Signal
und ein an dem RF-Eingangsanschluss 22 eingespeistes RF-Signal,
um ein IF-Signal
an dem IF-Ausgangsanschluss 23 auszugeben.
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Die
offenen Stichleitung 16 ist an ihrem einen Ende offen und
besitzt eine Länge,
die einem Viertel der Wellenlänge
des LO-Signals entspricht.
Die kurzgeschlossene Stichleitung 17 ist an ihrem einen
Ende kurzgeschlossen und besitzt eine Länge, die einem Viertel der
Wellenlänge
des LO-Signals entspricht. Die kurzgeschlossene Stichleitung 18 ist
an ihrem einen Ende kurzgeschlossen und besitzt eine Länge, die
einem Viertel der Wellenlänge
des RF-Signals entspricht. Der Filter 19 erlaubt dem RF-Signal,
dadurch zu passieren.
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Da
die SBD 100 während
des positiven Halbzyklus des LO-Signals und während des negativen Halbzyklus
davon einschaltet, wird das IF-Signal (dessen Frequenz mit fIF bezeichnet wird) als eine Mischung der zweiten
Oberwelle des LO-Signals (dessen Frequenz mit fLO bezeichnet
wird) und das RF-Signals (dessen Frequenz mit fRF bezeichnet
wird) so ausgegeben, wie es ausgedrückt wird durch fIF = |fRF – 2fLO| (2)
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Da
die Zwischenfrequenz ausreichend niedriger ist als die Radiofrequenz
und die LO-Frequenz in dem Homodynverfahren, wird die Beziehung
zwischen der LO-Frequenz und der Radiofrequenz ausgedrückt als: fRF ≈ 2fLO (3)
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Das
bedeutet, dass die LO-Frequenz nur die Hälfte der Radiofrequenz sein
muss. Somit ist der Mischer 110, der wie in 11 gezeigt
aufgebaut ist, besonders für
ein Millimeterwellensystem geeignet.
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Die
offene Stichleitung 16, die kurzgeschlossenen Stichleitungen 17 und 18 und
der Filter 19 haben die Funktion des Trennens des LO-Signals,
des RF-Signals und des IF-Signals.
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Da
die offene Stichleitung 16 und die kurzgeschlossene Stichleitung 17 die
Länge haben,
die einem Viertel der Wellenlänge
des LO-Signals entspricht, ist das APDP 15 kurzgeschlossen
auf der Seite des RF-Eingangsanschlusses 22 und ist offen
auf der Seite des LO-Eingangsanschlusses 21 bei der LO-Frequenz.
Daher kann die Trennung so durchgeführt werden, dass das an dem
LO-Eingangsanschluss 21 eingespeiste
LO-Signal nur in das APDP 15 eingegeben wird.
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Nach
Gleichung (3) haben die offene Stichleitung 16 und die
kurzgeschlossene Stichleitung 17 die Länge, die einer halben Wellenlänge des
RF-Signals entspricht. Somit ist das APDP 15 offen auf
der Seite des RF-Eingangsanschlusses 22 und ist kurzgeschlossen
auf der Seite des LO-Eingangsanschlusses 21 bei der Radiofrequenz.
Daher kann die Trennung so durchgeführt werden, dass das an dem
RF-Eingangsanschluss 22 eingespeiste RF-Signal nur in das
APDP 15 eingegeben wird.
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Da
die kurzgeschlossene Stichleitung 18 die Länge besitzt,
die einem Viertel der Wellenlänge
des RF-Signals entspricht, ist das APDP 15 auf der Seite
des IF-Ausgangsanschlusses 23 offen und das RF-Signal wird
nicht abgegeben an den IF-Ausgangsanschluss 23 bei
der Radiofrequenz. Das IF-Signal wird nur zu dem IF-Ausgangsanschluss 23 ausgegeben,
da die offene Stichleitung 16, der Filter 19 und
die Kapazität 20 offen sind.
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12 zeigt
Messwerte B der Rauschzahl NF für
den in 11 gezeigten Mischer 110,
der unter Verwendung eines MMIC aufgebaut ist. In 12 gibt
die Abszisse die LO-Leistung wieder und die Koordinate gibt die
Rauschzahl NF wieder. Messwerte C der Rauschzahl NF für einen
Mischer, der in Schaltungsaufbau ähnlich zu dem aus 11 ist,
wobei die durch Miteinanderverbinden von Source und Drain des herkömmlichen
HEMT aufgebaute SBD verwendet wird, sind zum Zwecke des Vergleichs
auch in 12 gezeigt.
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Wie
als Messwerte B in 12 angegeben, ist die Rauschzahl
NF in dem Mischer 110, der die SBD 100 verwendet,
nicht größer als
15 dB, wenn die LO-Leistung nicht größer als 10 dBm ist. Ein Vergleich
der Messwerte B mit den Messwerten C zeigt, dass die Rauschzahl
um 20 dB oder mehr verringert ist.
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Wie
oben beschrieben kann die SBD 100 gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform
die Ausgangsrauschleistung No verringern, während die Durchbruchspannung
durch Festlegen der Ladungsträgerkonzentration
der n–-GaAs-Schicht 4 auf
1 × 1017 bis 8 × 1017 cm–3 sichergestellt
wird. Dies erlaubt die Verringerung des Rauschens während die
Größenverringerung
und die Kostenverringerung erreicht wird.
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In
der SBD 100 ist der aktive Bereich 31 derart ausgebildet,
dass er sich über
einen breiten Bereich in einer solchen Art und Weise erstreckt,
dass er die Anodenelektrode 5 und die Kathodenelektroden 6 umgibt. Dies
verringert die Serienwiderstandskomponente und die Kapazitätskomponente,
wodurch die Mischverstärkung
Gc verbessert und die Rauschzahl NF verringert wird mit der geringen
LO-Leistung, wenn eine Frequenzumsetzung in dem Mischer 110 durchgeführt wird.
In anderen Worten wird die höhere
Leistungsfähigkeit
des Mischers erzielt.
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Während die
Erfindung im Detail beschrieben wurde, ist die vorhergehende Beschreibung
in allen Aspekten veranschaulichend und nicht beschränkend.
