JP2000022241A - ガンダイオード、その製造方法、およびその実装構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガンダイオードの放熱性、歩留まり向上、平
面回路への実装容易性等を実現する。 【解決手段】 半導体積層部分に凹部２０を形成するこ
とにより、ガンダイオードとして機能する部分と、その
ガンダイオード部分の第１のコンタクト層１２への外部
からの電圧印加路として働く低抵抗層部分とを、分離し
て構成し、上記ガンダイオードとして機能する部分に電
圧を印加する電極１５，１６を第２のコンタクト層１４
の上面に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波やミリ
波の発振用として使用されるガンダイオードに係り、特
に放熱性の向上、歩留まり向上、平面回路への実装容易
性等を実現したガンダイオード、その製造方法、および
その実装構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波やミリ波の発振用のガンダイ
オードは、通常ガリウム砒素（GaAs)やインジウムリン
(InP)のような化合物半導体で形成されている。これら
の化合物半導体において、低電界では電子の移動度が数
千cm²/V・secと大きいのに対し、高電界が加わると加速
された電子が有効質量の大きいバンドに遷移してその移
動度が低下し、バルク内に負性微分移動度が生じ、結果
的に電流電圧特性の負性微分コンダクタンスが現れ、熱
力学的不安定が生じる。このため、ドメインが発生し、
カソード側からアノード側へ走行する。これが繰り返さ
れる結果、振動電流（発振）が得られる。

【０００３】このドメインが走行する距離によってガン
ダイオードの発振周波数が決定される。ミリ波用のガン
ダイオードの場合、この走行距離を１〜２μmと極めて
短くする必要がある。しかも、十分な発振効率を得るた
めには、ドメインの走行空間（活性層）の不純物濃度と
厚さの積を所定の値（例えば、１×１０¹²/cm²）に設定
する必要があり、また発振周波数は一義的に活性層の厚
みで決まるためミリ波のような高周波帯では活性層の不
純物濃度はかなり高くなる。そして、動作状態での電流
密度は活性層の不純物濃度と飽和電子速度との積により
決まり、ミリ波帯では電流密度の増大により活性層の温
度が上昇し、発振効率が低下してしまう。

【０００４】そこで、このような問題を解消するため
に、従来のミリ波用ガンダイオードでは、メサ型構造を
とることによって、活性層を含めた素子の大きさを数１
０μm直径程度と極めて小さく形成するとともに、もっ
とも重要な性能指数を左右する発振効率に大きな影響を
及ぼす放熱効率の良いセラミック製等の放熱部を備えた
ピル型パッケージ内に組み立てられていた。

【０００５】図２０に従来のメサ型構造のガリウム砒素
ガンダイオード素子１００の断面図を示す。高濃度ｎ型
ガリウム砒素からなる半導体基板１０１上にＭＢＥ法に
より高濃度ｎ型ガリウム砒素からなる第１のコンタクト
層１０２、低濃度ｎ型ガリウム砒素からなる活性層１０
３、高濃度ｎ型ガリウム砒素からなる第２のコンタクト
層１０４が順次積層され、電子の走行空間の面積を小さ
くするため、メサ型構造がとられている。

【０００６】その後、半導体基板１０１の裏面を薄層化
し、その半導体基板１０１の裏面にカソード電極１０５
を形成するとともに、第２のコンタクト層１０４の表面
にアノード電極１０６を形成してから、素子分離を行
い、ガンダイオード素子を完成させる。

【０００７】このように形成されたガンダイオード素子
１００は、図２１に示すようなピル型パッケージ１１０
内に組み立てられる。このピル型パッケージ１１０は、
放熱基台電極１１１と、ガンダイオード素子１００を取
り囲む外囲器となるガラスやセラミックスからなる円筒
１１２とを有し、この円筒１１２は放熱基台電極１１１
に硬ロウ付けされた構造となっている。ガンダイオード
素子１００は、図示しないサファイア材等のボンデング
ツールにて静電吸着され、放熱基台電極１１１に接着さ
れる。

【０００８】更に、金リボン１１３によりガンダイオー
ド素子１００と円筒１１２の先端に設けられた金属層と
が熱圧着等により接続される。金リボン１１３の接続を
行った後、円筒１１２上に蓋状の金属デイスク１１４を
ロウ付けし、ピル型パッケージ１１０への組立が終了す
る。

【０００９】ピル型パッケージ１１０に組み立てられた
ガンダイオードのマイクロストリップ線路１２０への実
装構造の一例を図２２に示す。ピル型パッケージ１１０
の両電極１１１，１１４の一方は、アルミナ等からなる
平板絶縁基板１２１に形成された孔に貫入してその平板
基板１２１の裏面に形成された接地電極１２２と電気的
に接続され、他方は、金リボン１２３によって平板基板
１２１上にマイクロストリップ線路として形成された信
号線路１２４に接続される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ガンダイオード素子１００は、前記したメサ型構造とす
るために、通常、ホトレジストをエッチングマスクとし
て使用し、化学的な湿式エッチングによる方法で形成さ
れるが、このエッチング方法では、深さ方向だけでな
く、横方向にも同時にエッチングが進行し、電子の走行
空間（活性層）の制御が非常に難しいという製造上の難
点があり、ガンダイオード素子の素子特性がばらつくと
いう問題点があった。

【００１１】また、ピル型パッケージ１１０に組み立て
る際には、放熱基台電極１１１にガンダイオード素子１
００を接着する時、前記ボンデイングツールが視野を遮
り、放熱基台電極１１１を直接視認することが困難とな
り、組立作業効率が非常に悪いという問題があった。

【００１２】更に、ガンダイオード素子１００を組み込
んだピル型パッケージ１１０を平板基板１２１上に構成
したマイクロストリップ線路１２０に実装する際に、金
リボン１２３によって接続するので、寄生インダクタン
スが発生し、特性がばらつくという実装上の問題点があ
った。

【００１３】本発明の目的は、上記製造上、組み立て
上、実装上の問題点を解消するガンダイオード、その製
造方法およびその実装構造を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】このために、第１の発明
ガンダイオードは、半導体基板上に、第１の半導体層、
活性層および第２の半導体層が順に積層されたガンダイ
オードにおいて、前記第２の半導体層上に配置され前記
活性層に電圧を印加するための第１、第２の電極と、該
第１の電極の周囲から前記第２の半導体層および前記活
性層に向けて切り込まれ、且つ前記第１の電極が接続さ
れる前記第２の半導体層および前記活性層をガンダイオ
ードとして機能させる領域として区画する凹部と、を備
えるよう構成した。

【００１５】第２の発明のガンダイオードは、第１の発
明において、前記第２の電極と前記第１の半導体層との
間を短絡する導電性膜を前記凹部内に設けて構成した。

【００１６】第３の発明のガンダイオードは、前記第
１、第２の電極が、下地電極層と、該下地電極層に連続
して上面が略同じレベルの高さに形成された導電性突起
部より構成されようにした。

【００１７】第４の発明のガンダイオードは、第１乃至
第３の発明において、前記第１の電極の前記導電性突起
部を略中央部に形成し、その両側に前記第２の電極の前
記導電性突起部を形成して構成した。

【００１８】第５の発明のガンダイオードは、第１乃至
第４の発明において、前記第１の電極の面積を、前記第
２の電極の面積の１／１０以下に設定して構成した。

【００１９】第６の発明のガンダイオードは、第１乃至
第５の発明において、前記第１の電極および前記第１の
電極の周囲から切り込まれた前記凹部が２以上形成され
ているよう構成した。

【００２０】第７の発明のガンダイオードは、第１乃至
第６の発明において、前記半導体基板、前記第１の半導
体層、前記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウ
ム砒素、インジウムリン等の化合物半導体からなるよう
構成した。

【００２１】第８の発明のガンダイオードは、第１乃至
第７の発明において、前記第２の電極に連続する前記第
２の半導体層および前記活性層を単一の半導体層又は導
体層に置換して構成した。

【００２２】第９の発明のガンダイオードは、第１乃至
第８の発明において、前記半導体基板の裏面に第３の電
極を設け、該第３の電極と前記第１の電極とを前記活性
層への電圧印加用とし、前記第２の電極をスペーサ用に
代えて構成した。

【００２３】第１０の発明のガンダイオードの製造方法
は、半導体基板上に、第１のコンタクト層となる第１の
半導体層と、活性層と、第２のコンタクト層となる第２
の半導体層とを順に積層形成する第１の工程と、前記第
２のコンタクト層上に所定形状の第１、第２の電極を形
成する第２の工程と、前記第１、第２の電極をマスクと
してドライエッチングにより前記第２の半導体層および
活性層を除去する第３の工程と、を有するよう構成し
た。

【００２４】第１１の発明のガンダイオードの製造方法
は、第１０の発明において、前記第２の工程が、所定形
状の前記第１、第２の電極用の下地電極層を形成した後
に、該下地電極層上にほぼ同じ高さの導電性突起部を形
成する工程を含むよう構成した。

【００２５】第１２の発明のガンダイオードの製造方法
は、第１０又は第１１の発明において、前記半導体基
板、前記第１の半導体層、前記活性層および前記第２の
半導体層が、ガリウム砒素、インジウムリン等の化合物
半導体からなるよう構成した。

【００２６】第１３の発明のガンダイオードの実装構造
は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を形成し裏面
に接地電極を形成したマイクロストリップ線路の該表面
に、前記裏面の接地電極からヴィアホールを介して接続
される表面接地電極を形成し、前記信号電極と前記表面
接地電極とに、第１乃至８の発明のガンダイオードの第
１、第２の電極をそれぞれ接続搭載して構成した。

【００２７】第１４の発明のガンダイオードの実装構造
は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極および一対の
接地電極を形成したコプレーナ線路の該信号電極と該接
地電極とに、第１乃至第８の発明のガンダイオードの第
１、第２の電極をそれぞれ接続搭載して構成した。

【００２８】第１５の発明のガンダイオードの実装構造
は、前記信号電極の一端が前記ガンダイオードの第１の
電極が接続された箇所から長さLで開放し、該長さＬの
第１の電極部分を共振器として働かせ、該長さＬにより
発振周波数を決定するように構成した。

【００２９】第１６の発明のガンダイオードの実装構造
は、絶縁性基板でなるヒートシンクに第４、第５の電極
を形成し、前記第９の発明のガンダイオードの第１の電
極を前記ヒートシンクの第４の電極に直接接続搭載し、
前記ガンダイオードの第２の電極を前記ヒートシンクの
第５の電極に直接接続搭載して構成した。

【００３０】第１７の発明のガンダイオードの実装構造
は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を形成し裏面
に放熱基台を兼ねる接地電極を形成したマイクロストリ
ップ線路に、表面から裏面の接地電極に至る穴を形成
し、該穴内において、第１６の発明のヒートシンクの第
５の電極を前記接地電極に接続し、第１６の発明のガン
ダイオードの第３の電極を前記マイクロストリップ線路
の信号電極に導電線で接続して構成した。

【００３１】第１８の発明のガンダイオードの実装構造
は、第１３乃至第１７の発明において、前記信号電極、
前記接地電極、および前記ガンダイオードにより、ある
いはこれに誘電体共振器を付加することにより、所定の
周波数で発振する発振回路を構成した。

【００３２】第１９の発明のガンダイオードの実装構造
は、第１８の発明において、前記信号電極の内の前記発
振回路の電極として機能する部分を、少なくとも一部が
導体の平板基板により覆い、該平板基板の該導体部分を
前記接地電極に接続して構成した。

【００３３】第２０の発明のガンダイオードの実装構造
は、第１３乃至第１９の発明において、前記マイクロス
トリップ線路又はコプレーナ線路の平板基板の比抵抗を
10⁶オーム・ｃｍ以上とし、かつ熱電導率を１４０Ｗ／m
K以上とした。

【００３４】第２１の発明のガンダイオードの実装構造
は、第１３乃至第２０の発明において、前記マイクロス
トリップ線路又はコプレーナ線路の平板基板が、Ａｌ
Ｎ、Ｓｉ、ＳｉＣ、又はダイヤモンドの少なくとも一つ
から構成されるようにした。

【００３５】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］図１は本発
明の第１の実施の形態のガリウム砒素より構成されたガ
ンダイオード素子１０の構造を示す図で、その(a)は平
面図、(b)は断面図である。図２は製造工程図である。

【００３６】まず、図２の内容に従って示す製造工程を
説明する。不純物濃度が１〜２×10 ¹⁸atom/cm²のｎ型ガ
リウム砒素からなる半導体基板１１上にＭＢＥ法によ
り、不純物濃度が２×10¹⁸atom/cm²で厚さ1.5μmのｎ型
ガリウム砒素からなる第１のコンタクト層１２、不純物
濃度が1.2×10¹⁶atom/cm²で厚さ1.6μmのｎ型ガリウム
砒素からなる活性層１３、不純物濃度が１×10¹⁸atom/c
mで厚さ0.3μmのｎ型ガリウム砒素からなる第２のコン
タクト層１４を順次積層した半導体基板を用意する。

【００３７】第２のコンタクト層１４上に、カソード電
極およびアノード電極形成予定領域を開口するホトレジ
ストをパターニングし、第２のコンタクト層１４とオー
ミック接触するＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕ等からなる金属膜
（下地電極層）を蒸着する。ホトレジストを除去した
後、加熱処理（アニール）を行い、第２のコンタクト層
１４上に、カソード電極１５およびアノード電極１６を
分離して形成する（図２の(a)）。図１に示すように、
カソード電極１５の平面形状は縁が方形、アノード電極
１６の平面形状は円形であるが、楕円形、略正方形等を
選択することもできる。

【００３８】次に、カソード電極１５およびアノード電
極１６表面の一部を開口するように、ホトレジスト１７
をパターンニングし、開口内に電解メッキ法あるいは無
電解メッキ法によって、Ａｕ等からなる導電性突起部で
あるバンプ（電極）１８、１９を析出形成する（図２の
(b)）。

【００３９】次に、ホトレジスト１７を除去することに
より、カソード電極１５およびアノード電極１６を形成
した第２のコンタクト層１４を露出させてから、カソー
ド電極１５およびアノード電極１６をマスクとして使用
し、塩素ガス等を用いたリアクティブイオンエッチング
（ＲＩＥ）等のドライエッチングにより、第２のコンタ
クト層１４および活性層１３を除去し、上記アノード電
極１６の周辺に略メサ状の、あるいは垂直状の凹部２０
を形成する（図２の(c)）。このように、上部のカソー
ド電極１５とアノード電極１６をマスクとした自己整合
による垂直方向のエッチングにより、目標とする凹部２
０を正確に形成することができる。

【００４０】ここで、凹部２０によって区画されたアノ
ード電極１６が接続される活性層１３の面積は、ガンダ
イオードの所定の動作電流が得られる面積（横方向断面
積）に設定される。つまり、ガンダイオードとして機能
可能な面積に設定される。また、カソード電極１５が接
続される活性層１３の面積は、アノード電極１６が接続
される活性層１３の面積の１０倍以上として、カソード
電極１５下方の半導体積層部の電気抵抗をアノード電極
１６下方の半導体積層部の電気抵抗の１／１０以下とす
ることで、この部分をガンダイオードとしては機能させ
ず、実質的に低い値の抵抗として機能させ、カソード電
極１５を実質的に第１のコンタクト層１２に接続させ
る。以上の活性層１３の面積比は、１０未満の場合、動
作効率が低下するのみで効果がなく、１０以上にする必
要があり、１００以上とすることが好ましい。

【００４１】なお、凹部２０の切り込み深さは、活性層
１３の全部を除去する深さとしているが、ある程度活性
層１３の部分が残るようにしても、また第１のコンタク
ト層１２にある程度食い込むようにしてもよい。

【００４２】なお、ここでは、カソード電極下方の活性
層面積をアノード電極のそれより大きくしたが、逆にア
ノード電極下方の活性層面積をカソード電極のそれより
大きくしても良い。つまり、アノード電極とカソード電
極は相互に取り替えることができる。また、ここでは活
性層１３の不純物濃度の濃度勾配が無いようにしたの
で、アノード電極１９とカソード電極１８は逆であって
も差し支えないが、濃度勾配を付けたときは、濃度の低
い側の電極がカソード電極、高い側の電極がアノード電
極となる。

【００４３】次に、通常のガンダイオードの製造工程に
従い、ガンダイオード全体の厚さが６０μm程度となる
ように、半導体基板１１の裏面を研磨し薄層化する。そ
の後、必要に応じて、半導体基板１１の裏面に、半導体
基板１１とオーミック接触するＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕ、
Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ等からなる金属膜２１を蒸着し、加熱
処理（アニール）を行う（図２の(d)）。

【００４４】半導体基板１１の裏面に形成する金属膜２
１は必ずしも必要ないが、後記する実装構造（図７）を
とる場合には、カソード電極１５に代えたカソード電極
として機能させることができる。このとき、カソード電
極１５とアノード電極１６との面積比には、上記した１
／１０以下にするというような制約はなくなる。

【００４５】以上説明したように、本実施の形態のガン
ダイオード１０は、半導体積層部分にアノード電極１６
を囲むように凹部２０を形成することにより、ガンダイ
オードとして機能する部分と、そのガンダイオード部分
の第１のコンタクト層１２への外部からの電圧印加路と
して働く低抵抗層部分とに分離した構造であるので、第
２のコンタクト層１４の上面にカソード電極１５とアノ
ード電極１６の両電極を設けることができる。つまり、
同一の面にカソード電極１５とアノード電極１６をまと
めることができる。このため、後記するように、実装
上、放熱上等で大きな利点を発揮する。

【００４６】また、動作電流を決定する領域（ガンダイ
オードとして機能する部分）を画定するエッチングを、
その領域の上部に形成した電極をマスクとした自己整合
的ドライエッチングにより行うため、従来の化学的湿式
エッチングに比べて製造バラツキが少なく、歩留まりを
高くすることができる。

【００４７】図３の(a)は図１の(b)に示したガンダイオ
ード素子１０の変形例１０’を示す図であり、凹部２０
の内において、導電性膜２２を被着し、第１のコンタク
ト層１２とカソード電極１５を短絡する構造としたもの
である。このようにすれば、カソード電極１５から第１
のコンタクト層１２までの間の寄生抵抗が大きい場合
に、その寄生抵抗の影響を防止でき、カソード電極１５
に印加する電圧をほとんど損失なく、第１のコンタクト
層１２に伝達することができる。

【００４８】なお、このガンダイオード素子１０’の考
え方を更に押し進めたものとして、図３の(b)に示すガ
ンダイオード素子１０”のように、カソード電極１５を
第１のコンタクト層１２の上面に直接形成し、その上面
にバンプ１８を形成し、他は図１の(b)に示す構造と同
様にして、バンプ１８，１９の上面が同一レベルの高さ
で並ぶようにすることもできる。

【００４９】［第２の実施の形態］図４はガンダイオー
ド素子１０をマイクロストリップ線路３０を形成する平
板回路基板に実装して発振器を構成した構造の一例を示
す図である。ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ（シリ
コン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ダイアモンド
等のように比抵抗が10⁶Ω・cm以上、熱電導率が１４０W
/mK以上で良好な半絶縁性の平板基板３１上に、信号電
極３２が、また裏面に接地電極３３が形成されている。
３４はタングステンを充填したヴィアホールであり、裏
面の接地電極３３と表面に形成した表面接地電極３５を
接続している。

【００５０】ガンダイオード素子１０はそのアノード電
極のバンプ１９が信号電極３２に接着され、カソード電
極のバンプ１８が接地電極３４に接着されている。３２
Aはガンダイオード素子１０に電源電圧を供給するバイ
アス部の電極、３２Ｂはガンダイオード素子１０を含む
マイクロストリップ線路による共振器を構成する電極、
３６は直流カットを行うコンデンサ部、３２Ｃはマイク
ロストリップ線路による信号出力部の電極である。

【００５１】この実装構造では、ガンダイオード素子１
０をフェースダウン姿勢にして、バンプ１８，１９を電
極３５，３２に直接接続し、金リボンを使用しないの
で、金リボンによる接続に起因し発生していた寄生イン
ダクタンスの発生がなくなり、特性のばらつきの少ない
発振器を実現することが可能になる。

【００５２】また、ガンダイオード素子１０に発生する
熱がバンプ１８，１９を介してヒートシンクとしても機
能する基板３１に放散されるので、放熱効果も高くな
る。さらに、このようなガンダイオード素子１０の実装
状態では、アノード電極のバンプ１９の両側にカソード
電極のバンプ１８が位置するので、アノード電極に過度
の加重が加わることが防止される。

【００５３】図５は図４に示した発振器において、その
バイアス部の電極３２Ａを信号出力部の電極３２Ｃ側に
設けたものである。この図５に示す構造の平板基板３１
の平面は、図６の(a)に示すようになり、先端開放の電
極３２Ｂの長さＬを調整することで、発振周波数と発振
出力を設定することができる。図７はこれを示す特性図
であり、電極３２Ｃの特性インピーダンスを５０Ω、電
極３２Ｂの特性インピーダンスを３５Ωにした場合のも
のである。

【００５４】図８は発振スペクトラムを示す図であり、
ピーク発振周波数が58.68ＧＨｚにおいて、位相雑音が
１００ＫＨｚオフキャリア（離れたところ）で−85dB／
Hzとなっており、導波管キャビティによるガンダイオー
ド発振器よりも良好な値を示している。なお、図８では
−46.7dBであるが、 −47.6dB＋2.5dB−10log（１Hz／（10Hz×1.2））＝−8
5dB の式により、−85dB／Hzとなる。

【００５５】なお、図６の(b)に示したように、ガンダ
イオード素子１０の中央のアノード電極のバンプ１９
を、ヴィアホールで裏面の接地電極に接続された表面接
地電極３５’に接続し、両側のカソード電極のバンプ１
８の一方を共振器の電極３２Ｂ’に、他方を出力用の電
極３２Ｃにそれぞれ接続して発振器を構成したときは、
図９に示すように、ピーク発振周波数が61.63ＧＨｚに
おいて、位相雑音が１００ＫＨｚオフキャリアで−75dB
／Hz（図９では−36.7dB／Hzであるが上記式と同様の式
により求めた。）となっており、図６の(a)に示した接
続構造に比べて１０ｄＢだけ劣化していることが分かっ
た。

【００５６】この理由は、図６の(a)の接続構造では、
ガンダイオード素子１０の半導体基板１１がバンプ１８
や表面接地電極３５等を介して接地され、その半導体基
板１１が遮蔽板として機能し、発振器の放射損によるＱ
の低下が抑制され、これにより位相雑音が改善されてい
るものと推定される。

【００５７】図１０は図５に示した発振器において、表
面接地電極３５に並ぶように電極３２Ｂの両側に沿って
別の表面接地電極３５’を形成して、これをヴィアホー
ル（図示せず）で裏面の接地電極３３に接続し、発振器
を構成する電極３２Ｂを覆うように導電性の平板基板８
０を設けたものである。この平板基板８０は表面接地電
極３５’に接続するためのバンプ８１を両側に持つ。

【００５８】この図１０に示す構造では、導電性の平板
基板８０がバンプ８１、表面接地電極３５’を介して接
地されるので、共振器における放射損がさらに抑制さ
れ、高いＱをもつ共振器を実現できる。平板基板８０
は、少なくともその１部が金属電極で覆われた構造であ
れば、基板自体は半絶縁性の材質であっても良い。ま
た、この平板基板８０を使用せずに、ガンダイオード素
子１０のチップサイズを大きくして、ガンダイオード素
子１０の半導体基板１１により電極３２Ｂを覆うように
構成しても、同様に高いＱを得ることができる。また、
表面接地電極３５’は表面接地電極３５を延長して形成
してもよい。

【００５９】［第３の実施の形態］図１１はガンダイオ
ード素子１０をコプレーナ線路４０を構成する回路基板
に実装した構造の一例を示す図である。４１は前記基板
３１と同様の材質からなる半絶縁性の平板基板であり、
上面に信号線路を形成する信号電極４２と、それを挟む
ように１対の接地電極４３が形成されている。

【００６０】ここでは、ガンダイオード素子１０は、そ
のアノード電極のバンプ１９が中央の信号線路４２に、
カソード電極のバンプ１８が両側の接地電極４３に直接
接合されている。これにより、信号電極４２と接地電極
４３の間に印加された電圧がガンダイオード素子１０の
アノード電極とカソード電極との間に印加され、発振を
起こさせることができる。この図１１に示す実装構造に
おいても、図４、図５、図１０に示した実装構造と同様
に、特性を安定化し、放熱効果が高くなり、アノード電
極が保護される等の作用効果がある。

【００６１】図１２は＋3.0Ｖ印加のためのバイアス部
としての電極４２Ａを信号線路４２に連続して形成した
ものである。この電極４２Ａの周囲には接地電極４３に
より電源への影響を緩和するためのチョークが形成され
ている。ここでも、発振器を構成する電極３２Ｂのガン
ダイオード素子１０の部分から開放先端までの長さを調
整することにより、発振周波数や発振出力を設定するこ
とができる。４２Ｃは信号出力部の電極である。

【００６２】図１３は前記した図１０と同じ発想に基づ
くものであり、発振器を構成する電極４２Ｂの上面を導
電性の平板基板８０で覆い、その平板基板８０の両側の
バンプ８１を接地導体４３に接続したものである。これ
により、共振器における放射損が抑制され、高いＱをも
つ共振器を実現できる。

【００６３】［第４の実施の形態］図１４はガンダイオ
ード素子１０の放熱構造を示す図である。５０はダイア
モンド基板５１を使用したヒートシンクであり、ガンダ
イオード素子１０のカソード電極のバンプ１８が接続さ
れる電極５２、アノード電極のバンプ１９が接続される
電極５３が形成されている。電極５２は電極５３から分
離独立し、電極５３は接地電極５４に連続している。

【００６４】ガンダイオード素子１０はガンダイオード
として機能するアノード電極に対応する半導体積層部分
で熱が発生するが、その熱はバンプ１８，１９（主とし
てバンプ１９）を介してヒートシンク５０に伝達され、
冷却作用が行われる。

【００６５】図１５は図１４に示したガンダイオード素
子１０の実装構造を、マイクロストリップ線路６０に組
み込んだものである。ガンダイオード素子１０を実装し
たヒートシンク５０を、このマイクロストリップ線路６
０に形成した穴６１内で、放熱基台を兼ねた接地電極６
２に接着させ、アルミナの平板基板６３上の信号電極６
４とガンダイオード素子１０の裏面のカソード電極２１
を金リボン２２で接続している。

【００６６】この構造では、信号電極６４と接地電極６
２の間に印加された電圧が金リボン２２とヒートシンク
５０の電極５３，５４を経由して、カソード電極２１と
アノード電極１９に印加する。ここでは、カソード電極
１５のバンプ１８はフェースダウン姿勢を両側で保持す
るスペーサとして機能し、電流伝達経路としては機能し
ない。この構造は非常に簡単であり、従来のピルパッケ
ージ１１０を使用する場合に比べて大幅なコストダウン
が可能である。

【００６７】［第５の実施の形態］図１６は別の例のガ
ンダイオード素子１０Ａの構造を示す図で、(a)は平面
図、(b)は断面図である。ここでは、アノード電極１９
を４個独立して形成し、これに対応して４個の凹部２０
によって、４個のメサ型構造のガンダイオード部分を形
成している。個々のメサ型構造のガンダイオード部分
は、電圧が共通に印加されるので、動作時は並列接続さ
れた状態となる。

【００６８】ここではメサ型構造部分の半径を小さくす
ることができ、４個のメサ型構造のガンダイオード部分
の合計面積と等しい１個のメサ型構造のガンダイオード
部分と比べて、放熱効果が格段に高くなるので、変換効
率（入力電力と出力電力の比率）や発振電力を大幅に高
くすることが可能となる。なお、メサ型構造部分の面積
を小さくするとその強度が弱くなり、実装の段階での破
損が危惧されるが、カソード電極のバンプ１８がその周
囲に形成され、この部分が実質的に荷重を受けることに
なるので、破損のおそれはない。なお、メサ型構造の独
立したガンダイオード部分は、４個に限られるものでは
ない。また、この複数のガンダイオードの断面積は、同
一である必要はなく、その断面形状（アノード電極の形
状）も丸形に限られず、任意形状にすることができる。

【００６９】図１７はこの変換効率率η（％）と発振電
力Ｐ（ｍＷ）をメサ型構造のガンダイオード部分の数に
よる変化を調べた特性図である。メサ型構造のガンダイ
オード部分の数をアノード電極合計面積を変更すること
なく４個から９個にすると、発振効率、発振電力ともに
高くなっていることがわかる。図１８はメサ型構造のガ
ンダイオード部分を前記とは異なるアノード電極合計面
積で４個から６個に変化させたときの同様の特性図であ
り、同様の傾向を確認できる。

【００７０】なお、これらの測定は、図１９に示すよう
に導波管に実装した条件のもとで行った。７０は導波
管、７１はその導波管７０内に設けた導電性台座（アノ
ード）、７２はこの台座７１上に絶縁基板７３を接着す
るソルダである。複数のアノード電極をもつガンダイオ
ード素子１０Ａは、フェースダウン姿勢でそのカソード
電極のバンプ１８を電極７４を介して絶縁基板７３上に
支持し、アノード電極のバンプ１９を電極７５、絶縁基
板７３に形成されたヴィアホール７６、およびソルダ７
２を介して台座７１に接続した。また、導波管７０には
バイアス電圧が印加されるバイアスポスト７７を差し込
み、その下端を金リボン７８を介してガンダイオード素
子１０Ａの裏面の電極２１に接続した。

【００７１】［その他の実施の形態］なお、以上の説明
は半導体としてガリウム砒素を用いた例を示したが、イ
ンジウムリンその他の化合物半導体を使用しても、同様
の効果が生じる。また、以上説明したストリップ線路や
コプレーナ線路にガンダイオード素子を実装して発振器
を構成する場合は、さらにこれに誘電体共振器を付加す
ることもできる。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように本発明のガンダイオ
ードは、ガンダイオードとして機能する領域を画定する
エッチングを、その領域の上部に形成した電極層をマス
クとした自己整合的ドライエッチングにより行うため、
ガンダイオードの特性のばらつきを少なくすることがで
きる。

【００７３】また、本発明のガンダイオードでは、同一
面に同じレベルの高さでカソード電極とアノード電極を
設けることができるため、フェースダウンの姿勢で実装
できる。このため、従来のようなピル型パッケージに組
み立てる必要がなく、平板基板への組み立てが容易に可
能であり組み立て上の利点が大きい。

【００７４】さらに、実装時に金リボン等によって微小
電極と接続する必要がないため、寄生インダクタンスの
発生がなく、金リボンの長さのばらつきなどに起因する
回路特性のばらつきをなくすことができる。

【００７５】さらに、実質的にガンダイオードとして機
能するメサ型構造部分を複数個に分離して構成すること
により、放熱効率が格段に良くなり、発振効率や発振電
力を大幅に向上させることができる。

【００７６】さらに、発振器を構成するよう実装したと
き、その発振器の部分が、ガンダイオード又はそれに加
えて導電性の平板基板により遮蔽されるので、位相雑音
を大幅に低減させそのＱを高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態のガンダイオード
素子を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。

【図２】 上記ガンダイオード素子の製造方法を説明す
る図である。

【図３】 (a),(b)は上記ガンダイオード素子の変形例
を示す断面図である。

【図４】 上記ガンダイオード素子をマイクロストリッ
プ線路に実装した第２の実施の形態の斜視図である。

【図５】 図４の実装構造の変形例の斜視図である。

【図６】 (a),(b)はガンダイオード素子の実装形態の
表面図である。

【図７】 発振器としてガンダイオード素子実装したと
き電極３２Ｂの長さＬによる発振周波数と発振出力の特
性図である。

【図８】 ガンダイオード素子を図６の(a)の向きで実
装したときの発振周波数のスペクトラム図である。

【図９】 ガンダイオード素子を図６の(b)の向きで実
装したときの発振周波数のスペクトラム図である。

【図１０】 図５の実装構造に平板基板を追加実装した
斜視図である。

【図１１】 上記ガンダイオード素子をコプレーナ線路
に実装した第３の実施の形態の斜視図である。

【図１２】 図１１の実装構造の変形例の斜視図であ
る。

【図１３】 図１２の実装構造に平板基板を追加実装し
た斜視図である。

【図１４】 ガンダイオード素子をフェースダウン姿勢
でヒートシンクに実装した第４の実施の形態を示す図
で、(a)はヒートシンクの平面図、(b)は実装状態の断面
図である。

【図１５】 図１４に示したヒートシンクに実装したガ
ンダイオード素子をマイクロストリップ線路にさらに実
装した状態を示す断面図である。

【図１６】 本発明の第５の実施の形態のガンダイオー
ド素子を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。

【図１７】 ガンダイオード素子のある特定の合計面積
のメサ型構造部分の数に応じた出力電力と変換効率の特
性を示す図である。

【図１８】 ガンダイオード素子の別の合計面積のメサ
型構造部分の数に応じた出力電力と変換効率の特性を示
す図である。

【図１９】 図１７、図１８の特性測定に使用したガン
ダイオード実装状態の説明図である。

【図２０】 従来のメサ型構造のガンダイオードの断面
図である。

【図２１】 従来のメサ型構造のガンダイオードをピル
型パッケージに組み込んだ断面図である。

【図２２】 ピル型パッケージをマイクロストリップ線
路に搭載した説明図である。

【符号の説明】

１０、１０’、１０”１０Ａ：ガンダイオード素子、１
１：半導体基板、１２：第１のコンタクト層、１３：活
性層、１４：第２のコンタクト層、１５：カソード電
極、１６：アノード電極、１７：ホトレジスト、１８，
１９：バンプ、２０：凹部、２１：金属膜、２２：金リ
ボン、３０：マイクロストリップ線路、３１：平板基
板、３２：信号電極、３３：接地電極、３４：ヴィアホ
ール、３５、３５’：表面接地電極、４０：コプレーナ
線路、４１：平板基板、４２：信号電極、４２：接地電
極、５０：ヒートシンク、５１：基板、５２〜５４：電
極、６０：マイクロストリップ線路、６１：穴、６２：
接地電極（放熱基台）、６３：平板基板、６４：接地電
極、７０：導波管、７１：導電性台座（アノード）、７
２：ソルダ、７３：絶縁基板、７４、７５：電極、７
６：ヴィアホール、７７：バイアスポスト、７８：金リ
ボン ８０：平板基板、３１：バンプ、１００：従来のガンダ
イオード素子、１０１：半導体基板、１０２：第１コン
タクト層、１０３：活性層、１０４：第２のコンタクト
層、１０５：カソード電極、１０６：アノード電極、１
１０：ピル型パッケージ、１１１：放熱基台電極、１１
２：円筒、１１３：金リボン、１１４：金属ディスク、
１２０：マクロストリップ線路、１２１：平板基板、１
２２：接地電極、１２３：金リボン、１２４：信号電
極。

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板上に、第１の半導体層、活性層
   および第２の半導体層が順に積層されたガンダイオード
   において、 前記第２の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印
   加するための第１、第２の電極と、 該第１の電極の周囲から前記第２の半導体層および前記
   活性層に向けて切り込まれ、且つ前記第１の電極が接続
   される前記第２の半導体層および前記活性層をガンダイ
   オードとして機能させる領域として区画する凹部と、 を備えたことを特徴とするガンダイオード。
2. 【請求項２】前記第２の電極と前記第１の半導体層との
   間を短絡する導電性膜を前記凹部内に設けたことを特徴
   とする請求項１に記載のガンダイオード。
3. 【請求項３】前記第１、第２の電極が、下地電極層と、
   該下地電極層に連続して上面が略同じレベルの高さに形
   成された導電性突起部より構成されることを特徴とする
   請求項１又は２に記載のガンダイオード。
4. 【請求項４】前記第１の電極の前記導電性突起部を略中
   央部に形成し、その両側に前記第２の電極の前記導電性
   突起部を形成したことを特徴とする請求項１乃至３に記
   載のガンダイオード。
5. 【請求項５】前記第１の電極の面積を、前記第２の電極
   の面積の１／１０以下に設定したことを特徴とする請求
   項１乃至４に記載のガンダイオード。
6. 【請求項６】前記第１の電極および前記第１の電極の周
   囲から切り込まれた前記凹部が２以上形成されているこ
   とを特徴とする請求項１乃至５に記載のガンダイオー
   ド。
7. 【請求項７】前記半導体基板、前記第１の半導体層、前
   記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウム砒素、
   インジウムリン等の化合物半導体からなることを特徴と
   する請求項１乃至６記載のガンダイオード。
8. 【請求項８】前記第２の電極に連続する前記第２の半導
   体層および前記活性層を単一の半導体層又は導体層に置
   換したことを特徴とする請求項１乃至７に記載のガンダ
   イオード。
9. 【請求項９】前記半導体基板の裏面に第３の電極を設
   け、該第３の電極と前記第１の電極とを前記活性層への
   電圧印加用とし、前記第２の電極をスペーサ用に代えた
   ことを特徴とする請求項１乃至８に記載のガンダイオー
   ド。
10. 【請求項１０】半導体基板上に、第１のコンタクト層と
    なる第１の半導体層と、活性層と、第２のコンタクト層
    となる第２の半導体層とを順に積層形成する第１の工程
    と、 前記第２のコンタクト層上に所定形状の第１、第２の電
    極を形成する第２の工程と、 前記第１、第２の電極をマスクとしてドライエッチング
    により前記第２の半導体層および活性層を除去する第３
    の工程と、 を有することを特徴とするガンダイオードの製造方法。
11. 【請求項１１】前記第２の工程が、所定形状の前記第
    １、第２の電極用の下地電極層を形成した後に、該下地
    電極層上にほぼ同じ高さの導電性突起部を形成する工程
    を含むことを特徴とする請求項１０に記載のガンダイオ
    ードの製造方法。
12. 【請求項１２】前記半導体基板、前記第１の半導体層、
    前記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウム砒
    素、インジウムリン等の化合物半導体からなることを特
    徴とする請求項１０又は１１に記載のガンダイオードの
    製造方法。
13. 【請求項１３】半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を
    形成し裏面に接地電極を形成したマイクロストリップ線
    路の該表面に、前記裏面の接地電極からヴィアホールを
    介して接続される表面接地電極を形成し、 前記信号電極と前記表面接地電極とに、請求項１乃至８
    記載のガンダイオードの第１、第２の電極をそれぞれ接
    続搭載した、 ことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
14. 【請求項１４】半絶縁性の平板基板の表面に信号電極お
    よび一対の接地電極を形成したコプレーナ線路の該信号
    電極と該接地電極とに、請求項１乃至８記載のガンダイ
    オードの第１、第２の電極をそれぞれ接続搭載した、 ことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
15. 【請求項１５】前記信号電極の一端が前記ガンダイオー
    ドの第１の電極が接続された箇所から長さLで開放し、
    該長さＬの第１の電極部分を共振器として働かせ、該長
    さＬにより発振周波数を決定するようにしたことを特徴
    とする請求項１３又は１４に記載のガンダイオードの実
    装構造。
16. 【請求項１６】絶縁性基板でなるヒートシンクに第４、
    第５の電極を形成し、 前記請求項９に記載の前記ガンダイオードの第１の電極
    を前記ヒートシンクの第４の電極に直接接続搭載し、前
    記ガンダイオードの第２の電極を前記ヒートシンクの第
    ５の電極に直接接続搭載した、 ことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
17. 【請求項１７】半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を
    形成し裏面に放熱基台を兼ねる接地電極を形成したマイ
    クロストリップ線路に、表面から裏面の接地電極に至る
    穴を形成し、該穴内において、前記請求項１６のヒート
    シンクの第５の電極を前記接地電極に接続し、前記請求
    項１６のガンダイオードの第３の電極を前記マイクロス
    トリップ線路の信号電極に導電線で接続した特徴とする
    ガンダイオードの実装構造。
18. 【請求項１８】請求項１３乃至１７に記載のガンダイオ
    ードの実装構造において、前記信号電極、前記接地電
    極、および前記ガンダイオードにより、あるいはこれに
    誘電体共振器を付加することにより、所定の周波数で発
    振する発振回路を構成したことを特徴とするガンダイオ
    ードの実装構造。
19. 【請求項１９】前記信号電極の内の発振回路の電極とし
    て機能する部分を、少なくとも一部が導体の平板基板に
    より覆い、該平板基板の該導体部分を前記接地電極に接
    続したことを特徴とする請求項１８に記載のガンダイオ
    ードの実装構造。
20. 【請求項２０】請求項１３乃至１９に記載のガンダイオ
    ードの実装構造において、前記マイクロストリップ線路
    又はコプレーナ線路の平板基板の比抵抗を10⁶オーム・
    ｃｍ以上とし、かつ熱電導率を１４０Ｗ／mK以上とした
    ことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
21. 【請求項２１】請求項１３乃至２０記載のガンダイオー
    ドの実装構造において、前記マイクロストリップ線路又
    はコプレーナ線路の平板基板が、ＡｌＮ、Ｓｉ、Ｓｉ
    Ｃ、又はダイヤモンドの少なくとも一つから構成されて
    いることを特徴とするガンダイオードの実装構造。