JP2002299959A - ガンダイオード発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガンダイオード発振器の発振出力を高くす
る。 【解決手段】 マイクロストリップ線路２０の信号電極
２２に連続してスタブ型フィルタ素子２２Ｄを形成し、
そのスタブ型フィルタ素子２２Ｄとガンダイオード１０
との距離Ｌ１を略λ／２に、そのスタブ型フィルタ素子
２２Ｄの長さを略0.239λ〜0.250λに設定する。

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
波用のガンダイオードを用いた発振器に係り、特に歩留
まりの向上、低コスト化、さらに高出力化が容易となっ
た表面実装型の二次高調波型ガンダイオード発振器に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６に従来のメサ型構造のガリウム砒素
（ＧａＡｓ）ガンダイオード１００の断面図を示す。高
濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１上に、ＭＢ
Ｅ法又はＭＯＣＶＤ法により、高濃度ｎ型ＧａＡｓから
なる第１のコンタクト層１０２、低濃度ｎ型ＧａＡｓか
らなる活性層１０３、高濃度ｎ型ＧａＡｓ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、メサ型構造となっている。１
０５はカソード電極、１０６はアノード電極である。

【０００３】このように形成されたガンダイオード１０
０は、図７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１００を取り囲む外囲
器となるガラス或いは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。さら
に、金リボン１１３によりガンダイオード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１１
２上に蓋状の金属ディスク１１４をロウ付けし、ピル型
パッケージ１１０に組み立てられる。

【０００４】このようにピル型パッケージ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１
２０への実装構造の一例を図８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。

【０００５】このような構成において、一方の信号電極
１２４を所定の線路長に設定してオープンにすると、そ
の信号電極１２４の線路長の共振器で発振周波数が決定
されるガンダイオード発振器となる。

【０００６】ところで、マイクロ波やミリ波帯の発振器
の発振素子であるＧａＡｓからなるガンダイオードは、
ＧａＡｓのEnergy Relaxaition Timeの制限により、基
本発振周波数の２倍の周波数を用いた二次高調波モード
で発振させることが多い。

【０００７】ピル型パッケージに組み立てられたガンダ
イオードは、これを導波管キャビティに搭載してガンダ
イオード発振器を構成するとき、その基本波成分が導波
管のカットオフ周波数以下であれば、その基本波成分は
導波管のカットオフ周波数によって除外され、その発振
スペクトルは二次高調波成分のみとなり、二次高調波モ
ードの発振出力を得ることができる。

【０００８】一方、マイクロ波やミリ波の発振器用の表
面実装型のガンダイオードは、マイクロストリップ線路
やコプレーナ線路に実装してガンダイオード発振器を構
成している。

【０００９】マイクロストリップ線路への実装は、表面
に信号電極を形成し裏面に接地電極を形成した半絶縁性
の平板基板の該表面に、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てマイクロ
ストリップ線路を構成し、その信号電極と表面接地電極
とに、表面実装型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行われる。

【００１０】また、コプレーナ線路への実装は、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
形成してコプレーナ線路を構成し、その信号電極と接地
電極とに、ガンダイオードの第１、第２の電極をそれぞ
れ接続搭載して行われる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示したようにガンダイオード１００をピル型パッケージ
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１００を接着する時、前記ボンディングツー
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】また、ガンダイオード１００を組み込んだ
ピル型パッケージ１１０を図８に示したようにマイクロ
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】さらに、従来のマイクロストリップ線路や
コプレーナ線路上にガンダイオードを搭載してガンダイ
オード発振器を構成した場合は、その発振出力に基本波
成分（発振器の発振周波数の１／２の周波数）と二次高
調波成分（発振器の発振周波数）の２波からなる発振ス
ペクトルが発生するため、不要な基本波成分が発振出力
として出力し、高精度の二次高調波モードで動作させる
ことができないという問題があった。

【００１４】本発明の目的は、組み立てや実装が容易で
歩留まりが高く、さらに低コストで良好な二次高調波成
分のみを発振出力として取り出すことができるようにし
たガンダイオード発振器を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このために請求項１の発
明は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極と該信号電
極に連続するバイアス電極およびオープンスタブを形成
すると共に前記オープンスタブの近傍で前記信号電極を
またぐように２個の表面接地電極を各々形成し、裏面全
面に裏面接地電極を形成し、前記２個の表面接地電極を
個々のヴィアホールにより前記裏面接地電極と接続した
マイクロストリップ線路と、底面の中央にアノード又は
カソードの一方の電極が形成され、前記底面の両側に他
方の電極が各々形成されたフリップチップ型のガンダイ
オードとを具備し、前記ガンダイオードの前記一方の電
極を前記マイクロストリップ線路の前記信号電極に接着
すると共に他方の各電極を前記マイクロストリップ線路
の前記各表面接地電極に接着したガンダイオード発振器
において、前記マイクロストリップ線路の前記信号電極
に連続して、前記平板基板表面にスタブ型フィルタ素子
を配置し、該スタブ型フィルタ素子の前記ガンダイオー
ドからの離間距離を略λ／２（λ：ガンダイオードの基
本発振周波数の波長）の値とし、その長さを略0.239λ
〜0.250λの値としたことを特徴とするガンダイオード
発振器とした。

【００１６】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記マイクロストリップ線路を、半絶縁性の平板基
板の表面に信号電極を形成し該信号電極の両側に接地電
極を形成したコプレーナ線路に置換し、前記各表面接地
電極を前記コプレーナ線路の前記接地電極に置換したこ
とを特徴とするガンダイオード発振器とした。

【００１７】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］図１は第１
の実施形態のガンダイオード発振器を示す斜視図、図２
は図１の基板の一部（ガンダイオード搭載部分）を断面
にした斜視図である。１０は底面中央にアノード電極バ
ンプ１１が、底面両側にカソード電極バンプ１２、１３
が各々突出形成されたフリップチップ型のガンダイオー
ドであり、マイクロストリップ線路２０に実装されてい
る。

【００１８】このガンダイオード１０は、ガリウム砒素
やインジウム燐等からなる半導体積層部のアノード電極
バンプ１１に対応する中央部分にガンダイオード機能部
を形成し、共通の底面にアノード電極バンプ１１とカソ
ード電極バンプ１２、１３を形成したもの（例えば、特
願平１０−２５９００６号）である。

【００１９】マイクロストリップ線路２０は、窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカー
バイド（ＳｉＣ）、ダイアモンド等のように比抵抗が10
⁶Ω・cm以上、熱電導率が１４０W/mK以上で良好な半絶
縁性の基板を平板基板２１とし、その平板基板２１の表
面に信号電極２２を、また裏面全面に接地電極２３を形
成したものである。２４、２５はタングステンを充填し
たヴィアホール（図２参照）であり、裏面の接地電極２
３と表面に形成した表面接地電極２６、２７を接続して
いる。

【００２０】２２Ａはガンダイオード１０に電源電圧を
供給するバイアス電極、２２Ｂはガンダイオード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オ
ープンスタブ、２２Ｃはマイクロストリップ線路による
発振出力部を構成する出力電極、２２Ｄはスタブ型フィ
ルタ素子であり、それぞれは信号電極２２に連続して形
成されている。

【００２１】ガンダイオード１０は、そのアノード電極
バンプ１１が信号電極２２に接着され、カソード電極バ
ンプ１２、１３が表面接地電極２６，２７に接着される
ことにより搭載されている。

【００２２】本実施形態のガンダイオード発振器では、
ガンダイオード１０をフェースダウン姿勢にしてバンプ
１１、１２、１３を電極２２、２６，２７に直接接続
し、金リボンを使用しないので、その金リボンによる接
続に起因して発生していた寄生インダクタンスがなくな
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。

【００２３】また、ガンダイオード１０に発生する熱が
バンプ１１、１２、１３を介してヒートシンクとしても
機能する基板２１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１０の実装状態
では、アノード電極バンプ１１の両側にカソード電極バ
ンプ１２、１３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。

【００２４】さらに、ガンダイオード１０から出力電極
２２Ｃの方向に距離Ｌ１を隔てて長さＬ２のスタブ型フ
ィルタ素子２２Ｄを配置しているので、このスタブ型フ
ィルタ素子２２Ｄにより、ガンダイオード１０で発振さ
れる不要な基本波成分が除去される。

【００２５】図３はガンダイオード１０とスタブ型フィ
ルタ素子２２Ｄの間の距離Ｌ１を変化させたときの発振
出力（パワー）の特性を示す図である。この特性図によ
れば、距離Ｌ１を調整して発振出力を調整することがで
きることが分かる。ここでは、略0.500λ、つまり略λ
／２で最大出力が得られている。λはガンダイオードの
発振基本波の周波数の波長である。

【００２６】図４は前記距離Ｌ１を最も高出力が得られ
るλ／２とした条件で、スタブ型フィルタ素子２２Ｄの
長さＬ２を変化させたときの発振出力の特性を示す図で
ある。このように、Ｌ２を変化させても発振出力を変化
させることができる。ここで特筆すべき点は、長さＬ２
を通常考えられるλ／４とするよりも若干短めにした方
が、高い発振出力が得られる点である。すなわち、スタ
ブ型フィルタ素子２２Ｄの長さＬ２を、略0.239λ〜0.2
50λの値に設定することにより、高発振出力を得ること
ができることが分かる。

【００２７】［第２の実施形態］図５は図１、図２に示
したマイクロストリップ線路２０を、コプレーナ線路３
０に置換して実現したガンダイオード発振器の実施形態
を示す図である。３１はコプレーナ線路３０の平板基
板、３２は基板３１の表面に形成された信号電極、３
３、３４はその信号電極３２の両側に形成された一対の
表面接地電極である。信号電極３２には、バイアス電極
３２Ａ、共振器を構成するオープンスタブ３２Ｂ、出力
電極３２Ｃ、およびスタブ型フィルタ素子３２Ｄがそれ
ぞれ連続して形成されている。

【００２８】ガンダイオード１０は、そのアノード電極
バンプ１１が信号電極３２に接着され、カソード電極バ
ンプ１２、１３が表面接地電極３３、３４に接着される
ことにより搭載されている。フィルタ素子３２Ｄのガン
ダイオード１０からの距離Ｌ１や長さＬ２は、前記した
第１の実施形態と同様に設定することが好ましい。

【００２９】［その他の実施形態］なお、以上説明した
各実施形態において、ガンダイオード１０のアノード電
極バンプ１１とカソード電極バンプ１２、１３は、バイ
アス電圧の極性によって逆になる場合もある。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のガンダイ
オード発振器によれば、平板基板上にガンダイオードを
フェースダウンの姿勢で搭載するので、組み立てや実装
が容易で歩留まりが高くなる。また、信号電極に連続し
てスタブ型フィルタ素子を構成するので、ガンダイオー
ドとフィルタ素子が同一平面に形成され、新たなフィル
タ素子の追加工程は不要となり、コストダウンが可能と
なる。また、ガンダイオードとスタブ型フィルタ素子間
を近接することで、低線路損失、コンパクト化が可能と
なる。さらに、そのスタブ型フィルタ素子のガンダイオ
ードからの距離Ｌ１やそのフィルタ素子の長さＬ２を適
宜設定することで、高出力のガンダイオード発振器を実
現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態のガンダイオード発
振器の斜視図である。

【図２】 図１の基板の一部を断面にした斜視図であ
る。

【図３】 図１、２の距離Ｌ１を変化させたときの発振
出力の特性図である。

【図４】 図１、２の長さＬ２を変化させたときの発振
出力の特性図である。

【図５】 第２の実施形態のガンダイオード発振器の斜
視図である。

【図６】 従来のメサ型構造のガンダイオードの断面図
である。

【図７】 従来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８】 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：ガンダイオード、１１：アノード電極バンプ、１
２，１３：カソード電極バンプ ２０：マイクロストリップ線路、２１：平板基板、２
２：信号電極、２２Ａ：バイアス電極、２２Ｂ：オープ
ンスタブ、２２Ｃ：出力電極、２２Ｄ：スタブ型フィル
タ素子、２３：裏面接地電極、２４，２５：ヴィアホー
ル、２６，２７：表面接地電極、３０：コプレーナ線
路、３１：平板基板、３２：信号電極、３２Ａ：バイア
ス電極、３２Ｂ：オープンスタブ、３２Ｃ：出力電極、
３２Ｄ：スタブ型フィルタ素子、３３、３４：一対の表
面接地電極、１００：従来のガンダイオード、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１１０：ピル型パッケージ、
１１１：放熱基台電極、１１２：円筒、１１３：金リボ
ン、１１４：金属ディスク １２０：マイクロストリップ線路、１２１：平板基板、
１２２：接地電極、１２３：金リボン、１２４：信号線
路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半絶縁性の平板基板の表面に信号電極と該
   信号電極に連続するバイアス電極およびオープンスタブ
   を形成すると共に前記オープンスタブの近傍で前記信号
   電極をまたぐように２個の表面接地電極を各々形成し、
   裏面全面に裏面接地電極を形成し、前記２個の表面接地
   電極を個々のヴィアホールにより前記裏面接地電極と接
   続したマイクロストリップ線路と、 底面の中央にアノード又はカソードの一方の電極が形成
   され、前記底面の両側に他方の電極が各々形成されたフ
   リップチップ型のガンダイオードとを具備し、 前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記マイクロス
   トリップ線路の前記信号電極に接着すると共に他方の各
   電極を前記マイクロストリップ線路の前記各表面接地電
   極に接着したガンダイオード発振器において、 前記マイクロストリップ線路の前記信号電極に連続し
   て、前記平板基板の表面にスタブ型フィルタ素子を配置
   し、該スタブ型フィルタ素子の前記ガンダイオードから
   の離間距離を略λ／２（λ：ガンダイオードの基本発振
   周波数の波長）の値とし、その長さを略0.239λ〜0.250
   λの値としたことを特徴とするガンダイオード発振器。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記マイクロストリップ線路を、半絶縁性の平板基板の
   表面に信号電極を形成し該信号電極の両側に接地電極を
   形成したコプレーナ線路に置換し、前記各表面接地電極
   を前記コプレーナ線路の前記接地電極に置換したことを
   特徴とするガンダイオード発振器。