JP2005019728A

JP2005019728A - Millimeter wave oscillator

Info

Publication number: JP2005019728A
Application number: JP2003183143A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Domoto; 千秋堂本; Shigeo Aono; 重雄青野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP4578071B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a millimeter wave oscillator, which stably operates a Gunn diode without requiring the application of any physical load which induces the occurrence of defect in the semiconductor crystal of the Gunn diode. <P>SOLUTION: The millimeter wave oscillator is formed of a recessed part 1a, formed on the upper surface of a substrate 1 consisting of an n+ type semiconductor, the projected part 1b of the substrate 1, which is formed in the recessed part 1a and whose upper surface is flat, a Gunn diode element formed by laminating an n type semiconductor active layer 2 and an n+ type semiconductor layer 3 sequentially on the upper surface of the projected part 1b, a dielectric body 4, filled into the recessed part 1a while covering the projected part 1b and exposing the upper surface of the Gunn diode element, and an oscillator electrode 5, connected to the upper surface of the Gunn diode element and formed on the dielectric body 4. The Gunn diode element is not deteriorated by the load, whereby the Gunn diode is operated stably, and a millimeter wave oscillating output is stabilized. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば衛星通信や地上での極短距離通信、あるいは車載用の追突防止レーダ装置等に用いられるミリ波発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のミリ波発振器は、例えば特許文献１に示されるような半導体基板上に所定の半導体層が積層されて作製されたメサ形状のガンダイオードを、特許文献２に示されるように、ミリ波共振器を構成する電極が形成された半絶縁性の平面基板あるいは絶縁体基板上にいわゆるフリップチップ実装するといった方法で作製されていた。
【０００３】
すなわち、ガンダイオードとして、ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層，低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層および高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層が順に積層されてなり、底面の中央にアノード電極が形成され、底面の両側にカソード電極が形成されたフリップチップ型のＩｎＰガンダイオードを用いる。そして、半絶縁性の平面基板の表面に、信号電極と、この信号電極をまたぐように配置される２個の表面接地電極を各々形成し、裏面全体に裏面接地電極を形成し、２個の表面接地電極を個々のビアホールにより裏面接地電極と接続したマイクロストリップ線路を具備した共振器基板に、ＩｎＰガンダイオードのアノード電極をマイクロストリップ線路の信号電極に接続するとともに、カソード電極をマイクロストリップ線路の各表面接地電極に接続する。これによって、ガンダイオードをミリ波共振器が形成された共振器基板にフリップチップ実装したガンダイオード発振器としてミリ波共振器が作製されていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１３４８０８号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−１８５７８２号公報
【０００６】
【非特許文献１】
三井茂、他５名，「ガンダイオードの高信頼度化」，電子通信学会信頼性研究会資料，１９７４年，ｐ．１３〜２０
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のミリ波発振器においては、共振器基板とガンダイオードとの接続にはフリップチップ実装法が用いられていることから、実装に際して接続を確実とするためにガンダイオードに大きな荷重をかける必要がある。そして、この実装時の荷重によりガンダイオードの半導体結晶中に欠陥が誘発されることとなり（例えば、非特許文献１参照。）、このためミリ波出力が低下したり、信頼性が低下したりするという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、ガンダイオードにその半導体結晶中に欠陥の発生を誘発するような物理的な荷重をかけたりする必要がなく、ガンダイオードを安定に動作させることができ、長期間動作の信頼性も高いミリ波発振器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のミリ波発振器は、ｎ^＋型半導体から成る基板の上面に凹部が形成されるとともにこの凹部内に上面が平坦な前記基板の凸部が形成され、この凸部の前記上面にｎ型半導体活性層とｎ^＋型半導体層とが順次積層されてガンダイオード素子が形成されており、前記凹部に、前記凸部を覆い、かつ前記ガンダイオード素子の上面を露出させて誘電体が充填されているとともに、この誘電体上に前記ガンダイオード素子の前記上面に接合された共振器電極が形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のミリ波発振器によれば、ｎ^＋型半導体から成る基板の上面に、上面にガンダイオード素子が形成された凸部が内部に形成された凹部が形成され、この凹部に、ガンダイオード素子の上面を露出させて凸部を覆うように誘電体が充填されているとともに、この誘電体上にガンダイオード素子の上面に接合された共振器電極が形成されていることから、従来のミリ波発振器では基板上の共振器電極にガンダイオードを接合する際に物理的な荷重がガンダイオードに加わっていたのに対して、ガンダイオード素子に荷重がかかることが一切無く、よってガンダイオード素子の半導体結晶の品質を劣化させることがないので、ガンダイオードを安定に動作させることができ、ミリ波発振出力を安定させることができるとともに、長時間動作についても高い信頼性を確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のミリ波発振器について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１２】
図１（ａ）は、本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す断面図であり、図１（ｂ）は上面図である。
【００１３】
図１において、１はｎ^＋型半導体から成る基板、１ａは基板１の上面に形成された凹部、１ｂは凹部１ａ内に形成された、上面が平坦な基板１の凸部、２は凸部１ｂの上面に形成されたｎ型半導体活性層、３はｎ型半導体活性層２の上に積層して形成されたｎ^＋型半導体層であり、これら基板１と凸部１ｂ上面のｎ型半導体活性層２とｎ^＋型半導体層３とによりガンダイオード素子が形成されている。４は凸部を覆い、かつガンダイオード素子の上面を露出させて凹部１ａに充填された誘電体であり、５は誘電体４上にガンダイオード素子の露出した上面に接合されて形成された共振器電極である。
【００１４】
本発明のミリ波発振器は、このようにｎ^＋型半導体から成る基板１の凹部１ａ内の凸部１ｂの上面にｎ型半導体活性層２とｎ^＋型半導体層３とが順次積層されて形成されたガンダイオード素子に対して、このガンダイオード素子の上面を露出させて凹部１ａ内に充填された誘電体４上にガンダイオード素子の上面に接合するように共振器電極５を形成することによって構成されている。
【００１５】
このような図１に示す例の本発明のミリ波発振器においては、ガンダイオード素子が基板１の上面に誘電体４から露出するように形成され、その上に共振器電極５が形成されているので、従来のミリ波発振器のようにガンダイオードの実装に際して物理的な荷重がガンダイオード素子に荷重がかかるようなことが一切無く、荷重がかかることによってガンダイオード素子の半導体結晶の品質を劣化させることがない。従って、ガンダイオード素子を安定に動作させることができ、ミリ波発振出力を安定させることができ、長期間の使用に対しても信頼性の高いものとなる。
【００１６】
本発明のミリ波発振器におけるガンダイオード素子は、例えば５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの発振周波数を有するミリ波発振素子であり、ｎ^＋型半導体から成る基板１の凹部１ａ内の凸部１ｂの上面に、ｎ型半導体活性層２およびｎ^＋型半導体層３を順次積層することによって形成されている。これらの半導体としては、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等が用いられる。また、各半導体層２，３の厚みや基板１および各半導体層２，３の不純物濃度等は、目的の発振周波数と材料物性によって適宜選択すればよく、例えば発振周波数が７７ＧＨｚのガンダイオード素子を得る場合であれば、ＧａＡｓ半導体を用いて、ｎ型半導体活性層２の厚さを１．６ｍにすれば所望の周波数で発振が得られる。この際のｎ型半導体活性層２の不純物濃度は５×１０^１７／ｃｍ^３未満にする必要があり、これ以上では、電圧印加時に電流密度が高くなってしまうために、負性抵抗現象が発現する電界強度までバイアスを印加する前にガンダイオード素子が破壊することがある。また、ｎ^＋型半導体層３は厚さを０．４ｍ以上にすることが好ましい。この理由は、ｎ^＋型半導体層３の上面に共振器電極５を形成し、低抵抗な電気的導通を得るために熱処理を行なう際に、共振器電極５の成分がｎ^＋型半導体層３に拡散するが、ｎ^＋型半導体層３の厚さが０．４ｍ未満では、共振器電極５の成分がｎ^＋型半導体層３を貫通してｎ型半導体活性層２まで拡散するおそれがあるからである。このため、ｎ^＋型半導体層３の厚さは０．４ｍ以上が必要であり、より好ましくは０．６ｍ以上である。
【００１７】
このように基板１の凸部１ｂの上面にｎ型半導体活性層２およびｎ^＋型半導体層３を順次積層するには、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって各半導体層２，３の結晶成長を行ない、その際に不純物濃度については、マスフローコントローラによる原料ガス流量の高精度な制御によって調整するようにすればよい。また分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いる場合には、各半導体層２，３の原料坩堝を加熱して分子線を発生させ、その分子線を高温に保持された基板１の凸部１ｂ上に照射することによって各半導体層２，３が形成される。その際の不純物濃度については、不純物材料が保持された坩堝を高精度に温度制御して決められた分量の不純物分子線を結晶成長中に同時に基板１の凸部１ｂ上に照射することによって調整すればよい。
【００１８】
本発明のミリ波発振器におけるｎ^＋型半導体から成る基板１の上面に、内部に上面が平坦な凸部１ｂが形成された凹部１ａを形成するには、例えば湿式エッチングによればよい。
【００１９】
凹部１ａの形状は、例えば図１に示すように共振器電極５の形状に合わせて細長い溝状とし、その大きさとしては、基板１と共振器電極５との間で不要な容量を有しないように、例えば深さおよび凸部１ｂと側壁との距離をそれぞれ１００μｍ程度以上とするとよい。これにより、不要な電気的容量を確実に低減することができるものとなる。
【００２０】
凸部１ｂの形状は、例えば図１に示すような上面視で円形状で、断面が台形状としておけばよく、その大きさは、例えば後述する共振器電極５の短辺の長さ以下とすればよい。これにより、共振器からガンダイオード素子がはみ出さず、ガン発振出力を効率良く共振器へ伝えることができるものとなる。
【００２１】
凹部１ａに、凸部１ｂを覆い、かつガンダイオード素子の上面を露出させるように充填される誘電体４は、１５以下の低い比誘電率を有するものである。このような誘電体４に用いる誘電体材料としては、ポリイミド系，エポキシ系，アクリル系，シリコーン系等がある。中でも、比誘電率が１０程度の誘電体材料を用いると、溝状の凹部１ａの深さを１００ｍ程度またはそれ以下にまで浅くすることが可能である。これは、誘電体４を凹部１ａに充填した際に、誘電体４が硬化時に体積収縮すると誘電体４の上面が凹形状になってしまうが、凹部１ａが浅く誘電体４の体積が小さいのでこの凹形状の部分の深さも１０ｍ程度と小さく抑えることができ、このためこの上に共振器電極５を形成しやすいものとなるからである。
【００２２】
このように誘電体４を充填するには、例えばディスペンサ塗布によればよい。
【００２３】
誘電体４の上面にガンダイオード素子の上面を覆ってその上面と接合されるように形成される共振器電極５は、例えばＣｒとＡｕとの二層構造、またはＴｉとＰｔとＡｕとの三層構造の金属層から成るものである。誘電体４と接触するＣｒもしくはＴｉは、この共振器電極５と誘電体４との接着強度を高める働きがある。また、表面側のＡｕ層は、数百ｍＡから数Ａの大電流を流すためのものであり、電気的に低抵抗である必要があるために、少なくとも２μｍ以上の厚みが必要である。また、三層構造においてＰｔ層を介在させる目的は、下地のＴｉが表面側のＡｕ層に拡散するのを防ぐことにある。
【００２４】
この共振器電極５の形状および大きさは、例えば図１に示すように長方形状であり、大きさは、目的の発振周波数に応じて調整する必要がある。例えば７７ＧＨｚでの発振を得るには、長辺の長さを４６０ｍとすればよく、これにより長辺方向に定在波ができることとなる。また、共振器電極５に対するガンダイオード素子の配置は、共振器電極５の長辺方向の辺から１００ｍ以上離れて中央側に配置することが好ましく、また短辺方向に対しては、その中心に配置するのがよい。このように配置することで、ガンダイオード素子の発振出力を効率良く共振器に伝達させることができる。
【００２５】
なお、図１に示す例では、共振器電極５に接合されるガンダイオード素子としては、凹部１ａの内部に１つの凸部１ｂを形成してその凸部１ｂに形成したもの１つを接合した場合を示しているが、ガンダイオード素子の個数は要求される発振出力によって適宜選択して設定すればよい。例えば、ガンダイオード素子を複数個とすることにより、発振出力はその数に応じて倍増されることとなる。
【００２６】
本発明のミリ波発振器は、例えば高出力が要求される車載用衝突防止レーダ用ミリ波発振器に使用されるものであり、ガンダイオード素子を形成した半導体基板１上に共振器電極５をフォトリソグラフィ等の薄膜プロセスで形成するため、作製プロセスでガンダイオード素子に応力がかからず、ガンダイオード素子を構成する半導体の結晶品質を劣化させることがない。よって、その動作時において欠陥の発生を誘発する結晶欠陥の発生が無く、高出力を維持でき、長期間の使用に際しても信頼性が高いという長所を有している。さらにガンダイオード素子上の金属材料からなる共振器電極５は、ガンダイオード素子で発生した熱を空気中へ放射するいわゆる放熱板としての働きも併せ持っており、これによりガンダイオード動作時にその温度上昇を抑制することができるので、発振周波数や出力の変動を抑制できるという特長も持っている。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明のミリ波発振器の実施例について、図２を参照しつつ説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明のミリ波発振器の製造方法の例を説明するための工程毎の断面図である。
【００２８】
まず、図２（ａ）に示すように、ｎ^＋型単結晶ＧａＡｓから成る基板１上に、主成分がＧａＡｓから成る機能性の半導体層をＭＯＣＶＤ法により単結晶成長して形成した。この機能性半導体層は、動作層として機能するｎ型半導体活性層２と、コンタクト層として機能するｎ^＋型半導体層３とから成る。ここで、動作層とは、高電界時に電子遷移効果により負性抵抗を発現させる層である。また、コンタクト層とは、この層の上に形成する共振器電極５の薄膜金属と電気的に低抵抗な条件での接合を実現するために、例えば２×１０^１８ｃｍ^−３の濃度のキャリアを有する層である。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示すように、上述のｎ型半導体活性層２およびｎ^＋型半導体層３はここでは基板１の上面の全面に結晶成長されるが、この上面に、ガンダイオード素子を形成する部分となる凸部１ｂの周囲をエッチングによって除去することによって凹部１ａを形成した。この例では、深さ方向に１５０μｍまでエッチングを行なって深さ１５０μｍの凹部１ａを形成した。また、凸部１ｂの上面は、元の基板１の上面を残すようにして、基板１の上面と同一平面にある平坦な面としてある。凹部１ａの大きさは、長辺の長さを８００ｍ、短辺の長さを４００ｍとし、また凸部１ｂの大きさをφ８０ｍとした。
【００３０】
次に、図２（ｃ）に示すように、凸部１ｂを覆い、かつその凸部１ｂ上面のガンダイオード素子の上面が露出するように、凹部１ａに誘電体４としてエポキシ系樹脂をディスペンサー塗布により充填した。ここでは、凸部１ｂの上面まで覆われるように十分な量の誘電体を充填した後に、ガンダイオード素子の上面が露出するようにその上の誘電体４を除去した。これにより、基板１表面の深さ１５０μｍまでエッチングされた凹部１ａは、誘電体４で十分に埋められ、誘電体４の上面は略平面になっているものが得られた。
【００３１】
最後に、図２（ｄ）に示すように、金属薄膜を基板１および誘電体４の上面上に真空蒸着し、これをフォトリソグラフィおよびエッチングを行なうことによって加工し、誘電体４上にガンダイオード素子の上面と接合された共振器電極５を形成した。この共振器電極５の形状および大きさは、長方形状で長辺方向の長さを４６０ｍ、短辺方向の長さを２００ｍとした。なお、ここでは、金属薄膜を蒸着後にエッチングすることで共振器電極５を形成したが、蒸着前に共振器電極５のパターンにレジスト等を加工しておき、金属薄膜を蒸着後にリフトオフ法によって共振器電極５を形成するようにしてもよい。
【００３２】
そして、以上のようにして得られた本発明のミリ波発振器について、直流電圧印加時の発振周波数と発振出力をスペクトルアナライザにより評価したところ、目的とする７７ＧＨｚでのミリ波発振が得られた。
【００３３】
以上により、本発明のミリ波発振器によれば、荷重がかかることによってガンダイオード素子の半導体結晶の品質を劣化させることがないことから、ガンダイオード素子を安定に動作させることができ、ミリ波発振出力を安定させることができることが確認できた。また、長期間の使用に対しても信頼性の高いものであることが確認できた。
【００３４】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。
【００３５】
例えば、以上の例では、ガンダイオード素子を１個としたが、複数個であってもよい。また、７７ＧＨｚでの発振に対して基本周期で発振させたが、２倍波（３８．５ＧＨｚ）等の高次の周期での発振を用いることも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のミリ波発振器によれば、ｎ^＋型半導体から成る基板の上面に、上面にガンダイオード素子が形成された凸部が内部に形成された凹部が形成され、この凹部に、ガンダイオード素子の上面を露出させて凸部を覆うように誘電体が充填されているとともに、この誘電体上にガンダイオード素子の上面に接合された共振器電極が形成されていることから、従来のミリ波発振器では基板上の共振器電極にガンダイオードを接合する際に物理的な荷重がガンダイオードに加わっていたのに対して、ガンダイオード素子に荷重がかかることが一切無く、よってガンダイオード素子の半導体結晶の品質を劣化させることがないので、ガンダイオードを安定に動作させることができ、ミリ波発振出力を安定させることができるとともに、長時間動作についても高い信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す断面図および上面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明のミリ波発振器の製造方法の例を説明するための工程毎の断面図である。
【符号の説明】
１・・・ｎ^＋型半導体から成る基板
１ａ・・・凹部
１ｂ・・・凸部
２・・・ｎ型半導体活性層
３・・・ｎ^＋型半導体層
４・・・誘電体
５・・・共振器電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a millimeter wave oscillator used in, for example, satellite communication, extremely short-distance communication on the ground, or a rear-end collision preventing radar device for vehicle use.
[0002]
[Prior art]
For example, a conventional millimeter-wave oscillator includes a mesa-shaped Gunn diode manufactured by laminating a predetermined semiconductor layer on a semiconductor substrate as shown in Patent Document 1, as shown in Patent Document 2, as shown in FIG. It is manufactured by a so-called flip-chip mounting method on a semi-insulating flat substrate or an insulator substrate on which electrodes constituting the device are formed.
[0003]
That is, as a Gunn diode, a first semiconductor layer made of high-concentration n-type InP, an active layer made of low-concentration n-type InP, and a second semiconductor layer made of high-concentration n-type InP are formed on a semiconductor substrate made of InP. A flip chip type InP Gunn diode is used in which the anode electrode is formed at the center of the bottom surface and the cathode electrode is formed on both sides of the bottom surface. Then, on the surface of the semi-insulating flat substrate, a signal electrode and two surface ground electrodes arranged so as to straddle the signal electrode are formed, and a back surface ground electrode is formed on the entire back surface. A resonator substrate having a microstrip line in which a surface ground electrode is connected to a back ground electrode by individual via holes, an anode electrode of an InP Gunn diode is connected to a signal electrode of the microstrip line, and a cathode electrode of the microstrip line Connect to each surface ground electrode. As a result, the millimeter-wave resonator is manufactured as a Gunn diode oscillator in which the Gunn diode is flip-chip mounted on the resonator substrate on which the millimeter-wave resonator is formed.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-134808
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-185882
[Non-Patent Document 1]
Shigeru Mitsui, 5 others, “High reliability of Gunn diode”, IEICE Reliability Study Material, 1974, p. 13-20
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional millimeter wave oscillator, a flip chip mounting method is used for connection between the resonator substrate and the Gunn diode, so that a large load is applied to the Gunn diode in order to ensure the connection during mounting. It is necessary to apply. Further, a defect is induced in the semiconductor crystal of the Gunn diode due to the load at the time of mounting (see, for example, Non-Patent Document 1). For this reason, the millimeter wave output is lowered or the reliability is lowered. There was a problem.
[0008]
The present invention has been devised in view of the above problems, and its object is to eliminate the need to apply a physical load to the Gunn diode to induce the occurrence of defects in the semiconductor crystal. It is an object of the present invention to provide a millimeter-wave oscillator that can operate stably and has high reliability for long-term operation.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the millimeter wave oscillator of the present invention, a concave portion is formed on the upper surface of a substrate made of an n ⁺ type semiconductor, and a convex portion of the substrate having a flat upper surface is formed in the concave portion, and an n-type is formed on the upper surface of the convex portion. A Gunn diode element is formed by sequentially laminating a semiconductor active layer and an n ⁺ type semiconductor layer, and the concave part covers the convex part and exposes the upper surface of the Gunn diode element to be filled with a dielectric. In addition, a resonator electrode joined to the upper surface of the Gunn diode element is formed on the dielectric.
[0010]
According to the millimeter wave oscillator of the present invention, a concave portion having a convex portion having a Gunn diode element formed on the upper surface is formed on the upper surface of a substrate made of an n ⁺ type semiconductor. The dielectric is filled so as to expose the upper surface of the electrode and cover the convex portion, and the resonator electrode joined to the upper surface of the Gunn diode element is formed on the dielectric. In the oscillator, a physical load is applied to the Gunn diode when the Gunn diode is bonded to the resonator electrode on the substrate, whereas no load is applied to the Gunn diode element. Since the quality of the crystal is not deteriorated, the Gunn diode can be operated stably, the millimeter wave oscillation output can be stabilized, and the operation can be performed for a long time. Even in this case, high reliability can be ensured.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the millimeter wave oscillator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of the millimeter wave oscillator of the present invention, and FIG. 1B is a top view.
[0013]
In FIG. 1, 1 is a substrate made of an n ⁺ type semiconductor, 1a is a recess formed on the upper surface of the substrate 1, 1b is a protrusion formed in the recess 1a, and has a flat upper surface. An n-type semiconductor active layer 3 formed on the upper surface of 1b is an n ⁺ -type semiconductor layer formed on the n-type semiconductor active layer 2, and an n-type semiconductor on the upper surface of the substrate 1 and the convex portion 1b. The active layer 2 and the n ⁺ type semiconductor layer 3 form a Gunn diode element. Reference numeral 4 denotes a dielectric covering the convex portion and exposing the upper surface of the Gunn diode element to fill the concave part 1a. Reference numeral 5 denotes a resonance formed on the dielectric 4 by bonding to the exposed upper surface of the Gunn diode element. Electrode.
[0014]
Millimeter-wave oscillator of the present invention, formation and n-type semiconductor active layer 2 and the n ⁺ -type semiconductor layer 3 thus the upper surface of the protruding portion 1b of the concave portion 1a of the substrate 1 made of n ⁺ -type semiconductor are sequentially stacked By forming the resonator electrode 5 on the dielectric 4 filled in the recess 1a so that the upper surface of the Gunn diode element is bonded to the upper surface of the Gunn diode element. It is configured.
[0015]
In the millimeter wave oscillator of the example of the present invention shown in FIG. 1, the Gunn diode element is formed on the upper surface of the substrate 1 so as to be exposed from the dielectric 4, and the resonator electrode 5 is formed thereon. Therefore, there is no physical load applied to the Gunn diode element when mounting the Gunn diode like the conventional millimeter wave oscillator, and the load causes the semiconductor crystal quality of the Gunn diode element to deteriorate. There is nothing. Therefore, the Gunn diode element can be stably operated, the millimeter-wave oscillation output can be stabilized, and the reliability is high even for long-term use.
[0016]
The Gunn diode element in the millimeter wave oscillator of the present invention is a millimeter wave oscillation element having an oscillation frequency of, for example, 5 GHz to 100 GHz, and is n-type on the upper surface of the convex portion 1b in the concave portion 1a of the substrate 1 made of an n ⁺ type semiconductor. The semiconductor active layer 2 and the n ⁺ type semiconductor layer 3 are sequentially stacked. As these semiconductors, GaN, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, and the like are used. The thickness of each semiconductor layer 2, 3 and the impurity concentration of the substrate 1 and each semiconductor layer 2, 3 may be appropriately selected depending on the target oscillation frequency and material physical properties. For example, a Gunn diode element having an oscillation frequency of 77 GHz is used. If obtained, oscillation can be obtained at a desired frequency by using a GaAs semiconductor and setting the thickness of the n-type semiconductor active layer 2 to 1.6 m. At this time, the impurity concentration of the n-type semiconductor active layer 2 needs to be less than 5 × 10 ¹⁷ / cm ^3. Above this, the current density increases when a voltage is applied, and thus a negative resistance phenomenon appears. The Gunn diode element may be destroyed before the bias is applied to the electric field strength. The n ⁺ type semiconductor layer 3 preferably has a thickness of 0.4 m or more. The reason is that when the resonator electrode 5 is formed on the upper surface of the n ⁺ type semiconductor layer 3 and heat treatment is performed in order to obtain low-resistance electrical conduction, the component of the resonator electrode 5 is changed to the n ⁺ type semiconductor layer 3. However, if the thickness of the n ⁺ type semiconductor layer 3 is less than 0.4 m, the component of the resonator electrode 5 may penetrate the n ⁺ type semiconductor layer 3 and diffuse to the n type semiconductor active layer 2. Because. For this reason, the thickness of the n ⁺ type semiconductor layer 3 needs to be 0.4 m or more, more preferably 0.6 m or more.
[0017]
Thus, in order to sequentially stack the n-type semiconductor active layer 2 and the n ⁺ -type semiconductor layer 3 on the upper surface of the convex portion 1b of the substrate 1, the semiconductor layers 2 and 3 are formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Crystal growth is performed, and the impurity concentration at that time may be adjusted by highly accurate control of the raw material gas flow rate by the mass flow controller. When the molecular beam epitaxy (MBE) method is used, the raw material crucible of each of the semiconductor layers 2 and 3 is heated to generate a molecular beam, and the molecular beam is formed on the convex portion 1b of the substrate 1 held at a high temperature. The semiconductor layers 2 and 3 are formed by irradiation. The impurity concentration at that time is adjusted by irradiating the crucible holding the impurity material with high precision temperature control and irradiating the determined amount of the impurity molecular beam onto the convex portion 1b of the substrate 1 simultaneously during crystal growth. do it.
[0018]
In order to form the concave portion 1a having the convex portion 1b having a flat upper surface formed on the upper surface of the substrate 1 made of an n ⁺ type semiconductor in the millimeter wave oscillator of the present invention, for example, wet etching may be used.
[0019]
For example, as shown in FIG. 1, the recess 1 a has a long and narrow groove shape corresponding to the shape of the resonator electrode 5, and does not have unnecessary capacitance between the substrate 1 and the resonator electrode 5. Thus, for example, the depth and the distance between the convex portion 1b and the side wall are preferably about 100 μm or more. Thereby, an unnecessary electric capacity can be reliably reduced.
[0020]
The shape of the convex portion 1b may be circular when viewed from above, for example, as shown in FIG. 1, and the cross section may be trapezoidal, and the size thereof is, for example, less than the length of the short side of the resonator electrode 5 described later. do it. Accordingly, the Gunn diode element does not protrude from the resonator, and the gun oscillation output can be efficiently transmitted to the resonator.
[0021]
The dielectric 4 that fills the concave portion 1a so as to cover the convex portion 1b and expose the upper surface of the Gunn diode element has a low relative dielectric constant of 15 or less. Examples of the dielectric material used for the dielectric 4 include polyimide, epoxy, acrylic, and silicone. In particular, when a dielectric material having a relative dielectric constant of about 10 is used, the depth of the groove-shaped recess 1a can be reduced to about 100 m or less. This is because, when the dielectric 4 is filled in the recess 1a, if the volume of the dielectric 4 shrinks during curing, the top surface of the dielectric 4 becomes concave, but the recess 1a is shallow and the volume of the dielectric 4 is small. This is because the depth of the concave portion can be kept as small as about 10 m, which makes it easy to form the resonator electrode 5 thereon.
[0022]
To fill the dielectric 4 in this way, for example, dispenser application may be performed.
[0023]
The resonator electrode 5 formed on the upper surface of the dielectric 4 so as to cover the upper surface of the Gunn diode element and to be bonded to the upper surface thereof is, for example, a two-layer structure of Cr and Au, or three of Ti, Pt, and Au. It consists of a layered metal layer. Cr or Ti in contact with the dielectric 4 has a function of increasing the adhesive strength between the resonator electrode 5 and the dielectric 4. Further, the Au layer on the surface side is for flowing a large current of several hundred mA to several A, and since it needs to be electrically low resistance, it needs to have a thickness of at least 2 μm. The purpose of interposing the Pt layer in the three-layer structure is to prevent the underlying Ti from diffusing into the Au layer on the surface side.
[0024]
The shape and size of the resonator electrode 5 are, for example, rectangular as shown in FIG. 1, and the size needs to be adjusted according to the target oscillation frequency. For example, to obtain oscillation at 77 GHz, the length of the long side may be set to 460 m, and a standing wave can be generated in the long side direction. Further, the arrangement of the Gunn diode element with respect to the resonator electrode 5 is preferably arranged at the center side at least 100 m away from the long side direction of the resonator electrode 5, and at the center in the short side direction. It is good to arrange. With this arrangement, the oscillation output of the Gunn diode element can be efficiently transmitted to the resonator.
[0025]
In the example shown in FIG. 1, as the Gunn diode element joined to the resonator electrode 5, one convex portion 1b is formed inside the concave portion 1a, and one formed on the convex portion 1b is joined. Although the case is shown, the number of Gunn diode elements may be appropriately selected and set according to the required oscillation output. For example, by using a plurality of Gunn diode elements, the oscillation output is doubled according to the number.
[0026]
The millimeter wave oscillator of the present invention is used, for example, in a millimeter wave oscillator for in-vehicle collision prevention radar that requires high output. A resonator electrode 5 is formed on a semiconductor substrate 1 on which a Gunn diode element is formed by photolithography. Therefore, no stress is applied to the Gunn diode element in the manufacturing process, and the crystal quality of the semiconductor constituting the Gunn diode element is not deteriorated. Therefore, there is an advantage that there is no generation of crystal defects that induce the generation of defects during the operation, high output can be maintained, and reliability is high even when used for a long time. Furthermore, the resonator electrode 5 made of a metal material on the Gunn diode element also functions as a so-called heat sink that radiates the heat generated by the Gunn diode element into the air, thereby increasing the temperature during Gunn diode operation. Since it can be suppressed, it also has the feature that fluctuations in oscillation frequency and output can be suppressed.
[0027]
【Example】
Next, an embodiment of the millimeter wave oscillator of the present invention will be described with reference to FIG. 2A to 2D are cross-sectional views for each process for explaining an example of the manufacturing method of the millimeter wave oscillator of the present invention.
[0028]
First, as shown in FIG. 2A, a functional semiconductor layer mainly composed of GaAs was formed on a substrate 1 composed of n ⁺ type single crystal GaAs by single crystal growth by MOCVD. This functional semiconductor layer includes an n-type semiconductor active layer 2 that functions as an operation layer and an n ⁺ -type semiconductor layer 3 that functions as a contact layer. Here, the operating layer is a layer that develops negative resistance by an electron transition effect in a high electric field. The contact layer is a carrier having a concentration of 2 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ , for example, in order to realize a junction with the thin film metal of the resonator electrode 5 formed on this layer under a condition of low electrical resistance. It is a layer which has.
[0029]
Next, as shown in FIG. 2B, the above-described n-type semiconductor active layer 2 and n ⁺ -type semiconductor layer 3 are crystal-grown on the entire upper surface of the substrate 1. The concave portion 1a was formed by removing the periphery of the convex portion 1b serving as a portion for forming an element by etching. In this example, etching was performed up to 150 μm in the depth direction to form a recess 1 a having a depth of 150 μm. Further, the upper surface of the convex portion 1 b is a flat surface that is flush with the upper surface of the substrate 1 so as to leave the upper surface of the original substrate 1. As for the size of the concave portion 1a, the length of the long side was 800 m, the length of the short side was 400 m, and the size of the convex portion 1b was φ80 m.
[0030]
Next, as shown in FIG. 2C, an epoxy resin is applied as a dielectric 4 to the recess 1a so as to cover the projection 1b and expose the upper surface of the Gunn diode element on the upper surface of the projection 1b. Filled with. Here, after filling a sufficient amount of dielectric so as to cover the upper surface of the convex portion 1b, the dielectric 4 thereon is removed so that the upper surface of the Gunn diode element is exposed. As a result, the concave portion 1a etched to a depth of 150 μm on the surface of the substrate 1 was sufficiently filled with the dielectric 4, and the top surface of the dielectric 4 was substantially flat.
[0031]
Finally, as shown in FIG. 2 (d), a metal thin film is vacuum-deposited on the upper surface of the substrate 1 and the dielectric 4 and processed by photolithography and etching, and a Gunn diode is formed on the dielectric 4. The resonator electrode 5 joined to the upper surface of the element was formed. The shape and size of the resonator electrode 5 were rectangular, the length in the long side direction was 460 m, and the length in the short side direction was 200 m. Here, the resonator electrode 5 is formed by etching after vapor deposition of the metal thin film. However, a resist or the like is processed into the pattern of the resonator electrode 5 before vapor deposition, and the metal thin film is vaporized to resonate by the lift-off method. The device electrode 5 may be formed.
[0032]
When the oscillation frequency and oscillation output of the millimeter wave oscillator of the present invention obtained as described above were evaluated with a spectrum analyzer, the desired millimeter wave oscillation at 77 GHz was obtained.
[0033]
As described above, according to the millimeter wave oscillator of the present invention, since the quality of the semiconductor crystal of the Gunn diode element is not deteriorated by applying a load, the Gunn diode element can be operated stably, and the millimeter wave oscillation It was confirmed that the output could be stabilized. It was also confirmed that the product was highly reliable for long-term use.
[0034]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0035]
For example, although one Gunn diode element is used in the above example, a plurality of Gunn diode elements may be used. Further, although oscillation is performed at a fundamental period with respect to oscillation at 77 GHz, it is also possible to use oscillation at a higher-order period such as a second harmonic (38.5 GHz).
[0036]
【The invention's effect】
According to the millimeter wave oscillator of the present invention, a concave portion having a convex portion having a Gunn diode element formed on the upper surface is formed on the top surface of a substrate made of an n ⁺ type semiconductor. A dielectric is filled so as to expose the upper surface of the electrode and cover the convex portion, and a resonator electrode bonded to the upper surface of the Gunn diode element is formed on the dielectric. In the oscillator, when a Gunn diode is bonded to the resonator electrode on the substrate, a physical load is applied to the Gunn diode, whereas no load is applied to the Gunn diode element. Since the quality of the crystal is not deteriorated, the Gunn diode can be operated stably, the millimeter wave oscillation output can be stabilized, and the operation can be performed for a long time. Even in this case, high reliability can be ensured.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are a cross-sectional view and a top view, respectively, showing an example of an embodiment of a millimeter wave oscillator of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views for each process for explaining an example of a manufacturing method of a millimeter wave oscillator of the present invention. FIGS.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 1a which consists of n ⁺ type semiconductor ... Recess 1b ... Projection 2 ... N type semiconductor active layer 3 ... N ⁺ type semiconductor layer 4 ... Dielectric 5 ... Resonator electrode

Claims

A concave portion is formed on the upper surface of a substrate made of an n ⁺ type semiconductor, and a convex portion of the substrate having a flat upper surface is formed in the concave portion, and an n type semiconductor active layer and an n ⁺ type semiconductor are formed on the upper surface of the convex portion. A layer is sequentially laminated to form a Gunn diode element, and the concave part covers the convex part and exposes the upper surface of the Gunn diode element and is filled with a dielectric. And a resonator electrode bonded to the upper surface of the Gunn diode element.