JP2005285958A

JP2005285958A - Gunn diode

Info

Publication number: JP2005285958A
Application number: JP2004095375A
Authority: JP
Inventors: Tadayoshi Deguchi; 忠義出口
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP4648642B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Gunn diode which can be manufactured with good reproducibility and can enhance an oscillation efficiency. <P>SOLUTION: A first semiconductor layer composed of a high concentration n-type GaAs, an active layer composed of a low concentration n-type GaAs, a second semiconductor layer composed of the high concentration n-type GaAs, a third semiconductor layer composed of non-doped InGaAlP and a fourth semiconductor layer composed of a high concentration InGaP are sequentially laminated on a semiconductor substrate composed of the high concentration n-type GaAs. The active layer is zoned so as to function as the Gunn diode by a recess part or a high resistive layer, and the Gunn diode comprises a first electrode and a second electrode connected to the active layer. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波帯の発振素子として用いられるガンダイオードに関し、特に発振効率の向上を実現したガンダイオードに関する。 The present invention relates to a Gunn diode used as an oscillation element in a microwave or millimeter wave band, and more particularly to a Gunn diode that achieves improved oscillation efficiency.

マイクロ波やミリ波の発振素子として用いられるガンダイオードは、通常、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やインジウム燐（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では、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、高電界では加速された電子が有効質量の大きいバンドに遷移して移動度が低下し、バルク内で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。 A Gunn diode used as a microwave or millimeter wave oscillating element is usually formed of a compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs) or indium phosphide (InP). In these compound semiconductors, the mobility of electrons is as large as several thousand cm ² / V · sec at a low electric field, whereas the accelerated electrons transition to a band with a large effective mass at a high electric field and the mobility is lowered. In the bulk, negative differential mobility occurs, and as a result, negative differential conductance of current-voltage characteristics appears, resulting in thermodynamic instability. Therefore, a domain is generated and travels from the cathode side to the anode side. As a result of repeating this, an oscillating current (oscillation) is obtained.

マイクロ波領域においては、発振周波数ｆｔは、走行距離Ｌと電子の平均ドリフト速度Ｖｄとから求められ、ｆｔ＝Ｖｄ／Ｌとなる。ここで、直流電流の周波数がガンダイオードの発振周波数となる。ガンダイオードでは、入力した交流電力に対する直流電力出力の比で表される発振効率が最も重要な性能指数であり、その向上が求められている。 In the microwave region, the oscillation frequency ft is obtained from the travel distance L and the average electron drift velocity Vd, and ft = Vd / L. Here, the frequency of the direct current becomes the oscillation frequency of the Gunn diode. In the Gunn diode, the oscillation efficiency represented by the ratio of the DC power output to the input AC power is the most important figure of merit, and its improvement is required.

ミリ波用のガンダイオードの場合、ガンドメインの走行距離を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、ガンドメインの走行距離（活性層）の不純物濃度と厚さの積を所定の値（例えば、２×１０¹²／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さで決まるため、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、発振効率が減少してしまう。 In the case of a millimeter-wave Gunn diode, it is necessary to make the traveling distance of the Gunn domain as extremely short as 1-2 μm. Moreover, in order to obtain sufficient oscillation efficiency, it is necessary to set the product of the impurity concentration and the thickness of the traveling distance (active layer) of the gun domain to a predetermined value (for example, 2 × 10 ¹² / cm ² ). Further, since the oscillation frequency is uniquely determined by the thickness of the active layer, the impurity concentration of the active layer becomes considerably high in a high frequency band such as a millimeter wave. The current density in the operating state is determined by the product of the impurity concentration of the active layer and the saturation electron velocity. In the millimeter wave band, the temperature of the active layer rises due to the increase of the current density, and the oscillation efficiency decreases.

そこで、このような問題を解消するため、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１０μｍ直径程度と極めて小さく形成すると共に、放熱効率の良いダイヤモンド製等の放熱部を備えたピル型パッケージ内に組み立てていた。 Therefore, in order to solve such problems, the conventional millimeter-wave Gunn diode has a mesa structure, so that the size of the element including the active layer is as small as several tens of μm, and the heat dissipation. It was assembled in a pill-type package with an efficient heat dissipation part made of diamond or the like.

図９に従来のメサ型構造のガンダイオード２００Ａの断面図を示す。このような構造のガンダイオード２００Ａは、次のように形成する。まず、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１上に、ＭＢＥ法により、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体層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の半導体層１０４を順次積層し、電子の走行空間の面積を小さくするため、メサ型構造とする。 FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional mesa-type Gunn diode 200A. The Gunn diode 200A having such a structure is formed as follows. First, a first semiconductor layer 102 made of high-concentration n-type GaAs, an active layer 103 made of low-concentration n-type GaAs, and a high-concentration n-type GaAs are formed on a semiconductor substrate 101 made of high-concentration n-type GaAs by MBE. In order to reduce the area of the electron travel space, the second semiconductor layer 104 is sequentially formed to have a mesa structure.

次に、半導体基板１０１の裏面を薄層化し、その半導体基板１０１の裏面にアノード電極１０７を形成すると共に、第２の半導体層１０４の表面にカソード電極１０８を形成し、その後に素子分離を行い、ガンダイオード素子を完成する。 Next, the back surface of the semiconductor substrate 101 is thinned, the anode electrode 107 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 101, and the cathode electrode 108 is formed on the surface of the second semiconductor layer 104, and then element isolation is performed. Complete the Gunn diode element.

このように形成されたガンダイオード２００Ａは、図１０に示すように、ピル型パッケージ１１２内に組み立てられる。このピル型パッケージ１１２は、放熱基台電極１１３とガンダイオード２００Ａを取り囲む外囲器となるガラスあるいはセラミックからなる円筒１１４とを有し、この円筒１１４は放熱基台電極１１３に硬ロウ付けされた構造となっている。ガンダイオード２００Ａは、図示しないサファイア材等のボンディングツールで静電吸着され、放熱基台電極１１３に接着される。 The Gunn diode 200A formed in this way is assembled in the pill package 112 as shown in FIG. This pill type package 112 has a heat radiation base electrode 113 and a cylinder 114 made of glass or ceramic that serves as an envelope surrounding the Gunn diode 200A, and this cylinder 114 is brazed to the heat radiation base electrode 113. It has a structure. The Gunn diode 200A is electrostatically adsorbed by a bonding tool such as a sapphire material (not shown) and bonded to the heat radiation base electrode 113.

さらに、金リボン１１５によりガンダイオード２００Ａと円筒１１４の先端に設けられた金属層とを熱圧着等により接続する。金リボン１１５で接続した後、円筒１１４上に蓋状の金属ディスク１１６をロウ付けし、ピル型パッケージ１１２への組立が終了する。 Further, the gold diode 115 connects the Gunn diode 200A and the metal layer provided at the tip of the cylinder 114 by thermocompression bonding or the like. After the connection with the gold ribbon 115, a lid-like metal disk 116 is brazed onto the cylinder 114, and the assembly into the pill package 112 is completed.

また、従来のガンダイオードは、ＧａＡｓからなる活性層１０３のカソード側にガンドメインが発生できないデッドゾーンと呼ばれる部分が発生するという欠点があった。ガンドメインは、カソード電極１０８が接続する第２の半導体層１０４から活性層１０３に注入される伝導電子が、ガンマーバレーからＬバレーに遷移するために必要なエネルギーを与えられることによって発生する。従って、遷移するために必要なエネルギーが与えられるまで、伝導電子が走行する距離がデッドゾーンとなる。 Further, the conventional Gunn diode has a drawback that a portion called a dead zone where a gun domain cannot be generated occurs on the cathode side of the active layer 103 made of GaAs. The gun domain is generated when conduction electrons injected from the second semiconductor layer 104 connected to the cathode electrode 108 into the active layer 103 are given energy necessary for transition from the gamma valley to the L valley. Therefore, the distance traveled by the conduction electrons becomes a dead zone until energy necessary for transition is given.

このデッドゾーンが短いほど発振効率が高く、活性層の厚さに対する割合が大きくなるに従い、発振効率が低下する。このため、マイクロ波やミリ波のような高周波帯域の周波数の発振を得るため、活性層を薄くしたガンダイオードでは、デッドゾーンの厚さが活性層の厚さに対して大きな割合を占めてしまい、発振効率の低下が著しいという欠点があった。 The shorter the dead zone, the higher the oscillation efficiency, and the oscillation efficiency decreases as the ratio to the thickness of the active layer increases. For this reason, in a Gunn diode with a thin active layer in order to obtain oscillation in a high frequency band such as a microwave or millimeter wave, the thickness of the dead zone accounts for a large proportion of the thickness of the active layer. There is a drawback that the oscillation efficiency is remarkably lowered.

従来、このデッドゾーンを解消する方法として、図１１や図１２に示すガンダイオード２００Ｂ、２００Ｃのように、活性層１０３とカソード電極１０８との間に、高濃度ｎ型のＡｌＧａＡｓ層１０９や、高濃度ｎ型のＧａＡｓ層１１１、１０４の間にＡｌＧａＡｓ層１１０を積層した構造の半導体層を挿入し、活性層１０３との伝導帯バンド不連続ΔＥｃ＝０．２６ｅＶに相当するエネルギーを有する伝導電子を、活性層１０３に注入することが提案されている。挿入される半導体層は、ＡｌＧａＡｓ層に限らず、ＩｎＧａＡｓ層や（特許文献１）、不純物を添加したシリコン薄膜（特許文献２）などが提案されている。さらに本願出願人は、活性層と挿入される半導体層の選択エッチングが可能な高濃度のＩｎＧａＡｌＰ層を挿入したガンダイオードを提案している（特許文献３）。
特開平１０−２７０７７７号公報特開平１１−１６３４４０号公報特開２００３−１３３６１６号公報 Conventionally, as a method of eliminating this dead zone, a high-concentration n-type AlGaAs layer 109 or a high concentration is provided between the active layer 103 and the cathode electrode 108 as in the Gunn diodes 200B and 200C shown in FIGS. A semiconductor layer having a structure in which an AlGaAs layer 110 is stacked between n-type GaAs layers 111 and 104 is inserted, and conduction electrons having energy corresponding to a conduction band discontinuity ΔEc = 0.26 eV with the active layer 103 are inserted. It has been proposed to implant the active layer 103. The semiconductor layer to be inserted is not limited to the AlGaAs layer, and an InGaAs layer (Patent Document 1), a silicon thin film doped with impurities (Patent Document 2), and the like have been proposed. Further, the applicant of the present application has proposed a Gunn diode in which a high concentration InGaAlP layer capable of selectively etching an active layer and a semiconductor layer to be inserted is inserted (Patent Document 3).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-270777 Japanese Patent Laid-Open No. 11-163440 JP 2003-133616 A

本願出願人が先に提案したガンダイオードは、発振効率が高く、再現性良く製造することができる。しかしながら、さらなる発振効率の向上が望まれている。そこで本発明は、再現性良く製造することができ、かつ更に発振効率が向上するガンダイオードを提供することを目的とする。 The Gunn diode previously proposed by the applicant of the present application has high oscillation efficiency and can be manufactured with good reproducibility. However, further improvement in oscillation efficiency is desired. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a Gunn diode that can be manufactured with good reproducibility and whose oscillation efficiency is further improved.

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板上に、少なくとも高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層と、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２の半導体層と、ノンドープＩｎＧａＡｌＰからなる第３の半導体層と、高濃度ＩｎＧａＰからなる第４の半導体層が順に積層し、ガンダイオードとして機能する前記活性層に接続する第１の電極及び第２の電極を備えたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present application comprises at least a first semiconductor layer made of high-concentration n-type GaAs and a low-concentration n-type GaAs on a semiconductor substrate made of high-concentration n-type GaAs. The active layer, the second semiconductor layer made of high-concentration n-type GaAs, the third semiconductor layer made of non-doped InGaAlP, and the fourth semiconductor layer made of high-concentration InGaP are sequentially stacked to function as a Gunn diode. A first electrode and a second electrode connected to the active layer are provided.

請求項２に係る発明は、請求項１記載のガンダイオードにおいて、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との伝導帯バンド不連続が、０．１９ｅＶ〜０．３０ｅＶであることを特徴とするものである。 The invention according to claim 2 is the Gunn diode according to claim 1, wherein a conduction band discontinuity between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is 0.19 eV to 0.30 eV. It is a feature.

請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載のガンダイオードにおいて、前記第３の半導体層は、Ｉｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌ_x）_0.52Ｐからなり、第２の半導体層と格子整合することを特徴とするものである。 The invention according to claim 3 is the Gunn diode according to claim 1, wherein the third semiconductor layer is made of In _0.48 (Ga _{1 -x} Al _x ) _0.52 P, It is characterized by lattice matching.

請求項４に係る発明は、請求項３記載のガンダイオードにおいて、前記第３の半導体層のＡｌの組成比ｘが、ｘ＝０〜０．４の範囲内であり、あるいはｘ＝０〜０．４の範囲であり、且つ前記第４の半導体層に向かって、ｘ＝０となるように組成変化することを特徴とするものである。 The invention according to claim 4 is the Gunn diode according to claim 3, wherein the Al composition ratio x of the third semiconductor layer is in the range of x = 0 to 0.4, or x = 0 to 0. .4, and the composition changes so that x = 0 toward the fourth semiconductor layer.

本発明のガンダイオードは、カソード電極が高濃度のＩｎＧａＰ、ノンドープのＩｎＧａＡｌＰ層及び高濃度の薄いＧａＡｓ層を介してＧａＡｓからなる活性層に接続しているため、活性層に向かって電子がよりスムーズに注入される構造となり、従来の半導体層の組合せより、発振効率の向上が期待される。 In the Gunn diode of the present invention, the cathode electrode is connected to the active layer made of GaAs through the high concentration InGaP, the non-doped InGaAlP layer, and the high concentration thin GaAs layer, so that electrons are more smoothly directed toward the active layer. Therefore, the oscillation efficiency is expected to be improved compared to the conventional combination of semiconductor layers.

また、第３の半導体層のＩｎＧａＡｌＰ層は容易に所望の組成に設定することができるので、容易に格子整合させることができるし、また活性層に向かって電子がよりスムーズに注入される構造とすることができる。 In addition, since the InGaAlP layer of the third semiconductor layer can be easily set to a desired composition, it can be easily lattice-matched and electrons can be injected more smoothly toward the active layer. can do.

また、ＧａＡｓからなる活性層とＩｎＧａＡｌＰとの選択エッチングや、ガンダイオードとして機能させるため製造方法は、従来提案した方法をそのまま採用することができ、再現性の良く製造することができる。 In addition, as a manufacturing method for selectively etching an active layer made of GaAs and InGaAlP or for functioning as a Gunn diode, a conventionally proposed method can be employed as it is, and it can be manufactured with good reproducibility.

以下、本発明の実施の形態について、製造方法と共に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described together with manufacturing methods.

図１に本発明の第１の実施例を示す。この構造のガンダイオード１００Ａは、高濃度ｎ型のＧａＡｓ基板１１上に、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法により、ｎ型高濃度ＧａＡｓからなる第１の半導体層１２を成長させる。第１の半導体層１２は、不純物濃度１×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³、厚さ１．０μｍ程度である。第１の半導体層１２上に、ｎ型のＧａＡｓからなる活性層１３（不純物濃度１．３５×１０¹⁶ａｔｏｍ／ｃｍ³、厚さ１．４μｍ程度）、ｎ型高濃度ＧａＡｓからなる第２の半導体層１４（不純物濃度１．０×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³、厚さ０．０１μｍ程度）、ノンドープＩｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52Ｐからなる第３の半導体層１５（厚さ０．０５μｍ程度で、表面に向かってｘ＝０となるように組成が変化している）、ｎ型ＩｎＧａＰからなる第４の半導体層１６（不純物濃度５×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³、厚さ０．２μｍ程度）を順次積層した半導体基板を用意する。 FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. In the Gunn diode 100A having this structure, the first semiconductor layer 12 made of n-type high-concentration GaAs is grown on the high-concentration n-type GaAs substrate 11 by, for example, MBE (molecular beam epitaxy). The first semiconductor layer 12 has an impurity concentration of 1 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ and a thickness of about 1.0 μm. On the first semiconductor layer 12, an active layer 13 made of n-type GaAs (impurity concentration of 1.35 × 10 ¹⁶ atoms / cm ³ , thickness of about 1.4 μm), and a second layer made of n-type high-concentration GaAs. semiconductor layer 14 (impurity concentration ^{^{1.0 × 10 18 atom / cm 3}} , a thickness of about 0.01 [mu] m), a non-doped _{_{in 0.48 (Ga 1-x Alx}} ) third semiconductor layer 15 made of _0.52 P (zero thickness. The fourth semiconductor layer 16 made of n-type InGaP (impurity concentration 5 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ , thickness 0.about.05 μm, composition changes so that x = 0 toward the surface). A semiconductor substrate in which about 2 μm is sequentially stacked is prepared.

次に、カソード電極形成予定領域を開口するようにフォトレジストをパターニングし、第４の半導体層１６とオーミック接触するＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる金属膜を蒸着し、リフトオフすることにより、電極パターンを形成する。その後、熱処理を行い、カソード電極１８を形成する。カソード電極１８をエッチングマスクとして使用し、ＣＨ₄、Ｈ₂、Ａｒの混合ガス等を用いたＥＣＲドライエッチング法により、第４の半導体層１６、第３の半導体層１５、第２の半導体層１４、活性層１３、第１の半導体層１２をエッチング除去する。半導体基板の裏面を薄層化し、ＧａＡｓ基板１１にアノード電極１７を形成し、ガンダイオード素子として完成させる。 Next, the photoresist is patterned so as to open the region where the cathode electrode is to be formed, a metal film made of AuGe / Ni / Au that is in ohmic contact with the fourth semiconductor layer 16 is deposited, and lifted off to form the electrode pattern. Form. Thereafter, heat treatment is performed to form the cathode electrode 18. The fourth semiconductor layer 16, the third semiconductor layer 15, and the second semiconductor layer 14 are formed by ECR dry etching using the cathode electrode 18 as an etching mask and using a mixed gas of CH ₄ , H ₂ , Ar, or the like. Then, the active layer 13 and the first semiconductor layer 12 are removed by etching. The back surface of the semiconductor substrate is thinned, and an anode electrode 17 is formed on the GaAs substrate 11 to complete a Gunn diode element.

このような構造のガンダイオードのエネルギーバンド図を図６に示す。図６（ａ）に示すように、カソード電極１８は、高濃度のＩｎＧａＰからなる第４の半導体層１６、ノンドープＩｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52Ｐからなる第３の半導体層１５、及びｎ型高濃度ＧａＡｓからなる第２の半導体層１４を介して活性層１３に接続することになる。ここで、Ｉｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52ＰとＧａＡｓは、ヘテロ接合を形成し、伝導帯のバンド不連続が形成する。その障壁の高さ、すなわち伝導帯不連続ΔＥｃは、図７にＧａＡｓとの伝導帯バンド不連続ΔＥｃとＡｌの組成ｘとの関係を示すように、Ａｌの組成ｘを所望の値に設定することができる。伝導帯バンド不連続ΔＥｃは、０．１９ｅＶ〜０．３０ｅＶとなるように設定するのが好ましい。０．１９ｅＶ未満では、活性層に注入された伝導電子がＬバレーに容易に遷移することができず、０．３０ｅＶを超えると障壁を乗り越えることができる電子が少なくなり、いずれも発振効率が低下するからである。 An energy band diagram of the Gunn diode having such a structure is shown in FIG. As shown in FIG. 6A, the cathode electrode 18 includes a fourth semiconductor layer 16 made of high-concentration InGaP, a third semiconductor layer 15 made of non-doped In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P, and The active layer 13 is connected via the second semiconductor layer 14 made of n-type high concentration GaAs. Here, In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P and GaAs form a heterojunction, and a band discontinuity of the conduction band is formed. The height of the barrier, that is, the conduction band discontinuity ΔEc, is set to a desired value for the Al composition x, as shown in FIG. 7 which shows the relationship between the conduction band discontinuity ΔEc with GaAs and the Al composition x. be able to. The conduction band discontinuity ΔEc is preferably set to be 0.19 eV to 0.30 eV. If it is less than 0.19 eV, the conduction electrons injected into the active layer cannot easily transition to the L valley, and if it exceeds 0.30 eV, the number of electrons that can overcome the barrier is reduced, and the oscillation efficiency is lowered in all cases. Because it does.

また第３の半導体層１５の不純物濃度が低いため、活性層１３に向けてバンドギャップを大きくでき、エネルギーバンドを図６（ａ）に示すように三角形状にできる。そのため、電子をスムーズに活性層１３に注入できる。 Further, since the impurity concentration of the third semiconductor layer 15 is low, the band gap can be increased toward the active layer 13, and the energy band can be triangular as shown in FIG. Therefore, electrons can be smoothly injected into the active layer 13.

さらに、ｎ型高濃度ＧａＡｓからなる第２の半導体層１４を介して活性層１３に接続する構造であるため、伝導電子（ホットエレクトロン）が活性層１３に注入され、電子が走行し始めるる際、半導体層１４が枯渇している効果を利用して、電界強度の大きさを調整し、ホットエレクトロンの状態を維持する効果がある。図６（ｂ）は、動作時の伝導帯のエネルギーバンド図を模式的に示している。図６（ｂ）に示すように、第２の半導体層１４は、動作時には電子が枯渇していることがわかる。 Furthermore, since the structure is connected to the active layer 13 via the second semiconductor layer 14 made of n-type high-concentration GaAs, conduction electrons (hot electrons) are injected into the active layer 13 and electrons start to travel. Utilizing the effect that the semiconductor layer 14 is depleted, there is an effect of adjusting the magnitude of the electric field intensity and maintaining the hot electron state. FIG. 6B schematically shows the energy band diagram of the conduction band during operation. As shown in FIG. 6B, it can be seen that the second semiconductor layer 14 is depleted of electrons during operation.

その結果、活性層１３に注入されたホットエレクトロンは、ガンマーバレーより高いエネルギー帯のＬバレーにスムーズに遷移することができるエネルギーを有することになり、デッドゾーンの発生を最小限に抑制することができる。 As a result, the hot electrons injected into the active layer 13 have energy capable of smoothly transitioning to the L valley in the energy band higher than the gamma valley, and the occurrence of the dead zone can be suppressed to the minimum. it can.

活性層１３を第２の半導体層１４側に向かって、不純物濃度が低くなるように傾斜させても良い。活性層に注入されるホットエレクトロンに加わる電界強度が強まり、デッドゾーンの発生の更なる抑制が期待されるからである。 The active layer 13 may be inclined toward the second semiconductor layer 14 side so that the impurity concentration decreases. This is because the electric field strength applied to the hot electrons injected into the active layer is increased, and further suppression of the occurrence of the dead zone is expected.

なお、第３の半導体層１５は、第２の半導体層１４と格子整合するのが好ましいので、Ｉｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52Ｐからなる第３の半導体層１５を用いた。第３の半導体層１５の厚さが薄い場合、必ずしも格子整合する必要はない。また、ノンドープＩｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52Ｐからなる第３の半導体層１５のＡｌの組成ｘが、表面に向かってｘ＝０となるように組成が変化することも、必ずしも必要ないことは言うまでもない。 Since the third semiconductor layer 15 is preferably lattice-matched with the second semiconductor layer 14, the third semiconductor layer 15 made of In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P was used. When the third semiconductor layer 15 is thin, lattice matching is not necessarily required. Further, it is not always necessary that the Al composition x of the third semiconductor layer 15 made of non-doped In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P changes so that x = 0 toward the surface. Needless to say.

図２は、本発明の第２の実施例のガンダイオード１００Ｂの平面図及び断面図を示す。図２に示すガンダイオード１００Ｂは、アノード電極１７及びカソード電極１８を半導体基板表面に形成した構造であり、半導体基板の構造は同一である。以下、図３を用いて製造工程に従い、ガンダイオードの構造を説明する。この構造のガンダイオード１００Ｂは、高濃度ｎ型のＧａＡｓ基板１１上に、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法により、ｎ型高濃度ＧａＡｓからなる第１の半導体層１２を成長させる。第１の半導体層１２は、不純物濃度１×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³、厚さ１．０μｍ程度である。第１の半導体層１２上に、ｎ型のＧａＡｓからなる活性層１３（不純物濃度１．３５×１０¹⁶ａｔｏｍ／ｃｍ³、厚さ１．４μｍ程度）、ｎ型高濃度ＧａＡｓからなる第２の半導体層１４（不純物濃度１．０×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³、厚さ０．０１μｍ程度）、ノンドープのＩｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52Ｐからなる第３の半導体層１５（厚さ０．０５μｍ程度で、表面に向かってｘ＝０となるように組成が変化している）、ｎ型ＩｎＧａＰからなる第４の半導体層１６（不純物濃度５×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³、厚さ０．２μｍ程度）を順次積層した半導体基板を用意する。 FIG. 2 shows a plan view and a sectional view of a Gunn diode 100B according to the second embodiment of the present invention. The Gunn diode 100B shown in FIG. 2 has a structure in which an anode electrode 17 and a cathode electrode 18 are formed on the surface of a semiconductor substrate, and the structure of the semiconductor substrate is the same. Hereinafter, the structure of the Gunn diode will be described according to the manufacturing process with reference to FIG. In the Gunn diode 100B having this structure, the first semiconductor layer 12 made of n-type high-concentration GaAs is grown on the high-concentration n-type GaAs substrate 11 by, for example, MBE (molecular beam epitaxy). The first semiconductor layer 12 has an impurity concentration of 1 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ and a thickness of about 1.0 μm. On the first semiconductor layer 12, an active layer 13 made of n-type GaAs (impurity concentration of 1.35 × 10 ¹⁶ atoms / cm ³ , thickness of about 1.4 μm), and a second layer made of n-type high-concentration GaAs. Semiconductor layer 14 (impurity concentration 1.0 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ , thickness 0.01 μm), third semiconductor layer 15 (thickness 0) made of non-doped In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P The fourth semiconductor layer 16 made of n-type InGaP (impurity concentration 5 × 10 ¹⁸ atoms / cm ³ , thickness 0) A semiconductor substrate on which about .mu.m is sequentially laminated is prepared.

次に、アノード電極及びカソード電極形成予定領域を開口するようにフォトレジストをパターニングし、第４の半導体層１６とオーミック接触するＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる金属膜を蒸着し、リフトオフすることにより、電極パターンを形成する。その後、熱処理を行い、アノード電極１７及びカソード電極１８を形成する（図３ａ）。 Next, the photoresist is patterned so as to open the anode electrode and cathode electrode formation scheduled regions, a metal film made of AuGe / Ni / Au that is in ohmic contact with the fourth semiconductor layer 16 is deposited, and lift-off is performed. An electrode pattern is formed. Thereafter, heat treatment is performed to form the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 (FIG. 3a).

次に、アノード電極１７及びカソード電極１８の一部を開口するようにフォトレジスト１９をパターニングし、開口内に金等からなる金属をメッキし、導電性突起電極であるバンプ電極２０、２１を形成する（図３ｂ）。 Next, a photoresist 19 is patterned so that a part of the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 is opened, and a metal made of gold or the like is plated in the openings to form bump electrodes 20 and 21 that are conductive protruding electrodes. (FIG. 3b).

フォトレジスト１９を除去し、アノード電極１７及びカソード電極１８をエッチングマスクとして使用し、ＣＨ₄、Ｈ₂、Ａｒの混合ガスを用いたＥＣＲドライエッチング法により、第４の半導体層１６、第３の半導体層１５を選択的にエッチング除去し、カソード電極１７を取り囲むように、凹部２２を形成する（図３ｃ）。ここで、ｎ型高濃度ＧａＡｓからなる第２の半導体層１４は極めて薄いので、上記エッチングと同時に除去されるが、エッチングされずにわずかに残ったとしても、高抵抗となるため、アノード領域とカソード領域を電気的に分離することが可能となる。このように、アノード電極１７とカソード電極１８をエッチングマスクとして使用し、自己整合的に凹部２２を形成することができる。またＩｎＧａＡｌＰとＧａＡｓは、選択エッチングが可能であるので、製造バラツキが少なく、歩留まり良く製造することができる。 The photoresist 19 is removed, and the fourth semiconductor layer 16 and the third semiconductor layer 16 are formed by an ECR dry etching method using a mixed gas of CH ₄ , H ₂ , and Ar using the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 as an etching mask. The semiconductor layer 15 is selectively removed by etching, and a recess 22 is formed so as to surround the cathode electrode 17 (FIG. 3c). Here, since the second semiconductor layer 14 made of n-type high-concentration GaAs is extremely thin, it is removed at the same time as the etching. It becomes possible to electrically isolate the cathode region. In this way, the recess 22 can be formed in a self-aligning manner using the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 as an etching mask. InGaAlP and GaAs can be selectively etched, so that there is little manufacturing variation and manufacturing can be performed with high yield.

なお、凹部２２によって区画されたカソード電極１８に対応する活性層１３の面積が、ガンダイオードとしての所定の動作電流が得られる面積（ガンダイオードとして機能可能な面積）に設定される。一方、アノード電極１７の面積は、アノード電極に対する活性層１３の面積が、カソード電極１８に対応する活性層１３の面積より十分大きくし、アノード電極１７下の半導体層の抵抗値をカソード電極１８下の半導体層の抵抗値より十分小さくなるように設定する。その結果、アノード電極１７下の半導体層をガンダイオードとして機能させず、アノード電極１７を実質的に直接第１の半導体層１２に接続させることになる。カソード電極１８に対応する活性層１３の面積に対するアノード電極１７に対応する活性層の面積を、１０〜１０００倍とすると、発振効率の低下がなく、また素子設計上好ましい。 In addition, the area of the active layer 13 corresponding to the cathode electrode 18 partitioned by the recess 22 is set to an area (area that can function as a Gunn diode) from which a predetermined operating current as a Gunn diode can be obtained. On the other hand, the area of the anode electrode 17 is such that the area of the active layer 13 relative to the anode electrode is sufficiently larger than the area of the active layer 13 corresponding to the cathode electrode 18, and the resistance value of the semiconductor layer under the anode electrode 17 is reduced below the cathode electrode 18. It is set to be sufficiently smaller than the resistance value of the semiconductor layer. As a result, the semiconductor layer under the anode electrode 17 does not function as a Gunn diode, and the anode electrode 17 is substantially directly connected to the first semiconductor layer 12. When the area of the active layer corresponding to the anode electrode 17 with respect to the area of the active layer 13 corresponding to the cathode electrode 18 is 10 to 1000 times, there is no decrease in oscillation efficiency, which is preferable in terms of device design.

凹部２２を形成する際の選択エッチングは、上述のドライエッチング法の他、ガス組成を変えたドライエッチング法や、塩酸と燐酸の混合液などのエッチング液を用いたウエットエッチング法を適用することができる。ウエットエッチングを行う場合、エッチングされる第４の半導体層１６及び第３の半導体層１５の膜厚は非常に薄いので、バラツキなく、凹部２２を形成することができる。なお、凹部２２は、活性層１３に達しても何ら問題はなく、また少なくとも第４の半導体層１６が除去されていれば、第３の半導体層１５の一部が残っていても問題はない。 As the selective etching for forming the recess 22, in addition to the above-described dry etching method, a dry etching method with a changed gas composition or a wet etching method using an etching solution such as a mixed solution of hydrochloric acid and phosphoric acid may be applied. it can. When wet etching is performed, the thicknesses of the fourth semiconductor layer 16 and the third semiconductor layer 15 to be etched are very thin, so that the recess 22 can be formed without variation. The concave portion 22 has no problem even if it reaches the active layer 13, and there is no problem even if a part of the third semiconductor layer 15 remains if at least the fourth semiconductor layer 16 is removed. .

以下、通常のガンダイオードの製造工程に従い、半導体基板の裏面を薄層化する。その後、必要に応じて、ＧａＡｓ基板１１にオーミック接触する金属膜２３を形成し、ガンダイオード素子として完成する（図３ｄ）。金属膜２３は、アノード電極１７に代え、あるいはアノード電極１７と共にアノード電極と機能させることができる。 Thereafter, the back surface of the semiconductor substrate is thinned in accordance with a normal Gunn diode manufacturing process. Thereafter, if necessary, a metal film 23 in ohmic contact with the GaAs substrate 11 is formed to complete a Gunn diode element (FIG. 3d). The metal film 23 can function as an anode electrode together with the anode electrode 17 instead of the anode electrode 17.

このように形成したガンダイオード１００Ｂは、カソード電極１８を取り囲むように凹部２２を形成することにより、ガンダイオードとして機能する活性層１３を区画する構造であるので、第４の半導体層１６上にアノード電極１７及びカソード電極１８を備える構造となり、いわゆるフリップチップボンディング法により、実装基板に実装することができ、従来のピル型パッケージへの組立等に較べて、組立が容易となる。図８にガンダイオード１００Ｂをマイクロストリップ線路３０が形成された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。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ダイヤモンド等のような比抵抗が１０⁶Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が１７０Ｗ／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、また裏面には接地電極３３が形成されている。３４はタングステン（Ｗ）を充填したヴィアホールであり、平板基板３１裏面の接地電極３３と表面接地電極３５を接続している。ガンダイオード１００Ｂは、アノード電極１７に接続するバンプ電極２０が表面接地電極３５に接続し、カソード電極１８に接続するバンプ電極２１が信号電極３２に接続している。平板基板３１に形成された３２Ａはガンダイオード１００Ｂ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１００Ｂを含むストリップ線路によるλ／４共振器、３２ｃは信号出力部の電極を示している。 Since the Gunn diode 100B formed in this way has a structure in which the active layer 13 functioning as a Gunn diode is defined by forming a recess 22 so as to surround the cathode electrode 18, an anode is formed on the fourth semiconductor layer 16. The structure is provided with the electrode 17 and the cathode electrode 18 and can be mounted on a mounting substrate by a so-called flip chip bonding method, and the assembly is facilitated as compared with the assembly to a conventional pill type package. FIG. 8 shows an example of a structure in which the Gunn diode 100B is mounted on a flat circuit board on which the microstrip line 30 is formed to constitute an oscillator. Good semi-insulating flat substrate 31 having a specific resistance of 10 ⁶ Ω · cm or more, a thermal conductivity of 170 W / mK or more, such as aluminum nitride (AlN), silicon (Si), silicon carbide (SiC), diamond, etc. A signal electrode 32 is formed on the upper surface, and a ground electrode 33 is formed on the rear surface. Reference numeral 34 denotes a via hole filled with tungsten (W), which connects the ground electrode 33 on the back surface of the flat substrate 31 and the surface ground electrode 35. In the Gunn diode 100B, the bump electrode 20 connected to the anode electrode 17 is connected to the surface ground electrode 35, and the bump electrode 21 connected to the cathode electrode 18 is connected to the signal electrode 32. 32A formed on the flat substrate 31 is an electrode of a bias unit for supplying a power supply voltage to the Gunn diode 100B, 32B is a λ / 4 resonator by a strip line including the Gunn diode 100B, and 32c is an electrode of a signal output unit. .

ガンダイオード１００Ｂは、第１の実施例で説明したガンダイオード１００Ａと半導体基板の構造は同一であるため、第１の実施例同様、図６に示すエネルギーバンドのように、カソード電極は、高濃度のＩｎＧａＰからなる第４の半導体層１６、低濃度のＩｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52Ｐからなる第３の半導体層１５、及びｎ型高濃度ＧａＡｓからなる第２の半導体層１４を介して活性層１３に接続することになる。ここで、Ｉｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52ＰとＧａＡｓは、ヘテロ接合を形成し、伝導帯のバンド不連続が形成する。その障壁の高さ、すなわち伝導帯不連続ΔＥｃは、Ａｌの組成ｘやそれぞれの不純物濃度を適宜選択することで、所望の値に設定することができる。伝導帯バンド不連続ΔＥｃは、０．１９ｅＶ〜０．３０ｅＶとなるように設定するのが好ましい。０．１９ｅＶ未満では、活性層に注入された伝導電子がＬバレーに容易に遷移することができず、０．３０ｅＶを超えると障壁を乗り越えることができる電子が少なくなり、いずれも発振効率が低下するからである。 Since the Gunn diode 100B has the same structure as that of the Gunn diode 100A described in the first embodiment, the cathode electrode has a high concentration as in the energy band shown in FIG. Through a fourth semiconductor layer 16 made of InGaP, a third semiconductor layer 15 made of low-concentration In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P, and a second semiconductor layer 14 made of n-type high-concentration GaAs. Thus, the active layer 13 is connected. Here, In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P and GaAs form a heterojunction, and a band discontinuity of the conduction band is formed. The height of the barrier, that is, the conduction band discontinuity ΔEc, can be set to a desired value by appropriately selecting the Al composition x and the respective impurity concentrations. The conduction band discontinuity ΔEc is preferably set to be 0.19 eV to 0.30 eV. If it is less than 0.19 eV, the conduction electrons injected into the active layer cannot easily transition to the L valley, and if it exceeds 0.30 eV, the number of electrons that can overcome the barrier is reduced, and the oscillation efficiency is lowered in all cases. Because it does.

なお、第３の半導体層１５は、第２の半導体層１４と格子整合するのが好ましいので、Ｉｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52Ｐからなる第３の半導体層１５を用いた。第３の半導体層１５の厚さが薄い場合、必ずしも格子整合する必要はない。また、ノンドープＩｎ_0.48（Ｇａ_1-xＡｌｘ）_0.52Ｐからなる第３の半導体層１５のＡｌの組成ｘが、表面に向かってｘ＝０となるように組成が変化することも、必ずしも必要ないことも同様である。 Since the third semiconductor layer 15 is preferably lattice-matched with the second semiconductor layer 14, the third semiconductor layer 15 made of In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P was used. When the third semiconductor layer 15 is thin, lattice matching is not necessarily required. Further, it is not always necessary that the Al composition x of the third semiconductor layer 15 made of non-doped In _0.48 (Ga _1-x Alx) _0.52 P changes so that x = 0 toward the surface. The same is true.

次に第３の実施例について説明する。図４に第３の実施例のガンダイオード１００Ｃを示す。第２の実施例で説明したガンダイオード１００Ｂの凹部２２内に、高抵抗層２４を形成し、活性層１３を区画している。高抵抗層２４の形成は、第２の実施例の製造工程で説明した凹部２２を形成した後（図３ｃ）、ボロン（Ｂ）イオンを加速エネルギー・ドーズ量がそれぞれ、３０ＫｅＶ・７×１０¹²ａｔｏｍ／ｃｍ²、１００ＫｅＶ・１×１０¹³ａｔｏｍ／ｃｍ²、２００ＫｅＶ・２×１０¹³ａｔｏｍ／ｃｍ²の条件で、３回注入を行い、その後、熱処理を行うことで高抵抗層２４を形成する。注入するイオン種は、ボロンの他、酸素（Ｏ）、鉄（Ｆｅ）、水素（Ｈ）等であっても良い。このように形成したガンダイオード１００Ｃは、第１及び第２の実施例で説明したガンダイオード１００Ａ、１００Ｂと同様な作用効果を奏するものであるので、詳細な説明は省略する。 Next, a third embodiment will be described. FIG. 4 shows a Gunn diode 100C of the third embodiment. A high resistance layer 24 is formed in the recess 22 of the Gunn diode 100B described in the second embodiment, and the active layer 13 is partitioned. The high resistance layer 24 is formed after the recess 22 described in the manufacturing process of the second embodiment is formed (FIG. 3c), and then boron (B) ions are accelerated and dosed by 30 KeV · 7 × 10 ¹² , respectively. in ^{atom / cm 2, 100KeV · 1} × 10 13 atom / cm 2, 200KeV · 2 × 10 13 atom / cm 2 conditions, for 3 injections, then, to form a high-resistance layer 24 by performing heat treatment . In addition to boron, the ion species to be implanted may be oxygen (O), iron (Fe), hydrogen (H), or the like. Since the Gunn diode 100C formed in this way has the same effects as the Gunn diodes 100A and 100B described in the first and second embodiments, detailed description thereof will be omitted.

次に第４の実施例について説明する。図５に第４の実施例のガンダイオード１００Ｄを示す。第２で説明した凹部２２の代わりに、高抵抗層２５を形成し、ガンダイオードとして機能する活性層１３を区画している。高抵抗層２５の形成は、第３の実施例で説明したように、ボロン等の不純物イオンを注入して形成する。図５に示す構造では、第４の半導体層１６から第３の半導体層１５に達する領域に、高抵抗層２５を形成している場合を示している。このように形成したガンダイオード１００Ｄは、第１乃至第３の実施例で説明したガンダイオード１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃと同様な作用効果を奏する。詳細な説明は省略する。 Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 5 shows a Gunn diode 100D of the fourth embodiment. Instead of the concave portion 22 described in the second embodiment, a high resistance layer 25 is formed to partition the active layer 13 that functions as a Gunn diode. The high resistance layer 25 is formed by implanting impurity ions such as boron as described in the third embodiment. In the structure shown in FIG. 5, a case where the high resistance layer 25 is formed in a region reaching from the fourth semiconductor layer 16 to the third semiconductor layer 15 is shown. The Gunn diode 100D thus formed has the same operational effects as the Gunn diodes 100A, 100B, and 100C described in the first to third embodiments. Detailed description is omitted.

本発明の第１の実施例を説明する図である。It is a figure explaining the 1st Example of this invention. 本発明の第２の実施例を説明する図である。It is a figure explaining the 2nd Example of this invention. 本発明の第２の実施例のガンダイオードの製造工程を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing process of the Gunn diode of the 2nd example of the present invention. 本発明の第３の実施例を説明する図である。It is a figure explaining the 3rd Example of the present invention. 本発明の第４の実施例を説明する図である。It is a figure explaining the 4th Example of this invention. 本発明の実施例を説明するエネルギーバンド図である。It is an energy band figure explaining the Example of this invention. 伝導帯バンド不連続ΔＥｃとＡｌの組成ｘとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between conduction band discontinuity (DELTA) Ec and the composition x of Al. 本発明のガンダイオードを用いた発振器を説明する図である。It is a figure explaining the oscillator using the Gunn diode of the present invention. 従来のガンダイオードを説明する図である。It is a figure explaining the conventional Gunn diode. 従来のガンダイオードを組み立てたピル型パッケージを説明する図である。It is a figure explaining the pill type package which assembled the conventional Gunn diode. 従来のガンダイオードを説明する図である。It is a figure explaining the conventional Gunn diode. 従来の別のガンダイオードを説明する図である。It is a figure explaining another conventional Gunn diode.

Explanation of symbols

１１：ＧａＡｓ基板、１２：第１の半導体層、１３：活性層、１４：第２の半導体層、１５：第３の半導体層、１６：第４の半導体層、１７：アノード電極、１８：カソード電極 11: GaAs substrate, 12: first semiconductor layer, 13: active layer, 14: second semiconductor layer, 15: third semiconductor layer, 16: fourth semiconductor layer, 17: anode electrode, 18: cathode electrode

Claims

On a semiconductor substrate made of high-concentration n-type GaAs, at least a first semiconductor layer made of high-concentration n-type GaAs, an active layer made of low-concentration n-type GaAs, and a second semiconductor layer made of high-concentration n-type GaAs. And a third semiconductor layer made of non-doped InGaAlP and a fourth semiconductor layer made of high-concentration InGaP are sequentially stacked, and includes a first electrode and a second electrode connected to the active layer functioning as a Gunn diode. Gunn diode characterized by that.

The Gunn diode of claim 1,
A Gunn diode, wherein a conduction band discontinuity between the second semiconductor layer and the third semiconductor layer is 0.19 eV to 0.30 eV.

The Gunn diode according to claim 1 or 2,
The third semiconductor layer is made of In _0.48 (Ga _1-x Al _x ) _0.52 P and is lattice-matched with the second semiconductor layer.

The Gunn diode of claim 3,
The Al composition ratio x of the third semiconductor layer is in the range of x = 0 to 0.4, or in the range of x = 0 to 0.4, and toward the fourth semiconductor layer. A Gunn diode characterized in that the composition changes so that x = 0.