JP2010518611A - ガンダイオード - Google Patents

Abstract

活性層（２）の上面および下面が、各々活性層（２）と比較して高ドープされた同一材料の隣接コンタクト層（４）に接しているガンダイオード（１）に関し、接触抵抗を低くし、雑音等の障害が発生するのを防止することを目的とする。このため本発明によれば、コンタクト層（４）の少なくとも１つの外側領域（１２）が、各コンタクト層（４）と比較してなお一層高ドープされた同一材料の外側コンタクト層（１４）で構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、活性層の上面および下面が、活性層と比較して高ドープされた同一材料の隣接コンタクト層に各々接しているガンダイオードに関する。

ガンダイオードと称される半導体部品は、主にＧＨｚ周波数範囲内で高周波放射を生成すべく利用されている。低い製造費と比較的僅かな製造支出との故に、ガンダイオードは高周波送信器が必要とされる情報技術の広い分野で利用されている。

ガンダイオードの機能様式は所謂ガン効果に基づいている。ガン効果とは、例えばＧａＡｓやＩｎＰ等の特定の半導体材料に現れる高電界強度効果である。これらの半導体のエネルギーバンドは大きくないエネルギー距離内に相対的極大と極小とを有する。例えば価電子バンドから伝導バンド内に励起された電子は、先ず伝導バンドの絶対最小内にある。これらの電子が電界内で、極小のエネルギー差範囲内にあるエネルギー（ＧａＡｓの場合０．２９ｅＶ）に達すると、電子は光学フォノンによって隣接極小内に拡散する。隣接極小内、所謂サイドヴァレー内の電子の高い実効質量の故に、電子はそこで小さな移動性を有する。その場合、電圧上昇時に電流低下が生じ、即ち負の微分抵抗が生じる。

この効果はガンダイオードで、電子が蓄積しかつ（波等の）推進力（Schueben）でダイオード内を遊動することを好適な接続によって引き起こすことにより利用される。そのことからやはり、この周波数に相応して電磁波が放射されることになる。

実際上、部品はこのガン効果に基づき、普通薄膜技術の半導体部品として製造され、所要の境界条件は再現可能な微視的性質等に関して守ることができる。このようなガンダイオードの電気的性質を決定する活性部分は、様々にドーピングされて上下に配置される３つの層で構成される。中央の層は、ガンダイオードに特徴的なガン効果がそこに現れる所謂活性層である。他の２つの層は活性層と比べて高ドープされている。

このような配置では、前記一連のドーピングと、それに伴い活性層内に生ずる伝導率差とに基づいて電子ドメインが形成され、特定の閾値電界強度に達したなら電子ドメイン内に電子が蓄積する。活性層および隣接する両方のコンタクト層用の基礎材料として普通同じ材料が選択され、材料の結晶学的性質は界面を越えてそのまま維持され、結晶効果に基づく障害は殆ど避けられている。活性層と、隣接するコンタクト層との間の希望する伝導率差は専らドーピングの変更によって達成される。その際、一般に基礎材料としてヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）或いはリン化インジウム（ＩｎＰ）が使用される。

このような構造様式のガンダイオードで達成される周波数および出力は、特に使用される基礎材料に依存している。他方で、特に技術的応用でも、薄膜構造の別の半導体部品においても、部材性質の再現性は、利用条件変化時の全般的信頼性も、特に例えば接触抵抗等の構造様式に起因した諸制限によって限定される。更に、ガンダイオードの安定性と信頼性は、一方で部品の加熱又は過熱により、他方でエレクトロマイグレーションと周囲大気内での放電とにより損なわれることがある。それに加えて、過度に高い接触抵抗によって、動作に起因した望ましくない例えば雑音等の障害が現れることがある。特に、幅広い技術的応用可能性および工業的製造可能性を考慮して、これらの効果を極力小さく抑える努力が払われている。

そこで本発明の課題は、接合抵抗又は接触抵抗を特別小さく抑えた、特に価値の高いコンタクトを有する上記種類のガンダイオードを提供することである。

この課題は、本発明によれば、コンタクト層の少なくとも１つが、その外側領域を、各コンタクト層と比較してなお一層高ドープされた同一材料の外側コンタクト層で構成されることによって解決される。

本発明は、接触抵抗への個別寄与をも徹底して最小にすることで、前記種類の部品用の接触抵抗を特別小さく抑え得るとの考えから出発する。周辺材料、普通金属と活性層に隣接する層の本来の材料との間の伝導率急変の他に、結晶構造の違いに伴って生じる微視的歪み効果に起因した、異なる結晶構造を有する２つの材料間の急激な移行部も、接触抵抗全体に対する主要な寄与と見做される。急激な移行部は、まず本来のコンタクト層から出発して、前記歪み効果を防止するためにコンタクト層と同じ結晶構造を有する外側ゾーンを用意することで特に小さく抑えることができる。このためこの外側ゾーンはやはり本来のコンタクト層と同じ材料で形成されている。それに続いて周辺コンポーネントへの電気的移行を容易とすべく、この外側ゾーンは、本来のコンタクト層と比較して著しく高い伝導率を有すべきであろう。このため前記外側ゾーンは、本来のコンタクト層と比較して再度高ドープされる。

有利な実施形態では、コンタクト層と比較してなお一層高ドープされたコンタクト層がアノードコンタクトを形成する。

様々にドープされた前記３つの層から成る積層体は、通常の構造を持つガンダイオード内で基板に取付けられており、誘電特性と、別のコンポーネントとの両立性とを考慮し、しかし利用可能性、加工可能性等の観点も考慮して、基礎材料として基板用に普通サファイアを備えている。活性層に隣接する両方のコンタクト層内でのガンダイオードのボンディングを可能とすべく、基板に接するコンタクト層は底面の方から一般に本来の活性層よりも大きく寸法を設計されており、下側コンタクト層の内、活性層によって覆われていない面部分、従って上から接近可能な面部分が用意されている。それと共に、このような構造様式において、ガンダイオードの両方の電極は基板の同じ側面に配置されている。カソードコンタクトは普通、高ドープされた上側層に取付けられ、アノードコンタクトは高ドープされた下側層の露出している上面に取付けられる。

しかしアノードからカソードへの、障害となる不所望のエレクトロマイグレーションを避けるために、両方の電極を相互に特別良好に局所分離することが望ましい。それ故に、両方の電極が基板の同じ側面に相近接して設けられている前記構造様式から適切に外れて、基板の下面、即ち活性積層体とは反対側の側面に電極の１つを位置決めするのが有利である。これを可能とすべく、有利な構成では、基板とこれに接したコンタクト層はモノリシックブロックの方式で高ドーピングの同じ材料で形成され、実質的にコンタクト層の１つが基板を形成する。これにより、配置全体の直列抵抗を高めることなくアノードとカソードとの良好な局所分離が可能である。

他の有利な構成では、基板上にあるコンタクトはその下面に取付けられる。該下面は、活性層とは反対側の面である。こうしてアノードとカソードとの、ダイオードの寸法によって限定された最大可能な局所分離が達成される。従来のガンダイオードにおいて現れるアノードからカソードへのエレクトロマイグレーションは、部品の破壊を起こし得るが、この分離により特別小さく抑えられる。

過度に高い接触抵抗に起因した影響のみならず、不所望の熱効果、特にガンダイオード部品の加熱によるガンダイオードの動作上の利用可能性の制限、寿命の制限も、引き起こされることがある。更に、ガンダイオードは過度に高い加熱時に周波数が不安定となり、大きな過熱時、ガンダイオードの機能にとって本質的な負の微分抵抗が消滅する。これに適切に対処すべく、有利な構成ではガンダイオードの活性層が再冷却される。このため望ましくは活性層がヒートシンクと熱的に結合される。ヒートシンクは好ましくは高い熱伝導率を有し、それ故、活性層内で発生する熱エネルギーを導出できる。

他の有利な構成では、ヒートシンクの熱伝導率は基板の熱伝導率よりも高い。この結果ヒートシンクを介した熱エネルギーの適切な導出が可能となる。その際付加的に、基板内に溜る熱も適切に導出可能とすべく、活性層とヒートシンクとの熱的結合を、基板を介して実現するとよい。その利点として、基板内に生じる熱エネルギーもヒートシンクを介して排出できる。熱は主に活性層内で発生し、活性層との距離が少ないのでカソードコンタクトを介した熱排出がやはり考えられる。

ガンダイオードの動作時、冷却が局所的にも時間的にも外部から制御できるとある点で望ましい。このため、ヒートシンクは冷却ピンとして形成される。その結果、ガンダイオードの動作時に実際に現れる加熱に適合させてヒートシンクを適切に利用することが可能となる。更に、冷却ピンの利用によって低温時にガンダイオードの動作が可能である。と言うのも、そこではガンダイオードが加熱に対してなお一層敏感に反応するからである。

カソードでの熱発生も考慮すべく、有利な構成では、カソードは誘電体スリーブによって取り囲まれる。このためガンダイオードは密閉収容され、高い破壊電界強度と良好な熱伝導率とを有する誘電液体が充填される。

活性層の加熱を減らす他の可能性は、飽和電流、従ってガンダイオードの出力を適切に制限することである。このため、活性層を側方において通路域に限定するとよい。その際この通路域は横方向で中性化縁領域により限定される。このため、好ましくは縁領域で活性層を中性化すべく、縁領域にイオンが注入される。活性層の側面が通路域に限定されていても、このような構造様式においてカソードの接触抵抗はさして増大しない。

ガンダイオードの動作時、高電界強度（Ｅ＞１５０ｋＶ／ｃｍ）により誘発される空気中放電に伴い、正の荷電イオン照射でカソード金属被覆が行われる。このため、カソード金属被覆から金属粒子が移動して活性化層の露出表面に堆積し、ガンダイオードの動作が損なわれ又はその破壊を生じることがある。これに対処すべく、活性層の少なくとも表面はパッシベーション層を備える。通常の構成では、基板は底面の点でも高さの点でも活性層よりも大きな寸法に設計されている。それ故基板は、活性層のある所謂メサを有する。活性層上での金属粒子の堆積を最少にすべく、有利な構成では、メサもパッシベーション層を完全に備えている。パッシベーション層は、高電界強度時の空気中放電を抑制するのに十分高い破壊電界強度を有すべきであろう。二重機能においてパッシベーション層は表面電流も最少にし、こうして活性層への金属粒子の堆積を妨げる。

良好な熱伝導率を有する材料をパッシベーション層用に使用することで、パッシベーション層は他の機能を果たし得る。それ故、他の有利な構成では、パッシベーション層はヒートシンクとして形成される。活性層と比較して良好な熱伝導率を有する好適な被覆は、例えばダイヤモンド又は窒化ホウ素層である。

他の有利な１構成では、ガンダイオードのカソードコンタクトが保護被覆を備える。この保護被覆は、保護すべきカソード金属被覆よりも、イオン衝撃に対し比較的抵抗力のある材料製とすべきである。好ましくはモリブデンが保護被覆用材料として利用される。

特別有利な構成では、ガンダイオードは窒化物系材料（例えばＧａＮ）又は酸化物系材料（例えばＺｎＯ）である所謂「広帯域ギャップ」材料上に形成される。これらの材料は共通の基礎材料として役立ち、基礎材料のベース上に望ましくは、各々好適にドーピングして、活性層も隣接するコンタクト層も外側コンタクト層も製造される。意外にも、ガンダイオードの場合、この材料ベース上で従来のＧａＡｓガンダイオード又はＩｎＰガンダイオードと比較してはるかに高い遮断周波数が達成可能であることが判明した。窒化物系又は酸化物系ガンダイオードの出力を小さくし、こうして比較的なお一層安定した確実なダイオードを提供可能とすべく、他の有利な構成では、ガンダイオードは付加的にゾーン毎に又は領域毎にアルミニウム成分を含む。好適に選択されたアルミニウム成分により、その安定性と寿命を高めるべく、ガンダイオードの出力を低減できる。

本発明で達成される利点は、特に比較的高ドープされた外側コンタクト層をコンタクト層の少なくとも１つが備えることで、接触抵抗を引き起こす界面要因の空間的分離、即ち一方で結晶構造の変化と、他方で伝導率の急変との空間的分離が可能になることである。その際各コンタクト層からその外側コンタクト層内への第１移行の方式で、結晶構造を維持して、従って結晶の障害効果を避けてまず伝導率は著しく高めることができ、引き続き比較的高い伝導率を有する外側コンタクト層から出発する第２移行の方式で周辺コンポーネント、導電線等への連結が行われる。こうして特別小さく抑えた総接触抵抗又は直列抵抗が全体として達成可能であり、この抵抗はそれ自体特別良好な部材特性、例えば高い熱的、電気的安定性をもたらし、障害となる雑音源等を防止する。他の利点はエレクトロマイグレーションが少ないことにある。それは、両方の電極が局所的に相互に分離して取付けられ、ガンダイオードの相反する面にあるからである。それが可能なのは、コンタクト層の１つが基板として使用されるからである。このため、エレクトロマイグレーションに敏感でなく、それ故に特別高い出力を達成する安定したガンダイオードを製造できる。

図面に基づいて本発明の１実施例を詳しく説明する。

ＧａＮ系ガンダイオードを示す。 側面を狭めた活性層を有するＧａＮ系ガンダイオードを示す。

両方の図において同じ部品には同じ符号が付けてある。

図１のガンダイオード１は薄膜構造で形成されており、部品全体の電気的性質を決定する部品として所謂ｎドープ活性層２を含む。活性層の上面と下面とに各々活性層２と同じ基礎材料から成る高ｎドープ層がコンタクト層４として接している。基礎材料としてＧａＮが使用されており、従来のＧａＡｓ又はＩｎＰガンダイオードと比較してはるかに高い遮断周波数と出力が達成可能である。必要なら、選択された好適な領域に基礎材料はなおアルミニウム成分を含有し得る。

隣接する両方の高ドープコンタクト層４間に活性層２を埋め込むと、ガン効果に伴いカソードに電子ドメインが形成される。活性層２に配置される高ドープコンタクト層４の上面に、やはりカソードコンタクト６が取付けられている。

それに対しアノード側では、活性層２の下方に配置されるコンタクト層４に関し、ボンディングは同じ側面、従って基板８の上面に設けられているのでなく、むしろ基板８を通して積層体とは反対側のその裏面に設けられている。このため下側の高ドープコンタクト層４はモノリシックブロックとして形成する方法で基板８として形成されている。下側コンタクト層４を基板８として形成すると、特にカソードコンタクト６と裏側に配置されるアノードコンタクト１０との良好な分離が可能となる。これによりアノードコンタクト１０からカソードコンタクト６へのエレクトロマイグレーション効果が抑制される。

ガンダイオード１は、質的に特別価値が高く障害もない低雑音動作用に設計される。このため特にボンディングは、接触抵抗を特別小さく抑え得るように選択されている。そのことを保証すべく、基板８として形成される下側コンタクト層４はアノードコンタクト１０を用意するために設けられたその下部外側領域１２が、本来のコンタクト層４と比較してなお一層高ｎドープされた同一基礎材料、つまり同じくＧａＮからなる外側コンタクト層１４から成る。こうして、コンタクト層４の結晶構造を維持しながら外側コンタクト層１４が比較的高い伝導率を有し、この外側コンタクト層を介して周辺コンポーネント等との比較的簡単かつ確実な結合を実現可能である。

アノードコンタクト１０を特別に形成することで、エレクトロマイグレーションを最小とすべく、安定した材料、例えばモリブデン又はタングステンでアノードボンディングを実行し得る。基板８のドーピングを実行する方法は、例えば拡散、イオン注入又はエピタキシャル成長である。コンタクト層４の通常のドーピングは１〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内である。外側コンタクト層１４の高ドーピングは少なくとも１０^２０ｃｍ^‐３とすべきであろう。

ガンダイオード１の特別確実な動作のために、ガンダイオードは更に、熱放散効果又はその他の熱効果に基づく悪影響又は動作上の不安定を特別小さく抑えるよう設計されている。この構造様式のガンダイオードでは、損失熱が実質的に活性層２内で生ずるとの認識の下に、活性層は熱伝導率の比較的高い材料、特に金属から成るヒートシンク１６と熱的に結合されている。その際付加的になお万一の損失熱等も基板８から確実に排出可能とすべく、活性層２と、特に冷却ピンとして形成されたヒートシンク１６との熱的結合は基板８を介して実現されている。このためヒートシンク１６は基板８と直接機械的に接触している。しかし、ヒートシンク１６と活性層２、カソードコンタクト６或いはアノードコンタクト１０との直接的接触も考えられる。

それに加えて、破損等から保護すべく、カソードコンタクト６は誘電体スリーブから成るパッシベーション層１８によって取り囲まれている。

図２は本発明の他の実施例を示す。図１と同様に、活性層２に上面側で接するコンタクト層４がカソードコンタクト６を備えている。下面側で活性層２に接する基板８は活性層２と同じ材料から成るが、活性層と比較して高ドープされている。基板８の下面にあるアノードコンタクト１０は基板８と同じ材料で形成されており、やはり高ドープされているだけである。しかし図２の実施例では、活性層２が側面を所定の通路領域に限定されており、横方向で各々中性縁領域２０によって取り囲まれている。これは、活性層２の縁領域２０をイオン注入によって中性化することによって達成できる。

活性層２を小さくすることで、ガンダイオード１の飽和電流を低減できる。その結果、ガンダイオード１の発熱が少なくなり、それに伴って安定性が高まり、寿命が長くなる。

１ ガンダイオード、２ 活性層、４ コンタクト層、６ カソードコンタクト、８ 基板、１０ アノードコンタクト、１２ 外側領域、１４ 外側コンタクト層、１６ ヒートシンク、１８ パッシベーション層、２０ 縁領域

Claims (16)

1. 活性層（２）の上面および下面が、活性層（２）と比較して高ドープされた同一材料の隣接コンタクト層（４）に各々接しているガンダイオード（１）であって、
   前記コンタクト層（４）の少なくとも１つがその外側領域（１２）を、各コンタクト層（４）と比較してなお一層高ドープされた同一材料の外側コンタクト層（１４）で構成されているガンダイオード。
2. 前記外側コンタクト層（１４）がアノードコンタクト（１０）を形成する請求項１記載のガンダイオード。
3. 前記コンタクト層（４）の１つが基板（８）を形成する請求項１又は２記載のガンダイオード。
4. 相応するコンタクトが基板（８）の下面に配置されている請求項３記載のガンダイオード。
5. 前記活性層（２）がヒートシンク（１６）と熱的に結合されている請求項１から４の１つに記載のガンダイオード。
6. 前記ヒートシンク（１６）の熱伝導率が基板（８）の熱伝導率よりも高い請求項５記載のガンダイオード。
7. 前記活性層（２）と前記ヒートシンク（１６）との熱的結合が基板（８）を介して実現されている請求項５又は６記載のガンダイオード。
8. 前記ヒートシンク（１６）が冷却ピンとして形成されている請求項５から７の１つに記載のガンダイオード。
9. カソードコンタクト（６）が誘電体スリーブによって取り囲まれている請求項１から８の１つに記載のガンダイオード。
10. 活性層（２）が側方において通路域に限定されており、該通路域が横方向で各々中性化縁領域（１８）により限定されている請求項１から９の１つに記載のガンダイオード。
11. 活性層（２）の少なくとも表面がパッシベーション層を備えている請求項１から１０の１つに記載のガンダイオード。
12. パッシベーション層がヒートシンクとして形成されている請求項１１記載のガンダイオード。
13. カソードコンタクト（６）が保護被覆を備えている請求項１から１２の１つに記載のガンダイオード。
14. 基礎材料として窒化物系材料が設けられている請求項１から１３の１つに記載のガンダイオード。
15. 基礎材料として酸化物系材料が設けられている請求項１から１３の１つに記載のガンダイオード。
16. 基礎材料が付加的にアルミニウム成分を含んでいる請求項１４又は１５記載のガンダイオード。

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