JP2016111541A - Resonance tunnel diode oscillator and method of manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable resonance tunnel diode oscillator, without increasing the number of process steps, by suppressing parasitic resonance of a resonance tunnel diode (RTD) and an external circuit with no metal wiring, and to provide a method of manufacturing the same.SOLUTION: A resonance tunnel diode oscillator 30 includes a first resonance tunnel diode RTD1 including a first anode A1 and a first cathode K1, and having asymmetric current voltage characteristics, and a second resonance tunnel diode RTD2 including a second anode A2 and a second cathode K2, and having asymmetric current voltage characteristics. The first RTD1 and second RTD2 are connected in reverse parallel, and when any one of the first RTD1 or second RTD2 is biased to negative resistance oscillation state, the other is biased to the resistance state.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本実施の形態は、共鳴トンネルダイオード型発振器およびその製造方法に関する。   The present embodiment relates to a resonant tunneling diode type oscillator and a manufacturing method thereof.

近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる新しい現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる、周波数が0.1THz(1011Hz)〜10THzの周波数領域を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されることが期待されている。 In recent years, electronic devices such as transistors have been miniaturized, and the size has become nano-sized. Therefore, a new phenomenon called a quantum effect has been observed. And development aiming at realization of ultra-high-speed devices and new functional devices using this quantum effect is in progress. In such an environment, an attempt to perform large-capacity communication, information processing, imaging, measurement, or the like using a frequency range of 0.1 THz (10 11 Hz) to 10 THz, particularly called a terahertz band. Has been done. This frequency region is an undeveloped region between light and radio waves. If a device that operates in this frequency band is realized, in addition to the above-mentioned imaging, large-capacity communication / information processing, physical properties, astronomy, living things, etc. It is expected to be used for many purposes such as measurement in various fields.

テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振する素子としては、共鳴トンネルダイオード(RTD:Resonant Tunneling Diode)と微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている。また、スロットアンテナの両端には、金属と絶縁体が積層され、絶縁体を上下の電極金属によって挟み込み、高周波的に短絡したMIM(Metal Insulator Metal)構造を持つ素子が開示されている。   As an element that oscillates a high-frequency electromagnetic wave having a frequency in the terahertz band, an element having a structure in which a resonant tunneling diode (RTD) and a fine slot antenna are integrated is known. Further, an element having an MIM (Metal Insulator Metal) structure in which a metal and an insulator are stacked at both ends of the slot antenna, the insulator is sandwiched between upper and lower electrode metals, and short-circuited in a high frequency is disclosed.

一方、テラヘルツ検出素子としては、ショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)が良く知られているが、これはテラヘルツ発振素子としては使えない。   On the other hand, a Schottky barrier diode (SBD) is well known as a terahertz detection element, but this cannot be used as a terahertz oscillation element.

一方、RTDは、発振素子としても検出素子としても利用できるが、テラヘルツ発振素子として用いる場合には、寄生発振を抑制するためにBiなどの抵抗体をアノード・カソード間に接続する。   On the other hand, the RTD can be used as both an oscillation element and a detection element, but when used as a terahertz oscillation element, a resistor such as Bi is connected between the anode and the cathode in order to suppress parasitic oscillation.

また、共鳴トンネルダイオードとSBDを集積化した低雑音のテラヘルツ発振検出素子も開示されている。   A low-noise terahertz oscillation detecting element in which a resonant tunneling diode and SBD are integrated is also disclosed.

特開2007−124250号公報JP 2007-124250 A 特開2012−217107号公報JP 2012-217107 A

T.Wei and S.Stapleton, “Equivalent circuit and capacitance of double barrier resonant tunneling diode,” J.Appl.Phys. 73(2), 15 January 1993, pp.829-834.T. Wei and S. Stapleton, “Equivalent circuit and capacitance of double barrier resonant tunneling diode,” J. Appl. Phys. 73 (2), 15 January 1993, pp. 829-834. C.Bayram, Z.Vashaei, and M. Razeghi, “Reliability in room-temperature negative differential resistansce characteristics of low-aluminum content AlGaN/GaN double-barrier resonant tunneling diodes,” Appl. Phys. Lett. 97, 181109(2010).C. Bayram, Z. Vashaei, and M. Razeghi, “Reliability in room-temperature negative differential resistansce characteristics of low-aluminum content AlGaN / GaN double-barrier resonant tunneling diodes,” Appl. Phys. Lett. 97, 181109 (2010 ). Lin’ an Yang, Hanbing He, Wei Mao, and Yue Hao, “Quantitative analysis of the trapping effect on terahertz AlGaN/GaN resonant tunneling diode,” Appl. Phys. Lett. 99, 153501(2011).Lin ’an Yang, Hanbing He, Wei Mao, and Yue Hao,“ Quantitative analysis of the trapping effect on terahertz AlGaN / GaN resonant tunneling diode, ”Appl. Phys. Lett. 99, 153501 (2011). Z. Suet, D.J.Paul, J. Zhang and S.G.Turner, “Si/SiGe n-type resonant tunneling diodes fabricated using in situ hydrogen cleaning,” Appl. Phys. Lett. 90, 203501(2007).Z. Suet, D.J.Paul, J. Zhang and S.G.Turner, “Si / SiGe n-type resonant tunneling diodes fabricated using in situ hydrogen cleaning,” Appl. Phys. Lett. 90, 203501 (2007).

RTDを有するテラヘルツ波発振器は、RTDの負性抵抗に起因する外部回路との寄生発振によって、テラヘルツ帯での本発振を規制されるという問題が存在する。寄生発振を抑制する方法として、ダイオードに対して並列に抵抗を配置し、外部回路に対して負性抵抗が見えないようにするという手法が用いられる。これまでは、抵抗値の比較的高いビスマス(Bi)や半導体プロセスでも一般的に使われるニッケル(Ni)、チタン(Ti)、白金(Pt)等のメタルで配線を行い、寄生発振を抑制して本発振を得ていた。しかしながら、構造上、RTDとは別のメタル配線用の金属層が必要で工程数が増加する。また、メタル配線の信頼性もばらつきがあり不安定である。さらに、将来的に数10Gbpsを超える高速無線通信などの応用を見据えた場合、それだけの高速変調を実現しなければならないが、メタル配線では応答速度に限界がある。   A terahertz wave oscillator having an RTD has a problem that the main oscillation in the terahertz band is restricted by parasitic oscillation with an external circuit caused by the negative resistance of the RTD. As a method for suppressing the parasitic oscillation, a method is used in which a resistor is arranged in parallel with the diode so that the negative resistance is not visible to the external circuit. Until now, wiring has been performed with bismuth (Bi), which has a relatively high resistance, and metals such as nickel (Ni), titanium (Ti), and platinum (Pt), which are commonly used in semiconductor processes, to suppress parasitic oscillation. This oscillation was obtained. However, structurally, a metal layer for metal wiring different from the RTD is required, and the number of processes increases. In addition, the reliability of metal wiring varies and is unstable. Furthermore, when looking at applications such as high-speed wireless communication exceeding several tens of Gbps in the future, it is necessary to realize such high-speed modulation, but there is a limit in response speed with metal wiring.

本実施の形態は、メタル配線無しでRTDと外部回路の寄生発振を抑え、かつプロセス工程数を増やすことなく高信頼性を有する共鳴トンネルダイオード型発振器およびその製造方法を提供する。   The present embodiment provides a resonant tunneling diode type oscillator that suppresses the parasitic oscillation of the RTD and the external circuit without metal wiring, and has high reliability without increasing the number of process steps, and a manufacturing method thereof.

本実施の形態の一態様によれば、第1アノードと第1カソードとを備え、非対称の電流電圧特性を有する第1共鳴トンネルダイオードと、第2アノードと第2カソードとを備え、非対称の電流電圧特性を有する第2共鳴トンネルダイオードとを備え、前記第1共鳴トンネルダイオードと前記第2共鳴トンネルダイオードが逆並列に接続されると共に、前記第1共鳴トンネルダイオードと前記第2共鳴トンネルダイオードの内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされる共鳴トンネルダイオード型発振器が提供される。   According to one aspect of the present embodiment, the first resonant tunneling diode having an asymmetric current-voltage characteristic, a second anode, and a second cathode are provided, the first anode and the first cathode, and an asymmetric current. A second resonant tunneling diode having voltage characteristics, wherein the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode are connected in antiparallel, and the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode are A resonant tunneling diode oscillator is provided in which one is biased into a negative resistance oscillation state and the other is biased into a resistance state.

本実施の形態の他の態様によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に配置された第1の半導体層と、前記第1の半導体層をパターニングして形成された第1カソード領域および第2カソード領域と、前記第1カソード領域に第1カソードが接続され、第1アノードが前記第2カソード領域と接続された第1共鳴トンネルダイオードと、前記第2カソード領域に第2カソードが接続され、第2アノードが前記第1カソード領域と接続された第2共鳴トンネルダイオードとを備え、前記第1共鳴トンネルダイオードと前記第2共鳴トンネルダイオードの内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされる共鳴トンネルダイオード型発振器が提供される。   According to another aspect of the present embodiment, a semiconductor substrate, a first semiconductor layer disposed on the semiconductor substrate, a first cathode region formed by patterning the first semiconductor layer, and a first A first cathode connected to the first cathode region, a first resonant tunneling diode having a first anode connected to the second cathode region, and a second cathode connected to the second cathode region. A second resonant tunneling diode having a second anode connected to the first cathode region, wherein either one of the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode is biased to a negative resistance oscillation state. When done, a resonant tunneling diode type oscillator is provided in which the other is biased into a resistive state.

本実施の形態の他の態様によれば、半導体基板上に第1の半導体層を形成する工程と、前記第1の半導体層をパターニングして第1カソード領域および第2カソード領域を形成する工程と、前記第1カソード領域に第1カソードが接続され、第1アノードが前記第2カソード領域と接続される第1共鳴トンネルダイオードを形成する工程と、前記第2カソード領域に第2カソードが接続され、第2アノードが前記第1カソード領域と接続された第2共鳴トンネルダイオードを形成する工程と、前記第1カソード領域上に第2アノード電極と共通接続される第1カソード電極を形成する工程と、前記第2カソード領域上に第1アノード電極と共通接続される第2カソード電極を形成する工程とを有する共鳴トンネルダイオード型発振器の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present embodiment, a step of forming a first semiconductor layer on a semiconductor substrate, and a step of patterning the first semiconductor layer to form a first cathode region and a second cathode region Forming a first resonant tunneling diode in which a first cathode is connected to the first cathode region and a first anode is connected to the second cathode region; and a second cathode is connected to the second cathode region. Forming a second resonant tunneling diode having a second anode connected to the first cathode region, and forming a first cathode electrode commonly connected to the second anode electrode on the first cathode region. And a step of forming a second cathode electrode commonly connected to the first anode electrode on the second cathode region. There is provided.

本実施の形態によれば、メタル配線無しでRTDと外部回路の寄生発振を抑え、かつプロセス工程数を増やすことなく高信頼性を有する共鳴トンネルダイオード型発振器およびその製造方法を提供することができる。   According to the present embodiment, it is possible to provide a resonant tunneling diode type oscillator having a high reliability without suppressing the parasitic oscillation of the RTD and the external circuit without using metal wiring, and without increasing the number of process steps, and a method for manufacturing the same. .

基本技術に係るRTDの模式的鳥瞰構成図。The typical bird's-eye view block diagram of RTD based on a basic technique. 基本技術に係るRTDの模式的回路表現。Schematic circuit representation of RTD according to basic technology. 基本技術に係るRTDの電流−電圧特性。Current-voltage characteristics of RTD according to basic technology. 並列抵抗が無い場合の基本技術に係るRTDにおいて、(a)簡易的な等価回路図、(b)外部回路との寄生発振の説明図。In RTD which concerns on basic technology when there is no parallel resistance, (a) Simple equivalent circuit diagram, (b) Explanatory drawing of parasitic oscillation with an external circuit. 並列抵抗が有る場合の基本技術に係るRTDにおいて、(a)簡易的な等価回路図、(b)外部回路との寄生発振が抑制されたRF基本発振の説明図。In RTD which concerns on basic technology in case there exists parallel resistance, (a) Simple equivalent circuit diagram, (b) Explanatory drawing of RF basic oscillation by which the parasitic oscillation with the external circuit was suppressed. 並列抵抗が有る場合の基本技術に係るRTDのデバイス表面写真例。An example of a device surface photograph of an RTD according to the basic technology when there is a parallel resistance. 並列抵抗が有る場合の基本技術に係るRTDの別のデバイス表面写真例であって、(a)抵抗配線幅が3μmの例、(b)抵抗配線幅が5μmの例、(c)抵抗配線幅が10μmの例、(b)抵抗配線幅が20μmの例。It is another device surface photograph example of the RTD according to the basic technology when there is a parallel resistance, (a) an example in which the resistance wiring width is 3 μm, (b) an example in which the resistance wiring width is 5 μm, (c) a resistance wiring width (B) An example in which the resistance wiring width is 20 μm. (a)実施の形態に係るRTD型発振器に適用可能なRTD1の模式的断面構造図、(b)実施の形態に係るRTD型発振器に適用可能なRTD2の模式的断面構造図。(A) Typical cross-sectional structure diagram of RTD1 applicable to RTD type oscillator concerning embodiment, (b) Typical cross-section figure of RTD2 applicable to RTD type oscillator concerning embodiment. 実施の形態に係るRTD型発振器に適用可能なRTD1の非対称電流電圧特性例。6 shows an example of an asymmetric current-voltage characteristic of RTD 1 that can be applied to the RTD type oscillator according to the embodiment. 実施の形態に係るRTD型発振器の等価回路構成図。The equivalent circuit block diagram of the RTD type oscillator which concerns on embodiment. 実施の形態に係るRTD型発振器に適用可能なRTD1の非対称電流電圧特性例。6 shows an example of an asymmetric current-voltage characteristic of RTD 1 that can be applied to the RTD type oscillator according to the embodiment. 実施の形態に係るRTD型発振器に適用可能なRTD2の非対称電流電圧特性例。6 shows an example of an asymmetric current-voltage characteristic of RTD 2 that can be applied to the RTD type oscillator according to the embodiment. 実施の形態に係るRTD型発振器において、RTD1とRTD2の合成抵抗から見積もった電流電圧特性例。5 is a current-voltage characteristic example estimated from a combined resistance of RTD1 and RTD2 in the RTD oscillator according to the embodiment. 実施の形態に係るRTD型発振器の配線構造の模式的平面構成図。The typical plane block diagram of the wiring structure of the RTD type oscillator which concerns on embodiment. 図14のI−I線に沿う模式的断面構造図。FIG. 15 is a schematic sectional view taken along the line II of FIG. 図14のII−II線に沿う模式的断面構造図。FIG. 15 is a schematic sectional view taken along line II-II in FIG. 14. 図14のIII−III線に沿う模式的断面構造図。FIG. 15 is a schematic sectional view taken along line III-III in FIG. 14. 実施の形態に係るRTD型発振器に適用可能なRTD1の変形例の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the modification of RTD1 applicable to the RTD type | mold oscillator which concerns on embodiment. 実施の形態に係るRTD型発振器に適用可能なRTD1・RTD2の同時工程で形成可能な模式的断面構造図。FIG. 4 is a schematic cross-sectional structure diagram that can be formed in the simultaneous process of RTD1 and RTD2 applicable to the RTD type oscillator according to the embodiment. ダイポールアンテナを備える実施の形態に係るRTD型発振器の模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the RTD type oscillator which concerns on embodiment provided with a dipole antenna. テーパースロットアンテナを備える実施の形態に係るRTD型発振器の模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the RTD type oscillator which concerns on embodiment provided with a taper slot antenna.

次に、図面を参照して、本実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the following, the same reference numerals are assigned to the same blocks or elements to avoid duplication of explanation and simplify the explanation. It should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[基本技術]
基本技術に係るRTDの模式的鳥瞰構成は、図1に示すように表される。また、基本技術に係るRTDの模式的回路表現は、図2に示すように表され、基本技術に係るRTDの電流−電圧特性は、図3に示すように表される。
The embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea, and does not specify the arrangement of each component as described below. This embodiment can be modified in various ways within the scope of the claims.
[Basic technology]
A schematic bird's-eye view configuration of the RTD according to the basic technology is expressed as shown in FIG. Also, a schematic circuit representation of the RTD according to the basic technology is expressed as shown in FIG. 2, and the current-voltage characteristics of the RTD according to the basic technology are expressed as shown in FIG.

基本技術に係るRTDは、図1に示すように、半導体基板1と、半導体基板1上に配置された第2の電極2と、半導体基板1上に第2の電極2に対向して配置された第1の電極4と、絶縁層を挟み第1の電極4と第2の電極2間に形成されたMIMリフレクタ50と、MIMリフレクタ50に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された共振器の略中央部に配置された能動素子90と、能動素子90に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された導波路に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置されたホーン開口部と、第1の電極4と第2の電極2間に接続されたビスマスからなる抵抗素子114とを備える。能動素子90としてはRTDが代表的なものである。   As shown in FIG. 1, the RTD according to the basic technology is disposed on a semiconductor substrate 1, a second electrode 2 disposed on the semiconductor substrate 1, and a second electrode 2 on the semiconductor substrate 1. The first electrode 4, the MIM reflector 50 formed between the first electrode 4 and the second electrode 2 with the insulating layer interposed therebetween, and the first electrode facing the semiconductor substrate 1 adjacent to the MIM reflector 50. An active element 90 disposed substantially at the center of the resonator disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2; and the first electrode 4 adjacent to the active element 90 and facing the semiconductor substrate 1; A horn opening disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing on the semiconductor substrate 1 adjacent to the waveguide disposed between the second electrodes 2, and the first electrode 4 And a resistance element 114 made of bismuth connected between the second electrodes 2. The active element 90 is typically an RTD.

RTDを有するテラヘルツ波発振器は、RTDの負性抵抗に起因する外部回路との寄生発振によって、テラヘルツ帯での本発振を規制される。寄生発振を抑制する方法として、図1に示すように、RTDに対して並列にビスマスからなる抵抗素子114を配置し、外部回路に対して負性抵抗が見えないようにする。   In the terahertz wave oscillator having the RTD, the main oscillation in the terahertz band is regulated by parasitic oscillation with an external circuit due to the negative resistance of the RTD. As a method for suppressing the parasitic oscillation, as shown in FIG. 1, a resistive element 114 made of bismuth is arranged in parallel with the RTD so that the negative resistance is not visible to the external circuit.

RTDの抵抗RRTDに対して、ビスマスからなる抵抗素子114の抵抗RBiは、図2に示すように、RTDのアノード・カソード間に並列に接続される。結果として、RTDのアノードA・カソードK間の合成抵抗Rtは、RTDの抵抗RRTDとビスマスからなる抵抗素子114の抵抗RBiの並列接続された抵抗RRTD・RBi/(RRTD+RBi)で表される。 The resistance R Bi of the resistance element 114 made of bismuth is connected in parallel between the anode and cathode of the RTD with respect to the resistance R RTD of the RTD , as shown in FIG. As a result, the combined resistance R t between the anode A · cathode K of the RTD, RTD resistor parallel-connected resistor R RTD · R of the resistance R Bi of R RTD and resistance element 114 consisting of bismuth Bi / (R RTD + R Bi ).

RTDの抵抗RRTDに対して、ビスマスからなる抵抗素子114の抵抗RBiを並列に配置することによって、図3に示すように、抵抗配線前に比べて、抵抗配線後では、負性抵抗(−ΔV/ΔI)の発生が、相対的に大きな電圧および相対的に大きな電流側にシフトしており、寄生発振の抑制効果があることが確認される。 By arranging the resistance R Bi of the resistance element 114 made of bismuth in parallel with the resistance R RTD of the RTD , as shown in FIG. 3, the negative resistance ( The occurrence of −ΔV / ΔI) is shifted to a relatively large voltage and relatively large current side, and it is confirmed that there is an effect of suppressing parasitic oscillation.

負性抵抗領域において外部回路との間に寄生発振が生じてしまうため、RTDに並列に抵抗を配置することで、外部回路から負性抵抗を見えにくくする。こうすると、本発振以外の寄生発振を抑えることができる。   Since parasitic oscillation occurs between the negative resistance region and the external circuit, the resistance is arranged in parallel with the RTD to make it difficult to see the negative resistance from the external circuit. In this way, parasitic oscillations other than the main oscillation can be suppressed.

そのための要求条件は、合成抵抗Rt>=0より、

Bi<=ΔV/ΔI(=RRTD) (1)

で表される。
The requirement for this is that the combined resistance R t > = 0,

R Bi ≦ ΔV / ΔI (= R RTD ) (1)

It is represented by

これまでは、抵抗値の比較的高いBiや半導体プロセスでも一般的に使われるNi、Ti、Pt等のメタルで配線を行い、寄生発振を抑制して本発振を得ている。しかしながら、RTDとは別のレイヤーが必要で工程数が増加する。また、メタル配線の信頼性もばらつきがあり不安定である。さらに、将来的に数10Gbpsを超える高速無線通信などの応用を見据えた場合、それだけの高速変調を実現しなければならないが、メタル配線では応答速度に限界がある。確かに配線の薄膜化および形状の最適化を行うことで高速応答に対応可能であるが、その分、作製誤差や信頼性の低下が懸念される。   Until now, wiring was made of Bi, which has a relatively high resistance value, or a metal such as Ni, Ti, Pt or the like generally used in semiconductor processes, and this oscillation was obtained by suppressing parasitic oscillation. However, a layer different from the RTD is required, and the number of processes increases. In addition, the reliability of metal wiring varies and is unstable. Furthermore, when looking at applications such as high-speed wireless communication exceeding several tens of Gbps in the future, it is necessary to realize such high-speed modulation, but there is a limit in response speed with metal wiring. Certainly, it is possible to cope with a high-speed response by reducing the thickness of the wiring and optimizing the shape, but there is a concern that the manufacturing error and the reliability decrease accordingly.

並列抵抗が無い場合の基本技術に係るRTDにおいて、簡易的な等価回路構成は、図4(a)に示すように表され、外部回路との寄生発振の説明図は、図4(b)に示すように表される。また、並列抵抗Rpが有る場合の基本技術に係るRTDにおいて、簡易的な等価回路構成は、図5(a)に示すように表され、外部回路との寄生発振が抑制されたRF基本発振の説明図は、図5(b)に示すように表される。 In the RTD according to the basic technique when there is no parallel resistance, a simple equivalent circuit configuration is expressed as shown in FIG. 4A, and an explanatory diagram of parasitic oscillation with an external circuit is shown in FIG. Represented as shown. In addition, in the RTD according to the basic technique when there is a parallel resistance R p , a simple equivalent circuit configuration is expressed as shown in FIG. 5A, and the RF basic oscillation in which parasitic oscillation with an external circuit is suppressed. The explanatory diagram is expressed as shown in FIG.

図4・図5において、L1・L2は、RTD部から見て回路的に外部に当たる部分のボンディングワイヤやリード線等の配線のインダクタンスに相当している。また、Cpは、RTD部の寄生容量を示す。また、RTD部のRTDは、ダイオード表示で示されている。また、アンテナ部は、アンテナインダクタンスLAとアンテナ抵抗RAの並列回路で表されている。また、アノード端子A・カソード端子K間には、コネクタや駆動回路等の外部回路が接続される。 In FIGS. 4 and 5, L1 and L2 correspond to inductances of wirings such as bonding wires and lead wires that are externally viewed from the RTD portion. C p indicates the parasitic capacitance of the RTD portion. In addition, the RTD of the RTD portion is indicated by a diode display. The antenna portion is represented by a parallel circuit of an antenna inductance LA and an antenna resistance RA. Further, an external circuit such as a connector or a drive circuit is connected between the anode terminal A and the cathode terminal K.

(外部回路との寄生発振)
RTDを用いてテラヘルツ波の発振器を作製しようとした場合、図4(b)の実線の矢印で示すように、RTDから見て回路的に外部に当たる部分との間で寄生発振が発生する。図4(b)において、破線は本発振が抑制される様子を示し、実線は寄生発振を発生する様子を示す。外部回路に対して、RTDの負性抵抗が見えていると、RF基本発振する共振回路よりも、外部と低周波で発振する方がQ値が高く、発振しやすい条件となる。そのため、外部回路との寄生発振が顕著に生じる。
(Parasitic oscillation with external circuit)
When an attempt is made to produce a terahertz wave oscillator using an RTD, as shown by the solid line arrow in FIG. 4B, a parasitic oscillation occurs between a portion that is externally viewed from the RTD. In FIG. 4B, the broken line shows how the main oscillation is suppressed, and the solid line shows how the parasitic oscillation occurs. If the negative resistance of the RTD is seen with respect to the external circuit, the Q value is higher when the external circuit oscillates at a low frequency than the resonant circuit that performs the RF basic oscillation, and the oscillation is easier. As a result, parasitic oscillation with the external circuit occurs remarkably.

(並列抵抗)
一般的に寄生発振を抑える方法として、図5(a)・図5(b)に示すように、RTDに対して並列抵抗Rpを配置してやることで、寄生発振のQ値を低下させて発振を抑制し、効率よく本発振側へ電力をまわしてやるといった工夫がなされる。図5(b)において、破線は寄生発振のQ値を低下させて発振を抑制している様子を示し、実線は効率よく本発振が行われる様子を示す。
(Parallel resistance)
In general, as a method of suppressing parasitic oscillation, as shown in FIGS. 5A and 5B, a parallel resistance R p is arranged with respect to the RTD, so that the Q value of the parasitic oscillation is lowered and oscillation is performed. Is devised such that power is efficiently transferred to the oscillation side. In FIG. 5B, the broken line indicates a state where the Q value of the parasitic oscillation is reduced to suppress the oscillation, and the solid line indicates a state where the main oscillation is efficiently performed.

並列抵抗Rpを配置して、外部から負性抵抗が見えなくなると、外部と低周波で発振する寄生発振のQが低くなり、RF基本発振よりも発振しにくくなる。そのため、本来のRF基本発振がおきる。 If the parallel resistance R p is arranged and the negative resistance becomes invisible from the outside, the Q of the parasitic oscillation that oscillates at a low frequency with the outside becomes low, and the oscillation becomes harder than the RF basic oscillation. Therefore, the original RF fundamental oscillation occurs.

(Q値)
Q値を簡単に説明すると、発振状態がどれだけ安定して存在しているかを示す指標である。並列共振回路を考えたときのQ値を示す式を以下に記す。
(Q value)
Briefly explaining the Q value, it is an index indicating how stably the oscillation state exists. An expression showing the Q value when a parallel resonant circuit is considered is described below.


Q=1/Rt・√(LA/Cp) (2)

並列抵抗Rpを配置することは、合成抵抗Rtを大きくすることに相当する。

Q = 1 / R t · √ (LA / C p ) (2)

Arranging the parallel resistance R p corresponds to increasing the combined resistance R t .

仮にこの(2)式から、上に示すような寄生発振のQ値を考えると、並列抵抗Rpを配置することは、Rtを大きくすることに相当し、結果としてQ値の減少が得られる。これにより、定性的に並列抵抗Rpが寄生発振を抑えることがわかる。 If the Q value of the parasitic oscillation as shown above is considered from this equation (2), disposing the parallel resistor R p corresponds to increasing R t, and as a result, the Q value is reduced. It is done. This shows that the parallel resistance R p qualitatively suppresses parasitic oscillation.

(RTDのデバイス表面顕微鏡写真)
並列抵抗が有る場合の基本技術に係るRTDのデバイス表面顕微鏡写真例は、図6に示すように表される。図6は、図1の上面図に対応している。
(RTD device surface micrograph)
An example of a device surface photomicrograph of RTD according to the basic technique in the case where there is a parallel resistance is expressed as shown in FIG. FIG. 6 corresponds to the top view of FIG.

また、並列抵抗が有る場合の基本技術に係るRTDの別のデバイス表面顕微鏡写真例であって、抵抗配線幅が3μmの例は図7(a)に示すように表され、抵抗配線幅が5μmの例は図7(b)に示すように表され、抵抗配線幅が10μmの例は図7(c)に示すように表され、抵抗配線幅が20μmの例は図7(d)に示すように表される。   FIG. 7A shows another example of the device surface micrograph of RTD according to the basic technology in the case where there is a parallel resistance, and the resistance wiring width is 3 μm, and the resistance wiring width is 5 μm. 7B is represented as shown in FIG. 7B, an example where the resistance wiring width is 10 μm is represented as shown in FIG. 7C, and an example where the resistance wiring width is 20 μm is illustrated in FIG. 7D. It is expressed as follows.

基本技術に係るRTDにおいては、これまでに相対的に抵抗値の高いBiや半導体プロセスで一般的に使用されるTi、Pt,Ni等のメタルを用いて並列抵抗を作製してきた。デバイスの構造上、段差のある部分も、斜め蒸着などうまく覆膜性を改良し、デバイスの動作実証を達成してきた。   In the RTD according to the basic technology, a parallel resistor has been produced by using Bi having a relatively high resistance value and metals such as Ti, Pt, and Ni generally used in a semiconductor process. Due to the structure of the device, we have successfully improved the film-covering property of the stepped part, such as oblique deposition, and achieved device operation verification.

しかしながら、メタル配線を行うためには、プロセスの工程数を増やす必要がある。また、通電試験などでBi配線等の特性を解析したところ、動作環境温度に対して抵抗値の変化が見られた。これは金属材料の一般的な特性ではあるが、ただの配線ではなくRTDとのマッチングを考慮した設計となっているため温度に対する抵抗値変化は、デバイスの安定動作に影響を及ぼす可能性がある。また、素子の故障モードとしてメタル配線が使用時に断線してしまう問題もある。   However, in order to perform metal wiring, it is necessary to increase the number of process steps. Further, when the characteristics of the Bi wiring and the like were analyzed by an energization test or the like, a change in resistance value was observed with respect to the operating environment temperature. Although this is a general characteristic of metal materials, it is designed with consideration given to matching with the RTD, not just the wiring, so resistance value changes with temperature may affect the stable operation of the device. . There is also a problem that the metal wiring is disconnected during use as a failure mode of the element.

また、メタル配線はある程度のインピーダンスを持ち、高周波駆動においては損失要因となる。そのため、デバイスの高速動作に対してハンディキャップとなってしまう可能性がある。   In addition, the metal wiring has a certain degree of impedance, and becomes a cause of loss in high-frequency driving. Therefore, there is a possibility that it becomes a handicap for high-speed operation of the device.

[実施の形態]
実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第1RTD1の模式的断面構造は、図8(a)に示すように表され、第2RTD2の模式的断面構造は、図8(b)に示すように表される。図8(a)・図8(b)において、矢印で示される方向が、順方向電流が流れる向きである。デバイス構造の詳細については後述する。
[Embodiment]
A schematic cross-sectional structure of the first RTD 1 applicable to the RTD type oscillator 30 according to the embodiment is represented as shown in FIG. 8A, and a schematic cross-sectional structure of the second RTD 2 is shown in FIG. 8B. It is expressed as follows. 8A and 8B, the direction indicated by the arrow is the direction in which the forward current flows. Details of the device structure will be described later.

また、実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第1RTD1の非対称電流−電圧特性例は、図9に示すように表される。   Also, an example of the asymmetric current-voltage characteristic of the first RTD 1 applicable to the RTD oscillator 30 according to the embodiment is expressed as shown in FIG.

また、実施の形態に係るRTD型発振器30の等価回路構成は、図10中の参照番号30で示される部分に示すように表される。   In addition, an equivalent circuit configuration of the RTD oscillator 30 according to the embodiment is expressed as indicated by a portion indicated by reference numeral 30 in FIG.

実施の形態に係るRTD型発振器30は、図10に示すように、第1アノードA1と第1カソードK1とを備える第1RTD1と、第2アノードA2と第2カソードK2とを備える第2RTD2とを備える。ここで、第1RTD1と第2RTD2は、逆並列に接続されると共に、第1RTD1と第2RTD2の内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされる。   As shown in FIG. 10, the RTD oscillator 30 according to the embodiment includes a first RTD1 including a first anode A1 and a first cathode K1, and a second RTD2 including a second anode A2 and a second cathode K2. Prepare. Here, the first RTD 1 and the second RTD 2 are connected in antiparallel, and when one of the first RTD 1 and the second RTD 2 is biased to the negative resistance oscillation state, the other is biased to the resistance state.

例えば、図9おいて、順方向の電圧値が+200mVのバイアス状態では、第1RTD1は、純抵抗と見なすことができるが、順方向の電圧値が−200mVのバイアス状態では、負性抵抗状態と見なすことができる。ここで、図9に示すように、第1RTD1は、非対称の電流電圧特性を有する。同様に、第2RTD2も、非対称の電流電圧特性を有する。   For example, in FIG. 9, when the forward voltage value is +200 mV, the first RTD 1 can be regarded as a pure resistance, but when the forward voltage value is −200 mV, the first resistance value is Can be considered. Here, as shown in FIG. 9, the first RTD 1 has asymmetric current-voltage characteristics. Similarly, the second RTD 2 also has asymmetric current-voltage characteristics.

また、図10に示すように、実施の形態に係るRTD型発振器30において、第1アノードA1と第2カソードK2が接続され、第1カソードK1と第2アノードA2が接続される。   Further, as shown in FIG. 10, in the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the first anode A1 and the second cathode K2 are connected, and the first cathode K1 and the second anode A2 are connected.

(非対称電流電圧特性)
実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第1RTD1の非対称電流電圧特性例であって、順方向の電圧値が−400mV〜+400mVの範囲内の拡大図は、図11に示すように表される。また、実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第2RTD2の非対称電流電圧特性例であって、順方向の電圧値が−400mV〜+400mVの範囲内の拡大図は、図12に示すように表される。
(Asymmetric current-voltage characteristics)
FIG. 11 is an example of an asymmetric current-voltage characteristic of the first RTD 1 that can be applied to the RTD oscillator 30 according to the embodiment, and an enlarged view of a forward voltage value in a range of −400 mV to +400 mV is shown in FIG. Is done. FIG. 12 shows an example of the asymmetric current-voltage characteristics of the second RTD 2 that can be applied to the RTD type oscillator 30 according to the embodiment, and an enlarged view of the forward voltage value in the range of −400 mV to +400 mV. It is expressed in

さらに、実施の形態に係るRTD型発振器30において、図11・図12の特性に基づいて、第1RTD1と第2RTD2の合成抵抗から見積もった電流電圧特性例は、図13に示すように表される。この計算結果によると、2つのRTDを極性を反転させて並列に接続することは、十分に寄生発振を抑制する効果があるとわかる。   Furthermore, in the RTD oscillator 30 according to the embodiment, an example of current-voltage characteristics estimated from the combined resistance of the first RTD 1 and the second RTD 2 based on the characteristics of FIGS. 11 and 12 is expressed as shown in FIG. . According to this calculation result, it can be seen that connecting two RTDs in parallel with their polarities reversed has a sufficient effect of suppressing parasitic oscillation.

例えば、第1RTD1の非対称電流電圧特性例(図11)おいて、順方向の電圧値が+200mVのバイアス状態では、第1RTD1は純抵抗、順方向の電圧値が−200mVのバイアス状態では負性抵抗状態となるが、第2RTD2の非対称電流電圧特性例(図12)おいて、順方向の電圧値が+200mVのバイアス状態では、第2RTD2は負性抵抗状態、順方向の電圧値が−200mVのバイアス状態では純抵抗状態となる。   For example, in the example of the asymmetric current-voltage characteristic of the first RTD 1 (FIG. 11), the first RTD 1 is a pure resistance in a bias state with a forward voltage value of +200 mV, and a negative resistance in a bias state with a forward voltage value of −200 mV. In the example of the asymmetric current-voltage characteristics of the second RTD 2 (FIG. 12), in the bias state where the forward voltage value is +200 mV, the second RTD 2 is in the negative resistance state and the forward voltage value is −200 mV bias. In a state, it becomes a pure resistance state.

したがって、実施の形態に係るRTD型発振器30においては、第1RTD1と第2RTD2は逆並列に接続されるため、第1RTD1と第2RTD2の内、いずれか一方を負性抵抗発振状態にバイアスするとき他方は抵抗状態にバイアスすることが可能である。   Therefore, in the RTD type oscillator 30 according to the embodiment, the first RTD 1 and the second RTD 2 are connected in anti-parallel, so when either one of the first RTD 1 and the second RTD 2 is biased to the negative resistance oscillation state, the other Can be biased into a resistive state.

図11・図12に示される電流電圧特性を持つRTDを2つ用いて、極性を反転させて構成すると、図10に示すような等価回路になる。このとき一方のRTDのマイナス側の負性抵抗領域を用いて、RF(THz帯)発振を試みているとする。仮に、+200mVを印加したとき、一方のRTDには−200mVかかるので、負性抵抗領域にバイアスが掛かり駆動電圧となる。この時、他方のRTDには+200mVの電圧が印加され純粋な抵抗体として振舞う。   When two RTDs having the current-voltage characteristics shown in FIGS. 11 and 12 are used and the polarities are reversed, an equivalent circuit as shown in FIG. 10 is obtained. At this time, it is assumed that RF (THZ band) oscillation is attempted using the negative resistance region on the negative side of one RTD. If +200 mV is applied, one RTD takes -200 mV, so that the negative resistance region is biased and becomes a drive voltage. At this time, a voltage of +200 mV is applied to the other RTD and it behaves as a pure resistor.

図9・図11に示す第1RTD1の電流電圧特性と、図13に示す合成抵抗から見積もった電流電圧特性を比較すると明らかなように、実施の形態に係るRTD型発振器30においては、第1RTD1と第2RTD2は逆並列に接続されるため、第1RTD1を負性抵抗発振状態にバイアスするとき第2RTD2は抵抗状態にバイアスすることが可能である。これにより、実施の形態に係るRTD型発振器によれば,メタル配線無しでRTDと外部回路の寄生発振を抑えることができる。   As is clear from comparison between the current-voltage characteristics of the first RTD 1 shown in FIGS. 9 and 11 and the current-voltage characteristics estimated from the combined resistance shown in FIG. 13, in the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the first RTD 1 Since the second RTD 2 is connected in antiparallel, when the first RTD 1 is biased to the negative resistance oscillation state, the second RTD 2 can be biased to the resistance state. Thereby, according to the RTD type oscillator according to the embodiment, parasitic oscillation of the RTD and the external circuit can be suppressed without metal wiring.

実施の形態に係るRTD型発振器30は、第1RTD1の寄生発振を抑えるデバイス構造について、外部回路との寄生発振を抑制する第2RTD2を用いたテラヘルツ発振器を提供可能である。   The RTD oscillator 30 according to the embodiment can provide a terahertz oscillator using a second RTD 2 that suppresses parasitic oscillation with an external circuit, as a device structure that suppresses parasitic oscillation of the first RTD 1.

なお本手法は、テラヘルツ波帯に限らず、RTDとその外部回路における寄生発振を抑制する手法として一般化可能な基盤技術である。具体的には、プラス側とマイナス側で非対称な電流電圧特性を有する二つのRTDを、極性を反転させて並列に配置することで、実現させるという方法である。   This technique is not limited to the terahertz wave band, and is a basic technology that can be generalized as a technique for suppressing parasitic oscillation in the RTD and its external circuit. Specifically, it is a method in which two RTDs having asymmetric current-voltage characteristics on the plus side and the minus side are realized by inverting the polarity and arranging them in parallel.

RTDは負性抵抗を示す電圧範囲よりも低い電圧領域では、純粋な抵抗体であるかのような振る舞いをする。極性を反転させるというのは、一方のRTDが負性抵抗に差し掛かっている時他方のRTDは抵抗体として振る舞うということである。   The RTD behaves as if it is a pure resistor in a voltage range lower than the voltage range showing a negative resistance. Reversing the polarity means that when one RTD is approaching a negative resistance, the other RTD behaves as a resistor.

これにより、後述するように、同一エピ基板で、かつ同一プロセスで寄生発振を抑えるデバイス構造を作製できる。余計な配線がない分、信頼性と高周波特性の向上も可能である。   As a result, as will be described later, it is possible to produce a device structure that suppresses parasitic oscillation in the same epitaxial substrate and in the same process. Since there is no extra wiring, reliability and high-frequency characteristics can be improved.

実施の形態に係るRTD型発振器30においては、メタル配線をする分の工程数を減らし、デバイスの信頼性向上にも貢献できる。また、同一エピ基板を用いているため新たなエピ膜や工程を追加する必要は無い。既存のデバイスから、マスクの変更のみで実現でき、最終的な製造コストの抑制にも貢献できる。また、メタル配線部分のインダクタンスを除去できるため、高速変調の特性も向上可能である。   In the RTD type oscillator 30 according to the embodiment, the number of steps for metal wiring can be reduced, and the device reliability can be improved. Further, since the same epitaxial substrate is used, it is not necessary to add a new epitaxial film or process. This can be realized by changing the mask from an existing device, and can contribute to the reduction of the final manufacturing cost. In addition, since the inductance of the metal wiring portion can be removed, the characteristics of high-speed modulation can be improved.

寄生発振の抑制のためにSBDを適用する場合も考えられるが、寄生発振の抑制のためにRTDを適用する実施の形態に係るRTD型発振器30においては、さらに以下の効果がある。すなわち、
(A)同じエピ基板を用いるSBDであれば、RTDとは別にSBDを構成するエピ層を形成させなければならない。エピ膜成長技術の開発が必要であり、成膜の技術的なハードルが上がる。それに比べて、実施の形態に係るRTD型発振器30においては、現状のエピ基板をそのまま使用することができる。同一のエピ基板を用いることが可能であるため、技術的なハードルは比較的低い。
Although the SBD may be applied to suppress parasitic oscillation, the RTD oscillator 30 according to the embodiment in which the RTD is applied to suppress parasitic oscillation has the following effects. That is,
(A) If the SBD uses the same epi substrate, an epi layer constituting the SBD must be formed separately from the RTD. Development of epitaxial film growth technology is necessary, raising the technical hurdle of film formation. In contrast, in the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the current epi substrate can be used as it is. The technical hurdle is relatively low because the same epi substrate can be used.

(B)同一プロセスで集積化できる。現状のプロセスから、マスクの変更で対応ができるため、プロセスの工程数を増やさずに実現ができる。   (B) It can be integrated in the same process. Since the current process can be handled by changing the mask, it can be realized without increasing the number of process steps.

(C)コストの削減効果がある。メタル配線を無くすことで、工程数が減少するため、製造コスト低減に寄与することができる。   (C) There is a cost reduction effect. By eliminating the metal wiring, the number of processes is reduced, which can contribute to a reduction in manufacturing cost.

(デバイス構造)
実施の形態に係るRTD型発振器30の配線構造の模式的平面構成は、図14に示すように表され、図14のI−I線に沿う模式的断面構造は、図15に示すように表され、図14のII−II線に沿う模式的断面構造は、図16に示すように表され、図14のIII−III線に沿う模式的断面構造は、図17に示すように表される。
(Device structure)
A schematic plan configuration of the wiring structure of the RTD type oscillator 30 according to the embodiment is expressed as shown in FIG. 14, and a schematic cross-sectional structure taken along line II of FIG. 14 is shown as shown in FIG. 14 is represented as shown in FIG. 16, and the schematic sectional structure along the line III-III in FIG. 14 is represented as shown in FIG. .

実施の形態に係るRTD型発振器30は、半導体基板1を備え、第1RTD1と第2RTD2は、半導体基板1上に配置されていても良い。ここで、半導体基板1は、例えば半絶縁性のInP基板などを適用可能である。   The RTD oscillator 30 according to the embodiment may include the semiconductor substrate 1, and the first RTD 1 and the second RTD 2 may be disposed on the semiconductor substrate 1. Here, as the semiconductor substrate 1, for example, a semi-insulating InP substrate can be applied.

また、第1RTD1と第2RTD2は、図14〜図17に示すように、半導体基板1上に集積化されていても良い。   Further, the first RTD 1 and the second RTD 2 may be integrated on the semiconductor substrate 1 as shown in FIGS.

実施の形態に係るRTD型発振器30は、図14〜図17に示すように、半導体基板1と、半導体基板1上に配置された第1の半導体層91aと、第1の半導体層91aをパターニングして形成された第1カソード領域および第2カソード領域と、第1カソード領域に第1カソードK1が接続され、第1アノードA1が前記第2カソード領域と接続された第1RTD1と、第2カソード領域に第2カソードK2が接続され、第2アノードA2が第1カソード領域と接続された第2RTD2とを備える。ここで、第1RTD1と第2RTD2の内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされる。   As shown in FIGS. 14 to 17, the RTD oscillator 30 according to the embodiment patterns the semiconductor substrate 1, the first semiconductor layer 91a disposed on the semiconductor substrate 1, and the first semiconductor layer 91a. A first cathode region, a second cathode region, a first cathode K1 connected to the first cathode region, a first RTD1 having a first anode A1 connected to the second cathode region, and a second cathode; A second cathode K2 is connected to the region, and a second RTD2 is connected to the second anode A2 and the first cathode region. Here, when one of the first RTD1 and the second RTD2 is biased to the negative resistance oscillation state, the other is biased to the resistance state.

また、第1RTD1および第2RTD2は、非対称の電流電圧特性を有する。   The first RTD 1 and the second RTD 2 have asymmetric current-voltage characteristics.

また、実施の形態に係るRTD型発振器30は、図14〜図17に示すように、第1カソード領域上に配置された第1カソード電極21と、第2カソード領域上に配置された第2カソード電極22と、第1アノードA1に接続された第1アノード電極41と、第2アノードA2に接続された第2アノード電極42とを備え、第1カソード電極21は、第2アノード電極42と共通接続され、第2カソード電極22は、第1アノード電極41と共通接続される。 Furthermore, RTD oscillator 30 according to the embodiment, as shown in FIGS. 14 to 17, a first cathode electrode 2 1 disposed on the first cathode region on, disposed on the second cathode region on the first a second cathode electrode 2 2, first the anode electrode 4 1 connected to the first anode A1, a second anode electrode 4 2 connected to the second anode A2, the first cathode electrode 2 1 a 2 and anode electrode 4 2 is commonly connected, a second cathode electrode 2 2 are commonly connected 4 1 and the first anode electrode.

尚、電気的に絶縁が必要な場所には、図15に示すように、層間絶縁膜9を形成している。層間絶縁膜9は、例えば、SiO2膜で形成することができる。層間絶縁膜9は、CVD法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 Note that an interlayer insulating film 9 is formed in a place where electrical insulation is required, as shown in FIG. The interlayer insulating film 9 can be formed of, for example, a SiO 2 film. The interlayer insulating film 9 can be formed by a CVD method or a sputtering method.

―RTD―
実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第1RTD1・第2RTD2の構成例は、図8(a)・図8(b)に示すように、半絶縁性のInP基板からなる半導体基板1上に配置され、n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91aと、GaInAs層91a上に配置され、n型不純物をドープされたGaInAs層92aと、GaInAs層92a上に配置されたアンドープのGaInAs層93aと、GaInAs層93a上に配置されたAlAs層94a/InGaAs層95/AlAs層94bから構成されたRTD部と、AlAs層94b上に配置されたアンドープのGaInAs層93bと、GaInAs層93b上に配置され、n型不純物をドープされたGaInAs層92bと、GaInAs層92b上に配置され、n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91bと、GaInAs層91b上に配置され、n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91cと、GaInAs層91c上に配置された第1の電極4と、GaInAs層91a上に配置された第2の電極2とを備える。
-RTD-
A configuration example of the first RTD 1 and the second RTD 2 applicable to the RTD oscillator 30 according to the embodiment is a semiconductor substrate 1 made of a semi-insulating InP substrate, as shown in FIGS. A GaInAs layer 91a, which is disposed on the GaInAs layer 91a, and is doped on the GaInAs layer 91a, and is doped on the GaInAs layer 92a. The undoped layer is disposed on the GaInAs layer 92a. A GaInAs layer 93a, an RTD portion composed of an AlAs layer 94a / InGaAs layer 95 / AlAs layer 94b disposed on the GaInAs layer 93a, an undoped GaInAs layer 93b disposed on the AlAs layer 94b, and a GaInAs layer 93b On the GaInAs layer 92b disposed on and doped with an n-type impurity, and on the GaInAs layer 92b The GaInAs layer 91b is disposed on the GaInAs layer 91b, and is doped on the GaInAs layer 91b. The GaInAs layer 91c is disposed on the GaInAs layer 91c. 1 electrode 4 and the second electrode 2 disposed on the GaInAs layer 91a.

図8(a)に示すように、第1RTD1の量子井戸構造QW1は、GaInAs層95をAlAs層94a・94bで挟んで形成されている。このように積層された量子井戸構造QW1は、スペーサ層SP11・SP12として用いられるアンドープGaInAs層93a・93bを介在させてn型のGaInAs層92a・92b、及びn+型のGaInAs層91a・91b若しくは91cを介して、第2の電極21・第1の電極41にオーミックに接続される。 As shown in FIG. 8A, the quantum well structure QW1 of the first RTD 1 is formed by sandwiching a GaInAs layer 95 between AlAs layers 94a and 94b. The quantum well structure QW1 stacked in this way has n-type GaInAs layers 92a and 92b and n + -type GaInAs layers 91a and 91b or undoped GaInAs layers 93a and 93b used as spacer layers SP11 and SP12. The second electrode 2 1 and the first electrode 4 1 are ohmically connected via 91c.

同様に、図8(b)に示すように、第2RTD2の量子井戸構造QW2は、GaInAs層95をAlAs層94a・94bで挟んで形成されている。このように積層された量子井戸構造QW2は、スペーサ層SP21・SP22として用いられるアンドープGaInAs層93a・93bを介在させてn型のGaInAs層92a・92b、及びn+型のGaInAs層91a・91b若しくは91cを介して、第2の電極21・第1の電極41にオーミックに接続される。 Similarly, as shown in FIG. 8B, the quantum well structure QW2 of the second RTD 2 is formed by sandwiching a GaInAs layer 95 between AlAs layers 94a and 94b. The quantum well structure QW2 stacked in this manner has n-type GaInAs layers 92a and 92b and n + -type GaInAs layers 91a and 91b or undoped GaInAs layers 93a and 93b used as spacer layers SP21 and SP22, or The second electrode 2 1 and the first electrode 4 1 are ohmically connected via 91c.

実施の形態に係るRTD型発振器30において、第1RTD1・第2RTD2は、図8(a)・図8(b)に示すように、量子井戸層95と、量子井戸層95を挟むトンネルバリア層94a・94bを介してカソードK側に配置された第1スペーサ層SP11(93a)・SP21(93a)と、アノードA側に配置された第2スペーサ層SP12(93b)・SP22(93b)とを備え、第1スペーサ層SP11と第2スペーサ層SP12の厚さは互いに異なるように構成されていても良い。   In the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the first RTD 1 and the second RTD 2 are, as shown in FIGS. 8A and 8B, a quantum well layer 95 and a tunnel barrier layer 94a sandwiching the quantum well layer 95. First spacer layers SP11 (93a) and SP21 (93a) disposed on the cathode K side through 94b and second spacer layers SP12 (93b) and SP22 (93b) disposed on the anode A side are provided. The first spacer layer SP11 and the second spacer layer SP12 may have different thicknesses.

また、実施の形態に係るRTD型発振器30において、第1RTD1・第2RTD2は、それぞれの第1スペーサ層SP11・SP21の厚さが互いに異なるように構成されていても良い。   In the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the first RTD 1 and the second RTD 2 may be configured such that the thicknesses of the first spacer layers SP11 and SP21 are different from each other.

また、実施の形態に係るRTD型発振器30において、第1RTD1・第2RTD2は、それぞれの第2スペーサ層SP12・SP22の厚さが互いに異なるように構成されていても良い。   In the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the first RTD1 and the second RTD2 may be configured such that the thicknesses of the second spacer layers SP12 and SP22 are different from each other.

実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第1RTD1・第2RTD2においては、共鳴トンネル効果を発現する量子井戸構造QW1・QW2と、これを挟む形で、上下に配置されるスペーサ層SP11・SP12およびSP21・SP22の厚さを異ならせることによって、プラス側とマイナス側で非対称な電流電圧特性を持つようになる。これは、スペーサ層SP21・SP22およびSP21・SP22の厚さによって量子井戸構造QW1・QW2の量子井戸層95に注入されるキャリアの数がバイアスの方向によって異なることに起因している。スペーサ層SP21・SP22およびSP21・SP22の厚さを異ならせることによる非対称性の導入が、実施の形態に係るRTD型発振器30を実現可能なものとしている。   In the first RTD1 and the second RTD2 applicable to the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the quantum well structures QW1 and QW2 that exhibit the resonant tunneling effect, and the spacer layers SP11 and By making the thicknesses of SP12 and SP21 / SP22 different, the current and voltage characteristics are asymmetric on the plus side and the minus side. This is because the number of carriers injected into the quantum well layers 95 of the quantum well structures QW1 and QW2 varies depending on the bias direction depending on the thicknesses of the spacer layers SP21 and SP22 and SP21 and SP22. The introduction of asymmetry by making the thicknesses of the spacer layers SP21 and SP22 and SP21 and SP22 different makes it possible to realize the RTD oscillator 30 according to the embodiment.

実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第1RTD1において、スペーサ層SP11・SP12の厚さを例えば、20nm・2nmといったように非対称にすることで、図9若しくは図11に示すような非対称の電流電圧特性を得ることができる。   In the first RTD 1 applicable to the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the thickness of the spacer layers SP11 and SP12 is asymmetrical, for example, 20 nm and 2 nm, so that the asymmetrical characteristic as shown in FIG. 9 or FIG. Current-voltage characteristics can be obtained.

同様に、実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第2RTD2において、スペーサ層SP21・SP22の厚さを例えば、2nm・20nmといったように非対称にすることで、図12に示すような非対称の電流電圧特性を得ることができる。   Similarly, in the second RTD 2 applicable to the RTD type oscillator 30 according to the embodiment, the thickness of the spacer layers SP21 and SP22 is asymmetrical, for example, 2 nm and 20 nm, so that the asymmetry as shown in FIG. Current-voltage characteristics can be obtained.

ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。   Here, the thickness of each layer is as follows, for example.

+型のGaInAs層91a、91b・91cの厚さは、それぞれ例えば、約400nm、15nm・8nm程度である。n型のGaInAs層92aおよび92bの厚さは、略等しく、例えば、約25nm程度である。アンドープGaInAs層93a・93bの厚さは、例えば、上述の非対称性を実現可能とする厚さであって、約2nm・20nm程度である。AlAs層94aおよび94bの厚さは、等しく、例えば、約1.1nm程度である。GaInAs層95の厚さは、例えば、約4.5nm程度である。 The thicknesses of the n + -type GaInAs layers 91a, 91b, and 91c are, for example, about 400 nm, 15 nm, and 8 nm, respectively. The thicknesses of the n-type GaInAs layers 92a and 92b are substantially equal, for example, about 25 nm. The thicknesses of the undoped GaInAs layers 93a and 93b are, for example, thicknesses that enable the above-described asymmetry to be about 2 nm · 20 nm. The thicknesses of the AlAs layers 94a and 94b are equal, for example, about 1.1 nm. The thickness of the GaInAs layer 95 is about 4.5 nm, for example.

なお、図8(a)および図8(b)に示す積層構造の側壁部には、SiO2膜、Si34膜、SiON膜、HfO2膜、Al23膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、化学的気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 8A and 8B, a SiO 2 film, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like is formed on the side wall portion of the stacked structure shown in FIGS. An insulating film made of a multilayer film can also be deposited. The insulating layer can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method, a sputtering method, or the like.

(変形例)
実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第1RTD1の変形例の模式的断面構造は、図18に示すように表される。図18においては、GaInAs層91b上に配置されたn型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91cの形成を省略している。第1の電極4とGaInAs層91bとのコンタクトが問題にならない場合には、図18に示すように、GaInAs層91cの形成を省略しても良い。なお、この変形例の構造は、第2RTD2においても同様に適用可能である。
(Modification)
A schematic cross-sectional structure of a modified example of the first RTD 1 applicable to the RTD type oscillator 30 according to the embodiment is expressed as shown in FIG. In FIG. 18, the formation of the GaInAs layer 91c doped with a high concentration of n-type impurities disposed on the GaInAs layer 91b is omitted. When the contact between the first electrode 4 and the GaInAs layer 91b does not matter, the formation of the GaInAs layer 91c may be omitted as shown in FIG. Note that the structure of this modified example is also applicable to the second RTD 2.

(アンテナ構造)
本実施の形態に係る共鳴トンネルダイオード型発振器には、例えばスロットアンテナ、ボータイアンテナ、パッチアンテナ、八木宇田アンテナ等など、平面集積可能なアンテナであればいずれも適用可能である。
(Antenna structure)
As the resonant tunnel diode type oscillator according to the present embodiment, any antenna that can be integrated in a plane, such as a slot antenna, a bow tie antenna, a patch antenna, and a Yagi-Uda antenna, can be applied.

ダイポールアンテナを備える実施の形態に係るRTD型発振器の模式的平面パターン構成は、図20に示すように表される。   A schematic planar pattern configuration of the RTD oscillator according to the embodiment including a dipole antenna is expressed as shown in FIG.

実施の形態に係るRTD型発振器30は、図20に示すように、第1カソードK1および第2カソードK2に接続されたダイポールアンテナ20D・40Dを備えていても良い。   As shown in FIG. 20, the RTD oscillator 30 according to the embodiment may include dipole antennas 20D and 40D connected to the first cathode K1 and the second cathode K2.

また、実施の形態に係るRTD型発振器30は、図20に示すように、ダイポールアンテナ20D・40Dに接続されたフィード線20F・40Fと、フィード線20F・40Fに接続されたパッド電極20P・40Pを備えていても良い。   Further, as shown in FIG. 20, the RTD oscillator 30 according to the embodiment includes feed lines 20F and 40F connected to the dipole antennas 20D and 40D, and pad electrodes 20P and 40P connected to the feed lines 20F and 40F. May be provided.

また、実施の形態に係るRTD型発振器30は、第1カソードK1と第2カソードK2との間に接続されたMIMリフレクタ(図示省略)を備えていても良い。   The RTD oscillator 30 according to the embodiment may include an MIM reflector (not shown) connected between the first cathode K1 and the second cathode K2.

テーパースロットアンテナ20T・40Tを備える実施の形態に係るRTD型発振器30の模式的平面パターン構成は、図21に示すように表される。   A schematic planar pattern configuration of the RTD oscillator 30 according to the embodiment including the tapered slot antennas 20T and 40T is expressed as shown in FIG.

実施の形態に係るRTD型発振器30は、図21に示すように、第1カソードK1および第2カソードK2に接続されたテーパースロットアンテナ20T・40Tを備えていても良い。   As shown in FIG. 21, the RTD oscillator 30 according to the embodiment may include tapered slot antennas 20T and 40T connected to the first cathode K1 and the second cathode K2.

また、実施の形態に係るRTD型発振器30において、テーパースロットアンテナ20T・40Tは、図21に示すように、半導体基板1上に対向する第1カソードK1と第2カソードK2間に配置された導波路70と、導波路70に隣接して、半導体基板1上に対向する第1カソードK1と第2カソードK2間に配置されたホーン開口部80とを備えていても良い。ここで、実施の形態に係るRTD型発振器30において、第1カソードK1・第2カソードK2は、第2アノードA2・第1アノードA1に接続される。   Further, in the RTD type oscillator 30 according to the embodiment, the tapered slot antennas 20T and 40T are conductive conductors disposed between the first cathode K1 and the second cathode K2 facing each other on the semiconductor substrate 1, as shown in FIG. A waveguide 70 and a horn opening 80 disposed between the first cathode K1 and the second cathode K2 facing the semiconductor substrate 1 adjacent to the waveguide 70 may be provided. Here, in the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the first cathode K1 and the second cathode K2 are connected to the second anode A2 and the first anode A1.

また、テーパースロットアンテナ20T・40Tを備える実施の形態に係るRTD型発振器30は、第1カソードK1と第2カソードK2との間に接続され、共鳴トンネルダイオード型発振器30の共振器60の配置に対し、導波路70と反対側に配置されたMIMリフレクタ50を備えていても良い。   The RTD oscillator 30 according to the embodiment including the tapered slot antennas 20T and 40T is connected between the first cathode K1 and the second cathode K2, and the resonator 60 of the resonant tunnel diode oscillator 30 is disposed in the arrangement. On the other hand, the MIM reflector 50 disposed on the opposite side of the waveguide 70 may be provided.

実施の形態に係るRTD型発振器は、図21に示すように、半導体基板1と、半導体基板1上に配置された第2のアンテナ電極20Tと、第2のアンテナ電極20Tに対して絶縁層を介して配置され、かつ半導体基板1上に第2のアンテナ電極20Tに対向して配置された第1のアンテナ電極40Tと、絶縁層を挟み第1のアンテナ電極40Tと第2のアンテナ電極20T間に形成されたMIMリフレクタ50と、MIMリフレクタ50に隣接して、半導体基板1上に対向する第1のアンテナ電極40Tと第2のアンテナ電極20T間に配置された共振器60と、共振器60の略中央部に配置された第1RTD1および第2RTD2と、共振器60に隣接して、半導体基板1上に対向する第1のアンテナ電極40Tと第2のアンテナ電極20T間に配置された導波路70と、導波路70に隣接して、半導体基板1上に対向する第1のアンテナ電極40Tと第2のアンテナ電極20T間に配置されたホーン開口部80とを備える。   As shown in FIG. 21, the RTD type oscillator according to the embodiment includes a semiconductor substrate 1, a second antenna electrode 20T disposed on the semiconductor substrate 1, and an insulating layer for the second antenna electrode 20T. And the first antenna electrode 40T disposed on the semiconductor substrate 1 so as to face the second antenna electrode 20T, and between the first antenna electrode 40T and the second antenna electrode 20T with an insulating layer interposed therebetween. The MIM reflector 50 formed on the semiconductor substrate 1, the resonator 60 disposed between the first antenna electrode 40 T and the second antenna electrode 20 T facing the semiconductor substrate 1 adjacent to the MIM reflector 50, and the resonator 60 The first RTD 1 and the second RTD 2 arranged in the substantially central portion of the first antenna electrode 40 T and the second antenna electrode 20 adjacent to the resonator 60 and facing the semiconductor substrate 1. A waveguide 70 disposed in between, and a horn opening 80 disposed between the first antenna electrode 40T and the second antenna electrode 20T facing the semiconductor substrate 1 adjacent to the waveguide 70. .

共振器60の長さL1は、例えば、約30μm程度以下である。また、凹部5、6の幅(第1のアンテナ電極40Tと第2のアンテナ電極20Tとの間隔)は、例えば、約4μm程度である。第1RTD1および第2RTD2の寸法は、例えば、約1.4μm2程度である。但し、第1RTD1および第2RTD2のサイズは、この値に限定されず、例えば、約5.3μm2程度以下であってもよい。共振器60の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、テラヘルツ電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。 The length L1 of the resonator 60 is, for example, about 30 μm or less. Further, the width of the recesses 5 and 6 (the distance between the first antenna electrode 40T and the second antenna electrode 20T) is, for example, about 4 μm. The dimensions of the first RTD 1 and the second RTD 2 are, for example, about 1.4 μm 2 . However, the sizes of the first RTD 1 and the second RTD 2 are not limited to this value, and may be, for example, about 5.3 μm 2 or less. The size of each part of the resonator 60 is not limited to the above dimensions, and is appropriately set in design according to the frequency of the terahertz electromagnetic wave.

また、図21に示すように、導波路70における第1のアンテナ電極40Tと第2のアンテナ電極20T間の間隔に比べて、共振器60が形成されている部分の第1のアンテナ電極40Tと第2のアンテナ電極20T間の間隔は狭い。   Further, as shown in FIG. 21, the first antenna electrode 40 </ b> T in the portion where the resonator 60 is formed compared to the distance between the first antenna electrode 40 </ b> T and the second antenna electrode 20 </ b> T in the waveguide 70. The interval between the second antenna electrodes 20T is narrow.

MIMリフレクタ50は共振器60の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属/絶縁体/金属からなるMIMリフレクタ50の積層構造により、第1のアンテナ電極40Tと第2のアンテナ電極20Tは高周波的に短絡される。また、MIMリフレクタ50は、直流的には開放(オープン)でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。   The MIM reflector 50 is disposed at the closing portion on the opposite side of the opening of the resonator 60. Due to the laminated structure of the metal / insulator / metal MIM reflector 50, the first antenna electrode 40T and the second antenna electrode 20T are short-circuited in high frequency. Further, the MIM reflector 50 has an effect that it can reflect a high frequency while being open in terms of direct current.

第1のアンテナ電極40Tおよび第2のアンテナ電極20Tは、いずれも例えば、Au/Pd/TiやAu/Tiのメタル積層構造からなり、Ti層は、半絶縁性のInP基板からなる半導体基板1との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第1のアンテナ電極40Tおよび第2のアンテナ電極20Tの各部の厚さは、例えば、約数100nm程度であり、全体として、図21に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第1のアンテナ電極40Tおよび第2のアンテナ電極20Tは、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。   The first antenna electrode 40T and the second antenna electrode 20T each have, for example, a metal laminated structure of Au / Pd / Ti or Au / Ti, and the Ti layer is a semiconductor substrate 1 made of a semi-insulating InP substrate. It is a buffer layer for making a contact state favorable. The thickness of each part of the first antenna electrode 40T and the second antenna electrode 20T is, for example, about several hundred nm, and a flattened laminated structure as shown in FIG. 21 is obtained as a whole. Note that both the first antenna electrode 40T and the second antenna electrode 20T can be formed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.

尚、第1のアンテナ電極40Tの表面層を形成するTi層は、ボンディングワイヤ(図示省略)によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第2のアンテナ電極20Tの表面層を形成するTi層は、ボンディングワイヤ(図示省略)によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。   Note that the Ti layer forming the surface layer of the first antenna electrode 40T is desirably removed in order to reduce contact resistance when the extraction electrode is formed by a bonding wire (not shown). Similarly, the Ti layer forming the surface layer of the second antenna electrode 20T is desirably removed in order to reduce the contact resistance when the extraction electrode is formed by a bonding wire (not shown).

MIMリフレクタ50の絶縁層は、例えば、SiO2膜で形成することができる。その他、Si34膜、SiON膜、HfO2膜、Al23膜などを適用することもできる。なお、絶縁層の厚さは、MIMリフレクタ50の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数10nm〜数100nm程度である。絶縁層は、CVD法或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 The insulating layer of the MIM reflector 50 can be formed of, for example, a SiO 2 film. In addition, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like can be applied. The thickness of the insulating layer can be determined in consideration of the geometric plane size of the MIM reflector 50 and the required capacitor value in terms of circuit characteristics, and is, for example, about several tens nm to several hundreds nm. The insulating layer can be formed by a CVD method or a sputtering method.

(製造方法)
実施の形態に係るRTD型発振器の製造方法は、半導体基板1上に第1の半導体層91aを形成する工程と、第1の半導体層91aをパターニングして第1カソード領域および第2カソード領域を形成する工程と、第1カソード領域に第1カソードK1が接続され、第1アノードA1が第2カソード領域と接続される第1RTD1を形成する工程と、第2カソード領域に第2カソードK2が接続され、第2アノードA2が前記第1カソード領域と接続された第2RTD2を形成する工程と、第1カソード領域上に第2アノード電極42と共通接続される第1カソード電極21を形成する工程と、第2カソード領域上に第1アノード電極41と共通接続される第2カソード電極22を形成する工程とを有する。
(Production method)
The manufacturing method of the RTD type oscillator according to the embodiment includes a step of forming the first semiconductor layer 91a on the semiconductor substrate 1, and patterning the first semiconductor layer 91a to form the first cathode region and the second cathode region. Forming the first RTD1 in which the first cathode K1 is connected to the first cathode region and the first anode A1 is connected to the second cathode region, and the second cathode K2 is connected to the second cathode region. is to form a step of forming a first 2RTD2 the second anode A2 is connected to the first cathode region, a first cathode electrode 2 1 are commonly connected to the second anode electrode 4 2 to the first cathode region on and a step, and forming a second cathode electrode 2 2 which are commonly connected to the first anode electrode 4 1 on the second cathode region.

また、第1RTD1および第2RTD2を形成する工程は、第1の半導体層91a上に第1スペーサ層SP11(93a)・SP21(93a)を形成する工程と、第1スペーサ層SP11(93a)・SP21(93a)上に第1トンネルバリア層94a・94aを形成する工程と、第1トンネルバリア層94a・94a上に量子井戸層95・95を形成する工程と、量子井戸層95・95上に第2トンネルバリア層94b・94bを形成する工程と、第2トンネルバリア層94b・94b上に第1スペーサ層SP11(93a)・SP21(93a)と厚さの異なる第2スペーサ層SP12(93b)・SP22(93b)を形成する工程とを有する。   The steps of forming the first RTD1 and the second RTD2 include the steps of forming the first spacer layers SP11 (93a) and SP21 (93a) on the first semiconductor layer 91a, and the first spacer layers SP11 (93a) and SP21. (93a) a step of forming the first tunnel barrier layers 94a, 94a, a step of forming the quantum well layers 95, 95 on the first tunnel barrier layers 94a, 94a, and a step of forming the first tunnel barrier layers 94a, 94a on the quantum well layers 95, 95 A step of forming two tunnel barrier layers 94b and 94b, and a second spacer layer SP12 (93b) of a thickness different from that of the first spacer layers SP11 (93a) and SP21 (93a) on the second tunnel barrier layers 94b and 94b. Forming SP22 (93b).

実施の形態に係るRTD型発振器30に適用可能な第1RTD1・第2RTD2の構造は、同一の製造工程で形成可能である。   The structures of the first RTD1 and the second RTD2 applicable to the RTD type oscillator 30 according to the embodiment can be formed in the same manufacturing process.

同一工程で製造された第1RTD1・第2RTD2の模式的断面構造であって、集積化された実施の形態に係るRTD型発振器30の第1RTD1・第2RTD2部分の模式的断面構造は、図19に示すように表される。各層の構成は、図8(a)・図8(b)と同様であるため、重複説明は省略する。   19 is a schematic cross-sectional structure of the first RTD 1 and the second RTD 2 manufactured in the same process, and a schematic cross-sectional structure of the first RTD 1 and the second RTD 2 part of the RTD type oscillator 30 according to the integrated embodiment is shown in FIG. Represented as shown. Since the configuration of each layer is the same as that in FIGS. 8A and 8B, a duplicate description is omitted.

実施の形態に係るRTD型発振器30において、第1RTD1のスペーサ層SP11・SP12の厚さを例えば、20nm・2nmとし、第2RTD2のスペーサ層SP21・SP22の厚さを例えば、2nm・20nmとする場合には、共通にエピタキシャル成長する工程と、第2RTD2側にマスクをかけて第1RTD1側のみをエピタキシャル成長する工程と、逆に第1RTD1側にマスクをかけて第2RTD2側のみをエピタキシャル成長する工程とを使い分ける必要がある。それ以外の各層の製造工程は、第1RTD1・第2RTD2の共通プロセスで形成可能である。   In the RTD oscillator 30 according to the embodiment, the thickness of the spacer layers SP11 and SP12 of the first RTD1 is, for example, 20 nm · 2 nm, and the thickness of the spacer layers SP21 and SP22 of the second RTD2 is, for example, 2 nm · 20 nm For this, it is necessary to separately use a process of epitaxially growing in common, a process of epitaxially growing only the first RTD1 side by masking the second RTD2 side, and a process of epitaxially growing only the second RTD2 side by masking the first RTD1 side. There is. The manufacturing processes of the other layers can be formed by a common process of the first RTD1 and the second RTD2.

例えば、同一工程で製造された第1RTD1・第2RTD2において、室温で観測した発振周波数は、いずれも約300GHz程度である。   For example, in the first RTD 1 and the second RTD 2 manufactured in the same process, the oscillation frequency observed at room temperature is about 300 GHz.

実施の形態に係るRTD型発振器の製造方法によれば,メタル配線無しでRTDと外部回路の寄生発振を抑えることができ、メタル配線の製造工程が不要となるため、プロセスの工程数を減少させることができる。   According to the manufacturing method of the RTD type oscillator according to the embodiment, parasitic oscillation of the RTD and the external circuit can be suppressed without the metal wiring, and the manufacturing process of the metal wiring becomes unnecessary, thereby reducing the number of process steps. be able to.

本実施の形態に係るRTD型発振器は、第1トンネルバリア層/量子井戸層/第2トンネルバリア層が、AlAs/InAlAs/AlAsの構成を有する例が示されているが、このような材料系に限定されるものではない。例えば、第1トンネルバリア層/量子井戸層/第2トンネルバリア層が、AlGaAs/GaAs/AlGaAsの構成を有する例であっても良い。また、第1トンネルバリア層/量子井戸層/第2トンネルバリア層が、AlGaN/GaN/AlGaNの構成を有する例であっても良い。また、第1トンネルバリア層/量子井戸層/第2トンネルバリア層が、SiGe/Si/SiGeの構成を有する例であっても良い。   In the RTD oscillator according to the present embodiment, an example in which the first tunnel barrier layer / quantum well layer / second tunnel barrier layer has a configuration of AlAs / InAlAs / AlAs is shown. It is not limited to. For example, the first tunnel barrier layer / quantum well layer / second tunnel barrier layer may have an AlGaAs / GaAs / AlGaAs configuration. In addition, the first tunnel barrier layer / quantum well layer / second tunnel barrier layer may have an AlGaN / GaN / AlGaN configuration. Further, the first tunnel barrier layer / quantum well layer / second tunnel barrier layer may have an SiGe / Si / SiGe configuration.

いずれの構成においても、第1トンネルバリア層に接して第1スペーサ層が配置され、第2トンネルバリア層に接して第2スペーサ層が配置され、かつ第1スペーサ層と第2スペーサ層の厚さが異なることによって、非対称の電流電圧特性を備え、このような非対称の電流電圧特性を有する第1RTD1・第2RTD2を逆並列に接続すると共に、第1RTD1と第2RTD2の内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされる点は同様である。   In any configuration, the first spacer layer is disposed in contact with the first tunnel barrier layer, the second spacer layer is disposed in contact with the second tunnel barrier layer, and the thicknesses of the first spacer layer and the second spacer layer are set. The first RTD1 and the second RTD2 having such asymmetric current-voltage characteristics are connected in antiparallel, and one of the first RTD1 and the second RTD2 is negative. Similarly, when biased to a resistive oscillation state, the other is biased to a resistive state.

本実施の形態によれば、メタル配線無しでRTDと外部回路の寄生発振を抑え、かつプロセス工程数を増やすことなく高信頼性を有する共鳴トンネルダイオード型発振器およびその製造方法を提供することができる。   According to the present embodiment, it is possible to provide a resonant tunneling diode type oscillator having a high reliability without suppressing the parasitic oscillation of the RTD and the external circuit without using metal wiring, and without increasing the number of process steps, and a method for manufacturing the same. .

[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態およびその変形例に係るRTD型発振器について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the RTD type oscillator according to the embodiment and the modification example thereof has been described. However, the description and drawings constituting a part of this disclosure are exemplary, and the embodiment is limited. Should not be understood. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, this embodiment includes various embodiments not described here.

本実施の形態のRTD型発振器は、デバイスベースでは、テラヘルツ発振器、高周波共振回路、信号増幅器等に適用可能であり、応用ベースでは、テラヘルツ波イメージング装置、センシング装置、高速無線通信器等の大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測、セキュリティー分野など、幅広い分野に適用することができる。   The RTD oscillator of this embodiment can be applied to a terahertz oscillator, a high-frequency resonance circuit, a signal amplifier, etc. on a device basis, and has a large capacity such as a terahertz wave imaging device, a sensing device, a high-speed wireless communication device, etc. In addition to communication and information processing, it can be applied to a wide range of fields such as measurement and security in various fields such as physical properties, astronomy, and living things.

1…半導体基板
2、21、22…第2の電極(カソード電極)
4、41、42……第1の電極(アノード電極)
5,6…凹部
9…層間絶縁膜
20D、40D…ダイポールアンテナ(アンテナ電極)
20T、40T…テーパースロットアンテナ(アンテナ電極)
20F、40F…フィード線
20P、40P…パッド電極
30…RTD型発振器
50…MIMリフレクタ
60…共振器
70…導波路
80…ホーン開口部
90…能動素子
91a…第1の半導体層(GaInAs層)
94a、94b…トンネルバリア層
95…量子井戸層
114…抵抗素子
A、A1、A2…アノード
K、K1、K2…カソード
SP11、SP12.SP21、SP22…スペーサ層
QW1、QW2…量子井戸構造
1 ... Semiconductor substrate 2, 2 1 , 2 2 ... Second electrode (cathode electrode)
4, 4 1 , 4 2 ...... First electrode (anode electrode)
5, 6 ... Recess 9 ... Interlayer insulating film 20D, 40D ... Dipole antenna (antenna electrode)
20T, 40T ... Tapered slot antenna (antenna electrode)
20F, 40F ... feed lines 20P, 40P ... pad electrode 30 ... RTD oscillator 50 ... MIM reflector 60 ... resonator 70 ... waveguide 80 ... horn opening 90 ... active element 91a ... first semiconductor layer (GaInAs layer)
94a, 94b ... tunnel barrier layer 95 ... quantum well layer 114 ... resistance elements A, A1, A2 ... anodes K, K1, K2 ... cathodes SP11, SP12. SP21, SP22 ... spacer layers QW1, QW2 ... quantum well structure

Claims (19)

第1アノードと第1カソードとを備える第1共鳴トンネルダイオードと、
第2アノードと第2カソードとを備える第2共鳴トンネルダイオードと
を備え、
前記第1共鳴トンネルダイオードと前記第2共鳴トンネルダイオードが逆並列に接続されると共に、前記第1共鳴トンネルダイオードと前記第2共鳴トンネルダイオードの内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされることを特徴とする共鳴トンネルダイオード型発振器。
A first resonant tunneling diode comprising a first anode and a first cathode;
A second resonant tunneling diode comprising a second anode and a second cathode;
The first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode are connected in antiparallel, and one of the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode is biased to a negative resistance oscillation state. A resonant tunneling diode type oscillator, wherein the other is biased in a resistance state.
前記第1共鳴トンネルダイオードおよび前記第2共鳴トンネルダイオードは、非対称の電流電圧特性を有することを特徴とする請求項1に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   2. The resonant tunneling diode oscillator according to claim 1, wherein the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode have asymmetric current-voltage characteristics. 前記第1アノードと前記第2カソードが接続され、前記第1カソードと前記第2アノードが接続されることを特徴とする請求項1または2に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   The resonant tunneling diode oscillator according to claim 1 or 2, wherein the first anode and the second cathode are connected, and the first cathode and the second anode are connected. 半導体基板を備え、
前記第1共鳴トンネルダイオードと前記第2共鳴トンネルダイオードは、前記半導体基板上に配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
Comprising a semiconductor substrate,
4. The resonant tunneling diode oscillator according to claim 1, wherein the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode are disposed on the semiconductor substrate. 5.
前記第1共鳴トンネルダイオードと前記第2共鳴トンネルダイオードは、前記半導体基板上に集積化されることを特徴とする請求項4に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   5. The resonant tunneling diode oscillator according to claim 4, wherein the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode are integrated on the semiconductor substrate. 半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層をパターニングして形成された第1カソード領域および第2カソード領域と、
前記第1カソード領域に第1カソードが接続され、第1アノードが前記第2カソード領域と接続された第1共鳴トンネルダイオードと、
前記第2カソード領域に第2カソードが接続され、第2アノードが前記第1カソード領域と接続された第2共鳴トンネルダイオードと
を備え、前記第1共鳴トンネルダイオードと前記第2共鳴トンネルダイオードの内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされることを特徴とする共鳴トンネルダイオード型発振器。
A semiconductor substrate;
A first semiconductor layer disposed on the semiconductor substrate;
A first cathode region and a second cathode region formed by patterning the first semiconductor layer;
A first resonant tunneling diode having a first cathode connected to the first cathode region and a first anode connected to the second cathode region;
A second resonant tunneling diode having a second cathode connected to the second cathode region and a second anode connected to the first cathode region, wherein the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode are A resonant tunneling diode type oscillator characterized in that when one of them is biased to a negative resistance oscillation state, the other is biased to a resistance state.
前記第1共鳴トンネルダイオードおよび前記第2共鳴トンネルダイオードは、非対称の電流電圧特性を有することを特徴とする請求項6に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   The resonant tunneling diode oscillator according to claim 6, wherein the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode have asymmetric current-voltage characteristics. 前記第1カソード領域上に配置された第1カソード電極と、
前記第2カソード領域上に配置された第2カソード電極と、
前記第1アノードに接続された第1アノード電極と、
前記第2アノードに接続された第2アノード電極と
を備え、
前記第1カソード電極は、前記第2アノード電極と共通接続され、前記第2カソード電極は、前記第1アノード電極と共通接続されることを特徴とする請求項7に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
A first cathode electrode disposed on the first cathode region;
A second cathode electrode disposed on the second cathode region;
A first anode electrode connected to the first anode;
A second anode electrode connected to the second anode,
8. The resonant tunneling diode type oscillator according to claim 7, wherein the first cathode electrode is commonly connected to the second anode electrode, and the second cathode electrode is commonly connected to the first anode electrode. .
前記第1共鳴トンネルダイオードおよび前記第2共鳴トンネルダイオードは、
量子井戸層と、
前記量子井戸層を挟むトンネルバリア層を介してアノード側に配置された第2スペーサ層と、カソード側に配置された第1スペーサ層とを備え、
前記第1スペーサ層と前記第2スペーサ層の厚さは互いに異なることを特徴とする請求項8に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
The first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode are:
A quantum well layer;
A second spacer layer disposed on the anode side through a tunnel barrier layer sandwiching the quantum well layer, and a first spacer layer disposed on the cathode side,
The resonant tunnel diode oscillator according to claim 8, wherein the first spacer layer and the second spacer layer have different thicknesses.
前記第1共鳴トンネルダイオードおよび前記第2共鳴トンネルダイオードは、それぞれの前記第1スペーサ層の厚さが互いに異なることを特徴とする請求項8に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   9. The resonant tunneling diode oscillator according to claim 8, wherein the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode have different thicknesses of the first spacer layers. 前記第1共鳴トンネルダイオードおよび前記第2共鳴トンネルダイオードは、それぞれの前記第2スペーサ層の厚さが互いに異なることを特徴とする請求項8に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   9. The resonant tunneling diode oscillator according to claim 8, wherein the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode have different thicknesses of the second spacer layers. 前記第1カソードおよび前記第2カソードに接続されたダイポールアンテナを備えることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   The resonant tunneling diode oscillator according to any one of claims 8 to 11, further comprising a dipole antenna connected to the first cathode and the second cathode. 前記ダイポールアンテナに接続されたフィード線と、前記フィード線に接続されたパッド電極を備えることを特徴とする請求項12に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   The resonant tunnel diode type oscillator according to claim 12, further comprising: a feed line connected to the dipole antenna; and a pad electrode connected to the feed line. 前記第1カソードおよび前記第2カソードに接続されたテーパースロットアンテナを備えることを特徴とする請求項8〜11のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   12. The resonant tunneling diode oscillator according to claim 8, further comprising a tapered slot antenna connected to the first cathode and the second cathode. 前記第1カソードと前記第2カソードとの間に接続されたMIMリフレクタを備えることを特徴とする請求項8〜14のいずれか1項に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   The resonant tunneling diode oscillator according to any one of claims 8 to 14, further comprising an MIM reflector connected between the first cathode and the second cathode. 前記テーパースロットアンテナは、前記半導体基板上に対向する前記第1カソード電極と前記第2カソード電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1カソード電極と前記第2カソード電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項14に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
The tapered slot antenna includes a waveguide disposed between the first cathode electrode and the second cathode electrode facing each other on the semiconductor substrate;
The resonant tunnel according to claim 14, further comprising: a horn opening disposed between the first cathode electrode and the second cathode electrode facing the semiconductor substrate adjacent to the waveguide. Diode type oscillator.
前記第1カソードと前記第2カソードとの間に接続され、前記共鳴トンネルダイオード型発振器の配置に対し、前記導波路と反対側に配置されたMIMリフレクタを備えることを特徴とする請求項16に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。   The MIM reflector connected between the said 1st cathode and the said 2nd cathode, and is arrange | positioned on the opposite side to the said waveguide with respect to arrangement | positioning of the said resonant tunnel diode type | mold oscillator, It is characterized by the above-mentioned. The described resonant tunneling diode type oscillator. 半導体基板上に第1の半導体層を形成する工程と、
前記第1の半導体層をパターニングして第1カソード領域および第2カソード領域を形成する工程と、
前記第1カソード領域に第1カソードが接続され、第1アノードが前記第2カソード領域と接続される第1共鳴トンネルダイオードを形成する工程と、
前記第2カソード領域に第2カソードが接続され、第2アノードが前記第1カソード領域と接続された第2共鳴トンネルダイオードを形成する工程と、
前記第1カソード領域上に第2アノード電極と共通接続される第1カソード電極を形成する工程と、
前記第2カソード領域上に第1アノード電極と共通接続される第2カソード電極を形成する工程と
を有することを特徴とする共鳴トンネルダイオード型発振器の製造方法。
Forming a first semiconductor layer on a semiconductor substrate;
Patterning the first semiconductor layer to form a first cathode region and a second cathode region;
Forming a first resonant tunneling diode having a first cathode connected to the first cathode region and a first anode connected to the second cathode region;
Forming a second resonant tunneling diode having a second cathode connected to the second cathode region and a second anode connected to the first cathode region;
Forming a first cathode electrode commonly connected to a second anode electrode on the first cathode region;
Forming a second cathode electrode commonly connected to the first anode electrode on the second cathode region. A method for manufacturing a resonant tunneling diode type oscillator, comprising:
前記第1共鳴トンネルダイオードおよび前記第2共鳴トンネルダイオードを形成する工程は、
前記第1の半導体層上に第1スペーサ層を形成する工程と、
前記第1スペーサ層上に第1トンネルバリア層を形成する工程と、
前記第1トンネルバリア層上に量子井戸層を形成する工程と、
前記量子井戸層上に第2トンネルバリア層を形成する工程と、
前記第2トンネルバリア層上に前記第1スペーサ層と厚さの異なる第2スペーサ層を形成する工程とを有することを特徴とする請求項18に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器の製造方法。
Forming the first resonant tunneling diode and the second resonant tunneling diode;
Forming a first spacer layer on the first semiconductor layer;
Forming a first tunnel barrier layer on the first spacer layer;
Forming a quantum well layer on the first tunnel barrier layer;
Forming a second tunnel barrier layer on the quantum well layer;
19. The method of manufacturing a resonant tunneling diode oscillator according to claim 18, further comprising: forming a second spacer layer having a thickness different from that of the first spacer layer on the second tunnel barrier layer.
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