JP2562013B2 - マイクロ波増幅器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はソリッドステートマイクロ波増幅器に関し，
とくにソリッドステートマイクロ波ミリ波増幅器すなわ
ち30GHz以上の周波数で動作可能な増幅器に係わるもの
であって，さらには２ポート型の増幅器に関するもので
ある． ［従来の技術］ 従来種々の機構を用いることによってゲインを有する
ダイオードを実現し得ることが知られている．すなわ
ち，このようなダイオードを実現する２ポート型の増幅
器デバイス構造としてはトンネルダイオード，ガンダイ
オード等のほかにたとえばIMPATT,TRAPATT,BARITT,TUNN
ET種々のアバランシェトランジット・時間デバイスおよ
びその混成デバイスがある． このようなソリッドステート機構から適度に高電力，
たとえば30GHzの周波数で少なくとも数ワットの電力を
得るためには，ダイオードのゲイン触媒が相当の面積に
わたって分散され横方向に伝播する波がダイオードのゲ
イン特性により増幅されるような分散構造を用いること
が望ましい． しかしながら、このような構造を用いて，発振ではな
く増幅を行なう場合には，自己アイソレーションが大き
な困難となっていた．すなわち，小さな入力信号を増幅
することができる分散アクティブ媒体は，通常それ自体
の出力からの小さな反射信号を増幅することもできる．
さらにマイクロ波の周波数が高い場合には，何ら反射を
引き起こすことなく出力を遷移させたり、接続すること
は非常に困難であり，従って確実に共振を起さないよう
な構成で分散ダイオードデバイスを動作させることはき
わめて困難であった． ［発明の目的］ 故に本発明の第１の目的は，セルフアイソレーション
され，かつゲインを有する分散ダイオードを提供するこ
とにある． 本発明の第２の目的は，セルフアイソレーションさ
れ，かつ30GHzのマイクロ波周波数で相当な出力電力を
発生し得るようにしたゲイン付き分散ダイオードを提供
することにある． 本発明の第３の目的は，一方向性の増幅を行なうゲイ
ン付き分散ダイオードを提供することにある． 本発明の第４の目的は，より高いマイクロ波周波数に
おいて一方向性の増幅を行なうゲイン付き分散ダイオー
ドを提供することにある． 本発明の第５の目的は,1ワット以上の電力レベルで30
GHz以上の周波数で一方向性の増幅を行なうゲイン付き
分散ダイオードを提供することにある． 上記の目的に一義的に適合するようなデバイス構造の
製作を可能とすることができれば好適である．チップ上
での小信号増幅およびマイクロ波周波数における周波数
処理に用いるデバイスを製作することは現在でも可能で
ある.MESFETあるいはHEMT（バンド幅が広いギャップ物
質を用いてゲート下に２次元電子ガスを供給するFET）
を用いて,30GHz以上の周波数での動作を行なうことがで
きるようにこの種のデバイスを信頼性よく製作すること
さえ可能である．しかしながら，大信号を増幅する場合
にはなお問題が残っている．とくに，段後にパワー増幅
段を設けることができる場合でさえ，ミリ波周波数にお
ける波長の大きさがきわめて小さいため，製作に機械的
な困難が伴ない，本来不連続のパッケージ間に相互結線
が形成されて，それ自体がアンテナとして作用してしま
ふことがある． この場合，チップからの電力出力の相当部分が放射エ
ネルギーとして散失しかねない．さらに，他の電源から
の放射電力がややもすれば前記相互結線と結合してしま
う場合もある．あるいはまた，たとえばミリ波位相アレ
イレーダや陸軍用戦術的通信機器などの用途において
は，集積回路パッケージングにおいて熱的に安全である
ような軽微な電力でもRF出力としてはたらく場合があ
る． かくて本発明の第６の目的は30GHz以上のマイクロ波
信号を100ミリワットの電力レベルまで増幅し得る集積
回路を提供することにある． 本発明の第７の目的は30GHz以上のマイクロ波信号を
１ワット以上の電力レベルに増幅し得る集積回路を提供
することにある． ［問題点を解決しようとするための手段］ 本発明はテーパ状のアクティブ領域を有する分散マイ
クロ波ダイオードを提供することにより，上記目的とそ
の他の目的とを達成する．このためには好ましくはIMPA
TTダイオードを用いる．このIMPATTダイオードは電力飽
和領域で動作するもので，通常のIMPATT動作は，例え
ば，軽くドープされたドリフト領域によって垂直方向に
分離された,2つの強くドープされた水平コンタクト層を
有するIMPATT構造内の垂直方向で生じる．このダイオー
ド（これは平行板伝送ラインとみなすことができる）に
沿って伝播するRF信号は垂直方向のIMPATT電流と結合
し，その結果，このRF信号に水平方向のゲインが発生す
る．水平方向に伝播するRF信号が電力飽和モードとなる
まで，すなわちデバイスのゲインが電力とともに減少す
るまで,RF信号のゲインは増加することになる．本発明
においては，ダイオードの長さを十分長くすることによ
り，伝播するRF信号が既に電圧的に飽和した後，ダイオ
ードの幅が一定の割合で増加するダイオード部分を介し
て該RF信号が伝播し続けるようにする．すなわち、ダイ
オードのアクティブ領域の垂直方向の厚さは不変に維持
されているため，飽和RF電圧も不変となるが，ダイオー
ドの幅が増加するためRF電流は増加する．従って，電力
ゲインがダイオードのデーパ状部分で増大する．また大
信号を用いる場合には，電力飽和効果により一方向性が
得られる．すなわち，反射信号（後方波外乱）がダイオ
ードのテーパ状領域に沿って後方に伝播するにともな
い，この反射信号は確実にゲインを減少させる領域に到
達する．すなわち，ダイオードのアクティブ領域の幅が
（この方向に）狭まるにつれて，ダイオードのゲインは
減少する．このようにして後方伝播波はある距離につい
ては増幅されるが，最終的には，後方伝播波はダイオー
ドの局部損失以下にダイオードのゲインを局部的に減少
させることが充分であるようなダイオード領域に達す
る．（ダイオードのテーパ状領域のあらゆる点にみられ
る電力飽和状態では，ゲインはほとんど損失に等しくな
る．）従ってこの点で損失がゲインを上回り，後方伝播
波の振幅も減少して，前方伝播波も減少するが，前方伝
播波はこれがデバイスにとって高ゲインとなる領域へと
前方に向って近ずくにつれ，典型的にはゲイン曲線上の
電力飽和点に収束する．このような現象は後方伝播波に
は起こらず，減衰するのみである． 本発明によれば，頂部および底部コンタクトと，これ
らのコンタクト間の活性領域を有する半導体ダイオード
から構成され，該半導体ダイオードは伝送ラインを画定
すべく延在し，該伝送ラインにはテーパが設けられ，前
記半導体ダイオード活性領域は第２端部よりも第１端部
においてさらに狭く構成してなるマイクロ波増幅器を設
けている． ［実施例］ 以下本発明の実施例を添付図面を参照して説明する． 第１図は本発明の一実施例たるダイオード構造を示
す．このダイオード構造の最大寸法は動作周波数で半波
長以下とするのが好ましく，たとえば,50GHz動作のため
に図示のダイオード部12は１ミリの半分以下の長さとす
る．こオダイオードは伝送ラインとして用いるものであ
る． 本発明は分散IMPATTダイオードを用いることに限定さ
れるものではなく，負性抵抗を有する２端子型デバイス
の分散構造一般に適用し得るものである．すなわち，分
散モードで使用し得るデバイスとしてはIMPATTやその他
のトランジットタイムデバイス（たとえばBARITT,TUNNE
T,TRAPATT,ヘテロ接合IMPATT,DOVATT等）のみならず，
移送電子デバイス（ガン発振器等）およびトンネルダイ
オード等がある．ただし，本実施例ではIMPATTダイオー
ドを用い，この実施例を中心として以下に記載すること
とする．このIMPATTダイオードは周波数特性が良好であ
るという特別の利点があり，この理由により，その他の
各種の２端子型デバイスよりも有利である．しかしなが
ら，本発明の範囲は特許請求の範囲で特定された以外に
限定されるものではない． 進行波IMPATTは基本的にはIMPATTダイオードの長い細
片からなるもので，空乏層が平行な導波板となって進行
波を保持する．デバイスの分散性のため，通常の集中型
（LUMPED）ダイオードに附随する電力−周波数特性の制
約を受けない．従って，このようなデバイスは通常のIM
PATTよりもはるかに面積を大きく構成することができ，
このため高電力処理能力を有するものである． このデバイスは空乏層境界で並列共振するもので，ア
クチブ層の高い負性抵抗を利用したものである． 進行波IMPATTの主たる利点は少なくとも次の２点であ
る． １）所与の周波数に対するデバイス面積が大きいため高
電力能力が得られること． ２）組込みインピーダンスマッチング能力を有するた
め，外部回路を必要としないこと．外部共振回路に関し
ては,IMPATTデバイス自体の場合よりも設計および製造
が難かしいため，ミリ波領域においてはこのことは重要
な長所である． 分散IMPATTは取扱いが容易でインピーダンスマッチン
グの効率が高いために，モノリシック形状で好適に製造
することができる．ミリ波領域においては，該デバイス
の長さおよび幅は，それぞれ１ないし５ミリメータおよ
び10ないし100ミクロン程度にすることができる．この
程度の寸法は製造上何ら問題とはならない．テーパまた
はステップ付きのインピーダンス変換器14はSiGaAs基板
上で製造され，負荷およびデバイスのインピーダンスに
マッチングさせることが可能である.4ミル（約100ミク
ロン;100×10^-6）及び２ミル（約50ミクロン;50×1
0^-6）のSiGaAs基板上のマイクロストリップラインを，
少なくともそれぞれ100GHzおよび250GHzまで用いること
ができる．また，空乏層の幅が0.3ミクロンの場合は,Ga
Asにより構成される分散IMPATTの伝送ラインの次の高次
モードの第１遮断周波数は，トランジット時間周波数よ
りもはるかに高い1.4×10の14乗Hzである．（すなわち
上記の空乏層厚さの場合は100GHzとなる） 本発明はテーパ状アクチブ領域12を有する分散負抵抗
ダイオードを提案するもので，このためには好ましくは
IMPATTダイオードを用いる．このIMPATTダイオードは電
力飽和領域で動作するもので，通常のIMPAT動作は，た
とえば，軽くドープされたドリフト領域によって垂直方
向に分離された,2つの強くドープされた水平コンタクト
層を有するIMPATT構造内の垂直方向で生じる． このダイオード（これは平行板伝送ラインとみなすこ
とができる）に沿って伝播するRF信号は垂直方向のIMPA
TT電流と結合し，その結果，このRF信号に水平方向のゲ
インが発生する．水平方向に伝播するRF信号が電力飽和
モードとなるまで，すなわち高周波ゲインが電力的に見
て減少するまでRF信号のゲインは増加することになる．
本発明においては，ダイオードの長さを十分長くするこ
とにより，伝播するRF信号が既に電圧的に飽和した後，
ダイオードの幅が一定の割合で増加するダイオード部分
を介して該RF信号が伝播し続けるようにする．すなわ
ち，ダイオードのアクティブ領域の垂直方向厚さは不変
に維持されているため，飽和RF電圧も不変となるが，ダ
イオードの幅が増加するためRF電流は増加する．従っ
て，ダイオードのテーパ状部分では，電力ゲインの増加
分が見込まれる． また大信号を用いる場合には，電力飽和効果により一
方向性が得られる．すなわち，反射信号（後方波外乱）
がダイオードのデーパ状領域に沿って後方に伝播するに
ともない．この反射信号は確実にゲインを減少させる領
域に到達する．すなわち，ダイオードのアクティブ領域
12の幅が（この方向に）狭まるにつれて，ダイオードの
ゲインは減少する．このようにして後方伝播波はある距
離については増幅されるが，最終的には後方伝播波がダ
イオードの局部損失以下となるようにダイオードのゲイ
ンを局部的に減少させることが充分であるような，ダイ
オード領域に達する． デバイスの狭い領域内に蓄積された電力は広い領域内
に蓄積される電力よりも小さい．振幅の増加を獲得しよ
うとして，幅が拡張している領域から反射された電力に
よって，前述の幅の狭まっている領域でのゲイン係数が
急速に低下させられる．（ダイオードのデーパ状領域の
あらゆる点にみられる電力飽和状態では，ゲインはほと
んど損失に等しくなる．）かくて，この点で局所的にダ
イオードの損失がゲインを上回って，後方伝播波の振幅
も減少する．同時にこのことによって，前方伝播波の方
に関しては，デバイス中のより一層大電力の領域に向か
って前進するので，ゲイン曲線上の電力飽和点の動作に
落着くのが特徴である．このような現象は後方伝播波に
は起こらず，減衰するのみである．後方伝播波により前
方伝播波が減少すると，短い時間の経過後，後方波の大
きさが減少する.2,3サイクル後，系全体が定常状態に落
ち付いて必要な条件がすべて満たされる． 以上が，本発明により優先的一方向性増幅特性を得る
上での骨子である．本発明によるIMPATTについて第３図
で，そのテーパ領域の長さに沿ってA,B,Cで示した点に
おけるゲイン・電力曲線を第４図に示す．同図から分る
ようにいずれの場合も，電力飽和状態における動作は，
ゲイン曲線と損失曲線が交差する点に動作点が近づこう
とする動作である．このデバイスのテーパ角はなるべく
これを小さくして，電力飽和条件がデバイスに沿ったす
べての点で満される（たとえば100ミクロン毎に倍増す
る）ようにするのがよい．後方に向って伝播する外乱が
さらに進行してアクチブ領域を通過するに伴って，その
振幅が増加する．同時に，第４図の曲線から理解される
ように，ゲイン曲線自体の傾斜がさらに鋭くなり，ダイ
オードのアクチブ領域の幅がさらに狭くなるため，電力
飽和は低レベルに達する．後方伝播波が正ゲインの領域
を通過して伝播する場合には，この後方伝播波は振幅的
に増強されるが，所定の動作点で，後方伝播波の振幅が
ダイオードの動作点を損失超過に追い込むのに充分なだ
けの値になる．すなわち，この場合において，ダイオー
ドには，損失メカニズムがゲインのメカニズムを上回る
のに十分な程度に高い電圧の高周波信号が印加されてい
る．後方伝播波はさらに伝播し続け，やがて減衰してし
まう． 本発明の他の実施例においては，テーパ状ダイオード
領域の前に直線的に分散したダイオード領域18を設け，
前方伝播波信号がダイオードのテーパ領域に入るのに先
立って電力飽和状態となるのを確実にする．この直線部
分により後方伝播波の減衰が改善されるため，アイソレ
ーションも改善される． なお本発明では完全な一方向性のアイソレーションを
実現するものではないが,5dB以上のゲイン差があれば共
振のない高電力増幅を行なうことができる．とはいえ，
出力回路における反射を最小限とすることが望ましいと
は言うまでもない． 本発明によるダイオードの出力は入力よりもインピー
ダンスが実質的に低いため，たとえば第１図に示すよう
なインピーダンス変換器14を用いることが好ましい． 第２図に本発明による分散デバイスの断面図を示す.1
0はたとえば半絶縁体GaAs等のサブストレートで，この
半絶縁体GaAsを本発明に用いたのはこれによりたとえば
FET,バラクタ等の他のモノリシックマイクロ波集積回路
素子を用いて分散デバイスの集積化を行なうのが好適だ
からである．ただし，他のサブストレートを用いてヒー
トシンクを良好なものとするようにしてもよい．すなわ
ち，本発明はダイヤモンド,BeO,銀もしくは肉厚近メッ
キ等のサブストレート上に小型の混成構造として，（異
なるプロセス技術を用いて）形成することもできる．こ
の場合，ヒートシンクの重要さは部分的には動作モード
に依存し，デュティ・サイクルが小さいパルスモード動
作では，デュティ・サイクルが大きい場合や連続波を用
いた場合にくらべてヒートシンクについての要求はそほ
ど厳しくない． 半絶縁体（たとえばクロムを拡散した）GaAsサブスト
レート上に,n＋層20およびアクチブデバイス領域を形成
する．本実施例においては，これらの層は電子ビームエ
ピタキャル法により被着するが，他の従来方法を用いて
形成してもよい．本発明のデバイスのアクチブ領域中の
半導体層もそれ自体としては新規なものではなく，種々
の従来の半導体構造を用いることもできる．本実施例で
は通常の二重ドリフトIMPATT構造を用いており，拡散濃
度の高いＮ＋型である背面コンタクト層20がｎ型ドリフ
ト領域22,p型ドリフト領域24およびｐ＋コンタクト領域
26により積層されている.50GHz近傍で動作を行うため
に，ドリフト領域22,24の厚さはそれぞれ約300ナノメー
タとしてある．この厚さはよく知られているように使用
する周波数に応じて適宜選定するのがよい．たとえば,9
4GHzの動作用としては，層22,24の厚さはドーピング濃
度が同じならばいずれも約200ナノメータとすればよ
い．また本実施例においては，各層のドーピング濃度は
いずれも約1cm²あたり３×10の17乗とするが，これ以外
のドーピングレベルを選択することもできる．これらの
層のドーピングおよび厚さは，層22,24間の接合部を取
り囲む空乏層が（降伏電圧に近接する必要のある）動作
電圧でコンタクト層20,26の縁部にまで拡がるように選
定する． 本実施例においては,p＋層26はたとえば200ナノメー
タ程度の厚さとするが，この厚さは変更してもよい．要
はｐ＋コンタクト層26が対象となる周波数における侵入
度よりも厚くなればよいのであるが,GaAsについては94G
Hzにおける侵入度が数ミクロンであるため，上記のよう
な条件はさして重要なものではない． 前述のように，本発明によるテーパ状ダイオードの長
さは動作周波数における波長よりも小さく，半波長以下
にするのが好ましい．このように周波数を限定すること
により，上述のように前方伝播波と後方伝播反射波間の
干渉により共振が生起するのを防ぐことができる． アクチブ領域12のテーパはエクスポネンシャルなテー
パとして図示してあるが，必ずしもこれに限らず，ハイ
パボリックコサインテーパ，線型テーパ，パラボリック
テーパその他の多くのテーパ形状を用いてもよい． 本発明による複合デバイスを組合せて高ゲインと高出
力の両者を得るためには，各デバイスを第５図に示すよ
うに縦続接続することが望ましい．すなわち、狭い入力
を有する第１のデバイス102は半波長以下であるアクチ
ブ領域を有している．この第１のアクチブ領域106の出
力は変換器108（寸法通りには図示してない）によりイ
ンピーダンス変換され，第２の分散IMPATTデバイスへの
入力として供給される．第２の分散ダイオード110には
やはりテーパが設けられているが，その入力端および出
力端の双方において第１のアクチブ領域の幅の倍数の幅
を有してる．この第２の分散ダイオード手段により,104
における小信号入力は112で大信号出力まで増幅するこ
とができるが，この場合，どのデバイスの長さも半波長
以下とする．同様に，このようにして順次接続された各
デバイス間の距離をある波長以下としてマイクロ波もし
くはVHf共振の可能性を避けることが望ましい．（接続
ストリップランインの部分114の長さおよびステップ変
換器108,116,118の長さは第５図では寸法通りには図示
してない）． 本発明の増幅器の出力は飽和しているため，周波数変
調信号あるいは移送変調信号を増幅するか，あるいはバ
イアスポテンシャルによりゲートされるパルス出力を供
給すべく動作させるのがよい． 本発明は上記のように半導体GaAsサブストレート上に
モノリシック回路として製造することが好ましいが，混
成形状を示す他の種々の形状として製造することもでき
る．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明本発明の第１実施例を示す平面図，第２
図は本発明によるIMPATTダイオードを活性ダイオード領
域として用いた場合の実施例を示す断面図，第３図は直
線領域を用いてダイオードのデーパ部に先立ち電力飽和
を行なう場合の本発明による他の実施例を示す断面図，
第４図は第３図の構造上の相違する点についてのゲイン
・電力曲線を示す特性図，第５図はテーパを設けた活性
領域をそれぞれ有する２個のダイオードを組み合せた場
合の本発明によるさらに他の実施例を示す断面図であ
る． 10……サブストレート， 12……ダイオード部， 14……インピーダンス変換器， 20……後部コンタクト層， 22……Ｐ＋層， 24……ドリフト領域， 26……ｎ＋層， 102……第１の分散ダイオード 104……入力， 106……第１の活性層， 108,116,118……ステップ変換器， 110……第２の分散ダイオード， 112……出力， 114……ストリップライン部，

フロントページの続き (72)発明者 ブーマン キム アメリカ合衆国テキサス州リチヤードソ ン，メイフラワー 1709 (72)発明者 ウイリアム フレンスリー アメリカ合衆国テキサス州リチヤードソ ン，ドレイク ドライブ 1606 (56)参考文献 特公 昭52−1259（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭43−458（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭45−39207（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】頂部コンタクトおよび底部コンタクトと， 両コンタクト間に一定の厚さで画成された活性領域とを
   有し，前記活性領域がその第１の端部から第２の端部へ
   向けて入力信号を増幅する伝送ラインを画定した半導体
   ダイオードであって、前記活性領域の伝送方向における
   幅が第２の端部よりも第１の端部で狭くなるようにテー
   パが形成されていることを特徴とするマイクロ波増幅
   器．
2. 【請求項２】入力信号を前記ダイオードの前記第１の端
   部内に結合するための手段と，出力信号を前記ダイオー
   ドの前記第２の端部の外側に結合する手段をさらに設け
   てなる特許請求の範囲第１項記載のマイクロ波増幅器．
3. 【請求項３】前記出力結合手段は，インピーダンス変換
   手段により構成してなることを特徴とする特許請求の範
   囲第２項記載のマイクロ波増幅器．
4. 【請求項４】前記ダイオード構造はIMPATTダイオードか
   ら構成してなる特許請求の範囲第２項記載のマイクロ波
   増幅器．