JP2614037B2 - 超高周波負性抵抗半導体発振器 - Google Patents

超高周波負性抵抗半導体発振器

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    • H03B7/08Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element being semiconductor device being a tunnel diode

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、超高周波半導体発振器に関するものであ
り、特に負性抵抗半導体素子を用いた超高周波発振器に
関する。
(従来の技術とその問題点) ミリ波からサブミリ波領域の半導体発振器として、半
導体によるダイオードの逆方向降伏電流とその走行時間
効果による負性抵抗ダイオードとしてなだれ降伏による
インパットダイオードとトンネル降伏によるタンネット
ダイオードが知られている。インパットダイオードはな
だれ降伏によるために、非常に雑音が大きいという応用
に対しての重大な欠点がある。タンネットダイオードは
雑音が小さいという優れた特徴がある。
インパットダイオードは特におおよそ100GHz以上の周
波数領域では、なだれ注入が温度上昇により生起しにく
くなるために、出力が低下するということが報告されて
いる。(H.J.クノ著『インパット デバイシィズ フォ
ア ジェネレーション オブ ミリメーター ウェイブ
ズ』K.J.バトン編 インフラレッド アンド ミリメー
ター ウェイブズ 第1巻第2章、アカデミック プレ
ス1979年(H.J.Kuno著『IMPATT Devices for Generatio
n of Millimeter Waves』、K.J.Button編 Infrared and
Millimeter waves Vol.1 第2章、Academic Press 19
79))通常Siのインパットダイオードでは接合温度上昇
を信頼性確保のために約200℃以下としているが、発振
に必要な入力電力により、接合温度は上昇し、実用的な
発振出力を得るためには殆んど素子限界まで入力を加え
て高い温度上昇のもとで使用しているのが現状である。
このため従来の負性抵抗半導体素子のうちSiインパッ
トダイオードは雑音が大きく、かつおおよそ100GHz以上
では、温度上昇により出力が減少するという欠点があっ
た。そのために特にミリ波からサブミリ波の領域におけ
る高調波動作のインパットダイオードは液体窒素で冷却
したものも報告されているが、装置が大きくなるという
欠点を有する(T.イシバシ、M.イノ、T.マキムラ、アン
ド M.オオモリ、“リキッド−ナイトロジェン−クール
ド サブミリメーター−ウェイブ シリコン インパッ
ト デバイス“エレクトロニクス レターズ、1977年5
月12日、13巻10号、299頁〜230頁(T.Ishibashi、M.In
o、T.Makimura、and M.Ohmori、“LIQUID−NITROGEN−C
OOLED SUBMILLIMETER−WAVE SILICON IMPATT DIODES、"
Electronics Letters、12th May、1977、Vol.13、No.1
0、pp.299〜230))。
速度の電界特性の負微分移動効果、いわゆるガン効果
によるガンダイオードは、温度上昇により電子の速度、
移動度が低下するので、出力特性は、温度上昇により低
下するという欠点があると同時に、現状では、発振周波
数はタンネットダイオード及びインパットダイオードが
サブミリ波領域に及んでいるのに対して約100〜130GHz
程度である。
真空管の後進波管(商品名:カルシノトロン(Carcin
otron))はミリ波からサブミリ波の領域で、出力が大
きいが寿命が300時間程度でインパットダイオードのよ
うな半導体素子に比較して寿命が極めて短いということ
と、動作電圧が約1000V以上も必要で、動作電源が非常
に大きくかつ複数の系統が必要であり、全体の重量が大
きくなり、又費用もかかるという重大な欠点を有してい
る。
〔発明の目的〕
本発明は上記の半導体による超高周波負性抵抗発振器
において、出力が温度上昇により殆んど変化しないこと
を特徴としている。
このため本発明は、温度上昇により電流が増加するト
ンネル注入となだれ注入が混在するようなダイオードを
用いた出力の温度特性が0乃至は殆ど0であることを特
徴とした超高周波負性抵抗半導体発振器を提供する。
〔実施例〕
以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
第1図は、本発明の一実施例に係る超高周波負性抵抗
半導体発振器の回路図である。図中1は導波管によるキ
ャビティで、本発明の発振器に用いるダイオード4はス
テム2に接着されていて、両面をメタライズした石英台
3と金テープ5によって接続されているもの、6は導波
管とは絶縁されているバイアス棒、7は反射器、8はダ
イオードの電源であり、直流、パルスであるもの、9は
1のキャビティに接続される導波管であり、テーパ状あ
るいは高さを変化させてインピーダンス変換部を有して
いるもの、10は負荷との整合をとるためのE−Hチュー
ナ、11は単向管で12は出力端子である。
ダイオードはGaAsのp+−n+−n-−n+型のもので、製造
方法は、本発明者の特開昭56−112761号「III−V半導
体装置の製造方法」で開示した蒸気圧制御された温度差
法による液相成長法によって製作したものである。
このダイオードの断面図を第2図(a)に、不純物密
度分布を第2図(b)に示す。
第2図(a)において、20はGaAsのn+基板(ρ:10-3
Ω・cm)、21、22、23はそれぞれ前記の結晶成長方法で
液相成長させたn-層、n+層、p+層である。24はp+層への
オーミック電極の接触抵抗を低減化するために設けた亜
鉛の拡散層、25、26はそれぞれn+層への電極で例えばAu
−Ge合金層、p+層への電極でAg−Zn合金層あるいはAg−
Zn−Agの三層構造によるものである。27は銅あるいはダ
イヤモンドによるヒートシンクである。28、29はそれぞ
れp+、n+電極層に接する金属である。ヒートシンク層27
とp+層の電極の上部の金属28は、熱圧着によって接着す
る場合と、半田等の低融点金属を用いて接着する場合が
ある。このダイオードの不純物密度分布は第2図(b)
のようになっていて、n+層22はn-層21へ傾斜をもって分
布している。このようなn+層は、前記p+層23を成長する
時、ドーピング剤としてn型の不純物であるS(イオ
ン)を添加することによって実現した。このときp+層の
不純物はGeであるので、n型の不純物のイオウの方が拡
散係数が大きいので薄いn+層22が形成される。n-層の不
純物密度は1015〜5×1017cm-3、p+層の不純物密度は5
×1018cm-3以上とすればよい。n+層22の不純物密度は、
概略(1)式でよく近似されることが判明した。いわゆ
る超階段接合である。
ここでNtはp+−n+接合の最大ドナー密度であり、Lは
分布の傾きで、いわゆるドナー不純物の拡散長 ここでDはドナー不純物の拡散定数、τは拡散時間)で
あり、Ntはn-層21の厚さである。
トンネル注入となだれ降伏を混在させるには、Ntとし
ておおよそ3×1017cm-3以上、Lとして100Å以上とす
ればよい。n+層22、n-層21の厚さの合計(Wd)は走行角
がおおよそπ/2から3/2πラジアンとなるようにすれば
良く、100GHz以上の発振周波数を得るには約1μm以下
とすれば良い。p+−nあるいはショットキーバリアダイ
オードのM−n型ダイオードのような階段接合を有する
場合には動作時の電界強度としておおよそ1000kV/cm以
上とすれば良い。p+−n型ではn層の不純物密度が5×
1017cm-3位でトンネル注入となだれ降伏は混在し、5×
1017cm-3以上になればトンネル注入が優性となる。ショ
ットキーバリアダイオードではn層の不純物密度をおお
よそ3×1017cm-3以上とすれば良い。接合温度上昇によ
る素子寿命を考慮した場合、pp接合型のほうがショット
キーバリア型よりも望ましい。
第2図に示したダイオードの逆方向のI−V特性を第
3図に示す。ここで用いたダイオードのp+−n+接合のn+
層の不純物密度は5×1017から1.8×1018cm-3程度であ
る。21℃、50℃、100℃と温度を変えて測定したもので
ダイオード(a)は温度変化が0であり、ダイオード
(b)は低電流領域と大電流領域で電流の温度依存性が
負から正に変化するものである。図では21℃と100℃の
I−V特性のみ示した。この実施例のダイオード
(a)、(b)の逆方向電流はなだれ注入とトンネル注
入の混在によって生起している。
第4図は第3図のダイオード(a)、第5図は第3図
のダイオード(b)に対する、逆方向バイアス電流と発
振出力の関係を周囲温度室温(21℃)、50℃、100℃と
それぞれを変化させて測定した実施例である。100℃で
は出力電圧が21℃及び50℃に比較して増大し、dP/dTが
正であるという結果が得られた。21℃、50℃では殆ど温
度に対して出力電力が変わらないという結果が得られ
た。第3図(a)のダイオードの発振周波数はバイアス
電流の変化によって約127〜135GHzまで変化し、同様に
第3図(b)のダイオードでは約110〜116GHzの発振周
波数となった。ダイオードの逆方向電圧はおおよそ5〜
9V位で10V以下である。
発振器の出力電力はパルス駆動でデューティが1%動
作では120GHz近辺で20mW、150GHz近辺で30mW程度が容易
に得られ、発振スペクトルは定在波の測定からは非常に
きれいで、これは、トンネル注入電流がかなり発振に寄
与しているために、雑音が著しく低減化するためと推定
される。ダイオードの逆方向特性が完全にトンネル注入
によれば、更に発振周波数が上昇する。CW発振の場合に
は、同様な特性が得られた。即ち閾値電流がパルス発振
時の約1/2以下になった。
簡易型の発振器では、出力の変動は問題ない場合もあ
るが、変復調動作をさせるときには出力の温度変動がな
いことが望ましい。ダイオードによって殆んど出力変動
がないようにもできることはいうまでもない。
第6図は本発明による出力の温度変動をほぼなくすこ
とのできる発振器の一実施例である。図中30は第1図に
示すような発振器本体のダイオードマウント部、31は導
波管、32は発振出力の一部を取り出す方向性結合器、33
は発振出力を監視するモニタで電力計、検定器等、34は
33の出力のレベル設定用の電圧源で35は33のモニタ出力
とレベル電圧の比較をし、発振器30の電源36を帰還制御
するための回路である。動作はあらかじめ33のモニタ出
力と電力の関係を調べておいて、基準電圧源34を所望の
電力に設定することにより、発振器のダイオードのバイ
アス電源36を電子的に制御することにより行なわれる。
制御はトランジスタ、ダイオード、ICを用いて簡単に構
成でき、温度による出力変動はほぼなくすことができ
る。
以上の実施例においては、GaAsのダイオードを用いた
が、他のIV族、III−V族、II−VI族あるいは混晶であ
っても良いし、ダイオードの製造方法は周知の気相成長
法、MOCVD法、イオン注入法が使用できることは言うま
でもない。ダイオードと回路のキャビティその他の回路
部品は、導波管回路による他、ストリップ線路、フィン
ライン等の平面回路、誘導体線路を用いることもでき
る。
〔発明の効果〕
以上説明してきたように本発明の超高周波負性抵抗半
導体発振器は、発振出力の温度特性が殆ど0、おおよそ
10V以下で100GHz以上の発振で出力が10mW以上のものが
容易に実現でき常温動作が可能で、工業的価値の高いも
のである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の超高周波負性抵抗半導体発振器の実施
例、第2図(a)、第2図(b)はそれぞれ本発明に用
いる半導体ダイオードの断面図及び不純物密度分布図、
第3図は本発明に用いる半導体ダイオードの逆方向I−
V特性、第4図及び第5図は本発明による発振器の一実
施例、第6図は発振器の更に別の一実施例である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも導波管によるキャビティ、前記
    キャビティの内部に挿入される逆方向電流による負性抵
    抗ダイオード、前記負性抵抗ダイオードにバイアス電源
    を供給するバイアス棒、キャビティの端に設置した反射
    器及びダイオード用電源より構成される発振器におい
    て、前記ダイオードは、逆方向特性においてトンネル注
    入となだれ注入が混在し、温度上昇によって出力が殆ど
    変化しないダイオードとし、発振出力の一部を取り出す
    手段と、レベル設定用の電源を有し前記発振出力の一部
    との比較を行い、前記発振器のバイアス電源を電子的に
    制御することにより、温度上昇による出力増加をなくす
    ようにした回路を含むことを特徴とする超高周波負性抵
    抗半導体発振器。
  2. 【請求項2】前記発振器に用いるダイオードがGaAsであ
    って、動作電圧が10V以下であることを特徴とする前記
    特許請求の範囲第1項記載の超高周波負性抵抗半導体発
    振器。
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