JP3545887B2

JP3545887B2 - ガンダイオード及びその製造方法

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Publication number: JP3545887B2
Application number: JP25701496A
Authority: JP
Inventors: 元一小川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: JPH10107338A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガンダイオードに関し、特に車載用ミリ波レーダーの発振器等に用いられる、２０ＧＨｚ以上の高周波帯で発振するガリウム砒素から成るガンダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガンダイオードを図２に示す。図２中、１１はｎ型の導電性を示すガリウム砒素基板、１２は第一のｎ^＋型ガリウム砒素層、１３は活性層として機能するｎ型ガリウム砒素層、１４は第二のｎ^＋型ガリウム砒素層、１５はカソード電極、１６はアノード電極である。
【０００３】
このようなガンダイオードでは、活性層１３を１．５μｍ前後の膜厚に設定すると共に、キャリア密度を１×１０^１６ａｔｍ・ｃｍ^−３前後に設定する。さらに第一のｎ^＋型ガリウム砒素層１２と第二のｎ^＋型ガリウム砒素層１４のキャリア密度をオーミック抵抗とミリ波抵抗を低減させるために、１×１０^１７〜１×１０^１９ａｔｍ・ｃｍ^−３に設定する。カソード電極１５とアノード電極１６との間にしきい値（３．２ｋＶ／ｃｍ）以上の電界を印加し、伝導帯の谷間の電子遷移により負性抵抗特性（ガン効果）を発現させ、その不安定性を利用して、発振特性を持たせるものである。上記活性層１３のキャリア密度と膜厚が発振周波数と発振効率を決定するパラメータとなる。
【０００４】
このようなガンダイオードは図３に示すような工程で製造される。
まず、図３（ａ）に示すように、ガリウム砒素基板１１上に、分子線気相成長法（ＭＢＥ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等で、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層１２を膜厚０．２μｍ〜１μｍ程度に、ｎ型ガリウム砒素活性層１３を膜厚１．５μｍ前後に、さらに第二のｎ^＋型ガリウム砒素層１４を膜厚０．２μｍ〜１μｍ程度に順次積層して形成する。
【０００５】
次に、図３（ｂ）に示すように、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層１４上に、オーミック接触用の金ゲルマニウム層１５ａと金電極１５ｂを真空蒸着等で１０００〜５０００Å形成し、さらに図３（ｃ）に示すように、電解メッキで金１５ｃを１０μｍ前後付けてカソード電極１５を形成する。
【０００６】
次に、図３（ｄ）に示すように、ガリウム砒素基板１１を化学機械研磨等で１０μｍ前後まで研磨する。
【０００７】
次に、図３（ｅ）に示すように、研磨後のガリウム砒素基板１１側にアノード電極１６として約φ５０μｍの金電極１６を形成する。この際、まず、オーミック接触用金ゲルマニウム１６ａと金１６ｂを真空蒸着等で１０００〜５０００Å形成する。エッチングまたはリフトオフにより、約φ５０μｍの電極１６ａ、１６ｂを形成し、膜厚約５μｍのアノード金電極１６ｃを電解メッキにて形成する。なお、オーミック性確保のためのアニールは金蒸着後または金メッキ後のいずれかに不活性ガス雰囲気下２５０℃前後で行う。
【０００８】
次に、図３（ｆ）に示すように、アノード金電極１６ｃをマスクとしてガリウム砒素基板１１と第一のｎ^＋型ガリウム砒素層１２、活性層１３、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層１４をエッチングし、各々のガンダイオードに分離する。
【０００９】
最後に、カソード金電極１５を切断することで図２の素子を得る。
【００１０】
このようなガンダイオードチップは、銅・コバール合金とセラミックなどから成る容器（不図示）に窒素などの不活性な気体と共に封入し、１極を容器の中にマウントし、他極を金線または金リボンでキャップ側につないで使用する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、この従来のガンダイオードでは、活性層１３を形成するための基板１１としてガリウム砒素を用いていることから、カソード電極１５とアノード電極１６の間のミリ波抵抗を低減し、かつ、素子の放熱性を確保するために、図３（ｄ）に示すように、ガリウム砒素基板１１の厚みを１０μｍ前後に薄く研磨する必要があった。この研磨工程は、通常数ｃｍ角に基板１１を切断して行われるもので、生産性が極めて低いという問題があった。すなわち、ガリウム砒素基板１１は脆く、かつ、１０μｍ前後の厚みのために、割れやすく歩留まりを大きく低下させていた。また、後工程でのハンドリングが困難で、容器等への実装時の生産性も大変低かった。さらに、ガリウム砒素基板１１を１０μｍと薄く研磨しても、容器への実装時には、放熱対策としてダイアモンドのヒートシンクを用いる必要があり、素子の低コスト化が困難であった。
【００１２】
また、ガリウム砒素基板１１の両側にカソード電極１５とアノード電極１６が位置することから、電極１５、１６の形成工程が２回になり、製造工程が煩雑になるという問題があった。
【００１３】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、活性層を形成するための基板として、ガリウム砒素基板を用いたときに発生する種々の問題を解消したガンダイオードおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係るガンダイオードによれば、シリコン基板上に、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層、ｎ型ガリウム砒素層、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を順次積層して設け、この第一のｎ^＋型ガリウム砒素層にアノード電極を接続して設けると共に、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層にカソード電極を接続して設けた。
【００１５】
また、請求項４に係るガンダイオードの製造方法によれば、シリコン基板上に、ガリウム砒素層から成るバッファ層、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層、ｎ型ガリウム砒素層、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を順次形成し、前記ｎ型ガリウム砒素層と第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を柱状もしくは錐状にメサエッチングし、前記第一のｎ^＋型ガリウム砒素層と第二のｎ^＋型ガリウム砒素層にアノード電極とカソード電極を形成し、前記シリコン基板を前記柱状もしくは錐状部ごとに分離する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は、請求項１に係るガンダイオードの一実施形態を示す図であり、１はシリコン基板、２はガリウム砒素バッファ層、３は第一のｎ^＋型ガリウム砒素層、４はｎ型ガリウム砒素層から成る活性層、５は第二のｎ^＋型ガリウム砒素層、６はカソード電極、７はアノード電極である。
【００１７】
前記シリコン基板１は、ＦＺ法やＣＺ法などによって形成した単結晶シリコンを所定方位に沿って３００μｍ程度の厚みに切り出したシリコン基板などから成る。このシリコンは、熱伝導率が１．５Ｗｃｍ^−１℃^−１で、臨界剪断応力が１．８５０×１０^２Ｎ／ｃｍ^２であり、ガリウム砒素の熱伝導率が０．４６Ｗｃｍ^−１℃^−１で、臨界剪断応力が０．５８３×１０^２Ｎ／ｃｍ^２であるのと比較して、熱伝導率や臨界剪断応力などの特性面で極めて優れた特性を有する。シリコン基板１の導電型や電気伝導率には特に限定はない。
【００１８】
このシリコン基板１上に、ガリウム砒素バッファ層２を形成する。このバッファ層２は、シリコン結晶とガリウム砒素結晶の格子定数の相異に基づく、ミスフィット転位を不連続にするために設ける。すなわち、シリコン結晶の格子定数が０．５４３ｎｍであるのに対し、ガリウム砒素結晶の格子定数は０．５６５ｎｍであり、格子定数が４％相違する。そこでこのバッファ層２を形成してシリコン基板とバッファ層の界面部分から発生するミスフィット転位をバッファ層２の側方に逃がすことによって、ミスフィット転位がバッファ層２の上層部に連続しないようにするために設ける。このバッファ層２は、０．２〜２μｍ程度の厚みに形成する。
【００１９】
このバッファ層２上に、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層３、ｎ型ガリウム砒素活性層４、及び第二のｎ^＋型ガリウム砒素層５を形成する。第一のｎ^＋型ガリウム砒素層３と第二のｎ^＋型ガリウム砒素層５は、０．２〜２μｍ程度の厚みに形成され、金ゲルマニウムなどから成る電極６、７とのオーミック接触を得やすくするために、１×１０^１７〜１×１０^１９ａｔｍ・ｃｍ^−３程度の電子密度にする。電子密度を制御するｎ型不純物には、錫（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、シリコン（Ｓｉ）などがある。ｎ型ガリウム砒素活性層４は１．５μｍ前後の厚みに形成され、１×１０^１６ａｔｍ・ｃｍ^−３前後の電子密度に設定される。この活性層４の膜厚Ｌと電子密度Ｎによって発振周波数と発振効率が決定し、これらを所望の値にするために最適化される。
【００２０】
ｎ型ガリウム砒素活性層４は、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層３の周縁部が環状に露出するように形成され、この第一のｎ^＋型ガリウム砒素層３の環状の露出部にはアノード電極７が環状に形成されると共に、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層５上には、カソード電極６が円状に形成される。このカソード電極６及びアノード電極７は、金ゲルマニウム６ａ、７ａ／金６ｂ、７ｂ上に金６ｃ、７ｃを形成した構造を有する。
【００２１】
次に、図１に基づいて、請求項４に係るガンダイオードの製造方法の一実施形態を説明する。まず、シリコン基板１上にＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法でガリウム砒素バッファ層２を０．２〜２μｍ成長する。この際、周知の２段階成長法により成長する。つまリ、８５０〜１０００℃でシリコン基板１表面の自然酸化膜を除去し、４００℃前後に冷却した後に非晶質ガリウム砒素層を１００〜１０００℃成膜する。その後５００〜７００℃に昇温しガリウム砒素層を成長する。
【００２２】
このガリウム砒素バッファ層２を成長する時に、その転位密度を低減するために、８５０℃前後から４００℃前後への温度サイクルアニールを数回導入してもよい。また、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）やアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）などの転位低減層を適宜導入してもよい。
【００２３】
次に、アノード電極７を設けるための第一のｎ^＋型ガリウム砒素層３を０．２〜２μｍ成長する。電子密度は金ゲルマニウム等とオーミック接触を得やすくするために１×１０^１７〜１×１０^１９ａｔｍ・ｃｍ^−３が望ましい。
【００２４】
次に、ｎ型ガリウム砒素活性層４を１．５μｍ前後成長する。この活性層４の電子密度は１×１０^１６ａｔｍ・ｃｍ^−３前後で、膜厚と共に発振周波数と発振効率を所望の値にするために最適化される。
【００２５】
次に、カソード電極６を設けるための、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層５を０．２〜２μｍ成長する。電子密度は金ゲルマニウム等とオーミック接触を得やすくするために１×１０^１７〜１×１０^１９ａｔｍ・ｃｍ^−３が望ましい。
【００２６】
次に、ガリウム砒素層エビタキシャル層３、４、５を、直径約５０μｍのメサ状にＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）等によりエッチングする。この際、アノード電極７を形成するための第一のｎ^＋型ガリウム砒素層３を残すため、予めエッチングレートを測定し、時間制御でエッチングを終了する。
【００２７】
次に、カソード電極６とアノード電極７として金ゲルマニウムと金を真空蒸着等で１０００〜５０００Å形成する。周知のフォトリソグラフィーとエッチングやリフトオフ法により、所望の電極パターンを形成する。このように、基板１の同じ側にカソード電極６とアノード電極７を設けると、二つの電極を一回の工程で形成でき、製造工程を簡略化できるという利点があるが、ｎ型のシリコン基板１を用いアノード電極７を基板１の裏面から取り出しても良い。なお、この場合は、ガリウム砒素バッファ層２は、ｎ型にドーピングする必要がある。
【００２８】
次に、カソード電極６とアノード電極７の表面部分に金６ｃ、７ｃを電解メッキにより３〜１０μｍ形成する。
【００２９】
最後に、各ダイオード素子をシリコン基板１をダイシングすることで分離する。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係るガンダイオードによれば、ガンダイオードを形成するための基板として、ガリウム砒素基板に比較して３倍程度の熱伝導率を有するシリコン基板を用いることから、従来のガンダイオードのようにガリウム砒素基板を研磨する必要がなく、プロセス途中で基板を数ｃｍ角に切断する必要がないため、シリコンの大口径基板のままで全プロセスを進めることができ、生産性と歩留まりが大幅に向上する。また、ガンダイオードを形成するシリコン基板をそのまま放熱板として用いることが可能で、高価なダイアモンドヒートシンクを用いる必要がない。
【００３１】
また、請求項４に係るガンダイオードの製造方法によれば、シリコン基板上に、ガリウム砒素層から成るバッファ層、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層、ｎ型ガリウム砒素層、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を順次形成し、前記ｎ型ガリウム砒素層と第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を柱状もしくは錐状にエッチングし、前記第一のｎ^＋型ガリウム砒素層と第二のｎ^＋型ガリウム砒素層にカソード電極とアノード電極を形成し、前記シリコン基板を前記柱状もしくは錐状部ごとに分離することから、カソード電極とアノード電極を同−面側に同時に形成でき、製造プロセスを大幅に簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１に係るガンダイオードの一実施形態を示す図である。
【図２】従来のガンダイオードを示す断面図である。
【図３】従来のガンダイオードの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１：シリコン基板、２：バッファ層、３：第一のｎ^＋型ガリウム砒素層、４：活性層、５：第二のｎ^＋型ガリウム砒素層、６：カソード電極、７：アノード電極

Claims

シリコン基板上に、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層、ｎ型ガリウム砒素層、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を順次積層して設け、この第一のｎ^＋型ガリウム砒素層にアノード電極を接続して設けると共に、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層にカソード電極を接続して設けたガンダイオード。
シリコン基板上に、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層を設け、この第一のｎ^＋型ガリウム砒素層上に、この第一のｎ^＋型ガリウム砒素層が露出するようにｎ型ガリウム砒素層、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を積層して設け、前記第一のｎ^＋型ガリウム砒素層の露出部分にアノード電極を接続して設けると共に、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層上にカソード電極を接続して設けた請求項１に記載のガンダイオード。
前記シリコン基板と第一のｎ^＋型ガリウム砒素層との間に、ガリウム砒素から成るバッファ層を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガンダイオード。
シリコン基板上に、ガリウム砒素層から成るバッファ層、第一のｎ^＋型ガリウム砒素層、ｎ型ガリウム砒素層、第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を順次形成し、前記ｎ型ガリウム砒素層と第二のｎ^＋型ガリウム砒素層を柱状もしくは錐状にエッチングし、前記第一のｎ^＋型ガリウム砒素層と第二のｎ^＋型ガリウム砒素層にアノード電極とカソード電極を形成し、前記シリコン基板を前記柱状もしくは錐状部ごとに分離するガンダイオードの製造方法。