JP3946360B2

JP3946360B2 - Gunn diode, manufacturing method thereof, and mounting structure thereof

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Publication number: JP3946360B2
Application number: JP25900698A
Authority: JP
Inventors: 敦中川; 健一渡邊
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2018-09-11
Also published as: JP2000022241A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波の発振用として使用されるガンダイオードに係り、特に放熱性の向上、歩留まり向上、平面回路への実装容易性等を実現したガンダイオード、その製造方法、およびその実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波やミリ波の発振用のガンダイオードは、通常ガリウム砒素（GaAs)やインジウムリン(InP)のような化合物半導体で形成されている。これらの化合物半導体において、低電界では電子の移動度が数千cm²/V・secと大きいのに対し、高電界が加わると加速された電子が有効質量の大きいバンドに遷移してその移動度が低下し、バルク内に負性微分移動度が生じ、結果的に電流電圧特性の負性微分コンダクタンスが現れ、熱力学的不安定が生じる。このため、ドメインが発生し、カソード側からアノード側へ走行する。これが繰り返される結果、振動電流（発振）が得られる。
【０００３】
このドメインが走行する距離によってガンダイオードの発振周波数が決定される。ミリ波用のガンダイオードの場合、この走行距離を１〜２μmと極めて短くする必要がある。しかも、十分な発振効率を得るためには、ドメインの走行空間（活性層）の不純物濃度と厚さの積を所定の値（例えば、１×１０¹²/cm²）に設定する必要があり、また発振周波数は一義的に活性層の厚みで決まるためミリ波のような高周波帯では活性層の不純物濃度はかなり高くなる。そして、動作状態での電流密度は活性層の不純物濃度と飽和電子速度との積により決まり、ミリ波帯では電流密度の増大により活性層の温度が上昇し、発振効率が低下してしまう。
【０００４】
そこで、このような問題を解消するために、従来のミリ波用ガンダイオードでは、メサ型構造をとることによって、活性層を含めた素子の大きさを数１０μm直径程度と極めて小さく形成するとともに、もっとも重要な性能指数を左右する発振効率に大きな影響を及ぼす放熱効率の良いセラミック製等の放熱部を備えたピル型パッケージ内に組み立てられていた。
【０００５】
図２０に従来のメサ型構造のガリウム砒素ガンダイオード素子１００の断面図を示す。高濃度ｎ型ガリウム砒素からなる半導体基板１０１上にＭＢＥ法により高濃度ｎ型ガリウム砒素からなる第１のコンタクト層１０２、低濃度ｎ型ガリウム砒素からなる活性層１０３、高濃度ｎ型ガリウム砒素からなる第２のコンタクト層１０４が順次積層され、電子の走行空間の面積を小さくするため、メサ型構造がとられている。
【０００６】
その後、半導体基板１０１の裏面を薄層化し、その半導体基板１０１の裏面にカソード電極１０５を形成するとともに、第２のコンタクト層１０４の表面にアノード電極１０６を形成してから、素子分離を行い、ガンダイオード素子を完成させる。
【０００７】
このように形成されたガンダイオード素子１００は、図２１に示すようなピル型パッケージ１１０内に組み立てられる。このピル型パッケージ１１０は、放熱基台電極１１１と、ガンダイオード素子１００を取り囲む外囲器となるガラスやセラミックスからなる円筒１１２とを有し、この円筒１１２は放熱基台電極１１１に硬ロウ付けされた構造となっている。ガンダイオード素子１００は、図示しないサファイア材等のボンデングツールにて静電吸着され、放熱基台電極１１１に接着される。
【０００８】
更に、金リボン１１３によりガンダイオード素子１００と円筒１１２の先端に設けられた金属層とが熱圧着等により接続される。金リボン１１３の接続を行った後、円筒１１２上に蓋状の金属デイスク１１４をロウ付けし、ピル型パッケージ１１０への組立が終了する。
【０００９】
ピル型パッケージ１１０に組み立てられたガンダイオードのマイクロストリップ線路１２０への実装構造の一例を図２２に示す。ピル型パッケージ１１０の両電極１１１，１１４の一方は、アルミナ等からなる平板絶縁基板１２１に形成された孔に貫入してその平板基板１２１の裏面に形成された接地電極１２２と電気的に接続され、他方は、金リボン１２３によって平板基板１２１上にマイクロストリップ線路として形成された信号線路１２４に接続される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のガンダイオード素子１００は、前記したメサ型構造とするために、通常、ホトレジストをエッチングマスクとして使用し、化学的な湿式エッチングによる方法で形成されるが、このエッチング方法では、深さ方向だけでなく、横方向にも同時にエッチングが進行し、電子の走行空間（活性層）の制御が非常に難しいという製造上の難点があり、ガンダイオード素子の素子特性がばらつくという問題点があった。
【００１１】
また、ピル型パッケージ１１０に組み立てる際には、放熱基台電極１１１にガンダイオード素子１００を接着する時、前記ボンデイングツールが視野を遮り、放熱基台電極１１１を直接視認することが困難となり、組立作業効率が非常に悪いという問題があった。
【００１２】
更に、ガンダイオード素子１００を組み込んだピル型パッケージ１１０を平板基板１２１上に構成したマイクロストリップ線路１２０に実装する際に、金リボン１２３によって接続するので、寄生インダクタンスが発生し、特性がばらつくという実装上の問題点があった。
【００１３】
本発明の目的は、上記製造上、組み立て上、実装上の問題点を解消するガンダイオード、その製造方法およびその実装構造を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このため、第１の発明のガンダイオードは、半導体基板上に、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層が順に積層されたガンダイオードにおいて、前記第２の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための第１、第２の電極と、該第１の電極の周囲から前記第２の半導体層および前記活性層に向けて切り込まれ、且つ前記第１の電極が接続される前記第２の半導体層および前記活性層をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部と、を備えるよう構成した。
第２の発明のガンダイオードは、第１の発明において、前記第２の電極と前記第１の半導体層との間を短絡する導電性膜を前記凹部内に設けて構成した。
第３の発明のガンダイオードは、第１又は第２の発明において、前記第１、第２の電極が、下地電極層と、該下地電極層に連続して上面が略同じレベルの高さに形成された導電性突起部より構成されるようにした。
第４の発明のガンダイオードは、第１乃至第３のいずれか１つの発明において、前記第１の電極の前記導電性突起部を略中央部に形成し、その両側に前記第２の電極の前記導電性突起部を形成して構成した。
第５の発明のガンダイオードは、第１乃至第４のいずれか１つの発明において、前記第１の電極の面積を、前記第２の電極の面積の１／１０以下に設定して構成した。
第６の発明のガンダイオードは、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、前記第１の電極および前記第１の電極の周囲から切り込まれた前記凹部が２以上形成されているよう構成した。
第７の発明のガンダイオードは、第１乃至第６のいずれか１つの発明において、前記半導体基板、前記第１の半導体層、前記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウム砒素又はインジウムリンからなるよう構成した。
第８の発明のガンダイオードは、第１乃至第７のいずれか１つの発明において、前記第２の電極を、前記第２の半導体層上に配置することに代えて、前記第２の半導体層および前記活性層の一部が除去され露出する前記第１の半導体層に直接接続して構成した。
第９の発明のガンダイオードは、第１乃至第８のいずれか１つの発明において、前記半導体基板の裏面に第３の電極を設け、該第３の電極と前記第１の電極とを前記活性層への電圧印加用とし、前記第２の電極をスペーサ用に代えて構成した。
第１０の発明のガンダイオードの製造方法は、半導体基板上に、第１のコンタクト層となる第１の半導体層と、活性層と、第２のコンタクト層となる第２の半導体層とを順に積層形成する第１の工程と、前記第２のコンタクト層上に所定の面積比のアノード電極又はカソード電極となる第１、第２の電極を分離して形成する第２の工程と、前記第１、第２の電極をマスクとしてドライエッチングにより前記第２の半導体層および活性層を除去する第３の工程と、を有するよう構成した。
第１１の発明のガンダイオードの製造方法は、第１０の発明において、前記第２の工程が、所定形状の前記第１、第２の電極用の下地電極層を形成した後に、該下地電極層上にほぼ同じ高さの導電性突起部を形成する工程を含むよう構成した。
第１２の発明のガンダイオードの製造方法は、第１０又は第１１の発明において、前記半導体基板、前記第１の半導体層、前記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウム砒素又はインジウムリンからなるよう構成した。
第１３の発明のガンダイオードの実装構造は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を形成し裏面に接地電極を形成したマイクロストリップ線路の該表面に、前記裏面の接地電極からヴィアホールを介して接続される表面接地電極を形成し、前記信号電極と前記表面接地電極とに、第１乃至８のいずれか１つの発明のガンダイオードの第１、第２の電極をそれぞれ接続搭載して構成した。
第１４の発明のガンダイオードの実装構造は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極および一対の接地電極を形成したコプレーナ線路の該信号電極と該接地電極とに、第１乃至８のいずれか１つの発明のガンダイオードの第１、第２の電極をそれぞれ接続搭載して構成した。
第１５の発明のガンダイオードの実装構造は、第１３又は第１４の発明において、前記信号電極の一端が前記ガンダイオードの第１の電極が接続された箇所から長さＬで開放し、該長さＬの第１の電極部分を共振器として働かせ、該長さＬにより発振周波数を決定するように構成した。
第１６の発明のガンダイオードの実装構造は、絶縁性基板でなるヒートシンクに第４、第５の電極を形成し、前記第９の発明のガンダイオードの第１の電極を前記ヒートシンクの第４の電極に直接接続搭載し、前記第９の発明のガンダイオードの第２の電極を前記ヒートシンクの第５の電極に直接接続搭載し、前記第９の発明のガンダイオードの前記第３の電極と前記ヒートシンクの前記第４の電極との間に電圧が印加されるように構成した。
第１７の発明のガンダイオードの実装構造は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を形成し裏面に放熱基台を兼ねる接地電極を形成したマイクロストリップ線路に、表面から裏面の接地電極に至る穴を形成し、該穴内において、前記第１６の発明のヒートシンクの第５の電極を前記接地電極に接続し、前記第１６の発明のガンダイオードの第３の電極を前記マイクロストリップ線路の信号電極に導電線で接続して構成した。
第１８の発明のガンダイオードの実装構造は、第１３乃至第１７のいずれか１つの発明において、前記信号電極、前記接地電極、および前記ガンダイオードにより、あるいはこれに誘電体共振器を付加することにより、所定の周波数で発振する発振回路を構成した。
第１９の発明のガンダイオードの実装構造は、第１８の発明において、前記信号電極の内の発振回路の電極として機能する部分の少なくとも一部を導体の平板基板により覆い、該平板基板の該導体部分を前記接地電極に接続して構成した。
第２０の発明のガンダイオードの実装構造は、第１３乃至第１９のいずれか１つの発明において、前記マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路の平板基板の比抵抗を10⁶オーム・ｃｍ以上とし、かつ熱電導率を１４０Ｗ／mK以上とした。
第２１の発明のガンダイオードの実装構造は、第１３乃至第２０のいずれか１つの発明において、前記マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路の平板基板が、ＡｌＮ、ＳｉＣ、又はダイヤモンドの少なくとも一つから構成されているようにした。
【００３５】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態のガリウム砒素より構成されたガンダイオード素子１０の構造を示す図で、その(a)は平面図、(b)は断面図である。図２は製造工程図である。
【００３６】
まず、図２の内容に従って示す製造工程を説明する。不純物濃度が１〜２×10¹⁸atom/cm ³のｎ型ガリウム砒素からなる半導体基板１１上にＭＢＥ法により、不純物濃度が２×10¹⁸atom/cm ³で厚さ1.5μmのｎ型ガリウム砒素からなる第１のコンタクト層１２、不純物濃度が1.2×10¹⁶atom/cm ³で厚さ1.6μmのｎ型ガリウム砒素からなる活性層１３、不純物濃度が１×10¹⁸atom/cm ³で厚さ0.3μmのｎ型ガリウム砒素からなる第２のコンタクト層１４を順次積層した半導体基板を用意する。
【００３７】
第２のコンタクト層１４上に、カソード電極およびアノード電極形成予定領域を開口するホトレジストをパターニングし、第２のコンタクト層１４とオーミック接触するＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕ等からなる金属膜（下地電極層）を蒸着する。ホトレジストを除去した後、加熱処理（アニール）を行い、第２のコンタクト層１４上に、カソード電極１５およびアノード電極１６を分離して形成する（図２の(a)）。図１に示すように、カソード電極１５の平面形状は縁が方形、アノード電極１６の平面形状は円形であるが、楕円形、略正方形等を選択することもできる。
【００３８】
次に、カソード電極１５およびアノード電極１６表面の一部を開口するように、ホトレジスト１７をパターンニングし、開口内に電解メッキ法あるいは無電解メッキ法によって、Ａｕ等からなる導電性突起部であるバンプ（電極）１８、１９を析出形成する（図２の(b)）。
【００３９】
次に、ホトレジスト１７を除去することにより、カソード電極１５およびアノード電極１６を形成した第２のコンタクト層１４を露出させてから、カソード電極１５およびアノード電極１６をマスクとして使用し、塩素ガス等を用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングにより、第２のコンタクト層１４および活性層１３を除去し、上記アノード電極１６の周辺に略メサ状の、あるいは垂直状の凹部２０を形成する（図２の(c)）。このように、上部のカソード電極１５とアノード電極１６をマスクとした自己整合による垂直方向のエッチングにより、目標とする凹部２０を正確に形成することができる。
【００４０】
ここで、凹部２０によって区画されたアノード電極１６が接続される活性層１３の面積は、ガンダイオードの所定の動作電流が得られる面積（横方向断面積）に設定される。つまり、ガンダイオードとして機能可能な面積に設定される。また、カソード電極１５が接続される活性層１３の面積は、アノード電極１６が接続される活性層１３の面積の１０倍以上として、カソード電極１５下方の半導体積層部の電気抵抗をアノード電極１６下方の半導体積層部の電気抵抗の１／１０以下とすることで、この部分をガンダイオードとしては機能させず、実質的に低い値の抵抗として機能させ、カソード電極１５を実質的に第１のコンタクト層１２に接続させる。以上の活性層１３の面積比は、１０未満の場合、動作効率が低下するのみで効果がなく、１０以上にする必要があり、１００以上とすることが好ましい。
【００４１】
なお、凹部２０の切り込み深さは、活性層１３の全部を除去する深さとしているが、ある程度活性層１３の部分が残るようにしても、また第１のコンタクト層１２にある程度食い込むようにしてもよい。
【００４２】
なお、ここでは、カソード電極下方の活性層面積をアノード電極のそれより大きくしたが、逆にアノード電極下方の活性層面積をカソード電極のそれより大きくしても良い。つまり、アノード電極とカソード電極は相互に取り替えることができる。また、ここでは活性層１３の不純物濃度の濃度勾配が無いようにしたので、アノード電極１９とカソード電極１８は逆であっても差し支えないが、濃度勾配を付けたときは、濃度の低い側の電極がカソード電極、高い側の電極がアノード電極となる。
【００４３】
次に、通常のガンダイオードの製造工程に従い、ガンダイオード全体の厚さが６０μm程度となるように、半導体基板１１の裏面を研磨し薄層化する。その後、必要に応じて、半導体基板１１の裏面に、半導体基板１１とオーミック接触するＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕ等からなる金属膜２１を蒸着し、加熱処理（アニール）を行う（図２の(d)）。
【００４４】
半導体基板１１の裏面に形成する金属膜２１は必ずしも必要ないが、後記する実装構造（図１５）をとる場合には、カソード電極１５に代えたカソード電極として機能させることができる。このとき、カソード電極１５とアノード電極１６との面積比には、上記した１／１０以下にするというような制約はなくなる。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態のガンダイオード１０は、半導体積層部分にアノード電極１６を囲むように凹部２０を形成することにより、ガンダイオードとして機能する部分と、そのガンダイオード部分の第１のコンタクト層１２への外部からの電圧印加路として働く低抵抗層部分とに分離した構造であるので、第２のコンタクト層１４の上面にカソード電極１５とアノード電極１６の両電極を設けることができる。つまり、同一の面にカソード電極１５とアノード電極１６をまとめることができる。このため、後記するように、実装上、放熱上等で大きな利点を発揮する。
【００４６】
また、動作電流を決定する領域（ガンダイオードとして機能する部分）を画定するエッチングを、その領域の上部に形成した電極をマスクとした自己整合的ドライエッチングにより行うため、従来の化学的湿式エッチングに比べて製造バラツキが少なく、歩留まりを高くすることができる。
【００４７】
図３の(a)は図１の(b)に示したガンダイオード素子１０の変形例１０’を示す図であり、凹部２０の内において、導電性膜２２を被着し、第１のコンタクト層１２とカソード電極１５を短絡する構造としたものである。このようにすれば、カソード電極１５から第１のコンタクト層１２までの間の寄生抵抗が大きい場合に、その寄生抵抗の影響を防止でき、カソード電極１５に印加する電圧をほとんど損失なく、第１のコンタクト層１２に伝達することができる。
【００４８】
なお、このガンダイオード素子１０’の考え方を更に押し進めたものとして、図３の(b)に示すガンダイオード素子１０”のように、カソード電極１５を第１のコンタクト層１２の上面に直接形成し、その上面にバンプ１８を形成し、他は図１の(b)に示す構造と同様にして、バンプ１８，１９の上面が同一レベルの高さで並ぶようにすることもできる。
【００４９】
［第２の実施の形態］
図４はガンダイオード素子１０をマイクロストリップ線路３０を形成する平板回路基板に実装して発振器を構成した構造の一例を示す図である。ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ダイアモンド等のように比抵抗が10⁶Ω・cm以上、熱電導率が１４０W/mK以上で良好な半絶縁性の平板基板３１上に、信号電極３２が、また裏面に接地電極３３が形成されている。３４はタングステンを充填したヴィアホールであり、裏面の接地電極３３と表面に形成した表面接地電極３５を接続している。
【００５０】
ガンダイオード素子１０はそのアノード電極のバンプ１９が信号電極３２に接着され、カソード電極のバンプ１８が接地電極３４に接着されている。３２Aはガンダイオード素子１０に電源電圧を供給するバイアス部の電極、３２Ｂはガンダイオード素子１０を含むマイクロストリップ線路による共振器を構成する電極、３６は直流カットを行うコンデンサ部、３２Ｃはマイクロストリップ線路による信号出力部の電極である。
【００５１】
この実装構造では、ガンダイオード素子１０をフェースダウン姿勢にして、バンプ１８，１９を電極３５，３２に直接接続し、金リボンを使用しないので、金リボンによる接続に起因し発生していた寄生インダクタンスの発生がなくなり、特性のばらつきの少ない発振器を実現することが可能になる。
【００５２】
また、ガンダイオード素子１０に発生する熱がバンプ１８，１９を介してヒートシンクとしても機能する基板３１に放散されるので、放熱効果も高くなる。さらに、このようなガンダイオード素子１０の実装状態では、アノード電極のバンプ１９の両側にカソード電極のバンプ１８が位置するので、アノード電極に過度の加重が加わることが防止される。
【００５３】
図５は図４に示した発振器において、そのバイアス部の電極３２Ａを信号出力部の電極３２Ｃ側に設けたものである。この図５に示す構造の平板基板３１の平面は、図６の(a)に示すようになり、先端開放の電極３２Ｂの長さＬを調整することで、発振周波数と発振出力を設定することができる。図７はこれを示す特性図であり、電極３２Ｃの特性インピーダンスを５０Ω、電極３２Ｂの特性インピーダンスを３５Ωにした場合のものである。
【００５４】
図８は発振スペクトラムを示す図であり、ピーク発振周波数が58.68ＧＨｚにおいて、位相雑音が１００ＫＨｚオフキャリア（離れたところ）で−85dB／Hzとなっており、導波管キャビティによるガンダイオード発振器よりも良好な値を示している。なお、図８では−46.7dBであるが、
−47.6dB＋2.5dB＋10log（１Hz／（10KHz×1.2））＝−85dB
の式により、−85dB／Hzとなる。
【００５５】
なお、図６の(b)に示したように、ガンダイオード素子１０の中央のアノード電極のバンプ１９を、ヴィアホールで裏面の接地電極に接続された表面接地電極３５’に接続し、両側のカソード電極のバンプ１８の一方を共振器の電極３２Ｂ’に、他方を出力用の電極３２Ｃにそれぞれ接続して発振器を構成したときは、図９に示すように、ピーク発振周波数が61.63ＧＨｚにおいて、位相雑音が１００ＫＨｚオフキャリアで−75dB／Hz（図９では−36.7dB／Hzであるが上記式と同様の式により求めた。）となっており、図６の(a)に示した接続構造に比べて１０ｄＢだけ劣化していることが分かった。
【００５６】
この理由は、図６の(a)の接続構造では、ガンダイオード素子１０の半導体基板１１がバンプ１８や表面接地電極３５等を介して接地され、その半導体基板１１が遮蔽板として機能し、発振器の放射損によるＱの低下が抑制され、これにより位相雑音が改善されているものと推定される。
【００５７】
図１０は図５に示した発振器において、表面接地電極３５に並ぶように電極３２Ｂの両側に沿って別の表面接地電極３５’を形成して、これをヴィアホール（図示せず）で裏面の接地電極３３に接続し、発振器を構成する電極３２Ｂを覆うように導電性の平板基板８０を設けたものである。この平板基板８０は表面接地電極３５’に接続するためのバンプ８１を両側に持つ。
【００５８】
この図１０に示す構造では、導電性の平板基板８０がバンプ８１、表面接地電極３５’を介して接地されるので、共振器における放射損がさらに抑制され、高いＱをもつ共振器を実現できる。平板基板８０は、少なくともその１部が金属電極で覆われた構造であれば、基板自体は半絶縁性の材質であっても良い。また、この平板基板８０を使用せずに、ガンダイオード素子１０のチップサイズを大きくして、ガンダイオード素子１０の半導体基板１１により電極３２Ｂを覆うように構成しても、同様に高いＱを得ることができる。また、表面接地電極３５’は表面接地電極３５を延長して形成してもよい。
【００５９】
［第３の実施の形態］
図１１はガンダイオード素子１０をコプレーナ線路４０を構成する回路基板に実装した構造の一例を示す図である。４１は前記基板３１と同様の材質からなる半絶縁性の平板基板であり、上面に信号線路を形成する信号電極４２と、それを挟むように１対の接地電極４３が形成されている。
【００６０】
ここでは、ガンダイオード素子１０は、そのアノード電極のバンプ１９が中央の信号線路４２に、カソード電極のバンプ１８が両側の接地電極４３に直接接合されている。これにより、信号電極４２と接地電極４３の間に印加された電圧がガンダイオード素子１０のアノード電極とカソード電極との間に印加され、発振を起こさせることができる。この図１１に示す実装構造においても、図４、図５、図１０に示した実装構造と同様に、特性を安定化し、放熱効果が高くなり、アノード電極が保護される等の作用効果がある。
【００６１】
図１２は＋3.0Ｖ印加のためのバイアス部としての電極４２Ａを信号線路４２に連続して形成したものである。この電極４２Ａの周囲には接地電極４３により電源への影響を緩和するためのチョークが形成されている。ここでも、発振器を構成する電極３２Ｂのガンダイオード素子１０の部分から開放先端までの長さを調整することにより、発振周波数や発振出力を設定することができる。４２Ｃは信号出力部の電極である。
【００６２】
図１３は前記した図１０と同じ発想に基づくものであり、発振器を構成する電極４２Ｂの上面を導電性の平板基板８０で覆い、その平板基板８０の両側のバンプ８１を接地導体４３に接続したものである。これにより、共振器における放射損が抑制され、高いＱをもつ共振器を実現できる。
【００６３】
［第４の実施の形態］
図１４はガンダイオード素子１０の放熱構造を示す図である。５０はダイアモンド基板５１を使用したヒートシンクであり、ガンダイオード素子１０のカソード電極のバンプ１８が接続される電極５２、アノード電極のバンプ１９が接続される電極５３が形成されている。電極５２は電極５３から分離独立し、電極５３は接地電極５４に連続している。
【００６４】
ガンダイオード素子１０はガンダイオードとして機能するアノード電極に対応する半導体積層部分で熱が発生するが、その熱はバンプ１８，１９（主としてバンプ１９）を介してヒートシンク５０に伝達され、冷却作用が行われる。
【００６５】
図１５は図１４に示したガンダイオード素子１０の実装構造を、マイクロストリップ線路６０に組み込んだものである。ガンダイオード素子１０を実装したヒートシンク５０を、このマイクロストリップ線路６０に形成した穴６１内で、放熱基台を兼ねた接地電極６２に接着させ、アルミナの平板基板６３上の信号電極６４とガンダイオード素子１０の裏面のカソード電極２１を金リボン２２で接続している。
【００６６】
この構造では、信号電極６４と接地電極６２の間に印加された電圧が金リボン２２とヒートシンク５０の電極５３，５４を経由して、カソード電極２１とアノード電極１９に印加する。ここでは、カソード電極１５のバンプ１８はフェースダウン姿勢を両側で保持するスペーサとして機能し、電流伝達経路としては機能しない。この構造は非常に簡単であり、従来のピルパッケージ１１０を使用する場合に比べて大幅なコストダウンが可能である。
【００６７】
［第５の実施の形態］
図１６は別の例のガンダイオード素子１０Ａの構造を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。ここでは、アノード電極１９を４個独立して形成し、これに対応して４個の凹部２０によって、４個のメサ型構造のガンダイオード部分を形成している。個々のメサ型構造のガンダイオード部分は、電圧が共通に印加されるので、動作時は並列接続された状態となる。
【００６８】
ここではメサ型構造部分の半径を小さくすることができ、４個のメサ型構造のガンダイオード部分の合計面積と等しい１個のメサ型構造のガンダイオード部分と比べて、放熱効果が格段に高くなるので、変換効率（入力電力と出力電力の比率）や発振電力を大幅に高くすることが可能となる。なお、メサ型構造部分の面積を小さくするとその強度が弱くなり、実装の段階での破損が危惧されるが、カソード電極のバンプ１８がその周囲に形成され、この部分が実質的に荷重を受けることになるので、破損のおそれはない。なお、メサ型構造の独立したガンダイオード部分は、４個に限られるものではない。また、この複数のガンダイオードの断面積は、同一である必要はなく、その断面形状（アノード電極の形状）も丸形に限られず、任意形状にすることができる。
【００６９】
図１７はこの変換効率率η（％）と発振電力Ｐ（ｍＷ）をメサ型構造のガンダイオード部分の数による変化を調べた特性図である。メサ型構造のガンダイオード部分の数をアノード電極合計面積を変更することなく４個から９個にすると、発振効率、発振電力ともに高くなっていることがわかる。図１８はメサ型構造のガンダイオード部分を前記とは異なるアノード電極合計面積で４個から６個に変化させたときの同様の特性図であり、同様の傾向を確認できる。
【００７０】
なお、これらの測定は、図１９に示すように導波管に実装した条件のもとで行った。７０は導波管、７１はその導波管７０内に設けた導電性台座（アノード）、７２はこの台座７１上に絶縁基板７３を接着するソルダである。複数のアノード電極をもつガンダイオード素子１０Ａは、フェースダウン姿勢でそのカソード電極のバンプ１８を電極７４を介して絶縁基板７３上に支持し、アノード電極のバンプ１９を電極７５、絶縁基板７３に形成されたヴィアホール７６、およびソルダ７２を介して台座７１に接続した。また、導波管７０にはバイアス電圧が印加されるバイアスポスト７７を差し込み、その下端を金リボン７８を介してガンダイオード素子１０Ａの裏面の電極２１に接続した。
【００７１】
［その他の実施の形態］
なお、以上の説明は半導体としてガリウム砒素を用いた例を示したが、インジウムリンその他の化合物半導体を使用しても、同様の効果が生じる。また、以上説明したストリップ線路やコプレーナ線路にガンダイオード素子を実装して発振器を構成する場合は、さらにこれに誘電体共振器を付加することもできる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のガンダイオードは、ガンダイオードとして機能する領域を画定するエッチングを、その領域の上部に形成した電極層をマスクとした自己整合的ドライエッチングにより行うため、ガンダイオードの特性のばらつきを少なくすることができる。
【００７３】
また、本発明のガンダイオードでは、同一面に同じレベルの高さでカソード電極とアノード電極を設けることができるため、フェースダウンの姿勢で実装できる。このため、従来のようなピル型パッケージに組み立てる必要がなく、平板基板への組み立てが容易に可能であり組み立て上の利点が大きい。
【００７４】
さらに、実装時に金リボン等によって微小電極と接続する必要がないため、寄生インダクタンスの発生がなく、金リボンの長さのばらつきなどに起因する回路特性のばらつきをなくすことができる。
【００７５】
さらに、実質的にガンダイオードとして機能するメサ型構造部分を複数個に分離して構成することにより、放熱効率が格段に良くなり、発振効率や発振電力を大幅に向上させることができる。
【００７６】
さらに、発振器を構成するよう実装したとき、その発振器の部分が、ガンダイオード又はそれに加えて導電性の平板基板により遮蔽されるので、位相雑音を大幅に低減させそのＱを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のガンダイオード素子を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図２】上記ガンダイオード素子の製造方法を説明する図である。
【図３】 (a),(b)は上記ガンダイオード素子の変形例を示す断面図である。
【図４】上記ガンダイオード素子をマイクロストリップ線路に実装した第２の実施の形態の斜視図である。
【図５】図４の実装構造の変形例の斜視図である。
【図６】 (a),(b)はガンダイオード素子の実装形態の表面図である。
【図７】発振器としてガンダイオード素子実装したとき電極３２Ｂの長さＬによる発振周波数と発振出力の特性図である。
【図８】ガンダイオード素子を図６の(a)の向きで実装したときの発振周波数のスペクトラム図である。
【図９】ガンダイオード素子を図６の(b)の向きで実装したときの発振周波数のスペクトラム図である。
【図１０】図５の実装構造に平板基板を追加実装した斜視図である。
【図１１】上記ガンダイオード素子をコプレーナ線路に実装した第３の実施の形態の斜視図である。
【図１２】図１１の実装構造の変形例の斜視図である。
【図１３】図１２の実装構造に平板基板を追加実装した斜視図である。
【図１４】ガンダイオード素子をフェースダウン姿勢でヒートシンクに実装した第４の実施の形態を示す図で、(a)はヒートシンクの平面図、(b)は実装状態の断面図である。
【図１５】図１４に示したヒートシンクに実装したガンダイオード素子をマイクロストリップ線路にさらに実装した状態を示す断面図である。
【図１６】本発明の第５の実施の形態のガンダイオード素子を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図１７】ガンダイオード素子のある特定の合計面積のメサ型構造部分の数に応じた出力電力と変換効率の特性を示す図である。
【図１８】ガンダイオード素子の別の合計面積のメサ型構造部分の数に応じた出力電力と変換効率の特性を示す図である。
【図１９】図１７、図１８の特性測定に使用したガンダイオード実装状態の説明図である。
【図２０】従来のメサ型構造のガンダイオードの断面図である。
【図２１】従来のメサ型構造のガンダイオードをピル型パッケージに組み込んだ断面図である。
【図２２】ピル型パッケージをマイクロストリップ線路に搭載した説明図である。
【符号の説明】
１０、１０’、１０”１０Ａ：ガンダイオード素子、１１：半導体基板、１２：第１のコンタクト層、１３：活性層、１４：第２のコンタクト層、１５：カソード電極、１６：アノード電極、１７：ホトレジスト、１８，１９：バンプ、２０：凹部、２１：金属膜、２２：金リボン、
３０：マイクロストリップ線路、３１：平板基板、３２：信号電極、３３：接地電極、３４：ヴィアホール、３５、３５’：表面接地電極、
４０：コプレーナ線路、４１：平板基板、４２：信号電極、４２：接地電極、
５０：ヒートシンク、５１：基板、５２〜５４：電極、
６０：マイクロストリップ線路、６１：穴、６２：接地電極（放熱基台）、６３：平板基板、６４：接地電極、
７０：導波管、７１：導電性台座（アノード）、７２：ソルダ、７３：絶縁基板、７４、７５：電極、７６：ヴィアホール、７７：バイアスポスト、７８：金リボン
８０：平板基板、３１：バンプ、
１００：従来のガンダイオード素子、１０１：半導体基板、１０２：第１コンタクト層、１０３：活性層、１０４：第２のコンタクト層、１０５：カソード電極、１０６：アノード電極、
１１０：ピル型パッケージ、１１１：放熱基台電極、１１２：円筒、１１３：金リボン、１１４：金属ディスク、
１２０：マクロストリップ線路、１２１：平板基板、１２２：接地電極、１２３：金リボン、１２４：信号電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Gunn diode used for microwave or millimeter wave oscillation, and in particular, a Gunn diode realizing improved heat dissipation, improved yield, ease of mounting on a planar circuit, etc. It relates to the mounting structure.
[0002]
[Prior art]
A Gunn diode for microwave and millimeter wave oscillation is usually formed of a compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs) or indium phosphide (InP). In these compound semiconductors, the electron mobility is several thousand cm at low electric fields.²On the other hand, when a high electric field is applied, accelerated electrons transition to a band with a large effective mass and its mobility decreases, resulting in negative differential mobility in the bulk. Negative differential conductance of current-voltage characteristics appears and thermodynamic instability occurs. For this reason, a domain is generated and travels from the cathode side to the anode side. As a result of repeating this, an oscillating current (oscillation) is obtained.
[0003]
The oscillation frequency of the Gunn diode is determined by the distance traveled by this domain. In the case of a millimeter-wave Gunn diode, it is necessary to make the travel distance as extremely short as 1 to 2 μm. In addition, in order to obtain sufficient oscillation efficiency, the product of the impurity concentration and the thickness of the traveling space (active layer) of the domain is set to a predetermined value (for example, 1 × 10¹²/cm²In addition, since the oscillation frequency is uniquely determined by the thickness of the active layer, the impurity concentration of the active layer becomes considerably high in a high frequency band such as a millimeter wave. The current density in the operating state is determined by the product of the impurity concentration of the active layer and the saturation electron velocity, and in the millimeter wave band, the temperature of the active layer rises due to the increase of the current density, and the oscillation efficiency decreases.
[0004]
Therefore, in order to solve such a problem, the conventional millimeter-wave Gunn diode has a mesa structure, so that the size of the element including the active layer is as small as several tens of μm in diameter. It was assembled in a pill-type package with a heat-dissipating part made of ceramic, etc. with good heat-dissipating efficiency that greatly affects the oscillation efficiency that affects the most important figure of merit.
[0005]
FIG. 20 shows a cross-sectional view of a conventional mesa-type gallium arsenide gun diode element 100. A first contact layer 102 made of high-concentration n-type gallium arsenide, an active layer 103 made of low-concentration n-type gallium arsenide, and a high-concentration n-type gallium arsenide are formed on a semiconductor substrate 101 made of high-concentration n-type gallium arsenide by MBE. The second contact layers 104 are sequentially stacked, and a mesa structure is adopted in order to reduce the area of the electron travel space.
[0006]
Thereafter, the back surface of the semiconductor substrate 101 is thinned, the cathode electrode 105 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 101, the anode electrode 106 is formed on the surface of the second contact layer 104, and element isolation is performed. Complete the Gunn diode element.
[0007]
The Gunn diode element 100 thus formed is assembled in a pill type package 110 as shown in FIG. The pill type package 110 has a heat radiation base electrode 111 and a cylinder 112 made of glass or ceramics that serves as an envelope surrounding the Gunn diode element 100, and the cylinder 112 is brazed to the heat radiation base electrode 111. It has a structured. The Gunn diode element 100 is electrostatically adsorbed by a bonding tool such as a sapphire material (not shown) and bonded to the heat radiation base electrode 111.
[0008]
Further, the Gunn diode element 100 and the metal layer provided at the tip of the cylinder 112 are connected by a gold ribbon 113 by thermocompression bonding or the like. After the gold ribbon 113 is connected, a lid-shaped metal disk 114 is brazed onto the cylinder 112, and the assembly into the pill package 110 is completed.
[0009]
An example of the mounting structure of the Gunn diode assembled in the pill package 110 on the microstrip line 120 is shown in FIG. One of the electrodes 111 and 114 of the pill package 110 penetrates into a hole formed in the flat insulating substrate 121 made of alumina or the like and is electrically connected to the ground electrode 122 formed on the back surface of the flat substrate 121. The other is connected to a signal line 124 formed as a microstrip line on the flat substrate 121 by a gold ribbon 123.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional Gunn diode element 100 is usually formed by a chemical wet etching method using a photoresist as an etching mask in order to obtain the above-described mesa structure. Etching progresses not only in the direction but also in the lateral direction at the same time, and there is a manufacturing difficulty that it is very difficult to control the electron travel space (active layer), and the device characteristics of the Gunn diode element vary. It was.
[0011]
Further, when assembling the pill type package 110, when the Gunn diode element 100 is bonded to the heat dissipation base electrode 111, the bonding tool blocks the field of view and it is difficult to directly view the heat dissipation base electrode 111. There was a problem that work efficiency was very bad.
[0012]
Further, when the pill type package 110 incorporating the Gunn diode element 100 is mounted on the microstrip line 120 formed on the flat substrate 121, it is connected by the gold ribbon 123, so that parasitic inductance is generated and characteristics vary. There was an upper problem.
[0013]
An object of the present invention is to provide a Gunn diode, a method for manufacturing the same, and a mounting structure for solving the problems in manufacturing, assembly, and mounting.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  Therefore, the Gunn diode of the first invention is disposed on the second semiconductor layer in the Gunn diode in which the first semiconductor layer, the active layer, and the second semiconductor layer are sequentially laminated on the semiconductor substrate. First and second electrodes for applying a voltage to the active layer, and the first electrode cut from the periphery of the first electrode toward the second semiconductor layer and the active layer The second semiconductor layer is connected to the active layer, and the active layer is formed as a region that functions as a Gunn diode.
  A Gunn diode according to a second aspect of the present invention is the Gunn diode according to the first aspect of the present invention, wherein a conductive film that short-circuits between the second electrode and the first semiconductor layer is provided in the recess.
  The Gunn diode of the third invention is the Gunn diode of the first or second invention, wherein the first and second electrodes are a base electrode layer, and the upper surface is continuous with the base electrode layer and has an upper surface at substantially the same level. It was comprised from the formed electroconductive protrusion part.
  According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a Gunn diode according to any one of the first to third aspects, wherein the conductive protrusion of the first electrode is formed at a substantially central portion, and the second electrode is formed on both sides thereof. The conductive protrusion was formed.
  A Gunn diode according to a fifth aspect of the present invention is configured such that, in any one of the first to fourth aspects, the area of the first electrode is set to 1/10 or less of the area of the second electrode.
  In the Gunn diode of the sixth invention according to any one of the first to fifth inventions, the first electrode and two or more recesses cut from the periphery of the first electrode are formed. Configured.
  A Gunn diode of a seventh invention is the Gunn diode of any one of the first to sixth inventions, wherein the semiconductor substrate, the first semiconductor layer, the active layer and the second semiconductor layer are made of gallium arsenide or indium phosphide. It consisted of
  The Gunn diode of an eighth invention is the Gunn diode of any one of the first to seventh inventions, wherein the second electrode isInstead of disposing on the second semiconductor layer, a part of the second semiconductor layer and the active layer are removed and exposed.The first semiconductor layer is directly connected to the first semiconductor layer.
  A Gunn diode of a ninth invention is the Gunn diode of any one of the first to eighth inventions, wherein a third electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate, and the third electrode and the first electrode are connected to the active electrode. The voltage was applied to the layer, and the second electrode was replaced with a spacer.
  According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a Gunn diode manufacturing method comprising: a first semiconductor layer serving as a first contact layer; an active layer; and a second semiconductor layer serving as a second contact layer in order on a semiconductor substrate. A first step of forming a stacked layer; a second step of separately forming a first electrode and a second electrode to be an anode electrode or a cathode electrode having a predetermined area ratio on the second contact layer; And a third step of removing the second semiconductor layer and the active layer by dry etching using the second electrode as a mask.
  According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided a method for producing a Gunn diode according to the tenth aspect, wherein the second step comprises forming the base electrode layer for the first and second electrodes having a predetermined shape, and then forming the base electrode layer. The method includes a step of forming conductive protrusions having substantially the same height on the top.
  The Gunn diode manufacturing method according to a twelfth aspect of the present invention is the method according to the tenth or eleventh aspect, wherein the semiconductor substrate, the first semiconductor layer, the active layer, and the second semiconductor layer are made of gallium arsenide or indium phosphide. It was configured to be.
  According to a thirteenth aspect of the mounting structure of the Gunn diode, a via hole is formed on the surface of the microstrip line in which the signal electrode is formed on the surface of the semi-insulating flat substrate and the ground electrode is formed on the back surface. A grounded ground electrode connected to each other, and the first and second electrodes of the Gunn diode according to any one of the first to eighth aspects of the invention are connected and mounted on the signal electrode and the grounded surface electrode, respectively. Configured.
  According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a Gunn diode mounting structure in which the signal electrode and the ground electrode of a coplanar line in which a signal electrode and a pair of ground electrodes are formed on the surface of a semi-insulating flat substrate The first and second electrodes of the Gunn diode of one invention are connected and mounted.
  The Gunn diode mounting structure according to a fifteenth aspect of the present invention is the mounting structure according to the thirteenth or fourteenth aspect, wherein one end of the signal electrode is opened at a length L from a position where the first electrode of the Gunn diode is connected. The first electrode portion having the length L is made to function as a resonator, and the oscillation frequency is determined by the length L.
  According to a sixteenth aspect of the Gunn diode mounting structure, the fourth and fifth electrodes are formed on a heat sink made of an insulating substrate, and the first electrode of the Gunn diode of the ninth aspect is the fourth of the heat sink. The second electrode of the Gunn diode of the ninth invention is directly connected to and mounted on the fifth electrode of the heat sink, and the third electrode of the Gunn diode of the ninth invention and the second electrode A voltage was applied between the fourth electrode of the heat sink.
  The mounting structure of the Gunn diode according to the seventeenth aspect of the present invention is a microstrip line in which a signal electrode is formed on the surface of a semi-insulating flat substrate and a ground electrode also serving as a heat radiation base is formed on the back surface. A fifth electrode of the heat sink of the sixteenth invention is connected to the ground electrode, and a third electrode of the Gunn diode of the sixteenth invention is connected to the signal of the microstrip line in the hole. The electrode was connected by a conductive wire.
  The Gunn diode mounting structure according to an eighteenth aspect of the present invention is the mounting structure according to any one of the thirteenth to seventeenth aspects, wherein a dielectric resonator is added to or to the signal electrode, the ground electrode, and the Gunn diode. Thus, an oscillation circuit that oscillates at a predetermined frequency is configured.
  According to a nineteenth aspect of the present invention, there is provided a Gunn diode mounting structure according to the eighteenth aspect, wherein at least a part of the signal electrode functioning as an electrode of the oscillation circuit is covered with a conductive flat substrate. The part was connected to the ground electrode.
  The Gunn diode mounting structure according to a twentieth aspect of the present invention is the mounting structure of the thirteenth to nineteenth aspects, wherein the specific resistance of the flat substrate of the microstrip line or coplanar line is 10.⁶Ohm · cm or more, and the thermal conductivity was 140 W / mK or more.
  According to a twenty-first invention of the Gunn diode mounting structure, in any one of the thirteenth to twentieth inventions, the flat substrate of the microstrip line or coplanar line is made of at least one of AlN, SiC, or diamond. I was like that.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
1A and 1B are views showing the structure of a Gunn diode element 10 made of gallium arsenide according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view. FIG. 2 is a manufacturing process diagram.
[0036]
  First, the manufacturing process shown according to the content of FIG. 2 will be described. Impurity concentration is 1-2 × 10¹⁸atom /cm ^ThreeOn the semiconductor substrate 11 made of n-type gallium arsenide, the impurity concentration is 2 × 10 5 by MBE.¹⁸atom /cm ^ThreeA first contact layer 12 made of n-type gallium arsenide having a thickness of 1.5 μm and an impurity concentration of 1.2 × 10¹⁶atom /cm ^ThreeActive layer 13 made of n-type gallium arsenide with a thickness of 1.6 μm and an impurity concentration of 1 × 10¹⁸atom /cm ^ThreeA semiconductor substrate is prepared by sequentially laminating a second contact layer 14 made of n-type gallium arsenide having a thickness of 0.3 μm.
[0037]
On the second contact layer 14, a photoresist that opens an area where a cathode electrode and an anode electrode are to be formed is patterned, and a metal film (base electrode layer) made of AuGe, Ni, Au, or the like that is in ohmic contact with the second contact layer 14. Is deposited. After removing the photoresist, heat treatment (annealing) is performed, and the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 are separately formed on the second contact layer 14 ((a) of FIG. 2). As shown in FIG. 1, the planar shape of the cathode electrode 15 is square at the edge, and the planar shape of the anode electrode 16 is circular, but an elliptical shape, a substantially square shape, or the like can also be selected.
[0038]
Next, a photoresist 17 is patterned so that a part of the surface of the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 is opened, and conductive projections made of Au or the like are formed in the openings by electrolytic plating or electroless plating. Bumps (electrodes) 18 and 19 are deposited (FIG. 2B).
[0039]
Next, the photoresist 17 is removed to expose the second contact layer 14 on which the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 are formed, and then the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 are used as a mask, and chlorine gas or the like is used. The second contact layer 14 and the active layer 13 are removed by dry etching such as reactive ion etching (RIE), and a substantially mesa-shaped or vertical recess 20 is formed around the anode electrode 16. ((C) of FIG. 2). Thus, the target recess 20 can be accurately formed by vertical etching by self-alignment using the upper cathode electrode 15 and anode electrode 16 as a mask.
[0040]
Here, the area of the active layer 13 to which the anode electrode 16 partitioned by the recess 20 is connected is set to an area (a lateral cross-sectional area) where a predetermined operating current of the Gunn diode can be obtained. That is, the area that can function as a Gunn diode is set. In addition, the area of the active layer 13 to which the cathode electrode 15 is connected is set to be 10 times or more the area of the active layer 13 to which the anode electrode 16 is connected, and the electric resistance of the semiconductor stacked portion below the cathode electrode 15 is set below the anode electrode 16. By making the electrical resistance of the semiconductor laminated portion 1/10 or less, this portion does not function as a Gunn diode but functions as a resistance of a substantially low value, and the cathode electrode 15 is substantially the first contact. Connect to layer 12. When the area ratio of the active layer 13 is less than 10, the operation efficiency is not reduced and the effect is not obtained. The area ratio of the active layer 13 needs to be 10 or more, and is preferably 100 or more.
[0041]
Note that the depth of cut of the recess 20 is a depth at which the entire active layer 13 is removed. However, even if a portion of the active layer 13 is left to some extent, the depth of cut into the first contact layer 12 is set to some extent. Also good.
[0042]
Here, the active layer area below the cathode electrode is made larger than that of the anode electrode, but conversely, the active layer area below the anode electrode may be made larger than that of the cathode electrode. That is, the anode electrode and the cathode electrode can be interchanged. In addition, since the concentration gradient of the impurity concentration of the active layer 13 is eliminated here, the anode electrode 19 and the cathode electrode 18 may be reversed, but when the concentration gradient is applied, the lower concentration side The electrode is a cathode electrode, and the higher electrode is an anode electrode.
[0043]
Next, in accordance with a normal Gunn diode manufacturing process, the back surface of the semiconductor substrate 11 is polished and thinned so that the thickness of the entire Gunn diode is about 60 μm. Thereafter, if necessary, a metal film 21 made of AuGe, Ni, Au, Ti, Pt, Au or the like in ohmic contact with the semiconductor substrate 11 is deposited on the back surface of the semiconductor substrate 11 and subjected to heat treatment (annealing) ( (D) of FIG.
[0044]
  Although the metal film 21 formed on the back surface of the semiconductor substrate 11 is not necessarily required, a mounting structure (see FIG.15), It can function as a cathode electrode instead of the cathode electrode 15. At this time, the area ratio between the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 is not limited to 1/10 or less.
[0045]
As described above, the Gunn diode 10 according to the present embodiment includes the portion functioning as the Gunn diode by forming the recess 20 so as to surround the anode electrode 16 in the semiconductor stacked portion, and the first of the Gunn diode portion. Therefore, both the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 may be provided on the upper surface of the second contact layer 14. it can. That is, the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 can be combined on the same surface. For this reason, as will be described later, a great advantage is exhibited in terms of mounting, heat dissipation, and the like.
[0046]
In addition, the etching that defines the region for determining the operating current (the portion that functions as a Gunn diode) is performed by self-aligned dry etching using the electrode formed in the upper part of the region as a mask. Compared with manufacturing variations, the yield can be increased.
[0047]
FIG. 3A is a view showing a modified example 10 ′ of the Gunn diode element 10 shown in FIG. 1B. In the recess 20, a conductive film 22 is deposited and the first contact is formed. In this structure, the layer 12 and the cathode electrode 15 are short-circuited. In this way, when the parasitic resistance between the cathode electrode 15 and the first contact layer 12 is large, the influence of the parasitic resistance can be prevented, and the voltage applied to the cathode electrode 15 is almost lost without loss. Can be transmitted to the contact layer 12.
[0048]
As a further advancement of the concept of the Gunn diode element 10 ′, the cathode electrode 15 is formed directly on the upper surface of the first contact layer 12 as in the Gunn diode element 10 ″ shown in FIG. The upper surface of the bumps 18 and 19 can be arranged at the same level in the same manner as the structure shown in FIG.
[0049]
  [Second Embodiment]
  FIG. 4 is a diagram showing an example of a structure in which the Gunn diode element 10 is mounted on a flat circuit board forming the microstrip line 30 to constitute an oscillator. AlN (aluminum nitride), SSpecific resistance of 10 like iC (silicon carbide), diamond, etc.⁶A signal electrode 32 and a ground electrode 33 are formed on a flat and semi-insulating substrate 31 having a resistance of Ω · cm or more and a thermal conductivity of 140 W / mK or more. Reference numeral 34 denotes a via hole filled with tungsten, which connects the ground electrode 33 on the back surface to the surface ground electrode 35 formed on the surface.
[0050]
The Gunn diode element 10 has an anode electrode bump 19 bonded to the signal electrode 32 and a cathode electrode bump 18 bonded to the ground electrode 34. 32A is an electrode of a bias unit for supplying a power supply voltage to the Gunn diode element 10, 32B is an electrode constituting a resonator by a microstrip line including the Gunn diode element 10, 36 is a capacitor unit for cutting a direct current, and 32C is a microstrip line It is an electrode of the signal output part by.
[0051]
In this mounting structure, since the Gunn diode element 10 is in a face-down posture, the bumps 18 and 19 are directly connected to the electrodes 35 and 32, and a gold ribbon is not used. It is possible to realize an oscillator with little variation in characteristics.
[0052]
In addition, since the heat generated in the Gunn diode element 10 is dissipated through the bumps 18 and 19 to the substrate 31 that also functions as a heat sink, the heat dissipation effect is enhanced. Further, in such a mounted state of the Gunn diode element 10, the cathode electrode bumps 18 are located on both sides of the anode electrode bumps 19, so that an excessive load is prevented from being applied to the anode electrode.
[0053]
FIG. 5 shows the oscillator shown in FIG. 4 in which an electrode 32A of the bias portion is provided on the electrode 32C side of the signal output portion. The plane of the flat substrate 31 having the structure shown in FIG. 5 is as shown in FIG. 6A, and the oscillation frequency and the oscillation output are set by adjusting the length L of the open-ended electrode 32B. Can do. FIG. 7 is a characteristic diagram showing this, in which the characteristic impedance of the electrode 32C is 50Ω and the characteristic impedance of the electrode 32B is 35Ω.
[0054]
  FIG. 8 is a diagram showing an oscillation spectrum. When the peak oscillation frequency is 58.68 GHz, the phase noise is −85 dB / Hz at 100 KHz off carrier (away), which is higher than that of a Gunn diode oscillator using a waveguide cavity. It shows a good value. In FIG. 8, it is −46.7 dB,
      −47.6dB + 2.5dB+10log (1Hz / (10KHz x 1.2)) = -85dB
According to the equation, −85 dB / Hz.
[0055]
As shown in FIG. 6 (b), the bump 19 of the anode electrode at the center of the Gunn diode element 10 is connected to the surface ground electrode 35 ′ connected to the ground electrode on the back surface through a via hole, When one of the cathode bumps 18 is connected to the resonator electrode 32B ′ and the other is connected to the output electrode 32C to form an oscillator, as shown in FIG. 9, the peak oscillation frequency is 61.63 GHz. The phase noise is −75 dB / Hz (−36.7 dB / Hz in FIG. 9 but obtained by the same formula as the above formula) at 100 KHz off carrier, and the connection structure shown in FIG. It was found that the degradation was 10 dB.
[0056]
The reason for this is that, in the connection structure of FIG. 6A, the semiconductor substrate 11 of the Gunn diode element 10 is grounded via the bumps 18, the surface ground electrode 35, etc., and the semiconductor substrate 11 functions as a shielding plate. It is presumed that the Q noise due to the radiation loss is suppressed, thereby improving the phase noise.
[0057]
FIG. 10 shows an oscillator shown in FIG. 5. In the oscillator shown in FIG. 5, another surface ground electrode 35 ′ is formed along both sides of the electrode 32B so as to be aligned with the surface ground electrode 35, and this is formed on the back surface by a via hole (not shown). A conductive flat substrate 80 is provided to connect to the ground electrode 33 and cover the electrode 32B constituting the oscillator. The flat substrate 80 has bumps 81 on both sides for connection to the surface ground electrode 35 '.
[0058]
In the structure shown in FIG. 10, since the conductive flat substrate 80 is grounded via the bump 81 and the surface ground electrode 35 ′, the radiation loss in the resonator is further suppressed, and a resonator having a high Q can be realized. . The flat plate substrate 80 may be made of a semi-insulating material as long as at least a part thereof is covered with a metal electrode. Even if the chip size of the Gunn diode element 10 is increased without using the flat substrate 80 and the electrode 32B is covered with the semiconductor substrate 11 of the Gunn diode element 10, a high Q is obtained in the same manner. be able to. The surface ground electrode 35 ′ may be formed by extending the surface ground electrode 35.
[0059]
[Third Embodiment]
FIG. 11 is a view showing an example of a structure in which the Gunn diode element 10 is mounted on a circuit board constituting the coplanar line 40. Reference numeral 41 denotes a semi-insulating flat substrate made of the same material as that of the substrate 31. A signal electrode 42 for forming a signal line is formed on the upper surface, and a pair of ground electrodes 43 are formed so as to sandwich the signal electrode 42.
[0060]
Here, the Gunn diode element 10 has the anode electrode bump 19 directly joined to the central signal line 42 and the cathode electrode bump 18 directly joined to the ground electrodes 43 on both sides. Thereby, the voltage applied between the signal electrode 42 and the ground electrode 43 is applied between the anode electrode and the cathode electrode of the Gunn diode element 10, and oscillation can be caused. Also in the mounting structure shown in FIG. 11, as in the mounting structures shown in FIGS. 4, 5, and 10, the characteristics are stabilized, the heat radiation effect is enhanced, and the anode electrode is protected. .
[0061]
In FIG. 12, an electrode 42 </ b> A as a bias portion for applying +3.0 V is continuously formed on the signal line 42. A choke is formed around the electrode 42A to mitigate the influence on the power source by the ground electrode 43. Here too, the oscillation frequency and the oscillation output can be set by adjusting the length from the Gunn diode element 10 portion of the electrode 32B constituting the oscillator to the open tip. 42C is an electrode of the signal output unit.
[0062]
FIG. 13 is based on the same idea as FIG. 10 described above. The upper surface of the electrode 42B constituting the oscillator is covered with a conductive flat substrate 80, and the bumps 81 on both sides of the flat substrate 80 are connected to the ground conductor 43. Is. Thereby, the radiation loss in the resonator is suppressed, and a resonator having a high Q can be realized.
[0063]
[Fourth Embodiment]
FIG. 14 is a view showing a heat dissipation structure of the Gunn diode element 10. Reference numeral 50 denotes a heat sink using a diamond substrate 51, and an electrode 52 to which the bump 18 of the cathode electrode of the Gunn diode element 10 is connected and an electrode 53 to which the bump 19 of the anode electrode is connected are formed. The electrode 52 is separated and independent from the electrode 53, and the electrode 53 is continuous with the ground electrode 54.
[0064]
The Gunn diode element 10 generates heat in the semiconductor laminated portion corresponding to the anode electrode functioning as a Gunn diode, but the heat is transmitted to the heat sink 50 via the bumps 18 and 19 (mainly the bumps 19), and the cooling action is performed. Is called.
[0065]
FIG. 15 shows the mounting structure of the Gunn diode element 10 shown in FIG. A heat sink 50 on which the Gunn diode element 10 is mounted is bonded to a ground electrode 62 that also serves as a heat dissipation base in a hole 61 formed in the microstrip line 60, and a signal electrode 64 and a Gunn diode on an alumina flat substrate 63 are bonded. The cathode electrode 21 on the back surface of the element 10 is connected by a gold ribbon 22.
[0066]
In this structure, a voltage applied between the signal electrode 64 and the ground electrode 62 is applied to the cathode electrode 21 and the anode electrode 19 via the gold ribbon 22 and the electrodes 53 and 54 of the heat sink 50. Here, the bump 18 of the cathode electrode 15 functions as a spacer that holds the face-down posture on both sides, and does not function as a current transmission path. This structure is very simple, and the cost can be greatly reduced as compared with the case where the conventional pill package 110 is used.
[0067]
[Fifth Embodiment]
16A and 16B are diagrams showing the structure of another example of the Gunn diode element 10A, where FIG. 16A is a plan view and FIG. 16B is a cross-sectional view. Here, four anode electrodes 19 are formed independently, and corresponding to this, four concave portions 20 form four mesa-type Gunn diode portions. Since the voltage is applied in common to the Gunn diode portions of the individual mesa structures, they are connected in parallel during operation.
[0068]
Here, the radius of the mesa structure portion can be reduced, and the heat dissipation effect is significantly higher than that of one mesa structure Gunn diode portion equal to the total area of the four mesa structure Gunn diode portions. Therefore, the conversion efficiency (ratio of input power to output power) and oscillation power can be significantly increased. Note that, when the area of the mesa structure portion is reduced, its strength is weakened and there is a risk of damage at the stage of mounting. However, the bump 18 of the cathode electrode is formed around the portion, and this portion is substantially subjected to a load. Therefore, there is no risk of damage. Note that the number of independent Gunn diode portions having a mesa structure is not limited to four. The cross-sectional areas of the plurality of Gunn diodes do not have to be the same, and the cross-sectional shape (the shape of the anode electrode) is not limited to a round shape, but can be an arbitrary shape.
[0069]
FIG. 17 is a characteristic diagram in which changes in the conversion efficiency rate η (%) and the oscillation power P (mW) are investigated depending on the number of Gunn diode portions having a mesa structure. It can be seen that when the number of the mesa-type Gunn diode portions is changed from 4 to 9 without changing the total area of the anode electrode, both the oscillation efficiency and the oscillation power are increased. FIG. 18 is a similar characteristic diagram when the Gunn diode portion of the mesa structure is changed from 4 to 6 with the total anode area different from the above, and the same tendency can be confirmed.
[0070]
These measurements were performed under the conditions of mounting on a waveguide as shown in FIG. Reference numeral 70 denotes a waveguide, 71 denotes a conductive pedestal (anode) provided in the waveguide 70, and 72 denotes a solder for bonding the insulating substrate 73 onto the pedestal 71. The Gunn diode element 10A having a plurality of anode electrodes supports the bumps 18 of the cathode electrodes on the insulating substrate 73 through the electrodes 74 in a face-down posture, and the bumps 19 of the anode electrodes are formed on the electrodes 75 and 73. The via hole 76 and the solder 72 were connected to the base 71. A bias post 77 to which a bias voltage is applied was inserted into the waveguide 70, and the lower end thereof was connected to the electrode 21 on the back surface of the Gunn diode element 10A via a gold ribbon 78.
[0071]
[Other embodiments]
Although the above description shows an example in which gallium arsenide is used as a semiconductor, the same effect can be obtained by using indium phosphide or other compound semiconductors. Further, when an oscillator is configured by mounting a Gunn diode element on the strip line or coplanar line described above, a dielectric resonator can be further added thereto.
[0072]
【The invention's effect】
As described above, the Gunn diode of the present invention performs etching for defining a region functioning as a Gunn diode by self-aligned dry etching using the electrode layer formed on the region as a mask. The variation of the can be reduced.
[0073]
Further, in the Gunn diode of the present invention, the cathode electrode and the anode electrode can be provided on the same surface at the same level height, so that it can be mounted face down. For this reason, it is not necessary to assemble into a conventional pill type package, and it is easy to assemble to a flat substrate, and there are great advantages in assembling.
[0074]
Further, since it is not necessary to connect to the microelectrode by a gold ribbon or the like at the time of mounting, there is no occurrence of parasitic inductance, and variations in circuit characteristics due to variations in the length of the gold ribbon can be eliminated.
[0075]
Further, by separating the mesa structure portion that substantially functions as a Gunn diode into a plurality of parts, the heat radiation efficiency is remarkably improved, and the oscillation efficiency and the oscillation power can be greatly improved.
[0076]
Further, when mounted so as to constitute an oscillator, the portion of the oscillator is shielded by the Gunn diode or in addition to the conductive flat substrate, so that the phase noise can be greatly reduced and its Q can be increased.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing a Gunn diode element according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing the Gunn diode element.
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views showing modifications of the Gunn diode element.
FIG. 4 is a perspective view of a second embodiment in which the Gunn diode element is mounted on a microstrip line.
5 is a perspective view of a modified example of the mounting structure of FIG. 4. FIG.
FIGS. 6A and 6B are surface views of a mounting form of a Gunn diode element.
FIG. 7 is a characteristic diagram of an oscillation frequency and an oscillation output depending on the length L of an electrode 32B when a Gunn diode element is mounted as an oscillator.
8 is a spectrum diagram of an oscillation frequency when a Gunn diode element is mounted in the direction of FIG. 6 (a).
9 is a spectrum diagram of an oscillation frequency when a Gunn diode element is mounted in the direction of (b) of FIG.
10 is a perspective view in which a flat board is additionally mounted on the mounting structure of FIG. 5;
FIG. 11 is a perspective view of a third embodiment in which the Gunn diode element is mounted on a coplanar line.
12 is a perspective view of a modified example of the mounting structure of FIG.
13 is a perspective view in which a flat board is additionally mounted on the mounting structure of FIG.
FIGS. 14A and 14B are diagrams showing a fourth embodiment in which a Gunn diode element is mounted on a heat sink in a face-down posture, where FIG. 14A is a plan view of the heat sink and FIG. 14B is a cross-sectional view of the mounted state;
15 is a cross-sectional view showing a state where a Gunn diode element mounted on the heat sink shown in FIG. 14 is further mounted on a microstrip line.
16A and 16B are diagrams showing a Gunn diode element according to a fifth embodiment of the present invention, where FIG. 16A is a plan view and FIG. 16B is a cross-sectional view.
FIG. 17 is a diagram showing characteristics of output power and conversion efficiency according to the number of mesa structure portions having a specific total area of a Gunn diode element.
FIG. 18 is a diagram showing the characteristics of output power and conversion efficiency according to the number of mesa structure portions of another total area of the Gunn diode element.
19 is an explanatory diagram of a mounted Gunn diode used for the characteristic measurement of FIGS. 17 and 18. FIG.
FIG. 20 is a cross-sectional view of a conventional Gunn diode having a mesa structure.
FIG. 21 is a cross-sectional view of a conventional mesa-type Gunn diode incorporated in a pill-type package.
FIG. 22 is an explanatory diagram in which a pill type package is mounted on a microstrip line.
[Explanation of symbols]
10, 10 ', 10 "10A: Gunn diode element, 11: semiconductor substrate, 12: first contact layer, 13: active layer, 14: second contact layer, 15: cathode electrode, 16: anode electrode, 17 : Photoresist, 18, 19: Bump, 20: Recess, 21: Metal film, 22: Gold ribbon,
30: Microstrip line, 31: Flat substrate, 32: Signal electrode, 33: Ground electrode, 34: Via hole, 35, 35 ': Surface ground electrode,
40: coplanar line, 41: flat substrate, 42: signal electrode, 42: ground electrode,
50: heat sink, 51: substrate, 52-54: electrode,
60: microstrip line, 61: hole, 62: ground electrode (heat radiation base), 63: flat substrate, 64: ground electrode,
70: Waveguide, 71: Conductive base (anode), 72: Solder, 73: Insulating substrate, 74, 75: Electrode, 76: Via hole, 77: Bias post, 78: Gold ribbon
80: flat substrate, 31: bump,
100: conventional Gunn diode element, 101: semiconductor substrate, 102: first contact layer, 103: active layer, 104: second contact layer, 105: cathode electrode, 106: anode electrode,
110: Pill type package, 111: Radiation base electrode, 112: Cylinder, 113: Gold ribbon, 114: Metal disk,
120: Macro strip line, 121: Flat substrate, 122: Ground electrode, 123: Gold ribbon, 124: Signal electrode.

Claims

In a Gunn diode in which a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer are sequentially stacked on a semiconductor substrate,
First and second electrodes disposed on the second semiconductor layer for applying a voltage to the active layer;
The second semiconductor layer and the active layer that are cut from the periphery of the first electrode toward the second semiconductor layer and the active layer and that are connected to the first electrode function as a Gunn diode A recess that defines the area to be
A Gunn diode characterized by comprising:

The Gunn diode according to claim 1, wherein a conductive film that short-circuits between the second electrode and the first semiconductor layer is provided in the recess.

The first and second electrodes are composed of a base electrode layer and conductive protrusions whose upper surfaces are formed at substantially the same level as the base electrode layer. 3. The Gunn diode according to 1 or 2.

The conductive protrusion of the first electrode is formed at a substantially central portion, any one of claims 1 to 3, characterized in that the formation of the conductive protrusions of the both sides thereof a second electrode Gunn diode according to One.

The first area of the electrode, the second Gunn diode according to any one of claims 1 to 4, characterized in that set to 1/10 or less of the area of the electrode.

The first electrode and the first Gunn diode according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the recess cut from the periphery are formed at two or more electrodes.

Said semiconductor substrate, said first semiconductor layer, said active layer and said second semiconductor layer, according to any one of claims 1 to 6, characterized in that gallium arsenide or indium Li down or Ranaru Gunn diode.

Instead of disposing the second electrode on the second semiconductor layer, the second electrode is directly connected to the first semiconductor layer exposed by removing a part of the second semiconductor layer and the active layer . 8. The Gunn diode according to claim 1, wherein

A third electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate, the third electrode and the first electrode are used for applying a voltage to the active layer, and the second electrode is used for a spacer. The Gunn diode according to any one of claims 1 to 8.

A first step of sequentially forming a first semiconductor layer to be a first contact layer, an active layer, and a second semiconductor layer to be a second contact layer on a semiconductor substrate;
A second step of separately forming first and second electrodes to be an anode electrode or a cathode electrode having a predetermined area ratio on the second contact layer;
A third step of removing the second semiconductor layer and the active layer by dry etching using the first and second electrodes as a mask;
A method for producing a Gunn diode, comprising:

The second step includes a step of forming conductive protrusions having substantially the same height on the base electrode layer after the base electrode layer for the first and second electrodes having a predetermined shape is formed. The method of manufacturing a Gunn diode according to claim 10.

Said semiconductor substrate, said first semiconductor layer, said active layer and said second semiconductor layer, the manufacturing method of the Gunn diode according to claim 10 or 11, wherein the gallium arsenide or indium Li down or Ranaru .

A surface ground electrode connected to the ground electrode on the back surface through a via hole is formed on the surface of the microstrip line in which the signal electrode is formed on the surface of the semi-insulating flat substrate and the ground electrode is formed on the back surface,
The Gunn diode first and second electrodes according to any one of claims 1 to 8 are connected and mounted on the signal electrode and the surface ground electrode, respectively.
Gunn diode mounting structure characterized by that.

To the signal electrode and the ground electrode of the semi-insulating planar substrate surface to the signal electrodes and the pair of ground electrodes formed was coplanar lines, the Gunn diode according to any one of claims 1 to 8 1 The second electrode is connected and mounted,
Gunn diode mounting structure characterized by that.

One end of the signal electrode is opened at a length L from a portion where the first electrode of the Gunn diode is connected, and the first electrode portion of the length L is made to function as a resonator, and the oscillation frequency is generated by the length L. The mounting structure of the Gunn diode according to claim 13 or 14, wherein: is determined.

Forming fourth and fifth electrodes on a heat sink made of an insulating substrate;
Wherein the first electrode of the gun diode according to claim 9 connected directly mounted to the fourth electrode of the heat sink, the claim 9 the fifth to the second electrode of the Gunn diode of the heat sink according to Mounted directly on the electrode ,
A voltage is applied between the third electrode of the Gunn diode according to claim 9 and the fourth electrode of the heat sink.
Gunn diode mounting structure characterized by that.

A hole extending from the front surface to the ground electrode on the back surface is formed in the microstrip line in which the signal electrode is formed on the surface of the semi-insulating flat substrate and the ground electrode serving as the heat radiation base is formed on the back surface. The fifth electrode of the heat sink according to Item 16 is connected to the ground electrode, and the third electrode of the Gunn diode according to Claim 16 is connected to the signal electrode of the microstrip line by a conductive line. Gun diode mounting structure.

In the mounting structure of the Gunn diode of any one of claims 13 to 17, wherein the signal electrode, by the ground electrode, and the Gunn diode, or by adding a dielectric resonator thereto, a predetermined frequency Gunn diode mounting structure, characterized in that it configured an oscillation circuit that oscillates in

19. The portion of the signal electrode that functions as an electrode of an oscillation circuit is covered with a conductive flat substrate, and the conductive portion of the flat substrate is connected to the ground electrode. Gun diode mounting structure.

In the mounting structure of the Gunn diode of any one of claims 13 to 19, wherein the specific resistance of the plate substrate of the microstrip line or a coplanar line is 10 ⁶ ohm · cm or more and 140 W / mK thermal conductivity Gunned diode mounting structure characterized by the above.

In the mounting structure of the Gunn diode of any one of claims 13 to 20, that the flat substrate of the microstrip line or coplanar lines, Al N, are composed of at least one S iC, or diamond Gunn diode mounting structure characterized by