JP4030622B2

JP4030622B2 - ガンダイオード

Info

Publication number: JP4030622B2
Application number: JP09476997A
Authority: JP
Inventors: 敦中川
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: JPH10270777A

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帯の発振素子として用いられるガンダイオードの構造に関し、特に発振効率の高いガンダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩｎＰやＧａＡｓ等の化合物半導体のガン効果（電子遷移効果）を利用した半導体素子であるガンダイオードは、マイクロ波帯やミリ波帯の発振素子として広く利用されている。
【０００３】
以下、ＧａＡｓガンダイオードを例に取り説明する。図６に従来のガンダイオードの断面構造を示す。図において１はカソード電極、２は高濃度ＧａＡｓコンタクト層、３はＧａＡｓ活性層、４は高濃度ＧａＡｓ層、５は高濃度ＧａＡｓ基板、６はアノード電極である。図に示すように、従来のガンダイオードは、使用する周波数帯によって決まる所定の不純物濃度と厚さを有するＧａＡｓ活性層３に、高濃度ＧａＡｓコンタクト層を介してカソード電極１に接続し、高濃度ＧａＡｓ層４及び高濃度ＧａＡｓ基板５を介してアノード電極６に接続していた。
【０００４】
通常ガンダイオードの伝導電子は、活性層に印加される電界強度が臨界値Ｅｔｈより小さいときには、移動度が大きく、エネルギー状態の低いガンマーバレーに存在し、電界強度が臨界値Ｅｔｈより大きくなると、移動度が小さく、エネルギー状態の高いＬ（又はＸ）バレーに遷移する。このため、臨界値Ｅｔｈを越える領域で、負性微分抵抗を有することになる。
【０００５】
図６において、カソード電極１、アノード電極６間に臨界値Ｅｔｈを越える電圧が印加すると、ＧａＡｓ活性層３のカソード電極１側にガンドメインと呼ばれる電気二重層が発生し、アノード電極６に向かって移動する。ガンドメインは、高濃度ＧａＡｓ層４に達すると消失し、同時に新しいガンドメインがＧａＡｓ活性層３のカソード電極１側に発生する。このようなガンドメインの発生、消失の繰り返しにより発生する直流電流が、交流電流に重畳され、発振動作が発生する。ここで、直流電流の周波数がガンダイオードの発振周波数となる。ガンダイオードでは、入力した交流電力に対する直流電力出力の比で表される発振効率が最も重要な性能指数であり、その向上が求められている。
【０００６】
しかし、従来のガンダイオードは、ＧａＡｓからなる活性層のカソード電極側に、ガンドメインが発生できないデッドゾーンと呼ばれる部分が発生するという欠点があった。ガンドメインは、カソード電極１が接続するＧａＡｓコンタクト層２からＧａＡｓ活性層３に注入される伝導電子が、ガンマーバレーからＬ（又はＸ）バレーへ遷移するために必要なエネルギーを与えられることによって発生する。従って、遷移するために必要なエネルギーが与えられるまで伝導電子が走行する距離がデッドゾーンとなる。
【０００７】
このデッドゾーンの厚さは、薄いほど発振効率が高く、活性層の厚さに対する割合が大きくなるに従い発振効率を低下させてしまう。このため、マイクロ波やミリ波のような高周波帯域の周波数の発振を得るため活性層の厚さを薄くしたガンダイオードでは、デッドゾーンの厚さが活性層の厚さに対して大きな割合を占めてしまい、発振効率の低下が著しいという欠点があった。
【０００８】
従来このデッドゾーンを消失させる方法として、図７に示すように、ＧａＡｓ活性層３にカソード電極１を直接接続し、かつカソード電極１がＧａＡｓ活性層３にショットキー接合する構造のガンダイオードが提案されていた。このような構造のガンダイオードは、カソード電極１とＧａＡｓ活性層３間に生じるショットキー障壁の高さを最適化することにより、ショットキー障壁の高さに相当するエネルギーを有する伝導電子を、カソード電極１からＧａＡｓ活性層３に注入することができる。注入された伝導電子は、高エネルギー帯であるＬバレーに容易に遷移することができから、デッドゾーンの発生を抑制することができるのである。
【０００９】
図８に活性層に注入された伝導電子が、ガンマーバレーからＬバレーに遷移するために必要なエネルギーを得るため、設定されるショットキー障壁の高さを算出した結果を示す。図に示すように、活性層の不純物濃度とともにショットキー障壁の高さが変化するが、おおむね０．３〜０．４ｅＶの障壁の高さを有するショットキー接合を形成することが必要であることがわかる（Proceeding of IEEE Vol.65 No.5 pp.823-824,May 1975）。この障壁の高さは、ＧａＡｓガンダイオードに限らず、ＩｎＰ等他の化合物半導体でガンダイオードを形成する場合も同様である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、０．３〜０．４ｅＶという低いショットキー障壁を、活性層となるＩｎＰ、ＧａＡｓに形成することは非常に難しい。例えば、チタン、白金等、一般に使用されている金属をＩｎＰ、ＧａＡｓに接触させた場合、ショットキー障壁の高さは、それぞれ０．５ｅＶ、０．８ｅＶと大きくなってしまう。また、ショットキー障壁の高さを低くするため、例えば銀、錫をそれぞれ活性層表面に蒸着し、熱処理を施す方法も提案されているが、表面状態によってショットキー障壁の高さがばらついたり、後工程の熱処理で特性が変動したり、再現性が悪く使用することができないという問題があった。本発明は、上記問題点を解消し、再現性良く形成することができ、かつデッドゾーンが形成されないガンダイオードを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のガンダイオードは上記目的を達成するため、活性層と、該活性層に接続するカソード電極及びアノード電極を備えたガンダイオードにおいて、前記カソード電極は、前記活性層より高濃度のコンタクト層を介して前記活性層に接続し、該コンタクト層は、前記活性層との伝導帯バンドオフセットが０．０５〜０．３ｅＶとなる膜を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
特に、前記活性層としてＧａＡｓを、前記膜としてＩｎxＧａ1-xＡｓを選択することで、容易に活性層と膜との伝導帯バンドオフセットが０．０５〜０．３ｅＶとなるように制御することができ、発振効率の高いガンダイオードを得ることができる。
【００１３】
また、前記ＩｎxＧａ1-xＡｓ層は、少なくともＩｎyＧａ1-yＡｓ層を含む膜を介して前記カソード電極に接続し、該ＩｎyＧａ1-yＡｓ層のＩｎの組成比ｙが、ｙ＝ｘからｙ＝０へ変化するように構成することで、格子欠陥の発生を極力抑えながら、カソード電極とオーミック接触を可能とする厚いコンタクト層を備えたガンダイオードを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態についてＧａＡｓガンダイオードを例に取り説明する。図１に本発明のガンダイオードを示す。図において１はカソード電極、２は高濃度ＧａＡｓコンタクト層、３はＧａＡｓ活性層、４は高濃度ＧａＡｓ層、５は高濃度ＧａＡｓ基板、６はアノード電極、７は高濃度ＩｎxＧａ1-xＡｓ層、８は高濃度ＩｎyＧａ1-yＡｓ層（Ｉｎの組成比ｙは、ｙ＝ｘからｙ＝０に変化する）である。
【００１５】
図に示すように、本発明のガンダイオードは、使用する周波数帯によって決まる所定の不純物濃度と厚さを有するＧａＡｓ活性層３が、高濃度ＩｎxＧａ1-xＡｓ層７及び高濃度ＩｎyＧａ1-yＡｓ層８を介してカソード電極１に接続している。また、ＧａＡｓ活性層３が、高濃度ＧａＡｓ層４及び高濃度ＧａＡｓ基板５を介してアノード電極５に接続していた。
【００１６】
図２に、図１に示すガンダイオードのエネルギーバンド図を示す。図に示すように、カソード電極は、高濃度ＧａＡｓ層からなるコンタクト層、Ｉｎの組成比ｙがｙ＝０からｙ＝ｘに徐々に増加する傾斜した組成を有する高濃度のＩｎyＧａ1-yＡｓ層及び高濃度のＩｎxＧａ1-xＡｓ層を介して、ＧａＡｓからなる活性層に接続している。ここで、ＩｎxＧａ1-xＡｓ層とＧａＡｓからなる活性層３は、ヘテロ接合を形成し、伝導帯バンドオフセットが形成される。この障壁の高さ、すなわち伝導帯バンドオフセット△Ｅｃは、Ｉｎの組成比ｘを適宜選択することにより設定され、障壁の高さｑＶは、△Ｅｃ、ＩｎxＧａ1-xＡｓ層、ＧａＡｓ層それぞれの不純物濃度を適宜選択することにより設定することができる。具体的には、伝導帯バンドオフセットを０．０５〜０．３ｅＶに設定する。その結果、活性層に注入される伝導電子は、ガンマーバレーより高いエネルギー帯のＬバレーに遷移することができるだけのエネルギーを有することになり、デッドゾーンの発生を最小限に抑制することができる。
【００１７】
一例として図３に、伝導帯バンドオフセット△ＥｃとＩｎの組成比ｘの関係を示す。これは、ＩｎxＧａ1-xＡｓ層とＧａＡｓ層との間に格子欠陥が生じていない条件でシュミレーションした結果である（M.J.Joyce et al.,Phys.Rev.B38,10978,1988）。図に示すように、Ｉｎの組成比ｘを０．１〜０．４の範囲で制御することで、伝導帯バンドオフセット△Ｅｃを０．０５〜０．３ｅＶに設定することができる。
【００１８】
伝導帯バンドオフセットが０．０５〜０．３ｅＶの範囲に限定されるのは、以下の理由による。即ち、伝導帯バンドオフセットが０．０５ｅＶ以下では、Ｌバレーに遷移するために必要なエネルギーが得られず、デッドゾーンが発生してしまう。また、０．３ｅＶ以上の伝導帯バンドオフセットがあると、障壁を乗り越えることができる電子が少なくなり、発振効率が低下してしまうからである。
【００１９】
なお、高濃度ＩｎyＧａ1-yＡｓ層８は、高濃度ＩｎxＧａ1-xＡｓ層７の厚さが薄い場合には、ＧａＡｓ層との間で格子不整合が発生することがないので、必ずしも必要としない。しかし、カソード電極１のオーミック接触を形成する際、電極金属の拡散による特性変動を防止するため高濃度ＩｎxＧａ1-xＡｓ層７を含んだコンタクト層を厚く形成する場合は、高濃度ＩｎyＧａ1-yＡｓ層８を備えるのが好ましい。
【００２０】
上記構造のガンダイオードは、次のように形成することができる。まず、Ｎ型の高濃度ＧａＡｓ基板５上に、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法により、アノード電極のコンタクト層の一部を構成するＮ型の高濃度ＧａＡｓ層４を、不純物濃度２×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3、厚さ１ｕｍ程度成長させる。さらに、Ｎ型のＧａＡｓ活性層３（不純物濃度１．３×１０16ａｔｏｍ／ｃｍ3、厚さ１．６ミクロン程度）、カソード電極のコンタクト層となるＮ型の高濃度Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７（不純物濃度２．０×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3、厚さ０．０１５ｕｍ程度）、Ｎ型の高濃度ＩｎyＧａ1-yＡｓ層８（不純物濃度２．０×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3、厚さ０．０５ｕｍ程度で、ｙ＝０．２からｙ＝０に表面に向かって傾斜するように組成変化している）、Ｎ型の高濃度ＧａＡｓコンタクト層２（不純物濃度２．０×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3、厚さ０．５ｕｍ程度）を順次積層した半導体基板を用意する。
【００２１】
半導体基板表面に、表面の高濃度ＧａＡｓコンタクト層２とオーミック接触するＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを蒸着し、リフトオフ法によりカソード電極パターンを形成する。その後、熱処理を行い、カソード電極１を形成する（図４）。
【００２２】
次にホトレジストをマスクにメサエッチングを行う（図５）。Ｎ型の高濃度ＧａＡｓ基板５を機械的、化学的にエッチングし、厚さ１００ｕｍ程度まで薄膜化する。Ｎ型の高濃度ＧａＡｓ基板５とオーミック接触するＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを全面に蒸着し、熱処理することにより、アノード電極６を形成する（図１）。
【００２３】
このように形成される本発明のガンダイオードは、Ｎ型のＧａＡｓ活性層３とコンタクト層の一部を構成するＮ型の高濃度Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層７との間で、伝導帯バンドオフセットが約０．１６ｅＶとなる。そのため、カソード電極１からコンタクト層を介してＧａＡｓ活性層３に注入される電子は、少なくとも伝導帯バンドオフセットに相当するエネルギーだけ大きなエネルギーを持っていることになる。従って、活性層に注入される伝導電子は、ガンマーバレーから大きいエネルギー状態のＬバレーへ容易に遷移することができ、デッドゾーンの発生を最小限に抑制することができる。一例として、このガンダイオードを６０ＧＨｚの発振器として用いた場合、発振効率が４％という結果が得られた。これは、従来構造のガンダイオードを用いた場合の２倍の発振効率に相当する。
【００２４】
Ｎ型のＧａＡｓ活性層３とコンタクト層の一部を構成するＮ型の高濃度ＩｎxＧａ1-xＡｓ層７との間の伝導帯バンドオフセットは、Ｉｎの組成比ｘにより決まる。上述したＭＢＥ法は、Ｉｎの組成比を正確に制御しながら半導体膜を成長させることができ、伝導帯バンドオフセットを正確に制御できる。同様に、格子欠陥の発生を抑制するためＧａＡｓコンタクト層とＩｎxＧａ1-xＡｓ層の間に形成されるＩｎの組成比ｙが傾斜しているＩｎyＧａ1-yＡｓ層も、上述のＭＢＥ法で正確に制御しながら成長させることができ、再現性良く、本発明のガンダイオードを形成することができる。
【００２５】
【発明の効果】
このように本発明によれば、ＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのようなヘテロ接合の伝導帯の不連続を利用して、高いエネルギーを有する伝導電子を活性層に注入することができるため、デッドゾーンの発生を最小限に抑制することが可能となった。その結果、発振効率を向上させることができ、ガンダイオードの消費電力を低くすることができた。ヘテロ接合の伝導帯バンドオフセットは、ＭＢＥ法等を利用し、コンタクト層等を構成する化合物半導体の組成を制御することで容易に制御でき、再現性良く形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明する断面図である。
【図２】本発明の実施の形態を説明するエネルギーバンド図である。
【図３】ＩｎxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓの伝導帯バンドオフセットの組成依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態を説明する断面図である。
【図５】本発明の実施の形態を説明する断面図である。
【図６】従来のガンダイオードを説明する断面図である。
【図７】従来の別のガンダイオードを説明する断面図である。
【図８】ガンマーバレーからＬバレーへ電子が遷移するために必要なショットキー障壁の高さを示すグラフである。
【符号の説明】
１カソード電極
２高濃度ＧａＡｓコンタクト層
３ＧａＡｓ活性層
４高濃度ＧａＡｓ層
５高濃度ＧａＡｓ基板
６アノード電極
７高濃度ＩｎxＧａ1-xＡｓ層
８高濃度ＩｎyＧａ1-yＡｓ層

Claims

活性層と、該活性層に接続するカソード電極及びアノード電極を備えたガンダイオードにおいて、
前記カソード電極は、前記活性層より高濃度のコンタクト層を介して前記活性層に接続し、該コンタクト層は、前記活性層との伝導帯バンドオフセットが０．０５〜０．３ｅＶとなる膜を含むことを特徴とするガンダイオード。
請求項１記載のガンダイオードにおいて、前記活性層がＧａＡｓからなることと、前記膜がＩｎxＧａ1-xＡｓからなることを特徴とするガンダイオード。
請求項２記載のガンダイオードにおいて、前記ＩｎxＧａ1-xＡｓ層は、少なくともＩｎyＧａ1-yＡｓ層を含む膜を介して前記カソード電極に接続し、該ＩｎyＧａ1-yＡｓ層のＩｎの組成比ｙが、ｙ＝ｘからｙ＝０へ変化することを特徴とするガンダイオード。