JP4578071B2

JP4578071B2 - ミリ波発振器

Info

Publication number: JP4578071B2
Application number: JP2003183143A
Authority: JP
Inventors: 千秋堂本; 重雄青野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP2005019728A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば衛星通信や地上での極短距離通信、あるいは車載用の追突防止レーダ装置等に用いられるミリ波発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のミリ波発振器は、例えば特許文献１に示されるような半導体基板上に所定の半導体層が積層されて作製されたメサ形状のガンダイオードを、特許文献２に示されるように、ミリ波共振器を構成する電極が形成された半絶縁性の平面基板あるいは絶縁体基板上にいわゆるフリップチップ実装するといった方法で作製されていた。
【０００３】
すなわち、ガンダイオードとして、ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層，低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層および高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層が順に積層されてなり、底面の中央にアノード電極が形成され、底面の両側にカソード電極が形成されたフリップチップ型のＩｎＰガンダイオードを用いる。そして、半絶縁性の平面基板の表面に、信号電極と、この信号電極をまたぐように配置される２個の表面接地電極を各々形成し、裏面全体に裏面接地電極を形成し、２個の表面接地電極を個々のビアホールにより裏面接地電極と接続したマイクロストリップ線路を具備した共振器基板に、ＩｎＰガンダイオードのアノード電極をマイクロストリップ線路の信号電極に接続するとともに、カソード電極をマイクロストリップ線路の各表面接地電極に接続する。これによって、ガンダイオードをミリ波共振器が形成された共振器基板にフリップチップ実装したガンダイオード発振器としてミリ波共振器が作製されていた。
【０００４】
【特許文献１】
特開2002−134808号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開2001−185782号公報
【０００６】
【非特許文献１】
三井茂、他５名，「ガンダイオードの高信頼度化」，電子通信学会信頼性研究会資料，1974年，p.13〜20
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のミリ波発振器においては、共振器基板とガンダイオードとの接続にはフリップチップ実装法が用いられていることから、実装に際して接続を確実とするためにガンダイオードに大きな荷重をかける必要がある。そして、この実装時の荷重によりガンダイオードの半導体結晶中に欠陥が誘発されることとなり（例えば、非特許文献１参照。）、このためミリ波出力が低下したり、信頼性が低下したりするという問題点があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、ガンダイオードにその半導体結晶中に欠陥の発生を誘発するような物理的な荷重をかけたりする必要がなく、ガンダイオードを安定に動作させることができ、長期間動作の信頼性も高いミリ波発振器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のミリ波発振器は、ｎ^＋型半導体から成る基板の上面に凹部が形成されるとともにこの凹部内に上面が平坦な前記基板の凸部が形成され、この凸部の前記上面にｎ型半導体活性層とｎ^＋型半導体層とが順次積層されてガンダイオード素子が形成されており、前記凹部に、前記凸部を覆い、かつ前記ガンダイオード素子の上面を露出させて誘電体が充填されているとともに、この誘電体上に前記ガンダイオード素子の前記上面に接合され、平面透視して前記ガンダイオード素子の上面と重なる表面領域が露出した共振器電極が形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のミリ波発振器によれば、ｎ^＋型半導体から成る基板の上面に、上面にガンダイオード素子が形成された凸部が内部に形成された凹部が形成され、この凹部に、ガンダイオード素子の上面を露出させて凸部を覆うように誘電体が充填されているとともに、この誘電体上にガンダイオード素子の上面に接合された共振器電極が形成されていることから、従来のミリ波発振器では基板上の共振器電極にガンダイオードを接合する際に物理的な荷重がガンダイオードに加わっていたのに対して、ガンダイオード素子に荷重がかかることが一切無く、よってガンダイオード素子の半導体結晶の品質を劣化させることがないので、ガンダイオードを安定に動作させることができ、ミリ波発振出力を安定させることができるとともに、長時間動作についても高い信頼性を確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のミリ波発振器について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１２】
図１（ａ）は、本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す断面図であり、図１（ｂ）は上面図である。
【００１３】
図１において、１はｎ^＋型半導体から成る基板、１ａは基板１の上面に形成された凹部、１ｂは凹部１ａ内に形成された、上面が平坦な基板１の凸部、２は凸部１ｂの上面に形成されたｎ型半導体活性層、３はｎ型半導体活性層２の上に積層して形成されたｎ^＋型半導体層であり、これら基板１と凸部１ｂ上面のｎ型半導体活性層２とｎ^＋型半導体層３とによりガンダイオード素子が形成されている。４は凸部を覆い、かつガンダイオード素子の上面を露出させて凹部１ａに充填された誘電体であり、５は誘電体４上にガンダイオード素子の露出した上面に接合されて形成された共振器電極である。
【００１４】
本発明のミリ波発振器は、このようにｎ^＋型半導体から成る基板１の凹部１ａ内の凸部１ｂの上面にｎ型半導体活性層２とｎ^＋型半導体層３とが順次積層されて形成されたガンダイオード素子に対して、このガンダイオード素子の上面を露出させて凹部１ａ内に充填された誘電体４上にガンダイオード素子の上面に接合するように共振器電極５を形成することによって構成されている。
【００１５】
このような図１に示す例の本発明のミリ波発振器においては、ガンダイオード素子が基板１の上面に誘電体４から露出するように形成され、その上に共振器電極５が形成されているので、従来のミリ波発振器のようにガンダイオードの実装に際して物理的な荷重がガンダイオード素子に荷重がかかるようなことが一切無く、荷重がかかることによってガンダイオード素子の半導体結晶の品質を劣化させることがない。従って、ガンダイオード素子を安定に動作させることができ、ミリ波発振出力を安定させることができ、長期間の使用に対しても信頼性の高いものとなる。
【００１６】
本発明のミリ波発振器におけるガンダイオード素子は、例えば５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの発振周波数を有するミリ波発振素子であり、ｎ^＋型半導体から成る基板１の凹部１ａ内の凸部１ｂの上面に、ｎ型半導体活性層２およびｎ^＋型半導体層３を順次積層することによって形成されている。これらの半導体としては、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等が用いられる。また、各半導体層２，３の厚みや基板１および各半導体層２，３の不純物濃度等は、目的の発振周波数と材料物性によって適宜選択すればよく、例えば発振周波数が７７ＧＨｚのガンダイオード素子を得る場合であれば、ＧａＡｓ半導体を用いて、ｎ型半導体活性層２の厚さを１．６μｍにすれば所望の周波数で発振が得られる。この際のｎ型半導体活性層２の不純物濃度は５×１０^１７／ｃｍ^３未満にする必要があり、これ以上では、電圧印加時に電流密度が高くなってしまうために、負性抵抗現象が発現する電界強度までバイアスを印加する前にガンダイオード素子が破壊することがある。また、ｎ^＋型半導体層３は厚さを０．４μｍ以上にすることが好ましい。この理由は、ｎ^＋型半導体層３の上面に共振器電極５を形成し、低抵抗な電気的導通を得るために熱処理を行なう際に、共振器電極５の成分がｎ^＋型半導体層３に拡散するが、ｎ^＋型半導体層３の厚さが０．４μｍ未満では、共振器電極５の成分がｎ^＋型半導体層３を貫通してｎ型半導体活性層２まで拡散するおそれがあるからである。このため、ｎ^＋型半導体層３の厚さは０．４μｍ以上が必要であり、より好ましくは０．６μｍ以上である。
【００１７】
このように基板１の凸部１ｂの上面にｎ型半導体活性層２およびｎ^＋型半導体層３を順次積層するには、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって各半導体層２，３の結晶成長を行ない、その際に不純物濃度については、マスフローコントローラによる原料ガス流量の高精度な制御によって調整するようにすればよい。また分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いる場合には、各半導体層２，３の原料坩堝を加熱して分子線を発生させ、その分子線を高温に保持された基板１の凸部１ｂ上に照射することによって各半導体層２，３が形成される。その際の不純物濃度については、不純物材料が保持された坩堝を高精度に温度制御して決められた分量の不純物分子線を結晶成長中に同時に基板１の凸部１ｂ上に照射することによって調整すればよい。
【００１８】
本発明のミリ波発振器におけるｎ^＋型半導体から成る基板１の上面に、内部に上面が平坦な凸部１ｂが形成された凹部１ａを形成するには、例えば湿式エッチングによればよい。
【００１９】
凹部１ａの形状は、例えば図１に示すように共振器電極５の形状に合わせて細長い溝状とし、その大きさとしては、基板１と共振器電極５との間で不要な容量を有しないように、例えば深さおよび凸部１ｂと側壁との距離をそれぞれ100μｍ程度以上とするとよい。これにより、不要な電気的容量を確実に低減することができるものとなる。
【００２０】
凸部１ｂの形状は、例えば図１に示すような上面視で円形状で、断面が台形状としておけばよく、その大きさは、例えば後述する共振器電極５の短辺の長さ以下とすればよい。これにより、共振器からガンダイオード素子がはみ出さず、ガン発振出力を効率良く共振器へ伝えることができるものとなる。
【００２１】
凹部１ａに、凸部１ｂを覆い、かつガンダイオード素子の上面を露出させるように充填される誘電体４は、１５以下の低い比誘電率を有するものである。このような誘電体４に用いる誘電体材料としては、ポリイミド系，エポキシ系，アクリル系，シリコーン系等がある。中でも、比誘電率が１０程度の誘電体材料を用いると、溝状の凹部１ａの深さを１００μｍ程度またはそれ以下にまで浅くすることが可能である。これは、誘電体４を凹部１ａに充填した際に、誘電体４が硬化時に体積収縮すると誘電体４の上面が凹形状になってしまうが、凹部１ａが浅く誘電体４の体積が小さいのでこの凹形状の部分の深さも１０μｍ程度と小さく抑えることができ、このためこの上に共振器電極５を形成しやすいものとなるからである。
【００２２】
このように誘電体４を充填するには、例えばディスペンサ塗布によればよい。
【００２３】
誘電体４の上面にガンダイオード素子の上面を覆ってその上面と接合されるように形成される共振器電極５は、例えばＣｒとＡｕとの二層構造、またはＴｉとＰｔとＡｕとの三層構造の金属層から成るものである。誘電体４と接触するＣｒもしくはＴｉは、この共振器電極５と誘電体４との接着強度を高める働きがある。また、表面側のＡｕ層は、数百ｍＡから数Ａの大電流を流すためのものであり、電気的に低抵抗である必要があるために、少なくとも２μｍ以上の厚みが必要である。また、三層構造においてＰｔ層を介在させる目的は、下地のＴｉが表面側のＡｕ層に拡散するのを防ぐことにある。
【００２４】
この共振器電極５の形状および大きさは、例えば図１に示すように長方形状であり、大きさは、目的の発振周波数に応じて調整する必要がある。例えば７７ＧＨｚでの発振を得るには、長辺の長さを４６０μｍとすればよく、これにより長辺方向に定在波ができることとなる。また、共振器電極５に対するガンダイオード素子の配置は、共振器電極５の長辺方向の辺から１００μｍ以上離れて中央側に配置することが好ましく、また短辺方向に対しては、その中心に配置するのがよい。このように配置することで、ガンダイオード素子の発振出力を効率良く共振器に伝達させることができる。
【００２５】
なお、図１に示す例では、共振器電極５に接合されるガンダイオード素子としては、凹部１ａの内部に１つの凸部１ｂを形成してその凸部１ｂに形成したもの１つを接合した場合を示しているが、ガンダイオード素子の個数は要求される発振出力によって適宜選択して設定すればよい。例えば、ガンダイオード素子を複数個とすることにより、発振出力はその数に応じて倍増されることとなる。
【００２６】
本発明のミリ波発振器は、例えば高出力が要求される車載用衝突防止レーダ用ミリ波発振器に使用されるものであり、ガンダイオード素子を形成した半導体基板１上に共振器電極５をフォトリソグラフィ等の薄膜プロセスで形成するため、作製プロセスでガンダイオード素子に応力がかからず、ガンダイオード素子を構成する半導体の結晶品質を劣化させることがない。よって、その動作時において欠陥の発生を誘発する結晶欠陥の発生が無く、高出力を維持でき、長期間の使用に際しても信頼性が高いという長所を有している。さらにガンダイオード素子上の金属材料からなる共振器電極５は、ガンダイオード素子で発生した熱を空気中へ放射するいわゆる放熱板としての働きも併せ持っており、これによりガンダイオード動作時にその温度上昇を抑制することができるので、発振周波数や出力の変動を抑制できるという特長も持っている。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明のミリ波発振器の実施例について、図２を参照しつつ説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明のミリ波発振器の製造方法の例を説明するための工程毎の断面図である。
【００２８】
まず、図２（ａ）に示すように、ｎ^＋型単結晶ＧａＡｓから成る基板１上に、主成分がＧａＡｓから成る機能性の半導体層をＭＯＣＶＤ法により単結晶成長して形成した。この機能性半導体層は、動作層として機能するｎ型半導体活性層２と、コンタクト層として機能するｎ^＋型半導体層３とから成る。ここで、動作層とは、高電界時に電子遷移効果により負性抵抗を発現させる層である。また、コンタクト層とは、この層の上に形成する共振器電極５の薄膜金属と電気的に低抵抗な条件での接合を実現するために、例えば２×10^１８ｃｍ^−３の濃度のキャリアを有する層である。
【００２９】
次に、図２（ｂ）に示すように、上述のｎ型半導体活性層２およびｎ^＋型半導体層３はここでは基板１の上面の全面に結晶成長されるが、この上面に、ガンダイオード素子を形成する部分となる凸部１ｂの周囲をエッチングによって除去することによって凹部１ａを形成した。この例では、深さ方向に１５０μｍまでエッチングを行なって深さ１５０μｍの凹部１ａを形成した。また、凸部１ｂの上面は、元の基板１の上面を残すようにして、基板１の上面と同一平面にある平坦な面としてある。凹部１ａの大きさは、長辺の長さを８００μｍ、短辺の長さを４００μｍとし、また凸部１ｂの大きさをφ８０μｍとした。
【００３０】
次に、図２（ｃ）に示すように、凸部１ｂを覆い、かつその凸部１ｂ上面のガンダイオード素子の上面が露出するように、凹部１ａに誘電体４としてエポキシ系樹脂をディスペンサー塗布により充填した。ここでは、凸部１ｂの上面まで覆われるように十分な量の誘電体を充填した後に、ガンダイオード素子の上面が露出するようにその上の誘電体４を除去した。これにより、基板１表面の深さ150μｍまでエッチングされた凹部１ａは、誘電体４で十分に埋められ、誘電体４の上面は略平面になっているものが得られた。
【００３１】
最後に、図２（ｄ）に示すように、金属薄膜を基板１および誘電体４の上面上に真空蒸着し、これをフォトリソグラフィおよびエッチングを行なうことによって加工し、誘電体４上にガンダイオード素子の上面と接合された共振器電極５を形成した。この共振器電極５の形状および大きさは、長方形状で長辺方向の長さを４６０μｍ、短辺方向の長さを２００μｍとした。なお、ここでは、金属薄膜を蒸着後にエッチングすることで共振器電極５を形成したが、蒸着前に共振器電極５のパターンにレジスト等を加工しておき、金属薄膜を蒸着後にリフトオフ法によって共振器電極５を形成するようにしてもよい。
【００３２】
そして、以上のようにして得られた本発明のミリ波発振器について、直流電圧印加時の発振周波数と発振出力をスペクトルアナライザにより評価したところ、目的とする77ＧＨｚでのミリ波発振が得られた。
【００３３】
以上により、本発明のミリ波発振器によれば、荷重がかかることによってガンダイオード素子の半導体結晶の品質を劣化させることがないことから、ガンダイオード素子を安定に動作させることができ、ミリ波発振出力を安定させることができることが確認できた。また、長期間の使用に対しても信頼性の高いものであることが確認できた。
【００３４】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。
【００３５】
例えば、以上の例では、ガンダイオード素子を1個としたが、複数個であってもよい。また、77ＧＨｚでの発振に対して基本周期で発振させたが、２倍波（38.5ＧＨｚ）等の高次の周期での発振を用いることも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のミリ波発振器によれば、ｎ^＋型半導体から成る基板の上面に、上面にガンダイオード素子が形成された凸部が内部に形成された凹部が形成され、この凹部に、ガンダイオード素子の上面を露出させて凸部を覆うように誘電体が充填されているとともに、この誘電体上にガンダイオード素子の上面に接合された共振器電極が形成されていることから、従来のミリ波発振器では基板上の共振器電極にガンダイオードを接合する際に物理的な荷重がガンダイオードに加わっていたのに対して、ガンダイオード素子に荷重がかかることが一切無く、よってガンダイオード素子の半導体結晶の品質を劣化させることがないので、ガンダイオードを安定に動作させることができ、ミリ波発振出力を安定させることができるとともに、長時間動作についても高い信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す断面図および上面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明のミリ波発振器の製造方法の例を説明するための工程毎の断面図である。
【符号の説明】
１・・・ｎ^＋型半導体から成る基板
１ａ・・・凹部
１ｂ・・・凸部
２・・・ｎ型半導体活性層
３・・・ｎ^＋型半導体層
４・・・誘電体
５・・・共振器電極

Claims

ｎ^＋型半導体から成る基板の上面に凹部が形成されるとともに該凹部内に上面が平坦な前記基板の凸部が形成され、該凸部の前記上面にｎ型半導体活性層とｎ^＋型半導体層とが順次積層されてガンダイオード素子が形成されており、前記凹部に、前記凸部を覆い、かつ前記ガンダイオード素子の上面を露出させて誘電体が充填されているとともに、該誘電体上に前記ガンダイオード素子の前記上面に接合され、平面透視して前記ガンダイオード素子の上面と重なる表面領域が露出した共振器電極が形成されていることを特徴とするミリ波発振器。
前記誘電体の上面は、前記ガンダイオード素子の上面より高い位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載のミリ波発振器。