JP4798829B2 - Indium phosphorus gun diode - Google Patents

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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インジウム燐(InP)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インジウム燐ガンダイオード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)やインジウム燐(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では、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】
マイクロ波領域においては、発振周波数ftは走行距離Lと電子の平均ドリフト速度Vdとから求められ、ft=Vd/Lとなる。ミリ波帯域では、Γ谷で電子がエネルギーを増減させるために必要な時間等からなるエネルギー緩和時間が、発振周波数の上限を決める主要因となっている。ガリウム砒素の緩和時間定数はインジウム燐の2倍であり、ガリウム砒素とインジウム燐のカットオフ周波数はそれぞれ100GHz、200GHzであると報告されている(M.A.di Forte- Poisson et al.:Proc.IPRM'89,p.551(1989))。ガリウム砒素ガンダイオードの発振周波数の上限は実用レベルでは60GHz〜70GHzであり、自動車レーダーに使用されている77GHz帯等の高い周波数帯には、インジウム燐ガンダイオードが適している。
【0004】
ミリ波用のガンダイオードの場合、前記ドメインの走行距離を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。
【0005】
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共に、最も重要な性能指数を左右する発熱効率に大きな影響を及ぼす放熱効率の良い銅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。
【0006】
図9に、従来のメサ型構造のインジウム燐ガンダイオード100の断面図を示す。n+型(n型高濃度、以下同じ)インジウム燐からなる半導体基板101上に、MOCVD法により、n+型インジウム燐からなる第1のコンタクト層102、n型(n型低濃度、以下同じ)インジウム燐からなる活性層103、n+型インジウム燐からなる第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。
【0007】
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を形成すると共に、第2のコンタクト層104の表面にAuGe系金属で構成されるアノード電極106を形成してから、素子分離を行い、ガンダイオード素子として完成させる。
【0008】
このように形成されたガンダイオード100は、図10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100を取り囲む外囲器としての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。
【0009】
さらに、金リボン113によりガンダイオード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上に蓋状の金属ディスク114をロウ付けし、ピル型パッケージ110への組み立てが終了する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のインジウム燐ガンダイオード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、ガンダイオードの素子特性がばらつくという問題があった。
【0011】
また、インジウム燐のメサ表面が不安定であるために、そのメサ表面への電流集中によりガンダイオードが焼損してしまう恐れがあるという問題もあった。
【0012】
さらに、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もあった。
【0013】
本発明の目的は、上記した製造上、信頼性上、組立上、実装上の問題点を解消したインジウム燐ガンダイオードを提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
このために第1の発明は、インジウム燐からなる半導体基板上に、高濃度n型インジウム燐からなる第1の半導体層、低濃度n型インジウム燐からなる活性層及び高濃度n型インジウム燐からなる第2の半導体層が順に積層されたインジウム燐ガンダイオードにおいて、前記第2の半導体層の上面に第1の電極と第2の電極を離して形成し、該両電極の離間領域の上面から、最小深さが前記活性層に届き最大深さが前記第1の半導体層に届くまでの間の任意の深さに、イオン注入により高抵抗領域を形成し、且つ前記第1の電極をほぼ15μm又はそれより若干小さい直径とし、前記第2の電極を前記第1の電極よりも大きな面積として構成した。
【0015】
第2の発明は、第1の発明において、前記第2の半導体層を、高濃度n型インジウムガリウム砒素からなる半導体層に置換して構成した。
【0016】
第3の発明は、第1の発明において、前記第2の半導体層の上層に、高濃度n型インジウムガリウム砒素からなる第3の半導体層を更に積層し、該第3の半導体層の上面に前記第1の電極及び前記第2の電極を形成して構成した。
【0017】
第4の発明は、第1乃至第3の発明のいずれか1つにおいて、前記第1の半導体層を、高濃度n型インジウムガリウム砒素からなる半導体層に置換して構成した。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態のインジウム燐ガンダイオード10A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。
【0019】
まず、図2の内容に従って製造工程を説明する。不純物濃度が3〜8×1018atom/cm2のn+型インジウム燐からなる半導体基板11上に、MOCVD法により、不純物濃度が2×1018atom/cm2で厚さ0.5μmのn+型インジウム燐からなる第1のコンタクト層(第1の半導体層)12、不純物濃度が1.5×1016atom/cm2で厚さ1.3μmのn型インジウム燐からなる活性層13、及び不純物濃度が2×1018atom/cmで厚さ0.3μmのn+型インジウム燐からなる第2のコンタクト層(第2の半導体層)14を順次積層した半導体基板を用意する(図2の(a))。
【0020】
次に、第2のコンタクト層14上に、カソード電極及びアノード電極の形成予定領域を開口するよう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、その第2のコンタクト層14上にカソード電極15及びアノード電極16をD=10μmだけ分離した形で形成する(図2の(b))。ここで、カソード電極15の直径はほぼ15μm又はそれより若干小さくする。なお、図1に示したように、アノード電極16の平面形状は縁が方形、カソード電極15の平面形状は円形であるが、いずれも楕円形、略正方形等を選択することもできる。また、カソード電極15の数は、所望の電流を得るために、図示のように2個又はそれ以上の複数個形成してもよい。
【0021】
次に、カソード電極15及びアノード電極16をマスクとして使用し、加速エネルギー30、100及び200KeVで、それぞれドーズ量を7×1012、1×1013及び2×1013/cm2の条件としてボロン(B)を注入し、400℃の熱処理により第2のコンタクト層14の上面から活性層13の底面までの領域を高抵抗化(絶縁化)して高抵抗領域(絶縁領域)17を形成する(図2の(c))。この高抵抗領域17は上記したカソード電極15とアノード電極16との間隙D=10μmの下層部分に形成される。ボロン(B)の代わりに、酸素(O)、鉄(Fe)、水素(H)等をイオン注入して高抵抗化しても良い。
【0022】
次に、カソード電極15及びアノード電極16の各々の表面の一部が開口するようにホトレジストをパターンニングし、その開口内に電解メッキ法あるいは無電解メッキ法により、カソード電極15とアノード電極16を下地電極としてAu等からなる導電性突起部であるカソードバンプ18とアノードバンプ19を析出形成する(図2の(d))。
【0023】
カソード電極15が接続される活性層13の面積(カソード電極16の面積)は、ガンダイオードとして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。このカソード電極15の直径は前記したように、ほぼ15μm又は若干それより小さくし、所望の電流が得られない場合は、カソード電極15を複数個設ける。一方、アノード電極16が接続される活性層13の面積は、カソード電極15が接続される活性層13の面積より充分大きくして、アノード電極16の下方の半導体積層部の電気抵抗をカソード電極15下方の半導体積層部の電気抵抗より充分小さくすることで、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部分として機能させ、アノード電極16を実質的直接的に第1のコンタクト層12に接続させる。
【0024】
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100μm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。その後に、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等からなる金属膜(メタル)20を蒸着し、加熱処理(アニール)を行う(図2の(d))。この半導体基板11の裏面に形成する金属膜20は必ずしも必要ないが、アノード電極16の下方の半導体積層部の電気抵抗をより小さくできる。
【0025】
以上のようにして形成される本実施形態のガンダイオード10Aは、ガンダイオードとして機能するインジウム燐からなる活性領域13が、エッチングによるメサ形成ではなく、イオン注入による高抵抗化により他から分離独立して形成されるので、表面が不安定であるためにメサ表面への電流集中によりガンダイオードが焼損してしまうという従来のメサ型の問題は起こらない。
【0026】
図3は中央にカソード電極15のカソードバンプ18、両側にアノード電極16のアノードバンプ19が形成された図1のガンダイオード10Aを、マイクロストリップ線路30を構成する平板回路基板31に実装した構造の一例を示す図である。窒化アルミニウム(AlN)のように比抵抗が106Ω・cm以上、熱電導率が170W/mK以上で良好な半絶縁性の平板基板31の表面に信号電極32が、また裏面全面に接地電極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を電気的に接続している。
【0027】
ガンダイオード10Aは中央のカソードバンプ18が中央の信号電極32に接着され、両側のアノード電極16のアノードバンプ19が両側の表面接地電極35に接着されている。32Aはガンダイオード10Aにバイアス電圧を供給するバイアス電極、32Bはガンダイオード10A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、32Cはマイクロストリップ線路による信号出力電極である。
【0028】
ガンダイオード10Aとこの実装構造により構成した発振器は、共振器長(電極32B部分の長さ)が400μmのとき、発振周波数77GHzで60mWの発信出力が得られている。
【0029】
この実装構造では、ガンダイオード10Aをフェースダウン姿勢にして、カソードバンプ18を信号電極32に、アノードバンプ19を表面接地電極35に直接接続し、金リボンを使用しないので、金リボンの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。
【0030】
また、ガンダイオード10Aに発生する熱がカソードバンプ18、アノードバンプ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10Aの実装状態では、カソード電極15のカソードバンプ18の両側にアノード電極16のアノードバンプ19が位置するので、小面積のカソード電極15に過度の加重が加わることが防止される。
【0031】
さらに、本実施形態のガンダイオード10Aは、カソード電極15の直径をほぼ15μm又はそれより若干小さくしたことによって、ブレークダウンを防ぐことができる。図4にカソード電極15の直径を46μm、33μm、23μm、19μm、15μmと変えたときの電流−電圧特性を示す。例として、77GHz帯で発振させる場合、バイアス電圧は約6Vであるため、ブレークダウンを防ぐには、カソード電極径を15μm以下又はそれより小さくすることが必要であることが分かる。これはイオン注入後に発生するディープレベル及び表面のピニングレベルを介した電流が少なくなるためと考えられる。
【0032】
図5は別の実施形態のガンダイオード10Bの断面を示す図であり、第2のコンタクト層14に代えて、n+型のIn0.53Ga0.47Asからなる厚さ0.2μmのインジウムガリウム砒素(InGaAs)の第2のコンタクト層14’を使用したものであり、図1のガンダイオード10Aと同様に動作する。
【0033】
図6も別の実施形態のガンダイオード10Cの断面を示す図であり、第1のコンタクト層12に代えて、n+型のIn0.53Ga0.47Asからなる厚さ0.5μmのインジウムガリウム砒素(InGaAs)の第1のコンタクト層12’を使用したものであり、図1のガンダイオード10Aと同様に動作する。
【0034】
図7も別の実施形態のガンダイオード10Dの断面を示す図であり、第2のコンタクト層14の上面に、n+型のIn0.53Ga0.47Asからなる厚さ0.2μmのインジウムガリウム砒素(InGaAs)の第3のコンタクト層14”を積層したものであり、図1のガンダイオード10Aと同様に動作する。
【0035】
図8も別の実施形態のガンダイオード10Eの断面を示す図であり、ボロン(B)のイオン注入による高抵抗領域17の深さを活性層13の上面に届くまでとしたものであり、このように少なくとも第2のコンタクト層14と活性層13の界面の深さまでイオン注入により高抵抗化した高抵抗領域17を形成すれば、ガンダイオードとして機能する部分がカソード電極15によって区画分離されるようになる。
【0036】
【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インジウム燐からなる活性領域がエッチングによるメサ形成ではなく、高抵抗領域により分離区画され形成されるので、メサ表面への電流集中による焼損を防ぐことができる。
【0037】
また、高抵抗領域を形成する際のイオン注入領域はカソード電極とアノード電極をマスクとした自己整合的に決定されるため、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。
【0038】
また、カソード電極の直径をほぼ15μm又はそれより若干小さくしたことによって、動作時のブレークダウンを防止することができる。
【0039】
また、カソード電極とアノード電極が同じ面に設けられるので、そこにバンプを設けるとき、それらのバンプ高さを同じレベルにすることができるため、その実装姿勢をフェースダウンで実現できる。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。
【0040】
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。
【0041】
さらに、実質的にガンダイオードとして機能するカソード電極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。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態のインジウム燐ガンダイオードを示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図2】 図1のインジウム燐ガンダイオードの製造方法の説明図である。
【図3】 図1のインジウム燐ガンダイオードの実装構造の斜視図である。
【図4】 図1のインジウム燐ガンダイオードのカソード電極の径を変化させたときの電流−電圧特性図である。
【図5】 図1のインジウム燐ガンダイオードの変形例の断面図である。
【図6】 図1のインジウム燐ガンダイオードの変形例の断面図である。
【図7】 図1のインジウム燐ガンダイオードの変形例の断面図である。
【図8】 図1のインジウム燐ガンダイオードの変形例の断面図である。
【図9】 従来のメサ型構造のインジウム燐ガンダイオードの断面図である。
【図10】 図9のメサ型構造のインジウム燐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。
【符号の説明】
10A,10B,10C,10D,10E:インジウム燐ガンダイオード
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:イオン注入による高抵抗領域、18:カソードバンプ、19:アノードバンプ、20:金属膜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:表面接地電極
100:従来のガンダイオード、101:半導体基板、102:第1のコンタクト層、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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an indium phosphide (InP) Gunn diode used for microwave or millimeter wave oscillation, and in particular, an indium phosphine Gunn diode that realizes improved heat dissipation, improved yield, ease of mounting on a planar circuit, and the like. It is about.
[0002]
[Prior art]
A Gunn diode for microwave or millimeter wave oscillation is usually formed of a compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs) or indium phosphorus (InP). In these compound semiconductors, the mobility of electrons is as high as several thousand cm 2 / V · sec at a low electric field, but when a high electric field is applied, the accelerated electrons transition to a band with a large effective mass, and the mobility is high. Decreases, and negative differential mobility is generated in the bulk. As a result, negative differential conductance of current-voltage characteristics appears, resulting in thermodynamic instability. Therefore, 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]
In the microwave region, the oscillation frequency ft is obtained from the travel distance L and the average electron drift velocity Vd, and ft = Vd / L. In the millimeter wave band, the energy relaxation time, which is the time required for electrons to increase or decrease the energy in the Γ valley, is the main factor that determines the upper limit of the oscillation frequency. The relaxation time constant of gallium arsenide is twice that of indium phosphide, and the cutoff frequencies of gallium arsenide and indium phosphide have been reported to be 100 GHz and 200 GHz, respectively (MAdi Forte-Poisson et al .: Proc. IPRM'89 , p. 551 (1989)). The upper limit of the oscillation frequency of the gallium arsenide gun diode is 60 GHz to 70 GHz at a practical level, and an indium phosphorus gun diode is suitable for a high frequency band such as the 77 GHz band used for automobile radar.
[0004]
In the case of a millimeter-wave Gunn diode, it is necessary to make the travel distance of the domain as extremely short as 1 to 2 μm. Moreover, in order to obtain sufficient oscillation efficiency, it is necessary to set the product of the impurity concentration and the thickness of the traveling space (active layer) of the domain to a predetermined value (for example, 1 × 10 12 / cm 2 ), Further, 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.
[0005]
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 such as copper with good heat-dissipating efficiency that greatly affects the heat-generating efficiency that affects the most important figure of merit.
[0006]
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional mesa-type indium phosphorus gun diode 100. A first contact layer 102 made of n + type indium phosphide, n-type (n-type low concentration, hereafter the same) indium is formed on a semiconductor substrate 101 made of n + type (n-type high concentration, the same applies hereinafter) indium phosphide by MOCVD. An active layer 103 made of phosphorus and a second contact layer 104 made of n + type indium phosphorus are sequentially stacked, and a mesa structure is adopted in order to reduce the area of the electron travel space.
[0007]
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, and the anode electrode 106 made of AuGe-based metal is formed on the surface of the second contact layer 104. Then, element isolation is performed to complete a Gunn diode element.
[0008]
The Gunn diode 100 thus formed is assembled in a pill package 110 as shown in FIG. The pill type package 110 has a heat dissipation base electrode 111 and a cylinder 112 made of glass or ceramics as an envelope surrounding the Gunn diode 100. The cylinder 112 is hard-brazed to the heat dissipation base electrode 111. It has a structure. The Gunn diode 100 is electrostatically adsorbed by a bonding tool such as a sapphire material (not shown) and bonded to the heat radiation base electrode 111.
[0009]
Further, the Gunn diode 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.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional indium phosphorous diode 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 lateral 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 there is a problem that the device characteristics of the Gunn diode vary. .
[0011]
In addition, since the indium phosphorus mesa surface is unstable, there is a problem that the Gunn diode may be burned out due to current concentration on the mesa surface.
[0012]
Further, when assembling the pill type package 110, when the Gunn diode 100 is bonded to the heat dissipation base electrode 111, the bonding tool obstructs the field of view, making it difficult to directly view the heat dissipation base electrode 111. There was also a problem that efficiency was very bad.
[0013]
An object of the present invention is to provide an indium phosphorus gun diode that solves the above-mentioned problems in manufacturing, reliability, assembly, and mounting.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
To this end, the first invention comprises a first semiconductor layer made of high-concentration n-type indium phosphorus, an active layer made of low-concentration n-type indium phosphorus, and a high-concentration n-type indium phosphorus on a semiconductor substrate made of indium phosphorus. In the indium phosphorus gun diode in which the second semiconductor layers are sequentially stacked, the first electrode and the second electrode are formed apart from each other on the upper surface of the second semiconductor layer, and the upper surface of the separation region between the two electrodes is formed. A high resistance region is formed by ion implantation at an arbitrary depth between the minimum depth reaching the active layer and the maximum depth reaching the first semiconductor layer, and the first electrode is substantially The diameter was set to 15 μm or slightly smaller, and the second electrode was configured to have a larger area than the first electrode.
[0015]
According to a second invention, in the first invention, the second semiconductor layer is replaced with a semiconductor layer made of high-concentration n-type indium gallium arsenide.
[0016]
According to a third invention, in the first invention, a third semiconductor layer made of high-concentration n-type indium gallium arsenide is further stacked on the second semiconductor layer, and the third semiconductor layer is formed on the upper surface of the third semiconductor layer. The first electrode and the second electrode are formed and configured.
[0017]
According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the first semiconductor layer is replaced with a semiconductor layer made of high-concentration n-type indium gallium arsenide.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1A and 1B are diagrams showing the structure of an indium phosphorus gun diode 10A according to an 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 manufacturing process diagram.
[0019]
First, a manufacturing process is demonstrated according to the content of FIG. An n + type indium having an impurity concentration of 2 × 10 18 atom / cm 2 and a thickness of 0.5 μm is formed on the semiconductor substrate 11 made of n + type indium phosphorus having an impurity concentration of 3 × 8 × 10 18 atom / cm 2 by MOCVD. First contact layer (first semiconductor layer) 12 made of phosphorus, active layer 13 made of n-type indium phosphorus having an impurity concentration of 1.5 × 10 16 atom / cm 2 and a thickness of 1.3 μm, and an impurity concentration of 2 × A semiconductor substrate is prepared in which a second contact layer (second semiconductor layer) 14 made of n + -type indium phosphide having a thickness of 10 18 atom / cm and a thickness of 0.3 μm is sequentially stacked ((a) in FIG. 2).
[0020]
Next, a photoresist is patterned on the second contact layer 14 so as to open regions where the cathode and anode electrodes are to be formed, and a metal film made of AuGe, Ni, Au, or the like that is in ohmic contact with the second contact layer 14 (Base electrode layer) is deposited. After removing the photoresist, heat treatment (annealing) is performed, and the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 are formed on the second contact layer 14 in a form separated by D = 10 μm ((b) of FIG. 2). Here, the diameter of the cathode electrode 15 is approximately 15 μm or slightly smaller. As shown in FIG. 1, the planar shape of the anode electrode 16 is square at the edge, and the planar shape of the cathode electrode 15 is circular. However, any of an elliptical shape, a substantially square shape, and the like can be selected. Further, the number of cathode electrodes 15 may be two or more as shown in the drawing in order to obtain a desired current.
[0021]
Next, using the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 as a mask, the acceleration energy is 30, 100, and 200 KeV, and the dose is 7 × 10 12 , 1 × 10 13, and 2 × 10 13 / cm 2 , respectively. (B) is implanted, and the region from the upper surface of the second contact layer 14 to the bottom surface of the active layer 13 is increased in resistance (insulation) by heat treatment at 400 ° C. to form a high resistance region (insulating region) 17. ((C) of FIG. 2). The high resistance region 17 is formed in a lower layer portion having a gap D = 10 μm between the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 described above. Instead of boron (B), oxygen (O), iron (Fe), hydrogen (H) or the like may be ion-implanted to increase resistance.
[0022]
Next, a photoresist is patterned so that a part of the surface of each of the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 is opened, and the cathode electrode 15 and the anode electrode 16 are formed in the opening by electrolytic plating or electroless plating. A cathode bump 18 and an anode bump 19 which are conductive protrusions made of Au or the like are deposited as a base electrode (FIG. 2D).
[0023]
The area of the active layer 13 to which the cathode electrode 15 is connected (area of the cathode electrode 16) is set to an area (lateral cross-sectional area) where a predetermined operating current as a Gunn diode can be obtained. That is, the area that can function as a Gunn diode is set. As described above, the diameter of the cathode electrode 15 is approximately 15 μm or slightly smaller, and when a desired current cannot be obtained, a plurality of cathode electrodes 15 are provided. On the other hand, the area of the active layer 13 to which the anode electrode 16 is connected is made sufficiently larger than the area of the active layer 13 to which the cathode electrode 15 is connected, so that the electrical resistance of the semiconductor stacked portion below the anode electrode 16 is reduced. By making it sufficiently smaller than the electric resistance of the lower semiconductor stacked portion, this portion does not function as a Gunn diode, but functions as a resistance portion having a substantially low value, and the anode electrode 16 is substantially directly connected to the first resistance. The contact layer 12 is connected.
[0024]
Next, according to a normal Gunn diode manufacturing process, the back surface of the semiconductor substrate 11 is polished and thinned so that the entire Gunn diode thickness is about 100 μm. Thereafter, if necessary, a metal film (metal) 20 made of AuGe, Ni, Au, Ti, Pt or the like that is 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). Perform ((d) of FIG. 2). Although the metal film 20 formed on the back surface of the semiconductor substrate 11 is not necessarily required, the electrical resistance of the semiconductor stacked portion below the anode electrode 16 can be further reduced.
[0025]
In the Gunn diode 10A of this embodiment formed as described above, the active region 13 made of indium phosphorus functioning as a Gunn diode is separated from the others by high resistance by ion implantation rather than by mesa formation by etching. Therefore, since the surface is unstable, the conventional mesa type problem that the Gunn diode is burned out due to current concentration on the mesa surface does not occur.
[0026]
3 shows a structure in which the Gunn diode 10A of FIG. 1 in which the cathode bump 18 of the cathode electrode 15 and the anode bump 19 of the anode electrode 16 are formed on both sides is mounted on a flat circuit board 31 constituting the microstrip line 30. It is a figure which shows an example. A signal electrode 32 is formed on the surface of a flat plate substrate 31 having a specific resistance of 10 6 Ω · cm or more and a thermal conductivity of 170 W / mK or more, such as aluminum nitride (AlN), and a ground electrode is formed on the entire back surface. 33 is formed. Reference numeral 34 denotes a via hole filled with tungsten, which electrically connects the ground electrode 33 on the back surface and the surface ground electrode 35 formed on the surface.
[0027]
In the Gunn diode 10A, the central cathode bump 18 is bonded to the central signal electrode 32, and the anode bumps 19 of the anode electrodes 16 on both sides are bonded to the surface ground electrodes 35 on both sides. 32A is a bias electrode for supplying a bias voltage to the Gunn diode 10A, 32B is an electrode constituting a resonator by a microstrip line including the Gunn diode 10A, and 32C is a signal output electrode by the microstrip line.
[0028]
The oscillator constituted by the Gunn diode 10A and this mounting structure has a transmission output of 60 mW at an oscillation frequency of 77 GHz when the resonator length (the length of the electrode 32B portion) is 400 μm.
[0029]
In this mounting structure, the Gunn diode 10A is face down, the cathode bump 18 is directly connected to the signal electrode 32, the anode bump 19 is directly connected to the surface ground electrode 35, and the gold ribbon is not used. Thus, the generation of the parasitic inductance that has occurred is eliminated, and an oscillator with little variation in characteristics can be realized.
[0030]
Further, since the heat generated in the Gunn diode 10A is dissipated through the cathode bump 18 and the anode bump 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 10A, since the anode bumps 19 of the anode electrode 16 are located on both sides of the cathode bump 18 of the cathode electrode 15, it is possible to prevent an excessive load from being applied to the cathode electrode 15 having a small area. Is done.
[0031]
Furthermore, the Gunn diode 10A of this embodiment can prevent breakdown by making the diameter of the cathode electrode 15 approximately 15 μm or slightly smaller. FIG. 4 shows current-voltage characteristics when the diameter of the cathode electrode 15 is changed to 46 μm, 33 μm, 23 μm, 19 μm, and 15 μm. As an example, when oscillating in the 77 GHz band, since the bias voltage is about 6 V, it can be seen that the cathode electrode diameter needs to be 15 μm or less or smaller to prevent breakdown. This is presumably because the current generated through the deep level and the surface pinning level generated after ion implantation is reduced.
[0032]
FIG. 5 is a view showing a cross section of a Gunn diode 10B according to another embodiment. Instead of the second contact layer 14, indium gallium arsenide (InGaAs) made of n + type In 0.53 Ga 0.47 As and having a thickness of 0.2 μm. ), And operates in the same manner as the Gunn diode 10A of FIG.
[0033]
FIG. 6 is a diagram showing a cross section of a Gunn diode 10C according to another embodiment. Instead of the first contact layer 12, indium gallium arsenide (InGaAs) made of n + type In 0.53 Ga 0.47 As and having a thickness of 0.5 μm. 1), and operates in the same manner as the Gunn diode 10A of FIG.
[0034]
FIG. 7 is a diagram showing a cross section of a Gunn diode 10D according to another embodiment. On the upper surface of the second contact layer 14, indium gallium arsenide (InGaAs) made of n + type In 0.53 Ga 0.47 As and having a thickness of 0.2 μm is used. ) Of the third contact layer 14 ″, and operates in the same manner as the Gunn diode 10A of FIG.
[0035]
FIG. 8 is also a diagram showing a cross section of a Gunn diode 10E according to another embodiment, in which the depth of the high resistance region 17 by boron (B) ion implantation reaches the upper surface of the active layer 13. As described above, when the high resistance region 17 having a high resistance is formed by ion implantation to at least the depth of the interface between the second contact layer 14 and the active layer 13, the part functioning as a Gunn diode is partitioned and separated by the cathode electrode 15. become.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, in the Gunn diode of the present invention, the active region made of indium phosphorus functioning as a Gunn diode is not formed by mesa formation by etching but is separated and formed by a high resistance region. Burnout can be prevented.
[0037]
Further, since the ion implantation region when forming the high resistance region is determined in a self-aligning manner using the cathode electrode and the anode electrode as a mask, variation in the characteristics of the Gunn diode can be reduced.
[0038]
In addition, by making the cathode electrode diameter approximately 15 μm or slightly smaller, breakdown during operation can be prevented.
[0039]
In addition, since the cathode electrode and the anode electrode are provided on the same surface, when bumps are provided on them, the heights of the bumps can be set to the same level, so that the mounting posture can be realized 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.
[0040]
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.
[0041]
Furthermore, by dissociating the cathode electrode 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.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing an indium phosphorus gun diode according to an embodiment of the present invention, where FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a method for manufacturing the indium phosphorus gun diode of FIG.
3 is a perspective view of a mounting structure of the indium phosphorus gun diode of FIG. 1. FIG.
4 is a current-voltage characteristic diagram when the diameter of the cathode electrode of the indium phosphorus gun diode of FIG. 1 is changed. FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a modification of the indium phosphorus gun diode of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a modification of the indium phosphorus gun diode of FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a modification of the indium phosphorus gun diode of FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a modification of the indium phosphorus gun diode of FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional mesa-type indium phosphorus gun diode.
10 is a cross-sectional view of the mesa structure indium phosphorus gun diode of FIG. 9 incorporated in a pill package.
[Explanation of symbols]
10A, 10B, 10C, 10D, 10E: Indium phosphorous diode 11: Semiconductor substrate, 12: First contact layer, 13: Active layer, 14: Second contact layer, 15: Cathode electrode, 16: Anode electrode, 17: high resistance region by ion implantation, 18: cathode bump, 19: anode bump, 20: metal film 30: microstrip line, 31: flat substrate, 32: signal electrode, 33: ground electrode, 34: via hole, 35 : Surface ground electrode 100: conventional Gunn diode 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 disc

Claims (4)

インジウム燐からなる半導体基板上に、高濃度n型インジウム燐からなる第1の半導体層、低濃度n型インジウム燐からなる活性層及び高濃度n型インジウム燐からなる第2の半導体層が順に積層されたインジウム燐ガンダイオードにおいて、
前記第2の半導体層の上面に第1の電極と第2の電極を離して形成し、該両電極の離間領域の上面から、最小深さが前記活性層に届き最大深さが前記第1の半導体層に届くまでの間の任意の深さに、イオン注入により高抵抗領域を形成し、
且つ前記第1の電極をほぼ15μm又はそれより若干小さい直径とし、前記第2の電極を前記第1の電極よりも大きな面積としたことを特徴とするインジウム燐ガンダイオード。
On a semiconductor substrate made of indium phosphorus, a first semiconductor layer made of high-concentration n-type indium phosphorus, an active layer made of low-concentration n-type indium phosphorus, and a second semiconductor layer made of high-concentration n-type indium phosphorus are sequentially stacked. In an indium phosphorus gun diode,
A first electrode and a second electrode are formed apart from each other on the upper surface of the second semiconductor layer, and a minimum depth reaches the active layer from the upper surface of a separation region between the electrodes, and the maximum depth is the first depth. A high resistance region is formed by ion implantation at an arbitrary depth until reaching the semiconductor layer of
An indium phosphine diode characterized in that the first electrode has a diameter of about 15 μm or slightly smaller, and the second electrode has a larger area than the first electrode.
前記第2の半導体層を、高濃度n型インジウムガリウム砒素からなる半導体層に置換したことを特徴とする請求項1に記載のインジウム燐ガンダイオード。2. The indium phosphide diode according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is replaced with a semiconductor layer made of high-concentration n-type indium gallium arsenide. 前記第2の半導体層の上層に、高濃度n型インジウムガリウム砒素からなる第3の半導体層を更に積層し、該第3の半導体層の上面に前記第1の電極及び前記第2の電極を形成したことを特徴とする請求項1に記載のインジウム燐ガンダイオード。A third semiconductor layer made of high-concentration n-type indium gallium arsenide is further stacked on the second semiconductor layer, and the first electrode and the second electrode are formed on the upper surface of the third semiconductor layer. 2. The indium phosphine gun diode according to claim 1, wherein the indium phosphine gun diode is formed. 前記第1の半導体層を、高濃度n型インジウムガリウム砒素からなる半導体層に置換したことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載のインジウム燐ガンダイオード。4. The indium phosphine diode according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is replaced with a semiconductor layer made of high-concentration n-type indium gallium arsenide.
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