JP4868751B2

JP4868751B2 - ガンダイオード発振器

Info

Publication number: JP4868751B2
Application number: JP2005065018A
Authority: JP
Inventors: 吉田　　孝; 義道深澤
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-03-09
Also published as: JP2006253263A

Description

本発明は、表面実装型のガンダイオードを用いたマイクロ波帯やミリ波帯のような高周波帯域の発振器に係り、特に位相雑音特性を向上させたガンダイオード発振器に関するものである。

マイクロ波帯域やミリ波帯域の発振素子として用いられる表面実装型のガンダイオード２０の平面図を図３（ａ）に、図３（ａ）のＡ−Ａ’面の断面図を図３（ｂ）にそれぞれ示す。図３に示すように、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板２１上に、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１の半導体層２２、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層２３、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２の半導体層２４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、絶縁体２５によって第２の半導体層２４及び活性層２３を区画したメサ型構造となっている。２６はカソード電極、２７はアノード電極、２８は導電性突起電極であるカソードバンプ、２９は導電性突起電極であるアノードバンプである。絶縁体２５は、上面から第１の半導体層２２までボロン注入して高抵抗化し、カソード電極２６をアノード電極２７から分離している。この絶縁体２５により囲まれた内側の活性層２３及び第２の半導体層２４、第１の半導体層２２によりガンダイオードの機能部が形成されている。図３では絶縁体２５により囲まれた６個のカソード電極２６の下層に各々ガンダイオード機能部が形成され、カソードバンプ２８は６個のカソード電極２６の上面全てに各々形成されている。なお、図３では６個のカソード電極２６が形成されているが、ガンダイオードの発振周波数λのλ／１０以内の寸法内に配置された複数のカソード電極２６は、１個のカソード電極とみることができる。一方アノードバンプ２９は、カソードバンプ２８の一群を両側から挟むように、ガンダイオード２０の両側のアノード電極２７上に、片側に２個ずつ合計で４個形成されている。

図４は、図３のガンダイオード２０をマイクロストリップ線路で構成された発振回路３０に搭載して構成したガンダイオード発振器の断面を示す図である。また図５は、マイクロストリップ線路で構成された発振回路３０の斜視図であり、円柱状ヴィアホールの部分を破線で示している。発振回路３０は、半絶縁性の平板基板３１の上面に信号電極３２とその信号電極３２の両側に２個の表面接地電極３３が形成されると共に、裏面全面には裏面接地電極３４が形成されている。表面接地電極３３と裏面接地電極３４は、直径約２００μｍの円柱状ヴィアホール３５により接続している。信号電極３２には電圧印加用のバイアス電極３２Ａ、共振器を構成するオープンスタブ３２Ｂ、及び発振出力取出用の出力部３２Ｃが連続して形成されている。ガンダイオード２０は、中央のカソードバンプ２８が信号電極３２に、両側のアノードバンプ２９が表面接地電極３３にそれぞれ接着するように実装される。図４の３６は放熱基台であるが、図５では図示していない。このような構造のガンダイオード発振器は、本願出願人が先に開示したものである（特許文献１参照）。
特開２００３−２１８１５９号公報

マイクロストリップ線路上に表面実装型のガンダイオードを搭載した従来のガンダイオード発振器では、裏面接地電極３４と表面接地電極３３を接続する円柱状ヴィアホール３５がショートスタブとして機能している。ここで、ヴィアホールの形状が円柱構造であると、その直径が大きいため、ガンダイオード２０側からみたショートスタブ長が円柱構造の円弧の位置によって異なることになる。このショートスタブ長のばらつきは、低周波帯域では問題ではなかったが、マイクロ波帯やミリ波帯域のような高周波帯域になると、発振周波数のばらつきの原因となるという問題があった。本発明は、高周波領域でも発振周波数のばらつきのないガンダイオード発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、半絶縁性の平板基板の表面に形成された信号電極と、該信号電極に連続するバイアス電極及びオープンスタブと、前記オープンスタブの近傍で前記信号電極を挟んで配置された２つの表面接地電極と、前記平板基板の裏面に形成された裏面接地電極と、前記表面接地電極を前記裏面接地電極にそれぞれ接続する２つのヴィアホールとを備えたマイクロストリップ線路と、底面の中央に形成されたアノード又はカソードの一方の電極と、前記底面の両側に形成された他方の電極とを備えた表面実装型のガンダイオードとを具備し、前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記信号電極に接着すると共に前記他方の電極を前記表面接地電極にそれぞれ接着するガンダイオード発振器において、前記ヴィアホールは、少なくとも前記信号電極側に該信号電極の信号伝搬方向と平行な長方形の側面を有する柱状構造であり、前記表面接地電極から前記ヴィアホールを経由して前記裏面接地電極に至るショートスタブとして機能する線路長が、一定であることを特徴とするものである。

本発明は、ヴィアホールの形状を信号電極の信号伝搬方向に平行な側面を有する柱状構造とすることで、ガンダイオード側からみたショートスタブ長が、表面接地電極からヴィアホールの信号伝搬方向に平行な側面を経由し、裏面接地電極に至る距離で決まるため、ばらつきがなくなる。その結果、高周波帯域での発振周波数のばらつきがなくなり、良好は発振特性を有するガンダイオード発振器が得られた。

角柱形状や角柱形状の角部が円弧状になった形状のヴィアホールでは、従来の円柱状ヴィアホールにくらべて面積の大きなヴィアホールを形成することができるため、放熱効果が高まり、温度特性が向上した。

本発明のガンダイオード発振器は、表面接地電極と裏面接地電極とを接続するヴィアホールの形状を、信号電極側の側面が信号電極の信号伝搬方向と平行となるような柱状構造としている。これにより、表面接地電極からヴィアホールを経由して裏面接地電極に至るショートスタブとして機能する線路長が、従来の円柱状ヴィアホールを経由する線路長と比べて、ばらつかなくなる。その結果、高周波帯域での発振周波数のばらつきがなくなる。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器を示す斜視図であり、表面接地電極３３と裏面接地電極３４を導通する四角柱ヴィアホール１５を破線で示している。ガンダイオード２０は、図３で説明したガンダイオードの他、ガリウム砒素やインジウム燐等からなる通常のガンダイオードであり、カソード電極２６に対応する中央部分にガンダイオード機能部を形成し、カソード電極２６上にカソードバンプ２８を形成し、カソードバンプ２８を挟む両側にアノードバンプ２９を形成したものである。

マイクロストリップ線路３２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、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の表面に、信号電極３２と、この信号電極３２に連続するオープンスタブ３２Ｂ及びガンダイオード２０への電源供給用のバイアス電極３２Ａと、オープンスタブ３２Ｂ近傍に信号電極３２を挟んで両側に配置した表面接地電極３３を形成し、裏面全面に裏面接地電極３４を形成したものである。表面接地電極３３は金属を充填した四角柱ヴィアホール１５により裏面接地電極３４と接続している。

図１に示すように、本実施例のヴィアホールの形状は、従来例で説明した円柱状ヴィアホールと異なり、信号電極の信号伝搬方向に平行な一辺を持つ長方形の表面形状を有する四角柱となっている。ガンダイオード２０は、その中央のカソードバンプ２８をオープンスタブ３２Ｂに接着し、一方アノードバンプ２９を表面接地電極３３に接着している。

このような構造のガンダイオード発振器１０は、裏面電極３４を固定電位とし、バイアス電極３２Ａに直流電圧を印加すると、ガンダイオード２０が発振する。ここで、ガンダイオード２０から信号電極３２側のショートスタブ３３、四角柱ヴィアホール１５を経由して裏面接地電極３４に至るショートスタブとして機能する線路長は、四角柱ヴィアホール１５の信号電極３２側の一辺までの線路長がほぼ一定であれば、ほぼ一定となる。その結果、ガンダイオード発振器の発振周波数のばらつきがなくなる。

図２は本発明の第２の実施例の電圧制御型ガンダイオード発振器１１を示す斜視図である。第１の実施例で説明したガンダイオード発振器１０の構成に加えて、本実施例では、オープンスタブ３２Ｂの延長線上の離れた位置に別のオープンスタブ１２Ｂを設け、バラクタダイオード４０の一方の電極をオープンスタブ３２Ｂと接続し、他方の電極を別のオープンスタブ１２Ｂに接続して、バラクタダイオード４０を搭載している。

本実施例では、バイアス電極３２Ａを介してガンダイオード２０にバイアスを印加し、別のバイアス電極１２Ａを介してバラクタダイオード４０にバイアスを印加することにより、ガンダイオード２０で発振する発振周波数をバラクタダイオード４０により変調する電圧制御型のガンダイオード発振器を構成している。

本実施例においても、ガンダイオード２０からみた信号電極３２側の表面接地電極３３、四角柱ヴィアホール１５を経由して裏面接地電極３４に至るショートスタブとして機能する線路長は、四角柱ヴィアホール１５の信号電極３２側の一辺までの線路長が一定であれば、ほぼ一定となる。その結果、電圧制御型ガンダイオード発振器の発振周波数のばらつきがなくなることになる。

以上説明した実施例において、ガンダイオード２０のカソード電極２６とカソードバンプ２８、およびアノード電極２７とアノードバンプ２９はバイアス電圧の極性によって逆になる場合もあることはいうまでもない。

また表面接地電極３３と裏面接地電極３４を接続するヴィアホールは、四角柱形状に限定されるものではなく、少なくとも信号電極側に、信号電極の信号伝搬方向に平行な側面を有しており、その側面の信号伝搬方向に平行方向な長さが、この側面を経由してショートスタブとして機能するのに十分な長さであり、表面接地電極からヴィアホールを経由して裏面接地電極に至るショートスタブとして機能する線路長が、ほぼ一定となる形状であればよい。例えば実施例に示した表面形状が長方形の他、正方形のような角柱形状や、角柱形状の角部が円弧状になった形状、円柱の信号電極側の円弧の一部を切り欠き、前述の側面を形成した形状等、種々変更可能であることはいうまでもない。しかし、側面の信号伝搬方向に平行方向な側面を有していても、その長さが側面を経由してショートスタブとして機能するには長さが短い形状は、当然除外される。円柱状ヴィアホール同様、ショートスタブ長がばらついてしまうからである。その長さは、約λ／４となる。

なお、角柱形状や角柱形状の角部が円弧状になった形状のヴィアホールでは、従来の円柱状ヴィアホールにくらべて面積の大きなヴィアホールを形成することができるため、放熱効果が高まり、温度特性が向上することが確認されている。

本発明の第１の実施例のガンダイオード発振器を示す図である。本発明の第２の実施例の電圧制御型のガンダイオード発振器を示す図である。従来の表面実装型の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。従来のガンダイオード発振器の説明図である。従来の該ダイオード発振器の別の説明図である。

符号の説明

１０：ガンダイオード発振器、１１：電圧制御型ガンダイオード発振器、
１２Ａ：別のバイアス電極、１２Ｂ：別のオープンスタブ電極、
１５：四角柱状ヴィアホール、２０：ガンダイオード、２１：半導体基板、
２２：第１の半導体層、２３：活性層、２４：第２の半導体層、２５：絶縁体、
２６：カソード電極、２７：アノード電極、２８：カソードバンプ、
２９：アノードバンプ、３０：発振回路、３１：平板基板、３２：信号線路、
３２Ａ：バイアス電極、３２Ｂ：オープンスタブ電極、３２Ｃ：出力部、
３３：表面接地電極、３４：裏面接地電極、３５：円柱状ヴィアホール
４０：バラクタダイオード

Claims

半絶縁性の平板基板の表面に形成された信号電極と、該信号電極に連続するバイアス電極及びオープンスタブと、前記オープンスタブの近傍で前記信号電極を挟んで配置された２つの表面接地電極と、前記平板基板の裏面に形成された裏面接地電極と、前記表面接地電極を前記裏面接地電極にそれぞれ接続する２つのヴィアホールとを備えたマイクロストリップ線路と、
底面の中央に形成されたアノード又はカソードの一方の電極と、前記底面の両側に形成された他方の電極とを備えた表面実装型のガンダイオードとを具備し、
前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記信号電極に接着すると共に前記他方の電極を前記表面接地電極にそれぞれ接着するガンダイオード発振器において、
前記ヴィアホールは、少なくとも前記信号電極側に該信号電極の信号伝搬方向と平行な長方形の側面を有する柱状構造であり、前記表面接地電極から前記ヴィアホールを経由して前記裏面接地電極に至るショートスタブとして機能する線路長が、一定であることを特徴とするガンダイオード発振器。