JPH0624263B2 - 固体電磁波増幅器 - Google Patents
固体電磁波増幅器Info
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- JPH0624263B2 JPH0624263B2 JP60062078A JP6207885A JPH0624263B2 JP H0624263 B2 JPH0624263 B2 JP H0624263B2 JP 60062078 A JP60062078 A JP 60062078A JP 6207885 A JP6207885 A JP 6207885A JP H0624263 B2 JPH0624263 B2 JP H0624263B2
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- Japan
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- wave
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Links
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N70/00—Solid-state devices having no potential barriers, and specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching
- H10N70/10—Solid-state travelling-wave devices
Landscapes
- Microwave Amplifiers (AREA)
- Amplifiers (AREA)
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は電磁波とキャリヤ波との間の進行波相互作用に
より、100GHz程度までの超高周波電磁波の増幅を行える
ようにした固体電磁波増幅器に関するものである。
より、100GHz程度までの超高周波電磁波の増幅を行える
ようにした固体電磁波増幅器に関するものである。
（従来技術の概要とその問題点） Si集積回路の飛躍的進歩により高度情報社会が到来しよ
うとしており、このためますます大量の情報を高速で処
理し伝送する必要が増大している。このことは、取り扱
う電気信号の超高周波化を意味している。一方トランジ
スタの発明以来、電子素子の固体化は阻むことができな
い流れとなっている。現在、固体電子素子によって置き
換えることのできない真空管素子は二つある。一つは、
ディスプレイ用のブラウン管であり、もう一つが進行波
管をはじめとする超高周波・大電力用の真空管である。
後者は真空中を進行する電子と遅波された電磁界との相
互作用を利用したものであり、極めて大きいパワを発生
することができる。これは電子と電磁界の相互作用が三
極管のように極めて小さい空間に限定されることなく、
電磁波が進行するに従い徐々に行われるからである。
うとしており、このためますます大量の情報を高速で処
理し伝送する必要が増大している。このことは、取り扱
う電気信号の超高周波化を意味している。一方トランジ
スタの発明以来、電子素子の固体化は阻むことができな
い流れとなっている。現在、固体電子素子によって置き
換えることのできない真空管素子は二つある。一つは、
ディスプレイ用のブラウン管であり、もう一つが進行波
管をはじめとする超高周波・大電力用の真空管である。
後者は真空中を進行する電子と遅波された電磁界との相
互作用を利用したものであり、極めて大きいパワを発生
することができる。これは電子と電磁界の相互作用が三
極管のように極めて小さい空間に限定されることなく、
電磁波が進行するに従い徐々に行われるからである。
固体素子においても進行波型の増幅は現在用いられてい
る電界効果素子に比べて同様の利点を有する。このため
固体中の電子（又は正孔）を用いた固体進行波増幅器は
早くから提案され、また計算も行われてきたが、現在に
至るまで実現されていない。
る電界効果素子に比べて同様の利点を有する。このため
固体中の電子（又は正孔）を用いた固体進行波増幅器は
早くから提案され、また計算も行われてきたが、現在に
至るまで実現されていない。
これは従来の固体中の電子または正孔のキャリヤ波と電
磁波の相互作用を用いた増幅器では電磁界と相互作用す
るキャリヤ波の振幅がキャリヤが固体バルク中に拡散し
てしまうために減少し十分な相互作用が得られないから
である。このためこの拡散を防ぐ構造をもつ固体電磁波
増幅器を発明することは、現在行き詰まっている超高周
波・大パワ素子の固体化をもたらしマイクロ波通信、レ
ーダー等の小型軽量化を実現し、ひいてはそれらの技術
の応用分野を飛躍的に拡大せしめる効果がある。
磁波の相互作用を用いた増幅器では電磁界と相互作用す
るキャリヤ波の振幅がキャリヤが固体バルク中に拡散し
てしまうために減少し十分な相互作用が得られないから
である。このためこの拡散を防ぐ構造をもつ固体電磁波
増幅器を発明することは、現在行き詰まっている超高周
波・大パワ素子の固体化をもたらしマイクロ波通信、レ
ーダー等の小型軽量化を実現し、ひいてはそれらの技術
の応用分野を飛躍的に拡大せしめる効果がある。
（発明の目的） 本発明は前項に記した従来型の増幅器の欠陥をキャリヤ
波拡散防止構造を用いることにより克服し、超高周波
（〜100GHz）までの電磁波の増幅を行うことのできる固
体電磁波増幅器を実現しようとするものである。
波拡散防止構造を用いることにより克服し、超高周波
（〜100GHz）までの電磁波の増幅を行うことのできる固
体電磁波増幅器を実現しようとするものである。
（実施例） 本発明は電磁波と相互作用するキャリヤ波の振幅がキャ
リヤが半導体中へ拡散していくために減少する結果生じ
る損失を、キャリヤ波を閉じ込めるキャリヤ波拡散防止
構造を採用することにより克服するものである。
リヤが半導体中へ拡散していくために減少する結果生じ
る損失を、キャリヤ波を閉じ込めるキャリヤ波拡散防止
構造を採用することにより克服するものである。
キャリヤ波が半導体中に拡散してゆくために生じる損失
の具体例を第１図に示す。
の具体例を第１図に示す。
第１図は利得（縦軸）と半導体の厚さ（横軸）の関係を
示すものであり、図より明らかなように、現実的なキャ
リヤ濃度領域（ｎ＞1016cm-3）では半導体の厚さがデバ
イ長より厚い場合にはキャリヤ波の拡散による減衰が顕
著になり利得が大幅に減少する。
示すものであり、図より明らかなように、現実的なキャ
リヤ濃度領域（ｎ＞1016cm-3）では半導体の厚さがデバ
イ長より厚い場合にはキャリヤ波の拡散による減衰が顕
著になり利得が大幅に減少する。
ここにおいてデバイ長LDは次式で定義される。
式中、 ε：誘電率（13ε０） ｋ：ボルツマン定数 Ｔ：絶対温度 ｑ：素電荷 η：キャリヤ濃度 本発明はキャリヤの拡散現象を (1)半導体薄膜を用いる、 (2)キャリヤ波に対するポテンシャル障壁を用いる、 (3)電界による閉じ込め作用を用いる、 の三種類の方法により除去・克服するものである。
本発明の具体例実施例を添付図面により説明する。なお
実施例は一つの例示であって本発明の精神を逸脱しない
範囲内で種々の変更あるいは改良を行いうることは言う
までもない。
実施例は一つの例示であって本発明の精神を逸脱しない
範囲内で種々の変更あるいは改良を行いうることは言う
までもない。
第２図は半導体薄膜を用いる方法であって、１はキャリ
ヤ波と相互作用する電磁界の存在する空間、２は半導体
表面保護用の絶縁膜、３はキャリヤ波を生じる半導体薄
膜、４は半導体薄膜を支持する（半）絶縁性基板であ
り、ｄは半導体薄膜の厚さを示す。
ヤ波と相互作用する電磁界の存在する空間、２は半導体
表面保護用の絶縁膜、３はキャリヤ波を生じる半導体薄
膜、４は半導体薄膜を支持する（半）絶縁性基板であ
り、ｄは半導体薄膜の厚さを示す。
この状態においてはキャリヤ波の拡散は半導体薄膜が有
限のため自動的に抑制される。半導体薄膜の厚さｄは第
１図に示されるようにデバイ長程度であるのが望まし
い。また使用に供される半導体薄膜は増幅の効率を向上
させるため高いキャリヤ移動度を有することが望まし
く、その意味でGaAs，InP に代表される化合物半導体と
その混晶を用いるのが好ましいが、プロセス技術の確立
しているSiを用いても良い。
限のため自動的に抑制される。半導体薄膜の厚さｄは第
１図に示されるようにデバイ長程度であるのが望まし
い。また使用に供される半導体薄膜は増幅の効率を向上
させるため高いキャリヤ移動度を有することが望まし
く、その意味でGaAs，InP に代表される化合物半導体と
その混晶を用いるのが好ましいが、プロセス技術の確立
しているSiを用いても良い。
第３図はキャリヤ波に対するポテンシャル障壁を用いる
具体例であり、ここでは半導体ヘテロ接合に生じるバン
ドの不連続を閉じ込め障壁として利用している。
具体例であり、ここでは半導体ヘテロ接合に生じるバン
ドの不連続を閉じ込め障壁として利用している。
第３図において、１はキャリヤ波と相互作用する電磁界
の存在する空間、２は半導体表面保護用の絶縁膜、３は
ヘテロ接合を有するキャリヤ波の生じる半導体層、４は
半導体層を支持する（半）絶縁性基板であり、d0はヘテ
ロ接合を有する半導体層の厚さを示す。
の存在する空間、２は半導体表面保護用の絶縁膜、３は
ヘテロ接合を有するキャリヤ波の生じる半導体層、４は
半導体層を支持する（半）絶縁性基板であり、d0はヘテ
ロ接合を有する半導体層の厚さを示す。
第４図は第３図の構造の深さ方向のポテンシャル分布を
示したものであり、１はキャリヤ波と相互作用する電磁
界の存在する空間、２は半導体表面保護用の絶縁膜、３
はヘテロ接合における低ポテンシャルの半導体（厚さ
d1）、４はヘテロ接合における高ポテンシャルの半導体
（厚さd2）、５は電子、６は半導体薄膜を支持する
（半）絶縁性の基板、７で示される線は半導体の伝導帯
下端を示し、８は半導体価電子帯上端を示し、９はフェ
ルミ準位を示す。この状態においてキャリヤ波はそれぞ
れの低ポテンシャル半導体(3) にヘテロ接合に付随する
障壁によって閉じ込められる。低ポテンシャル半導体の
厚さd1はデバイ長以下が望ましく、また第４図に示した
ように各層の厚さを十分に薄くして多層重ねることによ
り利得を向上させてもよい。この際にはd1の和がデバイ
長以上であることが望ましく、d2の厚さはキャリヤがト
ンネル効果によって移動しえない範囲で薄いほうがよ
い。またこの際にいわゆる選択ドープ構造を用いて４の
部分にのみドーピングを行いキャリヤの移動度を向上さ
せ効率を高める方法も併用することが好ましい。使用に
供される半導体は増幅の効率を向上させるため高いキャ
リヤ移動度を有することが望ましく、その意味でGaAs，
InP に代表される化合物半導体とその混晶の組合せ（例
えば、AlGaAs/GaAs，lnAs/GaSb，InP/GaLnAs等）を用い
るのが好ましいが、SiとGaの組合せを用いても良い。
示したものであり、１はキャリヤ波と相互作用する電磁
界の存在する空間、２は半導体表面保護用の絶縁膜、３
はヘテロ接合における低ポテンシャルの半導体（厚さ
d1）、４はヘテロ接合における高ポテンシャルの半導体
（厚さd2）、５は電子、６は半導体薄膜を支持する
（半）絶縁性の基板、７で示される線は半導体の伝導帯
下端を示し、８は半導体価電子帯上端を示し、９はフェ
ルミ準位を示す。この状態においてキャリヤ波はそれぞ
れの低ポテンシャル半導体(3) にヘテロ接合に付随する
障壁によって閉じ込められる。低ポテンシャル半導体の
厚さd1はデバイ長以下が望ましく、また第４図に示した
ように各層の厚さを十分に薄くして多層重ねることによ
り利得を向上させてもよい。この際にはd1の和がデバイ
長以上であることが望ましく、d2の厚さはキャリヤがト
ンネル効果によって移動しえない範囲で薄いほうがよ
い。またこの際にいわゆる選択ドープ構造を用いて４の
部分にのみドーピングを行いキャリヤの移動度を向上さ
せ効率を高める方法も併用することが好ましい。使用に
供される半導体は増幅の効率を向上させるため高いキャ
リヤ移動度を有することが望ましく、その意味でGaAs，
InP に代表される化合物半導体とその混晶の組合せ（例
えば、AlGaAs/GaAs，lnAs/GaSb，InP/GaLnAs等）を用い
るのが好ましいが、SiとGaの組合せを用いても良い。
第５図は電界による閉じ込め作用を用いる具体例であ
り、１はキャリヤ波と相互作用する電磁界の存在する空
間、２は半導体表面保護およびチャネル形成用の絶縁
膜、３は半導体表面におけるキャリヤの蓄積（反転）層
チャネル、４は半導体層を示す。
り、１はキャリヤ波と相互作用する電磁界の存在する空
間、２は半導体表面保護およびチャネル形成用の絶縁
膜、３は半導体表面におけるキャリヤの蓄積（反転）層
チャネル、４は半導体層を示す。
第６図は第５図の構造の深さ方向のポテンシャル分布を
示したものであり、１はキャリヤ波と相互作用する電磁
界の存在する空間、２は半導体表面保護およびそのチャ
ネル形成用の絶縁膜、３は半導体表面におけるキャリヤ
の蓄積（反転）層チャネル、４は半導体層、５は半導体
表面蓄積層を形成するために絶縁膜中にドープされた正
のイオン（蓄積層を形成するのにゲート電極を用いても
よい）、６はフェルミ準位を示す。
示したものであり、１はキャリヤ波と相互作用する電磁
界の存在する空間、２は半導体表面保護およびそのチャ
ネル形成用の絶縁膜、３は半導体表面におけるキャリヤ
の蓄積（反転）層チャネル、４は半導体層、５は半導体
表面蓄積層を形成するために絶縁膜中にドープされた正
のイオン（蓄積層を形成するのにゲート電極を用いても
よい）、６はフェルミ準位を示す。
この状態において半導体の表面に形成された蓄積層の電
子は第６図の正イオン５によって、半導体層４中に生じ
た電界と第６図の絶縁膜２と半導体層４の間のポテンシ
ャル障壁によって極めて狭い領域に閉じ込められ、半導
体バルク中へ拡散が抑制される。
子は第６図の正イオン５によって、半導体層４中に生じ
た電界と第６図の絶縁膜２と半導体層４の間のポテンシ
ャル障壁によって極めて狭い領域に閉じ込められ、半導
体バルク中へ拡散が抑制される。
使用に供される半導体は増幅の効率を向上させるため高
いキャリヤ移動度を有することが望ましく、かつ表面準
位の少ないものが望ましい。その意味でInP に代表され
る化合物半導体とその混晶（例えば、GaInAs等）を用い
るのが好ましいが、Siを用いてもよい。またヘテロ構造
と組合せてもよいのは云うまでもない。
いキャリヤ移動度を有することが望ましく、かつ表面準
位の少ないものが望ましい。その意味でInP に代表され
る化合物半導体とその混晶（例えば、GaInAs等）を用い
るのが好ましいが、Siを用いてもよい。またヘテロ構造
と組合せてもよいのは云うまでもない。
本発明は電磁波と相互作用するキャリヤ波の振幅がキャ
リヤが半導体中へ拡散していくために減衰する結果生じ
る損失をキャリヤ波を閉じ込める構造を採用することに
より克服するものであり、閉じ込め構造として、 (1)半導体薄膜 (2)キャリヤ波に対するポテンシャル障壁 (3)電界による閉じ込め作用を得る構造 の三種類の方法を発明したものである。
リヤが半導体中へ拡散していくために減衰する結果生じ
る損失をキャリヤ波を閉じ込める構造を採用することに
より克服するものであり、閉じ込め構造として、 (1)半導体薄膜 (2)キャリヤ波に対するポテンシャル障壁 (3)電界による閉じ込め作用を得る構造 の三種類の方法を発明したものである。
第１図はキャリヤ波が半導体中に拡散してゆくために生
じる損失の具体例を示す特性図、 第２図は半導体薄膜を用いるキャリヤ波の拡散防止の原
理説明図、 第３図はキャリヤ波に対するポテンシャル障壁を用いる
キャリヤ波拡散防止構造の原理説明図、 第４図は第３図のキャリヤ波拡散防止構造の深さ方向の
ポテンシャル分布を示す図、 第５図は電界によるキャリヤ波拡散防止構造の具体例の
原理説明図、 第６図は第５図の深さ方向のポテンシャル分布を示す図
である。
じる損失の具体例を示す特性図、 第２図は半導体薄膜を用いるキャリヤ波の拡散防止の原
理説明図、 第３図はキャリヤ波に対するポテンシャル障壁を用いる
キャリヤ波拡散防止構造の原理説明図、 第４図は第３図のキャリヤ波拡散防止構造の深さ方向の
ポテンシャル分布を示す図、 第５図は電界によるキャリヤ波拡散防止構造の具体例の
原理説明図、 第６図は第５図の深さ方向のポテンシャル分布を示す図
である。
Claims (6)
- 【請求項１】電磁波とキャリヤ波との間の進行波相互作
用による固体電磁波増幅器において、 キャリヤ波の生じる半導体薄膜(3) と、 該半導体薄膜を支持する半絶縁性基板(4) と、 前記半導体薄膜(3) の表面保護用で、電磁界の存在する
空間(1) の間に設ける絶縁膜(2) とによって構成される
キャリヤ波拡散防止構造を設け、 前記半導体薄膜の厚さ(d) をデバイ長(LD)程度とし、 キャリヤ波の進行方向に対し横方向のキャリヤ波の拡散
を抑止し、超高周波（〜100GHz）領域までの電磁波の進
行波の増幅を可能としたことを特徴とする固体電磁波増
幅器。 - 【請求項２】前記半導体薄膜を GaAs 、InP の如き化合
物半導体とその混晶で形成する特許請求の範囲第１項記
載の固体電磁波増幅器。 - 【請求項３】電磁波とキャリヤ波との間の進行波相互作
用による固体電磁波増幅器において、 キャリヤ波の生じるヘテロ接合を有する半導体薄膜と、 該半導体薄膜を支持する半絶縁性基板と、 前記半導体薄膜の表面保護用で、電磁界の存在する空間
(1) の間に設ける絶縁膜(2) とによって構成されるキャ
リヤ波拡散防止構造を設け、 前記キャリヤ波の生じるヘテロ接合を有する半導体薄膜
は、ヘテロ接合を形成する低ポテンシャルの半導体薄膜
(3) と、ヘテロ接合を形成する高ポテンシャルの半導体
薄膜(4) との交互積層により構成され、低ポテンシャル
半導体薄膜(3) の膜厚(d1)をデバイ長(LD)以下とし、ヘ
テロ接合に付随する電位障壁により、低ポテンシャル半
導体薄膜(3) を進行するキャリヤ波を閉じ込めることに
より、 キャリヤ波の進行方向に対し横方向のキャリヤ波の拡散
を抑止し、超高周波（〜100GHz）領域までの電磁波の進
行波の増幅を可能としたことを特徴とする固体電磁波増
幅器。 - 【請求項４】前記半導体薄膜を GaAs 、InP の如き化合
物半導体とその混晶で形成する特許請求の範囲第３項記
載の固体電磁波増幅器。 - 【請求項５】電磁波とキャリヤ波との間の進行波相互作
用による固体電磁波増幅器において、 キャリヤ波の生じる半導体表面におけるキャリヤの蓄積
反転層チャネル(3) と、 該半導体表面におけるキャリヤの蓄積反転層チャネルに
つづくバルク半導体層(4) と、 前記半導体の表面保護用兼チャネル形成用で電磁界の存
在する空間(1) との間に設ける絶縁膜(2) とによって構
成されるキャリヤ波拡散防止構造を設け、 前記半導体の表面に形成された蓄積層チャネルの電子
は、絶縁膜(2) 中にドープされた正イオンによって半導
体層(4) 中に生じた電界と、絶縁膜(2) と半導体層(4)
間のポテンシャル障壁によって極めて狭い領域に閉じ込
められ、半導体バルク(4) 中への拡散を抑制して、 キャリヤ波の進行方向に対し横方向のキャリヤ波の拡散
を抑止し、超高周波（〜100GHz）領域までの電磁波の進
行波の増幅を可能としたことを特徴とする固体電磁波増
幅器。 - 【請求項６】前記半導体薄膜を GaAs 、InP の如き化合
物半導体とその混晶で形成する特許請求の範囲第５項記
載の固体電磁波増幅器。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60062078A JPH0624263B2 (ja) | 1985-03-28 | 1985-03-28 | 固体電磁波増幅器 |
| EP86400695A EP0196975B1 (en) | 1985-03-28 | 1986-03-28 | Solid electromagnetic wave amplifier |
| US07/130,004 US4847565A (en) | 1985-03-28 | 1987-12-08 | Solid state electromagnetic wave amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60062078A JPH0624263B2 (ja) | 1985-03-28 | 1985-03-28 | 固体電磁波増幅器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61222311A JPS61222311A (ja) | 1986-10-02 |
| JPH0624263B2 true JPH0624263B2 (ja) | 1994-03-30 |
Family
ID=13189672
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60062078A Expired - Lifetime JPH0624263B2 (ja) | 1985-03-28 | 1985-03-28 | 固体電磁波増幅器 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4847565A (ja) |
| EP (1) | EP0196975B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0624263B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130334501A1 (en) * | 2011-09-15 | 2013-12-19 | The Regents Of The University Of California | Field-Effect P-N Junction |
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