(57)【要約】【課題】本発明は、コンパクトで簡単な構造の半導体変調素子を提供することを目的とする。【解決手段】半導体変調素子は、電極層との間にショットキーバリアが形成された半導体層を備え、ショットキーバリアを介して流れる電流は、真電流成分Ｉt及び変位電流成分Ｉdを含んでおり、所定の入力電圧範囲において真電流成分Ｉtが変位電流成分Ｉdよりも小さくなるように設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極層との間にショットキーバリアが形成された半導体層を備える半導体変調素子において、前記ショットキーバリアを介して流れる電流は、以下の算出式で求められる真電流成分Ｉt及び変位電流成分Ｉdを含んでおり、所定の入力電圧範囲において真電流成分Ｉtが変位電流成分Ｉdよりも小さくなるように設定されている半導体変調素子。
【数１】
2014127607.tif 000005
Ｉs；逆方向飽和電流、ｑ；電荷素量、Ｖ；印加電圧、ｋ；ボルツマン定数、Ａ**；リチャードソン定数；φB；ショットキーバリアの障壁高さ、ε；半導体層の誘電率、Ｎa；不純物濃度、Ｖbi；内蔵電位、Ｔ；絶対温度、ｔ；時間
【請求項２】
前記半導体層は、不純物として低濃度のＭｇが導入されたｐ型ＧａＮからなり、前記電極層は、Ｎｉからなる請求項１に記載の半導体変調素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体変調素子を備える位相変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ショットキーバリアを有するとともに位相変調を行う半導体変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子では、Ｓｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＧａＡｓ（ガリウム／ヒ素）、ＩｎＰ（インジウム／リン）、ＧａＮ（窒化ガリウム）といった結晶材料に不純物を導入した半導体材料を用いて、ダイオード、トランジスタ、ＩＣ、光デバイス等の様々な素子が実用化されている。こうした半導体材料に対して、その表面に特定に金属材料を接触させると、その接触面の近傍にショットキーバリアと称される現象が生じ、キャリア（電子又は正孔）の少ない一種の電位の障壁が形成されるようになる。こうした現象を利用してショットキーダイオード、ＭＥＳＦＥＴといった半導体素子が開発されている。特許文献１では、不純物密度より密度の高い深い準位を有する半導体基板上に金属のショットキー電極を堆積してショットキー接触を形成し、大電流を流すことで空乏層中の深い準位を帯電させ書込み状態を記憶するとともにショットキー接触に光を照射して空乏層中の欠陥をイオン化するショットキー型消去書込み可能メモリが記載されている。
【０００３】
無線通信システムでは、各種機能を実現するために多くの半導体素子が使用されている。無線通信システムにおいて、一般に音声信号等の情報信号に基づいて搬送波信号の振幅、周波数又は位相を変化させる変調処理が行われており、こうした変調処理に用いられる変調器としては、例えば、Ｓｉバイポーラ直交変調器のようにトランジスタを複数段接続したものが挙げられる。また、変調処理に用いられる半導体素子としては、例えば、特許文献２では、ソース電極とドレイン電極との間に、２本のゲート電極を有するデュアルゲートＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）構造ＦＥＴ（Field Effect Transistor）が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２５２４３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２４２７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
無線通信システムに採用されている変調方式の１つにデジタル位相変調方式が挙げられる。デジタル位相変調方式は、雑音や信号の減衰に影響を受けることが少なく、必要となる周波数帯域も狭くて済むといった特徴があるので、携帯電話や衛星デジタル放送等に広く利用されている。
【０００６】
デジタル位相変調方式では、基準となる搬送波と位相のずれた波とを用いてそれぞれの波に情報を割り当てるＰＳＫ（Phase Shift Keying）波が使用されており、最も簡単なＰＳＫ波としては、１ビットを示す２値ＰＳＫ波がある。２値ＰＳＫ波では、例えば２値ＰＳＫ波の位相０の波形範囲を２進数の１とし、位相πの波形範囲を２進数の０に対応させて位相変調を行う。
【０００７】
図６は、２値ＰＳＫ波を出力する変調器の具体例に関する回路構成図である。この例では、ベースバンド信号が端子Ｐにパルス入力された場合にそれに対応してダイオードＤがオン、オフし、ダイオードＤがオンの場合に端子Ｃから入力された搬送波がサーキュレータＣｒから反射板Ｒまでの距離を往復して位相をずらすことで、変調されたＰＳＫ波が端子Ｍから出力されるようになる。
【０００８】
従来のデジタル位相変調方式を実現する変調器は、このように複数の回路部品を組み合せて構成されており、サイズが大きくなって複雑な構造とならざるを得なかった。
【０００９】
そこで、本発明は、コンパクトで簡単な構造の半導体変調素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る半導体変調素子は、電極層との間にショットキーバリアが形成された半導体層を備える半導体変調素子において、前記ショットキーバリアを介して流れる電流は、以下の算出式で求められる真電流成分Ｉt及び変位電流成分Ｉdを含んでおり、所定の入力電圧範囲において真電流成分Ｉtが変位電流成分Ｉdよりも小さくなるように設定されている。
【数１】
2014127607.tif 000003
Ｉs；逆方向飽和電流、ｑ；電荷素量、Ｖ；印加電圧、ｋ；ボルツマン定数、Ａ**；リチャードソン定数；φB；ショットキーバリアの障壁高さ、ε；半導体層の誘電率、Ｎa；不純物濃度、Ｖbi；内蔵電位、Ｔ；絶対温度、ｔ；時間
さらに、前記半導体層は、不純物として低濃度のＭｇが導入されたｐ型ＧａＮからなり、前記電極層は、Ｎｉからなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半導体素子により位相変調波を生成することが可能となり、コンパクトで簡単な構造の半導体変調素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る実施形態である半導体変調素子に関する概略構成図である。
【図２】交流波形の電圧を入力した場合の整流波形を示すグラフである。
【図３】図１に示す構造の半導体変調素子の電圧−電流特性を示すグラフである。
【図４】入力電圧波形が矩形波の場合に出力される電流波形を示すグラフである。
【図５】入力電圧波形が正弦波の場合に出力される電流波形を示すグラフである。
【図６】２値ＰＳＫ波を出力する変調器の具体例に関する回路構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について具体的に説明する。本発明者は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、ショットキーバリアが形成された半導体素子において、ショットキーバリアの障壁高さが大きい場合に入力信号波形に対して微分波形を出力されることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
図１は、本発明に係る実施形態である半導体変調素子に関する概略構成図である。半導体変調素子は、基板１上に半導体材料からなる半導体層２が積層されており、半導体層２の表面に金属材料からなる電極層３及び４が形成されている。電極層３は、半導体層２との間でオーミック接触している。電極層４は、半導体層２との間でショットキー接触しており、半導体層２の接触面の近傍にショットキーバリア５が形成されている。
【００１５】
基板１の材料としては、例えば、サファイア等の公知の材料が用いられる。半導体層２を基板として用いる場合には、基板１は不要となる。半導体層２は、バンドギャップの大きい半導体材料が好ましく、例えば、ＧａＮ、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ダイヤモンドが挙げられる。これらの半導体材料のバンドギャップは、それぞれＧａＮが３．４ｅＶ、ＳｉＣが３．２ｅＶ、ダイヤモンドは５ｅＶとなっており、障壁高さを大きく設定することができる。これに対して、ＳｉやＧａＡｓでは、バンドギャップがそれぞれ１．１ｅＶ、１．４ｅＶで、障壁高さを大きく設定することが難しい。
【００１６】
電極層３は、半導体層２に用いられる半導体材料に応じて選択され、例えば、半導体材料がＧａＮの場合にはＩｎＧａを用いることができ、ＳｉＣの場合にはＳｉＣ及びＮｉ（ニッケル）の反応層、ダイヤモンドの場合にはＴｉを用いることができる。電極層４は、円形に形成されており、半導体層２に用いられる半導体材料に応じて選択され、例えば、半導体材料がＧａＮの場合にはＮｉを用いることができ、ＳｉＣの場合にはＮｉ、ダイヤモンドの場合にはＡｕを用いることができる。
【００１７】
こうしたショットキーバリアを有する一般的な半導体素子では、半導体層とショットキーバリアが形成された電極層との間に電圧を印加した場合、順方向に電流が流れるとともに逆方向に電流がほとんど流れない整流特性を示すようになる。図２は、交流波形の電圧を入力した場合の整流波形を示すグラフである。図２（ａ）に示すような交流波形が入力された場合、点線で示す電圧以下では電流がほとんど流れないため、図２（ｂ）に示すような電流波形が出力されるようになり、入力波形と同位相の整流波形の電流が出力されるようになる。
【００１８】
ショットキーバリアを介して流れる電流は、ショットキ―バリアを通して実際に流れる真電流成分及びショットキーバリアに形成される空乏層による変位電流成分の合計であることが知られており、真電流成分Ｉt及び変位電流成分Ｉdは、以下の式により求めることができる。
【数１】
2014127607.tif 000004
Ｉs；逆方向飽和電流
ｑ；電荷素量（1.60218×１０-19Ｃ）
Ｖ；印加電圧（単位；Ｖ）
ｋ；ボルツマン定数（1.38066×１０-23Ｊ／Ｋ）
Ａ**；リチャードソン定数（ｐ型ＧａＮの場合には、７２Ａ／ｃｍ2／Ｋ2）
φB；ショットキーバリアの障壁高さ（単位；ｅＶ、Ｉ−Ｖ特性及びＣ−Ｖ特性から算出する）
ε；半導体層の誘電率（Ｆ／ｍ）
Ｎa；半導体層の不純物濃度（ｃｍ-3）
Ｖbi；内蔵電位（単位；ｅＶ、Ｃ−Ｖ特性から算出する）
Ｃ；ショットキーバリアの空乏層の容量
Ｔ；絶対温度（単位；Ｋ）
ｔ；時間
【００１９】
上記の算出式からわかるように、真電流成分Ｉtは印加電圧Ｖの入力波形と同位相の波形となり、変位電流成分Ｉdは、印加電圧Ｖの入力波形の微分波形となるため、位相がずれるようになる。
【００２０】
ショットキーバリアを有する一般的な半導体素子では、変位電流成分に比べて真電流成分が大きくなるため、変位電流成分の影響が整流波形に表れず、図２に示すように真電流成分と同様の同位相の整流波形が得られる。これに対して、半導体層に上記した障壁高さの大きい半導体材料を用いた場合、ショットキーバリアを通る電流が流れにくくなるため、真電流成分が小さくなるが、変位電流成分は空乏層の容量に依存するため障壁高さによる影響が小さくなり、出力される電流に変位電流成分の影響が表れるようになる。
【００２１】
図３は、図１に示す構造の半導体変調素子において、半導体層としてｐ型ＧａＮ（厚さ２μｍ、Ｍｇ；１．３×１０18ｃｍ-3導入）を用い電極層（直径２００μｍ厚さ６０ｎｍの円形電極）としてＮｉを用いた場合における電流−電圧特性を示すグラフである。
【００２２】
不純物濃度の大きいショットキーバリアを有する半導体素子では、逆方向のリーク電流が生じることが知られており、特にｐ型ＧａＮを半導体層に用いた場合にはリーク電流が大きくなるため、ｐ型ＧａＮの障壁高さを正確に測定することが困難であった。本発明者は、上記のように、不純物としてＭｇを低濃度で導入したｐ型ＧａＮを用いることでリーク電流が低減することを見い出し、ｐ型ＧａＮの電流−電圧特性に基づいてその障壁高さが２．４ｅＶであることを示して障壁高さが大きいことを定量的に明らかにした（ K. Shiojima, Tomoya Sugahara, and Shiro Sakai, " Large Schottky barriers for Ni/p-GaN contacts ", Applied Physics. Letters, 74, p.1936 (1999)）。
【００２３】
図３に示すグラフでは、横軸に電圧をとり、縦軸に電流をとっており、電圧が−５Ｖから０Ｖまで０．０１Ｖ／ｓの速度で変化させた場合の電流の推移を示している。電圧が−３Ｖまでは電圧変化に応じて電流が連続的に変化しており、真電流成分の影響が大きくなっている。電圧が−３Ｖ付近で電流がほぼ一定の値となった後に減少しており、変位電流成分の影響が大きくなっていることがわかる。
【００２４】
このように、障壁高さの大きい半導体素子を用いることで、入力電圧に応じて真電流成分が変位電流成分よりも大きくなる電流又は変位電流成分が真電流成分よりも大きくなる電流を選択的に出力できるようになる。そのため、真電流成分が大きくなる場合には、入力電圧と同位相の電流が出力され、変位電流成分が大きくなる場合には、入力電圧と位相のずれた電流が出力されるようになり、入力する電圧値を情報信号に応じて選択することで、情報信号に対応して位相が異なるように変調された変調信号を出力することができる。
【００２５】
したがって、障壁高さの大きいショットキーバリアを有する半導体素子において、上記の算出式により算出された真電流成分及び変位電流成分について所定の入力電圧範囲において真電流成分が変位電流成分よりも小さくなるように設定された半導体素子を変調素子として用いることで、コンパクトで簡単な構造の半導体変調素子を実現することが可能となる。
【実施例】
【００２６】
図３において用いた半導体変調素子を作製するために、サファイア基板上に、公知のＭＯＣＶＤ（Metal-organic Chemical Vapor Deposition）法により、Ｍｇを１．３×１０18ｃｍ-3の濃度でｐ型ＧａＮからなる半導体層を厚さ２μｍで堆積させた。ｐ型ＧａＮの半導体層を堆積した後、液体金属からなるＩｎＧａを半導体層の表面に塗布してオーミック電極層を形成し、半導体層の表面に公知の電子ビーム蒸着法により円形のＮｉ層（直径２００μｍ；厚さ６０ｎｍ）からなるショットキー電極層を形成した。
【００２７】
こうして形成した２つの電極層の間に電源及び電流計を直列で配線して接続し、電源より矩形波及び正弦波の電圧波形を入力した。図４は、入力電圧波形が矩形波の場合に出力される電流波形を示すグラフである。矩形波（細い実線）としては、±１Ｖのパルス幅で５０秒間隔で入力した。横軸に時間をとり、縦軸に入力電圧及び出力電流をとっている。入力電圧値は左側の目盛でプロットし、出力電流値は右側の目盛でプロットしており、両者の０（ゼロ）の目盛線を一致させている。出力電流波形（太い実線）をみると、矩形波が入力された場合には、矩形波の立ち上り及び立ち下りのタイミングで出力電流が瞬間的に増加しており、入力波形に対する微分波形が出力されていることがわかる。こうした出力波形は、変位電流成分の影響が表れていると考えられる。
【００２８】
図５は、入力電圧波形が正弦波の場合に出力される電流波形を示すグラフである。正弦波形（細い実線）は、振幅５００ｍＶ（オフセット電圧０Ｖ）で周波数４０ｍＨｚとした。横軸に時間をとり、縦軸に入力電圧及び出力電流をとっている。入力電圧値は左側の目盛でプロットし、出力電流値は右側の目盛でプロットしており、両者の位相の関係を見やすくするために出力電流値の０（ゼロ）の目盛線を入力電圧値の０（ゼロ）の目盛線よりも下にずらせている。出力電流波形（太い実線）をみると、入力電圧が−０．３５Ｖより小さい範囲（入力電圧の絶対値が０．３５より大きい範囲）では入力波形と同位相で変化しており、真電流成分の影響が大きく出ていると考えられる。また、−０．３５Ｖより大きい範囲（入力電圧の絶対値が０．３５より小さい範囲）では位相がずれており、入力電圧値が０（ゼロ）のときに出力電流値がピークとなっていることから、微分波形となっていることがわかる。これは、入力電圧の絶対値が小さくなって変位電流成分の影響が出ていると考えられる。なお、出力波形が最初に大きく変化しているのは、ショットキーバリアに形成された欠陥準位が中性化する過程を示しており、欠陥準位の中性化により以後に変位電流成分の影響が生じるようになると考えられる。
【００２９】
以上説明したように、障壁高さの大きいショットキーバリアを有する半導体素子を変調素子として用いることで、入力電圧に応じて入力波形を位相の異なる出力波形に変調することが可能となる。そのため、入力電圧値を切り換えて入力波形と同位相の出力波形と位相のずれた出力波形とを出力し、それぞれの波に情報を割り当てることでＰＳＫ波を出力する変調器として構成することができる。
【００３０】
こうしたコンパクトで簡単な構造の半導体変調素子を用いることで、超小型の無線通信装置を作成することができ、無線通信用の携帯端末、無線通信機能を組み込んだ車両、家電製品等の幅広い技術分野に応用することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１・・・基板、２・・・半導体層、３・・・電極層、４・・・電極層、５・・・ショットキーバリア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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