(57)【要約】【課題】はんだ付けで実装することができ、実装コストが低く、特性ばらつきが小さい表面実装型ガンダイオードを提供する。【解決手段】半導体基板上に順に積層された第１の半導体層、活性層、第２の半導体層で構成され、周囲を除いた内部領域を少なくとも前記活性層に届く絶縁体領域により複数のメサ構造として分離された第２の半導体層と、前記複数のメサ構造の第２の半導体層上の第１の電極、および周囲の第２の半導体層上の第２の電極と、前記第１の電極上と前記第２の電極上に設けられた導電性突起電極とを有する表面実装型ガンダイオードにおいて、前記絶縁体領域は、前記複数のメサ構造を全て内側に含む連続した構造から成り、前記第１の電極は、前記絶縁体領域の内側に含まれ、かつ前記絶縁体領域上の金属膜により接続された連続する単一の電極から構成されていることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に順に積層された第１の半導体層、活性層、第２の半導体層で構成され、複数箇所の前記活性層がガンダイオードとして機能するように、前記第２の半導体層表面から少なくとも前記活性層に届く絶縁体領域により周囲を除いた内部領域を複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層と、前記活性層に電圧を印加するための前記複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層上の第１の電極、および該第１の電極とは分離された周囲の第２の半導体層上の第２の電極と、前記第１の電極上と前記第２の電極上にそれぞれ設けられた導電性突起電極とを有する表面実装型ガンダイオードにおいて、
前記絶縁体領域は、前記複数のメサ構造を全て内側に含む連続した構造から成り、
前記第１の電極は、前記絶縁体領域の内側に含まれ、かつ前記絶縁体領域上の金属膜により接続された連続する単一の電極から構成されるとともに、該単一の電極で構成された前記第１の電極上に前記導電性突起電極が設けられていることを特徴とする表面実装型ガンダイオード。
【請求項２】
前記第１の電極上及び前記第２の電極上にそれぞれ設けられた前記導電性突起電極の間は絶縁体領域により分離されていることを特徴とする請求項１記載の表面実装型ガンダイオード。
【請求項３】
半導体基板上に順に積層された第１の半導体層、活性層、第２の半導体層で構成され、複数箇所の前記活性層がガンダイオードとして機能するように、前記第２の半導体層表面から少なくとも前記活性層に届く連続した構造の絶縁体領域により周囲を除いた内部領域を複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層と、前記活性層に電圧を印加するための、前記絶縁体領域の内側に含まれかつ前記複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層上と前記絶縁体領域上に形成された連続する単一の第１の電極、および該第１の電極とは分離された周囲の第２の半導体層上の第２の電極と、前記第１の電極上と前記第２の電極上にそれぞれ設けられた導電性突起電極とを有する表面実装型ガンダイオードの、前記第１の電極上の導電性突起電極又は前記第２の電極上の導電性突起電極のいずれか一方を金属基板に、他方を非金属基板上の金属配線に、はんだ付けで接続することを特徴とする表面実装型ガンダイオードの実装方法。
【発明の詳細な説明】
【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供給源として使用される表面実装型ガンダイオード及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガンダイオード発振器は、位相雑音や１／ｆノイズにおいては良好な特性をもつことから、マイクロ波やミリ波の有用な供給源として利用されてきた。ガンダイオード発振器は主として導波管回路に実装され利用されているが、低コスト大量生産には適していなかった。しかし最近、表面実装型のガンダイオードを窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の誘電体基板に実装した発振器が開発され、上述の要求を満たすものとして注目されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７に従来の表面実装型ガンダイオード４０を示す。図７（ａ）が平面図、図７（ｂ）が図７（ａ）のｃ−ｃ面の断面概略図である。ガンダイオ一ド４０は、ガリウム砒素基板４１の上面に、第１のコンタクト層４２、活性層４３、第２のコンタクト層４４、および金属層４５を積層し、中央に丸形状の凹部４６を金属層４５から第１のコンタクト層４２に達するように形成することにより、金属層４５をアノード電極４５Ａとカソード電極４５Ｋに区画し、アノード電極４５Ａの上に、熱圧着しやすいＡｕのアノードバンプ４７を、カソード電極４５Ｋの上に、同じＡｕのカソードバンプ４８を、各々同じ高さとなるように形成したものである。
【０００４】
ガンダイオード４０は、アノード電極４５Ａに対応する区画部分の活性層４３の面積が、ガンダイオードの所定の動作電流が得られる面積となるよう設定される。また、カソード電極４５Ｋに対応する活性層４３の面積については、アノード電極４５Ａに対応する活性層の面積の１０倍以上にして、カソード電極４５Ｋ下層の半導体積層部の電気抵抗をアノード電極４５Ａ下層の半導体積層部の電気抵抗の１／１０以下とすることで、この部分をガンダイオードとして機能させず、実質的に低抵抗として機能させている。
【０００５】
一般にガンダイオードの発振効率は数パーセント程度であり、入力電力のほとんどは熱になる。従って、性能を劣化させないためには、発生した熱を効率よく発散させることが重要である。そのため、ガンダイオートのメサは、図７のように数個に分けて形成するマルチメサ構造が一般的である。この例では４個のメサを２×２の行列に配置している。
【０００６】
図８に従来の表面実装型ガン発振器の斜視図を示す。回路基板１上にマイクロストリップ線路１０が形成され、表面実装型ガンダイオード４０が搭載されている。この構成では、発熱源のガンダイオード４０が回路基板１上にあるので、熱を効率よく発散させるためには熱伝導率の高い回路基板材料を用いる必要がある。本従来例では回路基板材料として、熱伝導率約１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を使用している。
【０００７】
回路基板上のマイクロストリップ線路１０は図９に示すようなパターンで、回路基板１上に、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着して形成され、更にその上にＡｕメッキが施されている。マイクロストリップ線路１０は、信号線路３、信号線路３に直流バイアスを印加するためのチョーク部４、信号線路３に接続された信号電極５、信号電極５を間隙を置いて挟むように配置された一対の接地電極１１、及びバックオープン６で構成されている。また、接地電極１１はそれぞれヴィアホール１２（図８では、回路基板１を一部切欠いて示している。）を介して裏面の接地面８に接続されている。マイクロストリップ線路１０への、ガンダイオード４０の実装搭載は、図７のアノードバンプ４７が信号電極５に、一対のカソードバンプ４８が一対の接地電極１１に接続されるように熱圧着により行われる。
【０００８】
実際の動作は、チョーク部４に直流電圧を印加すると、信号線路３、信号電極５、ガンダイオード４０、接地電極１１、ヴィアホール１２、裏面の接地面８の経路で電流が流れ、ガンダイオード４０で電磁波（マイクロ波）が発生する。発生した電磁波は信号線路３を伝搬して外部へ出力される。発振周波数はバックオープン６の長さを変えることによって調整することができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−２２２４１号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記した表面実装型ガンダイオード及びその実装構造には次のような問題点がある。第１に、マルチメサ構造の素子を熱圧着すると熱圧着は接触面の表面状態の影響を受けやすいので、高さのばらつき等により各メサ間の実装状態に微妙な差ができ特性ばらつきの原因になる。第２に、電極間の距離（凹部４６の幅）が近く、まわりが絶縁体で覆われていないのでアノード電極とカソード電極がショートしやすい。そのため、はんだ付けによる実装ができず熱圧着のような高コストの実装方法を用いなければならない。第３に、熱圧着による実装ではアノード電極とカソード電極が接触する面は正確に同じ平面になければならず、わずかな段差があっても特性の劣化をまねく。従って、素子の実装構造としては、両電極が同一の回路基板上に存在する構成にならざるをえない。このことは、素子の熱源が誘電体上にあることを意味し、回路基板として、ＡｌＮのような熱伝導率の高い材料を用いなければならず、プリント基板のような一般的で安価な回路基板はこの発振器には使用できないため、高コストの原因になる。
【００１１】
本発明は以上のような問題点を解決し、はんだ付けで実装することができ、実装コストが低く、特性ばらつきが小さい表面実装型ガンダイオードを提供することを目的とする。また、電極間の段差に対して条件が緩やかな実装方法を用いることによって、電極の一方を熱伝導率の高い金属上に直接接続することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、本発明は、半導体基板上に順に積層された第１の半導体層、活性層、第２の半導体層で構成され、複数箇所の前記活性層がガンダイオードとして機能するように、前記第２の半導体層表面から少なくとも前記活性層に届く絶縁体領域により周囲を除いた内部領域を複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層と、前記活性層に電圧を印加するための前記複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層上の第１の電極、および該第１の電極とは分離された周囲の第２の半導体層上の第２の電極と、前記第１の電極上と前記第２の電極上にそれぞれ設けられた導電性突起電極とを有する表面実装型ガンダイオードにおいて、前記絶縁体領域は、前記複数のメサ構造を全て内側に含む連続した構造から成り、前記第１の電極は、前記絶縁体領域の内側に含まれ、かつ前記絶縁体領域上の金属膜により接続された連続する単一の電極から構成されるとともに、該単一の電極で構成された前記第１の電極上に前記導電性突起電極が設けられていることを特徴とする。さらに、前記第１の電極上及び前記第２の電極上にそれぞれ設けられた前記導電性突起電極の間は絶縁体領域により分離されていることを特徴とする。
【００１３】
また、半導体基板上に順に積層された第１の半導体層、活性層、第２の半導体層で構成され、複数箇所の前記活性層がガンダイオードとして機能するように、前記第２の半導体層表面から少なくとも前記活性層に届く連続した構造の絶縁体領域により周囲を除いた内部領域を複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層と、前記活性層に電圧を印加するための、前記絶縁体領域の内側に含まれかつ前記複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層上と前記絶縁体領域上に形成された連続する単一の第１の電極、および該第１の電極とは分離された周囲の第２の半導体層上の第２の電極と、前記第１の電極上と前記第２の電極上にそれぞれ設けられた導電性突起電極とを有する表面実装型ガンダイオードの、前記第１の電極上の導電性突起電極又は前記第２の電極上の導電性突起電極のいずれか一方を金属基板に、他方を非金属基板上の金属配線に、はんだ付けで接続することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態のガンダイオード２０の構造を示す。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のｃ−ｃ面の断面概略図であり、３１はカソードバンプ、３２はアノードバンプである。図１（ａ）でアノードバンプ３２内の点線で示した４つの○はアノード電極２６であり、アノードバンプ３２の外側の点線は、絶縁体領域２８の外周を示す。また、図２は図１の構造のガンダイオード２０の製造工程を示したものである。
【００１５】
図２に従ってガンダイオード２０の製造工程を説明する。不純物濃度が１〜２×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３のｎ型ガリウム砒素基板２１上に、ＭＢＥ法により不純物濃度が２×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ１．５μｍのｎ型ガリウム砒素からなる第１のコンタクト層２２、不純物濃度が１．２×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ１．６μｍのｎ型ガリウム砒素からなる活性層２３、不純物濃度が１×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さ０．３μｍのｎ型ガリウム砒素からなる第２のコンタクト層２４を順次積層した半導体基板を用意する。
【００１６】
そして、第２のコンタクト層２４上に、カソード電極およびアノード電極の形成予定領域を開口するホトレジストをパターニングし、第２のコンタクト層２４とオーミック接触するＡｕＧｅ，Ｎｉ，Ａｕ等からなる金属膜を形成する。ホトレジストを除去後、加熱処理（アニール）を行い、第２のコンタクト層２４上に、上記金属膜からなるカソード電極２５およびアノード電極２６を分離して形成する（図２（ａ））。この際、周辺のカソード電極２５内に分離してアノード電極２６を配置するとともに、マルチメサ構造とするため、アノード電極２６を複数形成する。
【００１７】
次に、カソード電極２５およびアノード電極２６をマスクとして使用し、塩素ガス等を用いたリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチングにより、第２のコンタクト層２４、活性層２３、およびガリウム砒素基板２１の一部を除去し、上記アノード電極２６を囲み、垂直状の凹部２７を形成する（図２（ｂ））。なお、図２（ａ）の工程では、凹部２７がアノード電極２７をすべて含みかつ連続した構造となるようにパターニングする。
【００１８】
次に、ポリイミドをスピンコート法で塗布することによって凹部２７を埋める（図２（ｃ））。また、余分なポリイミドは、カソード電極２５、アノード電極２６が表面に現れるように、ドライエッチングによって除去し、絶縁体領域２８を形成する（図２（ｄ））。そして、工程（ａ）と同様にホトレジストを用いた方法で、表面の絶縁体領域２８内に含まれ、かつ全てのアノード電極２６を接続するようにＴｉ、Ｐｔ、Ａｕ等からなる金属膜を形成することにより単一のアノード電極２９を形成する（図２（ｅ））。
【００１９】
感光性のポリイミドを全面に塗布後、フォトリソ工程によりバンプ形成部分以外のポリイミドを除去し、単一のアノード電極２９とカソード電極２５の一部が表面に現れるようし、第２の絶縁体領域３０を形成する（図２（ｆ））。最後に、メッキ工程により、カソード電極２５上にカソードバンプ３１を、単一のアノード電極２９上にアノードバンブ３２をそれぞれ形成する（図２（ｇ））。
カソードバンプ３１とアノードバンプ３２の距離は、はんだ付けの際、はんだが流れてもショートしない様、充分に大きくとる。以上の説明では便宜上カソード、アノードと呼んだが本質的に両者の差はなく、どちらに高電位を加えてもかまわない。
【００２０】
図３は別の実施の形態のガンダイオード２０の構造を示す図で、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のｃ−ｃ面の断面概略図であり、３０は第２の絶縁体領域、３１はカソードバンプ、３２はアノードバンプである。図３（ａ）でアノードバンプ３２内の点線で示した４つの○はアノード電極２６であり、アノードバンプ３２の外側の点線は、絶縁体領域２８の外周を示す。図１の実施の形態では、アノードバンプ３２の両側にカソードバンプ３１が配置されていたが、図３では、パンプを１個ずつにしたものである。製造方法は図２で説明したものと同じである。
【００２１】
以上の説明において、各図面に示したバンプおよびアノード電極の形状や数は種々変更可能である。また、各半導体層はガリウム砒素以外にインジウムリン（ＩｎＰ）などを使用しても良い。また、絶縁体領域はポリイミド以外の誘電率及び誘電正接の小さな誘電体を使用してもよいし、半導体側の絶縁体領域はボロン等をイオン注入して高抵抗化させて形成しても構わない。また、半導体層を分離する絶縁体領域は活性層、第１コンタクト層、半導体基板のどれかに達しているものであれば良い。
【００２２】
図４に本発明の表面実装型ガンダイオードを実装した表面実装型ガン発振器の斜視図を示す。また、図５は回路基板１のパターンを示したものである。従来例とは実装構造が異なり、本発明のガンダイオード２０はマルチメサを一つにまとめ、アノード電極とカソード電極を絶縁体で分離しているため、はんだ付けによる実装が可能である。はんだによる実装は熱圧着による実装とは異なり、実装面の少々の段差は許されるので、図４に示すように、アノードバンプ３２を直接金属製のヒートシンク９に接続するような実装構造にできる（ガンダイオード２０はフェースダウンでヒートシンク９と接続している為図４では見えない）。この構造で熱はアノードバンプ３２からヒートシンク９へと発散されるので、回路基板１は必ずしも熱伝導率の高い基板を用いる必要はなく、安価なプリント基板（非金属基板）でもよい。また、図６に、図３で示した別の実施形態のガンダイオード２０を用いたときの発振器を示す。このときは回路基板１は１枚だけでよく、より簡単な実装構造になる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、半導体基板上に順に積層された第１の半導体層、活性層、第２の半導体層で構成され、複数箇所の前記活性層がガンダイオードとして機能するように、前記第２の半導体層表面から少なくとも前記活性層に届く絶縁体領域により周囲を除いた内部領域を複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層と、前記活性層に電圧を印加するための前記複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層上の第１の電極、および該第１の電極とは分離された周囲の第２の半導体層上の第２の電極と、前記第１の電極上と前記第２の電極上にそれぞれ設けられた導電性突起電極とを有する表面実装型ガンダイオードにおいて、前記絶縁体領域は、前記複数のメサ構造を全て内側に含む連続した構造から成り、前記第１の電極は、前記絶縁体領域の内側に含まれ、かつ前記絶縁体領域上の金属膜により接続された連続する単一の電極から構成されるとともに、該単一の電極で構成された前記第１の電極上に前記導電性突起電極が設けられているため、高さのばらつき等により各メサ間の実装状態に微妙な差ができ特性ばらつきは起きない。さらに、前記第１の電極上及び前記第２の電極上にそれぞれ設けられた前記導電性突起電極の間は絶縁体領域により分離されているため、コストの低い実装方法であるはんだ付けが可能となり、マルチメサ構造および熱圧着に特有の実装ばらつきを低減できる。
【００２４】
また、半導体基板上に順に積層された第１の半導体層、活性層、第２の半導体層で構成され、複数箇所の前記活性層がガンダイオードとして機能するように、前記第２の半導体層表面から少なくとも前記活性層に届く連続した構造の絶縁体領域により周囲を除いた内部領域を複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層と、前記活性層に電圧を印加するための、前記絶縁体領域の内側に含まれかつ前記複数のメサ構造として分離・区画された第２の半導体層上と前記絶縁体領域上に形成された連続する単一の第１の電極、および該第１の電極とは分離された周囲の第２の半導体層上の第２の電極と、前記第１の電極上と前記第２の電極上にそれぞれ設けられた導電性突起電極とを有する表面実装型ガンダイオードの、前記第１の電極上の導電性突起電極又は前記第２の電極上の導電性突起電極のいずれか一方を金属基板に、他方を非金属基板上の金属配線に、はんだ付けで接続することによって、アノード電極とカソード電極を別材料の回路基板上に接続する構成が選択でき、電極の一方を熱伝導率の高い金属上に直接接続する実装構造にできる。このことによって安価な回路基板を用いることができ、低価格化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガンダイオード素子の平面図（ａ）と断面概略図（ｂ）である。
【図２】本発明のガンダイオード素子の製造工程図である。
【図３】本発明のガンダイオード素子の他の実施形態を示す平面図（ａ）と断面概略図（ｂ）である。
【図４】本発明のガンダイオード発振器の実装構造を示す図である。
【図５】本発明のガンダイオード発振器の回路基板である。
【図６】本発明のガンダイオード発振器の変形例を示す実装構造を説明する図である。
【図７】従来例のガンダイオード素子の平面図（ａ）と断面概略図（ｂ）である。
【図８】従来例のガンダイオ−ド発振器の実装を示す図である。
【図９】従来例のガンダイオード発振器の回路基板である。
【符号の説明】
１  回路基板
２，１０  マイクロストリップ線路
３  信号線路
４  チョーク部
５  信号電極
６  バックオープン
７  調整用スタブ
８  裏面の接地面
９  ヒートシンク
１１  接地電極
１２  ヴィアホール
２０，４０  ガンダイオード
２１，４１  ガリウム砒素基板
２２，４２  第１のコンタクト層
２３，４３  活性層
２４，４４  第２のコンタクト層
２５  カソード電極
２６  アノード電極
２７，４６  凹部
２８  絶縁体領域
２９  単一のアノード電極
３０  第２の絶縁体領域
３１，４８  カソードバンプ
３２，４７  アノードバンプ
４５  金属膜
４５Ａ  アノード電極
４５Ｋ  カソード電極
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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