(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【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
【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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【図１０】
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