(57)【要約】【課題】発振効率や発振電力を向上させることができるフリップチップ型ガンダイオードを提供する。【解決手段】高濃度ｎ型からなる半導体基板上に、高濃度ｎ型からなる第１の半導体層、低濃度ｎ型からなる活性層及び高濃度ｎ型からなる第２の半導体層が順に積層され、活性層に電圧を印加する第１の電極及び第２の電極を第２の半導体層上に備えたフリップチップ型ガンダイオードにおいて、高抵抗層により少なくとも第２の半導体層が区画され、区画された第２の半導体層を介して活性層に電圧を印加する第１あるいは第２の電極のいずれかの電極が、区画された第２の半導体層表面を被覆するとともに、高抵抗層表面の一部を被覆するように構成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高濃度ｎ型からなる半導体基板上に、高濃度ｎ型からなる第１の半導体層、低濃度ｎ型からなる活性層及び高濃度ｎ型からなる第２の半導体層が順に積層され、前記活性層に電圧を印加する第１の電極及び第２の電極を前記第２の半導体層上に備えたフリップチップ型ガンダイオードにおいて、
高抵抗層により少なくとも前記第２の半導体層が区画され、該区画された第２の半導体層を介して前記活性層に電圧を印加する第１あるいは第２の電極のいずれかの電極が、前記区画された第２の半導体層表面を被覆するとともに、前記高抵抗層表面の一部を被覆することを特徴とするフリップチップ型ガンダイオード。
【請求項２】
請求項１記載のフリップチップ型ガンダイオードにおいて、前記高抵抗層は少なくとも前記第２の半導体層に不純物が添加され形成されていることを特徴とするフリップチップ型ガンダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯の発振素子として用いられるフリップチップ型ガンダイオードに関し、特に活性層で発生する熱を十分に放熱し、特性向上を実現したフリップチップ型ガンダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯やミリ波帯の発振素子として用いられるフリップチップ型ガンダイオードは、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、高電界では加速された電子が有効質量の大きいバンドに遷移し、その移動度が低下して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。そのため、ガンドメインが発生し、それが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】
マイクロ波帯以上の高周波領域においては、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。ここで、上述の振動電流の周波数がそのままガンダイオードの発振周波数となる。
【０００４】
ミリ波帯用のフリップチップ型ガンダイオードの場合、ガン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、２×１０１２／ｃｍ２）に設定する必要があり、また、発振周波数は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、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】
一方フリップチップ型ガンダイオードでは、入力した直流電力に対する交流電力出力の比で表される発振効率が最も重要な性能指数であり、その向上が求められている。
【０００６】
そこで、本出願人は、同一面上に同じ高さのカソード電極とアノード電極のバンプを設け、且つ活性層を複数個に分割したマルチメサ構造とするとともに、放熱効果のよい窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等で形成された平面回路基板にバンプを接触させるフェースダウンの姿勢で実装し、活性層の温度上昇を防いでいた。（特許文献１参照）
【０００７】
図３に従来のフリップチップ型ガンダイオード（１０Ｃ）の断面図、図４に従来の別のフリップチップ型ガンダイオード（１０Ｄ）の断面図を示す。これらのガンダイオードは、概略、以下のようにして作製される。
【０００８】
高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１１上に、ＭＢＥ法等により高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１のコンタクト層１２、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層１３、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第２のコンタクト層１４を順次積層し、第２のコンタクト層１４の表面にアノード電極１５とカソード電極１６とを形成し、更にそれら電極の上に、それぞれバンプ１８及び１９を形成する。
【０００９】
その後、アノード電極１５及びカソード電極１６間に、両電極をマスクとしてガンダイオード１０Ｃの場合、イオン注入により高抵抗層２０を形成する。また、ガンダイオード１０Ｄの場合、ドライエッチングにより凹部２１を形成する。上記のように構成した後、半導体基板１１の裏面を薄層化して、フリップチップ型ガンダイオードを素子として完成させる。半導体基板１１の裏面に形成する金属膜２１は必ずしも必要ないが、アノード電極１５下方の電気抵抗をより小さくできる。
【００１０】
図５は、フリップチップ型ガンダイオード１０を、マイクロストリップ線路３０を設けた回路基板３１上に実装して構成したガンダイオード発振器の一例の斜視図である。回路基板３１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、ダイアモンド等のように比抵抗が１０６Ω・ｃｍ以上、熱伝導率が１４０Ｗ／ｍＫ以上の基板が用いられ、その上面には信号電極３２（３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ）が、また裏面には接地電極３３が形成されている。また、上面には表面接地電極３５が形成されており、表面接地電極３５と裏面の接地電極３３とは、タングステンを充填したヴィアホール３４で接続されている。
【００１１】
フリップチップ型ガンダイオード１０は、そのカソード電極１６のバンプ１９が信号電極３２の所定箇所に接着され、アノード電極１５のバンプ１８が表面接地電極３５に接着されている。信号電極３２Ａはガンダイオード１０に電源電圧を供給するバイアス部の電極、３２Ｂはガンダイオード１０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の信号出力部の電極である。
【００１２】
フリップチップ型ガンダイオードを上記のように実装して構成した発振器では、共振器としての電極３２Ｂの長さを５２０μｍとしたもので、発振周波数６０ＧＨｚ、出力６０ｍＷが得られている。
【００１３】
上述のように、フリップチップ型ガンダイオード１０は、フェースダウン姿勢で回路基板上に載置され、バンプ１８、１９がそれぞれ電極３５、３２に直接接続される。金リボン等を使用しないので、金リボン接続等に起因して発生する寄生インダクタンスの発生がなく、特性のばらつきの少ない発振器の実現が可能となる。
【００１４】
またガンダイオード１０の活性層に発生する熱は、バンプ１８、１９を介して、ヒ−トシンクとしても機能する基板３１に放散されるので、放熱効果が高くなる。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００３−１５２２４６号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来のフリップチップ型ガンダイオードの構造では、活性層で発生する熱が効果よく放熱されるが、発振効率や発振電力を更に向上させるためには、放熱効果をさらに向上させる必要があるという問題があった。本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、活性層で発生する熱を十分に放熱できるフリップチップ型ガンダイオードを実現することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、高濃度ｎ型からなる半導体基板上に、高濃度ｎ型からなる第１の半導体層、低濃度ｎ型からなる活性層及び高濃度ｎ型からなる第２の半導体層が順に積層され、前記活性層に電圧を印加する第１の電極及び第２の電極を前記第２の半導体層上に備えたフリップチップ型ガンダイオードにおいて、高抵抗層により少なくとも前記第２の半導体層が区画され、該区画された第２の半導体層を介して前記活性層に電圧を印加する第１あるいは第２の電極のいずれかの電極が、前記区画された第２の半導体層表面を被覆するとともに、前記高抵抗層表面の一部を被覆することを特徴とするものである。
【００１８】
また請求項２に係る発明は、請求項１記載のフリップチップ型ガンダイオードにおいて、前記高抵抗層は少なくとも前記第２の半導体層に不純物が添加され形成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のフリップチップ型ガンダイオードの実施の形態を説明するための図であり、図１（ａ）は本発明のフリップチップ型ガンダイオード（１０Ａ）の平面図、図１（ｂ）はその断面図、図１（ｃ）は本発明の別のフリップチップ型ガンダイオード（１０Ｂ）の断面図である。なお、ガンダイオード１０Ｂの平面図は図１（ａ）と同様である。
【００２０】
図２は、図１（ｂ）に示す本発明のフリップチップ型ガンダイオード１０Ａの製造工程図である。以下、図２に示す製造工程に従い、本発明の実施形態を説明する。
【００２１】
まず、高濃度ｎ型ＧａＡｓ基板からなる半導体基板１１上に、例えば、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法により、ｎ型の高濃度ＧａＡｓ層からなる第１のコンタクト層１２（第１の半導体層）を、不純物濃度２×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３、厚さ１μｍ程度成長させる。更に、ｎ型のＧａＡｓ層からなる活性層１３（不純物濃度１．２×１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３、厚さ１．７μｍ程度）及びｎ型の高濃度ＧａＡｓ層（不純物濃度２×１０１８ａｔｏｍ／ｃｍ３、厚さ０．５μｍ程度）からなる第２のコンタクト層１４（第２の半導体層）を順次積層する。
【００２２】
次に、イオン注入法によりアノードとカソードの間を前もって高抵抗化するために、フォトレジスト１７をパターニングし、第２のコンタクト層１４の一部を露出する。次に、加速エネルギーが３０ＫｅＶ、１００ＫｅＶ、２００ＫｅＶで、それぞれのドーズ量、７×１０１２ａｔｏｍ／ｃｍ２、１×１０１３ａｔｏｍ／ｃｍ２、２×１０１３ａｔｏｍ／ｃｍ２の条件で、ボロン（Ｂ）をイオン注入する。フォトレジスト１７を除去した後、４００℃の熱処理により、第２のコンタクト層１４に高抵抗層２０を形成する（図２ａ）。なお、図１ｃに示す構造のフリップチップ型ガンダイオードを形成する場合は、イオン注入条件を変更し、第２のコンタクト層１４及び活性層１３に高抵抗層２０を形成すればよい。
【００２３】
この高抵抗層２０の抵抗値は、活性層１３の抵抗値と同程度か、それより高ければよいが、０．１Ω／ｃｍ以上であることが望ましい。なお、注入するイオンとしては、ボロン（Ｂ）の他に、酸素（Ｏ）、鉄（Ｆｅ）、水素（Ｈ）等も使用できる。このようにイオン注入により半導体層に不純物を添加して高抵抗層を形成する方法では、高抵抗層２０と第２のコンタクト層１４の表面が平坦のままとなるため、以下の工程でカソード電極１６やバンプ１９を形成するのが容易である。
【００２４】
次に、アノード電極及びカソード電極を形成するために、別のフォ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を蒸着し、リフトオフ法により電極パターンを形成する。その後、熱処理を行い、アノード電極１５及びカソード電極１６を形成する。ここで、電極形状は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、カソード電極１６は円形小面積に、それを囲むように方形大面積のアノード電極１５が形成される。またカソード電極１６が、高抵抗層２０の一部を覆うように高抵抗層２０まで延出した構造とする（図２ｂ）。
【００２５】
次に、アノード電極１５及びカソード電極１６の一部を開口するように別のフォトレジスト１７をパターニングし、開口内に、電解めっき法あるいは無電解めっき法により、Ａｕ等からなる導電性突起物であるバンプ（電極）１８及び１９を析出形成する（図２ｃ）。
【００２６】
ここで、高抵抗層２０によって囲まれた（区画された）第２のコンタクト層１４の面積を所定の面積とすることで、この区画された第２のコンタクト層１４に対応する活性層１３の部分が、ガンオードとしての所定の動作電流が得られる面積となる。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。なお、高抵抗層２０を活性層１３内に形成する場合は、高抵抗層２０によって囲まれた（区画された）活性層１３の面積を所定の面積に設定すればよい。
【００２７】
一方、アノード電極１５に対応する活性層１３の部分の面積は、カソード電極１６の中央部分の第２のコンタクト層１４に対応する活性層１３の部分の面積より充分大きくし、アノ−ド電極１５下方の半導体積層部の電気抵抗を、カソード電極１６の中央部分下方の半導体積層部（ガンダイオード機能部）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、実質的に低い抵抗値として機能させ、アノード電極１５を実質的に直接に第１のコンタクト層１２に接続させる。また、アノード電極１５に対応する活性層１３の面積を、カソード電極１６中央部分の第２のコンタクト層１４に対応する活性層１３の部分の面積に対して、１０倍未満とすると動作効率が低下するのみで効果がなく、１０倍以上とする必要があり、好ましくは１０倍以上１０００倍以下程度とするのが良い。
【００２８】
次に、通常の製造工程に従い、フリップチップ型ガンダイオード全体の厚さが１５０μｍ程度となるように、半導体基板の１１の裏面を研磨し薄層化する。その後、必要に応じて、半導体基板の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２１を蒸着し、加熱処理（アニール）を行う（図２ｄ）。
【００２９】
半導体基板１１の裏面に形成する金属膜２１は必ずしも必要ないが、アノード電極１５に代えて、又はそれと共に、アノード電極として機能させることができる。このとき、アノード電極１５の下方の半導体積層部の電気抵抗をより小さくすることができ、また、アノード電極１５はカソード電極１６と同一面にあるので、実装時のスペーサとして機能させることもできる。
【００３０】
上述のようにして作製された本実施形態のフリップチップ型ガンダイオード１０Ａは、カソード電極１６及びバンプ１９を広くすることができるため、従来構造のフリップチップ型ガンダイオード１０Ｃ、１０Ｄに較べ、放熱性が著しく向上する。すなわち、本実施の形態のフリップチップ型ガンダイオード１０Ａでは、ガンダイオードとして機能する部分（活性層１３とカソード電極１６の中央部分に対応する第２のコンタクト層１４の部分）よりも面積の大きいカソード電極１６が形成されるので、回路基板に実装し動作させた場合、ガンダイオード動作により活性層１３で発熱した熱は、第２のコンタクト層１４及び高抵抗層２０、それらの上のカソード電極１６及びバンプ１９を介して、更に、第２のコンタクト層１４からアノード電極１５及びバンプ１８を介して、ヒートシンクとしても機能する回路基板に放散されるので、放熱効果は格段によくなり、発振効率や発振電力を向上させることが可能となる。
【００３１】
図１（ｃ）に示した本発明の別の実施形態のフリップチップ型ガンダイオード１０Ｂは、高抵抗層２０を活性層１３の下面まで深く形成した場合である。ガンダイオード１０Ｂの製造工程は、上述のようにイオン注入の際、加速エネルギーを増して活性層の下面まで高抵抗層を形成する以外は、上述の製造工程と全く同様である。本実施形態においても、放熱効果は格段に良くなり、発振効率や発振電力を向上させることが可能となる。
【００３２】
以上の説明では、カソード電極１６、バンプ１９及び高抵抗層２０は、中央部分にそれぞれ１個だけ形成したが、両側のバンプ１８の間に、マトリクス形状、千鳥形状、放射形状、リング形状又はその他の配置形状により複数個形成してもよい。また、カソード電極１６直下の第２のコンタクト層１４を複数個に分割してもよい。中央部分をこのようにすることにより、ガンダイオードとして機能する部分が複数個に分割され、放熱効果は更に高められる。
【００３３】
また、本発明の実施形態を小電力仕様のフリップチップ型ガンダイオードに適用することもできる。小電力仕様のフリップチップガンダイオードでは、動作電流を小さくするため、動作する活性層の径を小さくする必要がある。そこで本発明を適用することで、活性層の径の大きさによらず、カソード電極の径を組立等が容易な大きさとすることができるため、素子の作製、実装を容易に行うことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のフリップチップ型ガンダイオードは、回路基板に実装し動作させた場合、ガンダイオード動作により活性層で発生する熱は、第２のコンタクト層及び高抵抗層上にある、活性層として機能する面積より大きいカソード電極及びバンプを介して、更にアノード電極及びバンプを介して、回路基板に放散されるので、放熱効果が格段に良くなり、発振効率や発振電力の向上が可能となる。
【００３５】
またイオン注入により半導体層に不純物を添加して高抵抗層を形成されるため、高抵抗層と第２のコンタクト層の表面が平坦のままとなるため、カソード電極やバンプを形成するのが容易であるといる利点がある。
【００３６】
更に、小電力仕様のガンダイオードの作製においても、カソード電極径及びバンプ径を小さくせずに済むため、プロセスが容易となり、更には素子の実装も容易となるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフリップチップ型ガンダイオードの実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明のフリップチップ型ガンダイオードの製造工程を説明する図である。
【図３】従来のフリップチップ型ガンダイオードの断面図である。
【図４】従来の別のフリップチップ型ガンダイオードの断面図である。
【図５】ガンダイオード発振器の斜視図である。
【符号の説明】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ：フリップチップ型ガンダイオード、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：アノード電極、１６：カソード電極、１７：フォトレジスト、１８、１９：バンプ、２０：高抵抗層、２１：金属膜、２２：凹部、３０：マイクロストリップ線路、３１：回路基板、３２：信号電極、３３：接地電極、３４：ヴィアホ−ル、３５：表面接地電極
【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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