(57)【要約】【課題】  マイクロ波帯域からテラヘルツ帯域での特性のバラツキが抑制されており、実装が容易で、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能な半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体装置１００は、基板１と、基板１の最上部に形成されたｎ型半導体層２Ａと、基板１上に互いに離間して形成され、伝送線路を構成する信号線５および接地線６と、ｎ型半導体層２Ａと、信号線５および接地線６とから構成される発振素子１５と、基板１上に形成され、信号線５に接続された高周波利用回路部１１とを備えている。【選択図】  図１
2005123458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層を最上部に有する基板と、
上記基板上に互いに離間して形成され、伝送線路を構成する信号線および接地線と、
上記ｎ型半導体層と、上記信号線および上記接地線とから構成される発振素子と、
上記基板上に形成され、上記信号線に接続された高周波利用回路部と、
を備える、半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記ｎ型半導体層は、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体で形成されており、
上記発振素子は、ガンダイオードである、半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記ｎ型半導体層は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＺｎＳｅおよびＣｄＴｅからなる群から選択される少なくとも２種類の化合物半導体の混晶から形成されている、半導体装置。
【請求項４】
請求項２に記載の半導体装置において、
上記ｎ型半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓから形成されている、半導体装置。
【請求項５】
請求項１に記載の半導体装置において、
上記高周波利用回路部は、パッチアンテナまたはフィルタからなる、半導体装置。
【請求項６】
ｎ型半導体層を最上部に有する基板と、
上記基板の上面上に形成された信号線と、
上記基板の下面上に形成され、上記信号線と伝送線路を形成する接地線と、
上記基板の上面上に上記信号線から離間して形成され、上記接地線と接続された接地電極と、
上記ｎ型半導体層と、上記信号線および上記接地電極とから構成される発振素子と、
上記基板上に形成され、上記信号線に接続された高周波利用回路部と、
を備える、半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置において、
上記ｎ型半導体層は、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体で形成されており、
上記発振素子は、ガンダイオードである、半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置において、
上記ｎ型半導体層は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＺｎＳｅおよびＣｄＴｅからなる群から選択される少なくとも２種類の化合物半導体の混晶から形成されている、半導体装置。
【請求項９】
請求項７に記載の半導体装置において、
上記ｎ型半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓから形成されている、半導体装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の半導体装置において、
上記高周波利用回路部は、パッチアンテナまたはフィルタからなる、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯域からミリ波帯域、さらにはテラヘルツの周波数帯域で動作する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信分野における技術の進展は著しく、通信機器が扱う周波数帯域もマイクロ波帯域からミリ波帯域へと、より高い周波数帯域へと変化している。このようなマイクロ波帯からミリ波帯までの高周波帯域を扱う通信用回路などでは、高周波信号を発生する発振回路あるいは発振素子が重要な回路要素となる。従来、マイクロ波帯域での高周波信号の発生には、高周波増幅器に正帰還をかけた発振回路や、素子自体が負性抵抗特性を有する２端子素子が用いられている。このうち高周波増幅器に正帰還をかけた発振回路の出力は、ミリ波帯域から、さらに高周波帯域において高周波増幅器の周波数特性が低下することがあり、十分な出力が得られないことがある。このため、ミリ波帯域以上の周波数では負性抵抗特性を示す２端子素子が多用されている。
【０００３】
負性抵抗特性を示す２端子素子としては、代表的には、ガン効果を用いたガンダイオード、電子のなだれ現象を用いたＩＭＰＡＴＴダイオード、負性抵抗特性を用いたトンネルダイオードなどがある。このうちガンダイオードは比較的簡単な構造であり、また比較的大きな出力が得られるので有用である。
【０００４】
ガンダイオードは、ガン効果を利用したダイオードである。ガン効果とは、閃亜鉛構造を有する直接遷移型のｎ型半導体において電子の走行速度が電界依存性を有し、電界強度が臨界値Ｅthより小さいときに、その移動度が大きい状態にあるが、その一方で電界強度が臨界値Ｅthより大きくなると、その移動度が小さい状態に遷移するために生じる効果である。ここで、ガン効果が生じる原理を図１４および図１５を参照しながら説明する。図１４は、プレーナ型ガンダイオードにおいてガン効果が生じる原理を模式的に示す図であり、図１５は、ｎ型のＧａＡｓを用いたガンダイオードにおける、電界強度と電子の走行速度との関係を示す図である（非特許文献１を参照）。なお、図１５の横軸は電界強度を、縦軸は電子の走行速度を表す。
【０００５】
プレーナ型ガンダイオードは、図１４に示すように、基板１０１の最上部に形成された上述のガン効果を生じるｎ型半導体層１０２と、ｎ型半導体層１０２上に形成された１対の電極１０３とから構成される。このガンダイオードでは、上述のようなガン効果を生じるｎ型半導体層１０２に対して１対の電極１０３からＥｔｈより大きな電界を印加した場合、電界強度に対する電子の走行速度の依存性（図１５を参照のこと）に起因して、ｎ型半導体層１０２中での電子の走行速度に分布が生じる。この結果、ｎ型半導体層１０２中に電界分布が生じ、さらにｎ型半導体層１０２中に電子濃度の高くなった領域（ドメイン）１０４が生じる。ドメイン１０４が一方の電極１０３に到達すると電流ピークが生じ、さらにこのドメイン１０４が繰り返し発生、走行する。このことによって、ドメイン１０４が一方の電極１０３に到達する周期に応じて高周波信号が発生する。なお、ドメイン１０４の速度Ｖｄ（ｃｍ／ｓ）は、十分大きな電界強度において飽和した電子の走行速度と一致する。
【０００６】
ドメイン１０４の形成にはいくつかのモードがあり、代表的なものはドメイン１０４がｎ型半導体層１０２中に１カ所生じるダイポールモードである。ダイポールモードで生じる高周波信号の周波数の最大値ｆ０は、電極１０３の間の距離Ｌ（ｃｍ）とドメインの移動速度Ｖｄ（ｃｍ／ｓ）により決まり、下記式（１）で表される。
【０００７】
ｆ０＝Ｖｄ／Ｌ  （Ｈｚ）    …  （１）
【０００８】
さらにガン効果では、複数のドメイン１０４が同時に生じる高次のモード（ハイブリッドモード）も存在する。ハイブリッドモードで生じる高周波信号の周波数ｆは、実験的に下記式（２）で表される関係にあることが見積もられている。
【０００９】
ｆ０＜ｆ＜（５０×ｆ０）    …  （２）
【００１０】
また、ｎ型半導体層１０２の不純物濃度Ｎ0（ｃｍ-3）と電極１０３の間の距離Ｌ（ｃｍ）として、下記式（３）を満たすことがガン効果を生じる条件とされている（非特許文献１を参照）。
【００１１】
Ｎ0Ｌ＞１０12  (ｃｍ-2)    …  （３）
【００１２】
式（３）に示される条件は、図１６中の斜線部の領域で示される。図１６は、ガン効果が生じる条件を表す図である。
【００１３】
通常Ｖｄは１０16〜１０18（ｃｍ／ｓ）であり、上記Ｖｄの値を用いて、図１６から電極１０３の間の距離Ｌに対する、ガン効果が生じる不純物のドーピング濃度を見積もることができる。
【００１４】
また、ハイブリッドモードでガン効果が生じる条件は、ダイポールモードより高電界を印加することを前提として、下記式（４）に表される。
【００１５】
５×１０13＞Ｎ0Ｌ＞１０12  (ｃｍ-2)    …  （４）
【００１６】
式（４）に示される条件は、図１６中の領域Ｒで示される。ｎ型半導体層１０２の不純物濃度Ｎ0は、通常１×１０16〜１×１０18（ｃｍ-3）程度であるので、図１６から、電極１０３の間の距離Ｌが０．１μｍ以上となる場合にガン効果が生じることがわかる。
【００１７】
図１７は、最も基本的なダイポールモードのｆ０を示している。図１７から、ドメイン１０４の速度Ｖｄの値を仮定して、電極３の間の距離Ｌに対するダイポールモードでの発信周波数ｆ０を見積もることができる。図１７では、通常Ｖｄが１×１０16〜１×１０18（ｃｍ／ｓ）であることをふまえ、実際の飽和電子速度に近い値（１×１０5、１×１０6、１×１０7、１×１０8（ｃｍ／ｓ））を用いてプロットしている。
【００１８】
図１７では、ダイポールモードにおける発振周波数ｆ０を示しているが、ハイブリッドモードでの最大動作周波数ｆは、ｆ０の約５０倍まで可能となることから、例えばＶｄ＝１０7（ｃｍ／ｓ）、Ｌ＝５（μｍ）とすることで、約１ＴＨｚの発振（ｆ０＝２０ＧＨｚ）が、またＶｄ＝１０7（cm/s）、Ｌ＝２．５（μｍ）とすることで、約３ＴＨｚの発振（ｆ０＝５０ＧＨｚ）が可能であることがわかる。さらにＶｄの大きな材料や、Ｌを短くすることでより高周波での動作が期待される。
【００１９】
従来、下記特許文献１および特許文献２に示されるようなバルク型ガンダイオードを用いて、下記特許文献３に示されるようなピル型パッケージと呼ばれる円筒状のケースに実装されることが多い。ビル型パッケージは、導波管内に配置するなど、立体回路用途に設計されたものであって、平面実装にはあまり適していない。また、高周波信号を外部に取り出すためにパッケージの電極部分にロッドを接触させる必要が生じることもあり、集積化にはあまり適していない。さらに、ビル型パッケージの３次元形状は、テラヘルツ帯域の周波数の波長と同程度となるため、テラヘルツ帯域の高周波出力を得るのが困難なこともある。
【００２０】
これらに対し、平面実装可能な構成としてフリップチップ実装可能なガンダイオードが下記特許文献３に示されている。この、ガンダイオードがマイクロストリップ線路を構成する平板回路基板にフリップチップ実装されている一例を、図１８を参照しながら説明する。
【００２１】
図１８に示すように、半絶縁性の平板基板１３１上の表面には、信号電極１３２が、また裏面に接地電極１３３が形成されている。また、平板基板１３１内には、平板基板１３１を貫通し、裏面の接地電極１３３と、表面に形成した表面接地電極１３５とを互いに接続するヴィアホール１３４が設けられており、ヴィアホール１３４にはタングステンが充填されている。
【００２２】
さらに、平板基板１３１の上には、ガンダイオード１１０Ａが、フェースダウン姿勢で搭載され、ガンダイオード１１０Ａのカソードバンプおよびアノードバンプが、信号電極１３２および表面接地電極１３５にそれぞれ直接接続されている。
【００２３】
信号電極１３２は、ガンダイオード１１０Ａにバイアス電圧を供給するバイアス電極１３２Ａと、ガンダイオード１１０Ａ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１３２Ｂと、マイクロストリップ線路を構成する信号出力電極１３２Ｃとから構成されている。
【特許文献１】特開平６−３１４８０２号公報（第１図）
【特許文献２】特開平７−１１１３４８号公報（第３図）
【特許文献３】特開２００２−１３４８１０号公報（第１図、第３図、第９図）
【非特許文献１】W. Alan Davis, Microwave Semiconductor Circuit Design, Chapter 15, Van Nostrand Reinhold Company Inc., New York 1984。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
上述のように、平面実装されるガンダイオードに関しても、実際にはフリップチップ実装を前提としている。このとき、ガンダイオードをテラヘルツ帯域の回路で用いるためには、ガンダイオードの実装の際の精度のバラツキの許容範囲が、目的とする周波数の波長（３ＴＨｚで３００μｍ）と同程度となる。
【００２５】
しかしながら、フリップチップ実装では、上記の精度でガンダイオードを実装することは非常に難しく、ガンダイオードを実装した製品のテラヘルツ帯域における特性のバラツキを抑制するのは難しい。
【００２６】
また、ミリ波帯域からテラヘルツ帯域にかけては、信号の伝送損失が大きい。このため、できる限り伝送線路長を短縮することが望まれる。伝送線路長を短縮するには、回路の小型薄膜化、さらには回路素子の集積化が必要であるが、従来のガンダイオードに適用されるピル型パッケージおよびフリップチップ実装共に、更なる集積化を実現することは難しい。
【００２７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、マイクロ波帯域からテラヘルツ帯域での特性のバラツキが抑制されており、実装が容易で、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の第１の半導体装置は、ｎ型半導体層を最上部に有する基板と、上記基板上に互いに離間して形成され、伝送線路を構成する信号線および接地線と、上記ｎ型半導体層と、上記信号線および上記接地線とから構成される発振素子と、上記基板上に形成され、上記信号線に接続された高周波利用回路部とを備える。
【００２９】
本発明の第１の半導体装置では、伝送線路を構成する信号線および接地線と、発振素子と、信号線に接続された高周波利用回路部とが、１つの基板に組み込まれる構造となっている。つまり、フリップチップ実装などによることなく、非常に高い精度で発振素子が実装された半導体装置が得られる。従って、本発明の第１の半導体装置では、テラヘルツ帯域における特性のバラツキが抑制される。また、発振素子をワイヤやバンプを用いて高周波利用回路に接続する必要がない。このため、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装等に比べて、伝送線路長が短縮され、ミリ波帯域からテラヘルツ帯域にかけて、信号の伝送損失を小さくすることができる。従って、高周波利用回路部を通じて、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能である。
【００３０】
本発明の第２の半導体装置は、ｎ型半導体層を最上部に有する基板と、上記基板の上面上に形成された信号線と、上記基板の下面上に形成され、上記信号線と伝送線路を形成する接地線と、上記基板の上面上に上記信号線から離間して形成され、上記接地線と接続された接地電極と、上記ｎ型半導体層と、上記信号線および上記接地電極とから構成される発振素子と、上記基板上に形成され、上記信号線に接続された高周波利用回路部とを備える。
【００３１】
本発明の第２の半導体装置では、伝送線路を構成する信号線および接地線と、発振素子と、信号線に接続された高周波利用回路部とが、１つの基板に組み込まれる構造となっている。つまり、フリップチップ実装などによることなく、非常に高い精度で発振素子が実装された半導体装置が得られる。従って、本発明の第２の半導体装置では、テラヘルツ帯域における特性のバラツキが抑制される。また、発振素子をワイヤやバンプを用いて高周波利用回路に接続する必要がない。このため、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装等に比べて、伝送線路長が短縮され、ミリ波帯域からテラヘルツ帯域にかけて、信号の伝送損失を小さくすることができる。従って、高周波利用回路部を通じて、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能である。特に、本発明の第２の半導体装置では、信号線および接地線がマイクロストリップ型伝送線路を構成する。マイクロストリップ型伝送線路は、その高周波特性に関して解析が十分行われており、電磁界シミュレーションにおいても精度の高いモデルが提供されている。従って、本発明の第２の半導体装置は、高精度でマイクロストリップ型の伝送線路を設計する必要が有る場合に、特に有用である。
【００３２】
上記ｎ型半導体層は、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体で形成されており、上記発振素子は、ガンダイオードである構成とすることが好ましい。
【００３３】
ガンダイオードは比較的簡単な構造であり、また比較的大きな出力が得られるので、半導体装置の性能を向上することができる。
【００３４】
上記ｎ型半導体層は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＺｎＳｅおよびＣｄＴｅからなる群から選択される少なくとも２種類の化合物半導体の混晶から形成されている構成としてもよい。
【００３５】
上記ｎ型半導体層は、ＧａＩｎＮＡｓから形成されている構成としてもよい。
【００３６】
上記高周波利用回路部は、パッチアンテナまたはフィルタからなる構成としてもよい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、マイクロ波帯域からテラヘルツ帯域での特性のバラツキが抑制されており、実装が容易で、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能な半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本明細書中で「高周波」との用語は、マイクロ波帯域以上（約１ＧＨｚ以上）の高い周波数帯を意味するものとする。
【００３９】
（実施形態１）
図１は、本実施形態の半導体装置を示す上面図である。図２は、図１中に示されている発振素子付近の拡大図である。図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図２中の線Ａ−Ａ、線Ｂ−Ｂおよび線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。図４は、図１中に示されている発振素子付近の斜視図である。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置１００は、基板１と、基板１の最上部に形成されたｎ型半導体層２Ａと、基板１上に互いに離間して形成され、伝送線路を構成する信号線５および接地線６と、ｎ型半導体層２Ａと、信号線５および接地線６とから構成される発振素子１５と、基板１上に形成され、信号線５に接続された高周波利用回路部１１とを備えている。
【００４１】
具体的には、本実施形態では、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰで形成された母基板を用意し、この母基板の上にｎ型半導体層２Ａとしてエピタキシャル成長によってＳｉドープＩｎＰ薄膜が形成されたものを基板１として用いている。
【００４２】
信号線５および接地線６は、膜厚５μｍ程度の金属薄膜を用いて基板１上に直接形成されてコプレーナ型の伝送線路を構成しており、ｎ型半導体層２Ａにオーミック接触されている。本実施形態では、オーミック接触を、信号線５および接地線６の、ｎ型半導体層２Ａに対する接触界面にＡｕＧｅＮｉあるいはＡｕＧｅ合金を形成し、３００℃の熱処理を行なうことによって形成している。さらに本実施形態では、信号線５および接地線６にＡｕの電界メッキが施されている。信号線５と接地線６との間の距離は、１〜２０μｍの間で、所望の発振周波数が得られるよう適宜設計した値を用いている。
【００４３】
また、信号線５は、スタブ１０が接続されたバイアス線８ａを通じてバイアス端子８に接続されている。つまり、外部電源によってバイアス端子８を通じて直流電圧がｎ型半導体層２Ａに印加される構成となっており、信号線５の一端に設けられた、信号線５と接地線６とｎ型半導体層２Ａとで構成される発振素子１５が、コプレーナ型のガンダイオードとなっている。
【００４４】
さらに、信号線５の他端には、高周波利用回路１１として金属薄膜で形成されたパッチアンテナが接続され、発振素子１５で発生した高周波電力が空間に放射されるよう設計されている。なお、パッチアンテナ１１の形状は、動作周波数帯域に併せて適宜変更可能である。
【００４５】
接地線６は、接地端子７を通じて接地されている。また、接地線６のうちの、信号線５と接地線６とで伝送線路を構成している部分では、伝送線路の接地電位を同一とするために、信号線５を跨いで接地線６を結ぶＡｕ配線からなるエアブリッジ９が形成されている。
【００４６】
ここで、図２〜図４を参照しながら発振素子１５をさらに説明する。
【００４７】
本実施形態では、発振素子１５は、図２、図３（ａ）〜（ｃ）および図４に示すように、基板１の最上部に形成されたｎ型半導体層２Ａと、信号線５と、信号線５から距離Ｌ（１〜２０μｍ）だけ離間して設けられた接地線６とから構成されたガンダイオードである。特に、本実施形態では、ｎ型半導体層２Ａが、ｎ型不純物であるＳｉの濃度が１×１０16（ｃｍ-3）、膜厚が約２μｍであるｎ−半導体層２と、ｎ−半導体層２の上に形成され、ｎ型不純物の濃度がｎ−半導体層２よりも高い（不純物であるＳｉの濃度が１×１０19（ｃｍ-3））ｎ＋半導体層１２とで構成されている。さらに、信号線５および接地線６は、ｎ＋半導体層１２上に位置するように形成されている。
【００４８】
また、図３（ａ）および図４に示すように、発振素子１５付近でコプレーナ伝送線路の接地電位を同一とするために、信号線５を跨いで接地線６を結ぶＡｕ配線からなるエアブリッジ９が形成されている。
【００４９】
ここで、図５を参照しながら発振素子１５の動作を説明する。図５は、発振素子１５の動作を模式的に示す断面図である。
【００５０】
発振素子１５では、バイアス端子８を通じて信号線５に印加されるバイアス電圧が正電圧である場合、ｎ−半導体層２内に、信号線５から接地線６へと向かってｎ−半導体層２に平行な電界が生じる。従って、図５に示すように、ｎ−半導体層２に接地線６から信号線５に向かって移動するドメイン４が形成される。つまり、発振素子１５はガンダイオードとして機能する。
【００５１】
ここで、本実施形態の発振素子１５および半導体装置１００の特性を調べた結果を説明する。
【００５２】
本実施形態の発振素子（ガンダイオード）１５は、閾値電界Ｅｔｈより大きな電界において高周波発振特性を示した。また、その発振周波数は、信号線５と接地線６との間の距離Ｌが１０μｍ以下では、単純なダイポールモードとして計算される値よりも大きなものであった。さらに、その発振周波数は、半導体装置１００のバイアス端子８に印加される直流電圧値によって若干変化し、発振周波数の調整が可能であった。
【００５３】
一方、信号線５と接地線６との間の距離Ｌが１０〜２０μｍの間においては、ダイポールモードでの動作が安定して得られ、このとき半導体装置１００では、パッチアンテナより空間に電界が放射されることが確認された。
【００５４】
従来、上述したように、ガンダイオードなどの発振素子は、フリップチップ実装などで実装されており、ガンダイオードをテラヘルツ帯域の回路で用いるためには、ガンダイオードの実装の際の精度のバラツキの許容範囲が、目的とする周波数の波長（３ＴＨｚで３００μｍ）と同程度となる。しかし、フリップチップ実装では、上記の精度でガンダイオードを実装することは非常に難しく、ガンダイオードを実装した製品のテラヘルツ帯域における特性のバラツキを抑制するのは難しい。
【００５５】
本実施形態の半導体装置１００では、伝送線路を構成する信号線５および接地線６と、発振素子１５と、信号線５に接続された高周波利用回路部（本実施形態ではパッチアンテナ）１１とが、１つの基板内に組み込まれる構造となっている。つまり、半導体装置１００では、フリップチップ実装などによることなく、上記の精度で発振素子１５が実装される。従って、本実施形態の半導体装置１００では、テラヘルツ帯域における特性のバラツキが抑制される。
【００５６】
また、上述したように、従来のガンダイオードに適用されるピル型パッケージおよびフリップチップ実装共に、更なる集積化を実現することは難しい。特に、フリップチップ実装の際に発振素子を伝送線路に接続するために、ワイヤやバンプを用いて接続する必要が生じてくる。
【００５７】
一方、本実施形態の半導体装置１００では、伝送線路を構成する信号線５および接地線６と、発振素子１５と、信号線５に接続された高周波利用回路部（本実施形態ではパッチアンテナ）１１とが、１つの基板内に組み込まれる構造となっており、信号線５および接地線６が発振素子１５の電極を兼ねている。すなわち、ワイヤやバンプを用いて接続する必要がない。このため、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装等に比べて、伝送線路長が短縮され、ミリ波帯域からテラヘルツ帯域にかけて、信号の伝送損失を小さくすることができる。従って、高周波利用回路部１１を通じて、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能である。
【００５８】
本実施形態では、信号線５と接地線６との間の距離Ｌを所望の発振周波数が得られるよう適宜設計している。信号線５と接地線６との間の距離Ｌを１〜２０μｍの間で変更することによって、発振素子１５の動作周波数を所望の発振周波数に変更することができる。これは、信号線５と接地線６との間の距離Ｌと発信周波数が一意に対応することを利用している。
【００５９】
本実施形態の半導体装置１００では、発振素子１５が１つ設けられているが、これに限定されない。本実施形態の半導体装置１００には、平面の基板１が用いられており、信号線５と接地線６との間の距離Ｌの異なる発振素子を、発振素子１５とは基板１上の別の場所に形成することも可能である。このため、複数の異なる周波数を用いる通信方式で用いられる通信機器、あるいは複数の周波数帯域を切り替える通信機器などに、本実施形態の半導体装置１００を用いれば、通信機器を小型化できる。
【００６０】
また、本実施形態では、基板１として、ＩｎＰ基板上にｎ型半導体層２Ａをエピタキシャル成長したものを用いている。このため、ｎ型半導体層２Ａの結晶性が単結晶材料とほぼ同等となり、発振素子１５の特性が向上するという効果も得られる。
【００６１】
次に、本実施形態の半導体装置１００の製造方法を図６〜図８を参照しながら説明する。図６〜図８は、半導体装置１００の発振素子１５の作製方法を示す工程断面図である。
【００６２】
まず、図６（ａ）に示す工程で、ｎ型不純物の濃度が１×１０16（ｃｍ-3）であるｎ−半導体層２と、ｎ−半導体層２の上に形成され、ｎ型不純物の濃度が１×１０19（ｃｍ-3）であるｎ＋半導体層１２とからなるｎ型半導体層２Ａを最上部に有する基板１を用意する。具体的には、母基板を用意し、母基板の上にエピタキシャル成長によって、ｎ−半導体層２とｎ＋半導体層１２とを順次形成することによって、基板１を用意する。なお、母基板は半導体基板であっても、誘電体基板であってもよい。
【００６３】
次に、図６（ｂ）に示す工程で、ｎ＋半導体層１２の上にレジスト１８を堆積する。
【００６４】
次に、図６（ｃ）に示す工程で、レジスト１８をパターニングすることによって、レジスト１８を貫通し、ｎ＋半導体層１２を露出する開口部１９を形成する。
【００６５】
次に、図７（ａ）に示す工程で、開口部１９が形成されたレジスト１８をマスクとしてエッチングを行ない、ｎ＋半導体層１２をパターニングすることによって、ｎ＋半導体層１２を貫通し、ｎ−半導体層２を露出する開口部２０を形成する。
【００６６】
次に、図７（ｂ）に示す工程で、レジスト１８を除去することによって、ｎ＋半導体層１２の表面および開口部２０内のｎ−半導体層２を露出させる。
【００６７】
次に、図７（ｃ）に示す工程で、基板１上に、ｎ＋半導体層１２の開口部２０を埋めるレジスト２１を堆積する。
【００６８】
次に、図８（ａ）に示す工程で、レジスト２１をパターニングすることによって、レジスト２１を貫通し、ｎ＋半導体層１２を露出する開口部２２を形成する。
【００６９】
次に、図８（ｂ）に示す工程で、ｎ＋半導体層１２の露出している表面上およびレジスト２１上に蒸着によって金属薄膜２３を形成する。このとき、金属薄膜２３の材料として、ｎ＋半導体層１２とオーミック接触を形成する材料を用いる。
【００７０】
次に、図８（ｃ）に示す工程で、リフトオフ法によってレジスト２１上の金属薄膜を除去し、次いでレジスト２１を除去する。なお、図示していないが、本工程と同時に、同時に金属薄膜２３をパターニングすることによって、図１に示すように、信号線５、接地線６、バイアス線８ａ、スタブ１０および高周波利用回路部（本実施形態ではパッチアンテナ）１１を基板１上に形成する。
【００７１】
最後に、信号線５を跨いで接地線６を結ぶエアブリッジ９することによって、本実施形態の半導体装置１００が得られる。
【００７２】
次に、本実施形態１の半導体装置１００において、上述の発振素子１５の代わりに用いることができ、発振素子１５とは異なる構造を有する発振素子の例を説明する。図９、図１０および図１１は、それぞれ図２中の線Ｃ−Ｃに沿った断面図に対応している。
【００７３】
まず、発振素子の第１の例を図９を参照しながら説明する。図９に示すように、発振素子１５Ｂは、基板１の最上部に形成されたｎ型半導体層２Ｂと、ｎ型半導体層２Ｂ上に形成された信号線５と、ｎ型半導体層２Ｂ上に形成され、信号線５から距離Ｌだけ離間して設けられた接地線６とから構成されたガンダイオードである。特に、本実施形態では、ｎ型半導体層２Ｂが、ｎ型不純物であるＳｉの濃度が１×１０16（ｃｍ-3）、膜厚が約２μｍであるｎ−半導体層２と、ｎ−半導体層２の最上部に形成され、ｎ型不純物の濃度がｎ−半導体層２よりも高い（不純物であるＳｉの濃度が１×１０19（ｃｍ-3））ｎ＋半導体領域１３とで構成されている。ｎ＋半導体領域１３には、熱拡散法によって不純物であるＳｉが導入されている。信号線５および接地線６は、ｎ＋半導体領域１３上に位置するように形成されている。
【００７４】
発振素子１５Ｂは、閾値電界Ｅｔｈより大きな電界において高周波発振特性を示した。また、その発振周波数は、信号線５と接地線６との間の距離Ｌが２μｍで、不純物濃度が５×１０16（ｃｍ-3）以上である場合に、単純なダイポールモードとして計算されるものよりも大きなものであった。さらに、その発振周波数は、距離Ｌが５μｍでは、不純物濃度１×１０16〜１×１０17（ｃｍ-3）の範囲において単純なダイポールモードとして計算されるものよりも大きなものであった。一方、上記発振周波数は、その発振周波数は、半導体装置１００のバイアス端子８に印加される直流電圧値によって若干変化し、発振周波数の調整が可能であった。
【００７５】
一方、距離Ｌが２μｍ、不純物濃度５×１０16（ｃｍ-3）以下である場合は、ダイポールモードでの動作が安定して得られ、このとき半導体装置１００では、パッチアンテナより空間に電界が放射されることが確認された。
【００７６】
次に、発振素子の第２の例を図１０を参照しながら説明する。図１０に示すように、発振素子１５Ｃは、基板１の最上部に形成されたｎ型半導体層２Ｃと、信号線５と、信号線５から距離Ｌだけ離間して設けられた接地線６とから構成されたガンダイオードである。特に、本実施形態では、ｎ型半導体層２Ｃが、ｎ型不純物であるＳｉの濃度が１×１０16（ｃｍ-3）、膜厚が約２μｍであるｎ−半導体層２と、ｎ−半導体層２に形成され、ｎ型不純物の濃度がｎ−半導体層２よりも高い（不純物であるＳｉの濃度が１×１０19（ｃｍ-3））ｎ＋半導体領域１４とで構成されている。ｎ＋半導体領域１４には、イオン注入法によって不純物であるＳｉが導入されている。信号線５および接地線６は、ｎ＋半導体領域１４上に位置するように形成されている。なお、本例で示すように、熱拡散法ではなくイオン注入法によって形成したｎ＋半導体領域１４を用いても、信号線５および接地線６とのオーミック接触を同様に形成することができる。
【００７７】
次に、発振素子の第３の例を図１１を参照しながら説明する。図１１に示すように、発振素子１５Ｄは、基板１の最上部に形成されたｎ型半導体層２Ｄと、信号線５と、信号線５から距離Ｌだけ離間して設けられた接地線６とから構成されたガンダイオードである。特に、本例の発振素子１５Ｄでは、ｎ型半導体層２Ｄが、ガスソースＭＢＥ法を用いてエピタキシャル成長によって形成されたＳｉドープＧａxＩｎ(1-x)ＮyＡｓ(1-y)で形成されている。ここで０≦ｘ≦０．５３、０．０５≦ｙ≦０．２であり、ｎ型不純物であるＳｉのドーピング濃度は１×１０17（ｃｍ-3）、膜厚は１〜５μｍ程度である。
【００７８】
本例の発振素子１５Ｄには、上述したｎ＋半導体層１２、ｎ＋半導体領域１３およびｎ＋半導体領域１４等のような、不純物が高濃度に導入された領域が形成されていない。このため、製造プロセスを簡便にすることができる。しかしながら勿論、不純物が高濃度に導入された領域を形成してもよい。
【００７９】
また、本例では、ｎ型半導体層２Ｄが、ＧａＩｎＡｓ系半導体にＮを含む材料で形成されている。このように、ＧａＩｎＡｓ系半導体にＮを導入することによって、ＧａＩｎＡｓ中の電子の飽和速度を小さくなり、発振素子１５Ｄの発信周波数が若干低下するが、発振素子１５Ｄの動作は安定性が増す。従って、安定動作が求められる用途には、半導体装置１００において、発振素子１５の代わりに発振素子１５Ｄを用いることが非常に適している。
【００８０】
（実施形態２）
本実施形態では、上記実施形態１とは異なる構造を有する半導体装置を、図１２および図１３を参照しながら説明する。図１２は、本実施形態の半導体装置を示す上面図である。図１３は、図１２中の線Ｄ−Ｄに沿った断面のうち、発振素子付近を拡大して示した図である。なお、簡単のために、上記実施形態１と共通する構成要素は、同一の参照符号で示す。
【００８１】
図１２および図１３に示すように、本実施形態の半導体装置２００は、基板１と、基板１の最上部に形成されたｎ型半導体層２Ｃと、基板１上に互いに離間して形成された信号線５および接地電極３６と、ｎ型半導体層２Ｃと、信号線５および接地電極３６とから構成される発振素子１５Ｃ’と、基板１上に形成され、信号線５に接続された高周波利用回路部１１と、基板１の下面上に形成され、接地電極３６に接続された接地線６とを備えている。
【００８２】
具体的には、本実施形態では、ノンドープの半絶縁性ＧａＡｓで形成された母基板を用意し、この母基板の上にｎ型半導体層２Ａとしてエピタキシャル成長によってＳｉドープＧａＡｓ薄膜が形成されたものを基板１として用いている。
【００８３】
信号線５と接地線６とは、膜厚５μｍ程度の金属薄膜を用いて基板１上に直接形成されてマイクロストリップ型の伝送線路を構成しており、接地電極３６は、基板１を貫通するヴィアホールを埋めるコンタクトプラグ３７を通じて接地されている。
【００８４】
本実施形態では、オーミック接触を、信号線５および接地電極３６の、ｎ型半導体層２Ａに対する接触界面にＡｕＧｅＮｉあるいはＡｕＧｅ合金を形成し、３００℃の熱処理を行なうことによって形成している。さらに本実施形態では、信号線５および接地電極３６にＡｕの電界メッキが施されている。信号線５と接地電極３６との間の距離Ｌは、１〜２０μｍの間で、所望の発振周波数が得られるよう適宜設計した値を用いている。
【００８５】
また、信号線５は、スタブ１０が接続されたバイアス線８ａを通じてバイアス端子８に接続されている。つまり、外部電源によってバイアス端子８を通じて直流電圧がｎ型半導体層２Ｃに印加される構成となっており、信号線５の一端に設けられた、信号線５と接地電極３６とｎ型半導体層２Ｃとで構成される発振素子１５Ｃ’が、コプレーナ型のガンダイオードとなっている。
【００８６】
さらに、信号線５の他端には、高周波利用回路１１として金属薄膜で形成されたパッチアンテナが接続され、発振素子１５Ｃ’で発生した高周波電力が空間に放射されるよう設計されている。なお、パッチアンテナ１１の形状は、動作周波数帯域に併せて適宜変更可能である。
【００８７】
パッチアンテナと反対方向の信号線５の端には、オープンスタブ３８およびラジアルスタブ３９を配置し、発振素子の出力が効率よくアンテナ端子に伝搬するよう回路パターンを電磁界シミュレーションにより設計している。
【００８８】
ここで、図１３を参照しながら発振素子１５Ｃ’をさらに説明する。
【００８９】
本実施形態では、発振素子１５Ｃ’は、図１３に示すように、ｎ型半導体層２Ｃが、ｎ型不純物であるＳｉの濃度が１×１０16（ｃｍ-3）、膜厚が約２μｍであるｎ−半導体層２と、ｎ−半導体層２に形成され、ｎ型不純物の濃度がｎ−半導体層２よりも高い（不純物であるＳｉの濃度が１×１０19（ｃｍ-3））ｎ＋半導体領域１４とで構成されている。ｎ＋半導体領域１４には、イオン注入法によって不純物であるＳｉが導入されている。信号線５および接地電極３６は、ｎ＋半導体領域１４上に位置するように形成されている。
【００９０】
つまり、本実施形態の発振素子１５Ｃ’は、上記実施形態１で説明した発振素子１５Ｃとほぼ同じ構造であり、接地電極３６が接地線６に、基板１を貫通するヴィアホールを埋めるコンタクトプラグ３７によって接続されている点のみが異なる。
【００９１】
本実施形態の半導体装置２００でも、上記実施形態１と同様に、伝送線路を構成する信号線５および接地線６と、発振素子１５と、信号線５に接続された高周波利用回路部（本実施形態ではパッチアンテナ）１１とが、１つの基板に組み込まれる構造となっている。つまり、半導体装置２００では、フリップチップ実装などによることなく、上記の精度で発振素子１５Ｃ’が実装される。従って、本実施形態の半導体装置２００では、テラヘルツ帯域における特性のバラツキが抑制される。
【００９２】
また、本実施形態の半導体装置２００でも、発振素子１５Ｃ’をワイヤやバンプを用いて高周波利用回路１１に接続する必要がない。このため、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装等に比べて、伝送線路長が短縮され、ミリ波帯域からテラヘルツ帯域にかけて、信号の伝送損失を小さくすることができる。従って、高周波利用回路部１１を通じて、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能である。
【００９３】
特に、マイクロストリップ型伝送線路は、その高周波特性に関して解析が十分行われており、電磁界シミュレーションにおいても精度の高いモデルが提供されている。従って、本実施形態の半導体装置２００では、高精度でマイクロストリップ型の伝送線路を設計する必要が有る場合に、非常に有用である。
【００９４】
本実施形態では、信号線５と接地電極３６との間の距離Ｌを所望の発振周波数が得られるよう適宜設計している。信号線５と接地電極３６との間の距離Ｌを１〜２０μｍの間で変更することによって、発振素子１５の動作周波数を所望の発振周波数に変更することができる。
【００９５】
さらに、本実施形態の半導体装置２００でも、発振素子１５が１つ設けられているが、これに限定されない。本実施形態の半導体装置２００には、平面の基板１が用いられており、信号線５と接地電極３６との間の距離Ｌの異なる発振素子を、発振素子１５とは基板１上の別の場所に形成することも可能である。このため、複数の異なる周波数を用いる通信方式で用いられる通信機器、あるいは複数の周波数帯域を切り替える通信機器などに、本実施形態の半導体装置２００を用いれば、通信機器を小型化できる。
【００９６】
また、本実施形態において、基板１として、ＩｎＰ基板上にｎ型半導体層２Ｃをエピタキシャル成長したものを用いれば、ｎ型半導体層２Ｃの結晶性が単結晶材料とほぼ同等となり、発振素子１５Ｃ’の特性が向上するという効果も得られる。
【００９７】
なお、本実施形態では、信号線５および接地電極３６をオーミック接触させるために、イオン注入法により得られたｎ＋半導体領域１４を利用している。ビアホールもｎ＋半導体領域１４を貫通するように形成しているが、この構成に限定されない。例えば、基板１上のｎ型半導体層２Ｃが形成されていない領域にビアホールを形成し、接地電極３６と接地線６とコンタクトプラグで接続してもよい。また、ｎ＋半導体領域１４は、イオン注入法でなく積層方法（エピタキシャル成長方法）によって形成してもよい。
【００９８】
（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態において、発振素子１５、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄおよび１５Ｃ’のｎ型半導体層２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄの不純物濃度と図１６とに基づいて、信号線５と接地線６との間の距離（発振素子１５Ｃ’の場合、信号線５と接地電極３６との間の距離）Ｌを、１〜２０μｍの範囲内としているが、高周波動作を目的としない用途では、距離Ｌを２０μｍ以上としてもよい。
【００９９】
また、ダイポールモードおよびハイブリッドモードが発生する不純物濃度は、図１７に示される斜線部の領域であることが経験的に求められている。従って、図１７に基づいて、用途毎に発振素子１５に求められる特性に応じて、上記で挙げた発振素子１５、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄおよび１５Ｃ’のｎ型半導体層２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄの不純物濃度を適宜選択してもよい。
【０１００】
さらに、各実施形態の半導体装置において、発振素子１５、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄおよび１５Ｃ’のｎ型半導体層２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄは、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体で、ガン効果を示すものであればいずれの材料で形成されていてもよい。具体的には、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ等、あるいは、これらの混晶である。なお、ｎ型半導体層２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄに導入されるｎ型不純物は、ｎ型半導体層２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２ＤがＩｎＰから形成されている場合Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅ等を、ＧａＡｓから形成されている場合Ｓ等を用いればよい。
【０１０１】
また、上記実施形態１では、ｎ型半導体層２Ｄが、ＧａＩｎＡｓ系半導体にＮを含む材料で形成されていると説明したが、勿論、上記で挙げた発振素子１５、１５Ｂ、１５Ｃおよび１５Ｃ’のｎ型半導体層２Ａ、２Ｂおよび２ＣをＧａＩｎＡｓ系半導体にＮを含む材料で形成してもよい。これは、ＧａＩｎＡｓ系半導体にＮを導入することによって、ＧａＩｎＡｓ中の電子の飽和速度を小さくなり、発振素子の発信周波数が若干低下するが、発振素子の動作は安定性が増すからである。
【０１０２】
さらにまた、上記各実施形態では、基板１として、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ、あるいはノンドープの半絶縁性ＧａＡｓで形成された母基板を用意し、この母基板の上にｎ型半導体層２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄあるいは２Ｅとしてエピタキシャル成長によってＳｉドープＩｎＰ薄膜またはＳｉドープＧａＡｓ薄膜が形成されたものを基板１として用いているが、これに限定されない。例えば、母基板として、ノンドープ半絶縁性ＧａＡｓ基板等の半導体基板、セラミックス、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド樹脂、液晶ポリマーなどで形成された基板を用いてもよい。特に、セラミックス、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド樹脂、液晶ポリマーなどで形成された基板を母基板として用いる場合、半導体基板を母基板として用いた場合に比べて材料の入手が容易であり、製造コストを低減することができる。
【０１０３】
また、本実施形態では、発振素子１５、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄおよび１５Ｃ’としてガンダイオードを用いた場合について説明したが、ガンダイオードに限られず、他の負性抵抗特性を示す２端子素子を用いることも可能である。他の負性抵抗特性を示す２端子素子としては、電子のなだれ現象を用いたＩＭＰＡＴＴダイオード、負性抵抗特性を用いたトンネルダイオードが挙げられる。
【０１０４】
本実施形態では、半導体装置１００に高周波利用回路１１として、パッチアンテナを設けたが、これに限定されず、他の高周波動作に利用される回路、例えば、フィルタ、伝送線路などを設けることも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明は、マイクロ波帯域からミリ波帯域、さらにはテラヘルツの周波数帯域での動作が必要な高周波機器などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】図１は、半導体装置を示す上面図である。
【図２】図２は、図１中に示されている発振素子付近の拡大図である。
【図３】図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図２中の線Ａ−Ａ、線Ｂ−Ｂおよび線Ｃ−Ｃに沿った断面図である。
【図４】図４は、図１中に示されている発振素子付近の斜視図である。
【図５】図５は、発振素子の動作を模式的に示す断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｃ）は、半導体装置の発振素子の作製方法を示す工程断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、半導体装置の発振素子の作製方法を示す工程断面図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｃ）は、半導体装置の発振素子の作製方法を示す工程断面図である。
【図９】図９は、発振素子の断面図である。
【図１０】図１０は、発振素子の断面図である。
【図１１】図１１は、発振素子の断面図である。
【図１２】図１２は、半導体装置を示す上面図である。
【図１３】図１３は、図１２中の線Ｄ−Ｄに沿った断面のうち、発振素子付近を拡大して示した図である。
【図１４】図１４は、プレーナ型ガンダイオードにおいてガン効果が生じる原理を模式的に示す図である。
【図１５】図１５は、ｎ型のＧａＡｓを用いたガンダイオードにおける、電界強度と電子の走行速度との関係を示す図である。
【図１６】図１６は、ガン効果が生じる条件を表す図である。
【図１７】図１７は、最も基本的なダイポールモードのｆ０を示す図である。
【図１８】図１８は、ガンダイオードがマイクロストリップ線路を構成する平板回路基板にフリップチップ実装されている例を表す図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１  基板
２  ｎ−半導体層
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ  ｎ型半導体層
４  ドメイン
５  信号線
６  接地線
７  接地端子
８  バイアス端子
８ａ  バイアス線
９  エアブリッジ
１０  スタブ
１１  高周波利用回路部（パッチアンテナ）
１２  ｎ＋半導体層
１３、１４  ｎ＋半導体領域
１５、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｃ’、１５Ｄ  発振素子
１８  レジスト
１９  開口部
２０  開口部
２１  レジスト
２２  開口部
２３  金属薄膜
３６  接地電極
３７  コンタクトプラグ
３８  オープンスタブ
３９  ラジアルスタブ
１００、２００  半導体装置
【図１】
2005123458.tif 000003
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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