(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層及び高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ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であって、
前記第２の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極と、該第１の電極の周囲から少なくとも前記第２の半導体層を除去するよう切り込まれ、且つ前記第１の電極に対応する前記第２の半導体層及び前記活性層の部分をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部とを備え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】
高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の半導体層、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層及び高濃度ｎ型ＩｎＰ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であって、
前記第２の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極と、該第１の電極の周囲から少なくとも前記第２の半導体層を除去するよう切り込まれ、且つ前記第１の電極に対応する前記第１の半導体層及び前記活性層の部分をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部とを備え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３】
高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の半導体層、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層、及び高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第３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であって、
前記第３の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極と、該第１の電極の周囲から少なくとも前記第２及び第３の半導体層を除去するよう切り込まれ、且つ前記第１の電極に対応する前記第１の半導体層及び前記活性層の部分をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部とを備え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４】
高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層、及び高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第３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であって、
前記第３の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極と、該第１の電極の周囲から少なくとも前記第２及び第３の半導体層を除去するよう切り込まれ、且つ前記第１の電極に対応する前記第１の半導体層及び前記活性層の部分をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部とを備え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５】
請求項１乃至４において、
前記凹部から前記活性層内部にかけての部分をイオン注入により高抵抗化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６】
請求項３又は４において、
前記凹部を前記第３の半導体層を除去する深さまで切り込み、且つ該凹部から前記第２の半導体層又は前記活性層内部にかけての部分をイオン注入により高抵抗化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７】
請求項１、３、又は４において、
前記第１、第２の電極が、ＷＳｉ、Ｍｏ等の高融点金属からなることを特徴とするインジウム燐ガンダイオード。
【請求項８】
請求項２又は３において、
前記第１の半導体層のＩｎＧａＡｓの組成がＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓであり、前記半導体基板のＩｎＰと格子整合していることを特徴とするインジウム燐ガンダイオード。
【請求項９】
請求項１乃至４において、
前記第１、第２の電極が、小面積、大面積の下地電極層と、該各下地電極層に連続して上面が略同じレベルの高さに形成された各導電性突起部より構成されていることを特徴とするインジウム燐ガンダイオード。
【請求項１０】
請求項９において、
前記第１の電極の前記導電性突起部を略中央部に形成し、その両側に前記第２の電極の前記導電性突起部を形成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１１】
請求項１乃至１０において、
前記第１の電極の面積を、前記第２の電極の面積の1/10〜1/1,000に設定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１２】
請求項１乃至１１において、
前記第１の電極及び前記第１の電極の周囲から切り込まれた前記凹部が２以上形成されていることを特徴とするインジウム燐ガンダイオード。
【請求項１３】
請求項１乃至１２において、
前記半導体基板の裏面に第３の電極を設け、該第３の電極と前記第１の電極とを前記活性層への電圧印加用とし、前記第２の電極をスペーサ用に代え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１４】
高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層と、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第２の半導体層とを順に積層形成した基板を用意する第１の工程と、
前記第２の半導体層上に、小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極を形成する第２の工程と、
前記第１、第２の電極をマスクとしてエッチングにより少なくとも前記第２の半導体層を除去する第３の工程と、
を有することを特徴とするインジウム燐ガンダイオードの製造方法。
【請求項１５】
高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層と、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層とを順に積層形成した基板を用意する第１の工程と、
前記第２の半導体層上に、小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極を形成する第２の工程と、
前記第１、第２の電極をマスクとしてエッチングにより少なくとも前記第２の半導体層を除去する第３の工程と、
を有することを特徴とするインジウム燐ガンダイオードの製造方法。
【請求項１６】
高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層と、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層と、高濃度ＩｎＧａＡｓからなる第３の半導体層を順に積層形成した基板を用意する第１の工程と、
前記第３の半導体層上に、小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極を形成する第２の工程と、
前記第１、第２の電極をマスクとしてエッチングにより少なくとも前記第２及び第３の半導体層を除去する第３の工程と、
を有することを特徴とするインジウム燐ガンダイオードの製造方法。
【請求項１７】
高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層と、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層と、高濃度ＩｎＧａＡｓからなる第３の半導体層を順に積層形成した基板を用意する第１の工程と、
前記第３の半導体層上に、小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極を形成する第２の工程と、
前記第１、第２の電極をマスクとしてエッチングにより少なくとも前記第２及び第３の半導体層を除去する第３の工程と、
を有することを特徴とするインジウム燐ガンダイオードの製造方法。
【請求項１８】
請求項１４乃至１７において、
前記エッチングにより除去されて形成された凹部から前記活性層にかけての部分をイオン注入により高抵抗化する第４の工程を有することを特徴とするインジウム燐ガンダイオードの製造方法。
【請求項１９】
請求項１６又は１７において、
前記第３の工程を、前記第１、第２の電極をマスクとして前記第３の半導体層をエッチングにより除去し、該除去により形成された凹部から前記第２の半導体層又は前記活性層内部にかけての部分をイオン注入により高抵抗化する工程に置換したことを特徴とするインジウム燐ガンダイオードの製造方法。
【請求項２０】
請求項１４乃至１９において、
前記第２の工程が、所定形状の前記第１、第２の電極用の下地電極層を形成した後に、該下地電極層上にほぼ同じ高さの導電性突起部を形成する工程を含むことを特徴とするインジウム燐ガンダイオードの製造方法。
【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及びその製造方法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。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。この緩和時間定数について、ＧａＡｓはＩｎＰの基本波モードの２倍であり、ＧａＡｓとＩｎＰ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))。ＧａＡｓ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であるので、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、ＩｎＰ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、放熱効率の良いダイヤモンド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１２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。高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法により、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１のコンタクト層１０２、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層１０３、高濃度ｎ型ＩｎＰ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、メサ型構造となっている。
【０００７】
上記のように構成した後、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の表面にアノード電極１０６を形成し、その後に素子分離を行い、ガンダイオードを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１３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なるガラス或いは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上に蓋状の金属デイスク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点があった。
【００１１】
また、アノード電極１０６として使用するＡｕＧｅ系アロイ電極のＡｕが比較的低温度でＩｎと反応するために、そのオーミック接触のアノード電極が劣化するという問題があった。
【００１２】
また、ＩｎＰからなる活性層１０３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。
【００１３】
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。
【００１４】
さらに、ガンダイオード１００を組み込んだピル型パッケージ１１０を平板基板１２１上に構成したマイクロストリップ線路１２０に実装する際に、金リボン１２３によって接続するので、寄生インダクタンスが発生し、特性がばらつくという実装上の問題点があった。
【００１５】
本発明の目的は、上記した問題点を解消したインジウム燐ガンダイオード及びその製造方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このために第１の発明は、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層及び高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓ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であって、前記第２の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極と、該第１の電極の周囲から少なくとも前記第２の半導体層を除去するよう切り込まれ、且つ前記第１の電極に対応する前記第２の半導体層及び前記活性層の部分をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部とを備えるよう構成した。
【００１７】
第２の発明は、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の半導体層、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層及び高濃度ｎ型ＩｎＰ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であって、前記第２の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極と、該第１の電極の周囲から少なくとも前記第２の半導体層を除去するよう切り込まれ、且つ前記第１の電極に対応する前記第１の半導体層及び前記活性層の部分をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部とを備えるよう構成した。
【００１８】
第３の発明は、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の半導体層、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層、及び高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第３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であって、前記第３の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極と、該第１の電極の周囲から少なくとも前記第２及び第３の半導体層を除去するよう切り込まれ、且つ前記第１の電極に対応する前記第１の半導体層及び前記活性層の部分をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部とを備えるよう構成した。
【００１９】
第４の発明は、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層、及び高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第３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であって、前記第３の半導体層上に配置され前記活性層に電圧を印加するための小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極と、該第１の電極の周囲から少なくとも前記第２及び第３の半導体層を除去するよう切り込まれ、且つ前記第１の電極に対応する前記第１の半導体層及び前記活性層の部分をガンダイオードとして機能させる領域として区画する凹部とを備えるよう構成した。
【００２０】
第５の発明は、第１乃至第４の発明において、前記凹部から前記活性層内部にかけての部分をイオン注入により高抵抗化して構成した。
【００２１】
第６の発明は、第３又は第４の発明において、前記凹部を前記第３の半導体層を除去する深さまで切り込み、且つ該凹部から前記第２の半導体層又は前記活性層内部にかけての部分をイオン注入により高抵抗化して構成した。
【００２２】
第７の発明は、第１，第３，又は４の発明において、前記第１、第２の電極が、ＷＳｉ、Ｍｏ等の高融点金属からなるよう構成した。
【００２３】
第８の発明は、第２又は第３の発明において、前記第１の半導体層のＩｎＧａＡｓの組成がＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓであり、前記半導体基板のＩｎＰと格子整合しているよう構成した。
【００２４】
第９の発明は、第１乃至第４の発明において、前記第１、第２の電極が、小面積、大面積の下地電極層と、該各下地電極層に連続して上面が略同じレベルの高さに形成された各導電性突起部より構成されているようにした。
【００２５】
第１０の発明は、第９の発明において、前記第１の電極の前記導電性突起部を略中央部に形成し、その両側に前記第２の電極の前記導電性突起部を形成して構成した。
【００２６】
第１１の発明は、第１乃至第１０の発明において、前記第１の電極の面積を、前記第２の電極の面積の1/10〜1/1,000に設定して構成した。
【００２７】
第１２の発明は、第１乃至第１１の発明において、前記第１の電極及び前記第１の電極の周囲から切り込まれた前記凹部が２以上形成されているよう構成した。
【００２８】
第１３の発明は、第１乃至第１２の発明において、前記半導体基板の裏面に第３の電極を設け、該第３の電極と前記第１の電極とを前記活性層への電圧印加用とし、前記第２の電極をスペーサ用に代えて構成した。
【００２９】
第１４の発明の製造方法は、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層と、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第２の半導体層とを順に積層形成した基板を用意する第１の工程と、前記第２の半導体層上に、小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極を形成する第２の工程と、前記第１、第２の電極をマスクとしてエッチングにより少なくとも前記第２の半導体層を除去する第３の工程と、を有するよう構成した。
【００３０】
第１５の発明の製造方法は、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層と、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層とを順に積層形成した基板を用意する第１の工程と、前記第２の半導体層上に、小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極を形成する第２の工程と、前記第１、第２の電極をマスクとしてエッチングにより少なくとも前記第２の半導体層を除去する第３の工程と、を有するよう構成した。
【００３１】
第１６の発明の製造方法は、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層と、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層と、高濃度ＩｎＧａＡｓからなる第３の半導体層を順に積層形成した基板を用意する第１の工程と、前記第３の半導体層上に、小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極を形成する第２の工程と、前記第１、第２の電極をマスクとしてエッチングにより少なくとも前記第２及び第３の半導体層を除去する第３の工程と、を有するよう構成した。
【００３２】
第１７の発明の製造方法は、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板上に、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１の半導体層と、低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層と、高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２の半導体層と、高濃度ＩｎＧａＡｓからなる第３の半導体層を順に積層形成した基板を用意する第１の工程と、前記第３の半導体層上に、小面積の第１の電極及び大面積の第２の電極を形成する第２の工程と、前記第１、第２の電極をマスクとしてエッチングにより少なくとも前記第２及び第３の半導体層を除去する第３の工程と、を有するよう構成した。
【００３３】
第１８の発明は、第１４乃至１７の発明において、前記エッチングにより除去されて形成された凹部から前記活性層にかけての部分をイオン注入により高抵抗化する第４の工程を有するよう構成した。
【００３４】
第１９の発明は、第１６又は１７の発明において、前記第３の工程を、前記第１、第２の電極をマスクとして前記第３の半導体層をエッチングにより除去し、該除去により形成された凹部から前記第２の半導体層又は前記活性層内部にかけての部分をイオン注入により高抵抗化する工程に置換して構成した。
【００３５】
第２０の発明は、第１４乃至１９の発明において、前記第２の工程が、所定形状の前記第１、第２の電極用の下地電極層を形成した後に、該下地電極層上にほぼ同じ高さの導電性突起部を形成する工程を含むよう構成した。
【００３６】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１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。図２の内容に従って製造工程を説明する。
【００３７】
まず、不純物濃度が１〜２×1018atom/cm2の高濃度ｎ型ＩｎＰ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の高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第１のコンタクト層１２、不純物濃度が1.2×1016atom/cm2で厚さ1.6μmの低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層１３、及び不純物濃度が１×1019atom/cmで厚さ0.2μmの高濃度ｎ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓからなる第２のコンタクト層１４を順次積層した半導体基板を用意する。
【００３８】
次に、第２のコンタクト層１４上の全面に、高融点金属であるＷＳｉを蒸着する。そして、カソード電極及びアノード電極の形成予定領域が残るようパターニングされたホトレジスト又はＡｕ等からなる金属膜をマスクとして、ＷＳｉ金属膜をＳＦ6ガス等によりドライエッチングによりパターニングすることにより、第２のコンタクト層１４上にＷＳｉのアノード電極１５及びカソード電極１６を分離して形成する（図２の(a)）。図１に示すように、アノード電極１５の平面形状は縁が方形、カソード電極１６の平面形状は円形であるが、いずれにも楕円形、略正方形等を選択することもできる。
【００３９】
なお、ここで電極１５，１６としてＷＳｉを使用した理由は、そのＷＳｉが高融点金属で熱的に安定しており、且つナローバンドギャップの半導体であるＩｎＧａＡｓからなる第２のコンタクト層１４がその上面に形成した電極と合金化しなくても（ノンアロイ）その電極とオーミック接触となるからである。高融点金属としてはＷＳｉの他にＭｏ等でも構わない。
【００４０】
また、高融点金属を用いない場合は、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）を蒸着し、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上にアノード電極１５及びカソード電極１６を分離して形成することもできる。
【００４１】
次に、アノード電極１５及びカソード電極１６表面の一部を開口するようにホトレジスト１７をパターンニングし、開口内に電解メッキ法あるいは無電解メッキ法により、アノード電極１５，カソード電極１６を下地電極としてその上面にＡｕ等からなる導電性突起部であるバンプ（電極）１８、１９を析出形成する（図２の(b)）。
【００４２】
次に、ホトレジスト１７を除去することにより、第２のコンタクト層１４を露出させてから、アノード電極１５及びカソード電極１６をマスクとして使用し、メタンと水素の混合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、露出している第２のコンタクト層１４を除去し、上記カソード電極１６の周辺に略メサ状の、あるいは垂直状の凹部２０を形成する（図２の(c)）。このように、上部のアノード電極１５とカソード電極１６をマスクとした自己整合による垂直方向のエッチングにより、目標とする凹部２０を正確に形成することができる。
【００４３】
ここで、凹部２０によって区画されたカソード電極１６に対応する活性層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。一方、アノード電極１５に対応する活性層１３の面積は、カソード電極１６に対応する活性層１３の面積より充分大きくして、アノード電極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、実質的に低い値の抵抗として機能させ、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。
【００４４】
以上のカソード電極１６に対応する活性層１３の領域部分の面積比は、１０未満の場合は動作効率が低下するのみで効果がなく、１０以上にする必要があり、１０以上で１０００以下程度とすることが好ましい。
【００４５】
なお、前記した凹部２０は、例えばリン酸系系のエッチャント（Ｈ3ＰＯ4：Ｈ2Ｏ2：Ｈ2Ｏ＝４：１：５０）を用いてＩｎＧａＡｓからなる第２のコンタクト層１４を選択的にエッチングして形成しても良い。第２のコンタクト層１４の厚さは0.2μｍと薄いため、湿式エッチングにもかかわらず、目標とする凹部２０の深さのバラツキはなく、正確に形成することができる。また、この凹部２０は、ある程度活性層１３に食い込むようにしても、さらには活性層１３を除去し第１のコンタクト層１２にある程度食い込むように形成してもよい。
【００４６】
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、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２１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２１は必ずしも必要ないが、アノード電極１５に代え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できる。また、このとき、アノード電極１５はカソード電極１６と同一面であるので、実装時のスペーサとして機能させることができる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態のインジウム燐ガンダイオード１０Ａは、半導体積層部分にカソード電極１６を囲むように凹部２０を形成することにより、ガンダイオード機能部分（活性層１３と第２のコンタクト層１４の内のカソード電極１６に対応する領域部分）と、そのガンダイオード機能部分の第１のコンタクト層１２への外部からの電圧印加路として働く低抵抗層部分とに分離した構造であるので、第２のコンタクト層１４の上面にアノード電極１５とカソード電極１６の両電極を設けることができる。つまり、同一の面にアノード電極１５とカソード電極１６をまとめることができる。このため、実装上、放熱上等で大きな利点を発揮する。
【００４８】
また、動作電流を決定する領域（前記ガンダイオード機能部）を画定するエッチングを、その領域の上部に形成した電極１５，１６をマスクとした自己整合的ドライエッチングにより行うため、従来の化学的湿式エッチングに比べて製造バラツキが少なく、歩留まりを高くすることができる。
【００４９】
さらに、ここでは電子がカソード電極１６から0.2eVのコンダクションバンドオフセットを有する第２のコンタクト層１４と活性層１３の界面のInGaAs／InPの接合を通じて活性層１３にホットエレクトロンとして注入されるので、ドメイン形成に要する時間が短縮し、発振効率が向上する。
【００５０】
さらに、第２のコンタクト層１４をＩｎＧａＡｓにより構成しているので、その上面に形成するアノード電極１５やカソード電極１６は合金化せずともオーミック接触を得ることができ、よってここでは安定なＷＳｉ、Ｍｏ等の高融点金属をそのまま使用することができる。ＩｎＰの上面に電極を形成するときは、オーミック接触のために合金化が必要であり、このときＡｕＧｅやＡｕ等を電極として使用する場合には比較的低温でＩｎとＡｕが反応することによりオーミック接触が劣化する問題があるが、本実施形態では問題ない。
【００５１】
さらに、以上ではカソード電極１６とバンプ１９と凹部２０は、中央部分に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、その他の配置形状により複数個形成してもよい。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メサ構造部分が複数箇所に分散されるので、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。
【００５２】
ところで、前記したように、ガンダイオード１０Ａの凹部２０は、図１(b)や図２に示すように第２のコンタクト層１４のみを除去しただけの深さの他に、活性層１３まで切り込んだ深さ、さらには第１のコンタクト層１２の一部にまでも食い込む深さまでも形成してもよいが、いずれの場合もＩｎＰからなる活性層１３が露出することになる。この場合、ＩｎＰからなる活性層１３はその露出表面が不安定であり、そこに電流集中が起こり易く、焼損の恐れがある。
【００５３】
図３はこの点を解決した変形例のガンダイオード１０Ａ’の断面を示す図である。ここでは、前記した図２(d)の工程の前工程として、加速エネルギーが３０ＫeV，１００ＫeV、２００ＫeVで、それぞれドーズ量を７×1012/cm2、１×1013/cm2、２×1013/cm2の条件で、合計３回に亘って凹部２０の上方からボロン（Ｂ）をイオン注入し、４００℃の熱処理により活性層１３にその上部から下部に亘ってほぼ均一の高抵抗層２２を形成した。他の工程は図２で説明したものと同じである。この高抵抗層２２の抵抗値は、凹部２０に電流集中が起こらない程度で充分であり、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。
【００５４】
本ガンダイオード１０Ａ’によれば、活性層１３の表面が高抵抗層２２により覆われるので、凹部２０のままとした場合に比べて、その表面の不安定性による電流集中によって焼損が発生する恐れを回避できる。このイオン注入による活性層１３の高抵抗化は、凹部２０をその活性層１３の内部にまで形成した場合でも有効である。
【００５５】
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）等を使用できる。
【００５６】
［第２の実施形態］
図４は第２の実施形態のガンダイオード１０Ｂの断面を示す図である。本実施形態では、不純物濃度が１〜２×1018atom/cm2の高濃度ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法により、不純物濃度が１×1019atom/cmで厚さ0.5μmの高濃度ｎ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓからなる第１のコンタクト層１２’、不純物濃度が1.2×1016atom/cm2で厚さ1.6μmの低濃度ｎ型ＩｎＰからなる活性層１３、純物濃度が２×1018atom/cm2で厚さ0.3μmの高濃度ｎ型ＩｎＰからなる第２のコンタクト層１４’を順次積層した半導体基板を用意する。
【００５７】
そして、第２のコンタクト層１４’上に、オーミック接触するＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕ等からなる金属膜で構成されるアノード電極１５及びカソード電極１６を分離して形成する。
【００５８】
本実施形態では、前記の図１、図２に示した構造と異なり、ガンダイオードとして機能する高濃度ｎ型ＩｎＧａＡｓの第１のコンタクト層１２’と低濃度ｎ型ＩｎＰの活性層１３との接合が下側（第１のコンタクト層１２’側）にあるので、中央に位置した小面積の電極がアノード電極１５、面積の大きな外側の電極がカソード電極１６となる。バンプ１８，１９の形成、凹部２０の形成は図２で説明した方法と同じ方法で行う。
【００５９】
本実施形態のガンダイオード１０Ｂは、アノード電極１５とカソード電極１６が反対となる他は、前記した第１の実施形態（図１，図２）と同じであり、同様な作用効果を有する。
【００６０】
また、本実施形態では、第１コンタクト層１２のＩｎＧａＡｓの組成がＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓであり、半導体基板１１のＩｎＰと格子整合するので、エピタキシャル層に格子欠陥が発生しない。
【００６１】
なお、凹部２０は活性層１３の内部まで、さらには第１のコンタクト層１２’に食い込むまで形成することができる。
【００６２】
図５は第２の実施形態のガンダイオード１０Ｂの変形例のガンダイオード１０Ｂ’の断面を示す図である。ここでは、前記した図３に示したガンダイオード１０Ａ’の場合と同様の条件で、凹部２０にボロン（Ｂ）のイオン注入と熱処理を行い、活性層１３にその上部から下部に亘ってほぼ均一の高抵抗層２２を形成したものである。その高抵抗層２２による作用効果や注入イオンの他の種類は、図３のガンダイオード１０Ａ’について説明したものと同じである。
【００６３】
［第３の実施形態］
図６は第３の実施形態のガンダイオード１０Ｃの断面を示す図である。本実施形態では、前記した第２の実施形態（図４）の構成において、高濃度ｎ型のＩｎＰからなる第２のコンタクト層１４’の上層に、第１，第２の実施形態で第２のコンタクト層１４として使用したのと同じ高濃度ｎ型のＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓからなる厚さ0.2μｍの第３のコンタクト層１４”を積層し、凹部２０を第２のコンタクト層１４’の底部まで形成し、アノード電極１５とカソード電極１６を画定したものである。また、ここではアノード電極１５、カソード電極１６として、第１，第２の実施形態（図１〜図５）で説明したのと同様に、ＷＳｉ、Ｍｏ等の高融点金属やＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕ等を用いる。
【００６４】
このように、このガンダイオード１０Ｃでは、凹部２０を第２のコンタクト層１４’及び第３のコンタクト層１４”に完全に切り込む深さとしている。ここでは、ＩｎＰからなる活性層１３とＩｎＧａＡｓからなる第１のコンタクト層１２’におけるアノード電極１５に対応する領域がガンダイオードとして機能するので、アノード電極１５，カソード電極１６は図４，５と同様の配置となる。
【００６５】
第３のコンタクト層１４”にＩｎＧａＡｓを使用した点の作用効果は第１の実施形態（図１〜図３）で第２のコンタクト層１４にＩｎＧａＡｓを使用した場合と同様であり、また第１のコンタクト層１２’にＩｎＧａＡｓを使用した点の作用効果は第２の実施形態（図４，図５）と同じである。
【００６６】
図７は第３の実施形態のガンダイオード１０Ｃの変形例のガンダイオード１０Ｃ’の断面を示す図である。ここでは、前記した図３に示したガンダイオード１０Ａ’の場合と同様の条件で、凹部２０にボロン（Ｂ）のイオン注入と熱処理を行い、活性層１３にその上部から下部に亘ってほぼ均一の高抵抗層２２を形成したものである。その高抵抗層２２による作用効果や注入イオンの他の種類は、図３のガンダイオード１０Ａ’について説明したものと同じである。
【００６７】
なお、本実施形態では、図８に示すように、凹部２０を第３のコンタクト層１４”を除去する深さまで形成し、つまり第２のコンタクト層１４’には凹部２０を形成せず、その凹部２０からイオン注入により第２のコンタクト層１４’及び活性層１３に高抵抗層２２を形成してもよい。
【００６８】
［第４の実施形態］
図９は第４の実施形態のガンダイオード１０Ｄの断面を示す図である。この実施形態は、前記した第１の実施形態（図１）の構成において、低濃度ｎ型のＩｎＰからなる活性層１３の上層に高濃度ｎ型のＩｎＰからなる第２のコンタクト層１４’を形成し、その上層に高濃度ｎ型のInＧａＡｓからなる第３のコンタクト層１４”を積層し、凹部２０を第２のコンタクト層１４’の底部まで形成し、アノード電極１５とカソード電極１６を画定したものである。
【００６９】
ここでは最上層がＩｎＧａＡｓからなる第３のコンタクト層１４”であるので、アノード電極１５、カソード電極１６として、第１，第３の実施形態（図１〜図３、図６〜図８）で説明したのと同様に、ＷＳｉ、Ｍｏ等の高融点金属やＡｕＧｅ、Ｎｉ、Ａｕ等を用いる。
【００７０】
本実施形態では、第１のコンタクト層１２と第２のコンタクト層１４’はｎ型高濃度のＩｎＰで構成されているので、アノード電極１５とカソード電極１６は相互に取り替えることができる。
【００７１】
図１０は第４の実施形態のガンダイオード１０Ｄの変形例のガンダイオード１０Ｄ’の断面を示す図である。ここでは、前記した図３に示したガンダイオード１０Ａ’の場合と同様の条件で、凹部２０にボロン（Ｂ）のイオン注入と熱処理を行い、活性層１３にその上部から下部に亘ってほぼ均一の高抵抗層２２を形成したものである。その高抵抗層２２による作用効果や注入イオンの他の種類は、図３のガンダイオード１０Ａ’について説明したものと同じである。
【００７２】
なお、本実施形態では、図８で説明した場合と同様に、凹部２０を第３のコンタクト層１４”を除去する深さまで形成し、つまり第２のコンタクト層１４’には凹部２０を形成せず、その凹部２０からイオン注入により第２のコンタクト層１４’及び活性層１３に高抵抗層２２を形成してもよい。
【００７３】
［第５の実施形態］
図１１は前記した中央がカソード電極１６、両側がアノード電極１５となるガンダイオード１０（１０Ａ，１０Ａ’，１０Ｄ，１０Ｄ’）をマイクロストリップ線路３０を形成する平板回路基板に実装して発振器を構成した構造の一例を示す図である。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ダイアモンド等のように比抵抗が106Ω・cm以上、熱電導率が１４０W/mK以上で良好な半絶縁性の平板基板３１上に信号電極３２が、また裏面に接地電極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を接続している。ガンダイオード１０はそのアノード電極のバンプ１９が信号電極３２に接着され、カソード電極のバンプ１８が接地電極３４に接着されている。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による信号出力部の電極である。
【００７４】
ガンダイオード１０をこのように実装して構成した発振器は、共振器としての電極３２Ｂの長さを４００μｍとしたとき、発振周波数７７ＧＨｚで６０ｍＷの発信出力が得られている。
【００７５】
この実装構造では、ガンダイオード１０をフェースダウン姿勢にして、バンプ１８，１９を電極３５，３２に直接接続し、金リボンを使用しないので、金リボンによる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。
【００７６】
また、ガンダイオード１０に発生する熱がバンプ１８，１９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１０の実装状態では、アノード電極のバンプ１９の両側にカソード電極のバンプ１８が位置するので、アノード電極に過度の加重が加わることが防止される。
【００７７】
【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領域を画定するエッチングを、その領域の上部に形成した電極層をマスクとした自己整合的ドライエッチングにより行うため、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。
【００７８】
また、本発明のガンダイオードでは、同一面に同じレベルの高さでカソード電極とアノード電極のバンプを設けることができるため、フェースダウンの姿勢で実装できる。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。
【００７９】
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。
【００８０】
さらに、カソード電極やアノード電極の下層を構成する半導体層がＩｎＧａＡｓからなるときは、高融点金属をノンアロイ電極として用いることができるので、比較的低温でＩｎとＡｕが反応することによりオーミック接触が劣化するという問題を回避ができる。
【００８１】
さらに、アノード電極とカソード電極を画定する凹部に現れている活性層をイオン注入により高抵抗化する場合には、その表面が安定化して、メサ表面への電流集中による素子焼損等を防ぐことができる。
【００８２】
さらに、活性層のカソード側にＩｎＧａＡｓを設けたときは、電子がＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰの接合を通じてＩｎＰからなる活性層にホットエレクロトンとして注入するので、ドメイン形成に要する時間が短縮化し、発振効率が向上する。
【００８３】
さらに、実質的にガンダイオードとして機能するメサ型構造部分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】  本発明の第１の実施形態の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のガンダイオードの製造方法を説明する図である。
【図３】  図１のガンダイオードの変形例の断面図である。
【図４】  第２の実施形態のガンダイオードの断面図である。
【図５】  第２の実施形態のガンダイオードの変形例の断面図である。
【図６】  第３の実施形態のガンダイオードの断面図である。
【図７】  第３の実施形態のガンダイオードの変形例の断面図である。
【図８】  第３の実施形態のガンダイオードの別の変形例の断面図である。
【図９】  第４の実施形態のガンダイオードの断面図である。
【図１０】  第４の実施形態のガンダイオードの変形例の断面図である。
【図１１】  第５の実施形態の実装構造の斜視図である。
【図１２】  従来のメサ構造のインジウム燐ガンダイオードの断面図である。
【図１３】  図１２の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】
１０，１０Ａ，１０Ａ’，１０Ｂ，１０Ｂ’，１０Ｃ，１０Ｃ’，１０Ｃ”，１０Ｄ、１０Ｄ’：インジウム燐ガンダイオード
１１：半導体基板、１２、１２’：第１のコンタクト層、１３：活性層、１４、１４’：第２のコンタクト層、１４”：第３のコンタクト層、１５：アノード電極、１６：カソード電極、１７：ホトレジスト、１８，１９：バンプ、２０：凹部、２１：金属膜、２２：高抵抗層
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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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