(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード領域とカソード領域の間に、該アノード領域よりも低い不純物濃度からなる走行領域と、ベース領域とを挟んでなるバイポーラ型ガン効果トリオードであって、
該走行領域の不純物濃度が該アノード領域に向かって減少する濃度分布を有するバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項２】
前記アノード領域、前記走行領域、前記ベース領域、及び前記カソード領域が積層されてなる請求項１記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項３】
前記走行領域の層厚が１μｍ以上である請求項１又は請求項２記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項４】
前記カソード領域のカソード幅が３μｍ以下である請求項１〜請求項３のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項５】
発振周波数が１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲にある請求項１〜請求項４のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項６】
前記走行領域の不純物濃度が、前記アノード領域に向かって滑らかに減少する濃度分布をなす請求項１〜請求項５のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項７】
前記走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）が、前記ベース領域と前記走行領域の界面での不純物濃度ＮＤ０と、前記カソード領域と該ベース領域の界面の幅ＷEと、該ベース領域と該走行領域の界面からの距離ｙとに対して、下記（１）式〜（３）式
ＮＤα（ｙ，α）＝ＮＤ０・ＷE／［ＷE＋２ｙ（α＋ｔａｎ４０°）］・・・・（１）
１×１０15ｃｍ-3≦ＮＤ０≦１×１０17ｃｍ-3・・・・（２）
ＮＤα（ｙ，０）≦ＮＤ（ｙ）≦ＮＤα（ｙ，１．５）・・・・（３）
α：平行方向と垂直方向へ伝搬する電子堆積層の密度比、
ＮＤα（ｙ，０）：α＝０の場合の走行領域の位置依存性不純物濃度、
ＮＤα（ｙ，１．５）：α＝１．５の場合の走行領域の位置依存性不純物濃度の関係を満たす請求項１〜請求項６のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項８】
前記走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）が、下記（４）式
ＮＤα（ｙ，０．５）≦ＮＤ（ｙ）≦ＮＤα（ｙ，１．０）・・・・（４）
ＮＤα（ｙ，０．５）：α＝０．５の場合の走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤα（ｙ，１．０）：α＝１．０の場合の走行領域の位置依存性不純物濃度の関係を満たす請求項７記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項９】
エッジシニング構造をとる請求項１〜請求項８のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項１０】
III−Ｖ族化合物半導体からなる請求項１〜請求項９のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項１１】
前記III−Ｖ族化合物半導体が、ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ化合物、又はそれらを組み合わせた３元混晶、若しくは４元混晶からなる請求項１０記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項１２】
前記カソード領域がＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＰの２層で形成され、前記ベース領域及び前記走行領域がＧａＡｓで形成されてなる請求項１１記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項１３】
前記カソード領域がＩｎＡｌＡｓで形成され、前記ベース領域及び前記走行領域がＩｎＰで形成されてなる請求項１１記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項１４】
前記カソード領域上にバラスト抵抗層が積層されている請求項１〜請求項１３のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオード。
【請求項１５】
請求項１〜請求項１４のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオードを用いて、
前記ベース領域を発振周波数に対して接地し、該ベース領域に対して、前記アノード領域に正の電圧を加え、前記カソード領域に負の電圧を加えるバイアスを印加して、ベースアノード間の電圧を変化させることにより発振周波数を変化させる電圧制御周波数可変発振器。
【請求項１６】
請求項１〜請求項１４のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオードを用いて、
前記ベース領域を発振周波数に対して接地し、該ベース領域に対して、前記アノード領域に正の電圧を加え、前記カソード領域に負の電圧を加えるバイアスを印加し、ベースカソード間に希望発振周波数の整数分の１の同期信号を注入して発振周波数を変化させる注入同期発振器。
【請求項１７】
請求項１〜請求項１４のいずれかに記載のバイポーラ型ガン効果トリオードを用いて、
前記ベース領域を発振周波数に対して接地し、該ベース領域に対して、前記アノード領域に正の電圧を加え、前記カソード領域に負の電圧を加えるバイアスを印加してガン発振させ、ベースカソード間に高周波信号、ベースバンド信号または中間周波数信号を入力し、アノード領域側からミキシング出力信号を取り出す自己発振ミキサ。
【請求項１８】
請求項１７に記載の自己発振ミキサを用いて、
無線信号を前記カソード領域に入力し、周波数変換を行う無線受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイポーラ型ガン効果トリオード、それを用いた電圧制御周波数可変発振器、注入同期発振器、自己発振ミキサおよび無線受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガン効果を用いたダイオード、トリオードがいくつか提案されている。これらのガン効果素子は、走行層に電界を加えることで、ガン効果自由発振周波数を持つことが特徴であるが、ガンダイオードがカソード電極に対し、アノード電極に正のＤＣ電圧をかけることで、走行領域にガン発振させるために、発振時の電流を上記のＤＣ電圧と独立して制御することができない。
【０００３】
これに対し、ガン効果トリオードは、カソード電極、アノード電極間のＤＣ電圧と発振時の電流とを第３の電極で独立して制御できるようにしたものである。この例として、米国特許３，９１８，００９（従来例１）のように位相変調器として使用することのできるユニポーラ型のガン効果トリオードが開示されている。
【０００４】
この従来例１では、具体的には、図２０に示すように、半導体基板９００上に、カソード領域９０４とアノード領域９０６の間に走行領域９０５を挟んでなる所定幅Ｗ９の半導体層を形成し、カソード領域９０４及びアノード領域９０６に、それぞれオーミック接触させたカソード電極９０１とアノード電極９０３を形成し、走行領域９０５にショットキー接触させたゲート電極９０２を形成している。
【０００５】
この構成において、カソード電極９０１に負の電圧を加え、アノード電極９０３に正の電圧を加えると、カソード領域９０４の電子は、ゲート電極９０２下の領域、走行領域９０５を通ってアノード領域９０６に到達する。その際、走行領域９０５においてガン発振が生じる。ゲート電極９０２の電位をカソード電極９０１に対して負に設定することで、電界効果トランジスタ（ユニポーラ型トランジスタ）と同じように走行領域を流れる電流を制御できるので、カソード電極９０１とアノード電極９０３間の電圧と独立して電流を制御することができる。このことを利用してガン発振の制御や変調などを容易に行うことができる。
【０００６】
ユニポーラ型ガン効果トリオードに対し、バイポーラ型ガン効果トリオードも考案され、シミュレーション結果がいくつか報告されている。例えば、以下に３つの例をあげることができる。
【０００７】
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ７ｔｈ  Ｊｕｌｙ  １９９４  Ｖｏｌ．３０  Ｎｏ．１４  ｐ．１１８３  Ｇｕｎｎ  ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（従来例２）．
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ２７ｔｈ  Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９９４  Ｖｏｌ．３０  Ｎｏ．２２  ｐ．１８９３  Ｇｕｎｎ  ｅｆｆｅｃｔ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ−ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ  ｉｎ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（従来例３）．
Ａｐｐｌｙ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．６６，Ｎｏ．２４，１２  Ｊｕｎｅ  １９９５  ｐ．３３１９  Ｔｒａｎｓｆｅｒｄ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ  ｉｎ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（従来例４）．
図２１に従来例４に考案されているバイポーラ型のガン効果トリオードの構造を示す。
【０００８】
バイポーラ型のガン効果トリオード素子は、ヘテロバイポーラトランジスタの構造を一部変更した構造であり、コンタクト領域１００１（ｎ+ＧａＡｓ）、グレーティッド領域１００２（ＡｌＧａＡｓ、厚さ５０ｎｍ）、カソード領域１００３（ＡｌxＧａ1-xＡｓ  ｘ＝０．３、ドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ１５０ｎｍ）、ベース領域１００４（ｐ+ＧａＡｓ、ドーピング濃度１×１０19ｃｍ-3、厚さ１００ｎｍ）、走行領域１００５（ｎＧａＡｓ、ドーピング濃度１×１０16ｃｍ-3、厚さ３０００ｎｍ）、アノード領域１００６の半導体領域よりなる。
【０００９】
ベース領域１００４の電位をカソード領域１００３に対して正に設定すると、カソード領域１００３の電子はベース領域１００４、走行領域１００５を通ってアノード領域１００６に到達する。その際、走行領域１００５においてガン発振が生ずると考えられる。また、ベース領域１００４の電位を変化させることで、バイポーラ型トランジスタと同じように走行領域１００５を流れる電流を制御できるので、カソード領域１００３とアノード領域１００６間の電圧と独立して電流を制御することができると考えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例１はユニポーラ型のガン効果トリオードに関するものであり、バイポーラ型のガン効果トリオードについては何ら記載されていない。
【００１１】
また、ユニポーラ型のガントリオードは、他のユニポーラ型のトランジスタと同様に理論的に位相歪みが大きい欠点があり、バイポーラ型とすることで改善できる。
【００１２】
上記従来例２〜従来例４は、バイポーラ型のガン効果トリオードの動作をシミュレーションで検証しているものの、これまでにガン発振が見られたことはない。
【００１３】
本発明は、こうした従来技術の課題を解決するものであり、ガン発振の得られるためのバイポーラ型ガン効果トリオードの具体的構成を規定し、ガン発振の効率を向上させると共に、位相歪みの低減を図ることのできるバイポーラ型ガン効果トリオード、それを用いた電圧制御周波数可変発振器、注入同期発振器、自己発振ミキサおよび無線受信装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、アノード領域とカソード領域の間に、該アノード領域よりも低い不純物濃度からなる走行領域と、ベース領域とを挟んでなるバイポーラ型ガン効果トリオードであって、該走行領域の不純物濃度が該アノード領域に向かって減少する濃度分布を有しており、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
前記アノード領域、前記走行領域、前記ベース領域、及び前記カソード領域が積層されてなる構成とすることができる。
【００１６】
より具体的には、例えば、このバイポーラ型ガン効果トリオードが、ｎ型半導体よりなるアノード領域と、ｎ型半導体よりなるアノード層よりも低い不純物濃度の走行領域と、ｐ型半導体よりなるベース領域と、ｎ型半導体よりなるカソード領域と、これらのアノード領域、ベース領域、カソード領域にそれぞれオーミック接触されるように形成したアノード電極、ベース電極、カソード電極とを有し、走行領域の不純物濃度がアノード領域に向かって減少する濃度分布をなす構成とし、アノード電極とベース電極間の第１のＤＣバイアスと、カソード電極とベース電極間の第２のＤＣバイアスを入力することで、ガン効果自由発振周波数を持つ素子とすることができる。
【００１７】
好ましくは、前記走行領域の層厚が１μｍ以上である構成とする。
【００１８】
好ましくは、前記カソード領域のカソード幅が３μｍ以下である構成とする。
【００１９】
好ましくは、発振周波数が１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲にある構成とする。
【００２０】
好ましくは、前記走行領域の不純物濃度が、前記アノード領域に向かって滑らかに減少する濃度分布をなす構成とする。
【００２１】
好ましくは、前記走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）が、前記ベース領域と前記走行領域の界面での不純物濃度ＮＤ０と、前記カソード領域と該ベース領域の界面の幅ＷEと、該ベース領域と該走行領域の界面からの距離ｙとに対して、下記（１）式〜（３）式
ＮＤα（ｙ，α）＝ＮＤ０・ＷE／［ＷE＋２ｙ（α＋ｔａｎ４０°）］・・・・（１）
１×１０15ｃｍ-3≦ＮＤ０≦１×１０17ｃｍ-3・・・・（２）
ＮＤα（ｙ，０）≦ＮＤ（ｙ）≦ＮＤα（ｙ，１．５）・・・・（３）
α：平行方向と垂直方向へ伝搬する電子堆積層の密度比、
ＮＤα（ｙ，０）：α＝０の場合の走行領域の位置依存性不純物濃度、
ＮＤα（ｙ，１．５）：α＝１．５の場合の走行領域の位置依存性不純物濃度の関係を満たす構成とすることができる。
【００２２】
好ましくは、前記走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）が、下記（４）式
ＮＤα（ｙ，０．５）≦ＮＤ（ｙ）≦ＮＤα（ｙ，１．０）・・・・（４）
ＮＤα（ｙ，０．５）：α＝０．５の場合の走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤα（ｙ，１．０）：α＝１．０の場合の走行領域の位置依存性不純物濃度の関係を満たす構成とする。
【００２３】
好ましくは、前記密度比αが０．５〜１．０の範囲に設定されてなる構成とする。
【００２４】
好ましくは、エッジシニング構造をとる。
【００２５】
好ましくは、III−Ｖ族化合物半導体からなる構成とする。
【００２６】
好ましくは、前記III−Ｖ族化合物半導体が、ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ化合物、又はそれらを組み合わせた３元混晶、若しくは４元混晶からなる構成とする。
【００２７】
好ましくは、前記カソード領域がＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＰの２層で形成され、前記ベース領域及び前記走行領域がＧａＡｓで形成されてなる構成とする。
【００２８】
好ましくは、前記カソード領域がＩｎＡｌＡｓで形成され、前記ベース領域及び前記走行領域がＩｎＰで形成されてなる構成とする。
【００２９】
好ましくは、前記カソード領域上にバラスト抵抗層が積層されている構成とすることができる。
【００３０】
本発明の電圧制御周波数可変発振器（ＶＣＯ）は、本発明のバイポーラ型ガン効果トリオードを用いて、前記ベース領域を発振周波数に対して接地し、該ベース領域に対して、前記アノード領域に正の電圧を加え、前記カソード領域に負の電圧を加えるバイアスを印加して、ベースアノード間の電圧を変化させることにより発振周波数を変化させる構成とすることができる。
【００３１】
本発明の注入同期発振器（ＩＬＯ）は、本発明のバイポーラ型ガン効果トリオードを用いて、前記ベース領域を発振周波数に対して接地し、該ベース領域に対して、前記アノード領域に正の電圧を加え、前記カソード領域に負の電圧を加えるバイアスを印加し、ベースカソード間に希望発振周波数の整数分の１の同期信号を注入して発振周波数を変化させる構成とすることができる。
【００３２】
本発明の自己発振ミキサは、本発明のバイポーラ型ガン効果トリオードを用いて、前記ベース領域を発振周波数に対して接地し、該ベース領域に対して、前記アノード領域に正の電圧を加え、前記カソード領域に負の電圧を加えるバイアスを印加してガン発振させ、ベースカソード間に高周波信号、ベースバンド信号または中間周波数信号を入力し、アノード領域側からミキシング出力信号を取り出す構成とすることができる。
【００３３】
この自己発振ミキサは、本発明の電圧制御周波数可変発振器においてＰＬＬ（フェーズロックドループ）発振器等の構成にすることによって、ガン発振の発振周波数を安定させてもよく、本発明の注入同期発振器の構成によって、ガン発振の発振周波数を安定させてもよい。
【００３４】
本発明の無線受信装置は、本発明の自己発振ミキサを用いて、無線信号を前記カソード領域に入力し、周波数変換を行う構成とすることができる。
【００３５】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００３６】
上記構成のバイポーラ型ガン効果トリオードによれば、走行領域の不純物濃度がアノード領域に向かって減少する濃度分布を有しているので、走行領域の全ての領域で時間平均電界強度を一定の最適値にすることができ、ガン発振効率を向上させることが可能となる。また、バイポーラ型をとるので、位相歪みの低減を図ることが可能となる。
【００３７】
上記アノード領域、走行領域、ベース領域、及びカソード領域は、エピタキシャル成長とエッチング等の製造プロセスにより、各領域を所望の形状と濃度分布に積層形成することができる。
【００３８】
ガン発振素子では、基本発振周波数ｆOSCは、走行層輸送時間ｔｘの逆数で表され、又電子の飽和速度ＶSATと走行層の厚さＸａにより、ｆOSC＝１／ｔｘ＝ＶSAT／Ｘａで表される。
【００３９】
ガンドメインは時間と共に発達するため、ガン発振器の振幅は輸送時間の減少と共に減少する。また、ガン発振器の基本発振周波数ｆOSCが１５０ＧＨｚ程度に制限され、大部分のIII−Ｖ族半導体に対して、電子の飽和速度ＶSATは約１×１０7ｃｍ／ｓであることを考慮すると、Ｘａ＞ＶSAT／ｆOSC＝０．７となるので、走行領域のデッドゾーンをも考慮に入れて、上記走行領域の層厚が１μｍ以上である構成にすることが望ましい。
【００４０】
カソード幅を小さくすると２次元効果が大きくなるが、上記走行領域の構成をとるので、カソード領域のカソード幅が３μｍ以下として、ベース抵抗を小さく、ガン発振効率を向上させることが可能となる。
【００４１】
また、ガン発振器の基本発振周波数ｆOSCが１５０ＧＨｚ程度に制限されるが、その２次高調波を利用すれば、発振周波数３００ＧＨｚの発振出力を得ることが可能となり、発振周波数が１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲となる。
【００４２】
また、上記走行領域の不純物濃度が、アノード領域に向かって滑らかに減少する濃度分布をなす構成、又は走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）が、上記（１）式〜（３）式の関係を満たす構成にすると、走行領域の電子密度分布に略対応する濃度分布となり、走行領域の全ての領域で時間平均電界強度を一定の最適値にすることができ、ガン発振効率をより一層向上させることが可能となる。
【００４３】
図４（ａ）は、ＮＤ０＝１×１０16ｃｍ-3とし、走行層の不純物濃度が最も好ましいと考えられる下記（１）式
ＮＤα（ｙ，α）＝ＮＤ０・ＷE／［ＷE＋２ｙ（α＋ｔａｎ４０°）］・・・・（１）
にしたがった分布とした場合のシミュレーション結果を示す。
【００４４】
図４（ｂ）は、密度比αを変化させた場合における走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）とベース領域からの距離ｙとの関係を示しており、ここでは、ＮＤ０＝３×１０16ｃｍ-3、ＷE＝３μｍの場合の例を表す。
【００４５】
この結果から、上記密度比αが０〜１．５の範囲に設定されてなる構成とすることが望ましく、特に密度比αが０．５〜１．０の範囲に設定されてなる構成にすると、最適値としての発振ピークが見られる。
【００４６】
尚、ベース領域と走行領域の界面での不純物濃度ＮＤ０が、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3の範囲でも同様の結果が得られた。
【００４７】
従って、走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）が、α＝０の場合におけるＮＤ（ｙ）と、α＝１．５の場合におけるＮＤ（ｙ）の間に入るように設定することが望ましく、特にα＝０．５の場合におけるＮＤ（ｙ）と、α＝１．０の場合におけるＮＤ（ｙ）の間に入るように走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）を設定することで、より一層大きな出力が得られる。
【００４８】
しかるに、実際のデバイスでは、走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）を、走行領域の電子密度分布に完全に合わせることは困難であり、上記（１）式で表される分布に近づくように、走行領域の不純物濃度をベース領域からアノード領域に向かって減少させることで、ガン発振を生じさせることができる。
【００４９】
また、カソード層のベース層側の一部を空乏化する程度の薄さで幅を広くしたエッジシニング構造（図５の５１２部）とすれば、ベース層表面で電子ホールが再結合することでベース層が劣化し、素子特性の変動が起こることを防止することが可能となり、信頼性の高い素子が得られる。特にバイポーラ型ガン効果トリオードでは、電流密度が非常に大きいことから、この構造をとることが重要である。
【００５０】
また、上記の各領域は、III−Ｖ族化合物半導体からなる構成とすることができ、例えば、ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ化合物、又はそれらを組み合わせた３元混晶、若しくは４元混晶からなる構成とすることができる。
【００５１】
カソード領域がＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＰの２層で形成され、ベース領域及び走行領域がＧａＡｓで形成されてなる構成にすると、ベース−カソード界面のヘテロ構造が、ホールバリアとして働き、ホールのベースからカソードへの染み出しを防ぐことが可能となる。中でもＩｎＧａＰはホールバリア効果の高い材料であり、その効果が高い。
【００５２】
特に、カソード層をＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＰの２層で形成する構成にすると、選択エッチングで確実に層厚を制御してエッジシニング層を形成することが可能となる。加えて、ＩｎＧａＰをベース側とし、カソード側面、表面での再結合の影響を抑制することも可能となる。
【００５３】
また、カソード領域がＩｎＡｌＡｓで形成され、ベース領域及び走行領域がＩｎＰで形成されてなる構成にすると、ＩｎＰがＧａＡｓに比べ、バンドギャップが大きく耐圧が高くとれることから、ＧａＡｓで構成した場合に比べ、発振出力を大きくすることが可能となる。
【００５４】
ところで、バイポーラ型ガン効果トリオードでは、ガンダイオードや米国特許３，９１８，００９（従来例１）に示されているユニポーラ型ガン効果トリオードと異なり、温度上昇により電流が増加してさらに温度上昇を招くという熱による正のフィードバックが生じる。このため、素子内での温度ばらつきにより電流のばらつきが生じ、それが正のフィードバックで増幅されて素子内で電流密度に大きな分布が生じて、電流集中が起こるという問題がある。
【００５５】
図９に、バイポーラ型ガン効果トリオードの電流集中の状態を模式的に示す。この図では、電流集中を表すために、アノード層１１０１、走行層１１０２、ベース層１１０３上とベースカソード界面１１０４および素子の垂直断面を示している。１１０７は走行層１１０２内の断面の電流密度分布を示し、カソード層および各電極は図示を省略している。ベースカソード界面１１０４の範囲に均一に電流が流れなければならないのに、この図９では、走行層１１０２中を流れる電流によって温度が上昇し、温度上昇が大きい中心部１１０５に電流が集中して、温度上昇が小さい周辺部１１０６の電流が減少している状態を示している。
【００５６】
ガン発振素子においては、走行領域での時間平均電界強度が一定であることが発振のためのひとつの条件であり、発振強度に特に大きく影響する。このため、上記電流集中により素子内の平面位置による電流密度のばらつきが生じると、素子内の時間的平均電界強度のばらつきとなり、部分的に発振しない領域、または発振強度が低下した領域が生じる。さらに、電流集中の分布が大きい場合には、素子の発振が完全に停止してしまう。
【００５７】
そこで、本発明にあっては、カソード領域上にバラスト抵抗層を積層することにより、素子内の微小な各部分の動作に対してバラスト効果を有するバイポーラ型ガン効果トリオードの構成とするのが好ましい。これにより、カソードフィンガー内（複数のフィンガーがある場合にはフィンガー間も含む）の平面的な温度分布による電流集中を防いで素子全体の時間平均電界強度を一定にし、発振強度の低下を防止して安定した高出力の発振が可能となる。
【００５８】
ガン発振素子においては、発振周波数は主として走行層の長さと電子の飽和速度によって決定されるが、印加するバイアスを変化させることで飽和速度が変化して発振周波数が変わる。
【００５９】
例えば、ガンダイオードの場合には、カソードアノード間の電圧を変化させて電圧制御周波数可変発振器（ＶＣＯ）とすることができる。しかし、電圧の変化に伴ってアノードＤＣ電流が大きく変動してしまい、周波数の変化と共に消費電流と出力パワーも同時に変動するので、ＶＣＯとしての特性が悪くなる。
【００６０】
また、米国特許３，９１８，００９（従来例１）に示されているユニポーラ型ガン効果トリオードの場合、ソースアノード間にバイアスを印加するため、バイアスを変化させるとゲートアノード間の電圧が変化してアノードＤＣ電流が変化してしまう。
【００６１】
これに対して、本発明のＶＣＯにあっては、バイポーラ型ガン効果トリオードのアノードＤＣ電流がベースカソード間の電圧で制御され、ベースアノード間の電圧に殆ど依存しない性質を有している。よって、アノードＤＣ電流を変化させずにベースアノード間の電圧を変化させることができ、発振周波数に対して発振出力の変動が少ない良好な特性のＶＣＯを実現可能となる。
【００６２】
ガン発振素子においては、素子の電圧条件や電流条件等の動作条件によって発振周波数や発振出力が変動するが、同期信号の注入によって素子の上記動作条件が変動し、同期信号の整数倍への発振周波数の引き込みが生じる。
【００６３】
しかし、ガンダイオードの場合には、カソードアノード間に同期信号を注入するが、上述のように同期信号の電力によってガンダイオードの動作条件が影響を受けることが必要であるので、注入信号としては大きな電力が必要とされる。
【００６４】
これに対して、本発明の注入同期発振器（ＩＬＯ）にあっては、バイポーラ型ガン効果トリオードのベースカソード間への同期信号の入力がアノード電流への増幅作用を有している。よって、同じ電力の同期信号によってベースアノード間の電圧や電流を大きく変化させることができ、注入信号の電力を小さくすることが可能となる。または、一定の注入信号の強度によって注入同期可能な周波数引き込み可能周波数を広く取ることが可能となる。
【００６５】
また、ガンダイオードの場合には、発振出力が同期信号用の発振器に逆流して同期信号源の位相雑音を増加させることがある。
【００６６】
また、米国特許３，９１８，００９（従来例１）に示されているユニポーラ型ガン効果トリオードの場合、同期信号をゲート端子から入力するため、ガンダイオードの場合に比べるとアノードからゲートへのアイソレーションが良好で、同期信号源への発振出力の逆流が少ない。しかし、これだけでは充分ではないため、フィルタまたはバッファアンプによる逆流防止が必要となる。
【００６７】
これに対して、本発明の注入同期発振器（ＩＬＯ）にあっては、バイポーラ型ガン効果トリオードが、バイポーラトランジスタで言うところのアーリー電圧として非常に大きな値を有しているので、アノードからカソードへのアイソレーションが非常に良好で、カソード側への発振出力の逆流を防止できる。よって、ベースを発振周波数に対して接地してカソードから同期信号を入力すれば、発振出力が同期信号用の発振器に逆流することが無く、位相雑音が増加することはない。
【００６８】
ガン発振素子においては、素子の電圧条件や電流条件等の動作条件によって発振出力が変動することを利用して、発振機能とミキサ機能とを兼ね備えた自己発振ミキサを構成することが可能である。
【００６９】
しかし、ガンダイオードの場合には、入出力が全て同じカソードアノード間であるので、各信号間のアイソレーションが悪い。また、２端子素子なので変換利得が無い。
【００７０】
また、米国特許３，９１８，００９（従来例１）に示されているユニポーラ型ガン効果トリオードの場合、ガンダイオードの場合に比べるとアノードからゲートへのアイソレーションが少し良好であるが、やはり充分ではない。よって、フィルタまたはバッファアンプによる逆流防止を行わなければ、大きなローカル信号によって入力側のアンプを飽和させてしまう場合がある。
【００７１】
これに対して、本発明の自己発振ミキサにあっては、バイポーラ型ガン効果トリオードが、バイポーラトランジスタで言うところのアーリー電圧として非常に大きな値を有しているので、アノードからカソードへのアイソレーションが非常に良好で、カソード側への発振信号の漏洩を防止できる。よって、ベースを発振周波数に対して接地してカソードから高周波信号、ベースバンド信号や中間周波数信号等の入力信号を入力すれば、発振出力からのアイソレーションが容易に可能である。また、バイポーラ型ガン効果トリオードのベースカソード間への同期信号の入力がアノード電流への増幅作用を有しているので、変換利得が得られる場合がある。
【００７２】
さらに、通常のトランジスタによるミキサでは、トランジスタの高周波特性がミキサの変換効率に影響し、高周波特性がトランジスタにおける信号の遅延時間（主としてコレクタ層の遅延時間）によって限界が生じている。
【００７３】
これに対して、本発明の自己発振ミキサにあっては、バイポーラ型ガン効果トリオードのカソードベース間の遅延時間にって限界が決められ、この遅延時間は高周波信号にとっては極めて小さいため、応答時間が速く、より高周波での使用が可能となる。
【００７４】
ところで、３０ＧＨｚ以上の通信では、容易に広帯域の通信が可能であり、電波が遠くまで届かない性質があるため、構内や家庭内においてデータや画像等の広帯域通信に比較的自由に用いることができる。
【００７５】
しかし、３０ＧＨｚ以上の周波数では、増幅素子の利得が小さく、部品価格も高いため、比較的容易に部品を入手できる低い中間周波数、好ましくは１ＧＨｚ〜２ＧＨｚ程度の中間周波数での回路によって増幅を行う場合が多い。このため、受信器では、中間周波数が送信周波数の５％以下のものを含むようになり、ローカル発振周波数と高周波信号周波数が近接してしまう。その結果、受信器ではミキサ部からのローカル信号の漏洩をフィルタやアンテナで防止することが困難となる。
【００７６】
そこで、本発明の無線受信装置にあっては、本発明の自己発振ミキサにおいて無線信号をカソード領域に入力し、周波数変換を行う。これにより、ローカル発振周波数の高周波信号入力漏洩を防いで、優れた移動体通信端末を構成することが可能となる。
【００７７】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のバイポーラ型ガン効果トリオードの概要を説明する。
【００７８】
ガン発振素子において大きなガン−ヒルシウム効果を達成するためには、走行領域の全ての領域で時間平均電界強度を一定の最適値にすることが必要である。電界強度を一定にするには、電界強度Ｅと電荷密度ρと走行領域の誘電率εの関係で表されるポアソンの方程式▽・Ｅ＝ρ／εから、電荷密度ρ≒０である必要がある。
【００７９】
従って、発振しているガン発振素子では、時間平均電界強度Ｅｔｍ、時間平均電荷密度ρｔｍで表されるポアソンの方程式▽・Ｅｔｍ＝ρｔｍ／εから、時間平均電荷密度ρｔｍ≒０である必要がある。
【００８０】
この時間平均電荷密度ρｔｍは、ドナー濃度ＮＤと時間平均電子密度ｎｔｍの関係で表され、ρｔｍ＝ｑ（ＮＤ−ｎｔｍ）である（ｑ：電子の電荷）。
【００８１】
従来のガンダイオード、ユニポーラ型のガン効果トリオードでは、例えば図２０に示すように、走行領域９０５の電流に対する幅方向の寸法Ｗ９はゲート領域からアノード領域９０６に達するまでの間で基本的には一定である。従って、時間平均電子密度ｎｔｍは走行領域９０５中で一定であるため、ドナー濃度ＮＤは、基本的には一定の値を取ることが好ましい。
【００８２】
これに対し、バイポーラ型ガン効果トリオードは、例えば、図１に示すように、アノード層１０７とカソード層１０４の間に、走行層１０８とベース層１０５を挟んでなり、カソード層１０４上にはカソード電極１０１が形成され、エッチング等により露出された両側のアノード層１０７の上面には、アノード電極１０３が形成され、エッチング等により露出された両側のベース層１０５の上面には、ベース電極１０２が形成されている。
【００８３】
このバイポーラ型ガン効果トリオードでは、ベース層１０５表面にベース電極１０２をオーミック接触させて給電する構造をとるため、電流入射点であるベース層１０５のカソード層１０４の直下からアノード層１０７の方向に、走行層１０６中に電流広がり１０８がもたらされる。この電流広がり１０８によって、時間平均電子密度ｎｔｍはベース層１０５から離れるにしたがって減少する。そして、この電流広がり１０８は、走行層１０６の形状で制限されるまで、例えば走行層１０６の側壁１０９に到達するまで、又はアノード層１０７に到達するまで続く。
【００８４】
そのため、走行層１０６の全範囲で（ＮＤ−ｎｔｍ）で表される時間平均電子密度ｎｔｍを０に近づけるためには、電流広がり１０８が生じた部分の走行領域１０６中のドーピング濃度を減少させる構造が必要となる。また、ガン発振効率を上げるにはドーピング濃度を滑らかに減少させた構造とするのが好ましい。
【００８５】
電流密度の位置依存性は、電界と電子のドリフト移動度の電界依存性に複雑に相互依存しているので正確に計算するのは困難であるが、近似的には、図２に示すように、電流広がりは入射点から走行層の形状で制限されるまで一定の角度θで広がる。この近似によれば、電流密度が横方向位置ｘに依存しないという仮定の元に、ＮＤ−ｎｔｍ＝０を満たすために必要なドーピングプロファイルは、計算により簡単に求めることができる。シミュレーションの結果、カソード層１０４とベース層１０５の界面の幅ＷEに殆ど依存せず、電流広がり角度θは約４０゜であることがわかった。
【００８６】
走行層が傾斜型ドーピングプロファイルを持つバイポーラ型ガン効果トリオードの場合は、図３（ａ）のガン発振が生じている時の走行層のある瞬間の電子密度のシミュレーション値の等高線図で示されているように、電流広がりは約４０゜である。図３（ｂ）は、図３（ａ）で用いたデータを３次元にプロットしたものであり、電子の堆積層がベース層と走行層の界面に対し平行方向ｘ及び垂直方向ｙに伝播して行く様子が明白に現れている。尚、シミュレーションに用いたモデルでは、ドリフトと拡散機構にエネルギー緩和時間近似を用いて計算したドリフト速度の電界依存とを組み込んでいる。
【００８７】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すシミュレーション結果から、平行方向ｘへ伝搬する電子堆積層３０２の電子密度が、垂直方向ｙに伝播する電子堆積層３０１の電子密度より僅かに低いことがわかる。
【００８８】
電子密度は、電流の流れが純粋に１次元の場合に比較して、ｘ＜ｙｔａｎ４０゜の領域では、近似的に下記の（５）式
ｎ２Ｄ（ｘ，ｙ）／ｎ１Ｄ（ｙ）≒ＷE／［ＷE＋２ｙ（α＋ｔａｎ４０°）］・・・・（５）
で表されるように減少する。
【００８９】
ここで、ｎ２Ｄ（ｘ，ｙ）は、電子広がりのある２次元の場合の電子密度であり、ｎ１Ｄ（ｙ）は、電子広がりの無い１次元の場合の電子密度である。ＷEはカソード層とベース層の界面の幅、ｙはベース層と走行層の界面からの距離、αは平行方向ｘと垂直方向ｙへ伝搬する電子堆積層の密度比を表す０から１の間の値である。
【００９０】
バイポーラ型ガン効果トリオードでは、ベース電極とアノード電極で電流発振をもたらすのは垂直方向ｙに伝搬する電子堆積層であるから、この垂直方向伝搬の電子堆積層を最大にするのが望ましい。最適ドーピングプロファイルは、ドーピング濃度が時間平均電子密度に等しいものである。従って、電子広がりのある２次元の場合、走行層の位置依存性ドーピング濃度ＮＤ（ｙ）は、ベース層と走行層の界面からの距離ｙに対して、下記（１）式
ＮＤα（ｙ，α）＝ＮＤ０・ＷE／［ＷE＋２ｙ（α＋ｔａｎ４０°）］・・・・（１）
の関係を満たすように変化するのが最も望ましい。
【００９１】
ここで、ＮＤ０はベース層と走行層の界面での走行層のドーピング濃度、ＷEはカソード層とベース層の界面の幅、αは平行方向ｘと垂直方向ｙへ伝搬する電子堆積層の密度比を表す０から１の間の値である。
【００９２】
この技術による効果は、種々の走行層構造をとるバイポーラ型ガン効果トリオードについて、動作の２次元シミュレーションを行い、最適バイアス条件での各々の出力を計算することで評価できる。図４（ａ）に、カソード幅を１μｍ、２μｍ、及び３μｍとした場合のバイポーラ型ガン効果トリオードのシミュレーション結果を示す。ここで、出力電流密度は、フーリエ解析による基本周波数の振幅であり、電流広がり角度を４０°とした時の電子堆積層の密度比αに対してプロットした。このシミュレーション結果から、この密度比αを指標にすると、全てのカソード幅に対しては、０．５＜α＜１の範囲で最適値としての発振ピークを持っており、カソード幅が２μｍ以上では０＜α＜１．５程度の範囲で発振していることがわかる。
【００９３】
ガン発振素子では、基本発振周波数ｆOSCは、走行層輸送時間ｔｘの逆数で表され、又電子の飽和速度ＶSATと走行層の厚さＸａにより、下記（６）式
ｆOSC＝１／ｔｘ＝ＶSAT／Ｘａ・・・・（６）
で表される。
【００９４】
ガンドメインは時間と共に発達するため、ガン発振器の振幅は輸送時間の減少と共に減少する。また、実際問題として基本発振周波数ｆOSCも１５０ＧＨｚ程度に制限される。
【００９５】
従って、走行層の厚さＸａは、下記（７）式
Ｘａ＞ＶSAT／１５０ＧＨｚ・・・・（７）
で与えられる。
【００９６】
また、大部分のIII−Ｖ族半導体に対して、電子の飽和速度ＶSATは約１×１０7ｃｍ／ｓである。従って、上記（７）式により求められる走行層の厚さＸａは０．７μｍ程度以上となるが、実際には走行層の両端は一部デッドゾーンを含んでいるので、走行層の厚さＸａは１μｍ以上とするのが望ましい。
【００９７】
このことは、マイクロ波ミリ波ヘテロバイポーラトランジスタのコレクタ層の厚さが、０．２μｍ〜０．７μｍ程度であることと対照的である。
【００９８】
また、発振波形は正弦波ではなく高調波を含むので、２次高調波を取り出せば３００ＧＨｚの発振出力を得ることも可能である。
【００９９】
以下に、上述した本発明のバイポーラ型ガン効果トリオードの実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【０１００】
（実施形態１）
実施形態１によるバイポーラ型ガン効果トリオードは、図５に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板５１１上に、アノード層５１０、濃度グレーディッド走行層５０９、ベース層５０８、カソード層５０７、バラスト層５０６、組成グレーディッドキャップ層５０５、ｎ+キャップ層５０４、及びカソードオーミック電極５０１が順次積層された構造を有し、エッチング等により露出された両側のアノード層５１０の上面には、アノードオーミック電極５０３が形成され、エッチング等により露出された両側のベース層５０８の上面には、ベースオーミック電極５０２が形成されている。
【０１０１】
より詳しくは、カソードオーミック電極５０１は、Ａｕ、Ｇｅ又はＮｉからなり、ベースオーミック電極５０２は、Ｔｉ、Ｐｔ又はＡｕからなり、アノードオーミック電極５０３は、Ａｕ、Ｇｅ又はＮｉからなる。
【０１０２】
ｎ+キャップ層５０４は、Ｓｉドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3、厚さ１００ｎｍのｎ+ＧａＡｓからなり、組成グレーディッドキャップ層５０５は、Ｓｉドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ２０ｎｍのｎＡｌxＧａ1-xＡｓ（表面側ｘ＝０→基板側ｘ＝０．３５）からなり、バラスト層５０６は、Ｓｉドーピング濃度５×１０16ｃｍ-3、厚さ２００ｎｍのｎＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓからなる。
【０１０３】
カソード層５０７は、Ｓｉドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ８０ｎｍ、上部の幅ＷE３μｍのｎＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなり、ベース層５０８は、Ｃドーピング濃度４×１０19ｃｍ-3、厚さ１５０ｎｍのｐ+ＧａＡｓ層からなり、アノード層５１０は、Ｓｉドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍのｎＧａＡｓ層からなる。
【０１０４】
濃度グレーディッド走行層５０９は、Ｓｉドーピング濃度をアノード側からベース側へ１．２×１０16ｃｍ-3から３．０×１０16ｃｍ-3に傾斜させており、ここでは図４（ｂ）において実線Ａで示す直線近似の濃度分布をなし、厚さ１３００ｎｍのｎＧａＡｓからなる。この場合、ベース領域からの距離ｙが０．４μｍまでは点線ａで示すα＝０の場合よりも位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）がわずかに大きくなっているが、上記（１）式の理想式において、点線ａで示すα＝０の場合と点線ｂで示すα＝１．５の場合の分布の間におおよそ入っている。
【０１０５】
図６に、上記構成のバイポーラ型ガン効果トリオードにおける実際の発振出力スペクトルの一例を示す。この例では、走行層５０９の厚さを１．３μｍとした場合の発振出力スペクトルを示しており、１４０ＧＨｚ程度の基本波Ｐ１と、２８０ＧＨｚ程度の２次高調波Ｐ２が得られている。尚、発振周波数は、ガンダイオードの場合と同様に走行層の厚みを変化させることで変えることができる。
【０１０６】
発振出力は、走行層の面積、厚さで決まる以外に、ベース抵抗によって出力が低下する。これは、バイポーラ型ガン効果トリオードでは、ベース、アノード間に出力（負性抵抗）を生じるので、ベース抵抗がこの負性抵抗を上回ると発振が生じないためである。従って、ベース抵抗を低くすることが重要である。
【０１０７】
ここで、ベース抵抗を低減するための方法を、いくつか説明する。
【０１０８】
第１の方法は、カソード幅を小さくするものであり、ベース抵抗を低減するのに非常に有効な方法である。しかしながら、この方法ではカソード幅が小さくなるほど２次元効果が大きくなるので、本発明による走行層のドナー濃度グレーディングを厳密に行なう必要が生じる。このことについては、図４を用いて先に説明したとおりであるが、図４ではベース抵抗の影響を考慮していないので、カソード幅の低減によるベース抵抗の低減の効果は表されていない。
【０１０９】
第２の方法は、ベース層の厚みを厚くするものである。バイポーラ型ガン効果トリオードの場合には、バイポーラトランジスタの場合と異なり、ベースのトランジットタイムはあまり重要ではないので、この方法によりベース抵抗を低減することができる。
【０１１０】
第３の方法は、ベース層の不純物濃度を大きくするものである。この方法は、バイポーラトランジスタでは、度を過ぎるとｈＦＥを低下させ、素子性能を低下させる原因になるが、バイポーラ型ガン効果トリオードでは、ｈＦＥの低下はカソード電流効率の低下の原因にはなるが、素子の負性抵抗の減少につながらないので、バイポーラトランジスタの場合と異なりあまり重要ではない。従って、ベース層の不純物濃度と厚みは、バイポーラトランジスタの場合よりも大きくすることができる。
【０１１１】
但し、ｈＦＥの低下は全体の発振効率の低下となるので、ｈＦＥが大きいほうが好ましく、本実施形態のようにヘテロ構造とし、ホールバリアにより、ホールのカソードへの染み出しを防ぐことが好ましい。具体的には、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ結合のほかに、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ→０）／ＧａＡｓの組成グレーディッド構造や、後述する実施形態２や実施形態３のようにＩｎＧａＰなどのホールバリア効果の高い材料を使うことができる。
【０１１２】
また、カソード電流効率を少し犠牲にすれば、ベース抵抗はベース層の厚みを厚くすることで回避することも可能なので、ベース層の不純物濃度を下げて、ＧａＡｓからなるカソード層、走行層、及びアノード層によるホモ結合も可能である。
【０１１３】
走行層は、ガンダイオードと同じく、直接遷移型の半導体で、Ｌ谷又はＸ谷のエネルギーと、Г谷のエネルギーの差が大きく、Ｌ谷又はＸ谷の電子質量が、Г谷の電子質量より大きいことが必要であり、そのためには、ＧａＡｓのほかに、ＩｎＰ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＳｂ，ＧａＳｂなど、また、前記にＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＩｎＮを加えた化合物半導体の複数の混晶なども走行層として使用できる。
【０１１４】
走行層以外の層は、走行層に格子整合する材料が用いられるので、走行層と同じ材料、又は、格子整合する混晶系化合物半導体を使うことができる。また、化合物半導体でない材料でも格子整合すれば利用が可能である。例えば、Ｇｅは、ホール移動度が高くベース材料に利用した場合にベース抵抗が低減できるメリットを持ち、ＧａＡｓにエピタキシャル成長できる材料として、Ｇｅベース／ＧａＡｓ走行層のバイポーラ型ガン効果トリオードを構成することが可能である。
【０１１５】
カソード層のベース側の幅が広がっている部分５１２は、エッジシニング構造と呼ばれ、ベース層表面で電子ホールが再結合することでベース層が劣化し、素子特性の変動が起こるのを防止するための構造である。尚、薄く残したカソード層は完全に空乏化する厚さにしており、カソード層としては機能せず、ベース表面の保護膜となっている。これは、ヘテロバイポーラトランジスタでも行われている方法であるが、ヘテロバイポーラトランジスタでは電流密度の最大値が１０ＫＡ／ｃｍ2程度であるのに対し、バイポーラ型ガン効果トリオードでは、例えば本実施形態１の素子でも電流密度が５０ＫＡ／ｃｍ2であり、バイポーラ型ガン効果トリオードの電流密度が非常に大きいことから、信頼性の高い素子を提供するためには、エッジシニング構造をとることがとても重要である。
【０１１６】
カソード層の上にバラスト層を設けているのは、カソード内部での電流ばらつき、又はマルチカソードフィンガー素子にした場合の素子間での電流ばらつきによる、素子動作の不均一性を低減するためのもので、素子の熱暴走防止の役割も持っている。
【０１１７】
（実施形態２）
実施形態２によるバイポーラ型ガン効果トリオードは、図５を用いて説明した上記実施形態１において、カソード層５０７をＡｌＧａＡｓからＩｎＧａＰに代えて構成した点と、濃度グレーディッド走行層５０９の構成が相違しており、その他の構成は上記実施形態１の場合と同様である。
【０１１８】
このカソード層５０７は、具体的にはＳｉドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ８０ｎｍのｎＩｎＧａＰからなる。
【０１１９】
濃度グレーディッド走行層５０９は、Ｓｉドーピング濃度をアノード側からベース側へ１．２×１０16ｃｍ-3から３．０×１０16ｃｍ-3に傾斜させており、ここでは図４（ｂ）において実線Ｂで示す２段階直線近似の濃度分布をなし、具体的にはＳｉドーピング濃度を１．２×１０16ｃｍ-3から２．０×１０16ｃｍ-3に傾斜させた厚さ９００ｎｍのｎＧａＡｓと、Ｓｉドーピング濃度を２．０×１０16ｃｍ-3から３．０×１０16ｃｍ-3に傾斜させた厚さ４００ｎｍのｎＧａＡｓとからなる。
【０１２０】
実線Ｂで示すこの場合の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）は、上記（１）式の理想式において、点線ｃで示すα＝０．５の場合と点線ｄで示すα＝１．０の場合の分布の間におおよそ入っている。
【０１２１】
上記実施形態１では、カソード層５０７がＡｌＧａＡｓであるため、カソード層５０７の側面での電子ホール再結合によるエネルギーで何らかのダメージが生じ、素子の信頼性が劣化するおそれがある。この問題は、ヘテロバイポーラトランジスタで生じることが知られているが、バイポーラ型ガン効果トリオードでは電流密度が高い分だけ、ヘテロバイポーラトランジスタに比べ、劣化が顕著となる。従って、カソード層５０７にＡｌＧａＡｓより劣化が少ないＩｎＧａＰを用いることで、信頼性の高いバイポーラ型ガン効果トリオードを提供することができる。
【０１２２】
加えて、カソード層とベース層の層間で選択エッチングすることが可能になるので、製造プロセスが簡易になるという効果も奏する。
【０１２３】
（実施形態３）
実施形態３によるバイポーラ型ガン効果トリオードは、エッジシニング構造７１２をとるものであって、図７に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板７１１上に、アノード層７１０、濃度グレーディッド走行層７０９、ベース層７０８、エッジシニング層となるＩｎＧａＰカソード層７１７、ＡｌＧａＡｓカソード層７０７、バラスト層７０６、組成グレーディッドキャップ層７０５、ｎ+キャップ層７０４、及びカソードオーミック電極７０１が順次積層された構造を有し、エッチング等により露出された両側のアノード層７１０の上面には、アノードオーミック電極７０３が形成され、エッチング等により露出された両側のベース層７０８の上面には、ベースオーミック電極７０２が形成されている。
【０１２４】
より詳しくは、カソードオーミツク電極７０１は、Ａｕ、Ｇｅ又はＮｉからなり、ベースオーミック電極７０２は、Ｔｉ、Ｐｔ又はＡｕからなり、アノードオーミック電極７０３は、Ａｕ、Ｇｅ又はＮｉからなる。
【０１２５】
ｎ+キャップ層７０４は、Ｓｉドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3、厚さ１００ｎｍのｎ+ＧａＡｓからなり、組成グレーディッドキャップ層７０５は、Ｓｉドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ２０ｎｍのｎＡｌxＧａ1-xＡｓ（表面側ｘ＝０→基板側ｘ＝０．３５）からなり、バラスト層７０６は、Ｓｉドーピング濃度５×１０16ｃｍ-3、厚さ２００ｎｍのｎＡｌ0.35Ｇａ0.65Ａｓからなる。
【０１２６】
カソード層７０７は、Ｓｉドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ５０ｎｍ、上部の幅ＷE３μｍのｎＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなり、エッジシニング層となるカソード層７１７は、Ｓｉドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ４０ｎｍのｎＩｎＧａＰからなり、ベース層７０８は、Ｃドーピング濃度４×１０19ｃｍ-3、厚さ１５０ｎｍのｐ+ＧａＡｓからなり、アノード層７１０は、Ｓｉドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍのｎＧａＡｓからなる。
【０１２７】
濃度グレーディッド走行層７０９は、Ｓｉドーピング濃度をアノード側からベース側へ１．２×１０16ｃｍ-3から３．０×１０16ｃｍ-3に傾斜させた厚さ１３００ｎｍのｎＧａＡｓからなり、具体的には、上記（１）式の理想式において、ＮＤ０＝３．０×１０16ｃｍ-3、ＷE＝３μｍ、α＝０．９としている。
【０１２８】
ここで、このエッジシニング構造とは、ベース層表面で電子ホールが再結合することでベース層が劣化し、素子特性の変動が起こることを防止するための構造である。バイポーラ型ガン効果トリオードでは、電流密度が非常に大きいことから、信頼性の高い素子を提供するために非常に重要な構造である。
【０１２９】
図７に示すように、カソード層をＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＰの２層に分けたのは、カソード層７０７、７１７の選択エッチングで確実に層厚を制御してエッジシニング層７１７を作るためである。また、ＩｎＧａＰがベース側にあるのは、上記実施形態２で説明したカソード側面、表面での再結合の影響を考慮したためである。
【０１３０】
（実施形態４）
実施形態４によるバイポーラ型ガン効果トリオードは、ＩｎＰ基板上にＩｎＰ走行層を形成するものであって、図８に示すように、半絶縁性ＩｎＰ基板８１１上に、アノード層８１０、濃度グレーディッドＩｎＰ走行層８０９、ベース層８０８、カソード層８０７、バラスト層８０６、組成グレーディッドキャップ層８０５、ｎ+キャップ層８０４、及びカソードオーミック電極８０１が順次積層された構造を有し、エッチング等により露出された両側のアノード層８１０の上面には、アノードオーミック電極８０３が形成され、エッチング等により露出された両側のベース層８０８の上面には、ベースオーミック電極８０２、エッジシニング構造８１２が形成されている。
【０１３１】
より詳しくは、カソードオーミツク電極８０１は、Ａｕ、Ｇｅ又はＮｉからなり、ベースオーミック電極８０２は、Ｔｉ、Ｐｔ又はＡｕからなり、アノードオーミック電極８０３は、Ａｕ、Ｇｅ又はＮｉからなる。
【０１３２】
ｎ+キャップ層８０４は、Ｓｉドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3、厚さ１００ｎｍのｎ+Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓからなり、組成グレーディッドキャップ層８０５は、Ｓｉドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ２０ｎｍのｎＩｎ0.5ＡｌxＧａ0.5-xＡｓ（表面側ｘ＝０→基板側ｘ＝０．５）からなり、バラスト層８０６は、Ｓｉドーピング濃度５×１０16ｃｍ-3、厚さ２００ｎｍのｎＩｎ0.5Ａｌ0.5Ａｓからなる。
【０１３３】
カソード層８０７は、Ｓｉドーピング濃度５×１０17ｃｍ-3、厚さ８０ｎｍ、上部の幅ＷE３μｍのｎＩｎ0.5Ａｌ0.5Ａｓからなり、ベース層８０８は、Ｃドーピング濃度４×１０19ｃｍ-3、厚さ１５０ｎｍのｐ+ＩｎＰからなり、アノード層８１０は、Ｓｉドーピング濃度５×１０18ｃｍ-3、厚さ５００ｎｍのｎＩｎＰからなる。
【０１３４】
濃度グレーディッド走行層８０９は、Ｓｉドーピング濃度をアノード側からベース側へ１．２×１０16ｃｍ-3から３．０×１０16ｃｍ-3に傾斜させた厚さ１３００ｎｍのｎＩｎＰからなり、具体的には、上記（１）式の理想式において、ＮＤ０＝３．０×１０16ｃｍ-3、ＷE＝３μｍ、α＝０．９としている。
【０１３５】
この実施形態４では、ＩｎＰ基板上にＩｎＰ走行層を形成することで、ＧａＡｓで形成したものよりも発振出力を大きくすることを可能としている。これは、ＩｎＰはＧａＡｓに比べバンドギャップが大きく耐圧が高く取れるためである。
【０１３６】
（実施形態５）
実施形態５によるバイポーラ型ガン効果トリオードは、図５を用いて説明した上記実施形態１において、バラスト層５０６を相違させたものであり、その他の構成は実施形態１と同様である。
【０１３７】
具体的には、バラスト層５０６の組成および濃度は実施形態１と同様にし、厚みを実施形態１の２００ｎｍに対して４００ｎｍ、３００ｎｍおよび１００ｎｍとしたものと、バラスト層を無くしたものとを作製した。
【０１３８】
これらの素子は、図１０に示すように、ある範囲のアノード電流において発振し、その発振周波数は、上記実施形態１と同様に、１４０ＧＨｚ程度の基本波と２８０ＧＨｚ程度の２次高調波が得られた。しかし、バラスト層５０６の厚みが２００ｎｍよりも薄い場合には出力が低下し、図１０に示すように発振可能なアノード電流の範囲が極めて狭くなった。また、バラスト層５０６の厚みが２００ｎｍ以上では、発振可能なアノード電流の範囲はほぼ一定であった。
【０１３９】
なお、バイポーラ型ガン効果トリオードでは、ガンダイオードと異なり、図１の１０８に示す電流の広がりよって、電子の走行方向（深さ方向）における電流密度分布が生じるのを避けることができない。そこで、本実施形態では、素子内の時間平均強度を一定とするために、電子の走行方向（深さ方向）の不純物濃度グレーディングによって、上記電流密度分布を相殺している。しかし、図９の１１０５、１１０６に示すように、電流集中によって素子の平面的な電流密度が生じると、断面における電流の広がりについても図１の１０８から図９の１１０７のように変化してしまう。図１０に示したバラスト層が無い場合の結果は、電流集中によって上記不純物濃度グレーディング設計が狂ってしまったためと考えられる。
【０１４０】
このように、バラスト抵抗によって、電流密度分布に図９の１１０５および１１０６のような平面的な分布を無くし、濃度グレーディング走行層によって、深さ方向の電流密度分布を相殺することにより、始めて、走行層全体の時間平均電界強度を一定にして、発振効率を最適化することができる。特に、温度上昇の大きい高電流を使用する場合には、効率を向上することが可能となると考えられる。
【０１４１】
このバラスト層の厚み、即ち抵抗値としては、カソード層の抵抗値以上が必要であり、バラスト層の抵抗値が大きい程、電流集中を防止することができるので好ましい。但し、バラスト層の抵抗値が大きい場合には、カソードベース間にバラスト抵抗の電圧降下分だけ、余分な電圧が必要となるので、抵抗値には実用上の上限がある。しかし、発振はベースアノード間に発生するので、発振出力や発振周波数幅にバラスト抵抗値自身が悪影響を与えることはない。この点が他のバイポーラデバイスとは全く異なる点である。
【０１４２】
バラスト層の材料としては、ＡｌＧａＡｓのような半導体材料の他に、カソード上に積層可能な抵抗材料であれば、いずれも使用可能である。半導体材料の場合には、走行層の材料よりも電子移動度の低い材料を用いることが望ましい。電子移動度の高い材料を用いると、バラスト層の厚みが厚くなって、製造面での困難さが増大するだけではなく、厚みを薄くするために不純物濃度を低下させた場合に、バラスト層での電子の走行効果が生じて、素子動作が不安定になることがある。バラスト層の材料として、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．１５≦ｘ≦０．３５）を用いれば、低温時の抵抗が低く、温度上昇した部分のみ抵抗が上昇する特性を有しているので、最低限の抵抗値で電流集中を防止する効果が得られる。よって、以下の実施形態で説明する注入同期発振器や自己発振ミキサ等のように、カソードから信号を導入する場合の信号損失がより少なくなるため、好ましい。
【０１４３】
（実施形態６）
実施形態６による電圧制御周波数可変発振器（ＶＣＯ）は、実施形態１および実施形態２で説明した走行層の不純物グレーディングが異なるバイポーラ型ガン効果トリオードを用いた。
【０１４４】
図１１（ａ）に示すように、バイポーラ型ガン効果トリオード１２０１のベース電極１２０２を接地し、アノード電源端子１２０３からバイアス回路（本実施形態ではインダクタンス１２０４）を通してアノード電極１２０５に正の電圧を加え、カソード電源端子１２０６からバイアス回路（本実施形態ではインダクタンス１２０７）を通してカソード電極１２０８に負の電圧を加えて、アノード電極１２０５から直流バイアスカット用コンデンサ１２０９を通して出力端子１２１０に発振出力を取り出した。
【０１４５】
図１２に示すように、アノードベース間の電圧を変えることにより、発振周波数の変化が観察された。また、アノードＤＣ電流の変化は殆ど無かった。さらに、周波数可変幅は、走行層の不純物グレーディングが理想により近い実施形態２の素子の方が、実施形態１の素子に比べて広くなった。これは、ガン発振可能な時間平均電界強度には制限（幅）があるが、ＶＣＯ動作させるためにバイアスを変化させて電界が変化したときに、走行層中の時間平均電界強度の元々分布があると、時間平均電界強度の制限を超える部分がより速く生じて、発振が停止したり、出力が低下するためではないかと考えられる。
【０１４６】
なお、発振出力はベースアノード間に発生し、カソード側には出力されないが、カソードベース間のバイアスが発振に大きく影響するので、バイアスへの不要なノイズの重畳を避けるためには、図１１（ａ）の１２１１に示すように、高周波的にカソード電極１２０８を接地するのが好ましい。
【０１４７】
また、ベース電極１２０２の接地は、高周波的な接地でもよく、スタブを用いることもできる。例えば、図１１（ｂ）の１２１２に示すように、基本発振周波数に対してλ／４波長のオープンスタブを用いることができる。この場合、図１１（ｂ）に示すように、カソード電極１２０８を接地して、ベース電源端子１２１３からベース電極１２０２に正の電圧を加える正電源のみの回路も可能である。但し、ベース電極１２０２は、基本発振周波数に対する接地だけではなく、高調波に対しても接地することがより好ましい。
【０１４８】
（実施形態７）
実施形態７による注入同期変発振器（ＩＬＯ）は、実施形態１および実施形態２で説明した走行層の不純物グレーディングが異なるバイポーラ型ガン効果トリオードを用いた。
【０１４９】
図１３（ａ）に示すように、バイポーラ型ガン効果トリオード１２０１のベース電極１２０２を接地し、アノード電源端子１２０３からバイアス回路（本実施形態ではインダクタンス１２０４）を通してアノード電極１２０５に正の電圧を加え、カソード電源端子１２０６からバイアス回路（本実施形態ではインダクタンス１２０７）を通してカソード電極１２０８に負の電圧を加え、同期信号入力端子１３０２から直流バイアスカット用コンデンサ１３０１を通してカソード電極１２０８に希望発振周波数の整数分の１（本実施形態では半分）の周波数の同期信号（−１２．５ｄＢｍ）を入力して、アノード電極１２０５から直流バイアスカット用コンデンサ１２０９を通して出力端子１２１０に発振出力を取り出した。
【０１５０】
図１４に示すように、同期信号の周波数を変えることにより、発振周波数の変化が観察された。また、注入同期信号の整数倍に発振周波数が一致する範囲である引き込み可能周波数範囲は、走行層の不純物グレーディングが理想により近い実施形態２の素子の方が、実施形態１の素子に比べて広くなった。注入同期においては、カソードベース間の同期信号がアノード電流の変動として流れ、時間平均電界強度に変化が生じることで同期信号に発振が同期して、発振周波数が同期信号の整数倍になる。このとき、走行層中の時間平均電界強度の元々分布があると、同期信号による時間平均電界強度の変化の影響が相対的に小さくなって、同期できる周波数が狭くなると考えられる。
【０１５１】
なお、発振出力はカソード側には出力されないので、発振出力の同期信号源への逆流は生じない。
【０１５２】
また、ベース電極１２０２の接地は、高周波的な接地でもよく、スタブを用いることもできる。例えば、図１３（ｂ）に示すように、基本発振周波数に対するλ／２波長線路１３０３とコンデンサ１３０４によって、高周波的にショートスタブとしたものを用いることができる。この場合、図１３（ｂ）に示すように、カソード電極１２０８を接地して、ベース電源端子１３０５からベース電極１２０２に正の電圧を加える正電源のみの回路も可能である。この図１３（ｂ）の回路では、ショートスタブ１３０３、１３０４を用いることにより、基本発振周波数に対する接地だけではなく、高周波に対しても接地されている。また、基本発振周波数の半分の周波数である同期信号からは、このショートスタブがオープンスタブに見えるため、ベース側から同期信号を入力している。この場合、同期信号はバイポーラ型ガン効果トリオードの寄生バイポーラトランジスタによって電流増幅されるため、小さな電力によって同じ引き込み範囲を達成することができる。なお、ガントリオードにおけるカソード、ベース、走行層およびアノードは各々、バイポーラトランジスタのエミッタ、ベース、コレクタおよびサブコレクタに相当し、増幅作用を有する。
【０１５３】
また、アノード側に同期信号に対するλ／４波長のオープンスタブ１３０６を設けて、同期信号電圧がアノード側に表れないようにすることで、各信号のアイソレーションを容易に向上することができる。
【０１５４】
なお、ベースアノード間に同期信号を入力することも可能であるが、同期信号の電力を大きくすることが必要になる。
【０１５５】
本実施形態では、注入信号として希望発振周波数の半分のものを用いたが、整数分の１のものを利用することができる。但し、半分の場合が、同期信号引き込み可能周波数範囲が最も広くなるので、好ましい。
【０１５６】
さらに、本実施形態では、ＡｌＧａＡｓからなるバラスト抵抗を用いているので、バラスト抵抗を最小限とすることができている。このバラスト抵抗が小さい程、注入同期信号のバラスト抵抗による損失が最小限となって、注入信号電力をより小さくすることができるので、好ましい。
【０１５７】
（実施形態８）
実施形態８による自己発振ミキサは、実施形態１および実施形態２で説明した走行層の不純物グレーディングが異なるバイポーラ型ガン効果トリオードを用いた。
【０１５８】
図１５（ａ）に示すように、バイポーラ型ガン効果トリオード１２０１のベース電極１２０２を接地し、アノード電源端子１２０３からバイアス回路（本実施形態ではインダクタンス１２０４）を通してアノード電極１２０５に正の電圧を加え、カソード電源端子１２０６からバイアス回路（本実施形態ではインダクタンス１２０７）を通してカソード電極１２０８に負の電圧を加え、信号入力端子１４０２から直流バイアスカット用コンデンサ１４０１を通してカソード電極１２０８に希望発振周波数の半分の周波数の同期信号（７８ＧＨｚ、−１２．５ｄＢｍ）と被周波数変換信号を入力して、アノード電極１２０５から直流バイアスカット用コンデンサ１２０９を通して出力端子１２１０に発振出力を取り出した。このとき、周波数１ＧＨｚの入力信号（被周波数変換信号）に対して７９ＧＨｚの周波数変換信号が観察され、周波数８０ＧＨｚの入力信号（被周波数変換信号）に対して２ＧＨｚの周波数変換信号が観察され、アップコンバート用およびダウンコンバート用に使用可能であることがわかった。
【０１５９】
また、図１６に示すように、走行層の不純物グレーディングが理想により近い実施形態２の素子１６０１の方が、単調なグレーディンングの実施形態１の素子１６０２に比べて、被周波数変換信号の強度に対して、出力信号が線形に追随する範囲１６０３、１６０４が入力信号の電力の大きなところまで存在し、線形性が良好であった。これは、ガン発振可能な時間平均電界強度には制限（幅）があるが、ミキシングのためにカソードベース間に入力した信号がアノード電流の変動として流れ、時間平均電界強度の変化が生じたときに、走行層中の時間平均電界強度の元々分布があると、より速く電界の制限を超える部分が生じて発振出力が低下するためではないかと考えられる。
【０１６０】
なお、ベース電極１２０２の接地は、高周波的な接地でもよく、スタブを用いることもできる。例えば、図１５（ｂ）に示すように、基本発振周波数に対するλ／２波長線路１４０３とコンデンサ１４０４によって、高周波的にショートスタブとしたものを用いることができる。この場合、ベースは基本発振周波数とその高調波に対して接地し、カソード電極１２０８はインダクタンス１４０８を通して直流的に接地し、ベース電源端子１４０５からベース電極１２０２に正の電圧を加える正電源のみの回路も可能である。この図１５（ｂ）の回路では、ショートスタブ１４０３、１４０４を用いることにより、基本発振周波数に対する接地だけではなく、高調波に対しても接地されている。また、被周波数変換信号は、信号入力端子１４０２から入力し、基本発振周波数の半分の周波数である同期信号からは、このショートスタブがオープンに見えるため、ベース側から同期信号を入力している。そして、同期信号周波数に対するλ／４波長のオープンスタブ１４０９によって同期信号に対してカソード電極１２０８を接地している。この場合、同期信号はバイポーラ型ガン効果トリオードの寄生バイポーラトランジスタによって電流増幅されるため、小さな電力によって同じ引き込み範囲を達成することができる。
【０１６１】
なお、図１５（ｂ）の回路において、信号入力端子１４０２を単に接地して、同期信号入力端子１４０７またはベース電源端子１４０５から被周波数変換信号を入力することも可能である。この図１５（ｂ）において、１４０６は同期信号入力端子の直流バイアスカット用コンデンサである。
【０１６２】
特に、アノード側に同期信号に対するλ／４波長のオープンスタブ１４１０を設けた場合、ローカル信号がベースアノード間に発生するが、両端子とも接地されているため外部へ出力されないこと、および、カソードへのローカル信号の出力は殆ど無いことから、ローカル周波数が殆どバイポーラ型ガン効果トリオード１２０１から外部に出力されないミキサを構成することが可能となる。
【０１６３】
本実施形態では、注入信号として希望発振周波数の半分のものを用いたが、整数分の１のものを利用することができる。但し、半分の場合が、同期信号引き込み可能周波数範囲が最も広くなるので、好ましい。
【０１６４】
さらに、本実施形態では、発振周波数の安定過のために注入同期方式を用いたが、電圧制御周波数可変発振器においてＰＬＬ（フェーズロックドループ）発振器の構成にすることもできる。
【０１６５】
（実施形態９）
実施形態９による無線受信装置は、実施形態８において図１５（ａ）に示した、アノードをオープンスタブによりローカル発振周波数において接地した自己発振ミキサを用いた。
【０１６６】
図１７に示す通信システムにおいて、送信器１７０１、１７０２はエリア毎の固定局（本実施形態では隣合う家屋）とし、広帯域の情報信号として、図１８に示すように、地上波ＴＶ（ＵＨＦ４４０ＭＨｚ〜８００ＭＨｚ）、ＢＳ衛生放送中間周波数（１ＧＨｚ〜１．３５ＧＨｚ）、ＣＳ衛生放送中間周波数（１．２９ＧＨｚ〜１．５５ＧＨｚ）をブロックコンバータによって４４０ＭＨｚ〜１９６０ＭＨｚに配置したもの１８０１を用いた。ＣＳ衛生放送は、右旋波および左旋波を各々１．４４ＧＨｚ〜１．６６ＧＨｚ、１．７０ＧＨｚ〜１．９６ＧＨｚに周波数変換したものを用いた。この広帯域の情報信号１８０１を、隣接する送信局（図１７の１７０１、１７０２）で混信しないように各々の送信局で周波数をずらして、６０ＧＨｚ付近の周波数（図１８の１８０２、１８０３）にアップコンバートして、各送信局から送信した。
【０１６７】
受信器１７０３では、アンテナからフィルタを通して不要波を除去した。その後、実施形態８の１５（ａ）に示した自己発振ミキサを用いて、図１９に示すように、そのエリアの送信局１７０１の無線信号１８０２を６０ＧＨｚのローカル周波数１９０１とミキシングし、元の周波数（４４０ＭＨｚ〜１９６０ＭＨｚ）にダウンコンバートした。そして、市販のテレビ受信器および衛生放送テレビ受信器によって復調した。
【０１６８】
ここで、隣接する送信器のエリア境界線付近で使用された図１７の受信器１７０４が、図１８の１８０３に示す周波数帯域の信号を受信する場合、ローカル信号は図１９の１９０３に示す周波数となる。そして、ローカル信号の漏洩があると、このローカル信号の漏洩が近接する受信器１７０３に対する受信妨害１７０５となってしまう。
【０１６９】
本実施形態では、このような状況で複数の受信器を同時に使用した場合でも、各受信器からのローカル信号の不要輻射レベルが低いので、相互に受信妨害を起こすこと無く、良好な状態で受信可能であった。これは、バイポーラ型ガン効果トリオードを用いた自己発振ミキサのアノードを、ローカル周波数において接地しているため、電源回路等を通したローカル信号の漏洩等も殆ど無くなって、ローカル信号の漏洩が非常に少なくなっているためと考えられる。
【０１７０】
尚、本発明のバイポーラ型ガン効果トリオードは、上述した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明を実施するにあたっては、構造を部分的に変更することも可能であり、例えば、以下に示す目的で、ベース層と走行層の間に薄い別の層を挿入する場合がある。
【０１７１】
ベース層と走行層の間に、アンドープ層、又は走行層より濃度の低いｎ層を挿入し、走行層に入る前に電子エネルギーを高め、デッドゾーンを減少させる構成をとることがある。これは、ノッチ層と呼ばれ、ガンダイオードで良く取られる手法であって、例えば、特開平９−２５２１５３号公報等に開示されており、バイポーラ型ガン効果トリオードでも適用可能である。但し、バイポーラ型ガン効果トリオードでは、ベース層がその役割をするのであまり効果が無い。
【０１７２】
また、ベース層に亜鉛又はベリリウムによるドーピングを行った場合には、アクセプタ原子の走行層への拡散のために、走行層のベース側のドナー濃度が下がる場合があり、当然、ガン発振に対しては悪影響を及ぼす。そこで、この拡散を見越して、ベース層と走行層の間に、アンドープ層を挿入して、アンドープ層をｐ-としてベース層を延長させる場合や、ｎ+層を挿入して、ｎ+層で拡散してくるアクセプタをキャンセルする場合もある。
【０１７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のバイポーラ型ガン効果トリオードによれば、
走行領域の不純物濃度がアノード領域に向かって減少する濃度分布を有しているので、走行領域の全ての領域で時間平均電界強度を一定の最適値にすることができ、ガン発振効率を向上させることができる。また、バイポーラ型をとるので、位相歪みの低減を図ることができる。
【０１７４】
上記アノード領域、走行領域、ベース領域、及びカソード領域は、エピタキシャル成長とエッチング等の製造プロセスにより、各領域を所望の形状と濃度分布に積層形成することができる。
【０１７５】
上記（７）式に示す基本発振周波数、電子の飽和速度、走行層の厚さの関係を考慮すると、走行領域のデッドゾーンをも考慮に入れて、上記走行領域の層厚が１μｍ以上である構成にすることが望ましい。
【０１７６】
また、カソード幅を小さくすると２次元効果が大きくなるが、上記走行領域の構成をとるので、カソード領域のカソード幅を３μｍ以下として、ベース抵抗を小さく、ガン発振効率を向上させることができる。
【０１７７】
また、ガン発振器の基本発振周波数が１５０ＧＨｚ程度に制限されるが、その２次高調波を利用すれば、発振周波数３００ＧＨｚの発振出力を得ることができ、発振周波数を１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲とすることができる。
【０１７８】
また、上記走行領域の不純物濃度が、アノード領域に向かって滑らかに減少する濃度分布をなす構成、又は走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）が、上記（１）式〜（３）式の関係を満たす構成にすると、走行領域の電子密度分布に略対応する濃度分布となり、走行領域の全ての領域で時間平均電界強度を一定の最適値にすることができ、ガン発振効率をより一層向上させることができる。
【０１７９】
図４に示すシミュレーション結果から、ベース領域と走行領域の界面での不純物濃度ＮＤ０＝１×１０16ｃｍ-3とした場合に、上記密度比αが０〜１．５の範囲に設定されてなる構成とすることが望ましく、特に密度比αが０．５〜１．０の範囲に設定されてなる構成にすると、最適値としての発振ピークが見られる。
【０１８０】
尚、ベース領域と走行領域の界面での不純物濃度ＮＤ０が、１×１０15ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3の範囲でも同様の結果が得られた。
【０１８１】
従って、走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）が、α＝０の場合におけるＮＤα（ｙ，α）と、α＝１．５の場合におけるＮＤα（ｙ，α）の間に入るように設定することが望ましく、特にα＝０．５の場合におけるＮＤα（ｙ，α）と、α＝１．０の場合におけるＮＤα（ｙ，α）の間に入るように走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）を設定することで、より一層大きな出力を得ることができる。
【０１８２】
しかるに、実際のデバイスでは、走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）を、走行領域の電子密度分布に完全に合わせることは困難であり、上記（１）式で表される分布に近づくように、走行領域の不純物濃度をベース領域からアノード領域に向かって減少させることで、ガン発振を生じさせることができる。
【０１８３】
また、エッジシニング構造とすれば、ベース層表面で電子ホールが再結合することでベース層が劣化し、素子特性の変動が起こることを防止することができ、信頼性の高い素子が得られる。特にバイポーラ型ガン効果トリオードでは、電流密度が非常に大きいことから、この構造をとることが重要である。
【０１８４】
また、上記の各領域は、III−Ｖ族化合物半導体からなる構成とすることができ、例えば、ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＰ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＩｎＮ，ＧａＳｂ，ＡｌＳｂ，ＩｎＳｂ化合物、又はそれらを組み合わせた３元混晶、若しくは４元混晶からなる構成とすることができる。
【０１８５】
カソード領域がＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＰの２層で形成され、ベース領域及び走行領域がＧａＡｓで形成されてなる構成にすると、ヘテロ構造とし、ホールバリアにより、ホールのカソードへの染み出しを防ぐことができ、中でもＩｎＧａＰはホールバリア効果の高い材料であり、その効果が期待できる。
【０１８６】
特に、カソード層をＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＰの２層で形成する構成にすると、選択エッチングで確実に層厚を制御してエッジシニング層を形成することができ、加えて、ＩｎＧａＰをベース側とし、カソード側面、表面での再結合の影響を抑制することもできる。
【０１８７】
また、カソード領域がＩｎＡｌＡｓで形成され、ベース領域及び走行領域がＩｎＰで形成されてなる構成にすると、ＩｎＰがＧａＡｓに比べ、バンドギャップが大きく耐圧が高くとれることから、ＧａＡｓで構成した場合に比べ、発振出力を大きくすることができる。
【０１８８】
また、カソード上にバラスト抵抗層を積層することによって、電流集中を防止して、安定した高出力の発振が可能となる。
【０１８９】
本発明の電圧制御発振器（ＶＣＯ）によれば、バイポーラ型ガン効果トリオードのアノード電流がベースカソード間の電圧で制御され、ベースアノード間の電圧に殆ど依存しない。よって、アノード電流を変化させずにベースアノード間の電圧を変化させることができ、発振周波数に対して発振出力の変動が少ない良好な特性の電圧制御発振器を実現することが可能となる。
【０１９０】
本発明の注入同期発振器（ＩＬＯ）によれば、バイポーラ型ガン効果トリオードのベースカソード間への同期信号の入力が、ベースアノード間へ増幅される。よって、同じ電力の同期信号によりベースアノード間の電圧や電流を大きく変化させることができ、注入信号の電力を小さくすることが可能となる。或いは、一定の強度の注入信号によって注入同期可能な周波数である引き込み可能周波数を広く取ることが可能となる。
【０１９１】
本発明の自己発振ミキサによれば、バイポーラ型ガン効果トリオードがバイポーラトランジスタで言うところのアーリー電圧として非常に大きい値を有している。よって、アノードからカソードへのアイソレーションが良好で、カソード側への発振信号の漏洩を無くすることができ、ベースを接地として入力信号をカソードから入力するようにすると、入力信号と発振出力のアイソレーションが容易に可能となる。
【０１９２】
本発明の無線受信装置によれば、自己発振ミキサにおいて、ローカル発振周波数の高周波信号入力への漏洩が無いので、ローカル信号の不要輻射を低減することができる。よって、隣接する端末に通信障害を与えることが無い通信端末を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイポーラ型ガン効果トリオードの構成を示す断面図である。
【図２】バイポーラ型ガン効果トリオードの走行層における電流広がりを説明するための断面図である。
【図３】走行層が傾斜型ドーピングプロファイルを持つバイポーラ型ガン効果トリオードにおいて、ガン発振時の走行層のある瞬間における電子密度を示す等高線によるシミュレーション結果であって、（ａ）は２次元プロットを、（ｂ）は３次元プロットを表す。
【図４】（ａ）は、本発明のバイポーラ型ガン効果トリオードにおいて、カソード幅を１μｍ、２μｍ、及び３μｍとした場合の出力電流密度と電子堆積層の密度比αの関係を表すシミュレーション結果を示すグラフであり、（ｂ）は、密度比αを変化させた場合における走行領域の位置依存性不純物濃度ＮＤ（ｙ）とベース領域からの距離ｙとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態１によるバイポーラ型ガン効果トリオードの構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態１によるバイポーラ型ガン効果トリオードにおける実際の発振出力スペクトルの一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態３によるバイポーラ型ガン効果トリオードの構成を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態４によるバイポーラ型ガン効果トリオードの構成を示す断面図である。
【図９】バイポーラ型ガン効果トリオードにおける電流集中の状態を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態５によるバイポーラ型ガン効果トリオードにおけるバラスト層の効果を示す図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態６による電圧制御周波数可変発振器（ＶＣＯ）の構成を示す回路図である。
【図１２】本発明の実施形態６による電圧制御周波数可変発振器（ＶＣＯ）における動作特性を示す図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態７による注入同期発振器（ＩＬＯ）の構成を示す回路図である。
【図１４】本発明の実施形態７による注入同期発振器（ＩＬＯ）における動作特性を示す図である。
【図１５】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態８による自己発振ミキサの構成を示す回路図である。
【図１６】本発明の実施形態８による自己発振ミキサにおける入力信号電力と出力信号電力との関係を示す図である。
【図１７】実施形態９の通信システムを示す図である。
【図１８】実施形態９の通信システムにおける送信信号と送信無線周波数の関係を示す図である。
【図１９】実施形態９の通信システムにおける送信無線周波数と受信時ローカル信号の関係を示す図である。
【図２０】従来のユニポーラ型のガン効果トリオードの構成を示す断面図である。
【図２１】従来例４に考案されているバイポーラ型のガン効果トリオードの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１，５０１，７０１，８０１，９０１，１２０８  カソード電極
１０２，５０２，７０２，８０２，１２０２  ベース電極
１０３，５０３，７０３，８０３，９０３，１２０５  アノード電極
１０４，５０７，７０７，７１７，８０７，９０４  カソード層
１０５，５０８，７０８，８０８，１１０３  ベース層
１０６，５０９，７０９，８０９，９０５，１１０２  走行層
１０７，５１０，７１０，８１０，９０６，１１０１  アノード層
１０８  電流広がり
１０９  走行層側壁
３０１，３０２  電子堆積層
５０４，７０４，８０４  ｎ+キャップ層
５０５，７０５，８０５  組成グレーディッドキャップ層
５０６，７０６，８０６  バラスト層
５１１，７１１，８１１  半絶縁性基板
５１２，７１２，８１２  エッジシニング構造
１１０４  ベースカソード界面
１１０５  温度の上昇が大きい中心部
１１０６  温度の上昇が小さい周辺部
１１０７  走行層内の断面方向の電流密度分布
１２０１  バイポーラ型ガン効果トリオード
１２０３  アノード電源端子
１２０４，１２０７  インダクタンス
１２０６  カソード電源端子
１２０９，１３０１，１４０１，１４０６  直流バイアスカット用コンデンサ
１２１０  出力端子
１２１１  高周波的にカソードを接地するコンデンサ
１２１２，１４１０  基本発振周波数に対するλ／４波長のオープンスタブ
１２１３，１３０５，１４０５  ベース電源端子
１３０２，１４０７  同期信号入力端子
１３０３，１４０３  基本発振周波数に対するλ／２波長線路
１３０４，１４０４  コンデンサ
１３０６  同期信号周波数に対するλ／４波長のオープンスタブ
１４０２  信号入力端子
１４０３  基本発振周波数に対するλ／２波長線路
１４０８  直流接地用インダクタンス
１４０９  同期信号周波数に対するλ／４波長のオープンスタブ
１６０１  実施形態２の素子の特性
１６０２  実施形態１の素子の特性
１６０３  実施形態２の素子の線形範囲
１６０４  実施形態１の素子の線形範囲
１７０１，１７０２  送信器（エリア毎の固定局）
１７０３  受信器
１７０４  隣接する送信器のエリアの受信器
１８０１  広帯域の情報信号
１８０２，１８０３  各送信局で周波数をずらした無線周波数
１９０１  ローカル周波数
１９０２  元の情報信号周波数（４４０ＭＨｚ〜１９６０ＭＨｚ）
１９０３  隣接する送信器のエリアの受信器のローカル周波数
【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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【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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