(57)【要約】本発明はサブミリ波以上の周波数マルチプライアのバラクターダイオードを提供する。機能的に、この新型ダイオードは従来のヘテロ構造バリアバラクターダイオードの代用となる。アンチモニー含有量子井戸ヘテロ構造バリアバラクターの２つの重要な特徴は、アンチモンアルミニウム／アルミニウム−ヒ素−アンチモン化合物ヘテロ構造バリアと、バンドギャップ加工三角量子井戸陰極及び陽極に存する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力周波数を有した入力信号を受領し、該入力信号の所定整数倍率である出力周波数を有した出力信号を発生させる機能を備えた周波数マルチプライアであって、本周波数マルチプライアは実質的に対称であるキャパシタンス−電圧プロフィールを有したアンチモニー含有ヘテロ構造バリアバラクターダイオードを含んでいることを特徴とするマルチプライア。
【請求項２】
ヘテロ構造バラクターダイオードのアンチモニー含有ヘテロ構造バリアは複数層を含んでおり、１層はアルミニウムとアンチモニーを含んでおり、別層はアルミニウム、ヒ素及びアンチモニーを含んでいることを特徴とする請求項１記載のマルチプライア。
【請求項３】
アンチモニー含有ヘテロ構造バリアバラクターダイオードの複数層はＡｌＳｂ／ＡｌＡｓＳｂヘテロ構造バリアを通過する電子トンネルとその熱電子放出とを最低化するようにデザインされていることを特徴とする請求項２記載のマルチプライア。
【請求項４】
ヘテロ構造バラクターダイオードはサブミリ波周波数でパワーを発生させるようにデザインされていることを特徴とする請求項１記載のマルチプライア。
【請求項５】
入力周波数を有した入力信号を受領し、該入力信号の所定整数倍率である出力周波数を有した出力信号を発生させる機能を備えた周波数マルチプライアであって、本周波数マルチプライアは実質的に対称であるキャパシタンス−電圧プロフィールを有した少なくとも１つのバンドギャップ加工三角量子井戸陰極とバンドギャップ加工三角量子井戸陽極とを含んでいることを特徴とするマルチプライア。
【請求項６】
周波数マルチプライアはバンドギャップ加工量子井戸陽極と陰極とで増強される非線形性とキャパシタンス比とを有していることを特徴とする請求項５記載のマルチプライア。
【請求項７】
本周波数マルチプライアはサブミリ波周波数でパワーを発生させるようにデザインされていることを特徴とする請求項５記載のマルチプライア。
【請求項８】
アンチモニー含有三角量子井戸ヘテロ構造バリアバラクターダイオードであって、アンチモニー含有ヘテロ接合バリアは複数層を含んでおり、第１層はアルミニウムとアンチモニーを含んでおり、第２層はアルミニウム、ヒ素及びアンチモニーを含んでいることを特徴とするダイオード。
【請求項９】
バラクターダイオードは周波数マルチプライアの性能を高め、周波数倍率処理中にパワー損失を低減させるようにデザインされていることを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【請求項１０】
バラクターダイオードはサブミリ波周波数以上で出力を最良状態で提供できるようにデザインされていることを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【請求項１１】
バラクターは周波数倍率処理による減少パワーと、周波数倍率処理回路の改善性能とを周波数マルチプライアに提供し、周波数倍率処理時のパワー損失を減少させることを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【請求項１２】
本アンチモニー含有量子井戸ヘテロ構造バリアバラクターダイオードは漏電を減少させていることを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【請求項１３】
ヘテロジャンクションバリアと、該へテロジャンクションバリアの上面からの熱電子放出は減少されていることを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【請求項１４】
アンチモニー含有量子井戸ヘテロジャンクションバリアの大バリア高は電子トンネル現象と熱イオン放出による漏電を実質的に排除することを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【請求項１５】
成分的グレード処理された三角量子井戸が提供され、各ヘテロインターフェースで２次元の電子ガスを発生させることを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【請求項１６】
陽極側での井戸の閉封は印加電圧によって脱チューニングされることを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【請求項１７】
ダイオードはさらに高いパワーでさらに高性能であるバラクタートリプラーを提供することを特徴とする請求項８記載のダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
技術分野
本発明は一般的にバラクターダイオードに関する。特には、本発明はサブミリ波周波数以上の周波数倍率器（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）のバラクターダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
発明の背景
入力周波数の整数倍率である出力周波数を発生させる電子回路は周波数倍率器あるいは周波数マルチプライアとして知られる。周波数マルチプライアの１タイプは半導体ＰＮ接合体ダイオード（ＰＮ ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｄｉｏｄｅ）の非線形キャパシタンス（容量）（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を使用して、基礎的入力周波数に調波された入力回路から出力回路へのエネルギーをカップリングし、望む入力周波数の倍率に調波されている出力を提供する。非線形キャパシタンスを有した半導体接合装置はバラクターとして知られる。バラクターの基本的特性はＳ．Ｍ．スゼの「半導体装置の特性」（第２版、ウィリー出版、１９８１年版、１１４ページから１１６ページ）に記述されている。
【０００３】
基本的に、バラクターダイオードは逆電圧（ｒｅｖｅｒｓｅ ｖｏｌｔａｇｅ）の存在下でキャパシタとして作用することができるダイオードである。逆電圧がＰＮ接合体に印加されるとｐ領域のホールは陽極端末に引き付けられ、ｎ領域の電子は陰極端末に引き付けられる。陽極と陰極との間に発生する減損領域はキャリアを実質的に消失し、キャパシタの誘電体として作用する。
【０００４】
この減損領域はその逆電圧が増加すると拡大する。キャパシタンスは誘電厚と反比例するので、そのキャパシタンスはＰＮ接合体の逆電圧が増加すると減少する。よって、ＰＮ接合体の逆電圧を変動させることで接合体キャパシタンスを変動させることができる。逆電圧の変動はキャパシタンスに対して非線形効果を有する。バラクターを調波発生器として使用させるのはこの非線形性である。
【０００５】
サブミリ波周波数で安定したパワーを提供する周波数マルチプライアは、宇宙空間及び成層圏画像処理、検出処理及び通信処理等での多様な利用に非常に望ましい。テラヘルツ衛星通信リンクは既存マイクロ波システムの能力を超えるデータ伝達力をサポートすることもできる。従って、益々増大するミリ波利用はテラヘルツ周波数で作動する外部オシレータ源の需要を創出した。バージニア大学（バージニア州シャロッツビル）のＴ．Ｗ．クロウとＴ．Ｃ．グレイン及びラジオメータフィジックスＧｍｂＨ（ドイツ国マッケンハイム）のＲ．ジマーマンとＰ．ジマーマンは８００ＧＨｚ出力周波数を搬送するウィスカ接触ショットキバリアバラクター（ＳＢＶ：ｗｈｉｓｋｅｒ−ｃｏｎｔａｃｔｅｄ， Ｓｃｈｏｔｔｋｙ−ｂａｒｒｉｅｒ ｖａｒａｃｔｅｒ）ダイオードを利用するトリプラー（ｔｒｉｐｌｅｒ）を開示する。「１ＴＨｚでの固体外部オシレータへの進展」（ＩＥＥＥマイクロ波とガイドされた波文字、第６巻第５号、１９９６年５月号、２０７ページ、１９９６年版）参照。また、Ｅ．コルバーグとＡ．リドバーグの「高性能ミリ波マルチプライアの量子バリアバラクターダイオード」（電子レター、第２５巻、１９６９ページ、１９８９年版、対称Ｃ−Ｖプロフィールを備えたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ構造バリアバラクターの紹介）参照。この論文で紹介されたタイプの装置は低バリア高のために高漏電の問題を抱えている。加えて、Ｒ．ハバート、Ｅ．リューレット、Ｏ．バンベシエン、Ｐ．モウナイックス、Ｆ．モロット及びＤ．リッペンズは「階段状ヘテロ構造バリアバラクター」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔ．Ｄｅｖ．第４５巻、２２９１ページ、１９８８年版）でＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＡｓ／ＡｌＩｎＡｓヘテロ構造バリアが漏電問題を改善すると報告している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
従って、本発明の目的は周波数マルチプライアの性能を向上させ、周波数倍率処理時に発生するエネルギー損失を減少させる方法と装置とを提供することである。
【０００７】
本発明はサブミリ波周波数以上で利用される周波数マルチプライアの新規なバラクターダイオードを提供する。機能的に、この装置は従来のヘテロ構造バリアバラクターに代用される。Ｓｂ含有量子井戸ヘテロ構造バリアバラクターの２つの主要な特徴は（１）ＡｌＳｂ／ＡｌＡｓＳｂヘテロ構造バリアと（２）バンドギャップ加工三角量子井戸陰極及び陽極に存する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
好適実施例の説明
本発明の目的及び利点は添付図面を利用した以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【０００９】
本発明の１目的は周波数倍率処理時に発生するエネルギー損失を減少させるべく周波数マルチプライアの性能を向上させる方法と装置とを提供することである。本発明はバラクターダイオードとその製造方法に関連する方法と装置とを提供するものであり、他の多様な利用にも供させるものである。以下の説明は当業界の通常技術者に本発明を利用させるべく提供されている。異なる多様な適用のための様々な変更は本発明の範囲内で充分に可能であろう。よって、本発明は提供された実施例に限定されず、本開示内容に即した最も広い範囲を含んだものである。
【００１０】
バラクターダイオードはサブミリ波以上の周波数での周波数マルチプライアにおいて適用されるべく解説されている。機能的に、本発明装置は従来のヘテロ構造バリアバラクターの代用として利用できる。本発明は特にＡｌＳｂ／ＡｌＡｓＳｂヘテロ構造バリアとバンドギャップ加工三角量子井戸陰極及び陽極を有したＳｂ含有量子井戸ヘテロ構造バリアバラクターに関する。
【００１１】
バラクターは周波数倍率処理に使用され、サブミリ波周波数でパワーを発生させる。現在、３端子装置で達成可能な最大ｆｍａｘは１ＴＨｚ以下である。よって、１ＴＨｚ以上のパワーを発生させる可能性の高い方法は、周波数マルチプライアを使用して低周波数で発生されるパワーを上方変換させることである。この目的に使用される２つの最も利用されている装置はヘテロ構造バリアバラクター（ＨＢＶ）とショットキダイオードバラクター（ＳＤＶ）である。ＨＢＶは、ＳＤＶよりも高いＣｍａｘ／Ｃｍｉｎキャパシタンスと、さらに高い非線形性を有した対称キャパシタンス−電圧（Ｃ−Ｖ）プロフィールを有しており、高周波数でさらに高性能のトリプラーとクインツプラー（ｑｕｉｎｔｕｐｌｅｒ）を提供する。しかし、従来のＨＢＶの漏電は逆バイアスＳＤＶの漏電よりも大幅に大きく、その性能と出力パワーを規制している。ここで開示するＳｂ含有量子井戸ヘテロ構造バリアバラクターは漏電を大幅に減少させる。漏電の減少は、ＡｌＳｂ／ＡｌＡｓＳｂヘテロ構造バリアを通過する電子トンネルと熱イオン放出の抑制による。漏電は逆バイアスショットキダイオードバラクターのものと同じか、さらに少ない。また、ＨＢＶに関係する対称Ｃ−Ｖプロフィール、高い非線形性及び高キャパシタンス比の利点が維持される。加えて、量子井戸ヘテロ構造バリアバラクター（ＱＨＢＶ）において、非線形性とキャパシタンス比は新規なバンドギャップ加工量子井戸電極によって大幅に改善される。
【００１２】
ＩｎＰ基板上のＨＢＶの伝導帯図は図１に示されている。この構造は本質的にＩｎＰにマッチした２枚の厚いＡｌＩｎＡｓ層１０２格子間で挟まれた１枚の薄いアルミニウム−ヒ素（ＡｌＡｓ）層１００で成る。それらはＩｎＰのマッチした格子でもある２つのｎ型ＧａＩｎＡｓ電極間でバリアを形成する。Γポイント伝導帯オフセット１０８は、この場合、約１．２電子ボルトの値を有する。また、ＧａＩｎＡｓとＡｌＩｎＡｓ１１０間のΓポイントオフセットも示されている。ＨＢＶの概略Ｃ−Ｖプロフィールは図２に示されている。性能を最良化するため、漏電を最小化し、絶縁破壊電圧を最大化し、キャパシタンス比Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ２００を最大化することが望ましい。
【００１３】
漏電はバリアとバリア上面での熱イオン放出とを介した電子トンネル現象により発生する。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓバラクターのごとき低バリア高のバラクターにおいては、大きなトンネル及び熱イオン電流が電極の電圧スイング（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｎｇ）範囲を厳しく規制する。この規制は出力パワーと変換効率とを低下させる。よって、ブロックバリアが高ければそれだけ装置の性能は向上する。
【００１４】
本発明のＱＨＢＶの１つの新規な特徴はＳｂ含有ヘテロ構造バリアの利用に存する。図３に示すように、ＧａＩｎＡｓに対するＡｌＳｂのΓポイント伝導帯オフセット３０８は約２．０電子ボルトであり、ＡｌＡｓとＧａＩｎＡｓのものより大幅に高い（図１）。さらに、この層はＩｎＰにマッチした格子である２つのＡｌＡｓ０．５６Ｓｂ０．５５層に挟まれている。これはさらにＧａＩｎＡｓに対する大伝導帯オフセット３１０を有している。Ｓｂ含有ＱＨＢＶの大バリア高はトンネル及び熱電子放出による漏電を事実上排除し、電圧スイングの範囲は衝撃イオン化によってのみ規制される。これはＨＢＶとＳＤＶに適用可能な本質的材料規制である。
【００１５】
従来のＨＢＶのＣ−Ｖプロフィールの大きな非線形性と高Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ比の利点は維持される。また、ＧａＩｎＡｓ電極１０６の同一バリア幅ＬＢ１０４とドープ密度に対して、Ｃ−Ｖプロフィールは同じとなる。それでも、非線形性とキャパシタンス比は、本発明のバンドギャップ加工三角量子井戸陰極と陽極とを利用することでさらに増加するであろう。
【００１６】
従来のＨＢＶと同様に、Ｃｍｉｎは次の式で求められる。
2004519839.tif 000003
Ａは接触面積
εは誘電率
ＬＢはバリア幅
ＷＤｍａｘは陽極での最大減損幅
【００１７】
最後のパラメータは衝撃イオン化破壊により本質的に規制され、電極のドープ密度によって決定される。より高いドープ密度減少ＷＤｍａｘと増加Ｃｍｉｎが望ましい。しかし、低ドープ密度は大きなデバイスクリーニング長（Ｄｅｂｙｅ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｌｅｎｇｔｈ）とし、不都合にゼロバイアスキャパシタンス（ｚｅｒｏ ｂｉａｓ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）Ｃｍａｘを減少させる。
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ＣＢ＝εＡ／ＬＢはＣｍａｘの幾何学的限界
【００１８】
それぞれのヘテロインターフェースで２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を発生させるために成分的グレード処理（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｌｙ ｇｒａｄｅｄ）された三角量子井戸を使用すると、電極でドープレベルを上昇させる必要なくスクリーニング長を大幅に減少させることができる。図５はゼロバイアスでのＱＨＢＶの伝導帯エッジ図である。２ＤＥＧの存在のため、ゼロバイアスでの電子密度プロフィールは図６に概略的に示すようにインターフェース付近で鋭利にピーク状態となり、非常に短いスクリーニング長となる。その結果、バイアスされたキャパシタンスＣｍａｘは図４に示すように幾何学限界に近づく。このことは平方井戸を使用しても達成できるが、三角井戸は重要な利点を有している。陽極側での井戸の封閉は適用電圧で素早く脱チューニングされる。量子井戸の非存在は電子をバリアから急速に引き離し、図７と図８に示すように鋭いキャパシタンス降下を招く。新規なＳｂ含有ヘテロ構造バリアは量子井戸電極と共に、高い出力パワーを備え、大幅に性能が向上したバラクターマルチプライアを提供する。
【００１９】
本明細書では周波数マルチプライアの漏電を減少させるバラクターダイオードが開示されている。以上の本発明の実施例は発明の説明のためだけに供されている。本業界の技術者であれば本発明の範囲を逸脱せずにそれら実施態様を適宜変更することができよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はＩｎＰ基板上のＨＢＶの伝導帯図である。この構造は本質的にＩｎＰにマッチした２枚の厚いＡｌＩｎＡｓ層格子に挟まれた１枚の薄いＡｌＡｓ（アルミニウム−ヒ素）層で成る。
【図２】図２はＨＢＶのＣ−Ｖプロフィールの概略図である。
【図３】図３はＡｌＳｂからＧａＩｎＡｓのΓポイント伝導帯オフセットを示しており、図１に示すようにＡｌＡｓとＧａＩｎＡｓよりも大幅に高い約２．０電子ボルトである。
【図４】図４はＱＨＢＶのＣ−Ｖプロフィールの概略図である。
【図５】図５はゼロバイアスでのＱＨＢＶの伝導帯エッジ図である。
【図６】図６は非常に短いスクリーニング長を提供するインターフェース付近で鋭利に尖っている電子密度プロフィールを示している。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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