(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層が順に積層されたガンダイオードにおいて、
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第１、第２の電極と、
該第１の電極の周囲から前記第２の半導体層および前記活性層に向けて切り込まれ、且つ前記第１の電極が接続される前記第２の半導体層および前記活性層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ガンダイオード。
【請求項２】
前記第２の電極と前記第１の半導体層との間を短絡する導電性膜を前記凹部内に設けたことを特徴とする請求項１に記載のガンダイオード。
【請求項３】
前記第１、第２の電極が、下地電極層と、該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導電性突起部より構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガンダイオード。
【請求項４】
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請求項１乃至３のいずれか１つに記載のガンダイオード。
【請求項５】
前記第１の電極の面積を、前記第２の電極の面積の１／１０以下に設定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のガンダイオード。
【請求項６】
前記第１の電極および前記第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請求項１乃至５のいずれか１つに記載のガンダイオード。
【請求項７】
前記半導体基板、前記第１の半導体層、前記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウム砒素又はインジウムリンからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のガンダイオード。
【請求項８】
前記第２の電極を、前記第２の半導体層上に配置することに代えて、前記第２の半導体層および前記活性層の一部が除去され露出する前記第１の半導体層に直接接続したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載のガンダイオード。
【請求項９】
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請求項１乃至８のいずれか１つに記載のガンダイオード。
【請求項１０】
半導体基板上に、第１のコンタクト層となる第１の半導体層と、活性層と、第２のコンタクト層となる第２の半導体層とを順に積層形成する第１の工程と、
前記第２のコンタクト層上に所定の面積比のアノード電極又はカソード電極となる第１、第２の電極を分離して形成する第２の工程と、
前記第１、第２の電極をマスクとしてドライエッチングにより前記第２の半導体層および活性層を除去する第３の工程と、
を有することを特徴とするガンダイオードの製造方法。
【請求項１１】
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請求項１０に記載のガンダイオードの製造方法。
【請求項１２】
前記半導体基板、前記第１の半導体層、前記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウム砒素又はインジウムリンからなることを特徴とする請求項１０又は１１に記載のガンダイオードの製造方法。
【請求項１３】
半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を形成し裏面に接地電極を形成したマイクロストリップ線路の該表面に、前記裏面の接地電極からヴィアホールを介して接続される表面接地電極を形成し、
前記信号電極と前記表面接地電極とに、請求項１乃至８のいずれか１つに記載のガンダイオードの第１、第２の電極をそれぞれ接続搭載した、
ことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
【請求項１４】
半絶縁性の平板基板の表面に信号電極および一対の接地電極を形成したコプレーナ線路の該信号電極と該接地電極とに、請求項１乃至８のいずれか１つに記載のガンダイオードの第１、第２の電極をそれぞれ接続搭載した、
ことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
【請求項１５】
前記信号電極の一端が前記ガンダイオードの第１の電極が接続された箇所から長さＬで開放し、該長さＬの第１の電極部分を共振器として働かせ、該長さＬにより発振周波数を決定するようにしたことを特徴とする請求項１３又は１４に記載のガンダイオードの実装構造。
【請求項１６】
絶縁性基板でなるヒートシンクに第４、第５の電極を形成し、
前記請求項９に記載のガンダイオードの第１の電極を前記ヒートシンクの第４の電極に直接接続搭載し、前記請求項９に記載のガンダイオードの第２の電極を前記ヒートシンクの第５の電極に直接接続搭載し、
前記請求項９に記載のガンダイオードの前記第３の電極と前記ヒートシンクの前記第４の電極との間に電圧が印加されるようにした、
ことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
【請求項１７】
半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を形成し裏面に放熱基台を兼ねる接地電極を形成したマイクロストリップ線路に、表面から裏面の接地電極に至る穴を形成し、該穴内において、前記請求項１６に記載のヒートシンクの第５の電極を前記接地電極に接続し、前記請求項１６に記載のガンダイオードの第３の電極を前記マイクロストリップ線路の信号電極に導電線で接続した特徴とするガンダイオードの実装構造。
【請求項１８】
請求項１３乃至１７のいずれか１つに記載のガンダイオードの実装構造において、前記信号電極、前記接地電極、および前記ガンダイオードにより、あるいはこれに誘電体共振器を付加することにより、所定の周波数で発振する発振回路を構成したことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
【請求項１９】
前記信号電極の内の発振回路の電極として機能する部分の少なくとも一部を導体の平板基板により覆い、該平板基板の該導体部分を前記接地電極に接続したことを特徴とする請求項１８に記載のガンダイオードの実装構造。
【請求項２０】
請求項１３乃至１９のいずれか１つに記載のガンダイオードの実装構造において、前記マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路の平板基板の比抵抗を106オーム・ｃｍ以上とし、かつ熱電導率を１４０Ｗ／mＫ以上としたことを特徴とするガンダイオードの実装構造。
【請求項２１】
請求項１３乃至２０のいずれか１つに記載のガンダイオードの実装構造において、前記マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路の平板基板が、ＡｌＮ、ＳｉＣ、又はダイヤモンドの少なくとも一つから構成されていることを特徴とするガンダイオードの実装構造。
【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ガンダイオード、その製造方法、およびその実装構造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)やインジウムリン(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において、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、高電界が加わると加速された電子が有効質量の大きいバンドに遷移してその移動度が低下し、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】
このドメインが走行する距離によってガンダイオードの発振周波数が決定される。ミリ波用のガンダイオードの場合、この走行距離を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。
【０００４】
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ともに、もっとも重要な性能指数を左右する発振効率に大きな影響を及ぼす放熱効率の良いセラミック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。
【０００５】
図２０に従来のメサ型構造のガリウム砒素ガンダイオード素子１００の断面図を示す。高濃度ｎ型ガリウム砒素からなる半導体基板１０１上にＭＢＥ法により高濃度ｎ型ガリウム砒素からなる第１のコンタクト層１０２、低濃度ｎ型ガリウム砒素からなる活性層１０３、高濃度ｎ型ガリウム砒素からなる第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、メサ型構造がとられている。
【０００６】
その後、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を形成するとともに、第２のコンタクト層１０４の表面にアノード電極１０６を形成してから、素子分離を行い、ガンダイオード素子を完成させる。
【０００７】
このように形成されたガンダイオード素子１００は、図２１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、ガンダイオード素子１００を取り囲む外囲器となるガラスや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。ガンダイオード素子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。
【０００８】
更に、金リボン１１３によりガンダイオード素子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への組立が終了する。
【０００９】
ピル型パッケージ１１０に組み立てられたガンダイオードのマイクロストリップ線路１２０への実装構造の一例を図２２に示す。ピル型パッケージ１１０の両電極１１１，１１４の一方は、アルミナ等からなる平板絶縁基板１２１に形成された孔に貫入してその平板基板１２１の裏面に形成された接地電極１２２と電気的に接続され、他方は、金リボン１２３によって平板基板１２１上にマイクロストリップ線路として形成された信号線路１２４に接続される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のガンダイオード素子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、ガンダイオード素子の素子特性がばらつくという問題点があった。
【００１１】
また、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にガンダイオード素子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があった。
【００１２】
更に、ガンダイオード素子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。
【００１３】
本発明の目的は、上記製造上、組み立て上、実装上の問題点を解消するガンダイオード、その製造方法およびその実装構造を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このため、第１の発明のガンダイオードは、半導体基板上に、第１の半導体層、活性層および第２の半導体層が順に積層されたガンダイオードにおいて、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第１、第２の電極と、該第１の電極の周囲から前記第２の半導体層および前記活性層に向けて切り込まれ、且つ前記第１の電極が接続される前記第２の半導体層および前記活性層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。
第２の発明のガンダイオードは、第１の発明において、前記第２の電極と前記第１の半導体層との間を短絡する導電性膜を前記凹部内に設けて構成した。
第３の発明のガンダイオードは、第１又は第２の発明において、前記第１、第２の電極が、下地電極層と、該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導電性突起部より構成されるようにした。
第４の発明のガンダイオードは、第１乃至第３のいずれか１つの発明において、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。
第５の発明のガンダイオードは、第１乃至第４のいずれか１つの発明において、前記第１の電極の面積を、前記第２の電極の面積の１／１０以下に設定して構成した。
第６の発明のガンダイオードは、第１乃至第５のいずれか１つの発明において、前記第１の電極および前記第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。
第７の発明のガンダイオードは、第１乃至第６のいずれか１つの発明において、前記半導体基板、前記第１の半導体層、前記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウム砒素又はインジウムリンからなるよう構成した。
第８の発明のガンダイオードは、第１乃至第７のいずれか１つの発明において、前記第２の電極を、前記第２の半導体層上に配置することに代えて、前記第２の半導体層および前記活性層の一部が除去され露出する前記第１の半導体層に直接接続して構成した。
第９の発明のガンダイオードは、第１乃至第８のいずれか１つの発明において、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。
第１０の発明のガンダイオードの製造方法は、半導体基板上に、第１のコンタクト層となる第１の半導体層と、活性層と、第２のコンタクト層となる第２の半導体層とを順に積層形成する第１の工程と、前記第２のコンタクト層上に所定の面積比のアノード電極又はカソード電極となる第１、第２の電極を分離して形成する第２の工程と、前記第１、第２の電極をマスクとしてドライエッチングにより前記第２の半導体層および活性層を除去する第３の工程と、を有するよう構成した。
第１１の発明のガンダイオードの製造方法は、第１０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。
第１２の発明のガンダイオードの製造方法は、第１０又は第１１の発明において、前記半導体基板、前記第１の半導体層、前記活性層および前記第２の半導体層が、ガリウム砒素又はインジウムリンからなるよう構成した。
第１３の発明のガンダイオードの実装構造は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を形成し裏面に接地電極を形成したマイクロストリップ線路の該表面に、前記裏面の接地電極からヴィアホールを介して接続される表面接地電極を形成し、前記信号電極と前記表面接地電極とに、第１乃至８のいずれか１つの発明のガンダイオードの第１、第２の電極をそれぞれ接続搭載して構成した。
第１４の発明のガンダイオードの実装構造は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極および一対の接地電極を形成したコプレーナ線路の該信号電極と該接地電極とに、第１乃至８のいずれか１つの発明のガンダイオードの第１、第２の電極をそれぞれ接続搭載して構成した。
第１５の発明のガンダイオードの実装構造は、第１３又は第１４の発明において、前記信号電極の一端が前記ガンダイオードの第１の電極が接続された箇所から長さＬで開放し、該長さＬの第１の電極部分を共振器として働かせ、該長さＬにより発振周波数を決定するように構成した。
第１６の発明のガンダイオードの実装構造は、絶縁性基板でなるヒートシンクに第４、第５の電極を形成し、前記第９の発明のガンダイオードの第１の電極を前記ヒートシンクの第４の電極に直接接続搭載し、前記第９の発明のガンダイオードの第２の電極を前記ヒートシンクの第５の電極に直接接続搭載し、前記第９の発明のガンダイオードの前記第３の電極と前記ヒートシンクの前記第４の電極との間に電圧が印加されるように構成した。
第１７の発明のガンダイオードの実装構造は、半絶縁性の平板基板の表面に信号電極を形成し裏面に放熱基台を兼ねる接地電極を形成したマイクロストリップ線路に、表面から裏面の接地電極に至る穴を形成し、該穴内において、前記第１６の発明のヒートシンクの第５の電極を前記接地電極に接続し、前記第１６の発明のガンダイオードの第３の電極を前記マイクロストリップ線路の信号電極に導電線で接続して構成した。
第１８の発明のガンダイオードの実装構造は、第１３乃至第１７のいずれか１つの発明において、前記信号電極、前記接地電極、および前記ガンダイオードにより、あるいはこれに誘電体共振器を付加することにより、所定の周波数で発振する発振回路を構成した。
第１９の発明のガンダイオードの実装構造は、第１８の発明において、前記信号電極の内の発振回路の電極として機能する部分の少なくとも一部を導体の平板基板により覆い、該平板基板の該導体部分を前記接地電極に接続して構成した。
第２０の発明のガンダイオードの実装構造は、第１３乃至第１９のいずれか１つの発明において、前記マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路の平板基板の比抵抗を106オーム・ｃｍ以上とし、かつ熱電導率を１４０Ｗ／mK以上とした。
第２１の発明のガンダイオードの実装構造は、第１３乃至第２０のいずれか１つの発明において、前記マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路の平板基板が、ＡｌＮ、ＳｉＣ、又はダイヤモンドの少なくとも一つから構成されているようにした。
【００３５】
【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の実施の形態のガリウム砒素より構成されたガンダイオード素子１０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。
【００３６】
まず、図２の内容に従って示す製造工程を説明する。不純物濃度が１〜２×1018atom/cm3のｎ型ガリウム砒素からなる半導体基板１１上にＭＢＥ法により、不純物濃度が２×1018atom/cm3で厚さ1.5μmのｎ型ガリウム砒素からなる第１のコンタクト層１２、不純物濃度が1.2×1016atom/cm3で厚さ1.6μmのｎ型ガリウム砒素からなる活性層１３、不純物濃度が１×1018atom/cm3で厚さ0.3μmのｎ型ガリウム砒素からなる第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。
【００３７】
第２のコンタクト層１４上に、カソード電極およびアノード電極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）を蒸着する。ホトレジストを除去した後、加熱処理（アニール）を行い、第２のコンタクト層１４上に、カソード電極１５およびアノード電極１６を分離して形成する（図２の(a)）。図１に示すように、カソード電極１５の平面形状は縁が方形、アノード電極１６の平面形状は円形であるが、楕円形、略正方形等を選択することもできる。
【００３８】
次に、カソード電極１５およびアノード電極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って、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)）。
【００３９】
次に、ホトレジスト１７を除去することにより、カソード電極１５およびアノード電極１６を形成した第２のコンタクト層１４を露出させてから、カソード電極１５およびアノード電極１６をマスクとして使用し、塩素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、第２のコンタクト層１４および活性層１３を除去し、上記アノード電極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、上部のカソード電極１５とアノード電極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。
【００４０】
ここで、凹部２０によって区画されたアノード電極１６が接続される活性層１３の面積は、ガンダイオード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。また、カソード電極１５が接続される活性層１３の面積は、アノード電極１６が接続される活性層１３の面積の１０倍以上として、カソード電極１５下方の半導体積層部の電気抵抗をアノード電極１６下方の半導体積層部の電気抵抗の１／１０以下とすることで、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、カソード電極１５を実質的に第１のコンタクト層１２に接続させる。以上の活性層１３の面積比は、１０未満の場合、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、１００以上とすることが好ましい。
【００４１】
なお、凹部２０の切り込み深さは、活性層１３の全部を除去する深さとしているが、ある程度活性層１３の部分が残るようにしても、また第１のコンタクト層１２にある程度食い込むようにしてもよい。
【００４２】
なお、ここでは、カソード電極下方の活性層面積をアノード電極のそれより大きくしたが、逆にアノード電極下方の活性層面積をカソード電極のそれより大きくしても良い。つまり、アノード電極とカソード電極は相互に取り替えることができる。また、ここでは活性層１３の不純物濃度の濃度勾配が無いようにしたので、アノード電極１９とカソード電極１８は逆であっても差し支えないが、濃度勾配を付けたときは、濃度の低い側の電極がカソード電極、高い側の電極がアノード電極となる。
【００４３】
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６０μm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、Ａｕ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)）。
【００４４】
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、後記する実装構造（図１５）をとる場合には、カソード電極１５に代えたカソード電極として機能させることができる。このとき、カソード電極１５とアノード電極１６との面積比には、上記した１／１０以下にするというような制約はなくなる。
【００４５】
以上説明したように、本実施の形態のガンダイオード１０は、半導体積層部分にアノード電極１６を囲むように凹部２０を形成することにより、ガンダイオードとして機能する部分と、そのガンダイオード部分の第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の上面にカソード電極１５とアノード電極１６の両電極を設けることができる。つまり、同一の面にカソード電極１５とアノード電極１６をまとめることができる。このため、後記するように、実装上、放熱上等で大きな利点を発揮する。
【００４６】
また、動作電流を決定する領域（ガンダイオードとして機能する部分）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。
【００４７】
図３の(a)は図１の(b)に示したガンダイオード素子１０の変形例１０’を示す図であり、凹部２０の内において、導電性膜２２を被着し、第１のコンタクト層１２とカソード電極１５を短絡する構造としたものである。このようにすれば、カソード電極１５から第１のコンタクト層１２までの間の寄生抵抗が大きい場合に、その寄生抵抗の影響を防止でき、カソード電極１５に印加する電圧をほとんど損失なく、第１のコンタクト層１２に伝達することができる。
【００４８】
なお、このガンダイオード素子１０’の考え方を更に押し進めたものとして、図３の(b)に示すガンダイオード素子１０”のように、カソード電極１５を第１のコンタクト層１２の上面に直接形成し、その上面にバンプ１８を形成し、他は図１の(b)に示す構造と同様にして、バンプ１８，１９の上面が同一レベルの高さで並ぶようにすることもできる。
【００４９】
［第２の実施の形態］
図４はガンダイオード素子１０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。ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、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。
【００５０】
ガンダイオード素子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はガンダイオード素子１０に電源電圧を供給するバイアス部の電極、３２Ｂはガンダイオード素子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、３６は直流カットを行うコンデンサ部、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。
【００５１】
この実装構造では、ガンダイオード素子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。
【００５２】
また、ガンダイオード素子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素子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。
【００５３】
図５は図４に示した発振器において、そのバイアス部の電極３２Ａを信号出力部の電極３２Ｃ側に設けたものである。この図５に示す構造の平板基板３１の平面は、図６の(a)に示すようになり、先端開放の電極３２Ｂの長さＬを調整することで、発振周波数と発振出力を設定することができる。図７はこれを示す特性図であり、電極３２Ｃの特性インピーダンスを５０Ω、電極３２Ｂの特性インピーダンスを３５Ωにした場合のものである。
【００５４】
図８は発振スペクトラムを示す図であり、ピーク発振周波数が58.68ＧＨｚにおいて、位相雑音が１００ＫＨｚオフキャリア（離れたところ）で−85dB／Hzとなっており、導波管キャビティによるガンダイオード発振器よりも良好な値を示している。なお、図８では−46.7dBであるが、
−47.6dB＋2.5dB＋10log（１Hz／（10KHz×1.2））＝−85dB
の式により、−85dB／Hzとなる。
【００５５】
なお、図６の(b)に示したように、ガンダイオード素子１０の中央のアノード電極のバンプ１９を、ヴィアホールで裏面の接地電極に接続された表面接地電極３５’に接続し、両側のカソード電極のバンプ１８の一方を共振器の電極３２Ｂ’に、他方を出力用の電極３２Ｃにそれぞれ接続して発振器を構成したときは、図９に示すように、ピーク発振周波数が61.63ＧＨｚにおいて、位相雑音が１００ＫＨｚオフキャリアで−75dB／Hz（図９では−36.7dB／Hzであるが上記式と同様の式により求めた。）となっており、図６の(a)に示した接続構造に比べて１０ｄＢだけ劣化していることが分かった。
【００５６】
この理由は、図６の(a)の接続構造では、ガンダイオード素子１０の半導体基板１１がバンプ１８や表面接地電極３５等を介して接地され、その半導体基板１１が遮蔽板として機能し、発振器の放射損によるＱの低下が抑制され、これにより位相雑音が改善されているものと推定される。
【００５７】
図１０は図５に示した発振器において、表面接地電極３５に並ぶように電極３２Ｂの両側に沿って別の表面接地電極３５’を形成して、これをヴィアホール（図示せず）で裏面の接地電極３３に接続し、発振器を構成する電極３２Ｂを覆うように導電性の平板基板８０を設けたものである。この平板基板８０は表面接地電極３５’に接続するためのバンプ８１を両側に持つ。
【００５８】
この図１０に示す構造では、導電性の平板基板８０がバンプ８１、表面接地電極３５’を介して接地されるので、共振器における放射損がさらに抑制され、高いＱをもつ共振器を実現できる。平板基板８０は、少なくともその１部が金属電極で覆われた構造であれば、基板自体は半絶縁性の材質であっても良い。また、この平板基板８０を使用せずに、ガンダイオード素子１０のチップサイズを大きくして、ガンダイオード素子１０の半導体基板１１により電極３２Ｂを覆うように構成しても、同様に高いＱを得ることができる。また、表面接地電極３５’は表面接地電極３５を延長して形成してもよい。
【００５９】
［第３の実施の形態］
図１１はガンダイオード素子１０をコプレーナ線路４０を構成する回路基板に実装した構造の一例を示す図である。４１は前記基板３１と同様の材質からなる半絶縁性の平板基板であり、上面に信号線路を形成する信号電極４２と、それを挟むように１対の接地電極４３が形成されている。
【００６０】
ここでは、ガンダイオード素子１０は、そのアノード電極のバンプ１９が中央の信号線路４２に、カソード電極のバンプ１８が両側の接地電極４３に直接接合されている。これにより、信号電極４２と接地電極４３の間に印加された電圧がガンダイオード素子１０のアノード電極とカソード電極との間に印加され、発振を起こさせることができる。この図１１に示す実装構造においても、図４、図５、図１０に示した実装構造と同様に、特性を安定化し、放熱効果が高くなり、アノード電極が保護される等の作用効果がある。
【００６１】
図１２は＋3.0Ｖ印加のためのバイアス部としての電極４２Ａを信号線路４２に連続して形成したものである。この電極４２Ａの周囲には接地電極４３により電源への影響を緩和するためのチョークが形成されている。ここでも、発振器を構成する電極３２Ｂのガンダイオード素子１０の部分から開放先端までの長さを調整することにより、発振周波数や発振出力を設定することができる。４２Ｃは信号出力部の電極である。
【００６２】
図１３は前記した図１０と同じ発想に基づくものであり、発振器を構成する電極４２Ｂの上面を導電性の平板基板８０で覆い、その平板基板８０の両側のバンプ８１を接地導体４３に接続したものである。これにより、共振器における放射損が抑制され、高いＱをもつ共振器を実現できる。
【００６３】
［第４の実施の形態］
図１４はガンダイオード素子１０の放熱構造を示す図である。５０はダイアモンド基板５１を使用したヒートシンクであり、ガンダイオード素子１０のカソード電極のバンプ１８が接続される電極５２、アノード電極のバンプ１９が接続される電極５３が形成されている。電極５２は電極５３から分離独立し、電極５３は接地電極５４に連続している。
【００６４】
ガンダイオード素子１０はガンダイオードとして機能するアノード電極に対応する半導体積層部分で熱が発生するが、その熱はバンプ１８，１９（主としてバンプ１９）を介してヒートシンク５０に伝達され、冷却作用が行われる。
【００６５】
図１５は図１４に示したガンダイオード素子１０の実装構造を、マイクロストリップ線路６０に組み込んだものである。ガンダイオード素子１０を実装したヒートシンク５０を、このマイクロストリップ線路６０に形成した穴６１内で、放熱基台を兼ねた接地電極６２に接着させ、アルミナの平板基板６３上の信号電極６４とガンダイオード素子１０の裏面のカソード電極２１を金リボン２２で接続している。
【００６６】
この構造では、信号電極６４と接地電極６２の間に印加された電圧が金リボン２２とヒートシンク５０の電極５３，５４を経由して、カソード電極２１とアノード電極１９に印加する。ここでは、カソード電極１５のバンプ１８はフェースダウン姿勢を両側で保持するスペーサとして機能し、電流伝達経路としては機能しない。この構造は非常に簡単であり、従来のピルパッケージ１１０を使用する場合に比べて大幅なコストダウンが可能である。
【００６７】
［第５の実施の形態］
図１６は別の例のガンダイオード素子１０Ａの構造を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。ここでは、アノード電極１９を４個独立して形成し、これに対応して４個の凹部２０によって、４個のメサ型構造のガンダイオード部分を形成している。個々のメサ型構造のガンダイオード部分は、電圧が共通に印加されるので、動作時は並列接続された状態となる。
【００６８】
ここではメサ型構造部分の半径を小さくすることができ、４個のメサ型構造のガンダイオード部分の合計面積と等しい１個のメサ型構造のガンダイオード部分と比べて、放熱効果が格段に高くなるので、変換効率（入力電力と出力電力の比率）や発振電力を大幅に高くすることが可能となる。なお、メサ型構造部分の面積を小さくするとその強度が弱くなり、実装の段階での破損が危惧されるが、カソード電極のバンプ１８がその周囲に形成され、この部分が実質的に荷重を受けることになるので、破損のおそれはない。なお、メサ型構造の独立したガンダイオード部分は、４個に限られるものではない。また、この複数のガンダイオードの断面積は、同一である必要はなく、その断面形状（アノード電極の形状）も丸形に限られず、任意形状にすることができる。
【００６９】
図１７はこの変換効率率η（％）と発振電力Ｐ（ｍＷ）をメサ型構造のガンダイオード部分の数による変化を調べた特性図である。メサ型構造のガンダイオード部分の数をアノード電極合計面積を変更することなく４個から９個にすると、発振効率、発振電力ともに高くなっていることがわかる。図１８はメサ型構造のガンダイオード部分を前記とは異なるアノード電極合計面積で４個から６個に変化させたときの同様の特性図であり、同様の傾向を確認できる。
【００７０】
なお、これらの測定は、図１９に示すように導波管に実装した条件のもとで行った。７０は導波管、７１はその導波管７０内に設けた導電性台座（アノード）、７２はこの台座７１上に絶縁基板７３を接着するソルダである。複数のアノード電極をもつガンダイオード素子１０Ａは、フェースダウン姿勢でそのカソード電極のバンプ１８を電極７４を介して絶縁基板７３上に支持し、アノード電極のバンプ１９を電極７５、絶縁基板７３に形成されたヴィアホール７６、およびソルダ７２を介して台座７１に接続した。また、導波管７０にはバイアス電圧が印加されるバイアスポスト７７を差し込み、その下端を金リボン７８を介してガンダイオード素子１０Ａの裏面の電極２１に接続した。
【００７１】
［その他の実施の形態］
なお、以上の説明は半導体としてガリウム砒素を用いた例を示したが、インジウムリンその他の化合物半導体を使用しても、同様の効果が生じる。また、以上説明したストリップ線路やコプレーナ線路にガンダイオード素子を実装して発振器を構成する場合は、さらにこれに誘電体共振器を付加することもできる。
【００７２】
【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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
さらに、発振器を構成するよう実装したとき、その発振器の部分が、ガンダイオード又はそれに加えて導電性の平板基板により遮蔽されるので、位相雑音を大幅に低減させそのＱを高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態のガンダイオード素子を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図２】  上記ガンダイオード素子の製造方法を説明する図である。
【図３】  (a),(b)は上記ガンダイオード素子の変形例を示す断面図である。
【図４】  上記ガンダイオード素子をマイクロストリップ線路に実装した第２の実施の形態の斜視図である。
【図５】  図４の実装構造の変形例の斜視図である。
【図６】  (a),(b)はガンダイオード素子の実装形態の表面図である。
【図７】  発振器としてガンダイオード素子実装したとき電極３２Ｂの長さＬによる発振周波数と発振出力の特性図である。
【図８】  ガンダイオード素子を図６の(a)の向きで実装したときの発振周波数のスペクトラム図である。
【図９】  ガンダイオード素子を図６の(b)の向きで実装したときの発振周波数のスペクトラム図である。
【図１０】  図５の実装構造に平板基板を追加実装した斜視図である。
【図１１】  上記ガンダイオード素子をコプレーナ線路に実装した第３の実施の形態の斜視図である。
【図１２】  図１１の実装構造の変形例の斜視図である。
【図１３】  図１２の実装構造に平板基板を追加実装した斜視図である。
【図１４】  ガンダイオード素子をフェースダウン姿勢でヒートシンクに実装した第４の実施の形態を示す図で、(a)はヒートシンクの平面図、(b)は実装状態の断面図である。
【図１５】  図１４に示したヒートシンクに実装したガンダイオード素子をマイクロストリップ線路にさらに実装した状態を示す断面図である。
【図１６】  本発明の第５の実施の形態のガンダイオード素子を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図１７】  ガンダイオード素子のある特定の合計面積のメサ型構造部分の数に応じた出力電力と変換効率の特性を示す図である。
【図１８】  ガンダイオード素子の別の合計面積のメサ型構造部分の数に応じた出力電力と変換効率の特性を示す図である。
【図１９】  図１７、図１８の特性測定に使用したガンダイオード実装状態の説明図である。
【図２０】  従来のメサ型構造のガンダイオードの断面図である。
【図２１】  従来のメサ型構造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。
【図２２】  ピル型パッケージをマイクロストリップ線路に搭載した説明図である。
【符号の説明】
１０、１０’、１０”１０Ａ：ガンダイオード素子、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：カソード電極、１６：アノード電極、１７：ホトレジスト、１８，１９：バンプ、２０：凹部、２１：金属膜、２２：金リボン、
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、３５’：表面接地電極、
４０：コプレーナ線路、４１：平板基板、４２：信号電極、４２：接地電極、
５０：ヒートシンク、５１：基板、５２〜５４：電極、
６０：マイクロストリップ線路、６１：穴、６２：接地電極（放熱基台）、６３：平板基板、６４：接地電極、
７０：導波管、７１：導電性台座（アノード）、７２：ソルダ、７３：絶縁基板、７４、７５：電極、７６：ヴィアホール、７７：バイアスポスト、７８：金リボン
８０：平板基板、３１：バンプ、
１００：従来のガンダイオード素子、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、
１２０：マクロストリップ線路、１２１：平板基板、１２２：接地電極、１２３：金リボン、１２４：信号電極。
【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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【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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【図２２】
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