(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体アノード層,半導体活性層,半導体ベース層および半導体カソード層が順次積層されて成るヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体カソード層は複数のカソード領域に分割されており、
上記半導体ベース層と半導体活性層との界面の延在方向に互いに隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の間隔は、上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの２倍以下である
ことを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項２】
請求項１に記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記複数のカソード領域は、単一の半導体ベース層上に隣接して形成されると共に、互いに金属電極で電気的に接続されていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域と半導体ベース層との界面は矩形であることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項４】
請求項３に記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域は、長辺と短辺とを有する矩形状を成すと共に、上記長辺を他のカソード領域の上記の長辺に隣接させて配列されていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項５】
請求項４に記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域は、長手方向に２列に配列されていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層は少なくとも２層から成り、そのうちの１層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項８】
請求項６あるいは請求項７に記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度の減少は、上記半導体ベース層側からの距離に対して比例することを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか１つに記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域上にバラスト層を積層したことを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか１つに記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体アノード層,半導体活性層,半導体ベース層および半導体カソード層は、III族元素Ｇa,Ｉn,Ａlの少なくとも一つ以上とＶ族元素Ａs,Ｐ,Ｎ,Ｓbの少なくとも一つ以上とを含むIII‐Ｖ族化合物半導体で構成されていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項９の何れか１つに記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴とする電圧制御周波数可変発振器。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項９の何れか１つに記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴とする注入同期発振器。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項９の何れか１つに記載のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴とする自己発振ミキサ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の自己発振ミキサを用いたことを特徴とする受信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、III‐Ｖ化合物半導体素子から成るヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード、および、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,受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、下記先行文献に記載されているように高周波発振器あるいは自励発振ミキサとして動作する。
先行文献
“Demonstration of a 77-GHz Heterojunction Bipolar Transferred Electron Device”，J.K.Twynam, M.Yagura, N.Takahashi, E.Suematsu and H.Sato, IEEE Electron Device Lett.21(01),pp.2-4,2000.
【０００３】
従来のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、べース領域に隣接した単一のカソード領域を有している。そのために、高い発振出力パワーを得るためには高い動作電流を必要とし、広いカソード領域が必要である。しかしながら、カソード領域の面積を増加させるとデバイスの性能の劣化を招くという問題がある。図２６に、長さＬ,幅Ｗの矩形カソード層３を持つ従来のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの一例を示す。図２６において、金属ベースオーミック接触電極５は、デバイスの動作に重要な低ベース抵抗を与えるようにカソード層３を取り巻いて形成されている。
【０００４】
図２７は、図２６における矩形のカソード層３の幅ＷをＷ'に増大して、カソード面積が増加されたヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを示す。図２８は、図２６における矩形のカソード層３の長さＬをＬ'に増大して、カソード面積が増大されたヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを示す。尚、図２６〜図２８において、１はｎ型半導体アノード層、２はｐ型半導体ベース層、３はｎ型半導体カソード層、４は金属アノードオーミック接触電極、５は金属ベースオーミック接触電極、６は金属カソードオーミック接触電極、７は金属第２アノード電極、８は金属第２べース電極、９は金属第２カソード電極である。また、図２６〜図２８においては、活性層は半導体ベース層２の下側に在って隠れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のカソード領域が単一であるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードには、以下のような問題がある。すなわち、先ず、図２７に示すヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、ｎ型半導体カソード層３の幅Ｗが増大しているため、低ベース抵抗を与えるようにｎ型半導体カソード層３を取り巻いて形成されている金属ベースオーミック接触電極５の面積も大きくなる。したがって、熱抵抗の増大と共に、素子の効率的動作に重要なベース抵抗が増大するという問題がある。また、図２８に示すヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、ｎ型半導体カソード電極３の電極長Ｌが増大しているため、低ベース抵抗を与えるようにｎ型半導体カソード電極３を取り巻いて形成されている金属ベースオーミック接触電極５の長さも長くなる。したがって、金属ベースオーミック接触電極５を電流が流れる経路の長さが増加し、そのために素子のベース抵抗が増大するという問題がある。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、ベース抵抗および熱抵抗が低く且つ高い発振出力パワーを得ることができるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード、および、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,受信装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明は、
半導体アノード層,半導体活性層,半導体ベース層および半導体カソード層が順次積層されて成るヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体カソード層は、複数のカソード領域に分割されており、
上記半導体ベース層と半導体活性層との界面の延在方向に互いに隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の間隔は、上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの２倍以下である
ことを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、半導体ベース層上に形成された半導体カソード層は、複数のカソード領域に分割されている。したがって、上記カソード領域と半導体ベース層との界面が小さくなって熱抵抗が低くなる。また、上記カソード領域直下の活性ベース領域とその近辺の不活性ベース領域とが小さくなってベース抵抗が低くなる。
【０００９】
さらに、上記半導体ベース層と半導体活性層との界面の延在方向に互いに隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の間隔を、上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの２倍以下にしている。したがって、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って、高い発振出力パワーが得られる。
【００１０】
また、第１の実施例は、
上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記複数のカソード領域は、単一の半導体ベース層上に隣接して形成すると共に、互いに金属電極で電気的に接続されていることを特徴としている。
【００１１】
この実施例によれば、上記複数のカソード領域が互いに金属電極で電気的に接続されて、１つの半導体カソード層として機能する。こうして、半導体カソード層の実質的な面積増加が図られて、各カソード領域における最も狭い部分の間隔が上記半導体活性層の厚さの２倍以下であれば、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインは結合し、同期発振が起って、高い発振出力パワーが得られる。また、各カソード領域の上記間隔が上記半導体活性層の厚さの２倍よりも大きい場合には、外部Ｑ値の高い共振回路を接続することによって上記各ガンドメインは同期伝播されて、高い発振出力パワーが得られる。
【００１２】
また、第２の実施例は、
上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域と半導体ベース層との界面は矩形であることを特徴としている。
【００１３】
この実施例によれば、上記夫々のカソード領域と半導体ベース層との界面が矩形であるため、互いに隣接するカソード領域における最も狭い部分の領域が上記矩形の一辺に亙って長く得られる。したがって、上記複数のカソード領域を互いに金属電極で電気的に接続することによって、上記最も狭い部分の間隔が上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの２倍以下である場合には、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインのカップリングがより強くなり、より高い発振出力パワーが得られる。さらに、デバイスの作成が容易になる。
【００１４】
また、第３の実施例は、
上記第２の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域は、長辺と短辺とを有する矩形状に成すと共に、上記長辺を他のカソード領域の上記の長辺に隣接させて配列されていることを特徴としている。
【００１５】
この実施例によれば、矩形のカソード領域が、その長辺を他のカソード領域の長辺に隣接させて配列されている。したがって、互いの短辺を隣接させて配列される場合に比して、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインのカップリングが強くなり、同期発信が発生し易くなる。
【００１６】
また、第４の実施例は、
上記第３の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域は、長手方向に２列に配列されていることを特徴としている。
【００１７】
この実施例によれば、上記各カソード領域が、その長手方向に２列に配列されているので熱抵抗が低くなる。
【００１８】
また、第５の実施例は、
上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっていることを特徴としている。
【００１９】
この実施例によれば、上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度に傾斜が設けられているので、電子の走行方向(深さ方向)への電流密度分布が相殺されて素子内の時間平均電界強度がある程度一定になる。こうして、効率と出力パワーとが高められる。
【００２０】
また、第６の実施例は、
上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層は少なくとも２層から成り、そのうちの１層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっていることを特徴としている。
【００２１】
この実施例によれば、少なくとも２層から成る上記半導体活性層の１層における不純物ドーピング濃度に傾斜が設けられているので、効率と出力パワーとが高められる。
【００２２】
また、第７の実施例は、
上記第５の実施例あるいは第６の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度の減少は、上記半導体ベース層側からの距離に対して比例することを特徴としている。
【００２３】
この実施例によれば、上記効率と出力パワーとがさらに高められる。
【００２４】
また、第８の実施例は、
上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域上にバラスト層を積層したことを特徴としている。
【００２５】
上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードでは、ガンダイオードや米国特許第３９１８００９号に開示されているモノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合と異なり、熱によって正のフィードバック(温度上昇によって電流が増加し更に温度上昇を招く)が生じて電流集中(素子内での温度の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を生じてしまうこと)が生じる。
【００２６】
この実施例によれば、上記各カソード領域上にはバラスト抵抗が積層されている。したがって、上述したような上記各カソード領域内および各カソード領域間の平面的な温度分布による電流集中が防止され、素子全体の時間平均電界強度が一定になる。こうして、発振強度の低下が防止されて安定した高出力の発振出力が得られるのである。
【００２７】
また、第２の発明の電圧制御周波数可変発振器は、
上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴としている。
【００２８】
ガン発振素子の場合、その発振周波数は主に活性層の長さと電子の飽和速度によって決まっているが、バイアス電圧を変化させることで飽和速度を変化させて発振周波数を変えることができる。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ることによって電圧制御周波数可変発振器として機能するのであるが、上記電圧の変化に伴って電流も大きく変動してしまう。その結果、消費電流および出力パワーが同時に変動することになり、電圧制御周波数可変発振器としての特性としては悪くなる。また、米国特許第３９１８００９号に開示されているモノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合は、カソード‐アノード間にバイアス電圧を掛けるため、ベース‐アノード間の電圧が変化してアノード電流が変化し、消費電流および出力パワーが同時に変動することになる。
【００２９】
上記構成によれば、電圧制御周波数可変発振器を、上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。ここで、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、アノード電流はベース‐カソード間の電圧で制御されるようになっており、ベース‐アノード間の電圧には殆ど依存しない性質を有している。したがって、ベース‐アノード間の電圧を変化させることによって、アノード電流を変化させずに発振周波数を変えることができ、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周波数可変発振器が得られる。
【００３０】
また、第３の発明の注入同期発振器は、
上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴としている。
【００３１】
ガン発振素子は、素子の電圧条件や電流条件によって発振周波数や発振出力が変動する。そして、同期信号が注入されると上記動作条件が変動するため、発振周波数の同期信号周波数の整数倍への引き込みが生じる。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のであるが、上述したように同期信号の電力でガンダイオードの動作条件が影響を受ける必要があるので注入信号は大きな電力が必要である。
【００３２】
上記構成によれば、注入同期発振器を、上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。ここで、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合、ベース‐カソード間への同期信号の入力がアノード電流の増幅を齎すので、同じ電力の注入信号で上記ガンダイオードに比してベース‐アノード間の電圧および電流を大きく変化させることができる。したがって、同じ発振出力を得るのであれば、上記ガンダイオードに比して注入信号の電力を小さくすることが可能になる。または、一定の注入信号の強度によって、上記ガンダイオードに比して注入同期できる周波数引き込み可能周波数を広く取ることが可能になる。
【００３３】
さらに、上記ガンダイオードの場合には、発振出力が同期信号源に逆流して同期信号源の位相雑音を増加させる場合がある。また、米国特許第３９１８００９号に開示されているモノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、同期信号をゲート端子から入力するので上記ガンダイオードの場合よりはアノードからゲートヘのアイソレーションが良好であり、同期信号源への発振出力の逆流が少ない。しかしながら、やはり充分ではなくフィルタやバッファアンプによる逆流防止が必要となる。
【００３４】
上記構成によれば、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは上記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ので、アノードからカソードヘのアイソレーションが非常に良好である。したがって、カソード側への発振信号の逆流が効果的に防止され、ベースを接地しカソードから同期信号を入力すると、発振出力が同期信号源に逆流することが無く、位相雑音が増加することは無い。
【００３５】
また、第４の発明の自己発振ミキサは、
上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴としている。
【００３６】
ガン発振素子は、素子の電圧条件や電流条件によって発振出力が変動することを利用して、発振器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。ガンダイオードの場合には、入出力が同じカソード‐アノード間に生ずるので各信号間のアイソレーションが悪く、２端子素子であるから変換利得はない。また、米国特許第３９１８００９号に開示されているモノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、上記ガンダイオードの場合よりはアノードからゲートヘのアイソレーシヨンが良好ではあるが充分ではなく、フィルタやバッファアンプによる逆流防止を行わないと大きなローカル信号で入力側のアンプを飽和させてしまう場合がある。
【００３７】
上記構成によれば、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは上記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ので、アノードからカソードヘのアイソレーションが非常に良好である。したがって、カソード側への発振信号の漏洩をなくすることができ、べースを接地してカソードから入力信号を入力するようにすると、発振出力からのアイソレーションが容易に可能となる。
【００３８】
さらに、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードのベース‐カソード間への同期信号の入力は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。また、通常のトランジスタを用いたミキサの場合には、トランジスタの高周波特性がミキサの変換効率に影響するため、トランジスタにおける信号の遅延時間(主にコレクタ層の遅延時間)で高周波特性に限界が生じている。しかしながら、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、カソード‐ベース間の遅延時間(極めて小さい)が高周波信号の限界を決めているため、応答時間が速くより高周波での使用が可能となる。
【００３９】
また、第５の発明の受信装置は、
上記第４の発明の自己発振ミキサを用いたことを特徴としている。
【００４０】
３０ＧＨz以上の周波数帯域における通信の場合には、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に、比較的自由に構内や家庭内のデータや画像等の広帯域通信に用いることができる。しかしながら、３０ＧＨz以上の周波数帯域では増幅素子の利得が小さく部品価格も高いため、できるだけ部品が比較的容易に手に入る低い中間周波数、できれば１ＧＨzから２ＧＨz程度の中間周波数での回路で増幅を行なうようにする場合が多い。そのために、受信機において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とが近接してしまう。そのため、受信機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。
【００４１】
上記構成によれば、受信機に上記第４の発明の自己発振ミキサを用いているため、ローカル発振周波数の高周波信号入力ヘの漏洩が無い。したがって、優れた受信機が得られるのである。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード発振器またはミキサにおいて、ガン発振は活性層で起こり、発振信号はアノード電極とベース電極(通常は接地)との間に現れる。
【００４３】
カソード電極は素子に直流バイアスを印加する働きを有しているが、殆ど完全に高周波信号から分離されている。図４に、ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード素子の模式的断面図を示す。図４において、１１はｎ型半導体アノード層、１２はｎ型活性層、１３はｐ型半導体ベース層、１４はｎ型半導体カソード層である。そして、ｎ型半導体カソード層１４直下のｐ型半導体ベース層１３に直接隣接しているｎ型活性層１２でガンドメインは発生し、４０度の角度で広がりつつｎ型活性層１２を横切って移動する。図４における矢印は電子の流れである。
【００４４】
（参考例）
図１は、本参考例における２つのカソード層を有する２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける動作中の断面図である。図１において、１５はｎ＋型ＧaＡsアノード層であり、１６はｎ型ＧaＡs活性層であり、１７はｐ＋型ＧaＡsベース層であり、１８は第１ｎ型ＡlＧaＡsカソード層であり、１９は第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層である。
【００４５】
上記第１ｎ型ＡlＧaＡsカソード層１８と第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層１９とは空間的にｎ型ＧaＡs活性層１６の厚さの２倍より大きい距離だけ離れており、夫々のｎ型ＡlＧaＡsカソード層１８,１９直下のｎ型ＧaＡs活性層１６で発生したガンドメイン間に相互作用は無い。ここで、ｎ型ＧaＡs活性層１６中における曲線は素子動作中における等電子濃度点を結んで得られた等高線であり、２次元デバイスシミュレータによって得たものである。尚、２０は伝播している第１ガンドメインであり、２１は伝播している第２ガンドメインである。
【００４６】
上記第１,第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層１８,１９に基づく第１,第２ガンドメイン２０,２１は独立に伝播するため、各カソード層１８,１９で発生した発振信号は本質的に独立であり、その出力が外部Ｑ値の高い共振回路に接続されない限り各々の周波数および位相は異なる。このことは、マルチフィンガー素子の出力パワーの減少となる。この問題はヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードに特有であり、バイポーラトランジスタには見られない。
【００４７】
図２は、図１に示す第１,第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層１８,１９が空間的にｎ型ＧaＡs活性層１６の厚さの２倍より大きい距離だけ離れた２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度のシミュレーション結果を示す。上述のごとく、２つのｎ型ＡlＧaＡsカソード層１８,１９下における第１,第２ガンドメイン２０,２１間の相互作用はない。そして、発振は２つの個別の基本波およびこれらの高調波で起こり、電流密度が高い基本波の最大電流密度は９０００Ａ/cm2である。この２つの個別の基本波と高調波とは２つの独立した第１,第２ガンドメイン２０,２１で生成され、周波数１０６ＧＨzの基本波Ｆ1およびこの基本波Ｆ1の高調波２Ｆ1(周波数２１２ＧＨz),３Ｆ1(周波数３１６ＧＨz)と、周波数１４０ＧＨzの基本波Ｆ2およびこの基本波Ｆ2の高調波２Ｆ2(周波数２８０ＧＨz)である。このように、２つのガンドメインが結合・同期しないような非最適な位置に、第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層１９を設けることは素子性能の劣化になることは明白である。
【００４８】
上記シミュレーションの結果をより現実的にするために、初期条件に初期電界分布の非対称性を招くランダム条件を取り入れた。しかしながら、シミュレーションを進めてもこの非対称性は消えなかった。図１に示す素子には２つのカソード領域があり、夫々のガンドメイン２０,２１は非結合で異なる伝播状態にあるようである。このことは、各ガンドメイン２０,２１で発生した信号は同期しないで出力パワーが大きく減少することが予測される。そこで、この素子には、外部Ｑ値の高い共振回路を接続するのである。こうすることによって、２つのガンドメイン２０,２１の同期伝播が達成でき、その出力電流を増加することができるのである。
【００４９】
図３は、図１に示す２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードと同じカソードフィンガー幅を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度のシミュレーション結果である。このシミュレーション結果において、高周波出力はショートサーキットにおいて基本波Ｆ0の出力電流密度の大きさは１２５００Ａ/cm2である。
【００５０】
上述したように、本参考例においては、第１,第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層１８,１９を、空間的にｎ型ＧaＡs活性層１６の厚さの２倍より大きい距離だけ離して設けて、２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを構成する。この場合、２つのｎ型ＡlＧaＡsカソード層１８,１９直下のｎ型ＧaＡs活性層１６に発生した２つの第１,第２ガンドメイン２０,２１は互いに独立に伝播し、各カソード層１８,１９に発生する発振信号も互いに独立である。したがって、電流密度が高い基本波Ｆ2の最大電流密度でも９０００Ａ/cm2であり、同じカソードフィンガー幅を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度１２５００Ａ/cm2よりも小さい。
【００５１】
そこで、本参考例においては、上記トリオード素子に、外部Ｑ値の高い共振回路を接続するのである。こうすることによって、２つのガンドメイン２０,２１を同期伝播させることができ、その出力電流を増加できるのである。
【００５２】
すなわち、本参考例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード素子においては、ｐ＋型ＧaＡsベース層１７上に形成されるｎ型ＡlＧaＡsカソード層を、第１ｎ型ＡlＧaＡsカソード層１８と第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層１９との２つのカソード層に分割する。そして、個々のカソード層上に形成される金属カソードオーミック接触電極同士を電気的に接続することによって、実質的なカソード層の面積増大を図って高い発振出力パワーを得るのである。その場合には、個々のカソード層１８,１９を従来の単一フィンガー素子の場合におけるカソード層と同程度の大きさ・形状にすることができるため、カソード領域とベース領域との界面を小さな矩形にして熱抵抗を抑えることができる。さらに、カソード領域直下の活性ベース領域とその近辺の不活性ベース領域とを小さくしてベース抵抗を小さくできるのである。
【００５３】
但し、本参考例のごとく２つのカソード層１８,１９間が活性層１６の厚さの２倍より大きい距離だけ離れてしまうと、各カソード層１８,１９は個別に機能してカソード層の面積増大効果は得られない。したがって、その場合には、外部Ｑ値の高い共振回路を接続して２つのガンドメイン２０,２１を同期伝播させ、高い発振出力パワーを得るのである。
【００５４】
尚、本参考例においては、２つのカソード層を有する２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを例に説明したが、３以上のカソード層が、空間的に、活性層の厚さの２倍より大きい距離だけ互いに離れて設けられたマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードであっても同じ特性が得られる。したがって、外部Ｑ値の高い共振回路を接続することによって、同様の効果を奏することができるのである。
【００５５】
＜第１実施の形態＞
図５は、本実施の形態における２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面図である。図５において、２５はｎ＋型ＧaＡsアノード層、２６はｎ型ＧaＡs活性層、２７はｐ＋型ＧaＡsベース層、２８は第１ｎ型ＡlＧaＡsカソード層、２９は第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層、３０は共通の伝播するガンドメインである。
【００５６】
ここで、上記第１,第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層２８,２９は空間的にｎ型ＧaＡs活性層２６の厚さの２倍以下の距離だけ離れている。この場合、夫々のｎ型ＡlＧaＡsカソード層２８,２９直下のｎ型ＧaＡs活性層２６で発生して広がるガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、Ｑ値が高い外部回路がなくとも同期した伝播および発振が起るのである。上記参考例の場合と同様に初期条件にランダム条件を導入したが、シミュレーションが進むに連れて非対称性は消滅し同期ドメイン伝播がすぐに生じた。
【００５７】
図６は、本実施の形態における２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度のシミュレーション結果である。ここで、上述したように、２つのｎ型ＡlＧaＡsカソード層２８,２９の間隔はｎ型ＧaＡs活性層２６の厚さの２倍以下であり、発生した２つのガンドメインは重なり、電界は互いに結合して、同期した伝播および発振が起こる。その結果、この素子においては、周波数１００ＧＨzの１つの基本波Ｆ0とこの基本波Ｆ0の高調波２Ｆ0(周波数２００ＧＨz),３Ｆ0(周波数３００ＧＨz)とが生成され、基本波Ｆ0での出力電流密度の大きさは約１４０００Ａ/cm2である。
【００５８】
この値は、減少した２つのカソード層間の容量のために、図３に示す単一フィンガー素子の場合における出力電流密度１２５００Ａ/cm2より僅かに大きい。このことは、素子面積の増大によって、出力パワーが増大することを示している。尚、上記基本波Ｆ0および高調波２Ｆ0,３Ｆ0以外の基本波および高調波の出力信号は見られない。
【００５９】
上述したように、本実施の形態においては、第１,第２ｎ型ＡlＧaＡsカソード層２８,２９を、空間的にｎ型ＧaＡs活性層２６の厚さの２倍以下の距離だけ離して設けて、２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを構成する。この場合、２つのｎ型ＡlＧaＡsカソード層２８,２９直下のｎ型ＧaＡs活性層２６に発生して広がる２つのガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、Ｑ値の高い外部回路がなくとも同期した伝播および発振が起る。したがって、基本波Ｆ0の出力電流密度は約１４０００Ａ/cm2であり、同じカソードフィンガー幅を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度１２５００Ａ/cm2よりも高い発振出力パワーが、外部Ｑ値の高い共振回路を接続することなく得られるのである。
【００６０】
尚、本実施の形態においては、２つのカソード層を有する２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを例に説明したが、３以上のカソード層が、空間的に、活性層の厚さの２倍以下の距離だけ互いに離れて設けられたマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードであっても同じ効果を奏することができるのである。
【００６１】
＜第２実施の形態＞
図７は、図５に示す上記第１実施の形態における複数のカソード層における互いの間隔が活性層の厚さの２倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの素子平面構造の一例を示す模式的に示す図である。
【００６２】
図７において、３１はｎ型半導体アノード層、３２はｐ型半導体ベース層、３３はｎ型半導体カソード層、３４は金属アノードオーミック接触電極、３５は金属ベースオーミック接触電極、３６は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図７においては、各領域を分かりやすくするために、金属アノードオーミック接触電極３４に接続される金属アノード電極、金属ベースオーミック接触電極３５に接続される金属べース電極、金属カソードオーミック接触電極３６に接続される金属カソード電極は省略している。また、活性層はｐ型半導体ベース層３２の下側に在って隠れている。
【００６３】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層３３が互いの短辺を隣接させて一直線に配置されている。そして、金属ベースオーミック接触電極３５は完全に各カソード層３３を取り囲んでいる。その場合における各カソード層３３の短辺間で最も狭い部分の間隔(以下、最小分離距離と言う)Ｘminは、典型的な活性層厚１.２μmに対して２.４μm以下(つまり、活性層厚の２倍以下)である。したがって、上記第１実施の形態の場合と同様に、各カソード層３３直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合するため、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【００６４】
但し、上記複数のカソード層３３は、互いの短辺を隣接させているために、隣接カソード領域直下のガンドメイン間の結合は比較的弱い。しかしながら、熱抵抗は低いという利点がある。
【００６５】
＜第３実施の形態＞
図８は、各カソード層の間隔が活性層の厚さの２倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける図７とは異なる素子平面構造を示す図である。
【００６６】
図８において、４１はｎ型半導体アノード層、４２はｐ型半導体ベース層、４３はｎ型半導体カソード層、４４は金属アノードオーミック接触電極、４５は金属ベースオーミック接触電極、４６は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図８においても、金属アノード電極,金属べース電極および金属カソード電極を省略している。また、活性層はｐ型半導体ベース層４２の下側に在って隠れている。
【００６７】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層４３が互いの長辺を隣接させて一直線に配置されている。そして、金属ベースオーミック接触電極４５は完全に各カソード層４３を取り囲んでいる。その場合における各カソード層４３の長辺間における最小分離距離Ｘminは、典型的な活性層の厚さ２μmの２倍(４μm)以下である。したがって、各カソード層４３直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【００６８】
尚、上記複数のカソード層４３は、互いの長辺側を隣接させているために、上記第２実施の形態のごとく短辺側を隣接させる場合に比して、隣接カソード領域直下のガンドメイン間の結合は比較的強い。しかしながら、比較的高い熱抵抗を有する。
【００６９】
＜第４実施の形態＞
図９は、各カソード層の間隔が活性層の厚さの２倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける図７および図８とは異なる素子平面構造を示す図である。
【００７０】
図９において、５１はｎ型半導体アノード層、５２はｐ型半導体ベース層、５３はｎ型半導体カソード層、５４は金属アノードオーミック接触電極、５５は金属ベースオーミック接触電極、５６は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図９においても、金属アノード電極,金属べース電極および金属カソード電極を省略している。また、活性層はｐ型半導体ベース層５２の下側に在って隠れている。
【００７１】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層５３が互いの長辺をずらして隣接させ、斜め一直線に配置されている。そして、金属ベースオーミック接触電極５５は完全に各カソード層５３を取り囲んでいる。その場合における各カソード層５３の長辺間における最小分離距離Ｘminは、典型的な活性層の厚さ１.５μmの２倍(３μm)以下である。したがって、各カソード層５３直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【００７２】
本実施の形態によれば、上記複数のカソード層５３は、互いの長辺を略半分ずつ上記活性層の厚さの２倍以下の間隔で隣接させているために、隣接カソード領域直下のガンドメイン間に強い結合を持たせることと低い熱抵抗とを両立させることができるのである。
【００７３】
＜第５実施の形態＞
図１０は、各カソード層の間隔が活性層の厚さの２倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける図７〜図９とは異なる素子平面構造を示す図である。図１０において、６１はｎ型半導体アノード層、６２はｐ型半導体ベース層、６３はｎ型半導体カソード層、６４は金属アノードオーミック接触電極、６５は金属ベースオーミック接触電極、６６は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図１０においても、金属アノード電極,金属べース電極および金属カソード電極を省略している。また、活性層はｐ型半導体ベース層６２の下側に在って隠れている。
【００７４】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層６３が互いの長辺をずらして隣接させて斜め一直線に、且つ、２列に併設されている。そして、金属ベースオーミック接触電極６５は完全に各カソード層６３を取り囲んでいる。その場合における各カソード層６３の長辺間の最小分離距離Ｘminは、典型的な活性層の厚さ１μmの２倍(２μm)以下である。したがって、総てのカソード層６３直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【００７５】
本実施の形態によれば、上記複数のカソード層６３は、互いの長辺を略半分ずつ上記活性層の厚さの２倍以下の間隔で隣接させているために、隣接カソード領域直下のガンドメイン間に強い結合を持たせ、且つ、低い熱抵抗を実現できる。
【００７６】
尚、この場合、上記各カソード層６３の短辺間の間隔も上記活性層の厚さの２倍以下にすれば、各ガンドメイン間の結合を更に強めることができるのではあるが、熱抵抗も高まる。
【００７７】
＜第６実施の形態＞
図１１は、複数のカソード層の間隔が活性層の厚さの２倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける図７〜図１０とは異なる素子平面構造を示す図である。図１１において、７１はｎ型半導体アノード層、７２はｐ型半導体ベース層、７３はｎ型半導体カソード層、７４は金属アノードオーミック接触電極、７５は金属ベースオーミック接触電極、７６は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図１１においても、金属アノード電極,金属べース電極および金属カソード電極を省略している。また、活性層はｐ型半導体ベース層７２の下側に在って隠れている。
【００７８】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層７３が、互いの長辺同士および短辺同士を隣接させ、且つ、隣接する互いの長辺を略半分ずつずらして長手方向に２列に併設されている。そして、金属ベースオーミック接触電極７５は完全に各カソード層７３を取り囲んでいる。その場合における各カソード層７３の長辺間の最小分離距離Ｘminは、典型的な活性層の厚さ１.５μmの２倍(３μm)以下である。したがって、総てのカソード層７３直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【００７９】
本実施の形態によれば、上記複数のカソード層７３は、互いの長辺を略半分ずつ上記活性層の厚さの２倍以下の間隔で隣接させているために、隣接カソード領域直下のガンドメイン間に強い結合を持たせ、且つ、低い熱抵抗を実現できる。さらに、全カソード層７３を千鳥掛状に配列しているため、上記第５実施の形態に比して、素子全体を通しての熱抵抗の均一性を向上できるのである。
【００８０】
尚、この場合、上記各カソード層７３の短辺間の間隔も上記活性層の厚さの２倍以下にすれば、各ガンドメイン間の結合を更に強めることができるのではあるが、熱抵抗も高まる。
【００８１】
＜第７実施の形態＞
上記第２〜第６実施の形態においては、説明を簡単にするために詳細な半導体構造の説明は省略している。また、基本的な必須構造に従来の技術を適用することも可能である。例えば、半導体カソード層３３,４３,５３,６３,７３と金属カソードオーミック接触電極３６,４６,５６,６６,７６との間に、上記半導体カソード層よりも高濃度にドープしたキャップ層を一つ以上追加すれば、カソード抵抗を低減できる。あるいは、上記活性層の周辺を薄くすれば製造方法を簡単にできる。本実施の形態は、上記半導体カソード層と金属カソードオーミック接触電極との間にキャップ層設け、さらに上記活性層の周辺を薄く形成したマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードに関する。
【００８２】
図１２は、本実施の形態における２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面を示す。図１２において、８１はＧaＡsアノード層(８００nm，ＮD(窒素ドーズ量)＝５×１０18cm-3)、８２はＧaＡs活性層(１７００nm，ＮD＝２×１０16cm-3→３×１０16cm-3)、８３はＧaＡsベース層(１５０nm，ＮA＝４×１０19cm-3)である。
【００８３】
また、８４はＡlxＧa1-xＡsカソード傾斜層(２０nm,ｘ＝０.２→０.３５,ＮD＝５×１０17cm-3)、８５はＡl0.35Ｇa0.65Ａsカソード層(４０nm，ＮD＝５×１０17cm-3)、８６はＡl0.35Ｇa0.65Ａsカソードバラスト層(１００nm，ＮD＝１×１０17cm-3)、８７はＡlxＧa1-xＡsカソードキャップ傾斜層(５０nm，ｘ＝０.３５→０.０，ＮD＝５×１０17cm-3)、８８はＧaＡsカソードキャップ層(５０nm，ＮD＝５×１０18cm-3)である。
【００８４】
また、８９は金属アノードオーミック接触電極(ＡuＧe/Ｎi/Ａu)、９０は金属ベースオーミック接触電極(Ｔi/Ｐt/Ａu)、９１は金属カソードオーミック接触電極(ＡuＧe/Ｎi/Ａu)である。
【００８５】
尚、図中の上記カソード層８５間において最も狭い部分の距離(以下、最小カソード間距離と言う)Ｘminは２.５μmであり、活性層厚さＹは１.７μmである。したがって、カソード層８４,８５直下の活性層８２に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起る。また、上述のごとく、本実施の形態においては、カソード層８４,８５と金属カソードオーミック接触電極９１との間にカソード層８４,８５よりもＮDの高いカソードキャップ層８８を設けている。したがって、カソード抵抗を低減できるのである。さらに、ＧaＡs活性層８２の外壁には傾斜が設けられて周辺が薄くなっている。したがって、素子完成度を改善することができるのである。
【００８６】
＜第８実施の形態＞
本実施の形態は、上記半導体カソード層と金属カソードオーミック接触電極との間にキャップ層を設け、さらに上記活性層にＮD傾斜を設けたマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードに関する。
【００８７】
図１３は、本実施の形態における２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面を示す。図１３において、１０１はＧaＡsアノード層(５００nm,ＮD＝５×１０18cm-3)、１０２はＩn0.49Ｇa0.51Ｐエッチストップ層(２０nm，ＮD＝１×１０18cm-3)、１０３はＧaＡs活性層(８００nm，ＮD＝１.５×１０16cm-3)、１０４はＧaＡs活性層(１０００nm，ＮD＝１.５×１０16cm-3→３×１０16cm-3)、１０５はＧaＡsベース層(１６０nm,ＮA＝２×１０19cm-3)、１０６はＩn0.49Ｇa0.51Ｐベース保護層(３０nm，ＮD＝５×１０17cm-3)である。
【００８８】
また、１０７はＧaＡsカソード層(４０nm，ＮD＝１×１０18cm-3)、１０８はＩnxＧa1-xＡsカソードキャップ傾斜層(５０nm，ｘ＝０.０→０.５，ＮD＝１×１０19cm-3)、１０９はＩn0.5Ｇa0.5Ａsカソードキャップ層(５０nm，ＮD＝２×１０19cm-3)である。
【００８９】
また、１１０は金属アノードオーミック接触電極(ＡuＧe/Ｎi/Ａu)、１１１は金属ベースオーミック接触電極(Ｔi/Ｐt/Ａu)、１１２は金属カソードオーミック接触電極(Ｔi/Ｐt/Ａu)である。
【００９０】
尚、図中における最小カソード間距離Ｘminは２μmであり、活性層厚さＹは１.８μmである。したがって、カソード層１０７直下の活性層１０４に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起る。また、上述のごとく、本実施の形態においては、カソード層１０７と金属カソードオーミック接触電極１１２との間にカソード層１０７よりもＮDの高いカソードキャップ層１０８,１０９を設けている。したがって、カソード抵抗を低減できるのである。さらに、ＧaＡs活性層１０４にはＮDの傾斜が設けられている。したがって、素子完成度を改善することができるのである。つまり、ＧaＡs活性層１０４におけるＮDの傾斜によって、電子の走行方向(深さ方向)への電流密度分布が相殺されて素子内の時間平均電界強度がある程度一定になり、効率と出力パワーとが高められるのである。
【００９１】
＜第９実施の形態＞
本実施の形態は、上記半導体カソード層と金属カソードオーミック接触電極との間にバラスト層を設けて、カソードフィンガー内での電流集中を防止し、素子全体の時間平均電界強度を一定にして発振強度の低下を防止し、安定した高発振出力を図るマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードに関する。
【００９２】
図１４は、本実施の形態における２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面を示す。図１４において、１２１はＧaＡsアノード層であり、１２２はＧaＡs活性層（不純物濃度傾斜)、１２３はＧaＡsベース層、１２４はＡl0.3Ｇa0.7Ａsカソード層、１２５はＡl0.35Ｇa0.65Ａsバラスト層、１２６はＡlxＧa1-xＡsカソードキャップ傾斜層、１２７はｎ+ＧaＡsカソードキャップ層である。
【００９３】
また、１２８は金属アノードオーミック接触電極、１２９は金属ベースオーミック接触電極、１３０は金属カソードオーミック接触電極である。
【００９４】
図１５は、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける電流集中の状態を模式的に示す。図１５には、上記電流集中の様子を表示するために、アノード層１３１,活性層１３２およびベース層１３３の縦断面を示している。尚、カソード層および各電極は省略しているが、ベース層１３３上にはカソード層形成領域１３４を示している。
【００９５】
本来は、上記カソード層形成領域１３４の範囲内を均一に電流が流れなければならない。ところが、活性層１３２中を流れる電流１３７によって温度が上昇するため、図１５のように温度の上昇が大きい中心部１３５に電流１３７が集中して、周辺部１３６の電流密度が減少してしまうのである。ガン発振素子においては、上記活性領域での時間平均電界強度が一定であることが発振の一つの条件であり、発振強度に特に大きく影響する。そのために、上記の電流集中による平面的な電流密度のばらつきは、素子内の時間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や発振強度が低下した領域を生じさせることになる。あるいは、電流集中の分布が大きい場合は素子の発振が完全に停止する場合もある。
【００９６】
そこで、本実施の形態においては、図１４に示すように、カソード層１２４と金属カソードオーミック接触電極１３０との間にバラスト層１２５を設けて、カソードフィンガー内での電流集中を防止し、活性層１２２領域における時間平均電界強度を一定にするのである。
【００９７】
図１６は、図１４に示すマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードと同じ基本構造を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおけるカソード層と金属カソードオーミック接触電極との間に設けられたバラスト層の効果を示す。図１６において、上記バラスト層の厚みを４００nm,３００nm,２００nm,１００nmと変えたものとバラスト層を無くしたものとのアノード電流の発振電流上下限を比較している。
【００９８】
図１６に示すように、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード素子は、バラスト層の厚みが４００nm〜２００nmの場合には、７０mＡ〜８２mＡのアノード電流において発振して周波数が１４０ＧＨz程度の基本波と２８０ＧＨz程度の２次高調波が得られる。しかしながら、バラスト層の厚みが２００nmより小さいと出力が低下し、発振可能なアノード電流の範囲が極めて狭く略一定となる。
【００９９】
ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードでは、ガンダイオードの場合と異なって、活性層領域における電流の広がりによる電子の走行方向(深さ方向)の電流密度分布は避けられない。そこで、本実施の形態においては、活性層１２２に不純物濃度傾斜を設けることによって電子の走行方向(深さ方向)への電流密度分布を相殺して、活性層領域における時間平均電界強度を一定にするようにしている。しかしながら、電流集中によって素子の平面的な電流密度分布(図１５における中心部１３５と周辺部１３６)が生ずると、図１５の断面における水平方向への電流の広がりも、図１５のように変化してしまうのである。これは、バラスト層がない場合には、上記不鈍物濃度傾斜の設計が電流集中で狂ってしまうためと考えられる。
【０１００】
ところが、図１４に示すように、上記カソード層１２４と金属カソードオーミック接触電極１３０との間にバラスト層１２５が形成されると、バラスト抵抗によって平面的な電流密度分布(図１５における中心部１３５と周辺部１３６)が無くなり、活性層１２２における深さ方向への不純物濃度傾斜によって深さ方向への電流密度分布が効果的に相殺される。その結果、活性層１２２全体の時間平均電界強度を一定にすることができ、発振効率を最適化できるのである。特に、温度上昇が大きい高電流の使用時における効率向上が可能となるのである。
【０１０１】
ここで、上記バラスト層１２５の厚みで決まるバラスト層１２５の抵抗値はカソード層１２４以上の抵抗値が必要である。バラスト層１２５の抵抗値は、大きい程電流集中を防止できるので好ましい。尚、バラスト層１２５の抵抗値が大きいとカソード層１２４とベース層１２３との間にバラスト抵抗による電圧降下分の電圧が余分に必要となるため上記抵抗値には実用上の上限がある。しかしながら、発振はベース層１２３とアノード層１２１との間に発生するので、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無いのである。この点が他のバイポーラデバイスと全く異なるところである。
【０１０２】
ところで、上記バラスト層１２５の材料としては、ＡlＧaＡsのような半導体材料の他にエミッタ上に積層できる抵抗材料が使用可能である。尚、上記半導体材料の場合には、活性層１２２の材質よりも電子移動度の低い材料を用いることが望ましい。もし電子移動度の高い材料を使用すると、バラスト層１２５の厚みが大きくなって製造上での困難さが増大するだけでなく、厚みを薄くするために不鈍物濃度を低下させるとバラスト層１２５での電子の走行効果が出るため素子動作が不安定になる場合がある。
【０１０３】
以上のことを考慮して、上記バラスト層１２５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持っているので最低限の抵抗値で電流集中の防止効果が得られる。したがって、カソード層１２４から信号を導入するような用途(以下の実施の形態で述べるような注入同期発振器や自己発振ミキサ)の場合には、信号の損失が少なくてより好ましいのである。
【０１０４】
＜第１０実施の形態＞
上述したように、単一のベース層上にカソード層を複数のカソード領域に分割して形成し、各カソード領域を電気的に接続して成るマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、外部Ｑ値の高い共振回路を接続したり、各カソード領域の最小分離距離Ｘminを活性層の厚さの２倍以下にすることによって、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードよりも高い発振出力パワーを得ることができる。そこで、上記構成を有するマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを、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受信装置等に用いることによって、大きな発振出力を得ることができるのである。以下、順次説明する。
【０１０５】
先ず、本実施の形態は、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた電圧制御周波数可変発振器(ＶＣＯ)に関する。図１７は、本ＶＣＯの回路図である。
【０１０６】
図１７(a)に示すように、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード１４１のべース電極１４２を接地し、アノード電極１４５を第１バイアス回路(図１７(a)では第１インダクタンス１４４)を介してアノード電源端子１４３に接続する一方、カソード電極１４８を第２バイアス回路(図１７(a)では第２インダクタンス１４７)を介してカソード電源端子１４６に接続している。さらに、アノード電極１４５には、直流バイアスカット用コンデンサ１４９を介して出力端子１５０を接続する。一方、カソード電極１４８を、コンデンサ１５１を介して接地している。
【０１０７】
上記構成において、上記アノード電源端子１４３から第１バイアス回路１４４を通して、アノード電極１４５に正の電圧を印加する。一方、カソード電源端子１４６から第２バイアス回路１４７を通してカソード電極１４８に負の電圧を印加する。そして、アノード電極１４５から直流バイアスカット用コンデンサ１４９を通して出力端子１５０に発振出力を取り出すのである。
【０１０８】
図１８は、図１４に示すマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードと同じ基本構造を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおけるＧaＡs活性層の不純物濃度傾斜を変えて作成したＶＣＯのアノード・ベース間電圧‐周波数特性を示す。ここで、第１不純物濃度傾斜は、Ｓiドーピング濃度を、アノード側からベース側へ向けて１.２×１０16cm-3→３.０×１０16cm-3に直線的に変化させたものである。これに対して、第２不純物濃度傾斜は、Ｓiドーピング濃度を、アノード領域から９００nmまで１.２×１０16cm-3から２.０×１０16cm-3に直線的に変化させ、引き続きベース領域までの４００nmにおいて２.０×１０16cm-3から３.０×１０16cm-3に直線的に変化させたものである。
【０１０９】
図１８に示すように、アノード‐ベース間の電圧を変えることで、発振周波数の変化が観察された。その際に、アノード電流は殆ど変化しない。尚、発振周波数の変化幅は、上記活性層の不鈍物濃度傾斜がより理想に近い上記第２不純物濃度傾斜を有する素子の方が広い。これは、ガン発振できる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際に、上記活性層中の時間平均電界強度に元々分布があると、より早く時間平均電界強度の制限を超える部分が生じて発振が停止(あるいは出力低下)するためと考えられる。
【０１１０】
ここで、発振出力はベース‐アノード間に発生して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は発振に大きく影響するので、バイアスヘの不要なノイズの重畳を避けるために、図１７(a)に示すようにカソード電極１４８を高周波的に接地することが望ましい。
【０１１１】
また、上記べース電極１４２の接地は高周波的な接地で良く、スタブを用いても差し支えない。図１７(b)は、べース電極をスタブに接続した構成を有するＶＣＯの回路図である。マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード１６１のべース電極１６２には、スタブ(図１７(b)では基本発振周波数に対するλ/４波長のオープンスタブ１６３)を接続している。そして、アノード電極１６４をバイアス回路(図１７(b)ではインダクタンス１６５)を介してアノード電源端子１６６に接続する一方、カソード電極１６７を接地している。さらに、アノード電極１６４には、直流バイアスカット用コンデンサ１６８を介して出力端子１６９を接続している。１７０はベース電源端子である。
【０１１２】
上記構成においては、上記カソードを接地してベースに正の電圧を加える正電源のみの回路となる。尚、ベース電極１４２,１６２の接地は基本発振周波数に対する接地だけでなく高調波に対しても接地することがより好ましい。
【０１１３】
バイアス電圧を変化させることで発振周波数を変えることができるガン発振素子としてガンダイオードや米国特許第３９１８００９号に開示されたモノポーラトランスファードエレクトロントリオードがある。しかしながら、何れの場合もバイアス電圧の変化に伴って電流も大きく変動してしまい、消費電流および出力パワーが同時に変動することになり、ＶＣＯとしての特性としては悪くなる。
【０１１４】
上述したように、本実施の形態によれば、ＶＣＯを、上記隣接カソード領域の最小間隔が上記半導体活性層の厚みの２倍以下であるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。したがって、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。その場合に、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、アノード電流がベース‐アノード間の電圧に殆ど依存しない性質を有している。したがって、上記ベース‐アノード間の電圧を変化させることによって、アノード電流を変化させずに発振周波数を変えることができ、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を得ることができるのである。
【０１１５】
＜第１１実施の形態＞
本実施の形態は、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた注入同期発振器（ＩＬＯ）に関する。図１９は、本ＩＬＯの回路図である。
【０１１６】
図１９(a)に示すように、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード１７１のべース電極１７２を接地し、アノード電極１７３を第１バイアス回路(図１９(a)では第１インダクタンス１７４)を介してアノード電源端子１７５に接続する一方、カソード電極１７６を第２バイアス回路(図１９(a)では第２インダクタンス１７７)を介してカソード電源端子１７８に接続している。さらに、アノード電極１７３を、第１直流バイアスカット用コンデンサ１７９を介して出力端子１８０に接続する。一方、カソード電極１７６を、第２直流バイアスカット用コンデンサ１８１を介して同期信号入力端子１８２に接続している。
【０１１７】
上記構成において、上記アノード電源端子１７５から第１バイアス回路１７４を通して、アノード電極１７３に正の電圧を印加する。一方、カソード電源端子１７８から第２バイアス回路１７７を通して、カソード電極１７６に負の電圧を印加する。そして、同期信号入力端子１８２から第２直流バイアスカット用コンデンサ１８１を通してカソード電極１７６に希望発振周波数の半分の周波数の同期信号(−１２.５dＢm)を入力して、アノード電極１７３から第１直流バイアスカット用コンデンサ１７９を通して出力端子１８０に希望発振周波数の発振出力を取り出すのである。
【０１１８】
図２０は、図１８の場合と同様に、図１４に示すマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードと同じ基本構造を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおけるＧaＡs活性層の不純物濃度傾斜が第１不純物濃度傾斜である素子と第２不純物濃度傾斜である素子とを用いて作成したＩＬＯにおける同期信号周波数‐発振周波数特性を示す。図２０に示すように、同期信号入力端子から入力される同期信号周波数を変えることによって、発振周波数が変化する。尚、注入同期信号周波数の整数倍に発振周波数が一致する範囲(引き込み可能周波数範囲)は、上記活性層の不鈍物濃度傾斜がより理想に近い上記第２不純物濃度傾斜を有する素子の方が広い。これは、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て、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って注入同期が生ずるのであるが、上記活性層中の時間平均電界強度に元々分布があると、上記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ためと考えられる。とろこで、発振信号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無く、位相雑音が増加することはない。
【０１１９】
また、上記べース電極１７２の接地は高周波的な接地で良く、スタブを用いても差し支えない。図１９(b)は、べース電極をスタブに接続した構成を有するＩＬＯの回路図である。マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード１９１のべース電極１９２は、スタブ(図１９(b)では基本発振周波数に対するλ/２波長線路１９３とコンデンサ１９４とで高周波的にショートスタブとしている)を介して接地されている。アノード電極１９５をバイアス回路(図１９(b)ではインダクタンス１９６)を介してアノード電源端子１９７に接続する一方、カソード電極１９８を接地している。さらに、アノード電極１９５には、直流バイアスカット用コンデンサ１９９を介して出力端子２００を接続すると共に、同期信号周波数に対するλ/４波長のオープンスタブ２０１を接続している。また、べース電極１９２には直流バイアスカット用コンデンサ２０２を介して同期信号入力端子２０３を接続している。２０４はベース電源端子である。
【０１２０】
上記構成においては、上記カソードを接地してベース電源端子２０４からベースに正の電圧を加える正電源のみの回路となる。そして、このＩＬＯ回路では、ショートスタブ１９３,１９４をベース電極１９２に接続しているので、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状態になっている。基本発振周波数の半分の周波数の同期信号からはショートスタブ１９３,１９４がオープンに見えるので、同期信号入力端子２０３からベース電極１９２に同期信号を入力している。この場合、同期信号は、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード１９１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、小さな電力で同じ引き込み範囲が達成できるのである。また、アノード側に同期信号周波数に対するλ/４波長のオープンスタブ２０１を入れて同期信号電圧がアノード電極１９５に現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できる。尚、ベース‐アノード間に同期信号を入れることも可能であるが、大きな電力の同期信号が必要となる。
【０１２１】
本実施の形態においては、上記注入同期信号として希望発振周波数の半分の周波数の同期信号を用いたが、希望発振周波数の整数分の１の周波数の同期信号も利用できる。ただし、半分の周波数の場合の方が同期信号引き込み可能周波数範囲が最も広いため好ましい。
【０１２２】
ここで、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード１７１,１９１のバラスト抵抗としてＡlＧaＡsを用いることによって、バラスト抵抗を最小にすることができる。上記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小さく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ある。
【０１２３】
同期信号が注入されると発振周波数の同期信号周波数の整数倍への引き込みが生じるガン発振素子として、上記ガンダイオードがある。しかしながら、上記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ので、同期信号の電力でガンダイオードの動作条件が影響を受けるためには大きな電力の同期信号が必要である。
【０１２４】
上述したように、本実施の形態においては、ＩＬＯを、上記隣接カソード領域の最小間隔が上記半導体活性層の厚みの２倍以下であるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。したがって、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。その場合、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおけるベース‐カソード間への同期信号の入力が、アノード電流及び電圧の増幅を齎すので、同じ電力の注入信号で上記ガンダイオードに比してベース‐アノード間の電圧および電流を大きく変化させることができる。したがって、同じ発振出力を得るのであれば、上記ガンダイオードに比して注入信号の電力を小さくすることができる。あるいは、一定の注入信号の強度によって、上記ガンダイオードに比して注入同期できる周波数引き込み可能周波数を広く取ることができるのである。
【０１２５】
＜第１２実施の形態＞
本実施の形態は、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた自己発振ミキサに関する。図２１は、本自己発振ミキサの回路図である。
【０１２６】
図２１(a)に示すように、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード２１１のべース電極２１２を接地し、アノード電極２１３を第１バイアス回路(図１９(a)では第１インダクタンス２１４)を介してアノード電源端子２１５に接続する一方、カソード電極２１６を第２バイアス回路(図２１(a)では第２インダクタンス２１７)を介してカソード電源端子２１８に接続している。さらに、アノード電極２１３を、第１直流バイアスカット用コンデンサ２１９を介して出力端子２２０に接続する。一方、カソード電極２１６を、第２直流バイアスカット用コンデンサコンデンサ２２１を介して信号入力端子２２２に接続している。
【０１２７】
上記構成において、上記アノード電源端子２１５から第１バイアス回路２１４を通して、アノード電極２１３に正の電圧を印加する。一方、カソード電源端子２１８から第２バイアス回路２１７を通して、カソード電極２１６に負の電圧を印加する。そして、信号入力端子２２２から第２直流バイアスカット用コンデンサ２２１を通してカソード電極２１６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とを入力して、アノード電極２１３から第１直流バイアスカット用コンデンサ２１９を通して出力端子２２０に希望発振周波数の発振出力を取り出すのである。
【０１２８】
その場合、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測され、周波数８０ＧＨzの入力信号に対して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の両用に使用可能であることがわかった。
【０１２９】
また、図２２に示すように、上記活性層の不純物濃度傾斜がより理想に近い上記第２不純物濃度傾斜を有する素子(２２５)と上記傾斜が単調である上記第１不純物濃度傾斜を有する素子(２２６)とを比較すると、被周波数変換信号(入力信号)強度の増加に対して出力信号が線形に追随する範囲２２７,２２８は、上記第２不純物濃度傾斜を有する素子(２２５)の方が入力信号電力の大きな領域まで存在し、線形性が良好である。これは、ガン発振できる時間平均電界強度には制限(幅)があるが、ミキシングするためにカソード‐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、時間平均電界強度に変化が生じた際に、上記活性層中の時間平均電界強度に元々分布があると、より早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と考えられる。
【０１３０】
また、上記ベース電極２１２の接地は高周波的な接地で良く、スタブを用いても差し支えない。図２１(b)は、べース電極をスタブに接続した構成を有する自己発振ミキサの回路図である。マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード２３１のべース電極２３２は、スタブ(図２１(b)では基本発振周波数に対するλ/２波長線路２３３とコンデンサ２３４とで高周波的にショートスタブとしている)を介して接地されている。アノード電極２３５をバイアス回路(図２１(b)ではインダクタンス２３６)を介してアノード電源端子２３７に接続する一方、カソード電極２３８をインダクタンス２３９を介して接地している。さらに、アノード電極２３５には、直流バイアスカット用コンデンサ２４０を介して出力端子２４１を接続している。また、カソード電極２３８には、直流バイアスカット用コンデンサ２４２を介して信号入力端子２４３を接続し、さらに基本発振周波数に対するλ/２波長のオープンスタブ２４４が接続されている。また、べース電極２３２には直流バイアスカット用コンデンサ２４５を介して同期信号入力端子２４６を接続している。２４７はベース電源端子である。
【０１３１】
上記構成においては、上記ベースをショートスタブ２３３,２３４で基本発振周波数とその高調波に対して接地し、カソードをインダクタンス２３９で直流的に接地し、ベース電源端子２４７からべースに正の電圧を加える正電源のみの回路となる。そして、被周波数変換信号を信号入力端子２４３から入力し、基本発振周波数の半分の周波数の同期信号からはショートスタブ２３３,２３４がオープンに見えるので、同期信号入力端子２４６からベース電極２３２に同期信号を入力し、同期信号周波数に対するλ/４波長のオープンスタブ２４４で同期信号に対してカソードを接地している。この場合、同期信号は、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード２３１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、小さな電力で同じ引き込み範囲が達成できるのである。
【０１３２】
尚、図２１(b)に示す回路では、上記信号入力端子２４３を単に接地して、同期信号端子２４６あるいはベース電源端子２４７から被周波数変換信号を入力することも可能である。
【０１３３】
また、本実施の形態においては、特に、上記アノード側に基本発振周波数に対するλ/４波長のオープンスタブ２２３(図２１(a)に示す回路の場合),２４８(図２１(b)に示す回路の場合)を入れアノードをローカル発振周波数において接地した場合、ローカル周波数がベース‐アノード間(両端子とも接地している)に発生してカソード側には出力されないことと併せて、ローカル信号が殆どマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード２１１,２３１から外部へ出力されないミキサが構成されるのである。
【０１３４】
さらに、本実施の形態においては、上記注入信号として希望発振周波数の半分の周波数の同期信号を用いたが、希望発振周波数の整数分の１の周波数の同期信号も利用できる。ただし、半分の周波数の場合の方が同期信号引き込み可能周波数範囲が最も広いため好ましい。また、発振周波数を安定化させるために注入同期方式を用いたが、ＶＣＯとしてＰＬＬ(フェーズロックドループ発振器)を構成することも可能である。
【０１３５】
発振器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なガン発振素子として、上記ガンダイオードや上記モノポーラトランスファードエレクトロントリオードがある。ところが、上記ガンダイオードの場合には、入出力が同じカソード‐アノード間に生ずるので各信号間のアイソレーションが悪く、２端子素子であるから変換利得はない。また、上記モノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合も、アノードからゲートヘのアイソレーシヨンが充分ではなく、フィルタやバッファアンプによる逆流防止を行わないと大きなローカル信号で入力側のアンプを飽和させてしまう場合がある。
【０１３６】
上述したように、本実施の形態においては、自己発振ミキサを、上記隣接カソード領域の最小間隔が半導体活性層の厚みの２倍以下であるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。したがって、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。その場合、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは上記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ので、アノードからカソードヘのアイソレーションが非常に良好である。したがって、カソード側への発振信号の漏洩をなくすことができ、べースを接地してカソードから入力信号を入力することによって、発振出力からのアイソレーションを容易に可能にすることができるのである。
【０１３７】
＜第１３実施の形態＞
本実施の形態は、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた受信装置に関する。本実施の形態における受信装置は、アノードをオープンスタブによってローカル発振周波数において接地した図２１(a)に示す自己発振ミキサを用いたものである。以下、上記受信装置と送信機との送受信について説明する。
【０１３８】
図２３に示すように、第１送信機２５１及び第２送信機２５２はエリア毎の固定局(本実施の形態においては隣の家屋)とし、送信する広帯域の情報信号としては、地上波ＴＶ(ＵＨＦ４４０ＭＨz〜８００ＭＨz),ＢＳ衛星放送中間周波数(１ＧＨz〜１.３５ＧＨz),ＣＳ衛星放送中間周波数(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(図２４(a)に２５６で示す)を用いた。ＣＳ衛星放送は、右旋波,左図旋波を夫々１.４ＧＨz〜１.６６ＧＨz,１.７０ＧＨz〜１.９６ＧＨzに周波数変換したものとする。
【０１３９】
上記隣接する第１,第２送信局２５１,２５２は、この広帯域の情報信号２５６を、混信しないように夫々の送信局で周波数をずらして図２４(b)における６０ＧＨz付近の周波数帯域２５７,２５８にアップコンバートして送信する。
【０１４０】
第１受信機２５３は、アンテナでそのエリアの第１送信局２５１からの無線信号２５７(図２４(b)を参照)を受信し、フィルタを通して不要波を除去した後、第２実施の形態における自己発振ミキサを用いて、図２５に示すように、６０ＧＨzのローカル周波数２５９とミキシングして元の周波数(４４０ＭＨz〜１９６０ＭＨz)２６０にダウンコンバートする。そして、市販のテレビ受信機あるいは衛星放送テレビ受信機で復調するのである。
【０１４１】
その場合に、隣接する送信機のエリアの境界線付近で使用された第２受信機２５４(図２３参照)が、第１送信局２５１の無線信号２５７の周波数帯域とは異なる周波数帯域の無線信号(例えば第２送信局２５２からの無線信号２５８)を受信する場合には、第２送信局２５２のローカル信号２６１の周波数は図２５(a)に示すようである。そして、ローカル信号２６１の漏洩がある場合には、このローカル信号２６１の漏洩が近接する第１受信機２５３の受信妨害２５５となってしまう。
【０１４２】
しかしながら、本実施の形態における各受信機２５３,２５４は、図２１(a)に示すように、アノード側に基本発振周波数に対するλ/４波長のオープンスタブ２２３によって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ている。したがって、上記のような状況で複数の受信機２５３,２５４を同時に使用した場合でも、各受信機２５３,２５４からのローカル信号の不要輻射レベルが低いので、相互に受信妨害を超こすこと無く受信が可能になる。これは、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた自己発振ミキサのアノードがローカル周波数において接地されているために、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り、ローカル信号の漏洩が非常に少なくなっているためである。
【０１４３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、半導体ベース層上に形成される半導体カソード層を、複数のカソード領域に分割しているので、ベース抵抗および熱抵抗を低くすることができる。また、隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の間隔を、上記半導体活性層の厚みの２倍以下にしたので、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って、高い発振出力パワーを得ることができる。
【０１４４】
また、第１の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記複数の各カソード領域を、単一の半導体ベース層上に隣接して形成すると共に、互いに金属電極で電気的に接続しているので、上記半導体カソード層の実質的な面積の増加を図ることができる。したがって、上記各カソード領域間における最も狭い部分の間隔を上記半導体活性層の厚さの２倍以下にすれば、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインを結合し、同期発振を生じさせて、高い発振出力パワーを得ることができる。
【０１４５】
また、第２の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記夫々のカソード領域と半導体ベース層との界面を矩形にしたので、互いに隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の領域を上記矩形の一辺に亙って長く得ることができる。したがって、上記最も狭い部分の間隔が上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの２倍以下である場合には、上記ガンドメインのカップリングをより強くでき、より高い発振出力パワーを得ることができる。さらに、デバイスの作成を容易にすることができる。
【０１４６】
また、第３の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記矩形の各カソード領域の長辺を他のカソード領域の上記の長辺に隣接させて配列したので、互いの短辺を隣接させて配列する場合に比して、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインのカップリングを強くして、同期発信を発生し易くできる。
【０１４７】
また、第４の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記各カソード領域を長手方向に２列に配列したので、熱抵抗をさらに低くできる。
【０１４８】
また、第５の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっているので、電子の走行方向(深さ方向)への電流密度分布を相殺することができ、素子内の時間平均電界強度をある程度一定にできる。したがって、効率と出力パワーとを高めることができる。
【０１４９】
また、第６の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記半導体活性層を少なくとも２層から成し、そのうちの１層における不純物ドーピング濃度を上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようにしたので、効率と出力パワーとを高めることができる。
【０１５０】
また、第７の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度の減少を上記半導体ベース層側からの距離に対して比例するようにしたので、上記効率と出力パワーとをさらに高めることができる。
【０１５１】
また、第８の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記各カソード領域上にバラスト層を積層したので、上記各カソード領域内および各カソード領域間の平面的な温度分布による電流集中を防止して、素子全体の時間平均電界強度を一定にできる。したがって、発振強度の低下を防止して安定した高出力の発振出力を得ることができる。
【０１５２】
また、第２の発明のＶＣＯは、上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて構成したので、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた場合に比して、大きな発振出力を得ることができる。さらに、アノード電流はベース‐アノード間の電圧には殆ど依存しない。したがって、上記ベース‐アノード間の電圧を変化させることによって、アノード電流を変化させずに発振周波数を変えることができる。すなわち、この発明によれば、発振出力が大きく、発振周波数に対して上記発振出力の変動が少ない良好な特性のＶＣＯを実現できるのである。
【０１５３】
また、第３の発明のＩＬＯは、上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて構成したので、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。さらに、ベース‐カソード間への同期信号の入力をベース‐アノード間で増幅することができる。したがって、他のガン発振素子を用いた場合に比して同じ電力の同期信号でベース‐アノード間の電圧及び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。あるいは、一定の注入信号の強度によって、上記他のガン発振素子に比して注入同期できる周波数引き込み可能周波数を広く取ることが可能になる。
【０１５４】
さらに、アーリー電圧として非常に大きい値を有しているので、アノードからカソードヘのアイソレーションが非常に良好であり、カソード側への発振信号の逆流を効果的に防止できる。したがって、ベースを接地しカソードから同期信号を入力することによって発振出力が同期信号源に逆流することを防止でき、位相雑音が増加することを防止できる。
【０１５５】
また、第４の発明の自己発振ミキサは、上記第１の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて構成したので、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。さらに、アーリー電圧として非常に大きい値を有している。したがって、アノードからカソードヘのアイソレーシヨンが良好であり、カソード側への発振信号の漏洩をなくすることができる。すなわち、この発明によれば、ベースを接地して入力信号をカソードから入力することによって、発振出力からのアイソレーションが容易に可能となる。
【０１５６】
また、第５の発明の受信装置は、上記第４の発明の自己発振ミキサを用いて構成したので、ローカル発振周波数の高周波信号入力への漏洩を防止できる。したがって、ローカル信号の不要輻射を低減することができ、隣接する受信装置へ障害を与えることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの一例としてのカソード層間の距離が活性層の厚さの２倍より大きい２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける動作中の断面図である。
【図２】  図１に示す２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける出力電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
【図３】  図１に示す２フィンガーエレクトロントリオードと同じカソードフィンガー幅を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】  ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける断面図である。
【図５】  カソード層間の距離が活性層の厚さの２倍以下である２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける動作中の断面図である。
【図６】  図５に示す２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける出力電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】  図５に示すエレクトロントリオードの平面構造を示す図である。
【図８】  図７とは異なる平面構造を示す図である。
【図９】  図７および図８とは異なる平面構造を示す図である。
【図１０】  図７〜図９とは異なる平面構造を示す図である。
【図１１】  図７〜図１０とは異なる平面構造を示す図である。
【図１２】  図５に示す２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードの断面構造を示す図である。
【図１３】  図１２とは異なる断面構造を示す図である。
【図１４】  バラスト層を有する２フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面図である。
【図１５】  ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける電流集中状態を模式的に示す図である。
【図１６】  バラスト層の厚みとアノード電流の発振電流上下限との関係を示す図である。
【図１７】  図５に示すエレクトロントリオードを用いたＶＣＯの回路図である。
【図１８】  活性層の不純物濃度傾斜が異なるエレクトロントリオード素子を用いたＶＣＯにおけるアノード・ベース間電圧‐周波数特性を示す図である。
【図１９】  図５に示すエレクトロントリオードを用いたＩＬＯの回路図である。
【図２０】  活性層の不純物濃度傾斜が異なるエレクトロントリオード素子を用いたＩＬＯにおける同期信号周波数‐発振周波数特性を示す図である。
【図２１】  図５に示すエレクトロントリオードを用いた自己発振ミキサの回路図である。
【図２２】  活性層の不純物濃度傾斜が異なるエレクトロントリオード素子を用いた自己発振ミキサにおける入出力電力特性を示す図である。
【図２３】  図２１に示す自己発振ミキサを用いた受信機の機能を説明するための送信機と受信機との位置関係を示す図である。
【図２４】  図２３に示す送信機からの情報信号の周波数帯域と夫々の送信局によるアップコンバート周波数帯域の説明図である。
【図２５】  図２３に示す夫々の受信機によるダウンコンバートの説明図である。
【図２６】  従来の単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの平面構造を示す図である。
【図２７】  図２６におけるカソード層の幅を増大したエレクトロントリオードの平面構造を示す図である。
【図２８】  図２６におけるカソード層の長さを増大したエレクトロントリオードの平面構造を示す図である。
【符号の説明】
１５,２５,８１,１０１,１２１…ＧaＡsアノード層、
１６,２６,８２,１０３,１２２…ＧaＡs活性層、
１７,２７,８３,１０５,１２３…ＧaＡsベース層、
１８,２８…第１ＡlＧaＡsカソード層、
１９,２９…第２ＡlＧaＡsカソード層、
２０…第１ガンドメイン、
２１…第２ガンドメイン、
３０…共通ガンドメイン、
３１,４１,５１,６１,７１…ｎ型半導体アノード層、
３２,４２,５２,６２,７２…ｐ型半導体ベース層、
３３,４３,５３,６３,７３…ｎ型半導体カソード層、
３４,４４,５４,６４,７４,１２８…金属アノードオーミック接触電極、
３５,４５,５５,６５,７５,１２９…金属ベースオーミック接触電極、
３６,４６,５６,６６,７６,１３０…金属カソードオーミック接触電極、
８４…ＡlxＧa1-xＡsカソード傾斜層、
８５…Ａl0.35Ｇa0.65Ａsカソード層、
８６…Ａl0.35Ｇa0.65Ａsカソードバラスト層、
８７,１２６…ＡlxＧa1-xＡsカソードキャップ傾斜層、
８８,１２７…ＧaＡsカソードキャップ層、
８９,１１０…ＡuＧe/Ｎi/Ａuアノードオーミック接触電極、
９０,１１１…Ｔi/Ｐt/Ａuベースオーミック接触電極、
９１…ＡuＧe/Ｎi/Ａuカソードオーミック接触電極、
１０２…Ｉn0.49Ｇa0.51Ｐエッチストップ層、
１０４…ＧaＡs活性層(ＮD傾斜)、
１０６…Ｉn0.49Ｇa0.51Ｐベース保護層、
１０７…ＧaＡsカソード層、
１０８…ＩnxＧa1-xＡsカソードキャップ傾斜層、
１０９…Ｉn0.5Ｇa0.5Ａsカソードキャップ層、
１１２…Ｔi/Ｐt/Ａuカソードオーミック接触電極、
１２４…Ａl0.3Ｇa0.7Ａsカソード層、
１２５…Ａl0.35Ｇa0.65Ａsバラスト層、
１４１,１６１,１７１,１９１,２１１,２３１…マルチフィンガー
ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード、
１４２,１６２,１７２,１９２,２１２,２３２…べース電極、
１４３,１６６,１７５,１９７,２１５,２３７…アノード電源端子、
１４４,１４７,１６５,１７４,１７７,１９６,２１４,２１７,２３６,２３９
…インダクタンス、
１４５,１６４,１７３,１９５,２１３,２３５…アノード電極、
１４６,１７８,２１８…カソード電源端子、
１４８,１６７,１７６,１９８,２１６,２３８…カソード電極、
１４９,１６８,１７９,１８１,１９９,２０２,２１９,２２１,
２４０,２４２,２４５…直流バイアスカット用コンデンサ、
１５０,１６９,１８０,２００,２２０,２４１…出力端子、
１５１,１９４,２３４…コンデンサ、
１６３,２２３,２４８…基本発振周波数に対するλ/４波長のオープンスタブ
１７０,２０４,２４７…ベース電源端子、
１８２,２０３,２４６…同期信号入力端子、
１９３,２３３…基本発振周波数に対するλ/２波長線路、
２０１…同期信号周波数に対するλ/４波長のオープンスタブ
２２２,２４３…信号入力端子、
２４４…基本発振周波数に対するλ/２波長のオープンスタブ、
２５１…第１送信機(送信局)、
２５２…第２送信機(送信局)、
２５３…第１受信機、
２５４…第２受信機、
２５５…受信妨害、
２５６…送信情報信号の周波数帯域、
２５７…アップコンバート後の第１送信機(送信局)からの送信情報信号、
２５８…アップコンバート後の第２送信機(送信局)からの送信情報信号、
２５９…第１送信機(局)用のローカル周波数、
２６１…第２送信機(局)用のローカル周波数。
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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