(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面のほぼ中央部分に１又は複数個形成された第１の電極、該第１の電極の周囲にガンダイオード機能部を区画するよう形成された凹部又は絶縁体、前記片面における前記第１の電極と前記凹部又は前記絶縁体を除く面に形成された第２の電極、前記第１の電極に形成された導電性突起による第１のバンプ、及び前記第２の電極に前記第１のバンプを挟むように形成された導電性突起による複数の第２のバンプを有するガンダイオードにおいて、
前記第１のバンプの合計面積を、前記第２のバンプの合計面積に対して０．７％〜２０％に設定したことを特徴とするガンダイオード。
【請求項２】
半絶縁性の平板基板、該平板基板の表面に形成された信号電極、該信号電極の片端にオープンスタブが残る位置を跨ぐように形成された２個の表面接地電極、前記平板基板の裏面に形成された裏面接地電極、及び前記各表面接地電極と前記裏面接地電極とを導通させるヴィアホールを有するマイクロストリップ線路と、該マイクロストリップ線路の前記信号電極に前記第１のバンプが接着され、前記マイクロストリップ線路の前記各表面接地電極に前記第２のバンプが接着された前記請求項１に記載のガンダイオードとからなることを特徴とするガンダイオード発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実装時におけるダメージを低減し、発振周波数や発振出力等のバラツキを低減したガンダイオード及びそのガンダイオードを搭載したガンダイオード発振器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図２にマイクロ波やミリ波の発振用の従来のガンダイオード２０を示す。図２において、２１は半導体基板、２２は第１の半導体層、２３は活性層、２４は第２の半導体層、２５は絶縁体、２６はカソード電極、２７はアノード電極、２８は導電性突起によるカソードバンプ、２９は導電性突起によるアノードバンプである。
【０００３】
絶縁体２５は、上面から活性層２３と第１の半導体層２２の境までボロン注入により筒形状に形成され、カソード電極２６をアノード電極２７から分離し、該絶縁体２５により囲まれた内側の第１の半導体層２２、活性層２３及び第２の半導体層２４によりガンダイオードの機能部が形成されている。図２では絶縁体２５による筒状の部分が６個形成され、６個のカソード電極２６の下層に各々ガンダイオード機能部が形成されている。また、カソードバンプ２８は６個のカソード電極２６の全ての上面に各々形成されているが、アノードバンプ２９はアノード電極の部分の上面の両側にカソードバンプ２８の一群を両側から挟むように片側に３個ずつ合計で６個形成されている。
【０００４】
図３は、図２のガンダイオード２０をマイクロストリップ線路３０に搭載して構成したガンダイオード発振器の断面を示す図で、図４はその全体斜視図、図５はヴィアホール３５の部分を切断した断面を表した斜視図である。マイクロストリップ線路３０は、半絶縁性の平板基板３１の上面に信号電極３２とその信号電極３２を両側から挟むように２個の表面接地電極３３を形成すると共に、裏面に裏面接地電極３４を形成して、各表面接地電極３３と裏面接地電極３４をヴィアホール３５により導通させたものである。信号電極３２には電圧印加用のバイアス電極３２Ａ、共振器を構成するオープンスタブ３２Ｂ、及び発振出力取出用の出力部３２Ｃが形成されている。ガンダイオード２０は、中央のカソードバンプ２８が信号電極３２に、両側のアノードバンプ２９が両側の表面接地電極３３に接着するように実装される。３６は放熱基台であるが、図４及び図５では省略した。
【０００５】
ところで、従来では、ガンダイオード２０をマイクロストリップ線路３０に実装するとき、熱圧着方式のボンディングツールを用いてガンダイオード２０のカソードバンプ２８を信号電極３２に、アノードバンプ２９を表面接地電極３３に各々接着していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方式では、ガンダイオード２０のバンプ２８、２９とマイクロストリップ線路３０の電極３２、３３は、Au-Auの熱圧着となり、380℃程度の加熱（接合温度）が必要となるが、ガンダイオード２０にこのような温度の熱が加わると、オーミック電極のシンター効果で抵抗が増大し、発振特性が劣化してしまうという問題がある。
【０００７】
そこで、熱及び超音波併用方式のボンディングツールを用いることで、加熱温度を低下させ、特性の劣化防止を図っているが、超音波によってガンダイオードチップの結晶に転移などの欠陥が誘発される恐れがある。そして、このような欠陥が発生すると、ガンダイオード２０の発振周波数や発振出力等にバラツキが発生するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、熱及び超音波併用方式のボンディングツールを用いたときであっても、発振周波数や発振出力等にバラツキが発生しないようにした、ガンダイオード及びガンダイオード発振器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、片面のほぼ中央部分に１又は複数個形成された第１の電極、該第１の電極の周囲にガンダイオード機能部を区画するよう形成された凹部又は絶縁体、前記片面における前記第１の電極と前記凹部又は前記絶縁体を除く面に形成された第２の電極、前記第１の電極に形成された導電性突起による第１のバンプ、及び前記第２の電極に前記第１のバンプを挟むように形成された導電性突起による複数の第２のバンプを有するガンダイオードにおいて、前記第１のバンプの合計面積を、前記第２のバンプの合計面積に対して０．７％〜２０％に設定したことを特徴とするガンダイオードとした。
【００１０】
請求項２に係る発明は、半絶縁性の平板基板、該平板基板の表面に形成された信号電極、該信号電極の片端にオープンスタブが残る位置を跨ぐように形成された２個の表面接地電極、前記平板基板の裏面に形成された裏面接地電極、及び前記各表面接地電極と前記裏面接地電極とを導通させるヴィアホールを有するマイクロストリップ線路と、該マイクロストリップ線路の前記信号電極に前記第１のバンプが接着され、前記マイクロストリップ線路の前記各表面接地電極に前記第２のバンプが接着された前記請求項１に記載のガンダイオードとからなることを特徴とするガンダイオード発振器とした。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の１つの実施形態のガンダイオード１０を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。図１において、１１は不純物濃度が１〜２×1018atm/cm3のＮ型ガリウム砒素からなる半導体基板、１２は不純物濃度が２×1018atm/cm3で厚さ1.5μｍのＮ型ガリウム砒素からなる第１の半導体層、１３は不純物濃度が８×1015atm/cm3で厚さ1.6μｍＮ型ガリウム砒素からなる活性層、１４は不純物濃度が１×1018atm/cm3で厚さ0.3μｍのＮ型ガリウム砒素からなる第２の半導体層である。１５は絶縁体、１６は第２の半導体層１４とオーミック接触するAuGe，Ni，Au等の金属膜からなるカソード電極、１７は同様のアノード電極、１８は導電性突起によるカソードバンプ、１９は同様のアノードバンプである。
【００１２】
絶縁体１５は、上面から活性層１３と第１の半導体層１２の境までボロン注入により筒形状に形成され、カソード電極１６をアノード電極１７から分離し、該絶縁体１５により囲まれた内側の第１の半導体層１２、活性層１３及び第２の半導体層１４によりガンダイオードの機能部が形成されている。図１では絶縁体１５による筒状の部分が６個形成され、６個のカソード電極１６の下層に各々ガンダイオード機能部が形成されている。また、カソードバンプ１８は６個のカソード電極２６の全ての上面に各々形成されているが、アノードバンプ１９はアノード電極１７の部分の上面にカソードバンプ１８の一群を両側から挟むように片側の両角に２個ずつ合計で４個形成されている。このアノードバンプ１９は、ＣＣＤカメラを用いた位置合わせを考慮すると図示のような四角形状が好ましいが、これに限られるものではない。また、面積は少なくとも100μｍ×50μｍ程度のものが望ましい。
【００１３】
絶縁体１５によって区画された各々のカソード電極１６に対応する活性層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値（横方向面積）に設定される。また、アノード電極１７に対応する活性層１３の面積は、カソード電極１６に対応する面積の１０〜１００倍位として、この部分がガンダイオードとして機能しないようになっている。
【００１４】
本ガンダイオード１０は、これを図３乃至図５に示した従来のガンダイオード２０と同様に、マイクロストリップ線路３０に搭載することにより、ガンダイオード発振器として機能させることができる。このとき、ボンディングツールとしては、熱及び超音波併用のツールを使用する。
【００１５】
図６(a)は、ガンダイオード１０をマイクロストリップ線路３０に搭載して構成したガンダイオード発振器について、アノードバンプ１９の合計面積に対するカソードバンプ１８の合計面積の面積比と発振周波数の３σとの関係（σ：標準偏差）を示す特性図、図６(b)は同面積比と最大発振出力の３σとの関係を示す特性図である。ここで、アノードバンプの面積は、アノードバンプがアノード電極に接する部分の面積をいい、同様にカソードバンプの面積はカソードバンプがカソード電極に接する部分の面積をいう。
【００１６】
アノードバンプ１９の合計面積に対するカソードバンプ１８の合計面積の面積比を２０％以下にすることにより、図６(a)に示すように発振周波数の３σが小さくなって発振周波数のバラツキが小さくなり、また、図６(b)に示すように、最大発振出力の３σが小さくなって最大発振出力のバラツキが小さくなっている。すなわち、ボンディングツールとして、熱及び超音波併用のツールを使用したときでも、上記したようにアノードバンプ１９の合計面積に対するカソードバンプ１８の合計面積の面積比を２０％以下にすることにより、発振周波数と最大発振出力のバラツキを小さくすることができる。
【００１７】
なお、ガンダイオード１０のアノードバンプ１９の合計面積に対するカソードバンプ１８の合計面積の面積比の下限は、0.7％程度が好ましい。ガンダイオード１０をガン発振器として使用するとき、カソード電極１６は、合計で少なくとも13μｍ直径の面積（133μｍ2）がないと、発振出力が得られない。この場合、カソード電極１６の部分の放熱のため、カソードバンプ１８の直径も13μｍ程度が必要となる。したがって、この直径13μｍの面積（133μｍ2）が下限となる。４個のアノードバンプ１９の各々を100μｍ×50μｍとすると、その合計面積は20,000μｍ2となる。よって、アノードバンプ１９の合計面積に対するカソードバンプ１８の合計面積の面積比は0.66％であり、ほぼ0.7％となる。
【００１８】
図７はガンダイオードをマイクロストリップ線路３０に搭載して38ＧＨｚ帯域用のガンダイオード発振器とした場合の発振周波数のヒストグラムであり、(a)は本実施形態のガンダイオード１０の場合、(b)は従来のガンダイオード２０の場合である。なお、本実施形態のガンダイオード１０の素子サイズは290μｍ×490μｍ、カソードバンプ１８は28μｍ直径のものが６個、アノードバンプ１９は100×50μｍのものが４個の場合である。また、従来のガンダイオード２０は、アノードバンプ２９が50μｍ直径のものが６個で、他はガンダイオード１０と同じ条件である。ここで、アノードバンプの形状が異なっているが、上記特性に影響を与えることはない。
【００１９】
図７(a)の本実施形態のガンダイオード１０では、平均発振周波数が38.5 GHz、標準偏差が0.16 GHzという良好な結果が得られているのに対し、図７(b)の従来のガンダイオード２０では、平均発振周波数が38.3 GHz、標準偏差が0.4 GHzという結果にとどまっている。
【００２０】
図８はガンダイオードをマイクロストリップ線路３０に搭載して38ＧＨｚ帯域用のガンダイオード発振器とした場合の最大発振出力のヒストグラムであり、(a)が本実施形態のガンダイオード１０（図７(a)と同じ条件）の場合、(b)は従来のガンダイオード２０（図７(b)と同じ条件）の場合である。
【００２１】
図８(a)の本実施形態のガンダイオード１０では、平均最大発振出力が122.8 mW、標準偏差が7.2 mWという良好な結果が得られているのに対し、図８(b)の従来のガンダイオード２０では、平均最大発振出力が106.4 mW、標準偏差が18.4 mWという結果にとどまっている。
【００２２】
なお、以上説明した実施形態のガンダイオード１０において、半導体基板１１、第１の半導体層１２、活性層１３及び第２の半導体層１４のガンダイオード機能部の不純物の種類及びその濃度を調整することにより、カソード電極１６をアノード電極に代え、アノード電極１７をカソード電極に代えることもできる。また、以上の実施形態のガンダイオード１０では、ボロン注入により絶縁体１５を形成したが、この絶縁体は形成せず、そこに凹部を形成してガンダイオード機能部を区画してもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、熱及び超音波併用のツールを使用してガンダイオード発振器を構成したときでも、上記したように第２のバンプの合計面積に対する第１のバンプの合計面積の面積比を０．７％〜２０％に設定することにより、その発振周波数や最大発振出力等のバラツキを低減することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態のガンダイオードを示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図２】  従来のガンダイオードを示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図３】  マイクロストリップ線路に搭載してガンダイオード発振器を構成した従来のガンダイオード発振器の断面図である。
【図４】  マイクロストリップ線路に搭載してガンダイオード発振器を構成した従来のガンダイオード発振器の斜視図である。
【図５】  マイクロストリップ線路に搭載してガンダイオード発振器を構成した従来のガンダイオード発振器の一部切り欠きの斜視図である。
【図６】(a)はアノードバンプの合計面積に対するカソードバンプの合計面積の面積比と発振周波数の３σとの特性図、(b)は同面積比と最大発振出力の３σとの特性図である。
【図７】  (a)は本実施形態のガンダイオード発振器の発振周波数のヒストグラム、(b)は従来のガンダイオード発振器の発振周波数のヒストグラムである。
【図８】  (a)は本実施形態のガンダイオード発振器の最大発振出力のヒストグラム、(b)は従来のガンダイオード発振器の最大発振出力のヒストグラムである。
【符号の説明】
１０：本実施形態のガンダイオード、１１：半導体基板、１２：第１の半導体層、１３：活性層、１４：第２の半導体層、１５：絶縁体、１６：カソード電極、１７：アノード電極、１８：カソードバンプ、１９：アノードバンプ
２０：従来のガンダイオード、２１：半導体基板、２２：第１の半導体層、２３：活性層、２４：第２の半導体層、２５：絶縁体、２６：カソード電極、２７：アノード電極、２８：カソードバンプ、２９：アノードバンプ
３０：マイクロストリップ線路、３１：信号線路、３１Ａ：バイアス電極、３１Ｂ：オープンスタブ電極、３１Ｃ：出力部、３２：表面接地電極、３３：裏面接地電極、３４：ヴィアホール
【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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