(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性の平板基板の表面に、発振出力電極と該発振出力電極に連続するショートスタブとからなる信号電極を形成し、該ショートスタブの近傍に前記信号電極をまたぐよう一対の表面電極を形成し、該一対の表面電極の一方に連続するようバイアス電極を形成し、裏面全面に裏面電極を形成し、該裏面電極と前記ショートスタブの先端部をヴィアホールにより接続したマイクロストリップ線路と、
底面の中央にアノード又はカソードの一方の電極が形成され、前記底面の前記一方の電極をまたぐ両側に他方の電極が各々形成されたフリップチップ型のガンダイオードとを具備し、
前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記マイクロストリップ線路の前記信号電極に接着すると共に前記他方の各電極を前記マイクロストリップ線路の前記各表面電極に接着してなるガンダイオード発振器において、
前記ガンダイオードの前記一方の電極を、前記信号電極の信号伝搬方向に平行な方向を長軸あるいは長辺とする形状としたことを特徴とするガンダイオード発振器。
【請求項２】
半絶縁性の平板基板の表面に、発振出力電極と該発振出力電極に連続するオープンスタブとからなる信号電極を形成し、該オープンスタブの近傍に前記信号電極をまたぐよう一対の表面電極を形成し、該一対の表面電極の一方に連続するよう第１のバイアス電極を形成し、前記オープンスタブの延長線上に前記オープンスタブから分離したショートスタブを形成し、前記オープンスタブに連続する第２のバイアス電極を形成し、裏面全面に裏面電極を形成し、該裏面電極と前記ショートスタブの先端部をヴィアホールにより接続したマイクロストリップ線路と、
底面の中央にアノード又はカソードの一方の電極が形成され、前記底面の前記一方の電極をまたぐ両側に他方の電極が各々形成されたフリップチップ型のガンダイオードと、
底面の一端にアノード又はカソードの一方の電極が形成され、他端に他方の電極が形成されたバラクタダイオードとを具備し、
前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記マイクロストリップ線路の前記信号電極に接着すると共に前記他方の各電極を前記マイクロストリップ線路の前記各表面電極に接着し、
前記バラクタダイオードの前記一方の電極を前記オープンスタブの先端部に接着すると共に他方の電極を前記ショートスタブの前記オープンスタブ側の端部に接着してなるガンダイオード発振器において、
前記ガンダイオードの前記一方の電極を、前記信号電極の信号伝搬方向に平行な方向を長軸あるいは長辺とする形状としたことを特徴とするガンダイオード発振器。
【請求項３】
半絶縁性の平板基板の表面に、発振出力電極と該発振出力電極に連続するショートスタブとからなる信号電極を形成し、該ショートスタブの近傍に前記信号電極をまたぐよう一対の表面電極を形成し、前記信号電極の両側に接地電極を形成し、前記一対の表面電極の一方に連続するようバイアス電極を形成し、前記ショートスタブの先端部を前記接地電極に接続したコプレーナ線路と、
底面の中央にアノード又はカソードの一方の電極が形成され、前記底面の前記一方の電極をまたぐ両側に他方の電極が各々形成されたフリップチップ型のガンダイオードとを具備し、
前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記コプレーナ線路の前記信号電極に接着すると共に前記他方の各電極を前記コプレーナ線路の前記各表面電極に接着してなるガンダイオード発振器において、
前記ガンダイオードの前記一方の電極を、前記信号電極の信号伝搬方向に平行な方向を長軸あるいは長辺とする形状とした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、マイクロ波やミリ波用のガンダイオードを用いた発振器に係り、特に二次高調波発振出力の位相雑音特性の向上、歩留まりの向上、さらに高出力化が容易となった表面実装型の二次高調波型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８に従来のメサ型構造のガリウム砒素（ＧａＡｓ）ガンダイオード１００の断面図を示す。高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１上に、ＭＢＥ法又はＭＯＣＶＤ法により、高濃度ｎ型ＧａＡｓからなる第１のコンタクト層１０２、低濃度ｎ型ＧａＡｓからなる活性層１０３、高濃度ｎ型ＧａＡｓ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、メサ型構造となっている。１０５はカソード電極、１０６はアノード電極である。
【０００３】
このように形成されたガンダイオード１００は、図９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１００を取り囲む外囲器となるガラス或いは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。さらに、金リボン１１３によりガンダイオード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上に蓋状の金属ディスク１１４をロウ付けし、ピル型パッケージ１１０に組み立てられる。
【０００４】
このようにピル型パッケージ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１０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。
【０００５】
このような構成において、一方の信号電極１２４を所定の線路長に設定して先端をオープンにすると、その信号電極１２４の線路長の共振器で発振周波数が決定されるガンダイオード発振器となる。
【０００６】
ところで、マイクロ波やミリ波帯の発振器の発振素子であるＧａＡｓからなるガンダイオードは、ＧａＡｓのEnergy Relaxaition Timeの制限により、基本発振周波数の２倍の周波数を用いた二次高調波モードで発振させることが多い。
【０００７】
ピル型パッケージに組み立てられたガンダイオードは、これを導波管キャビティに搭載してガンダイオード発振器を構成するとき、その基本波成分が導波管のカットオフ周波数以下であれば、その基本波成分は導波管のカットオフ周波数によって除外され、その発振スペクトルは二次高調波成分のみとなり、二次高調波モードの発振出力を得ることができる。
【０００８】
一方、マイクロ波やミリ波の発振器用の表面実装型のガンダイオードは、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路に実装してガンダイオード発振器を構成している。
【０００９】
マイクロストリップ線路への実装は、表面に信号電極を形成し裏面に接地電極を形成した半絶縁性の平板基板の該表面に、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てマイクロストリップ線路を構成し、その信号電極と表面接地電極とに、表面実装型ガンダイオードのカソード電極とアノード電極をそれぞれ接続することで搭載して行われる。
【００１０】
また、コプレーナ線路への実装は、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てコプレーナ線路を構成し、その信号電極と接地電極とに、表面実装型ガンダイオードのカソード電極とアノード電極をそれぞれ接続することで搭載して行われる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示したようにガンダイオード１００をピル型パッケージ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１００を接着する時、前記ボンディ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】
また、ガンダイオード１００を組み込んだピル型パッケージ１１０を図１０に示したように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】
さらに、アノード又はカソードの一方の電極形状が円形のシングルメサ構造の従来のガンダイオード素子は、発熱面積が小さいために、放熱性能が悪く、素子の温度上昇に伴い素子特性が悪化するという問題があった。
【００１４】
また、従来のマイクロストリップ線路やコプレーナ線路上に表面実装型ガンダイオードを搭載してガンダイオード発振器を構成した場合は、ガンダイオードが二次高調波を用いたガンダイオードである場合、発振周波数を決定するショートスタブ共振器に定在する電界最小点が、基本波周波数と二次高調波周波数とで異なるために、良質な発振スペクトルが得られないという問題があった。
【００１５】
本発明の目的は、組み立てや実装が容易で歩留まりが高く放熱も良好で、さらに良質な発振スペクトル特性を実現できるようにした高出力ガンダイオード発振器を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
このために請求項１の発明は、半絶縁性の平板基板の表面に、発振出力電極と該発振出力電極に連続するショートスタブとからなる信号電極を形成し、該ショートスタブの近傍に前記信号電極をまたぐよう一対の表面電極を形成し、該一対の表面電極の一方に連続するようバイアス電極を形成し、裏面全面に裏面電極を形成し、該裏面電極と前記ショートスタブの先端部をヴィアホールにより接続したマイクロストリップ線路と、底面の中央にアノード又はカソードの一方の電極が形成され、前記底面の前記一方の電極をまたぐ両側に他方の電極が各々形成されたフリップチップ型のガンダイオードとを具備し、前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記マイクロストリップ線路の前記信号電極に接着すると共に前記他方の各電極を前記マイクロストリップ線路の前記各表面電極に接着してなるガンダイオード発振器において、前記ガンダイオードの前記一方の電極を、前記信号電極の信号伝搬方向に平行な方向を長軸あるいは長辺とする形状としたことを特徴とするガンダイオード発振器とした。
【００１７】
請求項２の発明は、半絶縁性の平板基板の表面に、発振出力電極と該発振出力電極に連続するオープンスタブとからなる信号電極を形成し、該オープンスタブの近傍に前記信号電極をまたぐよう一対の表面電極を形成し、該一対の表面電極の一方に連続するよう第１のバイアス電極を形成し、前記オープンスタブの延長線上に前記オープンスタブから分離したショートスタブを形成し、前記オープンスタブに連続する第２のバイアス電極を形成し、裏面全面に裏面電極を形成し、該裏面電極と前記ショートスタブの先端部をヴィアホールにより接続したマイクロストリップ線路と、底面の中央にアノード又はカソードの一方の電極が形成され、前記底面の前記一方の電極をまたぐ両側に他方の電極が各々形成されたフリップチップ型のガンダイオードと、底面の一端にアノード又はカソードの一方の電極が形成され、他端に他方の電極が形成されたバラクタダイオードとを具備し、前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記マイクロストリップ線路の前記信号電極に接着すると共に前記他方の各電極を前記マイクロストリップ線路の前記各表面電極に接着し、前記バラクタダイオードの前記一方の電極を前記オープンスタブの先端部に接着すると共に他方の電極を前記ショートスタブの前記オープンスタブ側の端部に接着してなるガンダイオード発振器において、前記ガンダイオードの前記一方の電極を、前記信号電極の信号伝搬方向に平行な方向を長軸あるいは長辺とする形状としたことを特徴とするガンダイオード発振器とした。
【００１８】
請求項３の発明は、半絶縁性の平板基板の表面に、発振出力電極と該発振出力電極に連続するショートスタブとからなる信号電極を形成し、該ショートスタブの近傍に前記信号電極をまたぐよう一対の表面電極を形成し、前記信号電極の両側に接地電極を形成し、前記一対の表面電極の一方に連続するようバイアス電極を形成し、前記ショートスタブの先端部を前記接地電極に接続したコプレーナ線路と、底面の中央にアノード又はカソードの一方の電極が形成され、前記底面の前記一方の電極をまたぐ両側に他方の電極が各々形成されたフリップチップ型のガンダイオードとを具備し、前記ガンダイオードの前記一方の電極を前記コプレーナ線路の前記信号電極に接着すると共に前記他方の各電極を前記コプレーナ線路の前記各表面電極に接着してなるガンダイオード発振器において、前記ガンダイオードの前記一方の電極を、前記信号電極の信号伝搬方向に平行な方向を長軸あるいは長辺とする形状としたことを特徴とするガンダイオード発振器とした。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１は第１の実施形態のガンダイオード発振器を示す斜視図であり、基板の一部を断面にしたものである。１０は底面中央にアノード電極バンプ１１が、両側にカソード電極バンプ１２、１３が各々突出形成されたフリップチップ型のガンダイオードであり、マイクロストリップ線路２０に後記するように実装されている。
【００２０】
このガンダイオード１０は、より詳しくは、ガリウム砒素やインジウム燐等からなる半導体積層部のアノード電極バンプ１１に対応する中央部分にガンダイオード機能部を形成し、底面中央にアノード電極バンプ１１を形成し、該底面のアノード電極バンプ１１を挟む両側にカソード電極バンプ１２、１３を形成したもの（例えば、特願平１０−２５９００６号）である。本実施形態ではさらに、図２の(a)に示すように、中央のアノード電極バンプ１１の形状を、そのバンプ１１，１２，１３の並びの方向と直交する方向を長軸とする楕円形状に形成している。
【００２１】
マイクロストリップ線路２０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、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基板を平板基板２１とし、その平板基板２１の表面に信号電極２２、ガンダイオード１０への電源供給用のバイアス電極２３、そのバイアス電極２３に連続する表面電極２４、独立した表面電極２５を形成し、裏面全面に裏面電極２６を形成したものである。信号電極２２は発振出力部を構成する発振出力電極２２Ａと共振器として働くショートスタブ２２Ｂを有し、このショートスタブ２２Ｂの先端部分がタングステンを充填したヴィアホール２７により裏面電極２６と接続されている。
【００２２】
ガンダイオード１０のマイクロストリップ線路２０への搭載は、その中央のアノード電極バンプ１１を信号電極２２に接着し、一方のカソード電極バンプ１２を表面電極２４に接着し、他方のカソード電極バンプ１３を表面の独立電極２５に接着することで行っている。このように接着すると、アノード電極バンプ１１は、信号電極２２の信号伝搬方向に平行な方向が、楕円形状の長軸方向となる。
【００２３】
以上から、裏面電極２６を固定電位とし、バイアス電極２３に直流電圧を印加すると、ガンダイオード１０による発振がおこなわれる。
【００２４】
本実施形態のガンダイオード発振器では、ガンダイオード１０をフェースダウン姿勢にしてバンプ１１、１２、１３を電極２２、２４，２５に直接接続し、金リボンを使用しないので、その金リボンによる接続に起因して発生していた寄生インダクタンスがなくなり、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。また、ガンダイオード１０に発生する熱がバンプ１１、１２、１３を介してヒートシンクとしても機能する基板２１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１０の実装状態では、アノード電極バンプ１１の両側にカソード電極バンプ１２、１３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。
【００２５】
ところで、ガンダイオード発振器では、ショートスタブ２２Ｂのガンダイオード１０の中心からの長さを、λ／２（λ：基本波の波長）に設定することが行われる。これにより、そのショートスタブ２２Ｂの先端では、発振出力の基本波および二次高調波共に電界が最小値となる。また、そこからλ／２だけ離れたガンダイオード１０の中心位置でも基本波および二次高調波のいずれの電界も同位置で最小値となるはずである。ところが、実際のガンダイオード発振器では、ガンダイオード１０の搭載やその他の影響のため、ガンダイオード１０部分での基本波および二次高調波の両者の電界最小点が正確には一致せず、良質な発振スペクトルを得ることができなかった。
【００２６】
図３(a)は図１のＡ−Ａ’の一点鎖線で示す断面の電界強度をシミュレータＨＦＳＳを用いて、周波数７６ＧＨｚでシミュレーションした結果を示す図、(b)は周波数３８ＧＨｚで同様にシミュレーションした結果を示す図である。
【００２７】
７６ＧＨｚでシミュレーションした図３(a)ではガンダイオード１０の中心より右側（ショートスタブ２２Ｂの先端から離れる側）に電界最小点Ａ１があるのに対して、３８ＧＨｚでシミュレーションした図３(b)ではガンダイオード１０の中心より左側（ショートスタブ２２Ｂの先端に近づく側）に電界最小点Ａ２がある。
【００２８】
しかし、このような場合でも、本実施形態ではガンダイオード１０のバンプ１１を他のバンプ１２、１３との並びと直交する方向が長軸となる楕円形状にして、ショートスタブ２２Ｂの軸方向に長くなるようにしているので、７６ＧＨｚの電界最小点Ａ１の位置と３６ＧＨｚの電界最小点Ａ２の位置をガンダイオード１０のバンプ１１の面内に収めることができるようになる。この結果、良好な発振スペクトルと高発振出力を得ることができる。
【００２９】
図４は本実施形態のガンダイオード発振器の発振スペクトルを示す特性図、図５はガンダイオード１０のバンプ１１を裏面の中央に小径の円形（図示せず）に形成したガンダイオード発振器の発振スペクトルを示す特性図である。図５に示す特性ではその位相雑音（Phase Noize：１Ｈｚ当りの目的信号とノイズとの比）が-79.50ｄＢｃ／Ｈｚであるのに対して、図４の本実施形態のガンダイオード発振器ではその位相雑音が-91.33ｄＢｃ／Ｈｚとなって、良好となっている。
【００３０】
なお、ガンダイオード１０のアノード電極バンプ１１の形状は、図２(b)に示すように、バンプ１１，１２，１３の並び方向と直交する方向が長辺となる長方形としても同様の作用効果があり、また、図２(c)に示すように、バンプ１１，１２，１３の並びの方向と直交する方向を長軸とする十字形状にすると、図２(a)、(b)の作用効果に加えて、電界最小点が表面電極２４或いは２５の方向に多少ずれても、これをカバーすることが可能となる。また、図２(a)〜(c)の両側のバンプ１２，１３の形状については、ここでは長方形としているが、これに限られるものではない。
【００３１】
［第２の実施形態］
図６は本発明の第２の実施形態のガンダイオード発振器の斜視図である。図１におけるものと同じものには同じ符号を付けている。本実施形態は、出力電極２２Ａに連続してショートスタブ２２Ｂに代えてオープンスタブ２２Ｃを形成し、そのオープンスタブ２２Ｃの延長線上の離れた位置にショートスタブ２８を設け、このショートスタブ２８をヴィアホール２７により裏面電極２６に接続し、また表面にオープンスタブ２２Ｃに連続するバイアス電極２９を形成して、オープンスタブ２２Ｃとショートスタブ２８の間にバラクタダイオード３０を搭載したものである。３１、３２はバラクタダイオード３０のカソード電極バンプ、アノード電極バンプである。
【００３２】
本実施形態では、バイアス電極２３を介してガンダイオード１０にバイアスを印加し、バイアス電極２９を介してバラクタダイオード３０にバイアスを印加することにより、ガンダイオード１０で発振する発振周波数をバラクタダイオード３０により変調することができ、電圧制御発振器として利用できる。
【００３３】
本実施形態のガンダイオード発振器においても、図１に示した第１の実施形態のガンダイオード発振器と同様に、特性のバラツキを少なくし、放熱を良好とし、良好な発振スペクトル特性を得ることができる。
【００３４】
［第３の実施形態］
図７は本発明の第３の実施形態のガンダイオード発振器の斜視図である。本実施形態は、マイクロストリップ線路をコプレーナ線路４０に置換したものである。４１は半絶縁性の平板基板、４２は信号電極、４２Ａは発振出力電極、４２Ｂはショートスタブ、４３はバイアス電極、４４はバイアス電極４３に連続した表面電極、４５は独立した表面電極、４６は信号電極４１の両側に形成された表面接地電極である。ショートスタブ４２Ｂは表面接地電極４６に連続している。ここでは、ガンダイオード１０のアノード電極バンプ１１が信号電極４２に、一方のカソード電極バンプ１２が表面電極４４に、他方のカソード電極バンプ１３が表面電極４５に接着されている。
【００３５】
このガンダイオード発振器ではも、図１に示したガンダイオード発振器と全く同様に動作し、同様の作用効果を呈する。
【００３６】
［その他の実施形態］
なお、以上説明した各実施形態において、ガンダイオード１０のアノード電極バンプ１１とカソード電極バンプ１２、１３は、バイアス電圧の極性によって逆になる場合もある。バラクタダイオード３０の電極３１、３２も同様である。
【００３７】
【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発振器によれば、平板基板上にガンダイオードをフェースダウンの姿勢で搭載するので、組み立てや実装が容易で歩留まりが高くなり、また放熱も良好となる。さらに、ガンダイオードの中央の電極を、前記両側の電極との並びの方向に直交する方向を長軸とする楕円形状、前記直交する方向を長辺とする長方形、又は前記直交する方向を長軸とする十字形状等としたので、発振周波数を決定するショートスタブ共振器に定在する発振基本波および二次高調波の電界最小点を前記の中央の電極内に位置させることが可能となり、良好な発振スペクトルを得、高発振出力を得ることが可能なり、利点が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態のガンダイオード発振器の斜視図である。
【図２】  (a)〜(c)は図１のガンダイオードの裏面図である。
【図３】  図１のガンダイオード発振器のＡ−Ａ’線断面における電界強度をシミュレータＨＦＳＳでシミュレーションした結果を示す図で、(a)は周波数７６ＧＨｚの電界強度、(b)は周波数３８ＧＨｚの電界強度である。
【図４】  図１のガンダイオード発振器の発振スペクトルの特性図である。
【図５】  中央の電極バンプの形状を円形としたガンダイオードを使用したガンダイオード発振器の発振スペクトルの特性図である。
【図６】  本発明の第２の実施形態のガンダイオード発振器の斜視図である。
【図７】  本発明の第３の実施形態のガンダイオード発振器の斜視図である。
【図８】  従来のメサ型構造のガンダイオードの断面図である。
【図９】  従来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１０】  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：ガンダイオード、１１：アノード電極バンプ、１２，１３：カソード電極バンプ
２０：マイクロストリップ線路、２１：平板基板、２２：信号電極、２２Ａ：発振出力電極、２２Ｂ：ショートスタブ、２２Ｃ：オープンスタブ、２３：バイアス電極、２４，２５：表面電極、２６：裏面電極、２７：ヴィアホール、２８：ショートスタブ、２９：バイアス電極
３０：バラクタダイオード、３１：アノード電極バンプ、３２：カソード電極バンプ
４０：コプレーナ線路、４１：平板基板、４２：信号電極、４２Ａ：発振出力電極、４２Ｂ：ショートスタブ、４３：バイアス電極、４４，４５：表面電極、４６：表面接地電極
１００：従来のガンダイオード、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：マイ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：信号線路
【図１】
0004859289.tif 000002
【図２】
0004859289.tif 000003
【図３】
0004859289.tif 000004
【図４】
0004859289.tif 000005
【図５】
0004859289.tif 000006
【図６】
0004859289.tif 000007
【図７】
0004859289.tif 000008
【図８】
0004859289.tif 000009
【図９】
0004859289.tif 000010
【図１０】
0004859289.tif 000011