ミリ波発振器
【課題】ミリ波共振器基板上にガンダイオード素子を搭載したミリ波発振器においては、ガンダイオードを構成する半導体基板の放熱性が悪く、動作中にガンダイオード活性層の温度が上昇してしまうため、ミリ波出力が著しく低下してしまう。
【解決手段】
誘電体基板２の上面に金属層から成る共振器（信号電極３および接地電極４）が形成された共振器基板上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成る薄膜ガンダイオード素子１を搭載して成るミリ波発振器である。ガンダイオードから熱伝導性の低い半導体基板を分離したことによって、薄膜ガンダイオード素子１のガンダイオード活性層で発生した熱を容易にミリ波共振器基板側へ放熱することが可能であり、ガンダイオードの温度上昇を抑制してミリ波出力強度を安定化することができる。
【解決手段】
誘電体基板２の上面に金属層から成る共振器（信号電極３および接地電極４）が形成された共振器基板上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成る薄膜ガンダイオード素子１を搭載して成るミリ波発振器である。ガンダイオードから熱伝導性の低い半導体基板を分離したことによって、薄膜ガンダイオード素子１のガンダイオード活性層で発生した熱を容易にミリ波共振器基板側へ放熱することが可能であり、ガンダイオードの温度上昇を抑制してミリ波出力強度を安定化することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば衛星通信や地上での極短距離通信、あるいは車載用の追突防止レーダ装置に用いられるミリ波発信器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のミリ波発振器は、例えば図１２（ａ）に一部を透視した上面図で、図１２（ｂ）にそのＢ−Ｂ’線断面図で示すように、半導体基板上に第１の半導体層（図示せず），ガンダイオード活性層（図示せず）および第２の半導体層（図示せず）が順に積層されて作製されたガンダイオード１１を、信号電極１３および一対の接地電極１４を形成して成るミリ波共振器が形成された半絶縁性の平板基板１２上に、導体バンプ１５および１６を介してフリップチップボンディングすることによって実装するといった構成のものとして作製されていた（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
このような構成の従来のミリ波発振器によれば、ガンダイオード１１をフェースダウン姿勢にして、導体バンプ１５および１６を信号電極１３および接地電極１４に直接接続しており、ガンダイオード１１と信号電極１３および接地電極１４との接続に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て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ミリ波発振器を実現することが可能になるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１８５７８２号公報
【特許文献２】特開２００２−１３４８０８号公報
【特許文献３】特開２０００−２２２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来のミリ波発振器においては、ガンダイオード１１を構成する半導体基板の放熱性が悪く、動作中にガンダイオード活性層の温度が１３０℃程度にまで上昇してしまうという問題点があった。これは、ガンダイオード１１に発生する熱の一部は、導体バンプ１５および１６を介してヒートシンクとしても機能する平板基板１２に放散され、その他は半導体基板に伝達し空気中へ放散されるが、半導体基板内での熱伝導が低いことによるものである。
【０００６】
このようにガンダイオード活性層の温度が１３０℃程度にまで上昇すると、図１３にガンダイオード活性層の温度Ｔ（単位：Ｋ）を横軸に、電子の移動度μＨｎ（単位：ｃｍ２／Ｖ・ｓ）を縦軸にとった線図で示すように、ガンダイオード活性層の内部における電子のドリフト速度が１０４ｃｍ２／Ｖ・ｓ以下にまで著しく減少する。発振周波数は電子のドリフト速度に比例し、このため発振可能な周波数帯域のうち最も発振出力が大きくなる中心周波数が低周波数側へ移動する。従って、外部に共振器構造があり発振周波数が固定されている場合には、共振器によって決められる周波数と、ガンダイオードの中心周波数がずれていくことでミリ波出力が著しく低下してしまうという問題点があった。また、発振出力を一定にするには、注入電力を増加させる必要があるが、その場合には、発熱量がさらに大きくなり、ガンダイオード１１が破壊することがあるという問題点もあった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、ガンダイオードで動作
中に発生した熱を、ミリ波共振器が形成された基板を通して外部に良好に放熱することができ、ガンダイオード活性層の温度上昇を抑制してミリ波出力の強度を安定させることができ、しかもミリ波変換効率が高く高出力であるため注入電力を低く抑えることができ、その結果、ガンダイオード素子の結晶における欠陥発生を抑制でき、長期間動作の信頼性も高いミリ波発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ガンダイオード素子を薄膜半導体を積層して成る、放熱性の良くない半導体基板から分離されたものとして、これを放熱性の良い、ミリ波共振器が形成された基板へ搭載することによって、薄膜半導体から成るガンダイオード活性層の温度上昇を良好に抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を行なうことが可能となり、さらにはガンダイオードの長期間の動作について高信頼性が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明のミリ波発振器は、誘電体基板の上面に共振器が形成された共振器基板と、前記共振器基板上に搭載され、第１のｎ＋型層、ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層した半導体層から成るガンダイオード素子と、を有し、前記半導体層の最上層に位置する前記第２のｎ＋型層の上面を露出させたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成る薄膜ガンダイオード素子を搭載して成ることから、ガンダイオードに発生する熱の一部をヒートシンクとしても機能する共振器基板に放散させるとともに、その他の熱を、従来のような熱伝達係数の小さい半導体基板が無いので直接ガンダイオードから空気中へ放熱させることが可能となるので、ガンダイオードの温度上昇を抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を行なうことができる。
【００１１】
また、本発明のミリ波発振器は、上記構成において、前記第２のｎ＋型半導体層の上面の露出箇所に、金属層をさらに設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板を構成する誘電体基板が窒化アルミニウム，炭化珪素，窒化硼素または酸化アルミニウムから成るときには、ガンダイオードに発生する熱の一部を放散させるヒートシンクとしても機能する誘電体基板としてこれら熱伝導に優れた材質の誘電体基板を用いることにより、ガンダイオード素子の温度上昇を効果的に抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を効率よく行なうことができる。
【００１３】
また、本発明のミリ波発振器は、上記構成において、前記金属層は、前記第２のｎ＋型半導体層の上面全体に設けられたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のミリ波発振器によれば、ガンダイオード素子を共振器上に搭載したときには、ガンダイオード素子を共振器に電気的に接続するための配線による寄生インダクタンスがなくなるので、高周波発振特性において信号のノイズを無視できる程度に軽減することができる。
【００１５】
また、本発明のミリ波発振器は、上記構成において、前記第２のｎ＋型半導体層が、円柱状であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のミリ波発振器によれば、複数のガンダイオード素子を共振器上に搭載したときには、各ガンダイオード素子について高周波発振特性において信号のノイズを無視できる
程度に軽減することができるとともに、発振特性においてそれぞれのガンダイオード素子が自然に同調するので、ミリ波発振器としてのミリ波出力を効率よく向上させることができる。また、搭載面積が大きな単独のガンダイオード素子を用いる場合と比較すると、複数のガンダイオード素子を物理的に離して共振器上に配置したものの方が温度上昇をより効果的に抑制することができ、ミリ波出力を安定させることができる。
【００１７】
また、本発明のミリ波発振器は、前記第２のｎ＋型半導体層の側面に、絶縁層をさらに有することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器上にガンダイオード素子が低融点金属接合材を介して接合されているときには、ガンダイオード素子の全面が電気的に良好に、また共振器基板への放熱性も良好な状態に接合されるので、放熱性を向上させることができ、安定したミリ波出力を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成る薄膜ガンダイオード素子を搭載して成ることから、薄膜ガンダイオード素子のみが放熱性に優れた誘電体基板から成る共振器基板上に配置されており、従来のような熱伝達係数の小さい半導体基板が無いので、薄膜ガンダイオード素子からの放熱性が優れており、よって薄膜ガンダイオード素子の温度上昇を効率よく十分に抑制することができ、発振特性において、ミリ波出力を安定させるとともに向上させることができる。
【００２０】
また、本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板を構成する誘電体基板が窒化アルミニウム，炭化珪素，窒化硼素または酸化アルミニウムから成るときには、誘電体基板はガンダイオードに発生する熱の一部を放散させるヒートシンクとしても機能するので、誘電体基板としてこれら熱伝導に優れた材質の誘電体基板を用いることにより、ガンダイオード素子の温度上昇を効果的に抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を効率よく行なうことができる。
【００２１】
また、本発明のミリ波発振器によれば、ガンダイオード素子を共振器上に搭載したときには、ガンダイオード素子を共振器に電気的に接続するための配線による寄生インダクタンスがなくなるので、高周波発振特性において信号のノイズを無視できる程度に軽減することができる。
【００２２】
また、本発明のミリ波発振器によれば、複数のガンダイオード素子を共振器上に搭載したときには、各ガンダイオード素子について高周波発振特性において信号のノイズを無視できる程度に軽減することができるとともに、発振特性においてそれぞれのガンダイオード素子が自然に同調するので、ミリ波発振器としてのミリ波出力を効率よく向上させることができる。また、搭載面積が大きな単独のガンダイオード素子を用いる場合と比較すると、複数のガンダイオード素子を物理的に離して共振器上に配置したものの方が温度上昇をより効果的に抑制することができるので、ミリ波出力を安定させることができる。
【００２３】
また、本発明のミリ波発振器によれば、共振器上にガンダイオード素子が低融点金属接合材を介して接合されているときには、ガンダイオード素子の全面が電気的に良好に、また共振器基板への放熱性も良好な状態に接合されるので、放熱性を向上させることができ、安定したミリ波出力を得ることができる。
【００２４】
以上のように、本発明のミリ波発振器によれば、ガンダイオードから熱伝導性の低い半導体基板を分離したことによって、ガンダイオードのガンダイオード活性層で発生した熱
を容易にミリ波共振器基板側へ放熱することが可能となり、これにより、ガンダイオードの温度上昇を抑制することができ、ミリ波出力強度の安定化が可能となった。また同時に、ガンダイオードを長期間使用した際にガンダイオード素子内部における結晶の欠陥発生を抑制できるので、長期間使用に対する信頼性を向上させることもできた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す上面図およびそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】本発明のミリ波発振器における薄膜ガンダイオード素子について、薄膜半導体による層構成の例を示す断面図である。
【図３】図２に示す薄膜ガンダイオード素子の例の層構成におけるキャリア分布構造を示す線図である。
【図４】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図５】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図６】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図７】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図８】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図９】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図１０】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図１１】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来のミリ波発振器の例を示す一部を透視した平面図およびそのＢ−Ｂ’線断面図である。
【図１３】ガンダイオード活性層の内部における、温度に対する電子の移動度の変化を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明のミリ波発振器について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２７】
図１（ａ）は、本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す上面図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【００２８】
図１において、１は薄膜半導体の第１のｎ＋型層（図示せず），ｎ型層（図示せず）および第２のｎ＋型層（図示せず）を順次積層して成る薄膜ガンダイオード素子、２は誘電体基板である。３は誘電体基板２の上面に形成された金属層から成る信号電極、４は誘電体基板２の上面に形成された金属層から成る接地電極である。この例では、接地電極４は信号電極３の両側に一対形成されており、誘電体基板２の上面にこれら信号電極３および一対の接地電極４によりコプレーナ線路構造の共振器が形成されることによって共振器基板が構成されている。
【００２９】
また、５は絶縁膜、６は配線層であり、これらによって薄膜ガンダイオード素子１がそれぞれ電気的に独立した状態で接地電極４と電気的に接続されて、各薄膜ガンダイオード素子１に電気信号が印加できるようになっており、以上により本発明のミリ波発振器が構成されている。
【００３０】
このような図１に示す例の本発明のミリ波発振器においては、薄膜ガンダイオード素子１のみが放熱性に優れた誘電体基板２から成る共振器基板上に配置されているので、薄膜ガンダイオード素子１からの放熱性が優れており、従来のような熱伝達係数の小さい半導体基板があるものに比べて、薄膜ガンダイオード素子１の温度上昇を効率よく十分に抑制することができる。さらに、発振特性において、信号電極３上に配置された複数の薄膜ガンダイオード素子１が自然に同調するので、ミリ波出力を向上させることができる。
【００３１】
本発明のミリ波発振器における薄膜ガンダイオード素子１は、例えば５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの発振周波数を有するミリ波発振素子であり、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，薄膜半導体のｎ型層および薄膜半導体の第２のｎ＋型層を順次積層することによって形成されている。これら薄膜半導体としては、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等が用いられる。また、このような薄膜半導体から成る第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層するには、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって薄膜半導体の結晶成長を行ない、その際に不純物濃度については、マスフローコントローラによる原料ガス流量の高精度な制御によって調整すればよい。また分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いる場合には、薄膜半導体の原料坩堝を加熱して分子線を発生させ、その分子線を高温に保持された単結晶基板上に照射することによって薄膜単結晶半導体層が形成される。その際には不純物濃度については、不純物材料が保持された坩堝を高精度に温度制御して決められた分量の不純物分子線を結晶成長中に同時に基板に照射することによって調整すればよい。
【００３２】
図２に、本発明のミリ波発振器における薄膜ガンダイオード素子１の層構成の例を断面図で示す。図２において、１ａは薄膜半導体から成る第１のｎ＋型層（例えばｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）であり、１ｂは薄膜半導体から成るｎ型層（例えばｎ型ＧａＡｓ活性層）、１ｃは薄膜半導体から成る第２のｎ＋型層（例えばｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）であり、これらが順次積層されて薄膜ガンダイオード素子１が形成されている。また、７は単結晶半導体基板であり、８は選択除去層である。この選択除去層８は、この層をエッチングすることにより単結晶半導体基板１とガンダイオード素子１とを分離するために用いられる層である。
【００３３】
このような図２に示す例の薄膜ガンダイオード素子１では、薄膜ガンダイオード素子１を共振器基板に貼り合せた後、単結晶半導体基板７を薄膜ガンダイオード素子１から分離する際に、選択除去層８のみを選択的にエッチングによって除去できるので、薄膜ガンダイオード素子１に物理的，化学的，熱的なダメージを与えることがなく、結晶品質が良好な薄膜ガンダイオード素子１の作製が可能である。さらに、単結晶半導体基板７も繰り返し使用することが可能である。
【００３４】
また、この例の薄膜ガンダイオード素子１におけるキャリア分布構造を、図３に線図で示す。図３において、横軸は、第１のｎ＋型半導体層（表面側のｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）と第２のｎ＋型半導体層（基板側のｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）との間の深さ方向の位置を、図において右側を基板側として示し、縦軸はキャリア濃度（相対値）を示しており、特性曲線が各位置におけるキャリア濃度の分布の状態を示している。
【００３５】
本発明のミリ波発振器における誘電体基板２は、表面の平坦性を有するとともに、高い放熱性が必要である。この誘電体基板２は、窒化アルミニウム，炭化珪素，窒化硼素または酸化アルミニウムから成るときには、薄膜ガンダイオード素子２の作製に適した単結晶半導体基板７と線膨張係数が近いので、共振器基板と薄膜ガンダイオード素子１を形成した単結晶半導体基板７とを貼り合せたときに熱的に接合しようとした場合に、さらには薄膜ガンダイオード素子１の動作時においても、内部応力の発生を抑制することができる。
【００３６】
誘電体基板２の上面に金属層から成る共振器を形成するための信号電極３および接地電極４は、例えばＣｒとＡｕとの二層構造、またはＴｉとＰｔとＡｕとの三層構造である。誘電体基板２と接触するＣｒもしくはＴｉは、各電極３・４と誘電体基板２との接着強度を高める働きがある。また、表面側のＡｕ層の働きは、数百ｍＡから数Ａの大電流を流す必要があり、電気的に低抵抗である必要があるために、少なくとも２μｍ以上の厚みが必要である。さらに、表面がＡｕであることは、薄膜ガンダイオード素子１をフリップチッ
プ実装する際に、Ａｕ−Ａｕ接合となるので接合しやすいという利点もある。また、三層構造においてＰｔ層を入れる目的は、下地のＴｉが表面側のＡｕ層に拡散するのを防ぐことにある。なお、薄膜ガンダイオード素子１をフリップチップ実装する際に、熱的に良好に接合するためには、表面の金属はＡｕよりもＡｕＳｎ合金が好ましい。この理由は、Ｓｎを２０％以上含むとＡｕＳｎ合金の融点が２８０℃以下となるため、実装が容易となるからである。
【００３７】
とりわけ、図１に示す例のように信号電極３とその両側に配置された一対の接地電極４とから成るコプレーナ線路構造の共振器としたときには、配線長を短くできるので回路設計が容易となるばかりか、フォトリソグラフィ工程によって配線を形成することができるので、配線形状の再現性がよいものとすることができる。
【００３８】
また、絶縁膜５は、本発明においては電気的な絶縁耐圧が高いという理由でＳｉＯ２を用いるとよい。また、誘電体基板２と線膨張係数が近いという理由でＳｉＮｘ，ＳｉＣ，ＡｌＮ等を用いることも可能である。
【００３９】
そして、配線層６は、電気的に低抵抗であることと、絶縁膜５との密着強度が高いという理由から、Ｃｒ／Ａｕから成る金属層を用いるとよい。
【００４０】
なお、図１に示す例において、薄膜ガンダイオード素子１とこれが搭載されている共振器の信号電極３とは、熱的に接合することが可能である。すなわち、信号電極３の少なくとも表面が低融点金属である場合、薄膜ガンダイオード素子１と信号電極３の表面とを接触させた状態で、低融点金属が溶融する温度まで昇温することで両者を接合する。また、低抵抗な接合をするためには、予め薄膜ガンダイオード素子１の表面に、電気的に低抵抗な電極を形成しておくことが好ましい。
【００４１】
また、上記のような熱的な接合に限らず、薄膜ガンダイオード素子１と信号電極３の表面とを接触させた状態で、外部から超音波により接触部の金属にエネルギーを与えて、分子再配置を起こさせることによって接続することも可能である。さらに、単結晶半導体基板７および誘電体基板２のいずれかの基板が透明である場合には、光エネルギーを照射することによる接合が可能である。また、これらの接合方法のひとつを単独に用いるのではなく、複数を併用することも可能である。
【００４２】
なお、図１に示す例では共振器の信号電極３の上に複数（ここでは６個）の薄膜ガンダイオード素子１を搭載しているが、薄膜ガンダイオード素子１は、共振器上として接地電極４の上に搭載してもよく、共振器上でない誘電体基板２の上面に搭載してもよい。また、薄膜ガンダイオード素子１の個数は要求される発振出力によって適宜選択して設定すればよいが、図１に示す例のように複数の薄膜ガンダイオード素子１を共振器上に搭載することにより、全ての薄膜ガンダイオード素子１が同調し高出力な発振出力が得られるものとなる。
【００４３】
さらに、共振器の信号電極３または接地電極４の上にガンダイオード素子１をＡｕＳｎ，Ｉｎといった、融点が１５０℃から３５０℃程度の低融点金属接合材を介して接合することによって、作製時には低いエネルギーで薄膜ガンダイオード素子１と共振器の信号電極３とを接合することができ、薄膜ガンダイオード素子１の動作時には密着性と電気的導通とを良好に保つことが可能である。
【実施例】
【００４４】
次に、本発明のミリ波発振器の実施例について、その製造工程の例に沿って順に説明する。
【００４５】
まず、図４に断面図で示すように、単結晶半導体基板７としての単結晶ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて選択除去層８としてのＡｌＡｓ層，第１のｎ＋型層１ａとしてのｎ＋型ＧａＡｓ層，ｎ型層１ｂとしてのｎ−型ＧａＡｓ活性層および第２のｎ＋型層１ｃとしてのｎ＋型ＧａＡｓ層の薄膜半導体を順次結晶成長させて積層した。この層構成は図２に示したものと同様であり、これら各層の厚みは、例えばＡｌＡｓ層８は１００ｎｍ，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ａは２００ｎｍ，ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂは１．６μｍ，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃは０．６μｍとした。また、各薄膜半導体におけるキャリアの分布は図３に示した例と同様であり、キャリア濃度は、ＡｌＡｓ層８では１×１０１４／ｃｍ３以下，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ａでは２×１０１８／ｃｍ３以下，ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂでは１×１０１６／ｃｍ３〜３×１０１６／ｃｍ３の範囲で直線的に変化させ、ｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃでは２×１０１８／ｃｍ３以下とした。
【００４６】
なお、このような薄膜半導体を積層して形成した、薄膜ガンダイオード素子１の薄膜単結晶構造を形成するために、薄膜半導体の各層を成長させた後に、ダイヤモンドペンを用いて、その結晶のへき開方向に合わせて全面に格子状に１ｍｍ間隔で薄膜半導体上に幅が１０μｍ以下で深さが２μｍ以下のスクライブライン（分割溝）を形成した。
【００４７】
一方、図５に断面図で示すように、誘電体基板２としてのＡｌＮ基板上にＣｒ層／ＡｕＳｎ層の積層構造の金属層を蒸着し、リフトオフ法によって、信号電極３およびその両側の一対の接地電極４から成るミリ波共振器を作製した。このとき、Ｃｒ層の厚みを１０ｎｍとし、ＡｕＳｎ層の厚みを３μｍとした。ここで、ＡｕＳｎ層はＡｌＮ基板２に薄膜ガンダイオード素子１を接合する際の半田材料となるものであり、Ｃｒ層はＡｌＮ基板２とＡｕＳｎ層との密着強度を高めるための中間層として機能するものである。
【００４８】
なお、ミリ波共振器を形成する誘電体基板２としてＡｌＮ基板を用いると、絶縁性基板であり、誘電率が小さくミリ波回路の設計が容易であるばかりでなく、熱伝導性が大きいのでガンダイオード駆動中の発熱をＡｌＮ基板へ伝達し、薄膜ガンダイオード素子１自身の温度上昇を抑制できるという利点を兼ね備えていることから、発振出力が安定し、長期使用に対して信頼性が高く、ミリ波発振器として好ましいものとなる。
【００４９】
次に、図６に断面図で示すように、単結晶ＧａＡｓ基板７上に形成された薄膜ガンダイオード素子１の薄膜単結晶構造と、ＡｌＮ基板２上に形成されたミリ波共振器構造とを重ね合わせ、ミリ波共振器構造の信号電極３および接地電極４のＡｕＳｎ層が溶融する温度、例えば２５０℃まで昇温し加熱して、薄膜単結晶構造とミリ波共振器構造とを接合した。
【００５０】
なお、この例では薄膜単結晶構造とミリ波共振器構造とを、低融点金属接合材としてのＡｕＳｎ層を介して熱処理によって接合したが、両者は超音波接合によって接合してもよく、超音波と熱処理とを併用して接合してもよい。超音波接合によってミリ波共振器構造に薄膜単結晶構造を貼り合わせる場合には、それぞれの基板にかかる応力はほとんど発生しないものとなるが、接合部の全面を均一な強度で接合して貼り合わせることが困難な傾向がある。一方、熱処理によって接合して貼り合わせる場合には、それぞれの基板に線熱膨張係数の差に起因して内部応力が発生することとなり、この内部応力によって貼り合わせた基板が反ることがある。
【００５１】
本例においては、２５０℃の熱処理によって貼り合わせた結果、２インチの大きさのＡｌＮ基板２について約２００μｍの反りが生じた。ただし、この反りは、後述するように後の工程で緩和されて小さくなるので、ミリ波発振器としての特性に悪影響を及ぼすことはない。
【００５２】
次に、図７に途中工程の断面図で、また図８に断面図で示すように、単結晶ＧａＡｓ基板７と、薄膜ガンダイオード素子１となる薄膜単結晶構造との間に位置しているＡｌＡｓ層８をフッ酸溶液によってエッチングし、薄膜単結晶構造から単結晶ＧａＡｓ基板７を分離した。エッチング後に残された薄膜単結晶構造（薄膜ガンダイオード素子１）の総厚みは、約２．２μｍであった。
【００５３】
このとき、前述の内部応力によって、予め形成しておいたスクライブラインからＧａＡｓのへき開方向に沿って薄膜ガンダイオード素子１を形成するＧａＡｓ膜を分断するクラックが発生し、内部応力が緩和される。これにより、ＡｌＮ基板２の反りが２インチの大きさで１０μｍ程度にまで改善される。
【００５４】
なお、薄膜ガンダイオード素子１となる薄膜単結晶構造の総厚みは、５０μｍ程度まで大きくすることが可能である。しかし、総厚みが５０μｍを超えると、ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂで発生した熱を共振器を介してＡｌＮ基板２へ良好に伝達あるいは放射することが十分に行なえなくなるため、ガンダイオード活性層であるｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂの温度が上昇してしまい、ミリ波出力強度の低下を引き起こしたり、ガンダイオードの結晶内部での欠陥を誘発することによって、長期間の動作に対する信頼性を低下させたりするようになる傾向がある。
【００５５】
次に、薄膜単結晶構造のうちの必要な部分を残して、他の部分をエッチングで除去することによって、図９に断面図で示すように、共振器の信号電極３上に円柱状の薄膜ガンダイオード素子１を複数個形成した。この例では、円柱状の薄膜ガンダイオード素子１の直径は５０μｍとし、これを図１に示したように６個並べて形成した。
【００５６】
なお、円柱状の薄膜ガンダイオード素子１の直径は、１００μｍ程度まで大きくすることが可能である。しかし、１００μｍを超えて大きくなると、薄膜ガンダイオード素子１の発熱量が大きくなり、特に円柱状の中心部で発生する熱の共振器を介してのＡｌＮ基板２への熱放射が十分でなくなるため、ガンダイオード活性層の温度が上昇してしまい、ミリ波出力強度の低下やガンダイオードの結晶内部での欠陥を誘発することによって、長期間の動作に対する信頼性を著しく低下させてしまうこととなる。このため、より大きなミリ波出力が望まれる場合には、円柱状の直径を１００μｍを超えるような大きさにまで大きくすることなく、複数個の小径の円柱状の薄膜ガンダイオード素子１を作製し、それらの出力を合計することによってより大きなミリ波出力を得るようにすればよい。
【００５７】
次に、図１０に断面図で示すように、薄膜ガンダイオード素子１ならびに共振器の信号電極３および接地電極４を覆って絶縁膜５をポリイミド樹脂を塗布することによって形成し、その絶縁膜５の薄膜ガンダイオード素子１の上面を覆う部位に開口を形成した。また、接地電極４の上面の部位も、電気的接続に必要な部位を露出させた。なお、この絶縁膜５としては、電気的耐圧性が高く、段差部分での被覆性にも優れた、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜やＳｉＯ２膜等を用いることも可能である。
【００５８】
そして、図１１に断面図で示すように、絶縁膜５の開口に露出した薄膜ガンダイオード素子１の上面からそれぞれ対応する接地電極４の上面にかけて、薄膜ガンダイオード素子に電気信号を印加するための配線層６を形成した。この配線材料には、ＡｕＧｅ層／Ｎｉ層／Ａｕ層から成る積層構造の導体層を用いた。このような構成の配線層６を用いることにより、薄膜ガンダイオード素子１の上面に位置しているｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃおよび接地電極４との低抵抗な電気的接続を実現することができる。
【００５９】
なお、絶縁膜５の開口に露出した薄膜ガンダイオード素子１の上面と接地電極４との電
気的接続は、薄膜ガンダイオード素子１の直径が例えば４０μｍ以上であれば、ワイヤボンディングによって行なうことも可能である。
【００６０】
この場合は、フォトリソグラフィや蒸着等の薄膜プロセスが終了した後にワイヤボンディングを行なうこととなり、発振周波数の微調整をボンディングワイヤの長さや太さで行なうことが可能となる。
【００６１】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。
【００６２】
例えば、薄膜ガンダイオード素子１の形状は、以上の例では円柱状としたが、いわゆるメサ形状であってもよく、さらに上方から見たときの形状が円形でなく、四角形状の形状であってもよい。薄膜ガンダイオード素子１がメサ形状の場合は、いわゆるウェットエッチングよって作製することが可能であり、高価な真空装置を必要とせず、生産コストを低く抑えることが可能となる。また、上方から見たときの形状が円形でなく、四角形状の形状の場合は、上方から見たときの面積に対する周囲の長さが長くなることにより、薄膜ガンダイオード素子からの放熱性を向上させることができるものとなる。
【符号の説明】
【００６３】
１・・・薄膜ガンダイオード素子
２・・・誘電体基板
３・・・信号電極
４・・・接地電極
５・・・絶縁膜
６・・・配線層
７・・・単結晶半導体基板
８・・・選択除去層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば衛星通信や地上での極短距離通信、あるいは車載用の追突防止レーダ装置に用いられるミリ波発信器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のミリ波発振器は、例えば図１２（ａ）に一部を透視した上面図で、図１２（ｂ）にそのＢ−Ｂ’線断面図で示すように、半導体基板上に第１の半導体層（図示せず），ガンダイオード活性層（図示せず）および第２の半導体層（図示せず）が順に積層されて作製されたガンダイオード１１を、信号電極１３および一対の接地電極１４を形成して成るミリ波共振器が形成された半絶縁性の平板基板１２上に、導体バンプ１５および１６を介してフリップチップボンディングすることによって実装するといった構成のものとして作製されていた（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
このような構成の従来のミリ波発振器によれば、ガンダイオード１１をフェースダウン姿勢にして、導体バンプ１５および１６を信号電極１３および接地電極１４に直接接続しており、ガンダイオード１１と信号電極１３および接地電極１４との接続に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て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ミリ波発振器を実現することが可能になるというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１８５７８２号公報
【特許文献２】特開２００２−１３４８０８号公報
【特許文献３】特開２０００−２２２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような従来のミリ波発振器においては、ガンダイオード１１を構成する半導体基板の放熱性が悪く、動作中にガンダイオード活性層の温度が１３０℃程度にまで上昇してしまうという問題点があった。これは、ガンダイオード１１に発生する熱の一部は、導体バンプ１５および１６を介してヒートシンクとしても機能する平板基板１２に放散され、その他は半導体基板に伝達し空気中へ放散されるが、半導体基板内での熱伝導が低いことによるものである。
【０００６】
このようにガンダイオード活性層の温度が１３０℃程度にまで上昇すると、図１３にガンダイオード活性層の温度Ｔ（単位：Ｋ）を横軸に、電子の移動度μＨｎ（単位：ｃｍ２／Ｖ・ｓ）を縦軸にとった線図で示すように、ガンダイオード活性層の内部における電子のドリフト速度が１０４ｃｍ２／Ｖ・ｓ以下にまで著しく減少する。発振周波数は電子のドリフト速度に比例し、このため発振可能な周波数帯域のうち最も発振出力が大きくなる中心周波数が低周波数側へ移動する。従って、外部に共振器構造があり発振周波数が固定されている場合には、共振器によって決められる周波数と、ガンダイオードの中心周波数がずれていくことでミリ波出力が著しく低下してしまうという問題点があった。また、発振出力を一定にするには、注入電力を増加させる必要があるが、その場合には、発熱量がさらに大きくなり、ガンダイオード１１が破壊することがあるという問題点もあった。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、ガンダイオードで動作
中に発生した熱を、ミリ波共振器が形成された基板を通して外部に良好に放熱することができ、ガンダイオード活性層の温度上昇を抑制してミリ波出力の強度を安定させることができ、しかもミリ波変換効率が高く高出力であるため注入電力を低く抑えることができ、その結果、ガンダイオード素子の結晶における欠陥発生を抑制でき、長期間動作の信頼性も高いミリ波発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ガンダイオード素子を薄膜半導体を積層して成る、放熱性の良くない半導体基板から分離されたものとして、これを放熱性の良い、ミリ波共振器が形成された基板へ搭載することによって、薄膜半導体から成るガンダイオード活性層の温度上昇を良好に抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を行なうことが可能となり、さらにはガンダイオードの長期間の動作について高信頼性が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
本発明のミリ波発振器は、誘電体基板の上面に共振器が形成された共振器基板と、前記共振器基板上に搭載され、第１のｎ＋型層、ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層した半導体層から成るガンダイオード素子と、を有し、前記半導体層の最上層に位置する前記第２のｎ＋型層の上面を露出させたことを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成る薄膜ガンダイオード素子を搭載して成ることから、ガンダイオードに発生する熱の一部をヒートシンクとしても機能する共振器基板に放散させるとともに、その他の熱を、従来のような熱伝達係数の小さい半導体基板が無いので直接ガンダイオードから空気中へ放熱させることが可能となるので、ガンダイオードの温度上昇を抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を行なうことができる。
【００１１】
また、本発明のミリ波発振器は、上記構成において、前記第２のｎ＋型半導体層の上面の露出箇所に、金属層をさらに設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板を構成する誘電体基板が窒化アルミニウム，炭化珪素，窒化硼素または酸化アルミニウムから成るときには、ガンダイオードに発生する熱の一部を放散させるヒートシンクとしても機能する誘電体基板としてこれら熱伝導に優れた材質の誘電体基板を用いることにより、ガンダイオード素子の温度上昇を効果的に抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を効率よく行なうことができる。
【００１３】
また、本発明のミリ波発振器は、上記構成において、前記金属層は、前記第２のｎ＋型半導体層の上面全体に設けられたことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明のミリ波発振器によれば、ガンダイオード素子を共振器上に搭載したときには、ガンダイオード素子を共振器に電気的に接続するための配線による寄生インダクタンスがなくなるので、高周波発振特性において信号のノイズを無視できる程度に軽減することができる。
【００１５】
また、本発明のミリ波発振器は、上記構成において、前記第２のｎ＋型半導体層が、円柱状であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のミリ波発振器によれば、複数のガンダイオード素子を共振器上に搭載したときには、各ガンダイオード素子について高周波発振特性において信号のノイズを無視できる
程度に軽減することができるとともに、発振特性においてそれぞれのガンダイオード素子が自然に同調するので、ミリ波発振器としてのミリ波出力を効率よく向上させることができる。また、搭載面積が大きな単独のガンダイオード素子を用いる場合と比較すると、複数のガンダイオード素子を物理的に離して共振器上に配置したものの方が温度上昇をより効果的に抑制することができ、ミリ波出力を安定させることができる。
【００１７】
また、本発明のミリ波発振器は、前記第２のｎ＋型半導体層の側面に、絶縁層をさらに有することを特徴とするものである。
【００１８】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器上にガンダイオード素子が低融点金属接合材を介して接合されているときには、ガンダイオード素子の全面が電気的に良好に、また共振器基板への放熱性も良好な状態に接合されるので、放熱性を向上させることができ、安定したミリ波出力を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板上に、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層して成る薄膜ガンダイオード素子を搭載して成ることから、薄膜ガンダイオード素子のみが放熱性に優れた誘電体基板から成る共振器基板上に配置されており、従来のような熱伝達係数の小さい半導体基板が無いので、薄膜ガンダイオード素子からの放熱性が優れており、よって薄膜ガンダイオード素子の温度上昇を効率よく十分に抑制することができ、発振特性において、ミリ波出力を安定させるとともに向上させることができる。
【００２０】
また、本発明のミリ波発振器によれば、共振器基板を構成する誘電体基板が窒化アルミニウム，炭化珪素，窒化硼素または酸化アルミニウムから成るときには、誘電体基板はガンダイオードに発生する熱の一部を放散させるヒートシンクとしても機能するので、誘電体基板としてこれら熱伝導に優れた材質の誘電体基板を用いることにより、ガンダイオード素子の温度上昇を効果的に抑制することができ、ミリ波出力の安定化および高出力化を効率よく行なうことができる。
【００２１】
また、本発明のミリ波発振器によれば、ガンダイオード素子を共振器上に搭載したときには、ガンダイオード素子を共振器に電気的に接続するための配線による寄生インダクタンスがなくなるので、高周波発振特性において信号のノイズを無視できる程度に軽減することができる。
【００２２】
また、本発明のミリ波発振器によれば、複数のガンダイオード素子を共振器上に搭載したときには、各ガンダイオード素子について高周波発振特性において信号のノイズを無視できる程度に軽減することができるとともに、発振特性においてそれぞれのガンダイオード素子が自然に同調するので、ミリ波発振器としてのミリ波出力を効率よく向上させることができる。また、搭載面積が大きな単独のガンダイオード素子を用いる場合と比較すると、複数のガンダイオード素子を物理的に離して共振器上に配置したものの方が温度上昇をより効果的に抑制することができるので、ミリ波出力を安定させることができる。
【００２３】
また、本発明のミリ波発振器によれば、共振器上にガンダイオード素子が低融点金属接合材を介して接合されているときには、ガンダイオード素子の全面が電気的に良好に、また共振器基板への放熱性も良好な状態に接合されるので、放熱性を向上させることができ、安定したミリ波出力を得ることができる。
【００２４】
以上のように、本発明のミリ波発振器によれば、ガンダイオードから熱伝導性の低い半導体基板を分離したことによって、ガンダイオードのガンダイオード活性層で発生した熱
を容易にミリ波共振器基板側へ放熱することが可能となり、これにより、ガンダイオードの温度上昇を抑制することができ、ミリ波出力強度の安定化が可能となった。また同時に、ガンダイオードを長期間使用した際にガンダイオード素子内部における結晶の欠陥発生を抑制できるので、長期間使用に対する信頼性を向上させることもできた。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す上面図およびそのＡ−Ａ’線断面図である。
【図２】本発明のミリ波発振器における薄膜ガンダイオード素子について、薄膜半導体による層構成の例を示す断面図である。
【図３】図２に示す薄膜ガンダイオード素子の例の層構成におけるキャリア分布構造を示す線図である。
【図４】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図５】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図６】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図７】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図８】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図９】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図１０】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図１１】本発明のミリ波発振器の作製工程を説明するための断面図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ従来のミリ波発振器の例を示す一部を透視した平面図およびそのＢ−Ｂ’線断面図である。
【図１３】ガンダイオード活性層の内部における、温度に対する電子の移動度の変化を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明のミリ波発振器について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２７】
図１（ａ）は、本発明のミリ波発振器の実施の形態の一例を示す上面図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’線断面図である。
【００２８】
図１において、１は薄膜半導体の第１のｎ＋型層（図示せず），ｎ型層（図示せず）および第２のｎ＋型層（図示せず）を順次積層して成る薄膜ガンダイオード素子、２は誘電体基板である。３は誘電体基板２の上面に形成された金属層から成る信号電極、４は誘電体基板２の上面に形成された金属層から成る接地電極である。この例では、接地電極４は信号電極３の両側に一対形成されており、誘電体基板２の上面にこれら信号電極３および一対の接地電極４によりコプレーナ線路構造の共振器が形成されることによって共振器基板が構成されている。
【００２９】
また、５は絶縁膜、６は配線層であり、これらによって薄膜ガンダイオード素子１がそれぞれ電気的に独立した状態で接地電極４と電気的に接続されて、各薄膜ガンダイオード素子１に電気信号が印加できるようになっており、以上により本発明のミリ波発振器が構成されている。
【００３０】
このような図１に示す例の本発明のミリ波発振器においては、薄膜ガンダイオード素子１のみが放熱性に優れた誘電体基板２から成る共振器基板上に配置されているので、薄膜ガンダイオード素子１からの放熱性が優れており、従来のような熱伝達係数の小さい半導体基板があるものに比べて、薄膜ガンダイオード素子１の温度上昇を効率よく十分に抑制することができる。さらに、発振特性において、信号電極３上に配置された複数の薄膜ガンダイオード素子１が自然に同調するので、ミリ波出力を向上させることができる。
【００３１】
本発明のミリ波発振器における薄膜ガンダイオード素子１は、例えば５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの発振周波数を有するミリ波発振素子であり、薄膜半導体の第１のｎ＋型層，薄膜半導体のｎ型層および薄膜半導体の第２のｎ＋型層を順次積層することによって形成されている。これら薄膜半導体としては、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＮ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ等が用いられる。また、このような薄膜半導体から成る第１のｎ＋型層，ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層するには、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法によって薄膜半導体の結晶成長を行ない、その際に不純物濃度については、マスフローコントローラによる原料ガス流量の高精度な制御によって調整すればよい。また分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いる場合には、薄膜半導体の原料坩堝を加熱して分子線を発生させ、その分子線を高温に保持された単結晶基板上に照射することによって薄膜単結晶半導体層が形成される。その際には不純物濃度については、不純物材料が保持された坩堝を高精度に温度制御して決められた分量の不純物分子線を結晶成長中に同時に基板に照射することによって調整すればよい。
【００３２】
図２に、本発明のミリ波発振器における薄膜ガンダイオード素子１の層構成の例を断面図で示す。図２において、１ａは薄膜半導体から成る第１のｎ＋型層（例えばｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）であり、１ｂは薄膜半導体から成るｎ型層（例えばｎ型ＧａＡｓ活性層）、１ｃは薄膜半導体から成る第２のｎ＋型層（例えばｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）であり、これらが順次積層されて薄膜ガンダイオード素子１が形成されている。また、７は単結晶半導体基板であり、８は選択除去層である。この選択除去層８は、この層をエッチングすることにより単結晶半導体基板１とガンダイオード素子１とを分離するために用いられる層である。
【００３３】
このような図２に示す例の薄膜ガンダイオード素子１では、薄膜ガンダイオード素子１を共振器基板に貼り合せた後、単結晶半導体基板７を薄膜ガンダイオード素子１から分離する際に、選択除去層８のみを選択的にエッチングによって除去できるので、薄膜ガンダイオード素子１に物理的，化学的，熱的なダメージを与えることがなく、結晶品質が良好な薄膜ガンダイオード素子１の作製が可能である。さらに、単結晶半導体基板７も繰り返し使用することが可能である。
【００３４】
また、この例の薄膜ガンダイオード素子１におけるキャリア分布構造を、図３に線図で示す。図３において、横軸は、第１のｎ＋型半導体層（表面側のｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）と第２のｎ＋型半導体層（基板側のｎ＋型ＧａＡｓコンタクト層）との間の深さ方向の位置を、図において右側を基板側として示し、縦軸はキャリア濃度（相対値）を示しており、特性曲線が各位置におけるキャリア濃度の分布の状態を示している。
【００３５】
本発明のミリ波発振器における誘電体基板２は、表面の平坦性を有するとともに、高い放熱性が必要である。この誘電体基板２は、窒化アルミニウム，炭化珪素，窒化硼素または酸化アルミニウムから成るときには、薄膜ガンダイオード素子２の作製に適した単結晶半導体基板７と線膨張係数が近いので、共振器基板と薄膜ガンダイオード素子１を形成した単結晶半導体基板７とを貼り合せたときに熱的に接合しようとした場合に、さらには薄膜ガンダイオード素子１の動作時においても、内部応力の発生を抑制することができる。
【００３６】
誘電体基板２の上面に金属層から成る共振器を形成するための信号電極３および接地電極４は、例えばＣｒとＡｕとの二層構造、またはＴｉとＰｔとＡｕとの三層構造である。誘電体基板２と接触するＣｒもしくはＴｉは、各電極３・４と誘電体基板２との接着強度を高める働きがある。また、表面側のＡｕ層の働きは、数百ｍＡから数Ａの大電流を流す必要があり、電気的に低抵抗である必要があるために、少なくとも２μｍ以上の厚みが必要である。さらに、表面がＡｕであることは、薄膜ガンダイオード素子１をフリップチッ
プ実装する際に、Ａｕ−Ａｕ接合となるので接合しやすいという利点もある。また、三層構造においてＰｔ層を入れる目的は、下地のＴｉが表面側のＡｕ層に拡散するのを防ぐことにある。なお、薄膜ガンダイオード素子１をフリップチップ実装する際に、熱的に良好に接合するためには、表面の金属はＡｕよりもＡｕＳｎ合金が好ましい。この理由は、Ｓｎを２０％以上含むとＡｕＳｎ合金の融点が２８０℃以下となるため、実装が容易となるからである。
【００３７】
とりわけ、図１に示す例のように信号電極３とその両側に配置された一対の接地電極４とから成るコプレーナ線路構造の共振器としたときには、配線長を短くできるので回路設計が容易となるばかりか、フォトリソグラフィ工程によって配線を形成することができるので、配線形状の再現性がよいものとすることができる。
【００３８】
また、絶縁膜５は、本発明においては電気的な絶縁耐圧が高いという理由でＳｉＯ２を用いるとよい。また、誘電体基板２と線膨張係数が近いという理由でＳｉＮｘ，ＳｉＣ，ＡｌＮ等を用いることも可能である。
【００３９】
そして、配線層６は、電気的に低抵抗であることと、絶縁膜５との密着強度が高いという理由から、Ｃｒ／Ａｕから成る金属層を用いるとよい。
【００４０】
なお、図１に示す例において、薄膜ガンダイオード素子１とこれが搭載されている共振器の信号電極３とは、熱的に接合することが可能である。すなわち、信号電極３の少なくとも表面が低融点金属である場合、薄膜ガンダイオード素子１と信号電極３の表面とを接触させた状態で、低融点金属が溶融する温度まで昇温することで両者を接合する。また、低抵抗な接合をするためには、予め薄膜ガンダイオード素子１の表面に、電気的に低抵抗な電極を形成しておくことが好ましい。
【００４１】
また、上記のような熱的な接合に限らず、薄膜ガンダイオード素子１と信号電極３の表面とを接触させた状態で、外部から超音波により接触部の金属にエネルギーを与えて、分子再配置を起こさせることによって接続することも可能である。さらに、単結晶半導体基板７および誘電体基板２のいずれかの基板が透明である場合には、光エネルギーを照射することによる接合が可能である。また、これらの接合方法のひとつを単独に用いるのではなく、複数を併用することも可能である。
【００４２】
なお、図１に示す例では共振器の信号電極３の上に複数（ここでは６個）の薄膜ガンダイオード素子１を搭載しているが、薄膜ガンダイオード素子１は、共振器上として接地電極４の上に搭載してもよく、共振器上でない誘電体基板２の上面に搭載してもよい。また、薄膜ガンダイオード素子１の個数は要求される発振出力によって適宜選択して設定すればよいが、図１に示す例のように複数の薄膜ガンダイオード素子１を共振器上に搭載することにより、全ての薄膜ガンダイオード素子１が同調し高出力な発振出力が得られるものとなる。
【００４３】
さらに、共振器の信号電極３または接地電極４の上にガンダイオード素子１をＡｕＳｎ，Ｉｎといった、融点が１５０℃から３５０℃程度の低融点金属接合材を介して接合することによって、作製時には低いエネルギーで薄膜ガンダイオード素子１と共振器の信号電極３とを接合することができ、薄膜ガンダイオード素子１の動作時には密着性と電気的導通とを良好に保つことが可能である。
【実施例】
【００４４】
次に、本発明のミリ波発振器の実施例について、その製造工程の例に沿って順に説明する。
【００４５】
まず、図４に断面図で示すように、単結晶半導体基板７としての単結晶ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて選択除去層８としてのＡｌＡｓ層，第１のｎ＋型層１ａとしてのｎ＋型ＧａＡｓ層，ｎ型層１ｂとしてのｎ−型ＧａＡｓ活性層および第２のｎ＋型層１ｃとしてのｎ＋型ＧａＡｓ層の薄膜半導体を順次結晶成長させて積層した。この層構成は図２に示したものと同様であり、これら各層の厚みは、例えばＡｌＡｓ層８は１００ｎｍ，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ａは２００ｎｍ，ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂは１．６μｍ，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃは０．６μｍとした。また、各薄膜半導体におけるキャリアの分布は図３に示した例と同様であり、キャリア濃度は、ＡｌＡｓ層８では１×１０１４／ｃｍ３以下，ｎ＋型ＧａＡｓ層１ａでは２×１０１８／ｃｍ３以下，ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂでは１×１０１６／ｃｍ３〜３×１０１６／ｃｍ３の範囲で直線的に変化させ、ｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃでは２×１０１８／ｃｍ３以下とした。
【００４６】
なお、このような薄膜半導体を積層して形成した、薄膜ガンダイオード素子１の薄膜単結晶構造を形成するために、薄膜半導体の各層を成長させた後に、ダイヤモンドペンを用いて、その結晶のへき開方向に合わせて全面に格子状に１ｍｍ間隔で薄膜半導体上に幅が１０μｍ以下で深さが２μｍ以下のスクライブライン（分割溝）を形成した。
【００４７】
一方、図５に断面図で示すように、誘電体基板２としてのＡｌＮ基板上にＣｒ層／ＡｕＳｎ層の積層構造の金属層を蒸着し、リフトオフ法によって、信号電極３およびその両側の一対の接地電極４から成るミリ波共振器を作製した。このとき、Ｃｒ層の厚みを１０ｎｍとし、ＡｕＳｎ層の厚みを３μｍとした。ここで、ＡｕＳｎ層はＡｌＮ基板２に薄膜ガンダイオード素子１を接合する際の半田材料となるものであり、Ｃｒ層はＡｌＮ基板２とＡｕＳｎ層との密着強度を高めるための中間層として機能するものである。
【００４８】
なお、ミリ波共振器を形成する誘電体基板２としてＡｌＮ基板を用いると、絶縁性基板であり、誘電率が小さくミリ波回路の設計が容易であるばかりでなく、熱伝導性が大きいのでガンダイオード駆動中の発熱をＡｌＮ基板へ伝達し、薄膜ガンダイオード素子１自身の温度上昇を抑制できるという利点を兼ね備えていることから、発振出力が安定し、長期使用に対して信頼性が高く、ミリ波発振器として好ましいものとなる。
【００４９】
次に、図６に断面図で示すように、単結晶ＧａＡｓ基板７上に形成された薄膜ガンダイオード素子１の薄膜単結晶構造と、ＡｌＮ基板２上に形成されたミリ波共振器構造とを重ね合わせ、ミリ波共振器構造の信号電極３および接地電極４のＡｕＳｎ層が溶融する温度、例えば２５０℃まで昇温し加熱して、薄膜単結晶構造とミリ波共振器構造とを接合した。
【００５０】
なお、この例では薄膜単結晶構造とミリ波共振器構造とを、低融点金属接合材としてのＡｕＳｎ層を介して熱処理によって接合したが、両者は超音波接合によって接合してもよく、超音波と熱処理とを併用して接合してもよい。超音波接合によってミリ波共振器構造に薄膜単結晶構造を貼り合わせる場合には、それぞれの基板にかかる応力はほとんど発生しないものとなるが、接合部の全面を均一な強度で接合して貼り合わせることが困難な傾向がある。一方、熱処理によって接合して貼り合わせる場合には、それぞれの基板に線熱膨張係数の差に起因して内部応力が発生することとなり、この内部応力によって貼り合わせた基板が反ることがある。
【００５１】
本例においては、２５０℃の熱処理によって貼り合わせた結果、２インチの大きさのＡｌＮ基板２について約２００μｍの反りが生じた。ただし、この反りは、後述するように後の工程で緩和されて小さくなるので、ミリ波発振器としての特性に悪影響を及ぼすことはない。
【００５２】
次に、図７に途中工程の断面図で、また図８に断面図で示すように、単結晶ＧａＡｓ基板７と、薄膜ガンダイオード素子１となる薄膜単結晶構造との間に位置しているＡｌＡｓ層８をフッ酸溶液によってエッチングし、薄膜単結晶構造から単結晶ＧａＡｓ基板７を分離した。エッチング後に残された薄膜単結晶構造（薄膜ガンダイオード素子１）の総厚みは、約２．２μｍであった。
【００５３】
このとき、前述の内部応力によって、予め形成しておいたスクライブラインからＧａＡｓのへき開方向に沿って薄膜ガンダイオード素子１を形成するＧａＡｓ膜を分断するクラックが発生し、内部応力が緩和される。これにより、ＡｌＮ基板２の反りが２インチの大きさで１０μｍ程度にまで改善される。
【００５４】
なお、薄膜ガンダイオード素子１となる薄膜単結晶構造の総厚みは、５０μｍ程度まで大きくすることが可能である。しかし、総厚みが５０μｍを超えると、ｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂで発生した熱を共振器を介してＡｌＮ基板２へ良好に伝達あるいは放射することが十分に行なえなくなるため、ガンダイオード活性層であるｎ−型ＧａＡｓ活性層１ｂの温度が上昇してしまい、ミリ波出力強度の低下を引き起こしたり、ガンダイオードの結晶内部での欠陥を誘発することによって、長期間の動作に対する信頼性を低下させたりするようになる傾向がある。
【００５５】
次に、薄膜単結晶構造のうちの必要な部分を残して、他の部分をエッチングで除去することによって、図９に断面図で示すように、共振器の信号電極３上に円柱状の薄膜ガンダイオード素子１を複数個形成した。この例では、円柱状の薄膜ガンダイオード素子１の直径は５０μｍとし、これを図１に示したように６個並べて形成した。
【００５６】
なお、円柱状の薄膜ガンダイオード素子１の直径は、１００μｍ程度まで大きくすることが可能である。しかし、１００μｍを超えて大きくなると、薄膜ガンダイオード素子１の発熱量が大きくなり、特に円柱状の中心部で発生する熱の共振器を介してのＡｌＮ基板２への熱放射が十分でなくなるため、ガンダイオード活性層の温度が上昇してしまい、ミリ波出力強度の低下やガンダイオードの結晶内部での欠陥を誘発することによって、長期間の動作に対する信頼性を著しく低下させてしまうこととなる。このため、より大きなミリ波出力が望まれる場合には、円柱状の直径を１００μｍを超えるような大きさにまで大きくすることなく、複数個の小径の円柱状の薄膜ガンダイオード素子１を作製し、それらの出力を合計することによってより大きなミリ波出力を得るようにすればよい。
【００５７】
次に、図１０に断面図で示すように、薄膜ガンダイオード素子１ならびに共振器の信号電極３および接地電極４を覆って絶縁膜５をポリイミド樹脂を塗布することによって形成し、その絶縁膜５の薄膜ガンダイオード素子１の上面を覆う部位に開口を形成した。また、接地電極４の上面の部位も、電気的接続に必要な部位を露出させた。なお、この絶縁膜５としては、電気的耐圧性が高く、段差部分での被覆性にも優れた、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ膜やＳｉＯ２膜等を用いることも可能である。
【００５８】
そして、図１１に断面図で示すように、絶縁膜５の開口に露出した薄膜ガンダイオード素子１の上面からそれぞれ対応する接地電極４の上面にかけて、薄膜ガンダイオード素子に電気信号を印加するための配線層６を形成した。この配線材料には、ＡｕＧｅ層／Ｎｉ層／Ａｕ層から成る積層構造の導体層を用いた。このような構成の配線層６を用いることにより、薄膜ガンダイオード素子１の上面に位置しているｎ＋型ＧａＡｓ層１ｃおよび接地電極４との低抵抗な電気的接続を実現することができる。
【００５９】
なお、絶縁膜５の開口に露出した薄膜ガンダイオード素子１の上面と接地電極４との電
気的接続は、薄膜ガンダイオード素子１の直径が例えば４０μｍ以上であれば、ワイヤボンディングによって行なうことも可能である。
【００６０】
この場合は、フォトリソグラフィや蒸着等の薄膜プロセスが終了した後にワイヤボンディングを行なうこととなり、発振周波数の微調整をボンディングワイヤの長さや太さで行なうことが可能となる。
【００６１】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行なうことは何ら差し支えない。
【００６２】
例えば、薄膜ガンダイオード素子１の形状は、以上の例では円柱状としたが、いわゆるメサ形状であってもよく、さらに上方から見たときの形状が円形でなく、四角形状の形状であってもよい。薄膜ガンダイオード素子１がメサ形状の場合は、いわゆるウェットエッチングよって作製することが可能であり、高価な真空装置を必要とせず、生産コストを低く抑えることが可能となる。また、上方から見たときの形状が円形でなく、四角形状の形状の場合は、上方から見たときの面積に対する周囲の長さが長くなることにより、薄膜ガンダイオード素子からの放熱性を向上させることができるものとなる。
【符号の説明】
【００６３】
１・・・薄膜ガンダイオード素子
２・・・誘電体基板
３・・・信号電極
４・・・接地電極
５・・・絶縁膜
６・・・配線層
７・・・単結晶半導体基板
８・・・選択除去層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板の上面に共振器が形成された共振器基板と、
前記共振器基板上に搭載され、第１のｎ＋型層、ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層した半導体層から成るガンダイオード素子と、を有し、
前記半導体層の最上層に位置する前記第２のｎ＋型層の上面を露出させたことを特徴とするミリ波発振器。
【請求項２】
前記第２のｎ＋型半導体層の上面の露出箇所に、金属層をさらに設けたことを特徴とする請求項１記載のミリ波発信器。
【請求項３】
前記金属層は、前記第２のｎ＋型半導体層の上面全体に設けられたこと特徴とする請求項２記載のミリ波発信器。
【請求項４】
前記第２のｎ＋型半導体層が、円柱状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のミリ波発信器。
【請求項５】
前記第２のｎ＋型半導体層の側面に、絶縁層をさらに有することを特徴とする請求項４記載のミリ波発信器。
【請求項１】
誘電体基板の上面に共振器が形成された共振器基板と、
前記共振器基板上に搭載され、第１のｎ＋型層、ｎ型層および第２のｎ＋型層を順次積層した半導体層から成るガンダイオード素子と、を有し、
前記半導体層の最上層に位置する前記第２のｎ＋型層の上面を露出させたことを特徴とするミリ波発振器。
【請求項２】
前記第２のｎ＋型半導体層の上面の露出箇所に、金属層をさらに設けたことを特徴とする請求項１記載のミリ波発信器。
【請求項３】
前記金属層は、前記第２のｎ＋型半導体層の上面全体に設けられたこと特徴とする請求項２記載のミリ波発信器。
【請求項４】
前記第２のｎ＋型半導体層が、円柱状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のミリ波発信器。
【請求項５】
前記第２のｎ＋型半導体層の側面に、絶縁層をさらに有することを特徴とする請求項４記載のミリ波発信器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−１５３８９２（Ｐ２０１０−１５３８９２Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３００５７（Ｐ２０１０−３００５７）
【出願日】平成２２年２月１５日（２０１０．２．１５）
【分割の表示】特願２００３−１５１６８９（Ｐ２００３−１５１６８９）の分割
【原出願日】平成１５年５月２８日（２００３．５．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１５日（２０１０．２．１５）
【分割の表示】特願２００３−１５１６８９（Ｐ２００３−１５１６８９）の分割
【原出願日】平成１５年５月２８日（２００３．５．２８）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
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