金属ベーストランジスタおよびそれを用いた発振器
【課題】 テラヘルツ帯の分光ならびに透視装置を小型・低コストで実現する上で、これに用いられる発振器を小型・低コスト化することが最重要課題であった。
【解決手段】 発振器の能動素子に金属ベーストランジスタを採用し、その最大発振周波数を数ＴＨｚにまで向上するために、電子の飽和速度の高いＩｎＮ或いはＩｎＮを主成分とする材料をコレクタに用いた。特性を再現性よく得るために、コレクタとベースの界面にＩｎＧａＮを挿入することが有用である。本発明の金属ベーストランジスタを用いてテラヘルツ帯の発振を可能とする発振器を構成することが可能である。又、この発振器を信号源あるいは局所発振器の少なくとも一つに適用した分光装置を提供する。
【解決手段】 発振器の能動素子に金属ベーストランジスタを採用し、その最大発振周波数を数ＴＨｚにまで向上するために、電子の飽和速度の高いＩｎＮ或いはＩｎＮを主成分とする材料をコレクタに用いた。特性を再現性よく得るために、コレクタとベースの界面にＩｎＧａＮを挿入することが有用である。本発明の金属ベーストランジスタを用いてテラヘルツ帯の発振を可能とする発振器を構成することが可能である。又、この発振器を信号源あるいは局所発振器の少なくとも一つに適用した分光装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は超高速トランジスタ及びそれを用いた発振器に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
危険物探知のニーズが高まる中、物質を非破壊で同定可能なテラヘルツ（ＴＨｚ）帯の分光技術が注目を集めている。そして、既に、自由電子レーザ、ｐ型Ｇｅレーザ、光注入型パラメトリック発生、光スイッチ上光混合といった光を光源に用いた手法でＴＨｚ帯利用の有効性が実証されてきている。これらの技術の比較は、例えば、日本放射線技術学会雑誌第５８巻第４号(２００２年)第４４１−第４４７頁（非特許文献１）に示されている。しかし、光を用いた光源でＴＨｚ帯分光装置を形成すると、大型、高コスト化が避けられず、市場ニーズである小型、低コスト化に対応できない問題があった。
【０００３】
一方、低コスト化を主眼にして、ガンダイオードやインパットダイオードのようなミリ波帯発振器の出力を、ＧａＡｓショットキーダイオードによりてい倍する方法がありえるものの、（１）てい倍によって、装置が大型化すること、（２）出力がミリ波発振器のレベルから数桁低減し分光装置に必要な出力を得るのが困難となること、という２つの問題が発生する。そこで、ＴＨｚ帯で直接発振する発振器を、半導体プロセスを用いて小型、低コストで実現する技術が望まれていた。しかし、直接発振に必要な最大発振周波数である数ＴＨｚを従来半導体技術で実現するのは困難であった。
【０００４】
発振器に用いる能動素子の候補として、Ｓｉに比較して高周波特性に優れるＩｎＰ基板上高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）及びヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を考えた場合、ともに最大発振周波数は数百ＧＨｚ止まりであるものの、後者の方が縦型素子で電力密度を高くでき、表面再結合に起因した位相雑音の少ない特長があることから、小型・高性能化に適している。そこで、発明者らは、ＨＢＴに類似の縦型素子で、最大発振周波数を最大化させた金属ベーストランジスタ（Ｍｅｔａｌ Ｂａｓｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＭＢＴと略記する）を、ＴＨｚ帯発振器用能動素子に適用することを考えた。
【０００５】
これまでＭＢＴの高周波特性は報告されていないものの、電流増幅率に関して２００００まで増加させた構造がアプライド・フジックス・レターズ第７７巻第５号（２０００年）第７５３頁から第７５５頁（非特許文献２）に示されている。そこでは、図１４に示すように、サファイア基板２１上に、コレクタトップ構造を有するＭＢＴが形成され、そのＭＢＴはサブエミッタ２２が高ドープｎ型ＧａＮ、エミッタ２３がｎ型ＧａＮ、ベース２４がＷ、コレクタ２５がベース金属を酸化させて形成したＷＯ３、そして、コレクタ電極２６、ベース電極２７、エミッタ電極２８からなっていた。
【０００６】
【非特許文献１】日本放射線技術学会雑誌第５８巻第４号(２００２年)第４４１−第４４７頁。
【０００７】
【非特許文献２】アプライド・フジックス・レターズ第７７巻第５号（２０００年）第７５３頁から第７５５頁（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．７７、Ｎｏ．5（２０００）ｐｐ．７５３−７５７）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまでのＭＢＴは遮断周波数が相対的に低い問題がある。その主要要因はＷＯ３よりなるコレクタにおける空乏層中の電子の走行速度が１０６ｃｍ／ｓ台と遅いことである。この走行速度の値は、ＭＢＴの遮断周波数をこれまでのＨＢＴの遮断周波数よりも低くするものである。このことは、ＴＨｚ分光装置に必要とされる最大発振周波数、数ＴＨｚの実現を不可能とする。従って、走行速度の向上が技術的課題の最も大きな問題である。
【０００９】
合わせて、本願は、ＴＨｚ分光装置の小型、低コスト化を実現の為に有用な発振器を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の骨子は、第１の基板上に、順次積層されたコレクタ層、ベース層、及びエミッタ層を有する金属ベーストランジスタであって、前記コレクタ層がｎ型ＩｎＮ或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｎ型半導体材料からなり、前記ベース層が金属からなる金属ベーストランジスタである。
【００１１】
このような金属ベーストランジスタを再現性よく得るために、第２の手段として、前記ＭＢＴの前記コレクタ層とベース層の界面に、ＩｎＮモル比０．５未満のｎ型ＩｎＧａＮ、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｐ型ＩｎＧａＮを挿入するのが好ましい。
【００１２】
前記第１及び第２の手段を更により効果的にするために、第３の手段として、前記ベース層のＭＢＴ真性領域（エミッタ電極直下のトランジスタ動作に本質的な領域）における厚さを、ＭＢＴ寄生領域（エミッタ電極直下以外のＭＢＴ領域）における厚さよりも小さく、１原子層以上であるようにすることが有用である。
【００１３】
又、前記第３の手段をより簡便に再現性よく実現するために、第４の手段として、前記ベース層を構成する金属の酸化物をエミッタ層に用いるようにすることが有用である。特に、具体的材料の組み合わせとしては、前記ベース層をＡｌ、前記エミッタ層をＡｌ酸化物としたものが最適である。更に、ＷとＷ酸化物、ＭｏとＭｏ酸化物、ＨｆとＨｆ酸化物、ＺｒとＺｒ酸化物などが好適である。
【００１４】
本願発明の発振器は、前記ＭＢＴが形成された上記第１の基板上に、抵抗素子、容量素子、インダクタンス素子、伝送線路の少なくとも一つが形成されたモノリシック集積回路内に、少なくとも一つ以上の発振周波数を有する発振器アレイを形成し、第２の基板とバンプ電極を介して接続した上で、分光装置の信号源或いは局所発振器の少なくとも一つに用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明のＭＢＴは高い遮断周波数を実現することが出来る。従って、本願発明のＭＢＴを用いて、最大発振周波数が数ＴＨｚの発振器を提供することが出来る。
【００１６】
本願発明の別な観点は、ＴＨｚ分光装置の小型、低コスト化を実現の為に有用な発振器を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
具体的な本願発明の諸形態を説明するに先立って、前記諸形態の構成、特徴など補足説明する。
【００１８】
本願発明の骨子である、ＭＢＴのコレクタにｎ型ＩｎＮ、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｎ型半導体を用いる、本願発明の骨子である形態は、こうした材料を用いることによって、コレクタ層における空乏層中の電子の速度が１０７ｃｍ／ｓ台に向上する。特にＩｎＮコレクタでは、４×１０７ｃｍ／ｓにまで増加する。この結果、コレクタ空乏層でのキャリア走行時間が大幅に低減し、遮断周波数が向上する。
【００１９】
従って、ＴＨｚ分光装置用発振器に必要とされる最大発振周波数２ＴＨｚを実現できる。
【００２０】
尚、前記ＩｎＮモル比が０．５以上である主なｎ型半導体材料としては、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０．５）、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（ｘ＞０．５）、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ｘ＞０．５）をあげることが出来る。
【００２１】
前記第１の基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体基板や、ガラス等の非晶質基板など、これまでＭＢＴ用として用いられて来た基板を用いることが出来る。ベース層の金属も、これまでＭＢＴ用として用いられて来たベース層の材料を用いることが出来る。その例を掲げれば、例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｚｒなどである。
【００２２】
又、コレクタ層も、これまでＭＢＴ用として用いられて来たコレクタ層の材料を用いることが出来る。その例を掲げれば、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＷＯ３、ＭｏＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２などである。Ａｌ２Ｏ３が、前述のベース層の金属のＡｌと相まって、最も好ましい例である。
【００２３】
次に、改良された第２の形態を説明する。前記コレクタ層と前記ベース層の界面にＩｎＮモル比０．５未満のｎ型ＩｎＧａＮ、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｐ型ＩｎＧａＮを挿入する第２の手段である。
【００２４】
即ち、第１の手段では、ＩｎＮ層の形成方法によっては、前記コレクタ層と前記金属ベース層との界面に電子が蓄積され、ベース・コレクタ接合のダイオード動作に難点を発生する場合がある。この第２の手段により、ベース層となる金属を、蒸着、スパッタ、化学的気相堆積法、等のどのような形成方法によっても、ベース・コレクタ界面に電子の蓄積を起こさず、再現性に優れたＭＢＴを実現することが出来る。
【００２５】
次に、遮断周波数を向上させる改良に関わる第３の手段である。即ち、前記ベース層の真性領域における厚さを、寄生領域における厚さよりも小さく、１原子層以上とする形態である。このことにより、ベース走行時間とベース抵抗を共に低減できる。この結果、遮断周波数の向上をはかることが可能である。そして、本ＭＢＴを用いた発振器では、最大発振周波数を３ＴＨｚ以上に向上することが出来る。
【００２６】
第４の手段は、前記第３の手段の形態を、より簡便に再現性よく実現することが出来る形態である。この第４の手段は、前記ベース層を構成する金属の酸化物をエミッタ層に用いるものである。この場合、当該金属を酸化することによって、本例の形態を、簡便に再現性よく実現できる。
【００２７】
この形態では、前記製造方法の観点以外に、エミッタ層からエネルギーの高い高速なホットエレクトロンが、ベース層に注入され、遮断周波数が向上する。この結果、最大発振周波数も４ＴＨｚ以上と増加する。本例は本願発明をより効果的に実現するものである。
【００２８】
次に、本願発明の第２の観点である発振器について説明する。
【００２９】
本願発明の発振器の骨子は、第１の基板に発振器に必要なトランジスタと、所望の電子部材、例えば、抵抗素子、容量素子、インダクタンス素子、伝送線路などの少なくとも一つを形成し、モノリシック集積回路を構成する。この集積回路内に発振器アレイが組み込まれ、且つ当該発振器アレイ用のトランジスタとして、これまで説明したＭＢＴが用いられる。一方、これらの電子的諸要素への、外部への接続の為、バンプが形成された第２の基板が準備される。そして、第１の基板と第２の基板とが、バンプを介して接続され、フリップチップとなされる。
【００３０】
更に、本願発明の金属ベーストランジスタを用いた発振器或いは発振器アレーは、分光・透過装置の信号源或いは局所発振器の構成部材に適用して有用である。こうして、ＴＨｚ分光・透視装置を小型、低コスト化を実現することが出来る。
【００３１】
他方、前記公知技術になるＭＢＴを用いて発振器を構成すると、ＴＨｚ帯での直接発振が困難であることから、ＧａＡｓショットキーダイオードによるてい倍器を併用せざるを得ない。従って、こうした発振器を用いては、ＴＨｚ分光・透視装置の小型、低コスト化は不可能である。
【００３２】
＜実施例１＞
図１は、本発明の第１の実施例であるＭＢＴの縦断面構造図である。本例は、エミッタトップの構造で、且つコレクタに電子の飽和速度が極めて高い材料であるＩｎＮを採用した。
【００３３】
サファイア基板１上に、高濃度ｎ型ドープＩｎＮサブコレクタ層（電子濃度５×１０１８ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ）２、ｎ型ＩｎＮコレクタ層（電子濃度５×１０１６ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ）３、Ａｌベース層（膜厚５ｎｍ）４、Ａｌ２Ｏ３エミッタ層（膜厚５ｎｍ））５からなる積層メサ構造が形成される。そして、このメサ構造に、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなるエミッタ電極６、ベース電極７、コレクタ電極８が、それぞれエミッタ層５上、ベース層４上、サブコレクタ層２上に形成されている。
【００３４】
本実施例では、従来のコレクタトップ構造に代えて、エミッタトップ構造を採用し、コレクタに電子の飽和速度が４×１０７ｃｍ／ｓと極めて高い材料を採用した結果、電子のコレクタ空乏層走行時間が大幅に低減し、ＭＢＴ最大発振周波数がＴＨｚ分光・透視装置用発振器に必要とされる２ＴＨｚにまで到達した。
【００３５】
尚、本構造の製造方法の基本は、実施例４を持って説明するので、ここでは詳細省略する。これに準じれば良い。
【００３６】
本実施例では、ｎ型コレクタ層３にＩｎＮを用いたが、ＩｎＮモル比が０．５以上の半導体材料であれば、１０７ｃｍ／ｓ台の高速なコレクタ空乏層内電子走行が実現できるため、上述のＩｎＮコレクタ同様に実施できるのはもちろんである。又、基板１はサファイアに限定されず、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体基板や、ガラス等の非晶質基板であってもよい。非晶質基板を用いた場合には、サブコレクタ層２およびコレクタ層３が多結晶となるが、ＩｎＮの場合、多結晶であっても半導体伝導が得られるので適用可能である。
【００３７】
＜実施例２＞
図２は本発明の第２の実施例であるＭＢＴの縦断面構造図である。実施例１のｎ型ＩｎＮコレクタ層３とＡｌベース層４の間に、中間層９として、ＩｎＮモル比０．５未満のｎ型ＩｎＧａＮ、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｐ型ＩｎＧａＮ（膜厚５ｎｍ）を挿入した。その他の半導体層は実施例１のものと同様である。
【００３８】
実施例１では、ＩｎＮ層の形成方法によっては、コレクタとベースとの界面に電子が蓄積され、ベース・コレクタ接合におけるダイオード動作の難点も見られた。これはＩｎＮやＩｎＡｓ等、Ｉｎを多く含む材料に特有の現象と考えられる。一方、本実施例によれば、ベース・コレクタ界面のＩｎ含有量が低減し、電子の蓄積が回避できることから、特性の再現性に優れたＭＢＴを実現できる効果がある。
【００３９】
尚、ｐ型ＩｎＧａＮについては、ｐ型濃度が低く、空乏化して高抵抗となってもＭＢＴ動作上、問題ない。
【００４０】
＜実施例３＞
図３は本発明の第３の実施例であるＭＢＴの縦断面構造図である。実施例１或いは実施例２におけるベース層４の厚さを、真性領域において５ｎｍ、寄生領域において１０ｎｍとした。その結果、最大発振周波数を３ＴＨｚにまで向上した。
【００４１】
本実施例によれば、ベース走行時間とベース抵抗を共に低減できる結果、最大発振周波数を大幅に向上できる効果がある。
【００４２】
尚、本実施例では、ベース層４の真性領域における厚さを５ｎｍとしたが、１原子層以上であればよい。
【００４３】
＜実施例４＞
本実施例では、実施例３におけるエミッタ層５を、ベース４を構成する金属の酸化物とした。従って、本例は、本願発明の基本構成に加えて、（１）ＩｎＧａＮの中間層を有すること、（２）ベース層のトランジスタ真性領域における厚さを、トランジスタ寄生領域における厚さよりも小さくする構成、並びに（３）ベースを構成する金属の酸化物をエミッタとする、の各構成をも備える例である。
【００４４】
以下、図４から図９を用いて、本実施例におけるＭＢＴの製造方法の例を説明する。始めに、サファイア基板１上に分子線エピタキシー法を用いて、高濃度ｎ型ドープＩｎＮサブコレクタ層（電子濃度５×１０１８ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ）２、ｎ型ＩｎＮコレクタ層（電子濃度５×１０１６ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ）３、ｎ型ＩｎＧａＮ中間層（ＩｎＮモル比０．６、電子濃度５×１０１６ｃｍ−３、膜厚５ｎｍ）９を基板温度３５０℃にて順次成長した（図４）。
【００４５】
続いて、分子線エピタキシー装置内にて、基板温度を１５０℃まで低減し、Ａｌベース層（膜厚１０ｎｍ）４を成長した（図５）。
【００４６】
その後、分子線エピタキシー装置から試料を取り出し、ホトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いて、Ａｌベース層９および中間層７の選択的除去を行った。そして、リフトオフ法を用いて、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉベース電極を形成した（図６）。
【００４７】
続いて、リフトオフ法を用いて、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉコレクタ電極を形成した（図７）。
【００４８】
そして、化学的気相堆積法を用いてＳｉＯ２膜等の絶縁膜（膜厚２０ｎｍ）１０でＭＢＴ全体を被覆し、ホトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いてエミッタ領域のみ開口し、２００℃、３０分の条件で、紫外線により生成したオゾンにより酸化し（通常、ユーヴィーオゾン酸化（ＵＶＯ３酸化）と呼ばれる）、Ａｌ２Ｏ３エミッタ５を形成した（図８）。この際、エミッタ５の厚さが５ｎｍ、その直下の真性ベース厚さが５ｎｍとなった。
【００４９】
最後に、リフトオフ法を用いて、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉエミッタ電極を形成しＭＢＴを完成させた（図９）。
【００５０】
本実施例によれば、実施例３に示したＭＢＴのベースを構成する金属の酸化物をエミッタに用いることにより、酸化工程を用いて、上記第３の手段をより簡便に再現性よく実現できる。
【００５１】
＜実施例５＞
本発明に関する発振器、発振器アレーの例を図１０、図１２、又、分光装置への応用を図１３を用いて例示する。
【００５２】
少なくともＭＢＴ１１が形成された基板１を準備する。この場合、要求される特性の応じて、ＭＢＴ１１は、実施例１から４に説明したいずれかのＭＢＴを用いて良い。ＭＢＴ１１が形成された基板１上に、例えば、抵抗素子１２、容量素子１３、インダクタンス素子１４、伝送線路１５などを形成し、モノリシック集積回路とした（図１０）。受動素子や伝送線路をモノリシック化するのは、ＴＨｚ帯信号を扱う上で、ハイブリッド集積では信号遅延が大きくなりすぎるためである。このモノリシック集積回路に表面保護を施し、例えばセラミック或いは樹脂からなるモジュール基板１６にバンプ３０を介してフリップチップ接続した形態が図１１である。ここで、実装にワイヤボンディングではなく、フリップチップを用いるのは、ワイヤボンディングに起因した寄生インダクタンス等、寄生成分による特性劣化を低減するためである。
【００５３】
図１５は本発明による発振器の回路図である。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、ＲＬは伝送線路１５から構成される。Ｌ１およびＬ６は、それぞれベース電圧Ｖｂｂおよびコレクタ電圧ＶｃｃをＴＨｚ信号に対して十分高いインピーダンスでバイアス供給するための線路である。また、Ｌ２とＬ３はＭＢＴコレクタ端において負性抵抗を生成するための線路である。それに対し、Ｌ４とＬ５は負荷抵抗ＲＬ（本実施例では５０Ω）において、出力を最大化するための整合回路を構成する線路である。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は直流成分を除去するための容量である。本実施例では、Ｌ２とＬ３の線路幅と線路長をそれぞれ変えて組合せることにより、１−３ＴＨｚの範囲の発振器を実現した。
【００５４】
実際のＴＨｚ分光装置では単一発振周波数だけではなく、１ＴＨｚ−３ＴＨｚの範囲の周波数を扱う必要があることから、発振器をアレイ状にする必要がある。図１２は、上記モノリシック集積回路に発振周波数の異なる発振器が１からｎ（ｎは整数）まで配置され、それぞれの入出力端子や電源端子がモジュール基板１７とフリップチップ実装されている。
【００５５】
こうした発振器或いは発振器アレイは、ＴＨｚ分光装置の発振器或いは局所発振器に適用することが出来る。図１３にＴＨｚ分光装置の例を、ブロック図にて示す。
【００５６】
図１３のＴＨｚ分光装置では、発振器１８から出射したＴＨｚ光は測定試料３１に照射され、測定試料３１からの反射光または透過光が周波数混合器３２に導入される。そこで、反射光または透過光が局所発振器１９の出力と乗算され、その出力である差周波信号が低雑音増幅器３３にて増幅された後、バンドパスフィルタ３４を通過する。その後、信号はＡ／Ｄコンバータ＆ＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）３５にて、アナログ-デジタル変換されてデジタル信号処理を施され、ディスプレイ３６にて表示される。そこで、例えば、本願発明の発振器或いは発振器アレイを、図１３に示される装置の、発振器１８或いは局所発振器１９に適用することが出来る。
【００５７】
本実施例によれば、てい倍器を用いずに、小型、低コストな発振器１８及び局所発振器１９を用いた小型、低コストなＴＨｚ分光装置を実現できる。
【００５８】
本発明は金属ベーストランジスタおよびそれを用いた発振器だけではなく、超高速トランジスタ及びそれを用いた装置に利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は本発明の第１の実施例である金属ベーストランジスタの縦断面構造図である。
【図２】図２は本発明の第２の実施例である金属ベーストランジスタの縦断面構造図である。
【図３】図３は本発明の第３の実施例である金属ベーストランジスタの縦断面構造図である。
【図４】図４は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの第１工程を示す縦断面構造図である。
【図５】図５は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図４に続く工程を示す縦断面構造図である。
【図６】図６は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図５に続く工程を示す縦断面構造図である。
【図７】図７は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図６に続く工程を示す縦断面構造図である。
【図８】図８は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図７続く工程を示す縦断面構造図である。
【図９】図９は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図８に続く工程を示す縦断面構造図である。
【図１０】図１０は本発明の第５の実施例であるＭＢＴ発振器を構成するモノリシック集積回路を示す縦断面構造図である。
【図１１】図１１は本発明の第５の実施例であるＭＢＴ発振器を構成するモノリシック集積回路のモジュール基板への実装形態を示す縦断面構造図である。
【図１２】図１２は本発明の第５の実施例であるＭＢＴ発振器アレイを構成するモノリシック集積回路のモジュール基板への実装形態を示す縦断面構造図である。
【図１３】図１３は本発明の第５の実施例であるＭＢＴ発振器を用いたＴＨｚ分光装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は従来技術による金属ベーストランジスタの縦断面構造図である。
【図１５】図１５は本発明による発振器の回路図である。
【符号の説明】
【００６０】
１、２１・・・サファイア基板、２・・・サブコレクタ層、２２・・・サブエミッタ層、５、２３・・・エミッタ層、４、２４・・・ベース層、３、２５・・・コレクタ層、８、２６・・・コレクタ電極、７、２７・・・ベース電極、６、２８・・・エミッタ電極、９・・・ＩｎＧａＮ中間層、１０・・・絶縁膜、１１・・・金属ベーストランジスタ、１２・・・抵抗素子、１３・・・容量素子、１４・・・インダクタンス素子、１５・・・伝送線路、１６、１７・・・モジュール基板、１８・・・発振器、１９・・・局所発振器、３０・・・バンプ、３１・・・測定試料、３２・・・周波数混合器、３３・・・低雑音発振器、３４・・・バンドパスフィルタ、３５・・・Ａ／Ｄコンバータ＆ＤＳＰ、３６・・・ディスプレイ。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は超高速トランジスタ及びそれを用いた発振器に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
危険物探知のニーズが高まる中、物質を非破壊で同定可能なテラヘルツ（ＴＨｚ）帯の分光技術が注目を集めている。そして、既に、自由電子レーザ、ｐ型Ｇｅレーザ、光注入型パラメトリック発生、光スイッチ上光混合といった光を光源に用いた手法でＴＨｚ帯利用の有効性が実証されてきている。これらの技術の比較は、例えば、日本放射線技術学会雑誌第５８巻第４号(２００２年)第４４１−第４４７頁（非特許文献１）に示されている。しかし、光を用いた光源でＴＨｚ帯分光装置を形成すると、大型、高コスト化が避けられず、市場ニーズである小型、低コスト化に対応できない問題があった。
【０００３】
一方、低コスト化を主眼にして、ガンダイオードやインパットダイオードのようなミリ波帯発振器の出力を、ＧａＡｓショットキーダイオードによりてい倍する方法がありえるものの、（１）てい倍によって、装置が大型化すること、（２）出力がミリ波発振器のレベルから数桁低減し分光装置に必要な出力を得るのが困難となること、という２つの問題が発生する。そこで、ＴＨｚ帯で直接発振する発振器を、半導体プロセスを用いて小型、低コストで実現する技術が望まれていた。しかし、直接発振に必要な最大発振周波数である数ＴＨｚを従来半導体技術で実現するのは困難であった。
【０００４】
発振器に用いる能動素子の候補として、Ｓｉに比較して高周波特性に優れるＩｎＰ基板上高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）及びヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を考えた場合、ともに最大発振周波数は数百ＧＨｚ止まりであるものの、後者の方が縦型素子で電力密度を高くでき、表面再結合に起因した位相雑音の少ない特長があることから、小型・高性能化に適している。そこで、発明者らは、ＨＢＴに類似の縦型素子で、最大発振周波数を最大化させた金属ベーストランジスタ（Ｍｅｔａｌ Ｂａｓｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＭＢＴと略記する）を、ＴＨｚ帯発振器用能動素子に適用することを考えた。
【０００５】
これまでＭＢＴの高周波特性は報告されていないものの、電流増幅率に関して２００００まで増加させた構造がアプライド・フジックス・レターズ第７７巻第５号（２０００年）第７５３頁から第７５５頁（非特許文献２）に示されている。そこでは、図１４に示すように、サファイア基板２１上に、コレクタトップ構造を有するＭＢＴが形成され、そのＭＢＴはサブエミッタ２２が高ドープｎ型ＧａＮ、エミッタ２３がｎ型ＧａＮ、ベース２４がＷ、コレクタ２５がベース金属を酸化させて形成したＷＯ３、そして、コレクタ電極２６、ベース電極２７、エミッタ電極２８からなっていた。
【０００６】
【非特許文献１】日本放射線技術学会雑誌第５８巻第４号(２００２年)第４４１−第４４７頁。
【０００７】
【非特許文献２】アプライド・フジックス・レターズ第７７巻第５号（２０００年）第７５３頁から第７５５頁（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．７７、Ｎｏ．5（２０００）ｐｐ．７５３−７５７）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまでのＭＢＴは遮断周波数が相対的に低い問題がある。その主要要因はＷＯ３よりなるコレクタにおける空乏層中の電子の走行速度が１０６ｃｍ／ｓ台と遅いことである。この走行速度の値は、ＭＢＴの遮断周波数をこれまでのＨＢＴの遮断周波数よりも低くするものである。このことは、ＴＨｚ分光装置に必要とされる最大発振周波数、数ＴＨｚの実現を不可能とする。従って、走行速度の向上が技術的課題の最も大きな問題である。
【０００９】
合わせて、本願は、ＴＨｚ分光装置の小型、低コスト化を実現の為に有用な発振器を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明の骨子は、第１の基板上に、順次積層されたコレクタ層、ベース層、及びエミッタ層を有する金属ベーストランジスタであって、前記コレクタ層がｎ型ＩｎＮ或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｎ型半導体材料からなり、前記ベース層が金属からなる金属ベーストランジスタである。
【００１１】
このような金属ベーストランジスタを再現性よく得るために、第２の手段として、前記ＭＢＴの前記コレクタ層とベース層の界面に、ＩｎＮモル比０．５未満のｎ型ＩｎＧａＮ、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｐ型ＩｎＧａＮを挿入するのが好ましい。
【００１２】
前記第１及び第２の手段を更により効果的にするために、第３の手段として、前記ベース層のＭＢＴ真性領域（エミッタ電極直下のトランジスタ動作に本質的な領域）における厚さを、ＭＢＴ寄生領域（エミッタ電極直下以外のＭＢＴ領域）における厚さよりも小さく、１原子層以上であるようにすることが有用である。
【００１３】
又、前記第３の手段をより簡便に再現性よく実現するために、第４の手段として、前記ベース層を構成する金属の酸化物をエミッタ層に用いるようにすることが有用である。特に、具体的材料の組み合わせとしては、前記ベース層をＡｌ、前記エミッタ層をＡｌ酸化物としたものが最適である。更に、ＷとＷ酸化物、ＭｏとＭｏ酸化物、ＨｆとＨｆ酸化物、ＺｒとＺｒ酸化物などが好適である。
【００１４】
本願発明の発振器は、前記ＭＢＴが形成された上記第１の基板上に、抵抗素子、容量素子、インダクタンス素子、伝送線路の少なくとも一つが形成されたモノリシック集積回路内に、少なくとも一つ以上の発振周波数を有する発振器アレイを形成し、第２の基板とバンプ電極を介して接続した上で、分光装置の信号源或いは局所発振器の少なくとも一つに用いるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明のＭＢＴは高い遮断周波数を実現することが出来る。従って、本願発明のＭＢＴを用いて、最大発振周波数が数ＴＨｚの発振器を提供することが出来る。
【００１６】
本願発明の別な観点は、ＴＨｚ分光装置の小型、低コスト化を実現の為に有用な発振器を提供することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
具体的な本願発明の諸形態を説明するに先立って、前記諸形態の構成、特徴など補足説明する。
【００１８】
本願発明の骨子である、ＭＢＴのコレクタにｎ型ＩｎＮ、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｎ型半導体を用いる、本願発明の骨子である形態は、こうした材料を用いることによって、コレクタ層における空乏層中の電子の速度が１０７ｃｍ／ｓ台に向上する。特にＩｎＮコレクタでは、４×１０７ｃｍ／ｓにまで増加する。この結果、コレクタ空乏層でのキャリア走行時間が大幅に低減し、遮断周波数が向上する。
【００１９】
従って、ＴＨｚ分光装置用発振器に必要とされる最大発振周波数２ＴＨｚを実現できる。
【００２０】
尚、前記ＩｎＮモル比が０．５以上である主なｎ型半導体材料としては、例えば、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＞０．５）、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮ（ｘ＞０．５）、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ｘ＞０．５）をあげることが出来る。
【００２１】
前記第１の基板は、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体基板や、ガラス等の非晶質基板など、これまでＭＢＴ用として用いられて来た基板を用いることが出来る。ベース層の金属も、これまでＭＢＴ用として用いられて来たベース層の材料を用いることが出来る。その例を掲げれば、例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｚｒなどである。
【００２２】
又、コレクタ層も、これまでＭＢＴ用として用いられて来たコレクタ層の材料を用いることが出来る。その例を掲げれば、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＷＯ３、ＭｏＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２などである。Ａｌ２Ｏ３が、前述のベース層の金属のＡｌと相まって、最も好ましい例である。
【００２３】
次に、改良された第２の形態を説明する。前記コレクタ層と前記ベース層の界面にＩｎＮモル比０．５未満のｎ型ＩｎＧａＮ、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｐ型ＩｎＧａＮを挿入する第２の手段である。
【００２４】
即ち、第１の手段では、ＩｎＮ層の形成方法によっては、前記コレクタ層と前記金属ベース層との界面に電子が蓄積され、ベース・コレクタ接合のダイオード動作に難点を発生する場合がある。この第２の手段により、ベース層となる金属を、蒸着、スパッタ、化学的気相堆積法、等のどのような形成方法によっても、ベース・コレクタ界面に電子の蓄積を起こさず、再現性に優れたＭＢＴを実現することが出来る。
【００２５】
次に、遮断周波数を向上させる改良に関わる第３の手段である。即ち、前記ベース層の真性領域における厚さを、寄生領域における厚さよりも小さく、１原子層以上とする形態である。このことにより、ベース走行時間とベース抵抗を共に低減できる。この結果、遮断周波数の向上をはかることが可能である。そして、本ＭＢＴを用いた発振器では、最大発振周波数を３ＴＨｚ以上に向上することが出来る。
【００２６】
第４の手段は、前記第３の手段の形態を、より簡便に再現性よく実現することが出来る形態である。この第４の手段は、前記ベース層を構成する金属の酸化物をエミッタ層に用いるものである。この場合、当該金属を酸化することによって、本例の形態を、簡便に再現性よく実現できる。
【００２７】
この形態では、前記製造方法の観点以外に、エミッタ層からエネルギーの高い高速なホットエレクトロンが、ベース層に注入され、遮断周波数が向上する。この結果、最大発振周波数も４ＴＨｚ以上と増加する。本例は本願発明をより効果的に実現するものである。
【００２８】
次に、本願発明の第２の観点である発振器について説明する。
【００２９】
本願発明の発振器の骨子は、第１の基板に発振器に必要なトランジスタと、所望の電子部材、例えば、抵抗素子、容量素子、インダクタンス素子、伝送線路などの少なくとも一つを形成し、モノリシック集積回路を構成する。この集積回路内に発振器アレイが組み込まれ、且つ当該発振器アレイ用のトランジスタとして、これまで説明したＭＢＴが用いられる。一方、これらの電子的諸要素への、外部への接続の為、バンプが形成された第２の基板が準備される。そして、第１の基板と第２の基板とが、バンプを介して接続され、フリップチップとなされる。
【００３０】
更に、本願発明の金属ベーストランジスタを用いた発振器或いは発振器アレーは、分光・透過装置の信号源或いは局所発振器の構成部材に適用して有用である。こうして、ＴＨｚ分光・透視装置を小型、低コスト化を実現することが出来る。
【００３１】
他方、前記公知技術になるＭＢＴを用いて発振器を構成すると、ＴＨｚ帯での直接発振が困難であることから、ＧａＡｓショットキーダイオードによるてい倍器を併用せざるを得ない。従って、こうした発振器を用いては、ＴＨｚ分光・透視装置の小型、低コスト化は不可能である。
【００３２】
＜実施例１＞
図１は、本発明の第１の実施例であるＭＢＴの縦断面構造図である。本例は、エミッタトップの構造で、且つコレクタに電子の飽和速度が極めて高い材料であるＩｎＮを採用した。
【００３３】
サファイア基板１上に、高濃度ｎ型ドープＩｎＮサブコレクタ層（電子濃度５×１０１８ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ）２、ｎ型ＩｎＮコレクタ層（電子濃度５×１０１６ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ）３、Ａｌベース層（膜厚５ｎｍ）４、Ａｌ２Ｏ３エミッタ層（膜厚５ｎｍ））５からなる積層メサ構造が形成される。そして、このメサ構造に、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉからなるエミッタ電極６、ベース電極７、コレクタ電極８が、それぞれエミッタ層５上、ベース層４上、サブコレクタ層２上に形成されている。
【００３４】
本実施例では、従来のコレクタトップ構造に代えて、エミッタトップ構造を採用し、コレクタに電子の飽和速度が４×１０７ｃｍ／ｓと極めて高い材料を採用した結果、電子のコレクタ空乏層走行時間が大幅に低減し、ＭＢＴ最大発振周波数がＴＨｚ分光・透視装置用発振器に必要とされる２ＴＨｚにまで到達した。
【００３５】
尚、本構造の製造方法の基本は、実施例４を持って説明するので、ここでは詳細省略する。これに準じれば良い。
【００３６】
本実施例では、ｎ型コレクタ層３にＩｎＮを用いたが、ＩｎＮモル比が０．５以上の半導体材料であれば、１０７ｃｍ／ｓ台の高速なコレクタ空乏層内電子走行が実現できるため、上述のＩｎＮコレクタ同様に実施できるのはもちろんである。又、基板１はサファイアに限定されず、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等の半導体基板や、ガラス等の非晶質基板であってもよい。非晶質基板を用いた場合には、サブコレクタ層２およびコレクタ層３が多結晶となるが、ＩｎＮの場合、多結晶であっても半導体伝導が得られるので適用可能である。
【００３７】
＜実施例２＞
図２は本発明の第２の実施例であるＭＢＴの縦断面構造図である。実施例１のｎ型ＩｎＮコレクタ層３とＡｌベース層４の間に、中間層９として、ＩｎＮモル比０．５未満のｎ型ＩｎＧａＮ、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｐ型ＩｎＧａＮ（膜厚５ｎｍ）を挿入した。その他の半導体層は実施例１のものと同様である。
【００３８】
実施例１では、ＩｎＮ層の形成方法によっては、コレクタとベースとの界面に電子が蓄積され、ベース・コレクタ接合におけるダイオード動作の難点も見られた。これはＩｎＮやＩｎＡｓ等、Ｉｎを多く含む材料に特有の現象と考えられる。一方、本実施例によれば、ベース・コレクタ界面のＩｎ含有量が低減し、電子の蓄積が回避できることから、特性の再現性に優れたＭＢＴを実現できる効果がある。
【００３９】
尚、ｐ型ＩｎＧａＮについては、ｐ型濃度が低く、空乏化して高抵抗となってもＭＢＴ動作上、問題ない。
【００４０】
＜実施例３＞
図３は本発明の第３の実施例であるＭＢＴの縦断面構造図である。実施例１或いは実施例２におけるベース層４の厚さを、真性領域において５ｎｍ、寄生領域において１０ｎｍとした。その結果、最大発振周波数を３ＴＨｚにまで向上した。
【００４１】
本実施例によれば、ベース走行時間とベース抵抗を共に低減できる結果、最大発振周波数を大幅に向上できる効果がある。
【００４２】
尚、本実施例では、ベース層４の真性領域における厚さを５ｎｍとしたが、１原子層以上であればよい。
【００４３】
＜実施例４＞
本実施例では、実施例３におけるエミッタ層５を、ベース４を構成する金属の酸化物とした。従って、本例は、本願発明の基本構成に加えて、（１）ＩｎＧａＮの中間層を有すること、（２）ベース層のトランジスタ真性領域における厚さを、トランジスタ寄生領域における厚さよりも小さくする構成、並びに（３）ベースを構成する金属の酸化物をエミッタとする、の各構成をも備える例である。
【００４４】
以下、図４から図９を用いて、本実施例におけるＭＢＴの製造方法の例を説明する。始めに、サファイア基板１上に分子線エピタキシー法を用いて、高濃度ｎ型ドープＩｎＮサブコレクタ層（電子濃度５×１０１８ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ）２、ｎ型ＩｎＮコレクタ層（電子濃度５×１０１６ｃｍ−３、膜厚５００ｎｍ）３、ｎ型ＩｎＧａＮ中間層（ＩｎＮモル比０．６、電子濃度５×１０１６ｃｍ−３、膜厚５ｎｍ）９を基板温度３５０℃にて順次成長した（図４）。
【００４５】
続いて、分子線エピタキシー装置内にて、基板温度を１５０℃まで低減し、Ａｌベース層（膜厚１０ｎｍ）４を成長した（図５）。
【００４６】
その後、分子線エピタキシー装置から試料を取り出し、ホトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いて、Ａｌベース層９および中間層７の選択的除去を行った。そして、リフトオフ法を用いて、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉベース電極を形成した（図６）。
【００４７】
続いて、リフトオフ法を用いて、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉコレクタ電極を形成した（図７）。
【００４８】
そして、化学的気相堆積法を用いてＳｉＯ２膜等の絶縁膜（膜厚２０ｎｍ）１０でＭＢＴ全体を被覆し、ホトリソグラフィーおよびドライエッチングを用いてエミッタ領域のみ開口し、２００℃、３０分の条件で、紫外線により生成したオゾンにより酸化し（通常、ユーヴィーオゾン酸化（ＵＶＯ３酸化）と呼ばれる）、Ａｌ２Ｏ３エミッタ５を形成した（図８）。この際、エミッタ５の厚さが５ｎｍ、その直下の真性ベース厚さが５ｎｍとなった。
【００４９】
最後に、リフトオフ法を用いて、Ａｕ／Ｐｔ／Ｔｉエミッタ電極を形成しＭＢＴを完成させた（図９）。
【００５０】
本実施例によれば、実施例３に示したＭＢＴのベースを構成する金属の酸化物をエミッタに用いることにより、酸化工程を用いて、上記第３の手段をより簡便に再現性よく実現できる。
【００５１】
＜実施例５＞
本発明に関する発振器、発振器アレーの例を図１０、図１２、又、分光装置への応用を図１３を用いて例示する。
【００５２】
少なくともＭＢＴ１１が形成された基板１を準備する。この場合、要求される特性の応じて、ＭＢＴ１１は、実施例１から４に説明したいずれかのＭＢＴを用いて良い。ＭＢＴ１１が形成された基板１上に、例えば、抵抗素子１２、容量素子１３、インダクタンス素子１４、伝送線路１５などを形成し、モノリシック集積回路とした（図１０）。受動素子や伝送線路をモノリシック化するのは、ＴＨｚ帯信号を扱う上で、ハイブリッド集積では信号遅延が大きくなりすぎるためである。このモノリシック集積回路に表面保護を施し、例えばセラミック或いは樹脂からなるモジュール基板１６にバンプ３０を介してフリップチップ接続した形態が図１１である。ここで、実装にワイヤボンディングではなく、フリップチップを用いるのは、ワイヤボンディングに起因した寄生インダクタンス等、寄生成分による特性劣化を低減するためである。
【００５３】
図１５は本発明による発振器の回路図である。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、ＲＬは伝送線路１５から構成される。Ｌ１およびＬ６は、それぞれベース電圧Ｖｂｂおよびコレクタ電圧ＶｃｃをＴＨｚ信号に対して十分高いインピーダンスでバイアス供給するための線路である。また、Ｌ２とＬ３はＭＢＴコレクタ端において負性抵抗を生成するための線路である。それに対し、Ｌ４とＬ５は負荷抵抗ＲＬ（本実施例では５０Ω）において、出力を最大化するための整合回路を構成する線路である。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は直流成分を除去するための容量である。本実施例では、Ｌ２とＬ３の線路幅と線路長をそれぞれ変えて組合せることにより、１−３ＴＨｚの範囲の発振器を実現した。
【００５４】
実際のＴＨｚ分光装置では単一発振周波数だけではなく、１ＴＨｚ−３ＴＨｚの範囲の周波数を扱う必要があることから、発振器をアレイ状にする必要がある。図１２は、上記モノリシック集積回路に発振周波数の異なる発振器が１からｎ（ｎは整数）まで配置され、それぞれの入出力端子や電源端子がモジュール基板１７とフリップチップ実装されている。
【００５５】
こうした発振器或いは発振器アレイは、ＴＨｚ分光装置の発振器或いは局所発振器に適用することが出来る。図１３にＴＨｚ分光装置の例を、ブロック図にて示す。
【００５６】
図１３のＴＨｚ分光装置では、発振器１８から出射したＴＨｚ光は測定試料３１に照射され、測定試料３１からの反射光または透過光が周波数混合器３２に導入される。そこで、反射光または透過光が局所発振器１９の出力と乗算され、その出力である差周波信号が低雑音増幅器３３にて増幅された後、バンドパスフィルタ３４を通過する。その後、信号はＡ／Ｄコンバータ＆ＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）３５にて、アナログ-デジタル変換されてデジタル信号処理を施され、ディスプレイ３６にて表示される。そこで、例えば、本願発明の発振器或いは発振器アレイを、図１３に示される装置の、発振器１８或いは局所発振器１９に適用することが出来る。
【００５７】
本実施例によれば、てい倍器を用いずに、小型、低コストな発振器１８及び局所発振器１９を用いた小型、低コストなＴＨｚ分光装置を実現できる。
【００５８】
本発明は金属ベーストランジスタおよびそれを用いた発振器だけではなく、超高速トランジスタ及びそれを用いた装置に利用可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】図１は本発明の第１の実施例である金属ベーストランジスタの縦断面構造図である。
【図２】図２は本発明の第２の実施例である金属ベーストランジスタの縦断面構造図である。
【図３】図３は本発明の第３の実施例である金属ベーストランジスタの縦断面構造図である。
【図４】図４は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの第１工程を示す縦断面構造図である。
【図５】図５は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図４に続く工程を示す縦断面構造図である。
【図６】図６は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図５に続く工程を示す縦断面構造図である。
【図７】図７は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図６に続く工程を示す縦断面構造図である。
【図８】図８は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図７続く工程を示す縦断面構造図である。
【図９】図９は本発明の第４の実施例であるＭＢＴの製造方法のうち、図８に続く工程を示す縦断面構造図である。
【図１０】図１０は本発明の第５の実施例であるＭＢＴ発振器を構成するモノリシック集積回路を示す縦断面構造図である。
【図１１】図１１は本発明の第５の実施例であるＭＢＴ発振器を構成するモノリシック集積回路のモジュール基板への実装形態を示す縦断面構造図である。
【図１２】図１２は本発明の第５の実施例であるＭＢＴ発振器アレイを構成するモノリシック集積回路のモジュール基板への実装形態を示す縦断面構造図である。
【図１３】図１３は本発明の第５の実施例であるＭＢＴ発振器を用いたＴＨｚ分光装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】図１４は従来技術による金属ベーストランジスタの縦断面構造図である。
【図１５】図１５は本発明による発振器の回路図である。
【符号の説明】
【００６０】
１、２１・・・サファイア基板、２・・・サブコレクタ層、２２・・・サブエミッタ層、５、２３・・・エミッタ層、４、２４・・・ベース層、３、２５・・・コレクタ層、８、２６・・・コレクタ電極、７、２７・・・ベース電極、６、２８・・・エミッタ電極、９・・・ＩｎＧａＮ中間層、１０・・・絶縁膜、１１・・・金属ベーストランジスタ、１２・・・抵抗素子、１３・・・容量素子、１４・・・インダクタンス素子、１５・・・伝送線路、１６、１７・・・モジュール基板、１８・・・発振器、１９・・・局所発振器、３０・・・バンプ、３１・・・測定試料、３２・・・周波数混合器、３３・・・低雑音発振器、３４・・・バンドパスフィルタ、３５・・・Ａ／Ｄコンバータ＆ＤＳＰ、３６・・・ディスプレイ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に、順次積層されたコレクタ層、ベース層、及びエミッタ層を有し、且つ前記コレクタ層はｎ型ＩｎＮ或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｎ型半導体材料からなり、前記ベース層は金属からなることを特徴とする金属ベーストランジスタ。
【請求項２】
前記コレクタ層と前記ベース層の界面に、ＩｎＮモル比０．５未満のｎ型ＩｎＧａＮ層、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｐ型ＩｎＧａＮ層のいずれかを有することを特徴とする請求項１記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項３】
前記ベース層のトランジスタ真性領域における厚さは、トランジスタ寄生領域における厚さよりも小さく、１原子層以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項４】
前記ベース層のトランジスタ真性領域における厚さは、トランジスタ寄生領域における厚さよりも小さく、１原子層以上であることを特徴とする請求項２に記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項５】
前記ベース層を構成する金属の酸化物をエミッタ層に用いたことを特徴とする請求項３記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項６】
前記ベース層を構成する金属の酸化物をエミッタ層に用いたことを特徴とする請求項４記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項７】
前記ベース層はＡｌ、上記エミッタ層はＡｌ酸化物であることを特徴とする請求項５記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項８】
前記ベース層はＡｌ、上記エミッタ層はＡｌ酸化物であることを特徴とする請求項６記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項９】
少なくとも金属ベーストランジスタを有する発振器の複数を有する発振器アレー、及び電子部材の少なくとも一つが搭載されたモノリシック集積回路を有する第１の基板と、前記モノリシック集積回路の外部端子を少なくとも一つ有する第２の基板と、を有し、
前記第１の基板と前記第２の基板とが、前記発振器アレー及び、電子部材がバンプ電極を介して電気的接続がなされ、且つ
前記金属ベーストランジスタが請求項１より請求項８のいずれかに記載の金属ベーストランジスタであることを特徴とする発振器。
【請求項１０】
信号源或いは局所発振器の構成部材の少なくとも一つとして、請求項１より請求項８のいずれかに記載の金属ベーストランジスタを用いたことを特徴とする分光装置。
【請求項１１】
信号源或いは局所発振器の少なくとも一つとして、請求項９に記載の金属ベーストランジスタを用いたことを特徴とする分光装置。
【請求項１】
第１の基板上に、順次積層されたコレクタ層、ベース層、及びエミッタ層を有し、且つ前記コレクタ層はｎ型ＩｎＮ或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｎ型半導体材料からなり、前記ベース層は金属からなることを特徴とする金属ベーストランジスタ。
【請求項２】
前記コレクタ層と前記ベース層の界面に、ＩｎＮモル比０．５未満のｎ型ＩｎＧａＮ層、或いはＩｎＮモル比が０．５以上であるｐ型ＩｎＧａＮ層のいずれかを有することを特徴とする請求項１記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項３】
前記ベース層のトランジスタ真性領域における厚さは、トランジスタ寄生領域における厚さよりも小さく、１原子層以上であることを特徴とする請求項１に記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項４】
前記ベース層のトランジスタ真性領域における厚さは、トランジスタ寄生領域における厚さよりも小さく、１原子層以上であることを特徴とする請求項２に記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項５】
前記ベース層を構成する金属の酸化物をエミッタ層に用いたことを特徴とする請求項３記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項６】
前記ベース層を構成する金属の酸化物をエミッタ層に用いたことを特徴とする請求項４記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項７】
前記ベース層はＡｌ、上記エミッタ層はＡｌ酸化物であることを特徴とする請求項５記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項８】
前記ベース層はＡｌ、上記エミッタ層はＡｌ酸化物であることを特徴とする請求項６記載の金属ベーストランジスタ。
【請求項９】
少なくとも金属ベーストランジスタを有する発振器の複数を有する発振器アレー、及び電子部材の少なくとも一つが搭載されたモノリシック集積回路を有する第１の基板と、前記モノリシック集積回路の外部端子を少なくとも一つ有する第２の基板と、を有し、
前記第１の基板と前記第２の基板とが、前記発振器アレー及び、電子部材がバンプ電極を介して電気的接続がなされ、且つ
前記金属ベーストランジスタが請求項１より請求項８のいずれかに記載の金属ベーストランジスタであることを特徴とする発振器。
【請求項１０】
信号源或いは局所発振器の構成部材の少なくとも一つとして、請求項１より請求項８のいずれかに記載の金属ベーストランジスタを用いたことを特徴とする分光装置。
【請求項１１】
信号源或いは局所発振器の少なくとも一つとして、請求項９に記載の金属ベーストランジスタを用いたことを特徴とする分光装置。
【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１４】
【図１５】
【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１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００６−２１０４６２（Ｐ２００６−２１０４６２Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１７７２４（Ｐ２００５−１７７２４）
【出願日】平成１７年１月２６日（２００５．１．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２６日（２００５．１．２６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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