【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロ波やミリ波帯の発振に用いられるガンダイオードで構成された半導体装置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩｎＰやＧａＡｓなどの負性抵抗を用いた素子であるガンダイオードは、従来よりマイクロ波〜
ミリ波帯の発振素子として知られている。

【０００３】このガンダイオードは、ＩｎＰやＧａＡｓ
などからなる半導体基板の表面上に、活性層とそれを挟む高濃度不純物層をエピタキシャル成長し、さらにこの表裏両面に電極を設けて形成されるものであり、その発振周波数は前記活性層の厚さで決定される。 この活性層の形状は、特にミリ波帯以上の高周波特性の向上のために寄生容量を少なくする必要があることから、小さな（１００μｍ以下、例えば５０〜６０μｍの直径）のメサ状となっている。

【０００４】一方、ガンダイオードの発振効率を十分に得るためには、活性層の不純物濃度と活性層の厚みの積が１×１０ ¹² ｃｍ ^-2以上であることを要し、さらにその値が大きいほどドメインが成長しやすくなるために発振効率が高くなる。 発振周波数は、前述したように一義的には活性層の厚みにより決まるために、一定の発振周波数で動作させるための構造を設計する上では、活性層の不純物濃度と活性層の厚みの積は活性層の不純物濃度により決まり、発振効率を高めるためには、活性層の不純物濃度を高くする必要がある。

【０００５】しかし、動作状態での電流密度は飽和電子速度と活性層のキャリア密度により決まるので、活性層の不純物濃度をある程度以上高くすると、入力電力が増加するため、活性層の温度が上昇する結果、発振効率が低下する。 即ち、発振効率は、素子温度との兼ね合いで熱的限界がある。

【０００６】従来では、ダイヤモンドなどの熱伝導率の優れた放熱体を用いて活性層からの放熱効率を上げることで、ガンダイオードの発振効率を高めることが試みられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来のガンダイオードでは、たとえダイヤモンドなどの熱伝導率の優れた放熱体を用いた場合であっても、その発振効率は十分に満足いくものではなかった。

【０００８】そこで、より一層発振効率を高めるために、活性層の形状を円板状、メサ形状以外の例えば中心部を繰り抜いたリング状や十字形にして放熱面積を広くすることが考えられる。

【０００９】しかし、前述したように、高周波特性向上の観点から特にミリ波帯以上に用いられるガンダイオードの寄生容量を少なくしなければならず、活性層の断面積を小さくする必要がある。 そのため、一定の断面積以下にするためにはリングの幅あるいは十字の腕の幅を１
０μｍ程度にまで狭くせざるを得ない。 このような形状への加工は困難であり、また、ＩｎＰやＧａＡｓは、Ｓ
ｉに比べ機械的にもろいため、組み立て時のボンディングなどの工程で圧着に必要な加重に耐えられないことになる。

【００１０】本発明は、上述の如き従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、作製が容易で、発振効率の高いガンダイオード素子の半導体装置、
及びその製造方法を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、第１の発明である半導体装置の特徴は、ガンダイオードを構成する活性層と、該活性層を挟む電極とを含む半導体装置において、前記活性層と前記電極との間に複数の高抵抗領域を設けたことにある。

【００１２】この各高抵抗領域は、例えばその幅が活性層の幅よりも十分小さく設定され（２〜２０％）、絶縁膜、ショットキー電極あるいは高抵抗導電膜等を形成することによって構成される。 さらに、各高抵抗領域の形状は、断面Ｕ字型、断面Ｖ字型あるいは断面平板型等の各種が考えられ、また、その大きさは均一に分布し、且つ全活性層の２０％〜５０％程度の面積を覆うことが望ましい。

【００１３】上記第１の発明において、前記高抵抗領域の活性層の部分が良熱伝導体で満たされていることが望ましい。 良熱伝導体としては、Ａｕ（金）やＡｇ（銀）
などの金属で電極を兼ねることが望ましい。

【００１４】第２の発明である半導体装置の製造方法の特徴は、基板上にガンダイオードを構成する活性層を形成し、所定の複数の領域の前記活性層を除いて凹部を形成し、前記凹部に高抵抗領域を形成し、前記高抵抗領域が形成された前記凹部に良熱伝導体を満たすようにしたことにある。

【００１５】

【作用】上述の如き構成の第１の発明の半導体装置によれば、活性層と電極との間に複数の高抵抗領域を設けたので、同じ放熱面積で電流を低下させることができるため、動作温度が低下して変換効率が向上する。

【００１６】また、各高抵抗領域の幅を活性層の幅よりも十分小さく（２〜２０％）設定することにより、高抵抗領域の幅が活性層の幅よりも大きすぎることで生ずる熱的な不均一状態を回避することができ、逆に高抵抗領域の幅が活性層の幅よりも小さすぎることで生ずる加工の困難さを解消することができる。

【００１７】さらに、各高抵抗領域の大きさを均一に分布させることにより、熱的な不均一状態を回避することができる。

【００１８】上記第１の発明において、前記高抵抗領域の活性層の部分を良熱伝導体で満たすことにより、一層の放熱効果が得られ、また素子の機械的強度が向上する。

【００１９】第２の発明の半導体装置の製造方法によれば、基板上にガンダイオードを構成する活性層を形成し、所定の複数の領域の前記活性層を除いて凹部を形成し、前記凹部に高抵抗領域を形成し、前記高抵抗領域が形成された前記凹部に良熱伝導体を満たすようにしたので、簡単にガンダイオード素子を作製することができる

【００２０】。

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。 図１は、本発明を実施したガンダイオードペレットの断面図である。

【００２１】このガンダイオードペレットは、直径５０
〜１００μｍの円柱状を成すＰＨＳ（Ｐｌａｔｅｄ Ｈ
ｅａｔ Ｓｉｎｋ）構造を有し、ＩｎＰ基板１上に、エピタキシャル成長して形成したｎ ^＋コンタクト層２（厚さ：約１μｍ）と、ｎ活性層３（厚さ：約２μｍ）と、
ｎ ^＋コンタクト層４（厚さ：約１μｍ）とから成る動作層を備えている。

【００２２】この動作層には、その厚さ約４μｍを越える深さで複数の凹部が設けられ、その各凹部の内壁面には本発明の特徴を成す高抵抗領域（ＳｉＯ ₂もしくはＴ
ｉ／Ｐｔ）６が形成されている。 さらに、高抵抗領域６
の表面を含む動作層の全表面上にはオーミック電極（Ａ
ｕ−Ｇｅ）８が形成され、そのオーミック電極８の全表面上には、前記各凹部が埋め込まれる形で金メッキ（厚さ：５〜５０μｍ）９が施されている。

【００２３】一方、ＩｎＰ基板１の反対表面側には、オーミック電極１０が形成され、そのオーミック電極１０
の表面は金メッキ１１が施されている。

【００２４】このように構成されたガンダイオードは、
その両電極である金メッキ９，１１側に電圧を印加することにより、ｎ活性層３の厚さで決定される例えばミリ波帯の発振周波数で、連続して発振する。

【００２５】次に、上述の図１に示すガンダイオードペレットの製造方法を図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ｅ）〜
（ｇ）、及び図４（ｈ）〜（ｊ）の製造工程を参照しつつ説明する。

【００２６】まず、図２（ａ）に示すように、ＩｎＰ基板１Ａ上に、ｎ ^＋コンタクト層２、ｎ活性層３、及びｎ
^＋コンタクト層４を順次、１／２／１μｍの厚さでエピタキシャル成長して動作層を形成する。

【００２７】次いで、図２（ｂ）に示すように、この動作層を越える深さ（例えば５μｍ程度）で、且つ直径がペレットの直径の２０％以下（例えば５μｍ程度）の凹部５をエッチングにより動作層側にドット状に配置形成する（図５参照）。 この凹部５の形状は特に円柱状でなくともよく、Ｕ字状あるいはＶ字状であってもよい。 さらに、図２（ｃ）に示すように、前記エッチングのマスクを使用して、凹部５の内壁面にＳｉＯ ₂あるいはＴｉ
／Ｐｔから成る高抵抗領域６をリフトオフし、続いて、
図２（ｄ）に示すように、素子間を分離するためのグリッド７を前記凹部５よりも深い例えば１０μｍの深さで形成する。 また、このグリッド７は、後述するＩｎＰ基板１Ａを研磨する際の目安となるものである。

【００２８】その後の図３（ｅ）に示す工程では、この状態のエピタキシャル基板全面にオーミック電極（Ａｕ
−Ｇｅ）８をスパッタリングにより形成し、アニール後、図３（ｆ）に示すように、オーミック電極（Ａｕ−
Ｇｅ）８の全表面に金メッキ９を約５〜５０μｍの厚さで形成する。 その結果、前記各凹部５の部分は、この金メッキ９でほぼ埋め込まれることになる。

【００２９】そして、図３（ｇ）に示すように、ペレットを薄層化するために、前記グリッド７の裏側が露出するまで基板側を研磨してＩｎＰ基板１Ａを薄層基板１Ｂ
にする。 さらに、図４（ｈ）に示すように、その基板側表面に、メサに対応するオーミック電極（直径５０〜１
００μｍ）１０を形成し、その上に金メッキ１１を形成する。

【００３０】さらに、図４（ｉ）に示すように、例えばＦｅＣｌ ₃等の光エッチング法を用いて、ＩｎＰ基板１
Ｂをメサエッチングすることにより、ガンダイオード素子アレイが作製され、これを図４（ｊ）のように切り離せば、図１に示すようなガンダイオードペレットが得られる。

【００３１】本実施例は次のような利点を有する。

【００３２】同一直径のペレットに対して電流を２０％
以上低減することができる。 仮に直径５０μｍのペレットであれば、熱抵抗はダイヤモンド放熱体上で約４０℃
／Ｗで入力電力３．５Ｗのときに温度上昇は１４０℃になる。

【００３３】これに対して本実施例では、入力電力は最低でも２０％減少して２．８Ｗとなり、１１２℃の温度上昇に抑えられる。 この約３０℃の温度低減により、発振効率（６０ＧＨｚ）が４．２％から５％近くまで上昇することが期待できる。

【００３４】また、入力電力を高抵抗領域を設けないときの値に保つために素子ペレットの外径直径を増加させても活性層部に生ずるダイオードキャパシタンスは変わらない（電流の流れる部分の断面積で入力電力が決まっているから）。 その結果、素子全体の外径直径の増加による熱抵抗の低減効果と、凹部５の放熱体の貫入による熱抵抗の低減効果の相乗効果によって、動作層温度を低減することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の発明である半導体装置は、ガンダイオードを構成する活性層と、該活性層を挟む電極とを含む半導体装置において、
前記活性層と前記電極との間に複数の高抵抗領域を設けたので、同じ放熱面積で電流を低下させることができ、
動作温度を下げてダイヤモンドなどの熱伝導率の優れた放熱体を用いた場合以上に、変換効率を向上させることが可能となる。 さらに、高抵抗領域の幅を活性層の幅に比べて適正に設定することにより、その加工を容易とすることができる。

【００３６】上記第１の発明において、前記高抵抗領域の活性層の部分を良熱伝導体で満たすことにより、一層の放熱効果が得られ、また素子の機械的強度を向上させることができる。

【００３７】第２の発明の半導体装置の製造方法によれば、基板上にガンダイオードを構成する活性層を形成し、所定の複数の領域の前記活性層を除いて凹部を形成し、前記凹部に高抵抗領域を形成し、前記高抵抗領域が形成された前記凹部に良熱伝導体を満たすようにしたので、簡単にガンダイオード素子を作製することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施したガンダイオードペレットの断面図である。

【図２】図１のガンダイオードペレットの製造工程図である（その１）。

【図３】図１のガンダイオードペレットの製造工程図である（その２）。

【図４】図１のガンダイオードペレットの製造工程図である（その３）。

【図５】凹部５の配置状態を示す図である。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ ＩｎＰ基板 ２ ｎ ^＋コンタクト層 ３ ｎ活性層 ４ ｎ ^＋コンタクト層 ５ 凹部 ６ 高抵抗領域 ７ グリッド ８ オーミック電極 ９ 金メッキ １０ オーミック電極 １１ 金メッキ