专利名称：耿氏二极管制造方法以及耿氏振荡器的制作方法
本申请是1999年4月28日提交的、申请号为200410001622.2的、题为“耿氏二极管制造方法以及耿氏振荡器”的专利申请案的分案申请。
本发明涉及用于微波、毫米波振荡用的耿氏二极管，尤其涉及能改善散热性、提高合格率及对平面回路安装容易的耿氏二极管、其制造方法和其安装结构。
此外，本发明涉及将NRD波导(Non Radiative Dielectic Wave Guide非辐射性介质波导)回路和耿氏二极管组合而构成的NRD波导耿氏振荡器。
微波和毫米波振荡用的耿氏二极管一般由砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)之类化合物半导体形成。在这些化合物半导体中，对于在弱电场下电子的迁移率高达数千cm2/Vásec的，一旦施加强电场，被加速的电子迁移到有效质量大的波段，其迁移率降低，体内产生负微分迁移率，结果出现电流电压特性的负微分电导，产生热力学上的不稳定。因此产生畴，并从阴极侧向阳极侧迁移。其重复进行的结果，获得振荡电流(起振)。
由该畴迁移的距离决定耿氏二极管的振荡频率。毫米波用的耿氏二极管必须使该迁移距离极短为1-2μm。而且为了获得充分的振荡效率，必须将畴迁移空间(活化层)的杂质浓度与厚度之积设定为一定值(例如1×1012/cm2)，又因为振荡频率由活化层厚度决定，呈单值关系，所以在毫米波这样高频波段，活化层的杂质浓度相当高。另外，动作状态下的电流密度由活化层的杂质浓度与饱和电子速度之积决定，在毫米波波段由于电流密度增大，导致活化层的温度上升，振荡效率下降。
为了解决如上所述的问题，传统毫米波用耿氏二极管通过采取台面型结构，将包括活化层在内的元件大小形成为数10μm直径大小这样极小的程度，同时将其组装在弹丸形管壳内，该弹丸形管壳具有对决定最重要性能指数的振荡效率有很大影响的散热效率良好的金刚石等的散热部。
图29示出传统台面型结构的砷化镓耿氏二极管元件100的剖面图。
在由高浓度n型砷化镓构成的半导体基板101上依次层叠着利用MBE法由高浓度n型砷化镓构成的第1接触层102、由低浓度n型砷化镓构成的活化层103和由高浓度n型砷化镓构成的第2接触层104，为了减小电子迁移空间的面积，采取台面型结构。
然后，使半导体基板101的背面减薄，在该半导体基板101的背面形成阴极电极105，并在第2接触层104的表面形成阳极电极106之后，进行元件切割，完成耿氏二极管元件。
这样形成的耿氏二极管元件100组装在如图30所示的弹丸形管壳110内。该弹丸形管壳110具有散热基座电极111和成为包围耿氏二极管元件100的外壳的由玻璃或陶瓷构成的圆筒112，该圆筒112硬钎焊在散热基座电极111上。耿氏二极管元件100用未图示的蓝宝石材料等的焊头静电吸附、粘接在散热基座电极111上。
再有，用金带113通过热压接等将耿氏二极管100与设于圆筒112顶端的金属层相连接。进行金带113的连接之后，在圆筒112上焊接盖状的金属盘114，对弹丸形管壳110的组装就结束。
图31示出了组装在弹丸形管壳110的耿氏二极管对微带线120的安装结构之一例。弹丸形管壳110的两电极111、114之中的一个电极插入在形成于氧化铝等构成的平板绝缘基板121的孔内，并与形成于该平板基板121背面的接地电极122电连接，另一电极通过金带123与在平板基板121上形成为微带线的信号线路124连接。
NRD波导回路因为与微带线相比传输损失小，而与波导管相比传输线路的制造容易，所以作为微波尤其是30GHz以上毫米波段的传输线路受到关注。
该NRD波导回路为两片导电金属的平行平板夹着传输电磁波的介质带状线的结构，因为该平行平板相对面之间的间隔设定为所使用频率的自由空间波长的1/2以下，所以，在该介质带状线之外的场所电磁波被屏蔽，其辐射被抑制，因此，能沿着介质带状线以较低的损失传输电磁波。
已开发出由该NRD波导回路和耿氏二极管组合构成的35GHz频带和60GHz频带的振荡器，并获得了能与波导管匹敌的振荡输出。
图32(a)示出了现有NRD波导耿氏振荡器的结构。在其平行平板201和202之间的空间内，设有装有介质带状线203和耿氏二极管310的安装座320，由耿氏二极管310振荡出的高频输出经谐振器330被导出到介质带状线203。图32(b)示出了谐振器330的代表性例子，其具有对聚四氟乙烯敷铜层叠基板的铜箔经刻蚀形成图形的铜箔部分331。通过调整该铜箔部分331的宽度或长度，能调整振荡频率。
图33所示为安装座320的构成图。耿氏二极管310放置在圆筒部321之中，通过与该圆筒部321相邻连接的偏置扼流部分340施加偏压。该偏置扼流部分340是对聚四氟乙烯敷铜层叠板经刻蚀形成图形，并削除层叠板部分以留下与圆筒部321的连接部用的盖341连接的铜箔部分。耿氏二极管3 10的阴极电极与安装座320的散热基座322连接。该散热基座322与盖341之间通过圆筒形陶瓷342被绝缘隔离，该盖341通过带343与耿氏二极管310的阳极电极连接。
传统耿氏二极管元件100因为成上述台面型结构，所以一般使用光刻胶作为蚀刻掩模，用化学湿刻的方法来形成，但用该刻蚀方法，不仅深度方向而且横向也同时进行刻蚀，存在很难控制电子的迁移空间(活化层)这样制造上的困难，存在耿氏二极管元件的元件特性有差异这样的问题。
此外，装配弹丸形管壳110时，将耿氏二极管元件100粘接到散热基座电极111上时，上述焊头会遮蔽视线，难于直接用视觉确认散热基座电极111，存在组装效率非常差的问题。
还有，将装有耿氏二极管元件100的弹丸形管壳110安装到在平板基板121上形成的微带线120上时，因为是通过金带123连接的，故存在产生寄生电感而使特性有差异的安装方面的问题。
另外的问题是，上述NRD波导耿氏振荡器因为使用特殊的安装座320，所以制造困难，尤其是偏置扼流部分340必须削除基板使盖341露出，所以其作业效率极差。
此外，因为耿氏二极管310的阳极电极与盖341通过带343连接，所以也存在产生寄生电感而使特性有差异的问题。
本发明的目的在于，提供消除了上述制造方面、组装方面及安装方面存在的问题的耿氏二极管、其制造方法及其安装结构。
本发明的另外目的在于提供解决了上述问题的NRD波导耿氏振荡器。
因此，本发明第1发明的耿氏二极管构成为，一种在半导体基板上依次层叠有第1半导体层、活化层及第2半导体层的耿氏二极管，其具有配置在所述第2半导体层之上的对所述活化层施加电压用的第1、第2电极，以及，从该第1电极周围向着所述第2半导体层和所述活化层切入、将所述第1电极连接的所述第2半导体层和所述活化层作为起耿氏二极管功能的区域划分出来的凹部。
本发明第2发明的耿氏二极管是在第1发明的基础上，在所述凹部内设置使所述第2电极与所述第1半导体层之间短路的导电性膜。
本发明第3发明的耿氏二极管的所述第1、第2电极由基底电极层和与该基底电极层连续且上表面形成为大致相同高度的导电性凸起部构成。
本发明第4发明的耿氏二极管是在第1-3发明的基础上，所述第1电极的所述导电性凸起部形成在大致中央部分，在其两侧形成所述第2电极的所述导电性凸起部。
本发明第5发明的耿氏二极管是在第1-4发明的基础上，将所述第1电极的面积设定为所述第2电极面积的1/10以下。
本发明第6发明的耿氏二极管是在第1-5发明的基础上，形成有2个以上所述第1电极和从所述第1电极周围切入的所述凹部。
本发明第7发明的耿氏二极管是在第1-6发明的基础上，所述半导体基板、所述第1半导体层、所述活化层及所述第2半导体层由砷化镓、磷化铟等的化合物半导体构成。
本发明第8发明的耿氏二极管是在第1-7发明的基础上，将与所述第2电极连续的所述第2半导体层和所述活化层置换成单一的半导体层或导体层。
本发明第9发明的耿氏二极管是在第1-8发明的基础上，在所述半导体基板的背面设置第3电极，将该第3电极和所述第1电极用于对所述活化层施加电压，将所述第2电极代用作垫片。
本发明第10发明的耿氏二极管制造方法包括在半导体基板之上依次层叠形成作为第1接触层的第1半导体层、活化层及作为第2接触层的第2半导体层的第1工序；在所述第2接触层上形成一定形状的第1和第2电极的第2工序；将所述第1和第2电极作为掩模进行干法刻蚀，来除去所述第2半导体层和活化层的第3工序。
本发明第11发明的耿氏二极管制造方法是在第10发明基础上，所述第2工序还包括在形成一定形状的所述第1和第2电极用的基底电极层之后，再在该基底电极层上形成大致相同高度的导电性凸起部的工序。
本发明第12发明的耿氏二极管制造方法是在第10或第11发明的基础上，所述半导体基板、所述第1半导体层、所述活化层及所述第2半导体层由砷化镓、磷化铟等的化合物半导体构成。
本发明第13发明的耿氏二极管安装结构是在半绝缘性的平板基板表面形成信号电极而在背面形成接地电极的微带线的该表面，形成从所述背面的接地电极起经V形孔连接的表面接地电极，并在所述信号电极和所述表面接地电极上分别连接安装第1-8发明的耿氏二极管的第1、第2电极。
本发明第14发明的耿氏二极管安装结构是在半绝缘性的平板基板表面形成有信号电极和一对接地电极的共面线路的该信号电极和该接地电极上，分别连接安装第1-8发明的耿氏二极管的第1和第2电极。
本发明第15发明的耿氏二极管安装结构，所述信号电极的一端从连接着所述耿氏二极管的第1电极的部位起长度L为开放状态，使该长度L的第1电极部分作为谐振器工作，由该长度L决定振荡频率。
本发明第16发明的耿氏二极管安装结构，在绝缘性基板构成的散热片上形成第4、第5电极，将所述第9发明的耿氏二极管的第1电极直接连接安装在所述散热片的第4电极上，将所述耿氏二极管的第2电极直接连接安装在所述散热片的第5电极上。
本发明第17发明的耿氏二极管安装结构，在半绝缘性平板基板的表面形成有信号电极并在背面形成有兼作散热基座的接地电极的微带线上，形成从表面至背面的接地电极的孔，在该孔内，将第16发明的散热片的第5电极与所述接地电极连接，将第16发明的耿氏二极管的第3电极用导电线与所述微带线的信号电极连接。
本发明第18发明的耿氏二极管安装结构是在第13-17发明的基础上，由所述信号电极、所述接地电极及所述耿氏二极管或者在其上附加介质谐振器，构成以一定频率振荡的振荡回路。
本发明第19发明的耿氏二极管安装结构是在第18发明的基础上，将所述信号电极内的作为所述振荡回路的电极起作用的部分用至少一部分为导体的平板基板覆盖，并将该平板基板的该导体部分与所述接地电极连接。
本发明第20发明的耿氏二极管安装结构是在第13-19发明的基础上，使所述微带线或共面线路的平板基板的电阻率为106Ωcm以上，且热电导率为140W/mK以上。
本发明第21发明的耿氏二极管安装结构是在第13-20发明的基础上，所述微带线或共面线路的平板基板由AIN、Si、SiC或金刚石中的至少一种构成。
本发明第22发明的NRD波导耿氏振荡器，其两片金属板构成的平行平板以所使用频率的自由空间波长的1/2以下的间隔配置，将在该平行平板之间夹着介质带状线的NRD波导回路与耿氏二极管相组合，由此形成NRD波导耿氏振荡器，其具有在表面形成有与信号线路连接的信号电极和与该信号电极绝缘的接地电极的绝缘性或半绝缘性的平板基板，在同一面上形成有阳极电极和阴极电极且该两电极之一与所述平板基板的信号电极连接而另一电极与所述接地电极连接的耿氏二极管，以及相对所述平行平板之一支承所述平板基板背面的散热片，所述平板基板的所述信号线路的顶端与所述介质带状线电磁耦合。
本发明第23发明是在第22发明的基础上，连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板相对所述平行平板平行，且所述信号线路相对所述介质带状线沿垂直方向电磁耦合。
本发明第24发明是在第22发明基础上，连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板相对所述平行平板平行，且所述信号线路的电磁波行进方向与所述介质带状线的电磁波行进方向相同，所述信号线路与所述介质带状线的底端部电磁耦合。
本发明第25发明是在第23或第24发明的基础上，将连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板相对所述平行平板的姿势从平行改成垂直。
本发明第26发明是在第22-25发明的基础上，所述信号线路为悬置线路、微带线或共面线路。
本发明第27发明是在第22-26发明的基础上，所述平板基板在背面有接地用电极，该接地用电极与所述接地电极通过V形孔连接。
本发明第28发明的NRD波导耿氏振荡器，其两片金属板构成的平行平板以所使用频率的自由空间波长的1/2以下的间隔配置，将在该平行平板之间夹着介质带状线的NRD波导回路与耿氏二极管相组合，其具有在表面形成有与信号线路两端连接的两个信号电极和相对各信号电极绝缘的接地电极的绝缘性或半绝缘性的平板基板，在同一面上形成有阳极电极和阴极电极且该两电极之一与所述平板基板的信号电极连接而另一电极与所述接地电极连接的两个耿氏二极管，以及相对所述平行平板支承所述平板基板背面的散热片，并使所述平板基板的所述信号线路的大致中央与所述介质带状线电磁耦合。
本发明第29发明是在第28发明基础上，所述信号线路的长度为该信号线路波长的大致1/2或其整数倍。
本发明第30发明是在第28或第29发明的基础上，连接安装着所述耿氏二极管的平板基板与所述平行平板垂直，并使所述信号线路的大致中央与所述介质带状线的终端部电磁耦合。
本发明第31发明是在第30发明基础上，使连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板相对所述平行平板的姿势从垂直改成平行。
本发明第32发明是在第28-31发明的基础上，所述信号线路为悬置式线路或微带线或共面线路。
本发明第33发明是在第28-32发明的基础上，所述平板基板在背面有接地用电极，该接地用电极与所述接地电极通过V形孔相连接。
图1所示为本发明第1实施形态的耿氏二极管元件，其中(a)为俯视图，(b)为剖视图。
图2(a)至(d)为上述耿氏二极管元件制造方法的说明图。
图3(a)、(b)所示为上述耿氏二极管元件之变形例的剖视图。
图4为将上述耿氏二极管元件安装在微带线上的第2实施形态的立体图。
图5为图4的安装结构之变形例的立体图。
图6(a)、(b)为耿氏二极管元件安装形态的表面图。
图7为作为振荡器安装着耿氏二极管元件时由电极32B的长度L决定的振荡频率和振荡输出的特性图。
图8为当将耿氏二极管元件以图6(a)的朝向安装时，振荡频率的频谱图。
图9为当将耿氏二极管元件以图6(b)的朝向安装时，振荡频率的频谱图。
图10是在图5的安装结构上追加安装了平板基板的立体图。
图11是将上述耿氏二极管元件安装在共面线路上的第3实施形态的立体图。
图12为图11安装结构之变形例的立体图。
图13为在图12的安装结构上追加安装了平板基板的立体图。
图14所示为以面朝下姿势将耿氏二极管元件安装在散热片上的第4实施形态的图，其中(a)为散热片的俯视图，(b)为安装状态的剖视图。
图15所示为将图14所示安装在散热片上的耿氏二极管元件再安装在微带线上状态的剖视图。
图16所示为本发明第5实施形态的耿氏二极管元件，其中(a)为俯视图，(b)为剖视图。
图17所示为耿氏二极管元件具有特定合计面积的台面型结构部分不同数目情况下的输出功率与变换效率之特性。
图18所示为耿氏二极管元件另一合计面积的台面型结构部分不同数目情况下的输出功率与变换效率之特性。
图19为图17、图18的特性测定所使用的耿氏二极管安装状态的说明图。
图20(a)为本发明实施形态的NRD波导耿氏振荡器的立体图，(b)为侧视图。
图21(a)为线路基板的俯视图，(b)为背面图。
图22(a)为耿氏二极管的俯视图，(b)为剖视图，(c)为变形例的耿氏二极管的剖视图。
图23为本发明另一实施形态的NRD波导耿氏振荡器的立体图。
图24为本发明又一实施形态的NRD波导耿氏振荡器的立体图。
图25为本发明一实施形态的NRD波导耿氏振荡器的立体图。
图26(a)为线路基板的俯视图，(b)为背面图。
图27(a)为耿氏二极管的俯视图，(b)为剖视图，(c)为变形例的耿氏二极管的剖视图。
图28为本发明另一实施形态的NRD波导耿氏振荡器的立体图。
图29为现有台面型结构的耿氏二极管的剖视图。
图30为将现有台面型结构的耿氏二极管装入弹丸形管壳的剖视图。
图31为将弹丸形管壳安装于微带线的说明图。
图32(a)为现有NRD波导耿氏振荡器的立体图，(b)为谐振器的立体图。
图33(a)为图32所示NRD波导耿氏振荡器的安装座的立体图，(b)为沿(a)的B-B线的剖视图。
先说明实施形态1。
图1所示为本发明第1实施形态的由砷化镓构成的耿氏二极管元件10的结构图，其中(a)为俯视图，(b)为剖视图。图2为制造工序图。
首先按图2内容说明所示的制造工序。准备半导体基板，该半导体基板是在由杂质浓度为1-2×1018atom/cm3的n型砷化镓构成的半导体基板11上，通过MBE法，依次层叠由杂质浓度为2×1018atom/cm3且厚度为1.5μm的n型砷化镓构成的第1接触层12、由杂质浓度为1.2×1016atom/cm3且厚度为1.6μm的n型砷化镓构成的活化层13、由杂质浓度为1×1018atom/cm3且厚度为0.3μm的n型砷化镓构成的第2接触层14。
在第2接触层14上，用光刻胶形成在预定形成阴极电极和阳极电极的区域开口的图形，蒸镀与第2接触层14欧姆接触的由AuGe、Ni、Au等构成的金属膜(基底电极层)。除去光刻胶之后，进行加热处理(退火)，在第2接触层14上，分离形成阴极电极15和阳极电极16(图2的(a))。如图1所示，阴极电极15的平面形状其边缘为矩形，阳极电极16的平面形状为圆形，但也可以选择椭圆形、大致正方形等。
接着，将光刻胶17形成使阴极电极15和阳极电极16表面的一部分开口的图形，在开口内通过电镀法或化学镀法析出形成由Au等构成的导电性凸起部(电极)18、19(图2的(b))。
接着，通过除去光刻胶17，使形成有阴极电极15和阴极电极16的第2接触层14露出，然后将阴极电极15和阳极电极16用作掩模，通过使用氯气等的反应离子刻蚀(RIE)等的干法刻蚀，除去第2接触层14及活化层13，在上述阳极电极16的周边形成大致台面状的或垂直状的凹部20(图2的(c))。这样，通过将上部阴极电极15和阳极电极16用作掩模进行自配合的垂直方向的蚀刻，能正确形成作为目标的凹部20。
在此，由凹部20划分的阳极电极16所连接的活化层13的面积设定为可获得耿氏二极管的规定动作电流的面积(横向截面积)。即，设定为可作为耿氏二极管起作用的面积。此外，使连接着阴极电极15的活化层13的面积为连接着阳极电极16的活化层13面积的10倍以上，使阴极电极15下方的半导体层叠部的电阻为阳极电极16下方的半导体层叠部电阻的1/10以下，从而使该部分不能作为耿氏二极管起作用，实际上作为低值电阻起作用，使阴极电极15实际上与第1接触层12连接。以上的活化层13的面积比在不到10时，仅仅是动作效率下降，无效果，必须使其为10以上，100以上为宜。
另外，凹部20的切入深度设为除去全部活化层13的深度，但也可以留有一定的活化层13部分，或者也可以进入第1接触层12一定程度。
此外，在此使阴极电极下方的活化层面积比阳极电极的大，但也可以相反，使阳极电极下方的活化层面积比阴极电极的大。即，阳极电极与阴极电极可以相互取代。另外，在此因为使活化层13的杂质浓度无浓度梯度，所以即使阳极电极16与阴极电极15相反也无妨，但当有浓度梯度时，则浓度低侧电极为阴极电极，高侧电极为阳极电极。
接着按一般耿氏二极管的制造工序，研磨半导体基板11的背面使其变薄，以使整个耿氏二极管的厚度为60μm左右。然后，根据需要在半导体基板11的背面蒸镀与半导体基板11欧姆接触的、由AuGe、Ni、Au、Ti、Pt、Au等构成的金属膜21，进行加热处理(图2的(d))。
形成于半导体基板11背面的金属膜21不一定需要，但当采取后面叙述的安装结构(图15)时，可使其代替阴极电极15起阴极电极的作用。此时，阴极电极15与阳极电极16的面积比就不再受上述1/10以下的限制。
如上所述，本实施形态的耿氏二极管10通过在半导体层叠部分围绕阳极电极16形成凹部20，就成为将起耿氏二极管功能的部分与作为对该耿氏二极管部分的第1接触层12从外部施加电压的线路起作用的低电阻层部分相分离的结构，所以能在第2接触层14的上表面设置阴极电极15和阳极电极16这样两电极。即，可以在同一面上集中阴极电极15和阳极电极16。因此如后面所述，在安装方面及散热方面等能起很大的作用。
此外，因为划定决定动作电流区(起耿氏二极管功能部分)的蚀刻是通过将形成于该区上部的电极作为掩模的自配合干法刻蚀进行的，所以，与传统的化学湿式蚀刻相比，制造差异小，并能提高材料利用率。
图3的(a)示出了图1(b)所示耿氏二极管10的变形例10’，做成在凹部20内覆盖有导电性膜22、使第1接触层12与阴极电极15短路的结构。这样的话，当从阴极电极15至第1接触层12之间的寄生电阻很大时，可防止该寄生电阻的影响，能使施加于阴极电极15的电压几乎无损失地传递给第1接触层12。
又，进一步改进该耿氏二极管10’，还可以如图3(b)所示的耿氏二极管10”那样，在第1接触层12的上面直接形成阴极电极15，再在其上面形成凸头18，其它与图1(b)所示结构相同，并使凸头18、19的上表面并排处于同一高度。在耿氏二极管10’、10”中，阴极电极15与阳极电极16的面积比再无上述1/10以下的限制。
接着说明实施形态2。
图4示出了将耿氏二极管10安装于形成微带线30的平板回路基板而构成振荡器的结构之一例。在AlN(氮化铝)、Si(硅)、SiC(碳化硅)及金刚石之类电阻率106Ωácm以上、热电导率140W/mK以上、良好半绝缘性的平板基板31之上，形成信号电极32，并在背面形成接地电极33。34为充填有钨的V形孔，将背面的接地电极33与形成于表面的表面接地电极35相连接。
耿氏二极管元件10其阳极电极的凸头19与信号电极32连接，其阴极电极的凸头18与接地电极34连接。32A为向耿氏二极管元件10供给电源电压的偏压部电极，32B为构成包括耿氏二极管元件10在内的微带线的谐振器的电极，36为隔断直流的电容部，32C为微带线的信号输出部的电极。
在该安装结构中，因为使耿氏二极管元件10处于面朝下姿势，使凸头18、19直接与电极35、32连接，不使用金带，所以就不再产生因用金带连接而引起的寄生电感，可制成特性差异小的振荡器。
此外，因为耿氏二极管元件10产生的热通过凸头18、19发散到也能起散热片作用的基板31上，故散热效果高。再有，因为在这样的耿氏二极管元件10的安装状态下，阴极电极的凸头18位于阳极电极的凸头19的两侧，所以能防止过度负荷施加于阳极电极。
图5所示为将图4所示振荡器中的偏压部电极32A设置在信号输出部的电极32C一侧。该图5所示结构的平板基板31的平面如图6(a)所示，通过调整顶端开放的电极32B的长度L，可设定振荡频率和振荡输出。图7所示为其特性图，此时电极32C的特性阻抗为50Ω，电极32B的特性阻抗为35Ω。
图8所示为振荡频谱图，峰值振荡频率为58.68GHz时，相位噪声在偏离载波100KHz(偏离)处为-85dBc/Hz，其值比使用波导管谐振腔的耿氏二极管谐振器还好。又，在图8中为-46.7dB，但根据下式为-85dBc/Hz。
-47.6dB+2.5dB-10log(1Hz/(10Hz×1.2))＝-85dB又如图6(b)所示，当耿氏二极管元件10中央的阳极电极的凸头19与通过V形孔与背面的接地电极连接的表面接地电极35’连接，两侧阴极电极的凸头18之一与谐振器的电极32B’连接，另一凸头18与输出用电极32C连接，如此构成谐振器时，如图9所示，峰值振荡频率为61.63GHz时，相位噪声在偏离载波100KHz处为-75dBc/Hz(在图9中为-36.7dB，是根据与上式相同的式子求出的)，可知与图6(a)所示的连接结构相比较差，低了10dB。
该原因可推测为，采取图6(a)的连接结构，耿氏二极管元件10的半导体基板11通过凸头18及表面接地电极35等接地，该半导体基板11起屏蔽板的作用，抑制了振荡器辐射损失引起的Q值的下降，因此相位噪声得到改善。
图10是在图5所示振荡器中，与表面接地电极35并列地沿电极32B的两侧形成另一表面接地电极35’，并通过V形孔(未图示)使其与背面的接地电极33连接，再设置导电性平板基板80覆盖构成振荡器的电极32B。该平板基板80在两侧设有与表面接地电极35’连接用的凸头81。
在该图10所示结构中，因为导电性平板基板80通过凸头81和表面接地电极35’接地，所以可进一步抑制振荡器的发射损失，可做成具有高Q值的谐振器。平板基板80只要是至少其一部分是用金属电极覆盖的结构，基板本身也可以是半绝缘性的材料。此外，若不使用该平板基板80而加大耿氏二极管元件10的基片大小，并用耿氏二极管元件10的半导体基板11覆盖电极32B，采用这样的结构同样能获得高的Q值。又，表面接地电极35’也可以延长表面接地电极35而形成。
现说明实施形态3。
图11所示为将耿氏二极管元件10安装于构成共面线路40的回路基板上结构之一例。41为由与上述基板31相同材质构成的半绝缘性平板基板，在上表面形成有构成信号线路的信号电极42和夹着该信号电极的一对接地电极43。
在此，耿氏二极管元件10的阳极电极的凸头19直接与中央的信号电极42连接，而阴极电极的凸头18与两侧的接地电极43直接连接。因此，施加于信号电极42与接地电极43之间的电压加在耿氏二极管元件10的阳极电极与阴极电极之间，能引起振荡。该图11所示安装结构也与图4、图5及图10所示安装结构一样，具有使特性稳定、提高散热效果及保护阳极电极等的作用效果。
在图12中，与信号电极42连续地形成有作为施加+3.0V用的偏压部的电极42A。在该电极42A的周围，由接地电极43形成缓和对电源影响用的扼流部分。此时，通过调整构成振荡器的电极42B的、从耿氏二极管元件10的部分至敞开顶端的长度，也能设定振荡频率和振荡输出。42C为信号输出部的电极。
图13为基于与上述图10相同构思的图，用导电性平板基板80覆盖构成振荡器的电极42B的上表面，并将该平板基板80两侧的凸头81与接地电极43连接。这样，抑制振荡器中的发射损失，可制成高Q值的谐振器。
现说明实施形态4。
图14示出了耿氏二极管元件10的散热结构。50为使用金刚石基板51的散热片，并形成有与耿氏二极管元件10的阴极电极的凸头18连接的电极52和与阳极电极的凸头19连接的电极53。电极52与电极53分离独立，电极53与接地电极54连接。
耿氏二极管元件10在与起耿氏二极管作用的阳极电极对应的半导体层叠部分发热，该热量通过凸头18、19(主要是凸头19)传递到散热片50起冷却作用。
图15是将图14所示耿氏二极管元件10的安装结构组装于微带线60的图。将安装着耿氏二极管元件10的散热片50在形成于该微带线60的孔61内与兼作散热座的接地电极62粘接，并用金带28将氧化铝的平板基板63上的信号电极64与耿氏二极管元件10背面的取代阴极电极的金属膜21相连接。
在该结构中，施加于信号电极64与接地电极62之间的电压经金带28和散热片50的电极53、54被施加于取代阴极电极的金属膜21和阳极电极19。此时，阴极电极15的凸头18作为在两侧保持面朝下姿势的垫片起作用，不起作为电流传递路径的作用。该结构非常简单，与使用传统弹丸形管壳110时相比，可大幅度降低成本。
以下说明实施形态5。
图16为示出另一例子的耿氏二极管元件10A结构的图，(a)为俯视图，(b)为剖视图。在此，独立形成4个阳极电极19，并与此对应，通过4个凹部20，形成4个台面型结构的耿氏二极管部分。各台面型结构的耿氏二极管部分因为被共同施加电压，故动作时呈并联状态。
此时能减小台面型结构部分的半径，与具有与4个台面型结构的耿氏二极管部分的合计面积相等面积的1个台面型结构的耿氏二极管部分相比，散热效果显著提高，所以可大幅度提高变换效率(输入功率与输出功率的比率)及振荡功率。另外，若台面型结构部分的面积减小其强度就变弱，安装阶段有损坏的可能，但因为在其周围形成有阴极电极的凸头18，该部分实际上成为承受载荷的部分，故无损坏之虞。又，台面型结构的独立耿氏二极管部分并不限于4个。另外，该多个耿氏二极管的截面积不必是相同的，其截面形状(阳极电极的形状)也不限于圆形，可以是任意形状。
图17为反映该变换效率η(％)和振荡功率P(mW)随台面型结构的耿氏二极管部分数目而变化的特性图。从图可知，若在不改变阳极电极合计面积的情况下，使台面型结构的耿氏二极管部分数目从4个变为9个，则振荡效率和振荡功率也增高。图18所示为使台面型结构的耿氏二极管部分具有与上述不同的阳极电极合计面积而从4个变为6个时的同样的特性图，可确认有相同的趋势。
另外，这些测定是在安装于如图19所示的波导管的条件下进行的。70为波导管，71为设于该波导管70内的导电底座(阳极)，72为在该底座71上粘接绝缘基板73的接合物。有多个阳极电极的耿氏二极管元件10A以面朝下的姿势将其阴极电极的凸头18经电极74支承在绝缘基板73上，使阳极电极的凸头19经电极75、形成于绝缘基板73的V形孔76及接合物72与底座71连接。此外，波导管70内插入施加偏压的偏压端子77，其下端通过金带78，与耿氏二极管元件10A背面的电极21连接。
以上说明了以使用砷化镓作为半导体的例子，但即使使用磷化铟等其它化合物半导体也能产生相同的效果。另外，在以上说明的将耿氏二极管元件安装在带状线或共面线路构成振荡器的情况下，还可以再附加介质谐振器。
以下说明实施形态6。
图20所示为本发明第6实施形态的NRD波导耿氏振荡器结构。NRD波导回路是在两片金属平行平板201、202之间夹有介质带状线203的结构，与现有的相同。在本实施形态中，在线路基板210的上表面装有耿氏二极管220，通过接地、散热和调整高度用的散热片230将其支承在平板202上。
线路基板210如图21的(a)、(b)所示，在半绝缘性或绝缘性(例如电阻率为106Ωcm左右以上、热传导率为140W/mK左右以上的AIN、Si、SiC、金刚石等)的平板基板211上表面，形成信号线路212、对该信号线路212施加直流偏压的扼流部分213、与该信号线路212的端部连续的信号电极214及夹着该信号电极214配置的一对表面接地电极215，在背面形成有接地电极216，表面接地电极215相对接地电极216通过V形孔217相连接。该线路基板210的信号线路212的背面无接地电极，形成悬置式线路。
耿氏二极管220如图22的(a)、(b)所示，在半导体基板221的上表面层叠第1接触层222、活化层223、第2接触层224及金属层225，并在中央形成从金属层225起基本到达第1接触层222的圆形凹部226，从而将该金属层225划分成阳极电极225A和阴极电极225K，并在该阳极电极225A之上形成容易热压接的Au的凸头227，同时在阴极电极225K之上形成同样高度的同样Au的凸头228。该凸头227和228也与阳极电极225A、阴极电极225K等效。
举个例子，半导体基板221由杂质浓度为1-2×1018atom/cm3的n型砷化镓构成，第1接触层222由杂质浓度为2×1018atom/cm3、厚度为1.5μm的n型砷化镓构成，活化层223由杂质浓度为1.2×1016atom/cm3、厚度为1.6μm的n型砷化镓构成，第2接触层224由杂质浓度为1×1018atom/cm3、厚度为0.3μm的n型砷化镓构成.也可以取代砷化镓，使用磷化铟等其它化合物半导体。
该耿氏二极管220的与阳极电极225A对应的划分部分活化层的面积设定为能获得耿氏二极管的一定动作电流的面积(横向载面积)。关于与阴极电极225K对应的活化层面积，通过使其为与阳极电极225A对应的活化层面积的10倍以上，使该阴极电极225K的下层半导体层叠部的电阻为阳极电极225A的1/10以下，使该部分不起耿氏二极管作用，实际上起低电阻的作用。
另外，该耿氏二极管220也可以如图22的(c)所示，置换成除去了图22(b)中的阴极电极225K下层的第2接触层224和活化层223后而构成的耿氏二极管220’，在第1接触层222上直接覆盖着阴极电极225K，并使其凸头228设置成与阳极电极225A的凸头227的上表面为相同高度。
通过热压接将耿氏二极管220安装于线路基板210的平板基板211上，使其阳极电极225A的凸头227与信号电极214连接，并使阴极电极225K的一对凸头228与一对表面接地电极215连接。并且，使线路基板210的接地电极216部分与散热片230连接，通过该散热片230与平板202连接接地。
线路基板210对NRD波导回路的安装如图20的(a)、(b)所示，使线路基板210的平板基板211与平行平板201、202平行，并且使信号线路212的顶端相对介质带状线203的底部沿垂直方向靠近，这样来进行安装。
若对扼流部分部213施加直流电压，电流即沿信号线路212、信号电极214、耿氏二极管220、表面接地电极215、V形孔217、背面接地电极216、散热片230及平板202的路径流动，耿氏二极管220产生电磁波(微波)，并通过信号线路212到达介质带状线203的侧面。电磁波在此变换成NRD波导回路(LSM模)，在介质带状线203内传播。
在本实施形态下，因为在平板基板211上形成有扼流部分部213，故能将其与信号线路212、信号电极214及表面接地电极215同时利用刻蚀形成，所以不必切除基板，组装容易，其作业效率提高。此外，因为耿氏二极管220相对平板基板211是以面朝下姿势直接安装的，所以不会产生使用金带时产生的寄生电感的问题。另外，耿氏二极管220产生的热量经凸头227、228及热传导性良好的平板基板211被传递到散热片230，所以散热效果好。又，因为耿氏二极管220由两侧的阴极电极225K的凸头228支承，所以能防止对作为耿氏二极管实际起作用的中央的半导体层叠部分施加过度的载荷。
另外，在以上所述中，是将信号线路212的部分和安装耿氏二极管220的部分设置在共同的平板基板211上，但也可以设于不同的基板上用金带等的导电线相连接。另外，也可以不使用V形孔217，用带等将表面接地电极215与背面的接地电极216相连接。
再有在以上所述中，线路基板210的信号线路212做成悬置式线路，但若在平板基板211的整个背面设置接地电极216，就成为微带线。此外，该线路也可以在平板基板211的上表面中央设置信号线路，并在同一个面上夹着该信号线路设置一对接地电极，做成共面线路。此时，将耿氏二极管220的阳极电极225A的凸头227与中央的信号线路连接，并将阴极电极225K的两侧凸头228与接地电极连接即可。
还有，耿氏二极管220的阳极电极225A、阴极电极225K会因活化层的浓度梯度而相反，此时，适当选择施加于扼流部分部213的电压极性即可。
图23所示为NRD波导耿氏振荡器的另一例子。在此将安装着耿氏二极管220且支承在散热片230上的线路基板210配置成为与平行平板201、202平行，并且其信号线路212的顶端与介质带状线203的底端排列成一直线状。此时在介质带状线203内传输的电磁波的传输模为LSE模。
图24为将线路基板210相对平行平板201、202垂直安装的图。在该形态中具有在信号线路212中高次模难于建立的优点。又，也可以如图23所示，使介质带状线203与信号线路212排列成一直线，并且使线路基板210相对平行平板201、202呈垂直状态安装。
现说明实施形态7。
图25所示为本发明第7实施形态的NRD波导耿氏振荡器结构。NRD波导回路是在两片金属平行平板201、202之间夹着介质带状线203的结构，与现有例子一样。在本实施形态中，在线路基板210上安装两个耿氏二极管220，使它们相对平行平板202，通过接地、散热的散热片230被支承。
线路基板210如图26的(a)、(b)所示，在半绝缘性或绝缘性(例如电阻率为106Ωcm左右以上、热传导率为140W/mK左右以上的AIN、Si、SiC、金刚石等)的平板基板211的表面，形成信号线路212、对该信号线路212施加直流偏压的扼流部分部213、与该信号线路212的两端连接的两个信号电极214及分别夹着该两个信号电极214配置的两对表面接地电极215，在背面形成有接地电极216，表面接地电极215相对接地电极216通过V形孔217相连接。该线路基板210的信号线路212的背面无接地电极，形成悬置式线路。
耿氏二极管220如图27的(a)、(b)所示，在半导体基板221的上表面层叠第1接触层222、活化层223、第2接触层224及金属层225，并在中央形成从金属层225起基本到达第1接触层222的圆形凹部226，从而将该金属层225划分成阳极电极225A和阴极电极225K，并在该阳极电极225A之上形成容易热压接的Au的凸头227，同时在阴极电极225K之上形成同样高度的同样Au的凸头228。该凸头227和228也与阳极电极225A、阴极电极225K等效。举个例子，半导体基板221由杂质浓度为1-2×1018atom/cm3的n型砷化镓构成，第1接触层222由杂质浓度为2×1018atom/cm3、厚度为1.5μm的n型砷化镓构成，活化层223由杂质浓度为1.2×1016atom/cm3、厚度为1.6μm的n型砷化镓构成，第2接触层224由杂质浓度为1×1018atom/cm3、厚度为0.3μm的n型砷化镓构成.也可以取代砷化镓，使用磷化铟等其它化合物半导体。该耿氏二极管220的与阳极电极225A对应的划分部分活化层的面积设定为能获得耿氏二极管的一定动作电流的面积(横向载面积)。
此外，关于与阴极电极225K对应的活化层面积，通过使其为与阳极电极225A对应的活化层面积的10倍以上，使该阴极电极225K的下层半导体层叠部的电阻为阳极电极225A的1/10以下，使该部分不起耿氏二极管作用，实际上起低电阻的作用。
另外，该耿氏二极管220也可以如图27的(c)所示，置换成除去了图27(b)中的阴极电极225K下层的第2接触层224和活化层223后而构成的耿氏二极管220’，在第1接触层222上直接覆盖着阴极电极225K，并使其凸头228设置成与阳极电极225A的凸头227的上表面为相同高度。
通过热压接将耿氏二极管220安装于线路基板210的平板基板211上，使其阳极电极225A的凸头227与信号电极214连接，并使阴极电极225K的一对凸头228与一对表面接地电极215连接。并且，使线路基板210的接地电极216部分与散热片230连接，通过该散热片230与平板202连接接地。对另一耿氏二极管也同样进行。
线路基板210对NRD波导回路的安装如图25所示，使线路基板210的平板基板211与平行平板201、202垂直，并且信号线路212的中央部相对介质带状线203的底部沿垂直方向靠近，这样来进行安装。若对扼流部分部213施加直流电压，对离扼流部分213较近的耿氏二极管220来说电流就从信号电极214起，而对离扼流部分213较远的耿氏二极管220来说电流经信号线路212从信号电极214起，经过V形孔217、背面的接地电极216、散热片230及平板202的路径流动，由两个耿氏二极管220产生电磁波(微波)。产生的电磁波在信号线路212发生谐振，其一部分与介质带状线203耦合并传播出去。
在本实施形态中，因为在平板基板211上形成有扼流部分部213，故能将其与信号线路212、信号电极214及表面接地电极215同时利用刻蚀形成，所以不必切除基板，组装容易，其作业效率提高。
此外，因为耿氏二极管220相对平板基板211是以面朝下姿势直接安装的，所以不会产生使用金带时产生的寄生电感的问题。
另外，耿氏二极管220产生的热量经凸头227、228及热传导性良好的平板基板211被传递到散热片230，所以散热效果好。又，因为耿氏二极管220由两侧的阴极电极225K的凸头228支承，所以能防止对实际作为耿氏二极管起作用的中央的半导体层叠部分施加过度的载荷。
又，在以上所述中，线路基板210的信号线路212做成悬置式线路，但若在平板基板211的整个背面设置接地电极216，就成微带线。另外，该线路也可以在平板基板211的上表面中央设置信号线路，并在同一个面上夹着该信号线路设置一对接地电极，做成共面线路。此时，只要将耿氏二极管220的阳极电极225A的凸头227与中央的信号线路连接，并将阴极电极225K两侧的凸头228与接地电极连接即可。
还有，耿氏二极管220的阳极电极225A、阴极电极225K会因活化层的浓度梯度而相反，此时，适当选择施加于扼流部分部213的电压极性即可。
图28是将线路基板210相对平行平板201、202平行地安装的图。如上所述那样的本发明的耿氏二极管因为将划定起耿氏二极管作用的区域的刻蚀是通过将形成在该区域上部的电极层作为掩模的自配合的干法刻蚀来进行的，所以能减少耿氏二极管特性的差异。
另外，本发明的耿氏二极管因为能在同一个面上以相同程度的高度设置阴极电极和阳极电极，故能以面朝下的姿势安装。因此，不必组装在如现有那样的弹丸形管壳中，对平板基板的组装很容易，在组装方面有很大优点。
再有，因为在安装时不必用金带与微小电极连接，故不会产生寄生电感，可消除因金带长度不同等引起的回路特性的差异。
还有，通过将实际上起耿氏二极管作用的台面型结构部分分离成多个，散热效率显著提高，可大幅度提高振荡效率和振荡功率。
另外，当安装构成振荡器时，因为该振荡器部分由耿氏二极管或再加上导电性平板基板进行屏蔽，所以使相位噪声大幅度降低，能提高其Q值。
还有，施加偏压用的扼流部分与耿氏二极管的连接变简单，组装容易，其作业效率提高。另外，耿氏二极管的安装不需要金带，不会产生寄生电感。又，因为耿氏二极管产生的热量经基板传递给散热片，故散热效率高。
再有，施加偏压用的扼流部分与耿氏二极管的连接变简单，组装变方便，其作业效率提高。
另外，装耿氏二极管时不需要金带，不会产生寄生电感。
又因为耿氏二极管产生的热量经基板传递给散热片，所以散热效果好。
权利要求
1.一种NRD波导耿氏振荡器，其两片金属板构成的平行平板以所使用频率的自由空间波长的1/2以下的间隔配置，在该平行平板之间将夹持着介质带状线的NRD波导回路与耿氏二极管相组合，由此形成NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，具有在表面形成有与信号线路连接的信号电极和与该信号电极绝缘的接地电极的绝缘性或半绝缘性的平板基板，在同一面上形成有阳极电极和阴极电极且该两电极之一与所述平板基板的信号电极连接而另一电极与所述接地电极连接的耿氏二极管，以及，相对所述平行平板之一支承所述平板基板背面的散热片，并且，所述平板基板的所述信号线路的顶端与所述介质带状线电磁耦合。
2.根据权利要求1所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板相对所述平行平板平行，且所述信号线路相对所述介质带状线沿垂直方向电磁耦合。
3根据权利要求1所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板相对所述平行平板平行，且所述信号线路的电磁波行进方向与所述介质带状线的电磁波行进方向相同，所述信号线路与所述介质带状线的底端部电磁耦合。
4.根据权利要求2或3所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，将连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板相对所述平行平板的姿势从平行改成垂直。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，所述信号线路为悬置线路、微带线或共面线路。
6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，所述平板基板在背面有接地用电极，该接地用电极与所述接地电极通过V形孔连接。
7.一种NRD波导耿氏振荡器，其两片金属板构成的平行平板以所使用频率的自由空间波长的1/2以下的间隔配置，将在该平行平板之间夹着介质带状线的NRD波导回路与耿氏二极管相组合，其特征在于，具有在表面形成有与信号线路两端连接的两个信号电极和相对各信号电极绝缘的接地电极的绝缘性或半绝缘性的平板基板，在同一面上形成有阳极电极和阴极电极且该两电极之一与所述平板基板的信号电极连接而另一电极与所述接地电极连接的两个以上耿氏二极管，以及，相对所述平行平板支承所述平板基板背面的散热片，并且，所述平板基板的所述信号线路的大致中央与所述介质带状线电磁耦合。
8.根据权利要求7所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，所述信号线路的长度为该信号线路内波长的大致1/2或其整数倍。
9根据权利要求7或8所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板与所述平行平板垂直，并且所述信号线路的大致中央与所述介质带状线的终端部电磁耦合。
10.根据权利要求9所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，使连接安装着所述耿氏二极管的所述平板基板相对所述平行平板的姿势从垂直改成平行。
11.根据权利要求7、8、9或10所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，所述信号线路为悬置线路或微带线或共面线路。
12.根据权利要求7、8、9、10或11所述的NRD波导耿氏振荡器，其特征在于，所述平板基板在背面有接地用电极，该接地用电极与所述接地电极通过V形孔相连接。
全文摘要
在半导体基板上依次层叠有第1半导体层、活化层和第2半导体层的耿氏二极管，具有设于第2半导体层上的对活化层施加电压用的第1、第2电极、从该第1电极周围向着第2半导体层和活化层切入并将与第1电极连接的第2半导体层和活化层作为起耿氏二极管作用的区域划分出来的凹部。因为起耿氏二极管作用的区域划定是通过将形成于该区域上部的电极层作为掩模的自配合的干法刻蚀进行的，故能减少其特性差异。并公开了其制造方法和安装结构及NRD波导耿氏振荡器。
文档编号H03B7/00GK1855616SQ200610068178
公开日2006年11月1日 申请日期1999年4月28日 优先权日1998年4月28日
发明者中川敦, 渡边健一 申请人:新日本无线株式会社