JP2005142476A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波帯域からミリ波帯域、さらにはテラヘルツの周波数帯域で動作する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device that operates in a microwave band, a millimeter wave band, and a terahertz frequency band.
近年、情報通信分野における技術の進展は著しく、通信機器が扱う周波数帯域もマイクロ波帯域からミリ波帯域へと、より高い周波数帯域へと変化している。このようなマイクロ波帯からミリ波帯までの高周波帯域を扱う通信用回路などでは、低損失な伝送線路と、高周波信号を発生する発振回路あるいは発振素子と、増幅作用のある能動素子(トランジスタ)と、信号と搬送波とを混合する非線形素子(ミキサ)が重要な回路の構成要素となる。 In recent years, technological progress in the information communication field has been remarkable, and the frequency band handled by communication equipment has also changed from a microwave band to a millimeter wave band to a higher frequency band. In such communication circuits that handle high frequency bands from the microwave band to the millimeter wave band, a low-loss transmission line, an oscillation circuit or an oscillation element that generates a high-frequency signal, and an active element (transistor) that has an amplification function A nonlinear element (mixer) that mixes the signal and the carrier wave is an important circuit component.
従来、マイクロ波帯からミリ波帯にかけての周波数帯を必要とする用途に用いられるトランジスタとしては、化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、ヘテロ接合電界効果型トランジスタ(HFET)(あるいは高移動度電界効果型トランジスタ:HEMT)が用いられている。これらトランジスタの高周波動作限界を示すひとつの指標が、電流増幅率が1になる電流利得遮断周波数ftであり、現在高周波用途に開発されている素子のftの値は約200GHz〜400GHzと報告されている。さらにもう1つの高周波特性を示す指標である最大発振周波数fmax(電力利得が1になる周波数)も、やはり約200GHz〜400GHzと報告されており、これらトランジスタが400GHz程度までは動作可能であることが示されている。また、周波数混合を実現するミキサとしては同じく化合物半導体を用いたショットキーダイオードや、上記のようなトランジスタの非線形動作を用いる場合が多い。 Conventionally, as a transistor used for an application requiring a frequency band from the microwave band to the millimeter wave band, a heterojunction bipolar transistor (HBT) using a compound semiconductor, a heterojunction field effect transistor (HFET) (or a high-frequency transistor) is used. A mobility field effect transistor (HEMT) is used. One index indicating the high-frequency operation limit of these transistors is the current gain cutoff frequency ft at which the current amplification factor is 1, and the value of ft of an element currently developed for high-frequency applications is reported to be about 200 GHz to 400 GHz. Yes. Furthermore, the maximum oscillation frequency fmax (frequency at which the power gain becomes 1), which is another index indicating high frequency characteristics, is also reported to be about 200 GHz to 400 GHz, and these transistors may be operable up to about 400 GHz. It is shown. In many cases, a Schottky diode using a compound semiconductor or a non-linear operation of a transistor as described above is used as a mixer for realizing frequency mixing.
また従来、マイクロ波帯域での高周波信号の発生には、高周波増幅器に正帰還をかけた発振回路や、素子自体が負性抵抗特性を有する2端子素子が用いられている。このうち高周波増幅器に正帰還をかけた発振回路の出力は、ミリ波帯域から、さらに高周波帯域において高周波増幅器の周波数特性が低下することがあり、十分な出力が得られないことがある。このため、ミリ波帯域以上の周波数では負性抵抗特性を示す2端子素子が多用されている。 Conventionally, in order to generate a high-frequency signal in the microwave band, an oscillation circuit in which a positive feedback is applied to a high-frequency amplifier or a two-terminal element having a negative resistance characteristic is used. Among these, the output of the oscillation circuit that applies positive feedback to the high-frequency amplifier may deteriorate the frequency characteristics of the high-frequency amplifier from the millimeter wave band to the high-frequency band, and a sufficient output may not be obtained. For this reason, two-terminal elements exhibiting negative resistance characteristics are frequently used at frequencies above the millimeter wave band.
負性抵抗特性を示す2端子素子としては、代表的には、ガン効果を用いたガンダイオード、電子のなだれ現象を用いたIMPATTダイオード、負性抵抗特性を用いたトンネルダイオードなどがある。このうちガンダイオードは比較的簡単な構造であり、また比較的大きな出力が得られるので有用である。 Typical examples of the two-terminal element exhibiting negative resistance characteristics include a Gunn diode using a gun effect, an IMPATT diode using an avalanche phenomenon of electrons, and a tunnel diode using negative resistance characteristics. Among them, the Gunn diode is useful because it has a relatively simple structure and a relatively large output.
以上のような高周波帯域を扱う通信用回路を構成する回路素子は、多くのものが化合物半導体を用いている。現在では、これらの回路素子、例えば、ガン効果を用いたガンダイオードとHBTとをGaAs基板上に集積化した半導体装置(特許文献1を参照)、またHBTとHFET(HEMT)とをGaAs基板上に集積化した半導体装置(特許文献2を参照)なども開発されている。 Many of the circuit elements constituting the communication circuit handling the high frequency band as described above use a compound semiconductor. At present, these circuit elements, for example, a semiconductor device in which a Gunn diode using a Gun effect and an HBT are integrated on a GaAs substrate (see Patent Document 1), and an HBT and an HFET (HEMT) on a GaAs substrate. A semiconductor device (see Patent Document 2) and the like integrated with each other has also been developed.
ガンダイオードは、ガン効果を利用したダイオードである。ガン効果とは、閃亜鉛構造を有する直接遷移型のn型半導体において電子の走行速度が電界依存性を有し、電界強度が臨界値Ethより小さいときに、その移動度が大きい状態にあるが、その一方で電界強度が臨界値Ethより大きくなると、その移動度が小さい状態に遷移するために生じる効果である。ここで、ガン効果が生じる原理を図18および図19を参照しながら説明する。図18は、プレーナ型ガンダイオードにおいてガン効果が生じる原理を模式的に示す図であり、図19は、n型のGaAsを用いたガンダイオードにおける、電界強度と電子の走行速度との関係を示す図である(非特許文献1を参照)。なお、図19の横軸は電界強度を、縦軸は電子の走行速度を表す。 A Gunn diode is a diode that utilizes the Gunn effect. The gun effect is a state in which the mobility is high when the traveling speed of electrons has an electric field dependency and the electric field strength is smaller than the critical value Eth in a direct transition type n-type semiconductor having a zinc flash structure. On the other hand, when the electric field strength becomes larger than the critical value Eth, this is an effect that occurs because the mobility shifts to a low state. Here, the principle of generating the gun effect will be described with reference to FIGS. FIG. 18 is a diagram schematically showing the principle of generating a gun effect in a planar type Gunn diode, and FIG. 19 shows the relationship between electric field strength and electron traveling speed in a Gunn diode using n-type GaAs. It is a figure (refer nonpatent literature 1). In FIG. 19, the horizontal axis represents the electric field strength, and the vertical axis represents the traveling speed of electrons.
プレーナ型ガンダイオードは、図18に示すように、基板101の最上部に形成された上述のガン効果を生じるn型半導体層102と、n型半導体層102上に形成された1対の電極103とから構成される。このガンダイオードでは、上述のようなガン効果を生じるn型半導体層102に対して1対の電極103からEthより大きな電界を印加した場合、電界強度に対する電子の走行速度の依存性(図19を参照のこと)に起因して、n型半導体層102中での電子の走行速度に分布が生じる。この結果、n型半導体層102中に電界分布が生じ、さらにn型半導体層102中に電子濃度の高くなった領域(ドメイン)104が生じる。ドメイン104が一方の電極103に到達すると電流ピークが生じ、さらにこのドメイン104が繰り返し発生、走行する。このことによって、ドメイン104が一方の電極103に到達する周期に応じて高周波信号が発生する。なお、ドメイン104の速度Vd(cm/s)は、十分大きな電界強度において飽和した電子の走行速度と一致する。
As shown in FIG. 18, the planar type Gunn diode includes an n-
ドメイン104の形成にはいくつかのモードがあり、代表的なものはドメイン104がn型半導体層102中に1カ所生じるダイポールモードである。ダイポールモードで生じる高周波信号の周波数の最大値f0は、電極103の間の距離L(cm)とドメインの移動速度Vd(cm/s)により決まり、下記式(1)で表される。
There are several modes for forming the
f0=Vd/L (Hz) … (1)
さらにガン効果では、複数のドメイン104が同時に生じる高次のモード(ハイブリッドモード)も存在する。ハイブリッドモードで生じる高周波信号の周波数fは、実験的に下記式(2)で表される関係にあることが見積もられている。
f0 = Vd / L (Hz) (1)
Furthermore, in the gun effect, there is a higher-order mode (hybrid mode) in which a plurality of
f0<f<(50×f0) … (2)
また、n型半導体層102の不純物濃度N0(cm-3)と電極103の間の距離L(cm)として、下記式(3)を満たすことがガン効果を生じる条件とされている(非特許文献1を参照)。
f0 <f <(50 × f0) (2)
Further, as a distance L (cm) between the impurity concentration N 0 (cm −3 ) of the n-
N0L>1012 (cm-2) … (3)
式(3)に示される条件は、図20中の斜線部の領域で示される。図20は、ガン効果が生じる条件を表す図である。
N 0 L> 10 12 (cm −2 ) (3)
The condition shown in Equation (3) is indicated by the shaded area in FIG. FIG. 20 is a diagram illustrating conditions under which the cancer effect occurs.
通常Vdは1016〜1018(cm/s)であり、上記Vdの値を用いて、図20から電極103の間の距離Lに対する、ガン効果が生じる不純物のドーピング濃度を見積もることができる。
Usually, Vd is 10 16 to 10 18 (cm / s), and using the value of Vd, it is possible to estimate the doping concentration of an impurity causing a gun effect with respect to the distance L between the
また、ハイブリッドモードでガン効果が生じる条件は、ダイポールモードより高電界を印加することを前提として、下記式(4)に表される。 Further, the condition for generating the gun effect in the hybrid mode is expressed by the following formula (4) on the premise that a higher electric field is applied than in the dipole mode.
5×1013>N0L>1012 (cm-2) … (4)
式(4)に示される条件は、図20中の領域Rで示される。n型半導体層102の不純物濃度N0は、通常1×1016〜1×1018(cm-3)程度であるので、図20から、電極103の間の距離Lが0.1μm以上となる場合にガン効果が生じることがわかる。
5 × 10 13 > N 0 L> 10 12 (cm −2 ) (4)
The condition shown in Expression (4) is indicated by a region R in FIG. Since the impurity concentration N 0 of the n-
図21は、最も基本的なダイポールモードのf0を示している。図21から、ドメイン104の速度Vdの値を仮定して、電極3の間の距離Lに対するダイポールモードでの発信周波数f0を見積もることができる。図21では、通常Vdが1×1016〜1×1018(cm/s)であることをふまえ、実際の飽和電子速度に近い値(1×105、1×106、1×107、1×108(cm/s))を用いてプロットしている。
FIG. 21 shows f0 in the most basic dipole mode. From FIG. 21, it is possible to estimate the transmission frequency f0 in the dipole mode with respect to the distance L between the
図21では、ダイポールモードにおける発振周波数f0を示しているが、ハイブリッドモードでの最大動作周波数fは、f0の約50倍まで可能となることから、例えばVd=107(cm/s)、L=5(μm)とすることで、約1THzの発振(f0=20GHz)が、またVd=107(cm/s)、L=2.5(μm)とすることで、約3THzの発振(f0=50GHz)が可能であることがわかる。さらにVdの大きな材料や、Lを短くすることでより高周波での動作が期待される。 In FIG. 21, the oscillation frequency f0 in the dipole mode is shown. Since the maximum operating frequency f in the hybrid mode can be up to about 50 times f0, for example, Vd = 10 7 (cm / s), L = 5 (μm), about 1 THz oscillation (f0 = 20 GHz), and Vd = 10 7 (cm / s) and L = 2.5 (μm), about 3 THz oscillation ( It can be seen that f0 = 50 GHz) is possible. Furthermore, operation at a higher frequency is expected by using a material having a large Vd or by shortening L.
従来、下記特許文献3および特許文献4に示されるようなバルク型ガンダイオードを用いて、下記特許文献5に示されるようなピル型パッケージと呼ばれる円筒状のケースに実装されることが多い。ピル型パッケージは、導波管内に配置するなど、立体回路用途に設計されたものであって、平面実装にはあまり適していない。また、高周波信号を外部に取り出すためにパッケージの電極部分にロッドを接触させる必要が生じることもあり、集積化にはあまり適していない。さらに、ピル型パッケージの3次元形状は、テラヘルツ帯域の周波数の波長と同程度となるため、テラヘルツ帯域の高周波出力を得るのが困難なこともある。
Conventionally, a bulk type Gunn diode as shown in
これらに対し、平面実装可能な構成としてフリップチップ実装可能なガンダイオードが下記特許文献5に示されている。この、ガンダイオードがマイクロストリップ線路を構成する平板回路基板にフリップチップ実装されている一例を、図22を参照しながら説明する。
On the other hand, a Gunn diode that can be flip-chip mounted as a configuration that can be mounted in a plane is shown in
図22に示すように、半絶縁性の平板基板131上の表面には、信号電極132が、また裏面に接地電極133が形成されている。また、平板基板131内には、平板基板131を貫通し、裏面の接地電極133と、表面に形成した表面接地電極135とを互いに接続するヴィアホール134が設けられており、ヴィアホール134にはタングステンが充填されている。
As shown in FIG. 22, a
さらに、平板基板131の上には、ガンダイオード110Aが、フェースダウン姿勢で搭載され、ガンダイオード110Aのカソードバンプおよびアノードバンプが、信号電極132および表面接地電極135にそれぞれ直接接続されている。
Further, the Gunn
信号電極132は、ガンダイオード110Aにバイアス電圧を供給するバイアス電極132Aと、ガンダイオード110Aを含むマイクロストリップ線路による共振器を構成する電極132Bと、マイクロストリップ線路を構成する信号出力電極132Cとから構成されている。
マイクロ波帯域からミリ波帯域、さらにはテラヘルツの周波数帯域で動作する半導体装置の小型化のためには、半導体装置を構成するトランジスタ、発振素子、ミキサ、伝送線路などの複数の要素を同一基板上に集積化することが考えられる。 In order to reduce the size of semiconductor devices that operate in the microwave band, millimeter wave band, and terahertz frequency band, multiple elements such as transistors, oscillators, mixers, and transmission lines that make up the semiconductor device are mounted on the same substrate. It is conceivable to integrate them.
通常、化合物半導体を用いた半導体装置には、半導体装置を構成する要素それぞれをエピタキシャル膜を積層した構造とすることが望まれている。さらに、化合物半導体を用いた半導体装置では、実用化に向けて、発振素子とトランジスタとをできる限り低損失で結合するような回路を構成することが望まれている。特に、発振素子としてテラヘルツ領域でも動作可能で、しかも比較的大きな出力が得られるガンダイオードを発振素子として用い、さらにその発振素子に近接してトランジスタ、あるいはミキサとしてのHBTやHFET(HEMT)を配置することが望まれている。 Usually, a semiconductor device using a compound semiconductor is desired to have a structure in which each element constituting the semiconductor device is formed by stacking epitaxial films. Furthermore, in a semiconductor device using a compound semiconductor, it is desired to configure a circuit that couples an oscillation element and a transistor with as low a loss as possible for practical use. In particular, a Gunn diode that can operate in the terahertz region as an oscillating element and obtains a relatively large output is used as an oscillating element, and a transistor or a HBT or HFET (HEMT) as a mixer is arranged close to the oscillating element. It is hoped to do.
一方、上述のように、平面実装されるガンダイオードは、実際にはフリップチップ実装を前提としている。このとき、ガンダイオードをテラヘルツ帯域の回路で用いるためには、ガンダイオードの実装の際の精度のバラツキの許容範囲が、目的とする周波数の波長(3THzで300μm)と同程度となる。 On the other hand, as described above, the Gunn diode mounted on the plane is actually premised on flip chip mounting. At this time, in order to use the Gunn diode in the circuit of the terahertz band, the tolerance of accuracy variation when mounting the Gunn diode is approximately the same as the wavelength of the target frequency (300 μm at 3 THz).
しかしながら、フリップチップ実装では、上記の精度でガンダイオードを実装することは非常に難しく、ガンダイオードを実装した製品のテラヘルツ帯域における特性のバラツキを抑制するのは難しい。 However, in flip-chip mounting, it is very difficult to mount a Gunn diode with the above-mentioned accuracy, and it is difficult to suppress variations in characteristics in the terahertz band of a product mounting the Gunn diode.
また、ミリ波帯域からテラヘルツ帯域にかけては、信号の伝送損失が大きい。このため、できる限り伝送線路長を短縮することが望まれる。伝送線路長を短縮するには、回路の小型薄膜化、さらには回路素子の集積化が必要であるが、従来のガンダイオードに適用されるピル型パッケージおよびフリップチップ実装共に、更なる集積化を実現することは難しい。 Further, signal transmission loss is large from the millimeter wave band to the terahertz band. For this reason, it is desirable to shorten the transmission line length as much as possible. In order to shorten the transmission line length, it is necessary to make the circuit smaller and further integrate the circuit elements. However, both pill package and flip chip mounting applied to conventional Gunn diodes will require further integration. It is difficult to realize.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、マイクロ波帯域からテラヘルツ帯域での特性のバラツキが抑制されており、実装が容易で、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能な半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such points, and variation in characteristics from the microwave band to the terahertz band is suppressed, mounting is easy, and high-frequency signals are efficiently transmitted to space and external circuits. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of performing
本発明の半導体装置は、発振素子領域とトランジスタ領域とを有する基板と、上記発振素子領域上に形成された発振素子と、上記トランジスタ領域に形成されたトランジスタとを備える。 A semiconductor device of the present invention includes a substrate having an oscillation element region and a transistor region, an oscillation element formed on the oscillation element region, and a transistor formed in the transistor region.
本発明によれば、フリップチップ実装などによることなく、同一基板上にトランジスタと発振素子とが実装される。従って、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも、更なる集積化を実現することができる。また、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも更なる集積化を実現できるため、伝送線路長を短縮することも可能である。 According to the present invention, the transistor and the oscillation element are mounted on the same substrate without using flip chip mounting or the like. Therefore, further integration can be realized as compared with the pill type package and flip chip mounting. Further, since further integration can be realized as compared with the pill type package and flip chip mounting, the transmission line length can be shortened.
上記基板上に形成され、上記発振素子と上記トランジスタとに接続された高周波利用回路部をさらに備える構成としてもよい。 It is good also as a structure further provided with the high frequency utilization circuit part formed on the said board | substrate and connected to the said oscillation element and the said transistor.
上記発振素子は、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体で形成されたn型半導体層と、1対の電極とから構成されるガンダイオードである構成とすることが好ましい。 The oscillation element is preferably a Gunn diode composed of an n-type semiconductor layer formed of a direct transition type compound semiconductor having a zinc flash structure and a pair of electrodes.
ガンダイオードは比較的簡単な構造であり、また比較的大きな出力が得られるので、半導体装置の性能を向上することができる。 Since the Gunn diode has a relatively simple structure and a relatively large output can be obtained, the performance of the semiconductor device can be improved.
上記n型半導体層は、GaAs、InP、InSb、ZnSeおよびCdTeからなる群から選択される1種類の化合物半導体、あるいは少なくとも2種類の化合物半導体の混晶から形成されている構成としてもよい。 The n-type semiconductor layer may be formed of one type of compound semiconductor selected from the group consisting of GaAs, InP, InSb, ZnSe, and CdTe, or a mixed crystal of at least two types of compound semiconductors.
上記n型半導体層は、GaInNAsから形成されていることが好ましい。 The n-type semiconductor layer is preferably made of GaInNAs.
上記トランジスタは、ヘテロ構造電界効果トランジスタである構成としてもよい。 The transistor may be a heterostructure field effect transistor.
上記トランジスタは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタである構成としてもよい。 The transistor may be a heterojunction bipolar transistor.
本発明の半導体装置の製造方法は、トランジスタ領域と発振素子領域とを有する基板上に、第1半導体層と、第2半導体層とを順次エピタキシャル成長により形成する工程(a)と、上記トランジスタ領域に位置する上記第2半導体層を除去した後、上記発振素子領域上に位置する上記第1半導体層と上記第2半導体層とを用いて発振素子を形成する工程(b)と、上記トランジスタ領域に位置する上記第1半導体層を用いてトランジスタを形成する工程(c)とを含む。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of sequentially forming a first semiconductor layer and a second semiconductor layer on a substrate having a transistor region and an oscillation element region by epitaxial growth; (B) forming an oscillation element using the first semiconductor layer and the second semiconductor layer located on the oscillation element region after removing the second semiconductor layer located; and And (c) forming a transistor using the positioned first semiconductor layer.
本発明によれば、フリップチップ実装などによることなく、同一基板上にトランジスタと発振素子とが実装される。従って、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも、更なる集積化を実現することができる。また、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも更なる集積化を実現できるため、伝送線路長を短縮することも可能である。さらに本発明では、トランジスタと発振素子とを同一基板上に同時に形成するため、高い精度でトランジスタと発振素子とを実装することは容易である。従って、本発明によれば、テラヘルツ帯域における特性のバラツキが抑制された半導体装置が得られる。 According to the present invention, the transistor and the oscillation element are mounted on the same substrate without using flip chip mounting or the like. Therefore, further integration can be realized as compared with the pill type package and flip chip mounting. Further, since further integration can be realized as compared with the pill type package and flip chip mounting, the transmission line length can be shortened. Furthermore, in the present invention, since the transistor and the oscillation element are formed simultaneously on the same substrate, it is easy to mount the transistor and the oscillation element with high accuracy. Therefore, according to the present invention, a semiconductor device in which variation in characteristics in the terahertz band is suppressed can be obtained.
上記第2半導体層は、GaAs、InP、InSb、ZnSeおよびCdTeからなる群から選択される1種類の化合物半導体、あるいは少なくとも2種類の化合物半導体の混晶から形成されているn型半導体から形成されており、上記発振素子は、ガンダイオードである構成としてもよい。 The second semiconductor layer is formed of one type of compound semiconductor selected from the group consisting of GaAs, InP, InSb, ZnSe, and CdTe, or an n-type semiconductor formed of a mixed crystal of at least two types of compound semiconductors. The oscillation element may be a Gunn diode.
本発明の別の半導体装置の製造方法は、トランジスタ領域と発振素子領域とを有する基板上に、第1半導体層と、第2半導体層とを順次エピタキシャル成長により形成する工程(a)と、上記発振素子領域に位置する上記第2半導体層を除去した後、上記トランジスタ領域上に位置する上記第1半導体層と上記第2半導体層とを用いてトランジスタを形成する工程(b)と、上記発振素子領域に位置する上記第1半導体層を用いて発振素子を形成する工程(c)とを含む。 Another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of sequentially forming a first semiconductor layer and a second semiconductor layer on a substrate having a transistor region and an oscillation element region by epitaxial growth, and the oscillation described above. (B) forming a transistor using the first semiconductor layer and the second semiconductor layer located on the transistor region after removing the second semiconductor layer located in the device region; And (c) forming an oscillation element using the first semiconductor layer located in the region.
本発明によれば、フリップチップ実装などによることなく、同一基板上にトランジスタと発振素子とが実装される。従って、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも、更なる集積化を実現することができる。また、ピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも更なる集積化を実現できるため、伝送線路長を短縮することも可能である。さらに本発明では、トランジスタと発振素子とを同一基板上に同時に形成するため、高い精度でトランジスタと発振素子とを実装することは容易である。従って、本発明によれば、テラヘルツ帯域における特性のバラツキが抑制された半導体装置が得られる。 According to the present invention, the transistor and the oscillation element are mounted on the same substrate without using flip chip mounting or the like. Therefore, further integration can be realized as compared with the pill type package and flip chip mounting. Further, since further integration can be realized as compared with the pill type package and flip chip mounting, the transmission line length can be shortened. Furthermore, in the present invention, since the transistor and the oscillation element are formed simultaneously on the same substrate, it is easy to mount the transistor and the oscillation element with high accuracy. Therefore, according to the present invention, a semiconductor device in which variation in characteristics in the terahertz band is suppressed can be obtained.
上記第1半導体層は、GaAs、InP、InSb、ZnSeおよびCdTeからなる群から選択される1種類の化合物半導体、あるいは少なくとも2種類の化合物半導体の混晶から形成されているn型半導体から形成されており、上記発振素子は、ガンダイオードである構成としてもよい。。 The first semiconductor layer is formed of one type of compound semiconductor selected from the group consisting of GaAs, InP, InSb, ZnSe, and CdTe, or an n-type semiconductor formed of a mixed crystal of at least two types of compound semiconductors. The oscillation element may be a Gunn diode. .
本発明によれば、マイクロ波帯域からテラヘルツ帯域での特性のバラツキが抑制されており、実装が容易で、高周波信号を空間や外部回路に効率よく伝達することが可能な半導体装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device in which variation in characteristics from a microwave band to a terahertz band is suppressed, mounting is easy, and a high-frequency signal can be efficiently transmitted to a space or an external circuit. Can do.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。簡単のため、各実施形態に共通する構成要素は、同一の参照符号で示す。なお、本明細書中で「高周波」との用語は、マイクロ波帯域以上(約1GHz以上)の高い周波数帯を意味するものとする。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. For simplicity, components common to the embodiments are denoted by the same reference numerals. In the present specification, the term “high frequency” means a high frequency band of a microwave band or higher (about 1 GHz or higher).
(実施形態1)
図1は、本実施形態の半導体装置を示す断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of this embodiment.
図1に示すように、本実施形態の半導体装置100は、トランジスタ領域Rtと発振素子領域Rgとを有する基板1と、基板1のトランジスタ領域Rt上に形成されたバイポーラトランジスタ100tと、基板1の発振素子領域Rg上に形成されたガンダイオード100gとを備える。
As shown in FIG. 1, the
バイポーラトランジスタ100tは、基板1のトランジスタ領域Rt上に形成されたn型半導体層2Aと、n型半導体層2A上に形成されたn型半導体層7と、n型半導体層7上に形成されたp型半導体層8と、p型半導体層8上に形成されたn型半導体層9Aと、n型半導体層2A上に形成された電極11と、p型半導体層8上に形成された電極12と、n型半導体層9A上に形成された電極13と、から構成されている。特に、本実施形態では、n型半導体層2Aは、n−半導体層3と、n−半導体層3を挟むように上下に形成され、n−半導体層3よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層2およびn+半導体層4とからなる積層構造となっている。また、n型半導体層9Aは、n−半導体層9と、n−半導体層9上に形成され、n−半導体層9よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層10とからなる積層構造となっている。なお、本実施形態では、電極11がコレクタ電極、電極12がベース電極、電極13がエミッタ電極と機能する構成となっており、電極11、12および13は、n+半導体層4、p型半導体層8およびn+半導体層10にそれぞれオーミック接触している。
The
ガンダイオード100gは、基板1の発振素子領域Rg上に形成され、n−半導体層3と、n−半導体層3を挟むように上下に形成され、n−半導体層3よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層2およびn+半導体層4とからなる積層構造となっているn型半導体層2Aと、n+半導体層2上に形成された電極5と、n+半導体層4上に形成された電極6とから構成されている。なお、電極5および6は、n+半導体層2および4にそれぞれオーミック接触している。
The
バイポーラトランジスタ100tとガンダイオード100gとの両方が備えるn型半導体層2A(n+半導体層2、n−半導体層3およびn+半導体層4)のそれぞれは、後述する製造プロセスにおいて全く同じ工程で積層されたものであるため、共通する符号で表している。
Each of n-
また、図示していないが、本実施形態の半導体装置100には、バイポーラトランジスタおよびガンダイオード以外に、高周波利用回路としてアンテナ、ショットキーダイオード、キャパシタおよび伝送線路などが形成されており、所望の機能が得られるよう適宜組み合わせられている。例えば、ショットキーダイオードは、上記いずれかの半導体層を利用して形成されている。
Although not shown, in the
ここで、図2を参照しながらガンダイオード100gの動作を説明する。図2は、ガンダイオード100gの動作を模式的に示す断面図である。
Here, the operation of the
ガンダイオード100gでは、電極6に印加されるバイアス電圧が正電圧である場合、n−半導体層3の上面が電極6とほぼ等電位に、n−半導体層3の下面が電極5とほぼ等電位になり、n−半導体層3内にn−半導体層3の上面から下面に向かう電界が生じる。従って、図2に示すように、n−半導体層3にn+半導体層2からn+半導体層4に向かって移動するドメイン13が形成される。なお、ガンダイオード100gの発振周波数は、n−半導体層3の厚さLで決まり、ここでは0.5μmである。ただしこれは設計事項の1つであり、0.1〜10μmの間で、所望の発振周波数が得られるよう適宜設計すればよい。
In the
次に、本実施形態の半導体装置100の製造方法を図を参照しながら説明する。図3および図4は、本実施形態の半導体装置100の製造方法を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図3(a)に示す工程で、基板1上に、n+半導体層2、n−半導体層3、n+半導体層4、n−半導体層7、p型半導体層8、n−半導体層9およびn+半導体層10を順次エピタキシャル成長により形成する。
First, in the step shown in FIG. 3A, an n +
次に、図3(b)に示す工程で、n+半導体層10上にレジスト(図示せず)を形成し、このレジストをマスクとしたドライエッチングによって、基板をトランジスタ領域Rtと発振素子領域Rgとに分離し、基板1の表面を露出する凹部14を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 3B, a resist (not shown) is formed on the n +
次に、図3(c)に示す工程で、n+半導体層10上にレジスト(図示せず)を形成し、パターニングする。次いで、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、n−半導体層7、p型半導体層8、n−半導体層9およびn+半導体層10をパターニングする。さらに、上記レジストを除去した後に、n+半導体層10上に別のレジスト(図示せず)をさらに形成し、パターニングする。続いて、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、n−半導体層9およびn+半導体層10をパターニングする。このとき、発振素子領域Rgのn−半導体層7、p型半導体層8、n−半導体層9およびn+半導体層10は除去される。
Next, in the step shown in FIG. 3C, a resist (not shown) is formed on the n +
次に、図4(a)に示す工程で、基板上にレジスト(図示せず)を形成し、パターニングする。次いで、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、発振素子領域Rgのn+半導体層4およびn−半導体層3をパターニングすることによって、n+半導体層2の表面を露出する凹部15を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 4A, a resist (not shown) is formed on the substrate and patterned. Next, by patterning the n +
次に、図4(b)に示す工程で、電極5を凹部15内に露出されたn+半導体層2の表面上にリフトオフ法で形成する。同様に、電極6もn+半導体層4の表面上にリフトオフ法で形成する。電極11、12および13もまた、それぞれn+半導体層4、p型半導体層8、n+半導体層10の表面上にリフトオフ法で形成する。
Next, in the step shown in FIG. 4B, the
以上の工程を経て、本実施形態の半導体装置100を製造することができる。
Through the above steps, the
本実施形態の半導体装置100では、バイポーラトランジスタ100tと、ガンダイオード100gとが、同一基板上に形成された構造となっている。つまり、半導体装置100では、フリップチップ実装などによることなく、同一基板上にバイポーラトランジスタ100tとガンダイオード100gとが実装される。従って、従来のガンダイオードに適用されるピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも、更なる集積化を実現することができる。また、本実施形態の半導体装置100では、従来のガンダイオードに適用されるピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも更なる集積化を実現できるため、伝送線路長を短縮することも可能である。
The
さらに、ガンダイオードをテラヘルツ帯域の回路で用いるためには、ガンダイオードの実装の際の精度のバラツキの許容範囲が、目的とする周波数の波長(3THzで300μm)と同程度となるが、本実施形態では、バイポーラトランジスタとガンダイオードとを同一基板上に同時に形成するため、上記の精度でガンダイオードを実装することは容易である。従って、本実施形態の半導体装置100のテラヘルツ帯域における特性のバラツキが抑制される。
Furthermore, in order to use the Gunn diode in a terahertz band circuit, the tolerance of accuracy variation when mounting the Gunn diode is about the same as the wavelength of the target frequency (300 μm at 3 THz). In the embodiment, since the bipolar transistor and the Gunn diode are simultaneously formed on the same substrate, it is easy to mount the Gunn diode with the above accuracy. Therefore, variation in characteristics in the terahertz band of the
またさらに、本実施形態では、n−半導体層3の厚さLを適宜設計することによって、所望の発振周波数を得ることができる。一般的な半導体装置の製造プロセスにおいて、n−半導体層3の厚さLは、例えば、配線間の距離に比べて非常に小さくすることが容易である。従って、ガンダイオード100gをより高い周波数で動作させることが容易であり、非常に高い周波数で動作する半導体装置を提供することができる。
Furthermore, in this embodiment, a desired oscillation frequency can be obtained by appropriately designing the thickness L of the n −
また、本実施形態の半導体装置100では、ガンダイオード100gが1つ設けられているが、これに限定されない。例えば、本実施形態の半導体装置100には、n−半導体層3の厚さLの異なるガンダイオードを、ガンダイオード100gとは基板1上の別の場所に形成することも可能である。このように構成された本実施形態の半導体装置100を、複数の異なる周波数を用いる通信方式で用いられる通信機器、あるいは複数の周波数帯域を切り替える通信機器などに用いることによって、通信機器を小型化できる。
In the
本実施形態では、バイポーラトランジスタ100tとしてヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)を用いても良い。特に、HBTを用いる場合、高周波特性を向上させるためにコレクタとコレクタ電極との間にn型半導体層と、高濃度のn型不純物を含むn+半導体層の2層を追加してもよく、エミッタ層として複数のn型半導体層を積層してもよい。
In the present embodiment, a hetero bipolar transistor (HBT) may be used as the
(実施形態2)
本実施形態では、上記実施形態1とは異なる構造を有する半導体装置を、図を参照しながら説明する。なお、簡単のために、上記実施形態1と共通する構成要素は、同一の参照符号で示す。
(Embodiment 2)
In the present embodiment, a semiconductor device having a structure different from that of the first embodiment will be described with reference to the drawings. For the sake of simplicity, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
図5は、本実施形態の半導体装置を示す断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of this embodiment.
図5に示すように、本実施形態の半導体装置200は、トランジスタ領域Rtと発振素子領域Rgとを有する基板1と、基板1のトランジスタ領域Rt上に形成されたバイポーラトランジスタ200tと、基板1の発振素子領域Rg上に形成されたガンダイオード200gとを備える。
As shown in FIG. 5, the
バイポーラトランジスタ200tは、基板1のトランジスタ領域Rt上に形成されたn型半導体層22と、n型半導体層22上に形成されたn型半導体層23と、n型半導体層23上に形成されたp型半導体層24と、p型半導体層24上に形成されたn型半導体層27Aと、n型半導体層22上に形成された電極31と、p型半導体層24上に形成された電極32と、n型半導体層27A上に形成された電極33と、から構成されている。特に、本実施形態では、n型半導体層27Aは、n−半導体層27と、n−半導体層27上に形成され、n−半導体層27よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層28とからなる積層構造となっている。なお、本実施形態では、電極31がコレクタ電極、電極32がベース電極、電極33がエミッタ電極と機能する構成となっており、電極31、32および33は、n型半導体層22、p型半導体層24およびn+半導体層28にそれぞれオーミック接触している。
The
ガンダイオード200gは、基板1の発振素子領域Rg上に形成されたn型半導体層22と、n型半導体層22上に形成されたn型半導体層23と、n型半導体層23上に形成されたp型半導体層24と、p型半導体層24上に形成されたn型半導体層27Aと、n型半導体層27A上に形成されたn型半導体層29Aと、n型半導体層27A(n+半導体層28)上に形成された電極25と、n型半導体層29A上に形成された電極26とから構成されている。特に、本実施形態では、n型半導体層29Aは、n−半導体層29と、n−半導体層29上に形成され、n−半導体層29よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層30とからなる積層構造となっている。なお、電極25および26は、n+半導体層28および30にそれぞれオーミック接触している。
The
バイポーラトランジスタ200tとガンダイオード200gとの両方が備えるn型半導体層22と、n型半導体層23と、p型半導体層24と、n型半導体層27A(n−半導体層27およびn+半導体層28)のそれぞれは、後述する製造プロセスにおいて全く同じ工程で積層されたものであるため、共通する符号で表している。
The n-
また、図示していないが、本実施形態の半導体装置200には、バイポーラトランジスタおよびガンダイオード以外に、高周波利用回路としてアンテナ、ショットキーダイオード、キャパシタおよび伝送線路(例えばフィルタ)などが形成されており、所望の機能が得られるよう適宜組み合わせられている。例えば、ショットキーダイオードは、上記いずれかの半導体層を利用して形成されている。
Although not shown, in the
ガンダイオード200gの動作は、上記実施形態1で説明したガンダイオード100gの動作と同様であり、ここでは説明を省略する。
The operation of the
次に、本実施形態の半導体装置200の製造方法を図を参照しながら説明する。図6および図7は、本実施形態の半導体装置200の製造方法を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図6(a)に示す工程で、基板1上に、n型半導体層22、n型半導体層23、p型半導体層24、n−半導体層27、n+半導体層28、n−半導体層29およびn+半導体層30を順次エピタキシャル成長により形成する。
First, in the process shown in FIG. 6A, an n-
次に、図6(b)に示す工程で、n+半導体層30上にレジスト(図示せず)を形成し、このレジストをマスクとしたドライエッチングによって、基板をトランジスタ領域Rtと発振素子領域Rgとに分離し、基板1の表面を露出する凹部14を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 6B, a resist (not shown) is formed on the n +
次に、図6(c)に示す工程で、n+半導体層30上にレジスト(図示せず)を形成し、パターニングする。次いで、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、n−半導体層29およびn+半導体層30をパターニングする。このことによって、発振素子領域Rgに、n+半導体層28の表面を露出する凹部35を形成する。このとき、トランジスタ領域Rtのn−半導体層27、n+半導体層28、n−半導体層29およびn+半導体層30は除去される。
Next, in the step shown in FIG. 6C, a resist (not shown) is formed on the n +
次に、図7(a)に示す工程で、基板上にレジスト(図示せず)を形成し、パターニングする。次いで、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、トランジスタ領域Rtのn型半導体層23、p型半導体層24、n−半導体層27およびn+半導体層28をパターニングする。さらに、上記レジストを除去した後に、基板上に別のレジスト(図示せず)をさらに形成し、パターニングする。続いて、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、n−半導体層27およびn+半導体層28をパターニングする。
Next, in the step shown in FIG. 7A, a resist (not shown) is formed on the substrate and patterned. Next, the n-
次に、図7(b)に示す工程で、電極25を凹部15内に露出されたn+半導体層28の表面上にリフトオフ法で形成する。同様に、電極26もn+半導体層30の表面上にリフトオフ法で形成する。電極31、32および33もまた、それぞれn型半導体層22、p型半導体層24およびn+半導体層28の表面上にリフトオフ法で形成する。
Next, in the step shown in FIG. 7B, the
以上の工程を経て、本実施形態の半導体装置200を製造することができる。
Through the above steps, the
本実施形態の半導体装置200は、上記実施形態1の半導体装置100と同様に、バイポーラトランジスタ200tと、ガンダイオード200gとが、同一基板上に形成された構造となっており、上記実施形態1の半導体装置100とは基板1上に形成されている半導体層の構造が異なるだけである。従って、本実施形態によれば、上記実施形態1と全く同様の効果が得られる。
Similar to the
本実施形態では、バイポーラトランジスタ200tとしてヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)を用いても良い。特に、HBTを用いる場合、高周波特性を向上させるためにコレクタとコレクタ電極との間にn型半導体層と、高濃度のn型不純物を含むn+半導体層の2層を追加してもよく、エミッタ層として複数のn型半導体層を積層してもよい。
In the present embodiment, a hetero bipolar transistor (HBT) may be used as the
(実施形態3)
本実施形態では、上記実施形態1および2とは異なる構造を有する半導体装置を、図を参照しながら説明する。なお、簡単のために、上記実施形態1および2と共通する構成要素は、同一の参照符号で示す。
(Embodiment 3)
In the present embodiment, a semiconductor device having a structure different from those of the first and second embodiments will be described with reference to the drawings. For the sake of simplicity, the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals.
図8は、本実施形態の半導体装置を示す断面図である。 FIG. 8 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of this embodiment.
図8に示すように、本実施形態の半導体装置300は、トランジスタ領域Rtと発振素子領域Rgとを有する基板1と、基板1のトランジスタ領域Rt上に形成された高電子移動度トランジスタ(以下、HEMTと称する)300tと、基板1の発振素子領域Rg上に形成されたガンダイオード300gとを備える。
As shown in FIG. 8, the
HEMT300tは、基板1のトランジスタ領域Rt上に形成されたノンドープ半導体層41と、ノンドープ半導体層41上に形成されたn型半導体層42と、n型半導体層42上に形成され、n型半導体層42よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層43と、n型半導体層42上に形成された電極48と、n+半導体層43上に形成された電極49と、から構成されている。なお、電極48は、n型半導体層42にショットキー接触しており、ゲート電極として機能する。電極49は、n+半導体層43にオーミック接触しており、ソース・ドレイン電極と機能する。
The HEMT 300t is formed on the
ガンダイオード300gは、基板1の発振素子領域Rg上に形成されたノンドープ半導体層41と、ノンドープ半導体層41上に形成されたn型半導体層42と、n型半導体層42上に形成されたn+半導体層43と、n+半導体層43上に形成され、n+半導体層43よりもn型不純物濃度が低いn−半導体層44と、n−半導体層44上に形成され、n−半導体層44よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層45と、n+半導体層43上に形成された電極46と、n+半導体層45上に形成された電極47とから構成されている。なお、電極46および47は、n+半導体層43および45にそれぞれオーミック接触している。
The
HEMT300tとガンダイオード300gとの両方が備えるノンドープ半導体層41、n型半導体層42およびn+半導体層43のそれぞれは、後述する製造プロセスにおいて全く同じ工程で積層されたものであるため、共通する符号で表している。
Since each of the
また、図示していないが、本実施形態の半導体装置300には、バイポーラトランジスタおよびガンダイオード以外に、高周波利用回路としてアンテナ、ショットキーダイオード、キャパシタおよび伝送線路(例えばフィルタ)などが形成されており、所望の機能が得られるよう適宜組み合わせられている。例えば、ショットキーダイオードは、上記いずれかの半導体層を利用して形成されている。
Although not shown, in the
ガンダイオード300gの動作は、上記実施形態1で説明したガンダイオード100gの動作と同様であり、ここでは説明を省略する。
The operation of the
HEMT300tでは、チャネル層となるノンドープ半導体層41と電子供給層となるn型半導体層42との積層によって、ノンドープ半導体層41内に図8中の破線で示すような2次元電子ガスが生じる。このため、ゲートである電極48に加える電圧を変化させると2次元電子ガスの濃度が増減する。その結果、ソース−ドレイン間に流れるドレイン電流が変化するため、トランジスタ特性が得られる。2次元電子ガスが蓄積される2次元電子チャネルは、ノンドープ半導体層41に形成されるため、電子が走行するときに不純物による散乱を受けない。このため、GaAsFETなどよりも高速、高周波動作が可能であり、低雑音であるという特性が得られる。
In the HEMT 300t, a two-dimensional electron gas as shown by a broken line in FIG. 8 is generated in the
次に、本実施形態の半導体装置300の製造方法を図を参照しながら説明する。図9および図10は、本実施形態の半導体装置300の製造方法を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図9(a)に示す工程で、基板1上に、ノンドープ半導体層41、n型半導体層42、n+半導体層43、n−半導体層44およびn+半導体層45を順次エピタキシャル成長により形成する。
First, in the step shown in FIG. 9A, a
次に、図9(b)に示す工程で、n+半導体層45上にレジスト(図示せず)を形成し、このレジストをマスクとしたドライエッチングによって、基板をトランジスタ領域Rtと発振素子領域Rgとに分離し、基板1の表面を露出する凹部54を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 9B, a resist (not shown) is formed on the n +
次に、図9(c)に示す工程で、n+半導体層45上にレジスト(図示せず)を形成し、パターニングする。次いで、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、n−半導体層44およびn+半導体層45をパターニングする。このことによって、発振素子領域Rgに、n+半導体層43の表面を露出する凹部55を形成する。このとき、トランジスタ領域Rtのn−半導体層44およびn+半導体層45は除去される。
Next, in the step shown in FIG. 9C, a resist (not shown) is formed on the n +
次に、図10(a)に示す工程で、基板上にレジスト(図示せず)を形成し、パターニングする。次いで、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、トランジスタ領域Rtのn+半導体層43に、n型半導体層42の表面を露出する開口部56を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 10A, a resist (not shown) is formed on the substrate and patterned. Next, an
次に、図10(b)に示す工程で、電極46を凹部55内に露出されたn+半導体層43の表面上にリフトオフ法で形成する。同様に、電極47もn+半導体層45の表面上にリフトオフ法で形成する。電極48および49もまた、それぞれn型半導体層42およびn+半導体層43の表面上にリフトオフ法で形成する。
Next, in the step shown in FIG. 10B, the
以上の工程を経て、本実施形態の半導体装置300を製造することができる。
Through the above steps, the
本実施形態の半導体装置300は、HEMT300tと、ガンダイオード100gとが、同一基板上に形成された構造となっている。つまり、半導体装置300では、フリップチップ実装などによることなく、同一基板上にHEMT300tとガンダイオード100gとが実装される。従って、従来のガンダイオードに適用されるピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも、更なる集積化を実現することができる。また、本実施形態の半導体装置300では、従来のガンダイオードに適用されるピル型パッケージおよびフリップチップ実装よりも更なる集積化を実現できるため、伝送線路長を短縮することも可能である。
The
さらに、ガンダイオードをテラヘルツ帯域の回路で用いるためには、ガンダイオードの実装の際の精度のバラツキの許容範囲が、目的とする周波数の波長(3THzで300μm)と同程度となるが、本実施形態では、HEMTとガンダイオードとを同一基板上に同時に形成するため、上記の精度でガンダイオードを実装することは容易である。従って、本実施形態の半導体装置300のテラヘルツ帯域における特性のバラツキが抑制される。
Furthermore, in order to use the Gunn diode in a terahertz band circuit, the tolerance of accuracy variation when mounting the Gunn diode is about the same as the wavelength of the target frequency (300 μm at 3 THz). In the embodiment, since the HEMT and the Gunn diode are simultaneously formed on the same substrate, it is easy to mount the Gunn diode with the above accuracy. Therefore, variation in characteristics in the terahertz band of the
またさらに、本実施形態では、n−半導体層44の厚さを適宜設計することによって、所望の発振周波数を得ることができる。一般的な半導体装置の製造プロセスにおいて、n−半導体層44の厚さは、例えば、配線間の距離に比べて非常に小さくすることが容易である。従って、ガンダイオード300gをより高い周波数で動作させることが容易であり、非常に高い周波数で動作する半導体装置を提供することができる。
Furthermore, in this embodiment, a desired oscillation frequency can be obtained by appropriately designing the thickness of the n −
また、本実施形態の半導体装置300では、ガンダイオード300gが1つ設けられているが、これに限定されない。例えば、本実施形態の半導体装置300には、n−半導体層44の厚さの異なるガンダイオードを、基板1上のガンダイオード300gとは別の場所に形成することも可能である。このように構成された本実施形態の半導体装置300を、複数の異なる周波数を用いる通信方式で用いられる通信機器、あるいは複数の周波数帯域を切り替える通信機器などに用いることによって、通信機器を小型化できる。
In the
通常、HEMTでは、本実施形態の半導体装置300のように、2次元電子チャネルが形成されるチャネル層は単層のノンドープ半導体層を用いることが多い。しかし、本発明はこれに限らず、チャネル層をノンドープ半導体層41に代えて、バンドギャップの小さい半導体層をバンドギャップの大きい半導体層で挟み、電子をバンドギャップの小さい半導体層に閉じこめる積層構造としてもよい。
In general, a HEMT often uses a single non-doped semiconductor layer as a channel layer in which a two-dimensional electron channel is formed, as in the
また、電子供給層をn型半導体層42に代えて、不純物を局所的に導入したδドープ構造を有する半導体層を用いてもよい。
Further, instead of the n-
さらに、HEMT300tに代えて、電子供給層をチャネル層の上下に配置したダブルヘテロ構造を有するHEMTを用いてもよい。 Furthermore, instead of the HEMT 300t, a HEMT having a double hetero structure in which electron supply layers are arranged above and below the channel layer may be used.
(実施形態4)
本実施形態では、上記実施形態1〜3とは異なる構造を有する半導体装置を、図を参照しながら説明する。なお、簡単のために、上記実施形態1〜3と共通する構成要素は、同一の参照符号で示す。
(Embodiment 4)
In the present embodiment, a semiconductor device having a structure different from those of the first to third embodiments will be described with reference to the drawings. For the sake of simplicity, the same components as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals.
図11は、本実施形態の半導体装置を示す断面図である。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing the semiconductor device of this embodiment.
図11に示すように、本実施形態の半導体装置400は、トランジスタ領域Rtと発振素子領域Rgとを有する基板1と、基板1のトランジスタ領域Rt上に形成された高電子移動度トランジスタ(以下、HEMTと称する)400tと、基板1の発振素子領域Rg上に形成されたガンダイオード400gとを備える。
As shown in FIG. 11, the
HEMT400tは、基板1のトランジスタ領域Rt上に形成されたn型半導体層62Aと、n型半導体層62A上に形成されたノンドープ半導体層67と、ノンドープ半導体層67上に形成されたn型半導体層68と、n型半導体層68上に形成され、n型半導体層68よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層69と、n型半導体層68上に形成された電極71と、n+半導体層69上に形成された電極72と、から構成されている。特に、本実施形態では、n型半導体層62Aは、n−半導体層63と、n−半導体層63を挟むように上下に形成され、n−半導体層63よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層62およびn+半導体層64とからなる積層構造となっている。なお、電極71は、n型半導体層68にショットキー接触しており、ゲート電極として機能する。電極72は、n+半導体層69にオーミック接触しており、ソース・ドレイン電極と機能する。
The
ガンダイオード400gは、基板1の発振素子領域Rg上に形成され、n−半導体層63と、n−半導体層63を挟むように上下に形成され、n−半導体層63よりもn型不純物濃度が高いn+半導体層62およびn+半導体層64とからなる積層構造となっているn型半導体層62Aと、n+半導体層62上に形成された電極65と、n+半導体層64上に形成された電極66とから構成されている。なお、電極65および66は、n+半導体層62および64にそれぞれオーミック接触している。
The
バイポーラトランジスタ400tとガンダイオード400gとの両方が備えるn型半導体層62A(n+半導体層62、n−半導体層63およびn+半導体層64)のそれぞれは、後述する製造プロセスにおいて全く同じ工程で積層されたものであるため、共通する符号で表している。
Each of the n-
また、図示していないが、本実施形態の半導体装置400には、バイポーラトランジスタおよびガンダイオード以外に、高周波利用回路としてアンテナ、ショットキーダイオード、キャパシタおよび伝送線路(例えばフィルタ)などが形成されており、所望の機能が得られるよう適宜組み合わせられている。例えば、ショットキーダイオードは、上記いずれかの半導体層を利用して形成されている。
Although not shown, in the
ガンダイオード400gの動作は、上記実施形態1で説明したガンダイオード100gの動作と同様であり、HEMT400tの動作は、上記実施形態3で説明したHEMT400tの動作と同様であるので、ここでは説明を省略する。
The operation of the
次に、本実施形態の半導体装置400の製造方法を図を参照しながら説明する。図12および図13は、本実施形態の半導体装置400の製造方法を示す断面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図12(a)に示す工程で、基板1上に、n+半導体層62、n−半導体層63、n+半導体層64、ノンドープ半導体層67、n型半導体層68およびn+半導体層69を順次エピタキシャル成長により形成する。
First, in the process shown in FIG. 12A, an n +
次に、図12(b)に示す工程で、n+半導体層69上にレジスト(図示せず)を形成し、このレジストをマスクとしたドライエッチングによって、基板をトランジスタ領域Rtと発振素子領域Rgとに分離し、基板1の表面を露出する凹部54を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 12B, a resist (not shown) is formed on the n +
次に、図12(c)に示す工程で、n+半導体層69上にレジスト(図示せず)を形成し、パターニングする。次いで、このレジストをマスクとしたドライエッチングによって、トランジスタ領域Rtのn+半導体層69に、n型半導体層68の表面を露出する開口部75を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 12C, a resist (not shown) is formed on the n +
次に、図13(a)に示す工程で、基板上にレジスト(図示せず)を形成し、パターニングする。次いで、このレジストをマスクとしたドライエッチングにより、発振素子領域Rgのn+半導体層64およびn−半導体層63をパターニングすることによって、n+半導体層2の表面を露出する凹部76を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 13A, a resist (not shown) is formed on the substrate and patterned. Next, by patterning the n +
次に、図13(b)に示す工程で、電極65を凹部76内に露出されたn+半導体層62の表面上にリフトオフ法で形成する。同様に、電極66もn+半導体層64の表面上にリフトオフ法で形成する。電極71および72もまた、それぞれn型半導体層68およびn+半導体層69の表面上にリフトオフ法で形成する。
Next, in the step shown in FIG. 13B, the
以上の工程を経て、本実施形態の半導体装置400を製造することができる。
Through the above steps, the
本実施形態の半導体装置400は、上記実施形態3の半導体装置300と同様に、HEMT400tと、ガンダイオード400gとが、同一基板上に形成された構造となっており、上記実施形態3の半導体装置300とは基板1上に形成されている半導体層の構造が異なるだけである。従って、本実施形態によれば、上記実施形態3と全く同様の効果が得られる。
Similar to the
また、本実施形態においても、HEMT400tの2次元電子チャネルが形成されるチャネル層をノンドープ半導体層67に代えて、バンドギャップの小さい半導体層をバンドギャップの大きい半導体層で挟み、電子をバンドギャップの小さい半導体層に閉じこめる積層構造としてもよい。
Also in this embodiment, the channel layer in which the two-dimensional electron channel of the
また、電子供給層をn型半導体層68に代えて、不純物を局所的に導入したδドープ構造を有する半導体層を用いてもよい。
Further, instead of the n-
さらに、HEMT400tに代えて、電子供給層をチャネル層の上下に配置したダブルヘテロ構造を有するHEMTを用いてもよい。
Further, instead of the
(その他の実施形態)
上記実施形態1〜4に示されているガンダイオード100g〜400gは、いずれも最も同様の構造有するが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、ガン効果を生じるn型半導体として、発振特性を向上するために不純物濃度に傾斜を有するn型半導体層、不純物濃度の異なるn+半導体層を更に加えたりと、様々な構造が実用になっている。上記の各実施形態において、ガンダイオード100g〜400gの代わりに、これらの構造を有するガンダイオードを代わりに用いてもよい。
(Other embodiments)
The
ガンダイオードにおいて、ダイポールモードおよびハイブリッドモードが発生する不純物濃度は、図20に示される斜線部の領域であることが経験的に求められている。従って、図20に基づいて、用途毎にガンダイオードに求められる特性に応じて、上記で挙げたガンダイオード100g〜400gの各n−半導体層2、4、28、30、43、45、62および64n、ならびに各n+半導体層3、29、44および63の不純物濃度を適宜選択してもよい。
In the Gunn diode, the impurity concentration at which the dipole mode and the hybrid mode are generated is empirically required to be a shaded area shown in FIG. Therefore, based on FIG. 20, depending on the characteristics required for the Gunn diode for each application, each of the n-
さらに、各実施形態の半導体装置において、ガンダイオード100g〜400gの各n−半導体層2、4、28、30、43、45、62および64n、ならびに各n+半導体層3、29、44および63は、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体で、ガン効果を示すものであればいずれの材料で形成されていてもよい。具体的には、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体は、GaAs、InP、InSb、ZnSe、CdTe等、あるいは、これらの混晶である。なお、各n−半導体層2、4、28、30、43、45、62および64n、ならびに各n+半導体層3、29、44および63に導入されるn型不純物は、上記の各半導体層がInPから形成されている場合Si、S、Se等を、GaAsから形成されている場合S等を用いればよい。
Furthermore, in the semiconductor device of each embodiment, each n−
また、各n−半導体層2、4、28、30、43、45、62および64n、ならびに各n+半導体層3、29、44および63を、GaInAs系半導体にNを含む材料で形成してもよい。これは、GaInAs系半導体にNを導入することによって、GaInAs中の電子の飽和速度を小さくなり、発振素子の発信周波数が若干低下するが、発振素子の動作は安定性が増すからである。
Also, each n−
さらにまた、上記各実施形態では、基板1として、Feドープの半絶縁性InP、あるいはノンドープの半絶縁性GaAsで形成されたものを用いているが、これに限定されない。例えば、基板1として、ノンドープ半絶縁性GaAs基板等の半導体基板、セラミックス、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリイミド樹脂、液晶ポリマーなどで形成された基板を用いてもよい。特に、セラミックス、ベンゾシクロブテン(BCB)、ポリイミド樹脂、液晶ポリマーなどで形成された基板を母基板として用いる場合、半導体基板を母基板として用いた場合に比べて材料の入手が容易であり、製造コストを低減することができる。
Furthermore, in each of the above embodiments, the
また、本実施形態で説明した半導体装置100〜400では、ガンダイオード100g〜400gをそれぞれ用いているが、ガンダイオードに限られず、他の負性抵抗特性を示す2端子素子を用いることも可能である。他の負性抵抗特性を示す2端子素子としては、電子のなだれ現象を用いたIMPATTダイオード、負性抵抗特性を用いたトンネルダイオードが挙げられる。
In the
以下、本発明の実施例を説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明を限定するものではない。 Examples of the present invention will be described below. In addition, the Example shown below does not limit this invention.
(実施例1)
本実施例を、図11および図14を参照しながら説明する。図14は、上記実施形態4の半導体装置400の具体的な構成例を模式的に表す平面図である。
(Example 1)
The present embodiment will be described with reference to FIGS. 11 and 14. FIG. 14 is a plan view schematically illustrating a specific configuration example of the
図14に示す本実施例の半導体装置400は、ガンダイオード400gからの出力を、1/2波長伝送線路型のフィルタを通過させ、ショットキーダイオードからなる周波数てい倍器に入力し、周波数てい倍器で発生した発振周波数の2てい倍波を、ボウタイアンテナより空間に放射する。
In the
本実施例では、半導体装置400の基板1としてFeドープの半絶縁性InP基板が用いられており、フィルタ、周波数てい倍器、ボウタイアンテナ、ローパスフィルタ、バイアスパッドおよびラジアルスタブは、すべて基板1上に形成されている。また、基板1の下面には、接地面となる金属薄膜を形成して使用している。なお、本実施例では、周波数てい倍器を構成するHEMTが、半導体装置400のHEMT400tに対応する。
In this embodiment, a Fe-doped semi-insulating InP substrate is used as the
特に、本実施例のガンダイオード400gでは、n+半導体層62としてInP基板に格子整合するSiドープのInGaAs層(不純物濃度1X1019cm-3)、n−半導体層63としてSiドープのInGaAs層(不純物濃度1X1015〜1X1019cm-3)、さらにn+半導体層64としてSiドープのInGaAs層(不純物濃度1X1019cm-3)を用いている。ガン効果を生じるn−半導体層63のInGaAsの不純物濃度および膜厚は、使用発振周波数に応じて変更した。
In particular, in the
周波数てい倍器を構成するショットキーダイオードは、上記実施形態4の図13(b)にs示す工程と同様のプロセスにより形成した。HEMT400tのn+半導体層64は、ガンダイオードと共通であり、その上部にチャネル層となるノンドープ半導体層67として、ノンドープのInAlAsとInGaAsとからなる積層膜を形成した。さらに電子供給層となるn型半導体層68として、i−InAlAsとn−InAlAsとi−InAlAsとからなる積層膜を形成した。特に、この積層膜のうち、キャリアである電子を供給するn−InAlAsのn型不純物としてSiを(不純物濃度1X1018cm-3)で用いた。さらに製造上のエッチストップ層(不図示)としてInP層を形成し、最上部層にオーミックコンタクト用にSiドープのn−InGaAs層(不純物濃度1X1019cm-3)を形成している。
The Schottky diode constituting the frequency multiplier is formed by the same process as the process shown in FIG. 13B of the fourth embodiment. The n +
フィルタ、周波数てい倍器、ボウタイアンテナ、ローパスフィルタ、バイアスパッドおよびラジアルスタブは、Au薄膜を用いて形成した。また、半導体装置400における電極65、66、71および72と、n+半導体層62、64および69とのオーミック接触は、AuGeNi層を用いて電極65、66、71および72を形成し、窒素雰囲気中約300℃の熱処理により、接合抵抗を低減した。
The filter, frequency multiplier, bowtie antenna, low-pass filter, bias pad, and radial stub were formed using an Au thin film. The ohmic contact between the
半導体装置400の動作としては、ガンダイオード400gに印加される電圧が、ある閾値電界Ethより大きな電界において高周波発振特性を示した。またその周波数は直流電圧値により若干変化し、発振周波数の調整が可能であった。またこの高周波発振の2倍波がダイポールアンテナより放射されることが確認された。
As an operation of the
本実施例では、1つの基板上に、高周波で発振可能なガンダイオードと、周波数てい倍器、フィルタ、アンテナなどを集積しており、発振回路の小型化に有効であった。 In this embodiment, a Gunn diode capable of oscillating at a high frequency, a frequency multiplier, a filter, an antenna, and the like are integrated on one substrate, which is effective for downsizing the oscillation circuit.
また、半導体装置400は、同一の回路を複数作成する際に再現性よく製造できた。特にガンダイオードは、n−半導体層63の膜厚で動作周波数を設計することができる。このため、発振周波数を数百GHzとすることで、外部に照射する高周波をテラヘルツ領域にまで高めることができた。
Further, the
本実施例では、半絶縁性InP基板上に複数の半導体層をエピタキシャル成長しているので、その各層の結晶性が単結晶材料と同等であり、発振回路としての特性の向上に有効であった。ガンダイオード400gの発振周波数は、GaAs基板を用いたものに比べてより高い周波数での動作が可能であった。
In this embodiment, since a plurality of semiconductor layers are epitaxially grown on a semi-insulating InP substrate, the crystallinity of each layer is equivalent to that of a single crystal material, which is effective in improving the characteristics as an oscillation circuit. The operation frequency of the
(実施例2)
本実施例を、図8および図15を参照しながら説明する。図15は、上記実施形態3の半導体装置300の具体的な構成例を模式的に表す平面図である。
(Example 2)
This embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 15 is a plan view schematically illustrating a specific configuration example of the
図15に示す本実施例の半導体装置300は、高周波信号の受信を行なうものであり、ガンダイオード300gからの出力を、ローカル信号としている。半導体装置300では、ローカル信号は、1/2波長伝送線路型のフィルタを通過し、ショットキーダイオードミキサに入力される。一方、高周波信号は、空間からボウタイアンテナを通じてショットキーダイオードミキサに印加される。ここで、ローカル信号と混合されダウンコンバートされた中間周波数(IF)のIF信号は、ローパスフィルタを通り、IF増幅器により増幅されIF信号出力端子から取り出される。
The
本実施例では、半導体装置300の基板1としてFeドープの半絶縁性InP基板が用いられており、フィルタ、ショットキーダイオードミキサ、ボウタイアンテナ、ローパスフィルタ、バイアスパッドおよびラジアルスタブは、すべて基板1上に形成されている。また、基板1の下面には、接地面となる金属薄膜を形成して使用している。なお、本実施例では、IF増幅器およびショットキーダイオードミキサを構成する各HEMTが、半導体装置300のHEMT300tに対応する。
In this embodiment, a Fe-doped semi-insulating InP substrate is used as the
IF増幅器およびショットキーダイオードミキサは、HEMT300tを構成する共通の半導体層(ノンドープ半導体層41、n型半導体層42およびn+半導体層43)を用いて形成されている。
The IF amplifier and the Schottky diode mixer are formed using a common semiconductor layer (
フィルタ、ボウタイアンテナ、ローパスフィルタ、バイアスパッドおよびラジアルスタブは、すべて基板1上に形成されている。また、基板1の下面には、接地面となる金属薄膜を形成して使用している。
The filter, the bow tie antenna, the low-pass filter, the bias pad, and the radial stub are all formed on the
特に、本実施例のHEMT300tであるIF増幅器およびショットキーダイオードミキサは、InP基板上のノンドープ半導体層41として、バッファ層となるノンドープi−InAlAsと、その上に形成されたチャネル層となるノンドープi−InGaAsと、さらにその上に形成されたスペーサ層としてノンドープi−InAlAs層とからなる積層膜を備える。電子供給層であるn型半導体層42としては、Siドープn−InAlAs層(不純物濃度5X1018cm-3)と、さらにその上にノンドープi−InAlAs層を順次形成した。n型半導体層42の上には、製造上のエッチストップ層としてノンドープi−InP層を形成し、さらにその上にキャップ層であるn+半導体層43となるSiドープのn−InGaAs層(不純物濃度1X1019cm-3)を形成した。
In particular, the IF amplifier and the Schottky diode mixer, which are the HEMT 300t of the present embodiment, include a non-doped i-InAlAs serving as a buffer layer and a non-doped i serving as a channel layer formed thereon as the
本実施例のガンダイオード300gでは、n+半導体層43としてHEMT300tのキャップ層と同じSiドープのn−InGaAs層(不純物濃度1X1019cm-3)を、n−半導体層44としてn−InGaAs層(不純物濃度1X1015〜1X1019cm-3)を、n+半導体層45としてn+−InGaAs層(不純物濃度1X1019cm-3)を用いた。ガン効果を生じるn−半導体層44のn−InGaAs層の不純物濃度および膜厚は、使用発振周波数に応じて変更した。
In the
フィルタ、ボウタイアンテナ、ローパスフィルタ、バイアスパッドおよびラジアルスタブは、Au薄膜を用いて形成した。また、半導体装置300における電極46、47および49と、n+半導体層43および47とのオーミック接触は、AuGeNi層を用いて電極46、47および49を形成し、窒素雰囲気中約300℃の熱処理により、接合抵抗を低減した。
The filter, bow tie antenna, low pass filter, bias pad, and radial stub were formed using an Au thin film. The ohmic contact between the
半導体装置300の動作としては、ガンダイオード300gに印加される電圧が、ある閾値電界Ethより大きな電界において高周波発振特性を示した。またその周波数は直流電圧値により若干変化し、発振周波数の調整が可能であった。また、この高周波発振をローカル信号として、外部からアンテナを通じて入力されるミリ波信号とのミキシングすることによって得られるIF信号はIF増幅器で増幅され、IF信号出力端子から取り出すことができた。
As an operation of the
本実施例では、1つの基板上に、高周波で発振可能なガンダイオードと、フィルタ、ショットキーダイオードミキサ、ボウタイアンテナなどを集積しており、受信用回路の小型化に有効であった。 In this embodiment, a Gunn diode capable of oscillating at a high frequency, a filter, a Schottky diode mixer, a bow tie antenna, and the like are integrated on one substrate, which is effective for downsizing the receiving circuit.
また、半導体装置300は、同一の回路を複数作成する際に再現性よく製造できた。特にガンダイオード300gは、n−半導体層44の膜厚で動作周波数を設計することができる。このため、この発振周波数を数百GHzとすることで、受信信号としてテラヘルツ領域にわたる超高周波をダウンコンバートすることができた。
In addition, the
本実施例では、半絶縁性InP基板上に複数の半導体層をエピタキシャル成長しているので、その各層の結晶性が単結晶材料と同等であり、発振回路としての特性の向上に有効であった。ガンダイオード300gの発振周波数は、GaAs基板を用いたものに比べてより高い周波数での動作が可能であった。
In this embodiment, since a plurality of semiconductor layers are epitaxially grown on a semi-insulating InP substrate, the crystallinity of each layer is equivalent to that of a single crystal material, which is effective in improving the characteristics as an oscillation circuit. The oscillation frequency of the
(実施例3)
本実施例を、図8および図16を参照しながら説明する。図16に上記実施形態3の半導体装置300の、別の具体的な構成例を模式的に表す平面図である。
(Example 3)
This embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a plan view schematically showing another specific configuration example of the
図16に示す本実施例の半導体装置300は、ミリ波帯の高周波信号の受信を行なうものであり、ガンダイオード300gからの出力を、ローカル信号としている。半導体装置300では、ローカル信号は、1/2波長伝送線路型のフィルタを通過し、FETミキサに入力される。一方、ミリ波信号は空間からパッチアンテナにより受信され、低雑音増幅器により増幅される。次に、フィルタを通して不要信号を除去した後、FETミキサにてローカル信号と周波数混合され、ダウンコンバートされたIF信号がIFフィルタを通過してIF信号出力端子から出力される。
A
本実施例では、半導体装置300の基板1としてFeドープの半絶縁性InP基板が用いられており、フィルタ、FETミキサ、パッチアンテナ、IFフィルタ、バイアスパッドおよびラジアルスタブは、すべて基板1上に形成されている。また、基板1の下面には、接地面となる金属薄膜を形成して使用している。なお、本実施例では、FETミキサおよび低雑音増幅器を構成する各HEMTが、半導体装置300のHEMT300tに対応する。
In this embodiment, a Fe-doped semi-insulating InP substrate is used as the
FETミキサおよび低雑音増幅器は、HEMT300tを構成する共通の半導体層(ノンドープ半導体層41、n型半導体層42およびn+半導体層43)を用いて上記実施形態3に従って形成した。
The FET mixer and the low noise amplifier were formed according to the third embodiment using the common semiconductor layers (
本実施例の半導体装置300の各半導体層の構成は、上記実施例2と全く同じである。
The configuration of each semiconductor layer of the
フィルタ、パッチアンテナ、IFフィルタ、バイアスパッドおよびラジアルスタブは、Au薄膜を用いて形成した。また、半導体装置300における電極46、47および49と、n+半導体層43および47とのオーミック接触は、AuGeNi層を用いて電極46、47および49を形成し、窒素雰囲気中約300℃の熱処理により、接合抵抗を低減した。
The filter, patch antenna, IF filter, bias pad, and radial stub were formed using an Au thin film. The ohmic contact between the
半導体装置300の動作としては、ガンダイオード300gに印加される電圧が、ある閾値電界Ethより大きな電界において高周波発振特性を示した。またその周波数は直流電圧値により若干変化し、発振周波数の調整が可能であった。また、この高周波発振をローカル信号として、外部からアンテナを通じて入力されるミリ波信号とのミキシングすることによって得られるIF信号はIF増幅器で増幅され、IF信号出力端子から取り出すことができた。
As an operation of the
本実施例では、1つの基板上に、高周波で発振可能なガンダイオードと、低雑音増幅器、IF増幅器、FETミキサ、フィルタ、さらにはアンテナなどを集積しており、受信用回路の小型化に有効であった。 In this embodiment, a Gunn diode that can oscillate at high frequency, a low-noise amplifier, an IF amplifier, an FET mixer, a filter, and an antenna are integrated on a single substrate, which is effective for downsizing the receiving circuit. Met.
また、半導体装置300は、同一の回路を複数作成する際に再現性よく製造できた。特にガンダイオード300gは、n−半導体層44の膜厚で動作周波数を設計することができる。例えば、発振周波数を55〜80GHzとすることで、受信信号として60GHz帯あるいは77GHz帯のミリ波領域にわたる高周波をダウンコンバートすることができた。
In addition, the
本実施例では、半絶縁性InP基板上に複数の半導体層をエピタキシャル成長しているので、その各層の結晶性が単結晶材料と同等であり、発振回路としての特性の向上に有効であった。ガンダイオード300gの発振周波数は、GaAs基板を用いたものに比べてより高い周波数での動作が可能であった。
In this embodiment, since a plurality of semiconductor layers are epitaxially grown on a semi-insulating InP substrate, the crystallinity of each layer is equivalent to that of a single crystal material, which is effective in improving the characteristics as an oscillation circuit. The oscillation frequency of the
(実施例4)
本実施例を、図5および図17を参照しながら説明する。図17に上記実施形態2の半導体装置200の具体的な構成例を模式的に表す平面図である。
Example 4
This embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 17 is a plan view schematically showing a specific configuration example of the
図17に示す本実施例の半導体装置200は、ミリ波帯の高周波信号の送信を行なうものであり、IF信号増幅用のドライバ増幅器と、アップコンバート用のFETミキサと、送信増幅器とが同一基板上に集積化されたものである。
A
ドライバ増幅器の出力信号は、IF信号出力端子を介して半導体装置200の外部に一旦取り出し、誘電体共振器などのフィルタを通して不要信号を除去した後、再びIF信号入力端子から半導体装置200に導入される。この出力信号とガンダイオード200gからの出力とをローカル信号とし、アップコンバート用のFETミキサでアップコンバートした後の高周波信号を、さらにフィルタで帯域制限をかけ、送信増幅器により増幅し、パッチアンテナにより空間に放射する。
The output signal of the driver amplifier is once taken out of the
本実施例では、半導体装置200の基板1としてFeドープの半絶縁性InP基板が用いられており、フィルタ、パッチアンテナは、すべて基板1上に形成されている。また、基板1の下面には、接地面となる金属薄膜を形成して使用している。ドライバ増幅器、FETミキサ、送信増幅器は、すべてHBT(ヘテロバイポーラトランジスタ)を用いて構成されており、いずれもバイポーラトランジスタ200tに対応する。
In this embodiment, a Fe-doped semi-insulating InP substrate is used as the
バイポーラトランジスタ200tは、n型半導体層22としてn+−InP層で、n型半導体層23としてn−InGaAs層で、p型半導体層24としてZnドープのp+−InGaAs層で、n−半導体層27としてSiドープn−InP層(不純物濃度5X1018cm-3)で、n+半導体層28としてSiドープのn+−InP層(不純物濃度1X1019cm-3)で形成されている。
The
ガンダイオード200gは、n−半導体層27としてSiドープn−InP層(不純物濃度5X1018cm-3)で、n+半導体層28としてSiドープのn+−InP層(不純物濃度1X1019cm-3)で、n−半導体層29としてn−InGaAs層(キャリア密度1X1015〜1X1019cm-3)で、n+半導体層30としてSiドープのn+−InP層(不純物濃度1X1019cm-3)で形成されている。
The
フィルタ、パッチアンテナは、Au薄膜を用いて形成した。また、半導体装置200における電極25、26、31、32および33と、n+半導体層22、24、28および30とのオーミック接触は、AuGeNi層を用いて電極25、26、31、32および33を形成し、窒素雰囲気中約300℃の熱処理により、接合抵抗を低減した。
The filter and patch antenna were formed using an Au thin film. The ohmic contact between the
本実施例では、1つの基板上に、高周波で発振可能なガンダイオードと、IF信号増幅用のドライバ増幅器と、アップコンバート用のFETミキサと、送信増幅器などを集積しており、送信用回路の小型化に有効であった。 In this embodiment, a Gunn diode that can oscillate at a high frequency, a driver amplifier for IF signal amplification, an FET mixer for up-conversion, a transmission amplifier, and the like are integrated on a single substrate. It was effective for miniaturization.
また、半導体装置200は、同一の回路を複数作成する際に再現性よく製造できた。特にガンダイオード200gは、n−半導体層29の膜厚で動作周波数を設計することができる。例えば、発振周波数を50GHz〜90GHz程度とすることで、送信信号として60GHz帯あるいは77GHz帯のミリ波を送信することができた。
Further, the
本実施例では、半絶縁性InP基板上に複数の半導体層をエピタキシャル成長しているので、その各層の結晶性が単結晶材料と同等であり、発振回路としての特性の向上に有効であった。ガンダイオード200gの発振周波数は、GaAs基板を用いたものに比べてより高い周波数での動作が可能であった。
In this embodiment, since a plurality of semiconductor layers are epitaxially grown on a semi-insulating InP substrate, the crystallinity of each layer is equivalent to that of a single crystal material, which is effective in improving the characteristics as an oscillation circuit. The operation frequency of the
HBTはHEMTに対して、アライメント精度が1ミクロン程度のフォトリソグラフィー手法を用いても高周波動作可能な増幅器を作成でき、実用上有用である。本実施例は、ベースにInGaAs、エミッタにInPを用いたが、ベースにGaAsSb、コレクタとエミッタにInPを用いたダブルヘテロ構造を用いても有効であった。 The HBT is practically useful because it can produce an amplifier capable of high-frequency operation with respect to the HEMT even when using a photolithography technique with an alignment accuracy of about 1 micron. In this example, InGaAs was used for the base and InP was used for the emitter, but it was also effective to use a double heterostructure using GaAsSb for the base and InP for the collector and emitter.
なお、実施例1〜4において高周波伝送線路がマイクロストリップ線路である高周波回路を説明したが、本発明はこれに限定されず、マイクロストリップ線路の代わりに、電気伝導性薄膜を用いたコプレーナ伝送線路またはスロットラインを用いてもよい。特に、コプレーナ伝送線路は基板1の下面に接地面を持たないので、基板1の下面の加工や接地面形成の工程がなく、製造コストを下げる上で有利である。
In addition, although the high frequency circuit whose high frequency transmission line is a microstrip line was demonstrated in Examples 1-4, this invention is not limited to this, The coplanar transmission line using an electroconductive thin film instead of a microstrip line Alternatively, a slot line may be used. In particular, since the coplanar transmission line does not have a ground surface on the lower surface of the
本発明は、マイクロ波帯域からミリ波帯域、さらにはテラヘルツの周波数帯域での動作が必要な高周波機器などに有用である。 The present invention is useful for a high-frequency device or the like that needs to operate in a microwave band, a millimeter wave band, or a terahertz frequency band.
1 基板
2、4 n+半導体層
2A n型半導体層2A
3 n−半導体層
5、6、11、12、13 電極
7 n型半導体層
8 p型半導体層
9 n−半導体層
9A n型半導体層
10 n+半導体層
13 ドメイン
14、15、35、54、55、76 凹部
22、23、27A、29A n型半導体層
24 p型半導体層
27、29 n−半導体層
28、30 n+半導体層
25、26、31、32、33 電極
41 ノンドープ半導体層
42 n型半導体層
43、45 n+半導体層
44 n−半導体層
46、47、48、49 電極
62A n型半導体層
62、64 n+半導体層
63 n−半導体層
65、66、71、72 電極
67 ノンドープ半導体層
68 n型半導体層
69 n+半導体層
100、200、300、400 半導体装置
100t、200t バイポーラトランジスタ
300t、400t HEMT
100g、200g、300g、400g ガンダイオード
1
3 n-
100g, 200g, 300g, 400g Gunn diode
Claims (11)
上記発振素子領域上に形成された発振素子と、
上記トランジスタ領域に形成されたトランジスタと、
を備える、半導体装置。 A substrate having an oscillation element region and a transistor region;
An oscillation element formed on the oscillation element region;
A transistor formed in the transistor region;
A semiconductor device comprising:
上記発振素子は、閃亜鉛構造を有する直接遷移型の化合物半導体で形成されたn型半導体層と、1対の電極とから構成されるガンダイオードである、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The oscillation device is a semiconductor device, which is a Gunn diode composed of an n-type semiconductor layer formed of a direct transition type compound semiconductor having a zinc flash structure and a pair of electrodes.
上記n型半導体層は、GaAs、InP、InSb、ZnSeおよびCdTeからなる群から選択される1種類の化合物半導体、あるいは少なくとも2種類の化合物半導体の混晶から形成されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
The semiconductor device, wherein the n-type semiconductor layer is formed of one type of compound semiconductor selected from the group consisting of GaAs, InP, InSb, ZnSe, and CdTe, or a mixed crystal of at least two types of compound semiconductors.
上記n型半導体層は、GaInNAsから形成されている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
The n-type semiconductor layer is a semiconductor device formed of GaInNAs.
上記トランジスタは、ヘテロ構造電界効果トランジスタである、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the transistor is a heterostructure field effect transistor.
上記トランジスタは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタである、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device is a heterojunction bipolar transistor.
上記トランジスタ領域に位置する上記第2半導体層を除去した後、上記発振素子領域上に位置する上記第1半導体層と上記第2半導体層とを用いて発振素子を形成する工程(b)と、
上記トランジスタ領域に位置する上記第1半導体層を用いてトランジスタを形成する工程(c)と、
を含む、半導体装置の製造方法。 A step (a) of sequentially forming a first semiconductor layer and a second semiconductor layer on a substrate having a transistor region and an oscillation element region by epitaxial growth;
(B) forming an oscillation element using the first semiconductor layer and the second semiconductor layer located on the oscillation element region after removing the second semiconductor layer located in the transistor region;
Forming a transistor using the first semiconductor layer located in the transistor region (c);
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
上記第2半導体層は、GaAs、InP、InSb、ZnSeおよびCdTeからなる群から選択される1種類の化合物半導体、あるいは少なくとも2種類の化合物半導体の混晶から形成されているn型半導体から形成されており、
上記発振素子は、ガンダイオードである、半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 8,
The second semiconductor layer is formed of one type of compound semiconductor selected from the group consisting of GaAs, InP, InSb, ZnSe, and CdTe, or an n-type semiconductor formed of a mixed crystal of at least two types of compound semiconductors. And
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the oscillation element is a Gunn diode.
上記発振素子領域に位置する上記第2半導体層を除去した後、上記トランジスタ領域上に位置する上記第1半導体層と上記第2半導体層とを用いてトランジスタを形成する工程(b)と、
上記発振素子領域に位置する上記第1半導体層を用いて発振素子を形成する工程(c)と、
を含む、半導体装置の製造方法。 A step (a) of sequentially forming a first semiconductor layer and a second semiconductor layer on a substrate having a transistor region and an oscillation element region by epitaxial growth;
(B) forming a transistor using the first semiconductor layer and the second semiconductor layer located on the transistor region after removing the second semiconductor layer located on the oscillation element region;
Forming an oscillation element using the first semiconductor layer located in the oscillation element region (c);
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
上記第1半導体層は、GaAs、InP、InSb、ZnSeおよびCdTeからなる群から選択される1種類の化合物半導体、あるいは少なくとも2種類の化合物半導体の混晶から形成されているn型半導体から形成されており、
上記発振素子は、ガンダイオードである、半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 10,
The first semiconductor layer is formed of one type of compound semiconductor selected from the group consisting of GaAs, InP, InSb, ZnSe, and CdTe, or an n-type semiconductor formed of a mixed crystal of at least two types of compound semiconductors. And
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the oscillation element is a Gunn diode.
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---|---|---|---|---|
JP2008099215A (en) * | 2006-10-16 | 2008-04-24 | Sharp Corp | Planar low-pass filter, semiconductor device, down-converter and receiver |
US9236833B2 (en) | 2013-01-16 | 2016-01-12 | Canon Kabushiki Kaisha | Electromagnetic wave generation device and detection device |
-
2003
- 2003-11-10 JP JP2003379722A patent/JP2005142476A/en active Pending
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