[发明专利]耿氏二极管、非辐射性介质波导耿氏振荡器及其制造方法和其安装结构

说明书

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/V sec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。