JP3999944B2 - Heterojunction bipolar transferred electron transistor, and voltage controlled frequency variable oscillator, injection locking oscillator, self-oscillating mixer, and receiver using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、III‐V化合物半導体素子から成るヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード、および、それを用いた電圧制御周波数可変発振器,注入同期発振器,自己発振ミキサ,受信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、下記先行文献に記載されているように高周波発振器あるいは自励発振ミキサとして動作する。
先行文献
“Demonstration of a 77-GHz Heterojunction Bipolar Transferred Electron Device”,J.K.Twynam, M.Yagura, N.Takahashi, E.Suematsu and H.Sato, IEEE Electron Device Lett.21(01),pp.2-4,2000.
【0003】
従来のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、べース領域に隣接した単一のカソード領域を有している。そのために、高い発振出力パワーを得るためには高い動作電流を必要とし、広いカソード領域が必要である。しかしながら、カソード領域の面積を増加させるとデバイスの性能の劣化を招くという問題がある。図26に、長さL,幅Wの矩形カソード層3を持つ従来のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの一例を示す。図26において、金属ベースオーミック接触電極5は、デバイスの動作に重要な低ベース抵抗を与えるようにカソード層3を取り巻いて形成されている。
【0004】
図27は、図26における矩形のカソード層3の幅WをW'に増大して、カソード面積が増加されたヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを示す。図28は、図26における矩形のカソード層3の長さLをL'に増大して、カソード面積が増大されたヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを示す。尚、図26〜図28において、1はn型半導体アノード層、2はp型半導体ベース層、3はn型半導体カソード層、4は金属アノードオーミック接触電極、5は金属ベースオーミック接触電極、6は金属カソードオーミック接触電極、7は金属第2アノード電極、8は金属第2べース電極、9は金属第2カソード電極である。また、図26〜図28においては、活性層は半導体ベース層2の下側に在って隠れている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のカソード領域が単一であるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードには、以下のような問題がある。すなわち、先ず、図27に示すヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、n型半導体カソード層3の幅Wが増大しているため、低ベース抵抗を与えるようにn型半導体カソード層3を取り巻いて形成されている金属ベースオーミック接触電極5の面積も大きくなる。したがって、熱抵抗の増大と共に、素子の効率的動作に重要なベース抵抗が増大するという問題がある。また、図28に示すヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、n型半導体カソード電極3の電極長Lが増大しているため、低ベース抵抗を与えるようにn型半導体カソード電極3を取り巻いて形成されている金属ベースオーミック接触電極5の長さも長くなる。したがって、金属ベースオーミック接触電極5を電流が流れる経路の長さが増加し、そのために素子のベース抵抗が増大するという問題がある。
【0006】
そこで、この発明の目的は、ベース抵抗および熱抵抗が低く且つ高い発振出力パワーを得ることができるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード、および、それを用いた電圧制御周波数可変発振器,注入同期発振器,自己発振ミキサ,受信装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第1の発明は、
半導体アノード層,半導体活性層,半導体ベース層および半導体カソード層が順次積層されて成るヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体カソード層は、複数のカソード領域に分割されており、
上記半導体ベース層と半導体活性層との界面の延在方向に互いに隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の間隔は、上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの2倍以下である
ことを特徴としている。
【0008】
上記構成によれば、半導体ベース層上に形成された半導体カソード層は、複数のカソード領域に分割されている。したがって、上記カソード領域と半導体ベース層との界面が小さくなって熱抵抗が低くなる。また、上記カソード領域直下の活性ベース領域とその近辺の不活性ベース領域とが小さくなってベース抵抗が低くなる。
【0009】
さらに、上記半導体ベース層と半導体活性層との界面の延在方向に互いに隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の間隔を、上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの2倍以下にしている。したがって、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って、高い発振出力パワーが得られる。
【0010】
また、第1の実施例は、
上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記複数のカソード領域は、単一の半導体ベース層上に隣接して形成すると共に、互いに金属電極で電気的に接続されていることを特徴としている。
【0011】
この実施例によれば、上記複数のカソード領域が互いに金属電極で電気的に接続されて、1つの半導体カソード層として機能する。こうして、半導体カソード層の実質的な面積増加が図られて、各カソード領域における最も狭い部分の間隔が上記半導体活性層の厚さの2倍以下であれば、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインは結合し、同期発振が起って、高い発振出力パワーが得られる。また、各カソード領域の上記間隔が上記半導体活性層の厚さの2倍よりも大きい場合には、外部Q値の高い共振回路を接続することによって上記各ガンドメインは同期伝播されて、高い発振出力パワーが得られる。
【0012】
また、第2の実施例は、
上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域と半導体ベース層との界面は矩形であることを特徴としている。
【0013】
この実施例によれば、上記夫々のカソード領域と半導体ベース層との界面が矩形であるため、互いに隣接するカソード領域における最も狭い部分の領域が上記矩形の一辺に亙って長く得られる。したがって、上記複数のカソード領域を互いに金属電極で電気的に接続することによって、上記最も狭い部分の間隔が上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの2倍以下である場合には、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインのカップリングがより強くなり、より高い発振出力パワーが得られる。さらに、デバイスの作成が容易になる。
【0014】
また、第3の実施例は、
上記第2の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域は、長辺と短辺とを有する矩形状に成すと共に、上記長辺を他のカソード領域の上記の長辺に隣接させて配列されていることを特徴としている。
【0015】
この実施例によれば、矩形のカソード領域が、その長辺を他のカソード領域の長辺に隣接させて配列されている。したがって、互いの短辺を隣接させて配列される場合に比して、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインのカップリングが強くなり、同期発信が発生し易くなる。
【0016】
また、第4の実施例は、
上記第3の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域は、長手方向に2列に配列されていることを特徴としている。
【0017】
この実施例によれば、上記各カソード領域が、その長手方向に2列に配列されているので熱抵抗が低くなる。
【0018】
また、第5の実施例は、
上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっていることを特徴としている。
【0019】
この実施例によれば、上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度に傾斜が設けられているので、電子の走行方向(深さ方向)への電流密度分布が相殺されて素子内の時間平均電界強度がある程度一定になる。こうして、効率と出力パワーとが高められる。
【0020】
また、第6の実施例は、
上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層は少なくとも2層から成り、そのうちの1層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっていることを特徴としている。
【0021】
この実施例によれば、少なくとも2層から成る上記半導体活性層の1層における不純物ドーピング濃度に傾斜が設けられているので、効率と出力パワーとが高められる。
【0022】
また、第7の実施例は、
上記第5の実施例あるいは第6の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度の減少は、上記半導体ベース層側からの距離に対して比例することを特徴としている。
【0023】
この実施例によれば、上記効率と出力パワーとがさらに高められる。
【0024】
また、第8の実施例は、
上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおいて、
上記各カソード領域上にバラスト層を積層したことを特徴としている。
【0025】
上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードでは、ガンダイオードや米国特許第3918009号に開示されているモノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合と異なり、熱によって正のフィードバック(温度上昇によって電流が増加し更に温度上昇を招く)が生じて電流集中(素子内での温度のばらつきにより電流のばらつきが生じそれが正のフィードバックで増幅されて素子内で電流密度に大きな分布を生じてしまうこと)が生じる。
【0026】
この実施例によれば、上記各カソード領域上にはバラスト抵抗が積層されている。したがって、上述したような上記各カソード領域内および各カソード領域間の平面的な温度分布による電流集中が防止され、素子全体の時間平均電界強度が一定になる。こうして、発振強度の低下が防止されて安定した高出力の発振出力が得られるのである。
【0027】
また、第2の発明の電圧制御周波数可変発振器は、
上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴としている。
【0028】
ガン発振素子の場合、その発振周波数は主に活性層の長さと電子の飽和速度によって決まっているが、バイアス電圧を変化させることで飽和速度を変化させて発振周波数を変えることができる。例えば、ガンダイオードの場合には、カソード‐アノード間の電圧を変化させることによって電圧制御周波数可変発振器として機能するのであるが、上記電圧の変化に伴って電流も大きく変動してしまう。その結果、消費電流および出力パワーが同時に変動することになり、電圧制御周波数可変発振器としての特性としては悪くなる。また、米国特許第3918009号に開示されているモノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合は、カソード‐アノード間にバイアス電圧を掛けるため、ベース‐アノード間の電圧が変化してアノード電流が変化し、消費電流および出力パワーが同時に変動することになる。
【0029】
上記構成によれば、電圧制御周波数可変発振器を、上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。ここで、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、アノード電流はベース‐カソード間の電圧で制御されるようになっており、ベース‐アノード間の電圧には殆ど依存しない性質を有している。したがって、ベース‐アノード間の電圧を変化させることによって、アノード電流を変化させずに発振周波数を変えることができ、発振周波数に対して発振出力の変動が少ない良好な特性の電圧制御周波数可変発振器が得られる。
【0030】
また、第3の発明の注入同期発振器は、
上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴としている。
【0031】
ガン発振素子は、素子の電圧条件や電流条件によって発振周波数や発振出力が変動する。そして、同期信号が注入されると上記動作条件が変動するため、発振周波数の同期信号周波数の整数倍への引き込みが生じる。ガンダイオードの場合には、カソード‐アノード間に同期信号を注入するのであるが、上述したように同期信号の電力でガンダイオードの動作条件が影響を受ける必要があるので注入信号は大きな電力が必要である。
【0032】
上記構成によれば、注入同期発振器を、上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。ここで、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合、ベース‐カソード間への同期信号の入力がアノード電流の増幅を齎すので、同じ電力の注入信号で上記ガンダイオードに比してベース‐アノード間の電圧および電流を大きく変化させることができる。したがって、同じ発振出力を得るのであれば、上記ガンダイオードに比して注入信号の電力を小さくすることが可能になる。または、一定の注入信号の強度によって、上記ガンダイオードに比して注入同期できる周波数引き込み可能周波数を広く取ることが可能になる。
【0033】
さらに、上記ガンダイオードの場合には、発振出力が同期信号源に逆流して同期信号源の位相雑音を増加させる場合がある。また、米国特許第3918009号に開示されているモノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、同期信号をゲート端子から入力するので上記ガンダイオードの場合よりはアノードからゲートヘのアイソレーションが良好であり、同期信号源への発振出力の逆流が少ない。しかしながら、やはり充分ではなくフィルタやバッファアンプによる逆流防止が必要となる。
【0034】
上記構成によれば、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは上記バイポーラトランジスタで言うところのアーリー電圧として非常に大きい値を有しているので、アノードからカソードヘのアイソレーションが非常に良好である。したがって、カソード側への発振信号の逆流が効果的に防止され、ベースを接地しカソードから同期信号を入力すると、発振出力が同期信号源に逆流することが無く、位相雑音が増加することは無い。
【0035】
また、第4の発明の自己発振ミキサは、
上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いたことを特徴としている。
【0036】
ガン発振素子は、素子の電圧条件や電流条件によって発振出力が変動することを利用して、発振器とミキサ機能とを兼ね備えた自己発振ミキサを構成することが可能である。ガンダイオードの場合には、入出力が同じカソード‐アノード間に生ずるので各信号間のアイソレーションが悪く、2端子素子であるから変換利得はない。また、米国特許第3918009号に開示されているモノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、上記ガンダイオードの場合よりはアノードからゲートヘのアイソレーシヨンが良好ではあるが充分ではなく、フィルタやバッファアンプによる逆流防止を行わないと大きなローカル信号で入力側のアンプを飽和させてしまう場合がある。
【0037】
上記構成によれば、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは上記バイポーラトランジスタで言うところのアーリー電圧として非常に大きい値を有しているので、アノードからカソードヘのアイソレーションが非常に良好である。したがって、カソード側への発振信号の漏洩をなくすることができ、べースを接地してカソードから入力信号を入力するようにすると、発振出力からのアイソレーションが容易に可能となる。
【0038】
さらに、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードのベース‐カソード間への同期信号の入力はアノード電流への増幅作用を有しているので、変換利得が得られる場合がある。また、通常のトランジスタを用いたミキサの場合には、トランジスタの高周波特性がミキサの変換効率に影響するため、トランジスタにおける信号の遅延時間(主にコレクタ層の遅延時間)で高周波特性に限界が生じている。しかしながら、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合には、カソード‐ベース間の遅延時間(極めて小さい)が高周波信号の限界を決めているため、応答時間が速くより高周波での使用が可能となる。
【0039】
また、第5の発明の受信装置は、
上記第4の発明の自己発振ミキサを用いたことを特徴としている。
【0040】
30GHz以上の周波数帯域における通信の場合には、容易に広帯域の通信が可能であり、電波が遠くまで届かない性質があるために、比較的自由に構内や家庭内のデータや画像等の広帯域通信に用いることができる。しかしながら、30GHz以上の周波数帯域では増幅素子の利得が小さく部品価格も高いため、できるだけ部品が比較的容易に手に入る低い中間周波数、できれば1GHzから2GHz程度の中間周波数での回路で増幅を行なうようにする場合が多い。そのために、受信機においては中間周波数が送信周波数の5%以下のものを含むようになり、ローカル発振周波数と高周波信号周波数とが近接してしまう。そのため、受信機ではミキサ部からのローカル信号の漏洩をフィルタやアンテナで防止することが困難となる。
【0041】
上記構成によれば、受信機に上記第4の発明の自己発振ミキサを用いているため、ローカル発振周波数の高周波信号入力ヘの漏洩が無い。したがって、優れた受信機が得られるのである。
【0042】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード発振器またはミキサにおいて、ガン発振は活性層で起こり、発振信号はアノード電極とベース電極(通常は接地)との間に現れる。
【0043】
カソード電極は素子に直流バイアスを印加する働きを有しているが、殆ど完全に高周波信号から分離されている。図4に、ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード素子の模式的断面図を示す。図4において、11はn型半導体アノード層、12はn型活性層、13はp型半導体ベース層、14はn型半導体カソード層である。そして、n型半導体カソード層14直下のp型半導体ベース層13に直接隣接しているn型活性層12でガンドメインは発生し、40度の角度で広がりつつn型活性層12を横切って移動する。図4における矢印は電子の流れである。
【0044】
(参考例)
図1は、本参考例における2つのカソード層を有する2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける動作中の断面図である。図1において、15はn+型GaAsアノード層であり、16はn型GaAs活性層であり、17はp+型GaAsベース層であり、18は第1n型AlGaAsカソード層であり、19は第2n型AlGaAsカソード層である。
【0045】
上記第1n型AlGaAsカソード層18と第2n型AlGaAsカソード層19とは空間的にn型GaAs活性層16の厚さの2倍より大きい距離だけ離れており、夫々のn型AlGaAsカソード層18,19直下のn型GaAs活性層16で発生したガンドメイン間に相互作用は無い。ここで、n型GaAs活性層16中における曲線は素子動作中における等電子濃度点を結んで得られた等高線であり、2次元デバイスシミュレータによって得たものである。尚、20は伝播している第1ガンドメインであり、21は伝播している第2ガンドメインである。
【0046】
上記第1,第2n型AlGaAsカソード層18,19に基づく第1,第2ガンドメイン20,21は独立に伝播するため、各カソード層18,19で発生した発振信号は本質的に独立であり、その出力が外部Q値の高い共振回路に接続されない限り各々の周波数および位相は異なる。このことは、マルチフィンガー素子の出力パワーの減少となる。この問題はヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードに特有であり、バイポーラトランジスタには見られない。
【0047】
図2は、図1に示す第1,第2n型AlGaAsカソード層18,19が空間的にn型GaAs活性層16の厚さの2倍より大きい距離だけ離れた2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度のシミュレーション結果を示す。上述のごとく、2つのn型AlGaAsカソード層18,19下における第1,第2ガンドメイン20,21間の相互作用はない。そして、発振は2つの個別の基本波およびこれらの高調波で起こり、電流密度が高い基本波の最大電流密度は9000A/cm2である。この2つの個別の基本波と高調波とは2つの独立した第1,第2ガンドメイン20,21で生成され、周波数106GHzの基本波F1およびこの基本波F1の高調波2F1(周波数212GHz),3F1(周波数316GHz)と、周波数140GHzの基本波F2およびこの基本波F2の高調波2F2(周波数280GHz)である。このように、2つのガンドメインが結合・同期しないような非最適な位置に、第2n型AlGaAsカソード層19を設けることは素子性能の劣化になることは明白である。
【0048】
上記シミュレーションの結果をより現実的にするために、初期条件に初期電界分布の非対称性を招くランダム条件を取り入れた。しかしながら、シミュレーションを進めてもこの非対称性は消えなかった。図1に示す素子には2つのカソード領域があり、夫々のガンドメイン20,21は非結合で異なる伝播状態にあるようである。このことは、各ガンドメイン20,21で発生した信号は同期しないで出力パワーが大きく減少することが予測される。そこで、この素子には、外部Q値の高い共振回路を接続するのである。こうすることによって、2つのガンドメイン20,21の同期伝播が達成でき、その出力電流を増加することができるのである。
【0049】
図3は、図1に示す2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードと同じカソードフィンガー幅を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度のシミュレーション結果である。このシミュレーション結果において、高周波出力はショートサーキットにおいて基本波F0の出力電流密度の大きさは12500A/cm2である。
【0050】
上述したように、本参考例においては、第1,第2n型AlGaAsカソード層18,19を、空間的にn型GaAs活性層16の厚さの2倍より大きい距離だけ離して設けて、2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを構成する。この場合、2つのn型AlGaAsカソード層18,19直下のn型GaAs活性層16に発生した2つの第1,第2ガンドメイン20,21は互いに独立に伝播し、各カソード層18,19に発生する発振信号も互いに独立である。したがって、電流密度が高い基本波F2の最大電流密度でも9000A/cm2であり、同じカソードフィンガー幅を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度12500A/cm2よりも小さい。
【0051】
そこで、本参考例においては、上記トリオード素子に、外部Q値の高い共振回路を接続するのである。こうすることによって、2つのガンドメイン20,21を同期伝播させることができ、その出力電流を増加できるのである。
【0052】
すなわち、本参考例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード素子においては、p+型GaAsベース層17上に形成されるn型AlGaAsカソード層を、第1n型AlGaAsカソード層18と第2n型AlGaAsカソード層19との2つのカソード層に分割する。そして、個々のカソード層上に形成される金属カソードオーミック接触電極同士を電気的に接続することによって、実質的なカソード層の面積増大を図って高い発振出力パワーを得るのである。その場合には、個々のカソード層18,19を従来の単一フィンガー素子の場合におけるカソード層と同程度の大きさ・形状にすることができるため、カソード領域とベース領域との界面を小さな矩形にして熱抵抗を抑えることができる。さらに、カソード領域直下の活性ベース領域とその近辺の不活性ベース領域とを小さくしてベース抵抗を小さくできるのである。
【0053】
但し、本参考例のごとく2つのカソード層18,19間が活性層16の厚さの2倍より大きい距離だけ離れてしまうと、各カソード層18,19は個別に機能してカソード層の面積増大効果は得られない。したがって、その場合には、外部Q値の高い共振回路を接続して2つのガンドメイン20,21を同期伝播させ、高い発振出力パワーを得るのである。
【0054】
尚、本参考例においては、2つのカソード層を有する2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを例に説明したが、3以上のカソード層が、空間的に、活性層の厚さの2倍より大きい距離だけ互いに離れて設けられたマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードであっても同じ特性が得られる。したがって、外部Q値の高い共振回路を接続することによって、同様の効果を奏することができるのである。
【0055】
<第1実施の形態>
図5は、本実施の形態における2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面図である。図5において、25はn+型GaAsアノード層、26はn型GaAs活性層、27はp+型GaAsベース層、28は第1n型AlGaAsカソード層、29は第2n型AlGaAsカソード層、30は共通の伝播するガンドメインである。
【0056】
ここで、上記第1,第2n型AlGaAsカソード層28,29は空間的にn型GaAs活性層26の厚さの2倍以下の距離だけ離れている。この場合、夫々のn型AlGaAsカソード層28,29直下のn型GaAs活性層26で発生して広がるガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、Q値が高い外部回路がなくとも同期した伝播および発振が起るのである。上記参考例の場合と同様に初期条件にランダム条件を導入したが、シミュレーションが進むに連れて非対称性は消滅し同期ドメイン伝播がすぐに生じた。
【0057】
図6は、本実施の形態における2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度のシミュレーション結果である。ここで、上述したように、2つのn型AlGaAsカソード層28,29の間隔はn型GaAs活性層26の厚さの2倍以下であり、発生した2つのガンドメインは重なり、電界は互いに結合して、同期した伝播および発振が起こる。その結果、この素子においては、周波数100GHzの1つの基本波F0とこの基本波F0の高調波2F0(周波数200GHz),3F0(周波数300GHz)とが生成され、基本波F0での出力電流密度の大きさは約14000A/cm2である。
【0058】
この値は、減少した2つのカソード層間の容量のために、図3に示す単一フィンガー素子の場合における出力電流密度12500A/cm2より僅かに大きい。このことは、素子面積の増大によって、出力パワーが増大することを示している。尚、上記基本波F0および高調波2F0,3F0以外の基本波および高調波の出力信号は見られない。
【0059】
上述したように、本実施の形態においては、第1,第2n型AlGaAsカソード層28,29を、空間的にn型GaAs活性層26の厚さの2倍以下の距離だけ離して設けて、2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを構成する。この場合、2つのn型AlGaAsカソード層28,29直下のn型GaAs活性層26に発生して広がる2つのガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、Q値の高い外部回路がなくとも同期した伝播および発振が起る。したがって、基本波F0の出力電流密度は約14000A/cm2であり、同じカソードフィンガー幅を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度12500A/cm2よりも高い発振出力パワーが、外部Q値の高い共振回路を接続することなく得られるのである。
【0060】
尚、本実施の形態においては、2つのカソード層を有する2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを例に説明したが、3以上のカソード層が、空間的に、活性層の厚さの2倍以下の距離だけ互いに離れて設けられたマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードであっても同じ効果を奏することができるのである。
【0061】
<第2実施の形態>
図7は、図5に示す上記第1実施の形態における複数のカソード層における互いの間隔が活性層の厚さの2倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの素子平面構造の一例を示す模式的に示す図である。
【0062】
図7において、31はn型半導体アノード層、32はp型半導体ベース層、33はn型半導体カソード層、34は金属アノードオーミック接触電極、35は金属ベースオーミック接触電極、36は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図7においては、各領域を分かりやすくするために、金属アノードオーミック接触電極34に接続される金属アノード電極、金属ベースオーミック接触電極35に接続される金属べース電極、金属カソードオーミック接触電極36に接続される金属カソード電極は省略している。また、活性層はp型半導体ベース層32の下側に在って隠れている。
【0063】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層33が互いの短辺を隣接させて一直線に配置されている。そして、金属ベースオーミック接触電極35は完全に各カソード層33を取り囲んでいる。その場合における各カソード層33の短辺間で最も狭い部分の間隔(以下、最小分離距離と言う)Xminは、典型的な活性層厚1.2μmに対して2.4μm以下(つまり、活性層厚の2倍以下)である。したがって、上記第1実施の形態の場合と同様に、各カソード層33直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合するため、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【0064】
但し、上記複数のカソード層33は、互いの短辺を隣接させているために、隣接カソード領域直下のガンドメイン間の結合は比較的弱い。しかしながら、熱抵抗は低いという利点がある。
【0065】
<第3実施の形態>
図8は、各カソード層の間隔が活性層の厚さの2倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける図7とは異なる素子平面構造を示す図である。
【0066】
図8において、41はn型半導体アノード層、42はp型半導体ベース層、43はn型半導体カソード層、44は金属アノードオーミック接触電極、45は金属ベースオーミック接触電極、46は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図8においても、金属アノード電極,金属べース電極および金属カソード電極を省略している。また、活性層はp型半導体ベース層42の下側に在って隠れている。
【0067】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層43が互いの長辺を隣接させて一直線に配置されている。そして、金属ベースオーミック接触電極45は完全に各カソード層43を取り囲んでいる。その場合における各カソード層43の長辺間における最小分離距離Xminは、典型的な活性層の厚さ2μmの2倍(4μm)以下である。したがって、各カソード層43直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【0068】
尚、上記複数のカソード層43は、互いの長辺側を隣接させているために、上記第2実施の形態のごとく短辺側を隣接させる場合に比して、隣接カソード領域直下のガンドメイン間の結合は比較的強い。しかしながら、比較的高い熱抵抗を有する。
【0069】
<第4実施の形態>
図9は、各カソード層の間隔が活性層の厚さの2倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける図7および図8とは異なる素子平面構造を示す図である。
【0070】
図9において、51はn型半導体アノード層、52はp型半導体ベース層、53はn型半導体カソード層、54は金属アノードオーミック接触電極、55は金属ベースオーミック接触電極、56は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図9においても、金属アノード電極,金属べース電極および金属カソード電極を省略している。また、活性層はp型半導体ベース層52の下側に在って隠れている。
【0071】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層53が互いの長辺をずらして隣接させ、斜め一直線に配置されている。そして、金属ベースオーミック接触電極55は完全に各カソード層53を取り囲んでいる。その場合における各カソード層53の長辺間における最小分離距離Xminは、典型的な活性層の厚さ1.5μmの2倍(3μm)以下である。したがって、各カソード層53直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【0072】
本実施の形態によれば、上記複数のカソード層53は、互いの長辺を略半分ずつ上記活性層の厚さの2倍以下の間隔で隣接させているために、隣接カソード領域直下のガンドメイン間に強い結合を持たせることと低い熱抵抗とを両立させることができるのである。
【0073】
<第5実施の形態>
図10は、各カソード層の間隔が活性層の厚さの2倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける図7〜図9とは異なる素子平面構造を示す図である。図10において、61はn型半導体アノード層、62はp型半導体ベース層、63はn型半導体カソード層、64は金属アノードオーミック接触電極、65は金属ベースオーミック接触電極、66は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図10においても、金属アノード電極,金属べース電極および金属カソード電極を省略している。また、活性層はp型半導体ベース層62の下側に在って隠れている。
【0074】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層63が互いの長辺をずらして隣接させて斜め一直線に、且つ、2列に併設されている。そして、金属ベースオーミック接触電極65は完全に各カソード層63を取り囲んでいる。その場合における各カソード層63の長辺間の最小分離距離Xminは、典型的な活性層の厚さ1μmの2倍(2μm)以下である。したがって、総てのカソード層63直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【0075】
本実施の形態によれば、上記複数のカソード層63は、互いの長辺を略半分ずつ上記活性層の厚さの2倍以下の間隔で隣接させているために、隣接カソード領域直下のガンドメイン間に強い結合を持たせ、且つ、低い熱抵抗を実現できる。
【0076】
尚、この場合、上記各カソード層63の短辺間の間隔も上記活性層の厚さの2倍以下にすれば、各ガンドメイン間の結合を更に強めることができるのではあるが、熱抵抗も高まる。
【0077】
<第6実施の形態>
図11は、複数のカソード層の間隔が活性層の厚さの2倍以下であるマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける図7〜図10とは異なる素子平面構造を示す図である。図11において、71はn型半導体アノード層、72はp型半導体ベース層、73はn型半導体カソード層、74は金属アノードオーミック接触電極、75は金属ベースオーミック接触電極、76は金属カソードオーミック接触電極である。尚、図11においても、金属アノード電極,金属べース電極および金属カソード電極を省略している。また、活性層はp型半導体ベース層72の下側に在って隠れている。
【0078】
本実施の形態においては、複数の矩形状のカソード層73が、互いの長辺同士および短辺同士を隣接させ、且つ、隣接する互いの長辺を略半分ずつずらして長手方向に2列に併設されている。そして、金属ベースオーミック接触電極75は完全に各カソード層73を取り囲んでいる。その場合における各カソード層73の長辺間の最小分離距離Xminは、典型的な活性層の厚さ1.5μmの2倍(3μm)以下である。したがって、総てのカソード層73直下の活性層に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って高い発振出力パワーが得られるのである。
【0079】
本実施の形態によれば、上記複数のカソード層73は、互いの長辺を略半分ずつ上記活性層の厚さの2倍以下の間隔で隣接させているために、隣接カソード領域直下のガンドメイン間に強い結合を持たせ、且つ、低い熱抵抗を実現できる。さらに、全カソード層73を千鳥掛状に配列しているため、上記第5実施の形態に比して、素子全体を通しての熱抵抗の均一性を向上できるのである。
【0080】
尚、この場合、上記各カソード層73の短辺間の間隔も上記活性層の厚さの2倍以下にすれば、各ガンドメイン間の結合を更に強めることができるのではあるが、熱抵抗も高まる。
【0081】
<第7実施の形態>
上記第2〜第6実施の形態においては、説明を簡単にするために詳細な半導体構造の説明は省略している。また、基本的な必須構造に従来の技術を適用することも可能である。例えば、半導体カソード層33,43,53,63,73と金属カソードオーミック接触電極36,46,56,66,76との間に、上記半導体カソード層よりも高濃度にドープしたキャップ層を一つ以上追加すれば、カソード抵抗を低減できる。あるいは、上記活性層の周辺を薄くすれば製造方法を簡単にできる。本実施の形態は、上記半導体カソード層と金属カソードオーミック接触電極との間にキャップ層設け、さらに上記活性層の周辺を薄く形成したマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードに関する。
【0082】
図12は、本実施の形態における2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面を示す。図12において、81はGaAsアノード層(800nm,ND(窒素ドーズ量)=5×1018cm-3)、82はGaAs活性層(1700nm,ND=2×1016cm-3→3×1016cm-3)、83はGaAsベース層(150nm,NA=4×1019cm-3)である。
【0083】
また、84はAlxGa1-xAsカソード傾斜層(20nm,x=0.2→0.35,ND=5×1017cm-3)、85はAl0.35Ga0.65Asカソード層(40nm,ND=5×1017cm-3)、86はAl0.35Ga0.65Asカソードバラスト層(100nm,ND=1×1017cm-3)、87はAlxGa1-xAsカソードキャップ傾斜層(50nm,x=0.35→0.0,ND=5×1017cm-3)、88はGaAsカソードキャップ層(50nm,ND=5×1018cm-3)である。
【0084】
また、89は金属アノードオーミック接触電極(AuGe/Ni/Au)、90は金属ベースオーミック接触電極(Ti/Pt/Au)、91は金属カソードオーミック接触電極(AuGe/Ni/Au)である。
【0085】
尚、図中の上記カソード層85間において最も狭い部分の距離(以下、最小カソード間距離と言う)Xminは2.5μmであり、活性層厚さYは1.7μmである。したがって、カソード層84,85直下の活性層82に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起る。また、上述のごとく、本実施の形態においては、カソード層84,85と金属カソードオーミック接触電極91との間にカソード層84,85よりもNDの高いカソードキャップ層88を設けている。したがって、カソード抵抗を低減できるのである。さらに、GaAs活性層82の外壁には傾斜が設けられて周辺が薄くなっている。したがって、素子完成度を改善することができるのである。
【0086】
<第8実施の形態>
本実施の形態は、上記半導体カソード層と金属カソードオーミック接触電極との間にキャップ層を設け、さらに上記活性層にND傾斜を設けたマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードに関する。
【0087】
図13は、本実施の形態における2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面を示す。図13において、101はGaAsアノード層(500nm,ND=5×1018cm-3)、102はIn0.49Ga0.51Pエッチストップ層(20nm,ND=1×1018cm-3)、103はGaAs活性層(800nm,ND=1.5×1016cm-3)、104はGaAs活性層(1000nm,ND=1.5×1016cm-3→3×1016cm-3)、105はGaAsベース層(160nm,NA=2×1019cm-3)、106はIn0.49Ga0.51Pベース保護層(30nm,ND=5×1017cm-3)である。
【0088】
また、107はGaAsカソード層(40nm,ND=1×1018cm-3)、108はInxGa1-xAsカソードキャップ傾斜層(50nm,x=0.0→0.5,ND=1×1019cm-3)、109はIn0.5Ga0.5Asカソードキャップ層(50nm,ND=2×1019cm-3)である。
【0089】
また、110は金属アノードオーミック接触電極(AuGe/Ni/Au)、111は金属ベースオーミック接触電極(Ti/Pt/Au)、112は金属カソードオーミック接触電極(Ti/Pt/Au)である。
【0090】
尚、図中における最小カソード間距離Xminは2μmであり、活性層厚さYは1.8μmである。したがって、カソード層107直下の活性層104に発生して広がる複数のガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起る。また、上述のごとく、本実施の形態においては、カソード層107と金属カソードオーミック接触電極112との間にカソード層107よりもNDの高いカソードキャップ層108,109を設けている。したがって、カソード抵抗を低減できるのである。さらに、GaAs活性層104にはNDの傾斜が設けられている。したがって、素子完成度を改善することができるのである。つまり、GaAs活性層104におけるNDの傾斜によって、電子の走行方向(深さ方向)への電流密度分布が相殺されて素子内の時間平均電界強度がある程度一定になり、効率と出力パワーとが高められるのである。
【0091】
<第9実施の形態>
本実施の形態は、上記半導体カソード層と金属カソードオーミック接触電極との間にバラスト層を設けて、カソードフィンガー内での電流集中を防止し、素子全体の時間平均電界強度を一定にして発振強度の低下を防止し、安定した高発振出力を図るマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードに関する。
【0092】
図14は、本実施の形態における2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面を示す。図14において、121はGaAsアノード層であり、122はGaAs活性層(不純物濃度傾斜)、123はGaAsベース層、124はAl0.3Ga0.7Asカソード層、125はAl0.35Ga0.65Asバラスト層、126はAlxGa1-xAsカソードキャップ傾斜層、127はn+GaAsカソードキャップ層である。
【0093】
また、128は金属アノードオーミック接触電極、129は金属ベースオーミック接触電極、130は金属カソードオーミック接触電極である。
【0094】
図15は、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける電流集中の状態を模式的に示す。図15には、上記電流集中の様子を表示するために、アノード層131,活性層132およびベース層133の縦断面を示している。尚、カソード層および各電極は省略しているが、ベース層133上にはカソード層形成領域134を示している。
【0095】
本来は、上記カソード層形成領域134の範囲内を均一に電流が流れなければならない。ところが、活性層132中を流れる電流137によって温度が上昇するため、図15のように温度の上昇が大きい中心部135に電流137が集中して、周辺部136の電流密度が減少してしまうのである。ガン発振素子においては、上記活性領域での時間平均電界強度が一定であることが発振の一つの条件であり、発振強度に特に大きく影響する。そのために、上記の電流集中による平面的な電流密度のばらつきは、素子内の時間平均電界強度のばらつきとなり、部分的に発振しない領域や発振強度が低下した領域を生じさせることになる。あるいは、電流集中の分布が大きい場合は素子の発振が完全に停止する場合もある。
【0096】
そこで、本実施の形態においては、図14に示すように、カソード層124と金属カソードオーミック接触電極130との間にバラスト層125を設けて、カソードフィンガー内での電流集中を防止し、活性層122領域における時間平均電界強度を一定にするのである。
【0097】
図16は、図14に示すマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードと同じ基本構造を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおけるカソード層と金属カソードオーミック接触電極との間に設けられたバラスト層の効果を示す。図16において、上記バラスト層の厚みを400nm,300nm,200nm,100nmと変えたものとバラスト層を無くしたものとのアノード電流の発振電流上下限を比較している。
【0098】
図16に示すように、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード素子は、バラスト層の厚みが400nm〜200nmの場合には、70mA〜82mAのアノード電流において発振して周波数が140GHz程度の基本波と280GHz程度の2次高調波が得られる。しかしながら、バラスト層の厚みが200nmより小さいと出力が低下し、発振可能なアノード電流の範囲が極めて狭く略一定となる。
【0099】
ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードでは、ガンダイオードの場合と異なって、活性層領域における電流の広がりによる電子の走行方向(深さ方向)の電流密度分布は避けられない。そこで、本実施の形態においては、活性層122に不純物濃度傾斜を設けることによって電子の走行方向(深さ方向)への電流密度分布を相殺して、活性層領域における時間平均電界強度を一定にするようにしている。しかしながら、電流集中によって素子の平面的な電流密度分布(図15における中心部135と周辺部136)が生ずると、図15の断面における水平方向への電流の広がりも、図15のように変化してしまうのである。これは、バラスト層がない場合には、上記不鈍物濃度傾斜の設計が電流集中で狂ってしまうためと考えられる。
【0100】
ところが、図14に示すように、上記カソード層124と金属カソードオーミック接触電極130との間にバラスト層125が形成されると、バラスト抵抗によって平面的な電流密度分布(図15における中心部135と周辺部136)が無くなり、活性層122における深さ方向への不純物濃度傾斜によって深さ方向への電流密度分布が効果的に相殺される。その結果、活性層122全体の時間平均電界強度を一定にすることができ、発振効率を最適化できるのである。特に、温度上昇が大きい高電流の使用時における効率向上が可能となるのである。
【0101】
ここで、上記バラスト層125の厚みで決まるバラスト層125の抵抗値はカソード層124以上の抵抗値が必要である。バラスト層125の抵抗値は、大きい程電流集中を防止できるので好ましい。尚、バラスト層125の抵抗値が大きいとカソード層124とベース層123との間にバラスト抵抗による電圧降下分の電圧が余分に必要となるため上記抵抗値には実用上の上限がある。しかしながら、発振はベース層123とアノード層121との間に発生するので、発振出力や発振周波数幅にバラスト抵抗値自身が悪影響を与えることは無いのである。この点が他のバイポーラデバイスと全く異なるところである。
【0102】
ところで、上記バラスト層125の材料としては、AlGaAsのような半導体材料の他にエミッタ上に積層できる抵抗材料が使用可能である。尚、上記半導体材料の場合には、活性層122の材質よりも電子移動度の低い材料を用いることが望ましい。もし電子移動度の高い材料を使用すると、バラスト層125の厚みが大きくなって製造上での困難さが増大するだけでなく、厚みを薄くするために不鈍物濃度を低下させるとバラスト層125での電子の走行効果が出るため素子動作が不安定になる場合がある。
【0103】
以上のことを考慮して、上記バラスト層125の材料としてAlxGa1- xAs(0.15≦x≦0.35)を用いれば、低温時の抵抗が低く温度上昇した部分のみ抵抗が上昇する特性を持っているので最低限の抵抗値で電流集中の防止効果が得られる。したがって、カソード層124から信号を導入するような用途(以下の実施の形態で述べるような注入同期発振器や自己発振ミキサ)の場合には、信号の損失が少なくてより好ましいのである。
【0104】
<第10実施の形態>
上述したように、単一のベース層上にカソード層を複数のカソード領域に分割して形成し、各カソード領域を電気的に接続して成るマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、外部Q値の高い共振回路を接続したり、各カソード領域の最小分離距離Xminを活性層の厚さの2倍以下にすることによって、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードよりも高い発振出力パワーを得ることができる。そこで、上記構成を有するマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを、電圧制御周波数可変発振器,注入同期発振器,自己発振ミキサおよび受信装置等に用いることによって、大きな発振出力を得ることができるのである。以下、順次説明する。
【0105】
先ず、本実施の形態は、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた電圧制御周波数可変発振器(VCO)に関する。図17は、本VCOの回路図である。
【0106】
図17(a)に示すように、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード141のべース電極142を接地し、アノード電極145を第1バイアス回路(図17(a)では第1インダクタンス144)を介してアノード電源端子143に接続する一方、カソード電極148を第2バイアス回路(図17(a)では第2インダクタンス147)を介してカソード電源端子146に接続している。さらに、アノード電極145には、直流バイアスカット用コンデンサ149を介して出力端子150を接続する。一方、カソード電極148を、コンデンサ151を介して接地している。
【0107】
上記構成において、上記アノード電源端子143から第1バイアス回路144を通して、アノード電極145に正の電圧を印加する。一方、カソード電源端子146から第2バイアス回路147を通してカソード電極148に負の電圧を印加する。そして、アノード電極145から直流バイアスカット用コンデンサ149を通して出力端子150に発振出力を取り出すのである。
【0108】
図18は、図14に示すマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードと同じ基本構造を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおけるGaAs活性層の不純物濃度傾斜を変えて作成したVCOのアノード・ベース間電圧‐周波数特性を示す。ここで、第1不純物濃度傾斜は、Siドーピング濃度を、アノード側からベース側へ向けて1.2×1016cm-3→3.0×1016cm-3に直線的に変化させたものである。これに対して、第2不純物濃度傾斜は、Siドーピング濃度を、アノード領域から900nmまで1.2×1016cm-3から2.0×1016cm-3に直線的に変化させ、引き続きベース領域までの400nmにおいて2.0×1016cm-3から3.0×1016cm-3に直線的に変化させたものである。
【0109】
図18に示すように、アノード‐ベース間の電圧を変えることで、発振周波数の変化が観察された。その際に、アノード電流は殆ど変化しない。尚、発振周波数の変化幅は、上記活性層の不鈍物濃度傾斜がより理想に近い上記第2不純物濃度傾斜を有する素子の方が広い。これは、ガン発振できる時間平均電界強度には制限(幅)があるが、VCO動作させるためにバイアスを変化させて電界が変化した際に、上記活性層中の時間平均電界強度に元々分布があると、より早く時間平均電界強度の制限を超える部分が生じて発振が停止(あるいは出力低下)するためと考えられる。
【0110】
ここで、発振出力はベース‐アノード間に発生してカソード側には出力されないが、カソード‐ベース間のバイアスは発振に大きく影響するので、バイアスヘの不要なノイズの重畳を避けるために、図17(a)に示すようにカソード電極148を高周波的に接地することが望ましい。
【0111】
また、上記べース電極142の接地は高周波的な接地で良く、スタブを用いても差し支えない。図17(b)は、べース電極をスタブに接続した構成を有するVCOの回路図である。マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード161のべース電極162には、スタブ(図17(b)では基本発振周波数に対するλ/4波長のオープンスタブ163)を接続している。そして、アノード電極164をバイアス回路(図17(b)ではインダクタンス165)を介してアノード電源端子166に接続する一方、カソード電極167を接地している。さらに、アノード電極164には、直流バイアスカット用コンデンサ168を介して出力端子169を接続している。170はベース電源端子である。
【0112】
上記構成においては、上記カソードを接地してベースに正の電圧を加える正電源のみの回路となる。尚、ベース電極142,162の接地は基本発振周波数に対する接地だけでなく高調波に対しても接地することがより好ましい。
【0113】
バイアス電圧を変化させることで発振周波数を変えることができるガン発振素子としてガンダイオードや米国特許第3918009号に開示されたモノポーラトランスファードエレクトロントリオードがある。しかしながら、何れの場合もバイアス電圧の変化に伴って電流も大きく変動してしまい、消費電流および出力パワーが同時に変動することになり、VCOとしての特性としては悪くなる。
【0114】
上述したように、本実施の形態によれば、VCOを、上記隣接カソード領域の最小間隔が上記半導体活性層の厚みの2倍以下であるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。したがって、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。その場合に、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、アノード電流がベース‐アノード間の電圧に殆ど依存しない性質を有している。したがって、上記ベース‐アノード間の電圧を変化させることによって、アノード電流を変化させずに発振周波数を変えることができ、発振周波数に対して発振出力の変動が少ない良好な特性のVCOを得ることができるのである。
【0115】
<第11実施の形態>
本実施の形態は、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた注入同期発振器(ILO)に関する。図19は、本ILOの回路図である。
【0116】
図19(a)に示すように、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード171のべース電極172を接地し、アノード電極173を第1バイアス回路(図19(a)では第1インダクタンス174)を介してアノード電源端子175に接続する一方、カソード電極176を第2バイアス回路(図19(a)では第2インダクタンス177)を介してカソード電源端子178に接続している。さらに、アノード電極173を、第1直流バイアスカット用コンデンサ179を介して出力端子180に接続する。一方、カソード電極176を、第2直流バイアスカット用コンデンサ181を介して同期信号入力端子182に接続している。
【0117】
上記構成において、上記アノード電源端子175から第1バイアス回路174を通して、アノード電極173に正の電圧を印加する。一方、カソード電源端子178から第2バイアス回路177を通して、カソード電極176に負の電圧を印加する。そして、同期信号入力端子182から第2直流バイアスカット用コンデンサ181を通してカソード電極176に希望発振周波数の半分の周波数の同期信号(−12.5dBm)を入力して、アノード電極173から第1直流バイアスカット用コンデンサ179を通して出力端子180に希望発振周波数の発振出力を取り出すのである。
【0118】
図20は、図18の場合と同様に、図14に示すマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードと同じ基本構造を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおけるGaAs活性層の不純物濃度傾斜が第1不純物濃度傾斜である素子と第2不純物濃度傾斜である素子とを用いて作成したILOにおける同期信号周波数‐発振周波数特性を示す。図20に示すように、同期信号入力端子から入力される同期信号周波数を変えることによって、発振周波数が変化する。尚、注入同期信号周波数の整数倍に発振周波数が一致する範囲(引き込み可能周波数範囲)は、上記活性層の不鈍物濃度傾斜がより理想に近い上記第2不純物濃度傾斜を有する素子の方が広い。これは、カソード‐ベース間の同期信号がアノード電流の変動として流れて、時間平均電界強度に変化が生じることで同期信号に発振が同期して発振周波数が同期信号の整数倍になって注入同期が生ずるのであるが、上記活性層中の時間平均電界強度に元々分布があると、上記同期信号による時間平均電界強度の変化の影響が相対的に小さくなって、同期できる周波数が狭くなるためと考えられる。とろこで、発振信号はカソード側には出力されないので、発振出力の同期信号源への逆流は無く、位相雑音が増加することはない。
【0119】
また、上記べース電極172の接地は高周波的な接地で良く、スタブを用いても差し支えない。図19(b)は、べース電極をスタブに接続した構成を有するILOの回路図である。マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード191のべース電極192は、スタブ(図19(b)では基本発振周波数に対するλ/2波長線路193とコンデンサ194とで高周波的にショートスタブとしている)を介して接地されている。アノード電極195をバイアス回路(図19(b)ではインダクタンス196)を介してアノード電源端子197に接続する一方、カソード電極198を接地している。さらに、アノード電極195には、直流バイアスカット用コンデンサ199を介して出力端子200を接続すると共に、同期信号周波数に対するλ/4波長のオープンスタブ201を接続している。また、べース電極192には直流バイアスカット用コンデンサ202を介して同期信号入力端子203を接続している。204はベース電源端子である。
【0120】
上記構成においては、上記カソードを接地してベース電源端子204からベースに正の電圧を加える正電源のみの回路となる。そして、このILO回路では、ショートスタブ193,194をベース電極192に接続しているので、基本発振周波数に対する接地だけではなく高調波に対しても接地状態になっている。基本発振周波数の半分の周波数の同期信号からはショートスタブ193,194がオープンに見えるので、同期信号入力端子203からベース電極192に同期信号を入力している。この場合、同期信号は、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード191の寄生バイポーラトランジスタによって電流増幅されるため、小さな電力で同じ引き込み範囲が達成できるのである。また、アノード側に同期信号周波数に対するλ/4波長のオープンスタブ201を入れて同期信号電圧がアノード電極195に現れないようにすることで、各信号のアイソレーションを容易に向上できる。尚、ベース‐アノード間に同期信号を入れることも可能であるが、大きな電力の同期信号が必要となる。
【0121】
本実施の形態においては、上記注入同期信号として希望発振周波数の半分の周波数の同期信号を用いたが、希望発振周波数の整数分の1の周波数の同期信号も利用できる。ただし、半分の周波数の場合の方が同期信号引き込み可能周波数範囲が最も広いため好ましい。
【0122】
ここで、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード171,191のバラスト抵抗としてAlGaAsを用いることによって、バラスト抵抗を最小にすることができる。上記バラスト抵抗が小さい程、注入同期信号のバラスト抵抗による損失が小さくなって注入信号電力をより小さくすることができるのである。
【0123】
同期信号が注入されると発振周波数の同期信号周波数の整数倍への引き込みが生じるガン発振素子として、上記ガンダイオードがある。しかしながら、上記ガンダイオードの場合には、カソード‐アノード間に同期信号を注入するので、同期信号の電力でガンダイオードの動作条件が影響を受けるためには大きな電力の同期信号が必要である。
【0124】
上述したように、本実施の形態においては、ILOを、上記隣接カソード領域の最小間隔が上記半導体活性層の厚みの2倍以下であるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。したがって、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。その場合、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおけるベース‐カソード間への同期信号の入力が、アノード電流及び電圧の増幅を齎すので、同じ電力の注入信号で上記ガンダイオードに比してベース‐アノード間の電圧および電流を大きく変化させることができる。したがって、同じ発振出力を得るのであれば、上記ガンダイオードに比して注入信号の電力を小さくすることができる。あるいは、一定の注入信号の強度によって、上記ガンダイオードに比して注入同期できる周波数引き込み可能周波数を広く取ることができるのである。
【0125】
<第12実施の形態>
本実施の形態は、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた自己発振ミキサに関する。図21は、本自己発振ミキサの回路図である。
【0126】
図21(a)に示すように、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード211のべース電極212を接地し、アノード電極213を第1バイアス回路(図19(a)では第1インダクタンス214)を介してアノード電源端子215に接続する一方、カソード電極216を第2バイアス回路(図21(a)では第2インダクタンス217)を介してカソード電源端子218に接続している。さらに、アノード電極213を、第1直流バイアスカット用コンデンサ219を介して出力端子220に接続する。一方、カソード電極216を、第2直流バイアスカット用コンデンサコンデンサ221を介して信号入力端子222に接続している。
【0127】
上記構成において、上記アノード電源端子215から第1バイアス回路214を通して、アノード電極213に正の電圧を印加する。一方、カソード電源端子218から第2バイアス回路217を通して、カソード電極216に負の電圧を印加する。そして、信号入力端子222から第2直流バイアスカット用コンデンサ221を通してカソード電極216に希望発振周波数の半分の周波数の同期信号(78GHz,−12.5dBm)と被周波数変換信号とを入力して、アノード電極213から第1直流バイアスカット用コンデンサ219を通して出力端子220に希望発振周波数の発振出力を取り出すのである。
【0128】
その場合、周波数1GHzの入力信号(被周波数変換信号)に対して79GHzの周波数変換信号が観測され、周波数80GHzの入力信号に対して2GHzの周波数変換信号が観察され、アップコンバート用およびダウンコンバート用の両用に使用可能であることがわかった。
【0129】
また、図22に示すように、上記活性層の不純物濃度傾斜がより理想に近い上記第2不純物濃度傾斜を有する素子(225)と上記傾斜が単調である上記第1不純物濃度傾斜を有する素子(226)とを比較すると、被周波数変換信号(入力信号)強度の増加に対して出力信号が線形に追随する範囲227,228は、上記第2不純物濃度傾斜を有する素子(225)の方が入力信号電力の大きな領域まで存在し、線形性が良好である。これは、ガン発振できる時間平均電界強度には制限(幅)があるが、ミキシングするためにカソード‐ベース間に入力した信号がアノード電流の変動として流れ、時間平均電界強度に変化が生じた際に、上記活性層中の時間平均電界強度に元々分布があると、より早く電界の制限を超える部分が生じて発振出力が低下するためと考えられる。
【0130】
また、上記ベース電極212の接地は高周波的な接地で良く、スタブを用いても差し支えない。図21(b)は、べース電極をスタブに接続した構成を有する自己発振ミキサの回路図である。マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード231のべース電極232は、スタブ(図21(b)では基本発振周波数に対するλ/2波長線路233とコンデンサ234とで高周波的にショートスタブとしている)を介して接地されている。アノード電極235をバイアス回路(図21(b)ではインダクタンス236)を介してアノード電源端子237に接続する一方、カソード電極238をインダクタンス239を介して接地している。さらに、アノード電極235には、直流バイアスカット用コンデンサ240を介して出力端子241を接続している。また、カソード電極238には、直流バイアスカット用コンデンサ242を介して信号入力端子243を接続し、さらに基本発振周波数に対するλ/2波長のオープンスタブ244が接続されている。また、べース電極232には直流バイアスカット用コンデンサ245を介して同期信号入力端子246を接続している。247はベース電源端子である。
【0131】
上記構成においては、上記ベースをショートスタブ233,234で基本発振周波数とその高調波に対して接地し、カソードをインダクタンス239で直流的に接地し、ベース電源端子247からべースに正の電圧を加える正電源のみの回路となる。そして、被周波数変換信号を信号入力端子243から入力し、基本発振周波数の半分の周波数の同期信号からはショートスタブ233,234がオープンに見えるので、同期信号入力端子246からベース電極232に同期信号を入力し、同期信号周波数に対するλ/4波長のオープンスタブ244で同期信号に対してカソードを接地している。この場合、同期信号は、マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード231の寄生バイポーラトランジスタによって電流増幅されるため、小さな電力で同じ引き込み範囲が達成できるのである。
【0132】
尚、図21(b)に示す回路では、上記信号入力端子243を単に接地して、同期信号端子246あるいはベース電源端子247から被周波数変換信号を入力することも可能である。
【0133】
また、本実施の形態においては、特に、上記アノード側に基本発振周波数に対するλ/4波長のオープンスタブ223(図21(a)に示す回路の場合),248(図21(b)に示す回路の場合)を入れアノードをローカル発振周波数において接地した場合、ローカル周波数がベース‐アノード間(両端子とも接地している)に発生してカソード側には出力されないことと併せて、ローカル信号が殆どマルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード211,231から外部へ出力されないミキサが構成されるのである。
【0134】
さらに、本実施の形態においては、上記注入信号として希望発振周波数の半分の周波数の同期信号を用いたが、希望発振周波数の整数分の1の周波数の同期信号も利用できる。ただし、半分の周波数の場合の方が同期信号引き込み可能周波数範囲が最も広いため好ましい。また、発振周波数を安定化させるために注入同期方式を用いたが、VCOとしてPLL(フェーズロックドループ発振器)を構成することも可能である。
【0135】
発振器とミキサ機能とを兼ね備えた自己発振ミキサを構成することが可能なガン発振素子として、上記ガンダイオードや上記モノポーラトランスファードエレクトロントリオードがある。ところが、上記ガンダイオードの場合には、入出力が同じカソード‐アノード間に生ずるので各信号間のアイソレーションが悪く、2端子素子であるから変換利得はない。また、上記モノポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合も、アノードからゲートヘのアイソレーシヨンが充分ではなく、フィルタやバッファアンプによる逆流防止を行わないと大きなローカル信号で入力側のアンプを飽和させてしまう場合がある。
【0136】
上述したように、本実施の形態においては、自己発振ミキサを、上記隣接カソード領域の最小間隔が半導体活性層の厚みの2倍以下であるヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて形成している。したがって、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。その場合、上記ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは上記バイポーラトランジスタで言うところのアーリー電圧として非常に大きい値を有しているので、アノードからカソードヘのアイソレーションが非常に良好である。したがって、カソード側への発振信号の漏洩をなくすことができ、べースを接地してカソードから入力信号を入力することによって、発振出力からのアイソレーションを容易に可能にすることができるのである。
【0137】
<第13実施の形態>
本実施の形態は、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた受信装置に関する。本実施の形態における受信装置は、アノードをオープンスタブによってローカル発振周波数において接地した図21(a)に示す自己発振ミキサを用いたものである。以下、上記受信装置と送信機との送受信について説明する。
【0138】
図23に示すように、第1送信機251及び第2送信機252はエリア毎の固定局(本実施の形態においては隣の家屋)とし、送信する広帯域の情報信号としては、地上波TV(UHF440MHz〜800MHz),BS衛星放送中間周波数(1GHz〜1.35GHz),CS衛星放送中間周波数(1.29GHz〜1.55GHz)をブロックコンバータによって440MHz〜1960MHzに配置したもの(図24(a)に256で示す)を用いた。CS衛星放送は、右旋波,左図旋波を夫々1.4GHz〜1.66GHz,1.70GHz〜1.96GHzに周波数変換したものとする。
【0139】
上記隣接する第1,第2送信局251,252は、この広帯域の情報信号256を、混信しないように夫々の送信局で周波数をずらして図24(b)における60GHz付近の周波数帯域257,258にアップコンバートして送信する。
【0140】
第1受信機253は、アンテナでそのエリアの第1送信局251からの無線信号257(図24(b)を参照)を受信し、フィルタを通して不要波を除去した後、第2実施の形態における自己発振ミキサを用いて、図25に示すように、60GHzのローカル周波数259とミキシングして元の周波数(440MHz〜1960MHz)260にダウンコンバートする。そして、市販のテレビ受信機あるいは衛星放送テレビ受信機で復調するのである。
【0141】
その場合に、隣接する送信機のエリアの境界線付近で使用された第2受信機254(図23参照)が、第1送信局251の無線信号257の周波数帯域とは異なる周波数帯域の無線信号(例えば第2送信局252からの無線信号258)を受信する場合には、第2送信局252のローカル信号261の周波数は図25(a)に示すようである。そして、ローカル信号261の漏洩がある場合には、このローカル信号261の漏洩が近接する第1受信機253の受信妨害255となってしまう。
【0142】
しかしながら、本実施の形態における各受信機253,254は、図21(a)に示すように、アノード側に基本発振周波数に対するλ/4波長のオープンスタブ223によってローカル発振周波数において接地した自己発振ミキサを用いている。したがって、上記のような状況で複数の受信機253,254を同時に使用した場合でも、各受信機253,254からのローカル信号の不要輻射レベルが低いので、相互に受信妨害を超こすこと無く受信が可能になる。これは、上記マルチフィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた自己発振ミキサのアノードがローカル周波数において接地されているために、電源回路等を通したローカル信号の漏洩等も殆ど無くなり、ローカル信号の漏洩が非常に少なくなっているためである。
【0143】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、半導体ベース層上に形成される半導体カソード層を、複数のカソード領域に分割しているので、ベース抵抗および熱抵抗を低くすることができる。また、隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の間隔を、上記半導体活性層の厚みの2倍以下にしたので、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインは重なり、電界は互いに結合し、同期した伝播および発振が起って、高い発振出力パワーを得ることができる。
【0144】
また、第1の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記複数の各カソード領域を、単一の半導体ベース層上に隣接して形成すると共に、互いに金属電極で電気的に接続しているので、上記半導体カソード層の実質的な面積の増加を図ることができる。したがって、上記各カソード領域間における最も狭い部分の間隔を上記半導体活性層の厚さの2倍以下にすれば、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインを結合し、同期発振を生じさせて、高い発振出力パワーを得ることができる。
【0145】
また、第2の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記夫々のカソード領域と半導体ベース層との界面を矩形にしたので、互いに隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の領域を上記矩形の一辺に亙って長く得ることができる。したがって、上記最も狭い部分の間隔が上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの2倍以下である場合には、上記ガンドメインのカップリングをより強くでき、より高い発振出力パワーを得ることができる。さらに、デバイスの作成を容易にすることができる。
【0146】
また、第3の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記矩形の各カソード領域の長辺を他のカソード領域の上記の長辺に隣接させて配列したので、互いの短辺を隣接させて配列する場合に比して、各カソード領域直下の半導体活性層に発生するガンドメインのカップリングを強くして、同期発信を発生し易くできる。
【0147】
また、第4の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記各カソード領域を長手方向に2列に配列したので、熱抵抗をさらに低くできる。
【0148】
また、第5の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっているので、電子の走行方向(深さ方向)への電流密度分布を相殺することができ、素子内の時間平均電界強度をある程度一定にできる。したがって、効率と出力パワーとを高めることができる。
【0149】
また、第6の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記半導体活性層を少なくとも2層から成し、そのうちの1層における不純物ドーピング濃度を上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようにしたので、効率と出力パワーとを高めることができる。
【0150】
また、第7の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度の減少を上記半導体ベース層側からの距離に対して比例するようにしたので、上記効率と出力パワーとをさらに高めることができる。
【0151】
また、第8の実施例のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードは、上記各カソード領域上にバラスト層を積層したので、上記各カソード領域内および各カソード領域間の平面的な温度分布による電流集中を防止して、素子全体の時間平均電界強度を一定にできる。したがって、発振強度の低下を防止して安定した高出力の発振出力を得ることができる。
【0152】
また、第2の発明のVCOは、上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて構成したので、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた場合に比して、大きな発振出力を得ることができる。さらに、アノード電流はベース‐アノード間の電圧には殆ど依存しない。したがって、上記ベース‐アノード間の電圧を変化させることによって、アノード電流を変化させずに発振周波数を変えることができる。すなわち、この発明によれば、発振出力が大きく、発振周波数に対して上記発振出力の変動が少ない良好な特性のVCOを実現できるのである。
【0153】
また、第3の発明のILOは、上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて構成したので、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。さらに、ベース‐カソード間への同期信号の入力をベース‐アノード間で増幅することができる。したがって、他のガン発振素子を用いた場合に比して同じ電力の同期信号でベース‐アノード間の電圧及び電流を大きく変化させることができ、注入信号の電力を小さくすることが可能となる。あるいは、一定の注入信号の強度によって、上記他のガン発振素子に比して注入同期できる周波数引き込み可能周波数を広く取ることが可能になる。
【0154】
さらに、アーリー電圧として非常に大きい値を有しているので、アノードからカソードヘのアイソレーションが非常に良好であり、カソード側への発振信号の逆流を効果的に防止できる。したがって、ベースを接地しカソードから同期信号を入力することによって発振出力が同期信号源に逆流することを防止でき、位相雑音が増加することを防止できる。
【0155】
また、第4の発明の自己発振ミキサは、上記第1の発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いて構成したので、単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードを用いた場合に比して、より大きな発振出力を得ることができる。さらに、アーリー電圧として非常に大きい値を有している。したがって、アノードからカソードヘのアイソレーシヨンが良好であり、カソード側への発振信号の漏洩をなくすることができる。すなわち、この発明によれば、ベースを接地して入力信号をカソードから入力することによって、発振出力からのアイソレーションが容易に可能となる。
【0156】
また、第5の発明の受信装置は、上記第4の発明の自己発振ミキサを用いて構成したので、ローカル発振周波数の高周波信号入力への漏洩を防止できる。したがって、ローカル信号の不要輻射を低減することができ、隣接する受信装置へ障害を与えることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明のヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの一例としてのカソード層間の距離が活性層の厚さの2倍より大きい2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける動作中の断面図である。
【図2】 図1に示す2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける出力電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
【図3】 図1に示す2フィンガーエレクトロントリオードと同じカソードフィンガー幅を有する単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの出力電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
【図4】 ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける断面図である。
【図5】 カソード層間の距離が活性層の厚さの2倍以下である2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける動作中の断面図である。
【図6】 図5に示す2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける出力電流密度のシミュレーション結果を示す図である。
【図7】 図5に示すエレクトロントリオードの平面構造を示す図である。
【図8】 図7とは異なる平面構造を示す図である。
【図9】 図7および図8とは異なる平面構造を示す図である。
【図10】 図7〜図9とは異なる平面構造を示す図である。
【図11】 図7〜図10とは異なる平面構造を示す図である。
【図12】 図5に示す2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードの断面構造を示す図である。
【図13】 図12とは異なる断面構造を示す図である。
【図14】 バラスト層を有する2フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの断面図である。
【図15】 ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードにおける電流集中状態を模式的に示す図である。
【図16】 バラスト層の厚みとアノード電流の発振電流上下限との関係を示す図である。
【図17】 図5に示すエレクトロントリオードを用いたVCOの回路図である。
【図18】 活性層の不純物濃度傾斜が異なるエレクトロントリオード素子を用いたVCOにおけるアノード・ベース間電圧‐周波数特性を示す図である。
【図19】 図5に示すエレクトロントリオードを用いたILOの回路図である。
【図20】 活性層の不純物濃度傾斜が異なるエレクトロントリオード素子を用いたILOにおける同期信号周波数‐発振周波数特性を示す図である。
【図21】 図5に示すエレクトロントリオードを用いた自己発振ミキサの回路図である。
【図22】 活性層の不純物濃度傾斜が異なるエレクトロントリオード素子を用いた自己発振ミキサにおける入出力電力特性を示す図である。
【図23】 図21に示す自己発振ミキサを用いた受信機の機能を説明するための送信機と受信機との位置関係を示す図である。
【図24】 図23に示す送信機からの情報信号の周波数帯域と夫々の送信局によるアップコンバート周波数帯域の説明図である。
【図25】 図23に示す夫々の受信機によるダウンコンバートの説明図である。
【図26】 従来の単一フィンガーヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオードの平面構造を示す図である。
【図27】 図26におけるカソード層の幅を増大したエレクトロントリオードの平面構造を示す図である。
【図28】 図26におけるカソード層の長さを増大したエレクトロントリオードの平面構造を示す図である。
【符号の説明】
15,25,81,101,121…GaAsアノード層、
16,26,82,103,122…GaAs活性層、
17,27,83,105,123…GaAsベース層、
18,28…第1AlGaAsカソード層、
19,29…第2AlGaAsカソード層、
20…第1ガンドメイン、
21…第2ガンドメイン、
30…共通ガンドメイン、
31,41,51,61,71…n型半導体アノード層、
32,42,52,62,72…p型半導体ベース層、
33,43,53,63,73…n型半導体カソード層、
34,44,54,64,74,128…金属アノードオーミック接触電極、
35,45,55,65,75,129…金属ベースオーミック接触電極、
36,46,56,66,76,130…金属カソードオーミック接触電極、
84…AlxGa1-xAsカソード傾斜層、
85…Al0.35Ga0.65Asカソード層、
86…Al0.35Ga0.65Asカソードバラスト層、
87,126…AlxGa1-xAsカソードキャップ傾斜層、
88,127…GaAsカソードキャップ層、
89,110…AuGe/Ni/Auアノードオーミック接触電極、
90,111…Ti/Pt/Auベースオーミック接触電極、
91…AuGe/Ni/Auカソードオーミック接触電極、
102…In0.49Ga0.51Pエッチストップ層、
104…GaAs活性層(ND傾斜)、
106…In0.49Ga0.51Pベース保護層、
107…GaAsカソード層、
108…InxGa1-xAsカソードキャップ傾斜層、
109…In0.5Ga0.5Asカソードキャップ層、
112…Ti/Pt/Auカソードオーミック接触電極、
124…Al0.3Ga0.7Asカソード層、
125…Al0.35Ga0.65Asバラスト層、
141,161,171,191,211,231…マルチフィンガー
ヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード、
142,162,172,192,212,232…べース電極、
143,166,175,197,215,237…アノード電源端子、
144,147,165,174,177,196,214,217,236,239
…インダクタンス、
145,164,173,195,213,235…アノード電極、
146,178,218…カソード電源端子、
148,167,176,198,216,238…カソード電極、
149,168,179,181,199,202,219,221,
240,242,245…直流バイアスカット用コンデンサ、
150,169,180,200,220,241…出力端子、
151,194,234…コンデンサ、
163,223,248…基本発振周波数に対するλ/4波長のオープンスタブ
170,204,247…ベース電源端子、
182,203,246…同期信号入力端子、
193,233…基本発振周波数に対するλ/2波長線路、
201…同期信号周波数に対するλ/4波長のオープンスタブ
222,243…信号入力端子、
244…基本発振周波数に対するλ/2波長のオープンスタブ、
251…第1送信機(送信局)、
252…第2送信機(送信局)、
253…第1受信機、
254…第2受信機、
255…受信妨害、
256…送信情報信号の周波数帯域、
257…アップコンバート後の第1送信機(送信局)からの送信情報信号、
258…アップコンバート後の第2送信機(送信局)からの送信情報信号、
259…第1送信機(局)用のローカル周波数、
261…第2送信機(局)用のローカル周波数。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heterojunction bipolar transferred electron transistor comprising III-V compound semiconductor elements, and a voltage-controlled variable frequency oscillator, injection-locked oscillator, self-oscillating mixer, and receiver using the same.
[0002]
[Prior art]
The heterojunction bipolar transferred electron transistor operates as a high frequency oscillator or a self-oscillation mixer as described in the following prior art.
Prior literature
“Demonstration of a 77-GHz Heterojunction Bipolar Transferred Electron Device”, JKTwynam, M. Yagura, N. Takahashi, E. Suematsu and H. Sato, IEEE Electron Device Lett. 21 (01), pp. 2-4, 2000 .
[0003]
Conventional heterojunction bipolar transferred electrons have a single cathode region adjacent to the base region. Therefore, in order to obtain a high oscillation output power, a high operating current is required and a wide cathode region is required. However, when the area of the cathode region is increased, there is a problem that the performance of the device is deteriorated. FIG. 26 shows an example of a conventional heterojunction bipolar transferred electron transistor having a rectangular cathode layer 3 having a length L and a width W. In FIG. 26, the metal base ohmic contact electrode 5 is formed around the cathode layer 3 so as to provide a low base resistance important for device operation.
[0004]
FIG. 27 shows a heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the cathode area is increased by increasing the width W of the rectangular cathode layer 3 in FIG. 26 to W ′. FIG. 28 shows a heterojunction bipolar transfer electron transistor in which the cathode area is increased by increasing the length L of the rectangular cathode layer 3 in FIG. 26 to L ′. 26 to 28, 1 is an n-type semiconductor anode layer, 2 is a p-type semiconductor base layer, 3 is an n-type semiconductor cathode layer, 4 is a metal anode ohmic contact electrode, 5 is a metal base ohmic contact electrode, 6 Is a metal cathode ohmic contact electrode, 7 is a metal second anode electrode, 8 is a metal second base electrode, and 9 is a metal second cathode electrode. In FIG. 26 to FIG. 28, the active layer is hidden under the semiconductor base layer 2.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional heterojunction bipolar transfer electron transistor having a single cathode region has the following problems. That is, first, in the case of the heterojunction bipolar transfer electron transistor shown in FIG. 27, since the width W of the n-type semiconductor cathode layer 3 is increased, the n-type semiconductor cathode layer 3 is provided so as to provide a low base resistance. The area of the metal-based ohmic contact electrode 5 formed by surrounding the substrate is also increased. Therefore, there is a problem in that the base resistance important for the efficient operation of the device increases as the thermal resistance increases. Further, in the case of the heterojunction bipolar transferred electron transistor shown in FIG. 28, since the electrode length L of the n-type semiconductor cathode electrode 3 is increased, the n-type semiconductor cathode electrode 3 is provided so as to give a low base resistance. The length of the metal base ohmic contact electrode 5 formed by surrounding is also increased. Therefore, there is a problem that the length of the path through which the current flows through the metal base ohmic contact electrode 5 is increased, thereby increasing the base resistance of the element.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a heterojunction bipolar transferred electron transistor capable of obtaining a high oscillation output power with a low base resistance and thermal resistance, and a voltage controlled frequency variable oscillator, injection locking oscillator, and It is to provide a self-oscillating mixer and a receiving device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the first invention provides:
In a heterojunction bipolar transfer electron transistor in which a semiconductor anode layer, a semiconductor active layer, a semiconductor base layer, and a semiconductor cathode layer are sequentially laminated,
The semiconductor cathode layer is divided into a plurality of cathode regions.And
The interval between the narrowest portions in the cathode region adjacent to each other in the extending direction of the interface between the semiconductor base layer and the semiconductor active layer is not more than twice the thickness of the semiconductor active layer in the direction perpendicular to the interface.Ru
It is characterized by that.
[0008]
According to the above configuration, the semiconductor cathode layer formed on the semiconductor base layer is divided into a plurality of cathode regions. Therefore, the interface between the cathode region and the semiconductor base layer is reduced, and the thermal resistance is reduced. In addition, the active base region immediately below the cathode region and the inactive base region in the vicinity thereof become smaller and the base resistance becomes lower..
[0009]
Furthermore, the interval between the narrowest portions in the cathode region adjacent to each other in the extending direction of the interface between the semiconductor base layer and the semiconductor active layer is set to be not more than twice the thickness of the semiconductor active layer in the direction perpendicular to the interface. ing. Therefore, the gun domains generated in the semiconductor active layer immediately below each cathode region overlap, the electric fields are coupled to each other, and synchronous propagation and oscillation occur, thereby obtaining a high oscillation output power.
[0010]
In addition, the first embodiment
In the heterojunction bipolar transfer electron transistor of the first invention,
The plurality of cathode regions are formed adjacent to each other on a single semiconductor base layer, and are electrically connected to each other through metal electrodes.
[0011]
According to this embodiment, the plurality of cathode regions are electrically connected to each other through the metal electrodes and function as one semiconductor cathode layer. Thus, when the area of the semiconductor cathode layer is substantially increased and the interval between the narrowest portions in each cathode region is not more than twice the thickness of the semiconductor active layer, the semiconductor active layer immediately below each cathode region is formed. The generated gun domains are combined to cause synchronous oscillation, and high oscillation output power can be obtained. In addition, when the interval between the cathode regions is larger than twice the thickness of the semiconductor active layer, each gun domain is synchronously propagated by connecting a resonance circuit having a high external Q value, and high oscillation is achieved. Output power can be obtained.
[0012]
MaTheSecondExamples of
In the heterojunction bipolar transfer electron transistor of the first invention,
The interface between each of the cathode regions and the semiconductor base layer is rectangular.
[0013]
According to this embodiment, since the interface between each of the cathode regions and the semiconductor base layer is rectangular, the narrowest region of the adjacent cathode regions can be obtained long over one side of the rectangle. Therefore, by electrically connecting the plurality of cathode regions to each other with metal electrodes, when the interval between the narrowest portions is not more than twice the thickness in the direction perpendicular to the interface in the semiconductor active layer, The coupling of the cancer domain generated in the semiconductor active layer immediately below each cathode region becomes stronger, and a higher oscillation output power can be obtained. Furthermore, it becomes easy to create a device.
[0014]
Also,ThirdExamples of
the aboveSecondIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the embodiment of
Each of the cathode regions is formed in a rectangular shape having a long side and a short side, and the long side is arranged adjacent to the long side of another cathode region.
[0015]
According to this embodiment, the rectangular cathode regions are arranged with their long sides adjacent to the long sides of the other cathode regions. Therefore, compared with the case where the short sides are arranged adjacent to each other, the coupling of the cancer domain generated in the semiconductor active layer immediately below each cathode region becomes stronger, and synchronization transmission is likely to occur.
[0016]
Also,4thExamples of
the aboveThirdIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the embodiment of
The cathode regions are arranged in two rows in the longitudinal direction.
[0017]
According to this embodiment, since the cathode regions are arranged in two rows in the longitudinal direction, the thermal resistance is lowered.
[0018]
Also,5thExamples of
In the heterojunction bipolar transfer electron transistor of the first invention,
The impurity doping concentration in the semiconductor active layer decreases from the semiconductor base layer side toward the semiconductor anode layer side.
[0019]
According to this embodiment, since the impurity doping concentration in the semiconductor active layer is provided with a gradient, the current density distribution in the electron traveling direction (depth direction) is offset, and the time average electric field strength in the device is increased. It becomes constant to some extent. Thus, efficiency and output power are increased.
[0020]
Also,6thExamples of
In the heterojunction bipolar transfer electron transistor of the first invention,
The semiconductor active layer is composed of at least two layers, and the impurity doping concentration in one of the layers is reduced from the semiconductor base layer side toward the semiconductor anode layer side.
[0021]
According to this embodiment, since the impurity doping concentration in one layer of the semiconductor active layer composed of at least two layers is provided with a gradient, the efficiency and the output power are improved.
[0022]
Also,7thExamples of
the above5thExamples of or6thIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the embodiment of
The decrease in the impurity doping concentration in the semiconductor active layer is proportional to the distance from the semiconductor base layer side.
[0023]
According to this embodiment, the efficiency and the output power are further increased.
[0024]
Also,8thExamples of
In the heterojunction bipolar transfer electron transistor of the first invention,
A ballast layer is laminated on each of the cathode regions.
[0025]
In the above heterojunction bipolar transferred electrons, unlike the case of Gunn diodes and monopolar transferred electrons disclosed in U.S. Pat. No. 3,918,009, positive feedback due to heat (current increases as temperature rises and temperature increases). Rises) and current concentration occurs (current variations occur due to temperature variations in the element, which are amplified by positive feedback, resulting in a large distribution of current density in the element).
[0026]
According to this embodiment, ballast resistors are stacked on each of the cathode regions. Therefore, current concentration due to a planar temperature distribution within each cathode region and between each cathode region as described above is prevented, and the time-average electric field strength of the entire device becomes constant. Thus, a decrease in oscillation intensity is prevented and a stable high output oscillation output can be obtained.
[0027]
The voltage controlled frequency variable oscillator of the second invention is
It is characterized in that the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention is used.
[0028]
In the case of a gun oscillation element, the oscillation frequency is mainly determined by the length of the active layer and the electron saturation speed. However, the oscillation frequency can be changed by changing the saturation voltage by changing the bias voltage. For example, in the case of a Gunn diode, it functions as a voltage-controlled frequency variable oscillator by changing the voltage between the cathode and the anode, but the current also greatly fluctuates as the voltage changes. As a result, the current consumption and the output power are fluctuated simultaneously, and the characteristics as a voltage controlled frequency variable oscillator are deteriorated. In the case of the monopolar transferred electron transistor disclosed in US Pat. No. 3,918,009, a bias voltage is applied between the cathode and the anode, so that the voltage between the base and the anode changes, the anode current changes, and the consumption Current and output power will fluctuate simultaneously.
[0029]
According to the above configuration, the voltage controlled frequency variable oscillator is formed using the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention. Here, in the heterojunction bipolar transferred electron transistor, the anode current is controlled by the voltage between the base and the cathode, and has a property that hardly depends on the voltage between the base and the anode. . Therefore, by changing the voltage between the base and the anode, the oscillation frequency can be changed without changing the anode current, and a voltage controlled frequency variable oscillator having a favorable characteristic with less fluctuation of the oscillation output with respect to the oscillation frequency. can get.
[0030]
The injection locked oscillator of the third invention is
It is characterized in that the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention is used.
[0031]
The gun oscillation element varies in oscillation frequency and oscillation output depending on the voltage condition and current condition of the element. When the synchronization signal is injected, the above operating conditions fluctuate, so that the oscillation frequency is drawn to an integral multiple of the synchronization signal frequency. In the case of a Gunn diode, a sync signal is injected between the cathode and the anode. However, as described above, since the operating condition of the Gunn diode needs to be affected by the power of the sync signal, the injection signal requires a large amount of power. It is.
[0032]
According to the above configuration, the injection locked oscillator is formed using the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention. Here, in the case of the heterojunction bipolar transferred electron transistor, since the input of the synchronization signal between the base and the cathode leads to amplification of the anode current, the base-anode is compared with the Gunn diode with the same power injection signal. The voltage and current between them can be changed greatly. Therefore, if the same oscillation output is obtained, the power of the injection signal can be reduced as compared with the Gunn diode. Alternatively, it is possible to take a wide frequency pullable frequency that can be injection-synchronized as compared with the Gunn diode, depending on the intensity of a constant injection signal.
[0033]
Further, in the case of the above Gunn diode, the oscillation output may flow backward to the synchronization signal source to increase the phase noise of the synchronization signal source. In the case of the monopolar transferred electron transistor disclosed in U.S. Pat.No. 3,918,009, since the synchronization signal is input from the gate terminal, the isolation from the anode to the gate is better than in the case of the Gunn diode, Less backflow of oscillation output to the synchronization signal source. However, it is still not sufficient, and it is necessary to prevent backflow by a filter or buffer amplifier.
[0034]
According to the above configuration, since the heterojunction bipolar transferred electron transistor has a very large value as the early voltage in the bipolar transistor, the isolation from the anode to the cathode is very good. Therefore, the backflow of the oscillation signal to the cathode side is effectively prevented, and when the synchronization signal is input from the cathode with the base grounded, the oscillation output does not flow back to the synchronization signal source and the phase noise does not increase. .
[0035]
The self-oscillation mixer of the fourth invention is
It is characterized in that the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention is used.
[0036]
The Gunn oscillation element can form a self-oscillation mixer having both an oscillator and a mixer function by utilizing the fact that the oscillation output varies depending on the voltage condition and current condition of the element. In the case of a Gunn diode, since input / output is generated between the same cathode and anode, the isolation between signals is poor, and there is no conversion gain because it is a two-terminal element. In the case of the monopolar transferred electron transistor disclosed in U.S. Pat. No. 3,918,009, the isolation from the anode to the gate is better than that in the case of the Gunn diode, but it is not sufficient. Without backflow prevention due to, the amplifier on the input side may be saturated with a large local signal.
[0037]
According to the above configuration, since the heterojunction bipolar transferred electron transistor has a very large value as the early voltage in the bipolar transistor, the isolation from the anode to the cathode is very good. Therefore, the leakage of the oscillation signal to the cathode side can be eliminated, and when the input signal is input from the cathode with the base grounded, the oscillation output can be easily isolated.
[0038]
Furthermore, since the input of the synchronizing signal between the base and the cathode of the heterojunction bipolar transferred electron transistor has an amplifying action on the anode current, a conversion gain may be obtained. In addition, in the case of a mixer using a normal transistor, the high frequency characteristics of the transistor affect the conversion efficiency of the mixer. ing. However, in the case of the above heterojunction bipolar transferred electron transistor, the delay time (very small) between the cathode and base determines the limit of the high frequency signal, so the response time is fast and it can be used at higher frequencies. Become.
[0039]
The receiving device of the fifth invention is
The self-oscillation mixer of the fourth invention is used.
[0040]
In the case of communication in a frequency band of 30 GHz or higher, broadband communication can be easily performed, and radio waves do not reach far. Therefore, broadband communication such as data and images in the premises and home is relatively free. Can be used. However, since the gain of the amplifying element is small and the component price is high in the frequency band of 30 GHz or higher, amplification is performed with a circuit at a low intermediate frequency where components can be obtained as easily as possible, preferably at an intermediate frequency of about 1 GHz to 2 GHz. In many cases. Therefore, in the receiver, the intermediate frequency includes a frequency that is 5% or less of the transmission frequency, and the local oscillation frequency and the high-frequency signal frequency are close to each other. Therefore, it is difficult for the receiver to prevent local signal leakage from the mixer unit with a filter or an antenna.
[0041]
According to the above configuration, since the self-oscillation mixer according to the fourth aspect of the present invention is used for the receiver, there is no leakage to the high frequency signal input at the local oscillation frequency. Therefore, an excellent receiver can be obtained.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments. In a heterojunction bipolar transferred electron oscillator oscillator or mixer, gun oscillation occurs in the active layer and an oscillation signal appears between the anode electrode and the base electrode (usually ground).
[0043]
The cathode electrode serves to apply a DC bias to the device, but is almost completely separated from the high frequency signal. FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of a heterojunction bipolar transferred electron device. In FIG. 4, 11 is an n-type semiconductor anode layer, 12 is an n-type active layer, 13 is a p-type semiconductor base layer, and 14 is an n-type semiconductor cathode layer. Then, a cancer domain is generated in the n-type
[0044]
(Reference example)
Figure 1 shows the bookReference exampleFIG. 2 is a cross-sectional view during operation of a two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor having two cathode layers in FIG. In FIG. 1, 15 is n.+Is a type GaAs anode layer, 16 is an n type GaAs active layer, and 17 is p+The
[0045]
The first n-type
[0046]
Since the first and
[0047]
2 shows a two-finger heterojunction bipolar transferred electron in which the first and second n-type AlGaAs cathode layers 18 and 19 shown in FIG. 1 are spatially separated by a distance greater than twice the thickness of the n-type GaAs
[0048]
In order to make the simulation results more realistic, random conditions that cause asymmetry of the initial electric field distribution were adopted as the initial conditions. However, this asymmetry did not disappear even when the simulation was advanced. The device shown in FIG. 1 has two cathode regions, and each
[0049]
FIG. 3 is a simulation result of the output current density of a single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor having the same cathode finger width as the two finger heterojunction bipolar transferred electron transistor shown in FIG. In this simulation result, the magnitude of the output current density of the fundamental wave F0 is 12500 A / cm in a short circuit.2It is.
[0050]
As mentioned above, the bookReference example, The first and second n-type AlGaAs cathode layers 18 and 19 are spatially separated by a distance larger than twice the thickness of the n-type GaAs
[0051]
So bookReference exampleIn this case, a resonance circuit having a high external Q value is connected to the triode element. By doing so, the two
[0052]
Ie bookReference exampleIn the heterojunction bipolar transferred electron device of+The n-type AlGaAs cathode layer formed on the type
[0053]
However, thisReference exampleIf the two
[0054]
BookReference exampleIn the above description, a two-finger heterojunction bipolar transfer electron transistor having two cathode layers has been described as an example. However, three or more cathode layers are spatially separated from each other by a distance greater than twice the thickness of the active layer. The same characteristics can be obtained even with a multi-finger heterojunction bipolar transfer electron transistor provided remotely. Therefore, the same effect can be obtained by connecting a resonant circuit having a high external Q value.
[0055]
<FirstEmbodiment>
FIG. 5 is a cross-sectional view of a two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in the present embodiment. In FIG. 5, 25 is n.+Type GaAs anode layer, 26 is n-type GaAs active layer, 27 is p+A type GaAs base layer, 28 is a first n-type AlGaAs cathode layer, 29 is a second n-type AlGaAs cathode layer, and 30 is a common propagating cancer domain.
[0056]
Here, the first and second n-type AlGaAs cathode layers 28 and 29 are spatially separated by a distance not more than twice the thickness of the n-type GaAs
[0057]
FIG. 6 is a simulation result of the output current density of the two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in the present embodiment. Here, as described above, the distance between the two n-type AlGaAs cathode layers 28 and 29 is less than twice the thickness of the n-type GaAs
[0058]
This value is due to the reduced capacitance between the two cathode layers, resulting in an output current density of 12500 A / cm for the single finger device shown in FIG.2Slightly larger. This indicates that the output power increases as the element area increases. In addition, output signals of fundamental waves and harmonics other than the fundamental wave F0 and harmonics 2F0 and 3F0 are not seen.
[0059]
As described above, in the present embodiment, the first and second n-type AlGaAs cathode layers 28 and 29 are spatially separated by a distance equal to or less than twice the thickness of the n-type GaAs
[0060]
In the present embodiment, a two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor having two cathode layers has been described as an example. However, three or more cathode layers are spatially formed with an active layer thickness of 2 The same effect can be achieved even with multi-finger heterojunction bipolar transferred electrons provided apart from each other by a distance of twice or less.
[0061]
<SecondEmbodiment>
FIG. 7 shows the above shown in FIG.FirstIt is a figure which shows typically an example of the element planar structure of the multi-finger heterojunction bipolar transfer electron triode whose mutual space | interval in the some cathode layer in embodiment is 2 times or less of the thickness of an active layer.
[0062]
In FIG. 7, 31 is an n-type semiconductor anode layer, 32 is a p-type semiconductor base layer, 33 is an n-type semiconductor cathode layer, 34 is a metal anode ohmic contact electrode, 35 is a metal base ohmic contact electrode, and 36 is a metal cathode ohmic contact. Electrode. In FIG. 7, for easy understanding of each region, a metal anode electrode connected to the metal anode
[0063]
In the present embodiment, a plurality of rectangular cathode layers 33 are arranged in a straight line with their short sides adjacent to each other. The metal base
[0064]
However, since the plurality of cathode layers 33 have their short sides adjacent to each other, the coupling between the cancer domains immediately below the adjacent cathode regions is relatively weak. However, there is an advantage that the thermal resistance is low.
[0065]
<ThirdEmbodiment>
FIG. 8 is a diagram showing an element plan structure different from that in FIG. 7 in a multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the distance between the cathode layers is not more than twice the thickness of the active layer.
[0066]
In FIG. 8, 41 is an n-type semiconductor anode layer, 42 is a p-type semiconductor base layer, 43 is an n-type semiconductor cathode layer, 44 is a metal anode ohmic contact electrode, 45 is a metal base ohmic contact electrode, and 46 is a metal cathode ohmic contact. Electrode. In FIG. 8, the metal anode electrode, the metal base electrode, and the metal cathode electrode are omitted. The active layer is hidden under the p-type
[0067]
In the present embodiment, a plurality of rectangular cathode layers 43 are arranged in a straight line with their long sides adjacent to each other. The metal base
[0068]
The plurality of
[0069]
<4thEmbodiment>
FIG. 9 is a diagram showing an element plan structure different from those in FIGS. 7 and 8 in a multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the distance between the cathode layers is not more than twice the thickness of the active layer.
[0070]
In FIG. 9, 51 is an n-type semiconductor anode layer, 52 is a p-type semiconductor base layer, 53 is an n-type semiconductor cathode layer, 54 is a metal anode ohmic contact electrode, 55 is a metal base ohmic contact electrode, and 56 is a metal cathode ohmic contact. Electrode. In FIG. 9, the metal anode electrode, the metal base electrode, and the metal cathode electrode are omitted. The active layer is hidden under the p-type
[0071]
In the present embodiment, a plurality of rectangular cathode layers 53 are arranged adjacent to each other with their long sides shifted from each other. The metal base
[0072]
According to the present embodiment, since the plurality of
[0073]
<5thEmbodiment>
FIG. 10 is a diagram showing an element plan structure different from those of FIGS. 7 to 9 in the multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the distance between the cathode layers is not more than twice the thickness of the active layer. In FIG. 10, 61 is an n-type semiconductor anode layer, 62 is a p-type semiconductor base layer, 63 is an n-type semiconductor cathode layer, 64 is a metal anode ohmic contact electrode, 65 is a metal base ohmic contact electrode, and 66 is a metal cathode ohmic contact. Electrode. In FIG. 10, the metal anode electrode, the metal base electrode, and the metal cathode electrode are omitted. The active layer is hidden under the p-type
[0074]
In the present embodiment, a plurality of rectangular cathode layers 63 are arranged in an oblique straight line and in two rows with their long sides being shifted and adjacent to each other. The metal base
[0075]
According to the present embodiment, since the plurality of
[0076]
In this case, if the distance between the short sides of each
[0077]
<6thEmbodiment>
FIG. 11 is a diagram showing an element plan structure different from those in FIGS. 7 to 10 in the multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the interval between the plurality of cathode layers is not more than twice the thickness of the active layer. In FIG. 11, 71 is an n-type semiconductor anode layer, 72 is a p-type semiconductor base layer, 73 is an n-type semiconductor cathode layer, 74 is a metal anode ohmic contact electrode, 75 is a metal base ohmic contact electrode, and 76 is a metal cathode ohmic contact. Electrode. In FIG. 11, the metal anode electrode, the metal base electrode, and the metal cathode electrode are omitted. The active layer is hidden under the p-type
[0078]
In the present embodiment, the plurality of rectangular cathode layers 73 are arranged in two rows in the longitudinal direction, with the long sides and the short sides adjacent to each other, and the adjacent long sides shifted by approximately half each other. It is attached. The metal base
[0079]
According to the present embodiment, since the plurality of
[0080]
In this case, if the distance between the short sides of each
[0081]
<7thEmbodiment>
the aboveSecond~6thIn the embodiment, detailed description of the semiconductor structure is omitted for the sake of simplicity. It is also possible to apply conventional techniques to the basic essential structure. For example, between the semiconductor cathode layers 33, 43, 53, 63, 73 and the metal cathode
[0082]
FIG. 12 shows a cross section of a two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in the present embodiment. In FIG. 12,
[0083]
84 is Al.xGa1-xAs cathode gradient layer (20 nm, x = 0.2 → 0.35, ND= 5 × 1017cm-3), 85 is Al0.35Ga0.65As cathode layer (40 nm, ND= 5 × 1017cm-3), 86 is Al0.35Ga0.65As cathode ballast layer (100 nm, ND= 1 x 1017cm-3), 87 is AlxGa1-xAs cathode cap gradient layer (50 nm, x = 0.35 → 0.0, ND= 5 × 1017cm-3), 88 is a GaAs cathode cap layer (50 nm, ND= 5 × 1018cm-3).
[0084]
89 is a metal anode ohmic contact electrode (AuGe / Ni / Au), 90 is a metal base ohmic contact electrode (Ti / Pt / Au), and 91 is a metal cathode ohmic contact electrode (AuGe / Ni / Au).
[0085]
In the figure, the distance between the narrowest portions (hereinafter referred to as the minimum inter-cathode distance) Xmin between the cathode layers 85 in the figure is 2.5 μm, and the active layer thickness Y is 1.7 μm. Therefore, a plurality of gun domains generated and spread in the
[0086]
<8thEmbodiment>
In the present embodiment, a cap layer is provided between the semiconductor cathode layer and the metal cathode ohmic contact electrode, and N is formed on the active layer.DThe present invention relates to a multi-finger heterojunction bipolar transferred electron gradient with a slope.
[0087]
FIG. 13 shows a cross section of a two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in the present embodiment. In FIG. 13, reference numeral 101 denotes a GaAs anode layer (500 nm, ND= 5 × 1018cm-3), 102 is In0.49Ga0.51P etch stop layer (20nm, ND= 1 x 1018cm-3), 103 is a GaAs active layer (800 nm, ND= 1.5 × 1016cm-3), 104 is a GaAs active layer (1000 nm, ND= 1.5 × 1016cm-3→ 3 × 1016cm-3), 105 is a GaAs base layer (160 nm, NA= 2 × 1019cm-3), 106 is In0.49Ga0.51P base protective layer (30 nm, ND= 5 × 1017cm-3).
[0088]
[0089]
110 is a metal anode ohmic contact electrode (AuGe / Ni / Au), 111 is a metal base ohmic contact electrode (Ti / Pt / Au), and 112 is a metal cathode ohmic contact electrode (Ti / Pt / Au).
[0090]
In the figure, the minimum inter-cathode distance Xmin is 2 μm, and the active layer thickness Y is 1.8 μm. Therefore, a plurality of gun domains that are generated and spread in the
[0091]
<9thEmbodiment>
In the present embodiment, a ballast layer is provided between the semiconductor cathode layer and the metal cathode ohmic contact electrode to prevent current concentration in the cathode finger, and the time-average electric field strength of the entire device is made constant so that the oscillation intensity is constant. In particular, the present invention relates to a multi-finger heterojunction bipolar transferred electron device that prevents a decrease in the frequency and achieves a stable high oscillation output.
[0092]
FIG. 14 shows a cross section of a two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in the present embodiment. In FIG. 14, 121 is a GaAs anode layer, 122 is a GaAs active layer (impurity concentration gradient), 123 is a GaAs base layer, and 124 is Al.0.3Ga0.7As cathode layer, 125 is Al0.35Ga0.65As ballast layer, 126 is AlxGa1-xAs cathode gradient layer, 127 is n+GaAs cathode cap layer.
[0093]
Also, 128 is a metal anode ohmic contact electrode, 129 is a metal base ohmic contact electrode, and 130 is a metal cathode ohmic contact electrode.
[0094]
FIG. 15 schematically shows a state of current concentration in the heterojunction bipolar transferred electron transistor. FIG. 15 shows a longitudinal section of the anode layer 131, the
[0095]
Originally, the current must flow uniformly within the range of the cathode
[0096]
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 14, a
[0097]
FIG. 16 is provided between a cathode layer and a metal cathode ohmic contact electrode in a single finger heterojunction bipolar transfer electron device having the same basic structure as the multi-finger heterojunction bipolar transfer electron device shown in FIG. The effect of the ballast layer. In FIG. 16, the upper and lower limits of the oscillating current of the anode current are compared between those in which the thickness of the ballast layer is changed to 400 nm, 300 nm, 200 nm, and 100 nm and that in which the ballast layer is eliminated.
[0098]
As shown in FIG. 16, when the thickness of the ballast layer is 400 nm to 200 nm, the heterojunction bipolar transferred electron device is oscillated at an anode current of 70 mA to 82 mA and has a fundamental frequency of about 140 GHz. A second harmonic of about 280 GHz is obtained. However, when the thickness of the ballast layer is smaller than 200 nm, the output decreases, and the range of the anodic current that can be oscillated becomes extremely narrow and substantially constant.
[0099]
In the heterojunction bipolar transferred electron transistor, unlike the Gunn diode, the current density distribution in the electron traveling direction (depth direction) due to current spreading in the active layer region is inevitable. Therefore, in the present embodiment, by providing an impurity concentration gradient in the
[0100]
However, as shown in FIG. 14, when the
[0101]
Here, the resistance value of the
[0102]
By the way, as the material of the
[0103]
In consideration of the above, the material for the
[0104]
<10thEmbodiment>
As described above, a multi-finger heterojunction bipolar transfer electron device comprising a cathode layer divided into a plurality of cathode regions on a single base layer and electrically connecting each cathode region Oscillation output higher than that of a single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor by connecting a resonance circuit with a high Q value or making the minimum separation distance Xmin of each cathode region less than twice the thickness of the active layer You can gain power. Therefore, a large oscillation output can be obtained by using the multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor having the above configuration for a voltage-controlled frequency variable oscillator, an injection locking oscillator, a self-oscillating mixer, a receiving device, and the like. . Hereinafter, the description will be made sequentially.
[0105]
First, the present embodiment relates to a voltage controlled frequency variable oscillator (VCO) using the multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor. FIG. 17 is a circuit diagram of the present VCO.
[0106]
As shown in FIG. 17A, the
[0107]
In the above configuration, a positive voltage is applied to the
[0108]
FIG. 18 shows a VCO formed by changing the impurity concentration gradient of the GaAs active layer in the single finger heterojunction bipolar transfer electron transistor having the same basic structure as the multifinger heterojunction bipolar transfer electron transistor shown in FIG. Anode-base voltage-frequency characteristics are shown. Here, the first impurity concentration gradient has a Si doping concentration of 1.2 × 10 toward the base side from the anode side.16cm-3→ 3.0 × 1016cm-3This is a linear change. On the other hand, the second impurity concentration gradient has a Si doping concentration of 1.2 × 10 from the anode region to 900 nm.16cm-3To 2.0 × 1016cm-3Is continuously changed to 2.0 × 10 at 400 nm up to the base region.16cm-3To 3.0 × 1016cm-3This is a linear change.
[0109]
As shown in FIG. 18, a change in the oscillation frequency was observed by changing the voltage between the anode and the base. At that time, the anode current hardly changes. Note that the variation width of the oscillation frequency is wider in the element having the second impurity concentration gradient, in which the blunt concentration gradient of the active layer is closer to the ideal. This is because the time-average electric field strength at which gun oscillation can occur is limited (width), but when the electric field is changed by changing the bias for VCO operation, the time-average electric field strength in the active layer is originally distributed. If it exists, it is considered that a portion exceeding the limit of the time-average electric field strength occurs earlier and oscillation stops (or the output decreases).
[0110]
Here, the oscillation output is generated between the base and the anode and is not output to the cathode side. However, since the bias between the cathode and the base greatly affects the oscillation, in order to avoid unnecessary noise from being superimposed on the bias, FIG. As shown in (a), it is desirable to ground the
[0111]
The
[0112]
In the above configuration, the circuit is composed of only a positive power supply that applies a positive voltage to the base by grounding the cathode. The
[0113]
Examples of gun oscillation elements that can change the oscillation frequency by changing the bias voltage include a Gunn diode and a monopolar transferred electron transistor disclosed in US Pat. No. 3,918,009. However, in either case, the current greatly fluctuates with the change of the bias voltage, so that the current consumption and the output power fluctuate at the same time, which deteriorates the characteristics as a VCO.
[0114]
As described above, according to the present embodiment, the VCO is formed using the heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the minimum interval between the adjacent cathode regions is not more than twice the thickness of the semiconductor active layer. Yes. Therefore, a larger oscillation output can be obtained as compared with the case of a single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor. In that case, the heterojunction bipolar transferred electron transistor has a property that the anode current hardly depends on the voltage between the base and the anode. Therefore, by changing the voltage between the base and the anode, it is possible to change the oscillation frequency without changing the anode current, and to obtain a VCO having good characteristics with less fluctuation of the oscillation output with respect to the oscillation frequency. It can be done.
[0115]
<11thEmbodiment>
The present embodiment relates to an injection locked oscillator (ILO) using the multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor. FIG. 19 is a circuit diagram of the present ILO.
[0116]
As shown in FIG. 19A, the
[0117]
In the above configuration, a positive voltage is applied from the anode
[0118]
FIG. 20 shows the impurity concentration of the GaAs active layer in the single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor having the same basic structure as the multifinger heterojunction bipolar transferred electron transistor shown in FIG. The synchronous signal frequency-oscillation frequency characteristic in the ILO produced using the element whose inclination is the first impurity concentration inclination and the element whose inclination is the second impurity concentration inclination is shown. As shown in FIG. 20, the oscillation frequency changes by changing the frequency of the synchronization signal input from the synchronization signal input terminal. It should be noted that the range in which the oscillation frequency matches the integral multiple of the injection locking signal frequency (the pullable frequency range) is such that the element having the second impurity concentration gradient is closer to the ideal non-blunt concentration gradient of the active layer. wide. This is because the synchronization signal between the cathode and the base flows as fluctuations in the anode current, and the time-average electric field strength changes, so that the oscillation is synchronized with the synchronization signal and the oscillation frequency becomes an integral multiple of the synchronization signal. However, if the time-average electric field strength in the active layer originally has a distribution, the influence of the change in the time-average electric field strength due to the synchronization signal becomes relatively small, and the frequency that can be synchronized becomes narrow. Conceivable. Since the oscillation signal is not output to the cathode side, there is no backflow of the oscillation output to the synchronization signal source, and the phase noise does not increase.
[0119]
The
[0120]
In the above configuration, the cathode is grounded, and a circuit with only a positive power supply for applying a positive voltage from the base
[0121]
In the present embodiment, a synchronization signal having a frequency that is half the desired oscillation frequency is used as the injection locking signal. However, a synchronization signal having a frequency that is 1 / integer of the desired oscillation frequency can also be used. However, the half-frequency case is preferable because the frequency range in which the synchronization signal can be drawn is widest.
[0122]
Here, the ballast resistance can be minimized by using AlGaAs as the ballast resistance of the multi-finger heterojunction bipolar transferred
[0123]
There is the Gunn diode as a Gunn oscillation element in which when the synchronizing signal is injected, the oscillation frequency is pulled to an integral multiple of the synchronizing signal frequency. However, in the case of the Gunn diode, since a synchronization signal is injected between the cathode and the anode, a large power synchronization signal is required in order that the operation condition of the Gunn diode is affected by the power of the synchronization signal.
[0124]
As described above, in the present embodiment, the ILO is formed using a heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the minimum distance between the adjacent cathode regions is not more than twice the thickness of the semiconductor active layer. . Therefore, a larger oscillation output can be obtained as compared with the case of a single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor. In that case, since the input of the synchronization signal between the base and the cathode in the heterojunction bipolar transfer electron transistor leads to the amplification of the anode current and the voltage, the base- The voltage and current between the anodes can be changed greatly. Therefore, if the same oscillation output is obtained, the power of the injection signal can be reduced as compared with the Gunn diode. Alternatively, the frequency pullable frequency that can be injection-synchronized as compared with the Gunn diode can be widened depending on the intensity of a constant injection signal.
[0125]
<12thEmbodiment>
The present embodiment relates to a self-oscillation mixer using the multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor. FIG. 21 is a circuit diagram of the self-oscillation mixer.
[0126]
As shown in FIG. 21A, the
[0127]
In the above configuration, a positive voltage is applied to the
[0128]
In that case, a 79 GHz frequency conversion signal is observed with respect to an input signal (frequency converted signal) having a frequency of 1 GHz, and a 2 GHz frequency conversion signal is observed with respect to an input signal having a frequency of 80 GHz, for up-conversion and down-conversion. It was found that it can be used for both.
[0129]
In addition, as shown in FIG. 22, the element (225) having the second impurity concentration gradient that is closer to the ideal impurity concentration gradient of the active layer and the element having the first impurity concentration gradient (the gradient is monotonic) ( 226), in the range 227,228 where the output signal linearly follows the increase in the frequency converted signal (input signal) intensity, the element (225) having the second impurity concentration gradient is more input. It exists up to a large signal power region and has good linearity. This is because there is a limit (width) in the time-average electric field strength at which gun oscillation can occur, but when the signal input between the cathode and base flows as a fluctuation in anode current for mixing, a change occurs in the time-average electric field strength. In addition, if the time-average electric field intensity in the active layer originally has a distribution, it is considered that a portion exceeding the electric field limit is generated earlier and the oscillation output is lowered.
[0130]
The
[0131]
In the above configuration, the base is grounded to the fundamental oscillation frequency and its harmonics by the
[0132]
In the circuit shown in FIG. 21 (b), the
[0133]
In the present embodiment, in particular, on the anode side, an
[0134]
Further, in the present embodiment, a synchronization signal having a frequency half the desired oscillation frequency is used as the injection signal, but a synchronization signal having a frequency that is a fraction of the desired oscillation frequency can also be used. However, the half-frequency case is preferable because the frequency range in which the synchronization signal can be drawn is widest. Further, although the injection locking method is used to stabilize the oscillation frequency, a PLL (Phase Locked Loop Oscillator) can be configured as the VCO.
[0135]
The Gunn diode and the monopolar transferred electron transistor are examples of Gunn oscillation elements that can constitute a self-oscillating mixer having both an oscillator and a mixer function. However, in the case of the Gunn diode, since input / output is generated between the same cathode and anode, the isolation between signals is poor and there is no conversion gain because it is a two-terminal element. Also, in the case of the above monopolar transferred electron transistor, the isolation from the anode to the gate is not sufficient, and if the backflow prevention by the filter or buffer amplifier is not performed, the amplifier on the input side will be saturated with a large local signal There is.
[0136]
As described above, in the present embodiment, the self-oscillation mixer is formed using a heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the minimum interval between the adjacent cathode regions is not more than twice the thickness of the semiconductor active layer. Yes. Therefore, a larger oscillation output can be obtained as compared with the case of a single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor. In that case, since the heterojunction bipolar transferred electron transistor has a very large value as the early voltage in the bipolar transistor, the isolation from the anode to the cathode is very good. Therefore, the leakage of the oscillation signal to the cathode side can be eliminated, and by isolating the oscillation output from the base by grounding the base and inputting the input signal from the cathode. .
[0137]
<13thEmbodiment>
The present embodiment relates to a receiving apparatus using the multi-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor. The receiving apparatus in the present embodiment uses a self-oscillating mixer shown in FIG. 21 (a) in which the anode is grounded at the local oscillation frequency by an open stub. Hereinafter, transmission / reception between the receiving apparatus and the transmitter will be described.
[0138]
As shown in FIG. 23, the
[0139]
The adjacent first and second transmitting
[0140]
The
[0141]
In that case, the second receiver 254 (see FIG. 23) used in the vicinity of the boundary line of the area of the adjacent transmitter transmits a radio signal having a frequency band different from the frequency band of the
[0142]
However, as shown in FIG. 21A, each
[0143]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention divides the semiconductor cathode layer formed on the semiconductor base layer into a plurality of cathode regions. Resistance can be lowered. Also,Since the interval between the narrowest portions in the adjacent cathode regions is less than twice the thickness of the semiconductor active layer, the cancer domains generated in the semiconductor active layer immediately below each cathode region overlap, the electric fields are coupled to each other, and Propagation and oscillation occur and high oscillation output power can be obtained.
[0144]
MaIn the heterojunction bipolar transfer electron transistor of the first embodiment, the plurality of cathode regions are formed adjacent to each other on a single semiconductor base layer, and are electrically connected to each other by metal electrodes. Therefore, the substantial area of the semiconductor cathode layer can be increased. Therefore, if the interval between the narrowest portions between the cathode regions is set to be twice or less the thickness of the semiconductor active layer, the gun domains generated in the semiconductor active layer immediately below the cathode regions are coupled to generate synchronous oscillation. To obtain high oscillation output power.
[0145]
MaTheSecondIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of this embodiment, since the interface between each of the cathode regions and the semiconductor base layer is rectangular, the narrowest portion of the cathode region adjacent to each other is formed on one side of the rectangle. You can get long by crawl. Therefore, when the interval between the narrowest portions is not more than twice the thickness of the semiconductor active layer in the direction perpendicular to the interface, the coupling of the gun domain can be made stronger and higher oscillation output power can be obtained. be able to. Furthermore, creation of a device can be facilitated.
[0146]
Also,ThirdIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the embodiment, the long sides of the rectangular cathode regions are arranged adjacent to the long sides of the other cathode regions, so that the short sides are arranged adjacent to each other. Compared to the case, the coupling of the cancer domain generated in the semiconductor active layer immediately below each cathode region is strengthened, and the synchronous transmission can be easily generated.
[0147]
Also,4thIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of this embodiment, the cathode regions are arranged in two rows in the longitudinal direction, so that the thermal resistance can be further reduced.
[0148]
Also,5thIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of this embodiment, the impurity doping concentration in the semiconductor active layer decreases from the semiconductor base layer side to the semiconductor anode layer side. The current density distribution in the (depth direction) can be canceled out, and the time-average electric field strength in the element can be made constant to some extent. Therefore, efficiency and output power can be increased.
[0149]
Also,6thIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of this embodiment, the semiconductor active layer is composed of at least two layers, and the impurity doping concentration in one of the layers decreases from the semiconductor base layer side toward the semiconductor anode layer side. As a result, efficiency and output power can be increased.
[0150]
Also,7thIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of this embodiment, the decrease in impurity doping concentration in the semiconductor active layer is proportional to the distance from the semiconductor base layer side, so that the efficiency and output power are It can be further increased.
[0151]
Also,8thIn the heterojunction bipolar transferred electron transistor of this embodiment, since a ballast layer is laminated on each cathode region, current concentration due to a planar temperature distribution in each cathode region and between each cathode region is prevented. The time average electric field strength of the entire device can be made constant. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in oscillation intensity and to obtain a stable high output oscillation output.
[0152]
Further, since the VCO of the second invention is configured using the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention, it is compared with the case where the single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor is used. A large oscillation output can be obtained. Furthermore, the anode current is almost independent of the base-anode voltage. Therefore, by changing the voltage between the base and the anode, the oscillation frequency can be changed without changing the anode current. That is, according to the present invention, it is possible to realize a VCO having a good characteristic in which the oscillation output is large and the fluctuation of the oscillation output is small with respect to the oscillation frequency.
[0153]
In addition, since the ILO of the third invention is configured by using the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention, compared with the case of using the single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor. A larger oscillation output can be obtained. Furthermore, the input of the synchronizing signal between the base and the cathode can be amplified between the base and the anode. Therefore, the voltage and current between the base and the anode can be greatly changed by the synchronization signal having the same power as compared with the case where other gun oscillation elements are used, and the power of the injection signal can be reduced. Alternatively, it is possible to take a wider frequency pullable frequency that can be injection-synchronized than the other gun oscillation elements, depending on the intensity of a fixed injection signal.
[0154]
Further, since the Early voltage has a very large value, the isolation from the anode to the cathode is very good, and the backflow of the oscillation signal to the cathode side can be effectively prevented. Therefore, it is possible to prevent the oscillation output from flowing backward to the synchronization signal source by grounding the base and inputting the synchronization signal from the cathode, and it is possible to prevent the phase noise from increasing.
[0155]
In addition, the self-oscillation mixer of the fourth invention is configured by using the heterojunction bipolar transferred electron transistor of the first invention. Thus, a larger oscillation output can be obtained. Furthermore, the Early voltage has a very large value. Therefore, the isolation from the anode to the cathode is good, and the leakage of the oscillation signal to the cathode side can be eliminated. That is, according to the present invention, by isolating the base from the ground and inputting the input signal from the cathode, it is possible to easily isolate the oscillation output.
[0156]
In addition, since the receiving device of the fifth invention is configured using the self-oscillation mixer of the fourth invention, it is possible to prevent the local oscillation frequency from leaking to the high frequency signal input. Therefore, unnecessary radiation of the local signal can be reduced, and it is possible to prevent the adjacent receiving apparatus from being damaged.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view during operation of a two-finger heterojunction bipolar transferred electron device in which the distance between the cathode layers as an example of the heterojunction bipolar transferred electron device of the present invention is greater than twice the thickness of the active layer It is.
2 is a diagram showing a simulation result of output current density in the two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a simulation result of output current density of a single finger heterojunction bipolar transferred electron transistor having the same cathode finger width as that of the two finger electron transistor shown in FIG. 1;
FIG. 4 is a cross-sectional view of a heterojunction bipolar transferred electron triode.
FIG. 5 is a cross-sectional view during operation in a two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor in which the distance between the cathode layers is not more than twice the thickness of the active layer.
6 is a diagram showing a simulation result of output current density in the two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor shown in FIG.
7 is a diagram showing a planar structure of the electron triode shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a planar structure different from FIG.
FIG. 9 is a diagram showing a planar structure different from those in FIGS. 7 and 8;
FIG. 10 is a diagram showing a planar structure different from those shown in FIGS.
FIG. 11 is a diagram showing a planar structure different from those shown in FIGS.
12 is a view showing a cross-sectional structure of the two-finger heterojunction bipolar transfer shown in FIG.
13 is a view showing a cross-sectional structure different from FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view of a two-finger heterojunction bipolar transferred electron transistor having a ballast layer.
FIG. 15 is a diagram schematically showing a current concentration state in a heterojunction bipolar transferred electron transistor.
FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the thickness of the ballast layer and the upper and lower limits of the oscillation current of the anode current.
17 is a circuit diagram of a VCO using the electron triode shown in FIG.
FIG. 18 is a graph showing anode-base voltage-frequency characteristics in a VCO using electron-to-device elements having different impurity concentration gradients in an active layer.
19 is a circuit diagram of the ILO using the electron triode shown in FIG.
FIG. 20 is a diagram showing a synchronization signal frequency-oscillation frequency characteristic in an ILO using an electron triode element having a different impurity concentration gradient of an active layer.
FIG. 21 is a circuit diagram of a self-oscillating mixer using the electron triode shown in FIG.
FIG. 22 is a diagram showing input / output power characteristics in a self-oscillating mixer using electron toroid elements having different impurity concentration gradients in an active layer.
23 is a diagram showing a positional relationship between a transmitter and a receiver for explaining functions of the receiver using the self-oscillation mixer shown in FIG.
24 is an explanatory diagram of a frequency band of an information signal from the transmitter shown in FIG. 23 and an up-conversion frequency band by each transmitting station.
25 is an explanatory diagram of down-conversion by each receiver shown in FIG. 23. FIG.
FIG. 26 is a diagram showing a planar structure of a conventional single finger heterojunction bipolar transferred electron triode.
FIG. 27 is a diagram showing a planar structure of an electron triode in which the width of the cathode layer in FIG. 26 is increased.
FIG. 28 is a diagram showing a planar structure of an electron triode in which the length of the cathode layer in FIG. 26 is increased.
[Explanation of symbols]
15, 25, 81, 101, 121 ... GaAs anode layer,
16, 26, 82, 103, 122 ... GaAs active layer,
17, 27, 83, 105, 123 ... GaAs base layer,
18, 28 ... 1st AlGaAs cathode layer,
19, 29 ... the second AlGaAs cathode layer,
20 ... 1st cancer domain,
21 ... The second cancer domain,
30 ... Common cancer domain,
31, 41, 51, 61, 71 ... n-type semiconductor anode layer,
32, 42, 52, 62, 72 ... p-type semiconductor base layer,
33, 43, 53, 63, 73 ... n-type semiconductor cathode layer,
34, 44, 54, 64, 74, 128 ... metal anode ohmic contact electrodes,
35, 45, 55, 65, 75, 129 ... metal-based ohmic contact electrodes,
36, 46, 56, 66, 76, 130 ... metal cathode ohmic contact electrodes,
84 ... AlxGa1-xAs cathode gradient layer,
85 ... Al0.35Ga0.65As cathode layer,
86 ... Al0.35Ga0.65As cathode ballast layer,
87,126 ... AlxGa1-xAs cathode gradient layer,
88,127 ... GaAs cathode cap layer,
89,110 ... AuGe / Ni / Au anode ohmic contact electrode,
90,111 ... Ti / Pt / Au base ohmic contact electrode,
91 ... AuGe / Ni / Au cathode ohmic contact electrode,
102 ... In0.49Ga0.51P etch stop layer,
104 ... GaAs active layer (NDSlope),
106 ... In0.49Ga0.51P-based protective layer,
107 ... GaAs cathode layer,
108 ... InxGa1-xAs cathode gradient layer,
109 ... In0.5Ga0.5As cathode cap layer,
112 ... Ti / Pt / Au cathode ohmic contact electrode,
124 ... Al0.3Ga0.7As cathode layer,
125 ... Al0.35Ga0.65As ballast layer,
141,161,171,191,211,231 ... multi-finger
Heterojunction Bipolar Transfer Electron Period,
142, 162, 172, 192, 212, 232 ... Base electrode,
143, 166, 175, 197, 215, 237 ... anode power supply terminal,
144,147,165,174,177,196,214,217,236,239
... inductance,
145,164,173,195,213,235 ... anode electrode,
146, 178, 218 ... cathode power supply terminal,
148,167,176,198,216,238 ... cathode electrode,
149,168,179,181,199,202,219,221,
240, 242, 245 ... DC bias cut capacitors,
150, 169, 180, 200, 220, 241 ... output terminals,
151, 194, 234 ... capacitors,
163, 223, 248 ... λ / 4 wavelength open stubs for the fundamental oscillation frequency
170, 204, 247 ... Base power supply terminal,
182, 203, 246 ... Sync signal input terminal,
193,233 ... λ / 2 wavelength line with respect to fundamental oscillation frequency,
201: Open stub of λ / 4 wavelength with respect to synchronization signal frequency
222, 243 ... signal input terminals,
244: Open stub of λ / 2 wavelength with respect to the fundamental oscillation frequency,
251 ... 1st transmitter (transmitting station),
252 ... second transmitter (transmitting station),
253 ... first receiver,
254 ... second receiver,
255 ... Reception interference,
256 ... frequency band of transmission information signal,
257 ... Transmission information signal from the first transmitter (transmitting station) after up-conversion,
258 ... Transmission information signal from the second transmitter (transmitting station) after up-conversion,
259 ... Local frequency for the first transmitter (station),
261: Local frequency for the second transmitter (station).
Claims (14)
上記半導体カソード層は複数のカソード領域に分割されており、
上記半導体ベース層と半導体活性層との界面の延在方向に互いに隣接する上記カソード領域における最も狭い部分の間隔は、上記半導体活性層における上記界面に直角方向への厚みの2倍以下である
ことを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。In a heterojunction bipolar transfer electron transistor in which a semiconductor anode layer, a semiconductor active layer, a semiconductor base layer, and a semiconductor cathode layer are sequentially laminated,
The semiconductor cathode layer is divided into a plurality of cathode regions ,
Spacing of the narrowest portion in the cathode region adjacent to each other in the extending direction of the interface between the semiconductor base layer and the semiconductor active layer, Ru der 2 times the thickness of the perpendicular direction to the interface in the semiconductor active layer Heterojunction Bipolar Transfer Electron Period
上記複数のカソード領域は、単一の半導体ベース層上に隣接して形成されると共に、互いに金属電極で電気的に接続されていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。In the heterojunction bipolar transfer electron transistor according to claim 1,
The plurality of cathode regions are formed adjacent to each other on a single semiconductor base layer, and are electrically connected to each other by metal electrodes.
上記各カソード領域と半導体ベース層との界面は矩形であることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。In the heterojunction bipolar transferred electron transistor according to claim 1 or 2,
A heterojunction bipolar transferred electron transistor characterized in that an interface between each cathode region and the semiconductor base layer is rectangular .
上記各カソード領域は、長辺と短辺とを有する矩形状を成すと共に、上記長辺を他のカソード領域の上記の長辺に隣接させて配列されていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。 In the heterojunction bipolar transfer electron transistor according to claim 3 ,
Each cathode region, as well as a rectangular shape having long and short sides, heterojunction bipolar transfer, characterized that you have been arranged to be adjacent to the long side to the long side of the other cathode region Door electron trio.
上記各カソード領域は、長手方向に2列に配列されていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。In the heterojunction bipolar transferred electron according to claim 4,
Each cathode region is a heterojunction bipolar transferred de electron triode, characterized in that it is arranged in two rows in the long side direction.
上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。 In the heterojunction bipolar transferred electron device according to any one of claims 1 to 5,
A heterojunction bipolar transferred electron transistor, wherein an impurity doping concentration in the semiconductor active layer decreases from the semiconductor base layer side toward the semiconductor anode layer side .
上記半導体活性層は少なくとも2層から成り、そのうちの1層における不純物ドーピング濃度が、上記半導体ベース層側から半導体アノード層側に向って減少するようになっていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。In the heterojunction bipolar transferred electron transistor according to any one of claims 1 to 5 ,
The semiconductor active layer is composed of at least two layers, and an impurity doping concentration in one of the layers is reduced from the semiconductor base layer side toward the semiconductor anode layer side. Door electron trio.
上記半導体活性層における不純物ドーピング濃度の減少は、上記半導体ベース層側からの距離に対して比例することを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。In heterojunction bipolar transferred de electron triode according to 請 Motomeko 6 or claim 7,
The reduction of the impurity doping concentration definitive the semiconductor active layer, heterojunction bipolar transferred de electron triode characterized that you proportional to the distance from the semiconductor base layer side.
上記各カソード領域上にバラスト層を積層したことを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。 In the heterojunction bipolar transferred electron transistor according to any one of claims 1 to 8 ,
A heterojunction bipolar transferred electron transistor comprising a ballast layer laminated on each cathode region .
上記半導体アノード層 , 半導体活性層 , 半導体ベース層および半導体カソード層は、 III 族元素G a, I n, A l の少なくとも一つ以上とV族元素A s, P , N , S b の少なくとも一つ以上とを含む III ‐V族化合物半導体で構成されていることを特徴とするヘテロジャンクションバイポーラトランスファードエレクトロントリオード。In the heterojunction bipolar transferred electron device according to any one of claims 1 to 9,
Said semiconductor anode layer, a semiconductor active layer, a semiconductor base layer and the semiconductor cathode layer, III group element G a, I n, at least one and V elements A s of A l, P, N, at least one S b A heterojunction bipolar transfer electron transistor comprising a group III- V compound semiconductor containing two or more .
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