本發(fā)明涉及層疊多個(gè)半導(dǎo)體層而形成的半導(dǎo)體元件、其制造方法和具有其的半導(dǎo)體裝置。

背景技術(shù)：

在從毫米波到thz頻帶的各種無(wú)線系統(tǒng)中，作為用于檢測(cè)包含在其rf載體中的信號(hào)的裝置使用非線性設(shè)備。肖特基勢(shì)壘二極管(schottkybarrierdiode、即sbd)是典型的設(shè)備之一，作為利用包絡(luò)檢波(envelope-detection)和變?nèi)輨?dòng)作(varactoroperation)的混合設(shè)備發(fā)揮功能。在此，描述包絡(luò)檢波的背景。

sbd的電流電壓(i-v)特性可以由數(shù)1表示，is為飽和電流(saturationcurrent)。

[數(shù)1]

isbd(v)＝is·(exp(v/vt)-1)(1)

vt是熱電壓(thermalvoltage＝kt/q：k是玻耳茲曼常數(shù)、t是絕對(duì)溫度、q是電子電荷)，室溫下成為25mv的值。

通過(guò)利用上述i-v特性的非線性性，并且通過(guò)以rf電信號(hào)輸入在sbd端子誘發(fā)的電壓vrf，可以產(chǎn)生檢波輸出(＝平均電流)。

圖11是二極管的等效電路。圖12是示意性表示該二極管的電流電壓(i-v)特性和相對(duì)于高頻輸入的檢波i-v特性的圖。檢波i-v特性的曲線成為使無(wú)高頻信號(hào)輸入時(shí)的i-v特性向負(fù)電壓側(cè)偏移的i-v特性，并且根據(jù)檢波輸出電路的負(fù)載電阻來(lái)確定動(dòng)作點(diǎn)p。

小信號(hào)輸入時(shí)，sbd的阻抗的實(shí)數(shù)部(＝微分電阻值)是無(wú)高頻信號(hào)輸入時(shí)的i-v特性的電壓微分，成為如下數(shù)2。

[數(shù)2]

根據(jù)平方檢波的一般理論，忽視串聯(lián)電阻rs和結(jié)電容cj，輸入線路和rd的阻抗匹配成立，即，電力耦合為100％的情況下，即使rd變化，相對(duì)于輸入電力prf的檢波電流靈敏度在零電壓動(dòng)作時(shí)為1/vt(a/w)，保持不依存于is的固定值。

電壓靈敏度(＝開路輸出條件)在阻抗匹配狀態(tài)下是1/is(v/w)，is越小、電壓靈敏度越高，在低速的調(diào)制信號(hào)的情況下，大多測(cè)量上述檢波電壓。是通常作為sbd的靈敏度性能利用電壓靈敏度(v/w)的理由。

另一方面，在信號(hào)的調(diào)制為高速的情況下，利用輸入電阻較小的反饋放大器來(lái)放大輸出，所以檢波電流靈敏度更為重要。典型的檢波動(dòng)作可以考慮從同軸線路或波導(dǎo)管線路直接向零電壓動(dòng)作的sbd輸入rf信號(hào)。只要使用以往的sbd，上述輸入線路的特性阻抗z0input就遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于二極管微分電阻(rd)(z0input<<rd)。即，匹配條件不成立，朝向sbd的rf信號(hào)幾乎全部被反射，電力耦合成為不充分的狀態(tài)。上述阻抗不匹配時(shí)的檢波電流靈敏度從阻抗匹配時(shí)的值(1/vt)下降至

2(z0input/rd)vt^-1＝2(z0input×is)vt^-2。

在這種情況下，需要使is上升，換句話說(shuō)，需要將(1)式的輸出電流isbd提高到適當(dāng)?shù)闹怠８鶕?jù)(2)式的關(guān)系，與使rd下降等效。由于上述理由，所以在使用以往的is較小的gaas-sbd等時(shí)，在提供偏置的條件(在(2)式中使v變大而使rd變小的條件)下構(gòu)成檢波電路。通過(guò)在輸入線路和sbd之間插入阻抗轉(zhuǎn)換電路，可以改進(jìn)匹配狀態(tài)，但是由于這樣會(huì)限制動(dòng)作頻帶寬度，所以有損于檢波設(shè)備的寬頻帶特性。

此外，檢測(cè)微弱的信號(hào)時(shí)，為了抑制電源噪聲的影響，希望在零偏置下動(dòng)作。成為不需要偏置電路也是優(yōu)點(diǎn)。為了在零偏置狀態(tài)下得到良好的靈敏度，需要適當(dāng)?shù)靥岣?1)式的is。換句話說(shuō)，由于在數(shù)2中v＝0，所以rd＝vt/is，處于rd下降的狀態(tài)。但是，只要利用最典型的化合物半導(dǎo)體的gaas來(lái)制作sbd，則is比最佳值小，而rd成為遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入線路的有效阻抗的值。

特別重要的是構(gòu)成在數(shù)100ghz～數(shù)thz的thz帶動(dòng)作的寬頻帶接收器的情況。thz接收器大多與具有固定的天線阻抗(zo)的純電阻天線直接連接，因此難以組裝在匹配電路中。例如，由于形成在半導(dǎo)體基板上的純電阻天線的阻抗是大約75ω而比較低，所以阻抗匹配難以成立，在上述條件下，檢波電流輸出具有依存于is的傾向。在難以取得這種阻抗匹配的電路結(jié)構(gòu)的情況下，為了確保耦合效率，優(yōu)選將rd下降至接近zo的值。

在此，為了使rd下降，從(2)式可以看出需要使is變大。如數(shù)3所示，is是sbd的結(jié)面積(sj)和sbd的勢(shì)壘高度的函數(shù)。

[數(shù)3]

is＝sj×a^*·t²×exp(-φbn/vt)(3)

其中，a^*是理查森常數(shù)，k是玻耳茲曼常數(shù)，t是溫度(k)。

然而，在構(gòu)成寬頻帶接收器的情況下，為了確保頻率特性，需要使結(jié)面積sj變小而使設(shè)備的結(jié)電容(cj)變小，所以如果固定(半導(dǎo)體材料相同)，則必然存在難以使is變大的傾向。其結(jié)果，存在如下課題：接收器所需要的動(dòng)作頻帶越高則is越低，從對(duì)零偏置動(dòng)作而言適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)大幅度偏離，從而零偏置動(dòng)作的特性劣化。

為了使is變大，具有改變半導(dǎo)體材料而使sbd的勢(shì)壘高度變小的方法。例如，作為勢(shì)壘高度比作為一般的半導(dǎo)體材料的gaas變小的半導(dǎo)體材料，具有與inp柵格匹配的ingaasp。圖10是示意性表示使用ingaasp的sbd結(jié)構(gòu)能帶圖。低濃度的ingaasp層31與肖特基勢(shì)壘金屬36接觸，形成sbd結(jié)構(gòu)。連接兩層結(jié)構(gòu)的n形的接觸層(33、34)和接觸電極35。另外，低濃度是指“空乏時(shí)在該層內(nèi)幾乎不產(chǎn)生引起大的電場(chǎng)變化的電荷的程度下，供體或受體的濃度處于低的狀態(tài)”。即，低濃度的ingaasp層31與其他任意一個(gè)摻雜層相比，供體或受體的濃度都低，將該層作為非摻雜層也能夠得到二極管的效果。

在ingaasp中sbd的勢(shì)壘最小的是其inp組成為零的ingaas。但是，ingaas的電子勢(shì)壘也是0.2～0.25v程度，此外，動(dòng)作頻率越高，需要的sj越小。其結(jié)果，在以數(shù)100ghz以上的高頻動(dòng)作為目標(biāo)的sbd的情況下，越能夠得到所希望的is，也就越不能使下降。在達(dá)姆施塔特大學(xué)(univ.darmstadt)的小組的例子中報(bào)告有，以thz頻帶動(dòng)作為目的而制作的ingaas-sbd的微分電阻是0v、rd＝4.7kω(例如參照非專利文獻(xiàn)1)，根據(jù)上述rd計(jì)算的is大約是5μa。可知上述rd依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于典型的純電阻天線的阻抗(大約75ω)。

報(bào)告有不是由金屬和半導(dǎo)體構(gòu)成sbd，而是利用半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二極管(異質(zhì)勢(shì)壘二極管[hbd：heterobarrierdiode])(參照非專利文獻(xiàn)2)。在非專利文獻(xiàn)2中，由n形ingaas/n形inp構(gòu)成的同型(isotype)接合表示了確定is的是200mev。但是，上述與ingaas-sbd的同等，估計(jì)不能使is增大。

還報(bào)告了一種利用單晶狀態(tài)的半金屬(semimetal)和半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二極管(參照非專利文獻(xiàn)3)。上述半金屬/半導(dǎo)體二極管由半金屬eras和inalgaas[組成在與inp柵格匹配的條件下(in0.52al0.48as)x(in0.53ga0.47as)1-x]的接合構(gòu)成，x＝0的條件：eras/ingaas的接合報(bào)道了作為最小的勢(shì)壘高度但是，在實(shí)驗(yàn)中具有這種小的的二極管的特性差，設(shè)計(jì)方法也不明確。

如上所述，在從毫米波到數(shù)thz波的頻帶中為了實(shí)現(xiàn)零偏置動(dòng)作的sbd或半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管的高性能化，需要提高電流靈敏度，同時(shí)為了使動(dòng)作點(diǎn)的微分電阻值rd成為適當(dāng)?shù)闹?，需要使飽和電流is比現(xiàn)有的設(shè)備大。但是，報(bào)道的ingaas-sbd依然因大而不能使飽和電流is和微分電阻值rd最佳化，利用以使is增大為目的而制作、小的eras/inalgaas異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二極管(非專利文獻(xiàn)3)也不能得到上述效果。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)

非專利文獻(xiàn)1：d.schoeherretal.，“extremelybroadbandcharacterizationofaschottkydiodebasedthzdetector”，irmmw-2010，pp.1-2，2010.

非專利文獻(xiàn)2：s.r.forrestando.k.kim，“ann-in0.53ga0.47as/n-inprectifiers”，j.appl.phys.vol.52，pp.5838-5842，1981.

非專利文獻(xiàn)3：e.r.brownetal.，“advancesinschottkyrectifierperformance”，ieeemicrowavemagazine，june2007，pp.54-59，2007.

非專利文獻(xiàn)4：n.kashioetal.，“high-speedandhigh-reliabilityinp-basedhbtswithanovelemitter”，ieeetrans.elec.dev.vol.57，no.2，pp.373-379，2010.

如上所述，在高頻帶、特別是thz帶中為了提高零偏置動(dòng)作的檢波設(shè)備的性能，需要使動(dòng)作點(diǎn)的飽和電流is比現(xiàn)有的設(shè)備大(＝使微分電阻值rd變小)。但是，在以往的sbd中，不能實(shí)現(xiàn)上述目的所需要的小的勢(shì)壘高度并且在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)二極管中與sbd相比也沒有充分下降，此外，上述設(shè)計(jì)方法也不明確。即，以往的半導(dǎo)體檢波設(shè)備存在如下課題：不能降低肖特基勢(shì)壘高度難以實(shí)現(xiàn)用于提高高頻帶的rf電信號(hào)的檢波靈敏度的零偏置動(dòng)作與天線阻抗的匹配。

在此，為了解決所述課題，本發(fā)明的目的在于提供能夠調(diào)整勢(shì)壘高度能夠提高零偏置動(dòng)作時(shí)高頻帶的rf電信號(hào)的檢波電流靈敏度同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)與天線阻抗的匹配的半導(dǎo)體元件、半導(dǎo)體元件的制造方法和具有該半導(dǎo)體元件的半導(dǎo)體裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明通過(guò)在半導(dǎo)體元件內(nèi)的形成異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體層中調(diào)整電子親和力大的一側(cè)的半導(dǎo)體層的電子濃度，調(diào)整勢(shì)壘高度另外，在本說(shuō)明書中，半導(dǎo)體元件是指異質(zhì)勢(shì)壘二極管(hbd)。

具體地說(shuō)，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體元件的制造方法，所述半導(dǎo)體元件具有層疊二極管結(jié)構(gòu)，所述層疊二極管結(jié)構(gòu)從正極側(cè)向負(fù)極側(cè)，以n形的第一半導(dǎo)體層、與所述第一半導(dǎo)體層相比電子親和力小的第二半導(dǎo)體層、n形的第三半導(dǎo)體層的順序?qū)盈B，所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層是異質(zhì)結(jié)，所述半導(dǎo)體元件的制造方法的特征在于，調(diào)整所述第一半導(dǎo)體層的摻雜量，以使向所述半導(dǎo)體元件的正極和負(fù)極之間輸入規(guī)定的高頻信號(hào)而檢波的檢波輸出電流成為最大。

在圖2的能帶圖中，附圖標(biāo)記2所示的層相當(dāng)于第一半導(dǎo)體層，伴隨提高n形的摻雜濃度，費(fèi)米能級(jí)ef上升。在此，由于與第二半導(dǎo)體層的傳導(dǎo)帶不連續(xù)δec固定，所以勢(shì)壘高度能量按照如下[數(shù)4]變化。

[數(shù)4]

其中，ef-ec是從第一半導(dǎo)體層的傳導(dǎo)帶端測(cè)量的值。即，可以根據(jù)摻雜濃度來(lái)調(diào)整

本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的制造方法在層疊包含異質(zhì)結(jié)的多個(gè)半導(dǎo)體層來(lái)制作二極管結(jié)構(gòu)時(shí)，在進(jìn)行異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體層中，預(yù)先取得電子親和力大的一側(cè)的半導(dǎo)體層(第一半導(dǎo)體層)的最佳電子濃度。最佳電子濃度的取得方法是輸入規(guī)定的rf信號(hào)時(shí)檢波電流為最大的電子濃度。即，將檢波電流的大小作為指標(biāo)來(lái)確定最佳的勢(shì)壘高度因此，本發(fā)明可以提供一種可以調(diào)整勢(shì)壘高度可以提高零偏置動(dòng)作時(shí)高頻帶的rf電信號(hào)的檢波電流靈敏度同時(shí)能夠進(jìn)行與天線阻抗的匹配的半導(dǎo)體元件的制造方法。

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員尚未知道可以通過(guò)以第一半導(dǎo)體層的電子濃度來(lái)調(diào)整異質(zhì)勢(shì)壘高度將hbd的微分電阻值rd調(diào)整成天線阻抗程度。

本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體元件的制造方法，所述半導(dǎo)體元件具有層疊二極管結(jié)構(gòu)，所述層疊二極管結(jié)構(gòu)從正極側(cè)向負(fù)極側(cè)，以n形的第一半導(dǎo)體層、與所述第一半導(dǎo)體層相比電子親和力小的第二半導(dǎo)體層、n形的第三半導(dǎo)體層的順序?qū)盈B，所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層是異質(zhì)結(jié)，所述半導(dǎo)體元件的制造方法的特征在于，將所述半導(dǎo)體元件作為向所述半導(dǎo)體元件的正極和負(fù)極之間輸入規(guī)定的高頻信號(hào)而檢波的檢波電路時(shí)，預(yù)先提供所述檢波電路的高頻信號(hào)輸入側(cè)的線路阻抗、或純電阻的天線阻抗、以及與所述檢波電路的檢波輸出連接的放大器的輸入阻抗時(shí)，調(diào)整所述第一半導(dǎo)體層的摻雜量，以使所述檢波輸出的電流成為最大。

本制造方法優(yōu)選的是，在將半導(dǎo)體元件用于檢波電路時(shí)的高頻信號(hào)輸入側(cè)的線路阻抗、或純電阻的天線阻抗、以及與檢波電路的檢波輸出連接的放大器的輸入阻抗中，調(diào)整第一半導(dǎo)體層的摻雜量，以使檢波電流成為最大。

此外，本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體元件的制造方法，所述半導(dǎo)體元件具有層疊二極管結(jié)構(gòu)，所述層疊二極管結(jié)構(gòu)從正極側(cè)向負(fù)極側(cè)，以n形的第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、n形的第三半導(dǎo)體層的順序?qū)盈B，所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層是異質(zhì)結(jié)，所述半導(dǎo)體元件的制造方法的特征在于，將所述第一半導(dǎo)體層作為ingaas，將所述第二半導(dǎo)體層作為inp，將所述異質(zhì)結(jié)的面積作為sj(μm²)時(shí)，由數(shù)式c1確定所述第一半導(dǎo)體層的電子濃度ne(cm^-3)。

[數(shù)c1]

對(duì)數(shù)c1進(jìn)行說(shuō)明。首先，如果溫度t為固定，則數(shù)3是is、sj和的三個(gè)參數(shù)的關(guān)系。在此，根據(jù)得到最佳檢波電流的條件來(lái)任意確定is，根據(jù)使用的頻率，提供了sj時(shí)，需要得出的參數(shù)是在此，如果觀察數(shù)3，則能夠理解log(sj)或log[sqr.(sj)]與是線性結(jié)合的關(guān)系。

另一方面，由于如果根據(jù)數(shù)4來(lái)確定使用的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，則δec固定，所以只能通過(guò)確定ef來(lái)確定此外，實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)對(duì)多種半導(dǎo)體材料測(cè)量了ef的上升部分和載體濃度ne的關(guān)系對(duì)，可以看出在一定濃度以下的ne的范圍內(nèi)，ef和ne是線性的關(guān)系。其結(jié)果，ne和log[sqr.(sj)]可以理解為線性的關(guān)系。

因此，ef的上升部分和載體濃度ne的關(guān)系已知時(shí)，不需要必須實(shí)際制作具有如上所述的二極管結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件并根據(jù)“檢波電流的最大值”得出最佳的ne。對(duì)于ingaas的情況，如果以非專利文獻(xiàn)4的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，推定為(ef-ec)/q＝1.2×10^-20×ne，則將其適用于inp/ingaas異質(zhì)結(jié)，由具體的數(shù)值表現(xiàn)的是數(shù)c1。另外，數(shù)c1的導(dǎo)出如后述的[附]所示。

此外，本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體元件，所述半導(dǎo)體元件具有層疊二極管結(jié)構(gòu)，所述層疊二極管結(jié)構(gòu)從正極側(cè)向負(fù)極側(cè)，以n形的第一半導(dǎo)體層、第二半導(dǎo)體層、n形的第三半導(dǎo)體層的順序?qū)盈B，所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層是異質(zhì)結(jié)，所述半導(dǎo)體元件的特征在于，所述第一半導(dǎo)體層是ingaas，所述第二半導(dǎo)體層是inp，將所述異質(zhì)結(jié)的面積作為sj(μm²)時(shí)，所述第一半導(dǎo)體層的電子濃度ne(cm^-3)是數(shù)式c1。

本發(fā)明的半導(dǎo)體元件及其制造方法在層疊包含異質(zhì)結(jié)的多個(gè)半導(dǎo)體層來(lái)制作二極管結(jié)構(gòu)時(shí)，在異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體層中，基于異質(zhì)結(jié)的結(jié)面積的設(shè)計(jì)值，確定電子親和力大的一側(cè)的半導(dǎo)體層(第一半導(dǎo)體層)的最佳電子濃度。因此，本發(fā)明可以提供能夠調(diào)整勢(shì)壘高度能夠提高在零偏置動(dòng)作時(shí)高頻帶的rf電信號(hào)的檢波電流靈敏度同時(shí)能夠進(jìn)行與天線阻抗的匹配的半導(dǎo)體元件和半導(dǎo)體元件的制造方法。

本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的特征在于，所述層疊二極管結(jié)構(gòu)還包括：n形的第四半導(dǎo)體層，層疊在所述第一半導(dǎo)體層的正極側(cè)；以及n形的第五半導(dǎo)體層，層疊在所述第三半導(dǎo)體層的負(fù)極側(cè)，在半絕緣性半導(dǎo)體基板上以接觸所述第五半導(dǎo)體層的方式形成所述層疊二極管結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的特征在于，所述半導(dǎo)體元件還具有正電極和負(fù)電極，所述正電極接觸所述第四半導(dǎo)體層的與所述第二半導(dǎo)體層相反側(cè)，所述第五半導(dǎo)體層從層疊方向觀察的面積比所述第三半導(dǎo)體層的面積大，所述負(fù)電極配置在所述第五半導(dǎo)體層的所述第三半導(dǎo)體層側(cè)、且與所述第三半導(dǎo)體層非接觸的位置上。

本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的特征在于，所述正電極從層疊方向觀察的面積比所述第四半導(dǎo)體層的面積大。通過(guò)使正電極的面積變大，可以容易進(jìn)行布線。

本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的特征在于，所述第一半導(dǎo)體層從層疊方向觀察的面積比所述第二半導(dǎo)體層的面積大。可以使二極管的結(jié)電容變小而提高頻率特性。

本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于包括：電連接線，連接電高頻輸入電路和電輸出電路；以及所述半導(dǎo)體元件，使所述負(fù)極側(cè)與所述電連接線連接，使所述正極側(cè)與地線連接，并且將對(duì)來(lái)自所述電高頻輸入電路的電高頻進(jìn)行檢波的檢波信號(hào)向所述電輸出電路輸出。

本半導(dǎo)體裝置包括所述半導(dǎo)體元件。因此，本發(fā)明可以提供能夠調(diào)整勢(shì)壘高度提高在零偏置動(dòng)作時(shí)高頻帶的rf電信號(hào)的檢波電流靈敏度同時(shí)能夠進(jìn)行與天線阻抗的匹配的半導(dǎo)體元件和半導(dǎo)體元件的制造方法。

本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可以將所述電高頻輸入電路作為天線。

本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置可以將所述電高頻輸入電路作為形成在所述半絕緣性半導(dǎo)體基板上的平面天線。

本發(fā)明可以提供能夠調(diào)整勢(shì)壘高度提高在零偏置動(dòng)作時(shí)高頻帶的rf電信號(hào)的檢波電流靈敏度同時(shí)能夠進(jìn)行與天線阻抗的匹配的半導(dǎo)體元件和半導(dǎo)體元件的制造方法。

附圖說(shuō)明

圖1是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)的圖。

圖2是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的能帶圖的圖。

圖3是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)的圖。

圖4是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)的圖。

圖5是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置(檢波電路)的圖。

圖6是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置(檢波電路)的等效電路的圖。

圖7是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的勢(shì)壘高度和頻率特性的圖。

圖8a是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的第一半導(dǎo)體層的電子濃度和本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置輸出的檢波電流的關(guān)系的圖。

圖8b是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的第一半導(dǎo)體層的電子濃度和本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置輸出的檢波電流的關(guān)系的圖。

圖9是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置(檢波電路)的圖。

圖10是說(shuō)明利用ingaasp的hbd結(jié)構(gòu)能帶圖的圖。

圖11是說(shuō)明二極管的等效電路的圖。

圖12是示意性表示二極管的電流電壓(i-v)特性和相對(duì)于高頻輸入的檢波i-v特性的圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。以下說(shuō)明的實(shí)施方式是本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明并不限定于以下的實(shí)施方式。上述實(shí)施例僅是舉例說(shuō)明，可以基于本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)以進(jìn)行各種變更、改良的方式實(shí)施本發(fā)明。另外，本說(shuō)明書和附圖中附圖標(biāo)記相同的結(jié)構(gòu)要素表示相同的結(jié)構(gòu)要素。

(實(shí)施方式1)

圖1是說(shuō)明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件301的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。各半導(dǎo)體層如下所述。

1：高濃度n形ingaas接觸層(第四半導(dǎo)體層)

2：根據(jù)需要來(lái)調(diào)整電子濃度的n形ingaas層(第一半導(dǎo)體層)

3：低濃度的inp空乏層(第二半導(dǎo)體層)

4：高濃度的n形inp層(第三半導(dǎo)體層)

5：高濃度n形ingaas接觸層(第五半導(dǎo)體層)

6：正電極

7：負(fù)電極

圖2是本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件的能帶圖。一同圖示了費(fèi)米能級(jí)(ef)和電子濃度分布的狀態(tài)(附圖標(biāo)記10)。由于ingaas的電子親和力比inp大，所以如圖2所示在n形ingaas接觸層1和n形ingaas層2之間，在能帶排列(inbandlineup)上產(chǎn)生傳導(dǎo)帶不連續(xù)(δec＝240mev)。伴隨于此，產(chǎn)生數(shù)4的ingaas/inp接合的非對(duì)稱的電子能勢(shì)壘雖然從inp朝向ingaas一側(cè)的勢(shì)壘高度依存于電壓，但是從ingaas朝向inp一側(cè)的勢(shì)壘高度幾乎不會(huì)因電壓而產(chǎn)生變化?？梢詷?gòu)成因上述勢(shì)壘而具有整流特性(＝非線性性)的二極管。

優(yōu)選使ingaas/inp界面的ingaas(n形ingaas層2)的電子濃度成為高濃度，以使因異質(zhì)界面的電子沉積效果產(chǎn)生的勢(shì)壘高度的電壓變化變小。這是因?yàn)槿绻麧舛鹊?，則屏蔽空乏的inp(inp空乏層3)的電場(chǎng)，所以基于ingaas側(cè)(n形ingaas層2)的電荷變化，在異質(zhì)界面的勢(shì)壘高度(＝δec-ef)因偏置而變化。

本發(fā)明的半導(dǎo)體元件的思想如下：使ingaas(n形ingaas層2)的電子濃度超越防止如上所述的“勢(shì)壘高度因偏置而變化”的范圍，并有意圖地增大至大幅度退縮的范圍，使電子費(fèi)米能級(jí)(ef)從ingaas(n形ingaas層2)的能帶端朝向inp(inp空乏層3)的能帶端的方向上升。此時(shí)的hbd的i-v特性在理想的情況下，可以由以下公式表示。

[數(shù)5]

即，通過(guò)改變n形ingaas層2的電子濃度ne使ef上下變化來(lái)調(diào)整勢(shì)壘高度可以改變hbd的i-v特性(改變飽和電流is和微分電阻值rd)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)使hbd的n形ingaas層2的電子濃度ne最佳化的方式之一如下所示。從正極側(cè)向負(fù)極側(cè)，以n形的第一半導(dǎo)體層、與所述第一半導(dǎo)體層相比電子親和力小的第二半導(dǎo)體層、n形的第三半導(dǎo)體層的順序?qū)盈B，制作多個(gè)所述第一半導(dǎo)體層和所述第二半導(dǎo)體層為異質(zhì)結(jié)的二極管結(jié)構(gòu)。通過(guò)在層疊第一半導(dǎo)體層時(shí)改變摻雜量，改變各二極管結(jié)構(gòu)的第一半導(dǎo)體層的電子濃度。并且，分別描繪向這些二極管結(jié)構(gòu)輸入規(guī)定的rf信號(hào)時(shí)的檢波電流，根據(jù)其結(jié)果，得到檢波電流成為最大的電子濃度。

更具體地說(shuō)，使所述hbd元件最佳化時(shí)，預(yù)先提供了檢波電路的高頻信號(hào)輸入側(cè)的線路阻抗、或純電阻的天線阻抗、以及與檢波輸出連接的放大器的輸入阻抗時(shí)，調(diào)整第一半導(dǎo)體層的摻雜量，以使輸入高頻信號(hào)而檢波的輸出電流為最大。如上所述，制作改變摻雜量的多個(gè)二極管結(jié)構(gòu)，并且將其作為檢波電路，提供高頻信號(hào)輸入側(cè)的線路阻抗、或純電阻的天線阻抗、以及與檢波輸出連接的放大器的輸入阻抗，分別描繪輸入規(guī)定的rf信號(hào)時(shí)的檢波電流，根據(jù)其結(jié)果，得到檢波電流為最大的電子濃度。

此外，如果包含hbd的檢波電路的結(jié)構(gòu)相同，則最佳的飽和電流is成為固定值，所以勢(shì)壘高度根據(jù)異質(zhì)結(jié)的面積sj而變化。因此，在將頻率特性上所需要的異質(zhì)結(jié)的結(jié)面積作為sj(μm²)時(shí)，n形ingaas層2的電子濃度ne將數(shù)c1確定為指標(biāo)。

如果以上述方式確定n形ingaas層2的電子濃度ne，發(fā)現(xiàn)可以相對(duì)于典型的天線阻抗(75ω)，在35～200ω的大的放大器輸入線路阻抗范圍內(nèi)得到最佳的接收特性。例如，如果sj＝0.5μm²，則ne＝1.3×10¹⁹(/cm³)。在上述條件下，費(fèi)米能級(jí)ef從傳導(dǎo)帶端上升大約160mev。其結(jié)果，相對(duì)于有效的電子的電子能勢(shì)壘為80mev而成為極低，is為大約0.17ma，與以往的hbd相比為極高。

(實(shí)施方式2)

本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件在圖1的半導(dǎo)體元件301的基礎(chǔ)上還包括半絕緣性半導(dǎo)體基板。具體地說(shuō)，在半絕緣性半導(dǎo)體基板上以接觸所述第五半導(dǎo)體層的方式形成有所述層疊二極管結(jié)構(gòu)。并且，所述正電極接觸在所述第四半導(dǎo)體層的與所述第二半導(dǎo)體層相反側(cè)，所述第五半導(dǎo)體層從層疊方向觀察的面積比所述第三半導(dǎo)體層的面積大，所述負(fù)電極配置在所述第五半導(dǎo)體層的所述第三半導(dǎo)體層一側(cè)、且在與所述第三半導(dǎo)體層非接觸的位置上。

圖3和圖4是說(shuō)明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體元件302的示意圖，分別是本半導(dǎo)體元件的俯視圖和斷面圖(a-a’斷面)。各半導(dǎo)體層如下所述。

11：高濃度n形ingaas接觸層(第四半導(dǎo)體層)

12：根據(jù)要求調(diào)整電子濃度的n形ingaas層(第一半導(dǎo)體層)

13：低濃度的inp空乏層(第二半導(dǎo)體層)

14：高濃度的n形inp(第三半導(dǎo)體層)

15：高濃度n形ingaas接觸層(第五半導(dǎo)體層)

16：正電極

17：負(fù)電極

18：半絕緣性半導(dǎo)體基板

19：布線金屬

20：hbd的區(qū)域

附圖標(biāo)記11～17與圖1的附圖標(biāo)記1～7的層對(duì)應(yīng)。

為了制作上述hbd，利用mo-vpe法或mbe法，使全部的半導(dǎo)體層外延生長(zhǎng)，對(duì)該基板進(jìn)行圖形加工。使正電極16成為圖形并使其成為掩膜，如果對(duì)其下方的半導(dǎo)體層進(jìn)行化學(xué)蝕刻，則可以制作如圖4的斷面所示的外伸形狀。由于能夠使正電極16的尺寸比半導(dǎo)體層的接合尺寸大，所以容易進(jìn)行布線金屬19的圖形化。由于將n形ingaas層12作為掩膜，對(duì)低濃度的inp空乏層13和高濃度的n形inp14進(jìn)行化學(xué)蝕刻，所以進(jìn)一步成為微細(xì)的尺寸，從而可以降低hbd的結(jié)電容cj。

(實(shí)施方式3)

圖5和圖6是說(shuō)明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置401的圖。

半導(dǎo)體裝置401包括：電連接線9a，連接電高頻輸入電路8a和電輸出電路8b；以及所述半導(dǎo)體元件301，使所述負(fù)極側(cè)與電連接線9a連接，使所述正極側(cè)與地線9b連接，把對(duì)來(lái)自電高頻輸入電路8a的電高頻進(jìn)行檢波的檢波信號(hào)向電輸出電路8b輸出。另外，在圖6中，由二極管(hbd)20表示所述半導(dǎo)體元件301。各電路等如下所示(省略實(shí)施方式1中說(shuō)明的)。

8a：電高頻(rf)輸入電路

8b：電輸出電路

9a：電連接線

9b：地線

9c：rf電信號(hào)輸入端口

9d：檢波輸出端口

半導(dǎo)體裝置401在半導(dǎo)體元件301的負(fù)電極7和正電極6之間形成有兩個(gè)電極端子對(duì)，電極端子對(duì)的一方與電rf輸入電路8a連接，另一方與電輸出電路8b連接，作為檢波電路發(fā)揮功能。

電rf輸入電路8a例如是傳輸線路或天線。由于通過(guò)向hbd(圖6的二極管20)的真正部(cj和rd的并聯(lián)電路)施加的rf電壓和動(dòng)作點(diǎn)支配電rf信號(hào)誘發(fā)的檢波電壓和電流，所以通過(guò)預(yù)估相對(duì)于固定的rf輸入，有怎樣的rf電壓到達(dá)hbd真正部的兩端，可以評(píng)價(jià)檢波輸出特性。

考慮電rf輸入電路8a是純電阻天線(阻抗zo＝75ω)的情況。如果hbd20與上述純電阻天線直接連接，則可以將其看做圖6的等效電路。得出相對(duì)于固定的rf輸入31由rd誘發(fā)的電壓。

在圖6的電路中，假設(shè)輸入線路的阻抗為zo＝75ω、sj＝0.5μm²、cj＝1.85ff、rs＝10ω、rin＝無(wú)限大(使半導(dǎo)體裝置的輸出為開路狀態(tài))。固定的rf電力輸入時(shí)，使is變化(＝使ingaas的電子濃度變化)時(shí)，計(jì)算由hbd20的微分電阻rd誘發(fā)的rf電流(irf)根據(jù)頻率如何變化[圖7]。在圖7中，橫軸是rf輸入31的頻率，縱軸是由微分電阻rd誘發(fā)的rf電流(irf)。

的情況下，雖然串聯(lián)電阻rs的電壓稍許下降，但是由于rd與線路的阻抗大體匹配，所以在低頻區(qū)域中成為接近0db的值。另一方面，伴隨變大，趨向于zo<rd的不匹配狀態(tài)，所以流過(guò)rd的電流下降，檢波電流也與其直接關(guān)聯(lián)而下降。如背景技術(shù)的章節(jié)所述，如果阻抗匹配成立，則電流靈敏度不變。即，rd變大、阻抗的不匹配變大，導(dǎo)致檢波電流下降。另外，在圖8的說(shuō)明中對(duì)檢波電流再次敘述。

對(duì)于頻帶(頻率特性)，由于從在不匹配時(shí)由cj·zo確定的狀態(tài)、轉(zhuǎn)移至伴隨rd變小傾向于由cj·rd確定，所以越小越有利。如果從下降3db頻帶(f-3db)觀察，則可以看出在中上升至f-3db＝1.1thz，在中上升至f-3db＝2.2thz(在圖7的各自的頻率特性上標(biāo)記的○記號(hào))。

如上所述，在使用現(xiàn)實(shí)的高速信號(hào)的系統(tǒng)中，檢波輸出大多與反饋放大器連接，上述輸入阻抗(rin)典型的是50ω。在此，能夠取得較大的檢波電流輸出，在使s/n比增大方面非常重要。

使n形ingaas層2的電子濃度ne(＝電子能勢(shì)壘)變化時(shí)，可以計(jì)算檢波輸出電流以何種方式動(dòng)作。圖8a在圖6電路中將輸入線路的阻抗作為zo＝75ω、rin＝50ω。在圖8b中作為zo＝250ω、rin＝500ω。在上述圖中，橫軸是n形ingaas層2的電子濃度ne，縱軸是從hbd輸出的檢波電流中向rin輸出的電流。另外，rf輸入31是-30dbm。

縱軸的檢波電流是將rd作為電源阻抗的檢波電路向rin部輸出的電流。由于n形ingaas層2的ne越小且越大，則is越小，所以檢波電流變小。另一方面，如果ne超出最佳區(qū)域，則rd與zo相比相對(duì)變小。在上述狀態(tài)下，反射輸入高頻，(＝匹配狀態(tài)劣化，hbd端子電壓下降)檢波電流下降。根據(jù)上述理由，如圖8a和圖8b所示，rin部的檢波電流在某一值、即某一ingaas的電子濃度ne具有峰值。表示了串聯(lián)電阻rs為0ω的情況和作為現(xiàn)實(shí)值的10ω和20ω的情況。因rs產(chǎn)生的ne的最佳點(diǎn)的變化不大。

在圖8a的無(wú)供電(＝零偏置)動(dòng)作的例子中，在ne＝1.3×10¹⁹(/cm³)附近具有最佳值(相當(dāng)于)。由于結(jié)面積sj＝0.5μm²，所以根據(jù)數(shù)c1，此時(shí)的電子濃度ne與rd＝150ω、is＝166μa對(duì)應(yīng)。可以看出hbd的微分電阻rd在比與輸入線路的阻抗zo＝75ω正確匹配的狀態(tài)稍高的狀態(tài)下，檢波電流輸出提供最大值。

在圖8b的無(wú)供電(＝零偏置)動(dòng)作的例子中，在ne＝1.0×10¹⁹(/cm³)附近具有最佳值。如上述例子所示，按照提供的電路條件，存在某一最佳的ne的峰值，以及像從數(shù)c1推測(cè)的那樣，ne和log[√sj]具有線性的關(guān)系非常重要。另外，在式c1的說(shuō)明的部分中描述的sj和最佳的ne由數(shù)值表現(xiàn)的關(guān)系相當(dāng)于輸入線路的阻抗zo＝75ω、放大器的輸入阻抗為rin＝50ω的情況(高速信號(hào)的接收檢波電路)。

(實(shí)施方式4)

圖9是說(shuō)明本實(shí)施方式的半導(dǎo)體裝置402的圖。作為電rf輸入電路8b，平面蝴蝶結(jié)形天線與半導(dǎo)體裝置連接。各電路如下所示。

19：布線金屬

20：hbd的區(qū)域

21：蝴蝶結(jié)形天線金屬

22：檢波輸出線(一方相當(dāng)于電連接線，另一方相當(dāng)于地線)

23：連接端

本實(shí)施方式的hbd的區(qū)域20是指圖3中說(shuō)明的hbd的區(qū)域20。

連接從圖9所示的hbd的區(qū)域20延長(zhǎng)的布線金屬19和蝴蝶結(jié)形天線金屬21的圖形端。并且，由傳輸線路構(gòu)成電路時(shí)，通常使過(guò)濾高頻的高阻抗的濾波電路與連接端23連接。雖然輸入蝴蝶結(jié)形天線的高頻信號(hào)具有從該天線反向放射的成分，但是朝向連接高阻抗的濾波電路的檢波檢測(cè)線22的結(jié)合少。即，如果從作為電rf輸入電路8a的天線側(cè)觀察，則連接電輸出電路8b的檢波輸出線22處于高頻區(qū)域阻隔狀態(tài)。

另一方面，從連接端23觀察天線側(cè)，由于連接端23的頻率偏離蝴蝶結(jié)形天線的頻帶，所以成為低頻區(qū)域阻隔狀態(tài)。

因此，可以看出半導(dǎo)體裝置402是與圖6所示的等效電路(電rf輸入電路8a和hbd的區(qū)域20)基本相同的電路形態(tài)。

(效果)

如上所述，本發(fā)明提供一種技術(shù)，在高頻帶、特別是thz頻率區(qū)域，提高零偏置動(dòng)作的檢波設(shè)備的檢波電流輸出和3db頻帶的性能。其與以往的hbd相比，實(shí)現(xiàn)更低的勢(shì)壘高度提高飽和電流is，并且使動(dòng)作點(diǎn)的微分電阻值rd相對(duì)于rf輸入線路的阻抗接近匹配狀態(tài)是基本，并且是將檢波電流輸出設(shè)定為最佳的設(shè)計(jì)方法。由于是僅由半導(dǎo)體構(gòu)成的二極管，所以改善了在sbd中成為問(wèn)題的因勢(shì)壘金屬產(chǎn)生的特性不穩(wěn)定性，便于制作要求均勻的檢波輸出的陣列形傳感器。

[附]

對(duì)數(shù)c1的導(dǎo)出進(jìn)行說(shuō)明。

計(jì)算數(shù)3的兩邊的log()。

[數(shù)a1]

在此，由以下公式假定費(fèi)米能級(jí)的電子濃度依存性。

[數(shù)a2]

(ef-ec)/q＝g×ne(a2)

g是系數(shù)。

此外，將結(jié)面積作為sj＝sjum×10^-8(cm²)，如果以微米單位標(biāo)記，則能夠表現(xiàn)為以下公式。

[數(shù)a3]

ingaas/inp異質(zhì)結(jié)的情況，從論文報(bào)告例推測(cè)為g＝1.21×10^-20，在本申請(qǐng)中典型的高速檢波電路的情況：

·輸入線路的阻抗：zo＝75ω

·放大器的輸入阻抗：rin＝50ω

的條件下成為最佳的是is(最佳)＝166μa(本說(shuō)明書中說(shuō)明)。

此外，如果將vt＝0.025、δec＝0.24/q代入數(shù)a3，則成為以下公式。

[數(shù)a4]

數(shù)a4相當(dāng)于數(shù)c1。

[附注]

以下，說(shuō)明本發(fā)明的接收從毫米波到thz頻帶的rf電信號(hào)的半導(dǎo)體檢波設(shè)備、更具體地說(shuō)在以零偏置動(dòng)作的低噪聲下高速的半導(dǎo)體檢波設(shè)備。

本發(fā)明涉及一種在高頻帶接收rf電信號(hào)的半導(dǎo)體檢波設(shè)備，并且提供一種方法，即使是小的結(jié)電容，也能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)卦O(shè)定飽和電流is和零偏置動(dòng)作點(diǎn)的微分電阻值rd，能夠改進(jìn)檢波接收設(shè)備的接收靈敏度。

<1>：

提供一種半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述半導(dǎo)體元件包括由第一n形半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體構(gòu)成異質(zhì)結(jié)、配置有與第二半導(dǎo)體接觸而成為接觸層的第三n形半導(dǎo)體的層疊二極管結(jié)構(gòu)，具有與第一n形半導(dǎo)體電接觸的電極端子、與第三n形半導(dǎo)體電接觸的電極端子，由上述第一n形半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的面積(sjμm²)提供為所希望的值時(shí)，調(diào)整第一n形半導(dǎo)體的電子濃度并且確定所述結(jié)構(gòu)，以便相對(duì)于固定的rf輸入，使與其后段連接的放大器的檢波電流輸入成為最大值。

<2>：

提供一種半導(dǎo)體元件，其特征在于，在上述<1>的范圍中，將第一n形半導(dǎo)體作為ingaas，將第二半導(dǎo)體作為低濃度的inp，提供由第一n形半導(dǎo)體和第二半導(dǎo)體構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)的面積(sjμm²)時(shí)，根據(jù)

ne＝1.16×10¹⁹-9.5×10¹⁸×log[√sj]/cm³

確定第一n形半導(dǎo)體的電子濃度(ne)。

<3>：

提供一種半導(dǎo)體裝置元件，其特征在于，在上述<1>和<2>的范圍中，與上述層疊二極管結(jié)構(gòu)的上述第一n形半導(dǎo)體的外側(cè)接觸，以接觸方式配置有第三n形接觸層，并且與上述第三n形半導(dǎo)體的外側(cè)接觸，配置有第四n形接觸層，各層形成在基板上。

<4>：

提供一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在上述<1>、<2>和<3>的范圍中，上述兩個(gè)電極端子對(duì)與電rf輸入電路和檢波輸出電路連接。

<5>：

提供一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在上述<1>、<2>、<3>和<4>的范圍中，電rf輸入電路是形成在基板上的平面天線或立體天線。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

301、302：半導(dǎo)體元件(hbd)

401、402：半導(dǎo)體裝置