GaAsガン効果電子源を用いたマイクロ波・ミリ波帯デバイス

GaAsガン効果電子源を用いたマイクロ波・ミリ波帯

デバイス

著者

三村 秀典

GaAsガン効果電子源を用いたマイクロ波･ミリ波帯

デバイス

(課題番号13450133) 平成13年度∼平成14年度科学研究費補助金基盤研究(B) (2)研究成果報告書 平成15年3月 研究代表者 三村秀典 (東北大学電気通信研究所 助教授)

Ⅰはしがき

｢GaAsガン効果電子源を用いたマイクロ波･ミリ波帯デバイス｣の研究は科学 研究費補助金基盤研究(B) (2)の補助を受け､平成1 3年度∼平成1 4年度に行

なわれた｡以下に､研究組織､研究経費を記述すると共に､代表的な研究発表

を記す｡

研究組織

研究代表者:三村秀典(東北大学電気通信研究所助教授)

研究分担者:横尾邦義(東北大学電気通信研究所教授)

研究分担者:佐藤信之(東北大学電気通信研究所助手)

研究分担者:嶋脇秀隆(八戸工業大学工学部助教授)

研究経費

平成13年度

平成14年度

計 8,900千円 4,300千円 13,200千円 研究発表

1. V. Ichizli, H･ Hartnagel, H･ Mimura, H･ Shimawakiand K･ Yokoo, "Field emission from porous(100) GaPwithmodified morphology1., App･ Phys･ Lett･ (2001)

4016-4019.

2. H. Ishizuka, Y. Kawamura, K. Yokoo, H. Mimura, H. Shimawakiand A･ Ilosono ''Laser-assisted electron emission from gated field emitters", 23rd Int･ Free Electron Laser Conf., Damstadt 2001 , Mo-P-22.

3. 0. Yilmazoglu, H･ Mimura, K･ Mutamba, H･ Hartnagel, H･ Shimawakiand K･ Yokoo, "Emission behavior ofmicromachined vertiCal field-emitterwithCantilever structure",

TechmiCalDigest of 3rd EuropeanField Emission Workshop, Alicante, 200 1 ･

4. G. Hashiguchi, K. Kakushima, J. Endo, Y. Wada, H. Mimura, K･ Yokooand H･ Fujita,

"Emission characteristicsand in-Situ TEM observation of Si lateral field emitters'l,

TechmiCalDigest of 14th IntemationalVacuumMicroelectromics Conference, Davis, 2001, p.237-238.

5. 0. Yilmazoglu, H･ Mimtqa, K･ Mutamba, H･ Hartnagel, K･ Okamura, H･ Shimawaki and K. Yokoo, ''Generation of a bunched electron beamby field-emitter structures'',

Displayand VacuumElectromics 2001, 2-3 May, 2001, Gamisch-Partenkirchen,

Germany qnvited).

-2-6. 0. Yilmazoglu, H. Mimura, K. Mutamba, H. Hartnagel, K. Okamura, H. Shimawaki and K. Yokoo, "Generation of modulation beam withGaAsfield emitter structures",

2nd IEEE lntemationalVacuum Electromics Conference, 2-4 April, 2001, Noordwijk, The Netherlands.

7. K. Yokoo, K. Okamura, H. Hasegawa, H. Mimtua, 0. Yilmazoglu, K. Mutamba, H.

Hartnagel, H. Ishizuka,and Y. Kawamura, I.Experiments ofmicrowaveand optical

wave radiation uslngfield emissionmicro cathode'., 8thIntemationalSymposiumon

Microwaveand OpticalTeclmology, June 20-24, 2001 , Canada qAVited)･

8. H. Mimura, 0. Yilmazoglu, H. Shimawaki, K. Yokoo, K. Mutambaand H. Hartnagel, 1.Emission characteristics of a galliumarsemide wedge emitter monolithically fTabricated

withanair bridge and a cantileveranode一㌧TechmiCaldigest of 14thIntematonalVacuum

Microelectromics Conference, Davis, 200 1 , p. 1 29- 1 30.

9.石塚浩､河村良行､横尾邦義､三村秀典､嶋脇秀隆､細野彰彦,''半導体ティ

ップ微小電子源からのレ-ザ支援電界放出" ,電子情報通信学会技術報告

ED2001-171, p. 49. 10.三村秀典､元光､池田優､小野修一､新井学､寒河江克巳､横尾邦義, ``結 晶性ダイヤモンドからの電界電子放射'',電子情報通信学会技術報告ED2001-183, p.63. ll.三村秀典､橋口原､角嶋邦之､遠藤潤ニ､和田恭雄､横尾邦義､藤田博之, "Sol 基板上に製作した短ギャップシリコン横型電界放射陰極の特性'',第62回応用 物理学会学術講演会2 (2001) 586. 12.三村秀典､元光､池田優､寒河江克巳､嶋脇秀隆､横尾邦義, "siティツプ 上に成長した単結晶ダイヤモンドからの電子放射特性" ,第62回応用物理学会 学術講演回2 (2001)577. 13.横尾邦義､三村秀典､宮島健太郎､元光, "ナノ構造膜からの電界電子放射'', 特定領域研究(B)公開シンポジュウム(2002)31. 14.石塚浩､河村良行､三村秀典､横尾邦義, "微小電子源を用いた可視域スミ ス･パーセル光の発生'',特定領域研究(B)公開シンポジュウム(2002)57. 15.三村秀典､横尾邦義, ``半導体電子源のバンドエンジニアリング" ,応用 物理71 (2002) 139卜1395.

16. H. Ishizuka, Y. Kawamura, K. Yokoo, H. Mimua, H. Shimawakiand A. Hosono, '-Laser-assisted electron emission from gatedfieldimitters'', NuclearInstr. Meth. Phys. Resear. A 483 (2002) 305-309.

17. H. Shimawaki, K. Tajima, H. Mimtmand K. Yokoo, " A monolithic fleld emitter

arraywith a junction field elrect transistor '', IEEE Trams. Electron Devices 49 (2002)

1665-166等.

18. P. Minh, L Tuyen, T. Ono, H. Mimtm, K. Yokooand M. Esashi, "Carbon nanotube

on a Si tip for electron field emitter", Jpn. J. Appl. Phys. 41 (2002) L1409-L141 1 ･

(

19. H. Mimura, 0. Yilmazoglu, H. Shimawaki, K. Yokoo, K. Mutambaand H･

Hartnagel,仏Emission characteristics of a GaAswedge emitter monolithically血bricated

withanair bridgeand a cantileveranode", J. Vac. Sci. Tech･ B 21 (2003) 4711473･

20. T.Matsumotoand H. Mimtda, ㍑Point x-ray source uslng graphite nanoflbersand its

application to x-ray radiography", Appl. Phys. Lett. 82 (2003) 1 637-1 639･

21. H. Shimawaki, S. Shibuya, H. Mimuraand K. Yokoo, '.Si field emitter amyswith

sub-micron poly-Si gate.., TechmiCal Digest of 15th Intemational Vacuum

Microelectromics Conference, Lyon, 2002, OB1.04.

22. H. Mimura, G. Yuan, M. Ikeda, S. Ono, M. Amiand K. Yoko0, --Emission

chancteristicsfrom a single diamond particle grownon a sihcon tip一一, TechmiCalDigest

-of 1 5thIntemationalVacuumMicroelectronics ConfTerence, Lyon, 2002, OB 1. 1 0･

23. H. Mimura, K. Miyajimaand K. Yokoo, ■'Electron emission B･om porous silicon

planar emitters'T, TechmiCalDigest of 15thhternationalVacuumMicroelectronics

ConfTerence, Lyon, 2002, PM. 1 8.

24･ P･ Minh, L Tuyen, T･ Ono, H･ Mlmura,and M･ Esashi, 'l Fabricationand

chamcterization of carbon nanotube on a Si tip for electron丘eld emitter一一, Technical

Digest of I 5thIntemationalVacuumMicroelectronics Conference, Lyon, 2002, PT･49･

25･ P･ Minh, L Tuyen, T･ Ono, H･ Mimura, K･ Yokooand M･ Esashi, 'lElectron field emissionwithcarbon nanotube on a Si tip '', htemationalConference on Solid State

Devicesand Materials, Nagoya 2002, F-1 -5.

26. H. Mimua, G. Yuan, M. kedaand K. Yokoo,砧Grow血of a sub-micron slngle

diamond particle on a Si tipand its field emission characteristicn, htemational

Microprocessand Nanoteclmology Conference, Tokyo 2002, pp･202-203 ･

27･ H･ Hasegawa, H･ Mimuraand K･ Yokoo, "Fabrication ofa GaAs.emitterwitha high

aspect ratio for generation of prebunched electron beamuslng Gunn e飴ct'',

IntemationalMicroprocessand NanoteclmOlogy Conference, Tokyo 2002, pp･204-205 ･

三utlbTrasts=dOtOiisJ ･ aT,altiScualF.ns ･.:ayi:yd T;d%ma;hhy,',',X-,rhay ISnO.i:ea.lTnmalg STsp,Tat;

Wわrkshops, Hiroshima 2002, pp･95-9S･

29. K. Minami, Y. Yamane, H. Nakane, H. Adachi, Y. Suzuki, H. Mimura,and K.

Yroeks謡e "Egmwi ssalAn. smplhCerrOeS,?,OP,eh OEis.ee"maat.iiO.nnalOf ,ni-sTaey SLT,lkcsrhO.ti,PsS, OiirF.Eamina a2 dSZ

pp.53-56. 30.宮島健太郎､寒河江克巳､三村秀典､横尾邦義, ``多孔質S iからの電子 放出特性(2)'',第49回応用物理学関係連合講演会 2 (2002) 758. 31.三村秀典､元光､池田優､小野修一､新井学､寒河江克巳､横尾邦義, "ダ イヤモンド薄膜を用いた平面型電界放射陰極'',第49回応用物理学関係連合講 演会 2 (2002) 764. 32.松本貴裕､松田純司､田谷周一､三村秀典,

ー4-･グラファイトナノファイバーを利用したⅩ線光源の作製と透過画像計測-あ

応用'',第63回応用物理学会学術講演会 2 (2002) 669. 33.墓場俊行､鈴木洋介､三村秀典､横尾邦義､河村良行､石塚浩, "Si電界放 射陰極の光照射特性'',第63回応用物理学会学術講演会 2 (2002) 670. 34.南勝利､山根康一､中根英幸､安達洋, "低圧ガス雰囲気中でのSi-FEAの 放射顕微鏡観察'',第63回応用物理学会学術講演会 2 (2002) 670. 35.鈴木洋介､茎場俊行､三村秀典､横尾邦義､南勝利､山根康一､安達洋, ``放 射顕微鏡によるSi FEAの電界放射像'',第63回応用物理学会学術講演会 2 (2002) 671. 36.長谷川英明､寒河江克巳､佐藤信之､三村秀典､横尾邦義, ``GaAs電界放 射冷陰極(ⅠⅠⅠ)'',第63回応用物理学会学術講演会 2 (2002) 673.

37.茎場俊行､鈴木洋介､寒河江克巳､三村秀典､横尾邦義､河村良行､石塚

浩, ``p型si電界放射陰極の光照射効果" ,信学技報ED2002-247 (2002) 29. 38.三村秀典､茎場俊行､鈴木洋介､横尾邦義, "si電界放射陰極の光照射特 性(ⅠⅠ)'',第50回応用物理学関係連合講演会2 (2003) 813. 39.長谷川英明､寒河江克巳､佐藤信之､三村秀典､横尾邦義, "GaAs電界放 射冷陰極(ⅠⅠⅠ)'',第49回応用物理学関係連合講演会 2 (2002) 673.

40.茎場俊行､鈴木洋介､寒河江克巳､三村秀典､横尾邦義､河村良行､石塚

浩, "p型Si電界放射陰極の光照射効果" ,信学技報ED2002-247 (2002) 29.

41. H. Hasegawa, H. Mimuraand K. Yokoo, "Fabrication ofa GaAsemitterwitha high

aspect ratio for generation of prebunched electron beam uslng Gunn effectM, Jpn･ J･

Appl. Phys. 42 (2003) in press

42.三村秀典､横尾邦義､嶋脇秀隆, "電子源の高機能化と低エネルギー分散化'',

特定領域研究(B)公開シンポジュウム(2003)55.

ー5-ⅠⅠ研究成果

1.はじめに

従来の高周波電子ビームデバイスでは熱陰極からの直流的な電子ビームを高

周波回路内で高周波電磁界と相互作用させることにより電子ビームを集群させ

ている｡もし微小陰極から直接集群電子ビームを取り出すことができればこの

ような集群作用のための回路が不要となる｡そのためデバイスの小型化と飛躍

的なデバイスの効率の向上が期待される｡

_.冷陰極構造から直接､変調電子ビームを発生させる方法としてはゲート電極

に高周波電圧を印加するのが一般的である｡しかし､この方法による動作周波

数の限界は相互コンダクタンスとゲート･エミッタ間容量の比によって決定さ

れる｡電力デバイス-の応用では､冷陰極1テップ当りの電流量には制限があ

るので(最大で10JJA∼100〃A)冷陰極のアレイ化が必要である｡しかしアレイ

化による放射電流量の増加は同時にゲート･エミッタ間容量の増加を伴うので､

デバイスの高周波数化にはつながらない｡このため､デバイスの高周波数化に

は,ゲート･エミッタ間の入力信号による直接変調に代わる変調方法の工夫が

必要となる｡本研究ではその変調方法の1つとして化合物半導体のGunn効果を

用いた変調方法の実験的検討を行った｡ 2. Gunn効果 GaAsやInP等の化合物半導体に､直流電圧を印加すると素子内の電子の走行 時間に対応する高周波電流が流れる現象が1963年にJ.B.Gunnによって発見さ れた｡これをGunn効果と呼びマイクロ波からミリ波帯電磁波の発生に利用され ている｡ GaAsのエネルギーバンド構造は図2-1のように伝導帯上にrバレーの

他にサブバレー(XバレーやLバレー)を有しており､外部からある閉値以上の

バイアス電圧を印加すると電子のバレー間遷移が起きる｡その結果､バレーに

よって電子の有効質量が異なるために高エネルギーバレーに遷移した電子の移

動度が小さくなり､図2-2のような電界一電子速度の関係に負性特性が現われる

(モンテカルロ法による計算)｡ このような負性微分移動度の性質をもつn型のGaAsやInPのバルク素子に､

開値以上の直流電界を印加すると空間電荷の揺らぎが電子の走行と共に成長し､

空間電荷層の形成と走行を繰り返す､いわゆる走行ダイポールドメインによる

振動電流が発生する.図2-3(a)はこのときの電荷と電界､ならびに電子速度の

分布の様子を模式的に現わしたものである｡図からわかるように電子の密な部

分の前の電界(Aの部分)が僅かに強まる｡電子に対する負性微分移動度の性質

-6-1

より､領域Aの電子の速度は遅くなり後ろの電子(領域Bの電子)に追いつか

れる｡その結果電子の密な部分がさらに密になることにより電子の集群ができ

ると共に､いっそう前の電界(領域A)を強め､電子の速度を遅くする(図2-3(b))｡

これを繰り返すことにより電子のかたまりは成長しながら素子間を走行する｡

この時､電子のかたまりの少し前方は電子速度が早いため､電子が空乏し､ド

ナーイオンの正電荷との差分が余剰電荷となり､ダイポールドメインと呼ばれ

る二重双極子が形成されて､走行することになる｡このダイポールドメインが

陽極に吸収されると電界が再び元に戻るため､また揺らぎをきっかけにドメイ

ンが立ち上がり､このことが周期的に繰り返されることになる｡ _.図2-4に長さが151Lm,不純物密度が1015 (cm 3)の`n-GaAsに直流電圧8V印 加したときの変調電流のシュミレーション結果を示す｡ ()a)^BLaua -."I.''".‡.-"6.31eV ……..."._I..._..1.:.I.?_?.I.…... L       ｢ (1 1 1) 図2-1 GaAsのバンド構造 一7-Conduction band va一ence band X (1 00)

2 (の＼u SyOLx)^1!90一a^ ouOL193Ia

/

/I

/ 03.2 1 52 " 5303 404550 electric field(kV/cm) 図2-2 GaAsのバンド構造と電界一電子の速度の関係 電界 電子の速度 電子の速度 (a) 図2-3 ドメインの立ち上がる様子 ー8-(b)

L=15JLm恥=1 ×1015如 3) A叩1ied Voltage ⇒Ⅳ (Zt tLJ9JV)TuaJLnO 3(X氾 2500 1 1(X氾 5(刀 メ ﾈ ㌔ 梯 LZ▲ ㌔ 1 30  1 80   230   280 time(pico s餌0佃) 図2-4 Gunn効果による変調電流 330   380 3. Gumn効果を用いた変調電子ビームの提案

Gunn効果による変調電流の周期は外部回路に寄らず､ほぼダイポールドメイ

ンの走行時間で決定される｡従って､ Gunn効果素子で冷陰極を製作できれば､

ゲート･エミッタ間の容量が大きくてもドメインの走行周期で決まる集電子ビ

ームが発生できると考えられる｡また冷陰極のアレイ化により､集群電子ビー

ムの大電流化も可能である｡図3-1にGunn効果素子で製作した陰極と高周波回

路とで構成される発振回路の概念図を示す｡周波数は素子の長さでほぼ決まる

が､現在のところ100GHz程度まで動作するガンダイオードが報告されているの

で､これと同程度の周波数の集群電子ビームの発生が可能と考えられる｡

また､図3-2に示すundoped GaAsを活性層に用いた横型陰極構造を用いて予 備実験を行い､図3-2に示すGunn効果によると思われる電界電子放射の負性抵 抗を確認した｡ 1･2)

-9-depressed col lector

ft二二二二二二二二二二二二二二二二｡output

図3-1 Gunn効果による変調ビームの発生 . H削"那"馴""獅朋 (Y)IuOヒnO uO!SS!q 0    20   10   60   80  100  1 20  1 4D  1 60  1 80   200 Appl ied Voltage(Ⅵ

図3-2 横型陰極の構造図と放射電流特性

-10-( 4. -陰極製作に用いるGaAs基板の構造とそれを用いて製作したガンダイオー ドの代表的な特性 図4-1に陰極の製作に使用した基板の仕様を示す｡ Gunn効果によりダイポー ルドメインの形成される部分はActive Layerと呼ばれる部分であり､素子の 長さが12〝m∼13〃m､不純物濃度は1015cm-3である｡これ以外のCap Layer及 び､ Substrateは金属との良好なオーミックコンタクトをとるために不純物密度 は1018 cm 3 と高濃度にドープされている｡図4-2にこの基板で製作したGunn

ダイオードの静特性とそのときのダイオード構造を示す｡低電界では電流は印

加電界に比例して増加していき､ Active Layerに3. 2kV/cm以上の電界がかか

る.と電流は飽和するかもしくは負性抵抗を示す｡また逆バイアスを印加したと

きには､あるバイアス電圧点で急激に電流が増加し､電極が破壊される｡これ

は逆バイアス時には､電極面積の小さいCap Layer側が陽極になり､ホットエ

レクトロンの流入によって発生する大量の熱を放熱できないためと考えられる｡

caplayer仙=1×1018cm-3) Activelaye,(hF1×1015C謡) subst,atelaye,(ND=1X1013品3) 図4-1陰極製作に用いたGaAs基板の構造

-ll-'･.● JI方向  -逆方向 00 50 00 50 00 50 32211 (Yu)IuOJJnO ePO岩 HP## 4155A 1  2   3   4   5   6   7   8   9  10 Applied Voltage (V) 図4-2 陰極の製作に用いたGaAs基板を用いて製作した Gunnダイオードの基本特性

ダイオード断面の寸法がガンダイオードの動作特性に及ぼす影響を検討する

ことを目的として,最初にCap Layer側の電極パッドのサイズを変えることに

よって静特性ならびにガン発振の周波数がどのように変化するかを調べた｡図

4-3は測定法の概略を示したものである｡図4-4､図4-5に電極パッドの1辺 の長さが50〝m､ 70〃m､ 100〟m､ 150〝mのときの静特性の変化とバイアス点が

10Vのときのそれぞれの電極パッドサイズに対するガン発振の周波数を示す｡ガ

ン発振の周波数は電磁波放射をスペクトラムアナライザ(アンリツ社製

MS2667C)で検出することにより測定した｡

静特性からは､電極サイズを縮小すると電極面積に比例して電流が減少する

ことがわかる｡また発振周波数はサイズの縮小につれて周波数が高くなる傾向

ー12-(

にある｡これは､サイズが小さいとドメイン内の電界が横方向に張り出すため

(図4-6)､ドメイン内外の電界強度の差は大きくならず､ドメインの成長が抑

制されて､ドメインの走行速度が十分遅くならないためと考えられる0

アンテナ(Xバンド導波管) 図4-3 ダイオードの構造

-13-鷺榛の1辺の長さ 250 200 〈150

呈

100 50 0 (NHD)点紫野 -50l一m 蔦s ﾄﾆﾒ -100〟m 蔦 S ﾄﾆ 一 0  1  2   3   4  5   6   7   8  9  10 電圧(V)

図4-4 電極サイズの違いによるⅠ-Vの変化

40       60       80      100      1 20      140 電極一辺の長さ(〟m) 図4-5 電極パッドサイズの違いによる周波数の変化

-14-図4-6 サイズを小さくすることに よるドメインの電界の張り出し｡

次にメサ構造の深さに対する動作特性の変化について検討を行った｡静特性

については図4-7に示すようにメサを深くするにつれて電流値が小さくなるの

がわかる｡これは電極の端からの広がり電流が減少するためと考えられる｡ガ

ン発振に関しては､メサを深くしていくと図4-8からもわかるように広いバイ アス範囲での動作が確認された｡これはメサが浅く Active Layerがエッチン

グされていない場合にはドメインの発生に伴う高電界が横方向にも広がりドメ

インの成長を抑制するためと考えられる｡

-15-図4-6 ダイオードの構造 : :こ 3.32JLIT) 4.34LLm 7.87JLn 帥 餌 仙 20 00 80 $0 40 20 0 2 (盲)tu巴Jn90PC岩 - 辻 辻 0    1    2    3 4     5

Appl iod Voltage(V)

6    7    8    9   10

図4-7 メサ深さの違いによるⅠ-Vの変化

ー16-3. 32LL4   4. 31FI+    7. 87pltI   9. 79JLll 14 13.5 芯13 J= 望12.5 >ヽ 2 12 4) 喜11.5 ￠ よ り 10. 5 10 メ 6   6.5  7  7.5  8  8.5  9  9.5  10

Appl iod VoltagoⅣ)

図4-8 メサ深さの違いによる周波数の変化

これまでの実験結果からGunn効果に伴うダイポールドメインを十分に成長さ

せるためには素子構造として次の2点が要請される｡

1.素子断面のサイズが大きいこと｡ 2.Active Layerをエッチングしたメサ構造であること｡

1より素子の断面のサイズは大きい方が望ましいが､冷陰極から電界放射できる

電流量に制限があるため､陰極の断面サイズは制限される｡

これらの条件のもとで設計した冷陰極構造を図4-9に示す｡陰極の断面寸法を

3〃mは冷陰極からの最大放射電流を100〝Aを仮定し､このときにGunn効果に 必要な内部電界3. 2kV/cmの生ずる条件から設定した｡また､ n+層であるCap Layerをエッチングした構造にしているのは､ドメインを形成するホットエレク トロンがエミッタ先端のn+層でエネルギーが緩和し､エミッタ先端における温 度上昇を防ぐためである｡

-17-図4-9 デバイス構造 5. GaAs Gunnエミッタの製作

半導体の加工技術には大きくわけて化学薬品溶液中でのWETエッチングと気

体プラズマを用いるDRYエッチングがある｡図5-1のようにⅧTエッチングは 一般的に等方的にエッチングされる特徴をもち､ DRYエッチングは垂直にエッチ ングされるという特徴をもつ｡この2つのエッチングプロセスを併用して図5-2

のような高アスペクト比を持つ冷陰極の製作プロセスを開発した｡

マスク

[二±

[ コ

(a)wETエッチング     (b) DRYエッチング 図5-1 WETエッチングとDRYエッチングの違い

-18-j.=1

(b) DRYエッチング

二二

(C) WETエッチング

二二二

図5-2冷陰極製作プロセスフロー 陰極製作に用いるWETエッチングのエッチントはH2SO4 :H202:H202=10:5:200

(etching rate 0. 13(〟m/min)) ,DRYエッチングの条件は塩素ガス: 3sccm,加

速電圧: 140V,マイクロ波の入力電力: 140W(etching rate (0.23〃m/仙in))を

使用した｡

図5-3に示す陰極製作に使用したプロセスのフローチャートについて以下に

詳しく述べる｡

(a)オーミック性電極形成のためにInを裏面に塗布し､ 450℃でアニールする｡ (b)OCD (SiO2) 0. 3〃mを塗布し300℃70minでベ-クし､その上にレジスト(OFPR

800)を塗布｡その後90℃30minでベ-ク｡ (C)フォトリソグラフィーでレジストを10〃『10〝mの正方形のパターンを形成｡ その後､バファードフッ酸(Ⅶ4F:肝-40: 1)でOCDをエッチング｡ (d)WETエッチング(エツチャント: H2SO4 : H202:H202-10:5:200)で等方的 なエッチングを行う｡ (e)DRYエッチング(cl2 : 3sccm,加速電圧140V,マイクロ波: 140W)で垂直異方 なエッチングを行う｡エッチング装置はECR-RIEを使用｡ (f)最後にWETエッチング(エツチャント:H2SO4 :H202:H202-10:5:200)で先 鋭なチップを形成する｡

-19-図5-4に実際製作した陰極のSEM写真を示す｡

a ･ Eva F.0,ra.tiomni cOfcinndiucT

n+GaAs ( Cap layer トActive 一ayer トSubstrate C. Wet etching + + H2SO4:H202:H20=10:5: 200 etching rate 0.13LL m/min

d. Dry etching (ECRIFqE)

the RFpower: 1 40W the biasing voltage:1 40V

the gas flow rate:3sccm etching rate 0.23 JL m/min

e.Wet etching

.⊥

H2SO4: H202 : H20=10 : 5 : 200 etchjng rate 0.23JJ m/min

図5-3 陰極の製作プロセス

ー20-図5-4 製作した陰極のSEM写真 6.製作したGaAs Gunnエミッタのエミッション特性

電子放射特性の測定は､ロータリーポンプとターボ分子ポンプで排気した真

空チャンバー中で行った｡到達真空度は､ 7xlO 8程度である｡電源はKETHLEY237 を使用し､放射電流の静特性は肝社製半導体パラメーター(肝社製 4155A)

を使用し､高周波電流の検出はスペクトラムアナライザ(アンリツ社製

MS2667C)で行った｡図6-1にその測定系を示す｡図6-2に製作した冷陰極で観 測された放射電流特性､ならびにF-Nプロットを示す｡図6-2(a)は同一陰極

を用いて3回測定した結果を示している｡放射電流は600V付近から観測され始

め､最初電流は非線形に増加し､ほぼ80FLA付近で電流が飽和していることが

わかる｡また､この飽和傾向は再現性のあることが確認できる｡この電流の飽

和傾向はGunn効果によって生ずる電流飽和と極めて類似している｡また､

F-Nプロットは低電界側ではほぼ直線にのっていることから､電界放射の特性で

あることがわかる｡また高電界側は直線から大きく離れていることから放射電

流特性は負性微分移動度を持つActive Layerの特性によって支配されている

-21-ことがわかる｡

図6-1測定系

-22-+First l+second +Third 4  5   5  5 l   -  一  一 I E 旺 旺 艦 (V)1uaJLnD 0    200   400   600   800  1 000  1 200  1 400

Appl ied Vo一tage(V)

図6-2 (a)冷陰極からの放射電流特性 0      0.5      1         1.5      2      2.5 1 000/Va (va:アノード･エミッタ間電圧Ie:放射電流) 図6-3 (b)トNプロット

-23-( 7.まとめ 本研究は電界放射冷陰極の次世代の高周波デバイス-の応用を目指し､ Gunn 効果と冷陰極構造による集群電子ビーム源の開発を行い､実際にGumn効果素子

で冷陰極を製作し､冷陰極からの放射電流を観測した｡以下に本研究で得られ

た結果をまとめる｡ 1. Gunn効果による集群電子ビームの発生方法を提案し､小型､高効率な高周

波源として有効であることを示した｡

2!.陰極製作に用いるn-GaAs基板の基本動作特性を検討し､ Gunn効果を用いた

陰極の最適構造を示した｡

3. GaAs陰極を製作し､ 2極構造で電子放射特性の測定を行い､ Gumn効果による 電流の飽和を確認した｡

謝辞

本研究全般にわたり実験を手伝っていただいた寒河江克巳技官に感謝いたしま

す｡

参考文献

I) H･ Mimura, K･ Okamura, H. Shimawaki, K. Yokoo, 0. Yilmazogluand H. Hartnagel,

Tech･ Dig･ 13thInt･ VacuumMicroelectromics Conf. (Guangzhou, China ) p.234 (2000).

2)三村､嶋脇､横尾:信学論文誌J83-C(2000)673.

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