x² D G @ /† < Ɠ § x 9 o p '  ’ l Õ ü t ƒ ½ ¨G ' p' , " fÖ ¦ 100-715 (2007¸ 5 Z 4 31{ 9 ~ à Î6 £ §)

94GHz ç g Ëì Å] k ù GaAs ü g Å  T ~ ¾© Ž  Œ º8 ý Ž ì ŏ Œ

™ »Q   ^∗ · T ) ç 6 0 · = a : @  ™ ¸ · T  . > ¦ 

1 l

x² D G @ /† < Ɠ § x 9 o p '   ’  l Õ ü t ƒ  ½ ¨G ' p' , " fÖ  ¦ 100-715 (2007¸   5 Z 4 31{ 9  ~ à Î6 £ §)

‘ :

r  7 Hë  H \ " f  H graded-gap injector GaAs |   s š ¸× ¼ \ x  ½ ¨› ¸\  ¦  6   x # Œ 94 GHz\ " f 1 l x  Œ •

  H ¿ º t  + þ AI _  ¨ î €  + þ A GaAs |   s š ¸× ¼ ½ ¨› ¸\  @ / # Œ ƒ  ½ ¨ % i  . ' Í   P : ½ ¨› ¸  H 60 - 70 µm _  f ”  â `  ¦ t   H H ™ è× ¼ ×  æ € © œ\  " é ¶+ þ AÜ ¼– Ð 0 Au  “ ¦ E ” ¸× ¼ H ™ è× ¼\  ¦ Ñ ü t  Q   H + þ AI – Ð+ ‹, H 

™

è× ¼_  ß ¼l      8 • ¸ E ” ¸× ¼ü < H ™ è× ¼_  F K5 Å q„  F G  s _   o  † ½ Ó © œ 10 µm\  ¦ Ä »t  • ¸2 Ÿ ¤ [ O 

>

 % i  . ¿ º   P : ½ ¨› ¸  H e  ¦w n  } 9  + þ AI _  — ¸Ñ ý t ½ ¨$ í x 9  J v t \  Ä »o  • ¸2 Ÿ ¤ H ™ è× ¼ E ” ¸× ¼\  ¦ Ñ ü t

Q   H + þ AI – Ð [ O > ÷ &% 3  . s  ½ ¨› ¸\ " f \ # QÚ Ôo t – Ð ƒ    ÷ &# Q e ”   H E ” ¸× ¼_  ß ¼l   H 40 mW s  © œ _

 Ø  ¦§ 4 „  § 4 `  ¦ S X ‰ ˜ н + É Ã º e ” • ¸2 Ÿ ¤ Õ ª ß ¼l \  ¦ 3000 - 9000 µm

Ü ¼– Ð [ O >  % i  . [ O >   ) a  s š ¸× ¼ ½ ¨

›

¸\  ¦ š ¸b ” ] X 8 ú ¤ + þ A$ í , B j d ” y Œ •, š ¸! QY Us  F K5 Å q x 9  \ # QÚ Ôo t  + þ A$ í _  ³ ðï  r / B N& ñ `  ¦  6   x # Œ ] j Œ • 

%

i  . ] j Œ •  ) a  s š ¸× ¼_  „  À Ó - „  · ú š : £ ¤$ í õ   Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó ´ òõ \  ¦ › ¸  “ ¦ 1 l x  Œ •„  · ú šõ  Ø  ¦§ 4 „  § 4 \ 

@

/ # Œ  7 H _  % i  .

PACS numbers: 81.05.D, 85.30.F

Keywords: GaAs |   s š ¸× ¼,  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó

I. " e  ] Ø

GaAs |  (Gunn)  s š ¸× ¼  H FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) Y Us  8_  6 £ x6   x \  e ” # Q" f x 9

o p '   ’    ñ" é ¶ Ü ¼– Ð Ë ¨ï  r ô  Ç ƒ  ½ ¨ü < < É ª p \  ¦ { 9 Ü ¼v “ ¦ e ”

  H Ó ü t| 9 s  . GaAs  H InP
 GaN\  q K  |   \  -t  s 

¢ -

a r ç ß – (Energy relaxation time) õ  5 Å q - y Œ ™5 Å q r ç ß –`  ¦

t l  M :ë  H \  €  • 65GHz & ñ • ¸ t ë ß – l ï  r Å Ò à º (Fun- damental frequency) µ 1 ϔ  s  0 p x “ ¦ Õ ª s  © œ_  Å Ò à º

\

" f  H “ ¦› ¸  — ¸× ¼ (Higher harmonic mode) µ 1 ϔ  `  ¦ s  6

x ô  Ç  [1]. |   s š ¸× ¼\ " f ] j2 “ ¦› ¸  (Second har- monic) µ 1 ϔ  _  ë  H ] j  H Å Ò à º 7 £ x \     Ø  ¦§ 4 „  § 4 õ  dc-to-rf   ¨ 8 Š ´ òÖ  ¦ s  / å L  y  y Œ ™™ èô  Ç   H  כ “  X <, ] j 2 “ ¦

›

¸  µ 1 ϔ  `  ¦   H flat • ¸i ç _  conventional n

nn

GaAs

|

  s š ¸× ¼\  ¦  6   x ô  Ç µ 1 ϔ  l _  W-band (77 - 110 GHz)

\

" f_  Ø  ¦§ 4 „  § 4 “ É r €  • 25 mW & ñ • ¸s “ ¦ Õ ª ´ òÖ  ¦“ É r 0.45

% p ë ß –s  . M :ë  H \  þ j   H _  W- ½ ™× ¼ s  © œ_  “ ¦Å Ò \    6

x ÷ &  H GaAs |   s š ¸× ¼_  ƒ  ½ ¨\  e ” # Q" f  H flat • ¸i ç

`

 ¦ ŠҖ Ð  6   x ~   œ íl _  |   s š ¸× ¼[ þ t õ  ² ú ˜o  † ¾ Ó © œ  ) a dc-to-rf   ¨ 8 Š ´ òÖ  ¦ õ  Ø  ¦§ 4 : £ ¤$ í `  ¦ Šҍ  H ä ¼ î  r „    (Hot electron) injector\  ¦ ”   GaAs |   s š ¸× ¼ ½ ¨› ¸\  ¦ ŠҖ Ð

∗

E-mail: [email protected]



6   x ô  Ç  [2–6]. s  ° ú  “ É r |   s š ¸× ¼\  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨\ " f



 H µ 1 ϔ  l  6 £ x6   x \  e ” # Q" f Å Ò à º, Ø  ¦§ 4 „  § 4 , dc-to-rf   

¨ 8

Š ´ òÖ  ¦ x 9  “ : r • ¸ î ß –& ñ $ í _  † ¾ Ó © œ`  ¦ 0 Aô  Ç \ P  ~ ½ ÓØ  ¦ B j& m 7 £ §

`

 ¦ Ÿ í† < Êô  Ç ™ è ½ ¨› ¸ü < / B N& ñ \  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨ Å Ò\  ¦ s À ғ ¦ e ”

 .

‘

: r  7 Hë  H \ " f  H ä ¼ î  r „    ´ òõ \  ¦ s 6   x # Œ Z  }“ É r Ø  ¦

§ 4

„  § 4 , dc-to-rf   ¨ 8 Š ´ òÖ  ¦ õ  † ¾ Ó © œ  ) a “ : r • ¸ î ß –& ñ $ í `  ¦ Šҍ  H graded-gap injector GaAs \ x  ½ ¨› ¸\  ¦  6   x # Œ ¨ î €  + þ A (Planar) |   s š ¸× ¼\  ¦ ] j Œ • % i  . ¨ î €  + þ A ½ ¨› ¸  H e  ¦ w n

 } 9  (Flip chip) + þ AI _  — ¸Ñ ý t ½ ¨$ í x 9  J v t \  Ä »o   9 Z > “ ¦  â ] j& h “   µ 1 ϔ  l _  > hµ 1 Ï\  s 6   x ) a  . ¨ î €  + þ A µ

1 ϔ  l   H • ¸  › ' a (Waveguide) + þ AI  ˜ Ð  “ : r • ¸\  @ /ô  Ç Å Ò 

à º î ß –& ñ $ í s  b  # Qt   H ì ø ̀   Å Ò à º { ; Ÿ ¤ (Bandwidth) s

 V , # Q È Ó_ ç s  ˜ Ð  ~ 1 >  s À Ò# Q”   . Õ ª ƒ  ½ ¨  H  1 l x

 Ø  æ[  t r Û ¼% 7 ›_  ’    ñ" é ¶ Ü ¼– Ð" f GaAsü < InP |   s š ¸

×

¼ü < |  VCO (Voltage Controlled Oscillator) _  ƒ  ½ ¨\  ¦ :

Ÿ

x K  s À Ò# Qt “ ¦ e ”   [7, 8]. |   s š ¸× ¼  H  ^ ‰ µ 1 ÏÒ q t

\ P

s  ß ¼“ ¦ ´ òÖ  ¦ s  ± ú l  M :ë  H \  ™ è  ? /\ " f µ 1 ÏÒ q t   H \ P  _

 ´ òõ & h “   ~ ½ ÓØ  ¦ s  B Ä º ×  æ כ ¹  . ¨ î €  + þ A ½ ¨› ¸_   â Ä º,

³

ðï  r J v f ç õ & ñ s  Ò q t| Ä Ì÷ &l  M :ë  H \  |   s š ¸× ¼_  \ P 

~

½ ÓØ  ¦ ~ ½ ÓZ O s  ×  æ כ ¹r  ÷ &  H X <, ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f  H, ] j Œ •  ) a ¨ î

€

  ½ ¨› ¸_  |   s š ¸× ¼\  ¦ e  ¦w n  } 9  ‘ : r` ç `  ¦  6   x # Œ AlN l

ó ø Í_  VCO\  `  ¦  9 Z  ~6 £ § Ü ¼– Ð+ ‹ Z > • ¸_  \ P  ~ ½ ÓØ  ¦ ½ ¨› ¸\  ¦

-225-



6   x t  · ú §  H  . s   H VCO  r– Ð [ O > \ " f |   s š ¸× ¼ _

 H ™ è× ¼ (Cathode) ü < E ” ¸× ¼ (Anode) _  „  F G`  ¦ # Œ Q

>

h– Ð ì  r o  # Œ  s š ¸× ¼  ^ ‰\ " f µ 1 ÏÒ q t   H \ P `  ¦ ´ òõ 

&

h Ü ¼– Ð ~ ½ ÓØ  ¦ r v   H  כ s  . 7 £ ¤, # Œ Q > h– Ð ì  r o   ) a „  F G s

 AlN l ó ø Í\  f ” ] X  ] X 8 ú ¤H † d Ü ¼– Ð+ ‹ \ P  ~ ½ ÓØ  ¦  ⠖ Ð ì  r í ß –

÷

&“ ¦ s – Ð" f \ P s  ´ òõ & h Ü ¼– Ð % ƒo   ) a  . # Œl " f ] j Œ •  ) a 94 GHz ¨ î €  + þ A VCO ½ ¨$ í _  Ù þ ˜d ”  0 p x1 l x ™ è – Ð" f_  GaAs

|

  s š ¸× ¼  H ] j 2 “ ¦› ¸  — ¸× ¼\ " f 1 l x  Œ • • ¸2 Ÿ ¤ [ O > ÷ &

%

3  . 0 A_   s š ¸× ¼  H e  ¦w n  } 9  + þ AI _  x 9 o p '   VCO

½

¨$ í \  Ä »o  • ¸2 Ÿ ¤ ì ø Í ] X ƒ   (Semi-insulating) GaAs l ó ø Í 0

A\  $ í  © œ ÷ &# Q”   \ x  (Epi) ½ ¨› ¸\  ¦  „ ½ ÓÜ ¼– Ð B j  d ”  y

Œ

• (Mesa etching), š ¸b ”  (Ohmic) F K5 Å q] X 8 ú ¤ + þ A$ í x 9  e  ¦w n  } 9

 ‘ : r` ç `  ¦ 0 Aô  Ç overlay metallizationõ  \ # QÚ Ôo t  (Air bridge) / B N& ñ `  ¦ : Ÿ x # Œ ¿ º t  + þ AI _  ¨ î €  + þ A ½ ¨› ¸– Ð [ O 

>

, ] j Œ •÷ &% 3  . ] j Œ •  ) a |   s š ¸× ¼_   Ò$ í $ † ½ Ó : £ ¤$ í `  ¦ y

Œ

•y Œ •_  ½ ¨› ¸\  @ /K " f ¶ ú ˜( R˜ Ѐ Œ ¤ . ¢ ¸ô  Ç, é ß –{ 9  0 p x1 l x ™ è 

–

Ð" f_   s š ¸× ¼_   1 l x“ É r graded-gap injector _  % i ½ + É`  ¦ í

 H ~ ½ ӆ ¾ Óõ  % i ~ ½ ӆ ¾ Ó_  f ” À Ó 1 l x \ " f · ú ˜ ˜ Ѐ Œ ¤ .

‘

: r  7 Hë  H _  ½ ¨$ í “ É r  6 £ § õ  ° ú   . II ] X \ " f  H |   s š ¸

×

¼_  µ 1 ϔ   B j& m 7 £ §`  ¦ l Õ ü t % i  . III ] X \ " f  H graded- gap injector GaAs |   s š ¸× ¼ ™ è _  [ O >  x 9  ] j Œ •/ B N& ñ

`

 ¦  © œÕ ü t % i “ ¦ IV ] X \ " f  H ¿ º ¨ î €  + þ A GaAs |   s š ¸

×

¼\ " f_  „  À Ó-„  · ú š 8 £ ¤& ñ   õ \  ¦ : Ÿ x K   Ò$ í $ † ½ Ó : £ ¤$ í õ  injector _  % i ½ + É`  ¦ › ¸  % i  . Õ ªo “ ¦ V ] X \ " f ‘ : r ƒ  ½ ¨ _

    : r`  ¦ l Õ ü t % i  .

II. ü g Å  T ~ ¾© Ž8 ý ®  oà à Š8 c& N ” Ö ¨

Â

Ò$ í $ † ½ Ó (Negative resistance) : £ ¤$ í “ É r ì ø ͕ ¸^ ‰ r « Ñ\  Ø

 æì  r y   H „  l  © œs  K & ’ `  ¦ M : Ä »´ ò| 9 | ¾ Ós   Œ •“ ¦ s  1

l

x • ¸  H ± ú “ É r > / B G (Valley) _  „    Ä »´ ò| 9 | ¾ Ós  ß ¼

“

¦ s 1 l x • ¸  Œ •“ É r Z  }“ É r \  -t _  > / B G Ü ¼– Ð s 1 l x † < ÊÜ ¼– Ð +

‹ „  À Ó-„  · ú š l Ö  ¦ l  6 £ § _  ° ú כ`  ¦ ° ú >  ÷ &  H ‰ & ³ © œs  .

s

 ‰ & ³ © œ“ É r ] X ½ + Ës 
 > €   ˜ Ð  ì ø ͕ ¸^ ‰ Z O ß ¼ (Bulk) _  $ í

| 9

\  _ ” > r ô  Ç   H & h \ " f ] X ½ + Ë : £ ¤$ í `  ¦ s 6   x ô  Ç   É r  s 

š

¸× ¼[ þ t õ  q “ §÷ & 9, GaAs, InP, GaN 1 p x õ  ° ú  s  „  • ¸@ / _

 F G ™ è& h s  k = 0 \  ” > r F    H  o½ + ËÓ ü t ì ø ͕ ¸^ ‰\ " f › ' a 8

£

¤ ) a  . 0 A_  [ j Ó ü t| 9 \  @ /ô  Ç \  -t   ½ ™× ¼ ½ ¨› ¸\  ¦ Fig.

1 \ 
 ? /% 3   [1]. s 1 l x„   ´ òõ  (Transferred electron effect) ¢ ¸  H |  ´ òõ  › ' a8 £ ¤ ÷ &  H III-V7 á ¤ ì ø ͕ ¸^ ‰\ " f ± ú 

“ É

r „  l  © œs  K & ’ `  ¦ M : „  • ¸@ /_  „   [ þ t“ É r ×  æ € © œ> / B G (Central valley) “   Γ > / B G \  0 Au K  e ”  . „   _  î  r1 l x

\

 -t  > / B G ç ß – „  s \  -t \  • ¸² ú ˜ €   „   [ þ t“ É r 0 A

$ í

> / B G (Satellite valley) ×  æ _  
\  & h Ä »  ) a  . 0 A$ í > 

Fig. 1. Simplified energy band structure of zinc-blend GaAs, InP, and GaN [1].

/ B

G \ " f  ½ ™× ¼ ½ ¨› ¸_  / B GÒ  ¦“ É r ß ¼ 9 „   _  Ä »´ ò | 9 | ¾ ӓ É r Γ

>

/ B G Ä »´ ò| 9 | ¾ Ó_  6C  t  & ”   . s  Qô  Ç „   [ þ t“ É r  © œ

@

/& h Ü ¼– Ð Z  }“ É r  © œI  x 9 • ¸\  ¦ Šҍ  H 0 A$ í > / B G \  & h Ä »÷ &# Q e ”

`  ¦ S X ‰Ò  ¦ s  & t >   ) a  . 0 A$ í > / B G \ " f „   [ þ t“ É r  H Ä »

´

ò| 9 | ¾ Ó`  ¦ | 9  ÷  r ë ß –  m   y © œô  Ç í ß –ê ø Íõ & ñ • ¸   >   ) a  .

s

 ¿ º ´ òõ _    ½ + ˓ É r 0 A$ í > / B G \  e ”   H „   [ þ t _  s 1 l x • ¸ µ

s  ×  æ € © œ> / B G _  s 1 l x • ¸ µ

ü < q “ §½ + É M : 70 C  t  & 

| 9

 à º e ”   H s Ä »\  ¦ [ O " î K  ï  r  . ë ß –€  • n

ü < n

`  ¦ y Œ •y Œ • ×  æ

€

© œ> / B G õ  0 A$ í > / B G _  „    x 9 • ¸ “ ¦ ô  Ç €   „   _  ¨ î ç

 H Ä »1 l x5 Å q • ¸ ν

(E)  H  A ü < ° ú  s  Å Ò# Q”   . # Œl " f, E  H

„

 l  © œs  .

ν

(E) = µ

n

+ µ

n

n

+ n

E (1)

„

 l  © œs  & t €    8 ´ ú §“ É r „   [ þ t s  Ø  æì  r ô  Ç \  -t \  ¦

t  9 0 A$ í > / B G \  & h Ä »  ) a „   x 9 • ¸ n

“ É r 7 £ x  ½ + É  כ s

 . q 2 Ÿ ¤ 7 £ x    H „  l  © œs  y Œ • > / B G \ " f „   _  Ä » 1

l

x5 Å q • ¸\  ¦ 7 £ x r v t ë ß – > / B G ç ß – „   _  s 1 l x“ É r s  ´ ò õ

\  ¦  © œ Wr v >  ÷ & 9   ² D G  Ò$ í p ì  r s 1 l x • ¸ (Negative differential mobility) _    õ \  ¦ ï  r  . η\  ¦ L > / B G _   © œ@ /

&

h “   „    & h Ä »• ¸– Ð & ñ _ ½ + É M :, η =

s “ ¦, s 1 l x • ¸

 „  l  © œ\  _ ” > r t  · ú §  H  “ ¦ & ñ €   ν

(E)  H  A  ü < ° ú  s  Å Ò# Q”   .

dν

(E)

dE = µ

− (µ

− µ

)

 η + dη

dE E



(2)

¢

¸ô  Ç Â Ò$ í p ì  r s 1 l x • ¸\  ¦ t l  0 AK " f  H

dν

(E)

dE < 0 (3)

s

“ ¦,   " f

dη dE >

µΓ

µ_Γµ_L

− η

E (4)

_

 › ¸| s  ë ß –7 á ¤  #  ô  Ç .

s “ ¦ η < 1`  ¦ “ ¦ 9 €  

dη

dE

  H † ½ Ó © œ € ª œÃ º s # Q  ô  Ç . s  _ p   H L > / B G _   © œ@ /

&

h “   & h Ä »• ¸ „  l  © œ\  @ /K  7 £ x K  ë ß – ô  Ç   H  כ s 



.   ² D G ~ ½ Ó& ñ d ”  (2)  H > / B G ç ß – „   _  s 1 l x s   Ò$ í p ì  r s

1 l x • ¸\  ¦ 4 R6 Ÿ §`  ¦ S X ‰ “  r & ï  r  . { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð, |  µ 1 ϔ   l

\ " f |   s š ¸× ¼  H resonant cavity ? /\  0 Au   9 Õ ª µ

1 ϔ   Å Ò à º  H cavity \  _ K    & ñ  ) a  .  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó % ò

%

i \  “    ) a  s # QÛ ¼  H cavity resonance ”  1 l x à º\ " f   s

š ¸× ¼\  ¦ ”  1 l x >  ë ß –Ž  H  . µ 1 ϔ   : £ ¤$ í õ  ¸ ú š6 £ § : £ ¤$ í s  Ä º Ã

ºô  Ç GaAs |  µ 1 ϔ  l   H 100 GHz  t  µ 1 ϔ  s  0 p x  9 Ã

º mW\ " f à º W t _  CW(Continuous Wave)  0 >\  ¦ ë

ß –[ þ t # Q è ­ q à º e ”  .

III. } º 8 ý  Œ º õ m Í < gX c l

94 GHz \ " f  Ö ¸$ í 8 £ x _  U  ´s \  ¦ 1.6 µm – Ð × þ ˜ “ ¦ graded-gap injector GaAs |   s š ¸× ¼_  \ x  ½ ¨› ¸ [9]\  ¦



6   x # Œ ¿ º t  + þ AI _  ¨ î €  + þ A |   s š ¸× ¼ ™ è \  ¦ [ O 

>

 % i  . ¨ î €  + þ A |  ™ è \  ¦ [ O >  l  0 A # Œ ì ø Í ] X ƒ   GaAs l ó ø Í 0 A\  graded-gap injector\  ¦ ”   n

nn

\  x

 ½ ¨› ¸\  ¦ MBE (Molecular Beam Epitaxy)\  ¦  6   x # Œ

$ í

 © œ % i  . Ä ºo   H GaAs l ó ø Í 0 A\  F K5 Å q ] X 8 ú ¤`  ¦ + þ A$ í

l  0 Aô  Ç 700 nm_  ¿ ºa ü < 4.3 × 10

cm

_  Ô  ¦í  H Ó

ü

t 0 l x • ¸\  ¦ ° ú   H GaAs n

] X 8 ú ¤ 8 £ x`  ¦ + þ A$ í ô  Ç Ê ê Õ ª 0 A\  1.6 µm _  ¿ ºa ü < 1.1 × 10

cm

_  Ô  ¦í  HÓ ü t 0 l x • ¸\  ¦ ° ú   H n

 Ö ¸$ í 8 £ x`  ¦ $ í  © œ % i  .  Ö ¸$ í 8 £ x 0 A\  5 nm_  ¿ ºa ü < 1

× 10

cm

Ô  ¦í  HÓ ü t 0 l x • ¸_  4 S q  (δ) • ¸i ç 8 £ x`  ¦, Õ ªo “ ¦ graded-gap injector – Ð+ ‹ 50 nm_  graded Al

Ga

As8 £ x

`

 ¦ $ í  © œ % i  . Al

Ga

As8 £ x _  Al_  › ¸$ í q   H $ í  © œ r 

 

  = å S # Qt   H  כ `  ¦ } Œ •“ ¦ þ j@ /_  Â Ò & ñ ½ + Ë ½ ¨› ¸\  ¦ % 3 l  0

A # Œ 0.3\ " f 0 t  ‚  + þ A& h Ü ¼– Ð    o\  ¦ ° ú • ¸2 Ÿ ¤ % i 



. GaAs/Al

Ga

As  ½ ™× ¼  s # QÕ ªÏ þ ›`  ¦ Fig. 2 \ 
 

? /% 3  . # Œl " f „     H AlGaAs \ " f GaAs A á ¤ Ü ¼– Ð Å Ò { 9

 ) a  . Graded-gap injector GaAs |   s š ¸× ¼ \ " f  H î

ß –& ñ  ) a • ¸B j“   (Domain) s  H ™ è× ¼   H % ƒ\ " f + þ A$ í ÷ &  H X

< s   H ×  æ € © œ> / B G õ  0 A$ í > / B G _  \  -t  s ü <  _  ° ú  

“ É

r \  -t \  ¦ ”   „     Ö ¸$ í 8 £ x Ü ¼– Ð Å Ò{ 9 H † d`  ¦ _ p ô  Ç



. s – Ð+ ‹   ¨ 8 Š ´ òÖ  ¦ _  y Œ ™™ è\  ¦  l    H dead zone [1]

s

 ´ òõ & h Ü ¼– Ð ] j ÷ &“ ¦ transit  o  “ ¦& ñ ÷ & 9  s 

š

¸× ¼  H  s # QÛ ¼\  _ ” > r t  · ú §>   ) a  .   õ & h Ü ¼– Ð 6 £ x

Fig. 2. Conduction-band discontinuity ∆E

in the energy band diagram.

| 9

  0 > 1 l x  Œ •„  · ú š_  V , “ É r % ò % i \    5 g" f + þ A$ í ÷ &>   ) a



. 0 Aü < ° ú  s  graded-gap injector  H dc-to-rf   ¨ 8 Š ´ òÖ  ¦`  ¦ 7

£

x r v “ ¦ ¸ ú š6 £ § õ  “ : r • ¸   y Œ ™• ¸\  ¦ y Œ ™™ èr v  9 V , “ É r   s

# QÛ ¼ È Ó_ ç `  ¦ 0 p x >  ô  Ç  [2].

‘

: r  7 Hë  H \ " f  H 1  (Diode A)– Ð · ú ¡\ " f ƒ  / å L ) a \ x  J

?s (  (Epi wafer) \  ¦  6   x # Œ H ™ è× ¼ ×  æ € © œ\  " é ¶+ þ AÜ ¼

–

Ð 0 Au  “ ¦ E ” ¸× ¼ H ™ è× ¼\  ¦ Ñ ü t  Q   H + þ AI _  ¨ î €  + þ A GaAs |   s š ¸× ¼\  ¦ [ O >  % i  . # Œl " f cathode  H 60 - 70 µm _  f ”  â `  ¦ t  9 H ™ è× ¼_  ß ¼l      8 • ¸ E

” ¸× ¼ü < H ™ è× ¼ F K5 Å q„  F G  s _   o  † ½ Ó © œ 10 µm\  ¦ Ä

»t  • ¸2 Ÿ ¤ [ O >  % i  . Õ ª ] j Œ •õ & ñ õ  ] j Œ •  ) a |   s 

š

¸× ¼_  à º¨ î ½ ¨› ¸\  ¦ Fig. 3 \ 
 ? /% 3  . H ™ è× ¼ + þ A$ í

| ¨

c  Òì  r`  ¦ ¬ ¹ o (Lithography)\  ¦ s 6   x # Œ J ‡  `  ¦ + þ A$ í

“ ¦, d ” y Œ • (Etching) ~ ½ ÓZ O `  ¦ s 6   x # Œ H ™ è× ¼ F K5 Å q 8 £ x`  ¦

”

¸Ø  ¦ r (   . H ™ è× ¼ J ‡  “ É r AZ1512 PR (Photo Resist)

`

 ¦ s 6   x ô  Ç € ª œ$ í ¬ ¹ o / B N& ñ `  ¦ s 6   x # Œ + þ A$ í % i  . B j  d ”

y Œ •“ É r H

SO

, H

O

x 9  H

O _  ™ D ¥ ½ + Ë 6   xÓ  o`  ¦  6   x # Œ _ þ v d ”

Ü ¼– Ð % i  . s  6   xÓ  oÜ ¼– Ð 8ì  r 30 œ í 1 l x î ß – 8 ú x 2.2 µm _ 

¿

ºa \  ¦ d ” y Œ • † < ÊÜ ¼– Ð+ ‹ H ™ è× ¼ F K5 Å q] X 8 ú ¤ 8 £ x`  ¦ ” ¸Ø  ¦ r (  



. AZ5214E PRõ  % ò  © œì ø ̈́   (Image Reversal, IR) / B N& ñ

`

 ¦ s 6   x # Œ š ¸b ”  F K5 Å q J ‡  `  ¦ + þ A$ í ô  Ç Ê ê AuGe/Ni/Au

š

¸b ”  F K5 Å q`  ¦ 7 £ x ‚ Ã Ì % i Ü ¼ 9, F K5 Å q õ  ì ø ͕ ¸^ ‰ç ß –_  “ ¦Ä »] X 8 ú ¤

$

† ½ Ó (Specific contact resistance) `  ¦ ×  ¦ s l  0 A # Œ 340

◦

C \ " f 45 1 l x î ß – \ P % ƒo  (Alloy) / B N& ñ `  ¦ à º' Ÿ  % i  . # Œ l

" f “ ¦Ä »] X 8 ú ¤ $ † ½ ӓ É r 2 × 10

Ωcm

  H s % 3  .  t } Œ • Ü

¼– Ð e  ¦w n  } 9  ‘ : r` ç `  ¦ 0 AK  à º µm ¿ ºa – Ð Au\  ¦ & h 8 £ x   H overlay / B N& ñ `  ¦ à º' Ÿ  % i  . Overlay / B N& ñ \ " f  H, €  $ , AZ1518 PR`  ¦  6   x # Œ 3 µm ¿ ºa _   BÒ q t 8 £ x`  ¦ + þ A$ í ô  Ç Ê

ê Ti/Au _  • ¸F K (Plating) seed\  ¦ 7 £ x ‚ Ã Ì % i  . • ¸F K ÷ &

#

Q    H  Òì  r _  J ‡  `  ¦ 7 - 8 µm ¿ ºa _  AZP4903 PR

`

 ¦  6   x # Œ + þ A$ í ô  Ç + ' 5 µm_  Au\  ¦ • ¸F K % i  .  [ j

—

: r`  ¦ s 6   x # Œ • ¸F K J ‡   + þ A$ í \   6   x ) a PR`  ¦ ] j ô  Ç Ê ê

Au stripper ü < BOE (buffered oxide etchant, HF : NH4F

Fig. 3. Fabrication process of Diode A and top-view of the fabricated Diode A.

= 1 : 7) \  ¦ s 6   x # Œ • ¸F K seed\  ¦ ] j  “ ¦  r   [ j— : r

`

 ¦ s 6   x # Œ  BÒ q t8 £ x`  ¦ ] j † < ÊÜ ¼– Ð+ ‹  s š ¸× ¼\  ¦ ] j Œ • 

% i  .

2  (Diode B) ] j Œ •\ " f  H e  ¦w n  } 9  + þ AI _  — ¸Ñ ý t ½ ¨$ í x 9

 J v t \  Ä »o  • ¸2 Ÿ ¤ H ™ è× ¼ E ” ¸× ¼\  ¦ Ñ ü t  Q   H + þ A I

– Ð [ O >  % i  . Diode B_  ] j Œ •õ & ñ õ  ] j Œ •  ) a  s š ¸

×

¼_  SEM (Scanning Electron Microscopy)  ”  `  ¦ Fig.

4 \ 
 ? /% 3  . Diode B\ " f e  ¦w n  } 9  ‘ : r` ç `  ¦ 0 Aô  Ç Au

#

3 á Ô (bump) + þ A$ í `  ¦ 0 AK " f Ä ºo   H E ” ¸× ¼ „  F G _  ß ¼l 

\

 ¦ 7 £ x r (   . ˜ Ð: Ÿ x Õ ª ß ¼l   H 100 - 150 µm _  f ”  â `  ¦

4 R ë ß – # 3 á Ô + þ A$ í \  ë  H ] j \ O  . SEM  ”  _  ×  æ € © œ

\

  H E ” ¸× ¼ „  F G s  0 Au K  e ” “ ¦ Õ ª ß ¼l \  ¦ 200 × 200 µm

– Ð × þ ˜ % i  . E ” ¸× ¼ü < 4> h_  \ # QÚ Ôo t – Ð ƒ    ÷ &

#

Q e ”   H H ™ è× ¼_  ß ¼l   H 40 mW s  © œ_  Ø  ¦§ 4 „  § 4 `  ¦ S X ‰

˜

н + É Ã º e ” • ¸2 Ÿ ¤ Õ ª ß ¼l \  ¦ 3000 - 9000 µm

Ü ¼– Ð ‚  × þ ˜ 

%

i  . # Œl " f• ¸ E ” ¸× ¼ü < H ™ è× ¼ F K5 Å q„  F G  s _   o 



 H 10 µm \  ¦ Ä »t  • ¸2 Ÿ ¤ [ O >  % i  . Diode B_  ] j Œ • õ

& ñ “ É r  6 £ § õ  ° ú   . J ?s (  [ j' ‘ (Cleaning) (a) Ê ê Â Ò n

GaAs ] X 8 ú ¤ 8 £ x`  ¦ ” ¸Ø  ¦ r v l  0 Aô  Ç 1  B j  d ” y Œ • (b) õ

 ™ è ç ß –_  „  l & h    o \  ¦ 0 Aô  Ç 2  B j  d ” y Œ • (c)`  ¦ Ã

º' Ÿ  % i  . y Œ •y Œ •_  B j  d ” y Œ •\   H H

SO

/H

O

/H

O

 1:8:160_  q Ö  ¦ – Ð ™ D ¥ ½ + ˝ ) a 6   xÓ  o`  ¦  6   x % i  . Õ ªo 

“

¦ AZ5214E PRõ  % ò  © œì ø ̈́   / B N& ñ `  ¦ s 6   x # Œ H ™ è× ¼ ü

< E ” ¸× ¼_  F K5 Å q „  F G x 9  H ™ è× ¼_  S X ‰  © œJ × ¼ J ‡  `  ¦ + þ

A$ í ô  Ç Ê ê š ¸b ”  F K5 Å q`  ¦ 7 £ x ‚ Ã Ì % i   (d). š ¸b ”  F K5 Å q Ü ¼– Ð AuGe/Ni/Au (1350/280/1600 ˚ A)\  ¦  6   x % i Ü ¼ 9 Diode A ü < ° ú  s  ì ø ͕ ¸^ ‰-F K5 Å q ç ß –_  ] X 8 ú ¤ $ † ½ Ó`  ¦ y Œ ™™ èr v l  0 A

# Π350

C _  | 9 ™ è ì  r 0 Al \ " f 45œ íç ß – \ P % ƒo  / B N& ñ `  ¦ Ã

º' Ÿ  % i  . Diode B _  “ ¦Ä »] X 8 ú ¤ $ † ½ ӓ É r Diode A ü < ° ú  

“

É r 2 × 10

Ωcm

`  ¦ % 3 % 3  .  6 £ § Ü ¼– Ð   o   ) a H ™ è× ¼

„

 F G õ  H ™ è× ¼ S X ‰  © œJ × ¼_   © œ  ñ ƒ    `  ¦ 0 Aô  Ç \ # QÚ Ôo  t

 / B N& ñ õ  \ P  ~ ½ ÓØ  ¦ : £ ¤$ í † ¾ Ó © œ`  ¦ 0 Aô  Ç Au overlay F K5 Å q + þ A

$ í

/ B N& ñ `  ¦ à º' Ÿ  % i   (e). \ # QÚ Ôo t  / B N& ñ x 9  overlay F

K5 Å q + þ A$ í / B N& ñ “ É r Au „  K • ¸F K (Electro-plating) / B N& ñ `  ¦ :

Ÿ

x K  s À Ò# Q& ’  : AZ1518 PR`  ¦ s 6   x # Œ  BÒ q t8 £ x`  ¦ + þ A

$ í

ô  Ç Ê ê • ¸F K`  ¦ 0 Aô  Ç seed + þ A$ í `  ¦ 0 AK  Ti/Au (300/1000

˚ A)\  ¦ 7 £ x ‚ Ã Ì % i  . AZP4903 PR`  ¦ s 6   x # Œ • ¸F K J ‡  

`

 ¦ + þ A$ í “ ¦ 3.75 mA/cm

_  „  À ӛ ¸| Ü ¼– Ð 5 µm ¿ ºa  _

 Au\  ¦ • ¸F K ô  Ç Ê ê seedü <  BÒ q t8 £ x`  ¦ ] j  % i  . Fig. 5

\

" f 5 µm– Ð Au • ¸F K ) a ×  æ € © œ\  0 Au ô  Ç E ” ¸× ¼( ”   0 A)

\

 ¦ ^  ¦ à º e ” “ ¦, % i r  H ™ è× ¼ 0 A\  5 µm& ñ • ¸– Ð Au • ¸F K

 )

a 4 > h_  \ # QÚ Ôo t \  ¦ ^  ¦ à º e ”  . Fig. 5_   A   ”  

“ É

r S X ‰ @ /  ) a \ # QÚ Ôo t \  ¦
  · p .

IV. + s ÇÊ Ý õ m Í À X Ø8 ý

HP4156A DC parameter analyzer\  ¦  6   x # Œ ] j Œ •  ) a GaAs |   s š ¸× ¼_  „  À Ó-„  · ú š : £ ¤$ í `  ¦ 8 £ ¤& ñ “ ¦ Õ ª    õ

[ þ t`  ¦ “ ¦¹ 1 Ï % i  . „  À Ó-„  · ú š 8 £ ¤& ñ `  ¦ : Ÿ x K  ] j Œ •  ) a ™ è  _

  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó (Negative differential resistance) `  ¦ › ' a 8

£

¤ % i “ ¦ s – РÒ'  $ í / B N& h “   |   s š ¸× ¼_  ] j Œ •`  ¦ S X ‰

“

  % i  .  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó ´ òõ  µ 1 ϔ  l \ " f é ß –{ 9  0 p x1 l x

™

è – Ð" f_  |   s š ¸× ¼_  % i ½ + É`  ¦ 0 p x >  ô  Ç .  Ò$ í

$

† ½ Ó´ òõ \  _ ô  Ç |   s š ¸× ¼\ " f_  „  À Ó Ô  ¦ î ß –„  $ í (In- stability) “ É r „  À Ó ”  1 l x s 
 ¸ ú š6 £ § s  r  Œ •÷ &  H ë  H) 3 „  · ú š (Threshold voltage) \  _ K  : £ ¤f ç t # Q”   . ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f

 Ö

¸$ í 8 £ x _  U  ´s   H 1.6 µm, Õ ª • ¸i ç “ É r 1.1 × 10

cm

s 

Fig. 4. Fabrication process of Diode B and a SEM pho- tograph of the fabricated Diode B.

9 — ¸Ž  H 8 £ ¤& ñ “ É r T = 300 K \ " f à º' Ÿ ÷ &% 3  . # Œl " f ] j Œ •

 )

a graded-gap injector GaAs |   s š ¸× ¼\ " f H ™ è× ¼  H

\

p '  (Emitter) % i ½ + É`  ¦, E ” ¸× ¼  H c + t 7 ˜'  (Collector)

%

i ½ + É`  ¦ ô  Ç . 60 µm, 64 µm x 9  68 µm_  H ™ è× ¼ f ”  â `  ¦

t   H Diode A _  „  À Ó-„  · ú š 8 £ ¤& ñ   õ \  ¦ Fig. 6 \ 
 

?

/% 3  . 94GHz GaAs |   s š ¸× ¼  H 25 kA/cm

s  © œ_ 

„

 À Ó x 9 • ¸ # 3 0 A\ " f 1 l x  Œ • Ù ¼– Ð ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f  H H ™ è× ¼_  ß

¼l \  ¦ 60 - 70 µm – Ð [ O >  % i  . Ä ºo   H  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó

´

òõ 
 
  H þ j“ ¦„  À Ó (Peak current), ë  H) 3 „  · ú š,  Ò

$ í

$ † ½ Ó_  l Ö  ¦ l  x 9  Õ ª % ò % i `  ¦ › ¸ † < ÊÜ ¼– Ð+ ‹ ] j Œ •  ) a   s

š ¸× ¼_  1 l x  Œ •„  · ú š (Operating voltage) õ  Õ ªü < › ' aº   ) a :

£ ¤$ í [ þ t`  ¦ \ V8 £ ¤ % i  . Fig. 6\ " f í  H ~ ½ ӆ ¾ Ó  s # QÛ ¼  K

t €  " f H ™ è× ¼– Ð Å Ò{ 9  ) a „   [ þ t“ É r  Ö ¸$ í 8 £ x`  ¦ : Ÿ x K  E 

Fig. 5. SEM photographs of Diode B.

”

¸× ¼– Ð s 1 l x “ ¦ “    ) a  s # QÛ ¼ ë  H) 3 „  · ú š`  ¦  Å Ü ¼€  

"

f  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ós 
 z Œ ™`  ¦ ^  ¦ à º e ”  . „  À Ó ë  H) 3 „  

· ú

šõ  þ j“ ¦„  · ú š  s \ " f  s # QÛ ¼ „  · ú š\  @ /K  y Œ ™™ è  Ù

¼– Ð s  % ò % i \ " f ™ è   H  8 s  © œ î ß –& ñ  ) a f ” À Ó › ¸| `  ¦ Ä » t

 ½ + É Ã º \ O >   ) a  . s M : |   s š ¸× ¼  H ü @Â Ò  r– Ð_  / B N

"

î ”  1 l x à º\ " f µ 1 ϔ  s  { 9 # Q
>   ) a  . ì ø ͕ ¸^ ‰ r « Ñ_  $ 

†

½ ӓ É r R =

– Ð ³ ð‰ & ³÷ & 9, # Œl " f ρ  H Â Ò n

GaAs 8 £ x _

 q $ † ½ Ó, L“ É r H ™ è× ¼ü < E ” ¸× ¼ F K5 Å q „  F G  s _   o , ω  H „    s 1 l x   H Â Ò n

GaAs 8 £ x _  ; Ÿ ¤, d   H Â Ò n

GaAs8 £ x _  ¿ ºa s  . 4.8 × 10

cm

_  • ¸i ç 0 l x • ¸\  ¦

t   H Â Ò n

GaAs 8 £ x _  q $ † ½ ӓ É r 5.8 × 10

Ωcm s 



. s [ þ t ° ú כÜ ¼– РÒ'  60 µm_  H ™ è× ¼\  @ /K  F K5 Å q „  F G s

 + þ A$ í ÷ &t  · ú §“ É r Diode A _  Â Ò n

GaAs 8 £ x _  f ” § > =$ 

†

½ ӓ É r 0.1 Ω s   ) a  . 60 µmü < 68 µm_  cathode ß ¼l \  ¦  t

  H  s š ¸× ¼\ " f þ j“ ¦„  À Óü < ë  H) 3 „  · ú š“ É r y Œ •y Œ • 2.6 V

\

" f 606 mA Õ ªo “ ¦ 2.9 V\ " f 675 mA s  . s – РÒ'  Ä

ºo   H Diode A  €  •5 V & ñ • ¸\ " f µ 1 ϔ  s  { 9 # Q
o  

\

V8 £ ¤ ½ + É Ã º e ”  . { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð CW 1 l x  Œ •\ " f 1 l x  Œ •„  · ú š“ É r ë

 H) 3 „  · ú š_  2 - 3 C s “ ¦ „  + þ A& h “   graded-gap injector

GaAs |   s š ¸× ¼\ " f_  1 l x  Œ •„  · ú š“ É r 3 - 6 V, 1 l x  Œ •„  À Ó

Fig. 6. I-V characteristics of Diode A for three different cathode diameters at T = 300K.



 H 600 - 1500 mA s  . s    õ   H 3 - 6 V _  1 l x  Œ •„  · ú š`  ¦

t   H x 9 o p '   GaAs |   s š ¸× ¼_  „  + þ A& h “   µ 1 ϔ   :

£ ¤$ í õ  { 9 u ô  Ç . Õ ª Q
  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó : £ ¤$ í `  ¦ ¶ ú ˜( R^  ¦ M

: 1 l x  Œ • „  À Ó „  + þ A& h “   graded-gap injector GaAs | 



s š ¸× ¼ ˜ Ð  €  • 150 mA s  © œ ± ú Ü ¼ 9 s – РÒ'  Ä ºo   H ]

j Œ •  ) a  s š ¸× ¼ ± ú “ É r Ø  ¦§ 4 „  § 4 `  ¦ f ” `  ¦ \ V © œ½ + É Ã º e ”

 . ± ú “ É r Ø  ¦§ 4 `  ¦ \ V © œ   H s Ä »  H  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó ½ ¨ç ß –

\

" f injector_  % ò † ¾ ÓÜ ¼– Ð “   # Œ “  „  · ú š\  @ /K  „  À Ó _

    o & h # Q  † < Ê\ • ¸ Ô  ¦ ½ ¨ “ ¦ Ä ºo  ] j Œ •ô  Ç  s 

š

¸× ¼\ " f  H  s # QÛ ¼ „  · ú š\  @ /ô  Ç „  À Ó_     o ß ¼> 

 z Œ ¤l  M :ë  H s  . s   H 1 l x{ 9 ô  Ç 1 l x  Œ • „  · ú š\  @ /K  1 l x  Œ •

„

 À Ó  Œ •6 £ §`  ¦ _ p   9 ± ú “ É r Ø  ¦§ 4 „  § 4 _    õ \  ¦ \ V8 £ ¤ 

>

 ô  Ç . 
_  é ß –{ 9  0 p x1 l x ™ è – Ð" f_  |   s š ¸× ¼_    1

l

x`  ¦ ¶ ú ˜( R˜ Ðl  0 AK " f, \ x  ½ ¨› ¸\ " f injector_  % i ½ + É`  ¦ Diode A _  f ” À Ó  1 l x`  ¦ : Ÿ x K  · ú ˜ ˜ Ѐ Œ ¤ . 60 µm_  H ™ è

×

¼\  ¦ t   H |   s š ¸× ¼\ " f_  í  H ~ ½ ӆ ¾ Óõ  % i ~ ½ ӆ ¾ Ó f ” À Ó

1 l x`  ¦ Fig. 7 \ 
 ? /% 3  . " é ¶& h `  ¦ l ï  r Ü ¼– Ð š ¸ É rA á ¤“ É r í

 H ~ ½ ӆ ¾ Ó, ¢ , aA á ¤“ É r % i ~ ½ ӆ ¾ Ó`  ¦
  · p . Hetero junction > 

€

 \  + þ A$ í  ) a GaAs ü < Al

Ga

As „  • ¸@ /_  \  -t  Ô  ¦ƒ   5

Å

q € ª œ“ É r ∆E

= 0.7 × [E

−E

] _  › ' a > \ 

"

f Al › ¸$ í q \  _ K    & ñ  ) a   [10]. GaAs/Al

Ga

As _

 „  • ¸@ / Ô  ¦ƒ  5 Å q Ü ¼– РÒ'  „    % 3   H \  -t   H x = 0.3 \ " f €  • 0.25 eV s  .

GaAs/Al

Ga

As _  „  • ¸@ / Ô  ¦ƒ  5 Å q Ü ¼– РÒ'  „   

% 3

  H \  -t   H x = 0.3 \ " f €  • 0.25 eV s  . graded-gap injector |   s š ¸× ¼\ " f  H H ™ è× ¼   H % ƒ_  Al

Ga

As

Fig. 7. I-V characteristics of Diode A at T = 300K. The positive voltage corresponds to the forward bias and the negative voltage the reverse bias.

8

£

x M :ë  H \  transit % ò % i  ( Ö ¸$ í 8 £ x) Ü ¼– Ð s 1 l x   H @ / Òì  r _

 „   [ þ t“ É r ×  æ € © œ> / B G (Γ) - 0 A$ í > / B G (L) „  s \  Ø  æì  r ô

 Ç \  -t \  ¦ t “ ¦  – Ð 0 A$ í > / B G Ü ¼– Ð „  s ô  Ç . 0 A$ í

>

/ B G Ü ¼– Ð s 1 l x ô  Ç „   [ þ t _  Ä »´ ò| 9 | ¾ ӓ É r ×  æ € © œ> / B G \  q K  B

Ä º ß ¼ 9 s – Ð+ ‹ „   [ þ t“ É r ± ú “ É r Ä »1 l x5 Å q • ¸\  ¦ t >   ) a



. í  H ~ ½ ӆ ¾ Ó\ " f  H injector – Ð “   # Œ ä ¼ 0 >”   „   [ þ t s 



– Ð  Ö ¸$ í 8 £ x Ü ¼– Ð s 1 l x   H ì ø ̀   % i ~ ½ ӆ ¾ Ó\ " f  H graded- gap injector   u  ‚  + þ A $ † ½ Ól ü < ° ú  s   1 l x ô  Ç . Fig.

7 \ " f, ¿ º ~ ½ ӆ ¾ Ó\ " f þ j“ ¦„  À Ó ° ú כ[ þ t“ É r " f– Ð   É r   õ \  ¦ Å

Ò 9 s   H ¿ º „  À Ó ~ ½ ӆ ¾ Ó\ " f " f– Ð   É r „    Ä »1 l x5 Å q • ¸

\

 _ ô  Ç .   ² D G, s  ‰ & ³ © œ“ É r L > / B G _  " f– Ð   É r „    & h  Ä

»• ¸– РÒ'  l “  † < Ê`  ¦ · ú ˜ à º e ”  . þ j“ ¦„  À Ӎ  H “ : r • ¸\  y © œ

>  _ ” > r ½ + É  כ s “ ¦ s  ´ òõ   H f ” ] X & h Ü ¼– Ð “ : r • ¸ 7 £ x 

€  " f  Ö ¸$ í 8 £ x _  $ † ½ Ó_  7 £ x ü < › ' a >   ) a  . s  כ “ É r ŠҖ Ð

×

 æ € © œ> / B G õ  0 A$ í > / B G _   © œ@ /& h “   „    & h Ä »• ¸_  s – Ð Â

Ò'  Ò q t|   . Graded-gap injector ½ ¨› ¸\ " f „   [ þ t“ É r  H

\

 -t \  ¦ t “ ¦  Ö ¸$ í 8 £ x Ü ¼– Ð  – Ð s 1 l x l  M :ë  H \   Ò

$ í

$ † ½ Ó_  l Ö  ¦ l   Œ •Ü ¼ 9 ë  H) 3 „  · ú š\ " f breakdown „  

· ú

š t _   Ò$ í $ † ½ Ó % ò % i s  V ,  .

Diode B _  „  À Ó-„  · ú š : £ ¤$ í `  ¦ Fig. 8 \ 
 ? /% 3  . ×  æ

€

© œ\  E ” ¸× ¼ „  F G s  0 Au K  e ”   H & ñ  y Œ •+ þ A + þ AI _  ¨ î €   + þ

A ½ ¨› ¸\ " f Õ ª ß ¼l   H e  ¦w n  } 9  ‘ : r` ç \  ë  H ] j \ O • ¸2 Ÿ ¤ 200 × 200 µm

– Ð ‚  × þ ˜ % i  . H ™ è× ¼_  ß ¼l   H Z  }“ É r Ø

 ¦§ 4 „  § 4 `  ¦ Ø  æì  r y  S X ‰ ˜ н + É Ã º e ” • ¸2 Ÿ ¤ Õ ª ß ¼l \  ¦ 3000 - 9000 µm

Ü ¼– Ð × þ ˜ % i  . Diode B_  „  À Ó-„  · ú š 8 £ ¤& ñ    õ

[ þ t“ É r Fig. 6 _    õ ü < B Ä º Ä »   . ë  H) 3 „  À Ӎ  H H 

Fig. 8. I-V characteristics of Diode B for three different cathode sizes at T = 300K.

™

è× ¼_  ß ¼l  3000, 4000, 5000 µm

\ " f y Œ •y Œ • 2.6, 2.9, 3.1 V s % 3  . 5000 µm

_   â Ä º, \ V8 £ ¤ ) a 1 l x  Œ •„  · ú šõ  „   À

Ӎ  H 4.7 - 6 V # 3 0 A\ " f €  • 500 mA & ñ • ¸s  .  s š ¸× ¼



^ ‰ \ P  ´ òõ \  ¦ “ ¦ 9½ + É M : Diode Aü < B  H [ O >  r  3 l q& h  ô

 Ç  ü < ° ú  “ É r Z  }“ É r Ø  ¦§ 4 „  § 4 `  ¦ t t  · ú §6 £ §`  ¦ \ V © œ½ + É Ã º e ”

 . Diode A ü <  ð ø Ít – Ð Diode B \ " f• ¸ 150 mA s

 © œ ± ú “ É r   õ \  ¦ Å Ò% 3  .

Graded-gap injector GaAs |   s š ¸× ¼_   â Ä º, f ” À Ó

1 l x“ É r “ : r • ¸, „  · ú š Õ ªo “ ¦ graded-gap injector_   © œ# 4  Z  } s

\  _ ” > r ô  Ç . ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f ] jî ß –ô  Ç 1.6 µm_   Ö ¸$ í 8 £ x õ  60 µm _  cathode ß ¼l \  ¦ ”   x 9 o p '   @ /% i  GaAs | 



s š ¸× ¼ 25 kA/cm

_  „  À Óx 9 • ¸\  ¦ t “ ¦ 1 l x  Œ •½ + É M :



s š ¸× ¼ ? / Ò\ " f  H B Ä º ´ ú §“ É r \ P s  µ 1 ÏÒ q tô  Ç . Graded- gap injector\  ¦ t   H GaAs |   s š ¸× ¼\ " f „   [ þ t“ É r

×

 æ € © œ> / B G õ  0 A$ í > / B G  s _  „  s \  Ø  æì  r ô  Ç \  -t \  ¦  t

“ ¦  – Ð  Ö ¸$ í 8 £ x Ü ¼– Ð Å Ò{ 9 ÷ &Ù ¼– Ð Õ ª  Ò$ í $ † ½ Ó : £ ¤$ í s  conventional |   s š ¸× ¼ ˜ Ð  „  · ú šõ  “ : r • ¸_     o\  _ 

”

> r& h s t  · ú § . 7 £ ¤, graded-gap injector GaAs |   s š ¸

×

¼\ " f ë  H) 3 „  · ú š s Ê ê_  „  À Ó-„  · ú š : £ ¤$ í [9,10]\ " f Õ ª  Ò

$ í

$ † ½ Ó_  l Ö  ¦ l   H  Œ •Ü ¼ 9, s  Qô  Ç Â Ò$ í $ † ½ Ó : £ ¤$ í “ É r   s

š ¸× ¼  ^ ‰\ " f µ 1 ÏÒ q t   H \ P \  _ ô  Ç „  À Ó_  ´ òõ  & h  6

£

§`  ¦ _ p ô  Ç . Diode Aü < Diode B\ " f  Ò$ í $ † ½ Ó : £ ¤$ í

“

É r graded-gap injector\  ¦ ”   GaAs |   s š ¸× ¼\ " f ˜ Ð



 conventional |   s š ¸× ¼ ½ ¨› ¸\ " fü < ° ú  “ É r  Ò$ í $ † ½ Ó :

£ ¤$ í [1]`  ¦
 Í Ç r`  ¦ · ú ˜ à º e ”  . „  À Ó-„  · ú š : £ ¤$ í \ " f ™ è



_   ^ ‰ \ P  (Self-heating) ´ òõ \  ¦ C ] j l  0 AK " f  H pulsed I-V 8 £ ¤& ñ `  ¦ s 6   x ô  Ç . GaAs |   s š ¸× ¼_   â Ä º pulsed I-V 8 £ ¤& ñ \ " f ` O Û ¼ ; Ÿ ¤ (pulse width) s  Ø  æì  r y   ú ª

t

 · ú §Ü ¼€   ` O Û ¼ K t t  · ú §“ É r  © œI ü < q 5 p w ½ + É & ñ • ¸– Ð



s š ¸× ¼  ^ ‰ \ P “ É r  Ò$ í $ † ½ Ó : £ ¤$ í \ " f l Ö  ¦ l _  7 £ x 

\

 ¦ 4 Rš ¸>   ) a  .   " f GaAs |   s š ¸× ¼\ " f  H \ P 

´

òõ \  ¦ C ] jô  Ç Â Ò$ í $ † ½ Ó: £ ¤$ í `  ¦ % 3 l  0 AK  €  • 100 ∼ 500 ns & ñ • ¸_  B Ä º  ú ª“ É r ` O Û ¼\  ¦  6   x K   ô  Ç . Diode Aü <

Diode B _   Ò$ í $ † ½ Ó : £ ¤$ í \ " f  ^ ‰ \ P  ´ òõ \  _ ô  Ç „   À

Ó_  % ò † ¾ Ó`  ¦ · ú ˜ ˜ Ðl  0 Aô  Ç pulsed I-V 8 £ ¤& ñ “ É r Ê ê_  ƒ  

½

¨\ " f s À Ò# Q| 9   כ s  .

‘

: r ƒ  ½ ¨\ " f ] j Œ •  ) a |   s š ¸× ¼[ þ t _   â Ä º, ´ òÖ  ¦& h “  

\ P

 ~ ½ ÓØ  ¦ õ  Õ ª– Ð “  ô  Ç Ø  ¦§ 4 „  § 4 _  † ¾ Ó © œ“ É r  6 £ § _  ë  H ] j K 

 

`  ¦ : Ÿ x K  > h‚  s  s À Ò# Q| 9   כ s   ‘ : r  . ' Í P :– Ð, ì ø Í ] X 

ƒ

  GaAs l ó ø Í`  ¦ €  • 100 µm & ñ • ¸– Ð ° ú ˜  · p Ê ê Õ ª 0 A\  Au. Cu 1 p x õ  ° ú  s  \ P „  • ¸• ¸ Z  }“ É r Ó ü t| 9 – Ð ~ ½ Ó\ P  ó ø Í`  ¦ + þ A

$ í

† < ÊÜ ¼– Ð+ ‹ ´ òõ & h “    ^ ‰ \ P  ~ ½ ÓØ  ¦ õ  † < Êa  Z  }“ É r Ø  ¦§ 4  „  

§ 4

`  ¦ % 3 `  ¦ à º e ” Ü ¼o   \ V © œô  Ç . Ñ ü t P :– Ð, Fig. 5 \ " fü <

° ú

 s  H ™ è× ¼_  €  • ì ø Í & ñ • ¸\  ¦ W = • ¸2 Ÿ ¤ + þ A$ í  ) a \ # QÚ Ôo t 

\

 ¦ „  ^ ‰\  ¦ y Œ ™ • ¸2 Ÿ ¤ é ß –€  & h `  ¦ 7 £ x r ( ” Ü ¼– Ð+ ‹ \ P  ~ ½ ÓØ  ¦ õ

 Ø  ¦§ 4 „  § 4 _  † ¾ Ó © œ`  ¦ l @ /½ + É Ã º e ” Ü ¼o   ‘ : r  . |   s 

š

¸× ¼_  ´ òÖ  ¦ õ  Ø  ¦§ 4 „  § 4 “ É r graded-gap injector _  [ O > ÷  r



m    Ö ¸$ í 8 £ x _  U  ´s \  _ ” > r >  ÷ &“ ¦ \ P  ~ ½ ÓØ  ¦ ë  H ] j_ 

´

òõ & h “   % ƒo  B Ä º ×  æ כ ¹ô  Ç ë  H ] j– Ð @ /¿ º  ) a  . ‘ : r ƒ  ½ ¨

\

" f  H ³ ðï  r J v f ç é ß –> \  ¦ Ò q t| Ä Ì   H @ /’   ] j Œ •  ) a ¨ î €   + þ

A GaAs |   s š ¸× ¼\  ¦ AlN l ó ø Í_  VCO\  `  ¦  9 Z  ~6 £ § Ü

¼– Ð+ ‹ Z > • ¸_  \ P  ~ ½ ÓØ  ¦ ½ ¨› ¸ \ O s   s š ¸× ¼  ^ ‰\ " f µ 1 Ï Ò q

t   H \ P `  ¦ ´ òõ & h Ü ¼– Ð ~ ½ ÓØ  ¦ ½ + É Ã º e ” • ¸2 Ÿ ¤ ¨ î €  + þ A + þ AI 

–

Ð |   s š ¸× ¼\  ¦ ] j Œ • % i  .  6 £ § _  ƒ  ½ ¨\ " f ] j Œ •  ) a



s š ¸× ¼_  RF 8 £ ¤& ñ s  s À Ò# Q| 9   כ s  9 s    õ \  ¦ : Ÿ x K 

$ í

0 p x > h‚  s  s À Ò# Q| 9   כ s  .

V. + s Ç Â ] Ø

‘

: r ƒ  ½ ¨\ " f Ä ºo   H 94GHz graded-gap injector GaAs

|

  s š ¸× ¼\  ¦ ¨ î €  + þ A ½ ¨› ¸– Ð [ O > , ] j Œ • % i  . E ” ¸× ¼ ü

< H ™ è× ¼_  „  F G C u \  ¦ ² ú ˜o  ô  Ç ¿ º ½ ¨› ¸\ " f_  þ j“ ¦„   À

Ó, ë  H) 3 „  · ú šõ  ° ú  “ É r  Ò$ í $ † ½ Ó : £ ¤$ í x 9  injector_  % i ½ + É`  ¦

¶ ú

˜( R˜ Ѐ Œ ¤ . ¿ º ½ ¨› ¸\ " f 8 £ ¤& ñ  ) a f ” À Ó : £ ¤$ í Ü ¼– РÒ'  \ V 8

£

¤ ) a 1 l x  Œ • „  À Ӎ  H ä ¼ î  r injector\  ¦  6   x ô  Ç „  + þ A& h “   x 9  o

p '   GaAs |   s š ¸× ¼ ˜ Ð  €  • 150 mA s  © œ ± ú “ É r

 

õ \  ¦ Å Ò% 3  . FMCW Y Us  8_  ’    ñ" é ¶ Ü ¼– Ð  6   x ÷ &  H

|

  s š ¸× ¼\ " f Z  }“ É r Ø  ¦§ 4 „  § 4 “ É r € 9 à º& h s  9 Z  }“ É r Ø  ¦

§ 4

„  § 4 `  ¦ % 3 l  0 AK " f  H  Ò$ í p ì  r $ † ½ Ó : £ ¤$ í Ü ¼– РÒ'  \ V 8

£

¤ ) a 1 l x  Œ • „  À Ә Ð  Z  }“ É r „  À Ó כ ¹½ ¨  ) a  . Z  }“ É r Ø  ¦§ 4 „  

§

4 õ  ´ òÖ  ¦`  ¦ % 3   H  כ “ É r |   s š ¸× ¼ [ O >  x 9  ] j Œ •`  ¦ # Q§ > 

“

¦   \  v >    H כ ¹™ è[ þ t s  . ‘ : r ƒ  ½ ¨\ " f ] j Œ •  ) a ¨ î €  

+ þ

A GaAs|   s š ¸× ¼[ þ t _   â Ä º, „  F G s  + þ A$ í  ) a €  “ É r AlN l

ó ø Í`  ¦  6   x # Œ ´ òõ & h Ü ¼– Ð \ P  ~ ½ ÓØ  ¦`  ¦ r v “ ¦ GaAsl  ó

ø Í Â Òì  r“ É r · û ª>  ° ú ˜  · p Ê ê \ P  ~ ½ ÓØ  ¦ ´ òõ  Ä ºÃ ºô  Ç F K5 Å q

`

 ¦ » · ¡ ­e ” Ü ¼– Ð+ ‹ 7 á §  8 ´ òÖ  ¦& h “   \ P _  ] j \  ¦ l @ /½ + É Ã º e ”

Ü ¼o   ‘ : r  . ¢ ¸ô  Ç \ # QÚ Ôo t  + þ A$ í \  e ” # Q" f H ™ è× ¼

\

 ] X 8 ú ¤ ÷ &  H \ # QÚ Ôo t _  é ß –€  & h `  ¦ 7 £ x r ( ” Ü ¼– Ð+ ‹ \ P 

~

½ ÓØ  ¦ õ  Ø  ¦§ 4 „  § 4 _  † ¾ Ó © œ`  ¦ l @ /½ + É Ã º e ” Ü ¼o   ‘ : r  .

P

c p 8 ý ò k >

‘

: r ƒ  ½ ¨  H õ † < Æl Õ ü t  Ò/ô  Dz D G õ † < ÆF é ß – Ä ºÃ ºƒ  ½ ¨G ' p'  ¹ ¢ ¤

$ í

 \ O _  t " é ¶ Ü ¼– Ð Ã º' Ÿ ÷ &% 3 6 £ § (R11-1999-058-02005-0).

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] S. Sze, Modern Semiconductor Device Physics (John Wiley & Sons, New York, 1998), Chap. 6, p. 384.

[2] S. J. Jerome Teng and R. E. Goldwasser, IEEE Elec- tron. Device Lett. 10, 412 (1989).

[3] N. R. Couch, H. Spooner, P. H. Beton, M. J. Kelly,

M. E. Lee, P. K. Rees and T. M. Kerr, IEEE Elec- tron. Device Lett. 10, 288 (2000).

[4] S. Hutchinson, J. Stephens, M. Carr and M. J. Kelly, Electron Lett. 32, 851 (1996).

[5] N. R. Couch, P. H. Beton, M. J. Kelly, D. J.

Knight and J Ondria, Solid-State Electronics 31, 613 (1988).

[6] N. R. Couch, M. J. Kelly, H. Spooner and T. M.

Kerr, Solid-State Electronics 32, 1685 (1989).

[7] W. Wadanabe, T. Deguchi and A. Nakagawa, IEEE MTT-S Digest, 13 (1999).

[8] A. Nakagawa, K. Watanabe, T. Yoshida, T. Deguchi and Y. Oki, IEEE MTT-S Digest, 1205 (2000).

[9] Simone Montanari, Arno Forster, Mihail Ion Lepsa and Hans Luth, Solid-State Electronics 49, 245 (2005).

[10] T. W. Hickmott, P. M. Solomon, R. Fischer and H.

Morkoc, J. Appl. Phys. 57, 2844 (1985).

[11] S. Neylon, I. Dale, H. Spooner, D. Worley, N. Couch,

D. Knight, J. Ondria, IEEE MTT-S Digest 519

(1989).

Studies on 94-GHz Planar GaAs Gunn Diode Structures

M. R. Kim,

S. D. Lee, Y. S. Chae and J. K. Rhee

Millimeter-wave Innovation Technology Research Center, Dongguk University, Seoul 100-715 (Received 31 May 2007)

We studied 94-GHz planar graded-gap injector GaAs Gunn diodes with a 1.6-µm active length for operation at 94 GHz. Two types of planar Gunn diodes were designed and fabricated. In the first diode, the cathode was situated in the inner circle of the anode electrode having the cathode diameter of 60 - 70 µm. This first diode was designed such that the distance between the anode and the cathode metal electrodes was a constant 10 µm. In the second diode, the anode was situated in the inner side of the cathode for modular packaging of the flip-chip bonding structure. The size of the cathode, which was connected to the anode via an air bridge, was 3000 - 9000 µm

in order to obtain an output power of more than 40 mW. The fabrication of the Gunn diode was based on Ohmic contact metallization, MESA etching, and air bridge and overlay metallization. DC measurements were carried out, and the natures of the negative differential resistance, the operating voltage, and the output power in the graded-gap injector GaAs Gunn diodes are discussed for the two different device structures.

PACS numbers: 81.05.D, 85.30.F

Keywords: GaAs Gunn diode, Negative differential resistance

∗

E-mail: [email protected]