JPS5821901A - 回路整合素子 - Google Patents

回路整合素子

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JPS5821901A
JPS5821901A JP57119153A JP11915382A JPS5821901A JP S5821901 A JPS5821901 A JP S5821901A JP 57119153 A JP57119153 A JP 57119153A JP 11915382 A JP11915382 A JP 11915382A JP S5821901 A JPS5821901 A JP S5821901A
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JP
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transmission line
metal film
conductive
strip
thin metal
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JP57119153A
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ブライアン・タ−ナ−
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UK Secretary of State for Defence
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/02—Coupling devices of the waveguide type with invariable factor of coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D86/00—Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates
    • H10D86/80—Integrated devices formed in or on insulating or conducting substrates, e.g. formed in silicon-on-insulator [SOI] substrates or on stainless steel or glass substrates characterised by multiple passive components, e.g. resistors, capacitors or inductors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W44/00—Electrical arrangements for controlling or matching impedance
    • H10W44/20—Electrical arrangements for controlling or matching impedance at high-frequency [HF] or radio frequency [RF]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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    • H10W44/20—Electrical arrangements for controlling or matching impedance at high-frequency [HF] or radio frequency [RF]
    • H10W44/203—Electrical connections
    • H10W44/216—Waveguides, e.g. strip lines

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
  • Waveguides (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回路整合素子の放置に係り、特に、モノリシッ
クマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）用の電子信号伝送線
に係るが、これに限定されるものではない。
高周波１例えば、マイクロ波の領域で使用される典型的
なモノリシック集積回路Ｋ＞いては、集積回路チップ上
の装置に組合わされた整合素子が該チップの面積の大部
分を占有する。一般に、能動的なＧａＡｓ装置の場合は
、Ｇ・＾５ＭＭ１ｃ　　の表面の約９０−が整合素子に
よって占有される。それ故、チップの基本的な作用部、
主としてＦＥＴの部分、はチップのわずかな部分しか占
有せず。
その他の部分は例えば相互接続部及び直流バイアス纏に
よって占有される。
整合は色々な中シ方で行なわれる。
Ｇａ＾５ＭＭ１ｃＫ用いられている公知の絡１０技術に
よれば、例えばＧａＡｓ　ＦＥＴへの容量性入力のよう
な無効成分を整合する試み社、はとんどなされず、不安
定状態を招くことのある不所望な屓射は抵抗性の負荷で
吸収される。然し乍ら、　ＦＥＴの設計／ダラメータ１
例えば相互コンダクタンスｇｍを適切に選択するような
ｌ能動的Ｉな整合が用いられている。
この第１の整合技術は、基本的Ｋｄ、周波数が低い場合
ＫＧａ＾ｓ　ＦＥＴの電流利得が大きいという利点を利
用した低周波技術である。この方法は。
電流利得が１に近ずくような高い周波数では効果的でな
−０ 第２の公知の整合法では、受動素子（インダクタ、キャ
パシタ及び抵抗）をチップに設け、これを用いて能動装
置の無効素子が離調される。　ＦＥＴの入力容量が例え
ばインダクタと共振されてもよい、この第２の技術では
、周波数が低い場合に。
若干０１１品が大ｆＩｉになって不便であるという欠点
がある。
この第２の方法は、第１の技術に適用できる周波数よｐ
は高い周波数で用いることができる。然し乍ら１周波数
が高くなるにつれて、整合部品の抵抗性損失が大きくな
る九めに共振回路のＱが下が９１回路の性能が低下する
。
１、この第２の方法では、受動素子が純粋なり、Ｃ又は
Ｒ部品ではないので、更に複雑さが増す。又。
この回路設計では、素子と素子との相互作用例えばイン
メクタ関のａ気結合も考直しなければならない。
第３の公知の整合法では、電磁波伝送線が用いられる。
これは、ＭＭＩＣチップの後面をグランドプレーンとし
て働かせると共にヒートシンクにも結合させられるよう
にこの後面を便利に金属化できるという点でＧ蟲＾＠Ｍ
ＭＩＣＫ４１に適した方法である！イクロストリッデ技
術を用いて行なわれる。然し乍ら、　Ｇａ八八ツウェハ
上面ＯＩＩ触部をその下面のグランドプレーンへ接続す
る金属化部分を受は入れるためには、　Ｇａ＾１ウェハ
を貫通する穴が必要とされる。然し１例えば前面と後面
とを揃える必要があるので、これを行なうのは困−であ
る。
マイクロストリップの問題点を解消する手段としては、
同一平面伝送線を用いることである。同一平面技術を用
いれば、ウニへ貫通接続が不要となる。然し乍ら、ウェ
ハの上面には更に多くのスペースが必要とされると共に
更に多くの導体も必要とされる。
公知の伝送線の欠点はこれら伝送線が占有するスペース
が比較的大きいととである０周波数がその長さが７．５
■となる。
伝書チャンネルにシける波の速度Ｖは次式で表わされる
ことに注意されたい。
ｖｙ＝１７ｆ 但し、Ｌは比インダクタンスであ夛、そしてＣは比キャ
パシタンスである。
１１！に、４１１性インピーダンスＸは次式で表わされ
る。
・−６丁 Ｃが増加すると、速度、ひ−ては波長が減少する０例え
ば、Ｌを変えずに純空気誘電体よシもＣを大きくするよ
うＫＧ農＾＄基体とその上の空気とにより形成された混
合−電体を用いた場合には。
然し乍ら、仁のようにして伝送線を用いて実現化された
ＧａＡ＠ＭＭ　Ｉ　Ｃのチップは、上記した第１及び第
２の公知方法を用いて得られ九チッグよシも依然として
大きい。
Ｖの値を下げるのに用いられる公知の方法では。
適当にドープされた半導体物質の薄一層が伝送線構造体
に含まれる。半導体層の厚みは、半導体物質中の伝書Ｅ
Ｍ倍信号表皮深さδより４相当に小さくされる。
適当にドープされた半導体の薄い層を含む公知の同一平
面導波伝送ＳＦｉ、半絶縁基体を備え、その上には薄Ｉ
ｎｎ−ドープの半導体層が設けられ。
この中導体層自体の上には絶縁層が設けられ、ヤしてそ
の上には導波器の厚い導電素子が形成される。然し乍ら
、このように形成され良導波器では。
その構造上の性質により損失をなくすことか”−難であ
る。゛・□” 本発明によれば、信号伝搬路を形成すゐように支持基体
の少なくとも片面上に設けられ次伝送線導通素子を備え
た電子信号を伝送する伝送線であって、上記信号伝搬路
には薄い金属フィルムが配置され、この金属フィルムは
その厚みがこの金属フィルム内を通る信号の表皮深さよ
シも小さくされるような伝送線が提供される。
金属フィルムを含まない伝送線に対し伝送線の比インダ
クタンスを下けることなく比キャパシタンスを高めるに
は、金属フィルムの厚みが表皮深さの１０１１１未満で
あるのが好ましい。
支持基体と一体であるか又はこれとは別のものである絶
縁物質により、金属フィルムは少なくとも１つの導通素
子から分離される。
又、伝送−鉱、信号伝搬路に配置された少なくとも１つ
の半導体部分も含む。
薄い金属フィルムは１つ以上の領域内に形成される。
伝送線は、２本のアースされた厚い導電性ストリップの
内縁間に厚い中央導電性ストリップを設は虎もので纏導
通素子が構成され虎同一平面導波器の形態をとる。
同一平面導波器は、薄い金属フィルムが中央の導電性ス
トリップの少なくとも１部分の真下でこれに電気的に接
触し、そして２本のアースされたストリップの下Ｋｍび
るが％誘電率の高い絶縁物質の層によって２本のアース
され虎ストリップの内縁から絶縁されるように構成され
る。
或いは又、同一平面導波器は、薄い金属フィルムが２本
のアースされたストリップの内縁の真下でこれに電気的
に接触しそして中央の導電性ストリップの下に延びるが
ζこから絶縁されるように構成されてもよい。変形態様
として、中央の導電性ス）　１７ツデが半導体層上に形
成されそして薄り金属フィルムからの絶縁が上記半導体
内に確立された空乏領域によって与えられてもよい。
或いは又、同一平面導波器Ｆｉ、薄い金属フィルムが中
央の導電性ストリップと２本のアースされたストリップ
の内縁との間の領域に配置されて。
中央の導電性ストリップ及び２本のアースされたストリ
ップの両方から絶縁されるように構成されてもよい。
更に別の変形態様として、伝送線は、非導電性層の第１
面上の１つの導電性ストリップと非導電性層の第２面の
ダラノドプレーンとで線導通素子が構成されるようなマ
イク四ストリップの形態で作られてもよい。この時には
、金属フィルムは。
非導電性層の第１面と１つの導電性ストリップとの間に
形成される。
以下、添付図面を参照して本発明を一例として説明すみ
。
第１図に示され良導波器の１−分にかいては。
約Ｏ６ｓ■厚みのＧ・＾Ｓの半絶縁基体層１００片面が
ｎ　５１　ＯＱ−＾Ｓ能動半導体層１２で覆われてお夛
、こめ半導体層１２の厚みは約３μ−であシ。
即ち導波器によｐ半導体物質１２内に伝送される波の表
ＷＪｆｌａさより小さい。
半導体層１３の上に杜、厚み約０．４μｍのＧ−＾＄酸
化物の絶縁層１４が設けられゐ０次いで金属ストリップ
１６％１８及び２０が絶縁層１４上に形成されて、伝送
線の導通素子を構成する。
ｗｃ２図の回路図は第１図の導波器の準ＴＥＭ作動モー
ドの等価回路を示している。第２図において、金属スト
リップに蓄積された電荷に関与しそして半導体層１２に
よってはシールドされないような上半面の電気力線に起
因する容量がＣｏ　で示されている。Ｃ１及びＣ２は絶
縁層１４に起因する更に別のキャノヤシタンスであシ、
そしてＲはストリップ間のｎ−１１半導体の横方向抵抗
である。抵抗ｒは金属ストリップによるものである。
第２図の回路の損失は、抵抗「による直列成分と、抵抗
Ｒを経てキヤ／４シタンスＣ１及びＣ２を充電する必要
性による分路成分より成る。直列成分子Ｋ起因する伝送
線の損失成分の作用は、インダクタンスを増すように金
属ストリップを互いに分離することによって減少される
。然し乍ら、このような分離を大きくすると、横方向抵
抗内が大きくなる。損失を減少するように変えられる別
のａ４ラメータとしては、半導体層１２の厚みとドーピ
／ダ密度とがある。然し乍ら、半導体層１２の厚みを表
皮深さより実質的に小さくするという必要性がある丸め
に、これらパラメータを増加する程度に対して成る限界
が設定される。
波長轟たりの損失が与えられると、波速度が真空中の伝
搬速度に対して減少される程度がｃ半導１／４ 体層の導電率）　　Ｋ比例することが示される。
例えば、厚さ１μ講のＱａＡｓ半導体層が１０１８　　
ドナー１５＋３でドープされ九とすれば、８ＧＨｚの伝
書信号の予想波長は、相対損失９．５ｄＢ／波長におい
ては、真空中の場合のほぼ６分の１となる。
第５図に示され九本発明の同一平面導波器は、厚み約０
．５閣のＯｓ八への半絶縁基体２１を備えている。この
基体の面には、蒸着オ／／フローティ／ダオフ技術を用
いて、厚さ０．１μｍの薄い金のフ゛イルム２２が形成
される１次いで、　ＧａＡｓの面上及び金フィルム２２
の縁に重なゐように厚さ２．５−の４リイ建ドのストリ
ップ２４及び２６が形成される。４リイ建ドはｏｎｐｏ
ｎｔのＰＩ２５５５のようなものであｐ、これは溶液を
かきまわして硬化しそしてマスクを用いて所望の形状を
与えるように局所的にプラズマで灰化される。
最後に、ぼりイミドストリップ２４及び２６上に厚い金
属ス）　ＩＪツデ２８及び３０が形成されると共に、会
フィルム２２上に厚い金属ストリップ３２が形成される
。これらの金属ストリップ２８゜３０及び３２は蒸着オ
ン／フローティングオフ技術によりそれらの形状を定め
るように形成され。
次いで最終厚み５μ：ｍ　１でメッキされる。
中央の厚い金属ス）ＩＪツブ３２は幅が約２００μＩＩ
Ｋされ、そして金属ストリップ２８及び３０は幅が約７
００μｌｔＫされ（理論的には無限大）。
中央のストリップ３２から約２００声諷離される。
薄い金フィルム２２はストリップ２８及び３０の内縁の
下に約２０μｍ延びる。
導波器の作動に対する金フィルムの作用は次のことから
理解されよう。
一般に、導体で境界定めされた非導電性領域内に確立さ
れる電磁波は、導体内で轄・−（Ｘ／Ｊ）として減衰す
る。但し、Ｘは導体に向う垂直方向変位であ６．ａは表
皮深さであり、　Ｊ　Ｗ　２／ａｇｓｓｌ”’である。
ここで、＃は導体の導電率であり、μは導体の相対的な
透磁率であ）％μ０は自由空間の透磁率であり、・は波
の角周波数である。従って金の場合は１０　ＧＨｚにお
いてδ−０，８７μ舅となる。
第５図の同一平面導波器のような厚みの金フィルムを用
いた場合には、このような導波器は損失がある仁とを銘
記すれば約１５０Ｈｚ　ｔでの周波数に対して実際上有
用である。
第３図の同一平面導波器の作動原理は、δより薄い導電
性の層があっても、伝搬ＥＭ信号の磁界分布にはほとん
ど影響がないことである。それ故。
導波器Ｏ比インメクタ／スは１表皮深さよりも厚みのあ
る厚い金属ストリップによって決まる。上記厚み、の金
フィルムを選択すれば、この薄い導体は低い抵抗値とな
り、それ故著しい電界を持続できなくなる。これは、厚
い導体のみに沿って伝搬する信号に関与した電界からの
電界分布を乱す。
薄いフィルム導体を挿入することによる作用は。
インダクタンスに影響せずに伝送線の比キャ／譬シタン
スを高めて、波速度が減少された低インピーダンスの伝
送線を作シ出すことである。＃！３図の型式の導波器に
対しては１周波数が８　ＧＨｚで損失が０・５ｄＢ／波
長の場合に、伝搬ＥＭ信号の波長が真空中の波長の５０
分の１であることが予想される。
第４図に示された伝送線にも第３図の導波器と同じ原塩
が適用される。
第４図においては、伝送線がマイクロストリップの形態
であシ、これは伝送線の導通素子の１つを形成すゐ金属
のダラノドプレーン／ヒートシ／り３６の上に横たわる
Ｇ・＾Ｓの半絶縁基体３４を備えている。
グランドプレーンとは反対側のＧ蟲Ａ１基体の面上には
厚さ０．１μｍＯ金フィルムのストリップ３８が形成さ
れ、そしてこの金フィルムの上には厚い金属の導電性ス
トリップ４０が形成され、伝送線の第２の導通素子を構
成する。
第５図には、第３図の同一平面導波器の変形態様が示さ
れている。第５図の装置においては、半絶縁性のＧ畠＾
＄基体４２上ｆ／Ｃｎ−ドープのＧａＡｍメ″ｙ″４４
が形成される。次いでメｔ４４上に厚い金属ストリップ
４６が形成され、この金属と半導体との界面で半導体に
ｎ＋ドープ領域を設けることＫよシこの金属と半導体と
の間にオー建ツク接触が与えられる。次いで、基体４２
上及び図示されたようにメナＯ縁Ｋかぶさるように薄い
金フィルム領域５２及び５４が形成される。次いで、金
フィルム領域５２及び５４上に厚い金属ストリップ４８
及び５０が各々形成される。薄い金フィルムとメサ４４
の縁との界面ＫＦｉショットキーバリヤ接触部が形成さ
れ、そして適当にバイアスすることＫよシこれら接触部
の下には空乏領域５６及び５８が形成され、これにより
半導体４４と金フィルムとの間に絶縁が与えられる。従
って、メサ４４の級における金属／絶縁体／半導体キヤ
／ダシタにより、導波器の比キャパシタンスが増加すれ
る。
第５図の装置の効果は、空乏領域を左右する電圧を変え
ることによｐ同調を行なえることである。
例えば、このような装置によれば、電圧で同調できる移
相器が作られる。
第６図には、第３図の同一平面導波器と同様の構造体が
示されているが、第６図の場合には薄い金フィルム２２
が２２ａ及び２２ｂで示された２つの別個の領域に形成
されてＩリイミＦフィルム２３で分離されている。
第７図には同一平面導波器の更に別の変形態様が示され
ており、この場合、薄い金フィルムは２．２Ｃ及び２２
ｄで示され良２つの別個の領域に形成されそしてこの金
フィルムはポリイばド層２５によって中央の金属ストリ
ップ３２から絶縁されると共に、　４リイ建ド層２４及
び２６によって外側の金属ストリップ２８及び３０から
各々絶縁される。
篤８図には同一平面導波器の更に別の変形態様が示され
ておシ、この場合、薄い金フィルムは２２・及び２２ｆ
で示された２つの別個の領域に形成されそしてこの金フ
ィルム＃ｉ／リイオド層２５によって中央の金属ストリ
ップ３２からは絶縁されるが外側の金属ストリップ２８
及び３０に電気的Ｋｉｌ触される。
本発明は上記実施例に詳細に述べたものに限定されない
。薄い金属層は全以外の物質であって屯よいし１作動中
に使われる周波数によっては０．１Ｓ重以外の厚みで形
成されてもよい。
第！ｉ１１．第６図、第７図及び第８図の形態の導波器
に含まれる絶縁層Ｆｉ＄リイ２ド以外のものであっても
よい。例えば、Ｇ−＾Ｓの酸化物が使用されてもよ−。
Ｇ５Ａｓ半導体装置について本発明の詳細な説明し九が
、高い周波数にシいては特にｌｎＰ　　のような別の形
式の半導体が使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
第１゛図は半導体集積回路に対する公知の同一平面導波
器の部分概略図。 第２図は第１図の導波器の１部分の等価回路を準ＴＥＭ
伝搬モーＰＫ対して示し走間。 第３図は本発明の第１の特徴による同一平面導波器の概
略断面図。 第４図は本発明の第２の特徴による低速波マイクｑスト
リップ構造体の概略断面図。 ＠５図は纂５図の導波器の変形態様を示す図。 第６図は第３図の導波器と同様の構造を有するが、薄い
金フィルムが、ポリイミドフィルムで分離された２つの
別個の領域に形成されたよりな導波器を示し走間、そし
て 第７図及び８１８図は同一平面導波器の更に別の変形態
様を示す図である。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）　　信号伝搬路を形成するように支持基体の少な
    くとも片面上に横たわる伝送線導通素子を備えた電子信
    号を伝送する伝送線Ｋかいて、上記信号伝搬路には薄い
    金属フィルムが配置され、この金属フィルムはその厚み
    がこの金属フィルム内を通る信号の表皮深さよシ小さく
    されることを特徴とする伝送線。
  2. （２）　　上記薄い金属フィルムの厚みは、このような
    °薄イ金属フィルムが付着されない伝送ａＫ比べて比イ
    ン／Ｉタンスを下げることなく伝送線の比キャΔシタ／
    スを高めるに充分な１薄％Ａ特許請求の範＠ｌ１ｌ（１
    ）項に記載ＯｆＲ送纏。
  3. （３）　　上記薄い金属フィルムＯ厚み轄このフィルム
    内の償命の表皮深さｔ）１０＊ｌｌｋ満である特許請求
    の範囲第（１）項又は第（２）項に記載の伝送線。
  4. （４）　　上記薄−金属フイルムは全ての伝送線導通素
    子から電気的に分離される特許請求の範囲第（１）項又
    は第（２）項又は第（３）項に記載の伝送線。
  5. （５）上記薄い金属フィルムは少なくと４１つの伝送線
    導通素子と電気的Ｋｌｌ触するようく形成される特許請
    求の範囲第（１）項から第（４）項のうちのいずれかに
    記載の伝送線。
  6. （６）上記伝送線導通素子は、外側の導電性ストリップ
    間に中央導電性ストリップを配置し良ものを有する同一
    平面導波器によって形成され、全てのストリップは基体
    層の同じ面に配置される特許請求の範囲第（１）項から
    嬉（５）項のうちのいずれか忙記載の伝送線。
  7. （７）上記導通素子は、導電性のグランドプレーンの上
    に横たわる基体の第１面上にある導電性ストリップより
    成るマイク四ストリップ導体により与えられる特許請求
    の範囲第（１）項から第（５）項のうちのいずれかに記
    載の伝送線。
  8. （８）　　上記信号伝搬路には半導体層が含まれる特許
    請求の範囲第（６）項に記載の伝送線。
  9. （９）　　上記薄い金属フィルムは、上記半導体層の少
    なくとも１つの空乏領域により上記半導体装置ら絶縁さ
    れる特許請求の範囲第（８）項に記載の伝送線。 （至）　上記中央の導電性ストリップは半導体ストリッ
    プの上に横走わ夛、上記薄い金属フィルムは２つの領域
    に形成され、各領域はその片側では外側の導電性ストリ
    ップに接触しそしてその他側では半導体ストリップの空
    乏領域に接触する特許請求の範囲第（９）項に記載の伝
    送線。
JP57119153A 1981-07-10 1982-07-08 回路整合素子 Pending JPS5821901A (ja)

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