WO2023119833A1 - アンテナモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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哲也 末光
一世 渡邊
実 川原
昌次 秋山
優二 飛坂
信 川合
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Tohoku University NUC
Shin Etsu Chemical Co Ltd
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Shin Etsu Chemical Co Ltd
National Institute of Information and Communications Technology
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    • H10D62/8503—Nitride Group III-V materials, e.g. AlN or GaN

Definitions

  • the present invention relates to an antenna module using graphene as an antenna element and/or wiring and formed integrally with an active element such as an amplifier.
  • a graphene film formed on a copper foil by a CVD method is transferred to a substrate, and an Au film is appropriately provided on the transferred graphene film, while photolithography technology and etching technology are applied. , UV-ozone treatment, etc. to form an antenna element. Thereby, an antenna element having a desired shape can be produced on the substrate.
  • antennas used in mobile communication systems are used together with amplifiers that amplify signals transmitted and received by antenna elements.
  • the transmission distance between the amplifier and the antenna element should be very short (eg less than 100 ⁇ m).
  • Patent Document 1 only shows the feasibility of the antenna element as a single unit, and does not specifically teach application to a device combined with an amplifier or the like.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide an antenna module suitable for use in a signal frequency band of several tens of GHz to 100 GHz or more.
  • An antenna module includes: a substrate having at least an uppermost surface made of silicon carbide single crystal; a monocrystalline graphene layer provided in contact with the uppermost surface of the substrate; and a gallium nitride layer provided on the substrate. a layer;
  • This antenna module includes an antenna element portion formed by patterning a region of the graphene layer not covered with the gallium nitride layer, an active element portion formed on the gallium nitride layer, an antenna element portion, and an active element portion. and a connecting portion for connecting the and are integrally formed.
  • the gallium nitride layer is preferably provided so as to partially cover the graphene layer.
  • the substrate may be a hybrid substrate in which a silicon carbide single crystal layer is formed on an insulating base substrate.
  • the gallium nitride layer is preferably a layer epitaxially grown using a graphene layer as a buffer layer.
  • the active element section preferably includes an amplifier using a HEMT (High Electron Mobility Transistor) formed in the gallium nitride layer.
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • the connecting portion preferably has a length of less than 100 ⁇ m and connects the antenna element portion and the active element portion.
  • a method for manufacturing an antenna module includes the steps of preparing a substrate having at least the uppermost surface of a silicon carbide single crystal, forming a graphene layer on the uppermost surface of the substrate, is used as a buffer layer to epitaxially grow a gallium nitride layer; forming an active device portion including an amplifier on the gallium nitride layer; removing a region of the gallium nitride layer where the active device portion is not provided to expose the graphene layer and patterning the exposed graphene layer to form a connection portion connecting the antenna element and the active element portion to the antenna element.
  • a method for manufacturing an antenna module includes the steps of preparing a substrate having at least an uppermost surface made of silicon carbide single crystal; forming a graphene layer on the uppermost surface of the substrate; removing a portion of the layer and patterning the graphene layer to form a connection portion for connecting the antenna element and the active element portion to the antenna element; and epitaxially growing a gallium nitride layer in the region from which the graphene layer has been removed. and forming an active device portion including an amplifier in the gallium nitride layer.
  • a method for manufacturing an antenna module includes the steps of preparing a substrate having at least an uppermost surface made of silicon carbide single crystal, forming a graphene layer on the uppermost surface of the substrate; patterning a graphene layer to form an antenna element; and bonding a gallium nitride device having an active element portion including an amplifier to the graphene layer on a substrate to provide the gallium nitride layer.
  • the electrode pad and the connection portion connecting the antenna element and the electrode pad are formed, and in the step of providing the gallium nitride layer, the electrode provided on the gallium nitride device It is preferable that the gallium nitride device is attached to the graphene layer on the substrate so that the electrodes and the electrode pads are electrically connected.
  • the graphene layer may be epitaxially grown by sublimating silicon atoms in the silicon carbide single crystal on the uppermost surface of the substrate.
  • the substrate may be a hybrid substrate in which a silicon carbide single crystal layer is formed on an insulating base substrate.
  • an antenna element using graphene and an active element such as an amplifier are integrally formed, and the antenna module is suitable for use in a signal frequency band of several tens of GHz to 100 GHz or more. can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of an antenna module 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the antenna module 1 has a layer structure in which a substrate 2, a graphene layer 3, and a gallium nitride (GaN) layer 4 are laminated in this order. Then, as shown in FIG. 1, the antenna module 1 realizes the antenna element section 10, the active element section 12, and the connection section 14 by using the layer structure described above.
  • GaN gallium nitride
  • the substrate 2 serves as a base for forming the graphene layer 3. At least the uppermost surface 21 of the substrate 2 in contact with the graphene layer 3 is made of single crystal silicon carbide (SiC). A portion of the substrate 2 other than the top surface may be an insulator different from SiC. That is, the substrate 2 may be a SiC single crystal substrate or a hybrid substrate in which a SiC single crystal layer is formed on an insulator. The surface of the SiC single crystal layer in the substrate 2 is preferably the (0001) plane.
  • the substrate 2 serves as a base for epitaxially growing graphene forming the graphene layer 3 .
  • the graphene layer 3 is provided in contact with the top surface of the substrate 2 .
  • the graphene layer 3 is composed of single-layer or multiple-layer single crystal graphene.
  • Graphene layer 3 functions as a buffer layer between substrate 2 and GaN layer 4 . Further, the graphene layer 3 is patterned into a desired antenna shape to form the antenna element portion 10 and the connection portion 14 .
  • the GaN layer 4 is provided on the substrate 2 .
  • the GaN layer 4 is provided over the graphene layer 3 as shown in FIG. 1(a).
  • the GaN layer 4 may be provided directly on the substrate 2 without the graphene layer 3 interposed therebetween, as shown in FIG. 1(b).
  • an amplifier and the like constituting the active element section 12 are formed using elements capable of high-speed operation such as HEMT (High Electron Mobility Transistor).
  • a metal film for example, an Au film for forming an electrode or a wiring pattern overlying the graphene layer 3 or the GaN layer 4, a protective film, or the like is provided as necessary.
  • the antenna element section 10 In the antenna module 1 having the layer structure of the substrate 2 , the graphene layer 3 , and the GaN layer 4 , the antenna element section 10 , the active element section 12 , and the connection section 14 are provided by partitioning areas on the plane of the substrate 2 .
  • the active element section 12 is provided on the GaN layer 4 .
  • the active element section 12 may include active elements other than the amplifier described above.
  • the active element section 12 may include an electrode 42 to which wiring from the outside (for example, the antenna element section 10 and the connection section 14) is connected.
  • the electrode 42 may be provided on the surface of the GaN layer 4 facing the substrate 2 , or may be provided on the surface opposite to the surface facing the substrate 2 .
  • the GaN layer 4 is not provided in the antenna element section 10 .
  • the antenna element section 10 has a structure in which the graphene layer 3 is patterned into a shape for realizing desired antenna characteristics.
  • a metal film such as Au may be provided so as to overlap part or all of the patterned graphene.
  • graphene Compared to metals such as copper (Cu) and ITO, graphene has high values for various characteristics such as electrical conductivity, carrier mobility, and thermal conductivity, so it is possible to realize antenna characteristics that surpass Cu. Characteristic deterioration can be suppressed even if the size of the antenna is reduced.
  • connection portion 14 is wiring that connects the electrode 42 of the amplifier of the active element portion 12 and the antenna element portion 10 .
  • the connecting portion 14 may not be provided with the GaN layer 4 in the same manner as the antenna element portion 10, or may be provided with the GaN layer 4 overlying part or all of it.
  • the connection part 14 may be formed by patterning the graphene layer 3, or may be formed of a metal film such as Au.
  • the connection part 14 may be partially formed of a metal film and the other part may be formed of graphene, or may have a portion in which the metal film is superimposed on the graphene. Note that transparent wiring can be realized by forming the antenna element portion 10 and the connection portion 14 only from graphene.
  • the connecting portion 14 is made as short as possible (for example, preferably less than 100 ⁇ m, more preferably less than 30 ⁇ m, still more preferably less than 10 ⁇ m) so that signals transmitted between the active element portion 12 and the antenna element portion 10 are not degraded. distance).
  • the electrode 42 When the electrode 42 is provided on the surface of the GaN layer 4 facing the substrate 2, as shown in FIG. It is preferable to connect indirectly by sandwiching Further, when the electrode 42 is provided on the surface of the GaN layer 4 opposite to the surface facing the substrate 2, the electrode 42 and the connecting portion 14 are connected by wire bonding 14a as shown in FIG. 2(b). You may Alternatively, as shown in FIG. 2(c), a conductor layer 14b made of metal, graphene, or the like may be added to connect the electrodes 42 to the connecting portions 14. FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a first example of a procedure for manufacturing an antenna module.
  • the substrate 2 is first prepared (FIG. 3(a)). At least the uppermost surface of the substrate 2 is made of single crystal SiC, as described above.
  • the crystal structure of SiC on the uppermost surface is preferably 4H--SiC, 6H--SiC, or 3C--SiC.
  • a hybrid substrate in which a SiC single crystal layer is formed on an insulator is used as the substrate 2 instead of a SiC single crystal substrate, single crystal silicon, sapphire, polycrystalline silicon, alumina, silicon nitride, aluminum nitride, diamond, A film of silicon oxide, single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, alumina, silicon nitride, silicon carbide, aluminum nitride, or diamond is provided thereon as needed, using any of polycrystalline SiC as a base substrate, A bonding surface of the base substrate and the silicon carbide substrate is subjected to a surface treatment and then bonded.
  • the SiC single crystal layer is thinned by ion implantation delamination method in which hydrogen ions, helium ions, etc. are implanted into the silicon carbide substrate before thinning by grinding or delamination, and delamination is performed at the ion implantation interface by heat treatment after bonding. It is sufficient to produce a modified hybrid substrate. Further, it is preferable to obtain a hybrid substrate in which a single crystal layer of SiC is formed as an insulator by removing the base substrate after the surface of the hybrid substrate is subjected to CVD with polycrystalline SiC.
  • the substrate 2 is preferably heated to 1,100° C. or higher to sublimate silicon atoms (Si) in the vicinity of the uppermost surface of the substrate 2, thereby forming graphene having a desired thickness (for example, about 50 to 1,500 nm).
  • a film is formed to form the graphene layer 3 (FIG. 3(b)).
  • heating may be performed under an argon (Ar) atmosphere at a pressure of 10 5 Pa (1 bar) and a temperature of 1500 to 1600° C. for 5 to 30 minutes.
  • Ar argon
  • a nanocarbon film of any one of fullerene, graphene, and carbon nanotube is formed, and graphene is obtained by appropriately adjusting the preparation conditions.
  • the graphene layer 3 thus formed undergoes so-called epitaxial growth so that the crystals are oriented in a predetermined direction with respect to the crystal plane of the SiC single crystal on the uppermost surface of the substrate 2 as a base.
  • GaN gallium nitride
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • TMGa trimethylgallium
  • TMAl trimethylaluminum
  • NH 3 ammonia
  • the substrate 2 provided with the graphene layer 3 may be thermally cleaned in an H 2 atmosphere at 1100° C. for about 5 minutes. It is preferable to grow an AlN buffer layer of several tens to several hundred nm on the surface of the substrate after cleaning, and then grow an undoped GaN layer 4 having a thickness of approximately 2 ⁇ m at 1050°C.
  • the AlN buffer layer is preferably grown such that a high-temperature AlN buffer layer grown at about 1080° C. is stacked on a low-temperature AlN buffer layer grown at about 780° C.
  • the graphene layer 3 was used as the nucleation layer (template layer) of the GaN epicrystal, but before the growth of the GaN epicrystal, the portion where GaN is grown (that is, the portion where the active element portion is provided)
  • the graphene layer 3 may be removed and GaN may be grown directly on the SiC single crystal on the uppermost surface 21 of the substrate 2 .
  • Active elements such as HEMTs, passive elements such as resistors, capacitors, and inductors, wiring, electrodes 42, and the like are formed on the formed GaN layer 4 to form an active element section 12 including an amplifier and the like (FIG. 3 ( d)).
  • the GaN layer 4 is removed from the portions other than the active element portion 12 by etching to expose the graphene layer 3 (FIG. 3(e)). Further, the graphene layer 3 is patterned to form the antenna element portion 10 and the connection portion 14 (FIG. 3(f)). This patterning is performed, for example, by evaporating an Au film on the graphene layer 3, patterning the Au film by photolithography technology and etching technology, and exposing graphene not covered with the Au film by UV-ozone treatment or the like. It is preferable to remove the Au film and then remove unnecessary portions of the Au film.
  • the electrode 42 of the active element section 12 and the connection section 14 are electrically connected (FIG. 3(g)).
  • the electrode 42 and the connecting portion 14 may be connected by wire bonding (FIG. 2(b)), or may be connected by adding graphene or a metal thin film (FIG. 2(c)).
  • a monolithic antenna module in which the antenna element section 10 and the active element section 12 are provided on the substrate 2 and connected by the connection section 14 can be manufactured.
  • the formation of the active element portion 12 and the formation of the antenna element portion 10 and the connection portion 14 may be performed in a different order, or part or all of the steps may be performed simultaneously.
  • the antenna element section 10 and the active element section 12 are provided close to each other, and are connected by a very short connection section 14. Therefore, signals from several tens of GHz to 100 GHz or more can be generated. Also in the frequency band, deterioration of signals propagating between the antenna element section 10 and the active element section 12 can be suppressed.
  • the graphene layer 3 is a single crystal film formed by epitaxial growth on the SiC single crystal on the uppermost surface of the substrate 2 .
  • graphene has superior properties (conductivity, carrier mobility, thermal conductivity, film strength, etc.) as compared to the technique of transferring a separately prepared polycrystalline graphene film to a substrate.
  • Antenna elements obtained by patterning such single-crystal graphene are expected to have superior characteristics not only to antenna elements made of metal thin films such as copper, but also to antenna elements made of polycrystalline graphene. , the characteristics are less likely to deteriorate even if the size of the antenna is further reduced.
  • both the graphene layer 3 and the GaN layer 4 are formed such that the crystals are oriented in predetermined directions with respect to the crystal plane of the SiC single crystal on the uppermost surface of the substrate 2 .
  • the graphene layer 3 and the GaN layer 4 are oriented so that their respective crystals form a relatively predetermined angle.
  • FIG. 4 is a diagram showing a second example of the procedure for manufacturing an antenna module.
  • the GaN layer 4 is not epitaxially grown, but a separate GaN device 41 is prepared, and the GaN layer is provided by bonding the GaN device 41 to the substrate 2 on which the graphene layer 3 is provided. Different from the example.
  • the substrate 2 is prepared by the same method as described with reference to FIGS. 3A and 3B (FIG. 4A), A graphene layer 3 is formed on the uppermost surface of the substrate 2 (FIG. 4(b)).
  • the graphene layer 3 is patterned to form the antenna element portion 10 and the connection portion 14 (FIG. 4(c)). Further, when the GaN device 41 is attached in the subsequent stage, the electrode pads 15 to be connected to the electrodes 42 of the active element section 12 are also patterned so as to extend from the connection section 14 . Alternatively, a pattern of the graphene layer 3 (or an Au film provided thereon) necessary for bonding with the GaN device 41 may be formed. That is, the graphene layer 3 may function as an adhesive layer for attaching the active element section 12 to the substrate 2 .
  • the antenna element section 10 can be monolithically formed on the substrate 2 .
  • the pattern used for bonding to the GaN device 41 may be formed by removing the graphene layer 3 and forming only a metal thin film such as Au.
  • the pattern used for bonding with the GaN device 41 may be made of graphene, a metal thin film, or a laminate of these.
  • the pattern used for bonding with the GaN device 41 may also have the function of ensuring electrical connection between the elements in the GaN device 41 and the outside, similar to the electrode pads 15 connected to the electrodes 42 .
  • a separately prepared GaN device 41 is attached to an appropriate position on the substrate 2 (Fig. 4(d)).
  • the GaN device 41 is obtained by forming an element such as an amplifier constituting the active element section 12 on a GaN substrate and cutting it into a predetermined size.
  • the surface of the GaN device 41 (the surface bonded to the substrate 2) is provided with an electrode 42 for exchanging signals with elements in the active element section 12.
  • FIG. When bonding the GaN device 41 and the substrate 2 together, the electrodes 42 of the GaN device 41 and the electrode pads 15 on the substrate 2 are electrically connected.
  • the bonding of the GaN device 41 and the substrate 2 is preferably performed after the surfaces of both are subjected to activation treatment or surface treatment.
  • the GaN device 41 can be attached to the substrate 2 by flip-chip bonding.
  • the GaN device 41 attached to the substrate 2 becomes the GaN layer 4 in the antenna module 1 .
  • an integrated antenna module in which the antenna element section 10 and the active element section 12 are provided on the substrate 2 and are connected by the connection section 14 can be manufactured.
  • the antenna element section 10 and the active element section 12 are provided close to each other, and are connected by a very short connection section 14. Therefore, signals from several tens of GHz to 100 GHz or more can be generated. Also in the frequency band, deterioration of signals propagating between the antenna element section 10 and the active element section 12 can be suppressed.
  • the graphene layer 3 is a single crystal film formed by epitaxial growth on the SiC single crystal on the uppermost surface of the substrate 2 .
  • graphene has superior properties (conductivity, carrier mobility, thermal conductivity, film strength, etc.) as compared to the technique of transferring a separately prepared polycrystalline graphene film to a substrate.
  • Antenna elements obtained by patterning such single-crystal graphene are expected to have superior characteristics not only to antenna elements made of metal thin films such as copper, but also to antenna elements made of polycrystalline graphene. , the characteristics are less likely to deteriorate even if the size of the antenna is further reduced.
  • the GaN device 41 having the active element portion 12 formed thereon can be prepared separately and then bonded to the substrate 2, so that the active element portion 12 can be designed freely. expensive. Also, by preparing a plurality of types of GaN devices 41 that are bonded to each other with different functions and performances, it is possible to manufacture various variations of the antenna module 1 while using the antenna element section 10 in common.
  • the present invention is not limited to the above embodiments and examples.
  • the antenna element portion 10 and the active element portion 12 are provided on the same surface of the substrate 2, but as shown in FIG. may be provided on the surface opposite to the surface on which is provided.
  • the connecting portion 14 that connects the antenna element portion 10 and the active element portion 12 preferably includes a through-substrate via 14c that penetrates the substrate 2 and electrically connects both surfaces.
  • the graphene layers 3 are provided on both sides of the substrate 2, and the wiring of the connection portion 14 drawn out to the active element portion 12, the electrode pads that are joined to the active element portion 12, and the antenna element portion 10 are formed of graphene.
  • the electrode 42 is provided on the substrate bonding surface of the active element section 12, and the electrode pad 15 on the substrate 2 and the electrode 42 are directly connected.
  • the electrode 42 may be provided on the surface of the GaN layer 4 opposite to the surface facing the substrate 2 .
  • the electrode pads 15 are not provided on the substrate, and the electrodes 42 and the connection portions 14 are preferably connected by wire bonding or addition of a conductor layer as shown in FIG. 2(b).
  • Antenna Module 2 Substrate 3 Graphene Layer 4 GaN Layer 10 Antenna Element Section 12 Active Element Section 14 Connection Section 15 Electrode Pad 41 GaN Device 42 Electrode

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Abstract

数１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ以上の信号周波数帯域での使用に適したアンテナモジュールを提供する。　アンテナモジュールは、少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板と、前記基板の最上面に接して設けられた単結晶のグラフェン層と、前記基板上に設けられた窒化ガリウム層とを備える。そして、このアンテナモジュールは、前記グラフェン層における前記窒化ガリウム層に覆われていない領域をパターニングにして形成されたアンテナエレメント部と、前記窒化ガリウム層に形成されたアクティブ素子部と、前記アンテナエレメント部と前記アクティブ素子部とを接続する接続部とが一体的に形成されたことを特徴とする。

Description

アンテナモジュールおよびその製造方法
　本発明は、グラフェンをアンテナエレメントおよび／または配線として用い、増幅器等のアクティブ素子と一体に形成されたアンテナモジュールに関する。
　次世代の移動通信システム（いわゆる６Ｇ、Ｂｅｙｏｎｄ５Ｇ）を実現するにあたり、１００ＧＨｚ以上といった高周波での送受信に適した、高性能のアンテナが求められている。このようなアンテナの候補として、従来アンテナエレメントにおける導体として用いられた銅、ＩＴＯ（Indiumtinoxide）等と比較して優れた特性（高導電率、高キャリア移動度、高熱伝導率）を有するグラフェンをアンテナエレメントに用いたアンテナが提案されている（例えば特許文献１を参照）。
　特許文献１に記載されているマイクロ波帯アンテナは、銅箔上にＣＶＤ法により形成したグラフェン膜を基板に転写し、転写したグラフェン膜上に適宜Ａｕ膜を設けつつ、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術、ＵＶ－オゾン処理等によりパターニングすることでアンテナエレメントを形成する。これにより、基板上に所望の形状のアンテナエレメントを作製することができる。
特開２０１９－７５６２６号公報
　ところで、移動通信システムに用いるアンテナは、アンテナエレメントで送受信する信号を増幅する増幅器とともに用いられる。数１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ以上の信号周波数帯域では、増幅器とアンテナエレメントとの間の伝送距離は、（例えば１００μｍ未満となるように）極短くする必要がある。
　しかし、特許文献１は、アンテナエレメント単体としての実現性を示すのみであり、増幅器等と組み合わせたデバイスへの応用については具体的な教示がない。
　本発明は上記に鑑みなされたものであり、数１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ以上の信号周波数帯域での使用に適したアンテナモジュールを提供することを目的とする。
　本発明の実施形態に係るアンテナモジュールは、少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板と、基板の最上面に接して設けられた単結晶のグラフェン層と、基板上に設けられた窒化ガリウム層とを備える。そして、このアンテナモジュールは、グラフェン層における窒化ガリウム層に覆われていない領域をパターニングにして形成されたアンテナエレメント部と、窒化ガリウム層に形成されたアクティブ素子部と、アンテナエレメント部とアクティブ素子部とを接続する接続部とが一体的に形成されたことを特徴とする。
　本発明では、窒化ガリウム層は、グラフェン層の一部を覆うように設けられるとよい。
　本発明では、基板は、絶縁体のベース基板上に炭化珪素の単結晶層を作製したハイブリッド基板とするとよい。
　本発明では、窒化ガリウム層は、グラフェン層をバッファ層としてエピタキシャル成長された層とするとよい。
　本発明では、アクティブ素子部は窒化ガリウム層内に形成されたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）を用いた増幅器を含むとよい。
　本発明では、接続部は１００μｍ未満の長さでアンテナエレメント部とアクティブ素子部とを接続するとよい。
　また、本発明の一実施形態に係るアンテナモジュールの製造方法は、少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板を用意するステップと、基板の最上面にグラフェン層を形成するステップと、グラフェン層をバッファ層として窒化ガリウム層をエピタキシャル成長するステップと、窒化ガリウム層に増幅器を含むアクティブ素子部を形成するステップと、窒化ガリウム層におけるアクティブ素子部が設けられていない領域を除去してグラフェン層を露出させるステップと、露出したグラフェン層をパターニングしてアンテナエレメントおよびアクティブ素子部とアンテナエレメントとを接続する接続部を形成するステップと、を含む。
　また、本発明の他の実施形態に係るアンテナモジュールの製造方法は、少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板を用意するステップと、基板の最上面にグラフェン層を形成するステップと、グラフェン層の一部を除去するとともに、グラフェン層をパターニングしてアンテナエレメントおよびアクティブ素子部とアンテナエレメントとを接続する接続部を形成するステップと、グラフェン層が除去された領域に、窒化ガリウム層をエピタキシャル成長するステップと、窒化ガリウム層に増幅器を含むアクティブ素子部を形成するステップと、を含む。
　また、本発明のさらに他の実施形態に係るアンテナモジュールの製造方法は、少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板を用意するステップと、基板の最上面にグラフェン層を形成するステップと、グラフェン層をパターニングしてアンテナエレメントを形成するステップと、増幅器を含むアクティブ素子部が形成された窒化ガリウムデバイスを、基板上のグラフェン層に貼り合わせて窒化ガリウム層を設けるステップと、を含む。
　本発明では、アンテナエレメントを形成するステップにおいて、アンテナエレメントとともに、電極パッドおよびアンテナエレメントと電極パッドとを接続する接続部を形成し、窒化ガリウム層を設けるステップにおいて、窒化ガリウムデバイスに設けられた電極と、電極パッドとが電気的に接続されるように、窒化ガリウムデバイスを基板上のグラフェン層に貼り合わせるとよい。
　上述のアンテナモジュールの各製造方法におけるグラフェン層を形成するステップにおいて、基板の最上面の炭化珪素の単結晶における珪素原子を昇華させることによりグラフェン層をエピタキシャル成長させるとよい。
　上述のアンテナモジュールの各製造方法において、基板は、絶縁体のベース基板上に炭化珪素の単結晶層を作製したハイブリッド基板とするとよい。
　本発明のアンテナモジュールおよびその製造方法によれば、グラフェンを用いたアンテナエレメントと、増幅器等のアクティブ素子とが一体に形成され、数１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ以上の信号周波数帯域での使用に適したアンテナモジュールを実現することができる。
アンテナモジュールの構造を示す模式図である。 電極と接続部を接続する方法を示す図である。 アンテナモジュールの作製する手順の第１の例を示す図である。 アンテナモジュールの作製する手順の第２の例を示す図である。 アンテナモジュールの構造の変形例を示す模式図である。
　以下、本発明の実施形態について説明する。背景技術の説明に用いた図も含め、各図面における共通の構成要素については同じ符号を付す。
　図１は、本発明の実施形態に係るアンテナモジュール１の構造を示す模式図である。図１に示すように、アンテナモジュール１は、基板２、グラフェン層３、および窒化ガリウム（ＧａＮ）層４がこの順に積層された層構成を有する。そして、アンテナモジュール１は、図１に示すように、前記の層構成を利用して、アンテナエレメント部１０、アクティブ素子部１２、および接続部１４を実現する。
　基板２は、グラフェン層３を形成するための下地となる。基板２は、少なくともグラフェン層３と接する最上面２１が単結晶の炭化珪素（ＳｉＣ）となっている。基板２の最上面以外の部分はＳｉＣとは異なる絶縁体であってもよい。つまり、基板２は、ＳｉＣの単結晶基板であってもよいし、絶縁体にＳｉＣの単結晶層を作製したハイブリッド基板であってもよい。基板２におけるＳｉＣの単結晶層の表面は（０００１）面とするとよい。基板２は、グラフェン層３を成すグラフェンをエピタキシャル成長させるための下地となる。
　グラフェン層３は、基板２の最上面に接して設けられる。グラフェン層３は単層または複数層の単結晶のグラフェンにより構成される。グラフェン層３は、基板２とＧａＮ層４の間でバッファ層として機能する。また、グラフェン層３は、所望のアンテナ形状にパターニングされることでアンテナエレメント部１０および接続部１４を構成する。
　ＧａＮ層４は、基板２の上に設けられる。一例として、ＧａＮ層４は、図１（ａ）に示したようにグラフェン層３に重ねて設けられる。他の例としては、図１（ｂ）に示したように、ＧａＮ層４は、グラフェン層３を介さずに基板２の上に直接設けられてもよい。ＧａＮ層４には、アクティブ素子部１２を構成する増幅器等が、ＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等の高速動作が可能な素子を用いて形成される。
　なお、図１には示されていないが、必要に応じてグラフェン層３やＧａＮ層４に重ねて電極や配線パターンを形成するための金属膜（例えばＡｕ膜）や、保護膜等が設けられてもよい。
　基板２、グラフェン層３、およびＧａＮ層４の層構成によるアンテナモジュール１において、アンテナエレメント部１０、アクティブ素子部１２、および接続部１４は、基板２の平面において領域を区画して設けられる。図１に示すように、アクティブ素子部１２はＧａＮ層４に設けられる。アクティブ素子部１２は、上述の増幅器に加えそれ以外のアクティブ素子を備えてもよい。アクティブ素子部１２は外部（例えばアンテナエレメント部１０や接続部１４）からの配線が接続される電極４２を備えてもよい。電極４２は、ＧａＮ層４の基板２と対向する面に設けられてもよいし、基板２と対向する面とは反対の面に設けられてもよい。
　アンテナエレメント部１０には、ＧａＮ層４が設けられない。アンテナエレメント部１０は、グラフェン層３が所望のアンテナ特性を実現するための形状にパターニングされた構造を有する。パターニングされたグラフェンの一部または全部に重畳してＡｕ等の金属膜が設けられもよい。グラフェンは銅（Ｃｕ）をはじめとする金属やＩＴＯと比べて、導電率、キャリア移動度、熱伝導率等の諸特性が高い値を有するため、Ｃｕを凌ぐアンテナ特性を実現することができ、アンテナのサイズを縮小しても特性劣化を抑制することができる。
　接続部１４は、アクティブ素子部１２の増幅器の電極４２とアンテナエレメント部１０とを接続する配線である。接続部１４には、アンテナエレメント部１０と同様にＧａＮ層４が設けられないようにしてもよいし、その一部または全部にＧａＮ層４が重ねて設けられていてもよい。接続部１４は、グラフェン層３をパターニングすることにより形成されてもよいし、Ａｕ等の金属膜により形成されてもよい。また、接続部１４は、一部が金属膜により形成され、他の部分がグラフェンにより形成されてもよく、グラフェンに金属膜が重畳して設けられている部分があってもよい。なお、アンテナエレメント部１０や接続部１４をグラフェンのみで形成すると、透明配線を実現することができる。接続部１４は、アクティブ素子部１２とアンテナエレメント部１０との間で伝送される信号が劣化しないよう、極力短く（例えば、好ましくは１００μｍ未満、より好ましくは３０μｍ未満、さらに好ましくは１０μｍ未満の伝送距離となるように）形成されることが好ましい。
　電極４２が、ＧａＮ層４の基板２と対向する面に設けられる場合には、図２（ａ）に示すように、電極４２と接続部１４の一端に設けられる電極パッド１５とが直接または導体を挟んで間接的に接続されるようにするとよい。また、電極４２がＧａＮ層４の基板２と対向する面とは反対の面に設けられる場合には、図２（ｂ）に示すように、ワイヤボンディング１４ａにより電極４２と接続部１４とを接続してもよい。あるいは、図２（ｃ）に示すように、金属、グラフェン等の導体層１４ｂを付加して電極４２接続部１４とを接続してもよい。
　続いて、アンテナモジュール１の製造方法について説明する。
　図３は、アンテナモジュールの作製する手順の第１の例を示す図である。
　図３に示すように、はじめに基板２を用意する（図３（ａ））。基板２は、上述の通り、少なくとも最上面が単結晶のＳｉＣとなっている。この最上面のＳｉＣの結晶構造は、４Ｈ－ＳｉＣ、６Ｈ－ＳｉＣ、３Ｃ－ＳｉＣのいずれかであることが好ましい。
　基板２としてＳｉＣの単結晶基板ではなく、絶縁体にＳｉＣの単結晶層を作製したハイブリッド基板を用いる場合には、単結晶シリコン、サファイヤ、多結晶シリコン、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ダイヤモンド、多結晶ＳｉＣの何れかをベース基板として、その上に必要に応じて酸化シリコン、単結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム、またはダイヤモンドの膜を設け、ベース基板及び炭化珪素基板の貼り合わせ面に表面化処理を施して貼り合わせをする。その後、研削研磨による薄化や剥離前の炭化珪素基板に水素イオンやヘリウムイオン等を注入し、貼り合せ後に熱処理によりイオン注入界面で剥離を行うイオン注入剥離法等によりＳｉＣの単結晶層を薄化したハイブリッド基板を作製すればよい。また、上記ハイブリッド基板を作製後に表面を多結晶ＳｉＣでＣＶＤしたのちに上記ベース基板を除去して絶縁体にＳｉＣの単結晶層を作製したハイブリッド基板を得るとよい。
　続いて、基板２を好ましくは１，１００℃以上に加熱することにより基板２の最上面近傍の珪素原子（Ｓｉ）を昇華させて、所望の厚さ（例えば５０～１，５００ｎｍ程度）のグラフェン膜を形成し、グラフェン層３とする（図３（ｂ））。グラフェンの典型的な成長条件の一例としては、アルゴン（Ａｒ）雰囲気下で気圧１０５Ｐａ（１ｂａｒ）、１５００～１６００℃の温度で、５～３０分間加熱するとよい。Ｓｉを昇華した際には、フラーレン、グラフェン、カーボンナノチューブの何れかのナノカーボン膜が形成されるが、作成条件を適宜調整してグラフェンが得られるようにする。このようにして形成されるグラフェン層３は、下地となる基板２の最上面のＳｉＣ単結晶の結晶面に対して所定の向きに結晶が配向するように、いわゆるエピタキシャル成長する。
　続いて、グラフェン層３をバッファ層（すなわち、ＧａＮエピ結晶の核形成層（テンプレート層））として、窒化ガリウム（ＧａＮ）をエピタキシャル成長させ、ＧａＮ層４を形成する（図３（ｃ））。ＧａＮは、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりエピタキシャル成長させるとよい。具体的には、Ｇａ、Ａｌ、Ｎの前駆体として、それぞれトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、キャリアガスにはＨ２とＮ２を用いるとよい。成膜に先立ち、グラフェン層３を設けた基板２をＨ２雰囲気中、１１００℃で５分間程度の熱洗浄を行うとよい。洗浄後の基板表面に、ＡｌＮバッファ層を数１０～数１００ｎｍ程度成長させ、その後、１０５０℃で厚さ２μｍ程度のアンドープのＧａＮ層４を成長させるとよい。ＡｌＮバッファ層は、７８０℃程度で成長させた低温のＡｌＮバッファ層の上に１０８０℃程度で成長させた高温のＡｌＮバッファ層が積層されるように成長させるとよい。なお、上記の例ではグラフェン層３をＧａＮエピ結晶の核形成層（テンプレート層）としたが、ＧａＮエピ結晶の成長前に、ＧａＮを成長させる部位（つまり、アクティブ素子部が設けられる部分）についてグラフェン層３を除去して、基板２の最上面２１のＳｉＣ単結晶にＧａＮを直接成長するようにしてもよい。
　そして、形成したＧａＮ層４に、ＨＥＭＴ等のアクティブ素子、抵抗、キャパシタ、インダクタ等のパッシブ素子、配線、電極４２等を形成して、増幅器等を含むアクティブ素子部１２を形成する（図３（ｄ））。
　続いて、エッチングによりアクティブ素子部１２以外の部分からＧａＮ層４を除去し、グラフェン層３を露出させる（図３（ｅ））。さらに、グラフェン層３にアンテナエレメント部１０と接続部１４をパターニングする（図３（ｆ））。このパターニングは、例えば、グラフェン層３にＡｕ膜を蒸着した上で、Ａｕ膜に対しフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングを行い、Ａｕ膜で覆われていない露出したグラフェンをＵＶ－オゾン処理等により除去し、さらにＡｕ膜の不要部分を除去する、という手順で行うとよい。
　最後に、アクティブ素子部１２の電極４２と、接続部１４とを電気的に接続する（図３（ｇ））。なお、電極４２と接続部１４とは、ワイヤボンディングにより接続してもよい（図２（ｂ））し、グラフェンや金属薄膜を付加することで接続してもよい（図２（ｃ））。
　以上のような手順により、基板２上にアンテナエレメント部１０とアクティブ素子部１２が設けられ、両者が接続部１４によって接続されたモノリシックのアンテナモジュールを作製することができる。なお、アクティブ素子部１２の形成とアンテナエレメント部１０および接続部１４の形成は、順番を入れ替えて行ってもよいし、工程の一部または全部を同時に行ってもよい。
　上記のようにして作成されたアンテナモジュール１は、アンテナエレメント部１０とアクティブ素子部１２が近接して設けられ、両者がごく短い接続部１４にて接続されるため、数１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ以上の信号周波数帯域においても、アンテナエレメント部１０とアクティブ素子部１２との間を伝搬する信号の劣化を抑制することができる。
　また、上記の手順で作製されたアンテナモジュール１では、グラフェン層３は、基板２の最上面のＳｉＣ単結晶上にエピタキシャル成長により形成された単結晶の膜となる。このため、別途作製した多結晶のグラフェンの膜を基板に転写する手法と比較して、グラフェンの特性（導電率、キャリア移動度、熱伝導性、膜の強度等）が優れたものとなる。このような単結晶のグラフェンをパターニングにして得られるアンテナエレメントは、銅等の金属薄膜で作製されたアンテナエレメントはもとより、多結晶グラフェン作製されたアンテナエレメントと比較しても優れた特性が期待でき、アンテナのサイズをより小型化しても特性が劣化しにくい。
　また、上記の手順で作製されたアンテナモジュール１では、グラフェン層３だけでなくＧａＮ層４もエピタキシャル成長により形成される。したがって、グラフェン層３およびＧａＮ層４は、いずれも基板２の最上面のＳｉＣ単結晶の結晶面に対してそれぞれ所定の向きに結晶が配向するように形成される。つまり、グラフェン層３とＧａＮ層４とは、それぞれの結晶が相対的に予め決まった角度を成すように配向することになる。これにより、ＧａＮ－ＨＥＭＴとグラフェン・アンテナ間の電気抵抗や寄生抵抗を抑制することができ、アンテナの放射効率等の特性を向上することができる。
　図４は、アンテナモジュールの作製する手順の第２の例を示す図である。この手順では、ＧａＮ層４をエピタキシャル成長せずに、別途ＧａＮデバイス４１を用意し、グラフェン層３が設けられた基板２にＧａＮデバイス４１を貼り合わせることによりＧａＮ層を設ける点で前記の第１の例と異なる。
　アンテナモジュールの作製する手順の第２の例では、まず、図３（ａ）および（ｂ）を参照して説明したのと同様の手法により、基板２を用意し（図４（ａ））、基板２の最上面にグラフェン層３を形成する（図４（ｂ））。
　続いて、グラフェン層３にアンテナエレメント部１０と接続部１４をパターニングする（図４（ｃ））。また、後段においてＧａＮデバイス４１を貼り合わせる際に、アクティブ素子部１２の電極４２と接続される電極パッド１５も接続部１４から延伸する形でパターニングする。その他、ＧａＮデバイス４１との接合に必要なグラフェン層３（またはその上に設けられるＡｕ膜）のパターンを形成してもよい。つまり、グラフェン層３は、アクティブ素子部１２を基板２に貼りつけるための接着層として機能してもよい。これらのパターニングは、例えば、グラフェン層３にＡｕ膜を蒸着した上で、Ａｕ膜に対しフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングを行い、Ａｕ膜で覆われていない露出したグラフェンをＵＶ－オゾン処理等により除去し、さらにＡｕ膜の不要部分を除去する、という手順で行うとよい。このようにして、基板２上にアンテナエレメント部１０をモノリシックに形成することができる。なお、ＧａＮデバイス４１との接合に用いられるパターンは、グラフェン層３を除去してＡｕ等の金属薄膜のみにより形成してもよい。ＧａＮデバイス４１との接合に用いるパターンは、グラフェンによるもの、金属薄膜によるもの、あるいはこれらを積層したものであってよい。ＧａＮデバイス４１との接合に用いられるパターンは、電極４２と接続される電極パッド１５と同様に、ＧａＮデバイス４１内の素子と外部との電気的接続を確保する機能を兼ねてもよい。
　続いて、別途用意したＧａＮデバイス４１を、基板２の適切な位置に貼り合わせる（図４（ｄ））。ＧａＮデバイス４１は、ＧａＮの基板上に、アクティブ素子部１２を構成する増幅器等の素子を形成して所定の寸法に切り出したものである。ＧａＮデバイス４１の表面（基板２に張り合わされる面）は、アクティブ素子部１２内の素子と信号の授受を行うための電極４２が設けられる。ＧａＮデバイス４１と基板２とを貼り合わせる際、ＧａＮデバイス４１の電極４２と基板２上の電極パッド１５とが電気的に接続される。ＧａＮデバイス４１と基板２との貼り合わせは、両者の表面に対し、活性化処理や表面処理を行った上で実施するとよい。また、ＧａＮデバイス４１をフリップチップボンディングによって基板２に貼り合わせることもできる。基板２に貼り合わされたＧａＮデバイス４１は、アンテナモジュール１におけるＧａＮ層４となる。
　以上のような手順により、基板２上にアンテナエレメント部１０とアクティブ素子部１２が設けられ、両者が接続部１４によって接続された一体のアンテナモジュールを作製することができる。
　上記のようにして作成されたアンテナモジュール１は、アンテナエレメント部１０とアクティブ素子部１２が近接して設けられ、両者がごく短い接続部１４にて接続されるため、数１０ＧＨｚから１００ＧＨｚ以上の信号周波数帯域においても、アンテナエレメント部１０とアクティブ素子部１２との間を伝搬する信号の劣化を抑制することができる。
　また、上記の手順で作製されたアンテナモジュール１では、グラフェン層３は、基板２の最上面のＳｉＣ単結晶上にエピタキシャル成長により形成された単結晶の膜となる。このため、別途作製した多結晶のグラフェンの膜を基板に転写する手法と比較して、グラフェンの特性（導電率、キャリア移動度、熱伝導性、膜の強度等）が優れたものとなる。このような単結晶のグラフェンをパターニングにして得られるアンテナエレメントは、銅等の金属薄膜で作製されたアンテナエレメントはもとより、多結晶グラフェン作製されたアンテナエレメントと比較しても優れた特性が期待でき、アンテナのサイズをより小型化しても特性が劣化しにくい。
　また、上記の手順で作製されたアンテナモジュール１では、アクティブ素子部１２が形成されたＧａＮデバイス４１を別途用意してから基板２に貼り合わせることもできるため、クティブ素子部１２の設計自由度が高い。また、貼り合わせるＧａＮデバイス４１を、機能や性能が異なる複数種類準備すれば、アンテナエレメント部１０を共通としつつ、様々なバリエーションのアンテナモジュール１を作ることができる。
〔実施形態の変形〕
　なお、本発明は上記の実施形態や実施例に限定されるものではない。
　例えば、上記の実施形態では、アンテナエレメント部１０とアクティブ素子部１２が基板２の同一面上に設けられたが、図５に示すように、アンテナエレメント部１０が、基板２におけるアクティブ素子部１２が設けられる面とは反対の面に設けられてもよい。この場合、アンテナエレメント部１０とアクティブ素子部１２を接続する接続部１４が、基板２を貫通して両面を電気的に接続する基板貫通ビア１４ｃを含むとよい。また、この場合、基板２の両面にグラフェン層３を設け、アクティブ素子部１２に引き出される接続部１４の配線、アクティブ素子部１２と接合する電極パッド、およびアンテナエレメント部１０をグラフェンにて形成してもよい。
　また、上記の実施形態において、アンテナモジュールの作製する手順の第２の例では、アクティブ素子部１２の基板接合面に電極４２設けられ、基板２上の電極パッド１５と電極４２とが直接接続されたが、電極４２はＧａＮ層４の基板２と対向する面とは反対の面に設けられてもよい。この場合には、基板上には電極パッド１５を設けず、図２（ｂ）に示すように、ワイヤボンディングや導体層の付加により電極４２と接続部１４とを接続するとよい。
　また、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一の構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる変更がされたものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１　アンテナモジュール
２　基板
３　グラフェン層
４　ＧａＮ層
１０　アンテナエレメント部
１２　アクティブ素子部
１４　接続部
１５　電極パッド
４１　ＧａＮデバイス
４２　電極

Claims (12)

  1. 　少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板と、
    　前記基板の最上面に接して設けられた単結晶のグラフェン層と、
    　前記基板上に設けられた窒化ガリウム層と
    　を備え、
    　前記グラフェン層における前記窒化ガリウム層に覆われていない領域をパターニングにして形成されたアンテナエレメント部と、
    　前記窒化ガリウム層に形成されたアクティブ素子部と、
    　前記アンテナエレメント部と前記アクティブ素子部とを接続する接続部と
    　が一体的に形成されたことを特徴とするアンテナモジュール。
  2. 　前記窒化ガリウム層は、前記グラフェン層の一部を覆うように設けられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナモジュール。
  3. 　前記基板は、絶縁体のベース基板上に炭化珪素の単結晶層を作製したハイブリッド基板であることを特徴とする、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
  4. 　前記窒化ガリウム層は、前記グラフェン層をバッファ層としてエピタキシャル成長された層であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のアンテナモジュール。
  5. 　前記アクティブ素子部は窒化ガリウム層内に形成されたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）を用いた増幅器を含むことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のアンテナモジュール。
  6. 　前記接続部は１００μｍ未満の長さで前記アンテナエレメント部と前記アクティブ素子部とを接続することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のアンテナモジュール。
  7. 　少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板を用意するステップと、
    　前記基板の最上面にグラフェン層を形成するステップと、
    　前記グラフェン層をバッファ層として窒化ガリウム層をエピタキシャル成長するステップと、
    　前記窒化ガリウム層に増幅器を含むアクティブ素子部を形成するステップと、
    　前記窒化ガリウム層における前記アクティブ素子部が設けられていない領域を除去して前記グラフェン層を露出させるステップと、
    　露出した前記グラフェン層をパターニングしてアンテナエレメントおよび前記アクティブ素子部と前記アンテナエレメントとを接続する接続部を形成するステップと、
    　を含む、アンテナモジュールの製造方法。
  8. 　少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板を用意するステップと、
    　前記基板の最上面にグラフェン層を形成するステップと、
    　前記グラフェン層の一部を除去するとともに、前記グラフェン層をパターニングしてアンテナエレメントおよび前記アクティブ素子部と前記アンテナエレメントとを接続する接続部を形成するステップと、
    　前記グラフェン層が除去された領域に、窒化ガリウム層をエピタキシャル成長するステップと、
    　前記窒化ガリウム層に増幅器を含むアクティブ素子部を形成するステップと、
    　を含む、アンテナモジュールの製造方法。
  9. 　少なくとも最上面が炭化珪素の単結晶である基板を用意するステップと、
    　前記基板の最上面にグラフェン層を形成するステップと、
    　前記グラフェン層をパターニングしてアンテナエレメントを形成するステップと、
    　増幅器を含むアクティブ素子部が形成された前記窒化ガリウムデバイスを、前記基板上の前記グラフェン層に貼り合わせて窒化ガリウム層を設けるステップと、
    　を含む、アンテナモジュールの製造方法。
  10. 　前記アンテナエレメントを形成するステップにおいて、前記アンテナエレメントとともに、電極パッドおよび前記アンテナエレメントと前記電極パッドとを接続する接続部を形成し、
    　前記窒化ガリウム層を設けるステップにおいて、前記窒化ガリウムデバイスに設けられた電極と、前記電極パッドとが電気的に接続されるように、前記窒化ガリウムデバイスを前記基板上の前記グラフェン層に貼り合わせることを特徴とする請求項９に記載のアンテナモジュールの製造方法。
  11. 　前記グラフェン層を形成するステップにおいて、前記基板の最上面の炭化珪素の単結晶における珪素原子を昇華させることによりグラフェン層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項８から１０の何れか１項に記載のアンテナモジュールの製造方法。
  12. 　前記基板は、絶縁体のベース基板上に炭化珪素の単結晶層を作製したハイブリッド基板であることを特徴とする、請求項８から１１の何れか１項に記載のアンテナモジュールの製造方法。

     
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