JP2001298201A - Semiconductor control circuit element and electric circuit using the same - Google Patents

Semiconductor control circuit element and electric circuit using the same

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JP2001298201A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor control circuit element which can control an electric circuit at a high speed, by quickly and remarkably changing only a part of the resistance of the element subjected to light or electric-field application, and also to provide an electric circuit using the element. SOLUTION: Heavy metal that forms an acceptor level, e.g. Au 3, is doped in at least part of a semiconductor layer 2 which is doped, e.g. with n-type impurities. The doping of the heavy metal layer 3 causes the n-type impurities in the doped part to be cancelled and to become high in resistance. And electrodes 5 and 6 are formed at both faces of the semiconductor layer 2 so that an electric field can be applied to the layer 2, or light can be irradiated thereon. The voltage application or light irradiation causes the heavy metal to be excited so that the resistive value of the semiconductor layer can be abruptly reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体にドーピン
グされた重金属が光や電界で励起されて、半導体層の抵
抗を変え、半導体層内の電界や磁界のパターンを変化さ
せる性質を利用して、回路のスイッチングや回路素子の
特性変更などに利用することができる半導体制御回路素
子およびそれを用いた電気回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention utilizes a property that a heavy metal doped in a semiconductor is excited by light or an electric field to change the resistance of the semiconductor layer and change the electric or magnetic field pattern in the semiconductor layer. The present invention relates to a semiconductor control circuit element that can be used for switching of a circuit and a change in characteristics of a circuit element, and an electric circuit using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、光で電気回路を制御するには、た
とえば堀井泰史および堤誠により、「バイアス電圧を印
加した半導体基板マイクロストリップ櫛形間隙の光制
御」(1998年電子情報通信学会)において、高抵抗
シリコンを光で励起し、シリコン自体をプラズマ状態に
することにより、電気抵抗を低下させ、電気回路を制御
できることが開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, an electric circuit is controlled by light, for example, by Yasushi Horii and Makoto Tsutsumi in "Optical control of semiconductor substrate microstrip comb-shaped gap to which bias voltage is applied" (The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, 1998). It is disclosed that by exciting high-resistance silicon with light and bringing the silicon itself into a plasma state, the electrical resistance can be reduced and the electrical circuit can be controlled.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】前述のシリコンを直接
励起し、プラズマ状態を作ることにより、電気抵抗を変
える方法では、プラズマのライフタイムが長いため、高
速で電気回路を制御することが難しく、また、プラズマ
状態を表面だけにしか生成できないため、制御範囲が狭
いという問題がある。
In the above-described method of changing the electrical resistance by directly exciting silicon and creating a plasma state, it is difficult to control an electric circuit at high speed because the lifetime of the plasma is long. Further, since the plasma state can be generated only on the surface, there is a problem that the control range is narrow.

【0004】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、光または電界を印加した部分のみの
抵抗を急速に、かつ、大幅に変化させ、高速で電気回路
を制御することができる半導体制御回路素子を提供する
ことを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and it is an object of the present invention to control an electric circuit at high speed by rapidly and largely changing the resistance of only a portion to which light or an electric field is applied. It is an object of the present invention to provide a semiconductor control circuit element capable of performing the following.

【0005】本発明の他の目的は、前記半導体制御回路
素子に効率的に光を照射し、または電界を印加すること
ができる構造を提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a structure capable of efficiently irradiating the semiconductor control circuit element with light or applying an electric field.

【0006】本発明のさらに他の目的は、前記半導体制
御回路素子を用い、スイッチング、回路切替、位相や回
路定数などの特性変更を容易にし得る電気回路およびそ
の具体的な回路構成を提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide an electric circuit using the semiconductor control circuit element and capable of easily changing characteristics such as switching, circuit switching, phase and circuit constant, and a specific circuit configuration thereof. It is in.

【0007】本発明のさらに他の目的は、この半導体制
御回路素子を用いて、制御可能な高周波伝送路や高周波
回路素子、電気回路素子などを提供することにある。
Still another object of the present invention is to provide a controllable high-frequency transmission line, a high-frequency circuit element, an electric circuit element, and the like using the semiconductor control circuit element.

【0008】本発明のさらに他の目的は、光信号をマイ
クロ波信号に変換し得る光マイクロ波変換回路を提供す
ることにある。
It is still another object of the present invention to provide an optical microwave conversion circuit capable of converting an optical signal into a microwave signal.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明による半導体制御
回路素子は、n型またはp型不純物がドーピングされた
半導体層と、該半導体層の少なくとも一部にドーピング
され、該ドーピングされた部分の前記n型またはp型不
純物を相殺して高抵抗化する重金属とからなり、前記重
金属を励起し得る波長より短く、かつ、前記半導体層を
励起し得る波長より長い波長の光が照射され、または電
界が印加されることにより、前記重金属が励起され、前
記半導体層の抵抗値を低下させ得る構造になっている。
A semiconductor control circuit device according to the present invention comprises a semiconductor layer doped with an n-type or p-type impurity, at least a portion of the semiconductor layer being doped, and a heavy metal that cancels out n-type or p-type impurities to increase the resistance and is irradiated with light having a wavelength shorter than the wavelength capable of exciting the heavy metal and longer than the wavelength capable of exciting the semiconductor layer, or Is applied, the heavy metal is excited, and the resistance of the semiconductor layer can be reduced.

【0010】この構成にすることにより、通常の状態で
は、重金属のドーピングにより、高抵抗化されており、
誘電体層として作用し、光または電界が印加されると、
重金属が励起するため、半導体層に最初にドーピングさ
れているn型またはp型不純物がドーパントとして作用
し、非常に低抵抗となる。この重金属の励起は、前述の
シリコン自体のプラズマ化に比して格段に短い時間で励
起することができ、低抵抗状態にすることができる。こ
の短い時間内に低抵抗状態を得ることができる現象は、
一般的に深いアクセプタ準位はピコセコンドオーダーの
極めて高速でキャリアを捕捉する性質に基づいている。
そのため、光または電界を印加した部分に対しても、ナ
ノセコンドオーダーで応答することができる。
With this configuration, in a normal state, the resistance is increased by doping with a heavy metal.
Acting as a dielectric layer, when light or an electric field is applied,
Since the heavy metal is excited, the n-type or p-type impurity which is first doped in the semiconductor layer acts as a dopant, and has a very low resistance. The heavy metal can be excited in a much shorter time than in the above-described conversion of silicon itself to plasma, and can be in a low-resistance state. The phenomenon that a low resistance state can be obtained within this short time is
Generally, deep acceptor levels are based on the property of trapping carriers at a very high speed in the picosecond order.
Therefore, it is possible to respond in a nanosecond order even to a portion to which light or an electric field is applied.

【0011】前記ドーピングされるn型またはp型不純
物量が、1×1017〜1×1014cm-3であり、前記ド
ーピングされる重金属が該n型またはp型不純物とほぼ
等量であれば、高抵抗と低抵抗の切替を簡単に行うこと
ができる。なお、n型不純物の方が重金属によりアクセ
プタ準位を構成するため、抵抗変化が大きく好ましい。
The amount of the n-type or p-type impurity to be doped is 1 × 10 17 to 1 × 10 14 cm −3 , and the amount of the heavy metal to be doped is substantially equal to the amount of the n-type or p-type impurity. Thus, switching between high resistance and low resistance can be easily performed. In addition, since the n-type impurity forms an acceptor level with a heavy metal, a large change in resistance is preferable.

【0012】前記半導体層が、元素半導体からなり、前
記重金属が金および白金族から選ばれる少なくとも1種
の金属であったり、前記半導体層が、化合物半導体また
は合金半導体からなり、前記重金属が鉄族の金属から選
ばれる少なくとも1種の金属であれば、とくに抵抗の変
化を大きくすることができるため好ましい。
The semiconductor layer is made of an elemental semiconductor, the heavy metal is at least one metal selected from the group consisting of gold and platinum, or the semiconductor layer is made of a compound semiconductor or an alloy semiconductor, and the heavy metal is an iron group. At least one metal selected from the above metals is preferable because the change in resistance can be particularly increased.

【0013】ここに白金族の金属とは、Pt、Ir、R
u、Pd、Os、Rhなどを、鉄属の金属とは、Fe、
Cr、Mn、Ni、Coなどを意味する。
Here, the metals of the platinum group include Pt, Ir, R
u, Pd, Os, Rh, and the like;
It means Cr, Mn, Ni, Co and the like.

【0014】前記半導体層の少なくとも一面側に、導電
体層または絶縁体層またはこれらの複合体層が密着性よ
く設けられることにより、電気的に隙間のない接合面を
得ることができるため好ましい。なお、密着性よく設け
られるとは、電気的に隙間なく設けられることを意味
し、たとえばスパッタリングや、真空蒸着、CVD法な
どの堆積や、メッキなどの方法により設けられる。
It is preferable that a conductor layer, an insulator layer, or a composite layer thereof is provided with good adhesion on at least one surface side of the semiconductor layer, so that a bonding surface having no electrical gap can be obtained. To be provided with good adhesion means to be provided electrically without any gap, and is provided by a method such as sputtering, deposition such as vacuum evaporation, CVD, or plating.

【0015】前記導電体層または絶縁体層またはこれら
の複合体層が、前記重金属を励起し得る光の波長に対し
て、少なくとも透過性を有する材料からなれば、導電体
層または絶縁体層を介して光を照射し、重金属を励起す
ることができるため、構成が簡単になり好ましい。ここ
に少なくとも透過性を有するとは、その波長の光に対し
て、完全な透明でなくても、一部でも透過すればよいこ
とを意味する。
If the conductor layer, the insulator layer, or a composite layer thereof is made of a material having at least a transmittance to a wavelength of light capable of exciting the heavy metal, the conductor layer or the insulator layer is formed. Light can be applied to excite the heavy metal to simplify the structure, which is preferable. Here, having at least transmissivity means that it is not necessary for the light of the wavelength to be completely transparent, but it is sufficient to transmit a part of the light.

【0016】前記重金属のドーピングが、前記半導体層
の表面近傍だけに行われることにより、該重金属がドー
ピングされない前記半導体層を導電体層として使用する
ことができる。
By doping the heavy metal only in the vicinity of the surface of the semiconductor layer, the semiconductor layer not doped with the heavy metal can be used as a conductor layer.

【0017】他端部側に発光源が接続され得る光導波路
の一端部が前記半導体層の表面に突き当てられ、もしく
は該半導体層内に突っ込まれることにより、または、前
記半導体層の表面上の導電体層もしくは絶縁体層を介し
て発光素子が設けられることにより、前記光が照射され
得る構造にすれば、半導体層の重金属に効率よく光を照
射することができる。
One end of an optical waveguide to which a light emitting source can be connected at the other end is abutted against or pierced into the surface of the semiconductor layer, or When the light-emitting element is provided through the conductor layer or the insulator layer, the structure can be irradiated with the light, so that the heavy metal of the semiconductor layer can be efficiently irradiated with the light.

【0018】前記光導波路が平面型光導波路または光フ
ァイバからなり、該光導波路内の充填材による光の屈折
率が、光の進行方向と直角方向に対して一定の分布を有
していることが好ましい。この構造にすることにより、
光導波路または光ファイバ中を伝送する光の放射損失を
減少させることができ、また、それらから出た光が半導
体層内で焦点を結ぶから、該半導体層内からの光の放射
損失を減少させることができる。その結果、半導体層内
を光が長い距離に亘り伝播し、必要な箇所の半導体層内
重金属に効率よく光を照射することができる。
The optical waveguide comprises a planar optical waveguide or an optical fiber, and a refractive index of light by a filler in the optical waveguide has a constant distribution in a direction perpendicular to a traveling direction of the light. Is preferred. With this structure,
The radiation loss of light transmitted through an optical waveguide or an optical fiber can be reduced, and the radiation emitted therefrom is focused in a semiconductor layer, thereby reducing the radiation loss of light from within the semiconductor layer. be able to. As a result, light propagates in the semiconductor layer over a long distance, and light can be efficiently radiated to heavy metal in the semiconductor layer at a required location.

【0019】前記半導体層の上下両面に導電体が設けら
れ、該導電体が両電極とされることにより、前記電界が
印加され得る構造にすることにより、半導体層の重金属
に効率よく電界を照射することができる。
A conductor is provided on both the upper and lower surfaces of the semiconductor layer, and the conductor is used as both electrodes, so that the electric field can be applied. can do.

【0020】本発明による電気回路は、請求項1記載の
半導体制御回路素子が、該半導体制御回路素子の前記重
金属を励起する波長より長く、直流を含む電磁波を扱う
電気回路に、該電磁波が前記半導体層の抵抗値の変化に
よる影響を受けるように挿入されている。すなわち、通
常の直流回路、交流回路、マイクロ波やミリ波などの高
周波回路、重金属を励起する波長より長い波長の光領域
の回路などに前述の半導体制御回路素子が挿入されるこ
とにより、その回路を光または電界により制御すること
ができる。
The electric circuit according to the present invention is characterized in that the semiconductor control circuit element according to claim 1 is an electric circuit for handling an electromagnetic wave including a direct current which is longer than a wavelength of exciting the heavy metal of the semiconductor control circuit element. It is inserted so as to be affected by a change in the resistance value of the semiconductor layer. That is, the above-described semiconductor control circuit element is inserted into a normal DC circuit, an AC circuit, a high-frequency circuit such as a microwave or a millimeter wave, a circuit in an optical region having a wavelength longer than the wavelength that excites heavy metals, and the like. Can be controlled by light or an electric field.

【0021】具体的には、前記半導体制御回路素子上
に、直接または絶縁膜を介して、または前記半導体制御
回路素子が形成される絶縁基板に電気回路網または制御
回路網が形成され、該回路網の回路素子が前記光の照射
または電界の印加により制御され得る構造にすることが
できる。
Specifically, an electric network or a control network is formed on the semiconductor control circuit element directly or via an insulating film, or on an insulating substrate on which the semiconductor control circuit element is formed. The circuit elements of the net can be configured to be controllable by irradiating the light or applying an electric field.

【0022】また、電気回路が、MIC、共平面回路、
NRDガイド(Non RadiativeDielctric Waveguide;非
放射性誘電体ガイド)、同軸線路、集中定数回路、共振
器のうちの少なくとも1つからなる高周波回路素子を有
する高周波回路であれば、とくに制御が困難な高周波回
路を簡単に制御することができる。
The electric circuit may be an MIC, a coplanar circuit,
A high-frequency circuit having at least one of an NRD guide (non-radiative dielectric waveguide), a coaxial line, a lumped-constant circuit, and a resonator is particularly difficult to control. Can be easily controlled.

【0023】前記半導体制御回路素子の重金属を励起す
るための電界を印加する電極が、前記高周波回路素子と
チョーク構造を介して結合されることにより、電磁波の
漏れなどを生じることなく、直接回路内に制御素子を挿
入することができる。
The electrode for applying an electric field for exciting the heavy metal of the semiconductor control circuit element is coupled to the high-frequency circuit element via a choke structure, so that the electromagnetic wave does not leak and the like. A control element can be inserted into the.

【0024】前記半導体制御回路素子の一面側に、分岐
部を有する伝送線路が形成され、該分岐部の線路のオン
オフが前記半導体制御回路素子により制御されることに
より、電気回路内に回路切替器、移相器、可変抵抗器、
および共振器などを簡単に構成することができる。
A transmission line having a branch portion is formed on one surface side of the semiconductor control circuit element, and on / off of the line of the branch portion is controlled by the semiconductor control circuit element, so that a circuit switch is provided in the electric circuit. , Phase shifter, variable resistor,
In addition, the resonator and the like can be easily configured.

【0025】この場合、前記オンオフを制御するための
前記光を照射し、または電界を印加する場所が、前記分
岐点からλ/4(λは前記伝送線路を伝送する電磁波の
波長)の奇数倍の位置に設けられることにより、その線
路を完全にオープンにすることができるため、回路への
影響を完全になくしながら、回路切替や伝送信号の位相
変化、伝送路の抵抗値変化などを行うことができる。
In this case, the place where the light for controlling the on / off is irradiated or the electric field is applied is an odd multiple of λ / 4 (λ is the wavelength of the electromagnetic wave transmitted through the transmission line) from the branch point. , The line can be completely open, so that circuit switching, phase change of transmission signal, resistance change of transmission line, etc. can be performed without completely affecting the circuit. Can be.

【0026】請求項1記載の半導体制御回路素子の少な
くとも上下両面に沿って導電体が設けられることにより
電磁波の伝送路が形成され、該伝送路の途中に前記半導
体制御回路素子が挿入されることにより、NRDガイド
や導波管などの導波路を構成することができる。
A conductor is provided along at least upper and lower surfaces of the semiconductor control circuit element according to claim 1 to form a transmission path for electromagnetic waves, and the semiconductor control circuit element is inserted in the middle of the transmission path. Thereby, a waveguide such as an NRD guide or a waveguide can be formed.

【0027】また、請求項1記載の半導体制御回路素子
の少なくとも一面側に導電体膜が設けられることにより
回路素子が形成されることにより、該半導体制御回路素
子への光照射または電界印加により前記回路素子の特性
を可変し得る電気回路素子が得られる。
Further, the circuit element is formed by providing a conductor film on at least one surface side of the semiconductor control circuit element according to claim 1, so that the semiconductor control circuit element is irradiated with light or an electric field is applied thereto. An electric circuit element capable of changing the characteristics of the circuit element is obtained.

【0028】さらに、マイクロ波伝送路の途中に、請求
項1記載の光を照射し得る半導体制御回路素子が接続さ
れることにより、光信号をマイクロ波信号に変換し得る
光マイクロ波変換回路を構成することができる。
Further, by connecting the semiconductor control circuit element capable of irradiating light according to claim 1 in the middle of the microwave transmission line, an optical microwave conversion circuit capable of converting an optical signal into a microwave signal is provided. Can be configured.

【0029】[0029]

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明の半導体制御回路素子について説明をする。本発明に
よる半導体制御回路素子は、図1(c)にその一実施形
態であるNRDガイドに用いる例の断面説明図が示され
るように、n型不純物がドーピングされた半導体層2の
少なくとも一部に、アクセプタレベルを構成する重金属
3、たとえばAuがドーピングされている。この重金属
3のドーピングにより、ドーピングされた部分のn型不
純物が相殺されて高抵抗化している。そして、図1
(c)に示される例では、その表面側と裏面に金属膜5
a、6が設けられ、表面側の一部は他の部分と分離され
た電極5と裏面電極6がそれぞれ形成され、半導体層2
に電界を印加できる構成になっている。すなわち、電界
を印加して重金属を励起させることにより、最初にドー
ピングされているn型不純物が作用し、半導体層2の抵
抗値を急激に低下させる。
Next, a semiconductor control circuit device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor control circuit element according to the present invention has at least a part of a semiconductor layer 2 doped with an n-type impurity, as shown in FIG. Is doped with heavy metal 3 constituting the acceptor level, for example, Au. The doping of the heavy metal 3 cancels out the n-type impurity in the doped portion, thereby increasing the resistance. And FIG.
In the example shown in (c), the metal film 5 is formed on the front side and the back side.
a, 6 are provided, and an electrode 5 and a back electrode 6 are formed on a part of the front surface side and separated from other parts, respectively.
The configuration is such that an electric field can be applied to the That is, by applying an electric field to excite the heavy metal, the n-type impurity which is doped first acts, and the resistance of the semiconductor layer 2 is rapidly reduced.

【0030】この半導体制御回路素子1を製造するに
は、まず図1(a)に示されるように、たとえば1/1
00〜1mm程度の厚さの半導体基板からなる、1Ω・
cm程度のn型単結晶シリコン半導体層2の一面にAu
またはPtをスパッタリングまたは真空蒸着などにより
成膜する。この成膜量は、後の拡散工程によりシリコン
中に拡散するAuが1×1016cm-3程度になるように
成膜する。ついで、還元性雰囲気または不活性雰囲気中
で、半導体層2を300〜1300℃程度に保つことに
より、図1(b)に示されるように、Au3をシリコン
半導体層2中に拡散する。その結果、Auが半導体層に
ドーピングされて高抵抗になる。
In order to manufacture the semiconductor control circuit element 1, first, as shown in FIG.
1Ω · made of a semiconductor substrate having a thickness of about 100 to 1 mm
Au on one surface of the n-type single crystal silicon semiconductor layer 2 of about cm.
Alternatively, Pt is formed by sputtering or vacuum evaporation. This film is deposited so that Au diffused into silicon in a later diffusion step is about 1 × 10 16 cm −3 . Then, by keeping the semiconductor layer 2 at about 300 to 1300 ° C. in a reducing atmosphere or an inert atmosphere, Au 3 is diffused into the silicon semiconductor layer 2 as shown in FIG. As a result, Au is doped into the semiconductor layer to increase the resistance.

【0031】その後、半導体層2の表面および裏面に導
電性のある金属をスパッタリングなどにより成膜し、表
面側は、中心部のみを周囲の金属膜5aと分離して電極
5とし、裏面は全面を電極6として両面の間に電界を印
加できる構造になっている。この金属膜の成膜は、半導
体層との間に電気的隙間が生じない接合面となるように
成膜する必要があり、前述のようにスパッタリングによ
り成膜されることが好ましいが、蒸着法や電気メッキな
どによっても、同様に電気的に隙間のない接合面を得る
ことができる。また、この金属膜は、半導体層であるS
iとの間で機械的ストレスを緩和でき、熱膨張係数の差
を吸収できるように、なるべく柔らかい金属が用いられ
ることが好ましい。
Thereafter, a conductive metal is formed on the front and back surfaces of the semiconductor layer 2 by sputtering or the like, and only the center portion is separated from the surrounding metal film 5a on the front surface side to form the electrode 5, and the back surface is the entire surface. Is used as an electrode 6 so that an electric field can be applied between both surfaces. It is necessary to form the metal film so as to form a bonding surface where there is no electric gap between the metal film and the semiconductor layer. The metal film is preferably formed by sputtering as described above. Similarly, a bonding surface with no gap can be obtained by electroplating or the like. Further, this metal film is made of a semiconductor layer S
It is preferable to use a metal that is as soft as possible so that mechanical stress can be alleviated with i and a difference in coefficient of thermal expansion can be absorbed.

【0032】そして、図1(d)に示されるように、そ
の上面および下面に導体板7をハンダ、導電ペースト、
圧着、ロウ付けなどにより接合する。上面電極5には、
引出し電極8が設けられ、導体板7には、その部分が貫
通孔になっているが、その部分からのマイクロ波のリー
クを防止するため、λ/2(λは伝送する電磁波の波
長)の長さだけアンダーカットされてチョーク構造が形
成されている。その結果、NRDガイドが形成され、こ
の導体板7で挟まれた伝送路内を伝送するマイクロ波を
後述するように、電界により制御することができる。
Then, as shown in FIG. 1D, a conductor plate 7 is provided on the upper and lower surfaces with solder, conductive paste,
Joining by crimping or brazing. The upper surface electrode 5 includes
An extraction electrode 8 is provided, and a portion of the conductor plate 7 is formed as a through-hole. In order to prevent microwave leakage from the portion, λ / 2 (λ is the wavelength of the electromagnetic wave to be transmitted) is used. The length is undercut to form a chalk structure. As a result, an NRD guide is formed, and the microwave transmitted in the transmission path sandwiched between the conductor plates 7 can be controlled by an electric field as described later.

【0033】図1に示される例では、電界を印加して重
金属を励起するため、半導体層2の両面に電極5、6が
形成されていたが、電界の印加でなくても、重金属3を
励起し得る波長より短く、かつ、半導体層2を励起し得
る波長より長い波長の光を照射してもよい。この光を照
射するように構成したNRDガイドの例が図2に示され
ている。すなわち、半導体層2上面の金属膜5aに貫通
孔が設けられ、その貫通孔内に光ファイバ10の先端が
半導体層2に突き当たるか、λ/4以内半導体層2に突
っ込むように挿入されて導体板7に固定されている。上
下両面の金属膜5a、6には、前述と同様に導体板7が
電気的に接続され、NRDガイドが構成されている。な
お、この場合は、光ファイバ10はマイクロ波の波長な
どに比べて充分に細く、また金属膜5aや導体板7と接
触しても電気的ショートの問題はないため、電磁波は殆
ど漏れることがなく、チョーク構造を形成する必要はな
い。
In the example shown in FIG. 1, the electrodes 5 and 6 are formed on both surfaces of the semiconductor layer 2 in order to excite the heavy metal by applying an electric field. Light with a wavelength shorter than the wavelength that can be excited and longer than the wavelength that can excite the semiconductor layer 2 may be applied. FIG. 2 shows an example of an NRD guide configured to irradiate this light. That is, a through-hole is provided in the metal film 5a on the upper surface of the semiconductor layer 2 and the tip of the optical fiber 10 is inserted into the through-hole so as to abut the semiconductor layer 2 or to penetrate the semiconductor layer 2 within λ / 4. It is fixed to the plate 7. The conductor plate 7 is electrically connected to the metal films 5a and 6 on the upper and lower surfaces in the same manner as described above, thereby forming an NRD guide. In this case, since the optical fiber 10 is sufficiently thin compared to the wavelength of the microwave and the like, and there is no problem of electrical short-circuit even when it comes into contact with the metal film 5a or the conductor plate 7, almost no electromagnetic wave leaks. And it is not necessary to form a choke structure.

【0034】半導体層としては、Si、Geなどの元素
半導体やGaAs、GaP、InP、GaN、Si-G
e(シリコンゲルマニウム)、AlGaAs、GaAl
P、InGaP、GaInN、GaAlNなどの化合物
半導体または合金半導体を用いることができる。これら
の半導体は、単結晶の他、多結晶、非晶質などでも構わ
ない。半導体層2にドーピングされる不純物は、n型不
純物の方が重金属によりアクセプタ準位を構成するた
め、抵抗変化が大きく好ましいが、p型不純物がドーピ
ングされた半導体層2でも、後述する図12に示される
ように抵抗値を急激に変化させることができ、同様に使
用することができる。
As the semiconductor layer, elemental semiconductors such as Si and Ge, GaAs, GaP, InP, GaN, Si-G
e (silicon germanium), AlGaAs, GaAl
A compound semiconductor such as P, InGaP, GaInN, or GaAlN or an alloy semiconductor can be used. These semiconductors may be single crystal, polycrystal, amorphous, or the like. Regarding the impurity doped into the semiconductor layer 2, the n-type impurity forms an acceptor level with a heavy metal, and therefore has a large resistance change. Therefore, the p-type impurity-doped semiconductor layer 2 is also shown in FIG. As shown, the resistance can be changed rapidly and can be used as well.

【0035】重金属としては、元素半導体の場合は、A
u、Pt、Ir、Ru、Pt、Os、Rhなどの白金族
の金属がアクセプタレベルの深さが適当で、均一にドー
プできるから好ましく、2元系半導体の場合は、Cr、
Ni、Fe、Mn、Coなどの鉄属の金属が、上記元素
半導体の場合と同様の理由で好ましい。
As the heavy metal, in the case of an elemental semiconductor, A
Platinum group metals such as u, Pt, Ir, Ru, Pt, Os, and Rh are preferable because they have an appropriate acceptor level depth and can be uniformly doped, and in the case of a binary semiconductor, Cr,
Iron-based metals such as Ni, Fe, Mn, and Co are preferable for the same reason as in the case of the elemental semiconductor.

【0036】つぎに、本発明による半導体制御回路素子
1が、マイクロ波伝送路などのインピーダンスを変えた
り、光や電気信号をマイクロ波信号に変換する作用につ
いて、n型SiにAuをドーピングした例で説明をす
る。
Next, an example in which the semiconductor control circuit element 1 according to the present invention changes the impedance of a microwave transmission line or the like and converts light or an electric signal into a microwave signal by doping Au into n-type Si. The explanation is given below.

【0037】SiにAuを拡散していくと、その抵抗値
が急激に上昇し始めることは以前から知られている。n
型SiにAuを、また、p型SiにAuをそれぞれ拡散
させたときの抵抗変化を図12に示す。図12(a)か
ら明らかなように、1Ω・cmのn型Si(図12
(a)のF:5×1015個cm-3)に1×1016個cm
-3のAuを拡散させると、5×105Ω・cmに上昇す
る。Si単体の誘電緩和周波数fdは式(1)で与えら
れる。なお、図12で(a)はP(リン)をドープした
n型Si、(b)はB(ボロン)をドープしたp型Si
で、Auのドープ量に対する抵抗率の変化を示し、A〜
Jは、それぞれn型およびp型の不純物濃度(cm-3
が1×1014、2×1014、5×1014、1×1015
2×1015、5×1015、1×1016、2×1016、5
×1016、1×1017の場合である。
It has long been known that when Au is diffused into Si, its resistance value starts to rise sharply. n
FIG. 12 shows the resistance change when Au is diffused into the p-type Si and Au is diffused into the p-type Si. As is clear from FIG. 12A, 1 Ω · cm n-type Si (FIG.
(A) F: 5 × 10 15 cm −3 ) and 1 × 10 16 cm
When Au of −3 is diffused, it rises to 5 × 10 5 Ω · cm. The dielectric relaxation frequency f d of Si alone is given by equation (1). In FIG. 12, (a) shows n-type Si doped with P (phosphorus), and (b) shows p-type Si doped with B (boron).
Shows the change in resistivity with respect to the amount of Au doping.
J is the n-type and p-type impurity concentrations (cm -3 ), respectively.
Is 1 × 10 14 , 2 × 10 14 , 5 × 10 14 , 1 × 10 15 ,
2 × 10 15 , 5 × 10 15 , 1 × 10 16 , 2 × 10 16 , 5
× 10 16 , 1 × 10 17 .

【0038】 fd=1/(2πε0εrρ) (1) ただし、ε0は真空での誘電率(8.854×10
-12(F/m))、εrは比誘電率、ρは抵抗率(Ω・
m)をそれぞれ示す。
F d = 1 / (2πε 0 ε r ρ) (1) where ε 0 is the dielectric constant in vacuum (8.854 × 10
-12 (F / m)), ε r is the relative permittivity, and ρ is the resistivity (Ω ·
m) are shown.

【0039】いま、Siの比誘電率εr=12、抵抗率
ρ=5×103Ω・mを代入すると、このときの誘電緩
和周波数fdは、0.3MHzとなる。よって、この程度
の固有抵抗を持っていれば、GHz以上の周波数におい
て充分に誘電体としての使用が可能であるし、若干の誘
電体損失を覚悟すれば、数百MHzでも使用可能であ
る。また、周波数が低く、誘電体損失が問題にならない
直流および低周波においては、誘電体として使用できる
ことは勿論である。したがって、上記抵抗値をもってい
るSiは、直流および低周波、高周波伝送線路として使
用可能なことが分る。
If the relative dielectric constant ε r = 12 and the resistivity ρ = 5 × 10 3 Ω · m of Si are substituted, the dielectric relaxation frequency f d at this time becomes 0.3 MHz. Therefore, if it has such a specific resistance, it can be sufficiently used as a dielectric at a frequency of GHz or more, and can be used even at several hundred MHz if some dielectric loss is prepared. In addition, it can be used as a dielectric at direct current and low frequency where the frequency is low and dielectric loss is not a problem. Therefore, it can be seen that Si having the above resistance value can be used as a DC, low-frequency, and high-frequency transmission line.

【0040】つぎに、Si中にAuを拡散させた半導体
基体の光領域における吸収波長は式(2)で与えられ
る。
Next, the absorption wavelength in the light region of the semiconductor substrate in which Au is diffused in Si is given by the following equation (2).

【0041】 吸収波長=1eV/(アクセプタレベル)×1.2396μm (2) Si中のAuのアクセプタレベルは、伝導体から0.5
4〜0.53eVのところに形成されているので、式
(2)のアクセプタレベルとして、0.53eVを代入
すると、Si中にAuを拡散させたときの吸収波長とし
て、2.3μmが得られる。よって、1.2μmより長
く、2.3μmより短い波長の光を照射すると、Auは
励起され、Siの抵抗は5×105Ω・cmから、初期
の値1Ω・cmに急激に低下することになる。たとえ
ば、光通信で普遍的に使用されている半導体レーザの波
長は、約1.5μmであるため、これを前述のSi中に
照射すると、半導体層の抵抗が急激に低下するので、こ
れを用いて、Si中を伝送している高周波を制御するこ
とが可能となる。
Absorption wavelength = 1 eV / (acceptor level) × 1.2396 μm (2) The acceptor level of Au in Si is 0.5 from the conductor.
Since it is formed at a range of 4-0.53 eV, when 0.53 eV is substituted as the acceptor level in the equation (2), 2.3 μm is obtained as an absorption wavelength when Au is diffused into Si. . Therefore, when light having a wavelength longer than 1.2 μm and shorter than 2.3 μm is irradiated, Au is excited, and the resistance of Si rapidly decreases from 5 × 10 5 Ω · cm to the initial value of 1 Ω · cm. become. For example, the wavelength of a semiconductor laser that is universally used in optical communication is about 1.5 μm, and when this is irradiated into the above-mentioned Si, the resistance of the semiconductor layer sharply decreases. Thus, it is possible to control the high frequency transmitted in Si.

【0042】同様に、Auを励起する方法として、半導
体層2の両面に設けられた電極5、6により、105
/cm以上の電界を印加することによっても励起させる
ことができ、光励起と同様にSiの抵抗を5×105Ω
・cmから、初期の1Ω・cm程度に急激に下げること
ができる。
Similarly, as a method for exciting Au, the electrodes 5 and 6 provided on both surfaces of the semiconductor layer 2 use 10 5 V
/ Cm or more can be excited by applying an electric field of not less than 5 × 10 5 Ω.
· Cm, it can be rapidly reduced to about 1 Ω · cm in the initial stage.

【0043】本発明によれば、Auの捕獲断面積が大き
いため、捕獲の速度が非常に早く、光または電界による
励起時間を殆ど要しないので、高速パルスで伝送されて
いる光通信の信号や半導体層に設けられる電極に印加さ
れる高速電気信号に対して追従することができ、高速で
の高周波制御が可能になる。
According to the present invention, since the capture cross section of Au is large, the capture speed is very fast and almost no excitation time by light or electric field is required. A high-speed electric signal applied to an electrode provided in the semiconductor layer can be followed, and high-speed high-frequency control can be performed.

【0044】前述の図1に示されるようなNRDガイド
に、図示されていない外部電気回路により信号が半導体
層2の両面に設けられている電極5、6に印加される
と、半導体層中の重金属が励起し、その部分の抵抗が急
激に下がり、マイクロ波は反射し電極に印加される電圧
に比例して伝送損失が増加するため、電圧によるマイク
ロ波の制御を行うことができる。
When a signal is applied to the electrodes 5 and 6 provided on both surfaces of the semiconductor layer 2 by an external electric circuit (not shown) in the NRD guide as shown in FIG. The heavy metal is excited, the resistance at that portion drops sharply, and the microwave is reflected and the transmission loss increases in proportion to the voltage applied to the electrode, so that the microwave can be controlled by the voltage.

【0045】この場合、NRDガイド内を伝送する、た
とえばマイクロ波の電界最大点の位置に電極5が位置す
るように接続されることにより、外部電気回路により供
給される電気信号に対するマイクロ波の変調信号は最大
になり、小さな外部信号に対しても充分にマイクロ波を
制御することができる。しかし、充分に大きな外部信号
が得られれば、必ずしもマイクロ波電界の最大点の位置
に電極が設けられる必要はない。逆に、マイクロ波電界
の最大点の位置からずれたところに電極5が形成される
ことにより、電極5の下が短絡され、等価的に半導体層
の断面積が小さくなることになり、マイクロ波の位相を
調整することができる。
In this case, the connection of the electrode 5 at the position of the maximum point of the microwave electric field, which is transmitted through the NRD guide, modulates the microwave with respect to the electric signal supplied by the external electric circuit. The signal is maximized, and the microwave can be sufficiently controlled even for a small external signal. However, if a sufficiently large external signal is obtained, it is not always necessary to provide an electrode at the position of the maximum point of the microwave electric field. Conversely, when the electrode 5 is formed at a position deviated from the position of the maximum point of the microwave electric field, a short circuit occurs under the electrode 5 and the cross-sectional area of the semiconductor layer is equivalently reduced. Can be adjusted.

【0046】また、前述の図2に示されるようなNRD
ガイドに、光ファイバを用いて長距離伝送させるのに一
般的に用いられている1.5μmの波長の光を照射する
と、半導体層中の重金属が励起し、抵抗が急激に低下
し、マイクロ波の半導体層中を伝送するマイクロ波電界
の最大のところを短絡し、マイクロ波の伝送を阻止す
る。すなわち、光ファイバの信号をマイクロ波に変換す
ることができ、光・マイクロ波変換器とすることができ
る。この場合も、前述の電極5の位置と同様に、光ファ
イバ10の位置がマイクロ波電界の最大の位置に設けら
れれば、最も小さな外部信号によりマイクロ波を変調す
ることができるが、光ファイバ10が設けられる位置
は、必ずしもマイクロ波電界の最大位置でなくてもよい
し、位相調整をする場合のように、むしろずらせて配置
した方がよい場合もある。
Further, the NRD as shown in FIG.
When the guide is irradiated with light having a wavelength of 1.5 μm, which is generally used for long-distance transmission using an optical fiber, heavy metals in the semiconductor layer are excited, the resistance is rapidly reduced, and microwaves are emitted. Short-circuits the maximum point of the microwave electric field transmitted through the semiconductor layer, thereby preventing microwave transmission. That is, the signal of the optical fiber can be converted into a microwave, and an optical / microwave converter can be obtained. In this case, similarly to the position of the electrode 5 described above, if the position of the optical fiber 10 is provided at the maximum position of the microwave electric field, the microwave can be modulated by the smallest external signal. Is not necessarily the maximum position of the microwave electric field, and there are cases where it is better to displace them, as in the case of phase adjustment.

【0047】図3は、マイクロストリップ回路を外部電
気回路により制御する例である。すなわち、Siからな
る半導体層2の裏面に金属膜6が設けられ、さらにその
金属膜面に導体板7が設けられる構造は図1に示される
例と同じである。しかし、半導体層2の表面側には、ス
トリップライン5bを形成するように金属膜がパターニ
ングされ、そのストリップラインの一部に、ストリップ
ライン5bに影響しないように1/2波長(λ)の長さ
で切り取った電極5を形成し、その電極5に電気的に接
続してチョーク構造9が設けられ、その端部側に外部信
号入力用の電極8が形成されている。この構造で、外部
信号により電極5に電界を印加すると、前述のように半
導体層2の抵抗が急激に低下して、下面側の導体板7と
短絡することになり、ストリップラインの伝送を制御す
ることができる。
FIG. 3 shows an example in which the microstrip circuit is controlled by an external electric circuit. That is, the structure in which the metal film 6 is provided on the back surface of the semiconductor layer 2 made of Si and the conductor plate 7 is further provided on the metal film surface is the same as the example shown in FIG. However, a metal film is patterned on the surface side of the semiconductor layer 2 so as to form the strip line 5b, and a part of the strip line has a half wavelength (λ) length so as not to affect the strip line 5b. The cut-out electrode 5 is formed, a choke structure 9 is provided so as to be electrically connected to the electrode 5, and an electrode 8 for inputting an external signal is formed on the end side. In this structure, when an electric field is applied to the electrode 5 by an external signal, as described above, the resistance of the semiconductor layer 2 sharply drops, and short-circuits with the lower conductor plate 7, thereby controlling the transmission of the strip line. can do.

【0048】図4は、図3の例と同様にマイクロストリ
ップラインを制御する例で、切替器が形成された例であ
る。すなわち、ストリップライン5bに分岐回路(分配
器)5cが形成され、その分岐回路5cにより分岐され
る線路にそれぞれ電極5が前述の図3に示される例と同
様に設けられ、チョーク構造9を介して外部信号入力用
の電極8が形成されている。この電極5は、分岐回路5
cからλ/4離れたところに形成されているため、外部
信号により半導体層2がショート状態になるとストリッ
プラインはオープン状態になり、そのラインは伝送線路
から切り離されたのと等価になる。したがって、電圧が
印加されない線路の方だけをマイクロ波は伝送し、外部
信号により切替器として動作させることができる。な
お、2分岐の分配器を示したが、3分岐以上の分岐を有
する分配器にすることができることは勿論である。
FIG. 4 shows an example in which a microstrip line is controlled in the same manner as in the example of FIG. 3, in which a switch is formed. That is, a branch circuit (distributor) 5c is formed in the strip line 5b, and the electrodes 5 are provided on the lines branched by the branch circuit 5c in the same manner as in the example shown in FIG. Thus, an electrode 8 for inputting an external signal is formed. This electrode 5 is connected to a branch circuit 5
Since it is formed at a distance of λ / 4 from c, when the semiconductor layer 2 is short-circuited by an external signal, the strip line is opened, which is equivalent to the line being separated from the transmission line. Therefore, the microwave can be transmitted only through the line to which no voltage is applied, and can be operated as a switch by an external signal. Although the two-branch distributor is shown, it is needless to say that the distributor may have three or more branches.

【0049】図5は、同様にストリップライン上に移相
器を構成した例で、その他に重金属の励起方法に光ファ
イバを用いる例で、光ファイバの接続方法が2種類示さ
れている。すなわち、ストリップライン5bが分配器5
cで分岐され、分岐された線路5b、5dのそれぞれの
分岐点からλ/4・N(λは波長、Nは奇数)の位置に
光ファイバによる短絡点が設けられている。その結果、
直線状線路5bと梯子型線路(迂回線路)5dとのう
ち、前述の図4に示される例と同様に、光の照射により
短絡された線路はオープンとなり、マイクロ波信号は他
方の線路を伝送することになり、線路長の差に基づく位
相差を生じさせることができる。
FIG. 5 shows an example in which a phase shifter is similarly formed on a strip line, and an example in which an optical fiber is used for exciting heavy metals. Two types of optical fiber connection methods are shown. That is, the strip line 5b is
A short-circuit point by an optical fiber is provided at a position of λ / 4 · N (λ is a wavelength and N is an odd number) from each branch point of the branched lines 5b and 5d. as a result,
Of the straight line 5b and the ladder-type line (detour path) 5d, the line short-circuited by light irradiation becomes open, and the microwave signal is transmitted through the other line, as in the example shown in FIG. As a result, a phase difference based on the line length difference can be generated.

【0050】光ファイバ13a、13bは、迂回線路5
dの表面側から、ストリップ線路5dを貫通して、半導
体層2の表面またはその内部まで突っ込まれ、半導体層
2に光を照射できる構造になっている。また、光ファイ
バ13cは、半導体層2の裏面側から導体板7および金
属膜6を貫通して半導体層2の裏面側に突き当て、また
は僅かに突っ込まれ、光を照射することができる構造に
なっている。このいずれの構造でも採用でき、要は、ス
トリップ線路の下の半導体層に光を照射することによ
り、重金属を励起し、半導体層の抵抗を小さくすること
ができるように光を照射できればよい。このように光を
照射する方法を用いれば、前述の電極形成のように、ス
トリップラインを1/2波長の長さで切り出さなくても
よいため、回路定数の変動を何ら生じさせない。
The optical fibers 13a and 13b are connected to the bypass line 5
d, it penetrates through the strip line 5d and penetrates into or into the surface of the semiconductor layer 2 so that the semiconductor layer 2 can be irradiated with light. The optical fiber 13c has a structure in which the optical fiber 13c can penetrate the conductor layer 7 and the metal film 6 from the rear surface side of the semiconductor layer 2 and abut or slightly penetrate the semiconductor layer 2 to irradiate light. Has become. Either of these structures can be adopted. In short, it is only necessary to irradiate the semiconductor layer below the strip line with light so as to excite the heavy metal and reduce the resistance of the semiconductor layer. When the method of irradiating light is used in this manner, the strip line does not need to be cut out at a length of 波長 wavelength as in the case of the above-described electrode formation, so that there is no variation in circuit constant.

【0051】この例も、λ/4・N(Nは奇数)離れた
ところに光ファイバによる短絡点が設けられていること
により、そのラインを切り離すことができるため、梯子
状回路を複数段形成することもでき、移相量を任意に調
整できることは勿論である。また、この移相器の先端に
アンテナをつけ、複数個配置すれば、フェーズドアレー
アンテナを構成することができる。
Also in this example, since a short circuit point by an optical fiber is provided at a distance of λ / 4 · N (N is an odd number), the line can be cut off, so that a plurality of ladder-like circuits are formed. Of course, the amount of phase shift can be arbitrarily adjusted. Further, a phased array antenna can be configured by attaching an antenna to the tip of the phase shifter and arranging a plurality of antennas.

【0052】図6は、ストリップライン上に可変抵抗器
を構成した例である。すなわち、ストリップラインは図
5に示される例と同様に2か所に分配器5cが形成され
たものであるが、この例では、入力側と出力側とが点対
称になるように分岐部5cが形成されている。すなわ
ち、どちらの線路を伝送してもその長さが等しく、移相
のズレは生じない。しかし、この例では、一方のストリ
ップライン15bに抵抗15が装荷され、抵抗線路にな
っている。そのため、その抵抗線路15bを通る場合に
は、挿入損失が生じ、どちらの線路を導通状態にするか
により、挿入損失を発生させることができる。この回路
を何個も直列に接続し、その線路の選択をすることによ
り、任意の挿入損失を生じさせることができ、可変抵抗
器として動作させることができる。
FIG. 6 shows an example in which a variable resistor is formed on a strip line. That is, the strip line has the distributors 5c formed at two places as in the example shown in FIG. 5, but in this example, the branching sections 5c are arranged such that the input side and the output side are point-symmetrical. Are formed. In other words, the length of each line is the same regardless of which line is transmitted, and no phase shift occurs. However, in this example, the resistor 15 is loaded on one of the strip lines 15b to form a resistance line. Therefore, when passing through the resistance line 15b, an insertion loss occurs, and the insertion loss can be generated depending on which line is in a conductive state. By connecting a number of these circuits in series and selecting the line, an arbitrary insertion loss can be generated, and the circuit can be operated as a variable resistor.

【0053】また、この例では、半導体層にドーピング
されている重金属を励起させる方法として、光を照射す
るのではなく、電圧を印加する方法が用いられている。
この場合、前述のストリップラインの一部を1/2波長
の長さで切り出すのではなく、ストリップライン5bを
細くして、電界印加用電極5eが形成されている。この
電界印加用電極5eは、前述の例と同様に、チョーク構
造9を介して外部信号入力用電極8が形成されている。
In this example, as a method of exciting the heavy metal doped in the semiconductor layer, a method of applying a voltage instead of irradiating light is used.
In this case, instead of cutting out a part of the above-mentioned strip line with a length of 波長 wavelength, the strip line 5b is thinned to form the electric field application electrode 5e. The external signal input electrode 8 is formed on the electric field application electrode 5e via the choke structure 9, as in the above-described example.

【0054】図7は、一面側にアースライン5aと信号
ライン5bが設けられる共平面(コプレーナ)回路が、
前述と同様の半導体(多結晶)層16表面に形成された
例である。5a、5bは、共平面回路を構成する電極
(線路)であり、外側の2つの電極がアースラインであ
り、中心の電極5bが信号伝送ラインである。図7に示
される例では、透光性基板17上にn型不純物が低抵抗
になるようにドーピングされた多結晶シリコンが成膜さ
れ、その半導体層16に金がドーピングされて高抵抗化
されている。この構造では、電極の下に縦方向の領域を
励起するのではなく、横方向に励起する必要があるた
め、面積的に広い範囲に亘って励起する必要があり、光
ファイバによらないで、図7に示されるように、透明基
板を介して下面から広い範囲に亘って光が照射されてい
る。しかし、横方向から光を照射してもよく、その場合
は透光性基板でなくて、光を透過しない基板でも構わな
い。
FIG. 7 shows a coplanar (coplanar) circuit in which an earth line 5a and a signal line 5b are provided on one surface side.
This is an example formed on the surface of a semiconductor (polycrystalline) layer 16 similar to that described above. Reference numerals 5a and 5b denote electrodes (lines) constituting a coplanar circuit, two outer electrodes being ground lines, and a central electrode 5b being a signal transmission line. In the example shown in FIG. 7, polycrystalline silicon doped with an n-type impurity so as to have a low resistance is formed on a light-transmitting substrate 17, and the semiconductor layer 16 is doped with gold to have a high resistance. ing. In this structure, it is necessary not to excite a vertical region below the electrode but to excite in a lateral direction, so it is necessary to excite over a wide area, and without using an optical fiber, As shown in FIG. 7, light is irradiated over a wide range from the lower surface via the transparent substrate. However, light may be irradiated from the lateral direction. In that case, a substrate that does not transmit light may be used instead of the light-transmitting substrate.

【0055】この構造によれば、光が照射されると、前
述のように重金属である金が励起してプラズマ状態とな
り、半導体層の抵抗が急激に低下する。そのため、信号
伝送路下のインピーダンスが変化し、電気信号の制御を
することができる。
According to this structure, when light is irradiated, gold, which is a heavy metal, is excited to be in a plasma state as described above, and the resistance of the semiconductor layer is rapidly reduced. Therefore, the impedance under the signal transmission path changes, and electric signals can be controlled.

【0056】図8に示される例は、可変コンデンサの例
で、導電性の基板17上にn型不純物が低抵抗になるよ
うにドーピングされた多結晶シリコンからなる半導体層
16が成膜され、その半導体層16に金がドーピングさ
れて高抵抗化されている。そして、その表面および側面
を酸化し、または絶縁物をスパッタリングなどにより設
けることにより、絶縁膜19が形成され、その上に電極
5が形成されている。この構造にすることにより、電極
5と基板17間に電圧を印加すると、半導体層が高抵抗
のときは誘電体として作用し、光を照射して低抵抗にな
ると見かけ上の電極5と基板17との間隔が狭くなり、
静電容量が増加する。これにより、可変容量素子として
使用することができる。
The example shown in FIG. 8 is an example of a variable capacitor, in which a semiconductor layer 16 made of polycrystalline silicon doped with an n-type impurity to have a low resistance is formed on a conductive substrate 17. The semiconductor layer 16 is doped with gold to increase the resistance. Then, the surface and side surfaces thereof are oxidized, or an insulating material is provided by sputtering or the like, whereby an insulating film 19 is formed, and the electrode 5 is formed thereon. With this structure, when a voltage is applied between the electrode 5 and the substrate 17, when the semiconductor layer has a high resistance, it acts as a dielectric, and when the semiconductor layer is irradiated with light and has a low resistance, the apparent electrode 5 and the substrate 17 have a low resistance. And the distance between
The capacitance increases. Thereby, it can be used as a variable capacitance element.

【0057】図9は、可変インダクタンス素子に応用し
た例である。すなわち、フェライト基板または絶縁性基
板などからなる基板17上にn型不純物が低抵抗になる
ようにドーピングされた多結晶シリコンからなる半導体
層16が成膜され、その半導体層16に金がドーピング
されて高抵抗化されている。この半導体層16の上面ま
たは全面に絶縁膜19が形成され、その表面に設けられ
た金属膜がコイル状にパターニングされることにより、
インダクター20が形成されている。このインダクター
20は、必要に応じ、複数個、任意の場所に作製され、
相互に作用させることもできる。
FIG. 9 shows an example applied to a variable inductance element. That is, a semiconductor layer 16 made of polycrystalline silicon doped with an n-type impurity to have a low resistance is formed on a substrate 17 made of a ferrite substrate or an insulating substrate, and the semiconductor layer 16 is doped with gold. And high resistance. An insulating film 19 is formed on the upper surface or the entire surface of the semiconductor layer 16, and the metal film provided on the surface is patterned into a coil shape,
An inductor 20 is formed. This inductor 20 is produced in a plurality of arbitrary places as needed,
They can also interact.

【0058】この構造にすることにより、光18が照射
されていないと、インダクター20が作る磁束は、半導
体層16を通過し、基板17に達しているが、光18が
照射されると、半導体層16が低抵抗化し、インダクタ
ー20の作る磁界の変化により、低抵抗の半導体層16
中に電流が流れインダクタンスを減少させるように動作
する。その結果、可変インダクタンス素子として使用す
ることができる。
With this structure, when the light 18 is not irradiated, the magnetic flux generated by the inductor 20 passes through the semiconductor layer 16 and reaches the substrate 17. The resistance of the layer 16 is reduced, and the change in the magnetic field generated by the inductor 20 causes the semiconductor layer 16 to have a low resistance.
Current flows through it and operates to reduce inductance. As a result, it can be used as a variable inductance element.

【0059】図10は、スイッチ回路に応用した例であ
る。すなわち、前述と同様に、絶縁性または導電性の基
板17上にn型不純物が低抵抗になるようにドーピング
された多結晶シリコンからなる半導体層16が成膜さ
れ、その半導体層16に金がドーピングされて高抵抗化
されている。そして、その表面に複数個の電極5、6が
形成され、半導体層16の側面に光ファイバ10が突き
当てで設けられている。
FIG. 10 shows an example applied to a switch circuit. That is, as described above, a semiconductor layer 16 made of polycrystalline silicon doped with an n-type impurity to have a low resistance is formed on an insulating or conductive substrate 17, and gold is deposited on the semiconductor layer 16. The resistance is increased by doping. A plurality of electrodes 5 and 6 are formed on the surface, and the optical fiber 10 is provided on the side surface of the semiconductor layer 16 by abutting.

【0060】この構成になっているため、光ファイバ1
0から光が照射されないと、各電極5、6間、または各
電極と基板17間は絶縁されているが、光ファイバ10
より光が照射されると、照射された部分の半導体層16
は低抵抗化し、それぞれの電極5、6間または各電極
5、6と基板17間が導通する。半導体層16の全面に
光を照射して、全部を低抵抗化してもよいが、必要に応
じて一部だけに光を照射し、部分的な電極間または電極
と基板間のみをショート状態として、必要な部分だけを
導通させることもできる。このように部分的に導通させ
ることができるため、多接点スイッチとしても動作させ
ることもできる。
With this configuration, the optical fiber 1
When light is not irradiated from 0, the electrodes 5 and 6 or the electrodes and the substrate 17 are insulated, but the optical fiber 10
When more light is irradiated, the semiconductor layer 16 in the irradiated portion is irradiated.
Is reduced in resistance, and conduction between the respective electrodes 5 and 6 or between the respective electrodes 5 and 6 and the substrate 17 is achieved. The entire surface of the semiconductor layer 16 may be irradiated with light to reduce the resistance of the whole, but if necessary, only part of the semiconductor layer 16 may be irradiated with light to partially short between the electrodes or only between the electrodes and the substrate. It is also possible to conduct only necessary parts. Since partial conduction can be achieved as described above, the switch can also be operated as a multi-contact switch.

【0061】図11は、導波管として応用した例を示す
図である。すなわち、前述と同様に、導電性の基板17
上にn型不純物が低抵抗になるようにドーピングされた
多結晶シリコンからなる半導体層16が成膜され、その
半導体層16に金がドーピングされて高抵抗化されてい
る。そして、その周囲が導体膜21により被覆されてい
る。その結果、高抵抗半導体層16の周囲が断面矩形状
の導体膜21により囲まれた導波管を構成している。そ
の結果、光18を照射しないときは、通常の導波管とし
て動作し、光18が照射されると半導体層16が低抵抗
化し、導波管内のインピーダンスが急激に低下する。そ
して、導波管内を伝播していた電磁波は反射し、大きな
減衰を受ける。このように動作するため、導波管のスイ
ッチ、減衰器として動作させることができる。
FIG. 11 is a diagram showing an example applied to a waveguide. That is, as described above, the conductive substrate 17
A semiconductor layer 16 made of polycrystalline silicon doped with an n-type impurity to reduce the resistance is formed thereon, and the semiconductor layer 16 is doped with gold to increase the resistance. The periphery is covered with the conductor film 21. As a result, a waveguide is formed in which the periphery of the high-resistance semiconductor layer 16 is surrounded by the conductor film 21 having a rectangular cross section. As a result, when the light 18 is not irradiated, the semiconductor layer 16 operates as a normal waveguide, and when the light 18 is irradiated, the resistance of the semiconductor layer 16 is reduced, and the impedance in the waveguide rapidly decreases. Then, the electromagnetic wave propagating in the waveguide is reflected and greatly attenuated. Due to such operation, it can be operated as a waveguide switch and attenuator.

【0062】前述の図3〜6に示される回路を図11に
示される導波管で構成することもできる。また、図11
に示される構造を同軸線路として使用することもでき
る。
The circuits shown in FIGS. 3 to 6 can be constituted by the waveguide shown in FIG. FIG.
Can be used as a coaxial line.

【0063】[0063]

【発明の効果】本発明の半導体制御回路素子によれば、
電気信号または光信号により、半導体層の抵抗値を半絶
縁性の高抵抗と殆ど導電性の低抵抗との間を高速で切り
替えることができるため、電気回路に組み込むことによ
り、非常に電気回路の制御を簡単に行うことができる。
According to the semiconductor control circuit element of the present invention,
Since the resistance value of the semiconductor layer can be switched at high speed between a semi-insulating high resistance and an almost conductive low resistance by an electric signal or an optical signal, by incorporating it into an electric circuit, a very Control can be performed easily.

【0064】とくに、半導体層は単結晶でなくてもよい
ため、任意の基板上に直接形成することができ、ストリ
ップラインや導波管などを用いる高周波回路にも直接組
み込むことが容易で、高周波回路の制御を非常に簡単に
行うことができると共に、移相器、分配器などの高周波
回路素子や、それらを用いたフェーズドアレーアンテナ
などの高周波応用製品を簡単に得ることができる。
In particular, since the semiconductor layer does not have to be a single crystal, it can be formed directly on any substrate, and can be easily incorporated directly into a high-frequency circuit using a strip line or a waveguide. Circuit control can be performed very easily, and high-frequency circuit elements such as phase shifters and distributors, and high-frequency applied products such as phased array antennas using them can be easily obtained.

【0065】さらに、光信号によりマイクロ波のオンオ
フを高速で制御することができるため、高性能な光・マ
イクロ波変換回路を安価に得ることができる。
Further, since the on / off of the microwave can be controlled at high speed by the optical signal, a high-performance optical / microwave conversion circuit can be obtained at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による半導体制御回路素子の一実施形態
の製造工程を示す断面説明図である。
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view showing a manufacturing process of one embodiment of a semiconductor control circuit element according to the present invention.

【図2】図1の制御回路素子を光の照射により制御する
例の断面説明図である。
FIG. 2 is an explanatory sectional view of an example in which a control circuit element in FIG. 1 is controlled by irradiation of light.

【図3】本発明の制御回路素子を用いたストリップライ
ン制御の例の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of an example of strip line control using the control circuit element of the present invention.

【図4】ストリップラインにより分岐回路を構成する例
の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of an example in which a branch circuit is configured by strip lines.

【図5】ストリップラインにより移相器を構成した例の
説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of an example in which a phase shifter is configured by a strip line.

【図6】ストリップラインにより可変抵抗器を構成した
例の説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of an example in which a variable resistor is configured by a strip line.

【図7】本発明の制御回路素子を用いて共平面回路を制
御する例の説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram of an example of controlling a coplanar circuit using the control circuit element of the present invention.

【図8】本発明の制御回路素子を用いて可変コンデンサ
を構成した例の説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of an example in which a variable capacitor is configured using the control circuit element of the present invention.

【図9】本発明の制御回路素子を用いて可変インダクタ
ーを構成した例の説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram of an example in which a variable inductor is configured using the control circuit element of the present invention.

【図10】本発明の制御回路素子を用いてスイッチ回路
を構成した例の説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram of an example in which a switch circuit is configured using the control circuit element of the present invention.

【図11】伝送の制御可能な導波管を構成した例の説明
図である。
FIG. 11 is an explanatory diagram of an example in which a waveguide whose transmission can be controlled is configured.

【図12】n型およびP型SiにAuをドーピングした
ときの半導体層の抵抗値の変化を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a change in resistance value of a semiconductor layer when n-type and P-type Si are doped with Au.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体制御回路素子 2 半導体層 3 重金属(Au) 5 電極 6 電極 10 光ファイバ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor control circuit element 2 Semiconductor layer 3 Heavy metal (Au) 5 Electrode 6 Electrode 10 Optical fiber

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/822 H01L 27/04 V H01P 11/00 R C L M (72)発明者 新井 学 埼玉県上福岡市福岡二丁目1番1号 新日 本無線株式会社川越製作所内 (72)発明者 黒木 太司 広島県呉市坪之内町6番地8号 Fターム(参考) 2H037 AA04 BA02 DA04 DA06 5E030 AA20 5F038 AC01 AC05 AR11 AV01 AZ01 AZ04 CD20 DF02 EZ02 EZ14 EZ20 5F088 AA20 AB03 AB07 BA02 CB09 FA09 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 21/822 H01L 27/04 V H01P 11/00 RCLM (72) Inventor Manabu Arai Saitama 2-1-1 Fukuoka, Fukuoka City, New Japan Radio Co., Ltd. Kawagoe Works (72) Inventor, Futoshi Kuroki 6-8, Tsunouchi-cho, Kure-shi, Hiroshima F-term (reference) 2H037 AA04 BA02 DA04 DA06 5E030 AA20 5F038 AC01 AC05 AR11 AV01 AZ01 AZ04 CD20 DF02 EZ02 EZ14 EZ20 5F088 AA20 AB03 AB07 BA02 CB09 FA09

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 n型またはp型不純物がドーピングされ
た半導体層と、該半導体層の少なくとも一部にドーピン
グされ、該ドーピングされた部分の前記n型またはp型
不純物を相殺して高抵抗化する重金属とからなり、前記
重金属を励起し得る波長より短く、かつ、前記半導体層
を励起し得る波長より長い波長の光が照射され、または
電界が印加されることにより、前記重金属が励起され、
前記半導体層の抵抗値を低下させ得る半導体制御回路素
子。
1. A semiconductor layer doped with an n-type or p-type impurity, and at least a portion of the semiconductor layer is doped, and the n-type or p-type impurity in the doped portion is offset to increase the resistance. A light having a wavelength shorter than the wavelength that can excite the heavy metal, and longer than the wavelength that can excite the semiconductor layer, or the electric field is applied, whereby the heavy metal is excited,
A semiconductor control circuit element capable of reducing a resistance value of the semiconductor layer.
【請求項2】 前記ドーピングされるn型またはp型不
純物量が、1×10 17〜1×1014cm-3であり、前記
ドーピングされる重金属が該n型またはp型不純物とほ
ぼ等量である請求項1記載の半導体制御回路素子。
2. The n-type or p-type impurity to be doped.
Pure substance quantity is 1 × 10 17~ 1 × 1014cm-3And said
The heavy metal to be doped is substantially different from the n-type or p-type impurity.
2. The semiconductor control circuit element according to claim 1, wherein the amounts are substantially equal.
【請求項3】 前記半導体層が、元素半導体からなり、
前記重金属が金および白金族から選ばれる少なくとも1
種の金属である請求項1または2記載の半導体制御回路
素子。
3. The semiconductor layer is made of an elemental semiconductor,
At least one of the heavy metals selected from the group consisting of gold and platinum;
3. The semiconductor control circuit element according to claim 1, wherein said element is a kind of metal.
【請求項4】 前記半導体層が、化合物半導体または合
金半導体からなり、前記重金属が鉄族の金属から選ばれ
る少なくとも1種の金属である請求項1または2記載の
半導体制御回路素子。
4. The semiconductor control circuit device according to claim 1, wherein the semiconductor layer is made of a compound semiconductor or an alloy semiconductor, and the heavy metal is at least one metal selected from iron group metals.
【請求項5】 前記半導体層の少なくとも一面側に、導
電体層または絶縁体層またはこれらの複合体層が密着性
よく設けられてなる請求項1ないし4のいずれか1項記
載の半導体制御回路素子。
5. The semiconductor control circuit according to claim 1, wherein a conductor layer, an insulator layer, or a composite layer thereof is provided with good adhesion on at least one surface side of said semiconductor layer. element.
【請求項6】 前記導電体層または絶縁体層またはこれ
らの複合体層が、前記重金属を励起し得る光の波長に対
して、少なくとも透過性を有する材料からなる請求項5
記載の半導体制御回路素子。
6. The conductor layer, the insulator layer, or a composite layer thereof, which is made of a material having at least a transmittance for a wavelength of light capable of exciting the heavy metal.
13. The semiconductor control circuit element according to claim 1.
【請求項7】 前記重金属のドーピングが、前記半導体
層の表面近傍だけに行われ、該重金属がドーピングされ
ない前記半導体層が導電体層として使用され得る請求項
1記載の半導体制御回路素子。
7. The semiconductor control circuit element according to claim 1, wherein the doping of the heavy metal is performed only near the surface of the semiconductor layer, and the semiconductor layer not doped with the heavy metal can be used as a conductor layer.
【請求項8】 他端部側に発光源が接続され得る光導波
路の一端部が前記半導体層の表面に突き当てられ、もし
くは該半導体層内に突っ込まれることにより、または、
前記半導体層の表面上の導電体層もしくは絶縁体層を介
して発光素子が設けられることにより、前記光が照射さ
れ得る請求項1ないし7のいずれか1項記載の半導体制
御回路素子。
8. One end of an optical waveguide to which a light emitting source can be connected on the other end side is abutted against the surface of the semiconductor layer, or is inserted into the semiconductor layer, or
The semiconductor control circuit device according to claim 1, wherein the light can be irradiated by providing a light emitting device via a conductor layer or an insulator layer on a surface of the semiconductor layer.
【請求項9】 前記光導波路が平面型光導波路または光
ファイバからなり、該光導波路内の充填材による光の屈
折率が、光の進行方向と直角方向に対して一定の分布を
有してなる請求項8記載の半導体制御回路素子。
9. The optical waveguide comprises a planar optical waveguide or an optical fiber, and a refractive index of light by a filler in the optical waveguide has a constant distribution in a direction perpendicular to a traveling direction of the light. 9. The semiconductor control circuit element according to claim 8, wherein
【請求項10】 前記半導体層の上下両面に導電体が設
けられ、該導電体が両電極とされることにより、前記電
界が印加され得る請求項1ないし7のいずれか1項記載
の半導体制御回路素子。
10. The semiconductor control device according to claim 1, wherein a conductor is provided on both upper and lower surfaces of the semiconductor layer, and the electric field can be applied by using the conductor as both electrodes. Circuit element.
【請求項11】 請求項1記載の半導体制御回路素子
が、該半導体制御回路素子の前記重金属を励起する波長
より長く、直流を含む電磁波を扱う電気回路に、該電磁
波が前記半導体層の抵抗値の変化による影響を受けるよ
うに挿入されてなる電気回路。
11. The semiconductor control circuit element according to claim 1, wherein the semiconductor control circuit element has a wavelength longer than a wavelength of exciting the heavy metal and handles an electromagnetic wave including a direct current. An electrical circuit inserted to be affected by changes in
【請求項12】 前記半導体制御回路素子上に、直接ま
たは絶縁膜を介して、または前記半導体制御回路素子が
形成される絶縁基板に電気回路網または制御回路網が形
成され、該回路網の回路素子が前記光の照射または電界
の印加により制御され得る請求項11記載の電気回路。
12. An electric network or a control network is formed on the semiconductor control circuit element directly or via an insulating film or on an insulating substrate on which the semiconductor control circuit element is formed. The electric circuit according to claim 11, wherein an element can be controlled by irradiating the light or applying an electric field.
【請求項13】 請求項11記載の電磁波を扱う電気回
路が、MIC、共平面回路、NRDガイド、同軸線路、
集中定数回路、共振器のうちの少なくとも1つからなる
高周波回路素子を有する高周波回路。
13. An electric circuit for handling electromagnetic waves according to claim 11, wherein the electric circuit is an MIC, a coplanar circuit, an NRD guide, a coaxial line,
A high-frequency circuit having a high-frequency circuit element including at least one of a lumped constant circuit and a resonator.
【請求項14】 前記半導体制御回路素子の重金属を励
起するための電界を印加する電極が、前記高周波回路素
子とチョーク構造を介して結合されてなる請求項13記
載の高周波回路。
14. The high-frequency circuit according to claim 13, wherein an electrode for applying an electric field for exciting a heavy metal of the semiconductor control circuit element is coupled to the high-frequency circuit element via a choke structure.
【請求項15】 前記半導体制御回路素子の一面側に、
分岐部を有する伝送線路が形成され、該分岐部の線路の
オンオフが前記半導体制御回路素子により制御されるこ
とにより、回路切替器、移相器、可変抵抗器、および共
振器のうち、少なくとも1つが形成されてなる請求項1
1記載の電気回路。
15. One side of the semiconductor control circuit element,
A transmission line having a branch portion is formed, and on / off of the line of the branch portion is controlled by the semiconductor control circuit element, so that at least one of a circuit switch, a phase shifter, a variable resistor, and a resonator is provided. 2. One is formed.
2. The electric circuit according to 1.
【請求項16】 前記オンオフを制御するための前記光
を照射し、または電界を印加する場所が、前記分岐点か
らλ/4(λは前記伝送線路を伝送する電磁波の波長)
の奇数倍の位置に設けられてなる請求項15記載の電気
回路。
16. A location where the light for controlling the on / off is irradiated or an electric field is applied is λ / 4 (λ is a wavelength of an electromagnetic wave transmitted through the transmission line) from the branch point.
16. The electric circuit according to claim 15, wherein the electric circuit is provided at a position of an odd multiple of.
【請求項17】 請求項1記載の半導体制御回路素子の
少なくとも上下両面に沿って導電体が設けられることに
より電磁波の伝送路が形成され、該伝送路の途中に前記
半導体制御回路素子が挿入されてなる導波路。
17. An electromagnetic wave transmission path is formed by providing a conductor along at least upper and lower surfaces of the semiconductor control circuit element according to claim 1, and the semiconductor control circuit element is inserted in the middle of the transmission path. Waveguide.
【請求項18】 請求項1記載の半導体制御回路素子の
少なくとも一面側に導電体膜が設けられることにより回
路素子が形成され、該半導体制御回路素子への光照射ま
たは電界印加により前記回路素子の特性を可変し得る電
気回路素子。
18. A circuit element is formed by providing a conductive film on at least one surface side of the semiconductor control circuit element according to claim 1, wherein the semiconductor element is formed by irradiating light or applying an electric field to the semiconductor control circuit element. Electric circuit element whose characteristics can be changed.
【請求項19】 マイクロ波伝送路と、該マイクロ波伝
送路の途中に接続される請求項1記載の光を照射し得る
半導体制御回路素子とからなり、光信号をマイクロ波信
号に変換し得る光マイクロ波変換回路。
19. A microwave transmission line, and a semiconductor control circuit element capable of irradiating light according to claim 1 connected in the middle of said microwave transmission line, and capable of converting an optical signal into a microwave signal. Optical microwave conversion circuit.
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