CN114284671B - 一种基于异质集成的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构 - Google Patents
一种基于异质集成的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于异质集成的低损耗太赫兹单片‑波导过渡结构，属于太赫兹单片技术领域。该过渡结构采用异质集成工艺，使得太赫兹信号转移到低介电损耗层传输，并通过腐蚀背金工艺构造了设置于悬空低损耗衬底表面的太赫兹片上天线，以防止波导能量耦合到腐蚀区域部分的III‑V族材料造成能量泄露，从而实现了片上天线到波导的低损耗耦合。该结构在300GHz、1mm长的50ohm传输线情况下，整体结构插入损耗可低至2dB。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹单片技术领域，具体涉及一种基于异质集成的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构。
背景技术
波长为3mm～30μm的电磁波称为太赫兹波，其长波段临接毫米波，短波段靠近红外线，处于电子学与光子学的交叉区域。与较低频段的微波相比，它们的特点是：1、利用的频谱范围宽，信息容量大；2、易实现窄波束和高增益的天线，因而分辨率高，抗干扰性好；3、穿透等离子体的能力强；4、多普勒频移大，测速灵敏度高。因此，太赫兹波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大的意义。
太赫兹单片本身的传输损耗与单片-波导过渡的损耗一直是影响太赫兹组件性能的两个重要因素。太赫兹单片的介质损耗随单片材料的介电常数的增加而不断加大，随着频率的上升，损耗显现尤为明显。常见的太赫兹单片常采用III-V族材料，如InP，其介电常数为12.7，使得基于该材料制备的太赫兹器件具有较大传输损耗。因此，将高损耗的III-V族材料异质集成到低损耗的材料上(如BCB相对介电常数为2.7)，使信号传输在低损耗材料层就成为了一种解决方案，
太赫兹单片-波导过渡结构常采用两者方式，一种是通过金丝键合引入额外的探针，金丝将单片信号耦合到波导探针，再通过探针引入波导，但这种方法会增加额外的探针损耗与金丝键合损耗；另一种是采用片上天线方案，通过片上偶极子天线结构直接将片上信号耦合到波导，如图1所示，但图1所示的传统偶极子天线结构极度依赖信号传输层腐蚀孔的精度，所以随着频率上升，孔径过大容易导致传输线能量泄漏；采用异质集成工艺后，能较好完成传输层通孔制备。
同时，基于异质集成的太赫兹片上-波导过渡结构在实现片上探针或者片上天线过渡时，需要将整个异质集成单片伸入波导中，而此时波导的能量会同时耦合到III-V族材料层与低损耗介质层，从而造成能量泄露。目前，现有技术中针对该问题，C.Yi等人(C.Yi,K.M.Lee,H.J.Kim and M.Kim,"WR-3.4InP HBT Amplifier Module With IntegratedWideba nd Waveguide Transitions,"in IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters,doi:10.1 109/LMWC.2021.3109905.)通过双层金属微带结构形成的异质集成偶极子天线过渡结构。该结构将信号传输放在第一层(M3)，并在接地层(M1)设置偶极子天线，通过馈电结构将M 3层信号馈电至M1层最后耦合。但这种结构只适用于微带结构，而针对于太赫兹单片中最常用的共面波导/接地共面波导结构无法适用；另一方面由于信号传输与偶极子天线不在同一层，馈电时必然存在损耗，所以这也导致这种结构的BCB层的厚度有一定限制。
因此，如何设计基于异质集成的低损耗太赫兹片上-波导过渡结构，且实现方式简单，就成为了研究热点。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于异质集成的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构。该过渡结构采用异质集成工艺，使得太赫兹信号转移到低介电损耗层传输，并通过腐蚀背金工艺构造了设置于悬空低损耗衬底表面的太赫兹片上天线，以防止波导能量耦合到腐蚀区域部分的III-V族材料造成能量泄露，从而实现了片上天线到波导的低损耗耦合。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于异质集成的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构，所述过渡结构包括异质集成单片和单片安放波导，所述异质集成单片设置于单片安放波导内；所述异质集成单片为矩形单片，从下至上依次为背金层、III-V族半导体衬底层、第二金属层、低介电常数材料层和第三金属层；异质集成单片深入单片安放波导内的一端设置矩形腐蚀区域，腐蚀区域仅由低介电常数材料层和片上天线组成，腐蚀区域宽度小于异质集成单片的宽度，腐蚀区域两侧为支撑区域；低介电常数材料层在沿信号传输通道两侧和腐蚀区域边缘设置通孔，第三金属层表面、通孔内侧设置垂直于信号传输通道的空气桥，所述通孔和空气桥共同用于限制信号传输边界，片上天线在腐蚀区域靠近信号传输通道的界面处也设置空气桥，用于传输信号的模式转换；
第三层金属作为传输导带，低介电常数材料层作为传输介质层，第二层金属层作为信号地层，三者共同实现接地共面波导(CPWG)信号传输；
所述III-V族半导体衬底层位于腐蚀区域处的侧面设置背金层，所有背金层共同用于防止传输信号泄露。
进一步地，所述III-V族半导体衬底层表面设置非线性器件，信号通过低介电常数材料层的通孔耦合到非线性器件上，用于实现倍频、放大等功能，然后再通过通孔将放大后的能量耦合至低介电常数材料层。
进一步地，所述非线性器件为三极管或二极管。
进一步地，所述III-V族半导体材料层的材料具体为InP或GaAs；所述低介电常数材料层的材料优选为BCB。
进一步地，所述片上天线为偶极子天线，或偶极子天线加上引向器。
进一步地，所述腐蚀区域面积不能太大，否则会导致支撑区域支撑力不足，同时会增大片上天线和支撑区域面积，从而导致单片面积过大，增加成本。
进一步地，低介电常数材料层的厚度为3～10μm，III-V族半导体衬底层的厚度为25～50μm。
本发明的机理为：电磁波的传输损耗是正比于根号(相对介电常数)的，所以通过这种异质集成信号传输的方式可以有效地降低太赫兹信号的传输损耗；片上偶极子天线是全向天线，通过在接地共面波导馈电端设置通孔实现信号地，有效地防止了偶极子天线能量反射回异质集成单片情况，实现了天线向波导的能量单向耦合；通过腐蚀加背金工艺，实现了BCB层与III-V族半导体层的能量隔离；三者结合，最终实现了波导信号与BCB层信号的低损耗传输与耦合。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明结构简单、易于实现，且与现有太赫兹单片工艺兼容，在太赫兹单片上中具有良好的应用前景；同时，本发明创新性地设计腐蚀区域，同时在该腐蚀区域上做背金，以防止波导能量耦合到腐蚀区域部分的III-V族材料造成能量泄露，使得该结构在300GHz、1mm长的50ohm传输线情况下，整体结构插入损耗可低至2dB。
附图说明
图1为传统片上偶极子天线过渡结构整体示意图。
图2为传统片上偶极子天线过渡结构中单片的垂直剖面示意图。
图3为本发明太赫兹单片-波导过渡结构整体示意图。
图4为本发明太赫兹单片-波导过渡结构中单片的垂直剖面示意图。
图5为本发明太赫兹单片-波导过渡结构的天线能量耦合泄露仿真图。
图6为本发明太赫兹单片-波导过渡结构的损耗图。
图7为对比例1太赫兹单片-波导过渡结构的天线能量耦合泄露仿真图。
图8为对比例2太赫兹单片-波导过渡结构的天线能量耦合泄露仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
图1为传统片上偶极子天线过渡结构整体示意图。从图中可以看出，该过渡结构由太赫兹单片和单片安放波导组成，其中，太赫兹单片设置于波导内。图2为传统片上偶极子天线过渡结构中单片的垂直剖面示意图，其中，太赫兹单片由下至上依次为背金、III-V族材料衬底、蒸发金属和空气桥；背金层作为信号地，III-V族材料衬底层作为信号传输层，蒸发金属作为信号布线层，即该层为片上偶极子天线。蒸发金属与III-V族材料衬底层共同实现片上偶极子天线；蒸发金属、III-V族材料衬底层、与背金共同实现接地共面波导信号传输结构
上述过渡结构面临的较大问题即为太赫兹单片采用III-V族材料衬底层作为信号传输层，该材料的介电常数大，导致信号传输的传输损耗较大。
图3为本发明太赫兹单片-波导过渡结构整体示意图，包括异质集成单片和单片安放波导，异质集成单片设置于波导内部；图4为本发明太赫兹单片-波导过渡结构中单片的垂直剖面示意图，所述异质集成单片为矩形单片，从下至上依次为背金层、III-V族半导体衬底层、第二金属层、低介电常数材料层和第三金属层；异质集成单片的前端设置矩形腐蚀区域，腐蚀区域仅设置低介电常数材料层和片上天线，腐蚀区域宽度小于异质集成单片的宽度，腐蚀区域两侧为支撑区域；低介电常数材料层在沿信号传输通道两侧和腐蚀区域边缘设置通孔，第三金属层表面、通孔内侧设置垂直于信号传输通道的空气桥，所述通孔和空气桥共同用于限制信号传输边界，片上天线在腐蚀区域靠近信号传输通道的界面处也设置空气桥，用于传输信号的模式转换；
第三层金属作为传输导带，低介电常数材料层作为传输介质层，第二层金属层作为信号地层，三者共同实现接地共面波导(CPWG)信号传输；
所述III-V族半导体衬底层位于腐蚀区域处的侧面设置背金层，所有背金层共同用于防止传输信号泄露。
实施例1
III-V族半导体衬底层材料为InP、厚度为50μm，第二金属层材料为金，厚度为3μm，低介电常数层材料为BCB、厚度为10μm，片上天线采用偶极子天线加引向器，单片安放在对应频段WR标准波导内。
并对该具体结构进行仿真，天线能量耦合泄露仿真图如图5所示，损耗图如图6所示。
对比例1
按照实施例1的结构构件太赫兹单片-波导过渡结构，片上天线所在区域不设置腐蚀区域。
本对比例的天线能量耦合泄露仿真图如图7所示.
对比例2
按照实施例1的结构构件太赫兹单片-波导过渡结构，III-V族半导体衬底层位于腐蚀区域处的侧面不设置背金层。
本对比例的天线能量耦合泄露仿真图如图8所示。
从图5中可以看出，太赫兹片上信号在接地共面波导结构中实现了共面波导模式的信号传输。接地共面波导的两侧BCB打孔与上方的空气桥结构，共同为共面波导信号限制边界，从而实现单模信号传输。在片上天线区域靠近接地共面波导一侧，有一排BCB打孔，是为了防止偶极子天线的能量反射到片上信号传输区域，从而实现了偶极子天线向波导的单侧耦合。
同时，通过对III-V族材料层施加背金与腐蚀区域背金，使得波导能量无法通过III-V族材料层的侧壁或者底部耦合至III-V族材料层，最终实现了能量从BCB层的低损耗传输与BCB层片上天线区域到波导的低损耗纯净耦合。从仿真结果图6可以看到，在500um长50ohm传输线情况下，该结构的整体单端损耗(包括传输损耗加上片上天线到波导的耦合损耗)在220-310GHz范围内是1dB。
从图7和图8中可以看到，能量不止在BCB层传输，同时III-V族材料层也耦合了能量，这部分能量是由于没有背金隔离波导能量，波导能量通过片上天线对应的III-V族材料层区域，耦合到了III-V族材料层。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (7)
1.一种基于异质集成的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构，所述过渡结构包括异质集成单片和单片安放波导，所述异质集成单片设置于单片安放波导内；所述异质集成单片为矩形单片，从下至上依次为背金层、III-V族半导体衬底层、第二金属层、低介电常数材料层和第三金属层；其特征在于，所述异质集成单片深入单片安放波导内的一端设置矩形腐蚀区域，腐蚀区域仅由低介电常数材料层和片上天线组成，腐蚀区域宽度小于异质集成单片的宽度，腐蚀区域两侧为支撑区域；低介电常数材料层在沿信号传输通道两侧和腐蚀区域边缘设置通孔，第三金属层表面、通孔内侧设置垂直于信号传输通道的空气桥，所述通孔和空气桥共同用于限制信号传输边界，片上天线在腐蚀区域靠近信号传输通道的界面处也设置空气桥，用于传输信号的模式转换；
第三层金属作为传输导带，低介电常数材料层作为传输介质层，第二层金属层作为信号地层，三者共同实现接地共面波导信号传输；
所述III-V族半导体衬底层位于腐蚀区域处的侧面设置背金层，所有背金层共同用于防止传输信号泄露。
2.如权利要求1所述的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构，其特征在于，所述III-V族半导体衬底层表面设置非线性器件，信号通过低介电常数材料层的通孔耦合到非线性器件上，然后再通过通孔将放大后的能量耦合至低介电常数材料层。
3.如权利要求2所述的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构，其特征在于，所述非线性器件为三极管或二极管。
4.如权利要求1所述的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构，其特征在于，所述III-V族半导体衬底层的材料具体为InP或GaAs；所述低介电常数材料层的材料为BCB。
5.如权利要求1所述的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构，其特征在于，所述片上天线为偶极子天线，或偶极子天线加上引向器。
6.如权利要求1所述的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构，其特征在于，所述腐蚀区域的面积不能太大，否则会导致支撑区域支撑力不足，同时会增大片上天线和支撑区域面积，从而导致单片面积过大，增加成本。
7.如权利要求1所述的低损耗太赫兹单片-波导过渡结构，其特征在于，低介电常数材料层的厚度为3～10μm，III-V族半导体衬底层的厚度为25～50μm。
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