DE3613258A1 - Halbleitersubstrat mit mindestens einem monolithisch integrierten schaltkreis - Google Patents

Description

Elektrische Schaltungen für den Millimeterwellenbereich, d.h. für Frequenzen oberhalb etwa 30 GHz haben eine große Bedeutung im Bereich der Hochfrequenztechnik. Derartige Schaltungen werden z.B. in Sendern und Empfängern für Millimeterwellenübertragungsstrecken für Kleinradargeräte sowie in Zukunft auch in verstärktem Umfang für die ver­ schiedensten Sensoranwendungen benötigt. Im Bereich der Millimeterwellen lassen sich mit kleinen Antennenabmes­ sungen bereits gute Richtwirkungen der Sende- und Empfangs­ antennen erzielen und damit besonders kompakte Geräte realisieren. Einer Vielzahl von Anwendungen steht der durch eine aufwendige Fertigungstechnologie von Millimeter­ wellenschaltungen bedingte hohe Preis entgegen. Eine kostengünstige Fertigung läßt sich durch monolithische Integration der Komponenten erzielen.

Entsprechend dem Stand der Technik lassen sich Mikrowel­ lenschaltungen auf Halbleitersubstrat monolithisch inte­ grieren, wobei einzelne passive und aktive Bauelemente durch planare Leitungsstrukturen miteinander verbunden werden und teilweise auch passive Bauelementefunktionen durch planare Leitungsstrukturen realisiert werden. Eine ausführliche Darstellung dieser Techniken wird in der Druckschrift "Integrierte Mikrowellenschaltungen" von R.K. Hoffmann, Berlin 1983 gegeben. Als Halbleitermaterialien kommen dafür vorzugsweise Galliumarsenid, oberhalb 40 GHz jedoch auch Silizium in Frage. Des weiteren ist künftig auch mit der Verwendung von Indiumphosphid und anderen Materialien zu rechnen. Mit zunehmend höheren Frequenzen machen sich die Skineffekt-Verluste störend bemerkbar, so daß planare Leiterstrukturen oberhalb 40 GHz nur mit wenigen Millimetern Länge sinnvoll zu realisieren sind. Aus diesem Grund werden Schaltungen möglichst räumlich konzentriert aufgebaut und werden Signale außerhalb der Schaltung mit verlustärmeren Leitungsstrukturen, z.B. Hohlleitern oder dielektrischen Wellenleitern oder aber quasioptisch weitergeleitet. Derartige Wellentypumwand­ lungen von Streifenleitungswellen auf die von den nach außen führenden Leitungen geführten Moden sind mit einem erheblichen Aufwand verbunden und können nur mit mecha­ nisch präzisen Bauteilen realisiert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat­ tungsgemäßes Halbleitersubstrat anzugeben, das einen kostengünstig sowie zuverlässig herstellbaren Wellentypum­ wandler enthält.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird die monolithische Integration von planaren Leitungsstrukturen sowie von Dioden- und Feld­ effekttransistor-Strukturen vorgeschlagen. Bei den Dioden­ strukturen handelt es sich um Sperrschichtdioden, Schottky- Dioden, PIN-Dioden und Lawinenlaufzeitdioden. Feldeffekt­ transistorstrukturen können bei Verwendung von GaAs als Substratmaterial realisiert werden. Durch die im folgenden beschriebene Kombination derartiger monolithisch inte­ grierbarer Bauelemente lassen sich alle Komponenten von Millimeterwellensendern und Millimeterwellenempfängern in monolithisch integrierter Bauweise realisieren.

Der besondere Vorteil der planaren monolithischen Inte­ gration von Millimeterwellen-Schaltelementen mit Streifen­ leitungsantennenstrukturen liegt darin, daß sämtliche Millimeterwellen-Komponenten eines Senders oder Empfängers auf einem Halbleitersubstrat integriert werden können, daß keine Millimeterwellen führenden Leitungen zur Schaltung führen bzw. von der Schaltung wegführen, daß daher auch keine aufwendigen Anpassungselemente zur Ankopplung von Millimeterwellenleitungen an die Schaltungen erforderlich sind und daß des weiteren in vielen Fällen davon ausge­ gangen werden kann, daß keine externen Abstimmelemente für die Schaltungen benötigt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten beispielhaften Ausführungsformen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anord­ nung eines monolithisch integrierten Millimeterwellen- Senders. Ein Halbleitersubstrat 1 ist auf der Unterseite ganzflächig mit einer Metallisierung 2 (Fig. 2) versehen. Eine Lawinenlaufzeitdiode 3 ist im Zentrum des planaren Scheibenresonators 4 monolithisch integriert. Über eine Leitung 5 wird ein planares Streifenleitungsantennenarray 6 an den Scheibenresonator 4 angekoppelt. Die Gleichspan­ nungszuführung erfolgt über die Leitung 7. Die planaren Blockkondensatoren 8 verhindern die Abstrahlung von Milli­ meterwellenleistung über die Gleichspannungszuführung.

Die Schaltung nach Fig. 1 kann im Frequenzbereich bis etwa 140 GHz mit verschiedenen Halbleitermaterialien, vorzugs­ weise jedoch Silizium, realisiert werden. Bei Verwendung von Silizium wird von hochreinem Material mit einem spezi­ fischen Widerstand größer als 2000 Ohm cm ausgegangen. Für Frequenzen im Bereich von 100 GHz wird das Silizium-Sub­ strat mit einer Dicke kleiner 200 µm gewählt, um das Entstehen höherer Leitungsmoden zu verhindern. Im Interes­ se der mechanischen Stabilbität und zur Erzielung mini­ maler Leitungsverluste sollte diese Substratdicke jedoch auch nicht wesentlich unterschritten werden. Im Bereich der Lawinenlaufzeitdiode hat das Halbleitermaterial eine Dicke in der Größenordnung von etwa 5µm.

Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung durch den Scheibenreso­ nator 4 mit der Lawinenlaufzeitdiode 3 im Zentrum. Im Bereich der Lawinenlaufzeitdiode 3 wird das Halbleiter­ material 1 zum Beispiel durch Abätzen in seiner Dicke auf etwa 5µm reduziert. Die p⁺pnn⁺-Schichtenfolge der Lawinen­ laufzeitdiode 3 wird durch bekannte Technologieschritte realisiert. Zur Kontaktierung der Lawinenlaufzeitdiode von der Unterseite sowie zur Erzielung einer ausreichend guten Wärmeabfuhr wird der Ätzgraben metallisch aufgefüllt zum Beispiel durch Aufdampfen und anschließendes galvanisches Verstärken einer Goldschicht.

Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung eines erfindungs­ gemäßen monolithisch integrierten Millimeterwellen-Empfän­ gers. Ein Halbleitersubstrat ist auf der Unterseite mit einer ganzflächigen Metallisierung 2 (Fig. 2) versehen. Die Strei­ fenleitungselemente 9 und 9′ bilden einen koplanaren Streifenleitungsresonator, in welchem ein Halbleiterbau­ element 3, z.B. eine planare Schottky-Diode, eingefügt ist. Mit den Bezugszeichen 7 und 7′ sind die Gleichspannungs- Zuleitungen mit 8 und 8′ sind die planaren Blockkondensatoren bezeichnet. Über die Leitung 5 ist die planare Streifen­ leitungsantennenstruktur 6 kapazitiv an den koplanaren Resonator des Empfängers angekoppelt. Die koplanare Dioden­ struktur in Fig. 3 ist leichter zu realisieren als die von beiden Seiten zu kontaktierende Lawinenlaufzeitdiodenstruk­ tur nach Fig. 1. Das an sich aufwendigere Verfahren nach Fig. 1 ist erforderlich, um einerseits eine gute Wärmeab­ fuhr zu gewährleisten und andererseits eine gute elektri­ sche Ankopplung der besonders niederohmigen Lawinenlauf­ zeitdioden zu erzielen.

Claims (9)

1. Halbleitersubstrat mit mindestens einem monolithisch integriertem Schaltkreis, bestehend aus planaren Leitungs­ strukturen und mitintegrierten passiven und/oder aktiven Halbleiterbauelementen, insbesondere für den Millimeter- Wellenbereich, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halb­ leitersubstrat (1) in integrierter Form mindestens eine Strahlerstruktur (6) vorhanden ist, die durch Strahlungs­ kopplung eine Verkopplung der Millimeterwellensignale des Schaltkreises mit dem umgebenden Außenraum ermöglicht.

2. Halbleitersubstrat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlerstruktur (6) aus mindestens einer kammförmig ausgebildeten Leitungsstruktur (6′) besteht, deren geometrische Abmessung an die zu koppelnden Millimeterwellensignale angepaßt sind.

3. Halbleitersubstrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerstruktur (6) angekoppelt ist an einen integrierten Resonator (4), der ein Halblei­ terbauelement (3) enthält.

4. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau­ element (3) mindestens einen pn-Übergang besitzt und daß ein Anschluß des Halbleiterbauelementes mit einer Metallisierung (2) auf der Unter­ seite des Halbleitersubstrates (1) verbunden ist (Fig. 2).

5. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Metal­ lisierung (2) verbundene Anschluß des Halbleiterbauele­ ments (3) als metallische Wärmesenke ausgebildet ist (Fig. 2).

6. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau­ element (3) als planares Halbleiterbauelement mit minde­ stens einem pn-Übergang ausgebildet ist und daß das Halbleiterbauelement in einen koplanaren Streifenleitungs­ resonator eingefügt ist (Fig. 3).

7. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerstruk­ tur (6) im wesentlichen kapazitiv an den Leitungsresonator (4) angekoppelt ist.

8. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersub­ strat (1) aus einkristallinem Material besteht.

9. Halbleitersubstrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersub­ strat (1) aus einkristallinem Silizium oder einem ein­ kristallinem III/V-Halbleitermaterial besteht.