DE3613258C2 - Millimeterwellen-Schaltungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Miillimeterwellen-Schaltungsanord­ nung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektrische Schaltungen für den Millimeterwellenbereich, d. h. für Frequenzen oberhalb etwa 30 GHz haben eine große Bedeutung im Bereich der Hochfrequenztechnik. Derartige Schaltungen wer­ den z. B. in Sendern und Empfängern für Millimeterwellenüber­ tragungsstrecken für Kleinradargeräte sowie in Zukunft auch in verstärktem Umfang für die verschiedensten Sensoranwendungen benötigt. Im Bereich der Millimeterwellen lassen sich mit kleinen Antennenabmessungen bereits gute Richtwirkungen der Sende- und Empfangsantennen erzielen und damit besonders kom­ pakte Geräte realisieren. Einer Vielzahl von Anwendungen steht der durch eine aufwendige Fertigungstechnologie von Millime­ terwellenschaltungen bedingte hohe Preis entgegen. Eine ko­ stengünstige Fertigung läßt sich durch monolithische Integra­ tion der Komponenten erzielen.

Entsprechend dem Stand der Technik lassen sich Mikrowellen­ schaltungen auf Halbleitersubstrat monolithisch integrieren, wobei einzelne passive und aktive Bauelemente durch planare Leitungsstrukturen miteinander verbunden werden und teilweise auch passive Bauelementenfunktionen durch planare Leitungs­ strukturen realisiert werden. Eine ausführliche Darstellung dieser Techniken wird in der Druckschrift "Integrierte Mikro­ wellenschaltungen" von R. K. Hoffmann, Berlin 1983 gegeben. Als Halbleitermaterialien kommen dafür vorzugsweise Galliumarse­ nid, oberhalb von 40 GHz jedoch auch Silizium in Frage. Des weiteren ist künftig auch mit der Verwendung von Indiumphos­ phid und anderen Materialien zu rechnen. Mit zunehmend höheren Frequenzen machen sich die Skineffekt-Verluste störend bemerk­ bar, so dab planare Leiterstrukturen oberhalb 40 GHz nur mit wenigen Millimetern Länge sinnvoll zu realisieren sind. Aus diesem Grund werden Schaltungen möglichst räumlich konzen­ triert aufgebaut und werden Signale außerhalb der Schaltung mit verlustärmeren Leitungsstrukturen, z. B. Hohlleitern oder dielektrischen Wellenleitern oder aber quasioptisch weitgerge­ leitet.

Aus einer Schrift von Nightingale (Nightingale, S. J. et al.: A 30-GHz Monolithic Single Balanced Mixer with Integrated Dipole Receiving Element in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-33, No. 12, Dec. 1985, S. 1603 bis 1610) ist eine Schaltungsanordnung zum Empfang von Milli­ meterwellen bekannt, bei welcher in monolithisch integrierter Bauweise auf einem GaAs-Substrat eine Mischerdiode mit plana­ ren Leitungsstrukturen und einer planaren Antenne vereint ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Millimeterwel­ len-Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, die mit geringer Außenbeschaltung einfach aufzubauen ist.

Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, daß die Schal­ tungsanordnung durch Einbeziehen der resonanzbestimmenden Ele­ mente in die monolithische Integration in der beschriebenen Weise die notwendige Außenbeschaltung minimiert. Dabei ist die Schaltungsanordnung durch die planare Ausführung der Resonato­ ren mittels allgemein gebräuchlicher Verfahren zur Strukturie­ rung einer Metallschicht auf einfache Weise und mit hoher Prä­ zision möglich. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß sämtli­ che Millimeterwellen-Komponenten eines Senders oder Empfängers auf einem Halbleitersubstrat integriert werden können, daß keine Millimeterwellen führenden Leitungen zur Schaltung füh­ ren bzw. von der Schaltung wegführen und damit auch keine aufwendigen Anpassungselemente zur Ankopplung von Millimeter­ wellenleitungen an die Schaltungen erforderlich sind.

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 Ohmcm 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 5 µm.

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 5 µm 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 (5)

1. Millimeterwellen-Schaltungsanordnung, bei welcher auf einem Halbleitersubstrat monolithisch integriert planare Lei­ tungsstrukturen, eine Strahlerstruktur sowie passive und/oder aktive Halbleiterbauelemente (3) angeordnet sind, dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß eines der Halbleiterbauelemente (3) in einem planaren Resonator (4, 9, 9') monolithisch integriert ist,
• - daß der planare Resonator (4, 9, 9') an die Strahlerstruk­ tur (6) über deren Leitung (5) im wesentlichen kapazitiv angekoppelt ist).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerstruktur (6) aus mindestens einer kammförmig ausgebil­ deten Leitungsstruktur (6') besteht.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Halbleiterelemente (3) minde­ stens einen pn-Übergang besitzt und daß ein Anschluß dieses Halbleiterbauelementes mit einer Metallisierung (2) auf der Unterseite des Halbleitersubstrates (1) verbunden ist (Fig. 2).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Metallisierung (2) verbundene Anschluß des Halbleiter­ bauelementes (3) als metallische Wärmesenke ausgebildet ist (Fig. 2).

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Halbleiterbauelemente (3) als planares Halblei­ terbauelement mit mindestens einem pn-Übergang ausgebildet ist und daß dieses Halbleiterbauelement in einen koplanaren Strei­ fenleitungsresonator (9, 9') eingefügt ist (Fig. 3).