DE3855146T2

DE3855146T2 - Monolithischer Mikrowellen-Sender/Empfänger

Info

Publication number: DE3855146T2
Application number: DE3855146T
Authority: DE
Inventors: Burhan Bayraktaroglu; Natalino Camilleri
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1988-06-22
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2008-06-23
Also published as: JPH01112827A; EP0296838A3; EP0296838B1; EP0296838A2; DE3855146D1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektronik-Halbleiter- Vorrichtungen und spezieller monolithische Mikrowellen- und Millimeterwellen-vorrichtungen und Systeme.

2. Beschreibung des relevanten Standes der Technik

Mikrowellen- und Millimeterwellensender sind gewöhnlich um diskrete Komponenten herum konstruiert. Ein Sender erfordert eine Energiequelle (freischwingender oder geregelter Oszillator) und ein Strahlungselement (Antenne); jedoch sind die Technologien, die typischerweise fur die Herstellung des Oszillators und der Antenne verwendet wurden, unvereinbar. Daher sind Hybrid-Sender, bei denen der Oszillator und die Antenne auf getrennten Substraten vorgesehen sind, Standard. Monolithische Millimeterwellen-Oszillatoren verwenden häufig IMPATT Dioden, wobei die Oszillationsfrequenz durch die Schaltungsimpedanz und spezifische Diodenzustände oder durch Injektions-Blockierungssignale bestimmt wird; und die oszillatorenergie wird typischerweise über eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung nach außen gekoppelt und wird in einen Mikrostreifen-Pfad oder einen Hohlleiterstrahler eingeleitet. Siehe beispielsweise R.Dinger et al, A 10 Ghz Space Power Combiner with Parasitic Injection Locking, 1986 IEEE MTT Symposium Digest 163 and K.Carver et al, Microstrip Antenna Technology, 29 IEEE Tr.Ant.Prop. 2 (1981).
Bei einem Sender, der auf einem Band von Frequenzen arbeitet, sind die Antenne und der Oszillator gemäß einer engen Impedanzanpassung ausgelegt und zwar über die gesamte Bandbreite des Betriebes hinweg, um Fehlanpassungsverluste minimal zu halten.
Jedoch sind die bekannten Sender mit Problemen wie Fehlanpassungsverlusten, Designschwierigkeiten und Hybrid-Herstellungskosten und Schwierigkeiten behaftet.
Ferner schließt ein Hybrid-Sender die Möglichkeit einer monolithischen Integration des Senders mit anderen Vorrichtungen wie beispielsweise Mischstufen, Detektoren, Kondensatoren und Transistoren aus.
Komplexe Mikrowellen- und Millimeterwellen-Schaltungen werden zunehmend monolithisch auf einzelnen Chips integriert und zwar mit Mikrostreifen-Übertragungsleitungsverbindungen. Jedoch erfordern viele Schaltungen und Systeme Hohlleiterkomponenten (z.B. Niedrigverlust-Filter) und ein Hohlleiter bleibt eine der besten Übertragungsleitungen. Viele hochqualitative Systeme werden weiter unter Verwendung von Hohlleiterkomponenten konstruiert und es werden die meisten Meß-Instrumentierungen um Hohlleiter-Übertragungsleitungen herum ausgebildet. Es entstanden daher verschiedene Verfahren zur Herstellung von Hohlleiter-Mikrostreifen-Übergängen. Siehe beispielsweise J. van Heuven, A New Integrated waveguide-Microstrip Transition, 24 IEEE Tr.Mic.Th.Tech.144 (1976); C. Verner et al, Quarter-Wave Matching of Waveguide-to-Finline Transitions, 32 IEEE Tr.Th.Tech. 1645 (1984); und R. Neidert, Waveguide-to-coax-to- Microstrip Transitions for Millimeter-Wave Monolithic Circuits, Microwave Journal 93 (Juni 1983). Diese und andere Übergänge wie beispielsweise als E-Sonde und der Steg-Typ besitzen eine begrenzte Bandbreite und Übergangsverluste.
Monolithische Mikrowellen- und Millimeterwellen-Oszillatoren verwenden häufig IMPATT Dioden, wobei die Oszillationsfrequenz durch die Schaltkreisimpedanz und spezifische Dioden- Zustände oder durch Injektions-Blockierungssignale bestimmt wird; und es wird typischerweise die oszillatorenergie über eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung nach außen gekoppelt und in einen Mikrostreifenpfad oder Hohlleiterstrahler eingespeist. Siehe beispielsweise R. Dinger et al, A 10 Ghz Space Power Combiner with Parasitic Injection Locking, 1986 IEEE MTT Symposium Digest 163 und K. Carver et al, Microstrip Antenna Technology, 29 IEEE Tr.Ant.Prop. 2 (1981). Für einen Sender, der über ein Band von Frequenzen hinweg arbeitet, sind die Antenne und der Oszillator für eine enge Impedanzanpassung ausgelegt und zwar über die gesamte Betriebsbandbreite hinweg, um Fehlanpassungsverluste minimal zu halten.
Jedoch sind die bekannten monolithischen Sender (und Empfänger) mit Problemen behaftet wie Fehlanpasssungsverlusten und Hohlleiter-zu-Mikrostreifen-Übergangs-Bandbreiteneinschränkungen und Verlusten.
Das Mikrowellen-Journal Vol. 30, Nr. 3, März 1987, Seiten 109 bis 110, 114 und 116-117 offenbart einen Mikrowellensender, der einen kreisförmigen Mikrostreifenpfad umfaßt, der sowohl als eine Antenne als auch als Resonator dient und wobei eine IMPATT Diode als Nebenschluß zwischen den Pfad und die Masseebene geschaltet ist; der Sender ist auf einem RT/Duroid 5880 Substrat mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten von 2,2 ausgebildet.
Die US-A 3 778 717 offenbart einen Mikrowellensender mit einem rechteckförmigen Mikrostreifenpfad, der sowohl als Resonator und mit Hilfe eines Schlitzes in dem Pfad als Antenne dient. Eine Gunn-Diode ist zwischen den Mikrostreifenpfad und einem Kupfersubstrat, welches als Erdungsebene dient, geschaltet. Der Isolator, der zwischen dem Pfad und der Erdungsebene gelegen ist, besteht aus einem Styren-copolymer.
Die Zeitschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol MTT-33, NO. 12, Dezember 1985, Seiten 1603-1610 offenbart eine Mikrowellenmischstufe, die auf einem Galliumarsenid-Substrat ausgebildet ist und Shottky Sperr- oder Mott Dioden enthält. Signale von einem örtlichen Oszillatorport und einem Zwischenfrequenzport werden zu den Dioden entlang einem Aluminiumsubstrat geführt und dann entlang einem Mikrostreifen und koplanaren Streifenleitungen auf dem Galliumarsenid- Substrat.
Das gemischte Signal wird entlang den koplanaren Streifen zu einer bogengewölbeartig gestalteten (bow tie shaped) Dipol- Antenne geführt, die auch auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist.

Zusamenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft einen Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Sender oder Empfänger, der einen Oszillator enthält, mit
einer aktiven Vorrichtung, und
einem Mikrostreifen-Flächenbereich, der bei Verwendung gleichzeitig als Resonator als auch als Antenne funktioniert,dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Vorrichtung und der Mikrostreifen-Flächenbereich auf dem gleichen Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Senders, mit den folgenden Verfahrensschritten:
Erzeugen eines geschichteten Halbleitersubstrats mit einer ersten Oberfläche,
Ätzen des geschichteten Halbleitersubstrats, um vertikale Dioden auf Vielfachmesas auf der ersten Oberfläche des Substrats auszubilden,
Ausbilden eines Mikrostreifen-Flächenbereich auf der Oberfläche zwischen zweien der Mesas, und
Ausbilden von Luftbrücken von den Dioden auf den zwei Mesas zu dem genannten Flächenbereich.
Der monolithische Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Sender/Empfänger der vorliegenden Erfindung besitzt seine Energiequelle, seine Impedanz-Anpassungsschaltungen und das Strahlerelement auf einem einzelnen Halbleiterchip, indem eine Oszillatorschaltung mit einer Antenne so kombiniert wird, daß die Eigenschaften dieser zwei Elemente sich automatisch anpassen. Da der Oszillator und die Antenne eine integrierte Einheit bilden entstehen keine Fehlanpassungsverluste. Ferner ist bei bevorzugten Ausführungsformen der Oszillator als eine freischwingende IMPATT Diode ausgeführt, die auf einem halbisolierenden Galliumarsenid (GaAs) Substrat hergestellt ist, wobei ein Halbwellenlängen-Mikrostreifen-Flächenbereich-Strahler ebenso auf dem halbisolierenden GaAs Substrat hergestellt ist, der Strahler als Resonator für den Oszillator wirkt, wobei die Abmaße des Flächenbereiches sowohl die Oszillatorfrequenz als auch die Strahlungsfrequenz für die automatische Anpassung bestimmen. Die Dioden übernehmen die örtlichen Oszillator- und Mischfunktionen für Signale, die von dem Strahler empfangen werden. Andere aktive Vorrichtungen wie beispielsweise Mischerdioden, Transistoren und passive Schaltkreiselemente wie beispielsweise Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten, Richtungskoppler und Übertragungsleitungen können ebenfalls auf dem gleichen halbisolierenden GaAs Substrat integriert werden, um monolithische Systeme zu bilden, die bei Mikrowellen/Millimeterwellen- Radargeräten und Kommunikationssystemen verwendet werden können.
Die Verwendung eines Strahlers auch als Resonator für einen Oszillator löst die Probleme der Fehlanpasung des Oszillators mit dem Strahler und erlaubt eine Integration des Strahlers und des Oszillators auf einem einzelnen Substrat.
Ferner wird bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch ein monolithischer Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Sender/Empfänger geschaffen, der auf einer Hohlleiterende-Erdungsebene montiert ist, wobei eine Oszillatorschaltung und ein Mikrostreifen-Flächenbereich-Strahler auf einem einzigen Substrat vorgesehen sind und in den Hohlleiter einstrahlen. Da der Oszillator und der Strahler eine integrierte Einheit bilden, entstehen keine Fehlanpassungsverluste und das Strahlungsmuster von dem Strahler ist in etwa dem Strahlungsmuster von dem Ende einer Hohlleiter-Übertragungsleitung angepasst, so daß die Kopplung der Energie von dem Sender an den Hohlleiter gut ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen besteht der Oszillator aus einer freischwingenden IMPATT Diode, die auf einem halbisolierenden Galliumarsenid (GaAs) Substrat hergestellt ist, wobei auch ein Halbwellenlängen-Mikrostreifen-Flächenbereich-Strahler auf dem halbisolierenden GaAs Substrat hergestellt ist; der Strahler als Resonator für den Oszillator wirkt, wobei die Abmaße des Bereiches sowohl die Oszillatorfrequenz als auch die Frequenz der Strahlung für eine automatische Anpassung bestimmen. Der Strahler ist in den Hohlleiter orientiert und besitzt Strahlungsfelder E und H, die parallel zu denjenigen des Hohlleiters verlaufen. Die Dioden führen die Funktionen des örtlichen Oszillators und der Mischstufe aus, und zwar für die Signale, die von dem Strahler empfangen werden. Andere aktive Vorrichtungen wie beispielsweise Mischstufen-Dioden, Transistoren und passive Schaltkreiselemente wie die Kondensatoren, Widerstände, Induktivitäten, Richtungskoppler und Übertragungsleitungen können ebenfalls auf dem gleichen halbisolierenden GaAs Substrat integriert werden, um monolithische Systeme zu bilden, die bei Mikrowellen/Millimeterwellen-Radar und Kommunikationssystemen nützlich sind.
Die Verwendung eines Strahlers auch als Resonator für einen Oszillator, der an dem Ende eines Hohlleiters montiert ist, löst die Probleme hinsichtlich einer Fehlanpassung des Oszillators mit dem Strahler und vermeidet Probleme hinsichtlich des Mikrostreifen-zu-Hohlleiterübergangs.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Zeichnungen sind der Klarheit halber schematisch gehalten.
Figuren 1A-B sind Draufsicht- und Querschnittsaufrißansichten einer ersten bevorzugten Ausführunqsform;
Fig. 2 ist eine Querschnitts-Aufrißansicht, welche die elektrischen und magnetischen Felder in der ersten bevorzugten Ausführungsform veranschaulicht;
Fig. 3 ist eine schematische äquivalente Schaltung für das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel;
Figuren 4A-F sind Querschnitts-Aufrißansichten eines Verfahrens gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung der ersten bevorzugten Ausführungsform;
Figuren 5A-B sind Draufsicht- und Querschnitts-Aufrißansichten einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 3 ist eine Draufsicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform; und
Fig. 7 ist eine Draufsicht auf eine vierte bevorzugte Ausführungsform.
Figuren 8A-B sind auseinandergezogene perspektivische Aufrißansichten und Querschnitts-Aufrißansichten einer fünften bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform, die in einem Hohlleiter montiert ist; und
Fig. 10 ist eine Draufsicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform, die in einem Hohlleiter montiert ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die Figuren 1A-B sind Draufsicht- und Querschnitts-Aufrißansichten einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Senders, der allgemein mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet ist und ein halbleitendes Galliumarsenid (GaAs) Substrat 32, IMPATT Dioden 34 und 36, einen Halbwellenlängen-Mikrostreifen-Flächenbereich 38, Luftbrücken 40 und 42, welche Dioden 34 und 36 jeweils mit dem Bereich 38 verbinden, obere Metallkontakte 44 und 46 jeweils für die Dioden 34 und 36, Bodenmetallkontakte 50 und 52 jeweils für die Dioden 34 und 36, metallisierte Durchführungen 54 und 56, welche die rückseitige Erdungsebene 58 der Bodenkontakte 50 und 52 jeweils verbinden, und ein Diodenvorspann-Anschlußglied 60 (pad), welches an die Mitte des Flächenbereiches 38 durch eine Viertel-Wellenlänge lange Hochimpedanz- Mikrostreifenleitung 62 angeschlossen ist, enthält. Für einen Betrieb bei ca. 50 GHZ ist der Bereich 38 ca. 1 mm lang (horizontale Richtung in den Figuren lA-B), ist ca. 125 µm breit und 2 µm dick, das Substrat 32 ist 125 µm dick, die Dioden 34 und 36 haben jeweils einen Durchmesser von 5 µm und sind 1,2 µm hoch und die Luftbrücken 40 und 42 sind ca. 20 µm lang und 5 µm breit, so daß die horizontale Trennung des Bereiches 38 von den Dioden 34 und 36 ca. 10 µm beträgt.Der Flächenbereich 38 bildet zusammen mit der Erdungsebene 58 den Strahler als einen Hohlraum, der strahlt. Der direkte Strom, um die Dioden 34 und 36 in den Durchbruchzustand vorzuspannen, wird an dem Anschluß 60 zugeführt; es sei erwähnt, daß der vorherrschende Mode des Strahlers ein elektrisches Feld von Null in der Mitte aufweist, wo die Leitung 62 an den Flächenbereich 38 angeschlossen ist, so daß ein minimaler Energieverlust aufgrund der Vorspannanordnung auftritt.
Es kann eine Analyse eines allgemein rechteckförmigen Mikrostreifen Flächenbereich-Strahlers durchgeführt werden unter Verwendung eines modalen Expansionshohlraummodels, wenn das Substrat elektrisch dünn ist; siehe die K.Carver et al Literaturstelle, die weiter vorne angeführt ist. Die Betriebsweise des Senders 30 sei erläutert, indem zunächst diese allgemeine Analyse angewendet wird, welche den Flächenbereich 38 über der Erdungsebene 58 als dünnen TM-Mode-Hohlraum betrachtet, der magnetische Seitenwände besitzt. Das Substrat 32 ist elektrisch dünn (125 µm dick bei einer Dielektrizitätskonstante von 12,9) verglichen mit der Länge des Flächenbereiches 38,so daß das elektrische Feld zwischen dem Flächenbereich 38 und der Erdungsebene 58 angenähert in der z-Richtung verläuft, wenn x und y die Koordinaten in der Ebene des Flächenbereiches 38 sind. Somit sind die inneren Modes TMmn zu z, so daß
worin cm,n die Mode-Amplituden und m,n (x, y) die z-gerichteten ortho-normalisierten elektrischen Feldmode-Vektoren sind. Wenn der Hohlraum nicht strahlend ist mit Seitenwänden gemäß einem offenen Kreis, dann gilt
wobei x und y die Koordinatenachsen entlang den Kanten oder Rändern des Flächenbereiches (Verbindungsstreifens) 38 sind, a die Weite des Flächenbereiches 38 ist, b die Länge des Flächenbereiches 38 ist, t die Dicke des Substrats 32 ist und G die Dielektrizitätskonstante ist. Die entsprechenden magnetfeld-ortho-normalisierten Mode-Vectoren hm,n (x,y) sind proportional zu
(mπ / b) cos(nπx / a) sin(mπy / b) + / a) sin(nπx / a) cos(mπy / b)
worin m,n senkrecht zu den Hohlraumseitenwänden verläuft, was für keine Strahlung erforderlich ist. Fig. 2 veranschaulicht schematisch die elektrischen und magnetischen Felder für den TM&sub1;&sub0; Mode entlang dem gleichen Querschnitt wie in Fig. 1B; die Hohlraumseitenwände sind durch strichlierte Linien angezeigt.
Wenn der Hohlraum strahlen soll, werden die Modewellenzahlen komplex, m,n entwickelt eine tangentiale Komponente an den Hohlraumseitenwänden, jedoch sind die elektrischen Feld-Modevektoren weiterhin genau angenähert durch m,n, wobei die komplexen Wellenzahlen kn und km nπ/a und mπ/b ersetzen. kn ist geringfügig kleiner als nπ/a und km ist geringfügig kleiner als mπ/b; damit strahlt der TM&sub1;&sub0; Mode mit einer Wellenlänge geringfügig größer als 2b &epsi; . Wenn die Belastung der Dioden 34 und 36 enthalten ist, erhöht sich die Wellenlänge weiter geringfügig.
Die Eingangsimpedanz für den strahlenden Hohlraum kann angenähert werden, indem man eine Stromsonde an einer der Luftbrücken 40 und 42 betrachtet, und indem man Reihenausdehnungskoeffizienten für E berechnet und zwar bei angenäherten elektrischen Modevektoren. Das Ergebnis (s. den Artikel von Carver et al) besteht aus einer Summe über m ≥ 0 und n ≥ 0; der Ausdruck (0, 0) ist die statische Kapazität mit einem Shunt-Widerstand, um den Verlust in dem Substrat 32 wiederzugeben, der Term (1,0) gibt den dominanten Mikrowellenmode wieder und besitzt eine räumliche Variation, die angenähert wird durch das nicht strahlende 1,0 (welches sich gemäß cos (πy/b) entlang der Länge des Verbindungsstreifens 38 ändert und über die Breite hinweg konstant ist) und die Modes höherer Ordnung besitzen eine vernachlässigbare Verlustesumme, um eine Netto-Induktanz L zu bilden.Der (1,0)Mode-Term ist äquivalent einem parallelen R- L-C Netzwerk, wobei R die Strahlung, das Substrat und die Leiterverluste wiedergibt. Fig. 3 zeigt eine schematische äquivalente Schaltung für den Sender 30 über einem schmalen Band in bezug auf einen isolierten TM&sub1;&sub0; Mode, bei dem der Strahler durch diese Eingangsimpedanz ersetzt worden ist (mit Indizes 10 für R-L-C des (1,0) Modes bezeichnet) und wobei jede der Dioden 34 und 36 durch eine äquivalente negative Konduktanz -G plus einer Verbindungskapazität Cj ersetzt worden ist. Die Resonanzfrequenz tritt auf, wenn die Induktanzen und die Kapazitäten sich aufheben, und wenn R&sub1;&sub0; - 2G = 0; d.h. die durch die Dioden 34 und 36 erzeugte Energie wird durch R&sub1;&sub0; absorbiert, was in erster Linie der Strahlungswiderstand ist (d.h. sie wird ausgestrahlt)
Die Konstruktion des Senders 30, bei gegebenem Substratmaterial und Dicke und einer gewünschten Frequenz f verläuft allgemein gemäß den Schritten von (1) Auswählen der Länge b des Verbindungsstreifens 38 gemäß der Hälfte der gewünschten Wellenlänge multipliziert mit einem Längenreduktionsfaktor q um Streufeldern Rechnung zu tragen und der Belastung der Dioden 34 und 36:
b = q c/2f &epsi;'
(2) Auswählen der Breite a des Flächenbereiches (Verbindungsstreifens) 38 durch Berechnen einer angenäherten Hohlraumseitenwandimpedanz als Funktion von a und Einstellen von a, so daß diese Impedanz der Freiraumimpedanz von 377 Q angepaßt ist, und
(3) Berechnen von Q des Hohlraums; wenn Q zu niedrig ist, ist der Resonatoreffekt schwach, und wenn Q zu groß ist, ist der Strahler nicht effizient. Um Q zu ändern, ist es erforderlich die ursprünglichen Substratdickedaten aufzuheben, vorausgesetzt, daß das gleiche Substratmaterial und Betriebsfrequenz weiterhin gewünscht werden. Wenn die Substratdicke eingestellt ist, werden b und a neu berechnet.
In der Praxis berechnen Computersimulationen wie SUPERCOMPACT für eine Vielzahl von a-und b-Werten die Oszillatorfrequenz und den Strahler-Wirkungsgrad und konstruieren im Endeffekt den Sender. Es sei erwähnt, daß dann, wenn die Frequenz sehr hoch ist (100 GHZ) die erlaubte effektive Dicke des Substrats durch die Daumenregel beschränkt ist mit der Forderung, daß die zweite Harmonische noch eine TM Schwingungsform ist und keine Oberflächenschwingungsform. Ein dünnes Substrat erfordert ein kleines a. Obwohl ein Substrat mit einer kleineren Dielektrizitätskonstanten (wie beispielsweise Teflon mit einer Konstanten von ca. 2,4) und einer niedrigeren Verlusttangente als GaAs rein vom Gesichtspunkt des Strahlers aus gesehen zu bevorzugen ist, stellt GaAs einen Kompromiß dar, der eine monolithische Integration der Dioden und des Strahlers plus anderer Vorrichtungen erlaubt.
Das Weitfeld-Strahlungsmuster in der TM&sub1;&sub0; Schwingungsform (Mode) kann als Modell ausgeführt werden und zwar als zwei parallele einheitliche magnetische Leitungsquellen der Länge a (entsprechend den kurzen Enden des Verbindungsstreifens 38), die um den Abstand b getrennt sind (die Länge des Verbindungsstreifens 38).
Weitere Eigenschaften des Senders 30 können aus einer Betrachtung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung verstanden werden, welches die folgenden Schritte umfaßt:
(a) Wachsen lassen einer einzelnen Halbleiter-Vielschichtkristallstruktur 66 durch eine molekulare Strahl-Epitaxie (MBE), metall-organische chemische Dampfniederschlagung (MOCVD) oder ähnliche Techniken beginnend mit dem Galliumarsenid (GaAs) Substrat 70 und Hinzufügen nachfolgender Schichten mit einer Zusammensetzung, Dicke und Dotierungswerten, wie sie sich aus der folgenden Tabelle ergeben; siehe Figur 4A, die eine Querschnittsdarstellung wiedergibt. Schicht Zusammensetzung Dicke Dotierung (cm&supmin;³) groß undotiert
Es sei erwähnt, daß die Verfahren MBE und MOCVD mit einer Dotierung an Ort und Stelle zu sehr scharfen Übergängen zwischen den Driftschichten 78 und 80 führen; dies vermeidet den Abfall von negativer Konduktanz bei hohen Frequenzen begleitet von einer Dotierungsübergangszone an der Grenzschicht (junction).Das GaAs Substrat 70 ist halbisolierend.
(b) Ausbilden von oberen Diodenkontakten 44 und 46 durch Aufschleudern eines Photowiderstandmaterials und Gestaltung eines Musters desselben, um Kontakte 44 und 46 als Kreise mit einem Durchmesser von 5.m festzulegen, Kathodenauf steuben von 0,1 µm von TiW (eine Legierung mit ca. 10% Titan und 90% Wolfram) und 0,4 µm Gold und Wegätzen um das Photomaterial herum, welches in ein Muster gebracht wurde, um dadurch Kontakte 44 und 46 zurückzulassen. Siehe hierzu Figur 48, die lediglich den Kontakt 44 zeigt. Das Gold dient in erster Linie dem Zweck eine Oxidation von TiW zu verhindern und das TiW wird ausgewählt aufgrund dessen guter Haftfähigkeit an GaAs und aufgrund dessen niedriger metallurgischer Reaktion damit.
(c) Ätzen der Schichten 80, 78, 76 und 74 unter Verwendung des Kontaktes 44 als Ätzmaske und zwar durch ein zeitlich gesteuertes Feuchtätzverfahren, um bei der Schicht 74 zu stoppen; dadurch werden die Dioden 34 und 36 mit einem Basisdurchmesser von 5 µm ausgebildet. Das Ätzmittel kann aus einer Lösung von Wasserstoffperoxyd mit 5% Ammoniumhydroxyd bestehen und die große Dicke der Schicht 74 erlaubt es, ein einfaches Anhalten des Ätzvorgangs in der Schicht 74 zu realisieren. Die isotrope Natur dieses Ätzvorgangs führt zu einem Überhang von dem Kontakt 44; siehe Figur 4C, wobei bemerkt sei, daß der vertikale Maßstab der Klarheit halber übertrieben gewählt ist, so daß die charakteristische kreisförmige isotrop geätzte Fläche unter dem Überhang pyramidenförmig erscheint.
(d) Ausbilden von Dioden-Bodenkontakten 50 und 52 durch Aufschleudern eines Photowiderstandsmaterials und Gestaltung desselben in ein Muster, um Kontakte 50 und 52 festzulegen und zwar als Quadrate mit 75 mm Kanten, Verdampfen von 0,1 mm von Titan und 0,4 mm Gold und Abheben des in eine Mustergestalt gebrachten Photowiderstandsmaterials und des darauf vorhandenen Metalls. Die oberen Diodenkontakte 44 und 46 wirken als Masken während des Verdampfungsverfahrens und führen zu selbst ausgerichteten Bodenkontakten 50 und 52 aufgrund der Überhänge; siehe Figur 4D. Die oberen Kontakte 44 und 46 sind beide durch Aufdampfverfahren in der Dicke erhöht und die Selbstausrichtnatur der Bodenkontakte 50 und 52 minimiert den parasitären Reihenwiderstand.
(e) Es wird die Schicht 74 einem anisotropen Plasmaätzverfahren unterworfen und auch 0,1 mm des Substrats 70 unter Verwendung der Metallkontakte 74, 76, 50 und 52 als Ätzmaske. Dies isoliert die Dioden auf den Mesas auf dem halbisolierenden Substrat 70. Es wird dann erneut eine Mikrostreifenverbindung 38 auf dem Substrat 70 durch ein Aufdampfverfahren ausgebildet und es wird eine 0,1 mm dicke Schicht von Titan abgehoben gefolgt von einer 0,4 mm dicken Goldschicht. Siehe hierzu Figur 4E, die lediglich die Diode 34 und einen kleinen Abschnitt des Verbindungsstreifens 38 zeigt.
(f) Es werden Luftbrücken 40 und 42 durch Aufschleudern eines Photowiderstandsmaterials gebildet, es werden Öffnungen zu den Kontakten 44 und 46 gestaltet, es werden dünne Schichten von Titan und Gold aufgedampft, es wird weiteres Photowiderstandsmaterial aufgeschleudert, es werden die gleichen Öffnungen und zusätzlich Überbrückungsverbindungen zwischen den Öffnungen ausgestaltet und es wird dann Gold in einer Dicke von 2,0 mm auf das freigelegte Gold aufplattiert. Es wird dann das Photowiderstandsmaterial entfernt, wodurch auch das dünne Titan und Gold zwischen den zwei Schichten aus Photowiderstandsmaterial abgehoben wird. Siehe hierzu Figur 4F.
(g) Es wird das Substrat 70 bis auf eine Dicke von 125 mm geläppt, um das Substrat 32 zu bilden. Es werden Durchführungen 54 und 56 auf der Rückseite des Substrats 32 ausgebildet und zwar unter Anwendung einer Photowiderstandsmaskierung und eines reaktiven Ionenätzverfahren, wobei der Ätzvorgang an den Bodenkontakten 50 und 52 gestoppt wird. Schließlich wird die Rückseite mit Gold plattiert, welche die Durchgänge 54 und 56 aufweist, um die Erdungsebene 58 zu bilden.
Es können auch andere Vorrichtungen auf dem Substrat 70 unmittelbar vor der Ausbildung des Verbindungsstreifens 38 beim Schritt (e) integriert werden. Insbesondere können aktive Vorrichtungszonen in dem halbisolierenden Substrat 70 implantiert werden und zwar entfernt von den Dioden 34 und 36 und dem Bereich für den Verbindungsstreifen 38. Alternativ kann eine zusätzliche photolithographische Maskierung beim Ätzvorgang 74 gemäß dem Schritt (e) angewandt werden, um die Zonen von n dotiertem GaAs für die Herstellung der Vorrichtung zu reservieren.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Senders 130 ist in den Draufsicht- und Querschnittsaufrißansichten der Figuren 5A-B veranschaulicht. Der Sender 130 ist ähnlich dem Sender 30, wobei zwei IMPATT Dioden 134 und 136 an beiden Enden des Mikrostreifen-Flächenbereiches 138 vorhanden sind, die beide als Strahler und als Resonator wirken. Die Durchgangserdung der Dioden in dem Sender 30 wurde durch eine getrennte Erdung der Gleichstrom- und HF Impedanzen der Dioden ersetzt: die Bodendiodenkontakte 150 und 152 sind in radiale Stichleitungen (stubs) gestaltet, um eine effektive HF Kurschlußimpedanz an dem Diodenanschluß zu erzeugen, und zwei Gleichstrom-Rückführpfade 170 und 172 mit einer haibwellenlängenlangen Hochimpedanz-Übertragungsleitung führen zu Gleichstrom-geerdeten Anschlußflächen 174 und 176.Eine Gleichstromvorspannung erfolgt von der Anschlußfläche 160 über die Halbwellenlängen Hochimpedanz-Übertragungsleitung 162 zum Zentrum des Flächenbereiches 138; die Luftbrücken 140 und 142 verbinden die Dioden 134 und 136 mit dem Flächenbereich 138. Radiale Stichleitungen (stubs) 150 und 152 sollten Eigenschaften haben, die an den Resonator 138 im Betriebsfrequenzbereich angepaßt sind; dies kann jedoch in einfacher Weise erreicht werden, da radiale Stichleitungen allgemein über ein breites Frequenzband hinweg arbeiten. Die Rückseite des Substrats 132 besteht aus der Gold plattierten Erdungsebene 158.
Die bevorzugten Ausführungsformen funktionieren auch als Empfänger. Die Dioden schaffen einen örtlichen Oszillator (LO) und Mischerfunktionen, während der Resonator/Strahler dazu verwendet wird, die Impedanz der einfallenden Signale für eine optimale Empfangsempfindlichkeit zu modifizieren. Das niederfrequente gemischte Signal wird über die Gleichstrom-Vorspannleitung abgegriffen. Ferner können die Ausführungsformen in einem gepulsten Sende/Empfangs-Mode in der folgenden Weise betrieben werden: zunächst werden die Dioden für eine Energieerzeugung bei einer Frequenz f&sub1; vorgespannt und es wird ein Impuls bei dieser Frequenz übertragen, es wird dann die Diodenvorspannung geändert (was die kleine Diodensignalkonduktanz und Suszeptanz ändert), um die Resonanzfrequenz auf f&sub2; zu ändern. Der Strahler empfängt dann ein Signal, welches aus der Reflexion des gesendeten Impulses bei f&sub1; entsteht, das durch die Dioden (die nicht linear sind) mit f&sub2; gemischt wird, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
Ein Sender 220 gemäß einer dritten Ausführungsform ist in der Draufsicht von Figur 6 veranschaulicht und dieser verbindet eine Anzahl von identischen monolithischen Sendern 230. Jeder Sender 230 ist ähnlich dem Sender 30, jedoch mit zwei Dioden 234, 236 an jedem Ende von dessen Mikrostreifenverbindung 238 und mit einer unabhängigen Gleichstrom-Vorspannleitung 262 für jeden Sender; die Sender 230 befinden sich in einer linearen Anordnung auf einer einzigen Halbleiteroberfläche. Indem man die Verbindungsstreifen (Flächenbereiche)238 auf einen Mittezu-Mitte-Abstand von ca. ½1 setzt, wobei 1 die Freischwing-Wellenlänge ist, verläuft der ausgesendete Strahl senkrecht zur Halbleiteroberfläche. Die Phaseneinstellung der einzelnen Sender 230 wird dadurch erreicht, indem man eine Kopplung über Streufelder vorsieht; dies führt zu einer Raumenergie-Verbindung und einer kohärenten Leistung. Da jeder Sender 230 seine eigene Vorspannfähigkeit besitzt, kann die relative Stärke der Strahlung von jedem Sender 230 unabhängig für eine bequeme Strahlsteuerung und Gestaltung gesteuert werden.
Eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines Senders 330 ist in der Draufsicht in Figur 7 veranschaulicht und ist ähnlich den zwei Sendern 30, wobei einer als Sender und der andere als Varaktor wirkt, um eine Steuerung der Oszillatorfrequenz zu erlauben. Der Sender 330 enthält IMPATT Dioden 334 und 336, einen Mikrostreifen-Verbindungsresonator/Strahler 338, Luftbrükken 340 und 342, welche die Dioden 334 und 336 mit dem Verbindungsstreifen (Flächenbereich) 338 verbinden, eine hochimpedante Gleichstrom-Vorspannleitung 362, eine Gleichstromvorspannungs-Zuführ-Anschlußfläche 360, Varaktor-Dioden 384 und 386, die über Luftbrücken 390 und 392 mit Mikrostreifenverbindungen 388 verbunden sind, eine hochimpedante Gleichstrom-Vorspannleitung 412, eine Gleichstromvorspannungs-Versorgungsanschlußfläche 410. Während des Betriebes des Senders 330 werden die Dioden 334 und 336 in den Durchbruchzustand vorgespannt und liefern Energie für den Resonator/Strahler 336; die Dioden 384 und 386 sind dagegen unter die Durchbruchspannung vorgespannt, wobei deren Junction-Kapazität von der Vorspannung abhängt, und sie erzeugen eine variable kapazitive Belastung für den Verbindungsstreifen 338 und zwar über die Kopplung des Verbindungsstreifens 388 mit dem Verbindungsstreifen 338. Somit bestimmt die an die Anschlußfläche 410 angelegte Vorspannung die Oszillatorfrequenz und zwar typischerweise in einem Bereich von ca. 30% von ca. der Mittenfrequenz. Die Verbindungsstreifen 338 und 388 sind durch nicht mehr als ca. 1/16 1 für eine starke Kopplung getrennt.
Der Sender 330 kann auch als Empfänger betrieben werden und zwar in einer Weise, wie sie anhand der anderen bevorzugten Ausführungsformen früher beschrieben wurde, der Sender 330 hat jedoch auch die Fähigkeit, die Frequenz für eine FMCW Radaraussendung und Empfang zu modulieren.
Die Figuren 8A-B sind perspektivische Explosionsdarstellungen und Querschnittsaufrißansichten einer fünften bevorzugten Ausführungsform eines Senders/Empfängers, der einen Hohlleiter 20 mit einer Endplatte 22 enthält, ferner ein Halbleiterchip 30 mit einer Mikrostreifenverbindungs-Antenne oder Strahler 38 und mit IMPATT Dioden 34 und 36 auf einem Galliumarsenidsubstrat 32, einem Dioden-Gleichstromvorspanndraht 60, einer koaxialen Übertragungsleitung 24 mit einem zentralen Leiter 26, der durch die Endplatte 22 verläuft. Die Rückseite des Chips 30 besitzt eine Erdungsebene, welche die Endplatte 22 kontaktiert. Der Hohlleiter 20 und die Endplatte 22 sind aus Messing hergestellt und das Chip 30 (welches eine Gold plattierte Rückseitenerdungsebene besitzt) ist durch Löten an der Endplatte 22 angebracht und der Draht 60 ist an den koaxialen Mittelleiter 26 und den Verbindungsstreifen 38 gebunden. Der Draht 60 besteht aus Gold mit einem Durchmesser von 25 µm und einer Länge von 200 µm und die koaxiale Übertragungsleitung 24 hat einen Außendurchmesser von 0,58 mm und ist aus Kupfer hergestellt mit einem Teflonisolator und mit einem 0,13 mm Durchmesser Mittelleiter 26, der aus einem Silber plattierten, Kupfer ummantelten Stahl hergestellt ist. Der zentrale Leiter 26 erstreckt sich um ca. 0,2 mm über die Oberfläche der Endplatte 22 hinaus. Die Abmaße des Hohlleiters 20 h%ngen von der gewünschten Betriebsfrequenz ab. Das Chip 30 ist das gleiche wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform 30, die in den Figuren 1A-B veranschaulicht ist und hat daher das gleiche Bezugszeichen.
Der Hohlleiter 20 hat Innenabmaße von ca. 2,84 mm Höhe auf 5,69 mm Weite für einen Betrieb in dem 33-50 GHz Band. Es sei erwähnt, daß die Wellenlänge in dem Chip 30 sehr viel kleiner ist als in dem Hohlleiter 20, da die Dielektrizitätskonstante von GaAs ca. das 13fache von derjenigen der Luft in dem Hohlleiter 20 beträgt.
Das Fernfeldstrahlungsmuster für den Hohlraum in der TM&sub1;&sub0; Schwingungsform kann als Model dargestellt werden und zwar in Form von zwei parallelen einheitlichen magnetischen Leitungsquellen der Länge a (entsprechend den kurzen Enden des Verbindungsstreifens(Flächenbereiches) 38) getrennt durch einen Abstand b (der Länge des Verbindungsstreifens 38); siehe den Carver Artikel. Die Annäherung um die z-Achse führt zu einem elektrischen Feld in der y-Richtung. Dies entspricht einer TE&sub0;&sub1; Schwingungsform in dem Hohlleiter 20 und die Strahlung aus dem Hohlraum koppelt sich an diese Schwingungsform in dem Hohlleiter 20 an, die sich in der z-Richtung ausbreitet. Somit ist der Draht 60 parallel zu dem Magnetfeld in dem Hohlleiter 20 und ist für die Hohlleiterschaltung transparent, was eine minimale Wechselwirkung verursacht. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann das Chip 30 auch als ein Empfänger und als Mischstufe für Wellen verwendet werden, die sich in negativer z-Richtung ausbreiten und das gemischte Zwischenfrequenzsignal wird dann über den Draht 60 und die koaxiale Übertragungsleitung 24 extrahiert. Die charakteristische Impedanz der koaxialen Übertragungsleitung 24 ist günstigerweise niedrig (z.B. 5 Ω ) für die Verwendung als Empfänger/Mischstufe.
Die dritte bevorzugte Ausführungsform 220 kann auch in einem Hohlleiter montiert werden, wie dies in Fig.9 gezeigt ist; die Breite des Chips 220 (verglichen mit dem Chip 30) kann einen spitz zulaufenden Abschnitt 21 des Hohlleiters 20 erfordern, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist.
Auch die vierte bevorzugte Ausführungsform 330 kann in einem Hohlleiter in einer Weise analog der ersten bevorzugten Ausführungsform montiert werden, wie dies in Fig. 10 veranschaulicht ist; zwei koaxiale zentrale Leiter 1360 und 1410 werden zusammen mit Drähten 1362 und 1412 verwendet.

Abwandlungen und Vorteile

Es können verschiedene Modifikationen der bevorzugten Ausführungsformen als Vorrichtung und Verfahren vorgenommen werden unter Beibehaltung der Merkmale eines Strahlers, der auch einen Oszillator-Resonator oder eine planare Senderschaltung darstellt, bei dem bzw. bei der die Energie erzeugende Vorrichtung sich auf der gleichen Fläche des Halbleiters befindet wie das strahlende Element, wobei eine starke Gleichstrom- und HF Erdung von einem der Vorrichtungsanschlüsse oder der Befestigung in einem Hohlleiter beibehalten wird.
Beispielsweise können die Abmaße, Gestalten und Materialien der verschiedenen Elemente verändert werden wie beispielsweise: kreisförmige oder andere geometrisch gestaltete Mikrostreifenverbindungen; nur eine einzelne Diode ist an den Resonator/Strahler angeschlossen, wenn die Kapazität der Diode klein ist verglichen mit der Kapazität des Resonators, um in etwa Symmetrie beizubehalten; Vielfachdioden können an einem oder beiden Enden des Resonators/Strahlers angeschlossen sein; es kann GaAs-auf-Silizium, InP, AlzGai1-zAs in einer Heterostruktur oder ein anderes Halbleitermaterial verwendet werden; es können andere Leistungsvorrichtungen verwendet werden, wie BARITT-, TRAPATT- und DOVETT-Dioden, Gunn-Dioden, Tunnel-Dioden oder drei Anschlußvorrichtungen mit negativen Widerstandszonen aufweisen oder auch andere monolithische aktive Vorrichtungen für eine Oszillatorleistung; und es können monolithisch gekoppelte Anordnungen von Oszillatoren/Strahlern verwendet werden.
Die Erfindung schafft den Vorteil, daß der Oszillator bzw. Resonator als Strahler verwendet werden kann, um Fehlanpassungsverluste zu vermeiden und um eine monolithische Integration zu ermöglichen.

Claims

1. Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Sender oder -Empfänger (30, 130, 230, 330) mit einem Oszillator, enthaltend:

eine aktive Vorrichtung (34, 36, 134, 136, 234, 236, 334, 336) , und

einen Mikrostreifen-Flächenbereich (38, 138, 238, 338), der im Betrieb gleichzeitig als Resonator und Antenne wirkt,

dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Vorrichtung und der Mikrostreifen-Flächenbereich auf dem gleichen Halbleitersubstrat (32, 332) gebildet sind.

2. Sender oder Empfänger nach Anspruch 1, bei welchem das Substrat (32, 332) aus Galliumarsenid mit einer metallisierten Masseebene (58, 158) auf der Rückseite besteht.

3. Sender oder Empfänger nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem die aktive Vorrichtung aus mehreren IMPATT- Dioden (34, 36, 134, 136, 234, 236, 334, 336) besteht und daß Mittel zum Vorspannen der Dioden in den Durchbruchzustand vorgesehen sind.

4. Sender oder Empfänger nach Anspruch 3, bei welchem die Dioden auf Mesas auf dem Substrat (32, 332) gebildet sind.

5. Sender oder Empfänger nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei welchem die Dioden (34, 36, 134, 136, 234, 236, 334, 336) an den Mikrostreifen-Flächenbereich über Luftbrücken (40) angeschlossen sind.

6. Sender oder Empfänger nach Anspruch 3, Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei Rückbeziehung auf Anspruch 2, bei welchem die Dioden über Durchkontaktierungslöcher (54, 56) im Substrat mit der Masseebene verbunden sind.

7. Sender oder Empfänger nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem die Dioden (34, 36, 134, 136, 234, 236, 334, 336) über radiale Stichleitungen (150, 152) und Gleichspannungs-Vorspannungsleitungen (170, 172) mit Masse verbunden sind.

8. Sender oder Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Oszillator einen weiteren Mikrostreifen-Flächenbereich (388) angrenzend an den Mikrostreifen-Flächenbereich (38, 138, 238, 338) und einen Varaktor (384, 386) enthält, der mit dem weiteren Flächenbereich (388) verbunden ist und den ersten Flächenbereich (38, 138, 238, 338) belastet.

9. Sender oder Empfänger nach Anspruch 8, bei welchem der Varaktor (384, 386) eine Diode ist und diese Diode über eine Luftbrücke (390, 392) mit dem weiteren Mikrostreifen-Flächenbereich (388) verbunden ist.

10. Sender oder Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend eine Niederfrequenzleitung (24), die an den ersten Mikrostreifen-Flächenbereich (38, 138, 238, 338) angeschlossen ist, wodurch von der Antenne empfangene Signale durch die aktive Vorrichtung auf eine niedrige Frequenz gemischt werden.

11. Matrix-Mikrowellensender (220) mit mehreren Sendern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auf einem Halbleitersubstrat.

12. Verfahren zum Herstellen eines monolithischen Senders, enthaltend die Schritte:

Herstellen eines geschichteten Halbleitersubstrats (32, 332) mit einer ersten Fläche;

Ätzen des geschichteten Halbleitersubstrats zur Bildung vertikaler Dioden (34, 36, 134, 136, 234, 236, 334, 336) auf mehreren Mesas auf der ersten Fläche des Substrats;

Bilden eines Mikrostreifen-Flächenbereichs (38, 138, 238, 338) auf der Fläche zwischen zwei Mesas; und

Bilden von Luftbrücken (40) von den Dioden auf den zwei Mesas zu dem Flächenbereich.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem die Dioden (34, 36, 134, 136, 234, 236, 334, 336) IMPATT-Dioden sind.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei welchem die Mesas aus Galliumarsenid gebildet sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, ferner enthaltend den Schritt des Bildens von Bodenkontakten (50, 52) zu den Dioden, die auf der Fläche angeordnet sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner enthaltend die Schritte des Bildens von Durchkontaktierungslöchern (54, 56) durch das Substrat und des Bildens von Leitern in den Durchkontaktierungslöchern, die sich zu den Bodenkontakten (50, 52) erstrecken.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, bei welchem die Bodenkontakte (50, 52) selbstjustiert sind.