DE4119784C2 - Planare Wellenleiterstruktur für integrierte Sender- und Empfängerschaltungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine planare Leitungsstruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung findet Verwendung bei der Herstellung von monolithisch integrierten mm-Wellen-Sendern und -Empfän­ gern mit strahlformenden Elementen, z. B. für Radarsender und -empfänger im Kraftfahrzeug.

Eine planare Wellenleiterstruktur besteht aus einer struk­ turierten Metallisierung eines evtl. auch geschichteten Substrates in einer oder mehreren Ebenen. Durch spezielle geometrische Gestaltung der Metallisierung können z. B. Koppler, Resonatoren und Antennen gebildet werden.

Mit planaren Leitungsstrukturen können Mikrowellen geführt werden. Planare Leitungsstrukturen können mit aktiven Halbleiterbauelementen zu monolithisch integrierten Schal­ tungen verbunden werden, wobei das Halbleitersubstrat hochohmig oder semiisolierend sein muß. Als hochohmiges Substrat eignet sich Silizium, für ein semiisolierendes Substrat GaAs.

Eine planare Leitungsstruktur strahlt nach oben, z. B. in die Luft, und nach unten ins Substrat ab. Die Abstrahlung ins Substrat ist dabei im allgemeinen größer.

Millimeter-Wellen-Sender und -Empfänger mit planaren Lei­ tungsstrukturen sind beispielsweise im Mikrowellen & HF Magazin, Vol. 14, No. 8, Seiten 750-760 beschrieben. Die darin angegebenen mm-Wellen-Sender und -Empfänger sind mit der Si-MMWIC (Silicon monolithic microwave integrated cir­ cuit) Technik hergestellt.

Um die Strahlung von derartigen Sendern und Empfängern in bestimmter Weise zu formen, werden z. B. Antennen oder Lin­ sen verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine planare Leitungsstruktur für Sender und Empfänger anzugeben, bei der die Strahlformung der ein- und ausfallenden Strahlung so erfolgt, daß monolithisch integrierte Sender und Empfänger mit geringem Platzbedarf in technisch einfacher Weise herstell­ bar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteran­ sprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen be­ schrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

Gemäß der Erfindung wird bei einer bekannten planaren Lei­ tungsstruktur, z. B. einer planaren Antenne oder einem Re­ sonator die Rückseite des Substrates ganz oder teilweise als ein- oder abstrahlende Fläche benutzt. Die Sub­ stratrückseite wird z. B. durch mikromechanische oder ätz­ technische Verfahren derart strukturiert, daß die ein- oder abgestrahlte elektromagnetische Welle in bestimmter Weise verändert wird. Spezialformen der Strahlformung sind z. B. die Änderung der Polarisation, die Beugung oder Bre­ chung der Strahlung, sowie die Änderung der Phase der elektromagnetischen Welle. Derartige Strahlformungen er­ hält man beispielsweise durch eine Strukturierung der strahlenden Fläche der Substratrückseite gemäß Fig. 1. Die Substratrückseite 12 weist in diesem Ausführungsbeispiel sowohl planare Flächen als auch Linsenteilflächen auf. Desweiteren werden Strahlformungen dadurch erreicht, daß Gräben mit definiertem Profil geätzt werden (Beugungsgit­ ter) oder reflektierende Metallstrukturen (z. B. konzentri­ sche Kreise) oder dielektrische oder ferromagnetische Kup­ peln geformt werden.

In vorteilhafterweise kann die erfindungsgemäße planare Wellenleiterstruktur durch Anwendung bekannter Techniken, z. B. der MIC (Microwave integrated circiut) der MMIC (monolithic microwave integrated circuit), der Si-MMWIC (Silicon monolithic microwave integrated circuit) zu pla­ naren Sendern, bzw. bei Einstrahlung über die Sub­ stratrückseite zu planaren Empfängern erweitert werden.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel ein mit der Si-MM- WIC-Technik hergestellter Sender für 77 GHz im Querschnitt dargestellt. In ein Si-Substrat 1 mit einem spezifischen Widerstand von 10000 Ωcm ist eine vergrabene Halbleiter­ schicht 2, z. B. As dotiertes Si, mit einem Schichtwider­ stand von 100 Ω/Fläche eingebracht.

Auf der Vorderseite 11 des Substrates 1 ist auf der Halb­ leiterschicht 2 eine IMPATT-Diode 3, eine pn-Diode mit Submikronstruktur nach dem Stand der Technik, angeordnet.

Die IMPATT-Diode besitzt z. B. eine Mesaform mit einem Durchmesser von 20 µm. Eine Leitungsstruktur 4 aus einer 0,1 µm dicken Chromschicht und einer 1 µm dicken Goldschicht ist auf einer Seite zu einem Schlitzresonator 5 ausgestal­ tet. Über die vergrabene Halbleiterschicht 2 und eine elektrische Zuleitung 6, aus z. B. Gold, ist die IMPATT-Di­ ode 3 mit der Leiterstruktur 4 verbunden. Die Rückseite 12 des Substrates 1 ist bei diesem Sender derart struktu­ riert, daß parallel zur Substratoberfläche planare Flächen und senkrecht dazu Linsenteilflächen gebildet werden. Da­ durch ergibt sich eine Beeinflussung der Phase der Mikro­ wellenstrahlung 22.

Ein kleiner Teil der Strahlung 21 wird über die Vorder­ seite der planaren Leitungsstruktur abgestrahlt. Dieser Anteil kann vorteilhaft für strahlungsgekoppelte Frequenz- und Leistungmeß- bzw. -regelungseinheiten genutzt werden oder auch als Lokaloszillatorleistung an einen Empfangsmi­ scher gegeben werden.

Um die planare Leitungsstruktur als planaren Empfänger zu erweitern, ist anstelle der IMPATT-Diode 3 im Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1 z. B. eine Schottky-Diode 7 in die planare Leitungsstruktur integriert. Die strukturierte Rückseite 12 des Substrates 1 wird bei einem derartigen Empfänger als Einstrahlfläche benutzt (Fig. 2).

Die Erfindung ist jedoch nicht auf einzelne Sender- bzw. Empfängerelemente beschränkt, sondern ist ebenso auf eine aus einer Vielzahl von Sendern und/oder Empfängern beste­ henden Schaltungsanordnung anwendbar. Beispielsweise wer­ den planare Leitungsstrukturen gebildet, die eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten strahlenden Schlitzre­ sonatoren besitzen. Die Abstrahlung bei einem derartigen Senderarray erfolgt über die strukturierte Substratrück­ seite.

Claims (8)

1. In Verbindung mit einem Halbleitersubstrat (1) auf der Vorder- (11) und Rückseite (12) angeordnete planare Wellenleiterstruktur für Sender und Empfänger, bei der auf der Vorderseite aktive und mit planaren Leitungen verbundene Halbleiterbauelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückseite (12) des Halbleitersubstrates (1) ganz oder teilweise als ein- und/oder abstrahlende Fläche ausgebildet ist und,
daß diese Fläche der Rückseite (12) des Halbleitersubstrates (1) oder zusätzlich aufgebrachte dünne Schichten zur gezielten Veränderung der elektromagnetischen Eigenschaften der ein- und/oder ausfallenden Strahlung strukturiert sind, indem zur Rückseite parallele planare Flächen und unter steilem Winkel zur Rückseite verlaufende Linsenteilflächen ausgebildet sind.

2. In Verbindung mit einem Halbleitersubstrat (1) auf der Vorder- (11) und Rückseite (12) angeordnete planare Wellenleiterstruktur für Sender und Empfänger, bei der auf der Vorderseite aktive und mit planaren Leitungen verbundene Halbleiterbauelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rückseite (12) des Halbleitersubstrates (1) ganz oder teilweise als ein- und/oder abstrahlende Fläche ausgebildet ist und,
daß diese Fläche der Rückseite (12) des Halbleitersubstrates (1) oder zusätzlich aufgebrachte dünne Schichten zur gezielten Veränderung der elektromagnetischen Eigenschaften der ein- und/oder ausfallenden Strahlung strukturiert sind, indem die Rückseite als Beugungsgitter ausgebildet ist.

3. Planare Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite (12) des Halbleitersubstrates (1) reflektierende Metallstrukturen angeordnet sind.

4. Planare Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (12) des Halbleitersubstrates in Form von dielektrischen oder ferroelektrischen Kuppeln ausgestaltet ist.

5. Planare Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Vorderseite (11) des Halbleitersubstrates (1) aufgebrachten aktiven Halbleiterbauelemente (3, 7) und die planaren Leiterstrukturen Mikrowellenleistung erzeugen und abstrahlen und/oder Mikrowellenleistung empfangen und/oder detektieren.

6. Planare Wellenleiterstruktur nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorderseite (11) des Halbleitersubstrates (1) eine Senderschaltung integriert ist, die eine planar angeordnete IMPATT-Diode (3) und einen Schlitzresonator (5) enthält.

7. Planare Wellenleiterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Vorderseite (11) des Halbleitersubstrates (1) eine Empfängerschaltung integriert ist, die eine planar angeordnete Schottky-Diode (7) und einen Schlitzresonator (5) enthält.

8. Planare Wellenleiterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sende- und/oder Empfangselemente auf einem Halbleitersubstrat (1) angeordnet sind.