DE4431071C2 - Resonatoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonatoranordnung. Eine der­ artige Resonatoranordnung dient zur Erzeugung und Detek­ tion und in Verbindung mit einem Strahlerelement zur Ab­ strahlung und zum Empfang elektromagnetischer Wellen, ins­ besondere im Millimeterwellen-Bereich.

Resonatoranordnungen sind insbesondere als Hohlraumresona­ toren, dielektrische Resonatoren, Streifenleitungsresona­ toren und Schlitzresonatoren gebräuchlich. Zur Stabilisie­ rung der Resonanzfrequenz ist es bekannt, einen Oszillator an einen Resonanzraum (cavity) anzukoppeln, siehe z. B. IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-15, pp. 119-126, 1963 oder IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-33, pp. 1603-1610, 1985. Als Strahlerele­ mente kommen insbesondere Aperturstrahler, wie z. B. Schlitzan­ tennen in Betracht.

Aus der Schrift US 4054875 ist ein mikroelektronische Resonator­ anordnung bekannt, welche einen dielektrischen Resonator mit ei­ ner im Mikrowellenbereich arbeitenden Diode kombiniert. In be­ vorzugter Weise wird hierbei der Resonator aus GaAs hohen Wider­ standes mittels Zerspanung hergestellt. Dieser Resonator umfasst einen Hohlraum, in welchem sich die Mikrowellendiode befindet. Die Mikrowellendiode und deren Zuleitung weisen eine Dipolanord­ nung auf deren Resonanzfrequenz die Abmessungen des Hohlraum an­ gepaßt sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Re­ sonatoranordnung, insbesondere für den Millimeterwellenbereich anzugeben.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteran­ sprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Resonatoranordnung vereint in sich eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften.

Der aus Halbleitermaterial bestehende Resonatorkörper ermöglicht die monolithische Integration eines aktiven Bauelements. Hier­ durch ist auch eine sehr effektive Ankopplung des aktiven Bau­ elements an den Resonator ohne Zuleitungen gegeben. Durch die monolithische Integration des Bauelements mit dem Resonatorkör­ per ergibt sich auch ein sehr geringer Flächenbedarf. Dies tritt noch in verstärktem Maße ein durch Integration eines Strahler­ elements als Struktur in der Metallisierung des Resonatorkör­ pers, inbesondere als Schlitzstrahler.

Das Halbleitermaterial ist für den Einsatz als Resonatorkörper hochohmig ausgeführt. Durch die allseitige Metallisierung können keine undefiniert sich ausbreitenden Oberflächenwellen entste­ hen. Die Resonatoranordnung besitzt eine hohe Güte und einen ho­ hen Strahlungswirkungsgrad. Die Metallisierung trägt zur verbesserten Abfuhr der im akti­ ven Bauelement enthaltenden Verlustleistung bei.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist mit Standardverfahren der Halbleitertechnologie kostengünstig und rationell her­ stellbar.

Die Erfindung ist nachfolgend an einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Abbildung noch ein­ gehend veranschaulicht. Diese zeigt eine Resonatoranord­ nung in der Draufsicht und in zwei senkrecht durch die Re­ sonatormitte verlaufenden Schnitten.

In einer Oberfläche eines Resonatorkörpers aus Halbleiter­ material 2 wird in bekannter Weise ein aktives Halbleiter­ bauelement 1 erzeugt. Das Halbleitermaterial 2 ist hochoh­ mig und somit verlustarm.

Das Halbleiterbauelement ist beispielsweise eine IMPATT- Diode oder ein Heterobipolar-Transistor. Je nach Anwen­ dungsfall kann das Halbleiterbauelement aber auch durch andere bekannte aktive Elemente oder Kombinationen von Halbleiter-Bauelementen gebildet sein.

Das Halbleitermaterial 2 dient somit sowohl als Dielektri­ kum des Resonatorkörpers als auch als einkristallines Sub­ strat für das Bauelement. Der Resonatorkörper ist mit Aus­ nahme von Strukturen zur Anregung und Abstrahlung bzw. Empfang und Detektion elektromagnetischer Wellen, insbe­ sondere Millimeterwellen, allseitig mit einer Metallisie­ rung versehen und bildet somit einen mit Dielektrikum ge­ füllten Hohlraumresonator.

Im skizzierten Beispiel ist in der Metallisierung ein Schlitz 4 ausgespart, der zugleich als Anregungsstruktur für die Ankopplung des aktiven Elements 1 an den Resonator und als Strahler zur Abstrahlung oder zum Empfang elek­ tromagnetischer Wellen dient. Das aktive Dioden-Element ist hierfür hochfrequenzmäßig mit seinen beiden Polen mit den gegenüberliegenden Längskanten des Schlitzes verbunden und in der Mitte der Schlitzstruktur bezüglich deren Längsrichtung angeordnet. Zur Ansteuerung des aktiven Di­ oden-Elements 1 durch eine Gleichspannung ist eine Konden­ satoranordnung vorgesehen, welche eine von der Metallisie­ rung 3 durch eine Isolierschicht 6 getrennte metallische Kondensatorfläche 5 auf einer Seite der Anregungs-Schlitz­ struktur umfaßt. Die Kondensatorfläche 5 ist mittels eines von der Metallisierung 3 isolierten Anschlußsteges 7 mit einem Pol des aktiven Dioden-Elements 1 verbunden, dessen anderer Pol an die Metallisierung 3 an der gegenüberlie­ genden Schlitzseite angeschlossen ist. Die externen An­ schlüsse an die Metallisierung 3 und die Kondensatorfläche 5 zur Gleichspannungsversorgung sind nicht eingezeichnet. Die Kondensatorfläche 5 bildet eine entkoppelte Gleich­ spannungszuführung und zugleich für die hochfrequenten Si­ gnale im Millimeterwellenbereich einen Kurzschluß gegen die darunterliegende Metallisierung. Hierdurch braucht die allseitige Metallisierung 3 nicht zusätzlich für die ent­ koppelte Gleichspannungszuführung strukturiert zu werden.

Der Resonatorkörper, der bereits als Wärmesenke für die in dem aktiven Element anfallende Verlustwärme dient, kann mit der dem aktiven Bauelement 1 abgewandten Fläche auf einen weiteren wärmeableitenden Trägerkörper befestigt werden. Die Metallisierung unterstützt dabei die Wärmeab­ leitung durch schnellere Verteilung über die Oberfläche des Resonatorkörpers.

Die Resonanzfrequenz des Resonatorkörpers kann über die Dimensionen des Körpers präzise eingestellt werden, wofür wiederum die hochgenauen Strukturierungsmöglichkeiten der gebräuchlichen Halbleitertechnologien von besonderem Vor­ teil sind. Die Resonanzfrequenz hängt noch in bekannter Weise ab von der Dielektrizitätskonstanten des Halbleiter­ materials 2.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Resonatoranordnungen kann vorteilhafterweise in wesentlichen Prozeßschritten für eine Mehrzahl von Anordnungen gleichzeitig mit bekann­ ten und bewährten Mitteln der Halbleitertechnologie erfol­ gen.

Auf einer Halbleiterscheibe (wafer), auf welcher eine Un­ terteilung in eine Mehrzahl von Flächen für die einzelnen Resonatoranordnungen vorgesehen ist, werden z. B. mittels photolithographischer Strukturierung, Diffusions- oder Implantationsdotierung, epitaktischer Kristallwachstums­ verfahren etc. gleichzeitig für alle Resonatoranordnungen die aktiven Halbleiterbauelemente erzeugt.

Anschließend wird ganzflächig eine Metallisierungsschicht abgeschieden und entsprechend der vorgesehenen Strukturen für die Ankopplung und ggf. eine Aperturantenne struktu­ riert und schließlich durch weitere Schichtabscheidungen und Strukturierungen die Kondensatoranordnungen herge­ stellt.

Nach Trennung der einzelnen Resonatoranordnungen werden die übrigen Flächen der Resonator-Halbleiterkörper metal­ lisiert.

Die Trennung der einzelnen Resonatorkörper aus dem Wafer­ verband kann vorteilhafterweise mittels eines (z. B. im einkristallinen Halbleitermaterial orientierungsselekti­ ven, anisotropen) Ätzverfahrens erfolgen, was zum einen eine sehr präzise Dimensionierung der Resonatorkörper durch photolithographische Erzeugung der Trennlinien be­ nachbarter Resonatorkörper als Angriffsflächen für den Ätzvorgang ermöglicht und zum anderen besonders ebene (z. B. schräge) Seitenflächen liefert. Der Neigungswinkel der Seitenflächen ist abhängig von der Kristallorientie­ rung des Wafers. Beim Ätzen wird die Ätztiefe z. B. etwas tiefer als die gewünschte Dicke der Resonatorkörper aber geringer als die Waferdicke gewählt und zur Trennung der einzelnen Resonatorkörper wird der Wafer von der der strukturierten Seite abgewandten Fläche her bis auf die gewünschte Resonatordicke abgetragen, z. B. durch Schleifen oder Polieren.

Die Form des Resonatorkörpers ist an sich beliebig. Für die Trennung der Resonatorkörper durch orientierungsselek­ tives Grabenätzen sind gerade Begrenzungslinien günstig.

Claims (7)

1. Resonatoranordnung mit folgenden Merkmalen
ein dielektrischer Resonatorkörper (2) ist allseitig me­ tallisiert (3)
der Resonatorkörper besteht aus einkristallinem Halblei­ termaterial
auf dem Halbleitermaterial ist auf einer Seite ein aktives Halbleiterbauelement (1) monolithisch integriert
die Metallisierung (3) weist im Bereich des aktiven Halb­ leiterbauelements (1) zur Ankopplung des Bauelements an den Resonatorkörper eine Öffnung (4) auf.

2. Resonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorkörper (2) als flache Scheibe ausgeführt ist.

3. Resonatoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial orientierungsselektiv ätzbar ist, und daß die Seitenflanken des Resonatorkörpers (2) Ätzflanken eines orientierungsselektiven Ätzprozesses sind.

4. Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Metallisierung (3) eine schlitzförmige Öffnung (4) vorhanden ist.

5. Resonatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Metallisierung (3) eine Öff­ nung (4) als Apertur-Antennenstruktur vorhanden ist.

6. Resonatoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine schlitzförmige Öffnung (4) in der Metallisierung (3) zur Ankopplung des Bauelements (1) an den Resonatorkörper (2) und zugleich als Aperturantenne dient.

7. Resonatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromzuführung (7) zu ei­ nem der Pole des Bauelements (1) über eine integrierte Konden­ satoranordnung (5) erfolgt.