JP2015523037A - 無線周波数または高周波信号が一方向に伝わるようにすることができる受動マイクロ電子部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、集積回路用の受動無線周波数マイクロ電子部品に関する。この受動無線周波数マイクロ電子部品は、誘電体基板（Ｓ）及び前記基板上に配置される少なくとも１つの金属導電層を含む型であり、導電層は、絶縁体（Ｉ）によって離隔される少なくとも１つの第１の金属導電部（Ｃ１）及び第２の金属導電部（Ｃ２）を含む。本発明によるマイクロ電子部品は、無線周波数または高周波信号が第１の金属導電部と第２の金属導電部の間で伝送されるときに少なくとも１つのグラフェン層（Ｇ）を横断するように配置される少なくとも１つのグラフェン層（Ｇ）を含み、グラフェン層（Ｇ）は、電位を受けると、無線周波数または高周波信号を第１の方向に沿って伝送し、無線周波数または高周波信号を第１の方向とは逆の第２の方向に沿って減衰させることができる。本発明は、より詳細には、伝送線路型、容量性型及びマイクロスイッチ型のマイクロ電子部品に適用される。

Description

本発明は、無線周波数または高周波信号（hyperfrequency signal）が一方向に沿って伝わるようにすることができる受動マイクロ電子部品に関する。

本発明は、集積回路用のマイクロ電子部品の一般的な分野に属し、レーダまたは無線電話システムなどの無線周波数または高周波の遠距離通信システムに適用される。

一般に、抵抗性型または容量性型の無線周波数部品または高周波部品は、特に関連付けられた伝送方向を有しない。それゆえ、例えば現況技術によるマイクロストリップ型の伝送線路は、無線周波数ソースからの入力無線周波数線路と出力無線周波数線路の間で等しく接続されてよい。

ある用途に関して、無線周波数または高周波信号が、信号が生じたソースに戻ることができないことは重要である。

この必要を満たすために、無線周波数サーキュレータと呼ばれる無線周波数部品が開発されている。無線周波数サーキュレータはｎ個のポートを備えるデバイスであり、無線周波数信号が入力ポートと出力ポートの間で所与の方向、いわゆる循環方向に沿ってのみ伝わることを可能にする。無線周波数信号は、損失を生じることなく循環方向にほぼ伝送され、反射波は強く減衰される。この特性は、部品の伝送の非可逆性とも呼ばれる。

電磁石の回転方向を与えるフェライト永久磁石構造を用いたサーキュレータが現況技術において提案されているが、この型のサーキュレータは扱いにくくコストがかかるという欠点を有する。

別法として、仏国特許出願第０６／０４８５７号明細書には、サーキュレータのサイズを大幅に縮小するマイクロスイッチに基づく、無線周波数サーキュレータまたは高周波サーキュレータが見出されている。この文献に記載された技術を用いるとしてもなお、非可逆性を得るための特別なサーキュレータ部品を製造する必要がある。

仏国特許出願第０６／０４８５７号明細書

それゆえ、小さなサイズを維持しつつ、より低い製造コストで非可逆性を備える無線周波数部品を得ることが望ましい。

このことを目的として、本発明は、誘電体基板と前記基板上に配置される少なくとも１つの金属導電層とを含む、集積回路用の受動無線周波数マイクロ電子部品を提案し、前記導電層は、分離によって離隔される少なくとも１つの第１の金属導電部及び第２の金属導電部を含む。

本発明による受動無線周波数マイクロ電子部品は、無線周波数または高周波信号が前記第１の金属導電部と前記第２の金属導電部の間で伝送されるときに少なくとも１つのグラフェン層を横断するように配置される前記少なくとも１つのグラフェン層を含み、前記グラフェン層は、電位を受けると、前記無線周波数または高周波信号を第１の方向に沿って伝送し、前記無線周波数または高周波信号を前記第１の方向とは逆の第２の方向に沿って減衰させることができる。

有利には、本発明は、無線周波数または高周波信号を好ましい方向に沿って伝送することができるさまざまな受動無線周波数マイクロ電子部品を製造するために、グラフェン層を用いて無線周波数または高周波信号の電磁分極性を利用することを提案する。

実際に、グラフェンは単一平面の二次元結晶の炭素であり、グラフェンの積層はグラファイトを形成する。単層のグラフェンは良好な導電率及び層を通る電磁場の分極性を有することが示されており、分極に関連する回転角度は、グラフェン層に印加される電位によって決まる。それゆえ、分極の方向及び強度は無線周波数または高周波信号の優先的伝送方向、したがって後者の減衰方向を決定する。

有利には、１つまたは複数のグラフェン層は、マイクロ電子部品を製造する方法に組み入れやすい。

また、本発明による受動マイクロ電子部品は、以下のうちの１つまたは複数の特徴を有してよい。すなわち、
− 伝送線路型である場合、前記少なくとも１つのグラフェン層は、第１の金属導電部と接触して配置され、金属ブリッジを介して第２の金属導電部に接続され、
− 少なくとも部分的に前記第１の金属導電部を覆い、かつ前記第２の金属導電部と接触する誘電体層を含む容量性型である場合、前記少なくとも１つのグラフェン層は前記誘電体層と接触して配置され、
− 上記の容量性型である場合、前記少なくとも１つのグラフェン層は前記第１の金属導電部と誘電体層の間に配置され、
− 上記の容量性型である場合、前記少なくとも１つのグラフェン層は前記第２の金属導電部と誘電体層の間に配置され、
− 上記の容量性型である場合、複数の交互する誘電体層及びグラフェン層を含み、
− 前記第１の金属導電部と前記第２の金属導電部の間で接触を確立することができる可撓性の金属膜を備えるマイクロスイッチ型である場合、第１の金属導電部は誘電体層で覆われ、前記グラフェン層は前記誘電体層と接触して配置され、
− 上記のマイクロスイッチ型である場合、複数の交互する誘電体層及びグラフェン層を含み、
− 容量性型またはマイクロスイッチ型である場合、一又は複数のグラフェン層は、幅及び長さが前記誘電体層と同じ寸法であり、
− グラフェン層は、単原子の厚さの１枚の炭素結晶から成る。

本発明の他の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、指摘としてであって限定としてではなく以下に記される説明から明らかとなるであろう。

グラフェンシートを表し、グラフェンの分極性を示す図である。 コプレーナ型の伝送線路の例を示す図である。 マイクロストリップ型の伝送線路の例を示す図である。 本発明の一実施形態による非可逆伝送線路の縦断面図である。 ＭＩＭ型のキャパシタンスの断面図である。 本発明の一実施形態による非可逆キャパシタンスＭＩＭの断面図である。 マイクロスイッチの上面図及び断面図である。 本発明の一実施形態による非可逆マイクロスイッチの上面図及び断面図である。 本発明による非可逆マイクロ電子部品の部分を示す図である。

本発明の原理は、抵抗性型または容量性型の受動マイクロ電子部品に１つまたは複数のグラフェン層を追加することから成り、このグラフェン層は、グラフェンの分極性を利用してマイクロ電子部品を非可逆性にし、それによって一方向に沿った伝達を可能にし、逆方向に沿った伝達を不可能にするように配置される。

本発明は、伝送線路、コンデンサ及びマイクロスイッチであるさまざまな受動マイクロ電子部品への適用において記述される。

図１は、単原子の厚さの六角形の炭素結晶２から成るグラフェンシート１を示す。電場Ｅ及び磁場Ｂの成分は、電位を印加することによって分極されるときにグラフェンシート１を介する無線周波数または高周波信号（hyperfrequency signal）の伝達の際の電場の回転を示すために、三次元の基準系（ｘ、ｙ及びｚ）で示される。グラフェン層１で印加される電位レベルに応じて、電場の成分Ｅｉは角度θだけ回転を受ける。

分極角度及び分極強度は、グラフェンシートに印加される電位レベルに応じて、優先的伝送方向を決定し、かつ非可逆現象を生じ、したがって、優先的方向と逆方向への伝送は損失により強く減衰される。

図９は、本発明による、集積回路用の受動マイクロ電子部品の部分Ｐを示す。

断面図として示される部分Ｐは、誘電体基板Ｓ、第１の金属導電部Ｃ１及び第２の金属導電部Ｃ２を備える。第１の金属導電部Ｃ１は基板Ｓの上に置かれる。導電部Ｃ１及びＣ２は、実際には自由空間である絶縁カットＩによって離隔される。

本発明の原理によれば、金属導電部Ｃ１とＣ２の間の絶縁空間Ｉに追加層の１つまたは複数のセットＢが追加される。このセットＢは、少なくとも１つのグラフェン層Ｇを備える。セットＢはまた、誘電体層など、グラフェン層Ｇの下に配置される第１の中間層Ｉ_１、及びグラフェン層の上に配置される中間層Ｉ_２を備えてもよい。意図された実施形態によれば、これらの中間層Ｉ_１及びＩ_２は以下に記述される通り任意選択である。

このように、金属導電部Ｃ１とＣ２の間に、少なくとも１つのグラフェン層が配置される。

上記のような部分Ｐを組み入れる受動マイクロ電子部品は非可逆性となる。実際に、追加されたグラフェン層Ｇは、第１の導電部Ｃ１と第２の導電部Ｃ２の間で伝送される無線周波数または高周波信号を第１の方向に沿って伝送し、第１の方向とは逆の第２の方向に沿って減衰させることができる。

伝送線路、コンデンサ及びマイクロスイッチであるさまざまな受動マイクロ電子部品における上記のようなマイクロ電子部品の部分の使用については、より詳細に記述される。

図２は、現況技術による、集積回路において広く用いられているコプレーナ線路型の伝送線路３を示し、この伝送線路３は、誘電体基板４と、導電性のマイクロストリップ６と、マイクロストリップと同一の部品面に配置される２つの接地面８，１０とから成る。

図３は、集積回路において同様に広く用いられているマイクロストリップ線路型の伝送線路１２を示し、この伝送線路１２は、接地面１４と、誘電体基板１６と、導電性のストリップ１８とを含む。

これらの伝送線路３，１２は、図には示されないが、入力無線周波数線路、いわゆるソースと、出力無線周波数線路、いわゆるロードの間で接続可能であり、ソースとロードの間で無線周波数または高周波信号を伝送することができる。

第１の優先的伝送方向と、第１の方向とは逆である第２の強く減衰される伝送方向とを確立することによってこれらの伝送線路３，１２を非可逆性にするために、コプレーナ伝送線路３の中心線路の縦断面図を示す図４に示されるように、１つまたは複数のグラフェン層が連続して挿入される。グラフェン層は、１つまたは複数の重畳されるグラフェンシート１から成る。

類似の実施形態は、マイクロストリップ型の伝送線路１２を用いて適用される。

伝送線路３の断面図２０では、薄い層の積み重ねが伝送線路の中心部分を形成して示される。図２の基板に相当する基板２２は、本実施形態では、第１の不活性化層２４、及びこの層２４に重畳される第２の不活性化層２６から成る。例えば、層２４は高抵抗のケイ素であり、層２６は二酸化ケイ素（シリカ）である。第１の金属導電部２８は、導電性のマイクロストリップ６の一部であり、基板の上に置かれる。

グラフェンシートから成るグラフェン層３０は、第１の金属導電部２８を部分的に覆う。

別法として、分極効果及びこれから生じる伝送の非可逆性効果を高めるために、層３０は複数の重畳されるグラフェンシートから成る。

グラフェン層３０は、導電部３２を拡張し、かつグラフェンシート３０を部分的に覆うブリッジ３４を介して、導電性のマイクロストリップ６の一部である第２の金属導電部３２と接触する。

導電部２８，３２は、両方の金属部を離隔する絶縁カット３６によって離隔される。

一実施形態では、金属部２８及び３２は導電性の金属であり、典型的には金（Ａｕ）である。

図４には示されない電極を介してグラフェン層３０に電位が印加されると、グラフェン層は分極され、上述の通り、無線周波数または高周波信号の優先的伝送方向を決定する効果を有する。

図５は、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）型のコンデンサである別の受動マイクロ電子部品を横断面で示す。

コンデンサ４０は、本実施形態では、第１の不活性化層４４、及びこの層４４に重畳される第２の不活性化層４６から成る基板４２を備える。これらの基板層は、伝送線路に関して図２及び図３を参照して既に記述された基板に類似する。

コンデンサ４０はまた、金属層４８である第１の金属導電部、誘電体層５０、及び金属層５２である第２の金属導電部を含む。金属層４８，５２はいずれも、コンデンサ４０の極板を形成する。誘電体層５０は、その表面の一部分上で第１の層４８の一部分と接触し、その表面の別の部分上で第２の金属層５２の一部分と接触する。絶縁カット５４は、誘電体５０を介して絶縁体を形成し、かつ容量効果を得るように、第１の金属導電層４８と第２の金属導電層５２の間で厚み全体に亘って設けられる。

誘電体５０は、限定しないが、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）から成る。別法として、任意の他の知られている誘電体材料が用いられてもよい。

金属部４８，５２は導電性の金属であり、典型的には金（Ａｕ）である。

このような容量性部品の製造は、例えばエピタキシすなわち層の成長などの知られている技術で達成される。

有利には、本発明による非可逆性の容量性部品を製造するための１つまたは複数のグラフェン層の追加をこのような製造方法に組み入れることは容易であり、その一例が断面図で図６に示される。実際に、グラフェン層は、例えばエピタキシによって炭化ケイ素から生成される。

断面図として図６に示される、本発明による非可逆性の容量性部品５５は、標準的な容量性部品に関して既に記述された要素に加えて、誘電体５０と接触して配置される１つまたは複数のグラフェン層５６を含む。

好ましくは、このグラフェン層は、誘電体層５０に対して「サンドイッチ」として配置され、図６に示されるように誘電体層の上に、または誘電体層の下に配置される。

複数のグラフェン層が設けられる場合の代替例では、グラフェン層は、例えば誘電体層と交互に配置される。有利には、複数のグラフェン層を挿入することによって、電位を印加することにより分極されるときに部品の非可逆効果を高めることができる。これらのグラフェン層は、同一の電位ソースに接続されるか、または別個の電位ソースにそれぞれ接続される。いくつかの積み重ねられた層が連続して生成される。例えば、グラフェン層が誘電体層の中間に追加される場合、部品の（金属、誘電体、グラフェン、誘電体、金属）の層をそれぞれ生成するために、５つの製造段階が加えられる。

グラフェン層は、長さ及び幅が誘電体層５０と同じ寸法であることが好ましい。

同様に、互いに対向して配置される１つまたは２つの櫛の指部の上に互いに重なり合う１つまたは複数のグラフェンシートを適用することによって、非可逆性の相互かみ合い型キャパシタンス型のコンデンサを製造することができる。図６を参照して、上述したＭＩＭコンデンサの実施形態と同様に、１又は複数のグラフェン層は次に本シナリオでは空気である誘電体と接触し、電位を印加することにより分極されるときに、所与の方向に沿った無線周波数または高周波信号の伝送を促進する可能性をもたらす。

図７は、本発明によって非可逆性にされ得る別の受動部品である、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）の無線周波数マイクロスイッチまたは高周波マイクロスイッチを示す。

図７は、ＭＥＭＳマイクロスイッチの上面図７０及び横断面図７２を示し、このマイクロスイッチは、互いに絶縁された導電部と接触する変形可能な金属膜を介してスイッチ機能をもたらし、この膜は電位差を受けると接触を確立する。

図７に示される通り、金属導電部すなわち層７４は互いに絶縁され、空間７５によって離隔され、空気が絶縁体の役割を担う。第１の導電金属部すなわち中央の金属接点７６は、膜７８が低い状態にあるときに短絡されることを可能にする。導電層７４，７６は基板８０に取り付けられ、この基板８０は記述された他の受動部品に関して上述されたように、２つの層、第１の不活性化層８２、及びこの層８２に重畳される第２の不活性化層８４を選択的に含む。

膜７８は、接点８６を介して接地面に接続される。

誘電体層８８は、中央の金属接点７６の上に配置される。

ＭＥＭＳスイッチが作動されると、膜７８が下げられて誘電体８８上に置かれ、それによって接点７６と接地面の間に接点８６を介して容量性接点を形成する。この構造は、図５及び図６を参照して上述されたＭＩＭコンデンサの構造に類似し、第２の金属層の機能は下げられた状態にある金属膜７８によって得られる。

従来通り、膜７８は導電性の金属であり、典型的には金（Ａｕ）である。

図８は、グラフェン層を追加することによって改良された図７の型のマイクロスイッチを、上面図９０及び横断面図９２で示す。

同一の要素を指すために、図７の参照記号が繰り返される。図７のＭＥＭＳマイクロスイッチの要素に加えて、グラフェン層９４が誘電体８８と接触して追加される。

図８に示される実施形態では、グラフェン層は誘電体８８の上に配置され、同じ寸法を有する。

代替の実施形態では、１つまたは複数のグラフェンシートで形成されるグラフェン層９４は、電気接点の上及び誘電体８８の下に置かれる。

別の代替の実施形態では、複数の交互する誘電体層及びグラフェン層の重畳が達成される。

有利には、１つのグラフェン層または複数のグラフェン層によって、接点８６と接地面との結合が非可逆性とされ、その結果、絶縁は改善され、電力は接地面で反射されず、吸収される。それゆえ、この部品のスイッチ性能は高められる。

同様に、連続型の容量性ＭＥＭＳスイッチに１つまたは複数のグラフェン層を追加することが意図される。

有利には、上述の受動マイクロ電子部品は、１つまたは複数のグラフェン層を追加することによって、非可逆性にされる。１つまたは複数のグラフェン層の厚みが非常に小さいものである限り、これらのマイクロ電子部品の嵩高性は低いままである。得られた非可逆部品は、無線周波数または高周波信号の好ましい循環方向を有しない標準的な部品の寸法と同等の寸法を有する。

１つまたは複数のグラフェン層が追加された受動マイクロ電子部品の製造は、このような部品を製造する層の積み重ねに追加の層を追加することを単に含むだけであるため、容易である。

Claims (10)

1. 集積回路用の受動無線周波数マイクロ電子部品であって、
   誘電体基板（Ｓ、２２、４２、８０）と、該基板上に配置される少なくとも１つの金属導電層とを備え、該導電層が、絶縁体（Ｉ、３６、５４、７５）によって離隔される少なくとも１つの第１の金属導電部（Ｃ１、２８、４８、７６）及び第２の金属導電部（Ｃ２、３２、５２、７４）を含み、
   無線周波数または高周波信号が前記第１の金属導電部と前記第２の金属導電部の間で伝送されるときに少なくとの１つのグラフェン層（Ｇ、３０、５６、９４）を横断するように配置される前記少なくとも１つのグラフェン層（Ｇ、３０、５６、９４）を備え、該グラフェン層（Ｇ、３０、５６、９４）は、電位を受けると、前記無線周波数または高周波信号を第１の方向に沿って伝送し、前記無線周波数または高周波信号を前記第１の方向とは逆の第２の方向に従って減衰させることができる、受動無線周波数マイクロ電子部品。
2. 前記少なくとも１つのグラフェン層（３０）は、前記第１の金属導電部（２８）と接触して配置され、前記第２の導電部（３２）を拡張し、かつ前記少なくとも１つのグラフェン層（３０）を部分的に覆う金属ブリッジ（３４）を介して前記第２の金属導電部（３２）と接続される、伝送線路型（２０）の請求項１に記載の受動無線周波数マイクロ電子部品。
3. 前記第１の金属導電部（４８）を少なくとも部分的に覆い、かつ前記第２の金属導電部（５２）と接触する誘電体層（５０）を備え、前記少なくとも１つのグラフェン層（５６）は前記誘電体層（５０）と接触して配置される、容量性型（５５）の請求項１に記載の無線周波数マイクロ電子部品。
4. 少なくとも１つのグラフェン層（５６）は、前記第１の金属導電部（４８）と前記誘電体層（５０）の間に配置される、請求項３に記載の無線周波数マイクロ電子部品。
5. 少なくとも１つのグラフェン層（５６）は、前記第２の金属導電部（５２）と前記誘電体層（５０）の間に配置される、請求項３または４に記載の無線周波数マイクロ電子部品。
6. 複数の交互する誘電体層及びグラフェン層を備える、請求項３に記載の無線周波数マイクロ電子部品。
7. 前記第１の金属導電部（７６）と前記第２の金属導電部（７４）において接触を確立することができる可撓性の金属膜（７８）を備え、前記第１の金属導電部（７６）が誘電体層（８８）で覆われ、前記グラフェン層（９４）が前記誘電体層（８８）と接触して配置される、マイクロスイッチ型（９０、９２）の請求項１に記載の無線周波数マイクロ電子部品。
8. 複数の交互する誘電体層及びグラフェン層を備える、請求項７に記載の無線周波数マイクロ電子部品。
9. 一又は複数の前記グラフェン層が、幅及び長さが前記誘電体層（５０、８８）と同じ寸法である、請求項３から８のいずれかに記載の無線周波数マイクロ電子部品。
10. いわゆるグラフェン層（３０、５６、９４）が単原子の厚さの１枚の炭素結晶から成る、請求項１から９のいずれかに記載の無線周波数マイクロ電子部品。
    

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