JP3549104B2

JP3549104B2 - Electromagnetic wave generator

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Publication number: JP3549104B2
Application number: JP2000226841A
Authority: JP
Inventors: 明彦枚田; 仁石井; 忠夫永妻
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-07-27
Filing date: 2000-07-27
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: JP2002043839A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は安価な高出力高周波の電磁波発生装置を形成するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、無線通信の急速な発展に伴い、通信に使用する無線周波数の領域もマイクロ波からミリ波へと移ってきている。このとき、ミリ波帯電気信号の発生及び伝送の困難さから、ミリ波帯信号の強度や位相等の情報を光強度変調器などを用いてレーザ光の強度や位相等に変換し、得られた光信号を光ファイバ等により無線通信用モジュールへ伝送するシステムが有望視されている。
【０００３】
このような無線通信用モジュールのコンパクト化及び低価格化を実現する方法として、レーザ光を電気信号に変換する受光器とこの電気信号を電磁波として放射するアンテナから構成される光給電アンテナ（以下、フォトニックアンテナと呼ぶ）が検討されている。（例えば、Ｄ．Ｗａｋｅｅｔａｌ． ”Ｐａｓｓｉｖｅｐｉｃｏｃｅｌｌ：ａｎｅｗｃｏｎｃｅｐｔｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．５，１９９７．）
【０００４】
しかし、ミリ波帯のフォトニックアンテナでは、受光器から発生した高周波信号をアンテナへ伝送する場合の伝送損失が問題となっている。
【０００５】
この伝送損失の問題を解決するため、従来、高速応答のフォトダイオードと平面アンテナとを同一基板に形成したモノリシック型のフォトニックアンテナの検討が進められている。
【０００６】
図１１に、第１従来例として、モノリシック型のフォトニックアンテナの構造を模式的に示す。図１１では、同一のエピタキシャル基板３４により、高速応答のフォトダイオード３６、アンテナパタン１６及びアンテナチップ上伝送路１８が同一面に形成されている。アンテナパタン１６とアンテナチップ上伝送路１８は金属薄膜で形成されている。図示のアンテナパタン１６のアンテナ形式はスロットアンテナであり、アンテナチップ上伝送路１８はコプレナー形式である。
【０００７】
モノリシック型のフォトニックアンテナは、フォトダイオードと平面アンテナが別チップで形成されているハイブリッド型のフォトニックアンテナと比較して、下記理由（１）（２）により、フォトダイオード３６で発生した高周波信号を効率良くアンテナパタン１６に伝えることができる。
（１）ハイブリッド型のフォトニックアンテナにおけるような、チップ接続部による伝送損失がない。言い換えれば、従来のハイブリッド型のフォトニックアンテナでは、フォトダイオードチップと平面アンテナチップとがワイヤボンディングにより接続されているため、チップ接続部のワイヤボンディングによる伝送損失が大きい。
（２）フォトダイオード３６とアンテナパタン１６との距離を短くできる。
【０００８】
しかし、モノリシック型のフォトニックアンテナには、以下に述べるような欠点がある。
【０００９】
一般に、フォトダイオードは、その構造、特にエピタキシャル層の構成を変化させることにより、光の入射方向を基板の裏面、表面あるいは断面（端面）と変えることが可能である。図１２に、第２従来例として、裏面入射型フォトダイオード３６ａを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナを模式的に示す。図１２において、光２４は基板裏面３４ａからフォトダイオード３６ａに入射される。しかし、アンテナパタン１６で発生する電磁波２６は、空気と基板３４との誘電率の差から、主に基板裏面３４ａの方向へ放射される。この場合、光２４の入射面と電磁波２６の放射面が同一面（基板裏面３４ａ）となるため、光２４の導入のために用いられる光ファイバ等が電磁波放射面に位置し、電磁波２６の放射に対して障害となる。従って、アンテナ利得が低下する。
【００１０】
次に、エピタキシャル層の構成を変えることにより、基板表面から光を入射する構造のフォトダイオードを形成することも可能である。図１３に、第３従来例として、表面入射型フォトダイオード３６ｂを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナを模式的に示す。しかし、基板表面３４ｂから光２４を入射する構造のフォトダイオード３６ｂでは、該フォトダイオード３６ｂの光吸収層上部に形成される電極が当該光吸収層に照射すべき光２４を遮るため、光電気変換効率が低下する。
【００１１】
また、図１４に示す第４従来例のように、基板３４上にフォトダイオードに加えて光導波路３８を形成することにより、断面方向からの光入射が可能なフォトダイオード３６ｃを形成することも可能である。図１５に断面入射型フォトダイオード３６ｃを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナを模式的に示す。しかし、断面入射構造では、光導波路３８のうち光２４の入射方向に近い領域の光吸収層４０のみが出力飽和してしまうため、図１２に示した基板裏面３４ａから光２４を照射する構造と比較して、フォトダイオード３６ｃの光電気変換効率が低下する。
【００１２】
以上要するに、モノリシック型のフォトニックアンテナでは、フォトダイオードの光電気変換効率及び平面アンテナの利得を同時に最適化することが困難である。
【００１３】
更に、エピタキシャル基板３４は極めて高価である。一般に、高速応答のフォトダイオード３６、３６ａ、３６ｂ、３６ｃは、ＩｎＧａＡｓ層など複数の層をＩｎＰ基板の上にエピタキシャル成長させた基板、即ちエピタキシャル基板３４を用いて形成される。しかし、エピタキシャル基板３４は、エピタキシャル成長工程の複雑さから、価格は１枚で十万円以上にもなり高価である。
【００１４】
一方、金属薄膜で形成したアンテナパタン１６の大きさは、基板中と空気中での波長の平均となる実効波長に比例する。例えば、３０ＧＨｚ用のアンテナパタン１６をＩｎＰ基板上に形成した場合、アンテナ形式としてダイポールアンテナを使用した場合では、そのダイポールの長さは約２．５ｍｍとなり、フォトダイオード３６に比べかなり大きい。また、スロットアンテナを使用した場合では、グランド部の面積も必要となるため、占有面積はダイポールアンテナよりも更に大きくなる。
【００１５】
このような占有面積の大きいアンテナパタン１６をエピタキシャ基板３４上に形成することは、エピタキシャ基板３４がその分大きくなることから、モノリシック型のフォトニックアンテナの高価格化を招く。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、高出力化高周波の電磁波発生装置を安価に形成できる技術を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は上記課題を解決する電磁波発生装置であり、裏面入射型フォトダイオード及びフォトダイオード上伝送路が形成されたフォトダイオードチップと、平面アンテナ及びアンテナチップ上伝送路が同一配線工程で形成された平面アンテナチップとを具備し、前記フォトダイオード上伝送路と前記アンテナチップ上伝送路が向かい合って接続するように、前記フォトダイオードチップをフリップチップボンディングにより前記平面アンテナチップに接続した電磁波発生装置において、前記フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向する前記平面アンテナチップの基板の表面との間に、前記平面アンテナチップの基板が前記フォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響を軽減する間隙を確保するために、前記アンテナチップ上伝送路を厚さ１０μｍ以上の金属膜により形成したことを特徴とする。
【００１８】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記平面アンテナチップの裏面に、アンテナチップの基板と同一材料もしくは同程度の誘電率を有する材料で形成された電磁波用レンズを接続することにより、光信号は平面アンテナチップ上面から入射し、出力ミリ波信号は平面アンテナ裏面方向に放射されることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１０を参照して、本発明の実施形態例を説明する。
【００２２】
［第１実施形態例］
図１に本発明の第１実施形態例に係る電磁波発生装置を示し、図２にこれに用いた平面アンテナチップの構成を示し、図３に図１中のＡ−Ｂ線に沿う断面構造を示す。これらの図において、電磁波発生装置は、フォトダイオードチップ２と平面アンテナチップ１０から構成される。フォトダイオードチップチップ２と平面アンテナチップ１０は、フォトダイオード上伝送路８がアンテナチップ上伝送路１８に向き合って接続するように、フリップチップボンディングにより接続されている。フォトダイオードチップ２は平面アンテナチップ１０と比較して面積が大幅に小さい。
【００２３】
フォトダイオードチップ２は図３に示すように、フォトダイオード基板４に裏面入射型フォトダイオードを形成したものであり、この裏面入射型フォトダイオードの表面６上にフォトダイオード上伝送路８を金属膜によって形成している。本例では、金属膜として膜厚１μｍの金薄膜を用い、高耐蝕性と低抵抗化を図っている。
【００２４】
また、本例のフォトダイオードチップ２は、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層等の複数の層をエピタキシャル成長させてなるＩｎＰ基板ベースのエピタキシャル基板をフォトダイオード基板４として用い、このフォトダイオード基板４上にマイクロ波及びミリ波に対応可能な高速応答の裏面入射型フォトダイオードを形成している。
【００２５】
更に、本例では、フォトダイオードチップ２に使用する裏面入射型フォトダイオードとして、高速応答且つ高出力と特長とするユニ・トラベリング・キャリア・フォトダイオード（Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ＣａｒｒｉｅｒＰｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：以下、ＵＴＣ−ＰＤと呼ぶ）を採用し、フォトダイオード基板４上に形成している。従って、このＵＴＣ−ＰＤは図３に示すように、チップ裏面２ａから光２４を照射する構造である。
【００２６】
一方、本例の平面アンテナチップ１０は、図２に示すように、アンテナ基板１２として板厚４００μｍのＳｉ（シリコン）基板を用い、このアンテナ基板１２と、該アンテナ基板１２上にパタニングした金属膜１４により構成される。金属膜１４のパタニングが、アンテナ基板１２上にアンテナパタン１６、アンテナチップ上伝送路１８及びフリップチップボンディング用バッド２０を形成する。２２は、フォトダイオードチップ２と平面アンテナチップ１０とのフリップチップボンディング領域を示す。アンテナパタン１６のアンテナ形式はスロットアンテナとし、アンテナチップ上伝送路１８はコプレナー形式としている。また、金属膜１４として膜厚１μｍの金薄膜を用いることにより、高耐蝕性と低抵抗化を図っている。
【００２７】
ここで、コプレナー形のアンテナチップ上伝送路１８は、細長い信号線１８ａと、この信号線１８ａの両側に狭いスペース１８ｂを介して位置するグランド１８ｃから構成される。
【００２８】
上述した平面アンテナチップ１０にフォトダイオードチップ２をフリップチップボンディングにより接続して、図３に示すように、フォトダイオード上伝送路８をアンテナチップ上伝送路１８に向かい合わせて接続させている。つまり、フォトダイオード上伝送路８がアンテナチップ上伝送路１８に向かい合ったフェースダウン状態でフォトダイオードチップ２を平面アンテナチップ１０上に実装している。本例では、フォトダイオードチップ２と平面アンテナチップ１０とのフリップチップボンディングには銀ペーストなどの低抵抗導電性樹脂を用い、フォトダイオード上伝送路８とアンテナチップ上伝送路１８を直接接続している。
【００２９】
このように裏面入射型フォトダイオードを形成したフォトダイオードチップ２を平面アンテナチップ１０に接続したことから、光２４はフォトダイオードチップ裏面２ａからフォトダイオードに入射し、このフォトダイオードで高周波信号に変換される。この高周波信号はフォトダイオード上伝送路８から、フリップチップボンディング用パッド２０とアンテナチップ上伝送路１８を経てアンテナパタン１６に至り、アンテナパタン１６で電磁波２６になる。アンテナパタン１６で発生する電磁波２６は空気とアンテナ基板１２との誘電率の差から、主にアンテナチップ裏面１０ａの方向へ放射される。
【００３０】
従って、裏面入射型フォトダイオードを用いたにもかかわらず、光２４の入射４と電磁波２６の放射面は、フォトダイオードチップ裏面２ａとアンテナチップ裏面１０ａという互いに反対側に位置する異なる面となるから、光２４の導入のために用いられる光ファイバ等がフォトダイオードチップ裏面２ａに位置していても、電磁波２６の放射に対して障害となることはない。つまり、アンテナ利得は、図１２に示した従来の裏面入射型フォトダイオード３６ａを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナのように低下することがない。
【００３１】
また、フォトダイオードの構造が裏面入射型であるから、図１３に示した従来の表面入射型フォトダイオード３６ｂを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナや、図１４、図１５に示した従来の端面入射型フォトダイオード３６ｃを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナのように光電気変換効率が低下することもない。
【００３２】
更に、フォトダイオードチップ２を平面アンテナチップ１０にフリップチップボンディングにより接続したことから、従来のワイヤボンディング接続に比べチップ接続部による伝送損失が大幅に低減し、モノリシック型のフォトニックアンテナと同等の低伝送損失が可能となる。
【００３３】
かくして、フォトダイオードの光電気変換効率と平面アンテナの利得を同時に最適化することが可能である。
【００３４】
一方、前述したように、平面アンテナが占有する面積は、フォトダイオードが占有する面積と比較して、格段に大きい。また、Ｓｉ基板等の単純な基板は、エピタキシャル基板と比較して、格段に安価である。
【００３５】
従って、占有面積の大きいアンテナ部分をＳｉ等を材料とするアンテナ基板１２上に形成して平面アンテナチップ１０とし、占有面積の小さいフォトダイオード部分をエピタキシャル基板により形成してフォトダイオードチップ２とし、フォトダイオードチップ２を平面アンテナチップ１０にフリップチップボンディングで接続したことにより、図１１等に示した高価なエピタキシャル基板３４上にフォトダイオードとアンテナパタンを一緒に形成したモノリシック型のフォトニックアンテナと比較し、安価に電磁波発生装置を形成することができる。
【００３６】
以上説明した本例では、フォトダイオードとしてＵＴＣ−ＰＤを使用しているが、マイクロ波やミリ波等に対応する他の高速応答のフォトダイオードを使用しても構わない。また、平面アンテナはＳｉを用いたアンテナ基板１２上に形成しているが、他の材料の基板上に形成してもよいことは言うまでもない。更に、平面アンテナとしてスロットアンテナを使用したが、ダイポールアンテナ等、他の平面アンテナでも構わないことは言うまでもない。更にまた、アンテナチップ上伝送路１８としてコプレナー伝送路を使用したが、他の形式の伝送路でも構わない。
【００３７】
［間隙確保構造について］
ところで、フォトダイオード上伝送路８の表面とこれに対向するアンテナ基板１２の表面との間Ｇが狭いと（図３参照）、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が影響を与えてフォトダイオード上伝送路８の伝送特性が劣化し、フォトダイオードで発生した高周波信号がアンテナパタン１６まで伝送する際の効率が低下することが考えられる。
【００３８】
この対策として、フォトダイオード上伝送路８の表面とこれに対向するアンテナ基板１２の表面との間Ｇに１０μｍ以上等、適宜な間隙を確保する構造を備えて、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくすることが望ましい。
【００３９】
半導体基板として広く使用されているＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の誘電率は１０〜１５であり、これら１０〜１５の範囲の誘電率を有する任意の物質をアンテナ基板１２として使用する場合は、これに対向するフォトダイオード上伝送路８の表面との間隙は１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であれば良い。また、誘電率がこれらの値と大幅に異なる物質をアンテナ基板１２に使用する場合は、誘電率に応じて下限値が異なるが、その値は実験や計算により求めることができる。いずれの場合も、上限値はない。
【００４０】
［第２実施形態例］
図４〜図５を参照し、本発明の第２実施形態例として、フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間Ｇに約２０μｍの間隙を確保する構造を備えた電磁波発生装置を説明する。図４は本第２実施形態例に係る電磁波発生装置の図３相当の断面構造を示し、図５はこの電磁波発生装置に用いる平面アンテナチップの構成を示すが、図１〜図３に示した第１実施形態例に係る電磁波発生装置とは、平面アンテナチップ１０に窪地パタン２８を形成した点が異なり、他は同じである。従って、図４〜図５中で図２〜図３と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００４１】
本例の電磁波発生装置では、アンテナチップ１０に深さ２０μｍの窪地パターン２８を形成することにより、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくしている。
【００４２】
具体的には、基板厚４００μｍのＳｉ製アンテナ基板１２のうち、フォトダイオードチップ２とのフリップチップボンディング領域２２、即ちフリップチップボンディングの際にフォトダイオードチップ２が対向して接続される部分に、フォトダイオード上伝送路８に接続されるフリップチップボンディング用パッド２０等の電極部分を除いて、適宜な手法で深さ２０μｍ削り込むことにより、窪地パタン２８を矩形に形成している。
【００４３】
この窪地パタン２８の形成により、Ｓｉ製アンテナ基板１２の表面とフォトダイオード上伝送路８の表面との間Ｇは約２０μｍ離れることになり、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が与える影響が少なくなり、フォトダイオード上伝送路８の伝送特性は劣化しない。
【００４４】
この結果、フォトダイオードで発生した高周波信号はフォトダイオード上伝送路８を効率良く通り、フリップチップボンディング用パッド２０及びアンテナチップ上伝送路１８を経てアンテナパタン１６へ、効率的に伝送することが可能となる。
【００４５】
本例では窪地パタン２８の深さを２０μｍとしたが、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに影響を与えない距離以上を確保できる深さであれば良い。一般には、窪地パタン２８を深く形成することは簡単でないことから、下限値に近い値、例えば１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であれば良い。
【００４６】
［第３実施形態例］
次に、図６を参照し、本発明の第３実施形態例として、フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間Ｇに約２０μｍの間隙を確保する構造を備えた他の電磁波発生装置を説明する。図６は本第３実施形態例に係る電磁波発生装置の図３相当の断面構造を示し、図１〜図３に示した第１実施形態例に係る電磁波発生装置とは、平面アンテナチップ１０にパタニングした金属膜が厚い点が異なり、他は同じである。従って、図６中で図３と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００４７】
本例の電磁波発生装置では、平面アンテナチップ１０に厚さ２０μｍの金薄膜をパタニングすることにより、アンテナチップ上伝送路１８を厚さ２０μｍに厚膜化し、Ｓｉ製アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくしている。
【００４８】
このようにアンテナチップ上伝送路１８を厚膜化したことにより、アンテナ基板１２の表面とフォトダイオード上伝送路８の表面との間Ｇは約２０μｍ離れることになり、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が与える影響が少なくなり、フォトダイオード上伝送路８の伝送特性は劣化しない。この結果、フォトダイオードで発生した高周波信号はフォトダイオード上伝送路８及びアンテナチップ上伝送路１８を通り効率良くアンテナパタン１６まで伝送することが可能となる。
【００４９】
また、アンテナチップ上伝送路１８を１μｍから２０μｍへと厚膜化したことにより、フリップチップボンディング用パッド２０とアンテナパタン１６を結ぶアンテナチップ上伝送路１８自体の伝送特性の向上にも寄与する。
【００５０】
本例ではアンテナチップ上伝送路１８の膜厚を２０μｍとしたが、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに影響を与えない距離以上を確保できる厚さであれば良い。一般には、金属膜の厚膜化は簡単でないことから、下限値に近い値、例えば１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であれば良い。
【００５１】
また、本例ではアンテナチップ上伝送路１８を厚膜化したが、フォトダイオード上伝送路８を形成する金属膜、例えば金薄膜を、１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上と同様に厚膜化することにより、フォトダイオード上伝送路８自体の伝送特性を向上させることができる。
【００５２】
更には、アンテナチップ上伝送路１８及びフォトダイオード上伝送路８の金属膜の両方を同様に厚膜化して、フォトダイオード上伝送路８自体及びアンテナチップ上伝送路１８自体の伝送特性を向上させ、同時に、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくするようにしても良い。
【００５３】
［第４実施形態例］
次に、図７を参照し、本発明の第４実施形態例として、フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間Ｇに約３０μｍの間隙を確保する構造を備えた他の電磁波発生装置を説明する。図７は本第４実施形態例に係る電磁波発生装置の図３相当の断面構造を示し、図１〜図３に示した第１実施形態例に係る電磁波発生装置とは、平面アンテナチップ１０に窪地パタン２８を形成した点、更に、平面アンテナチップ１０にパタニングした金属膜が厚い点が異なり、他は同じである。つまり、本第４実施形態例に係る電磁波発生装置は、第２実施形態例と第３実施形態例の両方の技術を採用している。従って、図７中で図１〜図６と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００５４】
即ち、本例の電磁波発生装置では、平面アンテナチップ１０のうち、フォトダイオードチップ２とのフリップチップボンディング領域に、フリップチップボンディング用パッド２０等の電極部分を除いて、Ｓｉ製アンテナ基板１２を削り込んで深さ２０μｍの窪地パターン２８を形成している。また、アンテナ基板１２に厚さ１０μｍの金薄膜をパタニングすることによりアンテナチップ上伝送路１８を１０μｍに厚膜化している。
【００５５】
深さ２０μｍ窪地パタン２８の形成とアンテナチップ上伝送路１８の１０μｍの厚膜化により、アンテナ基板１２の表面とフォトダイオード上伝送路８の表面との間Ｇは約３０μｍ離れることになり、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が与える影響が少なくなり、フォトダイオード上伝送路８の伝送特性が劣化しない。また、アンテナチップ上伝送路１８の厚膜化により、アンテナチップ上伝送路１８自体の伝送特性が向上する。
【００５６】
この結果、フォトダイオードで発生した高周波信号はフォトダイオード上伝送路８及びアンテナチップ上伝送路１８を通り効率良くアンテナパタン１６まで伝送することが可能となる。
【００５７】
［第５実施形態例］
次に、図８を参照し、本発明の第５実施形態例として、フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間Ｇに約２０μｍの間隙を確保する構造を備えた他の電磁波発生装置を説明する。図８は本第５実施形態例に係る電磁波発生装置の図３相当の断面構造を示し、図１〜図３に示した第１実施形態例に係る電磁波発生装置とは、フォトダイオード上伝送路８とアンテナチップ上伝送路１８との間に高さ１０μｍ以上の導電性部材３０を接続した点が異なり、他は同じである。従って、図８中で図３と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００５８】
本例の電磁波発生装置では、アンテナチップ上伝送路１８とフォトダイオード上伝送路８を形成する金属膜の厚さは１μｍであるが、これらの間に、導電性部材３０として厚さ２０μｍの金製バンプを接続し、Ｓｉ製アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくしている。
【００５９】
バンプ３０の使用により、アンテナ基板１２の表面とフォトダイオード上伝送路８の表面との間Ｇは約２０μｍ離れて接続されることになり、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が与える影響が少なくなり、フォトダイオード上伝送路８の伝送特性は劣化しない。この結果、フォトダイオードで発生した高周波信号はフォトダイオード上伝送路８及びアンテナチップ上伝送路１８を通り効率良くアンテナパタン１６まで伝送することが可能となる。
【００６０】
本例では導電性材料３０として金バンプを用いたが、半田バンプ等、他の導電性バンプを使用しても良いことは言うまでもない。また、アンテナ基板１２としてＳｉ等、誘電率が１０〜１５の基板を使用する場合は、バンプ３０の高さは１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であれば良い。
【００６１】
［第６実施形態例］
図９〜図１０を参照し、本発明の第６実施形態例に係る電磁波発生装置を説明する。図９は本例の電磁波発生装置の断面構造を示す図３相当のものであり、図１０はその動作時の様子を示すが、図１〜図８に示した第１〜第５実施形態例に係る各電磁波発生装置とは、平面アンテナチップ１０の裏面１０ａにレンズ３２を接続した点が異なり、他は同じである。従って、図９〜図１０中で図１〜図８と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００６２】
本例の電磁波発生装置では、アンテナ基板１２をＳｉ基板としたので、これと同一材料であるＳｉ材料を加工してレンズ３２を形成し、このレンズ３２を平面アンテナチップ裏面１０ａに接続している。
【００６３】
更に、本例では、レンズ３２として、Ｓｉ材料を超半球レンズ形状に加工したものを用いている。超半球レンズ形状とは、球を半分に切断した断面に、その円の直径と等しい直径を有する円筒を継ぎ足した形状である。
【００６４】
平面アンテナチップ裏面１０ａにレンズ３２を接続することにより、アンテナ基板１２における表面波の発生を抑制でき、更に、電磁波２６の放射パタンの指向性を高めることができるので、アンテナ利得が向上する。
【００６５】
ここで、表面波の発生に関し、アンテナ基板１２の基板厚さが同基板内での電磁波の波長と同程度或いはそれ以下であると、アンテナ基板−空気界面で反射された電磁波により基板内に定在波が生じる。これが表面波となり、損失の一因になる。しかし、レンズ３２を接続することにより、等価的にアンテナ基板厚さが厚くなって定在波が立たなくなるため、表面波が抑制される。
【００６６】
特に、レンズ３２が超半球レンズ形状である場合は、電磁波の放射パタンの指向性が高まる。また、等価的なアンテナ基板厚さが十分厚くなるので、表面波抑制の効果も大きい。
【００６７】
本例では、レンズ３２の材料にＳｉを使用しているが、アンテナ基板１２と同一材料あるいは同程度の誘電率を有する材料であれば良い。ここで、誘電率について述べると、電磁波が誘電率の異なる物質の境界を通過する際に電磁波の屈折や反射が起こるが、その度合は２つの物質の誘電率の差が大きいほど大きくなる。そこで、アンテナ基板１２とレンズ３２の材料は、電磁波の屈折や反射を許容できる範囲で、誘電率が同程度であることが望ましい。
【００６８】
また、レンズ３２の直径がレンズ内での電磁波の波長の１０倍以上であれば、表面波抑制の固化が大きい。また、電磁波の放射パタンの指向性も高まる。例えば、レンズ３２の材料にシリコン（Ｓｉ）を使用した場合、１００ＧＨｚの電磁波ではレンズ３２の直径は１２ｍｍ以上あれば良い。
【００６９】
レンズ３２を接続した電磁波発生装置を使用する場合、フォトダイオードチップ２に使用されているフォトダイオードは裏面入射型であるため、図１０に示すように、光２４はフォトダイオードチップ裏面２ａから照射される。マイクロ波やミリ波に対応する高速応答のフォトダイオードでは、表面方向や断面方向から光を入射する構造のものより、裏面から光２４を入射する構造の方が高出力領域において光電気変換の効率が良い。そして、光２４の照射により発生した電磁波２６は、アンテナ基板１２及びこの基板裏面に接続したレンズ３２の効果により、主に、平面アンテナチップ裏面１０ａ側に放射される。
【００７０】
このように、本例の電磁波発生装置では、光２４が入射される面に対向した反対側の面より電磁波２６が放射され、光入射用の光ファイバ等が電磁波放射の障害とならないため、放射される電磁波と同一面あるいは横方向から光を入射するものと比較し、アンテナの利得が向上する。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電磁波発生装置の基本は、裏面入射型フォトダイオード及びフォトダイオード上伝送路が形成されたフォトダイオードチップと、平面アンテナ及びアンテナチップ上伝送路が同一配線工程で形成された平面アンテナチップとを具備し、前記フォトダイオード上伝送路と前記アンテナチップ上伝送路が向かい合って接続するように、前記フォトダイオードチップをフリップチップボンディングにより前記平面アンテナチップに接続した電磁波発生装置において、前記フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向する前記平面アンテナチップの基板の表面との間に、前記平面アンテナチップの基板が前記フォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響を軽減する間隙を確保するために、前記アンテナチップ上伝送路を厚さ１０μｍ以上の金属膜により形成したものである。従って、以下の効果があり、ミリ波帯やマイクロ波帯等の高周波における無線通信だけでなく、各種の分析等、幅広い分野で利用可能である。
【００７２】
(1) 光が入射される面と対向した反対側の面より電磁波が放射されるため、フォトダイオードの光電変換効率及びアンテナの利得が向上する。
(2) フリップチップボンディング接続による伝送損失が伝送線路の厚膜化により抑制されるため、電磁波発生装置の高出力化が可能である。
(3) 占有面積の大きな平面アンテナチップはフォトダイオードチップとは別に、Ｓｉ等の安価な基板により形成できるため、フォトダイオードとアンテナパタンが同一基板上に形成されているモノリシック形のフォトニックアンテナと比較して、安価な電磁波発生装置を形成することが可能である。
(4) 平面アンテナチップの裏面に電磁波用レンズを接続した電磁波発生装置では、レンズの効果により、電磁波は主にアンテナチップ裏面に放射されて放射パタンの指向性が高まり、また、等価的にアンテナ基板厚さが厚くなって表面波の発生が抑制されるので、アンテナ利得が向上する。
(5) レンズを平面アンテナチップの基板と同一材料もしくは同程度の誘電率を有する材料で形成した電磁波発生装置では、電磁波がアンテナ基板とレンズとの境界を通過する際に屈折や反射が起こり難くなり、出力低下を抑制できる。
(6) フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間に、間隙を確保する構造を備えた電磁波発生装置では、アンテナ基板がフォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響が軽減し、フォトダイオードで発生する高周波信号が効率良くアンテナパタンに伝わる。
(7)アンテナチップ上伝送路を厚さ１０μｍ以上の金属膜により形成した電磁波発生装置では、アンテナ基板がフォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響を軽減するための間隙を当該アンテナチップ上伝送路により確保でき、また、アンテナチップ上伝送路自体の伝送特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図。
【図２】本発明の第１実施形態例における平面アンテナチップの構成を示す図。
【図３】図１中のＡ−Ｂ線に沿う断面構造を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図５】本発明の第２実施形態例に係る電磁波発生装置に用いる平面アンテナチップの構成を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図７】本発明の第４実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図８】本発明の第５実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図９】本発明の第６実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図１０】図９に示した電磁波発生装置の動作時の様子を示す図。
【図１１】第１従来例としてモノリシック型のフォトニックアンテナの構成を示す図。
【図１２】第２従来例として裏面入射型フォトダイオードを採用したモノリシック型のフォトニックアンテナの動作時の様子を示す図。
【図１３】第３従来例として表面入射型フォトダイオードを採用したモノリシック型のフォトニックアンテナの動作時の様子を示す図。
【図１４】第４従来例として端面入射型フォトダイオードを採用したモノリシック型のフォトニックアンテナの構成を示す図。
【図１５】図１４に示したモノリシック型のフォトニックアンテナの動作時の様子を示す図。
【符号の説明】
２裏面入射型フォトダイオード採用のフォトダイオードチップ
２ａフォトダイオードチップの裏面
４フォトダイオード基板
６裏面入射型フォトダイオードの表面
８フォトダイオード上伝送路
１０平面アンテナチップ
１０ａ平面アンテナチップの裏面
１２アンテナ基板
１４金属膜
１６アンテナパタン
１８アンテナチップ上伝送路
２０フリップチップボンディング用パッド
２２フリップチップボンディング領域
２４光
２６電磁波
２８窪地パタン
３０バンプ
３２レンズ
３４モノリシック型フォトニックアンテナのエピタキシャル基板
３６フォトダイオード
３６ａ裏面入射型フォトダイオード
３６ｂ表面入射型フォトダイオード
３６ｃ端面入射型フォトダイオード
３８光導波路
４０光吸収層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure for forming an inexpensive high-output high-frequency electromagnetic wave generator.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the rapid development of wireless communication, the range of wireless frequencies used for communication has also shifted from microwaves to millimeter waves. At this time, due to the difficulty in generating and transmitting the millimeter-wave band electric signal, information such as the intensity and phase of the millimeter-wave band signal is converted into the intensity and phase of the laser light using a light intensity modulator or the like. A system for transmitting an optical signal to a wireless communication module through an optical fiber or the like is expected to be promising.
[0003]
As a method of realizing such a compact and low-cost wireless communication module, a light-feeding antenna (hereinafter, referred to as a light-receiving antenna) including a light-receiving device that converts laser light into an electric signal and an antenna that emits the electric signal as an electromagnetic wave. Photonic antennas) are being considered. (For example, D. Wake et al., "Passive picocell: a new concept in wireless network infrastructure," Electron. Lett., Vol. 33, No. 5, 1997.)
[0004]
However, a photonic antenna in the millimeter wave band has a problem of transmission loss when transmitting a high-frequency signal generated from a light receiver to the antenna.
[0005]
In order to solve the problem of the transmission loss, a monolithic photonic antenna in which a high-speed response photodiode and a planar antenna are formed on the same substrate has been studied.
[0006]
FIG. 11 schematically shows the structure of a monolithic photonic antenna as a first conventional example. In FIG. 11, the photodiode 36, the antenna pattern 16, and the transmission line 18 on the antenna chip with high response speed are formed on the same surface by the same epitaxial substrate 34. The antenna pattern 16 and the transmission path 18 on the antenna chip are formed of a metal thin film. The antenna type of the illustrated antenna pattern 16 is a slot antenna, and the transmission line 18 on the antenna chip is a coplanar type.
[0007]
The monolithic photonic antenna is different from the hybrid photonic antenna in which the photodiode and the planar antenna are formed on separate chips, for the following reasons (1) and (2), due to the following reasons (1) and (2). Can be efficiently transmitted to the antenna pattern 16.
(1) There is no transmission loss due to the chip connection part as in the hybrid type photonic antenna. In other words, in the conventional hybrid photonic antenna, since the photodiode chip and the planar antenna chip are connected by wire bonding, transmission loss due to wire bonding at the chip connection portion is large.
(2) The distance between the photodiode 36 and the antenna pattern 16 can be reduced.
[0008]
However, the monolithic photonic antenna has the following disadvantages.
[0009]
In general, by changing the structure of a photodiode, in particular, the configuration of an epitaxial layer, it is possible to change the incident direction of light to the back surface, front surface, or cross section (end surface) of the substrate. FIG. 12 schematically shows a monolithic photonic antenna using a back illuminated photodiode 36a as a second conventional example. In FIG. 12, light 24 is incident on a photodiode 36a from a substrate back surface 34a. However, the electromagnetic wave 26 generated by the antenna pattern 16 is radiated mainly in the direction of the substrate back surface 34a due to the difference in dielectric constant between air and the substrate 34. In this case, the incident surface of the light 24 and the radiation surface of the electromagnetic wave 26 are on the same plane (substrate back surface 34a), so that an optical fiber or the like used for introducing the light 24 is located on the electromagnetic wave radiation surface, and the radiation of the electromagnetic wave 26 Is an obstacle to Therefore, the antenna gain decreases.
[0010]
Next, by changing the configuration of the epitaxial layer, a photodiode having a structure in which light is incident from the substrate surface can be formed. FIG. 13 schematically shows a monolithic photonic antenna using a front-illuminated photodiode 36b as a third conventional example. However, in the photodiode 36b having a structure in which the light 24 is incident from the substrate surface 34b, an electrode formed above the light absorbing layer of the photodiode 36b blocks the light 24 to be irradiated to the light absorbing layer, and thus the photoelectric conversion is performed. Efficiency decreases.
[0011]
Further, as in the fourth conventional example shown in FIG. 14, by forming an optical waveguide 38 on a substrate 34 in addition to a photodiode, it is also possible to form a photodiode 36c capable of receiving light from a cross-sectional direction. It is. FIG. 15 schematically shows a monolithic photonic antenna using the cross-sectionally incident photodiode 36c. However, in the cross-sectional incidence structure, only the light absorption layer 40 in the region near the incident direction of the light 24 in the optical waveguide 38 is output-saturated. Therefore, the structure in which the light 24 is irradiated from the substrate back surface 34a shown in FIG. In comparison, the photoelectric conversion efficiency of the photodiode 36c decreases.
[0012]
In short, in a monolithic photonic antenna, it is difficult to simultaneously optimize the photoelectric conversion efficiency of the photodiode and the gain of the planar antenna.
[0013]
Further, the epitaxial substrate 34 is extremely expensive. Generally, the photodiodes 36, 36a, 36b, and 36c having a high response speed are formed using a substrate obtained by epitaxially growing a plurality of layers such as an InGaAs layer on an InP substrate, that is, an epitaxial substrate 34. However, due to the complexity of the epitaxial growth process, the cost of the epitaxial substrate 34 is more than 100,000 yen per sheet, which is expensive.
[0014]
On the other hand, the size of the antenna pattern 16 formed of a metal thin film is proportional to the effective wavelength that is the average of the wavelengths in the substrate and in air. For example, when the antenna pattern 16 for 30 GHz is formed on an InP substrate, when a dipole antenna is used as the antenna type, the length of the dipole is about 2.5 mm, which is considerably larger than the photodiode 36. Also, when a slot antenna is used, the area of the ground portion is also required, so that the occupied area is further larger than that of the dipole antenna.
[0015]
Forming such an antenna pattern 16 having a large occupied area on the epitaxy substrate 34 increases the size of the epitaxy substrate 34, thereby increasing the cost of the monolithic photonic antenna.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide a technique capable of inexpensively forming a high-output high-frequency electromagnetic wave generator.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is an electromagnetic wave generator that solves the above-mentioned problem, and includes a photodiode chip having a back-illuminated photodiode and a transmission line on the photodiode, a planar antenna and a transmission line on the antenna chip. In the same wiring process The photodiode chip was connected to the planar antenna chip by flip-chip bonding so that the planar antenna chip was formed, and the transmission line on the photodiode and the transmission line on the antenna chip were connected to face each other. In the electromagnetic wave generating device, between the surface of the transmission line on the photodiode and the surface of the substrate of the planar antenna chip opposed thereto, the influence of the substrate of the planar antenna chip on the impedance of the transmission line on the photodiode is reduced. In order to secure a reduced gap, the transmission line on the antenna chip was formed of a metal film having a thickness of 10 μm or more. It is characterized by the following.
[0018]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, on the back surface of the planar antenna chip, Made of the same material as the substrate of the antenna chip or a material with a similar dielectric constant Connect an electromagnetic wave lens By doing so, the optical signal enters from the top surface of the flat antenna chip, and the output millimeter wave signal is radiated toward the back surface of the flat antenna It is characterized by the following.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0022]
[First Embodiment]
FIG. 1 shows an electromagnetic wave generator according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 shows a configuration of a planar antenna chip used for the same, and FIG. 3 shows a cross-sectional structure taken along line AB in FIG. Show. In these drawings, the electromagnetic wave generator includes a photodiode chip 2 and a planar antenna chip 10. The photodiode chip chip 2 and the planar antenna chip 10 are connected by flip-chip bonding such that the transmission line 8 on the photodiode faces the transmission line 18 on the antenna chip. The area of the photodiode chip 2 is significantly smaller than that of the planar antenna chip 10.
[0023]
As shown in FIG. 3, the photodiode chip 2 has a photodiode substrate 4 on which a back-illuminated photodiode is formed. On the front surface 6 of the back-illuminated photodiode, a transmission line 8 on the photodiode is formed by a metal film. Has formed. In this example, a gold thin film having a thickness of 1 μm is used as the metal film to achieve high corrosion resistance and low resistance.
[0024]
Further, the photodiode chip 2 of the present example uses an InP substrate-based epitaxial substrate obtained by epitaxially growing a plurality of layers such as an InGaAs layer on the InP substrate as the photodiode substrate 4, and the microwave is placed on the photodiode substrate 4. And a high-speed response back-illuminated photodiode capable of responding to millimeter waves.
[0025]
Further, in this example, as a back-illuminated photodiode used for the photodiode chip 2, a uni-traveling-carrier photo diode (hereinafter referred to as UTC-PD), which features high-speed response and high output. And is formed on the photodiode substrate 4. Therefore, this UTC-PD has a structure in which light 24 is irradiated from the chip back surface 2a as shown in FIG.
[0026]
On the other hand, as shown in FIG. 2, the planar antenna chip 10 of this example uses a Si (silicon) substrate having a thickness of 400 μm as the antenna substrate 12, and the antenna substrate 12 and a metal film patterned on the antenna substrate 12. 14. The patterning of the metal film 14 forms the antenna pattern 16, the transmission path 18 on the antenna chip, and the flip chip bonding pad 20 on the antenna substrate 12. Reference numeral 22 denotes a flip chip bonding area between the photodiode chip 2 and the planar antenna chip 10. The antenna type of the antenna pattern 16 is a slot antenna, and the transmission line 18 on the antenna chip is a coplanar type. The use of a gold thin film having a thickness of 1 μm as the metal film 14 achieves high corrosion resistance and low resistance.
[0027]
Here, the transmission line 18 on the coplanar antenna chip is composed of an elongated signal line 18a and a ground 18c located on both sides of the signal line 18a via a narrow space 18b.
[0028]
The photodiode chip 2 is connected to the above-mentioned planar antenna chip 10 by flip chip bonding, and the transmission line 8 on the photodiode is connected to the transmission line 18 on the antenna chip so as to face each other as shown in FIG. That is, the photodiode chip 2 is mounted on the planar antenna chip 10 in a face-down state in which the transmission line 8 on the photodiode faces the transmission line 18 on the antenna chip. In this example, a low-resistance conductive resin such as silver paste is used for flip chip bonding between the photodiode chip 2 and the planar antenna chip 10, and the transmission line 8 on the photodiode and the transmission line 18 on the antenna chip are directly connected. I have.
[0029]
Since the photodiode chip 2 on which the back-illuminated photodiode is formed is connected to the planar antenna chip 10, the light 24 enters the photodiode from the photodiode chip back surface 2a and is converted into a high-frequency signal by the photodiode. You. The high-frequency signal reaches the antenna pattern 16 from the transmission line 8 on the photodiode via the pad 20 for flip chip bonding and the transmission line 18 on the antenna chip, and becomes an electromagnetic wave 26 on the antenna pattern 16. The electromagnetic wave 26 generated by the antenna pattern 16 is mainly radiated in the direction of the antenna chip back surface 10a due to the difference in dielectric constant between air and the antenna substrate 12.
[0030]
Therefore, despite the use of the back-illuminated photodiode, the incidence 4 of the light 24 and the radiation surface of the electromagnetic wave 26 are different surfaces located on opposite sides of the photodiode chip back surface 2a and the antenna chip back surface 10a. Even if an optical fiber or the like used for introducing the light 24 is located on the back surface 2a of the photodiode chip, it does not hinder the radiation of the electromagnetic wave 26. That is, the antenna gain does not decrease as in the conventional monolithic photonic antenna using the back-illuminated photodiode 36a shown in FIG.
[0031]
Further, since the structure of the photodiode is a back-illuminated type, a monolithic photonic antenna using the conventional front-illuminated photodiode 36b shown in FIG. The photoelectric conversion efficiency does not decrease unlike the monolithic photonic antenna using the photodiode 36c.
[0032]
Further, since the photodiode chip 2 is connected to the planar antenna chip 10 by flip-chip bonding, transmission loss due to the chip connection portion is significantly reduced as compared with the conventional wire bonding connection, and the low transmission loss is equivalent to that of a monolithic photonic antenna. Transmission loss is possible.
[0033]
Thus, it is possible to simultaneously optimize the photoelectric conversion efficiency of the photodiode and the gain of the planar antenna.
[0034]
On the other hand, as described above, the area occupied by the planar antenna is much larger than the area occupied by the photodiode. A simple substrate such as a Si substrate is much cheaper than an epitaxial substrate.
[0035]
Therefore, an antenna portion having a large occupied area is formed on an antenna substrate 12 made of Si or the like to form a planar antenna chip 10, and a photodiode portion having a small occupied area is formed on an epitaxial substrate to form a photodiode chip 2. By connecting the diode chip 2 to the planar antenna chip 10 by flip-chip bonding, a comparison is made with a monolithic photonic antenna in which a photodiode and an antenna pattern are formed together on an expensive epitaxial substrate 34 shown in FIG. An electromagnetic wave generator can be formed at low cost.
[0036]
In the present embodiment described above, the UTC-PD is used as the photodiode, but another high-speed response photodiode that supports microwaves, millimeter waves, or the like may be used. Further, although the planar antenna is formed on the antenna substrate 12 using Si, it goes without saying that the planar antenna may be formed on a substrate made of another material. Further, although the slot antenna is used as the planar antenna, it goes without saying that another planar antenna such as a dipole antenna may be used. Furthermore, although a coplanar transmission line is used as the transmission line 18 on the antenna chip, another type of transmission line may be used.
[0037]
[Gap securing structure]
By the way, if the distance G between the surface of the transmission line 8 on the photodiode and the surface of the antenna substrate 12 opposed thereto is narrow (see FIG. 3), the antenna substrate 12 affects the impedance of the transmission line 8 on the photodiode. It is conceivable that the transmission characteristics of the transmission line 8 on the photodiode are degraded, and the efficiency of transmitting a high-frequency signal generated by the photodiode to the antenna pattern 16 is reduced.
[0038]
As a countermeasure, the antenna substrate 12 is provided with a structure for securing an appropriate gap, such as 10 μm or more, between the surface of the transmission line 8 on the photodiode and the surface of the antenna substrate 12 facing the antenna. It is desirable to reduce the effect on the impedance of the path 8.
[0039]
Dielectric constants of Si, GaAs, InP and the like, which are widely used as semiconductor substrates, are 10 to 15. When any material having a dielectric constant in the range of 10 to 15 is used as the antenna substrate 12, The gap between the opposing photodiode and the surface of the transmission line 8 may be 10 μm or more, preferably 20 μm or more. When a substance having a dielectric constant that is significantly different from these values is used for the antenna substrate 12, the lower limit varies depending on the dielectric constant, but the lower limit can be determined by experiment or calculation. In each case, there is no upper limit.
[0040]
[Second Embodiment]
Referring to FIGS. 4 and 5, as a second embodiment of the present invention, there is provided a structure in which a gap of about 20 μm is secured in G between the surface of the transmission line on the photodiode and the surface of the antenna substrate opposed thereto. The electromagnetic wave generating device will be described. FIG. 4 shows a cross-sectional structure corresponding to FIG. 3 of the electromagnetic wave generator according to the second embodiment, and FIG. 5 shows a configuration of a planar antenna chip used in the electromagnetic wave generator, which is shown in FIGS. The electromagnetic wave generating device according to the first embodiment is different from the electromagnetic wave generating device according to the first embodiment in that a concave pattern 28 is formed on the planar antenna chip 10, and is otherwise the same. Therefore, in FIGS. 4 and 5, the same functional portions as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
[0041]
In the electromagnetic wave generator of the present embodiment, the influence of the antenna substrate 12 on the impedance of the transmission line 8 on the photodiode is reduced by forming the depression pattern 28 having a depth of 20 μm on the antenna chip 10.
[0042]
Specifically, in the Si antenna substrate 12 having a substrate thickness of 400 μm, a flip chip bonding region 22 with the photodiode chip 2, that is, a portion where the photodiode chip 2 is opposed and connected at the time of flip chip bonding, Except for the electrode portion such as the flip chip bonding pad 20 connected to the transmission line 8 on the photodiode, the depression pattern 28 is formed in a rectangular shape by shaving it by 20 μm in depth by an appropriate method.
[0043]
Due to the formation of the depression pattern 28, G between the surface of the Si antenna substrate 12 and the surface of the transmission line 8 on the photodiode is separated by about 20 μm, and the antenna substrate 12 gives the impedance of the transmission line 8 on the photodiode. The influence is reduced, and the transmission characteristics of the transmission line 8 on the photodiode do not deteriorate.
[0044]
As a result, the high-frequency signal generated by the photodiode can be efficiently transmitted to the antenna pattern 16 through the transmission line 8 on the photodiode and the pad 20 for flip chip bonding and the transmission line 18 on the antenna chip. It becomes.
[0045]
In this example, the depth of the depression pattern 28 is set to 20 μm, but any depth may be used as long as the antenna substrate 12 can secure a distance that does not affect the impedance of the transmission line 8 above the photodiode. In general, since it is not easy to form the depression pattern 28 deeply, it is sufficient that the value is close to the lower limit, for example, 10 μm or more, preferably 20 μm or more.
[0046]
[Third Embodiment Example]
Next, referring to FIG. 6, as a third embodiment of the present invention, there is provided a structure for securing a gap of about 20 μm between the surface of the transmission line on the photodiode and the surface of the antenna substrate facing the photodiode. Another electromagnetic wave generator will be described. FIG. 6 shows a cross-sectional structure corresponding to FIG. 3 of the electromagnetic wave generator according to the third embodiment, and the electromagnetic wave generator according to the first embodiment shown in FIGS. The difference is that the patterned metal film is thicker, and the others are the same. Therefore, in FIG. 6, the same functional portions as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0047]
In the electromagnetic wave generator of the present embodiment, the transmission line 18 on the antenna chip is thickened to 20 μm by patterning a 20 μm thick gold thin film on the planar antenna chip 10, and the Si antenna substrate 12 transmits on the photodiode. The influence on the impedance of the road 8 is reduced.
[0048]
By increasing the thickness of the transmission line 18 on the antenna chip in this way, the distance G between the surface of the antenna substrate 12 and the surface of the transmission line 8 on the photodiode is separated by about 20 μm. The influence of the antenna substrate 12 on the impedance is reduced, and the transmission characteristics of the transmission line 8 on the photodiode are not deteriorated. As a result, the high-frequency signal generated by the photodiode can be efficiently transmitted to the antenna pattern 16 through the transmission line 8 on the photodiode and the transmission line 18 on the antenna chip.
[0049]
Further, by increasing the thickness of the transmission line 18 on the antenna chip from 1 μm to 20 μm, it also contributes to the improvement of the transmission characteristics of the transmission line 18 on the antenna chip connecting the flip chip bonding pad 20 and the antenna pattern 16.
[0050]
In this embodiment, the thickness of the transmission line 18 on the antenna chip is set to 20 μm. However, any thickness may be used as long as the antenna substrate 12 can secure a distance that does not affect the impedance of the transmission line 8 on the photodiode. Generally, since it is not easy to increase the thickness of the metal film, the thickness may be close to the lower limit, for example, 10 μm or more, preferably 20 μm or more.
[0051]
Further, in this example, the transmission line 18 on the antenna chip is made thicker, but the metal film forming the transmission line 8 on the photodiode, for example, a gold thin film is made thicker like 10 μm or more, preferably 20 μm or more. Thereby, the transmission characteristics of the transmission line 8 itself on the photodiode can be improved.
[0052]
Further, both the transmission line 18 on the antenna chip and the metal film of the transmission line 8 on the photodiode are similarly thickened to improve the transmission characteristics of the transmission line 8 on the photodiode and the transmission line 18 on the antenna chip. At the same time, the effect of the antenna substrate 12 on the impedance of the transmission line 8 on the photodiode may be reduced.
[0053]
[Fourth Embodiment Example]
Next, referring to FIG. 7, as a fourth embodiment of the present invention, there is provided a structure for securing a gap of about 30 μm G between the surface of the transmission line on the photodiode and the surface of the antenna substrate facing the surface. Another electromagnetic wave generator will be described. FIG. 7 shows a cross-sectional structure corresponding to FIG. 3 of the electromagnetic wave generator according to the fourth embodiment, and the electromagnetic wave generator according to the first embodiment shown in FIGS. The difference is that the depression pattern 28 is formed, and that the metal film patterned on the planar antenna chip 10 is thick, and the other points are the same. That is, the electromagnetic wave generator according to the fourth embodiment employs both the technologies of the second embodiment and the third embodiment. Therefore, in FIG. 7, the same functional portions as those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
[0054]
That is, in the electromagnetic wave generator of this example, the Si antenna substrate 12 is cut off in the flip chip bonding region of the planar antenna chip 10 with the photodiode chip 2 except for the electrode portion such as the flip chip bonding pad 20. To form a depression pattern 28 having a depth of 20 μm. Further, the transmission line 18 on the antenna chip is thickened to 10 μm by patterning a 10 μm thick gold thin film on the antenna substrate 12.
[0055]
Due to the formation of the depression pattern 28 having a depth of 20 μm and the increase of the thickness of the transmission line 18 on the antenna chip to 10 μm, the distance G between the surface of the antenna substrate 12 and the surface of the transmission line 8 on the photodiode becomes about 30 μm. The influence of the antenna substrate 12 on the impedance of the transmission line 8 on the diode is reduced, and the transmission characteristics of the transmission line 8 on the photodiode do not deteriorate. In addition, by increasing the thickness of the transmission line 18 on the antenna chip, the transmission characteristics of the transmission line 18 on the antenna chip itself are improved.
[0056]
As a result, the high-frequency signal generated by the photodiode can be efficiently transmitted to the antenna pattern 16 through the transmission line 8 on the photodiode and the transmission line 18 on the antenna chip.
[0057]
[Fifth Embodiment Example]
Next, referring to FIG. 8, as a fifth embodiment of the present invention, there is provided a structure for securing a gap of about 20 μm between G between the surface of the transmission line on the photodiode and the surface of the antenna substrate opposed thereto. Another electromagnetic wave generator will be described. FIG. 8 shows a cross-sectional structure corresponding to FIG. 3 of the electromagnetic wave generator according to the fifth embodiment. The electromagnetic wave generator according to the first embodiment shown in FIGS. The difference is that a conductive member 30 having a height of 10 μm or more is connected between the transmission line 8 and the transmission line 18 on the antenna chip. Therefore, in FIG. 8, the same functional portions as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and the description will not be repeated.
[0058]
In the electromagnetic wave generator of this example, the thickness of the metal film forming the transmission line 18 on the antenna chip and the transmission line 8 on the photodiode is 1 μm. By connecting bumps made of Si, the influence of the antenna substrate 12 made of Si on the impedance of the transmission line 8 on the photodiode is reduced.
[0059]
Due to the use of the bumps 30, the distance G between the surface of the antenna substrate 12 and the surface of the transmission line 8 on the photodiode is connected at a distance of about 20 μm, and the antenna substrate 12 gives the impedance of the transmission line 8 on the photodiode. The influence is reduced, and the transmission characteristics of the transmission line 8 on the photodiode do not deteriorate. As a result, the high-frequency signal generated by the photodiode can be efficiently transmitted to the antenna pattern 16 through the transmission line 8 on the photodiode and the transmission line 18 on the antenna chip.
[0060]
Although a gold bump is used as the conductive material 30 in this example, it goes without saying that another conductive bump such as a solder bump may be used. When a substrate having a dielectric constant of 10 to 15 such as Si is used as the antenna substrate 12, the height of the bump 30 may be 10 μm or more, preferably 20 μm or more.
[0061]
[Sixth Embodiment Example]
Referring to FIGS. 9 and 10, an electromagnetic wave generator according to a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a view corresponding to FIG. 3 showing a cross-sectional structure of the electromagnetic wave generator of this example, and FIG. 10 shows a state at the time of operation. Each of the electromagnetic wave generators according to the above is different in that a lens 32 is connected to the back surface 10a of the planar antenna chip 10, and the other is the same. Therefore, in FIGS. 9 and 10, the same functional portions as those in FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and the description will not be repeated.
[0062]
In the electromagnetic wave generator of this example, since the antenna substrate 12 is a Si substrate, a lens 32 is formed by processing the same Si material as this, and this lens 32 is connected to the flat antenna chip back surface 10a. .
[0063]
Further, in this example, a lens formed by processing a Si material into a super hemispherical lens shape is used as the lens 32. The super hemispherical lens shape is a shape obtained by adding a cylinder having a diameter equal to the diameter of a circle to a cross section obtained by cutting the sphere in half.
[0064]
By connecting the lens 32 to the back surface 10a of the planar antenna chip, the generation of surface waves on the antenna substrate 12 can be suppressed, and the directivity of the radiation pattern of the electromagnetic waves 26 can be increased, thereby improving the antenna gain.
[0065]
Here, regarding the generation of the surface wave, if the substrate thickness of the antenna substrate 12 is about the same as or less than the wavelength of the electromagnetic wave in the substrate, the electromagnetic wave reflected at the antenna substrate-air interface is fixed in the substrate. A standing wave occurs. This becomes a surface wave and contributes to the loss. However, by connecting the lens 32, the antenna substrate becomes equivalently thick and the standing wave does not stand, so that the surface wave is suppressed.
[0066]
In particular, when the lens 32 has a super hemispherical lens shape, the directivity of the radiation pattern of the electromagnetic wave increases. Further, since the equivalent antenna substrate thickness becomes sufficiently large, the effect of suppressing the surface wave is large.
[0067]
In this example, Si is used as the material of the lens 32, but any material having the same material as the antenna substrate 12 or a material having a similar dielectric constant may be used. Here, regarding the dielectric constant, refraction or reflection of the electromagnetic wave occurs when the electromagnetic wave passes through a boundary between substances having different dielectric constants. The degree of the refraction increases as the difference between the dielectric constants of the two substances increases. Therefore, it is desirable that the materials of the antenna substrate 12 and the lens 32 have substantially the same dielectric constant as long as refraction and reflection of electromagnetic waves can be tolerated.
[0068]
If the diameter of the lens 32 is at least 10 times the wavelength of the electromagnetic wave in the lens, the solidification of the suppression of the surface wave is large. In addition, the directivity of the radiation pattern of the electromagnetic wave is enhanced. For example, when silicon (Si) is used as the material of the lens 32, the diameter of the lens 32 only needs to be 12 mm or more for an electromagnetic wave of 100 GHz.
[0069]
When an electromagnetic wave generator connected to the lens 32 is used, since the photodiode used in the photodiode chip 2 is a back-illuminated type, light 24 is emitted from the photodiode chip back surface 2a as shown in FIG. You. In a photodiode having a high-speed response corresponding to a microwave or a millimeter wave, a structure in which light 24 is incident from the rear surface has a higher photoelectric conversion efficiency in a high-power region than a structure in which light is incident from the surface direction or the cross-sectional direction. Is good. The electromagnetic wave 26 generated by the irradiation of the light 24 is mainly radiated to the flat antenna chip back surface 10a side by the effect of the antenna substrate 12 and the lens 32 connected to the back surface of the substrate.
[0070]
As described above, in the electromagnetic wave generator of the present embodiment, the electromagnetic wave 26 is radiated from the surface opposite to the surface on which the light 24 is incident, and the optical fiber for light incidence does not obstruct the electromagnetic wave radiation. The gain of the antenna is improved as compared with the case where light is incident from the same plane or the lateral direction as the electromagnetic wave to be emitted.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, the electromagnetic wave generation device of the present invention is basically based on a photodiode chip on which a back-illuminated photodiode and a transmission line on a photodiode are formed, and a planar antenna and a transmission line on an antenna chip. In the same wiring process The photodiode chip was connected to the planar antenna chip by flip-chip bonding so that the planar antenna chip was formed, and the transmission line on the photodiode and the transmission line on the antenna chip were connected to face each other. In the electromagnetic wave generating device, between the surface of the transmission line on the photodiode and the surface of the substrate of the planar antenna chip opposed thereto, the influence of the substrate of the planar antenna chip on the impedance of the transmission line on the photodiode is reduced. In order to secure a reduced gap, the transmission line on the antenna chip was formed of a metal film having a thickness of 10 μm or more. Things. Therefore, the following effects can be obtained, and the present invention can be used in a wide range of fields such as various kinds of analysis as well as wireless communication at high frequencies such as a millimeter wave band and a microwave band.
[0072]
(1) Since electromagnetic waves are radiated from the surface opposite to the surface on which light is incident, the photoelectric conversion efficiency of the photodiode and the gain of the antenna are improved.
(2) Transmission loss due to flip-chip bonding connection causes thick transmission line film Conversion Therefore, the output of the electromagnetic wave generator can be increased.
(3) Since the planar antenna chip occupying a large area can be formed on an inexpensive substrate such as Si separately from the photodiode chip, a monolithic photonic antenna in which the photodiode and the antenna pattern are formed on the same substrate is used. In comparison, an inexpensive electromagnetic wave generator can be formed.
(4) In an electromagnetic wave generator in which an electromagnetic wave lens is connected to the back surface of a planar antenna chip, electromagnetic waves are mainly radiated to the back surface of the antenna chip due to the effect of the lens, thereby increasing the directivity of the radiation pattern. Since the substrate thickness is increased and the generation of surface waves is suppressed, the antenna gain is improved.
(5) In an electromagnetic wave generator in which the lens is formed of the same material as the substrate of the planar antenna chip or a material having a similar dielectric constant, refraction and reflection are less likely to occur when the electromagnetic wave passes through the boundary between the antenna substrate and the lens. Thus, output reduction can be suppressed.
( 6 ) In an electromagnetic wave generator equipped with a structure that secures a gap between the surface of the transmission line on the photodiode and the surface of the antenna substrate facing it, the effect of the antenna substrate on the impedance of the transmission line on the photodiode is reduced. Then, the high-frequency signal generated by the photodiode is efficiently transmitted to the antenna pattern.
( 7 In an electromagnetic wave generator in which the transmission line on the antenna chip is formed of a metal film having a thickness of 10 μm or more, a gap for reducing the effect of the antenna substrate on the impedance of the transmission line on the photodiode is secured by the transmission line on the antenna chip. In addition, the transmission characteristics of the transmission path itself on the antenna chip are improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an electromagnetic wave generator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a planar antenna chip according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a cross-sectional structure along the line AB in FIG. 1;
FIG. 4 is a diagram corresponding to FIG. 3 showing an electromagnetic wave generator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a planar antenna chip used in an electromagnetic wave generator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram corresponding to FIG. 3, showing an electromagnetic wave generator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view corresponding to FIG. 3 showing an electromagnetic wave generator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram corresponding to FIG. 3, showing an electromagnetic wave generator according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 3, showing an electromagnetic wave generator according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a state during operation of the electromagnetic wave generator shown in FIG. 9;
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a monolithic photonic antenna as a first conventional example.
FIG. 12 is a diagram showing a state during operation of a monolithic photonic antenna employing a back-illuminated photodiode as a second conventional example.
FIG. 13 is a diagram showing a state of a monolithic photonic antenna employing a front-illuminated photodiode as a third conventional example during operation.
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a monolithic photonic antenna employing an edge-illuminated photodiode as a fourth conventional example.
FIG. 15 is a diagram showing a state of the monolithic photonic antenna shown in FIG. 14 during operation.
[Explanation of symbols]
2 Photodiode chip with back-illuminated photodiode
2a Back side of photodiode chip
4 Photodiode substrate
6. Back-illuminated photodiode surface
8 Transmission line on photodiode
10. Planar antenna chip
10a Back side of planar antenna chip
12 Antenna board
14 Metal film
16 Antenna pattern
18 Transmission line on antenna chip
20 Pads for flip chip bonding
22 Flip chip bonding area
24 light
26 electromagnetic waves
28 Depression pattern
30 bump
32 lenses
34 Epitaxial Substrate for Monolithic Photonic Antenna
36 Photodiode
36a Back-illuminated photodiode
36b front-illuminated photodiode
36c Edge incident photodiode
38 Optical waveguide
40 light absorbing layer

Claims

A photodiode chip on which a back-illuminated photodiode and a transmission line on the photodiode are formed; and a planar antenna chip on which the planar antenna and the transmission line on the antenna chip are formed in the same wiring step , wherein the transmission line on the photodiode is provided. And an electromagnetic wave generator in which the photodiode chip is connected to the planar antenna chip by flip-chip bonding so that the transmission lines on the antenna chip face each other , wherein the surface of the transmission line on the photodiode and the surface facing the In order to secure a gap between the surface of the planar antenna chip substrate and the surface of the planar antenna chip substrate to reduce the effect of the substrate of the planar antenna chip on the impedance of the transmission line on the photodiode, the transmission line on the antenna chip has a thickness of 10 μm. It was formed by the above metal film Electromagnetic wave generator according to claim and.

2. The optical signal according to claim 1, wherein an electromagnetic wave lens made of the same material as the substrate of the planar antenna chip or a material having a similar dielectric constant is connected to a back surface of the planar antenna chip. An electromagnetic wave generator, wherein an incident millimeter wave signal is incident from the upper surface and is radiated in the direction of the rear surface of the planar antenna .