JPH0421203A - モノリシックマイクロ波ミリ波アレイアンテナモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置に関し、特に化合物半導体を用い
たモノリシックマイクロ波ミリ波アレイアンテナモジュ
ールに関する。

（従来の技術） 近年化合物半導体集積回路の発展は目覚ましくねマイク
ロ波ミリ波レーダ装置等の送受信モジュールのみならず
アンテナ素子をも含めてモノリシック集積化するための
研究開発が活発に行われている。このようなモノリシッ
ク化を行うと、大口径ＧａＡｓウェハー上に数百程度の
送受信モジュール付きアンテナ素子をアレイ状の配置で
き、フェイズドアレイレーダ用のモノリシックマイクロ
波アレイアンテナモジュールが実現される。従来技術は
マイクロウェーブジャーナル誌１９８６年７月号ｐ、１
１９にまとめられている。

第５図は従来例のモノリシックマイクロ波アレイアンテ
ナモジュールを示す図である。同図において裏面に接地
金属２を備えた半絶縁性ＧａＡｓ基板１の表面に低雑音
増幅器、ミキサ、スイッチ、送信増幅器、移相器、Ａ／
Ｄ変換器等から構成される能動素子回路６２およびマイ
クロストリップダイポールアンテナ２２が設けられてい
る。

（発明が解決しようとする課題） 第５図の従来例において解決しなければならない点は２
つある。まず第１にＧａＡｓの比誘電率８ｒは１２．７
であり波長短縮率は０．３３程度であるので半波長マイ
クロストリップダイポールアンテナ２２の幅は４０ＧＨ
ｚにおいて１．２５ｍｍにしなければならない。ところ
が自由空間内での４０ＧＨｚの電磁波の半波長λ、／２
は３．７５ｍｍであり、前記１．２５ｍｍと大きな開き
があるため、マイクロストリップダイポールアンテナに
入力されたエネルギーが効率良く空間に放射できないと
いう欠点がある。

第２は、能動素子回路６２には送信増幅用高出力半導体
素子が含まれるが、半絶縁性ＧａＡｓ基板１の熱抵抗の
ため、動作層の温度が上昇し信頼性が下がるという点で
ある。これは特に単位面積当たりの電力密度が大きいペ
テロ接合バイポーラトランジスタを高出力半導体素子と
して用いた場合、顕著になる。

本発明の目的は前記第１、第２の欠点を除去し、アンテ
ナ効率が高く、高信頼度を有するモノリシックマイクロ
波ミリ波アレイアンテナモジュールを提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明のモノリシックマイク
ロ波ミリ波アレイアンテナモジュールは、半絶縁性化合
物半導体基板の第１面に、第１の金属接地および少なく
とも１個の半導体素子が設けられ、前記半導体基板の第
２面の一部に該第２面に接して第２の金属接地膜が設け
られ、該接地金属膜上にポリイミド等の低誘電率誘電体
膜が設けられ、該誘電体膜上にマイクロストリップダイ
ポールアンテナ導体又はマイクロストリップパッチアン
テナ導体が設けられ、前記第１の金属接地膜および前記
第２の金属接地膜が第１のバイアホール回路により電気
的に接続されるとともに、前記半導体素子の電極または
これにつながる回路と前記マイクロストリップダイポー
ルアンテナ又はマイクロストリップパンチアンテナとの
間をつなぐ第２のバイアホール回路が設けられているこ
とを特徴としている。さらに前記第１の金属接地膜の１
部が接地金属ブロックまたは熱伝導度の大きい絶縁体上
の電極パターンに接続固定されていることを特徴として
いる。

（作用） このような本発明においては、アンテナ素子がポリイミ
ド等の低誘電率誘電体膜を用いて構成されているため、
自由空間波長とアンテナ素子中の波長が近づき、アンテ
ナ効率が大幅に上昇する一方で、発熱する半導体素子は
金属フロック又はダイアモンドＩＩなとの熱伝導度の大
きい絶縁体上の電極パターンに直接接続固定されるため
熱抵抗を大幅に下げ動作層温度を低く押さえることが可
能となる。

（実施例） 第１図は本発明の第１の実施例のモノリシックマイクロ
波ミリ波アレイアンテナモジュールを示す図である。図
において、半絶縁性ＧａＡｓ基板ｌの裏面に、ｎ型Ｇａ
Ａｓからなるコレクタ層７、ｐ＋型ＧａＡｓからなるベ
ース層９、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるエミツタ層８から
構成されるペテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ
）が設けられ、ＨＢＴのコレクタ電極６はコレクタ回路
３６．１６に接続されている。二のコレクタ回路１６は
バイアホール回路１０を介してマイクロストリップ整合
回路１５に接続され、さらに接地金属１２を備えたポリ
イミド上のパッチアンテナ１４に接続されている。該接
地金属１２とチップ接地金属３とはバイアホール回路１
１を介して接続されている。５はＨＢＴのベース電極で
あり、４はエミッタ電極である。第２のチップ接地金属
２と前記エミッタ電極４、前記チップ接地金属３は厚み
が同一であり同一平面上にある。整合回路１５およびコ
レクタ回路３６は各々ＱａＡｓ基板厚ｔで反対側の面に
接地金属を有するマイクロストリップ回路を構成してい
る。実際にはこのようなモジュールが多数、同一ウニバ
ー内に形成され、１ウエハーでアクティブフェイズドア
レイレーダシステムあるいはレーダシステムの１部分を
構成する。

第２図は第１図実施例の素子を実装した場合の断面図で
、能動層に近いエミッタ電極４およびチップ接地金属２
および３は熱伝導度の良い絶縁体であるダイアモンドＩ
Ｉ、１７上に形成された接地金属７２．７１に熱圧着法
等で接触して構成されている。１８は接地金属である。

第３図はダイアモンドｌ１１７の代わりに金属ブロック
１９を用いた別の実装例を示す図である。

第４図は本発明の第２の実装例のモノリシックマイクロ
波ミリ波アレイアンテナモジュールを示す図で、体１図
実施例との相違点はアンテナ素子がマイクロストリップ
ダイポールアンテナ２２である点と、バイアホール回路
１０および２０がバランの出力端子７６と８１に接続さ
れでいる点である。

このような本発明の実施例においては発熱する能動素子
をチップ裏面に形成し熱伝導度の優れた接地体に直接接
続し熱抵抗を下げる一方で、アンテナ素子は比誘電率ε
ｒが３程度のポリイミド上に形成されるためアンテナ効
率が良くなるという作用を有する。さらに表面にある整
合回路１５や、コレクタ回路３６のように裏面にある回
路は波長短縮率の大きいＧａＡｓ（εｒ＝　１２．７）
を基板にしたマイクロストリップ回路となるため、アン
テナ以外の回路は小型にできるという効果も併せもつ。

本発明の実施例においては基板は半絶縁性ＧａＡｓ基板
を用いたが基板はＧａＡｓに限らずＩｎｋ、　ＧａＰ等
他の化合物半導体基板でも良いことはいうまでもない。

また実施例において能動素子としてＨＢＴを用いたが、
ＨＢＴに限らずＧａＡｓ　ＦＥＴ　、　ＨＥＭＴ、ＭＩ
ＳＦＥＴでも良い。またアンテナ素子を構成する低誘電
率誘電体もポリイミドに限らない。

（発明の効果） 本発明によればアンテナ効率が高くしかも熱抵抗の小さ
い高信頼度のモノリシックマイクロ波にミリ波アレイア
ンテナモジュールが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のアレイアンテナモジュールの第１の実
施例を示す図、第２図と第３図はそれぞれ実装した場合
の断面図、第４図は本発明の第２の実施例を示す図であ
る。第５図は従来例のアレイアンテナモジュールを示す
図である。これらの図において、 １１１．半絶縁性ＧａＡｓ基板、２．３．１２．１８．
７１．７２・・・接地金属、４・・・エミッタ電極、５
・・・ベース電極、６・・・コレクタ電極、７・・・コ
レクタ層、８・・・エミツタ層、９・・・ベース層、１
０．１１．２０・・・バイアホール回路、１３８１．ポ
リイミド、１４・・・パッチアンテナ、１５・・・整合
回路、１６．３６・・・コレクタ回路、１７・・・ダイ
アモンドＩＩ、１９・・・金属ブロック、２２・・・マ
イクロストリップダイポールアンテナ、７６．８１・・
・出力端子、６２・・・能動素子回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半絶縁性化合物半導体基板の第１面に、第１の金
   属接地膜および少なくとも１個の半導体素子が設けられ
   、前記半導体基板の第２面の一部に該第２面に接して第
   ２の金属接地膜が設けられ、該接地金属膜上に低誘電率
   誘電体膜が設けられ、該誘電体膜上にマイクロストリッ
   プダイポールアンテナ導体又はマイクロストリップパッ
   チアンテナ導体が設けられ、前記第１の金属接地膜およ
   び前記第２の金属接地膜が第１のバイアホール回路によ
   り電気的に接続されるとともに、前記半導体素子の電極
   またはこれにつながる回路と前記マイクロストリップダ
   イポールアンテナ又はマイクロストリップパッチアンテ
   ナとの間をつなぐ第２のバイアホール回路が設けられて
   いることを特徴とするモノリシックマイクロ波ミリ波ア
   レイアンテナモジュール。
2. （２）前記第１の金属接地膜の一部が接地金属ブロック
   または熱伝導度の大きい絶縁体上の電極パターンに接続
   固定されていることを特徴とする特許請求の範囲第一項
   記載のモノリシックマイクロ波ミリ波アレイアンテナモ
   ジュール。