JPH0624223B2 - マイクロ波集積回路装置 - Google Patents

マイクロ波集積回路装置

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JPH0624223B2
JPH0624223B2 JP58232366A JP23236683A JPH0624223B2 JP H0624223 B2 JPH0624223 B2 JP H0624223B2 JP 58232366 A JP58232366 A JP 58232366A JP 23236683 A JP23236683 A JP 23236683A JP H0624223 B2 JPH0624223 B2 JP H0624223B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 マイクロ波帯において使用され、絶縁性または半絶縁性
半導体基板上に集積回路を形成したマイクロ波集積回路
装置に関する。
〔発明の技術的背景〕
周知のように、マイクロ波集積回路にあつては、特性の
均一化及び小型化を目的として、ハイブリツト型マイク
ロ波集積回路から絶縁性または半絶縁性半導体基板上に
能動素子及び受動素子を形成して電子回路を構成したモ
ノリシツクマイクロ波集積回路(以下MMICと略す)へ移
行されつつある。
第1図は従来のMMICの基本構造を示すものである。すな
わち、図中符号11はGaAs(ガリウム・ヒ素)半絶縁性
半導体基板で、この半導体基板11の上面部には動作層
でなるFET12等の回路素子や伝送線路を構成するストリ
ツプ導体13が形成され、下面部には接地導体となるス
トリツプ線路14が形成されている。
ここで、上記のような構造を有するMMICにおいて、マイ
クロ波回路を構成する方法には、集中定数回路を用いる
方法と分布定数回路を用いる方法とがある。
まず、上記集中定数回路は、上記半導体基板11上に導
体膜及び絶縁膜を所望の特性を有する回路パターンにし
て形成するようにしたものである。この集中定数回路の
回路素子には、例えば第2図(a)に示すように導体膜A
を螺旋状の回路パターンにしたスパイラル形インダク
タ、第2図(b)に示すように導体膜A,Aをそれぞ
れ所定の間隙を設けてくし形の回路パターンにしたくし
形キヤパシタ及び第2図(c)に示すように導体膜A
間に絶縁性薄膜Bを形成したオーバレイキヤパシタ
等がある。このような集中定数回路素子は、波長に比べ
て十分小さく形成できるという利点を有している。
一方、上記分布定数回路は、前記ストリツプ導体13で
なる伝送線路の特性インピーダンスや電気長を変えるこ
とによつて、インダクタンスやキヤパシタンスを形成す
るようにしたものである。つまり、第3図にその一例を
示して説明すると、第3図(a)に示すようなLC回路
は、第3図(b)に示すように構成することができる。す
なわち、ストリツプ導体13の幅を一部狭めることによ
つて高いインピーダンスとなる線路13a〜13cでイン
ダクタンスLa〜Lcを形成し、ストリツプ導体13の
幅を拡げることによつて低い特性インピーダンスとなる
線路13d,13eでキヤパシタンスCd,Ceを形成
することができる。この場合、上記インダクタンスLa
〜Lcでなる直列インダクタンスをL、上記キヤパシタン
スCd,Ceでなる並列キヤパシタンスをCとし、特性
インピーダンスZo及び伝送線路長lで構成したときの
直列リアクタンスX及び並列サセプタンスBは次式で近
似されることが知られている。
〔背景技術の問題点〕 しかしながら、上記のように構成される従来のMMICで
は、以下のような欠点を有している。
まず、上記集中定数回路素子を形成する場合、大きな回
路パラメータを有する回路素子を作ることが困難であ
り、例えば18〔GHz〕においてスパイラル形インダク
タは10〔nH〕、くし形キヤパシタは0.5〔pF〕程度
が限界である。また、オーバレイキヤパシタは大きな容
量値を有することができるものであるが、導体膜間に絶
縁性薄膜を形成するために高度なプロセス技術が必要で
ある。
次に、上記分布定数回路素子を形成する場合、(1)式か
ら明らかなように、広範囲のインダクタンスやキヤパシ
タンスを得るためには、伝送線路の特性インピーダンス
を広範囲で変えなければならない。
ここで、基板厚H、比誘電率ε=12.5のGaAs
半絶縁性半導体基板の裏面に接地導体層を形成し、表面
にマイクロストリップ導体による幅Wの伝送線路を形成
した場合を考えてみる。
この条件下では、線路幅Wと基板厚Hとの比W/Hに対
する特性インピーダンスZは第4図に示すようにな
る。
但し、線路幅Wが1[mm]以上と極めて大きい領域で
は、回路の小型化というMMIC本来の目的に反するほ
ど回路規模が大きくなってしまう。また、線路幅Wが1
0[μm]以下と極めて小さい領域では導体損が増大
し、伝搬損が大きくなって使用できない。
したがって、使用するのに適当な基板厚Hに対して実現
可能なW/Hは0.04〜3.0程度に定まる。この結
果、伝送線路の特性インピーダンスZは、図4からわ
かるように約20〜110[Ω]に限定されてしまう。
次に、上記線路幅Wに対する波長当りの伝搬損につい
て、上記GaAs半絶縁性半導体基板について想定した
計算値を第5図に示して説明する。
第5図では、基板厚H=100[μm]、基板比抵抗ρ
=1×10[Ω・cm]、基板比誘電率ε=12.
5、誘電体損 tanδ=0.003の基板下にAuによる
接地導体層を形成し、基板上に幅W[mm]、厚さt=
2[μm]のAuによるマイクロストリップ線路を形成
したときの、線路幅W[mm]と波長当りの伝搬損α・
λ[dB]との関係を示すもので、図中Aは伝送信号
が1[GHz]の場合、図中Bは10[GHz]の場合
を示している。
第5図から明らかなように、線路幅Wが0.1[mm]
以下(W/H=1.0以下)になると、伝搬損は急激に
増大する。よって、伝搬損を小さくするためには厚い基
板を用いればよいが、厚い基板を用いた場合、所望の特
性インピーダンスを得るためには線路幅Wを広くしなけ
ればならず、微細な分布定数回路素子を形成し難くなっ
てしまう。
したがって、分布定数回路素子を形成するのに必要な基
板の厚さHに対して基板上に形成されるマイクロストリ
ップ線路が取り得る特性インピーダンスZの範囲はか
なり狭くなっている。
以上述べたように、従来のMMICでは、集中定数回路を使
用した場合においても分布定数回路を使用した場合にお
いても、広範囲の回路パラメータを有する受動回路素子
を形成することが困難であつた。
〔発明の目的〕
この発明は上記のような問題を改善するためになされた
もので、広範囲な回路パラメータの有する受動回路素子
を形成することのできる、極めて良好なマイクロ波集積
回路装置を提供することを目的とする。
〔発明の概要〕
すなわち、この発明によるマイクロ波集積回路装置は、
絶縁性または半絶縁性半導体基板上に接地導体となる導
体膜、誘電体膜が順に積層され、前記誘電体膜上にスト
リツプ導体による伝送線路が配設され、前記伝送線路の
下部に前記誘導体膜を不在にしたスロットが形成され
て、前記伝送線路がその線路幅及び前記スロットの間隔
により決定される特性インピーダンスを持つようにした
ことを特徴とする。
〔発明の実施例〕
以下、第6図乃至第9図を参照してこの発明の一実施例
を詳細に説明する。
第6図はこの発明に係るモノリシツクマイクロ波集積回
路(MMIC)15の基本構造を示すものである。すなわ
ち、このMMIC15では、半絶縁性半導体基板16上に接
地導体となる複数枚(図では2枚)の金属膜(導体膜)
17a,17bが、それぞれ所定の間隔を設けて形成さ
れている。そして、この金属膜17a,17b及び上記
半導体基板16上の金属膜不在部分(スロツト)18の
上には、絶縁膜(誘電体膜)19が形成され、さらにこの
絶縁膜19上にはストリツプ導体20が形成されてい
る。このストリツプ導体20は、回路素子及び電送線路
を構成するもので、特にこのストリツプ導体20の電送
線路部分は上記スロット18の上方に形成されるように
なされている。
このようなMMIC15は、一般に第7図に示すように、接
地導体でなる容器21に配設して使用されるが、この場
合上記MMIC15の金属膜17a,17bは、それぞれ容
器21の接地導体と導線22a,22bで接続される。
つまり、上記のように構成したMMIC15は、半絶縁性半
導体基板16の厚さに拘らず、ストリツプ導体20及び
スロツト18のそれぞれの幅を調整することにより、数
オームから数百オームまでの特性インピーダンスを有す
る伝送線路を形成し得るものである。すなわち、スロツ
ト18を形成しないとき伝送線路の特性インピーダンス
は最低となり、スロツト18の幅を十分大きくすると容
器21の接地導体とMMIC15のストリツプ導体20とで
伝送線路が構成され、これによつて特性インピーダンス
が高くなるからである。
このように、スロット18の幅の調整による特性インピ
ーダンスの可変範囲は、従来のマイクロストリツプ線路
やコプレーナ線路における特性インピーダンスの可変範
囲に比べて極めて大きいもので、このため前述した分布
定数回路により上記ストリツプ導体20で各回路素子を
形成した場合にも、広範囲な回路パラメータを有するイ
ンダクタンスやキヤパシタンスを形成し得るようにな
る。
また、第8図に示すように、上記MMIC15は金属膜17
aの上方の絶縁膜19上に、ストリツプ導体20を延長
して金属膜によりキヤパシタ電極22を形成すると、絶
縁膜19を介して上記キヤパシタ電極22と金属膜17
aとの間に容易に大きな容量値を有するキヤパシタンス
を作ることが可能となる。さらに、上記金属膜17aの
上方の絶縁膜19上に形成したストリツプ導体20でオ
ープンスタブ23を構成すると、線路の特性インピーダ
ンスを極めて低くでき、大きな容量値を有する分布定数
形並列キヤパシタンスを作ることが可能となる。
ところで、マイクロ波集積回路では、マイクロ波回路を
構成する所望の回路パターンと接地導体とを接続する必
要がある。この場合、従来のマイクロ波集積回路では、
半絶縁性半導体基板を貫通するビアホールを形成して、
その基板上に形成した回路パターンと基板の裏面に形成
した接地導体とを接続するようにしていたため、接続部
分に寄生インダクタンスが生じたり、特に厚い基板の場
合にはエツチングにより穴を形成するのでビアホールの
径が大きくなる等の問題があつた。ところが、上記のよ
うに構成したMMIC15では、第9図に示すように、エツ
チングにより絶縁膜19に小径の穴をあけて内側面に金
属膜を形成したスルーホール(又はビアホール)24を
設けることにより、容易に所望の回路パターンを形成し
たストリツプ導体20と接地導体となる金属膜17aと
の接続が可能となる。そして、半絶縁性半導体基板16
に比べて絶縁膜19が十分に薄いので、従来のような問
題をほとんど生じ得ないものとなる。
したがつて、上記のように構成したMMIC15は、半導体基
板16の厚さによらず、広範囲な特性インピーダンスを
有する伝送線路を形成することができるばかりでなく、
集中定数回路及び分布定数回路でそれぞれ回路素子を形
成したとき大きな回路パラメータを持たせることが可能
であり、さらに回路パターンと接地導体とを容易にかつ
精度良く接続できるものである。
尚、上記実施例では半絶縁性半導体基板を用いて説明し
たが、絶縁性半導体基板を用いた場合でも同様に実施可
能である。
〔発明の効果〕
以上のようにこの発明によれば、広範囲な回路パラメー
タを有する受動回路素子を容易に形成することができ、
さらに回路パターンと接地導体とを簡単に接続できる、
極めて良好なマイクロ波集積回路装置を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】 第1図は従来のマイクロ波集積回路装置の基本構造を示
す斜視図、第2図(a)〜(c)はそれぞれ集中定数回路の回
路素子のパターンを示す平面図、第3図(a),(b)はそれ
ぞれ分布定数回路の各回路素子のパターンを説明するた
めの回路図及び平面図、第4図はマイクロストリツプ線
路の線路幅と基本厚に対する特性インピーダンスの特性
を示す特性図、第5図はマイクロストリツプ線路の基板
厚に対する伝搬損失を説明するための特性図、第6図は
この発明に係るマイクロ波集積回路装置の一実施例を示
す基本構成図、第7図乃至第9図はそれぞれ上記実施例
の使用例を示す構成図である。 11,16……半絶縁性半導体基板、12……FET、
13……ストリツプ導体、14……ストリツプ線路、1
5……モノリシツクマイクロ波集積回路(MMIC)、17
……金属膜、18……スロツト、19……絶縁膜、20
……ストリツプ導体、21……容器、22……キヤパシタ
電極、23……オープンスタブ、24……スルーホー
ル。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁性または半絶縁性半導体基板上に接地
    導体となる導体膜、誘電体膜が順に積層され、前記誘電
    体膜上にストリップ導体による伝送線路が配設され、前
    記伝送線路の下部に前記導体膜を不在にしたスロットが
    形成されて、前記伝送線路がその線路幅及び前記スロッ
    トの間隔により決定される特性インピーダンスを持つよ
    うにしたことを特徴とするマイクロ波集積回路装置。
JP58232366A 1983-12-09 1983-12-09 マイクロ波集積回路装置 Expired - Lifetime JPH0624223B2 (ja)

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JPS60124851A JPS60124851A (ja) 1985-07-03
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