TW202327163A - 天線模組及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明之課題係提供適於在數10GHz至100GHz以上之訊號頻率帶域之使用之天線模組。 做為解決手段，天線模組係具備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板、和接觸於前述基板之最上面而設之單結晶之石墨烯層、和設於前述基板上之氮化鎵層。然後，此天線模組係一體性形成將前述石墨烯層之未被覆於前述氮化鎵層之領域加以圖案化而形成之天線元件部、和形成於前述氮化鎵層之主動元件部、和連接前述天線元件部與前述主動元件部之連接部為特徵。

Description

天線模組及其製造方法
本發明係關於將石墨烯做為天線元件及/或配線使用，與增幅器等之主動元件一體形成之天線模組。
實現次世代之行動通訊系統(所謂6G、Beyond 5G)時，有適於100GHz以上之高頻之送收訊之高性能之天線之需求。做為如此天線之候補，提案有將相較做為以往天線元件之導體所使用之銅、ITO(氧化銦錫)等具有優異特性(高導電率、高載子移動度、高熱傳導率)之石墨烯，使用於天線元件之天線(例如參照專利文獻1)。
記載於專利文獻1之微波帯天線係將在於銅箔上，經由CVD法形成之石墨烯膜，轉印於基板，在轉印之石墨烯膜上，邊設置適切Au膜，邊經由微影技術、蝕刻技術、UV-臭氧處理等加以圖案化，形成天線元件。由此，可於基板上，製作所期望之形狀之天線元件。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1] 日本特開2019-75626號公報
[發明欲解決之課題]
然而，使用於行動通訊系統之天線係伴隨增幅以天線元件收送訊之訊號之增幅器使用。數10GHz至100GHz以上之訊號頻率帶域中，增幅器與天線元件之間之傳送距離係需要為(例如不足100μm)極短。
但是，專利文獻1係僅顯示做為天線元件單體之實現性，對於與增幅器等之組合之裝置之應用則沒有具體揭示。
本發明係有鑑於上述者，提供適於在數10GHz至100GHz以上之訊號頻率帶域之使用之天線模組為目的。 [為解決課題之手段]
關於本發明之實施形態之天線模組係具備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板、和接觸於基板之最上面而設之單結晶之石墨烯層、和設於基板上之氮化鎵層。然後，此天線模組係一體性形成將石墨烯層之未被覆於前述氮化鎵層之領域加以圖案化而形成之天線元件部、和形成於氮化鎵層之主動元件部、和連接天線元件部與主動元件部之連接部為特徵。
本發明中，氮化鎵層係被覆石墨烯層之一部份而設置即可。
本發明中，基板係於絕緣體之基座基板上，製作碳化矽之單結晶層之混合基板即可。
本發明中，氮化鎵層係將石墨烯層做為緩衝層，磊晶成長之層即可。
本發明中，主動元件部係包含使用形成於氮化鎵層內之HEMT(高電子移動率電晶體)之增幅器即可。
本發明中，連接部係不足100μm之長度，連接天線元件部與主動元件部即可。
又，關於本發明之一實施形態之天線模組之製造方法，包含準備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板之步驟、和於基板之最上面形成石墨烯層之步驟、和將石墨烯層做為緩衝層，磊晶成長氮化鎵層之步驟、和於氮化鎵層，形成包含增幅器之主動元件部之步驟、和除去未設置氮化鎵層之主動元件部之領域，露出石墨烯層之步驟、和圖案化露出之石墨烯層，形成連接天線元件及主動元件部與天線元件之連接部之步驟。
又，關於本發明之其他之一實施形態之天線模組之製造方法，包含準備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板之步驟、和於基板之最上面形成石墨烯層之步驟、和除去石墨烯層之一部分之同時，圖案化石墨烯層，形成連接天線元件及主動元件部與天線元件之連接部之步驟、和於除去石墨烯層之領域，磊晶成長氮化鎵層之步驟、和於氮化鎵層，形成包含增幅器之主動元件部之步驟。
又，關於本發明之更為其他之一實施形態之天線模組之製造方法，包含準備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板之步驟、和於基板之最上面形成石墨烯層之步驟、和圖案化石墨烯層，形成天線元件之步驟、和將形成包含增幅器之主動元件部之氮化鎵裝置，貼合於基板上之石墨烯層，設置氮化鎵層之步驟。
本發明中，於形成天線元件之步驟中，伴隨天線元件，形成連接電極銲墊述天線元件與前述電極銲墊之連接部，設置氮化鎵層之步驟中，為使設置於氮化鎵裝置之電極，和電極銲墊電性連接，將氮化鎵裝置，貼合於基板上之石墨烯層即可。
上述天線模組之各製造方法之形成石墨烯層之步驟中，經由昇華將基板之最上面之碳化矽之單結晶之矽原子，磊晶成長石墨烯層即可。
上述天線模組之各製造方法中，基板係於絕緣體之基座基板上，製作碳化矽之單結晶層之混合基板即可。 [發明效果]
根據本發明之天線模組及其製造方法時，一體形成使用石墨烯之天線元件、和增幅器等之主動元件，實現適於數10GHz至100GHz以上之訊號頻率帶域之使用的天線模組。
以下，對於本發明之實施形態加以說明。包含使用於先前技術之說明之圖，對各圖面之共通之構成要素，則附上同一符號。
圖1係顯示關於本發明之實施形態之天線模組1之構造之模式圖。如圖1所示，天線模組1係具有依基板2、石墨烯層3、及氮化鎵(GaN)層4順序層積之層構成。然後，天線模組1係如圖1所示，利用前述之層構成，實現天線元件部10、主動元件部12、及連接部14。
基板2係為形成石墨烯層3之基材。基板2係至少與石墨烯層3接觸之最上面21為單結晶之碳化矽(SiC)。基板2之最上面以外之部分係可為與SiC不同之絕緣體。亦即，基板2係可為SiC之單結晶基板，亦可為於絕緣體上，製作SiC之單結晶層之混合基板。基板2之SiC之單結晶層之表面係可成為(0001)面。基板2係成為用以使磊晶成長成為石墨烯層3之石墨烯之基材。
石墨烯層3係接觸於基板2之最上面而設置。石墨烯層3係經由單層或複數層之單結晶之石墨烯加以構成。石墨烯層3係在基板2與GaN層4之間，做為緩衝層工作。又，石墨烯層3係經由圖案化成所期望之天線形狀，構成天線元件部10及連接部14。
GaN層4係設於基板2上。做為一例，GaN層4係如圖1(a)所示，重疊於石墨烯層3而設置。做為其他之例，如圖1(b)所示，GaN層4係不藉由石墨烯層3，直接設於基板2之上亦可。GaN層4中，構成主動元件部12之增幅器等係使用HEMT(High Electron Mobility Transistor)等之可進行高速動作之元件加以形成。
然而，雖未示於圖1，可依需要設置重疊石墨烯層3或GaN層4，用以形成電極或配線圖案之金屬膜(例如Au膜)，或保護膜等。
基板2、石墨烯層3及GaN層4之層構成所成天線模組1中，天線元件部10、主動元件部12、及連接部14係於基板2之平面，分割領域加以設置。如圖1所示，主動元件部12係設於GaN層4。主動元件部12係除了上述之增幅器，可具備除此以外之主動元件。主動元件部12係可具備連接從外部(例如天線元件部10或連接部14)之配線之電極42。電極42係可設於與GaN層4之基板2對向之面，亦可設於與基板2對向之面之相反之面。
天線元件部10中，不設置GaN層4。天線元件部10係具有圖案化成石墨烯層3用以實現所期望之天線特性之形狀之構造。可重疊於圖案化之石墨烯之一部分或全部，設置Au等之金屬膜。石墨烯係相較銅(Cu)為首之金屬或ITO，導電率、載子移動度、熱傳導率等之諸特性具有更高之值之故，可實現超越Cu之天線特性，即使縮小天線之尺寸，亦可抑制特性劣化。
連接部14係連接主動元件部12之增幅器之電極42與天線元件部10之配線。於連接部14中，可與天線元件部10相同，不設置GaN層4，亦可於該一部分或全部，重疊GaN層4加以設置。連接部14係可經由圖案化石墨烯層3加以形成，亦可經由Au等之金屬膜加以形成。又，連接部14係可為一部分經由金屬膜加以形成，其他之部分經由石墨烯加以形成，亦可有於石墨烯重疊金屬膜加以設置之部分。又，僅將天線元件部10或連接部14以石墨烯形成時，可實現透明配線。連接部14係不使在主動元件部12與天線元件部10之間傳送之訊號劣化，盡力形成為短(例如較佳為不足100μm，更佳為不足30μm，更甚者為不足10μm之傳送距離)為佳。
電極42設於與GaN層4之基板2對向之面時，如圖2(a)所示，與設於電極42和連接部14之一端之電極銲墊15，直接或隔著導體間接連接亦可。又，電極42設於與GaN層4之基板2對向之面相反之面時，如圖2(b)所示，經由打線接合14a，連接電極42和連接部14亦可。或，如圖2(c)所示，附加金屬、石墨烯等之導體層14b，連接電極42與連接部14亦可。
接著，對於天線模組1之製造方法加以說明。 圖3係顯示天線模組之製作之手序之第1之例之圖。
如圖3所示、首先準備基板2(圖3(a))。基板2係如上所述，至少最上面成為單結晶之SiC。此最上面之SiC之結晶構造係4H-SiC、6H-SiC、3C-SiC之任一者為佳。
做為基板2，非SiC之單結晶基板，使用於絕緣體製作SiC之單結晶層之混合基板之時，令單結晶矽、藍寶石、多結晶矽、氧化鋁、氮化矽、氮化鋁、鑽石、多結晶SiC之任一者做為基座基板，於其上依需要，設置氧化矽、單結晶矽、多結晶矽、非晶質矽、氧化鋁、氮化矽、碳化矽、氮化鋁、或鑽石之膜，於基座基板及碳化矽基板之貼合面，施加表面化處理加以貼合。之後、於經由研削研磨所成薄化或剝離前之碳化矽基板，植入氫離子或氦離子等，於貼合後經由熱處理，在離子植入界面，經由進行剝離之離子植入剝離法等，製作薄化SiC之單結晶層之混合基板即可。又，於製作上述混合基板後，將表面以多結晶SiC加以CVD之後，除去上述基座基板，得於絕緣體製作SiC之單結晶之混合基板即可。
接著，令基板2經由較佳於1,100℃以上加熱，昇華基板2之最上面附近之矽原子(Si)，形成所期望之厚度(例如50~1,500nm程度)之石墨烯膜，而成為石墨烯層3(圖3(b))。做為石墨烯之典型之成長條件之一例，在氬(Ar)環境下，氣壓10 5Pa(1bar)、1500~1600℃之溫度，進行5~30分鐘加熱即可。於昇華Si之時，雖形成富勒烯、石墨烯、奈米碳管之任一之奈米碳膜，唯適切調整作成條件，使之獲得石墨烯。如此形成之石墨烯層3係對於成為基材之基板2之最上面之SiC單結晶之結晶面向特定之方向，配向結晶地，進行所謂磊晶成長。
接著，令石墨烯層3做為緩衝層(即，GaN磊晶之核形成層(模板層))，磊晶成長氮化鎵(GaN)，形成GaN層4(圖3(c))。GaN係經由例如有機金屬氣相成長法(MOCVD法)，加以磊晶成長即可。具體而言，做為Ga、Al、N之先驅體，各別使用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、氨(NH 3)，就載流氣體使用H 2與N 2即可。在成膜之前，令設置石墨烯層3之基板2在H 2環境中，進行1100℃5分鐘程度之熱洗淨即可。於洗淨後之基板表面，使AlN緩衝層進行數10~數100nm程度成長，之後，在1050℃成長厚度2μm程度之非摻雜之GaN層4即可。AlN緩衝層係在以780℃程度成長之低溫之AlN緩衝層之上，層積在1080℃程度成長之高溫之AlN緩衝層而成長即可。然而，上述之例中，雖令石墨烯層3做為GaN磊晶之核形成層(模板層)，但可於GaN磊晶之成長前，對於成長GaN之部位(即，設置主動元件部之部分)，除去石墨烯層3，於基板2之最上面21之SiC單結晶，直接成長GaN亦可。
然而，於形成之GaN層4，形成HEMT等之主動元件、阻抗、電容器、感應器等之被動元件、配線、電極42等，形成含增幅器等之主動元件部12(圖3(d))。
接著，經由蝕刻，從主動元件部12以外之部分除去GaN層4，露出石墨烯層3(圖3(e))。更且，於石墨烯層3，圖案化天線元件部10及連接部14(圖3(f))。此圖案化係進行例如於石墨烯層3蒸鍍Au膜之後，對於Au膜，經由微影技術及蝕刻技術，進行圖案化，將未以Au膜被覆之露出之石墨烯，經由UV-臭氧處理等加以除去，更且除去Au膜之不要部分之手序即可。
最後，電性連接主動元件部12之電極42與連接部14(圖3(g))。然而，電極42與連接部14係可經由打線接合加以連接(圖2(b))，經由附加石墨烯或金屬薄膜加以連接亦可(圖2(c))。
經由以上之手序，可製作在於基板2上設置天線元件部10與主動元件部12，兩者經由連接部14加以連接之單片之天線模組。然而，主動元件部12之形成與天線元件部10及連接部14之形成亦可改變順序，亦可同時進行工程之一部分或全部。
如上述所作成之天線模組1係使天線元件部10與主動元件部12接近而設置，在兩者極短之連接部14加以連接之故，於數10GHz至100GHz以上之訊號頻率帶域中，亦可抑制傳送天線元件部10與主動元件部12間之訊號之劣化。
又，以上述手序製作之天線模組1中，石墨烯層3係於基板2之最上面之SiC單結晶上，成為經由磊晶成長形成之單結晶之膜。為此，相較另外製作之多結晶之石墨烯之膜轉印於基板之手法，石墨烯之特性(導電率、載子移動度、熱傳導性、膜之強度等)則成為優異者。圖案化如此單結晶之石墨烯而得之天線元件係相較銅等之金屬薄膜所製作之天線元件，以及多結晶石墨烯所製作之天線元件，亦可期待優異之特性，即使天線之尺寸更為小型化，特性亦難以劣化。
又，以上述手序製作之天線模組1中，不僅石墨烯層3，GaN層4亦經由磊晶成長加以形成。因此，石墨烯層3及GaN層4係皆對於基板2之最上面之SiC單結晶之結晶面，各別向特定之方向，配向結晶地加以形成。即，石墨烯層3與GaN層4係各別之結晶相對成為預先決定之角度加以配向。由此，可抑制GaN-HEMT與石墨烯・天線間之電性阻抗或寄生阻抗，可提升天線之放射效率等之特性。
圖4係顯示天線模組之製作之手序之第2之例之圖。此手序中，不磊晶成長GaN層4，另外準備GaN裝置41，於設置石墨烯層3之基板2，經由貼合GaN裝置41，設置GaN層之部分，與前述之第1之例不同。
天線模組之製作之手序之第2之例中，首先經由參照圖3(a)及(b)加以說明之相同手法，準備基板2(圖4(a))，於基板2之最上面，形成石墨烯層3(圖4(b))。
接著，於石墨烯層3，圖案化天線元件部10及連接部14(圖4(c))。又，於後段中，貼合GaN元件41之時，與主動元件部12之電極42連接之電極銲墊15，亦從連接部14延伸之形式加以圖案化。其他，可形成在於與GaN裝置41之接合所需之石墨烯層3(或設於其上之Au膜)之圖案。即，石墨烯層3係可做為用以將主動元件部12貼合於基板2之黏著層加以工作。此等圖案化係進行例如於石墨烯層3蒸鍍Au膜之後，對於Au膜，經由微影技術及蝕刻技術，進行圖案化，將未以Au膜被覆之露出之石墨烯，經由UV-臭氧處理等加以除去，更且除去Au膜之不要部分之手序即可。如此，可於基板2上，將天線元件部10形成成為單片。然而，使用於與GaN裝置41之接合之圖案係除去石墨烯層3，係可僅經由Au等之金屬薄膜加以形成。使用於與GaN裝置41之接合之圖案係可為石墨烯所成者，金屬薄膜所成者，或層積此等者。使用於與GaN元件41之接合之圖案係和與電極42連接之電極銲墊15相同，可兼具確保GaN裝置41內之元件與外部之電性連接之功能。
接著，將另外準備之GaN裝置41，貼合於基板2之適切之位置(圖4(d))。GaN裝置41係於GaN之基板上，形成構成主動元件部12之增幅器等之元件，切出特定之尺寸者。GaN裝置41之表面(貼合於基板2之面)係設置用以進行主動元件部12内之元件與訊號收受之電極42。貼合GaN裝置41與基板2之時，電性連接GaN裝置41之電極42與基板2上之電極銲墊15。GaN裝置41與基板2之貼合係對於兩者之表面，進行活性化處理或表面處理之後加以實施即可。又，亦可經由覆晶接合GaN裝置41，貼合於基板2。貼合於基板2之GaN元件41係成為天線模組1之GaN層4。
經由以上之手序，可製作在於基板2上設置天線元件部10與主動元件部12，兩者經由連接部14加以連接之一體之天線模組。
如上述所作成之天線模組1係使天線元件部10與主動元件部12接近而設置，在兩者極短之連接部14加以連接之故，於數10GHz至100GHz以上之信號頻率帶域中，亦可抑制傳送天線元件部10與主動元件部12間之訊號之劣化。
又，以上述手序製作之天線模組1中，石墨烯層3係於基板2之最上面之SiC單結晶上，成為經由磊晶成長形成之單結晶之膜。為此，相較另外製作之多結晶之石墨烯之膜轉印於基板之手法，石墨烯之特性(導電率、載子移動度、熱傳導性、膜之強度等)則成為優異者。圖案化如此單結晶之石墨烯而得之天線元件係相較銅等之金屬薄膜所製作之天線元件，以及多結晶石墨烯所製作之天線元件，亦可期待優異之特性，即使天線之尺寸更為小型化，特性亦難以劣化。
又，以上述之手序製作之天線模組1中，可另外準備形成主動元件部12之GaN裝置41之後，貼合於基板2之故，主動元件部12之設計自由度為高。又，將貼合之GaN元件41，準備機能或性能不同之複數種類時，可共通天線元件部10之下，製作各種變化之天線模組1。
[實施形態之變形] 然而，本發明係非限定於上述實施形態或實施例。例如上述之實施形態中，天線元件部10與主動元件部12雖設於基板2之同一面上，如圖5所示，天線元件部10則可設於與設置基板2之主動元件部12之面相反之面。此時，連接天線元件部10與主動元件部12之連接部14係可包含貫通基板2，電性連接兩面之基板貫通通孔14c。又，此時，於基板2之兩面，設置石墨烯層3，將拉出於主動元件部12之連接部14之配線、與主動元件部12接合之電極銲墊、及天線元件部10，形成在石墨烯亦可。
又，上述之實施形態中，天線模組之製作之手序之第2之例中，雖於主動元件部12之基板接合面，設置電極42，直接連接基板2上之電極銲墊15與電極42，電極42亦可設於與GaN層4之基板2對向之面相反之面。此時，於基板上，不設置電極銲墊15，如圖2(b)所示，經由打線接合或導體層之附加，連接電極42與連接部14即可。
又，與記載於本發明之申請專利範圍之技術思想具有實質上相同之構成，發揮同樣之作用效果者係不論如何加以變更者，皆包含於本發明之技術範圍。
1:天線模組 2:基板 3:石墨烯層 4:GaN層 10:天線元件部 12:主動元件部 14:連接部 15:電極銲墊 41:GaN元件 42:電極
[圖1]顯示天線模組之構造之模式圖。 [圖2]顯示連接電極與連接部之方法之圖。 [圖3]顯示天線模組之製作之手序之第1之例之圖。 [圖4]顯示天線模組之製作之手序之第2之例之圖。 [圖5]顯示天線模組之構造之變形例之模式圖。
1:天線模組
2:基板
3:石墨烯層
4:GaN層
10:天線元件部
12:主動元件部
14:連接部
42:電極

Claims (12)

  1. 一種天線模組，其特徵係具備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板、 和接觸於前述基板之最上面而設之單結晶之石墨烯層、和設於前述基板上之氮化鎵層； 一體性形成將前述石墨烯層之未被覆於前述氮化鎵層之領域加以圖案化而形成之天線元件部、 和形成於前述氮化鎵層之主動元件部、 和連接前述天線元件部與前述主動元件部之連接部。
  2. 如請求項1記載之天線模組，其中，前述氮化鎵層係被覆前述石墨烯層之一部份而設置者。
  3. 如請求項1或2記載之天線模組，其中，前述基板係於絕緣體之基座基板上，製作碳化矽之單結晶層之混合基板。
  4. 如請求項1至3之任1項記載之天線模組，其中，前述氮化鎵層係將前述石墨烯層做為緩衝層，進行磊晶成長之層。
  5. 如請求項1至4之任1項記載之天線模組，其中，前述主動元件部係包含使用形成於氮化鎵層內之HEMT(高電子移動率電晶體)之增幅器。
  6. 如請求項1至5之任1項記載之天線模組，其中，前述連接部係不足100μm之長度，連接前述天線元件部與前述主動元件部者。
  7. 一種天線模組之製造方法，其特徵係包含準備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板之步驟、和於前述基板之最上面形成石墨烯層之步驟、 和將前述石墨烯層做為緩衝層，磊晶成長氮化鎵層之步驟、 和於前述氮化鎵層，形成包含增幅器之主動元件部之步驟、 和除去未設置前述氮化鎵層之前述主動元件部之領域，露出前述石墨烯層之步驟、 和圖案化露出之前述石墨烯層，形成連接天線元件及前述主動元件部與前述天線元件之連接部之步驟。
  8. 一種天線模組之製造方法，其特徵係包含準備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板之步驟、和於前述基板之最上面形成石墨烯層之步驟、 和除去前述石墨烯層之一部分之同時，圖案化前述石墨烯層，形成連接天線元件及前述主動元件部與前述天線元件之連接部之步驟、 和於除去前述石墨烯層之領域，磊晶成長氮化鎵層之步驟、 和於前述氮化鎵層，形成包含增幅器之主動元件部之步驟。
  9. 一種天線模組之製造方法，其特徵係包含準備至少最上面為碳化矽之單結晶之基板之步驟、和於前述基板之最上面形成石墨烯層之步驟、 和圖案化前述石墨烯層，形成天線元件之步驟、 和將形成包含增幅器之主動元件部之前述氮化鎵裝置，貼合於前述基板上之前述石墨烯層，設置氮化鎵層之步驟。
  10. 如請求項9記載之天線模組之製造方法，其中，於形成前述天線元件之步驟中，伴隨前述天線元件，形成連接電極銲墊及前述天線元件與前述電極銲墊之連接部， 於設置前述氮化鎵層之步驟中，為使設置於前述氮化鎵裝置之電極，和前述電極銲墊電性連接，將前述氮化鎵裝置，貼合於前述基板上之前述石墨烯層。
  11. 如請求項8至10之任1項記載之天線模組之製造方法，其中，於形成前述氮化鎵層之步驟中，經由昇華將前述基板之最上面之碳化矽之單結晶之矽原子，磊晶成長石墨烯層者。
  12. 如請求項8至11之任1項記載之天線模組之製造方法，其中，前述基板係於絕緣體之基座基板上，製作碳化矽之單結晶層之混合基板。
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