マイクロ波回路の性能を高めるための共鳴バイパス・コンデンサ
【課題】マイクロ波の動作周波数でインピーダンスが低くなるが、同じ周波数ではインピーダンスが同様であるコンデンサより小さなチップ面積を使うバイパス回路を提供する。
【解決手段】バイアス接続用のバイパス回路は、コイルと直列のコンデンサを備え、その直列結合がバイアス導体とアースの間に接続される。この直列結合により、動作周波数での反射減衰量が低くなる。他の周波数で損失を与えるために、バイパス回路内にデキューイング回路１８を含んでもよい。
【解決手段】バイアス接続用のバイパス回路は、コイルと直列のコンデンサを備え、その直列結合がバイアス導体とアースの間に接続される。この直列結合により、動作周波数での反射減衰量が低くなる。他の周波数で損失を与えるために、バイパス回路内にデキューイング回路１８を含んでもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波回路に関し、より詳細には、モノリシック・マイクロ波集積回路におけるバイアス接続用のバイパス回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）は、マイクロ波の周波数で動作する集積回路である。典型的には、特定の動作周波数を中心とする周波数帯で動作するように、ＭＭＩＣは設計される。ＭＭＩＣは、動作周波数またはその付近の信号用の入出力接続を有してもよく、それに加えて、ＭＭＩＣは、バイアス接続として知られている低周波または直流の接続を有してもよい。バイアス接続により、電力または制御信号をＭＭＩＣ内の構成要素に供給してもよく、または、ＭＭＩＣからの低周波信号の出力を供給してもよい。例えば、ＭＭＩＣ増幅器は直流電力を必要とし、ＭＭＩＣ変調器は変調信号を必要とし、ＭＭＩＣ検出器は低周波の出力信号を生成してもよい。
【０００３】
一般に、動作周波数またはその付近でのマイクロ波信号はバイアス接続を通してＭＭＩＣの中またはＭＭＩＣの外へ伝搬できないことが好ましい。そうでない場合は、マイクロ波信号が、バイアス接続を通してＭＭＩＣの外へ伝搬し、ＭＭＩＣの外側の構成要素から反射し、再びバイアス接続を通してＭＭＩＣの中へ戻るように伝搬するおそれがある。ＭＭＩＣの外側の回路機構とのそうした不要な干渉により、ＭＭＩＣの周波数応答にリップルまたは振動が生じるおそれがある。後でＭＭＩＣに接続されるかも知れない外部の回路機構をＭＭＩＣの設計者が制御するには限界があるため、ＭＭＩＣの動作をそうした外部の回路機構から可能な限りほとんど独立したものにすることが望ましい。ＭＭＩＣ増幅器では、効率が、バイアス接続を通したマイクロ波信号の伝達を防ぐさらなる理由となり得る。すなわち、バイアス接続におけるいかなる正味のマイクロ波の電力損失も、回路のマイクロ波の出力接続で利用可能にできない電力に対応する。
【０００４】
バイアス導体上のある点でマイクロ波をアースに短絡することにより、マイクロ波がＭＭＩＣの中または外へ伝搬するのを防ぐことができる。そうした短絡により、マイクロ波信号が反射される。例えば、バイアス導体とアースの間に十分大きなコンデンサを接続すれば、マイクロ波信号についてアースへの短絡をまねることになる。そのコンデンサが大き過ぎなければ、低周波での開放回路をまねることにもなり、バイアス信号をＭＭＩＣの中または外へ自由に伝搬させることが可能になる。
【０００５】
しかしながら、大きなコンデンサはＭＭＩＣ内で大きな面積を占めることがある。ＭＭＩＣの設計では、多くの場合、集積回路または「チップ」の物理的な大きさが制約され、ＭＭＩＣの設計者は、回路が小さな面積内に設計されるように収めなければならない。マイクロ波の周波数でのコンデンサのインピーダンスは、その面積に逆比例する。結果として、チップ上で小さな面積を占めるコンデンサでは、マイクロ波の周波数でインピーダンスが十分低くならないおそれがある。
【０００６】
バイパス回路では他の特徴も望まれることがある。適切に設計の注意事項を守らなければ、ＭＭＩＣ増幅器は動作周波数以外の周波数で振動するおそれがある。これは、マイクロ波の信号経路に損失を与えることにより、例えば、バイアス導体中に直列の抵抗器を設置することにより、防ぐことができる。しかしながら、そうした抵抗器により、動作周波数や直流を含むすべての周波数で損失が加わることになり、直流電源の電力と動作周波数でのマイクロ波の電力の両方が無駄になる。したがって、バイアス回路には、主に、普通ならＭＭＩＣ増幅器が振動し得る周波数で損失が与えられることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、マイクロ波の動作周波数でインピーダンスが低くなるが、同じ周波数ではインピーダンスが同様であるコンデンサより小さなチップ面積を使うバイパス回路が必要である。さらに、動作周波数とは異なるマイクロ波の周波数で著しい損失を与えることが可能なバイパス回路が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態により、ＭＭＩＣまたは他のマイクロ波回路内でバイアス導体に接続されるバイパス回路が提供される。本発明の実施形態の一態様により、実質的に損失なしでバイアス電流がバイアス導体内を流れることができ、動作周波数において低い反射減衰量でマイクロ波信号を反射することができる。本発明の実施形態の別の態様により、ＭＭＩＣ増幅器の回路が振動するのを防ぐために、直流と動作周波数の間の周波数で損失が与えられる。
【０００９】
一実施形態では、バイパス回路はコイルと直列に接続されたコンデンサを備え、そのコイルはアースに接続され、コンデンサとコイルの結合の共振周波数がマイクロ波回路の動作周波数である。別の実施形態では、抵抗器、第２のコンデンサおよび第２のコイルを備える並列回路をさらに備え、第２のコンデンサと第２のコイルの結合の共振周波数が動作周波数以下である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるバイパス回路の概略図である。
【図２】バイパス回路の一実施形態の、周波数の関数としての、インピーダンスの実部のグラフである。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による図１の回路を実施するためにＭＭＩＣ基板上に製作された構成要素の部分平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの切断線３Ｂ−３Ｂに沿った拡大部分断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの線２Ｃに沿った拡大断面図である。
【図４】図３Ａの実施形態の部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付の図面に関して以下で述べる詳細な説明は、本発明により設けられたバイパス回路の現在の好ましい実施形態を説明することを意図しており、本発明を構成または利用することができる唯一の形態を表すことを意図するものではない。図示した実施形態に関して、本発明の特徴を説明する。しかしながら、同一または同等の機能および構造を、やはり本発明の精神および範囲内に包含されることを意図している別の実施形態によって実現できることが理解されよう。本明細書の他の箇所で示すように、同様の要素の番号は、同様の要素または特徴を指すことを意図している。
【００１２】
本明細書では、簡単のため、「マイクロ波」という用語を、無線周波数およびミリメートル波の周波数を含むものと、すなわち、ほぼ１メガヘルツ（ＭＨｚ）から１０００ギガヘルツ（ＧＨｚ）にわたる周波数の範囲を含むものとして用いる。
【００１３】
図１を参照すると、図示した実施形態では、バイパス回路は２つの接続点、すなわち、外部の回路機構へ接続できるようにするボンド・パッドにバイパス回路を接続するためのボンド・パッド接続１２と、バイパス回路をＭＭＩＣ内の内部の回路機構に接続するための内部接続１０とを提供している。
【００１４】
バイパス回路は、共振バイパス・コンデンサ１６とデキューイング（ｄｅ−ｑｕｅｕｅｉｎｇ）回路１８をさらに備える。共振バイパス・コンデンサ１６は、コンデンサＣ１とコイルＬ１の直列結合であり、アース接続１４に接続されており、Ｃ１とＬ１の値は動作周波数で回路が共振するように選択される。
【００１５】
共振周波数では、共振バイパス・コンデンサ１６のインピーダンスは低い。ｆ０＝（１／ＬＣ）１／２／（２π）で与えられる共振周波数ｆ０では、キャパシタンスＣの理想的なコンデンサとインダクタンスＬの理想的なコイルの直列結合のインピーダンスは零である。同様に、現実のコイルと直列に接続された現実のコンデンサの共振インピーダンスは低いが、現実の構成要素がそれに対応する理想的な構成要素とは異なる限り、零とは異なる。一実施形態では、１０ＧＨｚの動作周波数で、Ｃ１とＬ１についてそれぞれほぼ４ピコファラド（ｐＦ）と０．０６３ナノヘンリー（ｎＨ）の値を用いることによって、Ｃ１とＬ１により形成された共振バイパス・コンデンサ１６のインピーダンスを低くすることができる。特に、インピーダンスは、コンデンサＣ１と同じ面積を占めるコンデンサとコイルＬ１のものより低くすることができる。
【００１６】
図１の実施形態では、デキューイング回路１８は、アース接続１４に接続された、抵抗器Ｒ、コンデンサＣ２およびコイルＬ２の直列結合である。デキューイング回路１８は、共振バイパス・コンデンサ１６と並列に接続される。動作周波数では、共振バイパス・コンデンサ１６のインピーダンスは低く、デキューイング回路１８はほとんど効果がないが、他の周波数では、デキューイング回路１８は周波数に依存するインピーダンスをもたらし、増幅器を含むＭＭＩＣ内で振動を抑制するのに用いることができる。
【００１７】
例示的な実施形態では、Ｃ２とＬ２の値を、それらの共振周波数が動作周波数より著しく低くなるように選択してもよい。この共振周波数では、コイルＬ２とコンデンサＣ２のインピーダンスは実質的に打ち消し合い、デキューイング回路１８のインピーダンスとして抵抗器Ｒの抵抗が残る。
【００１８】
デキューイング回路１８の共振周波数と共振バイパス・コンデンサ１６の共振周波数の間の周波数区間では、共振バイパス・コンデンサ１６は主に容量性のインピーダンスをもち、デキューイング回路１８は抵抗性および誘導性のインピーダンスをもつことになる。ある中間の周波数では、一方は容量性で他方が誘導性および抵抗性であるこれらの２つのインピーダンスにより、比較的高いインピーダンスをもつ並列共振回路が形成される。この共振モードと、コンデンサＣ２およびコイルＬ２を伴う直列の共振により、デキューイング回路１８とバイパス回路のインピーダンスが周波数の関数として急速に変化し、かつ動作周波数および直流では損失が低くなる一方、中間周波数では損失を大きくすることが可能になる。この実施形態のデキューイング回路１８は、直流では損失を導入せずに直列のコンデンサＣ２のため開放回路の働きをする。デキューイング回路１８は、動作周波数でアースにほとんど短絡する共振バイパス・コンデンサ１６と並列に接続されているため、動作周波数でも損失を導入しない。抵抗器Ｒ、コンデンサＣ２およびコイルＬ２についての構成要素の値の選択は、以下でより詳細に記載する反復同調プロセスを用いて実行することができる。
【００１９】
バイパス回路の一実施形態でのインピーダンスの実部の例示的なグラフを示す図２を参照すると、インピーダンスの実部は、１０ＧＨｚの動作周波数で低くなり、より低い周波数では大幅に高くすることができる。
【００２０】
図１に図示した実施形態のデキューイング回路１８は、直列の抵抗器−コイル−コンデンサ（ＲＬＣ）結合からなるが、本発明はこの実施形態に限定されない。「デキューイング回路」の用語は、本明細書で用いるときは、バイアス接続とアースの間に接続された、直流でインピーダンスが高くなる構成要素の任意の結合を意味する。デキューイング回路は、例えば、第１の結合と並列に接続された別のＲＬＣ結合を含んでもよく、または、図１の実施形態で示した回路要素に加えて、またはその代わりに、開放伝送線のスタブなどの他の回路要素を備えてもよい。このように、バイアス回路のアースに対するインピーダンスは、十分なＭＭＩＣのチップ面積を利用して必要な構成要素を形成できるならば、いかなる広範な周波数の関数にも調整することができる。
【００２１】
図３および図４を参照すると、例示的な実施形態では、実質的に矩形の金属−絶縁体−金属のコンデンサ、すなわちＭＩＭキャパシタとして、コンデンサＣ１およびＣ２をＭＭＩＣ上に製作することができる。図３Ｃを参照すると、第１の金属層２２をＭＭＩＣ基板２０上に堆積させてＭＩＭキャパシタ３２の底板２６を形成し、次いで、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの誘電性の材料を第１の金属層２２の最上面に堆積させて、窒化物層２４として知られているものを形成し、最後に、１つまたは複数の別の金属層を窒化物層２４の上に堆積させてＭＩＭキャパシタ３２の天板２８を形成することにより、ＭＩＭキャパシタ３２を形成することができる。窒化物層２４は、単位面積当たりのキャパシタンスを増加させるために、薄く、例えば０．２ミクロンの厚さにすることが好ましいが、ＭＩＭキャパシタ３２がさらされるであろう最高の電圧にも確実に耐える十分な厚さである。ＭＩＭキャパシタ３２の底板２６を形成する第１の金属層２２は、厚さ０．７７ミクロンとすることができる。窒化物層２４と底板２６は、図３Ａ、図３Ｂおよび図４では薄すぎてはっきりと識別できないが、図３Ｃの拡大断面図では認識できる。
【００２２】
図３Ｂを参照すると、天板２８は、２つの金属堆積ステップで、２ミクロンの金属を最初に堆積させ、その後に別の４ミクロンの金属を堆積させた、６ミクロンの全体の厚さを有してもよい。導体がバイアス電流を伝える必要性により、所要の厚さの金属が要求される。本実施形態では、例えば、バイアス電流経路はコンデンサＣ１の天板２８を横断し、したがって、天板２８はある最小限の厚さが必要になる。
【００２３】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、基板２０を貫くアース・バイア４０を用いて、ＭＩＭキャパシタ３２の底板２６への接続を形成することができる。アース・バイア４０は、最初にウェット・エッチング・プロセスを用いて基板２０を貫く先細のホールを形成し、次いで基板２０の裏側全体を裏側金属層４６（厚さを６ミクロンとすることができる）でめっきすることにより形成することができる。裏側金属層４６は裏側アース面４４を形成し、アース・バイア４０の斜めの壁４８も覆い、裏側アース面４４からアース・バイア４０の上面までの導電経路を形成する。そして、アース・バイア４０の上に、またはその隣に形成されたＭＩＭキャパシタ３２の底板２６は、アース・バイア４０の上端と接触する結果、接地することができる。
【００２４】
図３Ａ〜図３Ｃおよび図４で説明した例示的な実施形態に示した構造は、ＭＩＭキャパシタと導電性のバイアを形成することが可能な工程があるいかなるＭＭＩＣの製造工場でも製作することができる。そうした製造工場では、製造の信頼性を保証するために、ある設計ルールに従って設計が製作される必要があり得る。そうしたプロセスでは、例えば、シリコンや、窒化ガリウム、シリコン・ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムなどの、ＭＭＩＣ製造に適したいかなる半導体材料を用いることもできる。上述の実施形態では、誘電体層は窒化ケイ素でできているが、他の実施形態では、いかなる他の適当な誘電体でできたものでもよい。
【００２５】
図３Ｃを参照すると、ＭＩＭキャパシタ３２では、窒化物層２４は底板２６に対して差し込まれていてもよく、すなわち、誘電体層の面積は底板２６の面積よりいくらか小さくてもよい。この場合、底板２６に対して短絡することを避けるために、天板２８は窒化物層２４より面積がいくらか小さくなければならない。図３Ｂを参照すると、エア・ブリッジ３４を用いて、底板２６に短絡することなくＭＩＭキャパシタ３２の天板２８への接続を形成してもよい。一実施形態では、次のようにエア・ブリッジ３４を形成することができる。天板２８を形成するのに用いられる２つの金属堆積ステップのうちの最初に形成される２ミクロンの金属層は、窒化物層２４の上に堆積させてもよい。次いで、この２ミクロンの金属層のすぐ隣にフォトレジストの細片を堆積させてもよく、次いで、２ミクロンの金属層とフォトレジストの細片を覆って４ミクロンの金属層を堆積させてもよい。最後に、一時的なフォトレジストの細片を、４ミクロンの金属層の下から溶かすことによって取り除くことができる。その結果、図３Ｂに断面で示したように、天板２８と隣接する導体との間に導電性のエア・ブリッジ３４ができる。製造工場の設計ルールにより、多数のより細いエア・ブリッジ区画３６から広幅のエア・ブリッジ３４を形成することが要求されることもある。
【００２６】
図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、ＭＩＭキャパシタ３２の底板２６が接地されると、これを実現するために用いられるアース・バイア４０は、慣例上、コンデンサの中心近くに設置される。これにより、コンデンサの底板２６からアースへの短絡経路が与えられる。図３Ａは、コンデンサＣ２のほぼ中心下に位置するそうしたアース・バイア４０を示す。例示的な実施形態では、コンデンサＣ１用のアース・バイア４０が中心に置かれている場合より底板２６からアースへ流れる電流の経路が長くなるように、コンデンサＣ１の中心からある程度の距離のところにコンデンサＣ１用のアース・バイア４０を設置することにより、インダクタンスＬ１を形成してもよい。この片寄りの効果は、コンデンサＣ１の底板２６が直接アースにではなく接地された伝送線スタブに接続されるということである。この接地されたスタブは、動作周波数でアースへの誘導性の分路として作用することができる。コンデンサＣ１の底板２６からアース・バイア４０への導電経路の長さと幅の両方は、コイルＬ１のインダクタンスに影響を及ぼす。一実施形態では、コンデンサＣ１の底板２６はアース・バイア４０の上に一定の幅で延び、コンデンサＣ１の中心とそのアース・バイア４０の間との片寄りは、実質的に１００ミクロンである。
【００２７】
図４を参照すると、製造工場の設計ルールにより、窒化物層２４とコンデンサＣ１の天板２８は、これらの層とアース・バイア４０の上端の間に最小限の隙間ができるように、矩形のカットアウト４２をもつことが要求されることもある。一実施形態では、コンデンサＣ１の天板２８は、外側の寸法が２１０ミクロン×７２ミクロンであり、より長い寸法のコンデンサＣ１と平行な、長さが３６ミクロンで幅が３０ミクロンの矩形のカットアウト４２を有してもよい。
【００２８】
コイルＬ２も、マイクロストリップの伝送線の部分として形成することができる。そして、コイルＬ２のインダクタンスは、この伝送線の長さと幅により決定され、一実施形態では、それらはそれぞれ５７５ミクロンおよび５ミクロンとすることができる。抵抗器Ｒは、７．５オームの薄膜抵抗器として製作することができる。
【００２９】
バイパス回路内での構成要素の場所と寸法に対する調整は、内部接続１０で周波数の関数として所望のインピーダンスを与えるように、同調プロセスを用いて行うことができる。これらの調整は、カリフォルニア州サンタクララのアジレント・テクノロジーにより販売されているＡｇｉｌｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍなどの電磁場シミュレーション・ソフトウェアを用いて行うことができる。そうしたソフトウェアを用いて、設計者は、内部接続１０からの反射の振幅と位相を周波数の関数として、例えばプロットすることができ、それから、条件にかなった特徴が得られるまで回路内の構成要素に繰り返し調整を加えることができる。このプロセスの間に、設計者は、動作周波数での低い反射減衰量と、直流でのアースに対する高いインピーダンスと、他の周波数での高い反射減衰量とを実現するように努めることができる。また、設計者は、反射波の位相を周波数の関数として調整するように努めることができる。本発明を採用するシステム設計が、ある周波数の組について性能がよくなるように調整されており、他の周波数の組でもそのシステムを用いることが望まれるときは、新たな周波数について同調プロセスを繰り返す必要があるだろう。
【００３０】
本明細書ではＭＭＩＣバイパス回路の限られた実施形態を詳細に記載し図示してきたが、多くの修正や変形は当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の原理により構成されたバイパス回路は本明細書で詳細に記載した以外のものを採用してもよいことが理解されよう。また、本発明は添付の請求項により定められる。
【符号の説明】
【００３１】
１０ 内部接続
１２ ボンド・パッド接続
１４ アース接続
１６ 共振バイパス・コンデンサ
１８ デキューイング回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波回路に関し、より詳細には、モノリシック・マイクロ波集積回路におけるバイアス接続用のバイパス回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）は、マイクロ波の周波数で動作する集積回路である。典型的には、特定の動作周波数を中心とする周波数帯で動作するように、ＭＭＩＣは設計される。ＭＭＩＣは、動作周波数またはその付近の信号用の入出力接続を有してもよく、それに加えて、ＭＭＩＣは、バイアス接続として知られている低周波または直流の接続を有してもよい。バイアス接続により、電力または制御信号をＭＭＩＣ内の構成要素に供給してもよく、または、ＭＭＩＣからの低周波信号の出力を供給してもよい。例えば、ＭＭＩＣ増幅器は直流電力を必要とし、ＭＭＩＣ変調器は変調信号を必要とし、ＭＭＩＣ検出器は低周波の出力信号を生成してもよい。
【０００３】
一般に、動作周波数またはその付近でのマイクロ波信号はバイアス接続を通してＭＭＩＣの中またはＭＭＩＣの外へ伝搬できないことが好ましい。そうでない場合は、マイクロ波信号が、バイアス接続を通してＭＭＩＣの外へ伝搬し、ＭＭＩＣの外側の構成要素から反射し、再びバイアス接続を通してＭＭＩＣの中へ戻るように伝搬するおそれがある。ＭＭＩＣの外側の回路機構とのそうした不要な干渉により、ＭＭＩＣの周波数応答にリップルまたは振動が生じるおそれがある。後でＭＭＩＣに接続されるかも知れない外部の回路機構をＭＭＩＣの設計者が制御するには限界があるため、ＭＭＩＣの動作をそうした外部の回路機構から可能な限りほとんど独立したものにすることが望ましい。ＭＭＩＣ増幅器では、効率が、バイアス接続を通したマイクロ波信号の伝達を防ぐさらなる理由となり得る。すなわち、バイアス接続におけるいかなる正味のマイクロ波の電力損失も、回路のマイクロ波の出力接続で利用可能にできない電力に対応する。
【０００４】
バイアス導体上のある点でマイクロ波をアースに短絡することにより、マイクロ波がＭＭＩＣの中または外へ伝搬するのを防ぐことができる。そうした短絡により、マイクロ波信号が反射される。例えば、バイアス導体とアースの間に十分大きなコンデンサを接続すれば、マイクロ波信号についてアースへの短絡をまねることになる。そのコンデンサが大き過ぎなければ、低周波での開放回路をまねることにもなり、バイアス信号をＭＭＩＣの中または外へ自由に伝搬させることが可能になる。
【０００５】
しかしながら、大きなコンデンサはＭＭＩＣ内で大きな面積を占めることがある。ＭＭＩＣの設計では、多くの場合、集積回路または「チップ」の物理的な大きさが制約され、ＭＭＩＣの設計者は、回路が小さな面積内に設計されるように収めなければならない。マイクロ波の周波数でのコンデンサのインピーダンスは、その面積に逆比例する。結果として、チップ上で小さな面積を占めるコンデンサでは、マイクロ波の周波数でインピーダンスが十分低くならないおそれがある。
【０００６】
バイパス回路では他の特徴も望まれることがある。適切に設計の注意事項を守らなければ、ＭＭＩＣ増幅器は動作周波数以外の周波数で振動するおそれがある。これは、マイクロ波の信号経路に損失を与えることにより、例えば、バイアス導体中に直列の抵抗器を設置することにより、防ぐことができる。しかしながら、そうした抵抗器により、動作周波数や直流を含むすべての周波数で損失が加わることになり、直流電源の電力と動作周波数でのマイクロ波の電力の両方が無駄になる。したがって、バイアス回路には、主に、普通ならＭＭＩＣ増幅器が振動し得る周波数で損失が与えられることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、マイクロ波の動作周波数でインピーダンスが低くなるが、同じ周波数ではインピーダンスが同様であるコンデンサより小さなチップ面積を使うバイパス回路が必要である。さらに、動作周波数とは異なるマイクロ波の周波数で著しい損失を与えることが可能なバイパス回路が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態により、ＭＭＩＣまたは他のマイクロ波回路内でバイアス導体に接続されるバイパス回路が提供される。本発明の実施形態の一態様により、実質的に損失なしでバイアス電流がバイアス導体内を流れることができ、動作周波数において低い反射減衰量でマイクロ波信号を反射することができる。本発明の実施形態の別の態様により、ＭＭＩＣ増幅器の回路が振動するのを防ぐために、直流と動作周波数の間の周波数で損失が与えられる。
【０００９】
一実施形態では、バイパス回路はコイルと直列に接続されたコンデンサを備え、そのコイルはアースに接続され、コンデンサとコイルの結合の共振周波数がマイクロ波回路の動作周波数である。別の実施形態では、抵抗器、第２のコンデンサおよび第２のコイルを備える並列回路をさらに備え、第２のコンデンサと第２のコイルの結合の共振周波数が動作周波数以下である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるバイパス回路の概略図である。
【図２】バイパス回路の一実施形態の、周波数の関数としての、インピーダンスの実部のグラフである。
【図３Ａ】本発明の一実施形態による図１の回路を実施するためにＭＭＩＣ基板上に製作された構成要素の部分平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの切断線３Ｂ−３Ｂに沿った拡大部分断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの線２Ｃに沿った拡大断面図である。
【図４】図３Ａの実施形態の部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付の図面に関して以下で述べる詳細な説明は、本発明により設けられたバイパス回路の現在の好ましい実施形態を説明することを意図しており、本発明を構成または利用することができる唯一の形態を表すことを意図するものではない。図示した実施形態に関して、本発明の特徴を説明する。しかしながら、同一または同等の機能および構造を、やはり本発明の精神および範囲内に包含されることを意図している別の実施形態によって実現できることが理解されよう。本明細書の他の箇所で示すように、同様の要素の番号は、同様の要素または特徴を指すことを意図している。
【００１２】
本明細書では、簡単のため、「マイクロ波」という用語を、無線周波数およびミリメートル波の周波数を含むものと、すなわち、ほぼ１メガヘルツ（ＭＨｚ）から１０００ギガヘルツ（ＧＨｚ）にわたる周波数の範囲を含むものとして用いる。
【００１３】
図１を参照すると、図示した実施形態では、バイパス回路は２つの接続点、すなわち、外部の回路機構へ接続できるようにするボンド・パッドにバイパス回路を接続するためのボンド・パッド接続１２と、バイパス回路をＭＭＩＣ内の内部の回路機構に接続するための内部接続１０とを提供している。
【００１４】
バイパス回路は、共振バイパス・コンデンサ１６とデキューイング（ｄｅ−ｑｕｅｕｅｉｎｇ）回路１８をさらに備える。共振バイパス・コンデンサ１６は、コンデンサＣ１とコイルＬ１の直列結合であり、アース接続１４に接続されており、Ｃ１とＬ１の値は動作周波数で回路が共振するように選択される。
【００１５】
共振周波数では、共振バイパス・コンデンサ１６のインピーダンスは低い。ｆ０＝（１／ＬＣ）１／２／（２π）で与えられる共振周波数ｆ０では、キャパシタンスＣの理想的なコンデンサとインダクタンスＬの理想的なコイルの直列結合のインピーダンスは零である。同様に、現実のコイルと直列に接続された現実のコンデンサの共振インピーダンスは低いが、現実の構成要素がそれに対応する理想的な構成要素とは異なる限り、零とは異なる。一実施形態では、１０ＧＨｚの動作周波数で、Ｃ１とＬ１についてそれぞれほぼ４ピコファラド（ｐＦ）と０．０６３ナノヘンリー（ｎＨ）の値を用いることによって、Ｃ１とＬ１により形成された共振バイパス・コンデンサ１６のインピーダンスを低くすることができる。特に、インピーダンスは、コンデンサＣ１と同じ面積を占めるコンデンサとコイルＬ１のものより低くすることができる。
【００１６】
図１の実施形態では、デキューイング回路１８は、アース接続１４に接続された、抵抗器Ｒ、コンデンサＣ２およびコイルＬ２の直列結合である。デキューイング回路１８は、共振バイパス・コンデンサ１６と並列に接続される。動作周波数では、共振バイパス・コンデンサ１６のインピーダンスは低く、デキューイング回路１８はほとんど効果がないが、他の周波数では、デキューイング回路１８は周波数に依存するインピーダンスをもたらし、増幅器を含むＭＭＩＣ内で振動を抑制するのに用いることができる。
【００１７】
例示的な実施形態では、Ｃ２とＬ２の値を、それらの共振周波数が動作周波数より著しく低くなるように選択してもよい。この共振周波数では、コイルＬ２とコンデンサＣ２のインピーダンスは実質的に打ち消し合い、デキューイング回路１８のインピーダンスとして抵抗器Ｒの抵抗が残る。
【００１８】
デキューイング回路１８の共振周波数と共振バイパス・コンデンサ１６の共振周波数の間の周波数区間では、共振バイパス・コンデンサ１６は主に容量性のインピーダンスをもち、デキューイング回路１８は抵抗性および誘導性のインピーダンスをもつことになる。ある中間の周波数では、一方は容量性で他方が誘導性および抵抗性であるこれらの２つのインピーダンスにより、比較的高いインピーダンスをもつ並列共振回路が形成される。この共振モードと、コンデンサＣ２およびコイルＬ２を伴う直列の共振により、デキューイング回路１８とバイパス回路のインピーダンスが周波数の関数として急速に変化し、かつ動作周波数および直流では損失が低くなる一方、中間周波数では損失を大きくすることが可能になる。この実施形態のデキューイング回路１８は、直流では損失を導入せずに直列のコンデンサＣ２のため開放回路の働きをする。デキューイング回路１８は、動作周波数でアースにほとんど短絡する共振バイパス・コンデンサ１６と並列に接続されているため、動作周波数でも損失を導入しない。抵抗器Ｒ、コンデンサＣ２およびコイルＬ２についての構成要素の値の選択は、以下でより詳細に記載する反復同調プロセスを用いて実行することができる。
【００１９】
バイパス回路の一実施形態でのインピーダンスの実部の例示的なグラフを示す図２を参照すると、インピーダンスの実部は、１０ＧＨｚの動作周波数で低くなり、より低い周波数では大幅に高くすることができる。
【００２０】
図１に図示した実施形態のデキューイング回路１８は、直列の抵抗器−コイル−コンデンサ（ＲＬＣ）結合からなるが、本発明はこの実施形態に限定されない。「デキューイング回路」の用語は、本明細書で用いるときは、バイアス接続とアースの間に接続された、直流でインピーダンスが高くなる構成要素の任意の結合を意味する。デキューイング回路は、例えば、第１の結合と並列に接続された別のＲＬＣ結合を含んでもよく、または、図１の実施形態で示した回路要素に加えて、またはその代わりに、開放伝送線のスタブなどの他の回路要素を備えてもよい。このように、バイアス回路のアースに対するインピーダンスは、十分なＭＭＩＣのチップ面積を利用して必要な構成要素を形成できるならば、いかなる広範な周波数の関数にも調整することができる。
【００２１】
図３および図４を参照すると、例示的な実施形態では、実質的に矩形の金属−絶縁体−金属のコンデンサ、すなわちＭＩＭキャパシタとして、コンデンサＣ１およびＣ２をＭＭＩＣ上に製作することができる。図３Ｃを参照すると、第１の金属層２２をＭＭＩＣ基板２０上に堆積させてＭＩＭキャパシタ３２の底板２６を形成し、次いで、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの誘電性の材料を第１の金属層２２の最上面に堆積させて、窒化物層２４として知られているものを形成し、最後に、１つまたは複数の別の金属層を窒化物層２４の上に堆積させてＭＩＭキャパシタ３２の天板２８を形成することにより、ＭＩＭキャパシタ３２を形成することができる。窒化物層２４は、単位面積当たりのキャパシタンスを増加させるために、薄く、例えば０．２ミクロンの厚さにすることが好ましいが、ＭＩＭキャパシタ３２がさらされるであろう最高の電圧にも確実に耐える十分な厚さである。ＭＩＭキャパシタ３２の底板２６を形成する第１の金属層２２は、厚さ０．７７ミクロンとすることができる。窒化物層２４と底板２６は、図３Ａ、図３Ｂおよび図４では薄すぎてはっきりと識別できないが、図３Ｃの拡大断面図では認識できる。
【００２２】
図３Ｂを参照すると、天板２８は、２つの金属堆積ステップで、２ミクロンの金属を最初に堆積させ、その後に別の４ミクロンの金属を堆積させた、６ミクロンの全体の厚さを有してもよい。導体がバイアス電流を伝える必要性により、所要の厚さの金属が要求される。本実施形態では、例えば、バイアス電流経路はコンデンサＣ１の天板２８を横断し、したがって、天板２８はある最小限の厚さが必要になる。
【００２３】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、基板２０を貫くアース・バイア４０を用いて、ＭＩＭキャパシタ３２の底板２６への接続を形成することができる。アース・バイア４０は、最初にウェット・エッチング・プロセスを用いて基板２０を貫く先細のホールを形成し、次いで基板２０の裏側全体を裏側金属層４６（厚さを６ミクロンとすることができる）でめっきすることにより形成することができる。裏側金属層４６は裏側アース面４４を形成し、アース・バイア４０の斜めの壁４８も覆い、裏側アース面４４からアース・バイア４０の上面までの導電経路を形成する。そして、アース・バイア４０の上に、またはその隣に形成されたＭＩＭキャパシタ３２の底板２６は、アース・バイア４０の上端と接触する結果、接地することができる。
【００２４】
図３Ａ〜図３Ｃおよび図４で説明した例示的な実施形態に示した構造は、ＭＩＭキャパシタと導電性のバイアを形成することが可能な工程があるいかなるＭＭＩＣの製造工場でも製作することができる。そうした製造工場では、製造の信頼性を保証するために、ある設計ルールに従って設計が製作される必要があり得る。そうしたプロセスでは、例えば、シリコンや、窒化ガリウム、シリコン・ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウムなどの、ＭＭＩＣ製造に適したいかなる半導体材料を用いることもできる。上述の実施形態では、誘電体層は窒化ケイ素でできているが、他の実施形態では、いかなる他の適当な誘電体でできたものでもよい。
【００２５】
図３Ｃを参照すると、ＭＩＭキャパシタ３２では、窒化物層２４は底板２６に対して差し込まれていてもよく、すなわち、誘電体層の面積は底板２６の面積よりいくらか小さくてもよい。この場合、底板２６に対して短絡することを避けるために、天板２８は窒化物層２４より面積がいくらか小さくなければならない。図３Ｂを参照すると、エア・ブリッジ３４を用いて、底板２６に短絡することなくＭＩＭキャパシタ３２の天板２８への接続を形成してもよい。一実施形態では、次のようにエア・ブリッジ３４を形成することができる。天板２８を形成するのに用いられる２つの金属堆積ステップのうちの最初に形成される２ミクロンの金属層は、窒化物層２４の上に堆積させてもよい。次いで、この２ミクロンの金属層のすぐ隣にフォトレジストの細片を堆積させてもよく、次いで、２ミクロンの金属層とフォトレジストの細片を覆って４ミクロンの金属層を堆積させてもよい。最後に、一時的なフォトレジストの細片を、４ミクロンの金属層の下から溶かすことによって取り除くことができる。その結果、図３Ｂに断面で示したように、天板２８と隣接する導体との間に導電性のエア・ブリッジ３４ができる。製造工場の設計ルールにより、多数のより細いエア・ブリッジ区画３６から広幅のエア・ブリッジ３４を形成することが要求されることもある。
【００２６】
図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、ＭＩＭキャパシタ３２の底板２６が接地されると、これを実現するために用いられるアース・バイア４０は、慣例上、コンデンサの中心近くに設置される。これにより、コンデンサの底板２６からアースへの短絡経路が与えられる。図３Ａは、コンデンサＣ２のほぼ中心下に位置するそうしたアース・バイア４０を示す。例示的な実施形態では、コンデンサＣ１用のアース・バイア４０が中心に置かれている場合より底板２６からアースへ流れる電流の経路が長くなるように、コンデンサＣ１の中心からある程度の距離のところにコンデンサＣ１用のアース・バイア４０を設置することにより、インダクタンスＬ１を形成してもよい。この片寄りの効果は、コンデンサＣ１の底板２６が直接アースにではなく接地された伝送線スタブに接続されるということである。この接地されたスタブは、動作周波数でアースへの誘導性の分路として作用することができる。コンデンサＣ１の底板２６からアース・バイア４０への導電経路の長さと幅の両方は、コイルＬ１のインダクタンスに影響を及ぼす。一実施形態では、コンデンサＣ１の底板２６はアース・バイア４０の上に一定の幅で延び、コンデンサＣ１の中心とそのアース・バイア４０の間との片寄りは、実質的に１００ミクロンである。
【００２７】
図４を参照すると、製造工場の設計ルールにより、窒化物層２４とコンデンサＣ１の天板２８は、これらの層とアース・バイア４０の上端の間に最小限の隙間ができるように、矩形のカットアウト４２をもつことが要求されることもある。一実施形態では、コンデンサＣ１の天板２８は、外側の寸法が２１０ミクロン×７２ミクロンであり、より長い寸法のコンデンサＣ１と平行な、長さが３６ミクロンで幅が３０ミクロンの矩形のカットアウト４２を有してもよい。
【００２８】
コイルＬ２も、マイクロストリップの伝送線の部分として形成することができる。そして、コイルＬ２のインダクタンスは、この伝送線の長さと幅により決定され、一実施形態では、それらはそれぞれ５７５ミクロンおよび５ミクロンとすることができる。抵抗器Ｒは、７．５オームの薄膜抵抗器として製作することができる。
【００２９】
バイパス回路内での構成要素の場所と寸法に対する調整は、内部接続１０で周波数の関数として所望のインピーダンスを与えるように、同調プロセスを用いて行うことができる。これらの調整は、カリフォルニア州サンタクララのアジレント・テクノロジーにより販売されているＡｇｉｌｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍなどの電磁場シミュレーション・ソフトウェアを用いて行うことができる。そうしたソフトウェアを用いて、設計者は、内部接続１０からの反射の振幅と位相を周波数の関数として、例えばプロットすることができ、それから、条件にかなった特徴が得られるまで回路内の構成要素に繰り返し調整を加えることができる。このプロセスの間に、設計者は、動作周波数での低い反射減衰量と、直流でのアースに対する高いインピーダンスと、他の周波数での高い反射減衰量とを実現するように努めることができる。また、設計者は、反射波の位相を周波数の関数として調整するように努めることができる。本発明を採用するシステム設計が、ある周波数の組について性能がよくなるように調整されており、他の周波数の組でもそのシステムを用いることが望まれるときは、新たな周波数について同調プロセスを繰り返す必要があるだろう。
【００３０】
本明細書ではＭＭＩＣバイパス回路の限られた実施形態を詳細に記載し図示してきたが、多くの修正や変形は当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の原理により構成されたバイパス回路は本明細書で詳細に記載した以外のものを採用してもよいことが理解されよう。また、本発明は添付の請求項により定められる。
【符号の説明】
【００３１】
１０ 内部接続
１２ ボンド・パッド接続
１４ アース接続
１６ 共振バイパス・コンデンサ
１８ デキューイング回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作周波数で実質的に零の、アースに対するインピーダンスをバイアス接続にて与えるための、マイクロ波回路におけるバイパス回路であって、
アースに接続されたコイルと直列に接続されたコンデンサを備え、
前記コイルと前記コンデンサの結合が前記動作周波数で共振するバイパス回路。
【請求項２】
予め定められた長さと幅の、アースへの導電経路を与えることにより、前記コイルが形成される、請求項１に記載のバイパス回路。
【請求項３】
前記コンデンサが、モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）プロセスにて製作された金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタである、請求項１に記載のバイパス回路。
【請求項４】
前記ＭＩＭキャパシタへの接続がエア・ブリッジを用いて作られる、請求項３に記載のバイパス回路。
【請求項５】
動作周波数で実質的に零の、アースに対するインピーダンスをバイアス接続にて与えるための、マイクロ波回路におけるバイパス回路であって、
第１のコンデンサと、
第１のコイルとを備え、
前記コイルが前記コンデンサとアースの間に接続され、
前記コンデンサが前記バイアス接続と前記コイルとデキューイング回路の間に接続される、バイパス回路。
【請求項６】
前記デキューイング回路が、
抵抗器と、
第２のコンデンサと、
第２のコイルとを備え、
前記抵抗器、前記第２のコンデンサおよび前記第２のコイルが前記バイアス接続とアースの間に直列に接続される、請求項５に記載のバイパス回路。
【請求項７】
前記第２のコンデンサと前記第２のコイルの結合が前記動作周波数より低い周波数で共振する、請求項６に記載のバイパス回路。
【請求項８】
予め定められた長さと幅の、アースへの導電経路を与えることにより、前記第１のコイルが形成される、請求項５に記載のバイパス回路。
【請求項９】
前記第１および第２のコンデンサが、モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）プロセスにて製作された金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタである、請求項６に記載のバイパス回路。
【請求項１０】
予め定められた長さと幅の導電経路として前記第２のコイルが形成される、請求項６に記載のバイパス回路。
【請求項１１】
モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）上のバイアス接続にてバイパス回路を形成する方法であって、
前記バイアス接続に接続された第１のコンデンサを設けるステップと、
前記第１のコンデンサとアースの間に接続された第１のコイルを設けるステップと、
前記バイアス接続とアースの間に接続されたデキューイング回路を設けるステップと
を含む方法。
【請求項１２】
デキューイング回路を設ける前記ステップが、
前記バイアス接続に接続された抵抗器を設けるステップと、
前記抵抗器に接続された第２のコイルを設けるステップと、
前記第２のコイルとアースの間に接続された第２のコンデンサを設けるステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記バイアス接続に接続された前記第１のコンデンサを設ける前記ステップが、
前記ＭＭＩＣの基板上に第１の金属層を形成するステップと、
前記第１の金属層の上に誘電体層を形成するステップと、
前記誘電体の上に第２の金属層を形成するステップと、
前記バイアス接続と前記第２の金属層の間にエア・ブリッジを形成するステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１】
動作周波数で実質的に零の、アースに対するインピーダンスをバイアス接続にて与えるための、マイクロ波回路におけるバイパス回路であって、
アースに接続されたコイルと直列に接続されたコンデンサを備え、
前記コイルと前記コンデンサの結合が前記動作周波数で共振するバイパス回路。
【請求項２】
予め定められた長さと幅の、アースへの導電経路を与えることにより、前記コイルが形成される、請求項１に記載のバイパス回路。
【請求項３】
前記コンデンサが、モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）プロセスにて製作された金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタである、請求項１に記載のバイパス回路。
【請求項４】
前記ＭＩＭキャパシタへの接続がエア・ブリッジを用いて作られる、請求項３に記載のバイパス回路。
【請求項５】
動作周波数で実質的に零の、アースに対するインピーダンスをバイアス接続にて与えるための、マイクロ波回路におけるバイパス回路であって、
第１のコンデンサと、
第１のコイルとを備え、
前記コイルが前記コンデンサとアースの間に接続され、
前記コンデンサが前記バイアス接続と前記コイルとデキューイング回路の間に接続される、バイパス回路。
【請求項６】
前記デキューイング回路が、
抵抗器と、
第２のコンデンサと、
第２のコイルとを備え、
前記抵抗器、前記第２のコンデンサおよび前記第２のコイルが前記バイアス接続とアースの間に直列に接続される、請求項５に記載のバイパス回路。
【請求項７】
前記第２のコンデンサと前記第２のコイルの結合が前記動作周波数より低い周波数で共振する、請求項６に記載のバイパス回路。
【請求項８】
予め定められた長さと幅の、アースへの導電経路を与えることにより、前記第１のコイルが形成される、請求項５に記載のバイパス回路。
【請求項９】
前記第１および第２のコンデンサが、モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）プロセスにて製作された金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタである、請求項６に記載のバイパス回路。
【請求項１０】
予め定められた長さと幅の導電経路として前記第２のコイルが形成される、請求項６に記載のバイパス回路。
【請求項１１】
モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）上のバイアス接続にてバイパス回路を形成する方法であって、
前記バイアス接続に接続された第１のコンデンサを設けるステップと、
前記第１のコンデンサとアースの間に接続された第１のコイルを設けるステップと、
前記バイアス接続とアースの間に接続されたデキューイング回路を設けるステップと
を含む方法。
【請求項１２】
デキューイング回路を設ける前記ステップが、
前記バイアス接続に接続された抵抗器を設けるステップと、
前記抵抗器に接続された第２のコイルを設けるステップと、
前記第２のコイルとアースの間に接続された第２のコンデンサを設けるステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記バイアス接続に接続された前記第１のコンデンサを設ける前記ステップが、
前記ＭＭＩＣの基板上に第１の金属層を形成するステップと、
前記第１の金属層の上に誘電体層を形成するステップと、
前記誘電体の上に第２の金属層を形成するステップと、
前記バイアス接続と前記第２の金属層の間にエア・ブリッジを形成するステップと
を含む、請求項１１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−２７０３６（Ｐ２０１３−２７０３６Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１１３７６０（Ｐ２０１２−１１３７６０）
【出願日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【出願人】（５０３４５５３６３）レイセオン カンパニー (244)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【出願人】（５０３４５５３６３）レイセオン カンパニー (244)
【Ｆターム（参考）】
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