Brevet FR2687851A1 — publié le 19930827

Dispositif à antenne intégrée avec connexion résistive. L'invention est relative à un dispositif à antenne in- tégrée par exemple un récepteur à antenne intégrée -, dis- positif comportant un corps en matériau semi-conducteur, 'une antenne métallique plane ou "planar" supportée par ce corps, et au moins un élément de circuit incorporé audit corps, élément intégré avec l'antenne métallique Une connexion résistive est établie entre les éléments de circuit et des contacts correspondants éloignés de l'antenne métallique de façon à faciliter le couplage desdits éléments avec des com- posants opératifs par exemple avec des composants d'ali- mentation de type source de puissance ou de polarisation, extérieurs au dispositif, ou avec un circuit de commande d'entrée ou de traitement de sortie -, composants extérieurs au dispositif ou incorporés au corps semi-conducteur en des zones éloignées de l'antenne métallique. Des récepteurs 'et émetteurs à antenne intégrée, pour la bande millimétrique, ont été décrits dans "Electronics Letters" Vol 1 7, n 20, pages 729- 730 (octobre 1981) Cet article concerne des récepteurs et émetteurs qui comportent chacun une antenne dipôle métallique de type planar sur un corps en matériau hautement diélectrique, par exemple en silicium semi-conducteur, et un élément de circuit actif par exemple un transistor à effet de champ ou une diode mélangeuse de type barrière Schottky disposé entre les branches du di- -25 pôle et connecté à ces branches'. Pour éviter les perturbations de résonance d'antenne et d'impédance, la charge résistive doit être minimum Il est nécessaire que les connexions résistives établies présentent une forte résistivité en feuille à haute fréquence, c'est- a-dire aux fréquences de résonance du dipôle ou aux fréquen- ces voisines Par exemple pour un dipâle sur un corps en silicium résonant à la demie longueur d'onde, une résistivi- té en feuille supérieure à 500 ohms au carré est désirable. Réaliser des connexions résistives présentant une forte ré- sisti-\iité-en feuille, de façon reproductible, pose un pro- blême C'est donc un problème de réaliser les dispositifs du genre ci-dessus avec un bon rendement. ' Pour éviter un couplage réactif entre l'antenne-et les composants opératifs, il est en outre nécessaire que les con- tacts soient disposés à une certaine distance de l'antenne métallique, c'est-à-dire en des zones o l'amplitude du champ électromagnétique de bordure est minimum, par exemple à une distance de l'antenne de l'ordre de trois fois la largeur du dipôle d'antenne ou davantage. Par ailleurs les composants opératifs ont en général une basse impédance et pour que le fonctionnement soit optimum, cela requiert que la résistance de chaque connexion soit-aussi faible que possible, au moins à basse fréquence, par exemple aux fréquences allant'de la fréquence continue à 100 M Hz, selon les cas Mais par exemple une connexion en feuille pré- sentant une résistivité de 500 ohms au carré a une résistance minimum de 1 kilohm environ pour une distance du contact à l'antenne égale à trois largeurs Une résistance plus faible serait désirable. Le dispositif à antenne intégrée selon l'invention com- porte un circuit d'antenne comprenant une antenne métallique de type planar sur un corps semi-conducteur, avec au moins un élément de circuit actif incorporé audit corps et intégré. avec l'antenne; un contact disposé sur le corps semi-conducteur, en une zone éloignée de l'antenne; et une connexion résistive en feuille stétendant entre le circuit d'antenne et le contact. Il est essentiellement caractérisé en ce que la conne- xion en feuille est subdivisée en pistes ou bandes résistii- ves présentant des largeurs et écartements latéraux petits par rapport à la largeur-d'antenne. La feuille peut être ainsi subdivisée par des vides ou perforations, ou par des régions de résistivité très élevée telles que celles produites par bombardement ionique de la feuille ou par attaque de celle-ci à l'aide d'un rayonnement. Comme la structure de la connexion est à petite échelle les pistes présentant de faibles largeurs et écartements -, la connexion subdivisée est, à haute fréquence, l'équivalent d'une feuille de résistivité uniforme La connexion peut ainsi être constituée à partir d'une feuille résistive-de relativement faible résistivité, avec les avantages de robus- tesse et de reproductibilité inhérents aux matériaux corres- pondants, alors que la connexion présente par elle-même une résistivité en feuille effective beaucoup plus élevée. De plus, comme le champ de bordure ne présente une am- plitude élevée que dans une région proche de l'antenne, la résistivité de feuille effective de chaque connexion peut être modifiée de façon continue-ou discontinue de façon à réduire la résistance-globale de la connexion à basse fré- quence Cette modification-continue ou non peut être obtenue en faisant varier en largeur, écartement et/ou nombre les -pistes résistives entre le circuit d'antenne et le contact correspondant: par exemple on peut à cet effet faire varier, dans les divers tronçons de la connexion, la densité et la distribution des vides, ou le nombre et la largeur des pistes. La connexion entre le contact-et le circuit d'antenne peut être établie comme une-connexion directe entre le con- tact et un élément de circuit Selon une variante, la con- nexion entre le contact et l'élément de circuit peut être indirecte, c'est-à-dire effectuée par l'intermédiaire de l'antenne métallique, la connexion au circuit étant établie comme une connexion entre le contact et le métal d'antenne- lui-même. Des modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits à titre purement illustratif et non limitatif en se référant aux dessins ci-annexés dans lesquels: la figure 1 est' une vue en plan d'un récepteur à anten- ne intégrée avec des connexions résistives entre l'antenne métallique et des contacts -de polarisation; les figures 2 et 3 montrent plus en détail, respective- ment en plan et en section selon X-X, figure 1, l'une des connexions résistivs du récepteur montré sur la figure 1, et les figures 4 à 7 montrent également en coupe des variantes de ladite connexion À Le récepteur à antenne intégrée montré sur la figure 1 comprend une antenne métallique plane ou "planar" 1 montée sur un corps ou substrat de support 3 en matériau semi- conducteur tel que le silicium L'isolation entre le métal de l'antenne et le matériau semi-conducteur est réalisée à l'aide d'une couche d'écartement mince 5 d'un matériau diélectrique tel que du bioxyde de silicium obtenu par croissance thermique Ceci évite la formation de composés intermétalliques entre l'antenne et le semi-conducteur. L'antenne métallique planar 1 comprend deux dipôles orthogonaux 7 et 9, chacun de 'ces dipôles étant défini par une paire de bras constitués par des bandes métalliques, savoir respectivement les bras 11, 13 et les bras 15, 17. L'un des quatre bras, savoir le bras 17, est divisé selon sa longueur en deux portions 17 A et 17 B Ces portions 17 A et 17 B sont isolées à basse fréquence, mais à haute fréquen- ce elles sont couplées intimement et se comportent comme un bras unique Une voie de contact de polarisation correspond à chaque bras, les contacts 21, 23 et 25 correspondant aux bras 11, 13 et 15 et les contacts 27 A et 27 B correspondant aux portions 17 A et 17 B du bras divisé 17 Chaque contact est écarté du bord extrême de chaque bras d'une distance égale à trois fois la largeur d'antenne désignée par le symbole W sur les dessins Des connexions résistives 31, 33, , 37 A-et 37 B sont prévues, savoir l'une entre chacun-des contacts 21, 23, 25, 27 A et 27 B et l'antenne métallique 1. Au centre de l'antenne métallique 1 sont disposés t-té- à-tête et queue-àaqueue selon une configuration en anneau quatre éléments de circuit actifs constitués par des diodes mélangeuses barrières de Schottky 41, 43,'45 et 47 Chaque diode 41, 43, 45 et 47 est connectée entre deux bras ortho- gonaux, savoir respectivement entre les bras 11 et 17, 17 et 13, 13 et 15 et 15 et 11 Chaque diode est incorporée au corps semi-conducteur et dans chaque cas la diode est connec- tee au métal de l'antenne à travers des fenêtres évidées dans la couche isolante 5 de sorte que chaque élément est intégré à l'antenne Pour une fréquence particulière, l'un des dipôles par exemple le dipôle 7 présente exactement une longueur d'une demi-longueur d'onde Xeff/2, o -eff dé- signe la longueur d'onde d'interface effective L'impédance de diode est choisie de façon à être accordée à l'impédance de résonance de l'antenne 1. Le récepteur sert à mélanger les signaux de rayonnement. ou radiation de la bande millimétrique de polarisation ortho- gonale par exemple un signal de radiation d'entrée polari- sé parallèlement à l'un des dipôles, tel que le dipôle 7, et un signal de référence d'oscillateur local polarisé parallè- lement à l'autre dipôle, tel que le dipôle 9 - Un signal mélangeur de basse fréquence (par exemple de 100 M Hz) savoir la différence de fréquence entre les deux signaux est dé- veloppé entre les deux portions de bras 17 A et 17 B lorsque des courants de polarisation appropriés sont appliqués aux diodes Lès contacts 27 A et 27 B servent de contacts de sortie. Tous les contacts 21, 23, 25, 27 A et 27 B doivent être connec- tés à des composants opératifs externes, savoir des compo- sants d'alimentation de polarisation, pour obtenir les cou- rants de polarisation requis. La structure de l'une des connexions 31 est montrée en détail sur les figures 2 et 3 Cette connexion 31, qui est constituée en-un matériau résistif par exemple'un poly- silicium s'étend entre le bord extrême de l'un des bras d'antenne 11 et le contact de polarisation correspondant 21. La connexion résistive 31 présente trois tronçons 51, 53 et s'étendant chacun approximativement sur une longueur éga- le à la largeur d'antenne W Le premier tronçon 51, le plus proche de l'antenne, présente une résistivité effective élé- vée, par exemple de 500 ohms au carré ou davantage Il com- prend une grille de pistes résistives 57 La largeur et l'écartement de ces pistes sont petits par-rapport à la largeur totale de la connexion, largeur qui est comparable à celle W de l'antenne Dans le troisième tronçon, le maté- riau résistif en feuille est uniforme et'non divisé La ré- sistivité de ce tronçon est alors la résistivité en feuille du matériau de connexion, par exemple une résistivité nomi- nale de 100 ohms au carré Entre ces deux tronçons, dans i 5 I-le tronçon médian 53, le matériau en feuille est également divisé, mais les nombre, largeur et écartement des pistes résistives 57 sont différents de ceux du premier tronçon 51. La résistivité effective présente une valeur intermédiaire telle que 300 ohms au carré La résistance totale entre le bras d'antenne 11 et le contact 21 est d'environ 900 ohms pour une résistivité en feuille du polysilicium-de l'ordre de 100 ohms au carré La résistivité effective varie de fa- çon discontinue le-long de la connexion, mais dans le tron- çon le plus proche de l'antenne,ou une haute résistivité est requise a priori, la résistivité effective est de 500 ohms au carré. Les connexions résistives 31 à 37 B peuvent être formées simultanément pendant la fabrication du dispositif Une cou- che de polysilicium est déposée sur la surface en oxyde-de silicium du corps semi-conducteur Cette couche peut être mise en forme de lignes ou"dessinée"à ce stade de la fabri- cation en utilisant un masque préformé Selon une variante le "dessin"''de la connexion peut être tracé par photolithographie classique et les vides compris entre les pistes résistives peuvent être formés par gravure A la suite de cela le métal de l'antenne et le contacts sont formés par évaporation d'une couche métallique, par photolithographie et par une gravure finale - Dans l'exemple montré, l'antenne est résonante à une fréquence de 90 G Hz et la longueur et la largeur d'antenne à l'interface silicium/air sont respectivement d'environ 600 microns et 50 à 100 microns L'écartement entre les pis- tes est inférieur à 20 microns. En général, la résistivité en feuille du matériau résis- tif est inférieure à 500 ohms au carré, mais il ne doit pas être bas au point d'agir comme une couche métallique aux fréquences élevées Une limite inférieure raisonnable pour cette résistivité est l'impédance caractéristique du semi- conducteur, c'est-à-dire environ 100 ohms au carré, valeur choisie pour l'exemple ci-dessus. Sur la figure 1, le couplage haute fréquence entre les tronçons fendus 17 A et 17 B du bras 17 peut être amélioré en utilisant un recouvrement métallique isolé 19 Ce recouvre- ment 19 est isolé par rapport aux portions de bras métalli- ques 17 A et 17 B et par rapport aux connexions correspondantes 37 A et 37 B par une couche 20 de matériau isolant (voir figure 4). Comme variante de ce revêtement, chaque connexion ré- sistive par exemple la connexion 31 peut être incorporée au corps 3 de matériau semi-conducteur (voir figure 5) Ceci peut être effectué pendant la fabrication du dispositif en implantant et en annihilant des donneurs ou accepteurs ap- propriés en utilisant un masque dessiné de façon appropriée pour tracer la configuration de la connexion. Dans les variantes représentées sur les figures 6 et 7, une connexion directe est établie jusqu'à un élément de cir- cuit actif 61 disposé sous le métal de l'antenne 1 Cet élé- ment peut être par exemple un transistor amplificateur dis- posé au-dessous du bras fendu 17 de la figure 1, utilisé pour une préamplification de signal de sortie La connexion résistive 63 peut être effectuée par un matériau de recou- vrement (voir figure 5) ou par un matériau incorporé (voir figure 7). Dans les structures en rangées qui comprennent plusieurs antennes rapprochées côte à côte, il peut être avantageux de former les- connexions avec les bords latéraux de chaque antenne plutôt qu'avec leurs bords d'extrémité Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation, qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrassé, au contraire, -toutes les variantes REVENDICATIONS 1 Dispositif à-antenne intégrée comprenant une antei- ne métallique planar ( 11) supportée sur la surface d'un corps *semi-conducteur ( 3) et présentant une connexion ( 31) s'éten- dant entre l'antenne et un contact périphérique-( 21), carac- térisé en'ce que la connexion ( 31) est constituée par un ma- tériau résistif en feuille et est subdivisée en pistes résis- tives ( 57) dont les largeurs et écartements respectifs sont petits par rapport à la largeur de l'antenne (l I). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pistes résistives ( 57) sont séparées par des vides formés dans-la feuille. 3 Dispositif selon la revendication l, caractérisé en ce que les pistes résistives ( 57) sont séparées par des por- tions en un matériau de résistivité plus élevée. 4 Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la résistivité en feuil- le effective de la connexion ( 31) à basse fréquence évolue de façon continue ou discontinue de façon à réduire la ré- sistance globale de la connexion ( 31). Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la largeur, l'écartement ou le nombre des pistes ( 57) varient -avec la distance à l'antenne. 6 Dispositif selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce que la connexion ( 31) est formée dans le matériau du corps semi-conducteur ( 3) par des pistes implantées ( 57) de matériau dopant '