(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面入射型フォトダイオード及びフォトダイオード上伝送路が形成されたフォトダイオードチップと、平面アンテナ及びアンテナチップ上伝送路が同一配線工程で形成された平面アンテナチップとを具備し、前記フォトダイオード上伝送路と前記アンテナチップ上伝送路が向かい合って接続するように、前記フォトダイオードチップをフリップチップボンディングにより前記平面アンテナチップに接続した電磁波発生装置において、前記フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向する前記平面アンテナチップの基板の表面との間に、前記平面アンテナチップの基板が前記フォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響を軽減する間隙を確保するために、前記アンテナチップ上伝送路を厚さ１０μｍ以上の金属膜により形成したことを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２】
請求項１において、前記平面アンテナチップの裏面に、前記平面アンテナチップの基板と同一材料もしくは同程度の誘電率を有する材料で形成された電磁波用レンズを接続することにより、光信号は平面アンテナチップ上面から入射し、出力ミリ波信号は平面アンテナ裏面方向に放射されることを特徴とする電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は安価な高出力高周波の電磁波発生装置を形成するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、無線通信の急速な発展に伴い、通信に使用する無線周波数の領域もマイクロ波からミリ波へと移ってきている。このとき、ミリ波帯電気信号の発生及び伝送の困難さから、ミリ波帯信号の強度や位相等の情報を光強度変調器などを用いてレーザ光の強度や位相等に変換し、得られた光信号を光ファイバ等により無線通信用モジュールへ伝送するシステムが有望視されている。
【０００３】
このような無線通信用モジュールのコンパクト化及び低価格化を実現する方法として、レーザ光を電気信号に変換する受光器とこの電気信号を電磁波として放射するアンテナから構成される光給電アンテナ（以下、フォトニックアンテナと呼ぶ）が検討されている。（例えば、Ｄ．  Ｗａｋｅ  ｅｔ  ａｌ．  ”Ｐａｓｓｉｖｅ  ｐｉｃｏｃｅｌｌ：  ａ  ｎｅｗ  ｃｏｎｃｅｐｔ  ｉｎ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｎｅｔｗｏｒｋ  ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．，  Ｖｏｌ．  ３３，Ｎｏ．  ５，  １９９７．）
【０００４】
しかし、ミリ波帯のフォトニックアンテナでは、受光器から発生した高周波信号をアンテナへ伝送する場合の伝送損失が問題となっている。
【０００５】
この伝送損失の問題を解決するため、従来、高速応答のフォトダイオードと平面アンテナとを同一基板に形成したモノリシック型のフォトニックアンテナの検討が進められている。
【０００６】
図１１に、第１従来例として、モノリシック型のフォトニックアンテナの構造を模式的に示す。図１１では、同一のエピタキシャル基板３４により、高速応答のフォトダイオード３６、アンテナパタン１６及びアンテナチップ上伝送路１８が同一面に形成されている。アンテナパタン１６とアンテナチップ上伝送路１８は金属薄膜で形成されている。図示のアンテナパタン１６のアンテナ形式はスロットアンテナであり、アンテナチップ上伝送路１８はコプレナー形式である。
【０００７】
モノリシック型のフォトニックアンテナは、フォトダイオードと平面アンテナが別チップで形成されているハイブリッド型のフォトニックアンテナと比較して、下記理由（１）（２）により、フォトダイオード３６で発生した高周波信号を効率良くアンテナパタン１６に伝えることができる。
（１）  ハイブリッド型のフォトニックアンテナにおけるような、チップ接続部による伝送損失がない。言い換えれば、従来のハイブリッド型のフォトニックアンテナでは、フォトダイオードチップと平面アンテナチップとがワイヤボンディングにより接続されているため、チップ接続部のワイヤボンディングによる伝送損失が大きい。
（２）  フォトダイオード３６とアンテナパタン１６との距離を短くできる。
【０００８】
しかし、モノリシック型のフォトニックアンテナには、以下に述べるような欠点がある。
【０００９】
一般に、フォトダイオードは、その構造、特にエピタキシャル層の構成を変化させることにより、光の入射方向を基板の裏面、表面あるいは断面（端面）と変えることが可能である。図１２に、第２従来例として、裏面入射型フォトダイオード３６ａを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナを模式的に示す。図１２において、光２４は基板裏面３４ａからフォトダイオード３６ａに入射される。しかし、アンテナパタン１６で発生する電磁波２６は、空気と基板３４との誘電率の差から、主に基板裏面３４ａの方向へ放射される。この場合、光２４の入射面と電磁波２６の放射面が同一面（基板裏面３４ａ）となるため、光２４の導入のために用いられる光ファイバ等が電磁波放射面に位置し、電磁波２６の放射に対して障害となる。従って、アンテナ利得が低下する。
【００１０】
次に、エピタキシャル層の構成を変えることにより、基板表面から光を入射する構造のフォトダイオードを形成することも可能である。図１３に、第３従来例として、表面入射型フォトダイオード３６ｂを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナを模式的に示す。しかし、基板表面３４ｂから光２４を入射する構造のフォトダイオード３６ｂでは、該フォトダイオード３６ｂの光吸収層上部に形成される電極が当該光吸収層に照射すべき光２４を遮るため、光電気変換効率が低下する。
【００１１】
また、図１４に示す第４従来例のように、基板３４上にフォトダイオードに加えて光導波路３８を形成することにより、断面方向からの光入射が可能なフォトダイオード３６ｃを形成することも可能である。図１５に断面入射型フォトダイオード３６ｃを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナを模式的に示す。しかし、断面入射構造では、光導波路３８のうち光２４の入射方向に近い領域の光吸収層４０のみが出力飽和してしまうため、図１２に示した基板裏面３４ａから光２４を照射する構造と比較して、フォトダイオード３６ｃの光電気変換効率が低下する。
【００１２】
以上要するに、モノリシック型のフォトニックアンテナでは、フォトダイオードの光電気変換効率及び平面アンテナの利得を同時に最適化することが困難である。
【００１３】
更に、エピタキシャル基板３４は極めて高価である。一般に、高速応答のフォトダイオード３６、３６ａ、３６ｂ、３６ｃは、ＩｎＧａＡｓ層など複数の層をＩｎＰ基板の上にエピタキシャル成長させた基板、即ちエピタキシャル基板３４を用いて形成される。しかし、エピタキシャル基板３４は、エピタキシャル成長工程の複雑さから、価格は１枚で十万円以上にもなり高価である。
【００１４】
一方、金属薄膜で形成したアンテナパタン１６の大きさは、基板中と空気中での波長の平均となる実効波長に比例する。例えば、３０ＧＨｚ用のアンテナパタン１６をＩｎＰ基板上に形成した場合、アンテナ形式としてダイポールアンテナを使用した場合では、そのダイポールの長さは約２．５ｍｍとなり、フォトダイオード３６に比べかなり大きい。また、スロットアンテナを使用した場合では、グランド部の面積も必要となるため、占有面積はダイポールアンテナよりも更に大きくなる。
【００１５】
このような占有面積の大きいアンテナパタン１６をエピタキシャ基板３４上に形成することは、エピタキシャ基板３４がその分大きくなることから、モノリシック型のフォトニックアンテナの高価格化を招く。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明の課題は、高出力化高周波の電磁波発生装置を安価に形成できる技術を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は上記課題を解決する電磁波発生装置であり、裏面入射型フォトダイオード及びフォトダイオード上伝送路が形成されたフォトダイオードチップと、平面アンテナ及びアンテナチップ上伝送路が同一配線工程で形成された平面アンテナチップとを具備し、前記フォトダイオード上伝送路と前記アンテナチップ上伝送路が向かい合って接続するように、前記フォトダイオードチップをフリップチップボンディングにより前記平面アンテナチップに接続した電磁波発生装置において、前記フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向する前記平面アンテナチップの基板の表面との間に、前記平面アンテナチップの基板が前記フォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響を軽減する間隙を確保するために、前記アンテナチップ上伝送路を厚さ１０μｍ以上の金属膜により形成したことを特徴とする。
【００１８】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記平面アンテナチップの裏面に、アンテナチップの基板と同一材料もしくは同程度の誘電率を有する材料で形成された電磁波用レンズを接続することにより、光信号は平面アンテナチップ上面から入射し、出力ミリ波信号は平面アンテナ裏面方向に放射されることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図１０を参照して、本発明の実施形態例を説明する。
【００２２】
［第１実施形態例］
図１に本発明の第１実施形態例に係る電磁波発生装置を示し、図２にこれに用いた平面アンテナチップの構成を示し、図３に図１中のＡ−Ｂ線に沿う断面構造を示す。これらの図において、電磁波発生装置は、フォトダイオードチップ２と平面アンテナチップ１０から構成される。フォトダイオードチップチップ２と平面アンテナチップ１０は、フォトダイオード上伝送路８がアンテナチップ上伝送路１８に向き合って接続するように、フリップチップボンディングにより接続されている。フォトダイオードチップ２は平面アンテナチップ１０と比較して面積が大幅に小さい。
【００２３】
フォトダイオードチップ２は図３に示すように、フォトダイオード基板４に裏面入射型フォトダイオードを形成したものであり、この裏面入射型フォトダイオードの表面６上にフォトダイオード上伝送路８を金属膜によって形成している。本例では、金属膜として膜厚１μｍの金薄膜を用い、高耐蝕性と低抵抗化を図っている。
【００２４】
また、本例のフォトダイオードチップ２は、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層等の複数の層をエピタキシャル成長させてなるＩｎＰ基板ベースのエピタキシャル基板をフォトダイオード基板４として用い、このフォトダイオード基板４上にマイクロ波及びミリ波に対応可能な高速応答の裏面入射型フォトダイオードを形成している。
【００２５】
更に、本例では、フォトダイオードチップ２に使用する裏面入射型フォトダイオードとして、高速応答且つ高出力と特長とするユニ・トラベリング・キャリア・フォトダイオード（Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：以下、ＵＴＣ−ＰＤと呼ぶ）を採用し、フォトダイオード基板４上に形成している。従って、このＵＴＣ−ＰＤは図３に示すように、チップ裏面２ａから光２４を照射する構造である。
【００２６】
一方、本例の平面アンテナチップ１０は、図２に示すように、アンテナ基板１２として板厚４００μｍのＳｉ（シリコン）基板を用い、このアンテナ基板１２と、該アンテナ基板１２上にパタニングした金属膜１４により構成される。金属膜１４のパタニングが、アンテナ基板１２上にアンテナパタン１６、アンテナチップ上伝送路１８及びフリップチップボンディング用バッド２０を形成する。２２は、フォトダイオードチップ２と平面アンテナチップ１０とのフリップチップボンディング領域を示す。アンテナパタン１６のアンテナ形式はスロットアンテナとし、アンテナチップ上伝送路１８はコプレナー形式としている。また、金属膜１４として膜厚１μｍの金薄膜を用いることにより、高耐蝕性と低抵抗化を図っている。
【００２７】
ここで、コプレナー形のアンテナチップ上伝送路１８は、細長い信号線１８ａと、この信号線１８ａの両側に狭いスペース１８ｂを介して位置するグランド１８ｃから構成される。
【００２８】
上述した平面アンテナチップ１０にフォトダイオードチップ２をフリップチップボンディングにより接続して、図３に示すように、フォトダイオード上伝送路８をアンテナチップ上伝送路１８に向かい合わせて接続させている。つまり、フォトダイオード上伝送路８がアンテナチップ上伝送路１８に向かい合ったフェースダウン状態でフォトダイオードチップ２を平面アンテナチップ１０上に実装している。本例では、フォトダイオードチップ２と平面アンテナチップ１０とのフリップチップボンディングには銀ペーストなどの低抵抗導電性樹脂を用い、フォトダイオード上伝送路８とアンテナチップ上伝送路１８を直接接続している。
【００２９】
このように裏面入射型フォトダイオードを形成したフォトダイオードチップ２を平面アンテナチップ１０に接続したことから、光２４はフォトダイオードチップ裏面２ａからフォトダイオードに入射し、このフォトダイオードで高周波信号に変換される。この高周波信号はフォトダイオード上伝送路８から、フリップチップボンディング用パッド２０とアンテナチップ上伝送路１８を経てアンテナパタン１６に至り、アンテナパタン１６で電磁波２６になる。アンテナパタン１６で発生する電磁波２６は空気とアンテナ基板１２との誘電率の差から、主にアンテナチップ裏面１０ａの方向へ放射される。
【００３０】
従って、裏面入射型フォトダイオードを用いたにもかかわらず、光２４の入射４と電磁波２６の放射面は、フォトダイオードチップ裏面２ａとアンテナチップ裏面１０ａという互いに反対側に位置する異なる面となるから、光２４の導入のために用いられる光ファイバ等がフォトダイオードチップ裏面２ａに位置していても、電磁波２６の放射に対して障害となることはない。つまり、アンテナ利得は、図１２に示した従来の裏面入射型フォトダイオード３６ａを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナのように低下することがない。
【００３１】
また、フォトダイオードの構造が裏面入射型であるから、図１３に示した従来の表面入射型フォトダイオード３６ｂを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナや、図１４、図１５に示した従来の端面入射型フォトダイオード３６ｃを用いたモノリシック型のフォトニックアンテナのように光電気変換効率が低下することもない。
【００３２】
更に、フォトダイオードチップ２を平面アンテナチップ１０にフリップチップボンディングにより接続したことから、従来のワイヤボンディング接続に比べチップ接続部による伝送損失が大幅に低減し、モノリシック型のフォトニックアンテナと同等の低伝送損失が可能となる。
【００３３】
かくして、フォトダイオードの光電気変換効率と平面アンテナの利得を同時に最適化することが可能である。
【００３４】
一方、前述したように、平面アンテナが占有する面積は、フォトダイオードが占有する面積と比較して、格段に大きい。また、Ｓｉ基板等の単純な基板は、エピタキシャル基板と比較して、格段に安価である。
【００３５】
従って、占有面積の大きいアンテナ部分をＳｉ等を材料とするアンテナ基板１２上に形成して平面アンテナチップ１０とし、占有面積の小さいフォトダイオード部分をエピタキシャル基板により形成してフォトダイオードチップ２とし、フォトダイオードチップ２を平面アンテナチップ１０にフリップチップボンディングで接続したことにより、図１１等に示した高価なエピタキシャル基板３４上にフォトダイオードとアンテナパタンを一緒に形成したモノリシック型のフォトニックアンテナと比較し、安価に電磁波発生装置を形成することができる。
【００３６】
以上説明した本例では、フォトダイオードとしてＵＴＣ−ＰＤを使用しているが、マイクロ波やミリ波等に対応する他の高速応答のフォトダイオードを使用しても構わない。また、平面アンテナはＳｉを用いたアンテナ基板１２上に形成しているが、他の材料の基板上に形成してもよいことは言うまでもない。更に、平面アンテナとしてスロットアンテナを使用したが、ダイポールアンテナ等、他の平面アンテナでも構わないことは言うまでもない。更にまた、アンテナチップ上伝送路１８としてコプレナー伝送路を使用したが、他の形式の伝送路でも構わない。
【００３７】
［間隙確保構造について］
ところで、フォトダイオード上伝送路８の表面とこれに対向するアンテナ基板１２の表面との間Ｇが狭いと（図３参照）、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が影響を与えてフォトダイオード上伝送路８の伝送特性が劣化し、フォトダイオードで発生した高周波信号がアンテナパタン１６まで伝送する際の効率が低下することが考えられる。
【００３８】
この対策として、フォトダイオード上伝送路８の表面とこれに対向するアンテナ基板１２の表面との間Ｇに１０μｍ以上等、適宜な間隙を確保する構造を備えて、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくすることが望ましい。
【００３９】
半導体基板として広く使用されているＳｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の誘電率は１０〜１５であり、これら１０〜１５の範囲の誘電率を有する任意の物質をアンテナ基板１２として使用する場合は、これに対向するフォトダイオード上伝送路８の表面との間隙は１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であれば良い。また、誘電率がこれらの値と大幅に異なる物質をアンテナ基板１２に使用する場合は、誘電率に応じて下限値が異なるが、その値は実験や計算により求めることができる。いずれの場合も、上限値はない。
【００４０】
［第２実施形態例］
図４〜図５を参照し、本発明の第２実施形態例として、フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間Ｇに約２０μｍの間隙を確保する構造を備えた電磁波発生装置を説明する。図４は本第２実施形態例に係る電磁波発生装置の図３相当の断面構造を示し、図５はこの電磁波発生装置に用いる平面アンテナチップの構成を示すが、図１〜図３に示した第１実施形態例に係る電磁波発生装置とは、平面アンテナチップ１０に窪地パタン２８を形成した点が異なり、他は同じである。従って、図４〜図５中で図２〜図３と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００４１】
本例の電磁波発生装置では、アンテナチップ１０に深さ２０μｍの窪地パターン２８を形成することにより、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくしている。
【００４２】
具体的には、基板厚４００μｍのＳｉ製アンテナ基板１２のうち、フォトダイオードチップ２とのフリップチップボンディング領域２２、即ちフリップチップボンディングの際にフォトダイオードチップ２が対向して接続される部分に、フォトダイオード上伝送路８に接続されるフリップチップボンディング用パッド２０等の電極部分を除いて、適宜な手法で深さ２０μｍ削り込むことにより、窪地パタン２８を矩形に形成している。
【００４３】
この窪地パタン２８の形成により、Ｓｉ製アンテナ基板１２の表面とフォトダイオード上伝送路８の表面との間Ｇは約２０μｍ離れることになり、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が与える影響が少なくなり、フォトダイオード上伝送路８の伝送特性は劣化しない。
【００４４】
この結果、フォトダイオードで発生した高周波信号はフォトダイオード上伝送路８を効率良く通り、フリップチップボンディング用パッド２０及びアンテナチップ上伝送路１８を経てアンテナパタン１６へ、効率的に伝送することが可能となる。
【００４５】
本例では窪地パタン２８の深さを２０μｍとしたが、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに影響を与えない距離以上を確保できる深さであれば良い。一般には、窪地パタン２８を深く形成することは簡単でないことから、下限値に近い値、例えば１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であれば良い。
【００４６】
［第３実施形態例］
次に、図６を参照し、本発明の第３実施形態例として、フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間Ｇに約２０μｍの間隙を確保する構造を備えた他の電磁波発生装置を説明する。図６は本第３実施形態例に係る電磁波発生装置の図３相当の断面構造を示し、図１〜図３に示した第１実施形態例に係る電磁波発生装置とは、平面アンテナチップ１０にパタニングした金属膜が厚い点が異なり、他は同じである。従って、図６中で図３と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００４７】
本例の電磁波発生装置では、平面アンテナチップ１０に厚さ２０μｍの金薄膜をパタニングすることにより、アンテナチップ上伝送路１８を厚さ２０μｍに厚膜化し、Ｓｉ製アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくしている。
【００４８】
このようにアンテナチップ上伝送路１８を厚膜化したことにより、アンテナ基板１２の表面とフォトダイオード上伝送路８の表面との間Ｇは約２０μｍ離れることになり、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が与える影響が少なくなり、フォトダイオード上伝送路８の伝送特性は劣化しない。この結果、フォトダイオードで発生した高周波信号はフォトダイオード上伝送路８及びアンテナチップ上伝送路１８を通り効率良くアンテナパタン１６まで伝送することが可能となる。
【００４９】
また、アンテナチップ上伝送路１８を１μｍから２０μｍへと厚膜化したことにより、フリップチップボンディング用パッド２０とアンテナパタン１６を結ぶアンテナチップ上伝送路１８自体の伝送特性の向上にも寄与する。
【００５０】
本例ではアンテナチップ上伝送路１８の膜厚を２０μｍとしたが、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに影響を与えない距離以上を確保できる厚さであれば良い。一般には、金属膜の厚膜化は簡単でないことから、下限値に近い値、例えば１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であれば良い。
【００５１】
また、本例ではアンテナチップ上伝送路１８を厚膜化したが、フォトダイオード上伝送路８を形成する金属膜、例えば金薄膜を、１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上と同様に厚膜化することにより、フォトダイオード上伝送路８自体の伝送特性を向上させることができる。
【００５２】
更には、アンテナチップ上伝送路１８及びフォトダイオード上伝送路８の金属膜の両方を同様に厚膜化して、フォトダイオード上伝送路８自体及びアンテナチップ上伝送路１８自体の伝送特性を向上させ、同時に、アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくするようにしても良い。
【００５３】
［第４実施形態例］
次に、図７を参照し、本発明の第４実施形態例として、フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間Ｇに約３０μｍの間隙を確保する構造を備えた他の電磁波発生装置を説明する。図７は本第４実施形態例に係る電磁波発生装置の図３相当の断面構造を示し、図１〜図３に示した第１実施形態例に係る電磁波発生装置とは、平面アンテナチップ１０に窪地パタン２８を形成した点、更に、平面アンテナチップ１０にパタニングした金属膜が厚い点が異なり、他は同じである。つまり、本第４実施形態例に係る電磁波発生装置は、第２実施形態例と第３実施形態例の両方の技術を採用している。従って、図７中で図１〜図６と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００５４】
即ち、本例の電磁波発生装置では、平面アンテナチップ１０のうち、フォトダイオードチップ２とのフリップチップボンディング領域に、フリップチップボンディング用パッド２０等の電極部分を除いて、Ｓｉ製アンテナ基板１２を削り込んで深さ２０μｍの窪地パターン２８を形成している。また、アンテナ基板１２に厚さ１０μｍの金薄膜をパタニングすることによりアンテナチップ上伝送路１８を１０μｍに厚膜化している。
【００５５】
深さ２０μｍ窪地パタン２８の形成とアンテナチップ上伝送路１８の１０μｍの厚膜化により、アンテナ基板１２の表面とフォトダイオード上伝送路８の表面との間Ｇは約３０μｍ離れることになり、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が与える影響が少なくなり、フォトダイオード上伝送路８の伝送特性が劣化しない。また、アンテナチップ上伝送路１８の厚膜化により、アンテナチップ上伝送路１８自体の伝送特性が向上する。
【００５６】
この結果、フォトダイオードで発生した高周波信号はフォトダイオード上伝送路８及びアンテナチップ上伝送路１８を通り効率良くアンテナパタン１６まで伝送することが可能となる。
【００５７】
［第５実施形態例］
次に、図８を参照し、本発明の第５実施形態例として、フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間Ｇに約２０μｍの間隙を確保する構造を備えた他の電磁波発生装置を説明する。図８は本第５実施形態例に係る電磁波発生装置の図３相当の断面構造を示し、図１〜図３に示した第１実施形態例に係る電磁波発生装置とは、フォトダイオード上伝送路８とアンテナチップ上伝送路１８との間に高さ１０μｍ以上の導電性部材３０を接続した点が異なり、他は同じである。従って、図８中で図３と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００５８】
本例の電磁波発生装置では、アンテナチップ上伝送路１８とフォトダイオード上伝送路８を形成する金属膜の厚さは１μｍであるが、これらの間に、導電性部材３０として厚さ２０μｍの金製バンプを接続し、Ｓｉ製アンテナ基板１２がフォトダイオード上伝送路８のインピーダンスに与える影響を少なくしている。
【００５９】
バンプ３０の使用により、アンテナ基板１２の表面とフォトダイオード上伝送路８の表面との間Ｇは約２０μｍ離れて接続されることになり、フォトダイオード上伝送路８のインピーダンスにアンテナ基板１２が与える影響が少なくなり、フォトダイオード上伝送路８の伝送特性は劣化しない。この結果、フォトダイオードで発生した高周波信号はフォトダイオード上伝送路８及びアンテナチップ上伝送路１８を通り効率良くアンテナパタン１６まで伝送することが可能となる。
【００６０】
本例では導電性材料３０として金バンプを用いたが、半田バンプ等、他の導電性バンプを使用しても良いことは言うまでもない。また、アンテナ基板１２としてＳｉ等、誘電率が１０〜１５の基板を使用する場合は、バンプ３０の高さは１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上であれば良い。
【００６１】
［第６実施形態例］
図９〜図１０を参照し、本発明の第６実施形態例に係る電磁波発生装置を説明する。図９は本例の電磁波発生装置の断面構造を示す図３相当のものであり、図１０はその動作時の様子を示すが、図１〜図８に示した第１〜第５実施形態例に係る各電磁波発生装置とは、平面アンテナチップ１０の裏面１０ａにレンズ３２を接続した点が異なり、他は同じである。従って、図９〜図１０中で図１〜図８と同一機能部分には同一符号を付して説明の重複を省く。
【００６２】
本例の電磁波発生装置では、アンテナ基板１２をＳｉ基板としたので、これと同一材料であるＳｉ材料を加工してレンズ３２を形成し、このレンズ３２を平面アンテナチップ裏面１０ａに接続している。
【００６３】
更に、本例では、レンズ３２として、Ｓｉ材料を超半球レンズ形状に加工したものを用いている。超半球レンズ形状とは、球を半分に切断した断面に、その円の直径と等しい直径を有する円筒を継ぎ足した形状である。
【００６４】
平面アンテナチップ裏面１０ａにレンズ３２を接続することにより、アンテナ基板１２における表面波の発生を抑制でき、更に、電磁波２６の放射パタンの指向性を高めることができるので、アンテナ利得が向上する。
【００６５】
ここで、表面波の発生に関し、アンテナ基板１２の基板厚さが同基板内での電磁波の波長と同程度或いはそれ以下であると、アンテナ基板−空気界面で反射された電磁波により基板内に定在波が生じる。これが表面波となり、損失の一因になる。しかし、レンズ３２を接続することにより、等価的にアンテナ基板厚さが厚くなって定在波が立たなくなるため、表面波が抑制される。
【００６６】
特に、レンズ３２が超半球レンズ形状である場合は、電磁波の放射パタンの指向性が高まる。また、等価的なアンテナ基板厚さが十分厚くなるので、表面波抑制の効果も大きい。
【００６７】
本例では、レンズ３２の材料にＳｉを使用しているが、アンテナ基板１２と同一材料あるいは同程度の誘電率を有する材料であれば良い。ここで、誘電率について述べると、電磁波が誘電率の異なる物質の境界を通過する際に電磁波の屈折や反射が起こるが、その度合は２つの物質の誘電率の差が大きいほど大きくなる。そこで、アンテナ基板１２とレンズ３２の材料は、電磁波の屈折や反射を許容できる範囲で、誘電率が同程度であることが望ましい。
【００６８】
また、レンズ３２の直径がレンズ内での電磁波の波長の１０倍以上であれば、表面波抑制の固化が大きい。また、電磁波の放射パタンの指向性も高まる。例えば、レンズ３２の材料にシリコン（Ｓｉ）を使用した場合、１００ＧＨｚの電磁波ではレンズ３２の直径は１２ｍｍ以上あれば良い。
【００６９】
レンズ３２を接続した電磁波発生装置を使用する場合、フォトダイオードチップ２に使用されているフォトダイオードは裏面入射型であるため、図１０に示すように、光２４はフォトダイオードチップ裏面２ａから照射される。マイクロ波やミリ波に対応する高速応答のフォトダイオードでは、表面方向や断面方向から光を入射する構造のものより、裏面から光２４を入射する構造の方が高出力領域において光電気変換の効率が良い。そして、光２４の照射により発生した電磁波２６は、アンテナ基板１２及びこの基板裏面に接続したレンズ３２の効果により、主に、平面アンテナチップ裏面１０ａ側に放射される。
【００７０】
このように、本例の電磁波発生装置では、光２４が入射される面に対向した反対側の面より電磁波２６が放射され、光入射用の光ファイバ等が電磁波放射の障害とならないため、放射される電磁波と同一面あるいは横方向から光を入射するものと比較し、アンテナの利得が向上する。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電磁波発生装置の基本は、裏面入射型フォトダイオード及びフォトダイオード上伝送路が形成されたフォトダイオードチップと、平面アンテナ及びアンテナチップ上伝送路が同一配線工程で形成された平面アンテナチップとを具備し、前記フォトダイオード上伝送路と前記アンテナチップ上伝送路が向かい合って接続するように、前記フォトダイオードチップをフリップチップボンディングにより前記平面アンテナチップに接続した電磁波発生装置において、前記フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向する前記平面アンテナチップの基板の表面との間に、前記平面アンテナチップの基板が前記フォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響を軽減する間隙を確保するために、前記アンテナチップ上伝送路を厚さ１０μｍ以上の金属膜により形成したものである。従って、以下の効果があり、ミリ波帯やマイクロ波帯等の高周波における無線通信だけでなく、各種の分析等、幅広い分野で利用可能である。
【００７２】
(1) 光が入射される面と対向した反対側の面より電磁波が放射されるため、フォトダイオードの光電変換効率及びアンテナの利得が向上する。
(2) フリップチップボンディング接続による伝送損失が伝送線路の厚膜化により抑制されるため、電磁波発生装置の高出力化が可能である。
(3) 占有面積の大きな平面アンテナチップはフォトダイオードチップとは別に、Ｓｉ等の安価な基板により形成できるため、フォトダイオードとアンテナパタンが同一基板上に形成されているモノリシック形のフォトニックアンテナと比較して、安価な電磁波発生装置を形成することが可能である。
(4) 平面アンテナチップの裏面に電磁波用レンズを接続した電磁波発生装置では、レンズの効果により、電磁波は主にアンテナチップ裏面に放射されて放射パタンの指向性が高まり、また、等価的にアンテナ基板厚さが厚くなって表面波の発生が抑制されるので、アンテナ利得が向上する。
(5) レンズを平面アンテナチップの基板と同一材料もしくは同程度の誘電率を有する材料で形成した電磁波発生装置では、電磁波がアンテナ基板とレンズとの境界を通過する際に屈折や反射が起こり難くなり、出力低下を抑制できる。
(6) フォトダイオード上伝送路の表面とこれに対向するアンテナ基板の表面との間に、間隙を確保する構造を備えた電磁波発生装置では、アンテナ基板がフォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響が軽減し、フォトダイオードで発生する高周波信号が効率良くアンテナパタンに伝わる。
(7)アンテナチップ上伝送路を厚さ１０μｍ以上の金属膜により形成した電磁波発生装置では、アンテナ基板がフォトダイオード上伝送路のインピーダンスに与える影響を軽減するための間隙を当該アンテナチップ上伝送路により確保でき、また、アンテナチップ上伝送路自体の伝送特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図。
【図２】本発明の第１実施形態例における平面アンテナチップの構成を示す図。
【図３】図１中のＡ−Ｂ線に沿う断面構造を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図５】本発明の第２実施形態例に係る電磁波発生装置に用いる平面アンテナチップの構成を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図７】本発明の第４実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図８】本発明の第５実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図９】本発明の第６実施形態例に係る電磁波発生装置を示す図３相当の図。
【図１０】図９に示した電磁波発生装置の動作時の様子を示す図。
【図１１】第１従来例としてモノリシック型のフォトニックアンテナの構成を示す図。
【図１２】第２従来例として裏面入射型フォトダイオードを採用したモノリシック型のフォトニックアンテナの動作時の様子を示す図。
【図１３】第３従来例として表面入射型フォトダイオードを採用したモノリシック型のフォトニックアンテナの動作時の様子を示す図。
【図１４】第４従来例として端面入射型フォトダイオードを採用したモノリシック型のフォトニックアンテナの構成を示す図。
【図１５】図１４に示したモノリシック型のフォトニックアンテナの動作時の様子を示す図。
【符号の説明】
２  裏面入射型フォトダイオード採用のフォトダイオードチップ
２ａ  フォトダイオードチップの裏面
４  フォトダイオード基板
６  裏面入射型フォトダイオードの表面
８  フォトダイオード上伝送路
１０  平面アンテナチップ
１０ａ  平面アンテナチップの裏面
１２  アンテナ基板
１４  金属膜
１６  アンテナパタン
１８  アンテナチップ上伝送路
２０  フリップチップボンディング用パッド
２２  フリップチップボンディング領域
２４  光
２６  電磁波
２８  窪地パタン
３０  バンプ
３２  レンズ
３４  モノリシック型フォトニックアンテナのエピタキシャル基板
３６  フォトダイオード
３６ａ  裏面入射型フォトダイオード
３６ｂ  表面入射型フォトダイオード
３６ｃ  端面入射型フォトダイオード
３８  光導波路
４０  光吸収層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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