(57)【要約】【課題】アンテナ素子も集積回路基板上に回路とともに搭載できればその効果は計り知れない。しかしながら、アンテナ素子の直近に導電物があるとアンテナの特性が著しく劣化してしまうため、導電性の回路部分はアンテナ素子から離して配設する必要があり、このことが集積回路基板の面積を大きしコストアップの要因になっていた。本発明では安価にアンテナの集積化を可能にすることを目的とし、アンテナ素子の直近まで導電物をおくことができる新しいアンテナ構造を提案する。【解決手段】本発明のアンテナ装置は集積回路基板上の導電層に形成された非導電性のスリットにより構成され、前記スリット上の対向する両端に受給電することを特徴とする。【選択図】図１
2008061158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路基板上の導電層に形成された非導電性のスリットにより構成され、前記スリッ
ト上の対向する両端に受給電することを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記集積回路基板の前記スリットの直下には不純物のドープがされていないことを特徴
とする請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記スリットは線状または折れ線状であることを特徴とする請求項１または２に記載の
アンテナ装置。
【請求項４】
前記スリットは導体を取り囲む線状または折れ線状の閉曲線に沿って形成されることを
特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記スリットのスリット幅は少なくとも１箇所において受給電点におけるスリット幅と
異なることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
集積回路基板と、該集積回路基板を取り囲む導体と、前記集積回路基板上の導電層に形
成された非導電性のスリットと、前記集積回路基板上の導電層と前記集積回路基板を取り
囲む導体によって形成されるスリットから構成されることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項７】
集積回路基板と、該集積回路基板を取り囲む導体と、前記集積回路基板上の導電層と前
記集積回路基板を取り囲む導体によって形成されるスリットから構成されることを特徴と
するアンテナ装置。
【請求項８】
前記半導体基板上には前記スリットをアンテナとして該アンテナに受給電するための半
導体集積回路を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアンテナ装
置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体集積回路基板上に形成されるアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造技術の進歩は目覚しく、システムオンチップとして集積度はますます
上り、１チップ内に入る半導体回路は全て搭載しようとする傾向がある。そのために半導
体チップと外部回路との接続のピン数が膨大となり、数百本を超えることも珍しくない。
また、半導体回路の動作周波数も高くなり、従来のワイヤボンディングを介して外部と接
続する方法では、高周波特性が問題となり、正しく外部との信号やり取りが困難となって
きている。このような問題に対し、非特許文献１および２や特許文献１乃至４では、半導
体チップ間の接続あるいは回路ブロック間の接続を無線化する研究が報告されており、そ
れに際してアンテナも集積回路上に形成する試みが報告されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２５６４７８号公報
【特許文献２】特開２０００−１２４４０６号公報
【特許文献３】特開２０００−６８９０４号公報
【特許文献４】特開２００３−１０１３２０号公報
【非特許文献１】「日経マイクロデバイス」２００３年１２月号１６１ページ
【非特許文献２】'A 20GHz CMOS RF Down-Converter with an On-chip Antenna' Yu Su et.al. ISSCC2005 P.270
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半導体チップ上にアンテナを形成することは非常に困難な課題となり、
特許文献１乃至４には、どれも有効な解決策が示されていない。たとえば特許文献２では
、１．５ＧＨｚの電波を使用する四分の一波長のアンテナを集積回路上に集積するとある
が、１．５ＧＨｚの電波の波長は２０ｃｍであり、四分の一波長すなわち５ｃｍのアンテ
ナを集積回路上に集積するのは明らかに不可能である。また特許文献３、４では、半導体
チップ上に絶縁膜を形成し、その上に平面状のアンテナ放射器を配設する構造が示されて
いるが、半導体チップ上における絶縁膜程度の厚さでは、該絶縁膜上に置かれた放射器か
らは効率よく電磁波を放射しないことは当該技術者であれば容易に分かることである。
【０００５】
また、非特許文献２では周波数２０ＧＨｚにおいて距離５ｍのアンテナ間での損失が９
９ｄＢであることが報告されている。これは２０ＧＨｚにおける自由空間でのパスロス７
２ｄＢに比較し２７ｄＢも多く、アンテナの指向性利得を考慮するとエネルギーの１／１
０００程度しか利用されていないことを示している。さらに低い周波数でこのようなアン
テナを使用しようとするとアンテナの持つ基本的な限界（Fundamental limit）によって
さらに効率が悪くなり、通常数ＧＨｚの周波数においては従来の技術によって形成された
半導体チップ上のアンテナではその効率が０．０１％程度である。
【０００６】
図１０に従来の半導体チップ上にアンテナを形成した場合の典型的な例を示す。同図（
ａ）は半導体チップ上のアンテナを示す斜視図である。アンテナ素子１００１は半導体集
積回路の配線等に用いる金属層などの導電層によって半導体基板１００３上に形成される
。同図では受給電点１００２とする折り曲げダイポール型のアンテナを例示している。金
属層によって線状のパターンによりミアンダ形のダイポールや逆Ｆ型のモノポールアンテ
ナがよく使われる。
【０００７】
同図（ｂ）はその実装状態も同時に示す断面図である。説明の重複を避けるために同図
（ａ）と同じものは同図（ａ）と同じ番号を付し説明は省略する。半導体基板１００３は
単位ごとにチップ状に切り離されパッケージ等に封入され実装される。同図ではチップを
直接プリント基板１００５に実装する場合を示し、保護のための封止などは省略している
。半導体基板１００３は電位固定のためにプリント基板１００５上の配線パターン１００
４に接着される。
【０００８】
半導体基板の材料としてはシリコンが多用されるがシリコンゲルマニウムその他の半導
体であってもよい。導電率１０Ωｃｍ程度の導電性を持った材料がよく使われる。またア
ンテナ素子１００１を形成する金属層はアルミニウムが多用されるが銅などのほかの材料
が使われることもある。アンテナ素子１００１と半導体基板１００３の間には両者を絶縁
するために厚さ１μｍ程度の絶縁層１００６が置かれる。絶縁層の材料としては二酸化シ
リコンが一般的である。通常の半導体集積回路プロセスでは配線のための金属層は複数層
形成されるがアンテナの放射効率を考えると最上位層を用いるのが最もよい。
【０００９】
一般的にこのようなアンテナの場合アンテナ素子近傍に導電性の物体が存在すると著し
くその特性に影響を与える。好ましくはアンテナ素子より数波長以上の範囲内に導電性の
物体を置いてはならないが、半導体集積回路の構造からアンテナ素子から導電物を離して
おくことは著しく困難であり、どうしてもアンテナ素子近傍に導電性の物体が入り込んで
しまう。特にアンテナ素子１００１と半導体基板１００３の間は薄い絶縁層１００６が存
在するのみであり、半導体基板１００３の導電性による損失が非常に大きい。
【００１０】
半導体基板１００３の導電性による損失を排除するために導電性の低い基板、すなわち
高抵抗基板を用いることが可能な集積回路の構造を採用することによってアンテナの効率
を改善することが考えられる。トリプルウェル構造の集積回路やＳＯＩ（Silocon On Ins
ulator）構造の集積回路では高抵抗基板を用いることが可能でありこれらの集積回路プロ
セスによってオンチップアンテナの効率改善が可能である。
【００１１】
図９に上記に述べた２つの従来例の放射効率を有限積分法によってシミュレーションし
た例を示す。同図には本発明による実施例における改善効果の比較ができるように本発明
によるアンテナ装置の特性も同時に掲げられているがこれらの説明については後述する。
【００１２】
アンテナの受給電回路の入出力インピーダンスと放射インピーダンスとの間にミスマッ
チがあるとリターンロスが存在するが、同図ではこの分を取り除いて、純粋にアンテナに
受給電されるエネルギーと空中に放射あるいは空中から送り込まれるエネルギーの比、す
なわち放射効率を示す。リターンロス分については従来の方法によってマッチング特性を
改善することができる。
【００１３】
各例における共通する仕様を以下に列記する。
アンテナ導電層の材質；アルミニウム、厚さ１μｍ
アンテナ素子；全長８．４ｍｍ、線幅１０μｍの折り曲げダイポール
絶縁膜；ＳｉＯ2厚さ７μｍ、誘電率＝３．８
集積回路基板；材料＝Ｓｉ、誘電率＝１１、サイズ＝３ｍｍ×３ｍｍ
導電率＝６．６シーメンス／ｍまたは導電率＝０（高抵抗基板）
アンテナ搭載の集積回路チップの実装形式；従来例図１０（ｂ）に示す実装形式
【００１４】
図９の特性９０１は図１０（ａ）に示す折り曲げダイポールアンテナを従来の導電性基
板（導電率＝６．６シーメンス／ｍ）上に形成した場合の放射効率を示す。図１０（ｃ）
からわかるようにこのアンテナの共振点は７ＧＨｚ付近にある。これを見ると１０ＧＨｚ
まで全域にわたって放射効率が０．００１以下（すなわち０．１％以下）と非常に悪い。
なお、図では１０ＧＨｚまでしかプロットしてないが、どのアンテナも周波数が高くなる
と放射効率は高くなる傾向があるが、この周波数帯においても劇的に放射効率が改善され
ることはない。
【００１５】
同図に示した特性９０２，９０３は上述した高抵抗基板を用いる従来例の場合で、上記
と同じ寸法の折り曲げダイポールアンテナを同じ形状の高抵抗基板（導電率＝０）による
ＳＯＩ上に形成した時の放射効率を示す。アンテナ素子近傍にＳＯＩ層がある場合の影響
も見るためにアンテナ素子からＳＯＩまでの長さｇを２０μｍおよび１５０μｍの２値に
ついて計算した。すなわち特性９０２はｇ＝２０μｍ、特性９０３はｇ＝１５０μｍを示
す。アンテナの共振点は上記同様に７ＧＨｚ付近にある。これらを見ると、高抵抗基板に
よるＳＯＩ上にアンテナを形成すると放射効率は上記より１桁以上改善されていることが
わかる。また、大きな改善の効果を得るには長さｇの値を大きくとらなければならず、そ
のために集積回路のチップコストも高くなってしまうことが確認できる。
【００１６】
このように高抵抗基板を使った集積回路上に形成したアンテナの効率は著しく改善可能
なことがわかる。しかしながら上記のような構造によって集積回路基板上にアンテナを作
りこむ従来技術の欠点は、アンテナ素子近傍の比較的広い面積にわたってノンドープエリ
アを設定しなければならず、この場所が半導体集積回路を構成するトランジスタ等の素子
を作りこむエリアとして使えないことである。このことは、必然的に集積回路チップの面
積を大きくししたがってコストアップの要因となる。
【００１７】
そこで本発明ではアンテナ素子も集積回路基板に作りこむ際のコストアップの要因を取
り除き安価にアンテナの集積化を可能にすることを目的とし、アンテナ素子の直近まで導
電物をおくことができる新しいアンテナ構造を提案する。アンテナ素子の直近まで導電物
を配設することを可能にすることによって集積回路素子を作りこむことのできる集積回路
基板上の面積を増やし集積回路のコストダウンを可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のアンテナ装置は集積回路基板上の導電層に形成された非導電性のスリットによ
り構成され、前記スリット上の対向する両端に受給電することを特徴とする。
【００１９】
本発明の上記構成によれば、スリット上の対向する両端に受給電するのでスリットの長
手方向に磁流が流れ、磁流アンテナを形成する。スリットがアンテナ素子となり、スリッ
トは導体で取り囲まれている。すなわちアンテナ素子（スリット）に接して導体を配設す
ることができる。磁流アンテナは近傍導体の影響が少なく効率よくアンテナ近傍を利用す
ることができる。
【００２０】
本発明のアンテナ装置の前記集積回路基板の前記スリットの直下には不純物のドープが
されていないことを特徴とする。
【００２１】
本発明の上記構成によれば、スリット直下は不純物のドープがされていないのでアンテ
ナ素子としてのスリット直下での損失が小さくアンテナの効率を上げることが可能となる
。
【００２２】
本発明のアンテナ装置は前記スリットは線状または折れ線状であることを特徴とする。
【００２３】
本発明の上記構成によればスリットは線状であるために集積回路上に占めるその占有面
積は小さく集積回路基板上の広い範囲がアンテナに受給電する回路やその他の集積回路の
素子を搭載するエリアとして使用することができアンテナを搭載したためにコストアップ
となる要因を取り除くことができる。
【００２４】
本発明のアンテナ装置は前記スリットは導体を取り囲む線状または折れ線状の閉曲線に
沿って形成されることを特徴とする。
【００２５】
本発明の上記構成によれば線状または折れ線状のスリットが導体を取り囲んでいるので
該スリットによって取り囲まれた導体はＤＣ的に外側導体から絶縁される。受給電は該ス
リットによって取り囲まれた内側導体とその外側導体間で行われるので別途ＤＣをカット
する回路が不要となり効率の良い受給電が可能となる。
【００２６】
本発明のアンテナ装置の前記スリットのスリット幅は少なくとも１箇所において受給電
点におけるスリット幅と異なることを特徴とする。
【００２７】
本発明の上記構成によれば、スリット幅を調整することによりアンテナの放射インピー
ダンスを自由に設定することが可能となりアンテナのマッチングが容易となりアンテナを
効率よく使用することが可能となる。
【００２８】
本発明によるアンテナ装置は集積回路基板と該集積回路基板を取り囲む導体と、前記集
積回路基板上の導電層に形成された非導電性のスリットと、前記集積回路基板上の導電層
と前記集積回路基板を取り囲む導体によって形成されるスリットから構成されることを特
徴とする。
【００２９】
本発明の上記構成によれば、アンテナは集積回路基板上に形成されたスリットと集積回
路基板と該集積回路基板外部の導体とによって構成されるスリットによって構成されるた
め、アンテナの形状を集積回路基板のサイズよりも大きくすることが可能であり、アンテ
ナ設計の自由度が増す。そのため低い周波数で使用できるアンテナを実現したり効率のよ
いアンテナを実現することが可能となる。
【００３０】
本発明のアンテナ装置は集積回路基板と、該集積回路基板を取り囲む導体と、前記集積
回路基板上の導電層と前記集積回路基板を取り囲む導体によって形成されるスリットから
構成されることを特徴とする。
【００３１】
本発明の上記構成によれば、アンテナ素子は集積回路チップを取り囲む導体と該集積回
路基板上に形成された導体との間で形成されるスリットを利用するため集積回路基板上に
アンテナ素子を搭載する必要がなく集積回路基板は他の回路に有効に利用できる。しかも
アンテナ素子は集積回路チップサイズの最大の大きさになるので低い周波数での利用や広
帯域で効率のよいアンテナ形成が可能となる。
【００３２】
本発明のアンテナ装置の前記半導体基板上には前記スリットをアンテナとして該アンテ
ナに受給電するための半導体集積回路を含むことを特徴とする。
【００３３】
本発明の上記構成によれば、アンテナとそれを利用する回路や受給電回路を半導体基板
上に一体化して形成でき、ＳｏＣ（System on Chip）として高集積が可能となり利用価値
が高い。
【００３４】
以上述べたように、本発明の上記構成によれば、集積回路基板上にアンテナとともに前
記アンテナに受給電する回路やアンテナを通して送受される信号を利用する回路を組み込
むことができるので、半導体集積回路間の配線が容易となる。その際に、集積回路基板上
に搭載される導電性の素子をアンテナ素子の直近においても特性を劣化させることがなく
、組み込まれるアンテナは集積回路のコストを上昇させることなく高効率が実現できる。
このため通信の品質確保やリンクマージンの設計が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下本発明の実施形態を図面を使って説明する。
【実施例１】
【００３６】
図１（ａ）は本発明による実施例を示す斜視図、同図（ｂ）は図１（ａ）に示す円Ｅ内
を拡大した部分拡大図であり、また同図（ｃ）は断面図であり同図（ａ）に示す直線Ｈ−
Ｈ'を含む面で切った断面図、同図（ｄ）は円Ｆ内の受給電部付近の拡大図である。
【００３７】
本発明によるアンテナ装置１は集積回路を形成する集積回路基板１０１上の導体として
の導電層１０２に、導電層１０２が配設されていない部分を設け、この導電層１０２が配
設されていない部分をスリット１０３という。該スリット１０３の任意の個所で、スリッ
ト１０３を挟んで対向する導電層１０２上の２点によって受給電部としての受給電点Ａ，
Ａ'を構成している。導電層１０２は集積回路の配線を行うための金属層などが利用でき
る。通常の集積回路プロセスでは配線のための金属層は複数層あり、このうちの１層を導
電層１０２に当てることになる。集積回路の配線には他の金属層を使うことで集積回路を
構成することができる。
【００３８】
図１（ｃ）は同図（ａ）にＢ−Ｂ'で示す直線を含む集積回路基板１０１に垂直な平面
で切った断面図である。以下この図を使って、本発明によるアンテナ装置１をＳＯＩ（Si
licon On Insulator）を用いる半導体集積回路上に形成する場合を例により詳しく説明す
る。同図（ａ）、（ｂ）と同じ番号を用いているものは同じ物をあらわし重複する説明は
省略する。
【００３９】
ＳＯＩはシリコンなどの集積回路基板１０１の上に二酸化シリコン（ＳｉＯ2）等の絶
縁膜１０４をおきその上に、ドープを行うシリコン単結晶層としてのシリコン単結晶層（
ＳＯＩ層）１０５またはドープを行わないシリコン単結晶層としてのシリコン単結晶層（
ＳＯＩ層）１０８を配設する。集積回路基板１０１としては導電性のある半導体基板を用
いることが多いが高抵抗基板あるいは絶縁体を用いることが望ましい。ＳＯＩでは、集積
回路基板１０１は集積回路素子がこの集積回路基板１０１内には形成されずシリコン単結
晶層（ＳＯＩ層）１０５内に形成されるため、集積回路基板１０１の導電率に関係なく集
積回路素子を作りこむことが可能である。シリコン単結晶層（ＳＯＩ層）１０５はエリア
毎に選択的に３価または５価の不純物をドープし、Ｐ型またはＮ型の半導体層（ボディ）
を形成し、この中にトランジスタなどの集積回路素子を形成する。シリコン単結晶層（Ｓ
ＯＩ層）１０８はアンテナ素子としてのスリット１０３の直下にあり、この部分には不純
物のドープを行わずに低導電率に保つ。シリコン単結晶層（ＳＯＩ層）１０８の幅がスリ
ット１０３の幅より大きくなるように配設することが望ましい。シリコン単結晶層（ＳＯ
Ｉ層）１０５またはシリコン単結晶層（ＳＯＩ層）１０８に積層されて絶縁膜１０６が配
設されている。この絶縁膜１０６に積層されて設けられている導電層１０２は、集積回路
素子を繋ぐための金属配線層である。通常は複数層形成されるが図では１層のみ示す。導
電層１０２にはスリット１０３が形成され、このスリット１０３がアンテナ素子の役割を
果たす。スリット１０３をアンテナとして使用する場合は、導電層１０２は無限大の広が
りを持つことが望ましいが、集積回路形成時ではそれは不可能であるので、可能なかぎり
広くなるように配置する。保護膜１０７は、アンテナ装置１及び集積回路基板１０１全体
の耐湿性向上及び外乱に対し保護をしている。
【００４０】
図１（ｄ）に受給電点Ａ，Ａ'付近を詳述する。受給電点Ａ，Ａ'はスリット１０３の任
意の個所でスリット１０３を挟んで対向する導電層１０２の２点に配設され、ポート１１
０に接続される。ポート１１０は該アンテナ装置１が受信アンテナとして使用されるとき
は受信回路の入力ポートであり、送信アンテナとして使用されるときは送信回路の出力ポ
ートを表す。
【００４１】
上記のように構成したアンテナ素子としてのスリット１０３は、図１０に示す従来のア
ンテナ素子と比較すると導電部と非導電部が相補の関係となっていて、すなわち従来例で
はアンテナ素子が導電性のある金属等で構成されその周囲は空隙であるが、本発明ではア
ンテナ素子が従来のアンテナ素子を構成する導電物と同じ形状をした空隙でその周囲が導
電体で構成される。従来例ではアンテナ素子が導電部で構成されておりアンテナ素子以外
の部分ではなるべく導電性のあるものが排除されることが望ましいのに対し、本発明では
アンテナ素子は空隙（スリット１０３）で構成されており、その他の部分が導電性の高い
もので敷き詰められている構成になっている。
【００４２】
よく知られているようにマックスウェルの方程式の電界、磁界の対称性から、このよう
に導電部と非導電部が相補の関係にある場合、電界、磁界が入れ替わった特性のアンテナ
が得られる。線状の導電体によって構成されるアンテナと相補の関係にあるアンテナは導
電体板に線上のスリットを切って構成される。線状の導電体によるアンテナ特性は該線状
導電体に流れる電流によってアンテナの特性を求めることができるが、それと相補の関係
にあるスリットによるアンテナは、スリットに沿って磁流が流れると仮定することによっ
て電界、磁界を入れ替えることにより容易にその特性を求めることができることが知られ
ている。
【００４３】
本実施例では、図１０に示した従来例と相補の関係になるようにスリット１０３を配設
する場合を示した。このようにした場合、従来例では導電性のアンテナ素子から構成され
ているため、その素子近傍に導電性の物体があると大きくその特性が乱れたが、本実施例
では、アンテナ素子としてのスリット１０３は非導電性である。その近傍は導電性の板（
導電層１０２）で取り囲まれており、スリット１０３近傍に導電性の物体が存在してもア
ンテナ特性や放射効率に大きな影響を与えない。したがってこのような構造のアンテナ素
子としてのスリット１０３を集積回路基板１０１上に構成した場合は、アンテナ素子とし
てのスリット１０３の極近傍まで集積回路素子を配設することが可能となり、集積回路基
板１０１上の面積が有効に利用でき集積回路のコストダウンが可能となる。
【００４４】
また本実施例のような、スリット１０３を挟んで対向する受給電点Ａ，Ａ'で受給電す
るアンテナ装置１では、線状素子によるアンテナと電界、磁界が入れ替わった特性である
ので、その規格化放射インピーダンス（真空の特性インピーダンスで規格化したインピー
ダンス）は互いに逆数の関係になる。線状導体素子による小型のアンテナの放射インピー
ダンスは小さくなる傾向にあるのに対し、本実施例のようなスリット１０３によるアンテ
ナ装置１は反対に放射インピーダンス値が上昇する。これは回路側からはむしろ好ましい
特性であり回路とのインピーダンスマッチングの設計が容易となる。
【００４５】
図２に有限積分法により本実施例のアンテナ特性のシミュレーション結果を示す。シミ
ュレーションの諸元は以下のとおりである。上記に示した従来例と相補の関係になるよう
にアンテナ素子寸法や使用する材料の材質はそろえてある。
導電層１０２の材質；アルミニウム、厚さ１μｍ
アンテナ素子（スリット１０３）：全長８．４ｍｍ、幅１０μｍのスリット１０３によ
る折り曲げ磁流ダイポール
絶縁膜１０６；ＳｉＯ2厚さ７μｍ、誘電率＝３．８
集積回路基板１０１；材料＝Ｓｉ、誘電率＝１１、サイズ＝３．３５ｍｍ×３．３５ｍ
ｍ、導電率＝０（ＳＯＩ）
【００４６】
なお、ＳＯＩ構造の絶縁膜１０４の厚さ、シリコン単結晶層（ＳＯＩ層）１０５または
シリコン単結晶層（ＳＯＩ層）１０８の厚さは計算時間短縮のためそれぞれ１μｍとした
。実際はさらに薄いので効率向上などの効果は大きく出ると思われる。また、集積回路基
板１０１のサイズはなるべく相補な形状を得るために図１（ａ）に示すスリット１０３の
中心線から導電層１０２の端までの距離Ｘを４５０μｍとした。
【００４７】
図２（ａ）は反射率Ｓ11を示す。特性２０１は特性インピーダンス５０Ωで給電したと
きのアンテナの受給電点での反射率であり、特性２０２は特性インピーダンスを１０００
Ωとしたときの反射率である。また同図（ｂ）、（ｃ）は同図（ａ）から計算したアンテ
ナの放射インピーダンスを示し、同図（ｃ）は同図（ｂ）の周波数１３ＧＨｚ付近を拡大
した図である。同図においてｒ、ｘ、ｚはそれぞれ放射インピーダンスの実部ｒ、虚部ｘ
、絶対値ｚである。
【００４８】
これらの図からわかるように図１０に示した従来の線状のアンテナ素子を持つアンテナ
と、該アンテナと相補の関係のスリット１０３による本実施例のアンテナ装置１は、ほぼ
同じ７．５ＧＨｚ付近に共振点を有し、その共振点での放射インピーダンスは約１０００
Ωと高い値を示す。このことは上記に述べた真空の特性インピーダンスで規格化した放射
インピーダンスが互いに逆数の関係になることと一致する。また、本実施例では約２倍の
周波数の１３ＧＨｚ付近にも共振点が現れておりこの周波数においてもアンテナとして利
用することができる。
【００４９】
本実施例では正確には図１０に示したアンテナと相補の関係になっていない。相補の関
係になるためには無限大の導体としての導電層１０２が必要である。無限大の導電層１０
２は実際上不可能なため有限の導電層１０２内にスリット１０３を配設することになる。
本実施例のようにアンテナ装置１を集積回路に搭載する場合はそのサイズは極端に小さい
ため本実施例のような形状をとらざるを得ない。図２（ｄ）はスリット１０３から導電層
１０２の端までの距離、すなわち図１（ａ）においてＸで示すスリット１０３の中心線か
ら導電層１０２の端までの距離によってアンテナの反射率特性がどのように変わるかをシ
ミュレーションした結果を示す。スリットの大きさ、形状は一定としＸの値を変えている
。それぞれのＸの値は、特性２０３が２００μｍ、特性２０４が９００μｍ、特性２０５
が１６００μｍ、特性２０６が２３００μｍである。図から読み取れるように、この値に
よってアンテナ特性は大きく変化する。また集積回路のサイズ程度の導電層１０２では相
補の関係のアンテナは作ることができないことも読み取れる。しかしながら、上記に述べ
たように本実施例のようなスリット１０３によって構成するアンテナ装置１では導電物を
アンテナ素子としてのスリット１０３の直近においてもその特性にほとんど影響を与えな
い。アンテナ装置１の効率も高く維持することが可能である。
【００５０】
図９に従来例と本発明による実施例のアンテナ装置１の放射効率を有限積分法によって
シミュレーションした比較結果を示す。特性９０４が本実施例の放射効率を示す。アンテ
ナの受給電回路の入出力インピーダンスと放射インピーダンスとの間にミスマッチがある
とリターンロスが存在するが、同図ではこの分を取り除いて、純粋にアンテナに受給電さ
れるエネルギーと空中に放射あるいは空中から送り込まれるエネルギーの比すなわち放射
効率を示す。
【００５１】
同図からわかるように従来例の特性９０３と同等以上の非常に良好な特性が得られるこ
とがわかる。図２（ａ）では第２の共振点が１３ＧＨｚ付近にあるが、この周波数帯では
数十％以上の放射効率が得られ非常に良好な特性となっている。しかも、スリット１０３
の直近まで半導体素子や導電物をおくことができるので集積回路のコストアップの要因と
ならない。
【００５２】
ただし、このようなスリット１０３によるアンテナ装置１は無限に広い導体としての導
電層１０２を想定しており、上記図２（ｄ）に述べたように、図１（ａ）に示したＸの値
が特性を大きく変化させる。本実施例ではＸ＝４５０μｍとしている。上記に示した従来
例の３つのシミュレーション結果はアンテナ素子から半導体基板の縁までの距離、すなわ
ち本実施例のＸに相当する寸法を１００μｍに設定して得た結果である。
【００５３】
同じ寸法の半導体基板上に本実施例のようなアンテナ装置１を作りこもうとすると、同
程度のＸが必要となり、アンテナの素子の長さが短くなってしまう。そのため共振点が高
いほうにシフトする。同じ周波数に共振点を持たせるためにはさらに折り曲げてスリット
の全長を確保すればよい。ミアンダライン形に折り曲げる、またはコの字形の先端をさら
に内側に折り曲げＣ字形にしてもよい。
【００５４】
上記は公平な比較とするように、なるべく同じ材料を用いかつ素子サイズも同一となる
ように設定している。したがって目的周波数にあわせたチューニング等は行っていない。
そのため、本実施例では具体的な設計仕様にあわせチューニングが可能であり、それを行
うことによってさらに良好な特性を得ることができると考えられる。
【００５５】
本発明のように集積回路のような限られた面積にアンテナ素子とその他の回路素子を集
積化するには最適の構成である。
【実施例２】
【００５６】
図３（ａ）は本発明によるアンテナ装置１の他の実施例の概念を示す図であり、同図（
ｂ）は同図（ａ）に一点鎖線Ｇ−Ｇ'を含む平面で切った断面図である。図１と同じ番号
の振られている部分は実施例１の説明と同じため省略する。
【００５７】
実施例１ではスリット１０３をなるべく広い導電層１０２で囲う構造であったが、この
ような構造は集積回路を構成する際に配線に使う導電層１０２の１層をまるまる使ってし
まうため集積回路の配線の自由度が減り設計が困難になる。この困難を避けるために本実
施例では図３（ａ）に示すように導電層１０２は少なくともスリット１０３の周辺を囲む
こととし、それ以外の任意の領域では同じ層の導電層を他の配線に用いることができる。
スリット１０３を取り囲む導電層１０２は広くなければならないが、本実施例では図に示
すように狭くなっている。この影響を取り除くために導電層１０２を少なくともアンテナ
装置１が使用する周波数において低インピーダンスで集積回路基板１０１上の広い範囲に
わたって分布している導電層に接続する。
【００５８】
例えば図３（ｂ）に示すようにビア３０１を使って集積回路基板１０１上の広い範囲に
わたって導電性のあるシリコン単結晶層（ＳＯＩ層）１０５とコンタクトを取る。シリコ
ン単結晶層（ＳＯＩ層）１０５は集積回路基板１０１上の広い範囲にわたって分布し、し
かも電源電位に固定されている。電源電位は高周波的にも低いインピーダンスで電源線に
固定されていて、結果的に電源線が導電層１０２の面積を拡張する働きをすることになる
。電源線は導電層１０２と同じ層の配線層を用いてもよいし、他の配線層（図示せず）を
用いてもよい。また、電源はプラス側の電源線、接地側の電源線のどちらを用いてもよい
し、その両方に接続してもよい。両方の電源線に接続する場合は直流的にショートしない
ような対策が必要なことは言うまでもない。その方法は容量結合などの従来の方法を使っ
て容易に実現できる。
【００５９】
上記のような方法をとることによりアンテナ装置１の性能を落とさずに配線層の有効活
用を図ることができる。
【実施例３】
【００６０】
図４に第３の実施例を示す。同図（ａ）は本実施例の斜視図であり、同図（ｂ）は本実
施例のアンテナ装置１と相補の関係にあるアンテナを示す図である。図１と同じ番号の振
られている部分は実施例１の説明と同じため省略する。
【００６１】
本実施例ではスリット１０３を図に示すようにＨ字形に刻んだものである。このように
スリット１０３を配設すると、磁流の多く流れるスリットの中央部分の両サイドが広い導
電層１０２で囲まれ能率のよいアンテナ装置１を構成することができる。
【００６２】
図４（ｂ）に示すように本実施例のアンテナ装置１と相補のアンテナはＴ字形の素子４
０１を２つ、受給電点４０２を挟んで置いたダイポールである。
【００６３】
スリット１０３をこのように中央に配設すると、集積回路が２つに分断され集積回路設
計がしにくくなると思われるかもしれない。しかしながら実際にシミュレーションしてみ
ると、スリット１０３をまたぐ配線や、スリット直下に集積回路素子が多少あっても極端
にアンテナ性能が低下することがないことがわかる。本発明の目的は０．０１〜０．１％
程度と極端に悪いアンテナの放射効率を如何に改善するかということであった。この目的
から言えば効率は数％まで上げるのは容易で十分な効果が得られる。
【００６４】
図９の特性９０５に本実施例の放射効率を示す。磁流の多く流れる受給電点付近を中央
に置いたため放射効率が実施例１よりもさらによくなっていることがわかる。アンテナ素
子から集積回路基板１０１の縁までの距離（実施例１のＸに相当）は実施例１と同じ４５
０μｍである。またアンテナ素子のサイズは従来例や実施例１と同じ占有面積となるよう
に、すなわちアンテナ素子を内包する最小の正方形の一辺の長さが２．８ｍｍに設定し、
またその他の諸元は上記実施例１のシミュレーション諸元に準じた。そのためこのアンテ
ナ装置１はダイポール素子の等価的な長さが実施例１に比較して短くなっているが低い周
波数でも良好な特性が得られている。シミュレーション結果でも共振周波数は上記従来例
や本発明に基づく実施例１よりもわずかながら上昇したもののほとんど変化しなかった。
【実施例４】
【００６５】
図５に第４の実施例を示す。同図（ａ）は本実施例の斜視図であり、同図（ｂ）は本実
施例のアンテナ装置１と相補の関係にあるアンテナを示す図である。図１または図４と同
じ番号の振られている部分は実施例１と同じため省略する。
【００６６】
本実施例のアンテナ装置１は集積回路基板１０１上の導電層１０２にループ上のスリッ
ト１０３を形成してこれをアンテナ素子として使用するものである。受給電部を受給電点
Ａ，Ａ'とすると、これと相補の関係にあるアンテナは同図（ｂ）に示すようなループア
ンテナとなる。このようにスリット１０３をループ状に切った場合、導電層１０２はスリ
ットによって分離されるため、受給電点Ａ，Ａ'から見たアンテナ素子側のインピーダン
スは直流で無限大となる。これは実施例１〜３のアンテナ装置１のように受給電点Ａ，Ａ
'が直流的に短絡されている場合に対して以下のような利点を有する。すなわち、上記例
では接続される受給電回路のバイアスを短絡してしまうため直流をカットするコンデンサ
などを必要とする場合があったが、本実施例ではその必要がなくなり受給電回路の設計が
容易になる。
【００６７】
図９の特性９０６は本実施例の放射特性を示す。アンテナ素子から集積回路基板１０１
のふちまでの距離（上記Ｘに相当）は上記と同じ４５０μｍである。またアンテナ素子の
サイズは実施例１、実施例３と同じ占有面積となるように、すなわちアンテナ素子を内包
する最小の正方形の一辺の長さが２．８ｍｍとなるように設定した。ダイポールアンテナ
がアンテナ素子全長が１／２波長で共振するのに対し、一般にループ状のアンテナではル
ープ全長が一波長となる周波数で共振する。このため本実施例では共振点が１２ＧＨｚ付
近に上昇している。その付近の周波数では顕著な放射効率の改善が見られる。
【実施例５】
【００６８】
図６に第５の実施例を示す。同図（ａ）は本実施例の斜視図であり、同図（ｂ）は本実
施例のアンテナ装置１と相補の関係にあるアンテナを示す図である。図６（ｃ）、（ｄ）
は断面図を示す。同じ番号の振られている部分は実施例１の説明と同じため省略する。
【００６９】
上記でスリット１０３を配設する導体としての導電層１０２はなるべく大きくする必要
があること、また集積回路基板１０１上にそれを実現することは困難であることを説明し
た。本実施例ではこの問題を解決するために集積回路チップ６０２の外側に取り囲む導体
としての第２の導電板６０１を配設するものである。すなわち図６（ａ）に示すように、
スリット１０３をアンテナ素子として集積された集積回路チップ６０２を取り囲むように
、取り囲む導体としての第２の導電板６０１を置き、集積回路チップ６０２と第２の導電
板６０１との間にできる第２のスリット６０３もアンテナ装置１の無給電素子として利用
する。すなわち、図６（ｂ）に示すような、受給電ポート６０５によって受給電される折
り曲げダイポール６０４と４角形のループ状の無給電素子６０６より少なくともなるアン
テナと相補の関係にあるアンテナ装置１が構成される。
【００７０】
第２の導電板６０１は集積回路基板１０１の外に形成するため十分な大きさをとること
が可能となり、アンテナ装置１の設計を容易にする。またアンテナ装置１の電気的なサイ
ズも大きくすることが可能となりアンテナ特性を広帯域にし、また低い周波数での使用を
可能にする効果もある。
【００７１】
図６（ｃ）は集積回路チップ６０２と第２の導電板６０１とをプリント基板６０７に実
装して第２のスリット６０３を形成する方法を例示する断面図である。集積回路基板１０
１上のスリット１０３によるアンテナ素子と、導電層１０２と第２の導電板６０１上のプ
リントパターン６１０との間で第２のスリット６０３を構成し、この第２のスリット６０
３を無給電素子とする。
【００７２】
同図はまた一緒に集積化される回路への入出力信号の取り出し方法も例示している。こ
れらの信号はボンディングワイヤ６１２により取り出して、第２の導電板６０１上のプリ
ントパターン６０８へビア６１１を通じて接続される。本実施例では第２の導電板６０１
を広く取るためにボンディングワイヤ６１２がボンディングされるパッドはなるべく小さ
くし、すぐにビア６１１を通して第２の導電板６０１の裏面に設けられたもう一層のプリ
ントパターン６０８に接続している。なお絶縁層６０９は２層のプリントパターン６１０
，６０８を分離するための絶縁層６０９である。
【００７３】
集積回路基板１０１側のボンディングワイヤ６１２がボンディングされるパッドは、ス
リット１０３によるアンテナ素子を構成する集積回路基板１０１上の導電層１０２によっ
て構成することが可能である。図はこのように同じ導電層１０２を用いてワイヤボンディ
ング用のパッドを形成した場合を例示している（導電層１０２が２箇所に振られている）
。
【００７４】
このように導電層１０２または第２の導電板６０１上にボンディングパッド等の余計な
パターンが存在したり、また第２のスリット６０３をまたいで導電性の物体すなわちボン
ディングワイヤ６１２が存在する場合、アンテナ特性は影響を受けるが、これらの影響は
大きくなくアンテナ装置１の放射効率を上げるという当初の目的からは無視できる。
【００７５】
図６（ｄ）に上記とは異なる他の実装方法をもう一つ例示する。本実施例ではワイヤボ
ンディングではなくバンプ６１６によって集積回路への信号入出力を取り出し、プリント
パターン６０８に接続している。第２のスリット６０３は同図（ｃ）と同様に、第２の導
電板６０１に配設されたプリントパターン６１０と、集積回路基板１０１上の導電層１０
２によって構成される。この場合も第２のスリット６０３を横切る形で導電性のプリント
パターン６０８が存在するがアンテナ特性への影響を緩和するためになるべく細い線を使
用することが望ましい。アンテナ特性への影響はアンテナ装置１の放射効率を上げるとい
う当初の目的からは無視できる程度に抑制することは容易である。
【００７６】
図９の特性９０７に本発明による実施例５の放射特性を示す。実施例１に対し取り囲む
導体としての第２の導電板６０１を配設しただけでこのように周波数全域にわたり２桁程
度の顕著な放射効率の改善が見られる。
【００７７】
なお、第２の導電板６０１と、集積回路基板１０１上の導電層１０２によって作られる
第２のスリット６０３を無給電のアンテナ素子とする場合の説明を行ったが、この第２の
スリット６０３に給電してもよい。その場合は上記実施例４と同じ形のループアンテナが
第２のスリット６０３で形成されることになり、よりサイズの大きな、また広い外側導体
が使用でき、より低い周波数でも動作するより特性の良いアンテナ装置１を構成すること
ができる。第２のスリット６０３に給電するには図６（ｃ）または図６（ｄ）に示すよう
なボンディングワイヤ６１２またはバンプ６１６によって信号を第２の導電板６０１に接
続することによって容易に実現できる。
【実施例６】
【００７８】
図７に本発明によるアンテナ装置１の実施形態をさらに２例示す。これらのアンテナ装
置１は、アンテナの放射インピーダンスの調整が可能であり回路のインピーダンスマッチ
ングを容易にする。
【００７９】
図７（ａ）に示すアンテナ装置１は同図（ｂ）に示すような折り返しダイポールアンテ
ナを折り曲げたアンテナと相補のアンテナを集積回路基板１０１上に形成するものである
。折り返しダイポールアンテナはよく知られているように両端を短絡した平行伝送線路の
中央から給電するダイポールアンテナである。図７（ｂ）において、受給電部は受給電点
Ｂ，Ｂ'となる。この折り返しダイポールアンテナを集積回路基板１０１上に収納できる
ように図に示すように折り曲げ、相補の関係となるように集積回路基板１０１上に形成す
る。すなわちコの字型にスリット７０１を平行に２本配設し、さらに先端をスリット７０
１でつなぎ、同図（ａ）に示すような形のスリット７０１によるアンテナ素子を形成し、
受給電部を受給電点Ａ，Ａ'とする。このようにした場合、アンテナ装置１の放射インピ
ーダンスは内側と外側のスリット７０１の幅、すなわち図に示す幅ｗ１と幅ｗ２との比に
よって変更することが可能である。幅ｗ１は内側のスリット幅であり、この場合給電点の
スリット幅に等しい。これらの幅ｗ１，ｗ２は容易に変更が可能であるので放射インピー
ダンスを自由に設定することが可能となり回路とのマッチング設計を容易にする。
【００８０】
また導電層は内側導電層７０３と外側導電層７０２に分離され、直流的には絶縁される
ため回路へのバイアス設定などが容易になる。
【００８１】
図７（ｃ）はアンテナの放射インピーダンス調整が可能な本発明によるアンテナ装置１
の他の例を説明する図であり、同図（ｄ）はそのアンテナと相補の関係にあるアンテナを
示す。本実施例のアンテナ装置１は、集積回路チップ７２０と、集積回路チップ７２０を
取り囲む導体としての第２の導電板７０７とによって構成されている。集積回路チップ７
２０は、集積回路基板１０１上の導電層７０６，７０８によって形成されるスリット７０
５を備えている。実施例５と同様の方法、すなわち集積回路チップ７２０の集積回路基板
１０１上の導電層７０６，７０８と集積回路チップ７２０を取り囲む導体としての第２の
導電板７０７とによってループ状のスリット７１１が形成されている。受給電部は受給電
点Ｃ，Ｃ'である。
【００８２】
このアンテナ装置１と相補の関係にあるアンテナは同図（ｄ）に示すようなループ状の
導体７０９とスタブ７１０によって構成され、受給電部は受給電点Ｄ，Ｄ'となる。この
スタブ７１０の接続点の位置すなわち図中長さｄで示す寸法を変えることによってアンテ
ナの放射インピーダンスを絵変更することが可能である。
【００８３】
同様に同図（ｄ）のアンテナと相補の関係にある本実施例のアンテナ装置１においてス
リット７０５とスリット７１１との接続点の位置すなわち図中長さｄで示す寸法を変える
ことによってアンテナの放射インピーダンスを変更することができる。この寸法は容易に
変更が可能であるので放射インピーダンスをある程度自由に設定することが可能となり回
路とのマッチング設計が容易になる。また同図（ａ）と同様に、導電層は２つの導電層７
０６と導電層７０８とに分かれているため、直流的には絶縁されている。このためバイア
ス設定などの自由度が増し受給電回路の設計が容易になる。
【実施例７】
【００８４】
上記の実施例１〜６では高抵抗基板を用いたＳＯＩ構造の集積回路を用いる場合を例に
説明した。本実施例ではＳＯＩ構造でない通常のＣＭＯＳプロセスで本発明によるアンテ
ナ装置１を実施する例を示す。
【００８５】
図８にその断面図を示す。上記実施例１〜６で述べたのと同様に集積回路基板８０２上
の配線を行うための導電層８０１によってスリット８０６を形成しアンテナ素子とする。
集積回路基板８０２としてはシリコンなどの高抵抗基板を使用し、不純物を打ち込みなど
によってＰウェル８０３、Ｎウェル８０４を集積回路基板８０２上に選択的に作りこみ、
その中に集積回路を構成するトランジスタなどの素子を構成する。打ち込む不純物の種類
によってＰウェル８０３、Ｎウェル８０４が構成され、それぞれその中にＮチャネル、Ｐ
チャネルのトランジスタを作る。高抵抗基板を使用する場合はＮ、Ｐ、２種類のウェルを
作るダブルウェル構造とすることによってＣＭＯＳ構造の集積回路を作りこむことが可能
である。
【００８６】
アンテナ素子としてのスリット８０６の直下にウェルを作らなければアンテナ素子近傍
は導電性の物体がなく能率のよいアンテナ装置１を構成することが可能となる。なお絶縁
層８０５はＰウェル８０３、Ｎウェル８０４やその中に形成された集積回路素子等と配線
するための電源線８１１，８１２を分離する絶縁層８０５である。
【００８７】
スリット８０６を構成する導電層８０１はできる限り広く取ることが望ましい。配線の
ための導電層が複数作りこまれる場合は、そのうちの１層を使って集積回路基板８０２の
全面積を覆うのも一法であるが、このような方法が取れない場合は基板上の広い範囲にわ
たって等価的に等電位になる部分を利用する。例えば電源線などであり、プラス側の電源
線８１１は、Ｎウェル８０４に高濃度のＮ型半導体８０９およびビア８１０を通じて接続
されている。またマイナス側の電源線８１２はＰウェル８０３に高濃度のＰ型半導体８０
８およびビア８０７を通じて接続されている。図ではウェル、ビアおよび高濃度のＮ型半
導体またはＰ型半導体はそれぞれひとつしか図示していないが、実際は集積回路基板８０
２上の広い範囲にわたって分布し、インピーダンスはできる限り低くして等電位を保つよ
う設計される。またプラス側およびマイナス側の２つの電源線８１１，８１２も高周波的
には同電位になるように設計されるため、電源線８１１，８１２のどちらか一方にスリッ
ト８０６を形成する導電層８０１を接続すれば広い範囲の等電位面を確保できる。本実施
例では導電層８０１はマイナス側の電源線８１２に接続した場合を例示した。
【００８８】
本発明の上記構成によれは低濃度基板を使用してＳＯＩによらなくてもＣＭＯＳ型の集
積回路基板１０１，８０２上に高効率のアンテナ装置１を実現できる。
【００８９】
本発明はＳＯＩまたはＣＭＯＳによる集積回路プロセスを例に説明したがこれに限定さ
れるものではなく、例えばＢｉＣＭＯＳやバイポーラ集積回路プロセスを用いても同様の
実施が可能である。本発明の上記構成によれば集積回路基板上に無線通信のための送受信
回路とともにアンテナ装置１も低コストで組み込みが可能となりスペースの節約や機器の
部品コストの削減、信頼性の向上に大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施例１の構造を説明する図。
【図２】本発明の実施例１の特性を説明する図。
【図３】本発明の実施例２の構造を説明する図。
【図４】本発明の実施例３の構造を説明する図。
【図５】本発明の実施例４の構造を説明する図。
【図６】本発明の実施例５の構造を説明する図。
【図７】本発明の実施例６の構造を説明する図。
【図８】本発明の実施例７の構造を説明する図。
【図９】本発明の実施例と従来の技術によるアンテナ装置の特性を比較する図。
【図１０】従来の集積回路上に構成したアンテナ装置の構造を説明する図。
【図１１】従来の他の集積回路上に構成したアンテナ装置の構造を説明する図。
【符号の説明】
【００９１】
１…アンテナ装置、１０１，８０２…集積回路基板、１０２，７０６，７０８，８０１
…導体としての導電層、１０３，７０１，８０６…アンテナ素子としてのスリット、６０
２…集積回路チップ、６０３…アンテナ素子としての第２のスリット、６０１，７０７…
集積回路基板を取り囲む導体としての第２の導電板、８０３…Ｐウェル、８０４…Ｎウェ
ル、１０５…ドープを行うシリコン単結晶層としてのシリコン単結晶層（ＳＯＩ層）、１
０８…ドープを行わないシリコン単結晶層としてのシリコン単結晶層（ＳＯＩ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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