(57)【要約】本出願は、集積回路と一緒に形成されたフィードバック発振器装置（１０）を開示する。このフィードバック発振器装置は、接地面上に半導体材料基板を有している。この回路は、入力および出力を有して少なくとも部分的に前記半導体材料基板上に設けられた増幅器（１７）を有している。方向性結合器（１８）が、平行離間伝送線路（１８’、１８’’）伝達システムおよびバラクタなどのキャパシタ（２１）によって増幅器出力信号を増幅器入力に結合させるために使用される。前記基板は、ガリウムヒ素であってよい。
2006507719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路と一緒に形成されたフィードバック発振器装置であって、
・自身の動作主表面と反対側に位置する自身の等電位主表面上に、導電接地面を有している半導体材料基板、
・入力および出力を少なくとも部分的に前記半導体材料基板上に、該半導体材料基板の前記動作表面に設けて有しており、前記入力に生じている信号を代表する信号を前記出力にもたらすことができる増幅器、および
・或る選択された入力長さの細長い入力コンダクタを有し、さらに或る選択された出力長さの細長い出力コンダクタを有している結合器であって、前記入力コンダクタが、前記半導体基板の前記動作表面に設けられ、一端が前記増幅器出力に電気的に接続されており、前記出力コンダクタが、前記半導体基板の前記動作表面に、前記入力長さが前記出力長さと事実上平行である状態で前記入力コンダクタと密に隣接して配置され、一端が前記増幅器入力に電気的に接続されている結合器
からなる装置。
【請求項２】
前記半導体材料基板が、ガリウムヒ素で形成されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記結合器出力コンダクタを前記増幅器入力へと電気的に接続するキャパシタをさらに有している請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記結合器出力コンダクタを前記増幅器入力へと電気的に接続する伝達システムをさらに有しており、
該伝達システムが、
前記半導体基板の前記動作表面に設けられ、実質的に一端が前記動作表面において前記結合器出力コンダクタに電気的に接続される一方で、前記他端においては前記動作表面上の他の構造への他の接続がなされていない或る選択された入力長さの細長い入力コンダクタ、および
前記半導体基板の前記動作表面に設けられ、実質的に一端が前記動作表面において前記増幅器入力に電気的に接続される一方で、前記他端においては前記動作表面上の他の構造への他の接続がなされていない或る選択された出力長さの細長い出力コンダクタ
を有している請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記増幅器が、
第１および第２の終端領域ならびに制御領域を有し、該制御領域により電気的活性化によって、前記第１および第２の終端領域の間に或る選択された導電性の導電経路を実効的にもたらすように導かれることができ、前記第１および第２の終端領域のうちの選択された１つが前記増幅器出力へと接続され、前記制御領域が前記増幅器入力へと接続されているトランジスタ
からなる請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記結合器入力コンダクタが、一端が前記増幅器出力へと電気的に接続された連続的な部分を前記動作表面上に有し、さらに前記動作表面上の一続きの導電パッドからなる入力延長部を他端に接続して有しており、
該一続きの導電パッドが、該導電パッド間に比較的容易に除去できる部位を有する持ち上げられたコンダクタによって相互接続されており、
前記結合器出力コンダクタが、一端が前記増幅器入力へと電気的に接続された連続的な部分を前記動作表面上に有し、さらに前記動作表面上の一続きの導電パッドからなる出力延長部を他端に接続して有しており、
該一続きの導電パッドが、該導電パッド間に比較的容易に除去できる部位を有する持ち上げられたコンダクタによって相互接続されている
請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記キャパシタが、コンダクタが接続されてなるバラクタによって形成され、該コンダクタを通じて、低周波電圧を前記バラクタの半導体材料接合を横切ってさらにもたらすことができる請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記伝達システム出力コンダクタを前記増幅器入力へと電気的に接続するキャパシタをさらに有している請求項４に記載の装置。
【請求項９】
前記伝達システム入力コンダクタが、一端が前記結合器出力コンダクタへと電気的に接続された連続的な部分を前記動作表面上に有し、さらに前記動作表面上の一続きの導電パッドからなる入力延長部を他端に接続して有しており、
該一続きの導電パッドが、該導電パッド間に比較的容易に除去できる部位を有する持ち上げられたコンダクタによって相互接続されており、
前記伝達システム出力コンダクタが、一端が前記増幅器入力へと電気的に接続された連続的な部分を前記動作表面上に有し、さらに前記動作表面上の一続きの導電パッドからなる出力延長部を他端に接続して有しており、
該一続きの導電パッドが、該導電パッド間に比較的容易に除去できる部位を有する持ち上げられたコンダクタによって相互接続されている
請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
前記半導体材料基板が、ガリウムヒ素から形成されている請求項５に記載の装置。
【請求項１１】
前記トランジスタが、高電子移動度トランジスタである請求項５に記載の装置。
【請求項１２】
前記トランジスタにおいて、前記第１および第２の終端領域のうちの残りの１つが、前記導電接地面へと接続されたインダクタンスを有している請求項５に記載の装置。
【請求項１３】
前記結合器出力コンダクタを前記増幅器入力へと電気的に接続する伝達システムをさらに有しており、
該伝達システムが、
前記半導体基板の前記動作表面に設けられ、実質的に一端が前記動作表面において前記結合器出力コンダクタに電気的に接続される一方で、前記他端においては前記動作表面上の他の構造への他の接続がなされていない或る選択された入力長さの細長い入力コンダクタ、および
前記半導体基板の前記動作表面に設けられ、実質的に一端が前記動作表面において前記増幅器入力に電気的に接続される一方で、前記他端においては前記動作表面上の他の構造への他の接続がなされていない或る選択された出力長さの細長い出力コンダクタ
を有しており、
前記伝達システム入力コンダクタが、一端が前記結合器出力コンダクタへと電気的に接続された連続的な部分を前記動作表面上に有し、さらに前記動作表面上の一続きの導電パッドからなる入力延長部を他端に接続して有しており、
該一続きの導電パッドが、該導電パッド間に比較的容易に除去できる部位を有する持ち上げられたコンダクタによって相互接続されており、
前記伝達システム出力コンダクタが、一端が前記増幅器入力へと電気的に接続された連続的な部分を前記動作表面上に有し、さらに前記動作表面上の一続きの導電パッドからなる出力延長部を他端に接続して有しており、
該一続きの導電パッドが、該導電パッド間に比較的容易に除去できる部位を有する持ち上げられたコンダクタによって相互接続されている
請求項６に記載の装置。
【請求項１４】
前記キャパシタが、コンダクタが接続されてなるバラクタによって形成され、該コンダクタを通じて、低周波電圧を前記バラクタの半導体材料接合を横切ってさらにもたらすことができる請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記トランジスタが、擬似形態高電子移動度トランジスタである請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記伝達システム出力コンダクタを前記増幅器入力へと電気的に接続するキャパシタをさらに有している請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記キャパシタが、コンダクタが接続されてなるバラクタによって形成され、該コンダクタを通じて、低周波電圧を前記バラクタの半導体材料接合を横切ってさらにもたらすことができる請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
集積回路と一緒に形成されたフィードバック発振器装置であって、
・自身の動作主表面と反対側に位置する自身の等電位主表面上に、導電接地面を有している半導体材料基板、
・入力および出力を少なくとも部分的に前記半導体材料基板上に、該半導体材料基板の前記動作表面に設けて有しており、前記入力に生じている信号を代表する信号を前記出力にもたらすことができる増幅器、ならびに
・前記半導体基板の前記動作表面に設けられ、実質的に一端が前記動作表面において前記増幅器出力に電気的に接続される一方で、前記他端においては前記動作表面上の他の構造への他の接続がなされていない或る選択された入力長さの細長い入力コンダクタ、および、前記半導体基板の前記動作表面に設けられ、実質的に一端が前記動作表面において前記増幅器入力に電気的に接続される一方で、前記他端においては前記動作表面上の他の構造への他の接続がなされていない或る選択された出力長さの細長い出力コンダクタ、を有している伝達システム
からなる装置。
【請求項１９】
前記半導体材料基板が、ガリウムヒ素で形成されている請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記伝達システム出力コンダクタを前記増幅器入力へと電気的に接続するキャパシタをさらに有している請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記増幅器が、
第１および第２の終端領域ならびに制御領域を有し、該制御領域により電気的活性化によって、前記第１および第２の終端領域の間に或る選択された導電性の導電経路を実効的にもたらすように導かれることができ、前記第１および第２の終端領域のうちの選択された１つが前記増幅器出力へと接続され、前記制御領域が前記増幅器入力へと接続されているトランジスタ
からなる請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記キャパシタおよび前記伝達システムが、それらと直列に、共振周波数において極端なインピーダンス値を呈する周波数依存のインピーダンスを有する回路部分を有している請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記トランジスタにおいて、前記第１および第２の終端領域のうちの残りの１つが、前記導電接地面へと接続されたインダクタンスを有している請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記キャパシタが、コンダクタが接続されてなるバラクタによって形成され、該コンダクタを通じて、低周波電圧を前記バラクタの半導体材料接合を横切ってさらにもたらすことができる請求項２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
本発明は、電子回路発振器に関し、さらに詳しくは、ミリメートル波長で発振する電子回路発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振回路は、極性一定の電源供給の一部を周期信号の入力を必要とすることなく周期信号の出力に変換することによって、周期的な電気信号を生成する。したがって、高周波数の発振器は、多くの種類の高動作周波数システムのミリメートル波およびマイクロ波エネルギー源である。すなわち、高周波の発振器は、正確に制御された周波数源として、通信システムにおいて周波数変換および変調信号のための搬送波生成に使用されることがしばしばである。
【０００３】
高周波回路および高周波システムにおける進歩によって、より良好な動作の発振器へのニーズが高まっている。高周波発振器の使用から生じる問題のいくつかは、出力信号の振幅安定性および位相ノイズ、すなわち発振周波数における所望の周波数からのばらつきであり、ときには手作業による相互接続を必要とする複数の構成部品を装置のハウジング内の或る領域にわたって取り付けることを必要とする混成回路を構成するための必要性ゆえの比較的大きくかつ高価につく発振システムであり、温度変化にともなう性能の変化であり、さらには、さまざまな環境における使用時の信頼性である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さらに、多くの用途において発振器は、ユーザによって所望のとおり周波数を変化させることができるよう、自身の出力信号の周波数に関し調律可能でなければならない。調律可能な発振器において遭遇するさらなる問題は、比較的狭い調律周波数帯域幅であり、制御変数に対する調律周波数の非線形な変化であり、さらには、出力信号の周波数および振幅が調律制御変数によって加えられた変更に追従するまでの長い設定時間である。このように、このような問題を軽減するための優れた高周波数発振器への要望が存在し、とくに高周波数の調律可能発振器が呈する前記さらなる問題を軽減できる高周波数の調律可能発振器への要望が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の概要
本発明は、集積回路と一緒に形成されたフィードバック発振器装置であって、自身の動作主表面と反対側に位置する自身の等電位主表面上に導電接地面を有する半導体材料基板で形成されている装置を提供する。入力および出力を有する増幅器が、少なくとも部分的に前記半導体材料基板の前記動作表面に設けられ、入力に生じている信号を代表する信号を出力にもたらすことができる。結合器が、或る選択された入力長さの細長い入力コンダクタを有し、さらに或る選択された出力長さの細長い出力コンダクタを有しており、入力コンダクタが、前記半導体基板の動作表面に設けられ、一端が増幅器出力に電気的に接続されており、出力コンダクタが、半導体基板の動作表面に、入力長さが出力長さと事実上平行である状態で入力コンダクタと密に隣接して設けられている。出力コンダクタは、一端が増幅器入力に電気的に接続されている。
【０００６】
さらに、結合器出力コンダクタを増幅器入力へと電気的に接続するため、伝達システムを設けることができる。この伝達システムは、半導体基板の動作表面上に設けられ、一端が実質的に動作表面上で結合器出力コンダクタへと電気的に接続される一方で、他端においては動作表面上の他の構造への他の接続がなされていない或る選択された入力長さの細長い入力コンダクタを有している。さらに、この伝達システムは、半導体基板の動作表面上に設けられ、一端が実質的に動作表面上で増幅器入力へと電気的に接続される一方で、他端においては動作表面上の他の構造への他の接続がなされていない或る選択された出力長さの細長い出力コンダクタを有している。
【０００７】
前記伝達システムおよび結合器を増幅器入力へと電気的に接続するため、キャパシタを使用することができる。増幅器はトランジスタからなり、半導体基板は、典型的にはガリウムヒ素であり、あるいは他の高移動度の半導体材料基板である。バッファ増幅器を、発振器と一緒に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
詳細な説明
高周波出力信号を供給することができる発振器回路は、すでにさまざまな電子デバイスを使用して実現されてきている。１ポートの負性抵抗発振器が、インパット（ＩＭＰＡＴＴ）ダイオードやガン（Ｇｕｎｎ）ダイオードなど、バイアスを加えて負の実数部を有するインピーダンスをもたせることができる能動デバイスを使用している。しかしながら、これらの発振器は、通常は、回路部品を支持する基板を複数備える混成モジュールとして形成され、その結果、通常は、発振器回路の実装に比較的大きな寸法を要し、比較的高コストになってしまう。これに代えて、さまざまな種類の高周波トランジスタのうちの１つを能動デバイスとして使用する発振器回路を、２ポートの回路として考えることができ、あるいは、潜在的に不安定なトランジスタを不安定領域で動作するよう強いるインピーダンスとともに使用し、さらに当該デバイスをさらに不安定にするため正のフィードバックをしばしば使用する１ポートの負性抵抗回路として実効的に考えることができる。本発明は、そのように実装された回路の物理的寸法および製造コストの両者を低減するべく、そのような回路を半絶縁性ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を使用するモノリシック集積回路チップに形成するのに適しているため、このようなトランジスタを基礎とする発振器回路に関係する。代案として、インジウムリンまたは他の高移動度の半導体材料基板を、ＧａＡｓに代えて使用することができる。
【０００９】
図１は、本発明の発振器システムを構成するために使用される部品配置および部品の相互接続の概略を、モノリシック集積回路チップ１０の模式的表示とともに示している。図２は、モノリシック集積回路チップ１０の上面図であり、ＧａＡｓベースのチップに実装される発振器システムについて考えうる物理的レイアウトを有している。チップ１０が、回路部品および部品の相互接続のための基板を形成している。この基板は、典型的には１２．９の比誘電率すなわち誘電値および６×１０−４の損失正接値を呈するＧａＡｓ材料の厚さ１００μｍの層１１からなる。
【００１０】
接地面導電層１２がＧａＡｓ層１１の裏側に形成され、したがって目に見えない等電位表面が、ＧａＡｓ層１１の動作表面１０’と対向する背面主表面として設けられている。この導電層は、まず、その付着特性のために表面にチタンのきわめて薄い層を設け、その上に次の層の拡散防止のための白金のきわめて薄い層を被覆し、次の層として環境における化学的攻撃による劣化によく耐える金の層を設けることによって形成される。層１２は図１にのみ示されているが、この図に示されている接地表示記号１３によって、接地電位にあることも示されている。層１１のヴィア開口を通じての金属化相互接続によって形成される接地面１３への他の接続も、やはり符号１３で示されている。
【００１１】
電力は、チップ１０の発振器システムの発振器回路部へと、動作表面１０’上にいくつかある金属の金の電圧供給パッド１４、１４’、１４’’、１４’’’および１４ｉｖのそれぞれにおいて供給される。これら電圧供給パッドのそれぞれに関し、（ａ）チップ１０の発振器システムにおいて生じる発振性の電気信号が、これらのパッドへと電気的に接続された通常使用されている極性一定の定電圧電源へと持ち込まれることがないようにし、（ｂ）急激な電圧値変動や電源ノイズが、それら電圧供給源からチップ１０の発振器システムに結合することがないようにするため、減結合回路網が使用される。したがって、これら電源から広がるそのような電圧値変動はすべて、動作表面１０’に形成され電圧供給パッド１４’、１４’’、１４’’’および１４ｉｖの対応する１つと接地との間に接続されている対応するキャパシタによって接地へと流されるが、それらはそれぞれキャパシタ１５、１５’、１５’’、１５’’’および１５ｉｖである。これらの電圧供給パッド用キャパシタのそれぞれは、製造を便利にするため、２つの別個の並列のキャパシタに分割される。
【００１２】
さらに、動作表面１０’上に、４つの比較的長い金属の金の相互接続伝送線路１６、１６’、１６’’、１６’’’および１６ｉｖが形成され、それぞれが、電圧供給パッド１４’、１４’’、１４’’’および１４ｉｖの対応する１つから延び、チップ１０の発振器回路と電圧供給パッドに電気的に接続された電圧供給源との間に高周波信号の遮断をもたらすため、高周波において実効的にインダクタとして振る舞う。これらの図に示す他の相互接続構造のすべても、チタン、白金および金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の層で構成される。
【００１３】
これらの図面に示されている発振器システムの発振器回路部を動作させるための電力Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕは、典型的には、供給電圧出力を電圧供給パッド１４、１４’および１４’’に電気的に接続して有する定電圧電源によって供給される。この発振器回路は、ここではゲート、ドレイン、およびソースを有する擬似形態高電子移動度トランジスタ（ＰＨＥＭＴ）によってもたらされているインアクティブ３端子トランジスタ・デバイス１７、および、ここでは方向性結合器として機能するストリップ線路結合器１８によってもたらされている主共振周波数決定器にもとづいている。結合器１８は、細長い入力マイクロストリップ・コンダクタ１８’を、ＰＨＥＭＴ１７のドレインに電気的に接続して有している。さらなる細長い出力マイクロストリップ・コンダクタ１８”が、入力コンダクタ１８’から出力コンダクタ１８”への高周波信号の結合を可能にしつつ、ゼロ周波数の電流がそれらの間を流れることがないようにするため、入力コンダクタ１８’と平行に密に近接して設けられている。
【００１４】
ＰＨＥＭＴ１７のドレインからゲートまでの発振器回路のフィードバック経路の残りの部分は、一対のマイクロストリップ伝送線路セグメント１９および２０として一体に機能するよう動作表面１０’上に形成された一対の細長いＴｉ／Ｐｔ／Ａｕコンダクタによってもたらされており、マイクロストリップ伝送線路セグメント１９が、ストリップ線路結合器１８の出力マイクロストリップ・コンダクタ１８”に電気的に接続されている。マイクロストリップ伝送線路セグメント１９は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの冒頭部連続ストリップから形成されており、この冒頭部連続ストリップが、互いに分離しているが相互接続されている一続きのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ線路パッドで延長されている。これらＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ線路パッドの相互接続は、これらの上方に掲げられた金の連続コンダクタによってもたらされており、この金の連続コンダクタによって、各線路パッドが次の線路パッドおよび冒頭部連続ストリップへと相互接続され、複合細長コンダクタが形成されている。このような掲げられたコンダクタによって相互接続された一連の線路パッドは、空中ブリッジ線路または空中ブリッジ・コンダクタと呼ばれ、掲げられた線路による各線路パッド間の相互接続を便利に破壊、または他の方法で除去できるように使用され、これにより、掲げられたコンダクタの破壊位置よりも遠い側にある線路パッドを、マイクロストリップ伝送線路セグメント１９を構成している細長い複合コンダクタから除くことができ、マイクロストリップ伝送線路セグメント１９を短くすることができる。
【００１５】
一方、マイクロストリップ伝送線路セグメント２０は、全体が空中ブリッジ線路または空中ブリッジ・コンダクタで形成され、すなわち細長コンダクタを形成するため、互いに分離しているが掲げられた連続金コンダクタによって相互接続されているＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ線路パッドで全体が構成されている。マイクロストリップ伝送線路セグメント２０の一端は、図１においてバラクタ２１に相互接続されている。図２において、マイクロストリップ伝送線路セグメント２０は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ取り付けパッド２１’に接続され、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ取り付けパッド２１’は、さらなるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕバラクタ相互接続パッド２１’’から離間して位置している。バラクタ２１は、或る一実装例では実際には集積回路チップ１０の構造に一体化されていないため図２には示されておらず、したがってこれらのパッドをはっきりと見ることができる。代わりに、そのような実装例におけるバラクタ２１は、片側を取り付けパッド２１’に取り付け、すなわち相互接続して有し、もう片側から相互接続パッド２１’’へと延びる相互接続を備えている。この構成を、以下でさらに説明する。
【００１６】
バラクタ２１は、図１のインダクタ２２の一端に接続されており、インダクタ２２は、図２に示すとおり動作表面１０’上に設けられ、やはり符号２２で示されている引き延ばされたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ相互接続線によって形成されており、相互接続線は、高周波においてインダクタとして振る舞う。インダクタ２２は、バラクタ２１に接続されていない端部を、動作表面１０’に形成された結合キャパシタ２３によってＰＨＥＭＴ１７のゲートに接続して有している。結合キャパシタ２３は、ＰＨＥＭＴ１７のドレインからゲートまでの信号のためのフィードバック経路を完成させるほか、電圧供給パッド１４および１４’において供給された電流が他者のとる回路経路へと迂回しないようにする。
【００１７】
発振器回路の構成部品をいくぶん詳細に検討すると、ＰＨＥＭＴ１７は、動作表面１０’上に設けられ、比較的高温での分子ビーム・エピタキシの使用によって形成されるＧａＡｓおよびＡｌＧａＡｓの交代層を有している超格子バッファ層上に形成され、これにより電子‐正孔対の発生‐再結合ノイズを最小化し、フリッカまたは１／ｆノイズを低減している。ＰＨＥＭＴ１７の残りの部分は、この上の固有のＧａＡｓ層から形成され、ＡｌＧａＡｓの層が続くが、ヘテロ接合においてドーピングによって形成されたｎ型導電材料を上下に有し、２５％よりも大きいモル分率でインジウムが存在するＧａＩｎＡｓスパイク・チャネルを備えている。ＰＨＥＭＴ１７は、８０ＧＨｚ以上の一方性パワー・ゲイン・カットオフ周波数ｆｍａｘを有するよう、０．２５μｍ以下のゲート長を、それぞれ１００μｍ幅の４つのゲート・フィンガへと分割した４００μｍの総ゲート幅とともに有するように選択される。電圧供給パッド１４’および１４’’が、それぞれＰＨＥＭＴ１７のゲートおよびドレインへとバイアス電圧を供給して性能特性上の動作点を決定し、これらの電圧は、ＰＨＥＭＴ１７の動作点および不安定領域を或る程度まで変化させるため、制限内で変化させることができる。
【００１８】
等価インダクタ２４が、図１においてＰＨＥＭＴ１７のソースと接地との間のインダクタンスをもたらし、図２に示すように、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの連続ストリップで形成され、やはり符号２４で示されている高インピーダンス・マイクロストリップ伝送線路セグメントを使用することによって実現されている。このインダクタは、実質的に、ＰＨＥＭＴ１７のゲートと直列なノイズなし抵抗器として反映され、このトランジスタの所望の周波数信号以外の動作において生じうる、考えられるあらゆる遷移の除去を助け、発振器回路の発振周波数を安定にする。
【００１９】
結合器１８が、上記でストリップ線路結合器と呼ばれているが、そこに示されているとおり、実際に、２つの平行な連続Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕマイクロストリップ線路またはマイクロストリップ・コンダクタで形成されており、それぞれが約７０μｍの幅を有するとともに、その長さの大部分にわたって約１０μｍに等しい一定の最も接近した分離距離を有している。さらに、入力コンダクタ１８’の長さおよび出力コンダクタ１８’’の長さは、互いに同じ点から始まってそれぞれ延長され、空中ブリッジの使用によって距離が加えられており、やはりお互いに分離しているが、それぞれを次および冒頭部連続コンダクタに相互接続する掲げられた金の線を上方に有している一連のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ線路パッドを接続する。入力コンダクタ１８’の連続コンダクタ部および空中ブリッジ部の長さ、ならびに出力コンダクタ１８’’の冒頭部連続部および空中ブリッジ部の長さは、それらが一定の最も接近した間隔によって分離されているそれぞれに沿った長さ、すなわち最大結合領域長さが、両方とも約９２０μｍである。
【００２０】
この構成は、結合波長の中間帯域波長において−１０ｄｂの結合器をもたらし、中間帯域波長は結合領域長さによって設定され、結合領域長さは中間帯域波長の４分の１であろう。結合係数が、中間帯域波長において比較的強いピークを有する係数であるため、結合器入力コンダクタ１８’および結合器出力コンダクタ１８’’について選択された結合領域長さによって決定される中間帯域波長は、結合器１８によって残りの発振器回路へと与えられる等価並列共振回路のための共振周波数を設定するであろう。したがって、結合器入力コンダクタ１８’および結合器出力コンダクタ１８’’のそれぞれにおいて、空中ブリッジの端部から線路パッドのいくつかを、それらをそれぞれ冒頭部連続コンダクタと電気的に接続されている残りの空中ブリッジへと接続している掲げられたコンダクタを破壊または除去することによって取り除くことで、結合器１８の中間帯域波長および共振周波数が高められるであろう。
【００２１】
結合器出力コンダクタ１８’’に接続され、複合細長コンダクタとして形成されたマイクロストリップ伝送線路セグメント１９は、結合器入力コンダクタ１８’および結合器出力コンダクタ１８’’と同じ長さになるように選択された場合、やはり結合器１８が共振する波長の４分の１に等しい長さを有するであろう。マイクロストリップ伝送線路セグメント１９が、結合器出力コンダクタ１８’’に接続された方と反対の端部において、動作表面１０’に分布するいかなる他の構成部品との接続も有しておらず、この端部でマイクロストリップ伝送線路が開路である。開路端を有する４分の１波長のマイクロストリップ伝送線路は、全波長に相当する信号周波数についてその入力において接地への短絡回路として機能し、したがってマイクロストリップ伝送線路セグメント１９が、結合器１８の出力のために有効な接地をもたらす。これは、やはりマイクロストリップ伝送線路セグメント１９が最初に９２０μｍになるように選択され、結合器入力コンダクタ１８’および結合器出力コンダクタ１８’’の長さから線路パッドが取り除かれる場合には常に、それらから取り除かれた数と同数の線路パッドがマイクロストリップ伝送線路セグメント１９の長さから取り除かれるのであれば、常に真であろう。
【００２２】
マイクロストリップ伝送線路セグメント２０も、マイクロストリップ伝送線路セグメント１９、ならびに結合器入力コンダクタ１８’および結合器出力コンダクタ１８’’の両者と同じ長さとすることができ、線路パッドおよびそれらを相互接続する掲げられた連続コンダクタからなる空中ブリッジ構成として全体が構成されている。やはり、マイクロストリップ伝送線路セグメント２０も、バラクタ取り付けパッド２１’に接続されていない方の端部を、動作表面１０’上の他の回路部品へと動作表面１０’を横切るいかなる接続もなく有している。マイクロストリップ伝送線路セグメント１９およびマイクロストリップ伝送線路セグメント２０が一緒に、明らかに接地へと通じる高周波フィードバック経路の一部として伝達システムを形成している。ＰＨＥＭＴ１７のドレインからゲートへの正の高周波フィードバック経路は、安定な発振器設計のための要件の１つであるが、これらの開路４分の１波長マイクロストリップ伝送線路セグメントを使用するこの接地経路によって、きわめて低い周波数信号についてのドレインとゲートとの間の絶縁を維持しつつ確立される。このフィードバック経路の実効上の概略図が、図４に示されており、さらにそこには結合器１８の並列共振回路が示されており、抵抗、キャパシタンスおよびインダクタンスの回路記号が、結合器入力コンダクタ１８’および結合器出力コンダクタ１８’’の両者の長さを短縮（マイクロストリップ伝送線路セグメント１９および２０の長さを同時に短縮して一致させることによって有効になることを助けられている）できるようにしている空中ブリッジに鑑み、可変であるとして示されている。
【００２３】
実施において取り付けパッド２１’に取り付けられ、図２のチップ１０上の相互接続パッド２１’’へのワイヤ接続を有しているバラクタ・ダイオード２１は、一実装例において、他のところで製造され、導電性銀エポキシまたははんだを使用してこれらのパッドに取り付けられ、発振器回路を電圧制御発振器として構成している。もちろん、キャパシタでバラクタ２１を置き替えることで、バラクタすなわちそのようなキャパシタが、正のフィードバックをもたらして回路の発振を確実にするため、大きなリアクタンスをＰＨＥＭＴ１７のドレインからゲートまでのフィードバック経路の実効共振回路と直列にもたらすため、発振器回路を固定周波数発振器として動作するようにできる。
【００２４】
バラクタ・ダイオード２１は、典型的には、その接合キャパシタンスが、加えられたダイオード接合逆バイアス電圧の変化に応じて、約０．３ｐＦから約１ｐＦまでの範囲のかなりの部分のどこかにおいて変化するように選択される。チップ１０で使用される１つの典型的なバラクタ・ダイオードは、０．０〜−１２．０Ｖの範囲におけるダイオード接合逆バイアス電圧の変化に従って、０．３ｐＦから０．８ｐＦまでの範囲において生じるダイオード接合キャパシタンス変化を有している。使用時、電圧供給パッド１４が、選択可能な出力電圧値を有する電圧源に電気的に接続され、この選択可能な出力電圧が、このパッドを介し供給され、バラクタ・ダイオード２１のダイオード接合を逆バイアスしてキャパシタンス値を変化させ、したがってＰＨＥＭＴ１７のドレインからゲートまでのフィードバック経路に設けられた実効共振回路に存在するキャパシタンス値を変化させ、すなわち発振器回路の共振周波数を変化させる。このように、発振器回路における発振の周波数を、電圧供給パッド１４に供給される印加電圧値によって制御でき、１ＧＨｚよりも大きい調律周波数範囲がもたらされる。
【００２５】
代案として、バラクタ・ダイオード２１を、その別の実装例においては、ＰＨＥＭＴ１７の形成と関連してチップ１０上に形成された一体化バラクタ・ダイオードとして設けることができ、図３に提示の概略斜視図に示されている結果を有する。ＰＨＥＭＴ１７のために設けられたものと同じ半導体材料の一連の層が、一体化バラクタの位置にベースを構成するため、分子ビーム・エピタキシによって設けられる。これらの層が設けられた後、この一連の半導体材料に各ＰＨＥＭＴに使用されるべき所望の残り部分を形成するにあたってエッチ・ストップ層が使用され、続いて、この一連の半導体材料の残っている露出部分がエッチングされ、そのような部分が、さらに、その上に形成されるバラクタのためのベースとして使用されるべく設けられ、そのようなベースが図３においては半導体ベース１７’として示されている。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属層の一続きが、ベース１７’上のエッチ・ストップの残りの部分を覆って設けられ、相互接続２０（ならびに相互接続２２）をもたらすべくパターニングされる。次いで、バラクタ２１が、ベース１７’の上方のエッチ・ストップ上に位置する相互接続２０の部分の上に、超階段ダイオード接合と同様の方法で形成される。コンタクト・パッドが、バラクタ２１の上面に相互接続パッド２１’’と同様に設けられ、これらの間に空中ブリッジ２１’’’が形成される。このように製造されるバラクタ２１の構造に関し、さらなる詳細が米国特許第６，０６０，９６２号に開示されており、この米国特許はここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。バラクタ・ダイオードからの全体出力信号へのノイズおよび位相の寄与は、ごくわずかであり、発振器回路の全体性能には影響がない。
【００２６】
図１および２に戻ると、発振器回路からの出力電圧信号は、結合器１８の結合器出力コンダクタ１８’’とマイクロストリップ伝送線路セグメント１９の間の相互接続から取り出され、チップ１０上に設けられた発振器システムのバッファ増幅およびインピーダンス整合出力回路の増幅器２５の入力へと加えられる。増幅器２５は、図２においてやはり符号２５で示され、さらなるＰＨＥＭＴによってもたらされている。ＰＨＥＭＴ２５は、ＰＨＥＭＴ１７と同時かつ同じやり方で製造され、同じゲート長を有するが、やはり８０ＧＨｚの一方性パワー・ゲイン・カットオフ周波数ｆｍａｘを有するよう、それぞれ１５０μｍ幅の２つのゲート・フィンガへと分割した３００μｍの総ゲート幅を有するように選択される。電圧供給パッド１４’’’および１４ｉｖが、それぞれＰＨＥＭＴ２５のドレインおよびゲートへとバイアス電圧を供給し、その性能特性上の動作点を決定する。
【００２７】
ＰＨＥＭＴ２５のドレインは、発振システムの出力信号を得るための位置として、信号出力パッド２６に接続される。さらに、マイクロストリップ伝送線路インピーダンス整合セグメント２７が、図２において信号出力パッド２６に接続されて示されており、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの冒頭部連続ストリップを互いに分離しているが相互接続されている一続きのＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ線路パッドの空中ブリッジによって延長して形成されている。やはり、これらＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ線路パッドの相互接続は、各線路パッドを隣の線路パッドおよび冒頭部連続ストリップへと相互接続して複合細長コンダクタを構成するこれら線路パッドの上方の掲げられた金の連続コンダクタによってもたらされている。掲げられたコンダクタの切断によって切断の向こう側の線路パッドをマイクロストリップ伝送線路インピーダンス整合セグメント２７を構成している細長複合コンダクタから除くことにより、発振器システムをより大きいシステムの一部として使用する際に、発振器システムの出力を信号出力パッド２６に電気的に接続された何らかのさらなる回路とインピーダンス整合させることができるよう、マイクロストリップ伝送線路インピーダンス整合セグメント２７が短くされる。これは、多くのシステム相互接続状況においては存在の必要がなく、したがって図１には示されていない。
【００２８】
チップ１０の発振器システムのＰＨＥＭＴ２５によってもたらされるバッファ増幅器回路は、結合器１８によって発振器回路からバッファ増幅器回路へと接続された出力信号を増幅し、この出力信号を使用する次段のより大きいあらゆるシステムと良好にインピーダンス整合する回路をもたらすことを助けるであろう。バッファ増幅器は、高い入力インピーダンスおよび低い出力インピーダンスを有しており、発振器回路出力によって提示された高いインピーダンスを、典型的な５０Ω通信システムにおいて使用しやすい５０Ωの特性インピーダンスに変換する。しかしながら、図２の実装例のような発振器システムのバッファ増幅器２５は、高い利得または大きな電力出力の能力はない。
【００２９】
（結合キャパシタが、ＰＨＥＭＴ１７のドレインと結合器１８の結合器入力コンダクタ１８’の間に接続されて設けられ、図２に対応する参照符号なしで示されており、そのようなもう１つの結合キャパシタが、図２に対応する参照符号なしで、増幅器２５の入力と結合器１８の結合器出力コンダクタ１８’’とマイクロストリップ伝送線路セグメント１９との相互接続との間に接続されて示されている。さらなるそのような結合キャパシタが、ＰＨＥＭＴ２５のドレインと信号出力パッド２６の間に接続されて示されている。これらの結合キャパシタは、チップ設計の柔軟性および評価の理由のためチップ１０に設けられるが、発振器システムの動作のために必要ではない。したがって、最初の２つの例においては、結合器１８が低周波電圧および電流の通過を妨げるため、それらを短絡回路相互接続によって置き替えることができる。最後の例の結合キャパシタンスも、ＰＨＥＭＴ２５のドレインに生じる低周波電圧および電流が、チップ１０の発振器システムのより大きいシステムでの使用において信号出力パッド２６へと接続されるさらなるシステムのどこにも結合しないのであれば、やはり短絡回路相互接続によって置き替えることができる。したがって、これらの結合キャパシタは、図１においては示されていない。）
チップ１０の発振器回路は、機械的な調律が存在しないとき、すなわちいずれの空中ブリッジも取り除かれないとき、ＰＨＥＭＴ１７および関連のトランジスタ・バイアス用回路網を含む発振器トランジスタ回路が、正のフィードバックによって回路の発振が生じうる回路特性の不安定パラメータ領域のエッジに位置するように構成される。ＰＨＥＭＴ１７およびＰＨＥＭＴ２５の両者は、〜４Ｖのドレイン電圧、〜１３０ｍＡのドレイン電流、および〜０．５Ｖのゲート電圧を有するようにバイアスされる。発振器回路は、利用できる最長の長さ、すなわち結合器１８を通過して利用でき、マイクロストリップ伝送線路セグメント１９およびマイクロストリップ伝送線路セグメント２０を通過して利用できる最長の経路（〜９２０μｍ）において、可能な最低の発振周波数（〜２４ＧＨｚ）で発振するであろう。この状況は明らかに、いずれの空中ブリッジも取り除かれておらず、発振器トランジスタ回路のＰＨＥＭＴ１７および関連のトランジスタ・バイアス用回路網が、不安定パラメータ領域のエッジに位置する場合に生じる。
【００３０】
代わって、発振器回路がこれら空中ブリッジのいくつかを選択して取り除くことによって機械的に調律されたとき、発振器トランジスタ回路のパラメータは、そのようにして短縮された結合器１８、マイクロストリップ伝送線路セグメント１９およびマイクロストリップ伝送線路セグメント２０の長さに相当するより高い発振周波数を生成すべく、さらに不安定パラメータ領域の中へと位置するであろう。発振器トランジスタ回路のパラメータを回路の発振を生じる可能性がある当該回路の不安定パラメータ領域の全体のあらゆる場所に達するように充分に変化させることができる充分な空中ブリッジが、それぞれに存在している。これら空中ブリッジのすべてが取り除かれた場合、発振器トランジスタ回路のパラメータは、不安定パラメータ領域の他のエッジに達し、そこでは発振器トランジスタ回路が、可能な最大の周波数（〜４０ＧＨｚ）で発振するであろう。結合器１８、マイクロストリップ伝送線路セグメント１９およびマイクロストリップ伝送線路セグメント２０のそれぞれから、それぞれの空中ブリッジを１つ取り除くことにより、発振器回路の発振周波数は、大まかに言って１ＧＨｚだけ高くなる。発振器回路は、このような機械的な調律によって、１５ＧＨｚを超える発振周波数の変化を達成できる。
【００３１】
この調律範囲によって提供される異なる発振周波数への発振器回路のこのような機械的調律において、結合器１８、マイクロストリップ伝送線路セグメント１９およびマイクロストリップ伝送線路セグメント２０は、ＰＨＥＭＴ１７のドレインおよびゲートの間の正のフィードバックを維持し、結合器１８の等価並列共振回路を実効的に維持するため、それらが等しい長さに保たれかつ、それぞれ発振周波数の４分の１波長に保たれるよう、それぞれから一致する空中ブリッジを取り除くことによって、すべて同期して調律すべきである。このような機械的な調律が、図４に示した等価回路のＲＬＣパラメータを変化させ、その結果、異なる周波数で共振させるであろう。機械的な調律は、バラクタ・ダイオード２１に加えられる逆バイアス接合電圧の変化によって発振器回路において入手可能な周波数範囲に大きな影響は与えないであろう。
【００３２】
図５は、発振器システムの考えられる他の物理的レイアウトにおけるモノリシック集積回路チップ１０の他の変形例の上面図を示しており、やはりＧａＡｓ主体のチップに実装され、図１および２のものよりも高い周波数帯域での使用に適している。適切であるいずれの場所においても、図２の回路構成部品および構造と同様である図５の回路構成部品および構造は、これらの図のそれぞれにおいて同じ参照番号を有している。図５に示した変形例は、ＰＨＥＭＴ１７に図２のＰＨＥＭＴ状ＰＨＥＭＴ２５を使用する。ＰＨＥＭＴ１７に、自己バイアスの仕組みが導入される。さらに、共通のドレイン・バイアスが、ＰＨＥＭＴ１７およびＰＨＥＭＴ２５のために供給される。図５の実装におけるＰＨＥＭＴ１７は、ここでは２４ＧＨｚ〜４０ＧＨｚの範囲である図２の実装において使用される対応するＰＨＥＭＴよりも、高い周波数帯域での発振の可能性を有している。図５における結合器１８、およびマイクロストリップ伝送線路セグメント１９、ならびにマイクロストリップ伝送線路セグメント２０の長さは、やはり当然ながら、ＰＨＥＭＴ１７を含む発振器トランジスタ回路の発振において見込まれる周波数の４分の１波長になるよう選択される。
【００３３】
以上、本発明を、好ましい実施の形態を参照しつつ説明したが、当業者であれば、本発明の技術的思想および技術的範囲を離れることなく形態や細部において変更を行なうことが可能であることを、理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、構成部品の配置および構成部品の相互接続の概略図を、モノリシック集積回路チップの模式的表示とともに示しており、一体となって本発明を具現化している。
【図２】図２は、図１に対応するモノリシック・マイクロ波集積回路チップの上面図を示している。
【図３】図３は、図２のモノリシック・マイクロ波集積回路とともに使用する構成部品および構成部品の取り付け構成についての概略斜視図である。
【図４】図４は、図２のモノリシック・マイクロ波集積回路についての等価動作回路を示している。
【図５】図５は、本発明を具現化する別のモノリシック・マイクロ波集積回路の上面図である。
【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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【国際調査報告】
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