(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
（A）誘電基板を提供し、前記誘電基板に金属導線を形成し；
（B）前記金属導線に開口を設けて前記誘電基板を露出させ；
（C）前記開口の一端の外周から前記開口の一端の底部まで高仕事関数金属層を形成し、前記開口の他端の底部が前記誘電基板を露出させるように維持し；
（D）前記高仕事関数金属層の上表面及び前記開口の他端に面する側面にP型材料層を形成し、前記開口の他端の底部が継続して前記誘電基板を露出させるように維持し；
（E）前記P型材料層の上表面及び前記開口の他端に面する側面にN型材料層を形成し、前記開口の他端の底部が継続して前記誘電基板を露出させるように維持し；及び
（F）前記N型材料層の上表面から前記開口の他端の外周まで低仕事関数金属層を形成し、前記低仕事関数金属層が前記開口の他端に到達し、前記N型材料層、前記開口の他端の底部に露出した前記誘電基板及び前記金属導線に接触するようにさせることで、アクティブ周波数選択性表面のPNダイオードスイッチ素子を形成するスッテプを含む、製作方法。
【請求項２】
請求項1に記載の直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
前記誘電基板の材料は、電気絶縁材料又は半導体材料である、製作方法。
【請求項３】
請求項1に記載の直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
前記誘電基板は、シリコン基板又はFR4ガラス繊維エポキシ基板である、製作方法。
【請求項４】
請求項1に記載の直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
前記金属導線は、銅導線、アルミニウム導線及び銀導線のうちの１つである、製作方法。
【請求項５】
請求項1に記載の直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
前記高仕事関数金属層は、Pt、Ni、Au、Co及びIrのうちの１つである、製作方法。
【請求項６】
請求項1に記載の直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
前記P型材料層は、NiOx、SnOx、CuCrCaOx及びCuAlO2のうちの１つである、製作方法。
【請求項７】
請求項1に記載の直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
前記N型材料層は、不純物がドーピングされる又はドーピングされないZnOである、製作方法。
【請求項８】
請求項1に記載の直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
前記低仕事関数金属層は、Ti、Al、Zn、Sn、Mn、Fe、Ru、In、Cu、Cr、Ag及びPbのうちの１つである、製作方法。
【請求項９】
請求項1に記載の直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法であって、
前記高仕事関数金属層の厚さが50nm〜100nmであり、前記低仕事関数金属層の厚さが100nm〜200nmであり、前記P型材料層又は前記N型材料層の厚さが50nm〜100nmである、製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子及びその製作方法に関し、特に、直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子及びその製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数選択性表面（Frequency  Selective  Surface、FSS）が空間フィルターの１つであり、1960年代から開発されてきた。それは、金属パターン又は金属箔開孔（溝）ユニットからなる２次元周期性アレイである。FSSは通常、平面であるが、一部が曲面である。FSSの特性インピーダンス（又は共振周波数）は、主に、金属パターンユニットの幾何学的パラメータ、及びサイズ、基板の屈折率、厚さなどのパラメータによる影響を受ける。
【０００３】
アクティブ周波数選択性表面（Active  Frequency  Selective  Surface、AFSS）が従来のFSSにアクティブスイッチ素子を増設したものであり、これらの素子は通常、DC電圧を印加する方式で駆動される必要があり、これにより、元々静的なFSSが２種類又は２種類以上の共振特徴（又は特性インピーダンス）を有するようにさせることができ、また、これらの状態は、DC電圧により迅速に切り替えることができる。
【０００４】
文献によれば、AFSS素子を実現するために、今のところ、少なくとも次のような３つの方法がある。即ち、（1）従来のFSSにアクティブ素子、例えば、PINダイオードを増設し、バイアス電圧を用いて素子の抵抗／容量を制御し、FSSの金属パターンユニットの等価長さ又は幾何形状を変えることにより、共振特徴を変更する。（2）機械的変位又は回転方式でFSSの金属パターンユニットの形状又は配列方式を直接変えることにより、その共振特徴を変更する目的を達成する。（3）有機半導体、液晶分子、イオン液体などを用いて基板の誘電率又は屈折率を調整することにより、FSSの共振周波数に変化を生じさせる。そのうち、１番目の方法は、良好な研究基礎を有する。
【０００５】
FSSについて言えば、良好な電場-自由電子運動エネルギー変換率が不良な透過率に相当し、何故なら、入射波電場が既に感応電流に有効に変換されているからである。FSSの基本ダイポールの金属パターンの長さLを電磁波の波長λと設定すると、このような長さLの金属パターンは、波長が2λに等しい電磁波がFSSの金属パターン中の自由電子により最も吸収され（他の波長に比べ）、2λの波長を有する電磁波が透過しないようにさせることができる。これは、FSSの基本ダイポールpatternのワーキング原理である。
【０００６】
近年、国内外の研究開発者がアクティブ周波数選択性表面（AFSS）について研究を行うようになる。しかし、動的電気制御のAFSSの機能を達成するために、その中の半導体スイッチ素子が必要不可欠である。研究開発者は、今のところ、市販のPINダイオードなどの素子を使用している。商用RFスイッチ素子は、一般的に言えば、高周波数送受信システムにおける回路の設計のために用いられ、例えば、携帯電話や一般的な高周波数装置内でスイッチとして使用される。AFSSへの適用について言えば、これらの素子は、構成及び電気特性の両方の面において理想的でなく、また、構造上では、追加の商用素子が溶接される必要があるから、平坦化の要求を満たすことができない。図１における市販の高周波数スイッチ素子とAFSS回路との接続の実際の写真に示すように、パッケージされたPINダイオードを回路基板に溶接する必要があるので、明らかな突出がある。
【０００７】
よって、上述のような問題を解決するために、本発明の発明者は、従来技術の欠点に鑑みて、AFSS及び高周波数スイッチ素子が全体として１つの薄膜に製作され得る技術を開発しており、応用上では、より良い弾性を有し、例えば、キャリア又はレーダーカバーの表面に直接貼り付けることができるため、作業の難易度を下げることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の従来技術の欠点に鑑みて、本発明は、P型及びN型薄膜材料を用いて、アクティブ周波数選択性表面（AFSS）の共振周波数を変調し得るPNダイオードスイッチ素子を製作し、AFSS及びスイッチ素子が全体として１つの薄膜に製作されることにより、追加のスイッチ素子の溶接を行わなくても、アクティブ調整周波数選択性表面の機能を達成することができる。
【０００９】
FSSの共振周波数は、金属パターンの長さと関係がある。FSSの基本ダイポールの金属パターンを例とすれば、その共振特徴を変えようとする場合、最も良い方法は、金属パターンの長さを変更することである。パターンの長さを直接長く／短くすることが難しい。その代わりの方法として次のような方法があり、即ち、２つ（長さが同じである必要がない）のパターンの間に１つの「導電率を動的に変え得る材料（又は素子）」がブリッジ接続され、この材料（又は素子）の導電率が大きくなり金属に近づくようになるときに、２つの金属パターンを「１つのもの」と見なすことができ、また、この材料（又は素子）の導電率が小さくなり絶縁体に近づくようになるときに、２つの金属パターンを依然として２つのものと見なす。このような動的スイッチ素子を用いて、金属パターンの等価長さを調整して変更し、周波数選択表面の共振周波数をアクティブに変えることにより、特定の波長の電磁波を、周波数選択表面を通過させる又は通過させない目的を達成することができる。
【００１０】
本発明では、アクティブ周波数選択性表面（AFSS）の共振周波数を変調し得るスイッチ素子を製作するときに、P型及びN型薄膜ダイオードをAFSS回路に貼り合せ、スイッチ素子及びAFSS回路を１つの薄膜に統合することにより、一般市販の商用ダイオードは追加の溶接を必要とし、且つ溶接後の構造上では明らかな突起があるという問題を解決することができる。図２は、本発明の実施例におけるPNダイオードスイッチ素子とAFSS回路との接続の実際の写真であり、その中の回路基板には、PNダイオードがスイッチとしてメッキされている。図１に比べて、本発明によるPNダイオードスイッチ素子が比較的薄く且つ追加の溶接を必要としないので、構造上では明らかな突起の問題が存在しない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するために、本発明の一側面では、直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法が提供され、該製作方法は、次のようなステップを含み、即ち、（A）誘電基板を提供し、該誘電基板に金属導線を形成し；（B）該金属導線に開口を設けて該基板を露出させ；（C）該開口の一端の外周から該開口の一端の底部まで高仕事関数金属層を形成し、該開口の他端の底部が該基板を露出させるように維持し；（D）該高仕事関数金属層の上表面及び該開口の他端に面する側面にP型材料層を形成し、該開口の他端の底部が継続して該基板を露出させるように維持し；（E）該P型材料層の上表面及び該開口の他端に面する側面にN型材料層を形成し、該開口の他端の底部が継続して該基板を露出させるように維持し；（F）該N型材料層の上表面から該開口の他端の外周まで低仕事関数金属層を形成し、該低仕事関数金属層が該開口の他端に到達し、且つ該N型材料層、該開口の他端の底部に露出した基板、及び該金属導線に接触するようにさせることで、アクティブ周波数選択性表面のPNダイオードスイッチ素子を形成する。
【００１２】
上述では、該誘電基板の材質（材料）は、電気絶縁材料又は半導体材料であり、該誘電基板は、シリコン基板又はFR4ガラス繊維エポキシ基板であっても良い。
【００１３】
上述では、該金属導線は、銅導線、アルミニウム導線及び銀導線のうちの１つである。本発明では、さらに、該基板に、金属導線により形成される高周波数回路をメッキ又は雕刻により形成しても良い。
【００１４】
上述では、該高仕事関数金属は、Pt、Ni、Au、Co及びIrのうちの１つであっても良い。該P型材料は、NiOx、SnOx、CuCrCaOx及びCuAlO2のうちの１つであっても良い。該N型材料は、不純物がドーピングされる又はドーピングされないZnOであっても良い。該低仕事関数金属は、Ti、Al、Zn、Sn、Mn、Fe、Ru、In、Cu、Cr、Ag及びPbのうちの１つであっても良い。
【００１５】
上述では、該高仕事関数金属層は、P型材料層とオーム接触を形成し、該低仕事関数金属層は、N型材料層とオーム接触を形成する。
【００１６】
上述では、該高仕事関数金属層の厚さは、50nm〜100nmであっても良く、該低仕事関数金属層の厚さは、100nm〜200nmであっても良く、該P型材料層又は該N型材料層の厚さは、50nm〜100nmであっても良い。
【００１７】
本発明は、さらに、直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子を提供し、該スイッチ素子は、上述の製作方法により製作される。
【００１８】
本発明による平貼型薄膜ダイオードスイッチ素子は、一般的な平面スタック式コーティング方法でなく、階段式コーティング方法で各層を製作するため、素子の上方の低仕事関数金属層から高周波数回路への追加の配線接続が必要とされず、配線箇所の溶接不良及び界面問題を避けることができる。また、本発明による製作方法では、PN薄膜ダイオードをAFSS回路のスイッチ素子とし、また、AFSS回路の表面に直接平貼することができるため、従来技術の溶接及び構造の突出の問題を有効に解決することができ、これにより、応用上では、より良い弾性を有し、例えば、キャリア又はレーダーカバーの表面に直接貼り付けることができるので、作業の難易度を下げることができる。
【００１９】
本発明による平貼型薄膜ダイオードスイッチ素子は、バイアス電圧を印加してPNダイオードをオンにすることで導通状態になり、また、バイアス電圧の印加がないときに不導通状態になる。このようなスイッチ素子を用いて、金属パターンの等価長さを調整して変更することができ、これにより、アクティブ周波数選択性表面の共振周波数を変え、特定の波長の電磁波を、周波数選択表面を通過させる又は通過させない目的を達成することができる。本発明による平貼型薄膜ダイオードスイッチ素子は、6GHzよりも大きいアクティブ周波数選択性表面（AFSS）システム及びモジュールに適用することができる。
【００２０】
本発明の上述の特徴及び利点をより明らかにするために、以下、実施例を挙げ、添付した図面を参照することにより、詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】市販の高周波数スイッチ素子とAFSS回路との接続の実際の写真（従来技術）を示す図である。
【図２】本発明の実施例におけるPNダイオードスイッチ素子とAFSS回路との接続の実際の写真を示す図である。
【図３】本発明による直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法のフローチャートである。
【図４】本発明による直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子及びその製作方法のフローチャートを示す図である。
【図５】本発明の実施例におけるPNダイオードスイッチ素子の高周波数信号入力後の実際の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付した図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
【００２３】
図３は、本発明による直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法のフローチャートである。図３に示すように、本発明による直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法は、次のようなステップを含み、即ち、（A）誘電基板を提供し、該誘電基板に金属導線を形成し（S101）；（B）該金属導線に開口を設けて該基板を露出させ（S102）；（C）該開口の一端の外周から該開口の一端の底部まで高仕事関数金属層を形成し、該開口の他端の底部が該基板を露出させるように維持し（S103）；（D）該高仕事関数金属層の上表面及び該開口の他端に面する側面にP型材料層を形成し、該開口の他端の底部が継続して該基板を露出させるように維持しS104）；（E）該P型材料層の上表面及び該開口の他端に面する側面にN型材料層を形成し、該開口の他端の底部が継続して該基板を露出させるように維持し（S105）；（F）該N型材料層の上表面から該開口の他端の外周まで低仕事関数金属層を形成し、該低仕事関数金属層が該開口の他端に到達し、且つ該N型材料層、該開口の他端の底部に露出した基板及び該金属導線に接触するようにさせることで、アクティブ周波数選択性表面のPNダイオードスイッチ素子を形成する（S106）。
【００２４】
本発明は、さらに、直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子を提供し、該スイッチ素子は、上述の製作方法により形成される。図４は、本発明による直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子の製作方法のフローチャートである。図４に示すように、本実施例における直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子は、誘電基板1、金属導線2、金属導線の開口3、高仕事関数金属層4、P型材料層5、N型材料層6、及び低仕事関数金属層7を含む。そのうち、金属導線2には、開口3が、スイッチ素子を設けるために形成され、高仕事関数金属層4は、P型材料層5とオーム接触を形成し、低仕事関数金属層7は、N型材料層6とオーム接触を形成する。
【００２５】
＜実施例＞
本実施例では、まず、誘電基板を提供し、該誘電基板に銅導線を形成し、銅導線に開口を設ける。続いて、該開口一端の外周から該開口の一端の底部まで高仕事関数金属層Pt層をスパッタリングし、該Pt層の厚さが70nmであり、該開口の他端の底部が該基板を露出させるように維持し；続いて、該Pt層の上表面及び該開口の他端に面する側面に厚さ100nmのP型材料層NiO層をスパッタリングし（スパッタリングの条件：100W、O2：10SCCM、ワーキング圧力：3mtorr）、該開口の他端の底部が継続して該基板を露出させるように維持し；続いて、該NiO層の上表面及び該開口の他端に面する側面に厚さ100nmのN型材料層ZnO層をスパッタリングし（スパッタリングの条件：100W、Ar：7SCCM、O2：3SCCM、ワーキング圧力：5mtorr）、該開口の他端の底部が継続して該基板を露出させるように維持し；続いて、該ZnO層の上表面から該開口の他端の外周まで厚さ200nmの低仕事関数金属層であるAl層を形成し、該低仕事関数金属層が該開口の他端に到達し、且つ該N型材料層、該開口の他端の底部に露出した基板及び該金属導線に接触するようにさせることで、アクティブ周波数選択性表面のPNダイオードスイッチ素子を形成する。
【００２６】
図５は、本実施例におけるPNダイオードスイッチ素子の高周波数信号入力後の実際の測定結果を示し、該測定結果は、該PNダイオードスイッチ素子の両端にネットワークアナライザを接続し、高周波数信号がその中で伝搬するレスポンスを測定することによるものである。図５から分かるように、ダイオードがオフのときに、即ち、バイアス電圧が0Vのときに、ほぼ不導通状態であり、この場合、伝搬信号強度損失S21が完全な開路のoriginal状態（ダイオードが貼合されず、２つの回路の間に間隙があり、完全な不導通状態である）に近く；ダイオードがオンのときに、即ち、バイアス電圧が10Vのときに、ほぼ短絡状態であり、この場合、伝搬信号強度損失S21の減衰が比較的少なく、0dbの完全な導通状態に近い。よって、図５から分かるように、本実施例では、追加のスイッチ素子の溶接を行わなくても、アクティブ調整周波数選択性表面の薄膜ダイオード素子を形成することができ、該薄膜ダイオード素子は、バイアス電圧を印加してPNダイオードをオンにすることで導通状態になり、バイアス電圧が印加されないときに不導通状態になる。このようなスイッチ素子を用いて、金属パターンの等価長さを調整して変更することができ、これにより、アクティブ周波数選択性表面の共振周波数を変え、特定の波長電磁波を、周波数選択表面を通過させる又は通過させない目的を達成することができる。
【００２７】
本発明による直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子及びその製作方法は、階段式コーティング方法で各層を製作し、P型及びN型薄膜材料を用いてアクティブ周波数選択性表面（AFSS）の共振周波数を変調し得るPNダイオードスイッチ素子を形成し、これにより、AFSS及びスイッチ素子が全体として１つの薄膜に製作されるようにさせることができ、そのため、金属パターンの等価長さを調整して変更するができ、後続の加工及び設計に有利である。本発明による直接平貼型アクティブ周波数選択性表面のスイッチ素子は、素子の上方の低仕事関数金属層から周波数回路への追加の配線接続を必要とせず、且つ6GHzよりも大きいアクティブ周波数選択性表面（AFSS）システム及びモジュールに適用することができるため、将来の応用分野がより広くなるに違いない。
【００２８】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００２９】
1  誘電基板
2  金属導線
3  金属導線の開口
4  高仕事関数金属層
5  P型材料層
6  N型材料層
7  低仕事関数金属層
【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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