[實用新型]用于60吉赫茲片上天線的井字形人工磁導體

有效

• 申請號: 201320398823.5
• 申請日: 2013-07-05
• 公開（公告）號: CN203312289U
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 耿衛東;宋芃霖
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: H01L23/552
• 分類號: H01L23/552;H01L23/66;H01Q1/22
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

?本實用新型涉及毫米波集成電路和片上天線技術領域，?特別涉及一種60吉赫茲片上天線用人工磁導體結構。

背景技術

60吉赫茲頻帶短距離無線通信使無線個人局域網絡（WPANs）產生了革命性的突破，在無線消費電子產品，高分辨率大容量媒體文件傳輸，移動分布式計算，無線游戲及快速傳輸超大文件等領域具有巨大市場前景。60吉赫茲頻率的自由空間波長只有5毫米，因此采用很小體積的天線就可以實現無線數據的收發。因此，在單片集成電路芯片上集成低噪聲放大器，混頻器，變頻器，檢波器，調制器，收發器和天線，實現60吉赫茲頻段的無線通信，可以有效減小無線通信收發系統的體積，使其結構緊湊，加工重復性好，可靠性高。

目前60吉赫茲和毫米波集成電路主要采用GaAs制造工藝，不僅工藝復雜，成本高，價格貴，而且砷（As）是一種有毒的物質，需要進行防護。采用CMOS集成電路工藝實現60吉赫茲和毫米波集成電路，能夠大大降低成本，提高產量。但是CMOS工藝以硅材料做襯底，硅襯底不是完全絕緣的材料，具有一定的電導率，特別是工作在高頻時不能達到理想的隔離效果，會產生漏電流，明顯降低片上天線的輻射效率和增益。因此解決硅襯底的電磁波損耗是CMOS毫米波集成電路和片上天線發展的關鍵問題。

近10年來，業界一直致力于解決硅襯底損耗問題，曾先后提出了質子注入法、微機械方法、樹脂層絕緣法和人工磁導體法等。

人工磁導體結構就是在硅襯底與功能電路層之間加入一個隔離層，降低硅襯底對高頻電磁波的損耗。其隔離作用是由于人工磁導體的反射相位帶隙特性，當入射波頻率接近人工磁導體結構的諧振頻率時，人工磁導體結構的表面阻抗很高，因此平面波入射到人工磁導體表面時其反射波與入射波相位差為0，當入射的電磁波頻率使人工磁導體表面阻抗等于自由空間阻抗時，入射波與反射波的相位差為±90°，設計人工磁導體結構，使其入射波與反射波的相位差在±90°之間就可以實現對入射電磁波的隔離。

人工磁導體兼容CMOS工藝、成本低、結構簡單，是一種很有發展前景的技術。

發明內容

本實用新型的目的是針對60吉赫茲毫米波集成電路和片上天線設計，解決硅襯底電磁波損耗問題，提供一種用于60吉赫茲片上天線的井字形人工磁導體，實現片上電路和硅襯底的絕緣，提高片上電路的工作穩定性和片上天線的效率與增益。

本實用新型提供的用于60吉赫茲片上天線的井字形人工磁導體包括：

硅襯底、氧化硅緩沖層、金屬層、氧化硅絕緣層和功能電路層，從下到上依次堆疊制作。硅襯底位于下面，其上面覆蓋一層氧化硅緩沖層，在氧化硅緩沖層上面為一層具有分布式井字形結構陣列的金屬層，在金屬層上面覆蓋一層氧化硅絕緣層，氧化硅絕緣層的上面為功能電路層。

所述的人工磁導體采用傳統的CMOS工藝實現。

所述的金屬層由CMOS工藝的第一金屬層制作。

所述的金屬層劃分為N×N個單元，N的取值范圍為6到11，每一個單元都是以200微米為邊長的正方形，正方形的中間部位具有一個井字形開槽，每一個井字形開槽由四條條狀槽線相互交叉形成，每一個條狀槽線長80微米，寬5微米，每兩條平行的槽線之間的距離為30微米。

所述的硅襯底厚度在280微米到320微米范圍時，滿足所述的人工磁導體中心頻率60吉赫茲，帶寬20吉赫茲的參數要求。

所述的氧化硅絕緣層其厚度為1.3微米。

本實用新型基于CMOS集成電路工藝，在專用的EDA設計軟件中確定氧化硅緩沖層4、小金屬片7、過孔6、氧化硅絕緣層2和周期性陣列結構9的大小與位置，采用全定制方法設計，基于半導體工藝實現。

本實用新型的優點和積極效果：

本實用新型提供的60吉赫茲片上天線用井字型人工磁導體，具有反射相位帶隙特性，中心工作頻率為60吉赫茲，帶寬達到了20.2吉赫茲，相對帶寬大，在60吉赫茲片上集成天線應用領域具有明顯的競爭優勢。本實用新型提供的人工磁導體結構簡單，面積小，每個單元面積僅為以200微米為邊長的小正方形，完全兼容現行CMOS工藝。

附圖說明

圖1是一種用于60吉赫茲片上天線的井字形人工磁導體結構圖；

圖2是人工磁導體金屬層小金屬片7單元結構圖；

圖3是周期性排列的N×N井字型人工磁導體陣列9結構圖。

圖4是在功能電路層制備了片上天線的人工磁導體結構圖。

具體實施方式

實施例1：