[发明专利]硅外延金刚石介质高增益片上偶极天线对传播结构

说明书

技术领域

本发明主要涉及到片上天线的建模和传输特性领域，特指一种在硅衬底外延一层金刚石介质的高增益片上偶极天线对传播结构。

背景技术

把天线集成到射频集成电路中消除了外部传输线互连和复杂的封装引脚，对频率超过10GHz的无线应用来讲可以降低系统成本。随着CMOS工艺和技术的不断改进，片上天线和集成电路的成本逐渐降低，片上天线的应用空间将会更加广阔。因此，近年来在片内和片间的无线互连通信领域集成天线成了业界的关注热点，集成天线的工作特性开始得到广泛研究。本发明可应用于低电阻率硅衬底CMOS芯片的片内或者片间的无线互连。图1给出了使用片上天线的片内和片间无线互连的示意图。有研究证明使用片上天线，在24GHz时可以进行基站和接收器之间95m远的无线通信。无线互连系统的性能很大程度上取决于集成天线的特性，尤其是集成天线的传输增益。片上偶极天线比较适合无线互连，因为它能够充分地抑制噪声以及同衬底上其它CMOS电路产生的干扰。当频率超过15GHz时，可以使用较短的偶极天线，不会给一定尺寸的硅衬底造成过大的面积负担。例如，操作频率为24GHz(对应于自由空间波长12mm)时，一个3到4mm长的四分之一波长的偶极天线就可以胜任。

然而现代CMOS电路工艺中，为了解决CMOS闩锁效应硅衬底的电阻率都较小，一般限定在0.01-20Ω-cm量级。衬底的电阻率过低是导致集成天线损耗的主要原因，大大限制了天线的增益和效率。研究证明，在高k介质衬底上集成偶极天线，间距为1cm、频率为20GHz时可得到-20dB的传输增益。在电阻率大于1kΩ-cm的绝缘体上硅衬底上集成天线，当间距为2.5mm时可实现-17dB的传输增益。此外，硅衬底下方的散热金属也会干扰集成天线的传播性能。为了改进自由空间中硅衬底上集成天线的特性，研究者还采取了其它的措施和技术，包括增加屏蔽物、保持天线和芯片边沿的距离小于0.5mm、削减衬底厚度等。例如，通过在芯片顶部安置一块巨大的矩形硅“棱镜”，天线的前向增益能够提高8～13dB。在两块相距0.5mm的芯片上分别集成一个4mm长、0.45mm宽的片上天线，可进行速率达200Mbps的数据发送与接收。采用微机械技术去除部分硅衬底以防止电磁波过多进入损耗衬底，也可以提高辐射效率进而提高天线增益。然而，这些措施和技术和现代低成本标准CMOS集成电路工艺技术并不兼容，大大限制了集成天线的应用范围。

金刚石是自然界最硬的材料，具有良好的导热性(导热系数为138W/m-K，和Si、AlN的相似，是玻璃的100倍)和较大的介电常数(相对介电常数为16.5，比Si、AlN和玻璃的都大)。尤其是II型金刚石的导热系数室温时高达2000W/m-K。而且，采用热丝化学汽相淀积(HFCVD)法可以生长电学性质和天然金刚石十分相似的金刚石薄膜。为了进一步改进集成偶极天线对的传输性能，本发明在有损耗的硅衬底上外延一层一定厚度的金刚石介质，削弱了大部分电磁波的衬底损耗同时对散热金属的干扰起到隔离作用，从而大幅度提高了片上偶极天线对的传输增益。对外延金刚石介质后片上偶极天线对的电磁波传播路径也进行了解释说明。

发明内容

由于现代CMOS电路的硅衬底电阻率较低，散热金属和芯片之间的距离又很接近，因此片上偶极天线的衬底损耗较大而且容易受散热金属干扰，传输增益较低。本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提出了一种硅外延金刚石介质的高增益片上偶极天线对传播结构，通过在低电阻率硅衬底和散热金属之间淀积生长一层金刚石介质薄膜，以此减小低电阻率带来的衬底损耗、隔离散热金属的干扰同时有利于散热。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：硅外延金刚石介质的高增益片上偶极天线对传播结构，其特征在于它包括：