(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024162797
(43)【公開日】2024-11-21
(54)【発明の名称】半導体デバイス、通信装置および撮像システム
(51)【国際特許分類】
H01L 21/822 20060101AFI20241114BHJP
H01Q 23/00 20060101ALI20241114BHJP
H01Q 3/38 20060101ALI20241114BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20241114BHJP
【ＦＩ】
H01L27/04 H
H01Q23/00
H01Q3/38
H01Q21/06
H01L27/04 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023078703
(22)【出願日】2023-05-11
(71)【出願人】
【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003281
【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村尾 竜耶
(72)【発明者】
【氏名】小山 泰史
(72)【発明者】
【氏名】伊庭 潤
【テーマコード（参考）】
5F038
5J021
【Ｆターム（参考）】
5F038BH16
5F038CA16
5F038EZ01
5F038EZ02
5F038EZ20
5J021AA05
5J021AA09
5J021AB06
5J021DB03
5J021DB05
5J021EA04
(57)【要約】
【課題】デバイスの温度上昇の抑制に有利な技術を提供する。
【解決手段】電磁波を発振または受信するための半導体素子およびアンテナが配された第１半導体基板を含む第１構造体と、前記半導体素子を制御するための制御回路が配された第２半導体基板を含む第２構造体と、前記第１構造体に接合された第１接合面および前記第２構造体に接合された第２接合面を有する第３構造体と、が積層された半導体デバイスであって、前記第１構造体には、前記半導体素子に電気的に接続され、かつ、前記第１接合面に達する第１導体プラグが配され、前記第３構造体は、互いに積層された基材層と導体層とを含み、前記第３構造体は、前記第１構造体および前記第２構造体よりも熱伝導率が高い。
【選択図】図１
【解決手段】電磁波を発振または受信するための半導体素子およびアンテナが配された第１半導体基板を含む第１構造体と、前記半導体素子を制御するための制御回路が配された第２半導体基板を含む第２構造体と、前記第１構造体に接合された第１接合面および前記第２構造体に接合された第２接合面を有する第３構造体と、が積層された半導体デバイスであって、前記第１構造体には、前記半導体素子に電気的に接続され、かつ、前記第１接合面に達する第１導体プラグが配され、前記第３構造体は、互いに積層された基材層と導体層とを含み、前記第３構造体は、前記第１構造体および前記第２構造体よりも熱伝導率が高い。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電磁波を発振または受信するための半導体素子およびアンテナが配された第１半導体基板を含む第１構造体と、前記半導体素子を制御するための制御回路が配された第２半導体基板を含む第２構造体と、前記第１構造体に接合された第１接合面および前記第２構造体に接合された第２接合面を有する第３構造体と、が積層された半導体デバイスであって、
前記第１構造体には、前記半導体素子に電気的に接続され、かつ、前記第１接合面に達する第１導体プラグが配され、
前記第３構造体は、互いに積層された基材層と導体層とを含み、
前記第３構造体は、前記第１構造体および前記第２構造体よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体デバイス。
前記第１構造体には、前記半導体素子に電気的に接続され、かつ、前記第１接合面に達する第１導体プラグが配され、
前記第３構造体は、互いに積層された基材層と導体層とを含み、
前記第３構造体は、前記第１構造体および前記第２構造体よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項2】
前記電磁波が、テラヘルツ波を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項3】
前記第３構造体の厚さが、前記第１半導体基板の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項4】
前記第３構造体の厚さが、１００μｍ以上かつ１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項5】
前記基材層は、セラミックを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項6】
前記基材層は、窒化アルミニウムおよびグラファイトのうち少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項7】
前記第３構造体の熱伝導率が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項8】
前記基材層が、前記第１構造体と前記導体層との間に配された第１基材層と、前記導体層と前記第２構造体との間に配された第２基材層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項9】
前記第１導体プラグが、前記第１基材層を貫通し、前記導体層に電気的に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体デバイス。
【請求項10】
前記第１構造体は、前記半導体素子および前記アンテナをそれぞれ含む複数のアクティブアンテナが配されたアクティブアンテナアレイを備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項11】
前記第１構造体は、第１配線層と、前記第１配線層と前記第３構造体との間に配された第２配線層と、を含み、
前記アンテナは、前記第１配線層に配され、かつ、前記半導体素子に電気的に接続された第１導体パターンを含み、
前記第２配線層には、前記第１接合面に対する正射影において前記第１導体パターンよりも面積が大きく、かつ、前記半導体素子に電気的に接続された第２導体パターンが配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
前記アンテナは、前記第１配線層に配され、かつ、前記半導体素子に電気的に接続された第１導体パターンを含み、
前記第２配線層には、前記第１接合面に対する正射影において前記第１導体パターンよりも面積が大きく、かつ、前記半導体素子に電気的に接続された第２導体パターンが配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項12】
前記半導体デバイスが動作中の熱平衡状態において、前記第３構造体の温度が、前記第１接合面に対する正射影において、前記第３構造体の中央から外縁に向かい低くなる勾配を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項13】
前記第２半導体基板と前記第３構造体との間に、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の断熱層が配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項14】
前記第１半導体基板および前記第２半導体基板のうち少なくとも一方に、比熱が０．９ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上の蓄熱層が配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項15】
前記第３構造体の外縁に接し、かつ、導体を用いた放熱体が配されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項16】
支持基板をさらに備え、
前記支持基板と前記第３構造体との間に前記第２構造体が配され、
前記放熱体は、前記支持基板に固定されており、かつ、前記アンテナよりも前記支持基板の側に配されていることをと特徴とする請求項１５に記載の半導体デバイス。
前記支持基板と前記第３構造体との間に前記第２構造体が配され、
前記放熱体は、前記支持基板に固定されており、かつ、前記アンテナよりも前記支持基板の側に配されていることをと特徴とする請求項１５に記載の半導体デバイス。
【請求項17】
前記半導体素子は、負性抵抗素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
【請求項18】
前記負性抵抗素子は、共鳴トンネルダイオードを含むことを特徴とする請求項１７に記載の半導体デバイス。
【請求項19】
請求項１乃至１８の何れか１項に記載の半導体デバイスと、
前記電磁波を放射する発信部と、
前記電磁波を検出する受信部と、
を備えることを特徴とする通信装置。
前記電磁波を放射する発信部と、
前記電磁波を検出する受信部と、
を備えることを特徴とする通信装置。
【請求項20】
請求項１乃至１８の何れか１項に記載の半導体デバイスと、
被写体によって反射または放射された前記電磁波を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
被写体によって反射または放射された前記電磁波を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体デバイス、通信装置および撮像システムに関する。
【背景技術】
【0002】
ミリ波やテラヘルツ帯などの高周波領域では利用する波長に応じてアンテナのサイズが小さくなり、周辺回路などもアンテナサイズに応じて高密度化される。さらに、伝送線路による損失が大きくなることから、アンテナ回路と制御回路とを積層し伝送線路を短縮して損失を低減しつつ、小型のパッケージに集約したモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）が広く開発されている。特許文献１には、ＣＭＯＳ－ＩＣとパッチアンテナとを重ねて配置することによって、小型化を実現したミリ波無線装置が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００９－０９７５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
高周波化が進むにつれて回路の高密度化や損失の増加によって、消費電力や発熱量が増加する。発熱量の増加によるデバイス温度の上昇は、デバイスの動作安定性の低下や素子寿命の低下の原因になりうる。
【0005】
本発明は、デバイスの温度上昇の抑制に有利な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る半導体デバイスは、電磁波を発振または受信するための半導体素子およびアンテナが配された第１半導体基板を含む第１構造体と、前記半導体素子を制御するための制御回路が配された第２半導体基板を含む第２構造体と、前記第１構造体に接合された第１接合面および前記第２構造体に接合された第２接合面を有する第３構造体と、が積層された半導体デバイスであって、前記第１構造体には、前記半導体素子に電気的に接続され、かつ、前記第１接合面に達する第１導体プラグが配され、前記第３構造体は、互いに積層された基材層と導体層とを含み、前記第３構造体は、前記第１構造体および前記第２構造体よりも熱伝導率が高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、デバイスの温度上昇の抑制に有利な技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本実施形態の半導体デバイスの構成例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。
【0010】
図１（ａ）～図１３を参照して、本開示の実施形態による半導体デバイスについて説明する。以下の説明において、本実施形態の半導体デバイス１００を、主にテラヘルツ波を放射する発振装置として用いる場合について説明を行う。しかしながら、これに限られることはなく、半導体デバイス１００は、テラヘルツ波を受信する検出装置として用いることも可能である。ここで、テラヘルツ波とは、１０ＧＨｚ以上１００ＴＨｚ以下の周波数範囲内の電磁波を示す。また、テラヘルツ波は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数範囲内の電磁波を示していてもよい。しかしながら、これに限られることはなく、半導体デバイス１００は、他の周波数の電磁波の発振（放射）や受信（検出）に用いられてもよい。
【0011】
図１（ａ）～１（ｃ）は、テラヘルツ波を放射する発振装置に適用可能な半導体デバイス１００の断面図である。図２（ａ）～２（ｃ）は、半導体デバイス１００の平面図である。図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）は、それぞれ図２（ａ）に示される半導体デバイス１００の上面のＡ－Ａ’間、Ｂ－Ｂ’間、Ｃ－Ｃ’間の断面を表している。図３（ａ）～３（ｄ）は、半導体デバイス１００の概略を示すための図である。
【0012】
図１（ａ）～１（ｃ）に示されるように、半導体デバイス１００は、構造体１５１と、構造体１５２と、構造体１５３と、が積層されている所謂、積層チップである。構造体１５１は、テラヘルツ波などの電磁波を発振するための半導体素子１０１およびアンテナが配された半導体基板１３１を含む。構造体１５１は、化合物半導体基板である半導体基板１３１上に配されたアンテナアレイを備え、アンテナ基板と呼ばれる場合がある。構造体１５２は、半導体素子１０１を制御するための制御回路が配された半導体基板１３４を含む。構造体１５２は、例えば、半導体基板１３４としてシリコン基板を用いたシリコン集積回路基板である。構造体１５３は、構造体１５１に接合された接合面ＢＳ１および構造体１５２に接合された接合面ＢＳ２を有する。構造体１５３は、構造体１５１と構造体１５２との間に存在するよう積層される。構造体１５３は、構造体１５１と構造体１５２とを接続し、熱伝導に優れた材料で構成されたインターポーザ基板である。これら３つの構造体１５１、１５２、１５３を既知の半導体積層技術を用いて積層することによって、半導体デバイス１００が実現される。
【0013】
図３（ａ）には、本実施形態の半導体デバイス１００の概念となる構成を示すブロック図が示されている。図３（ｂ）は、半導体デバイス１００を構成する構造体１５１を上面から見た模式図である。図３（ｃ）は、半導体デバイス１００を構成する構造体１５３を上部から見た場合（例えば、接合面ＢＳ１）の模式図の一例である。図３（ｄ）は、半導体デバイス１００を構成する構造体１５２を上部から見た場合（例えば、構造体１５３との接合面）の概念図である。
【0014】
まず、構造体１５１に形成されたアクティブアンテナアレイ１１について説明する。図３（ａ）に示されるように、構造体１５１には、アレイ状に複数のアクティブアンテナＡＡが配され、アクティブアンテナアレイ１１を構成している。アクティブアンテナＡＡは、テラヘルツ波を送受信するための半導体素子１０１およびアンテナとして機能する導体パターン１０２とを含む。導体パターン１０２が配される配線層は、アンテナ層とも呼ばれる。アクティブアンテナアレイ１１は、図３（ａ）、３（ｂ）に示されるように、縦ｍ個、横ｎ個のｍ×ｎ（ｍ≧１、ｎ≧１）のマトリクス状にアンテナを配置したアンテナアレイを指す。ここで、半導体デバイス１００の中央部とは、図３（ｂ）におけるアクティブアンテナアレイ１１を囲う枠の内側の領域と重なる領域を示しており、外周部とは枠の外側の領域と重なる領域を示している。
【0015】
構造体１５２は、アクティブアンテナＡＡを個別に制御するための制御回路１６５を備える。制御回路１６５は、複数の制御素子ＡＣを備える。本実施形態において、制御素子ＡＣは、アクティブアンテナＡＡに対して１対１の関係で接続され、アクティブアンテナＡＡと同様にマトリクス状に配されうる。そのため、制御回路１６５は、構造体１５２の中央部に配されうる。構造体１５２に配される制御素子ＡＣは、構造体１５１に配される対応するアクティブアンテナＡＡの直下の領域に配されていてもよい。その場合、対応するアクティブアンテナＡＡと制御素子ＡＣとの間の配線長が最短になり、また、それぞれのアクティブアンテナＡＡと制御素子ＡＣとを結合する配線長が略等しくなる。そのため、配線インダクタンスを低減することができる。制御回路１６５は、アクティブアンテナＡＡのＯＮ／ＯＦＦスイッチ、半導体素子１０１にバイアス信号を供給するバイアス制御回路として機能するトランジスタ、アンテナに出力される電磁波の位相を制御する位相制御回路として機能するトランジスタなどが配された集積回路である。さらに、構造体１５２には、例えば、図３（ｄ）に示されるように、制御回路１６５と協働するバイアス回路１２、位相制御集積回路１３、ベースバンド集積回路１７、アナログ－デジタル変換回路／デジタル－アナログ変換回路１６などが配されていてもよい。
【0016】
構造体１５２の構成は、図３（ｄ）に示されるマトリクス状の制御素子ＡＣの配置に限られるものではない。例えば、ライン駆動回路のように列や行ごとに、アクティブアンテナＡＡを制御するような構成であってもよい。その場合、制御素子ＡＣの列や行を指定する水平シフトレジスタや垂直シフトレジスタが、構造体１５２の外周部に配される。また、制御回路１６５には、シフトレジスタからの信号で制御されるマトリクスを切り替えるスイッチなどが設けられる。構造体１５１に配されたアクティブアンテナＡＡが制御可能であれば、構造体１５２に配される制御回路は、適当な構成を有していればよい。また、アクティブアンテナＡＡをテラヘルツ波などの電磁波を受信する検出装置として用いる場合には、制御回路１６５に、プリアンプやローノイズアンプ、フィルタ回路などが配されうる。
【0017】
制御回路１６５は、シリコン基板などの半導体基板１３４上に設けられたトランジスタをベースとした電子集積回路でありうる。そのようなシリコン（Ｓｉ）デバイスであれば、ＣＭＯＳプロセスおよびＦｉｎＦＥＴ（ＦｉｎＦｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）プロセスを随意に用いて、制御回路１６５などの構造体１５２の各構成を形成することができる。また、構造体１５２には、テラヘルツ波帯で動作する化合物半導体デバイスであるシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）－ＢｉＣＭＯＳ、ＳｉＧｅ－ＨＢＴ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）／リン化インジウム（ＩｎＰ）－高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、ｎＧａＡｓ／ＩｎＰ－ＨＢＴ、窒化ガリウム（ＧａＮ）－ＨＥＭＴのトランジスタをベースとしたいずれの電子集積回路も用いることができる。その場合、半導体基板１３４には、ＳｉＧｅ基板や、ＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板などの化合物半導体基板が用いられうる。ここで、ＢｉＣＭＯＳは、バイポーラ回路とＣＭＯＳ回路とを組み合わせた半導体回路である。なお、以降の実施形態は、トランジスタとしてＳｉ ＭＯＳＦＥＴ（ＭＩＳＦＥＴ）を用いた場合について説明するが、上述のように、これに限られることはない。
【0018】
図３（ｃ）には、インターポーザ基板である構造体１５３の平面の概略図が示されている。構造体１５３は、構造体１５１と構造体１５２とを貫通ビアを通過する導体プラグを利用して電気的に接続するインターポーザ基板である。また、後述するように、構造体１５３は、半導体デバイス１００において放熱を補助する役割を備える。構造体１５３は、互いに積層された基材層１４５ａ、１４５ｂと導体層１４４とを含む。導体層１４４には、構造体１５１に配された半導体素子１０１に電気的に接続された導体プラグ１４１が接続されている。また、導体層１４４には、複数の開口部１４２が配され、開口部１４２には、導体層１４４と同じ層に配された導体パターン１４３が配され、構造体１５１と構造体１５２とを電気的に接続する導体プラグに接続されている。図３（ｃ）には、矩形の開口部１４２が示されているが、図２（ｂ）や図３（ａ）に示されるように円形であってもよい。また、開口部１４２は、導体層１４４のうち導体パターン１４３以外の導体が配されていない部分を示し、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ）や窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの絶縁体が埋め込まれていてもよい。また、開口部１４２は、空隙を有していてもよい。
【0019】
導体層１４４は、構造体１５３の外周部１６６へと延び、構造体１５３の外縁に熱的に露出するような構造となっている。また、構造体１５３は、構造体１５３に伝わる熱を基材層１４５ａ、１４５ｂおよび導体層１４４を介して構造体１５３の周囲方向へと拡散させる役割を持つ。そのため、構造体１５３は、全体として熱伝導性に優れた材料で構成される。例えば、構造体のうち基材層１４５（１４５ａ、１４５ｂ）には、ＡｌＮなどのセラミックスが使用されてもよい。ＡｌＮの熱伝導率は、約１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり熱伝導率が高い。例えば、構造体１５１の半導体基板１３１として用いられるＩｎＰの熱伝導率は、６８Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。また、ＡｌＮの熱膨張係数は約４．６ｐｐｍ／Ｋであり、ＩｎＰの熱膨張係数である４．５ｐｐｍ／Ｋとも近い値のため、熱膨張などによる半導体プロセスへの影響も少ない。
【0020】
しかしながら、基材層１４５の材料は、ＡｌＮなどのセラミックスに限られることはない。例えば、基材層１４５にグラファイトなどの炭素系材料が用いられてもよい。グラファイトの熱伝導率は、ＡｌＮの熱伝導率よりも、さらに１桁ほど高い。
【0021】
また、導体層１４４には、アルミニウムや銅、金などの各種の金属材料が用いられうる。これらの金属材料も、高い熱伝導率を有する。それによって、構造体１５３は、構造体１５３内での熱の移動が起こりやすく、半導体デバイス１００における放熱を促進する。例えば、構造体１５３の全体での熱伝導率が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってもよい。さらに、構造体１５３の全体での熱伝導率が、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であってもよい。構造体１５１、１５２には、配線層間を絶縁するための酸化シリコンなどを用いた層間絶縁膜など、比較的、熱伝導率が低い材料が多く用いられる。そのため、構造体１５３は、構造体１５１および構造体１５２よりも熱伝導率が高くなる。それによって、構造体１５１や構造体１５２に配される素子から発せられる熱が、構造体１５３を介して放散される。
【0022】
構造体１５３の厚さは、１００μｍ以上かつ１ｍｍ以下程度に調整されていてもよい。例えば、導体層１４４の厚さは、０．２５μｍから１μｍ程度である。そのため、基材層１４５（例えば、基材層１４５ａと基材層１４５ｂとの合計）の厚さが、実質的に、１００μｍ以上かつ１ｍｍ以下になりうる。構造体１５３は、熱伝導を行うための基板であるため、薄くすると断面積が小さくなり、熱抵抗が増加することで熱伝導性が低下する。そのため、構造体１５３の厚さが、構造体１５１に配される半導体基板１３１の厚さよりも厚くてもよい。構造体１５３を厚くすることによって、構造体１５１よりも熱抵抗が低い構造体１５３が実現されることから、上述のように構造体１５３は、１００μｍ以上の厚さを有していてもよい。また、基材層１４５（例えば、基材層１４５ａと基材層１４５ｂとの合計）が、１００μｍ以上の厚さを備えていてもよい。一方、構造体１５３の厚さが厚くなることによって、構造体１５１と構造体１５２とを電気的に接続するために構造体１５３を貫通する導体プラグを通すための貫通ビアの径が大きくなりうる。その場合に、構造体１５１に配されるアクティブアンテナＡＡや構造体１５２に配される制御素子ＡＣなどにおいて配線パターンが配される配線領域の自由度が低下する可能性がある。そのため、構造体１５３の最大の厚みは１ｍｍ程度に抑えてもよい。また、基材層１４５（例えば、基材層１４５ａと基材層１４５ｂとの合計）の厚さが、１ｍｍ程度以下であってもよい。
【0023】
図２（ａ）は、構造体１５１の上面を示した図である。図２（ｂ）は、構造体１５３のうち導体層１４４の基材層１４５ａと接する面を示した図である。図２（ａ）に示されるように、アンテナとして用いられる導体パターン１０２は、方形パッチアンテナである。図２（ａ）では、９個のパッチアンテナが３×３のマトリクス状に配置されている。アクティブアンテナＡＡは、発振または検出するテラヘルツ波の波長以下、または、当該波長の整数倍のピッチ（間隔）で配することができる。アクティブアンテナＡＡは、パッチアンテナの上導体である導体パターン１０２（導体パターン１０２が配された配線層は、アンテナ層、上導体層とも呼ばれうる。）と、ＧＮＤ層かつリフレクタ層として機能する導体パターンである導体層１０９と、その間に配された半導体素子１０１と、を少なくとも有する。それによって、アクティブアンテナＡＡは、発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を半導体基板１３１の主面に対して垂直方向に放射する。
【0024】
アクティブアンテナＡＡを構成する半導体素子１０１は、テラヘルツ波を発振または検出するための半導体構造を含む。半導体素子１０１は、負性抵抗素子でありうる。ここでは共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いた例について説明する。ＲＴＤは、テラヘルツ波の周波数帯で電磁波利得を有する典型的な半導体構造であり、活性層とも呼ばれる。半導体素子１０１は、電磁波の発振または検出を行う半導体素子であればよく、ＲＴＤやアクティブアンテナの構成に限定されるものではなく、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサなどの半導体構造なども含まれる。図３（ｄ）に示されるバイアス回路１２は、半導体素子１０１に印加するバイアス信号を制御するための電源であり、制御回路１６５を介して、半導体素子１０１と電気的に接続される。
【0025】
また、半導体素子１０１として機能するＲＴＤは、面積によって内部の寄生容量が変化し、調整することでテラヘルツ帯などの高周波発振が可能な素子として作用するが、テラヘルツ帯で利用する際のＲＴＤの面積は小さくなることが多い。面積が小さくなるにつれて電流密度が高くなり、半導体デバイス１００の駆動時の発熱が局所的に集中する。駆動するための通電によって集中したＲＴＤの発熱は、金属などの電極部におけるエレクトロマイグレーションや熱膨張などの機械的ストレスに影響する。また、この発熱は、半導体デバイス１００の寿命劣化や発振性能の変動など、部品の信頼性にも影響を及ぼす。さらに、半導体デバイス１００は、ＲＴＤを搭載した構造体１５１の他に、ＲＴＤの制御や信号処理を行う構造体１５２を有しており、構造体１５２においても駆動によって熱が生じる。半導体デバイス１００の構造体１５１および構造体１５２の駆動による熱を効率的に半導体デバイス１００の外部に排熱することで、安定性の向上や寿命の延長など信頼性の向上に寄与することができる。すなわち、構造体１５３は、構造体１５１、１５２で生じる熱を放散するための排熱機構を備えるインターポーザ基板となる。
【0026】
構造体１５１には、アクティブアンテナアレイ１１のアンテナ利得の増加を目的として、複数のアクティブアンテナＡＡをアレイ配置することが考えられている。それぞれのアクティブアンテナＡＡには、上述のようにＲＴＤを含む半導体素子１０１が配されており、それぞれのアクティブアンテナＡＡ間において相互注入同期させることで、アンテナ利得が増大する。
【0027】
各アクティブアンテナＡＡ間は、伝送線である結合パターンＣＬで結ばれており、電気的に接続される。結合パターンＣＬは、導体によって形成されたマイクロストリップラインであり、アクティブアンテナＡＡ間を周波数ｆＴＨｚで相互注入同期することができる。図２（ａ）に示される３×３アレイの例であれば、アクティブアンテナＡＡ間を水平方向（図２（ａ）の横方向）で同期するために、水平方向に互いに隣り合うアクティブアンテナＡＡ同士は、２本の結合パターンＣＬで電気的に接続される。また、垂直方向（図２（ａ）の縦方向）の同期をとるために、垂直方向に互いに隣り合うアクティブアンテナＡＡ同士は、１本の結合パターンＣＬで電気的に接続される。複数のアクティブアンテナＡＡ間を同期するためには、隣接するアクティブアンテナＡＡ間を結合する結合パターンＣＬが必要である。アクティブアンテナＡＡと結合パターンＣＬとは容量結合によって接続される。結合パターンＣＬの長さは、互いに隣り合うアクティブアンテナＡＡ間を結合線で接続する場合に、横方向（磁界方向・Ｈ方向）および縦方向（電界方向・Ｅ方向）の何れか、または、両方で位相整合条件を満たすように設計される。
【0028】
本実施形態は、上述のような水平・垂直偏波を放射するアンテナだけでなく円偏波を放射するアンテナにも適用可能である。例えば、パッチアンテナである導体パターン１０２を正方形ではない方形とし、切り欠きを形成することで、円偏波を放射することができる。また、例えば、導体パターン１０２として、パッチアンテナとは異なる円偏波を放射するアンテナを適用してもよい。本実施形態では、結合パターンＣＬを用いたアクティブアンテナＡＡの同期構成を用いたアクティブアンテナアレイ１１を示しているが、結合パターンＣＬの構成は、必須ではなく、この限りではない。
【0029】
一例において、結合パターンＣＬは、互いに隣り合うアクティブアンテナＡＡのＲＴＤ間の電気長が２π（１波長）の整数倍となるような長さに設計される。例えば、水平方向に延びる結合パターンＣＬの長さは、アクティブアンテナＡＡ間の半導体素子１０１間における電気長が４πとなる長さである。また、垂直方向に延びる結合パターンＣＬの長さは、アクティブアンテナＡＡ間の半導体素子１０１間における電気長が２πとなる長さである。ここで、電気長とは、結合パターンＣＬ内を伝搬する高周波の伝搬速度を考慮した配線長である。つまり、結合パターンＣＬの長さは、電磁波の結合パターンＣＬにおける波長に基づき設定される。このような設計を用いることによって、それぞれのアクティブアンテナＡＡの半導体素子１０１は、正位相で相互注入同期される。ここで、結合パターンＣＬの長さの範囲の誤差は、±１／４π程度であってもよい。
【0030】
次いで、図１（ａ）～１（ｃ）を用いて、本実施形態の半導体デバイス１００の積層構造について説明する。構造体１５１に配された半導体素子１０１は、図１（ａ）に示されるように、導体層１０９側から電極層１６４、半導体構造１６２、電極層１６３の順で積層されて、これらは電気的に接続されている。半導体構造１６２は、テラヘルツ波に対する電磁波の利得または非線形性を有する半導体構造であり、本実施形態では、上述したようにＲＴＤを用いている。また、電極層１６３と電極層１６４とは、半導体構造１６２に電位差または電流を印加するために、半導体構造１６２の上下のコンタクト電極（オーミック電極やショットキー電極）と上下の配線層に配された導体パターンとを接続するための電極層を兼ねた構造である。電極層１６３と電極層１６４は、オーミック電極やショットキー電極として知られる金属材料（Ｔｉ・Ｐｄ・Ａｕ・Ｃｒ・Ｐｔ・ＡｕＧｅ・Ｎｉ・ＴｉＷ・Ｍｏ・ＥｒＡｓなど）や不純物をドーピングした半導体から構成されうる。例えば、半導体基板１３１（ＩｎＰ基板）／導体層１０９（ｎ＋－ＩｎＧａＡｓ）／電極層１６４（ｎ－ＩｎＧａＡｓ）／半導体構造１６２（ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ）／電極層１６３（ｎ－ＩｎＧａＡｓ）のような積層構造を有していてもよい。
【0031】
化合物半導体を集積した構造体１５１の半導体基板１３１として、化合物半導体を結晶成長した化合物半導体基板である半絶縁性のＩｎＰ基板が用いられてもよい。ＩｎＰ基板は、例えば、４インチ程度の直径を有しうる。ここで、配線インダクタンス低減の観点から、ＩｎＰなどを用いた半導体基板１３１の厚みは、１００μｍ以下であってもよい。さらに、半導体基板１３１は、１０μｍ以下まで薄化されていてもよい。半導体基板１３１の厚さは、動作させるテラヘルツ波の波長の１／１０以下の範囲で設計されうる。一例では、半導体基板１３１の厚さは、動作させるテラヘルツ波の波長の１／２０以下である。
【0032】
構造体１５１は、さらに、アンテナとして機能する導体パターン１０２、半導体素子１０１、導体層１０９（リフレクタ層）、誘電体層１０５、１０６、導体パターン１０２と半導体素子１０１とを接続する導体プラグ１０４を含む。また、半導体素子１０１に制御信号を印加するために、図１（ｂ）、１（ｃ）に示されるようにバイアス用の導体パターン１０３、導体プラグ１０７、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）構造の容量素子１２６、抵抗素子１２７が、アクティブアンテナＡＡに接続される。容量素子１２６は、バイアス制御回路に起因した低周波の寄生発振を抑制するために配される。容量素子１２６は、導体層１１３とＧＮＤ層である導体層１０９とを用いて、誘電体層１０６の一部を挟んだ構造を使用している。アクティブアンテナＡＡは、アンテナとして機能する導体パターン１０２間をテラヘルツの周波数で同期するため、導体パターン１１１を用いた結合パターンＣＬで電気的に接続されている。
【0033】
アクティブアンテナアレイ１１と化合物半導体を集積したアンテナ基板である構造体１５１の下面は、インターポーザ基板である構造体１５３の接合面ＢＳ１に接合されている。さらに、構造体１５３の接合面ＢＳ２は、集積回路基板である構造体１５２に接合されている。ここで、「接合する」とは、構造体１５１が、構造体１５３と接合面ＢＳ１を共有し、構造体１５２が、構造体１５３と接合面ＢＳ２を共有していると定義されてもよい。
【0034】
構造体１５１と構造体１５３との接合、構造体１５２と構造体１５３との接合には、それぞれＣｕ－Ｃｕ接合などの金属接合、ＳｉＯ／ＳｉＯ接合などの絶縁体接合、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの接着剤を使用した接着剤接合、および、これらの組み合わせとなるハイブリット接合などが用いられる。接着剤接合の場合、接着剤は、構造体１５１、１５２に含まれうる。他にも、基板上に形成された金（Ａｕ）などの金属で形成された金属バンプを利用して接続するフリップチップ接合などが用いられる。接合プロセスとして、プラズマ活性化を用いた低温接合や、熱圧着、フリップチップ接合の場合は超音波圧着などが用いられる。また、接合には同サイズの半導体ウェーハ同士の接合、異なるサイズの半導体ウェーハ同士の接合、ウェーハに半導体チップを離間して複数接合する方式（タイリング）などが用いられる。
【0035】
図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）は、上述したように図２（ａ）のＡ－Ａ’間、Ｂ－Ｂ’間、Ｃ－Ｃ’間の断面図である。構造体１５１には、構造体１５３の接合面ＢＳ１から順に、絶縁体層１４８、半導体基板１３１、導体層１０９、誘電体層１０６、１０５、１１２が積層されている。誘電体層１０６、１０５、１１２には、導体プラグ１０４、１０７、１１７と、導体パターン１０２、１０３、１１１がそれぞれ配される。アクティブアンテナアレイ１１において、半導体素子１０１のメサ構造は、誘電体層１０６で周囲を覆うように埋め込まれている。半導体基板１３１には、半導体基板１３１を貫通するように形成された貫通ビアに導体プラグ１３７が配される。導体プラグ１３７には、銅や金、タングステン、チタンなどが用いられる。構造体１５１と構造体１５３との接合用の絶縁体層１４８および電極パターン１３８は、接合面ＢＳ１に接するように平坦化されており、平坦な構造体１５１の下面と構造体１５３の接合面ＢＳ１とが露出する状態で、接合プロセスが実施される。構造体１５１に配される誘電体層１０５、１０６、絶縁体層１４８として、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、炭素含有酸化シリコン（ＳｉＯＣ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの無機絶縁材料が用いられる。
【0036】
図２（ｃ）は、図２（ａ）に示されるアンテナ領域および周辺領域を説明する図である。図２（ｃ）に示されるように、アクティブアンテナアレイ１１は、アンテナが設けられたアンテナ領域５２（パッチアンテナの上導体である導体パターン１０２の中の領域）と、バイアス配線や結合パターンＣＬが設けられるアンテナ領域外の周辺領域５１とを含み構成される。アンテナ領域５２は、図３（ｂ）、３（ｃ）、３（ｄ）に示される構造体１５１、１５２、１５３の積層方向において、パッチアンテナの上導体である導体パターン１０２と重なる領域を指す。周辺領域５１は、構造体１５１、１５２、１５３の積層方向において、パッチアンテナの上導体である導体パターン１０２と重ならない領域を指す。一例では、周辺領域５１は、パッチアンテナの上導体である導体パターン１０２と重ならない領域であって、導体パターン１０２とテラヘルツ波の１／１０波長以上離れた領域を指す。すなわち、アンテナ領域５２は、テラヘルツ波の近傍界を含む領域であり、周辺領域５１はテラヘルツ波の近傍界を含まない領域であるといえる。
【0037】
構造体１５３は、上述のように基材層１４５と導体層１４４とを含む、半導体デバイス１００のうち熱伝導率が高い領域である。図１（ａ）～１（ｃ）に示される構成において、構造体１５３は、構造体１５１と導体層１４４との間に配された基材層１４５ａと、導体層１４４と構造体１５２との間に配された基材層１４５ｂと、を含む。基材層１４５ａの接合面ＢＳ１の側には、構造体１５１との接合用の電極パターン１３９が配されている。電極パターン１３９は、基材層１４５ａを貫通する導体プラグ１４１ａに接続されている。基材層１４５ａおよび電極パターン１３９は、接合面ＢＳ１において平坦化されており、平坦な構造体１５１の下面と構造体１５３の接合面ＢＳ１とが露出する状態で、接合プロセスが実施される。したがって、接合面ＢＳ１は、導体層１０９と構造体１５３との間に設けられるともいえる。
【0038】
さらに、構造体１５３の導体層１４４には、図１（ｂ）に示されるように、開口部１４２が配され、基材層１４５ａに配された導体プラグ１４１ａに接続された導体パターン１４３が存在する。導体パターン１４３は、基材層１４５ｂに配された導体プラグ１４１ｂに接続され、構造体１５１と構造体１５２とを電気的に接続する。導体パターン１４３は、導体層１４４から形成されうるが、半導体デバイス１００において、導体層１４４とは電気的に絶縁されている。
【0039】
基材層１４５ｂの接合面ＢＳ２の側には、構造体１５２との接合用の電極パターン１４６が配されている。電極パターン１４６は、基材層１４５ｂを貫通する導体プラグ１４１ｂに接続されている。基材層１４５ｂおよび電極パターン１４６は、接合面ＢＳ２において平坦化されており、平坦な構造体１５２の上面と構造体１５３の接合面ＢＳ２とが露出する状態で、接合プロセスが実施される。
【0040】
構造体１５２には、半導体基板１３４から順番に、絶縁体層１３３、導体パターン１４０、絶縁体層１３２、絶縁体層１４９が積層されている。絶縁体層１３２には、導体プラグ１５０、絶縁体層１４９には、構造体１５２との接合用の電極パターン１４７が形成される。構造体１５２と構造体１５３との接合用の絶縁体層１４９および電極パターン１４６は、接合面ＢＳ１に接するように平坦化されており、平坦な構造体１５２の上面と構造体１５３の接合面ＢＳ２とが露出する状態で、接合プロセスが実施される。図１（ａ）～１（ｃ）に示される構成は、構造体１５１に配されたアンテナとして機能する導体パターン１０２と構造体１５２に配された制御回路１６５とが離れる。そのため、テラヘルツの周波数で動作するアクティブアンテナアレイＡＡと、ＲＦ周波数で動作する制御回路１６５などの各回路と、の電波干渉によるノイズ低減が可能となる。絶縁体層１３２、１３３、１４９には、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、炭素含有酸化シリコン、炭化シリコンなどの無機絶縁材料が用いられうる。
【0041】
化合物半導体を集積した構造体１５１のリフレクタである導体層１０９は、半導体基板１３１に設けた導体プラグ１３７および接合用の電極パターン１３８を介して、構造体１５２の接合面ＢＳ１に電気的に接続される。ここで、導体プラグ１３７および電極パターン１３８を構造体１５１に配された１つの部材としての導体プラグとして定義すると、構造体１５１には、半導体素子１０１に電気的に接続され、かつ、構造体１５２の接合面ＢＳ１に達する導体プラグが配されているともいえる。また、構造体１５３の導体層１４４と接合面ＢＳ１との間には、基材層１４５ａに配された導体プラグ１４１ａと接合用の電極パターン１３９が配される。電極パターン１３８と電極パターン１３９は、接合面ＢＳ１で電気的に接続されることによって、構造体１５１に配された導体層１０９の電位と構造体１５３に配された導体層１４４の電位とが共有される。ここで、導体プラグ１３７、電極パターン１３８、電極パターン１３９および導体プラグ１４１ａを構造体１５１、１５３に配された１つの部材としての導体プラグとして定義すると、半導体素子１０１に電気的に接続され、かつ、構造体１５２の接合面ＢＳ１に達する導体プラグは、さらに、基材層１４５ａを貫通し、導体層１４４に電気的に接続されているともいえる。
【0042】
構造体１５１と構造体１５３との接合強度を高めるために、接合面ＢＳ１に構造体１５１と構造体１５２との間で信号の授受を行わないダミーの電極パターン１３８ｄ、１３９ｄが配されていてもよい。構造体１５１と構造体１５２との間の信号の授受を行うための電極パターン１３８、１３９が不要な領域に、ダミーの電極パターン１３８ｄ、１３０ｄを広く配置することによって、金属接合時の接合強度を高めることができ、歩留まりと信頼性を改善することができる。
【0043】
構造体１５３の導体層１４４と構造体１５２の導体パターン１４０とは、基材層１４５ｂに配された導体プラグ１４１ｂおよび電極パターン１４６、絶縁体層１３２に配された導体プラグ１５０および電極パターン１４７を介して電気的に接続される。それによって、構造体１５１と構造体１５２との電位が共有される。一例として、構造体１５２の導体パターン１４０をＧＮＤ層として、半導体デバイス１００全体のＧＮＤ電位が共有可能である。
【0044】
構造体１５１と構造体１５３との接合強度を高めるために、接合面ＢＳ２においても、上述と同様にダミーの電極パターン１４６ｄ、１４６ｅ、１４７ｄ、１４７ｅなどが設けられていてもよい。また、図１（ｂ）に示されるように、ダミーの電極パターン１４６ｅが、導体層１４４に電気的に接続されていてもよい。これらのダミーの電極パターンは、構造体１５１や構造体１５２で発生した熱を構造体１５３に効率よく伝えるための部材として適宜、用いられる。他にも、これらの構成は、構造体１５１のアクティブアンテナＡＡへの構造体１５２の集積回路に起因する電磁波ノイズの影響を低減しうる。
【0045】
構造体１５１は、アンテナとして機能する導体パターン１０２が配された配線層と、導体パターン１０２が配された配線層と構造体１５３との間に配された配線層である導体層１０９と、を含む。導体パターン１０２は、上述のように、半導体素子１０１に電気的に接続される。また、導体層１０９は、接合面ＢＳ１に対する正射影において導体パターン１０２よりも面積が大きく、かつ、半導体素子１０１に電気的に接続された導体パターンである。これらの構成によって、導体パターン１０２とＧＮＤ層として動作する導体層１０９とは、テラヘルツ波と共振するパッチアンテナとして機能する。また、ＧＮＤ層およびリフレクタ層として機能する導体層１０９とは別に、構造体１５２に配された導体パターン１４０もＧＮＤパターンとして機能し、さらに、２つのＧＮＤ層、ＧＮＤパターンの中間に導体層１４４をＧＮＤ層として配置できる。それによって、テラヘルツの周波数で動作するアクティブアンテナアレイ１１と、ＲＦ周波数で動作する制御回路１６５などの構造体１５２に配された集積回路と、の電波干渉によるノイズ低減が可能となる。ノイズ低減の効果を高めるためには、ＧＮＤ層、ＧＮＤパターンとして機能する導体層１０９、１４４、導体パターン１４０は、それぞれ、半導体層１３１、基材層１４５、半導体層１３４のうち大きな面積を覆うようなベタパターンであってもよい。構造体１５１の結合パターンＣＬを含む導体パターン１１１は、誘電体層１１２上に形成され、導体パターン１０２のアンテナの上導体同士を電気的に接続させる。
【0046】
構造体１５１の半導体素子１０１と接続されたバイアス用の配線パターンを形成する導体パターン１０３は、構造体１５２に配される集積回路に設けられたバイアス制御回路を構成するトランジスタＴＲに電気的に接続される。トランジスタＴＲは、バイアス制御回路以外にも構造体１５２に配された集積回路をそれぞれ構成するために、構造体１５２の基材である半導体基板１３４の表面近傍に形成される。導体パターン１０３は、誘電体層１０６に配された導体プラグ１１７、導体層１０９の開口部１３６に設けた導体パターン１３５、半導体基板１３１に配された導体プラグ１３７、接合用の電極パターン１３８の順で電気的に接続され、接合面ＢＳ１へと到達する。同様に構造体１５２に配されたトランジスタＴＲは、絶縁体層１３２に配された導体プラグ１５０、接合用の電極パターン１４７の順で電気的に接続され、接合面ＢＳ２に到達する。構造体１５３において、導体層１４４に設けられた開口部１４２に配された導体パターン１４３から接合面ＢＳ１まで導体プラグ１４１ａおよび接合用の電極パターン１３９が電気的に接続される。また、導体パターン１４３から接合面ＢＳ２まで導体プラグ１４１ｂおよび接合用の電極パターン１４６が電気的に接続される。それによって、構造体１５３において、接合面ＢＳ１に配された電極パターン１３９と接合面ＢＳ２に配された電極パターン１４６とは、電気的に接続されている。さらに、構造体１５１に配された電極パターン１３８と構造体１５３に配された電極パターン１３９とが電気的に接続され、構造体１５３に配された電極パターン１４６と構造体１５２に配された電極パターン１４７とが電気的に接続される。それによって、構造体１５１の電極パターン１３８と構造体１５２の電極パターン１４７とを電気的に接続することができ、アクティブアンテナＡＡのバイアス用の導体パターン１０３と構造体１５２に配されたトランジスタＴＲとが導通し、各アクティブアンテナＡＡのバイアス制御が可能になる。図１（ｂ）では、導体プラグ１４１ａと導体プラグ１４１ｂとが、接合面ＢＳ１に対する正射影において、同じ位置に配されているが、導体パターン１４３を介して異なる位置に配されていてもよい。それによって、構造体１５２から構造体１５１への配線経路が延長され、構造体１５２から構造体１５１への熱の移動が抑制されうる。
【0047】
ここで、開口部１３６と、構造体１５１と構造体１５３とを電気的につなぐ各導体（導体パターン１３５、導体プラグ１３７、電極パターン１３８）の配置を工夫することによって、放射効率やノイズの対策効果が期待される。具体的には、リフレクタとして機能する導体層１０９に設けられる開口部１３６は、アンテナ領域５２とは重ならない周辺領域５１に配してもよい。しかしながら、そのような配置は、必ずしも必要ではない。例えば、開口部１３６、導体パターン１３５および導体プラグ１３７に伝搬することが想定される電磁波の電気長に比べて、導体パターン１３５および導体プラグ１３７の幅が十分小さい（典型的には電気長λの１／１０以下）場合であれば、アクティブアンテナＡＡへの影響は無視できる。この場合、開口部１３６、導体パターン１３５および導体プラグ１３７は、アンテナ領域５２内に配されていてもよい。
【0048】
図１（ｃ）に示されるように、導体パターン１０２は、導体プラグ１０７を介して配線パターン１０８に電気的に接続されている。配線パターン１０８は、抵抗素子１２７を介して導体パターン１０３へと接続し、さらに、容量素子１２６に接続される導体プラグ１１４へと電気的に接続される。アンテナとして機能する導体パターン１０２に接続される導体プラグ１０７は、アクティブアンテナＡＡ上に形成される共振電界の節の位置において、アクティブアンテナＡＡと接続されるよう位置が設定される。さらに、上述した導体パターン１０３は、半導体素子１０１へバイアスを供給するパターンであり、抵抗素子１２７と容量素子１２６とは、そのバイアスラインに接続されているといえる。これによって、周波数ｆＴＨｚ以外の高周波がＡＣショートされ、高周波におけるインピーダンスを低減し、アクティブアンテナアレイ１１におけるマルチモード発振を抑制する効果が期待できる。
【0049】
図１（ｃ）に示されるように、構造体１５２にはＧＮＤ層である導体パターン１４０へと接続する経路が図示されている。図１（ａ）では、導体パターン１４０と構造体１５３の導体層１４４とを電気的に接続するよう構成していた。しかしながら、半導体デバイス１００の他の場所において、図１（ｃ）に示されるように、構造体１５３の導体層１４４に設けられた開口部１４２に配された導体パターン１４３を介して、導体パターン１４０は、構造体１５１のＧＮＤ層である導体層１０９と直接接続する形態をとってもよい。これらの構成は、熱の移動や配線のインピーダンス制御などのパラメータを決定するうえで適宜設定されるものとなり、これらに限られることはない。
【0050】
アクティブアンテナＡＡは、テラヘルツ波などの電磁波を共振する共振器と、電磁波を発振または検出する放射器を兼ねている。アクティブアンテナＡＡは、導体パターン１０２と半導体素子１０１との接続のための導体プラグ１０４と結合パターンＣＬとを含む。また、バイアス用の配線を形成する導体パターン１０３は、導体プラグ１０７を介して導体パターン１０２と接続している。導体パターン１０３には、ＡＣショートを構成する抵抗素子１２７、容量素子１２６、構造体１５２へとつながるバイアス供給用の導体プラグ１１７がそれぞれ接続されている。導体プラグ１１７は、構造体１５２に配される集積回路と、導体パターン１０２が配された配線層と導体層１０９が配された配線層との間の配線層に配された導体パターン１０３と、を電気的に接続するために配されるともいえる。接合面ＢＳ１に対する正射影において、図１（ｂ）に示されるように、導体パターン１０２と導体プラグ１１７とは、重ならないように配されうる。
【0051】
構造体１５２の導体プラグ１４１ａは、構造体１５１のＧＮＤ層である導体層１０９と導体層１４４とを電気的および熱的に接続している。半導体素子１０１から発生する熱は、主に、構造体１５１のＧＮＤ層として機能する導体層１０９、導体プラグ１３７、電極パターン１３８を介して構造体１５３に流れる。さらに、熱は、電極パターン１３９、導体プラグ１４１ａを介して導体層１４４へと流れる。そのため、排熱用の導体層１４４に接続する導体プラグ１４１ａは、構造体１５３の導体パターン１４３に接続する導体プラグ１４１ａと比較して幅が大きく設定されていてもよい。構造体１５３に流れた熱は、構造体１５３の中央から温度が低い外縁へと移動し、半導体デバイス１００の外部へと放散される。半導体デバイス１００が動作中の熱平衡状態において、構造体１５３の温度が、接合面ＢＳ１に対する正射影において、構造体１５３の中央から外縁に向かい低くなる勾配を有するように、半導体デバイス１００は動作しうる。また、構造体１５３を構成する基材層１４５ａ、１４５ｂも、熱伝導率が高い窒化アルミニウムやグラフェンなどの材料を用いて構成されることによって、より円滑な熱の移動を行うことが可能となる。
【0052】
さらに、構造体１５３の導体パターン１４３は、導体層１４４の開口部１４２に配されており、導体層１４４とは電気的に絶縁されている。必要に応じて、導体層１４４に開口部１４２を形成し、構造体１５１と構造体１５２との間の電気経路を配することが可能である。この場合に、図３（ｂ）、３（ｃ）に示されるように、アクティブアンテナアレイ１１と重複する導体層１４４の領域１６７の内部は、縦横に通る配線ライン（導体層１４４）を形成し、開口部１４２をその間の空間に設けてもよいし、導体層１４４の縦横の配線ラインを導体層１４４全体に配してもよく、導体層１４４のパターン構成は、図２（ｂ）や図３（ｃ）に示される限りではない。構造体１５３のうち基材層１４５の熱伝導率を向上させることによって、相対的に薄い層で熱抵抗が大きくなる導体層１４４は、熱伝導に与える影響が小さくなりうる。そこで、熱伝導だけでなく、導体層１４４のＧＮＤ層としての機能や、構造体１５１と構造体１５２との間の電気経路に応じて、導体層１４４は、適当なパターン構成を有していればよい。
【0053】
また、例えば、構造体１５２の半導体基板１３４と構造体１５３の接合面ＢＳ２との間に、構造体１５２から構造体１５３への熱の移動を妨げるように熱抵抗が高い断熱層が設けられていてもよい。断熱層とは、例えば、酸化シリコンなどよりも熱伝導率が低い、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の層でありうる。また、例えば、構造体１５１、１５２に配される層において、放熱による温度低下と駆動時の温度の上昇とのバランスをとるために、所定の温度を維持したまま安定化させることなどを目的として、熱容量が大きな材料や構造を利用した蓄熱層が配されていてもよい。蓄熱層とは、例えば、酸化シリコンなどよりも比熱が大きい、比熱が０．９ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上の層でありうる。
【0054】
図２（ａ）に示されるようなアクティブアンテナＡＡを備える半導体デバイス１００は、例えば、０．３～０．６ＴＨｚの周波数帯域で電磁波を放射可能であり、複数のアクティブアンテナＡＡは、同一の周波数帯域で単一モード発振が可能である。半導体基板１３１は、例えば、半絶縁性のＩｎＰ基板である。半導体素子１０１の半導体構造１６２は、上述したように、半導体基板１３１上に格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造から構成され、例えば、二重障壁構造のＲＴＤが用いられてもよい。これは、ＲＴＤの半導体ヘテロ構造ともいう。ＲＴＤの電流電圧特性は、一例では、ピーク電流密度が９ｍＡ／μｍ２であり、単位面積当たりの微分負性コンダクタンスが１０ｍＳ／μｍ２である。半導体素子１０１は、例えば、メサ構造に形成されていてもよい。アクティブアンテナＡＡは、上導体である導体パターン１０２の一辺が、例えば、１５０μｍの正方形パッチアンテナであり、アンテナの共振器長（Ｌ）は１５０μｍである。半導体素子１０１は、導体パターン１０２と導体層１０９との間に、導体パターン１０２と重なる位置に配されている。
【0055】
半導体素子１０１とアンテナである導体パターン１０２とを接続する導体プラグ１０４の幅は、共振電界に干渉しない程度の寸法でありうる。典型的には、導体プラグ１０４の幅は、アクティブアンテナＡＡの発振周波数ｆＴＨｚの１／１０以下に設定される。導体プラグ１０４の幅は、アンテナが発振または受信する電磁波の波長の１／１０以下であるともいえる。ここで、導体プラグ１０４の幅とは、接合面ＢＳ１に対する正射影において、最も長い部分の長さである。導体プラグ１０４の幅は、導体プラグ１０４が円柱構造の場合、円柱構造の直径でありうり、直方体の場合は、対角線の長さでありうる。また、導体プラグ１０４の幅は、直列抵抗を増やさない程度に小さくてもよく、目安としては表皮深さの２倍程度まで縮小できる。直列抵抗が１Ωを超えない程度まで小さくすることを考えると、導体プラグ１０４の幅は、典型的には０．１μｍ以上かつ２０μｍ以下の範囲であってもよい。一例では、導体プラグ１０４は、直径１０μｍの円柱構造である。導体プラグ１０７、１１４、１３７なども同様である。
【0056】
半導体素子１０１を駆動し、１０ｍＷ程度の放射強度を有するテラヘルツ波の放射を行うために必要な電力は、半導体素子１０１に印加するバイアス電圧および流れる電流から、１Ｗ程度である。放射効率は１％程度、理想的にも数％程度であるので、残りの９０％以上は主に熱へと変換され、構造体１５１内で消費される。そのため、構造体１５１は発熱し、その熱量は０．９Ｗ相当となる。本開示の半導体デバイス１００は、構造体１５１を安定的に駆動させるために、０．９Ｗ相当の熱源を半導体デバイス１００の外部へと継続的に放熱し、半導体素子１０１の温度を適切に制御することが必要になる。しかしながら、チップ外部に高性能な放熱部材を用いたとしても、半導体デバイス１００内の半導体素子１０１から半導体デバイス１００外部までの熱経路における熱抵抗が大きいと、熱の移動が阻害され、半導体素子１０１の温度を下げることが難しくなる。そのため、半導体デバイス１００内部の熱の移動を効率よく行う構成が必要となる。
【0057】
本実施形態における半導体デバイス１００の実装および熱の移動に伴う主な熱経路について、図４を用いて説明を行う。図４は、図３（ｃ）に示した半導体デバイス１００（構造体１５３）の外周部１６６に着目し、構造体１５１、１５３、１５２と支持基板１７０（パッケージ基板や回路基板などでありうる。）との接続形態を表した模式図である。
【0058】
構造体１５１の表面にはアクティブアンテナＡＡが形成され、テラヘルツ波の送受信を行う。構造体１５１の外周部１６６の表層には、ワイヤボンディング用の複数の電極が配されたＰＡＤ部２００が設けられている。ＰＡＤ部には、構造体１５１や構造体１５２に配された回路に必要な信号のうち外部からの制御が必要な信号や電源などの授受に使用される。ＰＡＤ部２００に配された電極は、ボンディングワイヤ２０１によって支持基板１７０の電極パッド１７１へと電気的に接続される。ボンディングワイヤ２０１には、金（Ａｕ）などの金属が用いられる。構造体１５１、１５３、１５２は、構造体１５２の下面および支持基板１７０の少なくとも一方に施された金属の接着層１７２を用いて、支持基板１７０へ固定（ダイボンディング）されている。接着層１７２には、金属だけではなく、樹脂などが用いられてもよい。支持基板１７０の接着層１７２と接触する面には、ダイボンディング用の金属パッド１７３が形成され、構造体１５２と熱的に接続されている。
【0059】
さらに、支持基板１７０には、構造体１５３と熱的に接続される放熱体２０２が配されている。より具体的には、放熱体２０２は、構造体１５３の外縁に接している。放熱体２０２は、半田や金属加工物など熱伝導率の高い導体で形成されうる。放熱体２０２は、支持基板１７０の表面の金属パッド１７３に固定されており、熱的に支持基板１７０に接続される。また、支持基板１７０の内部には、金属などの導体で形成された放熱体１７４が配される。放熱体１７４は、放熱体２０２の熱を支持基板１７０の構造体１５１、１５３、１５２から離れた領域、例えば、支持基板１７０の構造体１５２と対向する面とは反対側の裏面の側などへと伝える役割を持つ。それによって、構造体１５３の外縁（外周部１６６）から熱を構造体１５３の外部へと伝えることができ、支持基板１７０から放熱を行うことができる。放熱体２０２は、構造体１５１による電磁波の発信や受信に影響を与えないように、アンテナとして機能する導体パターン１０２よりも支持基板１７０の側に配されていてもよい。
【0060】
駆動に応じて構造体１５１の半導体素子１０１で発生した熱は、構造体１５１の各要素を伝わり拡散する。しかしながら、誘電体層１０５、１０６、半導体基板１３１は、熱伝導率が導体層１０９や導体プラグ１３７よりも低い。そのため、半導体素子１０１で発生した熱は、図４の下方向へと、主に導体層１０９、導体プラグ１３７、電極パターン１３８を含む熱経路１８０を通り、構造体１５３に伝わる。熱経路１８０は、構造体１５３において熱伝導率が高い基材層１４５ａ、１４５ｂおよび導体層１４４を含む熱経路１８１へ接続されている。熱経路１８１は、構造体１５３の厚さ方向に交差し、構造体の中央からが異変に向かう方向、すなわち、図４における左方向に延在する。熱経路１８１は、構造体１５３の外周部１６６の外縁まで延び、露出部１８３において熱的に露出する構成になっている。露出部１８３は、構造体１５３の外縁の全周にわたって露出する構成でもよいし、一部のみ露出する構成になってもよい。露出した露出部１８３は、放熱体２０２と熱的に接続する。図中の矢印１８２は、半導体素子１０１で発生した熱が、構造体１５１、１５３、１５２の外部へと伝わる熱経路を示している。半導体素子１０１で発生した熱は、主に熱経路１８０から熱経路１８１へと伝わり、露出部１８３に到達することで半導体素子１０１の熱を効率的に放散する構造としている。一方、半導体素子１０１を駆動する電流は、構造体１５２から構造体１５３を介して構造体１５１へ、すなわち、図４の縦方向に流れる。つまり、構造体１５３において、熱は、主に図４の横方向へと流れるのに対して、電流は、縦方向に流れる構成を有している。
【0061】
テラヘルツ波などの電磁波を発振または受信するアクティブアンテナアレイ１１において、それぞれのアクティブアンテナＡＡを個別に制御するためには、半導体素子１０１にバイアスを供給するバイアス線、アクティブアンテナＡＡ間の同期を制御する結合パターンＣＬ、アクティブアンテナＡＡにベースバンド信号を注入する制御線など、複数の電気経路が必要になる。一方、アンテナ利得の向上にはアンテナ数を増やす必要があるが、アクティブアンテナＡＡの数の増加とともにレイアウト起因による配線インダクタンスが増大し、高周波化が阻害されうる。これに対して、本実施形態では、アクティブアンテナアレイ１１を含む構造体１５１と構造体１５３とアクティブアンテナアレイ１１を制御する集積回路基板である構造体１５２とを半導体接合技術により積層している。それによって、アクティブアンテナアレイ１１の制御に必要な周辺回路を、構造体１５１の半導体基板１３１上に集積することや、半導体デバイス１００の外部から接続する実装形態をとる必要がなくなる。これは、配線パターン（電気経路）の引き回しに起因するインダクタンスの増大を抑制し、典型的には１ｎＨ以下に抑制することができるため、１ＧＨｚ以上の高周波で変調制御されるベースバンド信号の信号ロスや信号遅延を抑制することができる。構造体１５１における信号の損失は、主に熱へと変換されるため、構造体１５１内部の発熱につながる。積層による信号ロスの低減は、信号の損失を減らし、発熱を抑えることにもつながる。
【0062】
また、構造体１５１と構造体１５２とを積層することによって、アクティブアンテナＡＡの周囲にテラヘルツ波の送受信と関係しない回路が存在しない、または、十分に少なくすることができる。そのため、テラヘルツ波の送受信と関係しない回路に起因するノイズが低減され、アンテナの特性を最大限に発揮させることができる。半導体素子１０１のバイアス信号などをアクティブアンテナＡＡごとに制御する場合、それぞれに対応するバイアス線を個別に配置する必要がある。これに対し、本実施形態では、アクティブアンテナアレイ１１を含む構造体１５１が、導体プラグ（導体プラグ１３７など）や構造体１５３を介して構造体１５２に配された集積回路と直接接続することができる。アクティブアンテナアレイ１１を用いる場合、リフレクタとなる導体層１０９よりも構造体１５２の側に、導体プラグ１３７などの電気経路を配置できる。それによって、レイアウトの影響を受けずにアクティブアンテナアレイ１１に含まれるアクティブアンテナＡＡの数を増加させることができる。レイアウトの自由度が向上することで、信号の伝送線路に適切なクリアランスを確保することができ、伝送線路の損失を抑えることができる。すなわち、損失による発熱を押さえることにつながる。
【0063】
構造体１５１に形成される導体パターン１０２などのアンテナの形状や半導体素子１０１の半導体構造１６２は、送受信するテラヘルツ波の波長に応じて適宜変更され、多様な周波数をカバーするために複数の種類が存在することも考えられる。また、集積回路を含む構造体１５２は、従来のＣＭＯＳ集積回路技術を用いて検出回路や信号処理回路などの複雑な回路を構成することができる。信号処理回路などは周波数に依らず汎用的に使用することが可能な回路も多い。構造体１５３においても、構造体１５１と構造体１５２とをただ単に配線によって接続するだけでなく、そのような複数の種類のアクティブアンテナＡＡが配された構造体１５１と汎用的な構造体１５２との接続を行う。構造体１５３は、多様化するバリエーションに対応し適切に配線を行うことができる中間の緩衝層として構成や設計の流用性を高めるために最適化されるものである。
【0064】
このようにして構成された構造体１５１、構造体１５２、構造体１５３は、構造体１５１、１５２、１５３が積層された半導体デバイス１００の放熱においても優位である。構造体１５１の半導体素子１０１で発生した熱が、構造体１５１、１５３、１５２全体へと広がる際、主に、熱伝導率の高い導電性のある導体プラグ１３７や導体層１０９を介して構造体１５３へと伝わる（上述の熱経路１８０）。さらに、熱経路１８０から構造体１５３へと流入した熱は、構造体１５１よりも熱伝導率が高い構造体１５３を横方向（構造体１５１、１５３、１５２が積層される方向と交差する方向）へと熱の移動を行う熱経路１８１へと熱的に接続される。構造体１５３の熱は、構造体１５３の外周部１６６に露出した露出部１８３から放散される。露出部１８３は、上述のように放熱体２０２に接続されていてもよい。放熱体２０２に移動した熱は、ヒートシンクやファン、ペルチェ素子などで熱交換を行う冷却部によって冷却されてもよい。半導体素子１０１の発熱は、構造体１５１、１５３、１５２の外部へと続く熱勾配によって熱経路１８０および熱経路１８１を介して継続的に排熱され、構造体１５１、１５３、１５２は、冷却されることとなる。それによって、半導体素子１０１の温度上昇を抑え、動作の安定化や素子の長寿命化を実現することができる。
【0065】
本開示を適用した実施形態として、図５を用いて、Ｆａｎ Ｏｕｔ Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｐａｃｋａｇｅ（ＦＯＷＬＰ）の半導体デバイス３００の例を説明する。図５は、ＦＯＷＬＰ形態の半導体デバイス３００の断面構造を示す模式図である。構造体１５２の下側（構造体１５３とは反対の側）には、再配線層（ＲＤＬ）３０１が配され、構造体１５１、１５３に配された素子や回路などを外部端子へと接続している。
【0066】
図５に示される構成では、構造体１５１と構造体１５２と構造体１５３のそれぞれの接合面ＢＳ１に対する正射影におけるサイズが異なる場合が示されている。例えば、構造体１５３の接合面ＢＳ１の上に個片化された構造体１５１のタイリングを行う直接接合によって、構造体１５１と構造体１５３とは接合される。また、構造体１５２と構造体１５３との接合は、フリップチップによる接合である。フリップチップによる接合において、通常、バンプの間は、樹脂などのフィラーで埋められる。樹脂は、熱伝導率が低いものが多く、直接接合を行った構造体１５１と構造体１５３との接合とは異なり、構造体１５２から構造体１５３への熱の移動量は相対的に低下する。バンプおよびフィラーが配された層は、上述の断熱層に相当しうる。さらに追加の断熱層や、上述し蓄熱層が配されていてもよい。それによって、構造体１５２に配された制御回路などで発生する熱が、構造体１５３に伝わり難くなる。結果として、構造体１５１で発生する熱が、より効率的に構造体１５３に伝わることになる。
【0067】
構造体１５１と構造体１５３との接合、構造体１５３と構造体１５２との接合の方法や形態は、本実施形態の説明のための一例である。半導体デバイス３００における積層形態は、上述に限られることはなく、適当な方法および形態が用いられればよい。
【0068】
構造体１５２の周囲には、構造体１５３に埋め込むように誘電体である樹脂などを用いた誘電体層３０２が配されている。誘電体層３０２には、再配線層３０１に対して構造体１５３から電気的および熱的に接続を行う導体プラグ３０３が設けられている。導体プラグ３０３は、インターコネクト用の銅ピラーなどを利用してもよいが、これに限られることはない。再配線層３０１の下部には半導体デバイス３００を外部の基板に接続するための端子３１０が配される。端子３１０には、半田バンプ３０４が設けられうる。再配線層３０１内には、構造体１５１、１５２に配された素子や回路などを外部の回路などへと接続するための電気経路が配される。再配線層３０１の内部または表面には、半導体デバイス３００を駆動するための信号制御に必要なフィルタやキャパシタなどの受動部品（不図示）などが、適宜、配置されていてもよい。
【0069】
半導体デバイス３００は、再配線層３０１のサイズに応じて全体を封止するため、封止樹脂３０５に埋め込まれていてもよい。構造体１５１の表面からはテラヘルツ波の放射または受信を行うため、封止樹脂３０５は、半導体デバイス３００が放射または検出する周波数帯のテラヘルツ波を透過する材料を選択する必要がある。また、構造体１５１の上面に封止樹脂３０５を配さなくてもよい。また、例えば、構造体１５１の上面に配される部分と他の部分とで、封止樹脂３０５の材料が異なっていてもよい。また、例えば、構造体１５１の上面に封止樹脂３０５が配されず、ガラスなどを用いて封止が行われていてもよい。
【0070】
半導体デバイス３００は、構造体１５１、１５３、１５２内の熱を外部へ放散する２つの主な経路が配される。１つ目は、構造体１５１の熱を逃がす経路である。構造体１５１の熱は、上述した実施形態と同様に、熱伝導理が高い構造体１５３へと伝わり、構造体１５３の外周部１６６へと移動する。構造体１５３の外周部１６６へと移動した熱は、構造体１５２を取り囲むように配された誘電体層３０２に設けられた熱伝導用の導体プラグ３０６によって再配線層３０１へと伝えられる。熱伝導用の導体プラグ３０６は、導体プラグ３０３と同様の構造であってもよいが、熱伝導性を高めるために、図５に示されるように、導体プラグ３０３よりも太くてもよいし、また、より多くの導体プラグ３０６が配されていてもよい。再配線層３０１では、熱は、さらに熱伝導を考慮した配線パターンおよび導体プラグ３０７によって半田バンプ３０４まで伝えられ、半導体デバイス３００の外部へと放熱される。
【0071】
２つ目の経路は、構造体１５２の熱を逃がす経路である。構造体１５３と構造体１５２との間の熱の移動が少ないように構成された半導体デバイス３００において、構造体１５３は、下面（構造体１５３とは反対側の面）からの放熱経路をとるように構成されている。構造体１５２の下面には、金属層３０９などの熱伝導率が高い材料を用いた層を配し、金属層３０９を熱伝導用の導体プラグ３０８に接続し、半田バンプ３０４を介して外部へ放熱する。また、半田バンプ３０４ではなく、再配線層３０１の下面において、導体プラグ３０８と重なる領域に端子３１０よりも大きく形成された放熱用の端子を設け、放熱用の端子と外部のプリント基板などを直接に半田付けしてもよい。
【0072】
図５に示されるようなテラヘルツ波帯の放射または検出する半導体デバイス３００では、半導体デバイス３００の外部からの信号を半田バンプ３０４によって接続する。それによって、ボンディングワイヤなどの配線によるインピーダンス影響を大幅に下げることができる。そのため、高周波領域の信号伝送の安定性などが向上し、半導体デバイス３００の動作の安定化や性能向上に寄与することができる。
【0073】
図６は、Ｗａｆｅｒ Ｌｅｖｅｌ Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ（ＷＬＣＳＰ）形態によるパッケージングを行った半導体デバイス４００の断面構造を示す模式図である。図６に示される構成において、構造体１５１、１５３、１５２は、ウェーハの状態で接合されるプロセス処理によって形成されうる。最終的に、再配線層３０１を構造体１５２の下面に接合し、端子３１０に半田バンプ３０４を配する。検査などの一連の工程を経た後、ダイシングが行われ、それぞれの半導体デバイス４００に個片化される。構造体１５２に接合された再配線層３０１は、構造体１５２に配された制御回路などと端子３１０とを電気的に接続する。再配線層３０１には、半導体デバイス４００が実装されるプリント基板などの実装基板との機械的接続にあたり、温度変化による膨張・収縮の影響を緩和する緩衝層が設けられていてもよい。
【0074】
構造体１５１の上面で、テラヘルツ波の放射または検出を行うアンテナとして機能する導体パターン１０２を配置した部分の上には保護層３２０が設けられている。保護層３２０は、上述の誘電体層１１２の上に配されていてもよいし、誘電体層１１２を保護層３２０として使用してもよい。保護層３２０には、発振または検出を行う周波数帯のテラヘルツ波を透過し、かつ、誘電体損失の低い材料が用いられうる。金属などの導体はテラヘルツ波を透過しないため、保護層３２０は、ガラスや樹脂などの熱伝導率が低い材料が用いられることが多い。そのため、構造体１５１に配される半導体素子１０１などで発生する熱を効率的に構造体１５１の上面から放散することは難しい。しかしながら、上述したように熱伝導率が高い構造体１５３を利用することによって、構造体１５１内で発生する熱を外部へと効率的に移動させることができる。
【0075】
構造体１５３の外縁は、半導体デバイス４００の側壁において熱的に露出する。例えば、半導体デバイス４００の外部に配された金属などの熱伝導部品と接触していてもよい。それによって、半導体素子１０１で発生した熱を半導体デバイス４００の外部へと効率的に放熱できる。本実施形態においても、半導体デバイス４００は、半導体デバイス４００を実装するプリント基板などの実装基板と半導体デバイス４００内の構造体１５２や構造体１５１への電気経路を短くすることができる。そのため、パッケージングに伴う高周波信号のインピーダンスの影響などを抑え、高周波領域の信号伝送の安定性などが向上し、半導体デバイス４００の動作の安定化や性能向上に寄与することができる。
【0076】
図７には、図５に示される半導体デバイス３００の変形例である半導体デバイス４０１が示されている。半導体デバイス４０１は、半導体デバイス３００と同じＦＯＷＬＰ形態のパッケージであるが、構造体１５１として、構造体１５１ａ、構造体１５１ｂ、構造体１５１ｃを備えている。構造体１５１ａ～１５１ｃは、それぞれ上面にテラヘルツ波の放射または検出するアンテナである導体パターン１０２および半導体素子１０１とＧＮＤ層である導体層１０９を備えている。構造体１５１ａ～１５１ｃには、図７に示されるようにそれぞれ１つずつのアクティブアンテナＡＡが配されていてもよいが、これに限られることはない。構造体１５１ａ～１５１ｃに、上述したような複数のアクティブアンテナＡＡを備えるアクティブアンテナアレイ１１が配されていてもよい。タイリングの位置やアンテナの配置の制約などに鑑みて、製造できる最適な形状で構造体１５１の数や、それぞれの構造体１５１に配されるアクティブアンテナＡＡの数を決定すればよい。
【0077】
ここで、構造体１５３の上の複数の構造体１５１が配される領域に、構造体１５１とは別の、例えば、テラヘルツ波を発振または検出するためのアンテナや半導体素子が配されていない構造体が配されていてもよい。構造体１５１とは別の構造体には、例えば、高周波信号を処理する増幅器やミキサなどの回路などが配されていてもよい。また、構造体１５１の周囲の領域に抵抗やキャパシタなどの受動素子が配されていてもよい。構造体１５１ａ～１５１ｃと構造体１５３との接合にはタイリングなどの手法が用いられうり、個片化された複数の構造体１５１ａ～１５１ｃが構造体１５３の電極パターン１３９と電気的に結合するよう直接接合されうる。しかしながら、これに限られることはなく、適当な方法で構造体１５１ａ～１５１ｃと構造体１５３とが接続されればよい。
【0078】
図７に示される構成では、構造体１５１ａ～１５１ｃと同様に、複数の構造体１５２ａ、１５２ｂが配されている。構造体１５２ａ、１５２ｂは、それぞれアクティブアンテナＡＡを制御するための制御回路などを含む集積回路基板である。例えば、直上の構造体１５１を制御するなど、アクティブアンテナアレイ１１の領域ごとに異なる構造体１５２ａおよび構造体１５２ｂを使い分けてもよい。また、例えば、構造体１５２ａはテラヘルツ波の発振のための制御回路を備え、構造体１５２ｂはテラヘルツ波を検出するための制御回路を備えるなど、構造体１５２ａ、１５２ｂは、機能によって分離された回路構成を有していてもよい。構造体１５２ａ、１５２ｂと構造体１５３とは、上述と同様に、フリップチップによる接合が行われ、接合部はフィラーと呼ばれる樹脂などの誘電体層３０２によって封止されている。再配線層３０１などの構成は、上述した半導体デバイス３００と同様であってもよいため、ここでは説明を省略する。
【0079】
テラヘルツ波などの周波数帯の電磁波を放射または検出するための半導体素子１０１などは、高周波の信号伝送が必要となるため、安価なＳｉ系の半導体ではなくＩｎＰなどのＩＩＩ―Ｖ属の化合物半導体を用いる場合が多い。化合物半導体基板は高価なため、小さく個片化することによって、コストの低減などが可能になる。また、複数の構造体１５２ａ、１５２ｂのように、インターポーザ基板である構造体１５３に対して複数の制御ＩＣ（構造体１５２）を誘電体層３０２に埋め込みつつパッケージングを行うことで、完成した半導体デバイス４０１の高機能化と小型化を両立することができる。
【0080】
図８は、上述の半導体デバイス１００の変形例である半導体デバイス４０２の断面構造を示す模式図である。半導体デバイス４０２では導体層１０９が配されず、アクティブアンテナＡＡのリフレクタ層として構造体１５３の導体層１４４を用いる形態になっている。半導体素子１０１は、リフレクタとして機能する導体層１４４とアンテナとして機能する導体パターン１０２の間に配され、これらがアクティブアンテナＡＡを構成する。
【0081】
半導体デバイス４０２の構造体１５３は、導体層１４４がリフレクタとして機能するため、半導体デバイス１００と比較して、基材層１４５ａの厚さを薄く、基材層１４５ｂの厚さを厚くしてもよい。具体的には、基材層１４５ａの厚さを１０μｍ以下、基材層１４５ｂの厚さを２００μｍ以上と設定する。それによって、構造体１５２に配される制御回路などからのノイズの影響を抑制しつつ、導体層１４４を構造体１５１のアンテナにおけるリフレクタ層として機能させることができる。また、半導体デバイス１００において、接合面ＢＳ１に対する正射影において、半導体素子１０１と重なるように導体プラグ１３７および電極パターン１３８を設け、半導体素子１０１を直線状に構造体１５３へと接続させている。この構成は、半導体素子１０１と構造体１５３との間の熱抵抗を極力下げるためのものである。製造方法などによって、半導体素子１０１から導体プラグ１３７を介さずに直接、電極パターン１３８へと接続するといった形態も考えられる。
【0082】
半導体デバイス４０２に示される構成によって、半導体素子１０１から構造体１５３までの距離を短くすることができる。それによって、半導体素子１０１が駆動する際に発生する熱は、導体プラグ１３７などの導体が配されていない部分でも構造体１５３まで伝搬しやすくなる。つまり、半導体デバイス４０２は、半導体デバイス１００よりも、さらに高効率な放熱が可能になる。
【0083】
図９には、フリップチップＰａｃｋａｇｅ Ｏｎ Ｐａｃｋａｇｅ（ＰｏＰ）形態の半導体デバイス４０３が示されている。アンテナ基板である構造体１５１とインターポーザ基板である構造体１５３とは、構造体１５３の接合面ＢＳ１を介して接合され、１つのパッケージとして集積されている。構造体１５１の周囲に封止樹脂３０５を配することによって、インターポーザである構造体１５３の形状にフィットするパッケージ形態になっている。構造体１５３の接合面ＢＳ２には、構造体１５１と電気的に接続するために、金（Ａｕ）などの金属を用いた端子３１２が配されている。
【0084】
一方、集積回路基板である構造体１５２は、構造体１５３と対向する面とは反対側の面に再配線層３０１が接合されている。構造体１５２は、樹脂などを用いた誘電体層３０２に埋め込まれており、誘電体層３０２は、構造体１５２を再配線層のサイズに拡張させている。また、誘電体層３０２には誘電体層３０２を貫通する導体プラグ３０３が配されている。導体プラグ３０３は、銅ピラーの様な金属構造物であってもよい。導体プラグ３０３は、再配線層３０１に電気的に接続される。再配線層３０１の下面には、半田バンプ３０４が配され、半導体デバイス４０３が実装されるプリント基板などの実装基板に接続される。誘電体層３０２の構造体１５３の接合面ＢＳ２に対向する部分には、誘電体層３０２に配された導体プラグ３０３に電気的に接続される端子３１１が配されている。端子３１１は、構造体１５３の接合面ＢＳ２に配された端子３１２にフリップチップ接合によって電気的に接続される。この端子３１１と端子３１２との接続によって、構造体１５２の制御回路１６５などから出力される制御信号が、構造体１５１に送られる。構造体１５３の接合面ＢＳ２の端子３１２の存在しない領域は、誘電体層３０２から物理的に離れた空気層であれば、構造体１５２の熱を構造体１５３に伝えることを抑制する上述の断熱層として機能する。また、腐食などの劣化を防ぐために、構造体１５２と構造体１５３との間は、樹脂などで埋め込まれていてもよい。その場合であっても、樹脂は熱伝導率が低いため熱の伝播が抑制される。また、例えば、構造体１５２と構造体１５３との間に熱容量（比熱）が大きなセラミックスや、シリコーンなど樹脂の層を蓄熱層として配し、半導体デバイス４０３が放熱によって温度が低下しすぎないように制御してもよい。
【0085】
半導体デバイス４０３において、構造体１５１と構造体１５３とを１つのパッケージ、構造体１５２をもう１つのパッケージとしてそれぞれ形成し、それらをフリップチップ接合することによって３層の積層を行っている。構造体１５１が放射するテラヘルツ波の周波数などの仕様が変更されることで、アンテナのサイズや基板のサイズが変更になった場合であっても、構造体１５２の仕様変更を極力抑えることができる。また、構造体１５２と構造体１５３との間で、熱が伝わりにくい構造を有するため、構造体１５１の発生する熱を、構造体１５３を介して半導体デバイス４０３の外部へと効率的に伝えることができる。
【0086】
図１０は、半導体デバイス４０２の変形例である半導体デバイス４０４の断面構造を示す模式図である。半導体デバイス４０４は、構造体１５３の接合面ＢＳ１の少なくとも一部が、導体層１４４によって構成されている。また、基材層１４５が、導体層１４４と構造体１５２との間の１層になっている。構造体１５１と構造体１５３とは、電極パターン１３８と同層に配された導体層と導体層１０９とのＣｕＣｕ接合などの金属接合によって接合されていてもよい。上述の電極パターン１３９と導体層１４４とも同層の導体層でありうる。したがって、半導体デバイス４０４の構成によって、構造体１５３の構造を簡素化することができる。上述のように、導体プラグ１３７および電極パターン１３８を構造体１５１に配された１つの部材としての導体プラグとして定義すると、この導体プラグは、接合面ＢＳ１に露出する導体層１４４に接しているともいえる。
【0087】
構造体１５３は、１つの基材である基材層１４５に対して、１つの導体層から形成される導体層１４４および電極パターン１３９の形成、基材層１４５を貫通する導体プラグ１４１の形成、接合面ＢＳ２の電極パターン１４６の形成によって、作成することができる。また、接合面ＢＳ２に導体層を形成し、構造体１５２との間で金属接合を行ってもよい。
【0088】
半導体デバイス４０４は、半導体デバイス４０２と同様に、構造体１５１に導体層１０９を配さないことで、構造体１５１のアンテナの上導体である導体パターン１０２とリフレクタ層である導体層１４４との距離を半導体デバイス１００よりも大きくとることができる。上導体とリフレクタ層との距離を適切に設定することによって、テラヘルツ波の共振による導体損失とアンテナの放射効率の向上との最適化が可能になる。また、半導体素子１０１と構造体１５３との距離が短いため、半導体デバイス４０２と同様に高効率な放熱が可能になる。
【0089】
次いで、図１２を参照して、上述の半導体デバイス１００、３００、４００～４０４をテラヘルツカメラシステム（撮像システム）に適用した場合について説明する。テラヘルツカメラシステム１１００は、テラヘルツ波ＴＷを放射する発信部１１０１と、テラヘルツ波ＴＷを検出する受信部（検出部）１１０２とを有する。さらに、テラヘルツカメラシステム１１００は、外部からの信号に基づき、発信部１１０１や受信部１１０２の動作を制御し、検出したテラヘルツ波に基づく画像を処理し、または、外部へ出力するための制御部１１０３を有する。発信部１１０１として上述の半導体デバイス１００、３００、４００～４０４が用いられてもよいし、受信部１１０２として上述の半導体デバイス１００、３００、４００～４０４が用いられてもよい。
【0090】
発信部１１０１から放射されたテラヘルツ波ＴＷは被写体１１０５において反射し、受信部１１０２において検出される。このような発信部１１０１と受信部１１０２とを有するカメラシステムは、アクティブ型のカメラシステムとも呼ばれうる。なお、被写体１１０５によって放射されたテラヘルツ波を検出するような、発信部１１０１が配されていないパッシブ型カメラシステムにおいても、上述の半導体デバイス１００、４００、４００～４０４を受信部１１０２として用いることができる。上述したように、放熱効率のよい半導体デバイス１００、３００、４００～４０４を適宜システム内に配することによって、安定したテラヘルツ波の発信または検出動作を行うことが可能である。
【0091】
次に、図１３を参照して、上述の半導体デバイス１００、３００、４００～４０４をテラヘルツ通信システム（通信装置）に適用した場合について説明する。通信システムとして、単純なＡＳＫ変調方式などを用いる形で、スーパーヘテロダイン方式やダイレクトコンバージョン方式などの構成が想定される。スーパーヘテロダイン方式の通信システムは、例えば、アンテナ１２００、増幅器１２０１、ミキサ１２０２、フィルタ１２０３、ミキサ１２０４、変換器１２０５、デジタルベースバンド変復調器１２０６、及び局部発振器１２０７並びに１２０８を含む。受信器の場合、アンテナ１２００を介して受信されたテラヘルツ波ＴＷが、ミキサ１２０２によって中間周波数の信号に変換され、その後にミキサ１２０４によってベースバンド帯の信号に変換され、変換器１２０５においてアナログ波形がデジタル波形に変換される。そして、そのデジタル波形がベースバンドにおいて復調されて通信信号が得られる。送信器の場合、通信信号が変調された後に変換器１２０５によってデジタル波形からアナログ波形に変換され、その後にミキサ１２０４及びミキサ１２０２を介して周波数変換されて、アンテナ１２００からテラヘルツ波として出力される。ダイレクトコンバージョン方式の通信システムは、アンテナ１２００と、増幅器１２１１、ミキサ１２１２、変復調器１２１３および局部発振器１２１４を含む。ダイレクトコンバージョン方式では、受信時には、ミキサ１２１２により、受信されたテラヘルツ波が直接ベースバンド帯の信号に変換され、送信時には、ミキサ１２１２により、送信対象のベースバンド帯の信号がテラヘルツ帯の信号に変換される。その他の構成はスーパーヘテロダイン方式と同様である。
【0092】
半導体デバイス１００、３００、４００～４０４は、通信システムのアンテナ１２００および局部発振器（１２０７，１２１４）や、アンテナ上導体の共振部はミキサ（１２０２，１２１２）として機能させることができる。また、構造体１５１にその他の素子を集積することや、構造体１５２のＳｉ集積回路を利用することによって、図１３に示される通信信号へと変換するすべての処理部を半導体デバイス１００、３００、４００～４０４に集積することができる。そのため、小型の通信システム用集積ＩＣとして活用できる。また、放熱を効率よく行うことができるため、通信設備による高速・大容量の無線通信を継続的に行うような厳しい駆動条件下においても安定した駆動を行うことができる。
【0093】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【0094】
例えば、図１１（ａ）～１１（ｃ）には、構造体１５３における導体層１４４の導体パターンのレイアウトが示されている。導体層１４４の中央部にはアクティブアンテナアレイ１１と重なる領域１６７があり、複数の導体プラグ１４１に接続される導体パターン１４３などの電気経路が通る。図１１（ａ）に示される構成では、開口部１４２は、導体層１４４の中央部に大きな１つのパターンとして配されている。図１１（ａ）～１１（ｃ）では、導体パターン１４３の記載は省略されている。構造体１５１から移動してきた熱は、構造体１５３の基材層１４５を通り、一部は導体層１４４へと伝搬し、構造体１５３の外縁へと伝わる。また、図１１（ｂ）に示される構成では、導体プラグ１４１に接続される導体パターン１４３のそれぞれに対応するように開口部１４２が設けられている。さらに、図１１（ｃ）に示される構成では、導体層１４４をメッシュ状に配置し、その隙間を開口部１４２として使用している。これら導体層１４４のレイアウトパターンは、インターポーザ基板である構造体１５３の構造体１５１と構造体１５２との間の電気的に接続するための機能と、熱を構造体１５３の画家に効率的に拡散させる機能と、を持たせるためのものである。導体層１４４のレイアウトパターンは、これらの機能に応じて、上述したパターンに限られることはなく、適当な形状が用いられればよい。
【0095】
また、上述の実施形態では、キャリアが電子である場合を想定して説明しているが、これに限定されるものではなく、正孔（ホール）を用いたものであってもよい。また、基板や誘電体の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、ガリウムリンなどの半導体層や、ガラス、セラミック、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンテレフタラートなどの樹脂を用いることができる。
【0096】
また、半導体素子１０１として、数百から数千層の半導体層多層構造を持つ量子カスケードレーザ構造（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ）を用いてもよい。この場合、半導体素子１０１は、ＱＣＬ構造を含む半導体素子である。また、半導体素子１０１として、ミリ波帯で用いられるガンダイオードやインパットダイオードのような負性抵抗素子を用いてもよい。また、半導体素子１０１として、一方の端子を終端したトランジスタなどの高周波素子を用いてもよい。トランジスタとしては、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、化合物半導体層系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などが用いられてもよい。また、半導体素子１０１として、超伝導体層を用いたジョセフソン素子の微分負性抵抗を用いてもよい。
【0097】
図３（ａ）に示されるアクティブアンテナアレイ１１と制御回路１６５との関係は、以下のような形態であってもよい。アクティブアンテナアレイ１１は複数のアクティブアンテナＡＡを含み、制御回路１６５は複数の制御素子ＡＣを含む。複数のアクティブアンテナＡＡのぞれぞれは、複数の制御素子ＡＣのそれぞれからの信号によって制御されていてもよい。つまり、１つの制御素子ＡＣが１つのアクティブアンテナＡＡを制御してもよい。アンテナの制御の自由度を高めることができる。
【0098】
さらに、複数の制御素子ＡＣが１つのアクティブアンテナＡＡを制御してもよい。この場合に、タイミングごとに１つのアクティブアンテナＡＡごとに制御する場合と複数のアクティブアンテナＡＡを制御する場合など、動作の自由度を高めることができる。また、複雑な動作を行いたい場合には、上記接続方法を任意に組み合わせることもできる。
【0099】
本実施形態ではテラヘルツ帯の電磁波を放射または検出する機能を持つ構造体１５１として説明を行ったが、本開示を適用する構造体１５１が対応する電磁波は、これに限定されない。構造体１５１は、マイクロ波やミリ波、赤外光などの電磁波を放射または検出するために用いられてもよい。また、上述した構造体１５３を含む積層デバイス構造は、ＣＭＯＳイメージセンサや単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）センサなど半導体素子を用いた半導体デバイスにおいても適用することができる。
【0100】
本明細書の開示は、以下の半導体デバイス、通信装置および撮像システムを含む。
【0101】
（項目１）
電磁波を発振または受信するための半導体素子およびアンテナが配された第１半導体基板を含む第１構造体と、前記半導体素子を制御するための制御回路が配された第２半導体基板を含む第２構造体と、前記第１構造体に接合された第１接合面および前記第２構造体に接合された第２接合面を有する第３構造体と、が積層された半導体デバイスであって、
前記第１構造体には、前記半導体素子に電気的に接続され、かつ、前記第１接合面に達する第１導体プラグが配され、
前記第３構造体は、互いに積層された基材層と導体層とを含み、
前記第３構造体は、前記第１構造体および前記第２構造体よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体デバイス。
電磁波を発振または受信するための半導体素子およびアンテナが配された第１半導体基板を含む第１構造体と、前記半導体素子を制御するための制御回路が配された第２半導体基板を含む第２構造体と、前記第１構造体に接合された第１接合面および前記第２構造体に接合された第２接合面を有する第３構造体と、が積層された半導体デバイスであって、
前記第１構造体には、前記半導体素子に電気的に接続され、かつ、前記第１接合面に達する第１導体プラグが配され、
前記第３構造体は、互いに積層された基材層と導体層とを含み、
前記第３構造体は、前記第１構造体および前記第２構造体よりも熱伝導率が高いことを特徴とする半導体デバイス。
【0102】
（項目２）
前記電磁波が、テラヘルツ波を含むことを特徴とする項目１に記載の半導体デバイス。
前記電磁波が、テラヘルツ波を含むことを特徴とする項目１に記載の半導体デバイス。
【0103】
（項目３）
前記第３構造体の厚さが、前記第１半導体基板の厚さよりも厚いことを特徴とする項目１または２に記載の半導体デバイス。
前記第３構造体の厚さが、前記第１半導体基板の厚さよりも厚いことを特徴とする項目１または２に記載の半導体デバイス。
【0104】
（項目４）
前記第３構造体の厚さが、１００μｍ以上かつ１ｍｍ以下であることを特徴とする項目１乃至３の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記第３構造体の厚さが、１００μｍ以上かつ１ｍｍ以下であることを特徴とする項目１乃至３の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0105】
（項目５）
前記基材層は、セラミックを含むことを特徴とする項目１乃至４の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記基材層は、セラミックを含むことを特徴とする項目１乃至４の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0106】
（項目６）
前記基材層は、窒化アルミニウムおよびグラファイトのうち少なくとも一方を含むことを特徴とする項目１乃至４の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記基材層は、窒化アルミニウムおよびグラファイトのうち少なくとも一方を含むことを特徴とする項目１乃至４の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0107】
（項目７）
前記第３構造体の熱伝導率が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする項目１乃至６の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記第３構造体の熱伝導率が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする項目１乃至６の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0108】
（項目８）
前記基材層が、前記第１構造体と前記導体層との間に配された第１基材層と、前記導体層と前記第２構造体との間に配された第２基材層と、を含むことを特徴とする項目１乃至７の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記基材層が、前記第１構造体と前記導体層との間に配された第１基材層と、前記導体層と前記第２構造体との間に配された第２基材層と、を含むことを特徴とする項目１乃至７の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0109】
（項目９）
前記第１導体プラグが、前記第１基材層を貫通し、前記導体層に電気的に接続されていることを特徴とする項目８に記載の半導体デバイス。
前記第１導体プラグが、前記第１基材層を貫通し、前記導体層に電気的に接続されていることを特徴とする項目８に記載の半導体デバイス。
【0110】
（項目１０）
前記第１構造体は、前記半導体素子および前記アンテナをそれぞれ含む複数のアクティブアンテナが配されたアクティブアンテナアレイを備えることを特徴とする項目１乃至９の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記第１構造体は、前記半導体素子および前記アンテナをそれぞれ含む複数のアクティブアンテナが配されたアクティブアンテナアレイを備えることを特徴とする項目１乃至９の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0111】
（項目１１）
前記第１構造体は、第１配線層と、前記第１配線層と前記第３構造体との間に配された第２配線層と、を含み、
前記アンテナは、前記第１配線層に配され、かつ、前記半導体素子に電気的に接続された第１導体パターンを含み、
前記第２配線層には、前記第１接合面に対する正射影において前記第１導体パターンよりも面積が大きく、かつ、前記半導体素子に電気的に接続された第２導体パターンが配されていることを特徴とする項目１乃至１０の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記第１構造体は、第１配線層と、前記第１配線層と前記第３構造体との間に配された第２配線層と、を含み、
前記アンテナは、前記第１配線層に配され、かつ、前記半導体素子に電気的に接続された第１導体パターンを含み、
前記第２配線層には、前記第１接合面に対する正射影において前記第１導体パターンよりも面積が大きく、かつ、前記半導体素子に電気的に接続された第２導体パターンが配されていることを特徴とする項目１乃至１０の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0112】
（項目１２）
前記半導体デバイスが動作中の熱平衡状態において、前記第３構造体の温度が、前記第１接合面に対する正射影において、前記第３構造体の中央から外縁に向かい低くなる勾配を有することを特徴とする項目１乃至１１の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記半導体デバイスが動作中の熱平衡状態において、前記第３構造体の温度が、前記第１接合面に対する正射影において、前記第３構造体の中央から外縁に向かい低くなる勾配を有することを特徴とする項目１乃至１１の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0113】
（項目１３）
前記第２半導体基板と前記第３構造体との間に、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の断熱層が配されていることを特徴とする項目１乃至１２の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記第２半導体基板と前記第３構造体との間に、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ未満の断熱層が配されていることを特徴とする項目１乃至１２の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0114】
（項目１４）
前記第１半導体基板および前記第２半導体基板のうち少なくとも一方に、比熱が０．９ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上の蓄熱層が配されていることを特徴とする項目１乃至１３の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記第１半導体基板および前記第２半導体基板のうち少なくとも一方に、比熱が０．９ｋＪ／ｋｇ・Ｋ以上の蓄熱層が配されていることを特徴とする項目１乃至１３の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0115】
（項目１５）
前記第３構造体の外縁に接し、かつ、導体を用いた放熱体が配されていることを特徴とする項目１乃至１４の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記第３構造体の外縁に接し、かつ、導体を用いた放熱体が配されていることを特徴とする項目１乃至１４の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0116】
（項目１６）
支持基板をさらに備え、
前記支持基板と前記第３構造体との間に前記第２構造体が配され、
前記放熱体は、前記支持基板に固定されており、かつ、前記アンテナよりも前記支持基板の側に配されていることをと特徴とする項目１５に記載の半導体デバイス。
支持基板をさらに備え、
前記支持基板と前記第３構造体との間に前記第２構造体が配され、
前記放熱体は、前記支持基板に固定されており、かつ、前記アンテナよりも前記支持基板の側に配されていることをと特徴とする項目１５に記載の半導体デバイス。
【0117】
（項目１７）
前記半導体素子は、負性抵抗素子を含むことを特徴とする項目１乃至１６の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
前記半導体素子は、負性抵抗素子を含むことを特徴とする項目１乃至１６の何れか１項目に記載の半導体デバイス。
【0118】
（項目１８）
前記負性抵抗素子は、共鳴トンネルダイオードを含むことを特徴とする項目１７に記載の半導体デバイス。
前記負性抵抗素子は、共鳴トンネルダイオードを含むことを特徴とする項目１７に記載の半導体デバイス。
【0119】
（項目１９）
項目１乃至１８の何れか１項目に記載の半導体デバイスと、
前記電磁波を放射する発信部と、
前記電磁波を検出する受信部と、
を備えることを特徴とする通信装置。
項目１乃至１８の何れか１項目に記載の半導体デバイスと、
前記電磁波を放射する発信部と、
前記電磁波を検出する受信部と、
を備えることを特徴とする通信装置。
【0120】
（項目２０）
項目１乃至１８の何れか１項目に記載の半導体デバイスと、
被写体によって反射または放射された前記電磁波を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
項目１乃至１８の何れか１項目に記載の半導体デバイスと、
被写体によって反射または放射された前記電磁波を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする撮像システム。
【0121】
発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。
【符号の説明】
【0122】
１００，３００，４００～４０４：半導体デバイス、１０１：半導体素子、１３１，１３４：半導体基板、１４４：導体層、１４５：基材層、１５１，１５２，１５３：構造体、ＢＳ１，ＢＳ２：接合面
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】