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特表2024-518491印加される電磁放射によってＲＦ信号インピーダンスを制御可能な導波通アセンブリを備えた半導体システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-05-01
(54)【発明の名称】印加される電磁放射によってＲＦ信号インピーダンスを制御可能な導波通アセンブリを備えた半導体システム
(51)【国際特許分類】
H01P 5/04 20060101AFI20240423BHJP
H01P 1/15 20060101ALI20240423BHJP
H01P 1/22 20060101ALI20240423BHJP
【ＦＩ】
H01P5/04 601Z
H01P1/15
H01P1/22
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023569730
(86)(22)【出願日】2022-05-09
(85)【翻訳文提出日】2023-12-18
(86)【国際出願番号】 CA2022050728
(87)【国際公開番号】W WO2022236404
(87)【国際公開日】2022-11-17
(31)【優先権主張番号】63/186,658
(32)【優先日】2021-05-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】598063203
【氏名又は名称】パーデュー・リサーチ・ファウンデーション
【氏名又は名称原語表記】ＰＵＲＤＵＥ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ
(71)【出願人】
【識別番号】504368697
【氏名又は名称】ザ ガバナーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ アルバータ
【住所又は居所原語表記】１０２３０ Ｊａｓｐｅｒ Ａｖｅｎｕｅ， Ｓｕｉｔｅ ４０００， Ｅｄｍｏｎｔｏｎ， Ａｌｂｅｒｔａ Ｔ５Ｊ ４Ｐ６ Ｃａｎａｄａ
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(74)【代理人】
【識別番号】100142907
【弁理士】
【氏名又は名称】本田 淳
(72)【発明者】
【氏名】ジョーンズ、トーマス
(72)【発明者】
【氏名】ペロウリス、ディミトリオス
(72)【発明者】
【氏名】フィッシャー、オールデン
(72)【発明者】
【氏名】バーレイジ、ダグラス
(57)【要約】
半導体ウェハと一体化された導波通アセンブリが提供される。導波通アセンブリは、金属層でライニングされたウェハの内壁によって画定され、かつＲＦ信号を導波通チャネルの内外に伝送するための少なくとも１つのポートを有する導波通チャネルを含む。導波通アセンブリはまた、導波通チャネル内に配置された半導体障壁５部材も含む。導波通アセンブリは、半導体デバイス用のエッチングおよび堆積プロセスを用いて作製され得る。使用中、障壁部材に印加される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に変化させることにより、障壁部材の電気コンダクタンスを変化させ、これにより、導波通チャネルを通るＲＦ信号１０の伝送に対する障壁部材の電気インピーダンスを変化させる。導波通アセンブリは、ＲＦ信号のスイッチング、減衰、ルーティング、フィルタリング、および変換のために使用され得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
無線周波数（ＲＦ）信号を妨げるためのシステムであって、該システムは、半導体ウェハと一体化された導波路アセンブリを含み、（ａ）金属層でライニングされたウェハの内壁によって画定される導波路チャネルであって、ＲＦ信号を前記導波路チャネルの内外に伝送するための少なくとも１つのポートを含む導波路チャネルと、
（ｂ）前記導波路チャネル内に配置された少なくとも１つの半導体障壁部材であって、印加された電磁放射に応じて前記障壁部材の導波路電気コンダクタンスを変化させることにより前記導波路チャネルを通るＲＦ信号の伝送に対する前記障壁部材の電気インピーダンスを変化させる、少なくとも１つの半導体障壁部材と
を含むシステム。
【請求項2】
前記導波路チャネルは、実質的に四角柱形状を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記導波路チャネルは、実質的に円筒形状を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記導波路チャネルは、第１の導波路チャネル部分と、第２の導波路チャネル部分と、を含み、前記第１の導波路チャネル部分のチャネル高さは、前記第１の導波路チャネル部分の電気インピーダンスが、前記第２の導波路チャネルポート部分の電気インピーダンスよりも大きくなるように、前記第２の導波路チャネル部分のチャネル高さよりも高い、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項5】
前記導波路チャネルは、第３の導波路チャネル部分と、第４の導波路チャネル部分と、第５の導波路チャネル部分と、を含み、前記第３の導波路チャネル部分は、前記第４の導波路チャネル部分と前記第５の導波路チャネル部分の間に配置され、前記第３の導波路チャネル部分のチャネル横幅は、前記第４および前記第５の導波路チャネル部分のチャネル横幅未満であり、少なくとも１つの障壁部材が、前記第３の導波路チャネル部分内に配置される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項6】
前記導波路チャネルの少なくとも１つの出力ポートは、単一のポートからなる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項7】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステムであって、（ａ）前記導波路チャネルの前記少なくとも１つのポートは、入力ポートと、第１の出力ポートと、該第１の出力ポートから離れて配置された第２の出力ポートと、を含み、
（ｂ）前記導波路チャネルは、前記入力ポートから前記第１の出力ポートへの第１の経路を画定し、
（ｃ）前記導波路チャネルは、前記入力ポートから前記第２の出力ポートへの、前記第１の経路とは別の第２の経路を画定し、
（ｄ）前記少なくとも１つの障壁部材は、前記第１の経路内に配置された第１の障壁部材と、前記第２の経路内に配置された第２の障壁部材と
を含むシステム。
【請求項8】
前記導波路アセンブリは、前記第１の経路と前記第２の経路との間に配置された同調用スタブをさらに含む、請求項７に記載のシステム。
【請求項9】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシステムであって、（ａ）前記導波路チャネルの前記少なくとも１つのポートは、入力ポートおよび出力ポートとを含み、
（ｂ）前記導波路チャネルは、前記入力ポートから前記出力ポートへの第１の経路と該第１の経路から延びる短絡スタブ経路とを画定し、
（ｃ）前記少なくとも１つの障壁部材は、スタブ経路内に配置される、システム。
【請求項10】
前記少なくとも１つの障壁部材は、前記スタブ経路内に配置された複数の障壁部材を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記少なくとも１つの障壁部材は、前記スタブ経路の長さに沿って整列された一列に配置された複数の障壁部材を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項12】
前記金属層は、金、ニッケル、アルミニウム、クロム、タングステン、白金、または銀を含む、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項13】
前記障壁部材は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、窒化ガリウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、リン化インジウム、またはリン化ガリウムを含む、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項14】
前記導波路チャネルおよび前記障壁部材を画定する前記内壁は、同じ半導体材料を含む、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項15】
前記導波路チャネルおよび前記障壁部材を画定する前記内壁は、異なる半導体材料を含む、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項16】
前記障壁部材は、前記ウェハの前記内壁をライニングする金属層から前記窓まで延びる、請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項17】
前記障壁部材は、前記ウェハによって規定される平面方向に直交する方向に延びるポストの形態である、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項18】
前記ポストは、実質的に円形の断面形状を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項19】
前記少なくとも１つの障壁部材は、一列またはアレイに配置された複数の障壁部材を含む、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項20】
前記導波路アセンブリは、外部のソースから前記ウェハに放出される印加電磁放射によって前記障壁部材の励起を可能にするために、前記障壁部材を終端する電磁放射（ＥＲ）透過性半導体層を含む窓をさらに含む、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項21】
前記ＥＲ透過性半導体層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、インジウムスズ酸化物、または半導体支持体に組み込まれた透明金属メッシュ膜を含み、請求項２０に記載のシステム。
【請求項22】
前記窓は、約０．０８３ｍｍ乃至約０．４５０ｍｍの直径を有し、および／または前記印加電磁放射の波長（λ）の１／１２未満の直径を有する、請求項２０又は２１に記載のシステム。
【請求項23】
前記窓は、前記ウェハの周囲の外面から凹んでいる、請求項２０乃至２２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項24】
請求項１乃至２３のいずれか一項に記載のシステムは、前記印加電磁放射を放出するための電磁放射（ＥＲ）エミッタをさらに含む、システム。
【請求項25】
前記ＥＲエミッタは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、または垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む、請求項２４に記載のシステム。
【請求項26】
前記ＥＲエミッタは、ＵＶスペクトル、可視光スペクトル、または赤外スペクトル内の電磁放射を放出するように構成される、請求項２４又は２５に記載のシステム。
【請求項27】
請求項２４乃至２６のいずれか一項に記載のシステムは、前記ＥＲエミッタによって放出された電磁放射を前記障壁部材に光学的に結合するための光ファイバをさらに含む、システム。
【請求項28】
請求項１乃至２７のいずれか一項に記載のシステムは、前記電磁放射ＥＲエミッタに動作可能に接続され、かつ前記ＥＲエミッタによって放出される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に制御するように構成されたマイクロコントローラ、スイッチ、または可変抵抗器を含む制御手段をさらに含む、システム。
【請求項29】
前記制御手段は、前記ＥＲエミッタによって放出される電磁放射の周波数を変化させるように構成される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項30】
前記制御手段は、前記ＥＲエミッタによって放出される電磁放射の電力レベルを変化させるように構成される、請求項２８又は２９に記載のシステム。
【請求項31】
前記導波路チャネルは、前記導波路チャネルを画定する内壁をライニングする前記金属層の間において、前記障壁部材の半導体材料を除く半導体材料のない空間である、請求項１乃至３０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項32】
前記導波路チャネルは、前記導波路チャネルを画定する内壁をライニングする前記金属層の間において、前記障壁部材の半導体材料を除く半導体材料を含む、請求項１乃至３０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項33】
半導体ウェハの内部に画定された導波路チャネルを通る無線周波数（ＲＦ）信号の伝送に対するインピーダンスを変化させる方法であって、方法は、（ａ）前記導波路チャネル内に配置された少なくとも１つの半導体障壁部材を設けるステップと、
（ｂ）前記少なくとも１つの障壁部材に印加される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に変化させて、前記障壁部材の電気コンダクタンスを変化させることにより、前記導波路チャネルを通る前記ＲＦ信号の伝送に対する前記少なくとも１つの障壁部材のインピーダンスを変化させるステップと
を含む方法。
【請求項34】
前記ＲＦ信号は、約１ＧＨｚ乃至約３００ＧＨｚの範囲の周波数を有する、請求項３３に記載の方法。
【請求項35】
前記ＲＦ信号は、約２６．５ＧＨｚ乃至約４０ＧＨｚの範囲の周波数を有するＫａ帯域にある、請求項３４に記載の方法。
【請求項36】
前記ＥＲエミッタによって前記少なくとも１つの障壁部材に印加される電磁放射のエネルギーレベルまたはパワーレベルのいずれか一方または両方を変化させることは、前記入力ポートと前記出力ポートとの間で少なくとも２０ｄＢの挿入損失をもたらす、請求項３３乃至３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項37】
前記ＥＲエミッタによって印加される電磁放射のパワーレベルを選択的に変化させることは、放出される電磁放射の強度をヌルパワーレベルと非ヌルパワーレベルとの間で変化させることを含む、請求項３３乃至３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項38】
前記ＥＲエミッタによって印加される電磁放射のパワーレベルを選択的に変化させることは、放出される電磁放射のパワーレベルを第１の非ヌルパワーレベルと、第１の非ヌルパワーレベルとは異なる第２の非ヌルパワーレベルとの間で変化させることを含む、請求項３３乃至３６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項39】
請求項３３乃至３８のいずれか一項に記載の方法において、（ａ）前記少なくとも１つの障害部材は、第１の障害部材および第２の障害部材を含み、
（ｂ）前記ＥＲエミッタによって前記少なくとも１つの障壁部材に印加される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に変化させることは、前記第２の障壁部材に印加される電磁放射のいずれか一方または両方を選択的に変化させることとは独立して、前記第１の障壁部材に印加される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に変化させること
を含む方法。
【請求項40】
前記ＥＲエミッタによって印加される電磁放射は、ＵＶスペクトル、可視光スペクトル、または赤外スペクトル内にある、請求項３３乃至３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項41】
無線周波数（ＲＦ）信号を妨げるための導波路アセンブリを製造する方法であって、前記導波路アセンブリは半導体ウェハと一体化されるものであり、前記方法は、（ａ）前記ウェハの第１の部分および前記ウェハの別個の第２の部分を提供するステップと、
（ｂ）前記ウェハの前記第１の部分の内面をエッチングするステップであって、
（ｉ）前記ＲＦ信号を前記導波路チャネルの内外に伝送するための少なくとも１つのポートを含む導波路チャネルの壁と、
（ｉｉ）前記導波路チャネル内に配置された半導体障壁部材と
を画定すべくエッチングするステップと、
（ｃ）前記導波路チャネルの前記壁をライニングすべく、前記ウェハの前記第１の部分の前記内面上に前記第１の金属層を堆積させるステップと、
（ｄ）前記ウェハの前記第１の部分の前記内面上に堆積した前記第１の金属層を、前記ウェハの前記第２の部分の金属化された内面に接合するステップと
を含む方法。
【請求項42】
請求項４１に記載の方法は、ステップ（ｃ）の後かつステップ（ｄ）の前に、前記障害部材を前記導波路チャネルに露出させるべく、堆積した前記第１の金属層をエッチングするステップをさらに含む方法。
【請求項43】
ステップ（ａ）の後かつステップ（ｄ）の前に、前記ウェハの前記第２の部分の金属化された前記内面を設けるべく、前記ウェハの前記第２の部分の前記内面上に前記第２の金属層を堆積させるステップをさらに含む請求項４１又は４２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体ウェハ内の導波通アセンブリ、微細作製プロセスを用いたその作製、ならびにＲＦ信号のスイッチング、減衰、ルーティング、フィルタリング、および変換などの目的のために、印加される電磁放射によって導波通アセンブリを制御して、導波通アセンブリ内を伝送されるＲＦ信号に対するインピーダンスを変化させる方法に関する。
【背景技術】
【0002】
無線周波数（ＲＦ：Ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）スイッチは、信号ルーティング、冗長スイッチング、帯域選択、および位相シフトを含む様々な機能性を可能にする、現代のトランシーバシステムの基本的な構成要素である。特に、導波通スイッチは、典型的には、それらの低挿入損失および高パワー処理のために、ミリメートル波（ｍｍ－ｗａｖｅ：ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－ｗａｖｅ）からサブミリメートル波用途用に選択される［参考文献１］。
【0003】
電気機械式ロータおよびｐ－ｉ－ｎダイオードスイッチ［参考文献２および１９］、ならびに文献［参考文献３～５および２０～２１］に報告されているようなＲＦ ＭＥＭＳおよびマイクロ流体ベースのスイッチを含む、導波通スイッチング素子のいくつかの技術が開発されている。しかしながら、これらのアプローチのほとんどは、従来の金属機械加工された導波通を使用し、よって、大きく、重く、平面マイクロ波技術およびオンチップと一体化することが困難である。
【0004】
シリコン（Ｓｉ）微細加工技術は、マイクロメートル許容誤差の高精度、サブミリメートル波帯域までおよびそれを超える高性能、ならびに平坦化技術との一体化を含む利点を提供する［参考文献１０および２２］。
【0005】
ＲＦ ＭＥＭＳを使用する一体型導波通スイッチが提案されているが（参考文献４を参照）、自己作動、信頼性、およびスティクションの問題が、高パワー用途へのその使用を制限している。半導体内の固体プラズマの光生成によるマイクロ波およびミリメートル波信号の光制御は、高性能のスイッチングおよび位相シフト技術として有望であることが示されている［参考文献６～７］。光源のバイアスネットワークがＲＦ信号から隔離されるだけでなく、プラズマ素子自体が、高パワー処理および線形性［参考文献２３］、速いスイッチング時間［参考文献２４］、ならびに低い挿入損失［参考文献２５］を含む利点を提供する。文献における用途は、スイッチ、可変減衰器、および同調型移相器を含む［参考文献７～９］。
【0006】
従来技術は、導波通デバイスおよび関連するスイッチを開示している。
特許文献１（バリル（Ｂａｒｉｌ）外、１９８５年３月２６日）は、寸法がミリメートル波を伝搬可能な寸法であり、所与の容積のいわゆるリッジ空間を与えるステップを含み、そこには破壊電圧が高く、熱抵抗が低い半導体材料のバーが配置されており、その容積がリッジ空間の容積に等しい、矩形の導波通から形成された電磁波スイッチを開示している。
特許文献１（バリル（Ｂａｒｉｌ）外、１９８５年３月２６日）は、寸法がミリメートル波を伝搬可能な寸法であり、所与の容積のいわゆるリッジ空間を与えるステップを含み、そこには破壊電圧が高く、熱抵抗が低い半導体材料のバーが配置されており、その容積がリッジ空間の容積に等しい、矩形の導波通から形成された電磁波スイッチを開示している。
【0007】
特許文献２（ローゼン（Ｒｏｓｅｎ）外、１９９２年３月２４日）は、開口部を画定する壁を有する導波通を開示している。一方の壁における光透過性開口部が、レーザダイオードアレイのような光学的照明源からの光が、照明されるように配置された半導体スラブが位置する開口部を照明することを可能にする。アレイがスラブを照射すると、導波通の伝搬特性（位相速度および減衰定数）が変化する。よって、導波通を通過する連続波信号は減衰され、位相シフトされる。
【0008】
特許文献３（ベーコン（Ｂａｃｏｎ）外、１９９４年５月３１日）は、導波通伝送線路の中心線と整列された空洞が中に配置された壁を有する導波通伝送線路と、導波通伝送線路に沿って伝搬するＲＦ信号に対して、空洞と導波通伝送線との間に実質的に短絡インピーダンス特性を与えるための手段と、を含むＲＦスイッチ回路を開示している。
【0009】
特許文献４（ジェームス（Ｊａｍｅｓ）、１９９８年１２月８日）は、選択的に照明されてバッフルの電子特性をマイクロ波エネルギーの透過性から反射性に変化させる感光性バッフルを組み込んだマイクロ波装置を開示している。このバッフルは、ゲート、同調用素子、反射器などとして機能する。
【0010】
特許文献５（ブーテイ（Ｂｏｕｔａｙｅｂ）、２０１７年１月１２日）は、基板一体型導波通スイッチおよび基板一体型導波通スイッチを動作させる方法を開示している。システムは、誘電体基板と、誘電体基板によって支持されているスイッチと、を含み、スイッチは、少なくとも１つの第１の伝送経路と、少なくとも１つの第１の伝送経路の各々における少なくとも１つの第１のスイッチング素子と、第２の伝送経路と、第２の伝送経路における少なくとも１つの第２のスイッチング素子と、を含む。
【0011】
当該技術分野では、微細加工された導波通チャネル内のミリメートル波周波数のＲＦ信号用のスイッチ、このようなスイッチを製造する方法、および半導体デバイスにおいてＲＦ信号をスイッチングする方法が依然として必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】米国特許第４５０７６３２号明細書
【特許文献2】米国特許第５０９９２１４号明細書
【特許文献3】米国特許第５３１７２９３号明細書
【特許文献4】米国特許第５８４７６７２号明細書
【特許文献5】米国特許出願公開第２０１７／００１２３３５号明細書
【発明の概要】
【0013】
一態様では、本発明は、無線周波数（ＲＦ）信号を妨げるためのシステムを含み、システムは、半導体ウェハと一体化された導波通アセンブリを含む。システムは、（ａ）金属層でライニングされたウェハの内壁によって画定される導波通チャネルであって、ＲＦ信号を導波通チャネルの内外に伝送するための少なくとも１つのポートを含む導波通チャネルと、（ｂ）導波通チャネル内に配置された少なくとも１つの半導体障壁部材であって、印加された電磁放射に応じて障壁部材の導波通電気コンダクタンスを変化させることにより導波通チャネルを通るＲＦ信号の伝送に対する障壁部材の電気インピーダンスを変化させる、少なくとも１つの半導体障壁部材と、を含む。
【0014】
システムの実施形態では、導波通チャネルは、実質的に四角柱形状または実質的に円筒形状を有する。
システムの実施形態では、導波通チャネルは、第１の導波通チャネル部分と、第２の導波通チャネル部分と、を含み、第１の導波通チャネル部分のチャネル高さは、第１の導波通チャネル部分の電気インピーダンスが、第２の導波通チャネルポート部分イオンの電気インピーダンスよりも大きくなるように、第２の導波通チャネル部分のチャネル高さよりも高い。
システムの実施形態では、導波通チャネルは、第１の導波通チャネル部分と、第２の導波通チャネル部分と、を含み、第１の導波通チャネル部分のチャネル高さは、第１の導波通チャネル部分の電気インピーダンスが、第２の導波通チャネルポート部分イオンの電気インピーダンスよりも大きくなるように、第２の導波通チャネル部分のチャネル高さよりも高い。
【0015】
システムの実施形態では、導波通チャネルは、第３の導波通チャネル部分と、第４の導波通チャネル部分と、第５の導波通チャネル部分と、を含み、第３の導波通チャネル部分は、第４と第５の導波通チャネル部分の間に配置され、第３の導波通チャネル部分のチャネル横幅は、第４および第５の導波通チャネル部分のチャネル横幅未満であり、少なくとも１つの障壁部材が、第３の導波通チャネル部分内に配置される。
【0016】
システムの実施形態では、導波通チャネルの少なくとも１つの出力ポートは、単一のポートからなる。
システムの実施形態では、導波通チャネルの少なくとも１つのポートは、入力ポートと、第１の出力ポートと、第１の出力ポートから離れて配置された第２の出力ポートと、を含み、導波通チャネルは、入力ポートから第１の出力ポートへの第１の経路を画定し、導波通チャネルは、入力ポートから第２の出力ポートへの、第１の経路とは別の第２の経路を画定し、少なくとも１つの障壁部材は、第１の経路内に配置された第１の障壁部材と、第２の経路内に配置された第２の障壁部材と、を含む。導波通アセンブリは、第１の経路と第２の経路との間に配置された同調用スタブをさらに含み得る。
システムの実施形態では、導波通チャネルの少なくとも１つのポートは、入力ポートと、第１の出力ポートと、第１の出力ポートから離れて配置された第２の出力ポートと、を含み、導波通チャネルは、入力ポートから第１の出力ポートへの第１の経路を画定し、導波通チャネルは、入力ポートから第２の出力ポートへの、第１の経路とは別の第２の経路を画定し、少なくとも１つの障壁部材は、第１の経路内に配置された第１の障壁部材と、第２の経路内に配置された第２の障壁部材と、を含む。導波通アセンブリは、第１の経路と第２の経路との間に配置された同調用スタブをさらに含み得る。
【0017】
システムの実施形態では、導波通チャネルの少なくとも１つのポートは、入力ポートおよび出力ポートを含み、導波通チャネルは、入力ポートから出力ポートへの第１の経路と第１の経路から延びる短絡スタブ経路とを画定し、少なくとも１つの障壁部材は、スタブ経路内に配置される。少なくとも１つの障壁部材は、スタブ経路内に配置された複数の障壁部材を含み得る。複数の障壁部材は、スタブ経路の長さに沿って整列された列に配置され得る。
【0018】
システムの実施形態では、金属層は、金、ニッケル、アルミニウム、クロム、タングステン、白金、または銀を含む。
システムの実施形態では、障壁部材は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、窒化ガリウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、リン化インジウム、またはリン化ガリウムを含む。
システムの実施形態では、障壁部材は、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、窒化ガリウム、シリコンゲルマニウム、シリコンカーバイド、リン化インジウム、またはリン化ガリウムを含む。
【0019】
システムの実施形態では、導波通チャネルと障壁部材を画定する内壁は、同じ半導体材料または異なる半導体材料を含む。
システムの実施形態では、障壁部材は、ウェハの内壁をライニングする金属層から窓まで延びる。
システムの実施形態では、障壁部材は、ウェハの内壁をライニングする金属層から窓まで延びる。
【0020】
システムの実施形態では、障壁部材は、ウェハによって規定される平面方向に直交する横方向に延びるポストの形態である。ポストは、略円形の断面形状を有し得る。
システムの実施形態では、少なくとも１つの障壁部材は、一列またはアレイに配置された複数の障壁部材を含む。
システムの実施形態では、少なくとも１つの障壁部材は、一列またはアレイに配置された複数の障壁部材を含む。
【0021】
システムの実施形態では、導波通アセンブリは、外部のソースから前記ウェハに放出される印加電磁放射によって前記障壁部材の励起を可能にするために、障壁部材を終端する電磁放射（ＥＲ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ）透過性半導体層を含む窓をさらに含む。ＥＲ透過性半導体層は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、インジウムスズ酸化物、または半導体支持体に組み込まれた透明金属メッシュ膜を含み得る。窓は、導波通を通して伝送されるＲＦ信号の波長（λ）の１／１２未満の寸法を有し得る。使用の実施形態では、ＲＦ信号は、約１ＧＨｚ～３００ＧＨｚの周波数、または約１ｍｍ～約３００ｍｍの波長を有する。したがって、実施形態では、窓の寸法（例えば、直径）は、約０．０８３ｍｍ～約２５ｍｍ、より具体的には約０．４５ｍｍ以下であり得る。窓は、周囲のウェハの外面から凹んでいてもよい。
【0022】
システムの実施形態では、システムは、印加される電磁放射を放出するための電磁放射（ＥＲ）エミッタをさらに含む。ＥＲエミッタは、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、または垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）を含み得る。ＥＲエミッタは、ＵＶスペクトル、可視光スペクトル、または赤外スペクトル内の電磁放射を放出するように構成され得る。システムは、ＥＲエミッタによって放出された電磁放射を障壁部材に光学的に結合するための光ファイバをさらに含み得る。システムは、電磁放射ＥＲエミッタに動作可能に接続され、かつＥＲエミッタによって放出される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に制御するように構成されたマイクロコントローラ、スイッチ、または可変抵抗器を含む制御手段をさらに含み得る。
【0023】
システムの実施形態では、導波通チャネルは、導波通チャネルを画定する内壁をライニングする金属層の間において、障壁部材の半導体材料を除く半導体材料のない空間であってもよく、または障壁部材の半導体材料を除く半導体材料を含んでもよい。
【0024】
別の態様では、本発明は、半導体ウェハの内部に画定された導波通チャネルを通る無線周波数（ＲＦ）信号の伝送に対するインピーダンスを変化させる方法を含み、方法は、（ａ）導波通チャネル内に配置された少なくとも１つの半導体障壁部材を設けるステップと、（ｂ）少なくとも１つの障壁部材に印加される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に変化させて、障壁部材の電気コンダクタンスを変化させることにより、導波通チャネルを通るＲＦ信号の伝送に対する少なくとも１つの障壁部材のインピーダンスを変化させるステップと、を含む。
【0025】
方法の実施形態では、ＲＦ信号は、約１ＧＨｚ～約３００ＧＨｚの範囲の周波数を有し、より具体的には、ＲＦ信号は、約２６．５ＧＨｚ～約４０ＧＨｚの範囲の周波数を有するＫａ帯域にあってもよい。
【0026】
方法の実施形態では、ＥＲエミッタによって少なくとも１つの障壁部材に印加される電磁放射のエネルギーレベルまたはパワーレベルのいずれか一方または両方を変化させることは、入力ポートと出力ポートとの間で少なくとも２０ｄＢの挿入損失をもたらす。
【0027】
方法の実施形態では、ＥＲエミッタによって印加される電磁放射のパワーレベルを選択的に変化させることは、放出される電磁放射の強度をヌルパワーレベルと非ヌルパワーレベルとの間で変化させることを含む。
【0028】
方法の実施形態では、ＥＲエミッタによって印加される電磁放射のパワーレベルを選択的に変化させることは、放出される電磁放射のパワーレベルを第１の非ヌルパワーレベルと、第１の非ヌルパワーレベルとは異なる第２の非ヌルパワーレベルとの間で変化させることを含む。
【0029】
方法の実施形態では、少なくとも１つの障壁部材は、第１の障壁部材および第２の障壁部材を含み、ＥＲエミッタによって少なくとも１つの障壁部材に印加される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に変化させることは、第２の障壁部材に印加される電磁放射のいずれか一方または両方を選択的に変化させることとは独立して、第１の障壁部材に印加される電磁放射の周波数またはパワーレベルのいずれか一方または両方を選択的に変化させることを含む。
【0030】
方法の実施形態では、ＥＲエミッタによって印加される電磁放射は、ＵＶスペクトル、可視光スペクトル、または赤外スペクトル内にある。
別の態様では、本発明は、無線周波数（ＲＦ）信号を妨げるための導波通アセンブリを製造する方法であって、導波通アセンブリが半導体ウェハと一体化される、製造する方法を含み、方法は、（ａ）ウェハの第１の部分およびウェハの別個の第２の部分を提供するステップと、（ｂ）ウェハの第１の部分の内面をエッチングして、（ｉ）ＲＦ信号を導波通チャネルの内外に伝送するための少なくとも１つのポートを含む導波通チャネルの壁と、（ｉｉ）導波通チャネル内に配置された半導体障壁部材と、を画定するステップと、（ｃ）導波通チャネルの壁をライニングすべく、ウェハの第１の部分の内面上に第１の金属層を堆積させるステップと、（ｄ）必要に応じて、障壁部材を導波通チャネルに露出させるべく、堆積した第１の金属層をエッチングするステップと、（ｅ）必要に応じて、ウェハの第２の部分に金属化された内面を設けるべく、ウェハの第２の部分の内面上に第２の金属層を堆積させるステップと、（ｆ）ウェハの第１の部分の内面上に堆積した第１の金属層を、ウェハの第２の部分の金属化された内面に接合するステップと、を含む。
別の態様では、本発明は、無線周波数（ＲＦ）信号を妨げるための導波通アセンブリを製造する方法であって、導波通アセンブリが半導体ウェハと一体化される、製造する方法を含み、方法は、（ａ）ウェハの第１の部分およびウェハの別個の第２の部分を提供するステップと、（ｂ）ウェハの第１の部分の内面をエッチングして、（ｉ）ＲＦ信号を導波通チャネルの内外に伝送するための少なくとも１つのポートを含む導波通チャネルの壁と、（ｉｉ）導波通チャネル内に配置された半導体障壁部材と、を画定するステップと、（ｃ）導波通チャネルの壁をライニングすべく、ウェハの第１の部分の内面上に第１の金属層を堆積させるステップと、（ｄ）必要に応じて、障壁部材を導波通チャネルに露出させるべく、堆積した第１の金属層をエッチングするステップと、（ｅ）必要に応じて、ウェハの第２の部分に金属化された内面を設けるべく、ウェハの第２の部分の内面上に第２の金属層を堆積させるステップと、（ｆ）ウェハの第１の部分の内面上に堆積した第１の金属層を、ウェハの第２の部分の金属化された内面に接合するステップと、を含む。
【0031】
図面では、同様の要素は同様の参照番号を割り当てられることがある。図面は必ずしも縮尺通りではなく、それよりも本発明の原理に重点が置かれている。さらに、図示される実施形態のそれぞれは、本発明の基本概念を利用する多数の可能な構成のうちの１つにすぎない。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1A】Ｓｉポストの形態の障壁部材を含み、電磁放射（ＥＲ）エミッタを有する本発明の導波通アセンブリの一実施形態を含む半導体ウェハの厚さを通る概略断面図を示す。
【図3A】Ｓｉポストおよびπ字形整合ネットワークの形態の障壁部材を含む、本発明の導波通アセンブリの上部ウェハ下面の実施形態のπ設計レイアウトを示す。寸法は全てμｍ単位で示す。
【図4】本発明の導波通アセンブリを製作するための本発明の方法の実施形態に対するプロセスフローを示す。
【図5A】スイッチ領域、ＣＰＷ－導波通遷移部、およびバックツーバック導波通を強調した、本発明の導波通アセンブリの上部ウェハ下面の一実施形態の写真である。
【図5B】ＣＰＷ－導波通遷移部、および共面導波通を強調した、本発明の導波通アセンブリの底部ウェハ上面の実施形態の写真である。
【図5D】各障壁部材（Ｓｉポスト）の上方に配置された、上部ウェハの裏面にエッチングされた４つの穴に４本の光ファイバが挿入された状態で、２つのＦｏｒｍＦａｃｔｏｒ社製｜Ｚ｜プローブを使用した、テスト対象デバイス（Ｄｅｖｉｃｅ－Ｕｎｄｅｒ－Ｔｅｓｔ：ＤＵＴ）としての図５Ｃの導波通アセンブリの測定を示す。
【図6】図５Ｃの導波通アセンブリの一実施形態およびそのバックツーバック導波通構造（図６の挿入図（ａ）を参照）の、実測オン状態散乱パラメータと、ＨＦＳＳ（商標）を用いてシミュレーションされたオン状態散乱パラメータと、を示すチャートである。ＨＦＳＳ（商標）シミュレーションに対する銅の導電率は、ウェハ接合ステップ後に４点プローブを使用して測定することによって決定された２．３×１０７Ｓ／ｍとした。
【図7】光ファイバ出力パワーを増加させる場合の、図５Ｃの導波通アセンブリの実測オフ状態アイソレーション（｜Ｓ２１｜）を示すチャートである。示す値は、図５Ａに示す障壁部材（Ｓｉポスト）の２×２アレイに対する各個々のファイバの出力部におけるパワーである。
【図8A】Ｔ字形整合の固体プラズマ導波通スイッチとして使用することができる内部構造を示すために上層が除去されている、本発明の導波通アセンブリの別の実施形態のレイアウトの等角図を示す。
【図9A】π字形整合の固体プラズマ導波通スイッチとして使用することができる内部構造を示すために上層が除去されている、本発明の導波通アセンブリの別の実施形態のレイアウトの等角図を示す。
【図10】単極Ｎ投固体プラズマ導波通スイッチとして使用することができる、本発明の導波通アセンブリのレイアウトの実施形態の上面図を示す。
【図11A】エバネッセントモード帯域通過フィルタ導波通スイッチとして使用することができる、本発明の導波通アセンブリのレイアウトの実施形態の等角図を示す。
【図12A】Ｎ極エバネッセントモード帯域通過フィルタ導波通スイッチとして使用することができる、本発明の導波通アセンブリのレイアウトの別の実施形態の等角図を示す。
【図13A】光学的に同調可能かつ再構成可能な固体プラズマ導波通空洞共振器として使用することができる、本発明の導波通アセンブリのレイアウトの実施形態の等角図を示す。
【図14】光学的に同調可能かつ再構成可能な固体プラズマ導波通空洞共振器として使用することができる、本発明の導波通アセンブリのレイアウトの別の実施形態の等角図を示す。
【図15】光学的に同調可能な固体プラズマ導波通のインピーダンス整合ネットワークまたは移相器として使用することができる、本発明の導波通アセンブリのレイアウトの実施形態の上面図を示す。
【図16】光学的に同調可能な固体プラズマ導波通のインピーダンス整合ネットワークまたは移相器として使用することができる、本発明の導波通アセンブリの別の実施形態の上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0033】
定義
発明は、半導体ウェハ内の導波通アセンブリ、微細作製プロセスを用いたその作製、ならびに無線周波数（ＲＦ）信号のスイッチング、ルーティング、フィルタリング、および変換などの目的のために、印加される電磁放射によって導波通アセンブリを制御して、導波通アセンブリ内を伝送されるＲＦ信号に対するインピーダンスを変化させる方法に関する。本明細書で明示的に定義されていない用語または表現はいずれも、当業者によって理解されるその一般に認められている定義を有するものとする。
発明は、半導体ウェハ内の導波通アセンブリ、微細作製プロセスを用いたその作製、ならびに無線周波数（ＲＦ）信号のスイッチング、ルーティング、フィルタリング、および変換などの目的のために、印加される電磁放射によって導波通アセンブリを制御して、導波通アセンブリ内を伝送されるＲＦ信号に対するインピーダンスを変化させる方法に関する。本明細書で明示的に定義されていない用語または表現はいずれも、当業者によって理解されるその一般に認められている定義を有するものとする。
【0034】
導波通アセンブリ。
図１Ａは、本発明の導波通アセンブリの一実施形態を含む半導体ウェハ（１０）の厚さを通る概略断面図を示す。図１Ａ～図１Ｃでは、相互に直交する軸（Ｘ－Ｙ－Ｚ）のセットが空間的基準用に提供されている。ウェハ（１０）と一体化された導波通アセンブリは、導波通チャネル（２０）、半導体障壁部材（３０）、および窓（４０）を含む。ウェハ（１０）および電磁放射（ＥＲ）エミッタ（１００）が、本発明のシステムを形成する。
図１Ａは、本発明の導波通アセンブリの一実施形態を含む半導体ウェハ（１０）の厚さを通る概略断面図を示す。図１Ａ～図１Ｃでは、相互に直交する軸（Ｘ－Ｙ－Ｚ）のセットが空間的基準用に提供されている。ウェハ（１０）と一体化された導波通アセンブリは、導波通チャネル（２０）、半導体障壁部材（３０）、および窓（４０）を含む。ウェハ（１０）および電磁放射（ＥＲ）エミッタ（１００）が、本発明のシステムを形成する。
【0035】
半導体ウェハ。
ウェハ（１０）は半導体材料で作られる。図１Ａに示す実施形態では、ウェハ（１０）は、上から下に、窒化ケイ素、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ドーパントを含んでも含まなくてもよい実質的に純粋なシリコン（Ｓｉ＜１００＞）、およびホウケイ酸ガラスの４つの半導体層を含む。他の実施形態では、ウェハ（１０）は、単一の層または異なる複数の層に配置され得る異なる半導体材料（単数または複数）を含み得る。
ウェハ（１０）は半導体材料で作られる。図１Ａに示す実施形態では、ウェハ（１０）は、上から下に、窒化ケイ素、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ドーパントを含んでも含まなくてもよい実質的に純粋なシリコン（Ｓｉ＜１００＞）、およびホウケイ酸ガラスの４つの半導体層を含む。他の実施形態では、ウェハ（１０）は、単一の層または異なる複数の層に配置され得る異なる半導体材料（単数または複数）を含み得る。
【0036】
導波通チャネル。
導波通チャネル（２０）は、ＲＦ信号の伝送を可能にするウェハ（１０）の内部部分であり、この部分は、金属層（２２）でライニングされたウェハ（１０）の内壁によって画定されている。
導波通チャネル（２０）は、ＲＦ信号の伝送を可能にするウェハ（１０）の内部部分であり、この部分は、金属層（２２）でライニングされたウェハ（１０）の内壁によって画定されている。
【0037】
図１Ａ～図１Ｃに示す実施形態では、導波通チャネル（２０）は、半導体材料がなく、金属層（２２）の間が空気で満たされている空洞である。しかしながら、他の実施形態では、導波通チャネル（２０）は、金属層（２２）の間に半導体材料を含み得る。一実施形態では、金属層（２２）間の半導体材料は、障壁部材（３０）を形成する半導体材料と同じであってもよいが、障壁部材（３０）が、金属層（２２）間の空間に配置された構造的に別個の特徴であるように、金属層（２２）間の空間を完全には満たしていなくてもよい。このような実施形態では、導波通チャネル（２０）および障壁部材（３０）は、バルク微細加工法を用いて形成され得る。基板一体型導波通チャネル（２０）などの別の実施形態では、金属層（２２）の間の導波通チャネル（２０）を形成する半導体材料は、障壁部材（３０）を形成する半導体材料とは組成が異なり得る。このような実施形態では、障壁部材（３０）は、導波通チャネル（２０）の作製後に導波通チャネル（２０）内に挿入され、成長させられ、または堆積され得る。よって、光学的に刺激されていないとき、障壁部材（３０）を形成する半導体材料の誘電率は、特定の用途によって必要とされ得るように、導波通チャネル（２０）を形成する半導体材料の誘電率に整合されることもあれば、整合されないこともある。
【0038】
この実施形態では、金属層（２２）は、チタンと銅のミクスチャー（Ｔｉ／Ｃｕ）である。他の実施形態では、他の金属材料が使用されてもよく、非限定的な例としては、とりわけ、金、ニッケル、アルミニウム、クロム、タングステン、白金、および銀、ならびにそれらのミクスチャーが挙げられる。
【0039】
導波通チャネル（２０）は、ＲＦ信号を導波通チャネル（２０）の内外に伝送するための少なくとも１つのポートを有する。いくつかの実施形態では、導波通チャネル（２０）は、ＲＦ信号の伝送のために入力ポートから出力ポートまで延びるように、少なくとも２つのポートを有する。図１Ａでは、例えば、導波通チャネル（２０）は、（図１Ｂおよび図１Ｃでポート１およびポート２とラベル付けされているなどの）入力ポートおよび出力ポートが図面平面に垂直な方向に離隔されるように、図面平面に垂直な方向に長手方向に延びる。使用中、入力ポートから出力ポートへのＲＦ信号の伝送は、金属壁（２２）のインピーダンスにより導波通チャネル（２０）に沿って案内される。図１Ｂでは、ＲＦ信号（２１）は、両方のポートのうちの（ポート１とラベル付けされている）一方のポートから導波通チャネル（２０）に入るように示されている一方、別のＲＦ信号（２３）は、（ポート２とラベル付けされている）他方のポートに入るように示されている。ＲＦ信号（２１）に関して、ポート１が入力ポートであると見なされる一方、ポート２は出力ポートであると見なされ、ＲＦ信号（２３）に関して、ポート２が入力ポートであると見なされる一方、ポート１は出力ポートであると見なされることが理解されるであろう。
【0040】
他の実施形態では、導波通チャネル（２０）は、そこを通ってＲＦ信号が導波通チャネル（２０）に入る入力ポートと、そこを通ってＲＦ信号が導波通チャネル（２０）を出る出力ポートとの両方として機能する１つのポートのみを有し得る。このようなシングルポート導波通チャネル（２０）の非限定的な例が、図１３Ａ、図１３Ｂ、および図１４の空洞共振器に示されている。このようなシングルポート導波通チャネルの別の例は、反射型移相器の実施形態（以下に説明される実施例９を参照）であり、代替実施形態（図示せず）では、この実施形態はシングルポート導波通チャネル（２０）によって実装され得る。さらなる他の実施形態では、少なくとも１つのポートは、図１０に示す３ポート導波通チャネル（２０）のように、３つ以上のポートを含み得る。
【0041】
図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、導波通チャネル（２０）の空洞は、四角柱の形状を有する。一実施形態では、導波通チャネル（２０）の横幅（Ｗ）は、特定の用途の所望の動作帯域幅、すなわち、ＴＥ１、０単一モード帯域幅に従って選択される。（図１Ａおよび図１Ｂでは、横幅は、ウェハ（１０）の平面に平行であり、導波通チャネルのポート間のＲＦ信号（２１、２３）の伝送方向に直交する方向の寸法であることに留意されたい）。他の実施形態では、導波通チャネル（２０）の空洞は、他の形状および寸法を有し得る。
【0042】
半導体障壁部材。
半導体障壁部材（３０）は、ウェハ（１０）と一体になっている。障壁部材（３０）は、導波通チャネル（２０）内（例えば、導波通チャネル（２０）の入力ポートと出力ポートとの間）に配置されており、よって、導波通チャネル（２０）の入力ポートから出力ポートへのＲＦ信号の伝送に障害を与える。
半導体障壁部材（３０）は、ウェハ（１０）と一体になっている。障壁部材（３０）は、導波通チャネル（２０）内（例えば、導波通チャネル（２０）の入力ポートと出力ポートとの間）に配置されており、よって、導波通チャネル（２０）の入力ポートから出力ポートへのＲＦ信号の伝送に障害を与える。
【0043】
図１Ａの実施形態では、障壁部材（３０）は、その高抵抗率および長いキャリア寿命のために選択された実質的に純粋なシリコン（Ｓｉ＜１００＞で表す）である。他の実施形態では、障壁部材（３０）は、別の半導体材料を含み得る。
【0044】
当業者には理解されるように、半導体材料の電気コンダクタンスは、半導体材料に印加される電磁放射（ＥＲ）のエネルギーレベル、すなわち光子の周波数とともに増加する。印加される電磁放射のエネルギーレベルは、電子－正孔対を生成し、半導体材料の電気コンダクタンスを増加させるために、半導体バンドギャップエネルギーレベルより大きくなければならない。当業者にはさらに理解されるように、半導体材料はまた、半導体材料に印加される電磁放射（電磁放射周波数が半導体バンドギャップエネルギーを上回るエネルギーレベルを有する場合）の強度、すなわちパワーレベルの増加に応じても電気コンダクタンスが増加する。これは、パワーレベルの増加により、印加されるＥＲの所与のエネルギーレベルに対して生成される電子正孔対の数が増加するためである。障壁部材（３０）を形成するのに適した半導体材料、ならびに括弧内のそれらのバンドギャップエネルギーおよび対応する波長の非限定的な例は、以下を含む。シリコン、Ｓｉ（１．１２ｅＶ＝１１０７ｎｍ）、ゲルマニウム、Ｇｅ（０．６６１ｅＶ＝１８７６ｎｍ）、ガリウム砒素、ＧａＡｓ（１．４２４ｅＶ＝８７０．７ｎｍ）、窒化ガリウム、ＧａＮ（３．２８ｅＶ＝３７８ｎｍ）、シリコンゲルマニウム、ＳｅＧｅ（０．６６～１．８６ｅＶ＝６６５．６～１８７９ｎｍ）、シリコンカーバイド、ＳｉＣ（２．３６～６ｅＶ＝２０６．６～５２５．４ｎｍ）、リン化インジウム、ＩｎＰ（１．３４４ｅＶ＝９２２．５ｎｍ）、リン化ガリウム、ＧａＰ（２．２６ｅＶ＝５４８．６ｎｍ）、およびその他のシリコン系半導体材料。各々がそれら自身の特定の属性セットを有する他のものを選択することもできる。例えば、当業者であれば、可視光スペクトル（約４００～約７００ｎｍの波長）内ならびに赤外スペクトル（約７００ｎｍ～約１ｍｍの波長）内のＥＲを印加することにより、シリコンの電気コンダクタンスを増加させ得ることを理解するであろう。対照的に、窒化ガリウムは、ＵＶスペクトル（約１０ｎｍ～約４００ｎｍの波長）内にあるバンドギャップエネルギーを有し、その電気コンダクタンスは、ＵＶスペクトル内のＥＲの印加によって増加させることができる。
【0045】
図１Ａの実施形態では、障壁部材（３０）は、ウェハ（１０）によって規定される平面方向に対して横に（すなわち、直交して）延びる実質的に円筒形のポストの形態である。図１Ａの実施形態では、障壁部材（３０）は、ウェハ（１０）の内壁をライニングする金属層（２２）から窓（４０）まで延びる。他の実施形態では、障壁部材（３０）は、障壁部材（３０）が導波通チャネル（２０）に障害を与える限り、異なる形態を有し得る。
【0046】
図１Ａおよび図１Ｂの実施形態では、障壁部材（３０）は、後述するように、障壁部材（３０）がスイッチとして使用されるとき、オフ状態でのアイソレーション効果を最大化するために、ＴＥ１、０モードのピーク電界が位置する、導波通（２０）の、その幅（Ｗ）の横方向（すなわち、入力ポートから出力ポートへのＲＦ信号の伝送方向に垂直な方向）の略中心に配置される。他の実施形態では、障壁部材（３０）は、導波通チャネル（２０）内の異なる位置にあり得る。例えば、障壁部材（３０）は、特定の設計用途に対してオフ状態のアイソレーションおよびオン状態の挿入損失の量を最適化するように、導波通チャネル（２０）の横方向中心からずらすこともできる。
【0047】
障壁部材（３０）は、導波通チャネル（２０）と同じ材料内にモノリシックに構成することができ、よって、完全に一体化されているか、または別個の材料で構成し、後で導波通チャネル（２０）に組み立てることができる。
【0048】
障壁部材（３０）は、インピーダンス整合を改善するため、光源の形状に整合して効率を改善するため、または表皮深さを考慮するためなど、異なる設計目的のために導波通チャネル（２０）内のその位置、サイズ、および形状に関してカスタマイズ可能である。
【0049】
窓。
窓（４０）は、ウェハ（１０）の外面に配置され、障壁部材（３０）を終端する。図１Ａでは、ウェハ（１０）は分離されているものとして示されている。他の実施形態では、ウェハ（１０）は、集積回路（ＩＣ）チップ用のウェハのスタックを形成するように、ウェハ（１０）の最上面に取り付けられた追加の上側ウェハ（図示せず）、またはウェハ（１０）の最下面に取り付けられた追加の下側ウェハ（図示せず）と一体化され得る。このような実施形態では、ウェハ（１０）の最上面または最下面は、ウェハのスタックの終端層を形成していないにもかかわらず、依然としてウェハ（１０）の「外面」と見なされ得る。
窓（４０）は、ウェハ（１０）の外面に配置され、障壁部材（３０）を終端する。図１Ａでは、ウェハ（１０）は分離されているものとして示されている。他の実施形態では、ウェハ（１０）は、集積回路（ＩＣ）チップ用のウェハのスタックを形成するように、ウェハ（１０）の最上面に取り付けられた追加の上側ウェハ（図示せず）、またはウェハ（１０）の最下面に取り付けられた追加の下側ウェハ（図示せず）と一体化され得る。このような実施形態では、ウェハ（１０）の最上面または最下面は、ウェハのスタックの終端層を形成していないにもかかわらず、依然としてウェハ（１０）の「外面」と見なされ得る。
【0050】
窓（４０）は、障壁部材（３０）を終端する電磁放射（ＥＲ）透過性半導体層を含み、これにより、ウェハの外部のＥＲエミッタ（１００）によって障壁部材（３０）に電磁放射を印加することが可能になる。したがって、本明細書で使用される場合、「電磁放射透過性」または「ＥＲ透過性」は、ＵＶスペクトル、可視スペクトル、または赤外スペクトル、すなわち、約１０ｎｍ～約１ｍｍの波長を有する電磁スペクトル内の任意の部分にある電磁放射が、半導体材料を透過して伝送されるのを可能にする半導体材料を指す。実施形態では、ＥＲ透過性半導体材料は光学的に透明なものであってもよい。本明細書で使用される場合、「光学的に透明」とは、可視スペクトル（すなわち、約４００～約７００ｎｍの波長を有する電磁スペクトルの部分）内の電磁放射が、半導体材料を透過して伝送されるのを可能にする半導体材料を指す。図１Ａの実施形態では、窓（４０）の光学的に透明な半導体材料は、その反射防止（ＡＲ：Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）特性のために有利であり得る窒化ケイ素である。他の実施形態では、窓（４０）の光学的に透明な半導体材料は、その非限定的な実施形態が、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、または半導体支持体に組み込まれた光学的に透明な金属メッシュフィルムを含む、光周波数でＡＲ特性を提供するだけでなく、ＲＦ信号に対する導電特性も提供する別の材料であり得る。さらなる別の実施形態では、窓（４０）のＥＲ透過性半導体は、同様にＡＲ特性を有するはずの、成長させられた、または堆積された二酸化ケイ素の層を含み得る。
【0051】
窓（４０）の面積が十分に小さく、概ね導波通を通して伝送されるＲＦ信号の波長（λ）の１／１２よりも小さい（＜λ／１２）寸法（例えば、直径）を有する場合には、窓（４０）は、導波通アセンブリの性能に対して無視できるほどの影響を有すると予想される。使用の実施形態では、ＲＦ信号は、約１ＧＨｚ～３００ＧＨｚの周波数、または約１ｍｍ～約３００ｍｍの波長を有する。したがって、実施形態では、窓の寸法（例えば、直径）は、約０．０８３ｍｍ～約２５ｍｍ、より具体的には約０．４５ｍｍ以下であってもよい。しかしながら、これらの波長は、ＲＦ信号が導波通内の誘電体としての空気を通って移動することを前提としていることが理解されるであろう。代わりに、ＲＦ信号が導波通のより高い誘電率の半導体材料を通して伝送されている場合、波長は、誘電率の平方根の逆数である係数分だけ低減し、これは、したがって、窓（４０）の好適な寸法に影響を及ぼすであろう。
【0052】
図１Ａの実施形態では、窓（４０）は、ウェハ（１０）の外面の残りの部分から凹んでいる。凹部は、ＥＲエミッタ（１００）によって放出された電磁放射を窓（４０）に光学的に結合する（図５Ｄに示されるような）光ファイバケーブル（１６）を受け入れる受け入れ部（１８）または穴を効果的に形成する。
【0053】
電磁放射（ＥＲ）エミッタ。
電磁放射（ＥＲ）エミッタ（１００）は、励起されるべき障壁部材（３０）の半導体材料のバンドギャップよりもエネルギーが大きい電磁放射を放出する任意のデバイスである。選択されるべき放出されたＥＲの特定の波長は、障壁部材（３０）を形成するために選択された特定の半導体材料に依存するであろう。例えば、障壁部材の半導体材料が（バンドギャップ波長約１１００ｎｍの）シリコンである場合、ＥＲエミッタは、赤外スペクトル内の約９１５ｎｍの波長のＥＲ放射を放出するレーザであり得る。実施形態では、ＥＲエミッタは、（波長約１０ｎｍ～約４００ｎｍの）ＵＶスペクトル、（波長約４００～約７００ｎｍの）可視スペクトル、または（波長約７００ｎｍ～約１ｍｍの）赤外スペクトル内の電磁放射を放出する。ＥＲエミッタ（１００）の非限定的な例としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、可視スペクトルまたは赤外スペクトル内のＥＲを放出し得るレーザダイオード、または垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が挙げられる。
電磁放射（ＥＲ）エミッタ（１００）は、励起されるべき障壁部材（３０）の半導体材料のバンドギャップよりもエネルギーが大きい電磁放射を放出する任意のデバイスである。選択されるべき放出されたＥＲの特定の波長は、障壁部材（３０）を形成するために選択された特定の半導体材料に依存するであろう。例えば、障壁部材の半導体材料が（バンドギャップ波長約１１００ｎｍの）シリコンである場合、ＥＲエミッタは、赤外スペクトル内の約９１５ｎｍの波長のＥＲ放射を放出するレーザであり得る。実施形態では、ＥＲエミッタは、（波長約１０ｎｍ～約４００ｎｍの）ＵＶスペクトル、（波長約４００～約７００ｎｍの）可視スペクトル、または（波長約７００ｎｍ～約１ｍｍの）赤外スペクトル内の電磁放射を放出する。ＥＲエミッタ（１００）の非限定的な例としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、可視スペクトルまたは赤外スペクトル内のＥＲを放出し得るレーザダイオード、または垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が挙げられる。
【0054】
ＥＲエミッタ（１００）がＬＥＤであるような実施形態では、ＬＥＤは、半導体デバイス用の微細作製プロセスを用いた作製によってウェハ（１０）と一体であり得る。他の実施形態では、ＥＲエミッタ（１００）は、別個に形成され得、ウェハ（１０）に取り付けられ得る。さらなる他の実施形態では、ＥＲエミッタ（１００）は、ウェハ（１０）から物理的に分離されているが、光ファイバケーブル（１６）などによって窓（４０）に光学的に結合され得る（図５Ｄを参照）。
【0055】
実施形態では、ＥＲエミッタ（１００）は、ＥＲエミッタ（１００）によって障壁部材（３０）に印加される電磁放射エネルギーのエネルギーレベルまたはパワーの一方または両方を選択的に制御するための制御手段（１０２）に動作可能に接続されており、これにより、後述するように、導波通チャネル（３０）を通るＲＦ信号の伝送に対する障壁部材（３０）のインピーダンス効果の選択的制御が可能になる。適切な制御手段（１０２）は当業者に公知であり、非限定的な例としては、とりわけ、マイクロコントローラ、ＥＲエミッタ（１００）に供給されるパワーを制御するための可変抵抗器、ＥＲエミッタ（１００）の複数のＥＲ放出素子のうちの１つを選択的に制御するためのスイッチ、色可変ＬＥＤ、および制御された方法で変化させ得る波長を有する波長可変レーザが挙げられる。導波通アセンブリが複数の障壁部材（３０）を含む実施形態では、制御手段は、障壁部材（３０）のうちの１つに印加される電磁放射のエネルギーレベル（すなわち、周波数）および／または強度（すなわち、パワーレベル）を、障壁部材（３０）のうちの別の１つに印加される電磁放射の周波数および／またはパワーレベルとは独立して、選択的に変化させるように構成され得る。例えば、各障壁部材（３０）は、複数のＥＲエミッタ（１００）のうちの異なる１つに関連付けられ得、このエミッタは、他のＥＲエミッタ（１００）とは独立して、エネルギーレベルおよび／またはパワーに関して制御されることができる。さらに、制御手段は、ウェハ（１０）ならびにＥＲエミッタ（１００）の熱管理を改善するために、ＥＲエミッタ（１００）がパルス化される（例えば、電磁放射を間欠的に放出する）ように制御することができる。
【0056】
障壁部材の使用および動作原理。
一般に、ＥＲエミッタ（１００）によって障壁部材（３０）に印加される電磁放射のエネルギーレベルおよび／またはパワーレベルは、障壁部材（３０）の電気コンダクタンスを変化させ、したがって導波通チャネル（２０）内のＲＦ信号の伝送に対する障壁部材（３０）のインピーダンスを変化させることを目的として、障壁部材（３０）の電磁励起を制御するために、制御手段（１０２）によって選択的に変化させられ得る。これは、導波通チャネル（３０）内のＲＦ信号のスイッチング、減衰、ルーティング、フィルタリング、および変換などの導波通アセンブリの例示的使用のために行われ得る。本発明は、ＲＦ信号の周波数によって限定されない。非限定的な実施形態では、ＲＦ信号は、ミリメートル波帯域（約１ＧＨｚ～約３００ＧＨｚ）内、より具体的には、Ｋａ帯域（約２６．５ＧＨｚ～約４０ＧＨｚ）内にあり得る。
一般に、ＥＲエミッタ（１００）によって障壁部材（３０）に印加される電磁放射のエネルギーレベルおよび／またはパワーレベルは、障壁部材（３０）の電気コンダクタンスを変化させ、したがって導波通チャネル（２０）内のＲＦ信号の伝送に対する障壁部材（３０）のインピーダンスを変化させることを目的として、障壁部材（３０）の電磁励起を制御するために、制御手段（１０２）によって選択的に変化させられ得る。これは、導波通チャネル（３０）内のＲＦ信号のスイッチング、減衰、ルーティング、フィルタリング、および変換などの導波通アセンブリの例示的使用のために行われ得る。本発明は、ＲＦ信号の周波数によって限定されない。非限定的な実施形態では、ＲＦ信号は、ミリメートル波帯域（約１ＧＨｚ～約３００ＧＨｚ）内、より具体的には、Ｋａ帯域（約２６．５ＧＨｚ～約４０ＧＨｚ）内にあり得る。
【0057】
図１Ｂおよび図１Ｃは、図１Ａの導波通アセンブリの導波通（２０）および障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）を示す。図１Ａに示すウェハ（１０）の他の部分は、導波通アセンブリの動作原理を説明するために省略されている。
【0058】
導波通チャネル（２０）を通したＲＦ信号の伝送に対する障壁部材（３０）の減衰効果は、電磁放射源（１００）によって障壁部材（３０）に印加される電磁放射エネルギーのエネルギーレベル（周波数）および／またはパワーレベルによって制御することができる。説明の便宜上、以下の論述では、ＥＲエミッタ（１００）が「オフ」である（例えば、電磁放射を放出していない）場合および「オン」である（すなわち、電磁放射を放出している）場合を使用して効果を説明する。ＥＲエミッタ（１００）から放出される電磁放射の強度（パワーレベル）を、異なる非ヌルエネルギーレベル間でおよび／またはパワー間で変化させることにより、中間効果が生成され得る。よって、ＥＲエミッタ（１００）によって放出される電磁放射のエネルギーレベルおよび／またはパワーを、制御手段（１０２）を使用して選択的に制御することができる場合、導波通チャネル（２０）内のＲＦ信号の伝送に対する障壁部材（３０）の減衰効果を選択的に、場合によっては連続的に、調整することができる。
【0059】
ＥＲエミッタ（１００）が「オフ」であるとき、障壁部材（３０）は、ＥＲエミッタ（１００）が「オン」であるときと比較して絶縁状態にある。別の言い方をすれば、ＥＲエミッタ（１００）が「オン」であるとき、障壁部材（３０）は、ＥＲエミッタ（１００）が「オフ」であるときと比較して導電状態にある。障壁部材（３０）が絶縁状態にあるとき、障壁部材（３０）は、マイクロ波ＲＦ信号およびミリメートル波ＲＦ信号が導波通チャネル（２０）の入力ポートから出力ポートへ低い挿入損失で通過することを可能にする。よって、障壁部材（３０）は「オン状態」にあると見なされ得る。逆に、障壁部材（３０）が導電状態にあるとき、障壁部材（３０）は導波通チャネル（２０）内で短絡分路のように挙動して、入射してくるマイクロ波ＲＦ信号およびミリメートル波ＲＦ信号を反射し、よって、導波通チャネル（２０）の入力ポートから出力ポートへのＲＦ信号の伝送の相対的に高いアイソレーションを提供する。よって、障壁部材（３０）は「オフ状態」にあると見なされ得る。
【0060】
詳述すると、図１Ｃに示すように、窓（４０）を通過したＥＲエミッタ（１００）から放出される光子は、障壁部材（３０）に入射し、障壁部材（３０）を吸収する。光子のエネルギーが十分である（例えば、エネルギーがＳｉのバンドギャップよりも大きいｈν＞Ｅｇ≒１．１２ｅＶ）場合、これは、障壁部材（３０）内で自由キャリアを生成するであろう。これにより、障壁部材（３０）は、容量性負荷から導電性負荷に変化し、導波通チャネル（２０）内でのミリメートル波の伝送または反射を可能にする。
【0061】
障壁部材（３０）の頂部における入射光パワーを、光生成される自由キャリア濃度に関連付け、よって、障壁部材（３０）内のバルクＤＣ導電率に関連付けるために、半導体における電子と正孔の生成および再結合に関する連続性と電荷中性の方程式が使用される［参考文献１１］。定常状態では、自由キャリアの空間分布が一定である場合、連続方程式は以下のように表すことができる。
【0062】
Ｄｅｆｆ▽２ｎ－ｎ／τｅｆｆ＋ｇ＝０ （１）
ここで、ｎは自由キャリアの総数、Ｄｅｆｆは実効拡散係数、τｅｆｆは実効キャリア寿命、ｇは生成率である［参考文献１２］。図１Ｃに示すように、光励起が障壁部材３０の表面に垂直であり、生成率が障壁部材３０のＳｉに関して
ここで、ｎは自由キャリアの総数、Ｄｅｆｆは実効拡散係数、τｅｆｆは実効キャリア寿命、ｇは生成率である［参考文献１２］。図１Ｃに示すように、光励起が障壁部材３０の表面に垂直であり、生成率が障壁部材３０のＳｉに関して
【0063】
【数1】
【0064】
方向に指数関数的に減衰する１次元の場合を仮定すると、ｇは以下のように表すことができる。
ｇ（ｙ）＝αＰｏｐｔ（１－Ｒ）λｏｐｔｅ－αｙ／ｈｃ （２）
ここで、αは吸収係数、Ｒは光励起波長λｏｐｔにおけるＳｉの反射率、Ｐｏｐｔはλｏｐｔにおける光パワー密度、ｈはプランク定数、ｃは光の自由空間速度である［参考文献１２］。Ｐｏｐｔの関数として総キャリア濃度ｎを解くと、半導体の生成されるバルクＤＣ伝導率は、以下のように計算することができる。
ｇ（ｙ）＝αＰｏｐｔ（１－Ｒ）λｏｐｔｅ－αｙ／ｈｃ （２）
ここで、αは吸収係数、Ｒは光励起波長λｏｐｔにおけるＳｉの反射率、Ｐｏｐｔはλｏｐｔにおける光パワー密度、ｈはプランク定数、ｃは光の自由空間速度である［参考文献１２］。Ｐｏｐｔの関数として総キャリア濃度ｎを解くと、半導体の生成されるバルクＤＣ伝導率は、以下のように計算することができる。
【0065】
σＤＣ＝ｑμｅｆｆｎ （３）
ここで、μｅｆｆは電子と正孔の両方の実効移動度、ｑは基本的な単位電荷である［参考文献１１］。自由キャリアの横方向拡散を減少させるために、障壁部材（３０）は、拡散長ＬＤ＝√（Ｄｅｆｆτｅｆｆ）より小さい直径にエッチングされてもよい。これは、障壁部材（３０）の領域内に自由キャリアを閉じ込めるのに役立ち、１Ｄ理論的アプローチを正当化する［参考文献１２］。
ここで、μｅｆｆは電子と正孔の両方の実効移動度、ｑは基本的な単位電荷である［参考文献１１］。自由キャリアの横方向拡散を減少させるために、障壁部材（３０）は、拡散長ＬＤ＝√（Ｄｅｆｆτｅｆｆ）より小さい直径にエッチングされてもよい。これは、障壁部材（３０）の領域内に自由キャリアを閉じ込めるのに役立ち、１Ｄ理論的アプローチを正当化する［参考文献１２］。
【0066】
図１Ｂおよび１Ｃに示す障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の導電性を増加させる効果は、ＨＦＳＳ（商標）（高周波構造シミュレータソフトウェア、アンシス社（Ａｎｓｙｓ，Ｉｎｃ．）（米国ペンシルバニア州キャノンズバーグ（Ｃａｎｏｎｓｂｕｒｇ，Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ，ＵＳＡ））から入手可能）を用いてシミュレーションしたものである。図２Ａでは、光励起のないオン状態散乱パラメータが示されており、すなわち、半導体障壁部材（３０）は、光源が表面を照らしていないか、または表面に入射していないダーク状態にある。障壁部材（３０）は、分路誘電体または容量性負荷として挙動する。電磁波は、導波通チャネル（２０）を通過することができる。
【0067】
図２Ｂに示す特定の実施形態では、障壁部材（３０）の頂部に入射する光パワーを増加させるにつれて、オフ状態アイソレーションの量が増加し、３５０～４００Ｓ／ｍの導電率で最大に達する。導電率のさらなる増加により、システムの総損失が改善する。他の設計または実施形態では、達成されるアイソレーションの量は、増加することも、減少することも、または同一であることもできる。半導体障壁部材（３０）に、半導体材料のバンドギャップエネルギーを超える電磁放射が印加されると、障壁部材（３０）は導体として挙動する。
【0068】
よって、電磁波は、障壁部材（３０）内の導電率の実現値に関連する印加される光エネルギーの量に応じて、ほとんどが障壁部材（３０）によって吸収または反射される。障壁部材（３０）を（半導体の選択に固有の）正確な光子エネルギーの電磁放射で励起することにより、固体プラズマを形成することができ、印加された電磁放射エネルギーの量に応じて、障壁部材（３０）の電気的特性を誘電性から導電性に変化させる。本明細書で使用される場合、「固体プラズマ」は、可動荷電粒子を有する固体状態の物質を指す。障壁部材（３０）または複数の障壁部材（３０）の配置および設計を慎重に選択することにより、導波通チャネル（２０）内の電界および磁界をカスタマイズされた非常に柔軟なやり方で摂動させることができ、シングルポート構成、ダブルポート構成、またはマルチポート構成において多種多様な調整可能かつ再構成可能な伝達機能を可能にする。本明細書で説明される固体プラズマを使用するマイクロ波およびミリメートル波導波通アセンブリの利点は、高いパワー処理、高い線形性、速いスイッチング速度、低い挿入損失、および事実上無制限の寿命を含み、これらは全て、他の平面回路または非平面回路およびシステムと組み合わせ可能な高度に一体化されたフォームファクタ内で実現される。さらに、電磁放射制御システム（すなわち、ＥＲエミッタ（１００））のＤＣバイアスネットワークは、ＲＦ信号経路から隔離されており、導波通アセンブリの入力または出力に現れる制御電圧スイッチングに起因する不要な過渡電流を除去し、性能を改善する。
【0069】
障壁部材（３０）によるオフ状態アイソレーションは、以下の方法のうちの１つ以上を用いて改善することができる。第１の方法として、障壁部材（３０）のサイズを大きくしてもよいが、分路容量性負荷の増大によりオン状態挿入損失が犠牲になる。この増加した分路容量性負荷は、Ｔ字形整合およびπ字形整合のスイッチネットワークを含む技法を用いて整合して、オン状態挿入損失を大幅に改善することができる。第２の方法として、障壁部材（３０）の形状は、特定の方法で構成してオフ状態アイソレーションを改善することができる。第３の方法として、π字形整合領域によるオン状態容量性負荷の増加を補償する必要性を念頭に置き、追加の障壁部材（３０）を追加してオフ状態アイソレーションを改善することができる。
【0070】
上述したように、Ｔ字形整合またはπ字形整合回路を使用して、オン状態の半導体障壁部材（３０）の分路容量性負荷を整合させて、妥当な帯域幅にわたって挿入損失および反射損失を改善することができる。Ｔ字形整合およびπ字形整合回路の設計の詳細は、参考文献１３に記載されており、本発明におけるそれらの応用例は、以下の実施例において説明される。
【0071】
導波通アセンブリの作製。
導波通アセンブリは、半導体デバイス用の微細作製プロセスを用いて作製される。一実施形態では、半導体ウェハ（１０）と一体化された導波通アセンブリを製造する方法は、以下のステップを含む。説明の目的で、以下の例でさらに説明される図４を参照する。
導波通アセンブリは、半導体デバイス用の微細作製プロセスを用いて作製される。一実施形態では、半導体ウェハ（１０）と一体化された導波通アセンブリを製造する方法は、以下のステップを含む。説明の目的で、以下の例でさらに説明される図４を参照する。
【0072】
最初に、方法は、ウェハ（１０）の第１の部分とウェハ（１０）の別個の第２の部分と、を提供することを含む。図４の例では、ウェハ（１０）の第１の部分は上部ウェハによって示されており、ウェハ（１０）の第２の部分は底部ウェハによって示されている。
【0073】
次に、方法は、ウェハ（１０）の第１の部分の外面をエッチングして、窓（４０）用の受け入れ部を画定することを含む。図４の例では、このステップは（ステップｃ）として示されている。
【0074】
次に、方法は、窓（４０）用の光学的に透明な半導体材料の層を堆積することを含む。図４の例では、このステップは（ステップｄ）として示されている。
次に、方法は、ウェハ（１０）の第１の部分の内面をエッチングすることを含む。エッチングは、ＲＦ信号用の入力ポートから出力ポートまで延びる導波通チャネル（２０）の壁を画定するために行われる。エッチングはまた、ウェハ（１０）の第１の部分の外面において、光学的に透明な半導体層を含む窓（４０）から導波通チャネル（２０）の入力ポートと出力ポートとの間の導波通チャネル（２０）内に延びる半導体障壁部材（３０）を含む導波通スイッチを画定するためにも行われる。図４の例では、このステップは（ステップ１ｆ、１ｈ、１ｉ）として示されている。
次に、方法は、ウェハ（１０）の第１の部分の内面をエッチングすることを含む。エッチングは、ＲＦ信号用の入力ポートから出力ポートまで延びる導波通チャネル（２０）の壁を画定するために行われる。エッチングはまた、ウェハ（１０）の第１の部分の外面において、光学的に透明な半導体層を含む窓（４０）から導波通チャネル（２０）の入力ポートと出力ポートとの間の導波通チャネル（２０）内に延びる半導体障壁部材（３０）を含む導波通スイッチを画定するためにも行われる。図４の例では、このステップは（ステップ１ｆ、１ｈ、１ｉ）として示されている。
【0075】
次に、方法は、ウェハ（１０）の第１の部分の内面上に第１の金属層を堆積させて、導波通チャネル（２０）の壁をライニングすることを含む。図４の例では、このステップは（ステップ１ｊ）として示されている。
【0076】
次に、方法は、堆積された第１の金属層をエッチングして、障壁部材（３０）を導波通チャネル（２０）に露出させることを含む。図４の例では、このステップは（ステップ１ｌ）として示されている。
【0077】
次に、方法は、ウェハ（１０）の第２の部分の内面上に第２の金属層を堆積させて、ウェハ（１０）の第２の部分の金属化された内面を提供することを含む。図４の例では、このステップは（ステップ２ａ）として示されている。
【0078】
最後に、方法は、ウェハ（１０）の第１の部分の内面上に堆積された第１の金属層をウェハ（１０）の第２の部分の金属化された内面に接合することを含む。図４の例では、このステップは（ステップ３）として示されている。
【実施例】
【0079】
以下の実施例は、導波通アセンブリ、その作製、ならびに導波通スイッチ、導波通型可変減衰器、エバネッセントモード帯域通過フィルタ導波通スイッチ、同調可能な導波通空洞共振器、インピーダンス整合ネットワーク、および分散型移相器としてのその使用の例示的な実施形態の特定の態様を示す。特許請求の範囲から逸脱することなく、さらなる実施形態および使用が可能である。
【0080】
実施例１－導波通アセンブリレイアウト。
図３Ａおよび図３Ｂでは、導波通アセンブリの微細作製のためのレイアウトが示されている。寸法は全てμｍ単位で示す。レイアウトは、Ｋａ帯域内で動作するように選択されたもので、導波通の全幅が７．１１２ｍｍ（ＷＲ２８）である。２０ｄＢを超えるアイソレーションを達成するために、ＨＦＳＳを用いた一連の最適化研究の後、各々直径が４００μｍの障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の２×２アレイが、銅を含む金属層（２２）によって画定された導波通チャネル（２０）内に配置される。他の実施形態では、導波通アセンブリの性能を修正するために、より多くのまたはより少ない障壁部材（３０）が設計に追加され得る。この実施形態では、障壁部材（３０）の円形断面は、ＥＲエミッタ（１００）を窓（４０）に光学的に結合するために使用される光ファイバ（１６）（図５Ｄを参照）の円形断面に整合するように選択される。これは、光ファイバ（１６）の出力から最も多くの光子が障壁部材（３０）によって捕捉されることを確実にするのに役立つ。障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）が光励起によって完全に導電性になることを確実にするために、拡散長ＬＤ内に収まるように、２００μｍの高さが選択される。これは、次に、この特定の設計に対する導波通チャネル（２０）の高さを決定する。さらに、オン状態における障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の容量性負荷効果により、整合を改善するためにπ字形スイッチ構成が選択される［参考文献１３］。
図３Ａおよび図３Ｂでは、導波通アセンブリの微細作製のためのレイアウトが示されている。寸法は全てμｍ単位で示す。レイアウトは、Ｋａ帯域内で動作するように選択されたもので、導波通の全幅が７．１１２ｍｍ（ＷＲ２８）である。２０ｄＢを超えるアイソレーションを達成するために、ＨＦＳＳを用いた一連の最適化研究の後、各々直径が４００μｍの障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の２×２アレイが、銅を含む金属層（２２）によって画定された導波通チャネル（２０）内に配置される。他の実施形態では、導波通アセンブリの性能を修正するために、より多くのまたはより少ない障壁部材（３０）が設計に追加され得る。この実施形態では、障壁部材（３０）の円形断面は、ＥＲエミッタ（１００）を窓（４０）に光学的に結合するために使用される光ファイバ（１６）（図５Ｄを参照）の円形断面に整合するように選択される。これは、光ファイバ（１６）の出力から最も多くの光子が障壁部材（３０）によって捕捉されることを確実にするのに役立つ。障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）が光励起によって完全に導電性になることを確実にするために、拡散長ＬＤ内に収まるように、２００μｍの高さが選択される。これは、次に、この特定の設計に対する導波通チャネル（２０）の高さを決定する。さらに、オン状態における障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の容量性負荷効果により、整合を改善するためにπ字形スイッチ構成が選択される［参考文献１３］。
【0081】
長手方向の長さが５５０μｍ、深さが２２０μｍの（π字形整合とラベル付けされている）スロット２４を設けることによって、この領域内の導波通チャネルの深さを増加させることにより、障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の列の間の高インピーダンス部分が形成される。
【0082】
図３Ｂに示すように、次いで、ウェハ（１０）の上部部分（１２）が反転され、ウェハ（１０）の底部部分（１４）に接合される。障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の真上の上部ウェハの裏面にエッチングされた受け入れ部（１８）（穴）に挿入された４本の光ファイバ（１６）は、障壁部材（３０）を励起するためのＥＲエミッタ（１００）の光結合を提供する。
【0083】
実施例２－導波通アセンブリの作製のプロセスフロー。
図４は、図３Ａおよび図３Ｂに示すレイアウトによる導波通アセンブリの作製プロセスを示す。深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ－Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を使用するＳｉ微細加工が、小さい特徴部と大きい特徴部の両方を高精度で達成するその能力のために選択される［参考文献１０］。プロセスは、厚さ６７５μｍの高抵抗率真性Ｓｉウェハに１．２μｍの熱酸化膜が成長させられ（ステップ１ａ）、上面および裏面ＤＲＩＥマスク用に両側でパターニングされる（ステップ１ｂ）ことから始まる。次に、光ファイバ（１６）用の受け入れ部（１８）が、ＤＲＩＥを使用して裏側にエッチングされ（ステップ１ｃ）、プラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）窒化物が、窓（４０）用の反射防止コーティングとして堆積される（ステップ１ｄ）。次に、２つの異なる上面エッチング深さを達成するために、ＡＺ１５２９（商標）（独国ウルムに所在のマイクロケミカルズ社（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ，Ｕｌｍ，Ｇｅｒｍａｎｙ））フォトレジストが上面酸化物の上にパターニングされ（ステップ１ｅ）、高インピーダンスπ字形整合スロット（２４）がエッチングされる（ステップ１ｆ）。レジストが剥離され（ステップ１ｇ）、主導波通チャネル（２０）がエッチングされる（ステップ１ｈ）。障壁部材３０（Ｓｉポスト）の電気的接続を改善するために、上面酸化物マスクが剥離される（ステップ１ｉ）。スパッタリングされた１００／１０００ｎｍのＴｉ／Ｃｕ層の堆積により、上面導波通チャネルが金属化され（ステップ１ｊ）、障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の側壁からの金属は、ＡＺ１５２９（商標）フォトレジストをパターニングすること（ステップ１ｋ）および湿式化学エッチング（ステップ１ｌ）によって除去される。ネガティブフォトレジストまたは画像反転フォトレジストを、ポジティブフォトレジストＡＺ１５２９（商標）の代わりに使用して、障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の側壁をパターニングすることができる。次に、個々のサンプルがダイシングされる（ステップ１ｍ）。
図４は、図３Ａおよび図３Ｂに示すレイアウトによる導波通アセンブリの作製プロセスを示す。深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ－Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を使用するＳｉ微細加工が、小さい特徴部と大きい特徴部の両方を高精度で達成するその能力のために選択される［参考文献１０］。プロセスは、厚さ６７５μｍの高抵抗率真性Ｓｉウェハに１．２μｍの熱酸化膜が成長させられ（ステップ１ａ）、上面および裏面ＤＲＩＥマスク用に両側でパターニングされる（ステップ１ｂ）ことから始まる。次に、光ファイバ（１６）用の受け入れ部（１８）が、ＤＲＩＥを使用して裏側にエッチングされ（ステップ１ｃ）、プラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ：Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）窒化物が、窓（４０）用の反射防止コーティングとして堆積される（ステップ１ｄ）。次に、２つの異なる上面エッチング深さを達成するために、ＡＺ１５２９（商標）（独国ウルムに所在のマイクロケミカルズ社（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ，Ｕｌｍ，Ｇｅｒｍａｎｙ））フォトレジストが上面酸化物の上にパターニングされ（ステップ１ｅ）、高インピーダンスπ字形整合スロット（２４）がエッチングされる（ステップ１ｆ）。レジストが剥離され（ステップ１ｇ）、主導波通チャネル（２０）がエッチングされる（ステップ１ｈ）。障壁部材３０（Ｓｉポスト）の電気的接続を改善するために、上面酸化物マスクが剥離される（ステップ１ｉ）。スパッタリングされた１００／１０００ｎｍのＴｉ／Ｃｕ層の堆積により、上面導波通チャネルが金属化され（ステップ１ｊ）、障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の側壁からの金属は、ＡＺ１５２９（商標）フォトレジストをパターニングすること（ステップ１ｋ）および湿式化学エッチング（ステップ１ｌ）によって除去される。ネガティブフォトレジストまたは画像反転フォトレジストを、ポジティブフォトレジストＡＺ１５２９（商標）の代わりに使用して、障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の側壁をパターニングすることができる。次に、個々のサンプルがダイシングされる（ステップ１ｍ）。
【0084】
図５Ａは、接合ステップの前の、図４のプロセスフローの（ステップ１ａ～１ｍ）に従って製造された上部ウェハ片の写真である。図５Ａは、導波通チャネル（２０）および４つの障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）を含むスイッチ領域、ならびにスイッチング損失抽出用のバックツーバック導波通構造を示す。
【0085】
この実施形態では、厚さ１．１ｍｍのホウケイ酸ガラスウェハが底部キャリアウェハとして選択された。４０／１０００ｎｍのＴｉ／Ｃｕ層が、ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ ＬＯＲ ５Ｂ（商標）（米国マサチューセッツ州ニュートンに所在のマイクロケム社（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ Ｃｏｒｐ．，Ｎｅｗｔｏｎ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，ＵＳＡ））リフトオフレジスト、およびＡＺ１５１２（商標）（独国ウルムに所在のマイクロケミカルズ社（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍｉｃａｌｓ ＧｍｂＨ，Ｕｌｍ，Ｇｅｒｍａｎｙ））の２層リフトオフプロセスを用いてパターニングされ、個々の試料がダイシングされる（ステップ２ａ）。
【0086】
図５Ｂは、接合ステップの前の、図４のプロセスフローの（ステップ２ａ）に従って製造された底部ウェハ片の写真である。図５Ａおよび図５Ｂは、共面導波通－導波通（ＣＰＷ－導波通）遷移（３２）領域を示す。共面導波通遷移領域は、共面導波通（３１）、すなわち、プリント回路基板技術を使用して作製でき、マイクロ波周波数信号を搬送するように構成された電気平面伝送線路を収容する。
【0087】
図５Ｃは、Ｃｕ－Ｃｕ熱圧着接合を用いる図４の接合ステップ（ステップ３ａ）に従って、上部ウェハ片と底部ウェハ片とを接合した後の、作製された導波通アセンブリの写真である。図５Ｃは、光ファイバ（１６）用の受け入れ部（１８）（穴）の位置、および遷移部を含む導波通アセンブリの最終寸法を示す。
【0088】
要約すると、この実施形態では、障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）が、深掘り反応性イオンエッチングを使用して導波通チャネル（２０）内にパターニングされる。導波通チャネル（２０）は、物理気相堆積を用いて金属化され、障壁部材（３０）上の金属コーティングは、フォトリソグラフィを用いて除去される。ウェハ（１０）の一部分は、熱圧着接合を用いてウェハ（１０）の別の金属化されたキャリア部分に接合され、ウェハ（１０）内に導波通アセンブリを形成する。深掘り反応性イオンエッチングを用いるシリコン微細加工プロセスの選択により、他の集積回路またはシステムとの直接一体化とともに、用途の必要性に応じた導波通チャネル（１０）および障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）のカスタマイズ可能な設計による低コストで高精度の作製が可能になる。他の実施形態では、水酸化カリウム（ＫＯＨ：Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）または水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ：ＴｅｔｒａＭｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を使用する異方性エッチングを含む他の半導体微細加工プロセスも適用可能である。本発明の方法に適用し得るシリコン構造の異方性エッチングの他の方法については、参考文献１５も参照されたい。
【0089】
実施例３－固体プラズマスイッチまたは可変減衰器。
図５Ｄは、図５Ｃに示すＣＰＷ－導波通領域におけるＲＦ信号の伝送に対する導波通スイッチの影響を特徴付けるための、図５Ｃに示す導波通アセンブリのテストセットアップの写真である。図５Ｄは、テスト対象デバイス（ＤＵＴ）として一体化された導波通アセンブリ付きのウェハ（１０）を示す。
図５Ｄは、図５Ｃに示すＣＰＷ－導波通領域におけるＲＦ信号の伝送に対する導波通スイッチの影響を特徴付けるための、図５Ｃに示す導波通アセンブリのテストセットアップの写真である。図５Ｄは、テスト対象デバイス（ＤＵＴ）として一体化された導波通アセンブリ付きのウェハ（１０）を示す。
【0090】
図５Ｄは、４本の光ファイバ（１６）が、障壁部材（３０）（Ｓｉポスト）の真上に位置する受け入れ部（１８）（穴）に挿入されている測定プローブ（５０）を示す。ＥＲエミッタ（図示せず）が、Ｓｉに対する高い量子効率の範囲内のものとなる波長λｏｐｔ＝９１５ｎｍ（ｈνｏｐｔ＝１．３６ｅＶ）の電磁放射を放出した［参考文献１４］。
【0091】
図６は、導波通アセンブリが「オン状態」にあるとき、すなわち、障壁部材（３０）が印加される電磁放射を受けていないときの実測散乱パラメータと、シミュレーションされた散乱パラメータと、をプロットしている。３５ＧＨｚでは、実測挿入損失は２．８６ｄＢであり、反射損失は２９．２ＧＨｚから４１．６ＧＨｚまで２０ｄＢより大きく、両方ともＣＰＷ－導波通遷移を含む。遷移損失を抽出するために、図５Ａに示すようなバックツーバック導波通も測定され、その散乱パラメータを図６の挿入図（ａ）に示す。３５ＧＨｚでの実測バックツーバック挿入損失２．３４ｄＢとともに、スイッチ自体の抽出された損失は０．５２ｄＢである一方、３０ＧＨｚ～４０ＧＨｚの帯域全体にわたるスイッチ素子の正味の影響は０．８８ｄＢ未満である。
【0092】
図７は、各光ファイバ（１６）の出力における光パワーを増加させたことにより、導波通アセンブリが「オフ状態」にあるとき、すなわち、障壁部材（３０）がＥＲエミッタ（１００）からの電磁放射にさらされているときの実測アイソレーション（｜Ｓ２１｜）をプロットしている。３５ＧＨｚでは、５０．１ｍＷの光パワーに対して実測アイソレーションは２０ｄＢである一方、１６６．７ｍＷの光パワーに対して実測アイソレーションは２５ｄＢである。これは、この周波数範囲に対する顕著なアイソレーションであり、ミリメートル波スイッチ用途に対する導波通アセンブリの可能性を明確に実証している。これらの結果は、上述した動作原理と一致している。すなわち、障壁部材（３０）に加えられる電磁放射のエネルギーレベルが増加するにつれて、それらのコンダクタンスが増加する。これは、入射してくるマイクロ波およびミリメートル波信号を障壁部材（３０）が反射する効果を増大させ、よって、導波通チャネル（２０）の入力ポートから出力ポートへのより高いアイソレーションを提供する。
【0093】
図７は、光パワーを増加させるにつれて、光パワーのさらなる増加がもはやアイソレーションの著しい変化をもたらさない飽和点が存在することを示す。（上記）方程式（１）～（３）を使用すると、２５ｄＢアイソレーションの場合の平均ＤＣバルク導電率は約２８１Ｓ／ｍとなる。光パワーを増加させることは、ポストの導電率を増加させることにより、システムにおける総損失をさらに改善するであろう。
【0094】
結果は、半導体ウェハ１０の導波通チャネル２０内で、Ｋａ帯域のＲＦ信号用の導波通スイッチとして障壁部材３０が使用されていることを実証している。実測オフ状態アイソレーションは、３０～４０ＧＨｚの帯域全体にわたって２０ｄＢより大きかった。抽出された実測オン状態挿入損失は、３５ＧＨｚで０．５２ｄＢであった。導波通スイッチは、高性能かつ高パワー処理を必要とする通信またはレーダシステム用の半導体微細加工法による導波通内でのミリメートル波信号のスイッチングに有用である。
【0095】
障壁部材（３０）の入力インピーダンスが導波通チャネル（２０）の特性インピーダンスに整合するように、導波通チャネル内の半導体障壁部材（３０）を設計し、障壁部材（３０）に入射する光パワーを調整することができる。よって、半導体障壁部材（３０）に入射する電磁エネルギーは、オフ状態にある障壁部材（３０）によって完全に吸収され、非常に限られた量のパワーが反射されるかまたは伝送されることが可能である。吸収型スイッチは、反射される高パワーが上流のＲＦ構成要素または機器に損傷を与え得る用途において有用である。
【0096】
さらに、半導体障壁部材（３０）に入射する光パワーの量を調整することにより、可変量のオフ状態アイソレーションを達成することができる。よって、障壁部材（３０）を用いて可変減衰器を設計することができる。減衰器は、マイクロ波またはミリメートル波信号レベルが制御される必要がある用途の場合、すなわち、高い信号レベルが下流の構成要素または機器を保護するために低減される必要がある用途の場合に使用できる。可変減衰器は、信号レベルを連続的に変化させる必要がある用途の場合、信号レベルを連続的に平準化する必要がある用途の場合、またはさらには信号レベルをたまに１回だけ変化させる必要があるが、構成要素全体を交換しない方がはるかに安価である用途の場合、すなわち固定減衰器の場合に極めて有用である。
【0097】
実施例４－Ｔ字形整合の固体プラズマ導波通スイッチ。
図８Ａを参照すると、半導体障壁部材（３０）の前後に高インピーダンス導波通部分を挿入することにより、本発明のＴ字形整合回路を構成することができる。導波通チャネル（２０）内の高インピーダンス部分は、所望の部分内の導波通壁の高さを高くさせることによって実現することができる。導波通チャネル（２０）の特性インピーダンスは、チャネル高さに比例することが知られている［参考文献１６を参照］。当業者に知られているように、「Ｔ字形整合」とは、２つの点、通常はソースと負荷との間のインピーダンスを整合させるために使用される電気回路を指し、この回路では、インダクタおよびキャパシタを図８Ｂに示すような対応する概略図における文字「Ｔ」の形状に配置することができる。
図８Ａを参照すると、半導体障壁部材（３０）の前後に高インピーダンス導波通部分を挿入することにより、本発明のＴ字形整合回路を構成することができる。導波通チャネル（２０）内の高インピーダンス部分は、所望の部分内の導波通壁の高さを高くさせることによって実現することができる。導波通チャネル（２０）の特性インピーダンスは、チャネル高さに比例することが知られている［参考文献１６を参照］。当業者に知られているように、「Ｔ字形整合」とは、２つの点、通常はソースと負荷との間のインピーダンスを整合させるために使用される電気回路を指し、この回路では、インダクタおよびキャパシタを図８Ｂに示すような対応する概略図における文字「Ｔ」の形状に配置することができる。
【0098】
Ｔ字形整合は、導波通アセンブリの障壁部材（３０）の全体サイズを実質的に大きくさせることなく、または障壁部材（３０）の数を増加させることなく、固体プラズマ障壁部材（３０）のオン状態における大きな分路容量性負荷に対する挿入損失および反射損失を改善するのに役立つ。しかしながら、Ｔ字形整合では、妥当な高インピーダンス部分によって整合させることができる最大分路容量性負荷が存在する。
【0099】
実施例５－π字形整合の固体プラズマ導波通スイッチ。
上述のように、図３Ａは、高インピーダンスπ字形整合部分が４つの障壁部材（３０）（シリコンポスト）の間に配置されている導波通アセンブリの設計レイアウトを示す。
上述のように、図３Ａは、高インピーダンスπ字形整合部分が４つの障壁部材（３０）（シリコンポスト）の間に配置されている導波通アセンブリの設計レイアウトを示す。
【0100】
図９Ａは、分路容量性負荷として作用する２つの障壁部材（３０）の間に高インピーダンス導波通部分を挿入することによって構成された別のπ字形整合回路を示す。オフ状態アイソレーションの量を最大化するために、π字形整合のインピーダンスは、約λ／４の長さで導波通チャネル（２０）の特性インピーダンスに整合すべきである。π整合部分の長さ、および導波通アセンブリの全体サイズを小さくするために、π整合部分内の導波通チャネル（２０）の下側壁の高さを高くすることにより、π字形整合部分のインピーダンスを増加させることができる。この設計は、オフ状態のアイソレーションがわずかに減少するが、スイッチのより小さいフォームファクタが得られるであろう。さらに、Ｔ字形整合回路と比較して、所与の分路容量性負荷に対して、π字形整合回路はいつでも解決策を持っている。π字形整合スイッチは、挿入損失が低い広いオン状態帯域幅、および高いオフ状態アイソレーションをもたらす。当業者に知られているように、「π字形整合」または「パイ字形整合」は、２つの点、通常はソースと負荷、の間のインピーダンスを整合させるために使用される電気回路を指し、この回路では、インダクタおよびキャパシタは、図９Ｂに示すような対応する概略図における文字「π」の形状に配置することができる。
【0101】
実施例６－単極ｎ投固体プラズマ導波通スイッチ。
図１０を参照すると、提案された半導体障壁部材（３０）とともに共同構造（詳細については参考文献１７を参照）を使用して、単極Ｎ投固体プラズマ導波通スイッチを設計することができる。図１０では、共同給電構造は、ポート１からの入射波を導波通チャネル（２０）のポート２およびポート３に向かう２つの別個の経路に分割する。等しいまたは等しくないパワー分割を設計することができる。ポート２とポート３の２つの分岐の間に配置されている同調用スタブ（６０）を追加して、整合および帯域幅を改善することができる。実施形態では、同調用スタブ（６０）はパターニングされ、導波通チャネル（２０）側壁が金属層（２２）でコーティングされるのと同じ方法で金属でコーティングされてもよく、または同調スラブ（６０）は、同調可能な整合のために電磁放射で刺激される半導体障壁であってもよい。半導体障壁部材（３０）が各経路に配置されて、各経路を通る信号のスイッチングを可能にする。半導体障壁部材（３０）の配置および設計は、先に説明した実装形態に従って、オフ状態アイソレーションとともに、オン状態反射損失および挿入損失を最適化することができる。半導体障壁部材（３０）を有する追加の経路（アームまたは分岐）または複数の共同給電構造を利用して、出力ポートの数を（図１０に示すような）２つからＮ個のポートを可能にするように増やすことができる。
図１０を参照すると、提案された半導体障壁部材（３０）とともに共同構造（詳細については参考文献１７を参照）を使用して、単極Ｎ投固体プラズマ導波通スイッチを設計することができる。図１０では、共同給電構造は、ポート１からの入射波を導波通チャネル（２０）のポート２およびポート３に向かう２つの別個の経路に分割する。等しいまたは等しくないパワー分割を設計することができる。ポート２とポート３の２つの分岐の間に配置されている同調用スタブ（６０）を追加して、整合および帯域幅を改善することができる。実施形態では、同調用スタブ（６０）はパターニングされ、導波通チャネル（２０）側壁が金属層（２２）でコーティングされるのと同じ方法で金属でコーティングされてもよく、または同調スラブ（６０）は、同調可能な整合のために電磁放射で刺激される半導体障壁であってもよい。半導体障壁部材（３０）が各経路に配置されて、各経路を通る信号のスイッチングを可能にする。半導体障壁部材（３０）の配置および設計は、先に説明した実装形態に従って、オフ状態アイソレーションとともに、オン状態反射損失および挿入損失を最適化することができる。半導体障壁部材（３０）を有する追加の経路（アームまたは分岐）または複数の共同給電構造を利用して、出力ポートの数を（図１０に示すような）２つからＮ個のポートを可能にするように増やすことができる。
【0102】
実施例７－エバネッセントモード帯域通過フィルタ導波通スイッチ。
オフ状態アイソレーションを大幅に改善し、かつＤＣ電力効率を増加させるために、エバネッセントモード導波通スイッチ実装形態を利用することができる［参考文献１８および１９を参照］。
オフ状態アイソレーションを大幅に改善し、かつＤＣ電力効率を増加させるために、エバネッセントモード導波通スイッチ実装形態を利用することができる［参考文献１８および１９を参照］。
【0103】
図１１Ａを参照すると、その基本ＴＥ１、０モードのカットオフ周波数より下で動作する（すなわち、エバネッセントモードで動作する）導波通チャネル（２０）の狭幅導波通部分（２６）が、基本ＴＥ１、０モードのカットオフ周波数より上で動作する（すなわち、標準導波通単一モード領域内で動作する）導波通チャネル（２０）の２つの導波通部分（２８）の間に挿入されている。
【0104】
図１１Ｂに示すように、カットオフより下で動作する導波通は、誘導負荷を持つＴ字形部分またはπ字形部分の等価回路のいずれか一方としてモデル化することができる。さらに、ダーク状態（すなわち、電磁放射励起なし）で動作する導波通チャネル（２０）内の半導体障壁部材（３０）は、図１１Ｃに示すように、分路内のコンデンサとしてモデル化することができる。図１１Ａに示すように、半導体障壁部材（３０）をエバネッセントモード導波通部（２６）の内部に挿入することにより、図１１Ｄの等価図に示すように、その分路容量が図１１Ｂに示す分路インダクタンスと並列に結合して共振器要素を形成する。直列インダクタンスにより、共振器間の結合を提供することができる。よって、２つの標準導波通部分（２８）の間に、フィルタリング伝達関数を形成することができる。複数の半導体障壁部材（３０）を追加することにより、図１２Ａに示すように、図１２Ｂに示す等価回路を持つ多極フィルタを構成することができる。
【0105】
半導体障壁部材（３０）を電磁放射で励起することにより、固体プラズマが形成され、障壁部材（３０）が導電性のものになり、導波通はフィルタからスイッチに変化し、電磁波の伝送を遮断する。導波通部分（２６）の横幅が減少しているため、障壁部材（３０）によって提供されるアイソレーションの量は、より大きな主導波通部分（２８）内の同じサイズの障壁部材（３０）と比較して増加する。これは、障壁部材（３０）がより多くの入射電磁波を遮断するためである。さらに、狭幅導波通部分（２６）内のエバネッセントモードの高い減衰も、スイッチによって達成されるアイソレーションの量を改善する。
【0106】
ＰＩＮダイオードに対する固体プラズマスイッチング素子の利点は、単純な一体化、結合解除されたＤＣバイアスネットワーク、より高いパワー処理、およびより低い挿入損失である。
【0107】
実施例８－光学的に同調可能かつ再構成可能な固体プラズマ導波通空洞共振器。
この例では、空洞の共振周波数を調整するため、空洞からの入力／出力結合を調整するため、または２つの空洞間の共振器間結合を調整するため、すなわち帯域通過フィルタ応答のために、（長方形または円筒形のいずれか一方の）導波通チャネル（２０）空洞の内側で、電磁放射によりその内部に固体プラズマが励起される半導体障壁部材（３０）を利用することができる。
この例では、空洞の共振周波数を調整するため、空洞からの入力／出力結合を調整するため、または２つの空洞間の共振器間結合を調整するため、すなわち帯域通過フィルタ応答のために、（長方形または円筒形のいずれか一方の）導波通チャネル（２０）空洞の内側で、電磁放射によりその内部に固体プラズマが励起される半導体障壁部材（３０）を利用することができる。
【0108】
実施形態の一例として、図１３Ａおよび１３Ｂを参照すると、半導体障壁部材（３０）が円筒形の導波通チャネル（２０）空洞内に配置されている。ここで、障壁部材（３０）は、調整可能性を最大化するために空洞の中心内に位置決めされている。しかしながら、障壁部材（３０）の位置の選択は、設計要件に基づいて変更することができ、空洞の内側に位置する共振電場または磁場への結合量を最適化することができる。半導体障壁部材（３０）がダーク状態（すなわち、電磁放射励起がない状態）にあることで、空洞は障壁部材（３０）によって誘電的に負荷され、その基本共振モードは特定の周波数でのものになるであろう。半導体障壁部材（３０）が電磁放射によって励起されて内部に固体プラズマを生成すると、導波通チャネル（２０）空洞内の電場または磁場は、その時点での導電性障壁部材（３０）によって導入される新しい境界条件に基づいて再配向し、基本共振周波数がシフトするであろう。よって、導波通空洞共振周波数の同調を達成することができる。
【0109】
実施形態の別の例として、図１４を参照すると、導波通チャネル（２０）の内側に挿入された半導体障壁部材（３０）は、導波通空洞共振器の再構成可能な側壁として使用することができる。図１４に示すように、矩形導波通チャネル（２０）空洞は、電磁放射によって励起されて固体プラズマを形成するときに、導波通チャネル（２０）の新しい側壁を電気的に形成し、よって、導波通チャネル（２０）空洞の共振長およびその基本共振周波数を変化させるように配置された４つの半導体障壁部材（３０）を有する。異なる形状の導波通チャネル（２０）空洞、すなわち円筒形導波通空洞も、この実施形態に適用することができる。さらに、半導体障壁部材（３０）のサイズ、数、および形状は、特定の設計用途に合わせて最適化することができる。
【0110】
実施例９－光学的に同調された固体プラズマ導波通のインピーダンス整合ネットワークおよび移相器。
図１５では、導波通チャネル（２０）は、ポート１からポート２への一次経路（２７）から離れて延びる短絡導波通スタブ経路（２９）を含む。スタブ経路（２９）を使用して、導波通チャネル（２０）部分の入力と出力インピーダンスを同調させることができ、よって、同調可能または再構成可能インピーダンス整合ネットワークを作り出すことができる。例えば、図１５では、Ｈ面短絡導波通スタブ経路（２９）への入力に半導体障壁部材（３０）を配置することにより、スタブ経路（２９）の入力インピーダンスを再構成することができ、よって、導波通ポート１および２を見込む入力／出力インピーダンスを変更することができる。追加のスタブ経路（２９）（図示せず）を追加して、ダブルスタブ、トリプルスタブ、またはマルチスタブインピーダンス整合ネットワークを作ることができる。
図１５では、導波通チャネル（２０）は、ポート１からポート２への一次経路（２７）から離れて延びる短絡導波通スタブ経路（２９）を含む。スタブ経路（２９）を使用して、導波通チャネル（２０）部分の入力と出力インピーダンスを同調させることができ、よって、同調可能または再構成可能インピーダンス整合ネットワークを作り出すことができる。例えば、図１５では、Ｈ面短絡導波通スタブ経路（２９）への入力に半導体障壁部材（３０）を配置することにより、スタブ経路（２９）の入力インピーダンスを再構成することができ、よって、導波通ポート１および２を見込む入力／出力インピーダンスを変更することができる。追加のスタブ経路（２９）（図示せず）を追加して、ダブルスタブ、トリプルスタブ、またはマルチスタブインピーダンス整合ネットワークを作ることができる。
【0111】
図１６を参照すると、複数の半導体障壁部材（３０）を、短絡導波通スタブ経路（２９）に沿って異なる長さに配置することができ、よって、導波通スタブ経路（２９）を見込む入力インピーダンスの量を再構成し、追加の同調状態を可能にすることができる。
【0112】
導波通部分に装荷される複数の再構成可能な固体プラズマ短絡導波通スタブ経路（２９）を利用することにより、分散型導波通移相器を設計することができる。図１５に示すように、各導波通スタブ経路（２９）内の半導体障壁部材（３０）の電磁励起により、ポート１とポート２との間の透過係数の位相の量が、設計通りにある程度シフトするであろう。異なるスタブ（２９）をオンまたはオフに切り替えることにより、増減する位相変化の量を生成することができる。さらに、単一のスタブ（２９）によって導入される位相変化の量は、図１６に示すように、複数の半導体障壁部材（３０）を使用することによって調整することができる。
【0113】
本発明の固体プラズマスイッチング素子を使用すると、反射型移相器およびスイッチドライン型移相器を含む、他のタイプの導波通移相器トポロジを実現することができる。
解釈。
解釈。
【0114】
本明細書に添付されている特許請求の範囲に記載の全ての手段またはステップと機能要素の、対応する構造、材料、行為、および等価物は、具体的に特許請求されている他の要素と組み合わせて機能を実行するためのあらゆる構造、材料、行為を含むことが意図される。
【0115】
本明細書における「１つの実施形態」、「一実施形態」などへの言及は、記載の実施形態が特定の態様、特徴、構造、または特性を含み得るが、全ての実施形態が必ずしもその態様、特徴、構造、または特性を含むわけではないことを示す。さらに、このような語句は、本明細書の他の部分で言及されているのと同じ実施形態を指す場合があるが、必ずしもそうである必要はない。さらに、特定の態様、特徴、構造、または特性が実施形態に関連して説明されている場合、明示的に説明されているか否かにかかわらず、このようなモジュール、態様、特徴、構造、または特性を他の実施形態に用いるかあるいは結び付けることは、当業者の知識の範囲内である。言い換えれば、明らかなまたは固有の非適合性があるか、または具体的に除外されない限り、任意のモジュール、要素、または機能を異なる実施形態の任意の他の要素または機能と組み合わせることができる。
【0116】
さらに、特許請求の範囲は、任意選択の要素を除外するように作成することができることに留意されたい。したがって、この記述は、特許請求の範囲の要素の列挙または「否定的な」限定の使用に関連して、「単に」、「のみ」などの排他的な用語の使用のための先行詞としての役割を果たすことが意図される。用語「好ましくは」、「好ましい」、「好む」、「任意選択で」、「してもよい、し得る」、および同様の用語は、言及されている項目、条件、またはステップが本発明の任意選択の（必須ではない）特徴であることを示すために使用される。
【0117】
単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形への言及を含む。「および／または」という用語は、この用語が関連付けられている項目のいずれか１つ、項目の任意の組合せ、または項目全体を意味する。「１つ以上」という語句は、特にその用法の文脈で読めば、当業者には容易に理解される。
【0118】
「約」という用語は、指定された値の±５％、±１０％、±２０％、または±２５％の変動を指すことがある。例えば、「約５０」パーセントは、いくつかの実施形態では、４５～５５パーセントの変動を有し得る。整数範囲に関して、用語「約」は、範囲の各端において、列挙される整数より大きいおよび／または小さい１つまたは２つの整数を含むことができる。本明細書において別段の指示がない限り、「約」という用語は、組成物または実施形態の機能性に関して等価である、列挙されている範囲に近い値および範囲を含むことが意図される。
【0119】
当業者には理解されるように、ありとあらゆる目的のために、特に書面による説明を提供するという観点から、本明細書に列挙される全ての範囲はまた、ありとあらゆる可能な部分範囲およびそれらの部分範囲の組合せ、ならびに範囲を構成する個々の値、特に整数値を包含する。列挙されている範囲は、その範囲内の各特定の値、整数、小数、または同一値を含む。記載されているどの範囲も、同じ範囲を少なくとも等しい半分、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１に分割できるものであると容易に認識することができる。非限定的な例として、本明細書に上述の各範囲は、下位３分の１、中間３分の１、上位３分の１などに容易に分割することができる。
【0120】
また、当業者には理解されるように、「最大で～まで」、「少なくとも」、「より大きい」、「未満」、「より多い」、「あるいはそれより多い」などのような言語は全ての、列挙されている数を含み、このような用語は、上述のように、続いて部分範囲に分割できる範囲を指す。同様に、本明細書に列挙されている比率はいずれも、より広い比率内に入る全ての下位比率も含む。
【0121】
参考文献
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【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】