专利名称：半导体装置及通讯设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置及采用该半导体装置的通讯设备。
技术背景
近年来，在通讯领域和信息处理领域中，随着处理速度的提高，需要发展更小 的、具有广泛应用范围并具有优良能量效率的功能元件。
在半导体装置或功能元件领域中，1998年在理论上预测了具有负介电常数或负 磁导率的材料，其后，在人造材料中证实了该效应，随即人们在装置应用和系统应用方 面对该材料给予了极大关注。
目前，采用新材料或新结构的超材料(metamaterial)的可变波束天线或可变滤波 器等被积极地研究。这里，超材料是人工形成的左手性材料(物质)，在电磁或光学特性 上具有负介电常数或负磁导率。
在现有技术的电磁波传播过程中，电场和磁场的传播方向由右手性传输线(right handed transmission line, RH-TL)表示。另一方面，因为负介电常数和负磁导率效应使 传播方向反转并且关系以左手性传输线(left handed transmission line，LH-TL)来表示，所以超材料被称为左手性材料。
作为采用超材料的功能元件，例如已知的有阵列天线(漏波天线(leakywave antenna)),其中电压施加给形成为短桩电感(stub teductor)的液晶，并且控制相位以使得 可以操控束方向(例如，参见JP-A_2006-211328(专利文件1))。发明内容
在现有技术的大部分功能元件中，采用利用液晶、铁电物质或磁性物质等的结 构，并且需要特定的制造方法。从而，当进一步实现小型化和高性能时它们不适合与半 导体装置和其他集成电路功能集成。所希望的是，这里将要描述的超材料结构能简单地 与半导体I^I及其封装最大限度地集成，这是由于还期望应用于屏蔽结构。
另一方面，在采用超材料结构可实现的高频功能元件中，考虑到多带和宽带的 趋势，当频带可变时，可以获得一个元件能够应对很多波带的巨大优势。这里，作为高 频功能元件，可以列举传输线、滤波器、平衡-不平衡转换器(平衡到不平衡的转换器) 以及天线等。
如上可见，结合采用液晶或铁电物质等的传输线的现有高频功能元件不适合与 诸如硅的半导体放大器、相位检测器或混频器等简单且紧凑地集成。
因此，希望提供半导体装置以及采用该半导体装置的通讯设备，在该半导体装 置中，由左手性材料或右手性材料形成的传输特性可变的传输线可以以简单的结构构造 在半导体基板上。
根据本发明的实施例，所提供的半导体装置包括传输线，该传输线具有设置 在半导体基板上的电容器部分和电感器部分；以及该半导体基板与该电容器部分和该电感器部分之一的结，该传输线的传输特性由施加给该结的电压决定。
该半导体装置可用于通讯设备，尤其是30GHz或更高的高速传输通讯设备。
利用半导体结的特性而电连接到该结的传输线形成在半导体基板上，从而传输 特性可变的左手性或右手性传输线可以以简单的结构直接形成在半导体基板上。这里， 传输特性由施加给结的电压决定意味着传输线的传输特性可以由电压控制。
根据本发明的实施例，由左手性材料或右手性材料形成的传输特性可变的传输 线可以以简单的结构形成在半导体基板上。
图1是示出根据本发明第一实施例的半导体装置的结构概要的立体图。
图2是示出根据第一实施例的半导体装置的等效电路的示意图。
图3是示出沿着图1的a-a'线剖取的截面结构的截面图。
图4是示出在电压Vl改变时能量传输效率6参数)相对于频率f的特性图。
图5是示出基于左手性传输线等效电路的高通滤波器的频率特性示例的示意 图。
图6是示出根据第一实施例的修改示例的传输线的结构概要的立体图。
图7是示出根据第一实施例的修改示例的传输线的等效电路的示意图。
图8是示出沿着图5的b_b’线剖取的截面结构的截面图。
图9是示出根据本发明第二实施例的半导体装置的结构概要的立体图。
图10是示出根据第二实施例的半导体装置的等效电路的示意图。
图11是示出沿着图8的C-C'线剖取的截面结构的截面图。
图12是示出C-V特性示例的特性图，C-V特性表示施加的电压V改变时耗尽 层电容C的变化状态。
图13是示出基于右手性传输线等效电路的低通滤波器的频率特性示例的示意 图。
图14是示出根据第二实施例的修改示例的传输线的结构概要的立体图。
图15是示出根据第二实施例的修改示例的传输线的等效电路的示意图。
图16是示出沿着图12的d_d'线剖取的截面结构的截面图。
图17是示出根据本发明第三实施例的半导体装置的结构概要的立体图。
图18是示出根据第三实施例的半导体装置的等效电路的示意图。
图19是示出图18的等效电路表示的带通滤波器的频率特性示例的示意图。
图20是示出根据本发明第四实施例的半导体装置的结构概要的立体图。
图21是示出根据第四实施例的半导体装置的等效电路的示意图。
具体实施方式
在下文，将参考附图详细描述执行本发明的方式(下面称为实施例)。描述将以 下面的顺序进行。
1.第一实施例(高通滤波器的示例)
2.第二实施例(低通滤波器的示例)4
3.第三实施例(带通滤波器的示例)
4.第四实施例(平衡-不平衡转换器(balun)的示例)
5.第一至第四实施例的操作与效果
6.修改示例
7.应用示例
<1.第一实施例>
图1是示出根据本发明第一实施例的半导体装置的结构概要的立体图。根据第 一实施例的半导体装置10的结构具有超材料结构的所谓左手性传输线12，该超材料结构 的左手性传输线12形成在诸如硅基板的半导体基板11上，在该半导体基板11上可以形 成诸如MOS晶体管或双极晶体管的有源部件或电路。传输线12例如为微带传输线，用 以传输电磁波。
传输线12包括电容器部分13、电感器部分14和MSM(金属-半导体-金属) 结15。当所希望的信号RF输入到图中的左端时，传输线12将信号RF从左端传输到右 端，并且将信号RF从右端输出。如图2所示，传输线12的等效电路由电感L和可变电 容VC表示。传输线12具有通常称为左手性传输线的结构。
图3是沿着图1的a-a'线剖取的截面结构。半导体基板11用作电介质物质。 因此，半导体基板11是掺杂有Fe等的高电阻基板(半绝缘)基板)。接地表面16形 成在半导体基板11的后表面上。N—型或P—型区域17形成在半导体基板11的表面部分 中，以延伸跨过形成电容器部分13的两个电极131和132。
通过如上所述形成N—型或P—型区域17以延伸跨过形成电容器部分13的两个电 极131和132，基于金属肖特基结的耗尽层18形成在电极131和132 二者的每一个的正下 方。这样，MSM结15形成在电容器部分13的形成部分的正下方。
在MSM结15中，电压Vl从外部施加在电极131和132之间，耗尽层18的宽 度通过电压Vl的电压值来改变，从而可以改变电容器部分13的电容成分。结果，使得 传输线12的电容值根据电压Vl的电压值是可变的。
如上构造的该实施例的传输线12是具有图2所示的等效电路的左手性传输线。 根据从外部施加给图1所示的结电容部分(即，MSM结15)的电压VI，传输线12的传 播常数和阻抗特性容易地变成了可变的特性。换言之，传输线12具有能够根据电压Vl 改变的传播常数和阻抗特性。图4示出了在电压Vl改变时相对于频率f的能量传输效率 (所谓的S参数幻1)。
此外，该实施例的传输线12可以直接形成在诸如硅基板的半导体基板11上。从 而，传输线可以容易地与诸如MOS晶体管或双极晶体管的有源元件或电路集成。
图5示出了基于如上所述的形成在诸如硅基板的半导体基板11上的左手性传输 线12的等效电路(见图2、的频率特性的计算示例。由频率特性明显可见，左手性传输 线12基本具有高通滤波器的特性。左手性传输线12的传播常数可以通过从外部施加的 电压Vl来控制。从而，使得高通滤波器的截止频率根据电压Vl是可变的，并且能够构 造出全波带的高通滤波器。
(第一实施例的修改示例)
尽管在该实施例中使得传输线12的电容成分是可变的，但是也可以使得电感成分是可变的。
图6是示出根据第一实施例的修改示例的传输线的示意性结构的立体图。在图6 中，与图1相同的部分(对应的部分)由相同的附图标记表示，并且省略其重复的描述。
修改示例的传输线12A形成在诸如硅基板的半导体基板11上，并且包括电容器 部分13A、电感器部分14A和MSM结15A。当所希望的信号RF输入到图中的左端时， 传输线12A将信号RF从左端传输到右端，并且将信号RF从右端输出。如图7所示，传 输线12A的等效电路由可变电感VL和电容C表示。
图8示出了沿着图6的b_b’线剖取的截面结构。电容器部分13A包括两个电 极131和132，并且电容形成在电极131和132之间。N_型或P_型区域17形成在构成电 感器部分14A的电感成分的部分的正下方。这样，MSM结15A形成在电感器部分14A 的形成部分的正下方。
此外，接触部分(未示出)形成在N_型或P_型区域17中，并且可以经由接触 部分与外部电连接。当电压V2施加给N—型或P—型区域17和在该区域正上方的导体141 时，可以使得电感器部分14Α的电感值根据电压V2的电压值是可变的。
在第一实施例及其修改示例中，对于形成MSM结15、15Α所需的Ν_型或P—型 区域17的杂质(掺杂剂)，可以采用已知的扩散法或离子注入法而容易地形成。
此外，在第一实施例及其修改示例中，尽管采用MSN结作为示例来进行描述， 但是本发明不限于MSM结。例如，不用说，可以采用所谓的P-N结，并且可以实现电 容值或电感值可以改变的结构。
<2.第二实施例>
在第一实施例中，具有所谓的左手性传输线结构的传输线被用作示例。与其对 应的称为右手性传输线的传输线也可以以相同的原理构造。下面，作为第二实施例，将 描述右手性传输线。
图9是示出根据第二实施例的半导体装置的结构概要的立体图。该实施例的半 导体装置20具有这样的结构，其中右手性传输线22形成在诸如硅基板的半导体基板21 上，在该半导体基板21中可形成诸如MOS晶体管或双极晶体管的有源元件或电路。传 输线22例如为微带传输线，用以传输电磁波。
在传输线22的结构中，电容器部分23和电感器部分M交替地串联形成。当所 希望的信号RF输入到图中的左端时，传输线22将该信号从左端传输到右端，并且将该 信号从右端输出。如图10所示，此时传输线22的等效电路由电感L和可变电容VC表 示。传输线22具有称为右手性传输线的结构。
图11示出了沿着图9的c-c'线剖取的截面结构。与第一实施例的情况类似， 接地表面沈形成在半导体基板21的后表面上。N型或P型区域27形成在半导体基板21 的表面部分中，从而耗尽层观形成在电容器部分23的导体231的正下方。这样，MS结 25形成在电容器部分23的形成部分的正下方。电压V3从外部施加给MS结25，从而使 得电容器部分23的电容成分通过电压V3的电压值是可变的。
(MS结的结电容)
根据肖特基结的特性，MS结的结电容C通过下面的公式(1)给出。
C = SX ε OX ε s/d
= SX (eX ε OX ε S/2X (Vd+V))1/2 (1)
这里，S表示结的面积，e表示电子的基本电荷，ε 0表示材料的真空介电常 数，ε s表示相对介电常数，d表示结的耗尽层厚度，Vd表示结的扩散电势，V表示施 加的电压。
由公式(1)明显可见，结电容C与所施加电压V的平方根成比例。例如，当电 极尺寸为100μιηΧ400μιη、施主密度Nd为5X IO18(cm 3)并且V为-Vd时，可以估算 结电容C最大约为680[pF]。图12示出了在此情况下的C-V特性示例。C_V特性表示 施加的电压V改变时耗尽层电容(结电容)C的变化。
如上所述构造的该实施例的传输线22是右手性传输线，其等效电路如图10所 示。传输线22的传播常数和阻抗特性是根据电压V3可以容易地改变的特性，该电压V3 从外部施加给图9所示的结电容部分(即，MS结25)。换言之，传输线22具有可以根 据电压V3改变的传播常数和阻抗特性。
图13示出了基于形成在诸如硅基板的半导体基板21上的右手性传输线22的等 效电路(见图10)的频率特性的计算示例。由频率特性明显可见，右手性传输线22基本 具有低通滤波器的特性。右手性传输线22的传播常数可通过从外部施加的电压V3来控 制。从而，低通滤波器的截止频率可以根据电压V3而改变，并且可以构造出全波带的低 通滤波器。
(第二实施例的修改示例)
尽管在该实施例中传输线22的电容成分是可变的，但是也可以使得电感成分是 可变的。
图14是示出根据第二实施例的修改示例的传输线的示意性结构的立体图。在图 14中，与图9相同的部分由相同的附图标记表示，并且省略其重复的描述。
修改示例的传输线22A形成在诸如硅基板的半导体基板21上，并且包括电容器 部分23A、电感器部分24A和MSM结25A。当所希望的信号RF输入到图中的左端时， 传输线22A将信号RF从左端传输到右端，并且将信号RF从右端输出。如图15所示， 此时传输线22A的等效电路由可变电感VL和电容C表示。
图16示出了沿着图14的d_d'线剖取的截面结构。N型或P型区域27形成在 半导体基板21的表面层中，从而耗尽层观形成在电感器部分24A的导体241的正下方。 这样，MS结25A形成在电感器部分24A的形成部分的正下方。当电压V4施加给MS 结25A时，使得电感器部分24A的电感值通过电压V4的电压值是可变的。
上面描述的两种不同的传输线(即第一实施例的左手性传输线12和第二实施例 的右手性传输线2 为基础元件，可以通过组合这些基础元件而形成各种类型的电路。
<3.第三实施例>
图17是示出根据本发明第三实施例的半导体装置的结构概要的立体图。在图17 中，与图1和图9相同的部分由相同的附图标记表示，并且省略其重复描述。
该实施例的半导体装置30具有这样的结构，其中第一实施例的左手性传输线12 和第二实施例的右手性传输线22彼此串联连接。两种传输线12和22的具体结构如前所 述。
就是说，左手性传输线12包括电容器部分13和电感器部分14，并且MSM结15形成在电容器部分23中，从而电容成分是可变的。右手性传输线22包括电容器部分23 和电感器部分M，并且MS部分25形成在电容器部分23中，从而电容成分是可变的。
施加给左手性传输线12的MSM结15的电压Vll和施加给右手性传输线22的 MS部分25的电压V12以反偏压状态改变，从而可以控制MSM结15和MS部分25的每 个的耗尽层宽度。结果，使得第一实施例的左手性传输线12和第二实施例的右手性传输 线22的各自的电容值是可变的。
如图18所示，此时该实施例的半导体装置30的等效电路是将图2的等效电路串 联连接到图10的等效电路的等效电路模式。这样，可以构造出带通滤波器。带通滤波 器的带宽可以根据外部电压Vll和V12的每个的电压值而改变。就是说，低频率侧的截 止频率可以通过改变外部电压Vll的电压值来控制，高频侧的截止频率可以通过改变外 部电压V12的电压值来控制，并且可以分别地、独立地进行控制。
图19示出了由图18的等效电路表示的带通滤波器的频率特性示例。低频侧的 截止频率和高频侧的截止频率可以分别由外部电压Vll和外部电压V12独立地改变。此 外，在图19的频率特性中，低频侧和高频侧的衰减特性可以由传输线12和22中结合的 电容器部分13和23以及电感器部分14和M的级数结构来改变。
附带地，由第一实施例和第二实施例的修改示例可以容易地想到，正如这些修 改示例所描述的，在使电感成分是可变的时，可以形成与该实施例的带通滤波器类似的 带通滤波器。
此时，与图17类似，电压从外部独立地施加给MS结，MS结提供在传输线12 和22的每一个的电感器形成部分中。可以容易地构造出低频侧和高频侧的截止频率可以 被独立控制的带通滤波器。
<4.第四实施例>
图20是示出根据本发明第四实施例的半导体装置的结构概要的立体图。在图20 中，与图1和图9相同的部分由相同的附图标记表示，并且省略其重复描述。
该实施例的半导体装置40具有这样的结构，其中第一实施例的左手性传输线12 和第二实施例的右手性传输线22连接为输入端是共用的。通过该连接关系，可以构造出 平衡-不平衡转换器(平衡到不平衡转化器)。两种传输线12和22的每一个的具体结构 如上所述。
就是说，左手性传输线12包括电容器部分13和电感器部分14，并且MSM结15 形成在电容器部分13中，从而电容成分可以改变。右手性传输线22包括电容器部分23 和电感器部分M，并且MS部分25形成在电容器部分23中，从而电容成分可以改变。
施加给左手性传输线12的MSM结15的电压Vll和施加给右手性传输线22的 MS部分25的电压V12以反偏压状态改变，从而可以控制MSM结15和MS部分25的每 个的耗尽层宽度。结果，使得左手性传输线12和右手性传输线22的每个的电容值是可 变的。
在平衡-不平衡转换器结构的半导体装置40中，输入到两个传输线12和22共 用的输入端的信号RRn被分成两个，并从左手性传输线12和右手性传输线22输出为信 号RFout-和RFout+，它们的相位彼此相差180度。图21示出了此时的等效电路。与 带通滤波器的情况类似，根据外部电压Vll和V12的每个的电压值，平衡-不平衡转换器的带宽是可变的。结果，使得平衡-不平衡转换器可以以非常宽的波带进行操作。
<5.第一至第四实施例的操作与效果>
正如第一至第四实施例所描述的，通过利用半导体结的特性并且通过在半导体 基板上形成电连接到该结的两种传输线12和22，传输特性可变的传输线12和22可以以 简单的结构直接形成在半导体基板上。在这些结构的各功能元件中，具体地在高频元件 (电路)中，可以通过控制外部电压来控制频率轴上的特性。这意味着能够应对全波带的 功能元件，并且具有能够应对各种应用的巨大优势。
这些功能元件可以直接形成在半导体基板上意味着可以同时进行与所有类型的 有源元件的集成。与芯片部件等通过封装等形成的情况相比，可以避免寄生电成分的影 响。结果，可以改善功能元件的特性。此外，功能元件可以形成在与有源元件(电路) 相同的半导体基板上，从而具有紧凑性、生产率和成本方面的优点。
此外，这些功能元件的特性可以通过外部电压改变形成在电容器部分12和22以 及电感器部分13和23中的耗尽层的宽度来从外部改变。此外，因为以反偏压状态利用 半导体结的特性，所以功率消耗很低。此外，与仅由右手性传输线构造的现有技术的功 能元件相比，结合有左手性传输线和右手性传输线的功能元件在宽带特性和低损耗特性 等方面具有优势。
由上述明显可见，根据第一至第四实施例，在特性、功率消耗和形状因素方 面，与采用液晶或铁电物质的现有技术的情况相比，极具优势的功能元件(具体地，高 频元件(电路))可以形成在半导体基板上。
<6.修改示例>
在第一至第四实施例中，尽管硅基板用作半导体基板的情况被作为示例，但是 不限于硅基板。容易地理解的是，可以采用任何材料，例如可以获得绝缘性的半导体， 诸如Ge的IV族半导体，诸如GaAs或hiP的III-V族半导体，诸如ZnS或ZnSe的II-IV 族、这些材料的三元化合物或四元化合物等。
对于用作传输线12和22的导体金属，不用说，可以采用任何材料诸如Al、 Cu、Ag、Pt和Au，只要可以在与半导体的结中形成MS结。
<7.应用示例>
第一至第四实施例的半导体装置(即，诸如高通滤波器、低通滤波器、带通滤 波器和平衡-不平衡转换器的功能元件)可以用于通讯设备，尤其是30GHz或更高的高 速传输通讯设备。
本申请包含2009年9月10日提交至日本专利局的日本优先权专利申请JP 2009-208797中公开的相关主题事项，其全部内容通过引用结合于此。
本领域的技术人员应当理解的是，在所附权利要求或其等同方案的范围内，根 据设计需要和其他因素，可以进行各种修改、结合、部分结合和替换。
权利要求
1.一种半导体装置，包括传输线，包括设置在半导体基板上的电容器部分和电感器部分；以及该半导体基板与该电容器部分和该电感器部分之一的结，其中所述传输线的传输特性由施加给所述结的电压决定。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述传输线是左手性传输线。
3.根据权利要求2所述的半导体装置，其中所述传输线构成高通滤波器，并且该高通 滤波器的截止频率根据所述电压是可变的。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述传输线是右手性传输线。
5.根据权利要求4所述的半导体装置，其中所述传输线构成低通滤波器，并且该低通 滤波器的截止频率根据所述电压是可变的。
6.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述传输线包括彼此串联连接的左手性传 输线和右手性传输线。
7.根据权利要求6所述的半导体装置，其中所述传输线构成带通滤波器，并且该带通 滤波器的截止频率根据所述电压是可变的。
8.根据权利要求1所述的半导体装置，其中所述传输线包括输入端共用地连接的左手 性传输线和右手性传输线。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，其中所述传输线构成平衡-不平衡转换器，并 且该平衡_不平衡转换器的带宽根据所述电压是可变的。
10.一种采用半导体装置的通讯设备，包括传输线，包括设置在半导体基板上的电容器部分和电感器部分；以及该半导体基板与该电容器部分和该电感器部分之一的结，其中所述传输线的传输特性由施加给所述结的电压决定。
全文摘要
本发明提供半导体装置及通讯设备。半导体装置包括传输线，包括设置在半导体基板上的电容器部分和电感器部分；以及半导体基板与电容器部分和电感器部分之一的结，其中传输线的传输特性由施加给该结的电压决定。
文档编号H01Q13/20GK102024794SQ20101027347
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月10日
发明者奥洞明彦 申请人:索尼公司