太赫兹混频器及其制造方法及包括该混频器的电子设备与流程

本公开涉及通信领域，具体地，涉及太赫兹混频器及其制造方法及包括该混频器的电子设备。

背景技术：

近年来，太赫兹技术作为重要的研究领域，在国内外已经受到越来越广泛的关注。从太赫兹波的大气传输特性中可以看出，在183ghz,320ghz、380ghz、664ghz附近存在水分子吸收窗口，是用来探测大气湿度轮廓线的关键频段；在94ghz、140ghz、220ghz毫米波传播受到衰减较小，基于点对点通信而被低空空地导弹和地基雷达所采用。因而针对这些频段的研究非常重要。

无论太赫兹波应用于哪个方面以及哪个频段，都离不开对太赫兹波的接收，对于最为常用的基于超外差体制的接收机来说，实现频率下变频作用的混频器是其中的一个关键部件。在固态太赫兹雷达和通信等系统中，由于低噪声放大器实现较为困难，混频器就成为了接收端的第一级，所以混频器性能的好坏直接关系到整个接收机系统的性能。同时，由于同频段高性能本振源实现难度大，所以采用分谐波混频技术是解决此问题的有效途径。在仅有的几类可工作于太赫兹频段的混频器中，只有基于平面肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器可工作于室温，无需提供如液氦等以实现苛刻的低温环境，因而获得了较为普遍的应用。

针对100ghz～500ghz的太赫兹波段范围，目前主要的接收机方案之一是超外差式接收机，尤其当频率高于200ghz时，基于硅基cmos工艺和硅锗cmos工艺的混频器变频损耗较大，还不适合于应用，所以仍主要依赖于平面封装的砷化镓肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器。

现有技术中平面封装的砷化镓肖特基二极管的太赫兹分谐波混频器的方案主要包括以下几种：方案1是将砷化镓肖特基二极管倒装键合在石英基板微带线上，外围是金属腔体。该方案简单易行，但缺点也较为明显，肖特基二极管倒装键合需采用导电胶或金丝绑定，其与微带线间的对准精度不好把控。石英微带线与金属腔体装配也存在对准误差。金属腔体加工随着频率的上升难度也逐渐增大，有些尺寸及角度很难实现。方案2是基于砷化镓的单片集成二次谐波混频器链路结构(肖特基二极管与微带线都采用砷化镓基片同步加工)，外围是金属腔体。该方案可避免二极管与微带线的对准问题，但砷化镓基微带线与金属腔体装配也存在对准误差。整体加工成本相对于方案1较高。方案3是采用硅基微机械工艺加工腔体结构，肖特基二极管和微带线仍采用方案1和方案2中的常规方式。该方案可以降低混频器的整体重量，且同时能够保障腔体内尺寸，但微带线与腔体结构间的对准问题仍没有得到很好解决。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种能够很好地保证微带线与腔体之间的对准精度的太赫兹混频器及其制造方法以及包括该太赫兹混频器的电子设备。

根据本公开的一个方面，提供了太赫兹混频器，包括：腔体，用于分别形成射频输入波导和本振输入波导，以及用于容纳微带线；微带线，通过半导体生长工艺形成在腔体的内侧表面的至少一部分上，微带线分别延伸至射频输入波导和本振输入波导所在腔体内，以分别形成用于接收射频输入信号和本振输入信号的微带线天线。

根据本公开的另一方面，提供了一种制造太赫兹混频器的方法，包括：在硅基体或砷化镓基体上形成沟槽结构；在硅基体或砷化镓基体的内侧表面和沟槽的侧壁上形成金属层；在金属层的至少一部分上形成微带线。

根据本公开的第三方面，还提供了一种电子设备，包括由上述的太赫兹混频器形成的集成电路。

根据本公开的实施例，通过采用在混频腔体内直接生长形成微带线的介质基片，并通过光刻及腐蚀工艺确定介质基片(即二氧化硅基板)及金属层的尺寸及位置，从而保证微带线与腔体的对准精度，提高微带线混频器的工作性能。同时，由于微带线的介质基片直接生长在混频腔体内，其与底部的金属层形成良好接触，避免了目前采用导电银胶涂抹不均匀或存在气泡等问题，保证了混频器加工工艺的可控性，提高了微带线混频器的工作性能。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本公开的实施例的太赫兹混频器的结构示意图；

图2a和图2b示出了沿图1中的a-a’截取的根据本公开的实施例的示例截面视图；

图3示出了沿图1中的b-b’截取的根据本公开的实施例的示例截面视图；

图4a和图4b示出了沿图1中的a-a’截取的根据本公开的实施例的另一示例截面视图；

图5示出了沿图1中的b-b’截取的根据本公开的实施例的另一示例截面视图；

图6a至图6d示出了根据本公开的实施例的制造太赫兹混频器的流程的示意图；以及

图7示出了根据本公开的实施例的肖特基二极管的局部放大图。

贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。

具体实施方式

根据本公开的实施例的太赫兹混频器主要采用硅基微纳加工工艺和微机械加工工艺实现太赫兹单片集成式微带线混频器。关于该太赫兹混频器的整体结构的实施例如图1所示。

该太赫兹混频器是单片集成微带线混频器，主要包括腔体结构和微带线电路结构。腔体用于分别形成射频输入波导和本振输入波导，以及用于容纳微带线。如图1所示，由硅基(也可以为砷化镓基，本公开的实施例不限于此)构成表面存在金属层的腔体结构、射频输入波导结构101和本振输入波导结构102。在金属层所包围的腔体内放置微带线电路结构。微带线电路结构通过半导体生长工艺直接生长并形成在腔体的内侧表面的至少一部分上。微带线电路的一部分分别延伸至射频输入波导和本振输入波导所在腔体内，以分别形成用于接收射频输入信号和本振输入信号的微带线天线。

微带线电路由介质基片和导带金属构成，其中，介质基片通过半导体生长工艺形成在腔体内的金属层的至少一部分上，导带金属进一步通过半导体生长工艺形成在介质基片的顶部表面的至少一部分上。如图1所示，形成有介质基片(例如二氧化硅)110，在介质基片(例如二氧化硅)110上形成有微带电路的导带金属层111。

在本公开的其他实施例中，介质基片还可以采用氮化硅基片或砷化镓基片等其他绝缘物材料，本公开的实施例不限于此。

进一步地，在导带金属层111上包含肖特基二极管键合的对准标记，在微带电路上设置有砷化镓肖特基二极管109，其中二极管可以为倒装键合也可以为正面键合，还可以通过特殊工艺将肖特基二极管结构直接生长在二氧化硅基片上，且肖特基二极管金属与微带线金属连接。混频器中其他部分构成及尺寸参数可参考现有技术，或其他文献或专利。

上述混频器的工作过程包括，需要接收的太赫兹信号，通过射频输入波导结构101，在波导-过渡-微带线结构中，将太赫兹信号传输到微带线的天线结构104中；由本振输入波导端口102进入的本振信号，经过双工器的微带过渡结构107，和本振低通滤波器结构106后，在砷化镓肖特基二极管109中与射频信号发生混频，射频信号与本振的二次谐波进行混频，做差后的中频信号，经过中频滤波器结构108到达中频输出端口103，再由外加的sma接头传输到负载上。为了避免肖特基二极管对的非一致性而产生的直流偏量，由微带电路中引出接金属腔体的接地线结构105。其中微带线基板(即介质基片)110为二氧化硅结构，其上为用于形成微带电路的金属111。由射频输入波导101，本振输入波导102和内部微带线放置的空间共同构建的腔体结构由金属层包裹，且金属层外围是硅基材质112。

射频信号和本振信号分别从各自端口馈入，经过渡到微带线并经相应匹配网络后加载到混频二极管上，由于本振信号频率低于射频端口波导截止频率，所以本振信号不会从射频端口处泄漏，而射频信号由于本振低通滤波器(通本振频率、阻射频频率)的存在而不会从本振端口泄漏，从而实现这两个端口间的隔离。混频产生的中频信号从本振双工器通过一个微带低通滤波器输出。

下面结合更具体的示例对本方案的具体内容进行说明，应理解，图中尺寸与比例仅用于说明，与实际的结构无关。

参考图2a和图2b，其为图1中沿a-a’截取的截面视图。该方案的微带线结构嵌入到顶部晶圆片204内部。其中，图2a不存在微带电路接地结构部分，图2b存在微带电路接地结构部分。硅基晶圆片201上生长金属层202，与带有沟槽结构的生长金属层202的硅基晶圆片204构成了腔体结构206。而腔体内存在二氧化硅层基片结构203，其上生长金属层205，构成微带电路结构。

参考图3，其为图1中沿b-b’截取的截面视图。与图2a和图2b为同一方案。硅基晶圆片301上有沟槽结构，且在沟槽与表面生长金属层309；硅基晶圆片307上有沟槽结构，且在沟槽与表面生长金属层309。金属键合构成了腔体结构306，其中射频输入波导302，本振输入波导303和微带线腔体部分311由上下两片硅基晶圆片301和307键合而构成，可以在空间上反向引出，如图1所示。腔体内存在二氧化硅层基片结构304，其上生长金属层305，构成微带电路结构。肖特基二极管对310在微带线上放置，而其中频输出端口308则在旁侧引出。

参考图4a和图4b，其为图1中沿a-a’截取的截面视图的另一示例方案，微带线嵌入到底部晶圆片401内部。其中，图4a不存在微带电路接地结构部分，图4b存在微带电路接地结构部分。带有沟槽结构的硅基晶圆片401上生长金属层402，与生长金属层402的硅基晶圆片404构成了腔体结构406。而腔体内存在二氧化硅层基片结构403，其上生长金属层405，构成微带电路结构。

参考图5，其为图1中沿b-b’截取的截面视图。与图4a和图4b为同一方案。硅基晶圆片501上有沟槽结构，且在沟槽与表面生长金属层509；硅基晶圆片507上有沟槽结构，且在沟槽与表面生长金属层509。金属键合构成了腔体结构506，其中射频输入波导502，本振输入波导503和微带线腔体部分511由上下两片硅晶圆片501和507键合而构成，可以在空间上反向引出，如图1所示。腔体内存在二氧化硅层基片结构504，其上生长金属层505，构成微带电路结构。肖特基二极管对510在微带线上放置，而其中频输出端口508则在旁侧引出。

容易理解的是，可以根据实际设计的需要，而选择将硅基单片集成微带线混频器的内部微带线结构嵌入到顶部晶圆片空间内或底部晶圆片空间内。

另外，硅基单片集成微带线混频器的直流接地部分，可以从微带线的侧边引出，可以在其他的位置引出(例如可以在射频输入波导口与本振输入波导口之间)，本公开对此不做限定。但当在其他位置引出时，需要对微带线的整体阻抗匹配重新优化。

下面结合图6a至图6d，以图2a、图2b和图3中的混频器的结构为例，对混频器的制造方法进行说明。

参考图6a，采用高阻硅晶圆601制备混频器的腔体结构及内部微带电路的支撑结构。该高阻硅晶圆的电阻率为1～10kω.cm，厚度为100微米～2000微米。首先通过深沟槽刻蚀技术对高阻硅晶圆片601进行沟槽刻蚀，由于两个深沟槽结构的深度不同，可能需要单独刻蚀，也可以通过深宽度调整，同时进行沟槽刻蚀。沟槽刻蚀深度可以为30微米～1500微米，沟槽倾斜角度大于88°，具体尺寸需根据标准矩形波导口和设计参数共同确定。刻蚀出两个深沟槽结构后，可采用角度溅射或蒸镀等方式生长金属，保证在硅晶圆片601上的沟槽侧壁和表面都形成金属层602，之后采用电镀等方案将金属层生长至需要的厚度，约0.5微米～5微米，保证电磁波传输的趋附深度。然后在表面生长牺牲材料或阻挡层，再采用化学机械平坦化工艺将表面打平至金属层。这样深沟槽结构中填充牺牲材料603，在后面形成波导输入端口时需要腐蚀干净。图6a分别给出该步工艺在图1的a-a’和b-b’位置的截面示意图。

参考图6b，在上步工艺的基础上，生长一层二氧化硅层604，厚度大约10微米～100微米之间，由于生长厚度较厚，可采用低压力化学气相沉积法，或者等离子体增强化学的气相沉积法生长，这样该二氧化硅层便可以致密的生长在金属及牺牲材料之上。然后通过光刻工艺，将其余不需要二氧化硅区域的材料进行腐蚀，并清洗干净。然后，再通过溅射或蒸镀等方式生长金属，保证二氧化硅层604表面都形成金属层605，之后采用电镀等方案将金属层生长至需要的厚度，约0.5微米～5微米，保证电磁波传输的趋附深度。然后再通过光刻工艺，将其余不需要金属的区域进行腐蚀或剥离，并清洗干净。这样二氧化硅层604和金属层605便构成了微带线结构。具体二氧化硅层604的厚度及图形尺寸，以及金属层605的厚度及图形尺寸，可根据系统整体设计指标来确定。图6b分别给出该步工艺在图1的a-a’和b-b’位置的截面示意图。

参考图6c，在上步的工艺基础上，对硅晶圆片601深沟槽结构中的牺牲材料603进行腐蚀，并保证清洗干净。在牺牲材料腐蚀之后，沟槽结构606上方的二氧化硅层604和金属层605将会处于悬置状态，且底部没有金属层结构，所以可直接根据要求对结构进行设计，从而形成微带线天线结构，对输入的射频信号和本振信号向微带线传输提供过渡。同时，用另一片高阻硅晶圆607制备混频器的腔体结构。该高阻硅晶圆的电阻率为1～10kω.cm，厚度为100微米～2000微米。首先通过深沟槽刻蚀技术对高阻硅晶圆片607进行沟槽刻蚀，需要对三个区域进行沟槽刻蚀：射频输入波导口区域610，本振输入波导口区域611，以及微带线腔体上盖区域609。由于深沟槽结构的深度不同，可能需要单独刻蚀，也可以通过深宽度调整，同时进行沟槽刻蚀。沟槽刻蚀深度可以为30微米～1500微米，沟槽倾斜角度大于88°，具体尺寸需根据标准矩形波导口和设计参数共同确定。刻蚀出三个深沟槽结构后，可采用角度溅射或蒸镀等方式生长金属，保证在硅晶圆片607上的沟槽侧壁和表面都形成金属层608，之后采用电镀等方案将金属层生长至需要的厚度，约0.5微米～5微米，给电磁波传输的趋附深度给予余量。图6c分别给出该步工艺在图1的a-a’和b-b’位置的截面示意图。

参考图6d，在上步工艺的基础上，将硅晶圆片607与硅晶圆片601倒置对准，可通过定位孔或光刻对位标记等，保证精度控制在1～5微米以内。对准后，可采用晶圆级低温金金扩散键合等工艺，将两块晶圆完全贴合；也可以对单颗混频器单元进行金金扩散键合工艺，将上下两层晶圆完全贴合。这样，通过上下沟槽结构对准键合后，分别利用之前刻蚀并生长金属层的结构，形成了射频输入波导口610，本振输入波导口611，以及微带线腔体上盖区域609。在另一端还形成了中频输出端612。在整体结构上，形成了拥有三个端口的腔体结构，三个端口分别对应图1中的101射频输入、102本振输入、103中频输出。且在该腔体中同样存在射频输入短路面和本振输入短路面，具体尺寸可根据设计要求进行调整。

需要说明的是，射频输入波导的波导口的引出方向和本振输入波导的波导口的引出方向可以与微带线所在平面的法线方向平行(h面探针)或与微带线所在平面的法线垂直(e面探针)。

参考图7，为图1肖特基二极管109的局部放大示意图。二氧化硅基底701上生长的金属层702整体构成了微带线结构。肖特基二极管倒装键合需采用导电胶或金丝绑定，或者在前面的制备过程中，通过特殊工艺直接在二氧化硅701上生长肖特基二极管结构703。在金属层702生长好并光刻后，根据将要使用的肖特基二极管外形尺寸，在金属层702上制作对准标记704，该对准标记可以为金属图案，也可以为二氧化硅等绝缘材料图案，该图案可以为十字形标记，也可以为其他方便对准肖特基二极管的标记。该对准标记可以限定肖特基二极管的放置位置，并确定角度偏移可控。然后再采用导电胶或金丝绑定等手段将肖特基二极管固定在微带线上。

根据本公开的实施例，将二氧化硅基板直接生长在混频器腔体内，并可通过光刻及腐蚀工艺确定二氧化硅基板及金属层的尺寸及位置，从而保证微带线与腔体的对准精度，提高微带线混频器的工作性能。

根据本公开的实施例，将二氧化硅基板直接生长在混频器腔体内，其与底部的金属层形成良好接触，避免了目前采用导电银胶涂抹不均匀或存在气泡等问题，保证了混频器加工工艺的可控性，提高微带线混频器的工作性能。

根据本公开的实施例，肖特基二极管为直接接地结构，采用金属层光刻及腐蚀等工艺，令其与微带线旁侧的金属层短路，可以精确控制短路线的外形尺寸，避免了导电银胶或金丝绑定等工艺不确定因素的引入，为混频器前期设计与性能测试的一致性，提供了有力保障。

根据本公开的实施例的混频器腔体结构，采用基于微机械加工的硅基材料，相比当前黄铜材料，大大降低了成本及器件的整体重量；微带线采用二氧化硅或氮化硅等绝缘材料，其与硅基工艺兼容性很好，在保证工艺的稳定性的同时，降低了加工成本；此外，该类硅基混频器器件，还可以与其他有源或无源器件直接集成，如低噪声放大器，检波器，和外围偏置电路等。为进一步系统集成化做好了前期铺垫。

根据本公开的实施例的混频器腔体结构，采用深沟槽刻蚀工艺，可以精确的控制内部腔体的尺寸，突破了金属腔体小尺寸加工的极限问题，为更高频率的混频器应用提供了设计思路。本发明中混频器腔体结构，也可与石英基板微带线，或单片集成砷化镓基板微带线组合使用，根据本公开的实施例的硅基单片集成微带线混频器类型并不限定。可以是单端、单平衡、双平衡、三平衡或i/q等无源混频器，也可以是有源倍频器。极大地提高了系统设计的灵活性。

根据本公开实施例的太赫兹混频器可以应用于各种电子设备。例如，通过集成多个这样的混频器以及其他器件(例如，其他形式的晶体管等)，可以形成集成电路(ic)，并由此构建电子设备。因此，本公开还提供了一种包括上述太赫兹混频器的电子设备。电子设备还可以包括与集成电路配合的显示屏幕以及与集成电路配合的无线收发器等部件。这种电子设备例如智能电话、计算机、平板电脑(pc)、可穿戴智能设备、移动电源等。

另外，硅基单片集成器件结构及方式并不限于混频器的应用，也可应用在倍频器中。

同现有技术相比，本发明太赫兹硅基单片集成微带线混频器，在提高混频器加工精度的同时，降低了器件重量及成本，提高了混频器性能，并为其进一步系统化集成提供了有利条件。

尽管以上已经结合本申请的优选实施例示出了本申请，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可以对本申请进行各种修改、替换和改变。因此，本申请不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。