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JP7632485B2 - Electromagnetic wave absorber - Google Patents
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JP7632485B2 - Electromagnetic wave absorber - Google Patents

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Description

本発明は、電磁波を吸収する電磁波吸収体に関し、特に、高周波集積回路技術に用いられる電磁波吸収体に関する。 The present invention relates to an electromagnetic wave absorber that absorbs electromagnetic waves, and in particular to an electromagnetic wave absorber used in high-frequency integrated circuit technology.

高周波集積回路(IC)技術において、動作速度が1/10ギガヘルツを超えると、2つの悪影響が現れる。第1の影響では、寄生インダクタンスと容量を持つフィードバック回路は、振動を誘起し、グランドバウンスと呼ばれる高周波ICの接地電位の不安定性を引き起こす。グランドバウンスは、信号応答にピークとディップを発生させ、群遅延を劣化させる。第2の影響は、ミリ波帯域幅で始まる基板共振である。ICを伝搬する信号の波長がチップのサイズに近づくと、付加的な電磁(EM)波モードが基板に容易に放射され、EM波信号のエネルギー分散による回路動作の発振と劣化を引き起こす。In high frequency integrated circuit (IC) technology, two adverse effects appear when the operating speed exceeds 1/10 gigahertz. In the first effect, feedback circuits with parasitic inductance and capacitance induce vibrations and cause instability in the ground potential of high frequency ICs, called ground bounce. Ground bounce generates peaks and dips in the signal response and degrades the group delay. The second effect is substrate resonance, which begins at the millimeter-wave bandwidth. When the wavelength of the signal propagating through the IC approaches the size of the chip, additional electromagnetic (EM) wave modes are easily radiated into the substrate, causing oscillations and degradation of the circuit operation due to the energy dispersion of the EM wave signal.

グランドバウンスと基板共振の影響を最小化し、サブミリメートル波長での高速ICの安定した動作を確保するために、図12に示すように、基板51の薄型化とICチップ5の裏面に高密度基板貫通ビア(through-substrate via、TSV)システムが形成される。To minimize the effects of ground bounce and substrate resonance and ensure stable operation of high-speed ICs at sub-millimeter wavelengths, the substrate 51 is thinned and a high-density through-substrate via (TSV) system is formed on the backside of the IC chip 5, as shown in FIG. 12.

ICチップ内のグランドプレーンをビア52やボンディングワイヤを用いてモジュールのグランド53に接続することにより、グランドバウンスを抑制する。基板共振は、基板の薄型化および基板を通る高密度の接地ビアの形成によって遮断される。薄型化された基板の厚さ、TSVの直径およびTSVの密度はIC回路の動作周波数に依存する。Ground bounce is suppressed by connecting the ground plane in the IC chip to the module ground 53 using vias 52 and bond wires. Substrate resonance is blocked by thinning the substrate and forming a high density of ground vias through the substrate. The thickness of the thinned substrate, the diameter of the TSVs and the density of the TSVs depend on the operating frequency of the IC circuit.

一般的に使用される金属化ビアシステムでは、ICチップの接地電位を安定させるために、表面と裏面との間の単位面積当たりの抵抗率を最小化しなければならない。ビアの直径を小さくし、ビア間の間隔を小さくし、基板の厚さを薄くすることにより、より小さい抵抗率を得ることができる。また、小さなビアは、ICのレイアウトの柔軟性およびパッケージングレベルを改善するために有利である。In commonly used metallized via systems, the resistivity per unit area between the front and back surfaces must be minimized to stabilize the ground potential of the IC chip. Smaller resistivity can be obtained by reducing the via diameter, the spacing between vias, and the thickness of the substrate. Smaller vias are also advantageous for improving layout flexibility and packaging levels of the IC.

一般に、グランドバウンスおよび基板共振の影響を抑制し、ICチップの基板を通って伝搬するEM波モードを吸収するために、高密度TSVシステムの代わりに吸収材料をICチップに加えることができる。吸収体は、望ましくない電磁放射または散乱を効果的に吸収または除去することができ、レーダステルス技術、EM遮蔽、およびエネルギーハーベスティングにおいて潜在能力を有する。In general, absorbing materials can be added to IC chips instead of high-density TSV systems to suppress the effects of ground bounce and substrate resonance and absorb EM wave modes propagating through the substrate of the IC chip. Absorbers can effectively absorb or remove unwanted electromagnetic radiation or scattering, and have potential in radar stealth technology, EM shielding, and energy harvesting.

しかしながら、従来の吸収体は、厚さ及び重量が大きいので、高周波電子機器用の小型ICチップに用いることは、実用上困難であった。However, conventional absorbers are thick and heavy, making them practically difficult to use in small IC chips for high-frequency electronic devices.

以上のように、高速ICで発生する基板共振やグランドバウンスを抑制するためには、基板の厚みを薄くし、基板裏面に高密度TSVを作製する必要がある。 As described above, in order to suppress board resonance and ground bounce that occur in high-speed ICs, it is necessary to make the board thinner and create high-density TSVs on the back side of the board.

“Broadband metamaterial absorber at mid-infrared using multiplexed cross resonators、”Wei Ma、Yongzheng Wen、and Xiaomei Yu、Opt. Express 21、30724-30730 (2013).“Broadband metamaterial absorber at mid-infrared using multiplexed cross resonators,” Wei Ma, Yongzheng Wen, and Xiaomei Yu, Opt. Express 21, 30724-30730 (2013). “Broadband metamaterial microwave absorber based on asymmetric sectional resonator structures、”Yongzhi Cheng、Hui Luo and Fu Chen、J. Appl. Phys.127、214902 (2020) .“Broadband metamaterial microwave absorber based on asymmetric sectional resonator structures,” Yongzhi Cheng, Hui Luo and Fu Chen, J. Appl. Phys.127, 214902 (2020). “Experimental demonstration of terahertz metamaterial absorbers with a broad and flat high absorption band、”Li Huang、Dibakar Roy Chowdhury、 Suchitra Ramani、Matthew T. Reiten、Sheng-Nian Luo、Antoinette J. Taylor、and Hou-Tong Chen、Opt. Lett. 37、154-156 (2012) .“Experimental demonstration of terahertz metamaterial absorbers with a broad and flat high absorption band,” Li Huang, Dibakar Roy Chowdhury, Suchitra Ramani, Matthew T. Reiten, Sheng-Nian Luo, Antoinette J. Taylor, and Hou-Tong Chen, Opt. Lett. 37, 154-156 (2012). “Perfect Metamaterial Absorber、”N. I. Landy、S. Sajuyigbe、 J. J. Mock、D. R. Smith、and W. J. Padilla、Phys. Rev. Lett. 100、207402.“Perfect Metamaterial Absorber,” N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J. J. Mock, D. R. Smith, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 100, 207402. “Wafer-level backside process technology for forming high-density vias and backside metal patterning for 50-μm-thick InP substrate、 ”Tsutsumi、Takuya & Kosugi、T. & Matsuzaki、H. (2013). 2013 International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology、CS MANTECH 2013. 55-58.“Wafer-level backside process technology for forming high-density vias and backside metal patterning for 50-μm-thick InP substrate,” Tsutsumi, Takuya & Kosugi, T. & Matsuzaki, H. (2013). 2013 International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology, CS MANTECH 2013. 55-58.

しかしながら、基板の薄型化およびTSVシステムの形成は、ICレイアウトの製造および設計に関して、以下の問題を有する。However, thinning the substrate and forming the TSV system poses the following challenges with respect to IC layout manufacturing and design:

第1に、TSVシステムの製造は、基板を貫通してエッチングすることを必要とするので、ICレイアウトの設計において、ICチップの裏面におけるTSVの実装を考慮する必要がある。チップ上の個々の電気部品のサイズは、個々のTSVの直径よりもはるかに小さいので、チップサイズを大幅に増加させ、同時にICチップのパッケージングレベルを低下させなければならない。First, because the fabrication of the TSV system requires etching through the substrate, the design of the IC layout must take into account the implementation of the TSVs on the backside of the IC chip. Since the size of the individual electrical components on the chip is much smaller than the diameter of the individual TSVs, this requires a significant increase in chip size and a simultaneous reduction in the packaging level of the IC chip.

第2に、TSVの製造は、エポキシ系接着剤を用いたガラス基板上へのICチップの実装、研磨法を用いた基板の薄型化、反応性イオンエッチングを用いたビアの形成、基板の裏面およびビアの内部のメタライゼーションを含む多段階プロセスを必要とする。この複雑な多段階プロセスは、高速ICチップの製造のコストおよび時間を著しく増大させる。Second, the fabrication of TSVs requires a multi-step process that includes mounting IC chips on a glass substrate using an epoxy adhesive, thinning the substrate using polishing techniques, forming vias using reactive ion etching, and metallizing the backside of the substrate and inside the vias. This complex multi-step process significantly increases the cost and time of fabricating high-speed IC chips.

第3に、TSVシステムの作製にはビアホールの直径の精密な制御が必要である。このことは、望ましくないEM波モードの抑制に重要である。ここで、TSV直径を正確に制御するためには、イオン反応性エッチング過程で非常に高いエッチング選択性が必要である。Third, the fabrication of TSV systems requires precise control of the via hole diameter, which is important for suppressing undesirable EM wave modes. Here, very high etch selectivity is required in the ion reactive etching process to precisely control the TSV diameter.

第4に、ICチップをガラス上に実装するために一般的に使用される接着剤は、高温で劣化するため、イオン反応性エッチングプロセス中の基板温度の制御も必須であり、考慮しなければならない。この場合、接着剤が劣化し、裏面加工後の薄型ICチップのガラスからの取り外しがスムーズに行えず、機械的応力による破壊を受けやすくなる。Fourth, the adhesive commonly used to mount IC chips on glass deteriorates at high temperatures, so control of the substrate temperature during the ion reactive etching process is also essential and must be considered. In this case, the adhesive deteriorates, making it difficult to smoothly remove the thin IC chip from the glass after backside processing, and making it more susceptible to breakage due to mechanical stress.

第5に、TSVの直径が減少すると、マイクロローディング効果によりエッチング速度が減少し、サブミリ波で顕著になる。したがって、動作周波数範囲の増加に伴い、エッチングパラメータの調整が不可欠となり、製造の全体時間が増加する。Fifth, as the diameter of the TSV decreases, the etching rate decreases due to the microloading effect, which is prominent at sub-mm wavelengths. Therefore, as the operating frequency range increases, it becomes necessary to adjust the etching parameters, which increases the overall manufacturing time.

第6に、TSVの形成後、基板の裏面およびビアの内部のメタライゼーションが必要である。典型的には、数マイクロメートル厚の電気めっき金属と、無関係なシード層を除去するための反応性イオンエッチングによる処理が行われる。Sixth, after the TSVs are formed, metallization is required on the backside of the substrate and inside the vias, typically by electroplating a few micrometers of metal and then reactive ion etching to remove any extraneous seed layer.

以上のように、高速ICで発生する基板共振やグランドバウンスの抑制において、基板厚さの低減および基板裏面の高密度TSVの作製のためには、ICチップのレイアウト設計やTSVの作製上の問題がある。 As described above, in order to suppress substrate resonance and ground bounce that occur in high-speed ICs, there are problems with IC chip layout design and TSV fabrication in order to reduce substrate thickness and create high-density TSVs on the back surface of the substrate.

上述したような課題を解決するために、本発明に係る電磁波吸収体は、基板に配置される電磁波吸収体であって、順に、メタマテリアル層と、スペーサ層と、反射薄膜とを備え、前記基板内の電磁波の共振モードを吸収して抑制し、前記メタマテリアル層が、複数のサブ波長構造のメタマテリアルセルを備え、前記メタマテリアルセルが、周期的に配置され、所定の周波数で共振するように設計され、前記メタマテリアルセルの構造および周期が、入射する電磁波の波長によって決定されることを特徴とする。
また、本発明に係る電磁波吸収体は、前記メタマテリアルセルが、異なる特性サイズを有する複数のセクションから構成され、前記複数のセクションが非対称に配置されることを特徴とする。
また、本発明に係る電磁波吸収体は、基板に配置される電磁波吸収体であって、順に、メタマテリアル層と、スペーサ層と、反射薄膜とを備え、前記基板内の電磁波の共振モードを吸収して抑制し、前記メタマテリアル層の実効誘電率及び透磁率が、前記メタマテリアル層のインピーダンスを前記基板のインピーダンスに整合させ、前記電磁波の共振モードを吸収させるように調整されることを特徴とする。
また、本発明に係る電磁波吸収体は、基板に配置される電磁波吸収体であって、順に、メタマテリアル層と、スペーサ層と、反射薄膜とを備え、前記基板内の電磁波の共振モードを吸収して抑制し、前記スペーサ層の比誘電率と前記基板の比誘電率との差が2以上11以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る電磁波吸収体は、基板に配置される電磁波吸収体であって、順に、メタマテリアル層と、スペーサ層と、反射薄膜とを備え、前記基板内の電磁波の共振モードを吸収して抑制し、前記電磁波は、高速電子回路の基板内に発生源があることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the electromagnetic wave absorber of the present invention is an electromagnetic wave absorber arranged on a substrate, and comprises, in order, a metamaterial layer, a spacer layer, and a reflective thin film, and absorbs and suppresses a resonance mode of an electromagnetic wave in the substrate, the metamaterial layer comprises a plurality of metamaterial cells of a subwavelength structure, the metamaterial cells are arranged periodically and designed to resonate at a predetermined frequency, and the structure and period of the metamaterial cells are determined by the wavelength of the incident electromagnetic wave .
In addition, the electromagnetic wave absorber according to the present invention is characterized in that the metamaterial cell is composed of a plurality of sections having different characteristic sizes, and the plurality of sections are arranged asymmetrically.
Moreover, the electromagnetic wave absorber according to the present invention is an electromagnetic wave absorber arranged on a substrate, which comprises, in order, a metamaterial layer, a spacer layer, and a reflective thin film, and which absorbs and suppresses a resonance mode of an electromagnetic wave in the substrate, and is characterized in that the effective dielectric constant and permeability of the metamaterial layer are adjusted so as to match the impedance of the metamaterial layer to the impedance of the substrate and absorb the resonance mode of the electromagnetic wave.
Moreover, the electromagnetic wave absorber according to the present invention is an electromagnetic wave absorber disposed on a substrate, which comprises, in order, a metamaterial layer, a spacer layer, and a reflective thin film, and which absorbs and suppresses a resonance mode of an electromagnetic wave within the substrate, and is characterized in that the difference between the relative dielectric constant of the spacer layer and the relative dielectric constant of the substrate is 2 or more and 11 or less.
Moreover, the electromagnetic wave absorber according to the present invention is an electromagnetic wave absorber arranged on a substrate, which comprises, in order, a metamaterial layer, a spacer layer, and a reflective thin film, and which absorbs and suppresses a resonant mode of an electromagnetic wave within the substrate, the electromagnetic wave having a source within the substrate of a high-speed electronic circuit.

本発明によれば、複雑な作製プロセスを必要としない小型の電磁波吸収体を提供できる。 The present invention makes it possible to provide a small electromagnetic wave absorber that does not require a complicated manufacturing process.

図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体を備える高速電子回路用の半導体基板の断面概要図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor substrate for a high-speed electronic circuit, which includes an electromagnetic wave absorber according to a first embodiment of the present invention. 図2Aは、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体の構成を示す上面概要図である。FIG. 2A is a schematic top view showing the configuration of an electromagnetic wave absorber according to a first embodiment of the present invention. 図2Bは、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体の構成を示す上面概要図である。FIG. 2B is a schematic top view showing the configuration of the electromagnetic wave absorber according to the first embodiment of the present invention. 図2Cは、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体の構成を示す上面概要図である。FIG. 2C is a schematic top view showing the configuration of the electromagnetic wave absorber according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体を備える高速電子回路用の半導体基板の構成を示す鳥瞰透視図である。FIG. 3 is a perspective bird's-eye view showing the structure of a semiconductor substrate for high-speed electronic circuits that includes an electromagnetic wave absorber according to a first embodiment of the present invention. 図4Aは、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体の特性を説明するための図である。FIG. 4A is a diagram for explaining the characteristics of the electromagnetic wave absorber according to the first embodiment of the present invention. 図4Bは、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体の特性を説明するための図である。FIG. 4B is a diagram for explaining the characteristics of the electromagnetic wave absorber according to the first embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体を備えるコプレーナ導波路の構成を示す鳥瞰透視図である。FIG. 5 is a perspective bird's-eye view showing the configuration of a coplanar waveguide including an electromagnetic wave absorber according to a first embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体の特性を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the characteristics of the electromagnetic wave absorber according to the first embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体の特性を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining the characteristics of the electromagnetic wave absorber according to the first embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体の特性を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the characteristics of the electromagnetic wave absorber according to the first embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第1の実施例に係る電磁波吸収体の特性を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the characteristics of the electromagnetic wave absorber according to the first embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第2の実施例に係る電磁波吸収体の特性を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining the characteristics of the electromagnetic wave absorber according to the second embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第3の実施例に係る電磁波吸収体を備えるコプレーナ導波路の構成を示す鳥瞰透視図である。FIG. 11 is a perspective bird's-eye view showing the configuration of a coplanar waveguide including an electromagnetic wave absorber according to a third embodiment of the present invention. 図12は、従来の高速電子回路用の半導体基板の断面概要図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor substrate for a conventional high-speed electronic circuit.

<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態に係る電磁波吸収体について図1~図8を参照して説明する。
First Embodiment
An electromagnetic wave absorber according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<電磁波吸収体の構成>
本実施の形態に係る電磁波吸収体は、メタマテリアルを用いて、高速電子回路から基板に放射される広範囲の電磁波モードを吸収する。以下、本発明の原理及び構成について、図面を参照しながら詳細に説明する。この説明は、本発明の可能な実施のいくつかの詳細な例を提供するが、これらの詳細は、例示的であり、本発明の範囲を限定するものではないことに留意されたい。
<Configuration of electromagnetic wave absorber>
The electromagnetic wave absorber according to the present embodiment uses a metamaterial to absorb a wide range of electromagnetic wave modes radiated from a high-speed electronic circuit to a substrate. Hereinafter, the principle and configuration of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. This description provides some detailed examples of possible implementations of the present invention, but it should be noted that these details are illustrative and do not limit the scope of the present invention.

メタマテリアルは人工媒質であり、通常の材料中の原子と同様の配置にともに配置された埋め込みサブ波長構造からその特性を取得し、測定された周波数範囲で誘電率と透磁率の所望の値を示し、電磁(EM)波を操作する。メタマテリアルの電磁気的性質は、回路の周期的構造の寸法、幾何学、方向および配置、ならびにそれらの構造からなる材料に起因する。Metamaterials are artificial media that derive their properties from embedded subwavelength structures arranged together in configurations similar to atoms in ordinary materials, exhibiting desired values of permittivity and permeability over a measured frequency range, and manipulate electromagnetic (EM) waves. The electromagnetic properties of metamaterials result from the dimensions, geometry, orientation, and arrangement of the circuit's periodic structures, as well as the materials from which those structures are composed.

正確な設計により、メタマテリアルは広い範囲の周波数の電磁波吸収体として適用できる。ここで、吸収波長と帯域幅は、メタマテリアルセルの設計を変えることにより調整できる。電磁波吸収体の典型的な構造は、3層構造からなり、その3層構造は誘電体スペーサの表面に金属サブ波長構造のアレイを有し、裏面に金属接地層を有する。ここで、表面のメタマテリアル周期構造はメタマテリアル吸収体10の電気共振応答に関与し、裏面の金属層と誘電体スペーサ層の結合が磁気共振応答を決定する。以下、「電磁波吸収体」を「メタマテリアル吸収体」ともいう。With proper design, metamaterials can be applied as electromagnetic wave absorbers in a wide range of frequencies. Here, the absorption wavelength and bandwidth can be adjusted by changing the design of the metamaterial cells. A typical structure of an electromagnetic wave absorber consists of a three-layer structure, which has an array of metal subwavelength structures on the surface of a dielectric spacer and a metal ground layer on the back side. Here, the metamaterial periodic structure on the front side is responsible for the electric resonant response of the metamaterial absorber 10, and the coupling of the metal layer and the dielectric spacer layer on the back side determines the magnetic resonant response. Hereinafter, the "electromagnetic wave absorber" is also referred to as the "metamaterial absorber".

図1は、本実施の形態に係る電磁波吸収体10を備える高速電子回路用の半導体基板の断面を示す。電磁波吸収体10は、メタマテリアルを用いた3層構造を有し、高速ICチップ基板14の裏面に周期的に配置されるサブ波長メタマテリアルセル111を有するメタマテリアル層11と、中間スペーサ層12と、下層の反射薄膜13とを備える。ここで、高速電子回路の基板内に電磁波の発生源を有する。 Figure 1 shows a cross section of a semiconductor substrate for high-speed electronic circuits that includes an electromagnetic wave absorber 10 according to this embodiment. The electromagnetic wave absorber 10 has a three-layer structure using a metamaterial, and includes a metamaterial layer 11 having subwavelength metamaterial cells 111 periodically arranged on the back surface of a high-speed IC chip substrate 14, an intermediate spacer layer 12, and a lower reflective thin film 13. Here, a source of electromagnetic waves is provided within the substrate of the high-speed electronic circuit.

サブ波長メタマテリアルセル111は、所定の周波数で共振するように設計される。 The subwavelength metamaterial cell 111 is designed to resonate at a predetermined frequency.

メタマテリアル構造は、金、銅およびアルミニウムのような金属、ならびにグラフェンまたはカーボンナノチューブのような他の高導電性材料から作製することができる。 Metamaterial structures can be made from metals such as gold, copper and aluminum, as well as other highly conductive materials such as graphene or carbon nanotubes.

中間誘電体スペーサ層12は、シリコン系誘電体(二酸化ケイ素、窒化ケイ素)のような任意のタイプの誘電体材料、またはポリイミドまたはベンゾシクロブテン(BCB)のようなポリマーとすることができる。誘電体スペーサ12の厚さは、メタマテリアル吸収体10による電磁波の吸収を高めるために、比誘電率(誘電率)を基準として調整される。The intermediate dielectric spacer layer 12 can be any type of dielectric material, such as silicon-based dielectrics (silicon dioxide, silicon nitride), or polymers such as polyimide or benzocyclobutene (BCB). The thickness of the dielectric spacer 12 is adjusted based on the dielectric constant (dielectric constant) to enhance the absorption of electromagnetic waves by the metamaterial absorber 10.

下層の反射薄膜13は、入射電磁波の透過を阻止するために、ターゲット放射線(入射電磁波)の表皮深さよりも厚い金属、金属合金、および化合物から構成される。反射薄膜13の最小厚さは、表皮深さδの計算から得ることができる。The lower reflective film 13 is made of metals, metal alloys, and compounds that are thicker than the skin depth of the target radiation (incident electromagnetic wave) to block the transmission of the incident electromagnetic wave. The minimum thickness of the reflective film 13 can be obtained by calculating the skin depth δ.

Figure 0007632485000001
Figure 0007632485000001

ρは使用材料の抵抗率、μは自由空間の透過率(μ=4π・10-7)、μは使用材料の相対的な透過率(通常1に等しい)、fはEM波の周波数である。例えば、ρ=2.24μΩ・cm、μ=1の金薄膜を300GHz周波数で使用すると、表皮深さは0.138μmである。したがって、下層の反射薄膜13は、この値よりも厚くなければならない。 where ρ is the resistivity of the material used, μ 0 is the permeability of free space (μ 0 =4π·10 -7 ), μ r is the relative permeability of the material used (usually equal to 1) and f 0 is the frequency of the EM wave. For example, a gold film with ρ=2.24 μΩ·cm and μ r =1 at a frequency of 300 GHz has a skin depth of 0.138 μm. The underlying reflective film 13 must therefore be thicker than this value.

図2A-Cに、本実施の形態に係る電磁波吸収体10におけるメタマテリアルセル(単位セル)の例を示す。一般に、本実施の形態では、メタマテリアルセル111は、様々な形状のいわゆる非対称セクション共振器(asymmetric sectional resonator、ASR)構造の一層から構成される。2A-C show examples of metamaterial cells (unit cells) in the electromagnetic wave absorber 10 according to this embodiment. Generally, in this embodiment, the metamaterial cell 111 is composed of one layer of a so-called asymmetric sectional resonator (ASR) structure of various shapes.

例えば、ASRは、A1、A2、A3、およびA4で示される異なる特性サイズを有する4つのセクション112から構成され、これらのセクション112を組み合わせて、新しいメタマテリアルセル(単位セル)111が形成される。ここで、各セクション112の特性サイズは、例えば、各セクション112の幅w、ギャップg、外周長さl等であり、それぞれの共振周波数に関係する。 For example, the ASR is composed of four sections 112 with different characteristic sizes, denoted A1, A2, A3, and A4, which are combined to form a new metamaterial cell (unit cell) 111, where the characteristic size of each section 112, e.g., the width w, gap g, and perimeter length l i of each section 112, is related to its respective resonant frequency.

例えば、図2A、Cでは、幅wの周回する形状(リングまたは正方形あるいは長方形)の材料(金属など)が4つのセクション112に分割され、各セクション112がそれぞれの端面同士の間隔(ギャップ)gで配置される。このとき、メタマテリアルセル(以下、「ASRセル」ともいう)111の中心から各セクション112の外周までの距離(外周長さ)l(l~l)が異なるように配置される。ここで、各セクション112の幅wとギャップgは同一である。また、ASRセル111の中心は、セル111において対向するセクション112の外周の中心を結ぶ線の交点である。 2A and 2C, for example, a material (such as a metal) having a circumferential shape (ring, square, or rectangle) with a width w is divided into four sections 112, and each section 112 is arranged with a distance (gap) g between its end faces. In this case, the sections 112 are arranged so that the distances (perimeter lengths) l i (l 1 to l 4 ) from the center of the metamaterial cell (hereinafter also referred to as "ASR cell") 111 to the outer periphery of each section 112 are different. Here, the width w and gap g of each section 112 are the same. Also, the center of the ASR cell 111 is the intersection of lines connecting the centers of the outer peripheries of the sections 112 facing each other in the cell 111.

また、図2Bでは、幅wの周回する形状(正方形または長方形)の材料(金属など)が4つのセクション112に分割され、各セクション112がそれぞれの端面同士の間隔(ギャップ)gで配置される。このとき、ASRセル111の略中心線から各セクション112の外周までの距離(外周長さ)l(l~l)が異なるように配置される。ここで、各セクション112の幅wとギャップgは同一である。また、ASRセル111の略中心線は、任意の一の外周に平行であり、対向する2つの間隔gを通る直線である。 2B, a material (such as a metal) having a circumferential shape (square or rectangle) with width w is divided into four sections 112, and each section 112 is arranged with a distance (gap) g between its end faces. At this time, the sections 112 are arranged so that the distance (peripheral length) l i (l 1 to l 4 ) from the approximate center line of the ASR cell 111 to the outer periphery of each section 112 is different. Here, the width w and gap g of each section 112 are the same. Also, the approximate center line of the ASR cell 111 is a straight line that is parallel to any one outer periphery and passes through two opposing gaps g.

このように、各セクション112の外周長さlが若干の差を有し、非対称なASRセル111を構成する。 In this manner, the outer circumferential lengths l i of the sections 112 are slightly different, forming an asymmetric ASR cell 111 .

ここで、幅wとギャップgは同一でなくてもよい。また、4つのセクションでなくても、複数のセクションであればよい。Here, the width w and the gap g do not have to be the same. Also, there do not have to be four sections, as long as there are multiple sections.

また、各セクション112の外周長さlの差により非対称なASRセル111を構成する例を示したが、各セクション112の幅wとギャップgの差により非対称なASRセル111を構成してもよい。 Although an example has been given in which asymmetric ASR cells 111 are formed by the difference in circumferential length l i of each section 112, asymmetric ASR cells 111 may also be formed by the difference in width w and gap g of each section 112.

本実施の形態では、メタマテリアルセル111が、複数のセクション112から構成され、各セクション112が周回する形状の材料を分割されたものであり、各セクション112の特性サイズ(幅w、ギャップg、外周長さl)の差により、ASRセル111が構成されればよく、その結果、ASRセル111の各セクション112の共振周波数がわずかに異ればよい。 In this embodiment, the metamaterial cell 111 is composed of a plurality of sections 112, each of which is formed by dividing a material having a circular shape. The ASR cell 111 is formed based on the differences in the characteristic sizes (width w, gap g, peripheral length l i ) of each section 112, and as a result, the resonant frequencies of each section 112 of the ASR cell 111 only need to be slightly different.

ここで、ASRセル111の大きさは、ターゲット放射線(入射電磁波)の1/2以下であればよい。各セクション112の特性サイズおよびその差は、このセル111の大きさを満たす範囲で設定されればよい。例えば、入射電磁波がミリ波である場合には、ASRセル111のサイズは0.5mm以下程度であり、特性サイズの差は0.001mm以上0.1mm以下であることが望ましい。Here, the size of the ASR cell 111 may be less than half the size of the target radiation (incident electromagnetic wave). The characteristic size and the difference between them of each section 112 may be set within a range that satisfies the size of this cell 111. For example, when the incident electromagnetic wave is a millimeter wave, it is desirable that the size of the ASR cell 111 is about 0.5 mm or less, and the difference in the characteristic size is 0.001 mm or more and 0.1 mm or less.

ASRセル111の各セクション112の共振周波数はわずかに異なる値を有し、結合するとより広帯域の吸収特性を発生し、高速ICで発生する各種EM波モードの吸収に非常に有利である。The resonant frequencies of each section 112 of the ASR cell 111 are slightly different and when combined produce broader absorption characteristics that are highly advantageous in absorbing the various EM wave modes generated in high speed ICs.

初めに、所望の共振周波数範囲を達成するために、図2A-Cに示すASRメタマテリアルセル111の形状、寸法、セル111の周期、および配置のスタイルを調整する。メタマテリアルの共振周波数fは、式(2)で表すことができる。 First, adjust the shape, size, period of the cells 111, and arrangement style of the ASR metamaterial cells 111 shown in Figures 2A-C to achieve a desired resonant frequency range. The resonant frequency fR of the metamaterial can be expressed by Equation (2):

Figure 0007632485000002
Figure 0007632485000002

ここで、Lは等価インダクタンスであり、Cはメタマテリアルセル111の等価キャパシタンスである。
等価インダクタンスLと容量Cは、それぞれ式(3)、式(4)で表すことができる。
Here, L is the equivalent inductance and C is the equivalent capacitance of the metamaterial cell 111.
The equivalent inductance L and capacitance C can be expressed by the following equations (3) and (4), respectively.

Figure 0007632485000003
Figure 0007632485000003

Figure 0007632485000004
Figure 0007632485000004

ここで、wは共振素子の幅であり、εおよびμは自由空間の誘電率および透磁率であり、lはセクション共振器の外形寸法(長さ)であり、aおよびbは数値因子である。εは比誘電率(誘電率)、hは誘電体スペーサ層の厚さである。 where w is the width of the resonator element, ε 0 and μ 0 are the permittivity and permeability of free space, l i is the external dimension (length) of the section resonator, a and b are numerical factors, ε r is the relative permittivity (dielectric constant), and h is the thickness of the dielectric spacer layer.

誘電性スペーサ12の材料が選択されると、式(2)~式(4)から、ASR構造のセクション112と各セクション112の幅wとの間のギャップも決定され、ASRメタマテリアルの共振周波数は、式(5)に示されるように、各セクション112の外形長lに関連するセクション共振器のサイズに比例する。 Once the material of the dielectric spacers 12 is selected, the gap between the sections 112 of the ASR structure and the width w of each section 112 is also determined from equations (2)-(4), and the resonant frequency of the ASR metamaterial is proportional to the size of the section resonator associated with the contour length l i of each section 112, as shown in equation (5).

Figure 0007632485000005
Figure 0007632485000005

ASR構造の幾何学的形状と誘電体スペーサ12の厚さを変えることにより、メタマテリアル吸収体10の実効誘電率εと透磁率μを独立して調整でき、高速電気回路の基板14とインピーダンス整合する。EM放射がASR構造に入射すると、メタマテリアル吸収体10は結合共振によるEM波モードを吸収する。メタマテリアル吸収体10では、メタマテリアル層11はEM波の電気成分に強く結合する構造であるが、スペーサ層12と反射薄膜13の組合せはEM波の磁気成分に強く結合する。By varying the geometry of the ASR structure and the thickness of the dielectric spacer 12, the effective permittivity ε and permeability μ of the metamaterial absorber 10 can be independently tuned to impedance match the substrate 14 of the high speed electrical circuit. When EM radiation is incident on the ASR structure, the metamaterial absorber 10 absorbs the EM wave modes through coupled resonance. In the metamaterial absorber 10, the metamaterial layer 11 is a structure that strongly couples to the electric component of the EM wave, while the combination of the spacer layer 12 and the reflective thin film 13 strongly couples to the magnetic component of the EM wave.

図3は、本実施の形態においてシミュレーションにより得られたメタマテリアルセル(単位セル)の一例を示す。このメタマテリアルセル(単位セル)111は300GHzに調整され、円形ASRメタマテリアルセルが用いられる。また、厚い誘電率εr1が12.4であるリン化インジウム(InP)基板と、誘電率εr2が8で厚さが12.5μmである誘電体スペーサ層が用いられる。 3 shows an example of a metamaterial cell (unit cell) obtained by simulation in this embodiment. This metamaterial cell (unit cell) 111 is tuned to 300 GHz and uses a circular ASR metamaterial cell. In addition, a thick indium phosphide (InP) substrate with a dielectric constant εr1 of 12.4 and a dielectric spacer layer with a dielectric constant εr2 of 8 and a thickness of 12.5 μm are used.

図3において、メタマテリアル吸収体10は、厚い半導体基板14の下に配置され、基板14とメタマテリアル吸収体10との間の入射EM波の直接透過を可能にする。メタマテリアルセル111のシミュレーションでは、垂直入射と適切な周期的境界条件で時間領域ソルバーを用い、x軸に沿ったEM波の電気成分を用いた。In FIG. 3, the metamaterial absorber 10 is placed below a thick semiconductor substrate 14, allowing direct transmission of the incident EM wave between the substrate 14 and the metamaterial absorber 10. Simulations of the metamaterial cell 111 used a time-domain solver with normal incidence and appropriate periodic boundary conditions, with the electrical component of the EM wave along the x-axis.

メタマテリアルセル111の反射R(ω)および透過T(ω)は、抽出周波数に依存するSパラメータから、それぞれ式(6)、式(7)計算できる。The reflection R(ω) and transmission T(ω) of the metamaterial cell 111 can be calculated from the S parameters that depend on the extraction frequency using equations (6) and (7), respectively.

Figure 0007632485000006
Figure 0007632485000006

Figure 0007632485000007
Figure 0007632485000007

ここで、S11(ω)は反射係数、S21(ω)は透過係数である。 Here, S 11 (ω) is the reflection coefficient and S 21 (ω) is the transmission coefficient.

吸収装置を通過するEM波の吸収A(ω)は、式(8)で計算される。The absorption A(ω) of the EM wave passing through the absorber is calculated by equation (8).

Figure 0007632485000008
Figure 0007632485000008

式(1)に示す表皮深さδよりも厚い反射薄膜13によって透過が除去され、測定された全周波数範囲における透過の値が0であるので、吸収を表す式(8)は、式(9)で単純化される。 Since transmission is eliminated by the reflective thin film 13, which is thicker than the skin depth δ shown in equation (1), and the transmission value is zero in the entire measured frequency range, equation (8), which represents absorption, is simplified to equation (9).

Figure 0007632485000009
Figure 0007632485000009

図4Aは、周波数300GHzにおけるメタマテリアル吸収体10の吸収スペクトルのシミュレーションの例を示す。ここで、吸収は、図3に示すシミュレーションから得られた抽出反射係数S11(ω)から、式(9)に従って計算された。 4A shows an example of a simulated absorption spectrum of the metamaterial absorber 10 at a frequency of 300 GHz, where the absorption was calculated according to equation (9) from the extracted reflection coefficient S 11 (ω) obtained from the simulation shown in FIG.

最適化された吸収体は、30GHzの広帯域吸収を有し、285GHz~315GHzの間で観測される。ここで、広帯域吸収幅(30GHz)は、通常の広帯域吸収体同様に、90%以上の吸収に対して帯域幅として測定された。さらに、ASRセル111のほぼ対称な設計により、シミュレートにより得られる吸収は、横方向電気(TE)102および横方向磁気(TM)101の偏光モードの両方に対して同様の吸収を示した。The optimized absorber has a broadband absorption of 30 GHz, observed between 285 GHz and 315 GHz, where the broadband absorption width (30 GHz) is measured as the bandwidth for 90% or greater absorption, similar to that of a conventional broadband absorber. Furthermore, due to the nearly symmetrical design of the ASR cell 111, the simulated absorption showed similar absorption for both the transverse electric (TE) 102 and transverse magnetic (TM) 101 polarization modes.

図4Bに示すように、メタマテリアル吸収体構造と高速回路の半導体基板14との間のインピーダンス整合により、非常に高い吸収が達成された。実効インピーダンスは、図4のシミュレーションより得られる抽出反射係数S11(ω)に基づいて、S21(ω)=0として、式(10)に従って計算される。 As shown in Fig. 4B, very high absorption was achieved by impedance matching between the metamaterial absorber structure and the semiconductor substrate 14 of the high-speed circuit. The effective impedance was calculated according to Equation (10) with S21 (ω)=0 based on the extracted reflection coefficient S11 (ω) obtained from the simulation in Fig. 4.

Figure 0007632485000010
Figure 0007632485000010

図4Bでは、図4Aで観測される広帯域周波数範囲において平均して、相対インピーダンスの実部Re(z)103は約1であり、虚部Im(z)104は約0である。良好なインピーダンス整合が得られた場合、Zin(ω)=Z=1であるので、本実施の形態に係るメタマテリアル吸収体10の入力インピーダンス(Zin)は、広帯域周波数範囲において基板14のインピーダンス(Z)にほぼ一致する。したがって、本実施の形態に係るメタマテリアル吸収体10の吸収率はほぼ100%である。 In Fig. 4B, on average, the real part Re(z) 103 of the relative impedance is about 1 and the imaginary part Im(z) 104 is about 0 in the wideband frequency range observed in Fig. 4A. When good impedance matching is obtained, Zin (ω) = ZS = 1, so the input impedance ( Zin ) of the metamaterial absorber 10 according to this embodiment is almost equal to the impedance ( ZS ) of the substrate 14 in the wideband frequency range. Therefore, the absorption rate of the metamaterial absorber 10 according to this embodiment is almost 100%.

図5に示すように、背面にメタマテリアル吸収体10を備えるコプレーナ導波路20が、図3に示す最適化されたメタマテリアルセルをより実用に近い状態で評価するために用いられる。As shown in Figure 5, a coplanar waveguide 20 with a metamaterial absorber 10 on its back surface is used to evaluate the optimized metamaterial cell shown in Figure 3 in a more practical condition.

典型的には、コプレーナ導波路2の構造は、導波路20の一方の端部と他方の端部にそれぞれ導波路ポート(wave port)25、26を有し、表面金属層および底面接地層から構成される。コプレーナ導波路2において、電磁放射の伝搬方向は、第1の導波路ポート25から第2の導波路ポート26であるため、メタマテリアルセル111のシミュレーションと比較して異なる。メタマテリアル吸収体10を試験するために、コプレーナ導波路20の底面接地層を、前述の通り設計されたメタマテリアル吸収体20で置き換える。メタマテリアル層21は、誘電体スペーサ層22とともに基板24の裏面に追加される。さらに、その裏面(コプレーナ導波路20の最下層)に反射薄膜23が追加される。反射薄膜23は、コプレーナ導波路20の接地層としても働く。Typically, the structure of the coplanar waveguide 2 has a waveguide port 25, 26 at one end and the other end of the waveguide 20, respectively, and is composed of a surface metal layer and a bottom surface ground layer. In the coplanar waveguide 2, the propagation direction of the electromagnetic radiation is different compared to the simulation of the metamaterial cell 111, since it is from the first waveguide port 25 to the second waveguide port 26. To test the metamaterial absorber 10, the bottom surface ground layer of the coplanar waveguide 20 is replaced with the metamaterial absorber 20 designed as described above. The metamaterial layer 21 is added to the back surface of the substrate 24 together with the dielectric spacer layer 22. Furthermore, a reflective thin film 23 is added to the back surface (the bottom layer of the coplanar waveguide 20). The reflective thin film 23 also serves as the ground layer of the coplanar waveguide 20.

<電磁波吸収体の特性>
図6に、3つの異なるコプレーナ導波路構造における、周波数依存透過係数S21(ω)を示す。第1のケース201では、コプレーナ導波路2はメタマテリアル吸収体20の最適化構造を備えている。第2のケース202では、メタマテリアル層21が吸収体20から除去され、スペーサ誘電体層22と反射薄膜23のみを有する。第3のケース203では、スペーサ誘電体層22の材料を基板24と同じ材料で置き換えて、半導体基板24にメタマテリアル層21が包含される場合をシミュレートした。
<Characteristics of electromagnetic wave absorbers>
Figure 6 shows the frequency dependent transmission coefficient S21 (ω) for three different coplanar waveguide structures. In the first case 201, the coplanar waveguide 2 is equipped with an optimized structure of the metamaterial absorber 20. In the second case 202, the metamaterial layer 21 is removed from the absorber 20, leaving only the spacer dielectric layer 22 and the reflective thin film 23. In the third case 203, the material of the spacer dielectric layer 22 is replaced with the same material as the substrate 24 to simulate the inclusion of the metamaterial layer 21 in the semiconductor substrate 24.

第1のケース201では、高強度の共振ピークが観測され、導波路を透過した電磁波が、ある周波数領域で吸収されることが確認された。In the first case 201, a high-intensity resonant peak was observed, and it was confirmed that the electromagnetic waves transmitted through the waveguide were absorbed in a certain frequency range.

第2のケース202では、メタマテリアル層を有しない吸収体は、EM波モードの透過に影響しない。したがって、典型的なEM波のコプレーナ導波路伝送が最小の損失で生じる。In the second case 202, the absorber without the metamaterial layer does not affect the transmission of the EM wave modes. Therefore, typical coplanar waveguide transmission of the EM wave occurs with minimal loss.

第3のケース203では、平坦な伝送特性が測定された周波数範囲で観測されたので、誘電体スペーサ層22を基板24と同じ材料(本実施の形態ではInP)で置換したメタマテリアル吸収体はEM波モードを吸収しない。In the third case 203, flat transmission characteristics were observed in the measured frequency range, so that the metamaterial absorber in which the dielectric spacer layer 22 is replaced with the same material as the substrate 24 (InP in this embodiment) does not absorb EM wave modes.

最適化されたメタマテリアル吸収体構造の動作において受ける影響について、以下に説明する。 The effects on the operation of the optimized metamaterial absorber structure are discussed below.

コプレーナ導波路2では、メタマテリアルセル211に向かう電場の配向は、図3に示すシミュレートした単一メタマテリアルセル111とは異なる。図3に示す単一メタマテリアルセル111では、電場ベクトルEは、メタマテリアル吸収体10の表面に平行であるため、ASR構造の間隙にLC共振が容易に誘起される。In the coplanar waveguide 2, the orientation of the electric field toward the metamaterial cell 211 is different from that of the simulated single metamaterial cell 111 shown in Figure 3. In the single metamaterial cell 111 shown in Figure 3, the electric field vector E is parallel to the surface of the metamaterial absorber 10, so that LC resonance is easily induced in the gap of the ASR structure.

一方、コプレーナ導波路では、導波路の構造とその動作原理により、電場ベクトルEが表面に垂直に配向する。On the other hand, in a coplanar waveguide, due to the structure of the waveguide and its operating principle, the electric field vector E is oriented perpendicular to the surface.

通常、電場ベクトルEがメタマテリアルの表面に向かって垂直に配向する場合、垂直な電場E(電場ベクトルEを有する電場)はメタマテリアルギャップに結合できないので、共振は発生しない。しかしながら、図6に示すように、小さな付加的な周波数シフトにより共振の発生が観測される。Normally, when the electric field vector E is oriented perpendicular to the surface of the metamaterial, no resonance occurs because the perpendicular electric field E (electric field with electric field vector E) cannot couple into the metamaterial gap. However, a small additional frequency shift can be observed to cause resonance to occur, as shown in Figure 6.

また、上述の第3のケースでは、同じメタマテリアル層21が含まれているにもかかわらず、誘電体スペーサ22の材料を基板24と同じ材料とすることにより、共振発生が抑制される。 In addition, in the third case described above, although the same metamaterial layer 21 is included, the occurrence of resonance is suppressed by making the material of the dielectric spacer 22 the same as that of the substrate 24.

このように、本実施の形態におけるコプレーナ導波路2では、メタマテリアル吸収体20の共振の発生は、追加の要因によって影響を受ける。 Thus, in the coplanar waveguide 2 of this embodiment, the occurrence of resonance in the metamaterial absorber 20 is influenced by additional factors.

式(3)および式(4)から、共振周波数は基板24の比誘電率εに比例するので、異なる比誘電率値を有する種々の基板24における共振ピークのシフトを明確に取得することができる。 From equations (3) and (4), since the resonant frequency is proportional to the relative dielectric constant εr of the substrate 24, the shift of the resonant peak for various substrates 24 with different relative dielectric constant values can be clearly obtained.

図7は、2つの異なる高速IC半導体基板24における、メタマテリアル層21の共振ピークの位置と誘電体スペーサ層12の比誘電率εr2の変化との関係に関する計算結果を示す。半導体基板24の誘電率εr1が12.4の場合204と誘電率εr1が6の場合205について計算した。2つの基板両方の場合において、誘電体スペーサ層22の比誘電率εr2の値を増加させることによって、共振ピーク位置のより低い周波数へのシフトが観察される。シフト変化は比誘電率εr1の値が小さい基板ほど大きい。 7 shows the calculation results of the relationship between the position of the resonance peak of the metamaterial layer 21 and the change in the relative permittivity εr2 of the dielectric spacer layer 12 in two different high-speed IC semiconductor substrates 24. Calculations were performed for the case where the dielectric constant εr1 of the semiconductor substrate 24 is 12.4 204 and for the case where the dielectric constant εr1 is 6 205. In both cases of the two substrates, a shift of the resonance peak position to a lower frequency is observed by increasing the value of the relative permittivity εr2 of the dielectric spacer layer 22. The shift change is larger for substrates with smaller values of the relative permittivity εr1 .

図6に示す結果では、メタマテリアル層21の除去またはスペーサ層22の材料の基板24材料への置換により、共振ピークが観測されない。したがって、共振ピークの発生と透過EM波の吸収には、メタマテリアル層21とスペーサ層22が必要である。6, no resonant peaks are observed upon removal of metamaterial layer 21 or replacement of the material of spacer layer 22 with the material of substrate 24. Thus, metamaterial layer 21 and spacer layer 22 are necessary for the generation of resonant peaks and absorption of transmitted EM waves.

図7に示す共振ピークのシフトは、異なる誘電率を有する2つの誘電体材料の界面に配置されたメタマテリアル層21を有する導波路を、電場Eが透過することに起因する。The shift in the resonant peak shown in Figure 7 is due to the transmission of an electric field E through a waveguide having a metamaterial layer 21 disposed at the interface of two dielectric materials having different dielectric constants.

共振ピークのシフトを説明するために、初めに、電場下の二つの異なる誘電体間の界面を考える。導波管内を伝搬するEM波に対して、電場Eは、上層および下層金属層に対して垂直に配向され、電気束密度Dを生成する。電気束密度ベクトルDは、式(11)で定義される。To explain the shift in the resonant peak, first consider an interface between two dissimilar dielectrics under an electric field. For an EM wave propagating in a waveguide, the electric field E is oriented perpendicular to the upper and lower metal layers, generating an electric flux density D. The electric flux density vector D is defined by equation (11):

Figure 0007632485000011
Figure 0007632485000011

ここで、εは誘電体膜の比誘電率(誘電率)であり、Eは電場ベクトルである。 Here, ε is the relative dielectric constant (dielectric constant) of the dielectric film and E is the electric field vector.

基板24とスペーサ層22の界面が、誘電率の異なる二つの材料で構成されている場合、電場Eの変化は誘電体境界での透過において起こる。When the interface between the substrate 24 and the spacer layer 22 is composed of two materials with different dielectric constants, a change in the electric field E occurs upon transmission across the dielectric boundary.

垂直入射での電気磁束ベクトルDは、誘電体境界を横切って連続しているので、誘電率に関連する合成電場Eの不連続性が生じ、合成電場Eは、導波路の水平面すなわち界面に平行な連続する接線成分の電気(E)場モードと、垂直成分の電場E(E)とに分離することができる。 The electric flux vector D at normal incidence is continuous across a dielectric boundary, resulting in a discontinuity in the resultant electric field E related to the dielectric constant, which can be separated into a continuous tangential electric (E T ) field mode parallel to the horizontal plane of the waveguide, i.e., the interface, and a perpendicular electric field E (E N ).

電場Eの向きはメタマテリアルセル211の面内にあるので、メタマテリアル間隙(ギャップ)における共振が誘導される。 The electric field E T is oriented in the plane of the metamaterial cell 211, so that resonance is induced in the metamaterial gap.

さらに、接線方向の電場Eのモードの発生は、誘電率の変化とこれらの誘電体における電場Eの伝搬に強く依存するので、εr1とεr2との差による共振シフトが観測される。 Furthermore, since the emergence of modes of the tangential electric field E T strongly depends on the change in the dielectric constant and the propagation of the electric field E in these dielectrics, a resonance shift due to the difference between ε r1 and ε r2 is observed.

また、誘電率の差が大きいほど電場伝搬の差が大きくなり、電場ベクトルEの方向の変化が大きくなることが観測され、より強い接線方向の電場成分が発生する。その結果、共振ピークの強度が増大し、吸収が強くなる。 It is also observed that the larger the difference in the dielectric constants, the larger the difference in the electric field propagation and the larger the change in the direction of the electric field vector E, resulting in a stronger tangential electric field component. This results in an increase in the intensity of the resonant peak and stronger absorption.

図8に、基板(εr1=12.4)24における共振ピーク強度のスペーサ層22の比誘電率(εr2)依存性を示す。スペーサ層22の比誘電率εr2が12.4程度すなわち基板24の比誘電率εr1と同程度のとき、共振ピーク強度は最小値を示す。換言すれば、基板24の比誘電率εr1とスペーサ層22の比誘電率εr2との差が大きいほど、高いピーク強度が観測される。 8 shows the dependence of the resonant peak intensity on the relative dielectric constant ( εr2 ) of the spacer layer 22 in the substrate ( εr1 = 12.4) 24. When the relative dielectric constant εr2 of the spacer layer 22 is about 12.4, i.e., approximately the same as the relative dielectric constant εr1 of the substrate 24, the resonant peak intensity is at a minimum. In other words, the greater the difference between the relative dielectric constant εr1 of the substrate 24 and the relative dielectric constant εr2 of the spacer layer 22, the higher the peak intensity observed.

例えば、基板24の比誘電率εr1が12.4に対して、スペーサ層22の比誘電率εr2が1~10程度または15~20程度で、ピーク強度が高い。換言すれば、基板24の比誘電率εr1とスペーサ層22の比誘電率εr2との差が2以上11以下程度で共振ピーク強度が高い。 For example, the peak intensity is high when the dielectric constant εr1 of the substrate 24 is 12.4 and the dielectric constant εr2 of the spacer layer 22 is about 1 to 10 or about 15 to 20. In other words, the resonance peak intensity is high when the difference between the dielectric constant εr1 of the substrate 24 and the dielectric constant εr2 of the spacer layer 22 is about 2 or more and 11 or less.

このように、基板24とスペーサ層22の材料が同一または類似している場合、十分に確立された誘電体界面がないため、接線電気モードの発生は制限され、メタマテリアル層21における共振は誘発されない。Thus, when the materials of the substrate 24 and the spacer layer 22 are the same or similar, the occurrence of tangential electric modes is limited and resonances in the metamaterial layer 21 are not induced due to the lack of a well-established dielectric interface.

以上のように、誘電体界面を設計することにより、コプレーナ導波路2における共振ピークのシフトを予測でき、必要な周波数範囲で広帯域吸収を示すためにメタマテリアル吸収体20の付加的な調整を容易に行うことができる。As described above, by designing the dielectric interface, the shift of the resonant peak in the coplanar waveguide 2 can be predicted and additional tuning of the metamaterial absorber 20 can be easily performed to exhibit broadband absorption in the required frequency range.

<第1の実施例>
本発明の第一の実施例として、高速ICを想定したInP基板コプレーナ導波路に、第1の実施の形態に係るメタマテリアル吸収体10を適用する一例を説明する。
First Example
As a first embodiment of the present invention, an example in which the metamaterial absorber 10 according to the first embodiment is applied to an InP substrate coplanar waveguide intended for a high-speed IC will be described.

シミュレーションしたデバイスにおいて、InP基板14の比誘電率はεr1=12.4、基板14の厚さはt=55μmである。InP基板パラメータとその厚さは、実際のInP高速ICで用いられる値に基づいている。コプレーナ導波路の最上層は、2μm厚の金からなる薄膜である。導波路の寸法は、基板14の裏面に配置するメタマテリアル吸収体10(3×7セル)の全サイズによって決まり、長さ1.89mm、幅0.81mmに等しい。 In the simulated device, the InP substrate 14 has a relative dielectric constant ε r1 =12.4 and a thickness t s =55 μm. The InP substrate parameters and its thickness are based on values used in real InP high-speed ICs. The top layer of the coplanar waveguide is a 2 μm thick gold film. The dimensions of the waveguide are determined by the total size of the metamaterial absorber 10 (3×7 cells) placed on the backside of the substrate 14, and are equal to 1.89 mm long and 0.81 mm wide.

メタマテリアル吸収体10がInP基板14の裏面に配置される。メタマテリアル層11は200nm厚の金薄膜で構成される。ASRセル111のパラメータにおいて、各セクション112の半径がl=0.126mm、l=0.116mm、l=0.129mm、l=0.119mmである。幅w=0.045mm、ギャップサイズg=0.018mm、セル周期サイズa=0.27mmである。パラメータは300GHzで広帯域吸収を得るように調整される。スペーサ層12はεr2=8の窒化シリコン膜であり厚さは12.5μmである。最後に、スペーサ層12の底面に、厚さ200nmの金の薄膜が形成される。材料は、150GHzを超える周波数を有する電磁波のためのすべての伝送をブロックするのに十分な厚さを有する。 The metamaterial absorber 10 is placed on the back side of the InP substrate 14. The metamaterial layer 11 is made of a gold thin film with a thickness of 200 nm. The parameters of the ASR cell 111 are the radius of each section 112 as follows: l 1 =0.126 mm, l 2 =0.116 mm, l 3 =0.129 mm, and l 4 =0.119 mm. The width w=0.045 mm, the gap size g=0.018 mm, and the cell period size a=0.27 mm. The parameters are adjusted to obtain broadband absorption at 300 GHz. The spacer layer 12 is a silicon nitride film with ε r2 =8 and a thickness of 12.5 μm. Finally, a gold thin film with a thickness of 200 nm is formed on the bottom side of the spacer layer 12. The material has a thickness sufficient to block all transmission for electromagnetic waves with frequencies above 150 GHz.

以下、本実施例の効果について説明する。図9に、本実施例におけるコプレーナ導波路を伝搬する電磁波モードを、メタマテリアル層を有さないInP/SiN導波路301、メタマテリアル層11を有するInP/SiN導波路302、メタマテリアル層11を有するInP/InP導波路303について計算した結果を示す。図中左に電場モード、右に磁場モードを示す。The effects of this embodiment will be described below. Figure 9 shows the results of calculations of the electromagnetic wave modes propagating through the coplanar waveguide in this embodiment for an InP/SiN waveguide 301 without a metamaterial layer, an InP/SiN waveguide 302 with a metamaterial layer 11, and an InP/InP waveguide 303 with a metamaterial layer 11. The electric field mode is shown on the left in the figure, and the magnetic field mode is shown on the right.

図9に示すように、本実施例におけるコプレーナ導波路302を伝搬する電磁波モードは大きく吸収される。電磁波は、メタマテリアル吸収体10を裏面に有するコプレーナ導波路を通過して徐々に吸収される。メタマテリアル層がない場合301やスペーサ層12に同じ誘電体材料を用いた場合303には、電磁波モードの吸収は観測されない。As shown in Figure 9, the electromagnetic wave mode propagating through the coplanar waveguide 302 in this embodiment is largely absorbed. The electromagnetic wave passes through the coplanar waveguide having the metamaterial absorber 10 on the back surface and is gradually absorbed. When there is no metamaterial layer 301 or when the same dielectric material is used for the spacer layer 12 303, no absorption of the electromagnetic wave mode is observed.

本実施例によれば、基板共振およびグランドバウンスの良好な抑制と、IC回路素子の複雑な多段階プロセスおよびより小さいパッケージングとの間のトレードオフを緩和できる。This embodiment mitigates the trade-off between better suppression of substrate resonance and ground bounce on the one hand and complex multi-step processing and smaller packaging of IC circuit elements on the other.

このように、本実施例によれば、TSVを形成することなく簡単なプロセスで電磁波モードの良好な抑制を達成できるので、基板の機械的強度が増し、より高い費用効果が達成される。また、TSVを必要としないため、レイアウト設計が容易になり、高速ICの実装レベルを大幅に高めることができる。 In this way, according to this embodiment, good suppression of electromagnetic wave modes can be achieved by a simple process without forming TSVs, so the mechanical strength of the substrate is increased and higher cost-effectiveness is achieved. In addition, since TSVs are not required, layout design is simplified and the mounting level of high-speed ICs can be significantly improved.

さらに、メタマテリアル吸収体10の異なる部分を、各層における材料の変化、メタマテリアルセルの設計、各層の厚さによって自由に調整できるので、様々な周波数範囲および異なる材料ベースの高速IC回路に対して調整できる。Furthermore, different parts of the metamaterial absorber 10 can be freely tuned by varying the materials in each layer, the design of the metamaterial cells, and the thickness of each layer, allowing it to be tailored for various frequency ranges and different material-based high-speed IC circuits.

<第2の実施例>
本発明の第2の実施例に係る電磁波吸収体において、メタマテリアル吸収体には、第1の実施の形態で用いた受動吸収体ではなく、能動的なメタマテリアル吸収体を用いる。
Second Example
In the electromagnetic wave absorber according to the second embodiment of the present invention, an active metamaterial absorber is used as the metamaterial absorber, instead of the passive absorber used in the first embodiment.

入射電磁波の電場Eがメタマテリアルセルのギャップに平行に局在しているときに共振が発生し、そのギャップは式(2)に従って等価キャパシタンスとして働く。 Resonance occurs when the electric field E of the incident electromagnetic wave is localized parallel to the gap in the metamaterial cell, and the gap acts as an equivalent capacitance according to equation (2).

そこで、メタマテリアルセルにおけるセクション間のギャップ領域に、制御可能な可変キャパシタンスとして、可変キャパシタダイオード(バラクタ)またはトランジスタを追加することにより、メタマテリアルの共振周波数が変化させ、能動的に調整できる。Therefore, by adding a variable capacitor diode (varactor) or transistor as a controllable variable capacitance in the gap region between the sections of the metamaterial cell, the resonant frequency of the metamaterial can be changed and actively tuned.

図10に示すように、本実施例に係るメタマテリアル吸収体において、電磁波モードの高吸収は、異なる周波数範囲に向かってシフトされる。タマテリアル吸収体における集中キャパシタンス値Cの0fF~5fFの変化は、広帯域吸収ピークを低周波数へシフトさせる。メタマテリアルセルの中心周波数は、Cが0fFのときの300GHzからCが5fFのときの265GHzにシフトする。As shown in FIG. 10, in the metamaterial absorber of this embodiment, the high absorption of the electromagnetic wave mode is shifted towards different frequency ranges. Changing the lumped capacitance value C in the metamaterial absorber from 0 fF to 5 fF shifts the broadband absorption peak towards lower frequencies. The center frequency of the metamaterial cell shifts from 300 GHz when C is 0 fF to 265 GHz when C is 5 fF.

さらに、90%以上の吸収率に対する吸収帯は、Cが0fFのときの30GHzからCが5fFのときの約20GHzに減少する。本実施例では、吸収ピークは低周波数にのみシフトできるので、受動的メタマテリアル吸収体構造に対して最大動作周波数を決めれば、その最大動作周波数以下の周波数範囲で、共振周波数を能動的に調整できる。 Furthermore, the absorption band for an absorption rate of 90% or more decreases from 30 GHz when C is 0 fF to about 20 GHz when C is 5 fF. In this embodiment, since the absorption peak can be shifted only to low frequencies, once the maximum operating frequency is determined for the passive metamaterial absorber structure, the resonant frequency can be actively adjusted in the frequency range below the maximum operating frequency.

吸収特性の能動制御は能動部品に印加されるバイアス電圧制御によって達成されるので、高速ICが広帯域で種々の周波数で動作可能な場合には、能動メタマテリアル吸収体を調整して、発生する共振基板モードを抑制することができる。 Active control of the absorption characteristics is achieved by controlling the bias voltage applied to the active components, so that in cases where the high-speed IC is capable of operating at a wide range of frequencies over a wide bandwidth, the active metamaterial absorber can be tuned to suppress the resonant substrate modes that arise.

本実施例によれば、第1の実施例と同様の効果を奏するとともに、単一の設計の適用による動作の自由度を増大させ、より広い周波数範囲で動作する単一ICおよびメタマテリアル吸収体の製造の費用効果を向上させる。This embodiment achieves similar effects to the first embodiment while increasing the operational freedom of application of a single design and improving the cost-effectiveness of manufacturing a single IC and metamaterial absorber that operates over a wider frequency range.

<第3の実施例>
本発明の第3の実施例に係る電磁波吸収体では、ICチップ内の基板共振モードの吸収を増加させるようにメタマテリアル吸収体を変更する。メタマテリアル吸収体の単一セルは、共振メタマテリアルセルの幾何学的形状に依存して、ある波長のEM入射放射線の最大100%を吸収することができる。したがって、メタマテリアル吸収体の広帯域特性は、異なるサイズのASRセル(単位セル)の組合せにより増加される。
<Third Example>
In the electromagnetic wave absorber according to the third embodiment of the present invention, the metamaterial absorber is modified to increase the absorption of the substrate resonant modes in the IC chip. A single cell of the metamaterial absorber can absorb up to 100% of the EM incident radiation of a certain wavelength depending on the geometry of the resonant metamaterial cell. Thus, the broadband characteristics of the metamaterial absorber are increased by combining ASR cells (unit cells) of different sizes.

図11に、本実施例に係る電磁波吸収体を備えるコプレーナ導波路40を示す。本実施の形態に係る電磁波吸収体では、わずかに異なる共振周波数に調整されたメタマテリアルセルの集合体(グループ)41が連結されている。メタマテリアル吸収体10はチップの裏面全体に形成されるので、伝搬するEM波はある最適化周波数範囲でほぼ完全に吸収される。各グループ(第1群~第n群)41_1~41_nのメタマテリアルの幾何学的形状のサイズ(特性サイズ、例えば、図2Aのg、w、l~l)を徐々に変化させることによって、共振周波数fRi(i=1~n)の小さなシフトが得られる。その結果、広帯域吸収特性が得られる。 FIG. 11 shows a coplanar waveguide 40 with an electromagnetic wave absorber according to this embodiment. In the electromagnetic wave absorber according to this embodiment, a collection (group) 41 of metamaterial cells tuned to slightly different resonant frequencies are connected. Since the metamaterial absorber 10 is formed on the entire back surface of the chip, the propagating EM waves are almost completely absorbed in a certain optimized frequency range. By gradually changing the size (characteristic size, e.g., g, w, l 1 to l 4 in FIG. 2A) of the metamaterial geometric shape of each group (first group to nth group) 41_1 to 41_n, a small shift of the resonant frequency f Ri (i=1 to n) is obtained. As a result, a broadband absorption characteristic is obtained.

このように、本実施例では、特性サイズが異なるメタマテリアルセルの集合体が配置され、シフトされた共振周波数を有するメタマテリアル集合体の隣接するラインが形成される。この構成により、伝搬するEM波モードが広い周波数範囲(一つ以上の周波数)で吸収されるため、吸収帯域幅が増加する。Thus, in this embodiment, an assembly of metamaterial cells with different characteristic sizes is arranged to form adjacent lines of metamaterial assemblies with shifted resonant frequencies. This configuration increases the absorption bandwidth since the propagating EM wave modes are absorbed over a broad frequency range (one or more frequencies).

本実施例に係るメタマテリアル吸収体は、第1の実施例と同様の効果を奏し、より広い周波数範囲で動作できる。The metamaterial absorber of this embodiment has the same effect as the first embodiment and can operate over a wider frequency range.

<第4の実施例>
本発明の第4の実施例に係る電磁波吸収体は、異なる共振周波数を有するASR構造を含み、対称メタマテリアルセルを含む多層の積層構造を備える。
<Fourth Example>
An electromagnetic wave absorber according to a fourth embodiment of the present invention includes an ASR structure having different resonant frequencies, and has a multi-layer laminate structure including symmetric metamaterial cells.

この構成により、それぞれのメタマテリアルセルまたはメタマテリアルセルの集合体の吸収特性が合成され、吸収特性の帯域幅は増加する。すなわち、ICにおける基板共振モードの広帯域吸収を向上させる。This configuration combines the absorption characteristics of each metamaterial cell or collection of metamaterial cells, increasing the bandwidth of the absorption characteristics, i.e. improving the broadband absorption of the substrate resonant modes in the IC.

メタマテリアル吸収体は、ASR構造の特徴とメタマテリアルセルの多層構造の特徴との相乗効果により、さらなる広帯域吸収を実現する。 The metamaterial absorber achieves even broader bandwidth absorption through a synergistic effect between the characteristics of the ASR structure and the multilayer structure of the metamaterial cell.

本実施例に係るメタマテリアル吸収体は、第1の実施例と同様の効果を奏し、より広い周波数範囲で動作できる。The metamaterial absorber of this embodiment has the same effect as the first embodiment and can operate over a wider frequency range.

本発明の実施の形態では、吸収体の構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。吸収体の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。In the embodiment of the present invention, examples of the structure, dimensions, materials, etc. of each component in the configuration of the absorbent body and the manufacturing method are shown, but the present invention is not limited to these. Anything that can exert the function and effect of the absorbent body will do.

本発明は、高周波集積回路に適用することができる。 The present invention can be applied to high-frequency integrated circuits.

10 電磁波吸収体
11 メタマテリアル層
12 スペーサ層
13 反射薄膜
14 基板
10: Electromagnetic wave absorber 11: Metamaterial layer 12: Spacer layer 13: Reflective thin film 14: Substrate

Claims (8)

基板に配置される電磁波吸収体であって、
順に、メタマテリアル層と、スペーサ層と、反射薄膜とを備え、
前記基板内の電磁波の共振モードを吸収して抑制し、
前記メタマテリアル層が、複数のサブ波長構造のメタマテリアルセルを備え、
前記メタマテリアルセルが、周期的に配置され、所定の周波数で共振するように設計され、
前記メタマテリアルセルの構造および周期が、入射する電磁波の波長によって決定されることを特徴とする電磁波吸収体。
An electromagnetic wave absorber disposed on a substrate,
a metamaterial layer, a spacer layer, and a reflective thin film,
Absorbing and suppressing resonant modes of electromagnetic waves within the substrate ;
The metamaterial layer comprises a plurality of subwavelength structure metamaterial cells;
the metamaterial cells are arranged periodically and designed to resonate at a predetermined frequency;
An electromagnetic wave absorber , characterized in that the structure and period of the metamaterial cells are determined by the wavelength of the incident electromagnetic wave .
前記メタマテリアルセルが、異なる特性サイズを有する複数のセクションから構成され、
前記複数のセクションが非対称に配置される
ことを特徴とする請求項に記載の電磁波吸収体。
the metamaterial cell is composed of a plurality of sections having different characteristic sizes;
2. The electromagnetic wave absorber of claim 1 , wherein the plurality of sections are asymmetrically arranged.
基板に配置される電磁波吸収体であって、
順に、メタマテリアル層と、スペーサ層と、反射薄膜とを備え、
前記基板内の電磁波の共振モードを吸収して抑制し、
前記メタマテリアル層の実効誘電率及び透磁率が、前記メタマテリアル層のインピーダンスを前記基板のインピーダンスに整合させ、前記電磁波の共振モードを吸収させるように調整される
ことを特徴とする電磁波吸収体。
An electromagnetic wave absorber disposed on a substrate,
a metamaterial layer, a spacer layer, and a reflective thin film,
Absorbing and suppressing resonant modes of electromagnetic waves within the substrate;
13. An electromagnetic wave absorber, comprising : a metamaterial layer having an effective dielectric constant and a magnetic permeability adjusted to match an impedance of the metamaterial layer to an impedance of the substrate and to absorb a resonant mode of the electromagnetic wave.
基板に配置される電磁波吸収体であって、
順に、メタマテリアル層と、スペーサ層と、反射薄膜とを備え、
前記基板内の電磁波の共振モードを吸収して抑制し、
前記スペーサ層の比誘電率と前記基板の比誘電率との差が2以上11以下である
ことを特徴とする電磁波吸収体。
An electromagnetic wave absorber disposed on a substrate,
a metamaterial layer, a spacer layer, and a reflective thin film,
Absorbing and suppressing resonant modes of electromagnetic waves within the substrate;
13. An electromagnetic wave absorber, wherein a difference between the relative dielectric constant of said spacer layer and the relative dielectric constant of said substrate is 2 or more and 11 or less.
基板に配置される電磁波吸収体であって、
順に、メタマテリアル層と、スペーサ層と、反射薄膜とを備え、
前記基板内の電磁波の共振モードを吸収して抑制し、
前記電磁波は、高速電子回路の基板内に発生源がある
ことを特徴とする電磁波吸収体。
An electromagnetic wave absorber disposed on a substrate,
a metamaterial layer, a spacer layer, and a reflective thin film,
Absorbing and suppressing resonant modes of electromagnetic waves within the substrate;
The electromagnetic wave absorber is characterized in that the electromagnetic waves are generated from a source within a substrate of a high-speed electronic circuit.
前記メタマテリアル層が、前記電磁波の電気成分に結合し、
前記スペーサ層と前記反射薄膜とが、前記電磁波の磁気成分と結合する
ことを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の電磁波吸収体。
the metamaterial layer couples to an electric component of the electromagnetic wave;
6. The electromagnetic wave absorber according to claim 1 , wherein the spacer layer and the reflective thin film are coupled to a magnetic component of the electromagnetic wave.
前記反射薄膜は、前記電磁波の表皮深さよりも厚い
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の電磁波吸収体。
The electromagnetic wave absorber according to any one of claims 1 to 6, wherein the reflective thin film is thicker than a skin depth of the electromagnetic wave.
請求項1から請求項のいずれか一項に記載の電磁波吸収体
を備える高速電子回路。
A high-speed electronic circuit comprising the electromagnetic wave absorber according to any one of claims 1 to 7 .
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