CN102668370A

CN102668370A - 具有应变引发的频率控制的太赫兹振荡器

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Publication number: CN102668370A
Application number: CN2010800589336A
Authority: CN
Inventors: 小山泰史
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: WO2011078064A4; US8779866B2; CN102668370B; JP2011135006A; JP5606061B2; US20120274410A1; WO2011078064A1

Abstract

本发明涉及振荡器。振荡器包括被配置共振通过使用载流子的子带间跃迁通过有源层产生的太赫兹波的共振器单元。振荡器还包括被配置为产生有源层的应变的应变产生单元。并且，振荡器包含被配置为根据通过共振器单元共振的太赫兹波的振荡特性（频率或输出）控制应变产生单元的控制单元。

Description

具有应变引发的频率控制的太赫兹振荡器

技术领域

本发明涉及用于振荡太赫兹波的振荡器。

背景技术

一般地，使用量子级联激光器和共振隧道二极管（以下，称为“RTD”）作为用于产生太赫兹波（在本说明书中，具有大于等于30GHz且小于等于30THz的频率）的电流注入振荡器的有源层。量子级联激光器和RTD基于半导体的量子阱结构中的电子的子带间跃迁提供电磁波振荡。

特别地，PTL 1描述了用于在室温下在1THz附近的频带中振荡太赫兹波的使用双重势垒RTD作为有源层的器件。双重势垒RTD包含在InP上外延生长的InGaAs量子阱层和InAlAs隧道势垒层。RTD通过在显现在电流-电压特性中的负微分电阻的范围中使用模拟发射产生电磁波。另外，NPL 1描述了通过在出现负微分电阻的范围内改变驱动电压来改变470GHz的中心频率和18GHz的可变宽度的频率的结构。

引文列表

专利文献

PTL 1日本专利公开No.2007-124250

非专利文献

NPL 1IEEE,VOL.48,NO.6,pp.1333～1338,1999

发明内容

技术问题

NPL 1描述了基于恒定负微分电阻的技术。如果为了改变振荡太赫兹波的频率改变驱动电压，那么振荡太赫兹波的输出（功率）也改变，这是有问题的。

问题的解决方案

根据本发明，一种用于振荡太赫兹波的振荡器包括：被配置为通过载流子在子带间的跃迁而产生太赫兹波的有源层；被配置为共振通过有源层产生的太赫兹波的共振器单元；被配置为产生有源层的应变的应变产生单元；和被配置为根据通过共振器单元共振的太赫兹波的振荡特性控制应变产生单元的控制单元。

本发明的有利效果

根据本发明，振荡器可通过在产生太赫兹波的有源层中产生应力来改变在振荡器的电流-电压（I-V）特性中显现的负微分电阻。以这种方式，可以提供具有优异的振荡太赫兹波的频率和输出（功率）的可控性的振荡器。

附图说明

图1A～1C是根据本发明的实施例的太赫兹波产生器件的示意图。

图2是根据本发明的第一实施例的太赫兹波产生器件的配置的示意图。

图3A和图3B是根据第一实施例的出现应力的方向的示意图。

图4A～4C是根据第一实施例的太赫兹波产生器件的示意图。

图5是根据本发明的第二实施例的太赫兹波产生器件的配置的示意图。

图6是根据本发明的第三实施例的太赫兹波产生器件的配置的示意图。

图7A和图7B是根据本发明的第四实施例的检查装置的示意图。

图8A和图8B是根据本发明的第五实施例的检测器的示意图。

具体实施方式

以下参照图1A～1C描述根据本发明的实施例的太赫兹波产生器件100。图1A～1C是本实施例的示意图。有源层101通过使用载流子的子带间跃迁产生太赫兹波。希望有源层是产生负微分电阻的器件。更希望有源层101具有共振隧道结构（或共振隧道二极管（以下，称为“RTD 101”））。更希望RTD 101被构建为被第一电极111和第二电极112夹持。以这种方式，可通过使用电源（或电压施加单元）105向RTD 101施加电压（或可产生电压）。

RTD 101是具有交替层叠势垒层和量子阱层的半导体异质结构的二极管。由于共振隧道现象，在电流-电压特性中出现负微分电阻。例如，使用在InP上外延生长的、包含InGaAs/InAlAs/AlAs的三重势垒量子阱结构作为RTD 101。RTD 101的结构的例子还包括广泛使用的双重势垒结构和多重势垒结构。RTD 101的材料的例子包含基于GaAs的材料和基于Si的材料。可适当地根据希望的振荡频率和希望的输出来选择这种结构和材料。虽然参照用作载流子的电子描述本发明，但是，本发明不限于此。例如，可以使用空穴作为载流子。

共振器单元102（电磁波共振器）共振通过RTD 101产生的太赫兹波。共振器单元102主要共振电磁波（太赫兹波）以放大电磁波的功率。另外，共振器单元102与RTD 101一起形成LC共振电路，并确定基本振荡频率。共振器单元102通过欧姆电极（第一电极111和第二电极112）与RTD 101电连接。通过电源105向RTD 101施加电压。

希望共振器单元102包含用于放射共振太赫兹波107的放射单元。此时，共振器单元102包含放射单元，使得电磁波被更有效地取出（或放射）到空间。另外，希望由应力所导致的变形对于放射单元的影响是可忽略的。以这种方式，不出现由部件的变形（由应力所导致）导致的电磁波的放射图案的变化和放射效率的变化。因此，共振器单元102可以可靠地放射太赫兹波107。但是，与贴片天线（在第一实施例中更详细地描述，参照图2所示的贴片天线202）类似，共振器单元和放射单元可被集成为单一的单元。

例如，共振器单元102可具有可容易地处理高频率的缝隙天线结构、可容易地被阵列化的共面线结构、或具有高的Q值的三维中空波导。作为替代方案，如果使用具有金属-金属等离子体激元波导结构的共振器作为共振器单元102，那么可以输出更高的功率。

应变产生单元103产生有源层101的应变（也称为“应力”）。应变产生单元103也被称为“应力产生单元103”。将在后面更详细地描述应变产生单元103。

控制单元104根据通过共振器单元102共振的太赫兹波的振荡特性（频率或功率）控制应变产生单元103。此时，由于负微分电阻根据有源层101的应变改变，因此通过共振器单元102共振的太赫兹波107的频率或功率改变。更具体而言，当在有源层101中出现应变（应力）时，有源层101的晶体结构改变。因此，有源层101的电子的有效质量改变。因此，漂移速度改变（由于漂移速度是有效质量的函数）。以这种方式，负微分电阻改变（由于负微分电阻是漂移速度的函数）。因此，太赫兹波107的频率（负微分电阻的函数）可改变。

在这种情况下，希望应变产生单元103接收引入其中的诸如电或热的能量。此时，希望有源层101包含用于产生应变信号106的应力信号源（也称为用于驱动应变产生单元103的“驱动单元”）。应变信号106被用于在有源层101中产生应力。一般地，为了向RTD 101传送应变信号106，使用悬臂结构或膜片结构。例如，如图3A和图3B所示，从外面施加或直接施加应力。作为替代方案，可通过利用部件的压电性能或部件内的内部应力变化在RTD 101中产生内部纵向应力或横向应力。

应变产生单元103

参照图1B和图1C描述包含于根据本实施例的太赫兹波产生器件中的应变产生单元103的变更例。

（1）可偏转结构

在图1B中，应变产生单元103被配置为是可偏转的。此时，希望RTD 101被设置在当应变产生单元103弯曲时沿RTD 101的面内方向出现应变的位置上。

以下参照图2描述应变产生单元103的例子。应变产生单元103具有包含压电薄膜和金属薄膜的单层压电片（piezoelectric unimorph）结构212和悬臂结构213。如这里使用的那样，术语“单层压电片”指的是由与金属薄片接合的压电薄片形成的压电换能器。当出现位移使得一个压电元件伸展而另一压电元件被压缩时，在支点上出现应力。由于压电材料具有比在机械应力产生方法中使用的压电材料高的响应，因此，应变信号106可被高速输入到RTD 101（图2中的RTD 201）。

单层压电片结构212包含压电层214和应力信号电极215。应力信号电极215与应力信号源219连接。通过向压电层214施加具有适当水平和极性的电压，在悬臂结构213中出现拉伸应力或压缩应力。因此，悬臂结构213变形。应力信号源219与调整单元220（与图1A中的控制单元4对应）连接。调整单元220执行调整，使得希望的应力信号被输入到RTD 101。RTD 201被设置在悬臂结构213的应力集中点上。在从应力信号源219接收信号时，RTD 201沿基本上与异质结界面平行的方向产生内应力（横向应力）。以这种方式，如图3A所示，可以产生RTD 201的面内方向的应力σ（横向应力）。注意，图3A是图2的局部放大图。

与本实施例类似，希望在同一基板中设置并集成RTD 101、共振器单元102和应变产生单元103。以这种方式，可以实现小型化的太赫兹电磁波产生器件。

（2）压电场可产生结构

在图1C中，应变产生单元103被配置为能够产生压电场。

希望RTD 101被设置在当应变产生单元103产生压电场时沿与RTD 101的面内方向垂直的方向出现应力的位置上。因此，如图3B所示，可以产生与RTD 101的面内方向垂直的方向上的应力σ（纵向应力）。

本例子使用以电力为能量并且以双层（bimorph）压电元件为应变产生单元的方法。如这里使用的那样，术语“双层压电元件”指的是为了增加单位施加电压的位移水平通过层叠两个压电元件（锆钛酸铅或钛酸钡元件）而形成的元件。

（3）其它结构

应变产生单元的其它例子可使用以下的方法。可以使用通过使用手写笔（例如，探针）在应变产生单元的共振隧道二极管中产生应力的方法。通过点击共振隧道二极管附近的部分（例如，电极）并产生力，可在共振隧道二极管中产生应力。

作为替代方案，可以应用使用热作为能量并且使用双金属（彼此接合的具有不同的热膨胀系数的两个金属板）的方法。作为另一替代方案，可以应用使用薄膜的残余应力的方法。

作为又一替代方案，可适当地应用使用电磁致动器、MEMS静电致动器、表面声波或声波的方法。作为又一替代方案，可以应用在膜片结构的应力集中点上设置RTD并且通过利用在封闭的流路中流动的液体或气体的压力的变化在膜片结构中产生应力的配置。

电磁波振荡的原理和用于通过改变应力改变频率的操作的描述

一般地，如在例如APL,Vol.55<17>,p.1777,1989中描述的那样，通过使用图4A所示的等效电路表现RTD。另外，通过相互连接由共振器的配置确定的负载电阻、电容成分和电感成分的共振电路的LC的共振频率，确定电磁波振荡器的基本振荡波长。在图4A中，R_cont和C_cont分别代表接触电极与接触层之间的接触电阻成分和接触电容成分。R_post代表由于与RTD串联连接的台面结构导致的电阻成分。另外，R_act代表RTD的负微分电阻（<0）。并且，C_act代表RTD的电容成分，L_act代表RTD的电感成分。

L_act以延迟电感的形式表示与RTD内的电子的隧穿时间和RTD的耗尽层中的行进时间有关的RTD 101中的电子的延迟时间τ。L_act被表达如下：

L_act＝R_act×τ

相反，例如，NPL 1描述了当在共振隧道二极管中出现应力时，一般地，在异质结构中出现压电场效应和电子的有效质量的变化。作为结果，如图4B所示，峰值/谷值电压和电流在I-V特性中偏移，因此，负微分电阻改变。

根据本实施例，当偏移电压从电源105被输入到RTD 101时，太赫兹电磁波产生器件表现图4B所示的负微分电阻（NDR）。另外，当应力信号σ从应力产生单元被输入到RTD 101时，如图4C所示，负微分电阻（NDR）的值R_act根据应力信号σ改变。

因此，在一定的偏置电压V上，通过改变输入的应力信号σ的电平，可改变负微分电阻（NDR）的值R_act。因此，图4A所示的等效电路的延迟电感L_act改变。作为结果，即使当使用相同的电磁共振器时，也可通过改变L_act大大改变共振电路的共振频率。因此，太赫兹电磁波产生器件的共振频率可改变。

图4C示出按照在根据本发明的第一实施例的电磁波产生器件（RTD的台面直径：2μmΦ，贴片天线）中出现的应力的变化的振荡频率的变化的例子。在本例子中，通过使用等效电路估计上述的LC共振频率的变化。

如上所述，根据本发明，太赫兹电磁波产生器件被配置为能够通过使用由外部输入的应变信号106导致的负微分电阻的变化控制振荡频率。但是，应当注意，本发明不限于上述的配置。

RTD中的应变方向和晶面取向

希望通过使用至少两种类型的半导体异质结形成有源层101。

此时，希望沿异质结的界面的方向（基本上与界面平行的方向）产生应力（即，横向应力）。在这种情况下，不管晶面方向如何，都在异质结构中显现压电场效应，因此，负微分电阻的变化十分明显。因此，可有效地改变频率。

另外，希望沿基本上与异质结的界面垂直的方向产生应力（纵向应力）。此时，主要沿（100）晶面方向出现有效质量的变化，并且主要沿（111）晶面方向出现有效质量的变化和压电场效应。因此，可以改变频率。

如果使用具有沿（111）晶面方向外延生长的半导体异质结构的RTD，那么可以获得明显的压电场效应。因此，可以有效地改变频率。

扭应力可同时产生横向应力和纵向应力。另外，扭应力可导致电感的变化。因此，可以有效地改变频率。

注意，即使组合双轴应力和单轴应力的应力产生单元也可充分地改变频率。应当注意，本发明不限于上述的结构。

用于切换偏置极性的开关

可以使用提供按照正/负偏置电压改变的负微分电阻的RTD，并且可对于偏置电源提供用于切换极性的转换开关。例如，当从偏置电源向图4B所示的RTD输入具有不同的极性的偏置电压时，可以获得正负电压信号形式的两种类型的负微分电阻。另外，如果通过使用根据本发明的应力产生单元输入应力信号，那么负微分电阻改变。通过利用这种特性并通过使用应力信号改变通过使用偏置电压的极性获得的至少两个振荡频率，可在至少两个频带上改变频率。

器件阵列化

如果在同一基板上以阵列布置多个太赫兹波产生器件100，那么可以以单芯片器件的形式实现可产生具有不同的频率的太赫兹电磁波的太赫兹波产生器件。作为替代方案，通过使用在面内具有应力分布的基板并按阵列根据应力分布布置器件，可以产生具有不同的频率的太赫兹电磁波。

以下描述本发明的实施例。

实施例

第一实施例：共振隧道二极管

参照图2描述根据本实施例的太赫兹波产生器件200。图2是根据本实施例的太赫兹波产生器件的示意图。图4A示出RTD的等效电路。图4B示出根据第一实施例的太赫兹波产生器件200的电流-电压特性。

太赫兹波产生器件200包含RTD 201、贴片天线202、应力产生单元230、调整单元220和偏置电源218。太赫兹波产生器件200具有用于电磁波共振器的贴片天线共振器结构和用于应力产生单元230（与图1A所示的应变产生单元103对应）的利用单层压电片效应的悬臂结构。可通过使用现有的半导体工艺制造这种配置和结构。

RTD的描述

RTD 201具有包含InGaAs/InAlAs/AlAs异质结的三重势垒量子阱结构、和包含垂直层叠的重度Si掺杂n+和InGaAs的接触层。根据本实施例的三重势垒量子阱结构的层结构如下：

这里，第一量子阱层、第二势垒层和第二量子阱层是与具有（100）面取向的InP基板晶格匹配的InGaAs/InAlAs。相反，第一势垒层和第三势垒层是不与InP基板晶格匹配的AlAs。第一势垒层和第三势垒层中的每一个比临界膜薄并且是高能势垒层。

包含RTD 201的外延半导体层通过使用利用等离子激活和热压接合的Au-Au薄膜接合方法被转印到基板216（硅基板）。

图4B是表示在本实施例中使用的RTD 201的测量的电流-电压特性的示图。通过向RTD 201施加具有不同的极性的两种类型的偏置电压，RTD 201表现具有不同的峰值电流密度和不同的峰值谷值比的两个负微分电阻区域。

对于根据本实施例的RTD 201，当应力信号的水平是0MPa时，并且如果施加正偏置，那么峰值电流密度J_p＝280kA/cm²。当RTD 201的直径为约2μmΦ时，负微分电阻NDR＝-22Ω。当施加负偏置时，峰值电流密度J_p＝90kA/cm²。当RTD 201的直径为约2μmΦ时，NDR＝-174Ω。

虽然参照包含在具有（100）面取向的InP基板上生长的InGaAs/InAlAs和InGaAs/AlAs的三重势垒共振隧道二极管描述了本实施例，但是，结构和材料不限于此。即使另一结构和另一材料的组合也可提供根据本发明的太赫兹电磁波产生器件。例如，可以使用具有双重势垒量子阱结构的共振隧道二极管或具有多重势垒量子阱结构（比三重势垒量子阱结构高）的共振隧道二极管。除了面取向（100）以外，可以使用关于纵向应力和横向应力提供负微分电阻的明显变化的具有（111）生长的RTD。在这种情况下，可更有效地改变频率。作为材料，可以使用在GaAs基板上形成的GaAs/AlGaAs、GaAs/AlAs或InGaAs/GaAs/AlAs、在InP基板上形成的InGaAs/AlGaAsSb、在InAs基板上形成的InAs/AlAsSb或InAs/AlSb或在Si基板上形成的SiGe/SiGe。

电磁波共振器的描述

根据本实施例，在贴片天线共振器结构中，贴片天线202用作电磁波共振器单元203和电磁波放射单元204。即，通过使用贴片天线202，太赫兹波可被有效地取出到空间。

贴片天线202包含RTD 201、上电极层211、GND电极层208和电介质层207。电磁波在位于上电极层211与GND电极层208之间的区域中的电介质层207中共振。对于这种共振器结构，电介质层207的材料和厚度、贴片天线202的边长和RTD 201的尺寸和位置是用于确定振荡频率的关键因素。

根据本实施例，贴片天线202包含具有200μm×200μm的尺寸的正方形图案的上电极层211。另外，RTD 201被设置在沿A′-A方向从天线的中心偏移40μm的位置上。RTD 201垂直地被上电极层211和GND电极层208夹持。因此，驱动RTD 201所需要的偏置电压可被施加到RTD 201。RTD 201具有包含量子阱结构的2μm台面结构。

通过剥离真空沉积的Ti/Pd/Au层（20nm/20nm/200nm）形成上电极层211。Ti/Pd/Au层已知作为重度掺杂的InGaAs低电阻接触电极。对于电介质层207，使用作为用于高频率电磁波的低损失材料已知的BCB（苯并环丁烯）。电介质层207的BCB膜的厚度是3μm。通过使用旋转涂敷方法和干蚀刻方法形成电介质层207。GND电极层208用作共振器中的接地电极和包含RTD 201的有源层与基板216接合时的接合层。在本实施例中，使用通过使用溅射方法形成的Ti/Pd/Au/Ti层（20nm/20nm/200nm/20nm）。

通过使用具有上述的结构和配置的贴片天线202和RTD 201，执行设计，使得当应力信号为0MPa时获得420GHz的基本振荡频率的电磁振荡。

应力产生单元的描述

应力产生单元230包含单层压电片结构212和悬臂结构213。RTD201被设置在悬臂结构213的应力集中点上。单层压电片结构212包含压电层214和应力信号电极215。使用通过使用溅射方法形成的1μm厚的氮化铝薄膜作为压电层214。使用通过使用溅射方法形成的0.5μm厚的铝薄膜作为应力信号电极215。

悬臂结构213包含基板216和梁结构层217。对于基板216（厚度：525μm）使用具有优异的可加工性和弹性的硅。另外，使用通过使用等离子CVD方法形成的1μm厚的氮化硅膜作为梁结构层217。

通过使用光刻方法和使用Bosch工艺的SiDeepRIE方法干蚀刻上面转印有RTD 201的用作基板216的基材的硅，形成悬臂结构213。在形成悬臂结构213之后，通过使用溅射方法或剥离方法形成单层压电片结构212。

根据本实施例，应力产生单元230可向RTD 201施加0MPa～约1000MPa的横向应力（与异质结界面平行）。

注意，可以使用任何普通的压电材料作为压电层214的材料。形成方法的例子包括溅射方法、真空沉积方法、激光烧蚀方法、离子镀方法、CVD方法和MOCVD方法。可根据期望的用途使用这些方法中的一种。材料的例子包括氮化铝、氧化锌、聚偏二氟乙烯、锆钛酸铅（PSZ）、钛酸铅、铌酸锂、铌酸钽和钛酸锶。材料的例子还包括氮化镓、氮化铟、氧化铍、氧化锌、硫化镉、硫化锌和碘化银。希望压电层214的厚度处于0.1～10μm的范围内，使得应力产生单元230输出足够的功率，并且可忽略地出现断裂或剥离。对于应力信号电极215，可以使用具有导电性的任何材料。材料的例子可以是广泛使用的金属，诸如铝、镍、铬、铜、钛、钼、铂、金或钯。形成方法的例子包括溅射方法和真空沉积方法。可根据期望的用途对于基板216使用任何材料。作为替代方案，可以使用磷化铟基板、砷化镓基板、玻璃基板、陶瓷基板或树脂基板。类似地，可根据期望的用途对于梁结构层217使用任何材料。材料的例子包括硅的薄膜、多晶硅薄膜、砷化镓薄膜、磷化铟薄膜、砷化铟镓薄膜、树脂薄膜和氧化硅薄膜。

与控制系统的连接和操作的描述

包括RTD 201和电磁波共振器（贴片天线）202的共振电路与偏置电源218连接。偏置电压被输入到共振电路。

应力信号电极215与应力信号源219连接。当具有适当的水平和极性的电压被施加到压电层214时，拉伸应力或压缩应力被施加到悬臂结构213。因此，悬臂结构213变形。

RTD 201被设置在悬臂结构213的应力集中点上。当悬臂结构213偏转时，在RTD 201中出现基本上与异质结界面平行的内部应力。

调整单元220与偏置电源218和应力信号源219连接。调整单元220从外部控制输入到RTD 201的偏置电压和应力信号，使得偏置电压和应力信号根据振荡频率具有希望的值。

根据本实施例，在太赫兹电磁波产生器件200中，当应力信号为0MPa并且偏置电压为0.8V时，NDR＝-22Ω。此时，太赫兹电磁波产生器件200在455GHz的基本振荡频率上执行太赫兹电磁波振荡操作。

当0～500MPa的范围中的拉伸应力和压缩应力作为应力信号被输入到RTD 201时，如图4C所示，NDR和基本振荡频率改变。

如上所述，根据本实施例，太赫兹电磁波产生器件200可通过输入应力信号并改变负微分电阻改变频率。另外，通过调制应力信号的输入方法，可以执行频率调制。

第二实施例：通过使用压电场向RTD施加应力

以下参照图5描述根据本实施例的太赫兹电磁波产生器件300。图5示出根据本发明的第二实施例的结构。注意，与第一实施例类似的结构的部件的描述不被重复。

太赫兹电磁波产生器件300包含RTD 301、台面310、微带贴片天线302、应力产生单元303、调整单元320、偏置电源318和应力信号源319。根据本实施例，使用微带贴片天线共振器结构作为电磁波共振器，并且，使用通过利用双层压电效应出现应力的结构作为应力产生单元303。可通过使用现有的半导体工艺制造这种结构。

微带贴片天线302包含主要用作电磁波共振器单元和电磁波放射单元的贴片天线305和主要用作电磁波共振器单元的微带线304。与第一实施例类似，电介质层307的材料和厚度、贴片天线305的边长、微带线304的长度和RTD 301的尺寸和位置是用于确定基本振荡频率的关键因素。本实施例具有以下的设计。贴片天线305的上电极层311具有尺寸为L×L/2的矩形形状，这里L＝280μm。另外，具有8μm的线宽的微带线304从贴片天线305的短边的中点延伸并且在RTD 301之上形成T形状。在这种情况下，RTD 301被设置在与微带线304的振荡电磁波的波腹对应的位置上。微带线304与DC电源线325连接，并且通过焊盘（pat）电极326与偏置电源318连接。与第一实施例类似，RTD 301具有2-μmΩ台面结构。RTD 301垂直地被上电极层311和GND电极层308夹持。以这种方式，驱动RTD 301所需要的偏置电压可被施加到RTD 301。注意，上电极层311、GND电极层308和电介质层307的材料与第一实施例相同。当应力信号为0MPa时，具有上述结构和配置的微带贴片天线302在340GHz的基本振荡频率上引起电磁波振荡。

根据本实施例，应力产生单元303具有通过使用双层压电效应产生应力的结构。应力产生单元303包含压电层314、压电层315和被压电层314和315夹持的应力信号电极313。应力产生单元303被设置为覆盖RTD 301。

压电层314和压电层315是分别沿层厚方向被极化的压电部件。例如，压电层314和压电层315是通过溅射方法形成的1μm厚的氮化铝薄膜。另外，应力信号电极313是通过使用真空沉积方法形成的0.5μm厚的铝薄膜。应力信号电极313通过应力信号布线316和应力信号焊盘312与应力信号源319连接。应力信号布线316通过绝缘层317与InP基板321电气绝缘。当例如从应力信号源319施加电压信号时，沿图示的方向出现内部应力，并因此向RTD 301施加应力信号。

在根据本实施例的RTD 301中，不出现由向RTD 301施加应力信号导致的贴片天线305的变形。因此，即使当频率由于应力的施加改变时，放射方向也保持不变。因此，可以可靠地实现一定的放射方向上的放射。

第三实施例：具有缝隙天线结构的共振器

例如，作为图6所示的电磁波产生器件630，可以使用包含具有缝隙天线结构的电磁波共振器和利用外部和直接施加方法的应力产生单元603的电磁波产生器件。缝隙天线637适于获得用于根据本发明的电磁波产生器件的较高频率。另外，作为电磁波产生器件630，可以设置在正偏置和负偏置（V_a和V_b）之间切换的开关614。

电磁波产生器件630具有在InP基板636上层叠Ti/Pd/Au电极层631和632并且其间具有SiO₂绝缘层633的结构。去除电极层631的一部分和电极层632的一部分的窗口区域634用作缝隙天线共振器。窗口区域634的长度是用于确定振荡频率的因素。根据本实施例，缝隙天线637的窗口宽度是30μm。设置具有2.3μm的边的台面635。台面635由柱状RTD 101形成。Ti/Pd/Au电极层631和632中的每一个是欧姆电极，并且通过偏置电源618与调整单元620连接。另外，应力产生单元603通过使用尖点探针或砧体直接在RTD 101中产生应力。应力产生单元603通过应力信号源619与调整单元620连接。因此，可根据希望的频率输入应力信号。

应力产生单元的另一例子是通过从静电线圈接收的静电力偏转的扭力杆。在这种情况下，RTD 101和电磁波共振器被设置在扭力杆的应力集中点上。因此，当由于来自线圈的静电力扭动扭力杆时产生的应力被传送到RTD 101。作为替代方案，应力产生单元可具有通过使用扭力杆的变形并通过使用应力信号改变缝隙天线637的方向改变放射方向的结构。

第四实施例：检查装置

下面参照图7A和图7B描述第四实施例。根据本实施例，例如，提供根据本发明的包括利用共振隧道二极管的电磁波产生器件的物体检查装置。检查装置包括配置于其中的例如根据上述的实施例的电磁波产生器件70a～70d。电磁波产生器件70a～70d可改变频率。因此，产生多个频率f1～f8的电磁波。在本例子中，可通过将应力信号输入到电磁波产生器件70a～70d中的一个或者通过使用开关改变偏置电压的极性，改变或调制频率f1～f8中的每一个。另外，电磁波中的每一个通过抛物面镜74被变形为平行光束并且传播。电磁波被发射到用作分析体的物体72。透射束被透镜73收集并被检测器71a～71d中的一个接收。虽然关于透射布置描述了本实施例，但是，可通过使用反射布置进行检查。例如，要被检测器接收的强/弱组合图案被预存于存储单元中。另外，测试材料具有频率f1～f8中的一个或多个的吸收光谱。在这种情况下，通过比较测试材料的吸收光谱与预存的图案，可以确定是否在物体72中包含测试材料。另外，图7B示出测试材料的指纹谱的例子。该谱在频率f1、f6和f7上具有吸收峰值。因此，通过预存测试材料的吸收图案并确定检测器的输出在频率f1、f6和f7上较弱而检测器的输出在其它的频率上较强，可以确定包含测试材料。

根据本实施例的检查装置可被用于例如机场的危险品和受限材料的检查、物流（邮政或货物）的检查或工厂中的工业产品的检查。此时，通过使用根据本发明的电磁波产生器件，利用通过单个检查器件产生的更多的频率的检查变得可用。因此，可以检查更多类型的测试材料。

第五实施例：外差检测器

以下参照图8A和图8B描述第五实施例。根据本实施例，例如，提供包括根据上述的实施例的使用共振隧道二极管的电磁波产生器件作为局部振荡器的外差检测器。图8A示出使用缝隙天线电磁波共振器作为局部振荡器的例子。图8B示出使用微带电磁波共振器作为局部振荡器的例子。

根据本实施例，检测器包含局部振荡器（LO）、混合器、IF检测器、天线、LO端口、RF端口和IF端口。在本例子中，使用根据本发明的电磁波振荡器作为局部振荡器（LO）。混合器是有效地将RF功率转换成IF功率的器件。例如，作为混合器，使用肖特基（shotkey）二极管、超导SIS混合器、热电子测辐射热计或HBT/HEMT混合器。IF检测器检测通过混合产生的中间频率（IF）输出，并且天线（Antenna）接收要被检测的电磁波。Lo端口和RF端口分别用作局部振荡波和信号波到混合器（Mixer）的输入端口。IF端口用作中间频率（IF）到IF检测器的输入端口。如果在天线和混合器之间以及在混合器和局部振荡器（LO1或LO2）之间设置高频滤波器和RF放大器（均未示出），那么可以实现更灵敏的检测器。

以下参照图8A更详细地描述根据本发明的检测器。检测器640的局部振荡器（LO1）包括包含缝隙天线637的电磁波产生器件630和包含开关614的偏置电源618。根据本发明的电磁波产生器件可在输入应力信号（σ₁和σ₂）时改变和调制频率。另外，通过切换偏置电压的极性，可以产生至少两个频率的电磁波。因此，通过使用根据本发明的电磁波产生器件作为局部振荡器（LO1），可从单个局部振荡器向检测器输入宽的带宽中的频率（例如，f_L1～f_L2）。另外，在检测器640中，缝隙天线共振器结构637用作用于接收电磁波（例如，f_S1～f_S2）的天线。接收的电磁波和电磁波产生器件630的振荡输出通过RF端口和LO端口被输入到混合器。因此，通过频率混合产生作为差值频率成分的中间频率（IF）。通过IF端口由IF检测器检测产生的中间频率（IF）。

以下描述通过根据本发明的检测器执行的操作。例如，当从偏置电源618施加偏置电压V_a并从应力信号源619向电磁波产生器件630输入应力信号σ₁时，局部振荡器（LO1）在频率f_L1下振荡。此时，检测器640通过使用天线接收具有f_S1（＝|f_L1+f_IF|）的频率的信号波1。然后，检测器640通过使用IF检测器检测从混合器输出的中间频率f_IF。以这种方式，可以检测信号波1。相反，当应力信号σ₂被输入到电磁波产生器件630时，局部振荡器（LO1）在频率f_L2下振荡。此时，检测器640通过使用天线接收具有f_S2（＝|f_L2+f_IF|）的频率的信号波2。然后，检测器640通过使用IF检测器检测从混合器输出的中间频率f_IF。以这种方式，可以检测信号波2。

作为替代方案，即使当如图8B所示的那样使用包含共振隧道二极管和微带共振器作为局部振荡器的电磁波产生器件800时，也可以以类似的方式进行检测。在这种情况下，检测器807的局部振荡器LO2包含RTD 801、微带线802、λ/4短线（stub）803、局部振荡波输出单元806、基板805和电源614。可通过使用广泛使用的MMIC技术来制作局部振荡器LO2。

在任意的结构中，局部振荡器LO2的振荡输出可根据应力信号σ₁和σ₂从频率f_L1连续变为频率f_L2。因此，检测器807可通过使用天线接收f_S1～f_S2的频率的电磁波，并且可进行外差检测。

例如，当使用根据第一实施例的电磁波产生器件作为局部振荡器时，频率f_L1可从425GHz调谐到465GHz。因此，如果中间频率被设定成使得f_IF＝2GHz，那么可检测427GHz～467GHz的频率F_S1的电磁波。

以这种方式，如果使用根据本发明的使用共振隧道二极管的振荡器作为外差混合中的局部振荡器，那么可实现能够自己检测宽的带宽中的太赫兹电磁波的检测器。

此外，根据本实施例，由于检测器可检测多个频带中的太赫兹电磁波，因此检测器的尺寸可减小，并且可以很容易地制作密排（denselypacked）的检测器。并且，如果阵列状布置根据本实施例的多个检测器，那么可以实现能够检测多个频率的高频率电磁波的紧凑型高度灵敏的检测器。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式和等同的结构和功能。

本申请要求在2009年12月25日提交的日本专利申请No.2009-295443的益处，在此引入其全部内容作为参考。

Claims

1.一种用于振荡太赫兹波的振荡器，包括：

有源层，被配置为通过载流子的子带间跃迁产生太赫兹波；

共振器单元，被配置为使由有源层产生的太赫兹波共振；

应变产生单元，被配置为产生有源层的应变；和

控制单元，被配置为根据通过共振器单元共振的太赫兹波的振荡特性来控制应变产生单元。

2.根据权利要求1的振荡器，其中，通过共振器单元共振的太赫兹波的频率和输出中的一个根据负微分电阻的变化而改变，所述负微分电阻根据在有源层中出现的应变而改变。

3.根据权利要求1或2的振荡器，其中，有源层由至少两种类型的半导体的异质结形成，并且沿异质结的界面的方向、或沿基本上与界面垂直的方向由应变产生单元在有源层中产生应变。

4.根据权利要求1～3中的任一项的振荡器，其中，应变产生单元是可偏转的，并且有源层被设置在通过应变产生单元沿有源层的面内方向的偏转导致有源层的应变的位置处。

5.根据权利要求1～3中的任一项的振荡器，其中，应变产生单元能够产生压电场，并且有源层被设置在通过应变产生单元产生的压电场、沿基本上与有源层的面内方向垂直的方向导致有源层的应变的位置处。

6.根据权利要求1～5中的任一项的振荡器，其中，有源层中的电子的有效质量由于应变产生单元引起的有源层的应变而改变。

7.根据权利要求1～6中的任一项的振荡器，其中，有源层由共振隧道二极管形成，并且共振隧道二极管能够接收对其施加的电压并放射通过共振器单元共振的太赫兹波。

8.根据权利要求7的振荡器，其中，共振器单元包含被配置为放射共振太赫兹波的放射单元。