CN102790355B - 波导、包括该波导的装置及制造该波导的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种波导、包括该波导的装置及制造该波导的方法，使用该波导抑制了在初始阶段中或在操作期间在半导体中引起的或由制造工艺等引起的应力和缺陷，从而预期有特性的改进和稳定性。该波导包括：第一导体层和第二导体层，其包括相对于波导模式下的电磁波具有负介电常数实部的负介电常数介质；以及核心层，其与第一导体层和第二导体层接触，并且被放置在第一导体层与第二导体层之间，并且包括半导体部分。包括半导体部分的核心层具有在面内方向上延伸的凹入凸出结构。

Description

波导、包括该波导的装置及制造该波导的方法
技术领域
本发明涉及一种波导、包括所述波导的装置以及制造所述波导的方法。更具体地说，本发明涉及一种用于从毫米波带到太赫兹波带（30GHz到30THz）（下文中，又称为太赫兹波）的频带中的电磁波的波导。
背景技术
在太赫兹波的频带中，存在生物材料、医药、电子材料等的很多有机分子的源自其结构和状态的吸收峰。此外，太赫兹波容易穿透诸如纸张、陶瓷、树脂和布料等材料。近年来，已经对使用太赫兹波的这些特性的成像技术和感测技术进行了研究和开发。例如，期望其对于用于代替X射线装置的安全荧光检查装置、制造工艺中的在线（in-line）无创检查装置等的应用。
作为电流注入型太赫兹波光源，正在研究一种结构，其使用基于半导体量子阱结构中的电子的子带间跃迁的电磁波增益。Appl.Phys.Lett.83,2124(2003)提出了一种太赫兹波带量子级联激光器（quantum cascade laser，下文中，又称为QCL），其中，被称为低损耗波导的双面金属波导（double-side metal waveguide，下文中，又称为DMW）被集成为谐振器。该元件通过在表面等离激元模式下把感应地发射的太赫兹波引导到谐振器结构（谐振器结构中金属放置在由大约10μm厚度的半导体薄膜形成的增益介质之上以及之下）而通过优异光封闭（confinement）和低损耗传播来获得大约3THz的激光振荡。
另一方面，已知多量子阱结构归因于对其施加的应变而改变其特性。在Sensors and Actuators,A,143(2008),230-236中，作出这样的报告：谐振隧道二极管（resonant tunnel diode，下文中，又称为RTD）的特性归因于对其施加的应变而改变。在Sensors and Actuators,A,143(2008),230-236中，观测到在接近100MPa的应力时负微分电阻的大约两倍的改变。此外，公开了一种具有如美国专利No.7,693,198中描述的波导的激光设备。
Appl.Phys.Lett.83,2124(2003)中公开的DMW具有这样的结构：其中，两个金属层夹住具有大约10μm的厚度的半导体层，并且通过使用金属接合技术等将半导体薄膜转移到不同衬底上来制造DMW。另一方面，其中层叠具有不同晶格常数和不同热膨胀系数的薄膜材料的结构通常已知易于归因于制造工艺而在其中产生残余应力。因此，在常规结构中，归因于制造工艺等的应变或缺陷可能改变作为增益介质的半导体薄膜的特性，从而导致振荡特性的恶化或不稳定性。
发明内容
已经鉴于上述问题作出了本发明。根据本发明的波导包括：第一导体层和第二导体层，其包括相对于波导模式下的电磁波具有负介电常数实部的负介电常数介质；以及核心层，其与第一导体层和第二导体层接触，并且被放置在第一导体层与第二导体层之间，并且包括半导体部分。包括半导体部分的核心层具有在面内方向上延伸的凹入凸出结构，此外，满足以下要求中的至少一个：
（1）凹入凸出结构被布置在与在波导模式下的电磁波的传播方向垂直的方向上，并且具有多个凸出部分。
（2）凹入凸出结构具有小于λg/2的节距长度，其中，λg=λ/ne，λ是所述电磁波的波长，ne是波导的等效折射率；以及
（3）凹入凸出结构具有小于100μm的节距长度。
根据本发明的波导具有其中包括半导体部分的核心层在面内方向上延伸的凹入凸出结构。因此，即使使用不同材料（例如负介电常数介质的第一导体层、包括半导体部分的核心层、以及负介电常数介质的第二导体层）的层叠结构，归因于由微小（minute）凹入凸出结构引起的减小应力的效应，由晶格常数差或热膨胀系数差产生的应变减小了。
更具体地说，存在以下三种情况：（1）凹入凸出结构被布置在与在波导模式下的电磁波的传播方向垂直的方向上，并且具有多个凸出部分；（2）凹入凸出结构可以具有小于λg/2的节距长度，其中，λg=λ/ne，λ是电磁波的波长，ne是波导的等效折射率；以及（3）凹入凸出结构可以具有小于100μm的节距长度。
因此，抑制了归因于制造工艺等的应变或缺陷或在初始状态中或操作期间在半导体中产生的应变或缺陷，并且因此，可预期特性（比如振荡特性）的改进和稳定。例如，可以提供一种在尺寸方面容易制造并且在太赫兹波的频带中稳定地工作的半导体元件、以及一种制造该半导体元件的方法。
根据参照附图的示例性实施例的以下描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1A、图1B和图1C是示出根据本发明的实施例和示例1的元件的视图。
图2A、图2B和图2C是示出根据本发明的示例2的元件的视图。
图3A、图3B、图3C1、图3C2、图3C3、图3C4、图3D1、图3D2、图3D3和图3D4是示出根据本发明的制造波导的方法的示例的视图。
图4A、图4B和图4C是示出根据本发明的示例3的元件的视图。
图5是示出根据本发明示例3的元件的结构分析结果的图。
图6A、图6B和图6C是示出根据本发明的示例3的元件的修改示例的视图。
图7是示出使用根据本发明的实施例和示例的元件的应用示例的视图。
具体实施方式
本发明涉及一种波导，其特征在于：核心层，与用于限定波导的负介电常数介质的两个导体层接触并且放置在所述两个导体层之间，并且包括半导体部分，核心层具有在面内方向上延伸的凹入凸出结构。此外，满足以下要求中的至少一个：（1）凹入凸出结构设置为使得在与波导模式下的电磁波的传播方向垂直的方向上延伸；（2）凹入凸出结构具有小于λg/2的节距长度，其中，λg=λ/ne，λ是电磁波的波长，ne是波导的等效折射率；以及（3）凹入凸出结构具有小于100μm的节距长度。凹入凸出结构可以是在厚度方向上穿过核心层的分隔槽、通过在厚度方向上向下挖所述核心层到中途所获得的盲槽、核心层中提供的中空部分等。当半导体部分包括具有如下述的电磁波增益的有源层时，关于效果，优选的是，盲槽被挖掘从而穿过有源层，但是即使盲槽在到达有源层之前停止，也获得特定级别的效果。此外，作为槽或中空部分的凹入部分可以是原样的空间，但可以通过用电介质或绝缘体填充空间而形成为间隔物。在待放置于上面的导体层的形状的强度、稳定性等方面，后一种情况是优选的。根据本发明，使用通过在凹入凸出结构的一端的失配错位（misfit dislocation）等减小应力的效果，并且因此，只要可以如此产生应变减小，就可以在核心层中形成任何种类的凹入凸出结构。根据本发明的波导可以用作用于电磁波的简单波导，并且，如以下实施例和示例中描述的那样，半导体部分可以还具有电磁波增益部分，以形成振荡器、电磁波检测元件、电磁波放大元件等。
以下参照附图描述根据本发明实施例和示例的波导、包括该波导的元件以及制造该波导的方法。
实施例
参照图1A至图1C描述包括根据本发明实施例的波导的振荡器100。图1A是平面图，图1B是沿着图1A的直线1B-1B取得的截面图，图1C是沿着图1A的直线1C-1C取得的截面图。
振荡器100包括具有电磁波增益并且其中的每一个都以岛形状形成的多个半导体部分101、间隔物102、以及作为相对于波导模式下的电磁波具有负介电常数实部的负介电常数介质的导体层的第一金属层103和第二金属层104，并且被安装在衬底105上。在该实施例中，以下描述的有源层106以及在有源层106之上和之下提供的半导体形成半导体部分101。半导体部分101和间隔物102形成核心层108。作为包层的两个金属层103和104以及核心层108形成被称为DMW的波导107。存在多个半导体部分101，其被在厚度方向上延伸的分隔槽彼此分隔，并且其中每一个半导体部分以岛形状形成。优选的是，半导体部分101的大小在10μm到约亚微米的范围中。在具有这样尺寸的用于毫米波到太赫兹波的频带的元件中，半导体部分101的大小被设置为使得波导107在纵向方向和横向方向上的宽度等于或小于λg/2，优选地，等于或小于λg/10。λg是在振荡模式下的波导107的波导波长，并且由λg=λ/ne表示，其中，λ是电磁波的波长，ne是波导107的等效折射率。彼此接近地提供两个金属层103和104，从而其间的距离是例如λg或更小。
半导体部分101包括具有用于通过载流子的子带间跃迁而生成太赫兹波的多量子阱结构的有源层106，并且具有电磁波增益。作为有源层106，例如，具有几百至几千层的半导体多层结构的谐振隧道结构或量子级联激光器结构是合适的。该实施例描述为这样的情况：其中，谐振隧道二极管（RTD）用作有源层106。RTD具有基于负微分电阻区域中的光子协助隧穿现象（photon-assisted tunnelingphenomenon）的在毫米波到太赫兹波的频带中的电磁波增益。优选的是，半导体部分101包括有源层106之上和之下的重掺杂层作为用于将电流注入RTD中的发射极/集电极。具有电磁波增益并且包括有源层106的半导体部分101与两个金属层103和104接触，并且放置在这两个金属层103和104之间。
具体地说，该实施例的特征在于所述凹入凸出结构。更具体地说，其特征在于以下三个特征：（1）凹入凸出结构被布置在与在波导模式下的电磁波的传播方向垂直的方向上，并且具有多个凸出部分。（2）凹入凸出结构的节距长度小于λg/2，其中，λg=λ/ne，λ是电磁波的波长，ne是波导的等效折射率；以及（3）凹入凸出结构的节距长度小于100μm。通过提供这样的结构，凹入凸出结构可以被视为这样的结构：其中，反射、散射、折射等对波导模式下的电磁波的影响是可忽略的。
用于使得核心层108具有在面内方向上延伸的凹入凸出结构的间隔物102被布置在邻近的半导体部分101之间，从而与半导体部分101接触。在面内方向上，半导体部分101形成凹入凸出结构的凸出部分，而间隔物102形成凹入凸出结构的凹入部分。作为间隔物102，与半导体部分101的材料不同的材料（诸如电介质或绝缘体等）是合适的，并且相对于要振荡的电磁波的低损耗材料是优选的。间隔物102的材料可以是具有与半导体部分101不同的晶格常数的材料、多晶材料、或非结晶材料。优选的是，采用的材料使得半导体部分101中的每个半导体部分101都以岛形状形成，也就是说，形成不连续膜。关于间隔物102的大小，优选的是，在波导107的纵向方向和横向方向上的间隔物102的宽度等于或小于λg/2，更优选地，等于或小于λg/10。原因在于，大小被设置为波长的1/10的结构可以通常被视为这样的结构：其中，反射、散射、折射等对该波长的电磁波的影响可忽略。
如上所述，第二金属层104和第一金属层103分别放置在半导体部分101和间隔物102之上和之下。半导体部分101机械地且电气地与第一金属层103和第二金属层104接触。这允许作为有源层106的RTD由在第一金属层103与第二金属层104之间施加的电压来驱动。此外，优选的是，间隔物102至少机械地与金属层103和104接触。间隔物102在确定彼此接近的第一金属层103与第二金属层104之间的距离时起作用，并且使波导107成为刚性稳定结构。
如上所述，根据该实施例的振荡器100包括作为DMW的波导107。波导107包括：核心层108，其包括具有电磁波增益的半导体部分101；以及包层，其包括彼此接近的第一金属层103和第二金属层104。第一金属层103与第二金属层104之间的距离小于或等于λg/2，优选地小于或等于λg/10，其中，λg是振荡模式下振荡器100的波导波长。在此，毫米波到太赫兹波的频带中的电磁波在不存在衍射限制的表面等离激元模式下传播通过波导107。为了获得其中波导波长为λg的振荡模式，如在半导体激光器技术领域中已知的那样，作为电磁波的传播方向的波导107的纵向方向上的长度L设置为λg/2的整数倍。
根据该实施例的振荡器具有如上描述的波导107。通过层叠具有不同晶格常数和不同热膨胀系数的薄膜材料形成的结构（例如金属/半导体部分/金属）可以归因于半导体部分中的制造工艺等而产生应变。通常，通过形成半导体膜的工艺或制造元件的工艺的热迟滞等而在薄膜中产生的内部应力近似在±1GPa的范围中。归因于工艺，在半导体部分101或有源层106中可能产生±0.1%至±1%的应变，其中，“+”表示拉伸应力，而“-”表示压缩应力。此外，当如在传统情况下那样通过接合不同种类的衬底来制造DMW结构时，归因于热膨胀系数差的热压力或接合界面周围的应力集中可能在半导体部分中产生应变。
相反，本发明的元件包括半导体部分101，其大小被设置为使得在波导107的宽度方向上的宽度等于或小于λg/2至λg/10（在太赫兹波的频带中的10μm至亚微米），其中的每一个半导体部分都以岛形状形成，并且半导体部分101包括有源层106以及在半导体部分101之间布置的间隔物102。以此方式，通过把半导体部分形成为并非常规连续膜而是大小被设置为如波长那样微小或更小的岛形状结构的增益介质，通过在岛结构的一端处的失配错位减小应变的效果可以减小半导体部分中产生的应变。在该实施例的元件中，太赫兹波的频带中的振荡模式下的波导波长λg将半导体部分的厚度和宽度分别确定为几十微米至0.1μm以及几十微米至0.1μm，这对于用于减小应变的结构是合适的。
此外，在根据该实施例的元件中，通过在邻近半导体部分101之间布置电介质或绝缘体的间隔物102，使DMW结构更稳定。通过把相对于毫米波至太赫兹波的低损耗材料用作间隔物102，归因于自由电子吸收、导体损耗等的波导损耗减小。此外，为了高效地放大波导107中的驻波，期望包括有源层106作为增益介质的半导体部分101至少被布置在要被作为振荡模式下的谐振电场中的波腹的位置处。不贡献于电磁波增益的放大的间隔物102可以被布置在要被作为谐振电场的波节的位置处。
现参照图3A、图3B、图3C1至图3C4以及图3D1至图3D4描述制造波导的方法的示例。该制造方法包括以下步骤：在半导体层中形成凹入部分；以及使用用于提供间隔物的物质填充凹入部分。更具体地说，通过以下步骤制造该实施例中描述的元件以及作为元件的谐振器的波导307，可以减少归因于制造工艺等在初始状态中或操作期间在半导体中产生的应变或缺陷。波导307包括：包层，通过彼此靠近从而其间的距离等于或小于波导波长λg的第一导体层303和第二导体层304形成；以及核心层308，放置在导体层303与304之间。核心层308包括每个均以岛形状形成的多个半导体部分301以及间隔物302。在包括以下步骤（A）至（F）的工艺中制造波导307：
（A）制备在上表面上具有半导体部分301的第一衬底309；
（B）制备第二衬底305；
（C）经由第一导体层303将第一衬底309上的半导体部分301转移到第二衬底305的上表面上；
（D）将半导体部分301划分为岛形状；
（E）在每一个都以岛形状形成的划分出的半导体部分301之间布置间隔物302；以及
（F）在半导体层301的上表面上形成第二导体层304。
关于与图3A、图3B和图3C1至图3C4的关系，图3A对应于步骤（A），图3B对应于步骤（B），图3C1至图3C2对应于步骤（C），图3C3对应于步骤（D）和（E），图3C4对应于步骤（F）。
步骤（A）至（F）不一定要求按该顺序（图3A、图3B、以及图3C1至图3C4）执行。例如，如图3（图3D1至图3D4）的右侧所示，即使按（A）、（B）、（D）、（E）、（C）和（F）的顺序执行步骤，也可以减少转移中产生的应力，并且减少应变的效果在预料之中。此外，当半导体部分301包括具有电磁波增益的有源层时，就制成了包括波导307作为谐振器的振荡器100。如果制造方法包括步骤（D）和（E），则可以抑制在初始状态中或操作期间可能产生半导体的应变的结构中的应变。如果以金属形成第一导体层303和第二导体层304，则实现执行低损耗传播和高效封闭的双等离激元波导。如果以半导体形成第二导体层304，则可以实现低损耗单等离激元波导。
如上所述，在该实施例中，即使使用作为包括不同种类薄膜的材料的金属（导体层）/半导体部分/金属（导体层）的层叠结构，也可提供其中归因于制造工艺等而在半导体中产生的应变和缺陷被抑制了的元件，以及一种制造所述元件的方法。因此，根据该实施例，实现在太赫兹波的频带中稳定地工作的振荡器等。
以下描述更多具体示例。
示例1
现参照图1A至图1C以及图3A、图3B、图3C1至图3C4以及图3D1至图3D4描述根据本发明的具体示例1的元件。在示例1中，作为具有用于通过子带间跃迁而生成太赫兹波的多量子阱结构的有源层106，使用与InP衬底晶格匹配的基于InGaAs/InAlAs的谐振隧道二极管结构。有源层106具有半导体多层结构，其中，按从顶部开始的顺序层叠n-InGaAs(50nm,1×1018cm-3)、InGaAs(5nm)、AlAs(1.3nm)、InGaAs(7.6nm,*)、InAlAs(2.6nm)、InGaAs(5.6nm,*)、AlAs(1.3nm)、InGaAs(5nm)和n-InGaAs(50nm,1×1018cm-3)。在厚度之后具有星号（*）的InGaAs层要成为量子阱层，而没有星号（*）的基于InAlAs的材料要成为势垒层，以形成三垒谐振隧道结构。与InP衬底不晶格匹配的AlAs层比临界薄膜更薄，并且是高能量垒。此外，在顶部和底部的掺杂有高密度载流子的n-InGaAs层是发射极/集电极层，用于将电子注入到谐振隧道结构/从谐振隧道结构抽取电子。在发射极/集电极层与势垒层之间放置的InGaAs（5nm）层是用于防止作为掺杂材料的Si的扩散的层。
半导体部分101包括上述有源层106和被放置在有源层106之上和之下并且掺杂有高密度载流子的n-InGaAs层（500nm，1×1019cm-3）。掺杂层分别以相对低电阻连接半导体部分101以及放置在半导体部分101之上和之下的第一金属层103和第二金属层104。第一金属层103和第二金属层104中的每一个包括Ti/Pd/Au层叠膜。振荡器100经由第一金属层103和第二金属层104连接到电源，并且用于驱动的偏置电压提供至振荡器100。通过上述结构，振荡器100基于负微分电阻区域中的光子协助隧穿现象生成毫米波到太赫兹波的频带的电磁波。
波导107具有Fabry-Perot谐振器结构，并且在电磁波的传播方向上包括至少两个端面，使用来自端面的反射而使得电磁波成为驻波。因此，波导107的传播方向（波导107的纵向方向）上的长度L是在确定振荡波长中的因素。在该示例中，波导107的长度L是1mm，其为λg的5倍大，并且波导107的宽度是0.02mm。因此，第二金属层104处于1mm×0.02mm的矩形图案中。
每个均以岛形状形成从而彼此分离的半导体部分101包括在与波导模式下电磁波的传播方向垂直的方向上延伸的凹入凸出结构。半导体部分中的每一个在具有2μm宽度的方形中，九个半导体部分101被布置在波导107的纵向方向上，节距长度是100μm（λg/2），三个半导体部分101被布置在波导107的横向方向上，节距长度是5μm。以此方式，提供凹入凸出结构，从而在与波导模式下电磁波的传播方向垂直的横向方向上延伸。注意，在图1A至图1C中，节距长度是一个凹入部分的长度与一个凸出部分的长度的和。与波导模式下电磁波的传播方向平行的节距长度由PL1表示，在面内方向上且在与传播方向垂直的方向上的节距长度由PL2表示。为了容易理解结构特性，减少半导体部分101的数量。半导体部分101被布置在将要成为波导107的振荡模式下谐振电场中的波腹的位置处。在该示例中，波导107的端面是开放端，至少距端面λg/2的位置是谐振电场中的波腹的位置。此外，作为间隔物102，在太赫兹波带中是低损耗的BCB（苯并环丁烯，benzocyclobutene）被布置在邻近的半导体部分101之间，从而与半导体部分101接触。通过把相对于毫米波至太赫兹波的低损耗材料用作间隔物102，归因于自由电子吸收、导体损耗等的波导损耗减小。从半导体部分101的厚度可见，第一金属层103与第二金属层104之间的距离大约是1μm，并且间隔物102被设置为具有相同厚度。在该示例中，波导107的核心层108的多于90%是作为间隔物102的BCB，因此，如果当振荡频率是1THz时的等效折射率是大约1.5，则振荡模式下的波导波长λg是200μm。因此，半导体部分101的大小近似等于λg/100，节距长度等于λg/2，间隔物102的大小近似等于λg/2。注意，当波导107的核心层108中的半导体部分101的比例高时，如以下示例2中描述的那样，等效折射率增大，当比例为一半时，等效折射率在示例1与示例2的等效折射率的中间。
现参照图3A、图3B以及图3C1至图3C4描述制造该示例的元件的波导307a的方法。作为第一衬底，制备具有多量子阱结构的InP衬底309，多量子阱结构形成InP衬底上外延生长的半导体部分301（图3A）。作为第二衬底，制备GaAs衬底305（图3B）。通过真空沉积在InP衬底309的上表面（上面放置有半导体部分301的表面）上形成Ti/Pd/Au层（20nm/20nm/200nm）。通过真空沉积在GaAs衬底305的上表面上形成Ti/Pd/Au层（20nm/20nm/200nm）。使得InP衬底309和GaAs衬底305的上表面彼此面对，并且通过Au的热压缩接合而将两个衬底彼此接合（图3C1）。在此通过热压缩接合而形成的Ti/Pd/Au/Pd/Ti层（20nm/20nm/400nm/20nm/20nm）是第一金属层303。通过研磨和盐酸蚀刻从整体衬底移除InP衬底309，以将半导体部分301转移到GaAs衬底305上（图3C2）。通过光刻和干法蚀刻而将半导体部分301划分为多个半导体部分301a，其中的每一个以岛形状形成。通过旋转涂覆和干法蚀刻而将BCB填充到邻近的半导体部分301a之间的空间，以形成间隔物302a。以此方式，形成核心层308a（图3C3）。真空沉积和剥离（lift-off）用于形成Ti/Pd/Au（20nm/20nm/200nm）的第二金属层304（图3C4）。
在该示例的元件中，即使使用作为包括不同种类的薄膜的材料的金属/半导体/金属的层叠结构，也可减小晶格常数差或热膨胀系数差产生的应变。因此，抑制归因于制造工艺等在初始状态中或操作期间在半导体中产生的应变或缺陷，因此，实现特性（比如振荡特性）的改进和稳定。在此，通过提供间隔物102，使波导成为具有刚性结构的等离激元波导，并且实现更稳定的元件。此外，具有电磁波增益的半导体部分101至少被布置在要成为波导的振荡模式下的波腹的位置处，相对于太赫兹波的低损耗材料的间隔物102被布置在要成为振荡模式下的波节的位置处，因此，实现低损耗和高效的等离激元波导。此外，在根据本发明的半导体元件中，以不连续膜（例如凹入凸出结构或岛形状的结构）形成使电流流过的半导体部分101。因此，与常规情况相比，减少了半导体的面积，因此，抑制了被使得流过元件的电流。更具体地说，在该示例中，基于半导体层的结构和面积而近似计算出的元件的电阻是大约10Ω，其为常规情况（即大约0.1Ω）的100倍。因此，可以减少被使得流过包括元件、外围电路以及外部电源的整个系统的电流，因此，减少微小电阻器、电容器等的寄生组件的影响，结果是可预期振荡器的产率的改进。此外，如果大电流不是必须的，则普通电子组件和装置可以用作电源和外围电路，因此，可预期更实际的效果（例如成本减少）。
本发明不限于该示例的上述结构，以下描述的修改示例也是可能的。例如，在该示例中，上述有源层106是以在InP衬底上生长的InGaAs/InAlAs或InGaAs/AlAs形成的三垒谐振隧道二极管。然而，本发明不限于这样的结构和材料，其它结构以及其它材料组合也可以提供半导体元件。例如，也可以使用具有双垒量子阱结构的谐振隧道二极管，具有四元或更多的多垒量子阱结构、已知为量子级联激光器的具有级联连接的多量子阱结构等的谐振隧道二极管等。关于材料组合，也可以使用GaAs衬底上形成的GaAs/AlGaAs、GaAs/AlAs、或InGaAs/GaAs/AlAs，InP衬底上形成的InGaAs/AlGaAsSb，InAs衬底上形成的InAs/AlAsSb或InAs/AlSb，Si衬底上形成的SiGe/SiGe等。可以取决于期望频率等而适当地选择结构和材料。
此外，在该示例中，假设载流子是电子来进行描述。然而，本发明不限于此，也可以使用正空穴（空穴）。此外，可以取决于应用目的而选择衬底的材料，也可以使用半导体衬底（诸如硅衬底、砷化镓衬底、砷化铟衬底、或磷化镓衬底等）、玻璃衬底、陶瓷衬底、树脂衬底等。此外，作为第一金属层103和第二金属层104，也可以适当地使用金属（Ag、Au、Cu、Al、AuIn合金等）或半金属（Bi、Sb、ITO、ErAs等）。应理解，重掺杂的半导体可以用作导体。此外，作为间隔物102，适当地使用无机材料（诸如SiO2、TEOS、多晶硅、SiNx、AlN或TiO2等）或有机材料（诸如BCB、SU-8或聚酰亚胺等）。此外，也可以使用重新生长的低导电本征半导体。这些修改示例相似地可应用于其它实施例和示例。
示例2
现参照图2A至图2C以及图3A、图3B、图3C1至图3C4以及图3D1至图3D4描述根据本发明的示例2的元件。作为有源层206，使用与示例1的情况下相同的谐振隧道二极管结构，并且半导体部分201的结构也与示例1的情况相同。关于波导207，也与示例1的情况相似，长度L是1mm，其为λg的20倍，宽度是0.05mm，第二金属层204形成在1mm×0.05mm的矩形图案中。省略与示例1的情况相似的其它结构的描述。
在该示例中每个均以岛形状形成的半导体部分201中的每个均在宽度为24μm的方形中，并且从波导207的一端被布置在波导207的纵向方向和横向方向上，各个节距长度为25μm（λg/8）。在图2A至图2C中，节距长度是将要成为一个周期（一个节距长度）的一个凹入部分的长度与一个凸出部分的长度的和。与波导模式下电磁波的传播方向平行的节距长度由PL1表示，面内的与传播方向垂直的方向上的节距长度由PL2表示。为了容易理解结构，减少半导体部分201的数量。具有1μm的宽度的间隔物202被布置在邻近的半导体部分201之间，在要成为波导207的振荡模式下谐振电场中的波节的位置处，并且该间隔物202被布置为多条线的形式。在该示例中，波导207的端面是开放端，至少距端面λg/4的位置是谐振电场中的波节的位置。通过在要成为不贡献于放大的电场中的波节的位置处布置不是增益介质的间隔物202，与在所述位置具有半导体部分201的结构的情况相比，更加防止振荡器的增益的降低。在该示例中，作为间隔物202，布置太赫兹波带中低损耗的SiO2，以便与半导体部分201接触。
从半导体部分201的厚度可见，第一金属层203与第二金属层204之间的距离大约是1μm，并且间隔物202被设置为具有相同厚度。在该示例中，波导207的核心层208的多于90%是半导体部分201，电磁波在表面等离激元模式下传播通过有源层206的薄本征半导体层。在该示例中，如果当振荡频率为0.3THz时波导207的等效折射率是大约20，则振荡模式下的波导波长λg是50μm。因此，半导体部分201的大小近似等于λg/2，节距长度近似等于λg/2，间隔物202的大小近似等于λg/50。
现参照图3A、图3B以及图3D1至图3D4描述制造该示例的元件的波导307b的方法。如下制造该示例中的波导307b。作为第一衬底，制备具有多量子阱结构的InP衬底309，多量子阱结构形成通过分子束外延等在InP衬底上外延地生长的半导体部分301（图3A）。作为第二衬底，制备GaAs衬底305（图3B）。通过光刻和干法蚀刻而将半导体部分301划分为多个半导体部分301b，其中的每一个以岛形状形成。通过等离子体CVD（化学气相沉积）和CMP（化学机械抛光）将SiO2填充到邻近的半导体部分301b之间的空间，以形成间隔物302b（图3D1）。通过真空沉积在InP衬底309的上表面（上面布置有半导体部分301b的表面）上形成Ti/Pd/Au层（20nm/20nm/200nm）。通过真空沉积在GaAs衬底305的上表面上形成Ti/Pd/Au层（20nm/20nm/200nm）。使InP衬底309和GaAs衬底305的上表面彼此面对，并且通过Au的热压缩接合而将衬底彼此接合（图3D2）。在此通过热压缩接合而形成的Ti/Pd/Au/Pd/Ti层（20nm/20nm/400nm/20nm/20nm）是第一金属层303。通过研磨和盐酸蚀刻从整体衬底移除InP衬底309，以将半导体部分301b转移到GaAs衬底305上。通过光刻和干法蚀刻，形成间隔物302b（图3D3）。真空沉积和剥离用于形成Ti/Pd/Au（20nm/20nm/200nm）的第二金属层304（图3D4）。
在该示例中的元件中，也抑制了归因于制造工艺等在初始状态中或操作期间在半导体中产生的应变和缺陷，因此，实现特性（比如振荡特性）的改进和稳定。
示例3
现参照图4A至图4C、图5以及图6A至图6C描述根据本发明的示例3。注意，在附图中，减少凹入凸出结构的数量。作为有源层406，使用与示例1的情况相同的谐振隧道二极管结构，并且半导体部分401的结构也与示例1相同。关于波导407，长度L是1mm，其为λg的20倍，宽度是0.005mm，第二金属层404形成在1mm×0.005mm的矩形图案中。省略与示例1的情况相似的其它结构的描述。
该示例中的振荡器400包括波导407的一个端面附近的区域412，其中，半导体部分401以岛形状形成，作为凹入凸出结构的间隔物402在面内方向上延伸。与示例1的情况相似，以BCB形成间隔物402。在该示例中，波导407的核心层408中的半导体部分401与间隔物402之间的体积比率分布在面内方向上。换句话说，波导407的核心层408中的凹入凸出结构的疏密程度在波导的端面附近逐渐改变。更具体地说，如图5的表所示，半导体部分401和间隔物402被布置为使得半导体部分401的体积比率以20μm节距的增量朝向所述端面逐渐减小（因此，间隔物402的体积比率逐渐增大）。区域412的长度L′是0.14mm。
图5示出对于该示例的波导407的结构使用高频电磁场仿真器（ANSYS公司制造的HFSS）在300GHz处进行的间隔物的体积比率与等效折射率之间的相关性的分析结果。传播通过波导407的电磁波的等效折射率与间隔物402与半导体部分401之间的体积比率有关地从大约2逐渐改变为20。因此，在该示例中公开的结构中，在波导407的端面附近的区域412中，等效折射率朝向端面逐渐减少，以达到大约2，因此，可以相对容易地实现与波导的外部的阻抗匹配。在此使用的波导的外部指代例如自由空间、传输线、或具有低介电常数的电介质。
图6A至图6C是示出作为该示例的修改示例的波导500的视图。注意，在这些图中，为了容易理解结构特性，减少凹入凸出结构的数量。此外，波导500的基本结构和材料与图4A至图4C所示的振荡器400相同，因此省略其描述。如在振荡器500中那样，可以在波导507的两侧的端面附近包括区域512和区域513：在区域512和区域513中布置了将要成为在面内方向上延伸的凹入凸出结构的间隔物502和以岛形状形成的半导体部分501。在波导507的区域512和区域513中，具有2μm的宽度的半导体部分501被布置为使得其每单位长度的数量朝向端面逐渐减少。更具体地说，具有2μm宽度的半导体部分501被布置为使得其每50μm长度的数量在50μm节距的增量的情况下逐渐减少为25、10、5、2和1。在此情况下，L′=250μm。其中端面附近的等效折射率以此方式逐渐改变的结构也适合于与外部的阻抗匹配。此外，在本发明的另一修改示例中，可以通过部分地改变波导407的核心层408中的凹入凸出结构的疏密程度而部分地改变波导的有效折射率。
在该示例的元件中，也抑制了归因于制造工艺等在初始状态中或操作期间在半导体中产生的应变或缺陷，因此，实现特性（比如振荡特性）的改进和稳定。此外，在DMW中，在端面处的反射增加，并且波束图案归因于波导与空间之间的模式失配而发散，因此，从应用性的观点来说，DMW在波束的高效使用和传送路线中有问题。使用根据本发明的结构，可以提供容易地实现波导与外部之间的阻抗匹配的高效波导。
此外，可以与用于计算样本的状态等的算术单元结合使用上述波导来提供图7所示的装置。例如，波导用作振荡器，并且样本放置在波导的一端处。样本与从波导发送的电磁波相互作用，因此，一些影响作用在发送的电磁波上。施加于样本的电磁波被样本反射或穿过样本，被检测器检测到。此后，算术单元（例如个人计算机）基于检测信号而计算样本的状态。更具体地说，提出了对用于检查医药状态等的工业检查装置的应用。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附权利要求的范围将要被赋予最宽泛的解释，从而包括所有这些修改以及等效结构和功能。

Claims (13)

1.一种波导(107)，包括：
第一导体层(103)和第二导体层(104)，所述第一导体层(103)和第二导体层(104)包括相对于波导模式下的电磁波具有负介电常数实部的负介电常数介质；以及
核心层(108)，其与所述第一导体层和所述第二导体层接触并且被放置在所述第一导体层与所述第二导体层之间，并且包括半导体部分(101)，
其中，包括所述半导体部分的所述核心层具有凹入凸出结构，其中，在核心层的面内方向上，在核心层的厚度方向上凹入的凹入部分(102)被布置在相邻的凸出部分(101)之间，
其特征在于，满足以下要求中的至少一个：
1)在凹入凸出结构中，凹入部分在与波导模式下的电磁波的传播方向垂直的面内方向上被布置在相邻的凸出部分之间；
2)所述凹入凸出结构具有小于λg/2的节距长度，其中，λg＝λ/ne，λ是所述电磁波的波长，ne是所述波导的等效折射率；以及
3)所述凹入凸出结构具有小于100μm的节距长度，并且所述凹入凸出结构具有在所述波导的端面附近逐渐改变的疏密程度。
2.根据权利要求1所述的波导，其中，在要求1)和2)中，所述凹入凸出结构具有在所述波导的端面附近逐渐改变的疏密程度。
3.根据权利要求2所述的波导，其中，所述凹入凸出结构的疏密程度在所述波导的端面附近逐渐改变表现为凸出部分的体积比率朝向所述波导的端面逐渐减小。
4.如权利要求1至3中任一项所述的波导，其中，所述凹入凸出结构的凹入部分包括槽，所述槽用于通过在厚度方向上穿过所述核心层而将所述半导体部分划分为岛形状。
5.如权利要求4所述的波导，其中，所述凹入部分被构造为电介质或绝缘体的间隔物。
6.如权利要求5所述的波导，其中，所述间隔物在所述波导的纵向方向和横向方向上具有等于或小于λg/2的宽度，其中，λg＝λ/ne，λ是所述电磁波的波长，ne是所述波导的等效折射率。
7.如权利要求1至3中任一项所述的波导，其中，所述半导体部分在所述波导的纵向方向和横向方向上具有等于或小于λg/2的宽度，其中，λg＝λ/ne，λ是所述电磁波的波长，ne是所述波导的等效折射率。
8.如权利要求1至3中任一项所述的波导，其中，所述半导体部分至少被布置在要成为振荡模式下的谐振电场中的波腹的位置处。
9.如权利要求5所述的波导，其中，所述间隔物至少被布置在将要成为振荡模式下的谐振电场中的波节的位置处。
10.如权利要求1至3中任一项所述的波导，其中，所述半导体部分具有多量子阱结构，用于通过载流子的子带间跃迁来生成太赫兹波。
11.一种使用电磁波的装置，包括：
如权利要求1至10中任一项限定的波导；以及
算术单元，用于检测已经与样本相互作用的电磁波，并且基于检测信号来计算所述样本的状态。
12.一种制造如权利要求1至10中任一项限定的波导的方法，所述方法包括：
在半导体层中形成凹入部分；以及
使用物质填充所述凹入部分以布置间隔物。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：
制备第一衬底，所述第一衬底在上表面上提供有半导体层；
制备第二衬底；
经由第一导体层将所述第一衬底上的半导体层转移到第二衬底的上表面上；以及
在所述半导体层的上表面上形成第二导体层，在所述半导体层中布置有间隔物。
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