CN112635960A - 设备和设备的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了设备和设备的制造方法。一种设备，包括：天线阵列，设置有多条天线，这些多条天线各自包括具有太赫兹波增益的半导体层；以及耦合线，用于在太赫兹波的频率处的天线中的至少两条天线的相互频率锁定，其中，该耦合线连接到分流设备，并且该分流设备与该两条天线中的每条天线的半导体层并联连接。

Description

设备和设备的制造方法
技术领域
本发明涉及发射或检测太赫兹波的设备，并且涉及该设备的制造方法。
背景技术
已知集成了谐振器和具有太赫兹电磁波增益的半导体设备的振荡器作为生成太赫兹波的电流注入型光源，太赫兹波是在至少30GHz且不超过30THz的频率范围内的电磁波。特别地，期望将集成了共振隧穿二极管(RTD)和天线的振荡器作为在室温下在1THz附近的频率区域中操作的设备。
“Jpn.J.Appl.Phys.,第47卷，第6期(2008),第4375-4384页”描述了一种RTD和缝隙天线谐振器被集成在半导体基板上的太赫兹波振荡器。在本说明书中，使用由在InP基板上外延生长的InGaAs量子阱层和AlAs隧道势垒层构成的双势垒RTD。使用这种RTD的振荡器可以在室温下在电压电流(V-I)特性产生负微分电阻的区域中实现太赫兹波振荡。
另外，日本专利申请公开No.2014-200065描述了一种集成了RTD和天线的多个振荡器被布置在同一基板上的太赫兹波天线阵列。日本专利申请公开No.2014-200065中描述的天线阵列能够通过相邻天线彼此同步来增大天线增益和功率。
“IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,第42卷，第4期，1994年4月”描述了相邻天线通过片状电阻器连接以实现模式稳定的配置。
然而，增大天线阵列中的天线数量(负电阻设备的数量)增大要同步的模式的数量(谐振频带的数量)，因此，天线数量越大，设备的太赫兹波的生成或检测的稳定性变得越困难。
因此，在具有多条天线的设备中存在由于存在多个同步模式，因此没有实现高效的太赫兹波的生成或检测的情况。
发明内容
因此，本技术实现了在设置有多条天线的设备中更高效的太赫兹波的生成或检测。
本技术的公开的第一方面是：
一种设备，包括：
天线阵列，设置有多条天线，这些多条天线各自包括具有太赫兹波增益的半导体层；以及
耦合线，用于在太赫兹波的频率处的天线中的至少两条天线的相互频率锁定，其中，
该耦合线连接到分流设备，并且
该分流设备与这两条天线中的每条天线的半导体层并联连接。
本技术的公开的第二方面是：
一种用于设置有天线阵列的设备的制造方法，该天线阵列具有多条天线，该方法包括：
在基板上形成具有太赫兹波增益的半导体层；
在该基板上形成第一导体层；
形成分流设备，该分流设备与两条天线中的每条天线的半导体层并联连接，并且连接到用于在太赫兹波频率处的这些多条天线的相互频率锁定的耦合线；以及
形成第三导体层以形成该耦合线，该耦合线具有第一电介质层被夹在第一导体层和第三导体层之间的结构。
根据以下参考附图对示例性实施例的描述，本发明的更多特征将变得清楚。
附图说明
图1A至图1C是示出根据第一实施例的半导体设备的等效电路的图；
图2A至图2C是示出根据第一实施例的半导体设备的配置的图；
图3是示出根据第一实施例的半导体设备的阻抗的图；
图4A至图4C是示出根据第一变形例的半导体设备的配置的图；以及
图5A至图5C是示出根据第二变形例的半导体设备的配置的图。
具体实施方式
第一实施例
下面将描述根据第一实施例的半导体设备100。半导体设备100生成(发射)或检测频率(谐振频率、振荡频率)fTHz的太赫兹波(在至少30GHz且不超过30THz的频率区域中的电磁波)。注意的是，下面将描述半导体设备100被用作振荡器的示例。在半导体设备100的堆叠方向上的每个配置的长度将被称为“厚度”或“高度”。
关于半导体设备的电路配置的描述
首先，将描述半导体设备100的电路配置。图1A是描述半导体设备100的等效电路的图。图1C是描述半导体设备100具有的偏置电路Va和Vb的等效电路的图。
半导体设备100具有设置有多条天线的天线阵列。在本实施例中，半导体设备100具有天线100a和天线100b相邻设置的天线阵列。天线100a既用作与太赫兹波谐振的谐振器，又用作发送或接收太赫兹波的辐射器。天线100a内部具有用于生成或检测太赫兹波(电磁波)的半导体层115a。天线100b具有与天线100a相同的配置。下面将详细描述天线100a的配置，并且将省略与天线100a的组件相同的天线100b的组件的详细描述。
在本实施例中，将关于设置有两条天线的半导体设备100进行描述，但天线的数量可以是三条或更多条。例如，半导体设备100可以具有天线以3×3矩阵阵列排列的阵列。可替换地，半导体设备100可以具有三条天线在列或行方向上线性排列的线性阵列。半导体设备100可以具有m×n(m≥2，n≥2)条天线以矩阵排列的天线阵列的配置。这些天线还优选地以作为频率fTHz的太赫兹波的波长的整数倍的节距布置。
注意的是，在下面的描述中，指示对应的天线的字母字符被附加到表示属于天线100a和天线100b的组件的符号的末端。更具体地，“a”被附加到表示天线100a具有的组件的符号的末端，并且“b”被附加到表示天线100b具有的组件的符号的末端。
如图1A中示出的，半导体102a、由天线辐射和导体损耗确定的电阻器Ra以及由结构确定的LC组件(电容器Ca和电感La)在天线100a中并联连接。另外，用于向半导体102a供应偏置信号的偏置电路Va与半导体102a并联连接。
半导体102a具有关于太赫兹波的电磁波增益或载流子非线性(根据电流-电压特性的电压变化的电流非线性)。在本实施例中，作为在太赫兹波频带中具有电磁波增益的典型半导体的共振隧穿二极管(RTD)被用作半导体102a。半导体102a包括RTD的负微分电阻与二极管电容器并联连接的电路(在图示中被省略)。
天线100b以与天线100a相同的方式由半导体102b、电阻器Rb、LC组件(Cb和Lb)和偏置电路Vb并联连接的电路配置。天线单一地发送或接收频率fTHz的太赫兹波。
偏置电路Va和Vb具有用于向天线100a的半导体102a和天线100b的半导体102b供应偏置信号的电源和稳定电路。如图1C中示出的，偏置电路Va和Vb各自具有分流电阻器121、布线122、电源123和电容器124。
分流电阻器121与半导体102a和102b并联连接。电容器124与分流电阻器121并联连接。电源123供应驱动半导体102a和102b所必需的电流，并且调节施加到半导体102a和102b的偏置信号。在将RTD用于半导体102a和102b的情况下，从RTD的负微分电阻区域中的电压中选择偏置信号。偏置电路Va和Vb的分流电阻器121和电容器124抑制由于偏置电路Va和Vb而导致的相对低频的谐振频率(通常，从DC至10GHz的频带)的寄生振荡。
相邻的天线100a和天线100b通过耦合线109相互接合。耦合线109连接到与半导体102a和102b中的每个并联连接的分流设备130。因此，由于设置了分流设备130，因此除了所期望的太赫兹波的操作频率fTHz之外的频率被短路，并且半导体设备100在该频率下为低阻抗。这抑制了在多个频带处发生谐振(多模谐振)。注意的是，从天线辐射效率的观点来看，分流设备130优选地位于(连接到)耦合线109处的驻有的谐振频率fTHz的太赫兹波的电场的节点。例如，这里“作为耦合线109处的驻有的谐振频率fTHz的太赫兹波的电场的节点的位置”是例如耦合线109处的驻有的谐振频率fTHz的太赫兹波的电场强度下降约1个计数单位左右。
如图1A中示出的，电阻器Rc和电容器Cc在分流设备130处串联连接。这里，针对电阻器Rc选择等于或略低于并联连接的半导体102a和102b的组合负微分电阻的绝对值的值。另外，电容器Cc被设定为使得阻抗等于或略低于并联连接的半导体102a和102b的组合负微分电阻的绝对值。也就是说，电阻器Rc和电容器Cc的值各自优选地被设定为使得阻抗低于与半导体102a和半导体102b的增益对应的负电阻(阻抗)的绝对值。考虑到在太赫兹频带中使用的RTD的负电阻的典型值为0.1Ω至1000Ω，电阻器Rc的值被设定在0.1Ω至1000Ω的范围内。另外，电容器Cc的值通常被设定在0.1pF至1000pF的范围内，以便在10GHz至1000GHz的频率范围内获得分流效果。注意的是，对于关于RTD的负电阻的电阻器Rc和电容器Cc的阻抗条件，满足在低于谐振频率fTHz的频带中就足够了。
关于半导体设备的结构的描述
接下来，将描述半导体设备100的具体结构。图2A是半导体设备100的顶视图。图2B是沿着A-A′截取的图2A中的半导体设备100的截面图，并且图2C是沿着B-B′截取的图2A中的半导体设备100的截面图。
天线100a包括基板113、第一导体层106、半导体层115a、电极116a、导体117a、电介质层104和第二导体层103a。如图2B中示出的，天线100a具有以下配置：两个导体-即，第一导体层106和第二导体层103a将由第一电介质层1041、第二电介质层1042和第三电介质层1043这三层构成的电介质层104夹在中间。这种配置被称为微带天线。在本实施例中将描述天线100a和100b被用作作为代表性微带谐振器的贴片天线的示例。
第二导体层103a是天线100a的贴片导体，并且被部署成跨电介质层104(半导体层115a)与第一导体层106面对。第二导体层103a电连接到半导体层115a。天线100a被设计为第二导体层103a在A-A’方向(谐振方向)上的宽度为λTHz/2的谐振器。另外，第一导体层106是接地导体，并且被电接地。注意的是，λTHz是在天线100a处谐振的太赫兹波的电介质层104的有效波长，并且被表示为λTHz＝λ0×εr -1/2，其中，λ0表示太赫兹波在真空中的波长，并且εr表示电介质层104的有效相对介电常数。
半导体层115a与图1A中示出的等效电路中的半导体102a相对应，并且包括由具有相对于太赫兹波的电磁波增益或载流子非线性的半导体配置的有源层101a。在本实施例中，将描述使用RTD作为有源层101a的示例。下面，有源层101a将被描述为RTD 101a。
半导体层115a被形成为部署在形成在基板113上的第一导体层106上，半导体层115a与第一导体层106电连接。注意的是，半导体层115a与第一导体层106之间的低电阻连接是优选的，以减小欧姆损耗。
RTD 101a具有包括多个隧道势垒层的共振隧穿结构层。在RTD101a中的多个隧道势垒层之间设置量子阱层，由此设置通过载流子子带间跃迁生成太赫兹波的多量子阱结构。RTD 101a在电流-电压特性的负微分电阻区域中具有基于光辅助隧穿现象的太赫兹波的频率区域中的电磁波增益，并且在负微分电阻区域中表现出自激振荡。RTD 101a被部署在从第二导体层103a的重心起在谐振方向(即，A-A’方向)上偏移40％的位置处。
天线100a是集成了包括RTD 101a的半导体层115a和贴片天线的有源天线。从单一的天线100a发射的太赫兹波的频率fTHz被确定为组合了贴片天线和半导体层115a电抗的整个并联谐振电路的谐振频率。具体地，关于在“Jpn.J.Appl.Phys.,第47卷，第6期(2008),第4375-4384页”中描述的振荡器的等效电路，满足表达式(1)的振幅条件和表达式(2)的相位条件的频率被确定为组合了RTD和天线的导纳(YRTD和Yaa)的谐振电路的谐振频率fTHz。
Re[YRTD]+Re[Yaa]≤0 (1)
Im[YRTD]+Im[Yaa]＝0 (2)
这里，YRTD表示半导体层115a的导纳，Re表示实部，并且Im表示虚部。半导体层115a包括作为负电阻元件的RTD 101a作为有源层，因此Re[YRTD]具有负值。另外，Yaa表示从半导体层115a观察时的天线100a的整体导纳。因此，图1A中的等效电路中的天线的组件Ra、Ca和La是针对Yaa的主要电路元件，并且半导体102a的负微分电阻和二极管电容器是针对YRTD的主要电路元件。
注意的是，具有包含几百层到几千层的半导体多层结构的量子级联激光器(QCL)结构可以被用作有源层101a的另一示例。在这种情况下，半导体层115a是包括QCL结构的半导体层。另外，在毫米波频带中经常使用的诸如耿氏二极管(Gunn diode)或IMPATT二极管之类的负电阻元件可以被用作有源层101a。另外，诸如一端被端接的晶体管之类的高频器件可以被用作有源层101a，其合适的示例包括异质结双极型晶体管(HBT)、化合物半导体场效应晶体管(FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等。另外，使用超导体的约瑟夫森(Josephson)器件的负微分电阻可以被用作有源层101a。
电介质层104被形成在第一导体层106和第二导体层103a之间。要求电介质层104能够被形成为厚膜(通常，至少3μm的厚膜)，以在太赫兹频带处表现出低损耗和低介电常数，并且具有良好的微细加工特性(利用平坦化和刻蚀的可加工性)。在诸如贴片天线的微带谐振器中，通过使电介质层104形成得较厚来减小导体损耗并可以提高辐射效率。此时，电介质层104越厚，谐振器的辐射效率越好，但如果过厚，则发生多模谐振。因此，电介质层104的厚度优选地在不超过振荡波长的1/10的范围内。
此外，要求二极管的小型化和高电流密度来实现振荡器的高频率和高输出。因此，关于二极管的绝缘结构，要求电介质层104有诸如抑制泄漏电流和迁移之类的措施。在本发明中，由于这个原因，电介质层104包括两种不同类型材料的电介质层(第一电介质层1041和第二电介质层1042)。
对于第一电介质层1041，可以适用诸如苯并环丁烯(BCB，由陶氏化学公司制造，εr1＝2)、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等之类的有机电介质材料。注意的是，εr1是第一电介质层1041的相对介电常数。另外，适合于相对厚的膜形成并且具有低介电常数的诸如原硅酸四乙酯(TEOS)氧化膜、旋涂玻璃等的无机电介质材料可以被用于第一电介质层1041。
要求第二电介质层1042表现出绝缘特性(表现为在DC电压下不允许电通过的绝缘体或高值电阻器的性质)、势垒特性(防止用于电极的金属材料的扩散的性质)以及可加工性(允许以亚微米级精确加工的性质)。诸如氧化硅(εr2＝4)、氮化硅(εr2＝7)、氧化铝、氮化铝等的无机绝缘体材料可以被合适地用作第二电介质层1042，以满足这些特性。注意的是，εr2是第二电介质层1042的相对介电常数。
稍后将描述第三电介质层1043。注意的是，在如本实施例中那样电介质层104是三层结构的情况下，电介质层104的相对介电常数εr是根据第一电介质层1041至第三电介质层1043中的每个的厚度和相对介电常数确定的有效相对介电常数。另外，在半导体设备100中，电介质层104不一定是三层结构，并且可以是仅一层的结构。
另外，从天线与空气(空间)的阻抗匹配的观点来看，天线与空气之间的介电常数的差优选地最大限度地小。因此，针对第一电介质层1041，优选地使用与第二电介质层1042不同的材料，优选地，具有比第二电介质层1042低的相对介电常数的材料(εr1<εr2)。
电极116a被部署在半导体层115a的与部署有第一导体层106的一侧相对的一侧。电极116a和半导体层115a被电连接。半导体层115a和电极116a被嵌入到第二电介质层1042(第二电介质层1042和第三电介质层1043)中。更具体地，半导体层115a和电极116a的周边被第二电介质层1042(第二电介质层1042和第三电介质层1043)覆盖。
电极116a适于减小由于串联电阻而引起的欧姆损耗和RC延迟，只要电极116a是与半导体层115a欧姆连接的导体层即可。在电极116a被用作欧姆电极的情况下，适合用于电极116a的材料的示例包括Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、AuGe/Ni/Au、TiW、Mo、ErAs等。
另外，如果与电极116a接触的半导体层115a的区域是掺杂有高浓度杂质的半导体，那么接触电阻可以被进一步减小，这适于实现高输出和高频率。指示在太赫兹波频带中使用的RTD 101a的增益的大小的负电阻的绝对值通常为大约1Ω至100Ω，因此电磁波的损耗优选地被保持为不超过其1％。因此，作为一般指导，欧姆电极处的接触电阻优选地被抑制为不超过1Ω。
另外，为了在太赫兹频带中操作，作为典型值，半导体层115a的宽度(≈电极116a)约为0.1μm至5μm。因此，电阻率被保持为不超过10Ω·μm2，从而将接触电阻抑制到0.001Ω至几Ω的范围内。作为另一形式，表现出肖特基接触而非欧姆接触的金属可以被用于电极116a。在这种情况下，电极116a与半导体层115a之间的接触界面表现出整流特性，从而为作为太赫兹波检测器的天线100a做出合适的配置。注意的是，在本实施例中，将描述欧姆电极被用作电极116a的配置。
如图2B中示出的，在RTD 101a的堆叠方向上，第一导体层106、半导体层115a、电极116a、导体117a和第二导体层103a从基板113侧起依次堆叠。
导体117a被形成在电介质层104内部，并且第二导体层103a和电极116a经由导体117a电连接。现在，如果导体117a的宽度过大，那么由于天线100a的谐振特性的恶化和寄生电容的增大，辐射效率恶化。因此，导体117a的宽度优选地为与谐振电场没有干扰的级别的尺寸，通常，不超过λ/10是合适的。另外，导体117a的宽度可以被减小到不增大串联电阻的级别，并且作为一般指导，可以被减小到约趋肤深度(skin depth)的两倍。因此，考虑到将串联电阻减小到不超过1Ω左右的级别，作为一般指导，导体117a的宽度通常在至少0.1μm且不大于20μm的范围内。
诸如导体117a之类的在上层与下层之间电连接的结构被称为通孔。第一导体层106和第二导体层103a除了用作构成贴片天线的构件之外，还用作用于通过与通孔连接而向RTD 101a注入电流的电极。对于导体117a的材料，电阻率不大于1×10-6Ω·m的材料是优选的。具体地，诸如Ag、Au、Cu、W、Ni、Cr、Ti、Al、AuIn合金、TiN等的金属和含金属的化合物适合被用作导体117a的材料。
第二导体层103a连接到线108a1和108a2。线108a1和108a2是连接到包括偏置电路Va的偏置线的引线。线108a1和108a2的宽度被设定为比第二导体层103a的宽度窄。注意的是，这里的宽度是天线100a中的电磁波的谐振方向(即，A-A'方向)上的宽度。例如，线108a1和108a2的宽度适合地不大于天线100a中的驻有的谐振频率fTHz的太赫兹波的有效波长λ的1/10(不大于λ/10)。这是因为，从改善辐射效率的观点来看，线108a1和108a2优选地以使得不干扰天线100a中的谐振电场的尺寸和位置来部署。
另外，线108a1和108a2的位置优选地在天线100a中驻有的谐振频率fTHz的太赫兹波的电场的节点处。线108a1和108a2这里具有以下配置：在谐振频率fTHz附近的频带中，阻抗足够高于RTD 101a的负微分电子的绝对值。换句话说，线108a1和108a2连接到天线，以便在谐振频率fTHz处从RTD观察时具有高阻抗。在这种情况下，半导体设备100的天线(除了天线100a之外的天线)和天线100a关于经由包括线108a1和108a2以及偏置电路Va的偏置线的路线在频率fTHz处隔离。这抑制了在每条天线处感应的谐振频率fTHz的电流经由偏置线作用于(影响)其它相邻的天线。这是一种还抑制了天线100a中驻有的谐振频率fTHz的电场与其电源构件之间的干扰的配置。
偏置电路Va和Vb各自包括分流电阻器121、布线122、电源123和电容器124。布线122始终具有寄生电感组件，因此在图1C中被示为电感器。电源123供应驱动RTD 101a和RTD101b所必需的偏置信号。偏置信号的电压通常是从被用作RTD 101a和101b的RTD的负微分电阻区域的电压中选择的。在天线100a的情况下，来自偏置电路Va和Vb的偏置电压经由线108a1和108a2被供应到天线100a内的RTD 101a。
此时，偏置电路Va和Vb的分流电阻器121和电容器124用于抑制由于偏置电路Va和Vb而引起的相对低频的谐振频率(通常，从DC至10GHz的频带)的寄生振荡。针对分流电阻器121的值，选择等于或略低于并联连接的RTD 101a和101b的组合负微分电阻的绝对值的值。以与分流电阻器121相同的方式，电容器124也被设定为使得阻抗等于或略低于并联连接的RTD 101a和101b的组合负微分电阻的绝对值。也就是说，偏置电路Va和Vb被这些分流元件设定为使得阻抗低于与DC至10GHz频带处的增益对应的组合负电阻的绝对值。通常，电容器124优选地在上述范围内较大，并且在本实施例中使用大约几十pF的电容。电容器124是去耦电容器。例如，可以使用与天线100a共享基板的金属-绝缘体-金属(MIM)结构。
关于天线阵列的描述
半导体设备100具有两条天线100a和100b为E平面耦合的天线阵列。天线单一地发射频率fTHz的太赫兹波。相邻的天线通过耦合线109相互耦合，并且在太赫兹波的谐振频率fTHz处相互注入锁定。
此时，相互注入锁定意味着由于相互作用，所有的多个自激振荡器在频率锁定状态下振荡。例如，天线100a和天线100b通过耦合线109相互耦合。注意，“相互耦合”是指在某一天线处感应的电流作用于另一相邻天线并且改变彼此的发送/接收特性的现象。在相同相位或相反相位处锁定相互耦合的天线使得天线之间的电场由于相互注入锁定现象而被增强或减弱，由此可以调节天线增益的增大/减小。
可以根据在“J.Appl.Phys.,第103卷，124514(2008)”中公开的两个或更多个单独的RTD振荡器被耦合的配置中的相互注入锁定条件来确定具有天线阵列的半导体设备100的振荡条件。具体地，将考虑用于天线100a和天线100b通过耦合线109耦合的天线阵列的振荡条件。此时，发生同相的相互注入锁定和反相的相互注入锁定的两种振荡模式。用于同相的相互注入锁定的振荡模式(偶数模式)的振荡条件被表示在表达式(3)和(4)中，并且用于反相的相互注入锁定的振荡模式(奇数模式)的振荡条件被表示在表达式(5)和(6)中。
同相(偶数模式)：频率f＝feven
Yeven＝Yaa+Yab+YRTD
Re(Yeven)≤0 (3)
Im(Yeven)＝0 (4)
反相(奇数模式)：频率f＝fodd
Yodd＝Yaa+Yab+YRTD
Re(Yodd)≤0 (5)
Im(Yodd)＝0 (6)
这里，Yab是天线100a与天线100b之间的互导纳。Y ab与表示天线之间的耦合强度的耦合常数成比例，并且理想地，-Yab的实部大并且虚部优选地为0。根据本实施例的半导体设备100在同相的相互注入锁定的条件下耦合，其中，谐振频率fTHz≈feven。其它天线也以相同的方式通过天线之间的耦合线109在上述同相的相互注入锁定的条件下耦合。
耦合线109由微带线构成，该微带线具有电介质层104被夹在堆叠在电介质层104上的第三导体层110和第一导体层106之间的结构。在半导体设备100中，天线通过DC耦合而耦合。为了在谐振频率fTHz处将天线彼此相互锁定，第三导体层110(将天线100a和天线100b耦合的耦合线109的顶部导体)直接地连接到第二导体层103a和第二导体层103b。在半导体设备100中，第三导体层110以及第二导体层103a和103b形成在同一层中。
天线100a和相邻的天线100b通过具有这种耦合线109的结构相互耦合，并且在振荡的太赫兹波频率fTHz处相互锁定地操作。通过DC耦合锁定的天线阵列可以通过强耦合而在相邻的天线之中锁定，因此，容易发生通过频率锁定进行的锁定操作，并且不容易发生天线之中的频率和相位的变化。
在半导体设备100中，分流设备130被部署(连接)在耦合线109的中心处。分流设备130和耦合线109通过通孔114连接。具体地，耦合线109的第三导体层110和连接到分流设备130的导体层111通过形成在第一电介质层1041内部的通孔114连接。通孔114在耦合线109中驻有的谐振频率fTHz的高频电场的节点处连接到第三导体层110。也就是说，可以说分流设备130在耦合线109中驻有的谐振频率fTHz的高频电场的节点处连接到耦合线109。以这种方式连接的分流设备130使除了太赫兹波的谐振频率fTHz之外的频率被短路，并且半导体设备100在该频率处具有低阻抗，由此可以抑制多模谐振的发生。
导体层111是堆叠在第二电介质层1042上的电极，并且连接到堆叠在第二电介质层1042上的电阻器层1191和1192。图1A中示出的等效电路中的分流设备130的电阻Rc由电阻器层1191和1192形成。电阻器层1191和1192连接到堆叠在第二电介质层1042上的导体层1121和1122。导体层1121和1122通过通孔1071和1072连接到堆叠在第三电介质层1043上的第四导体层1181和1182。第四导体层1181和1182被形成在第一导体层106与第二导体层103a和103b之间的层中。图1A中示出的等效电路中的分流设备130的电容Cc由作为电介质层104的一部分的第三电介质层1043被夹在第四导体层1181和1182与第一导体层106之间的MIM电容器结构形成。
另外，需要电阻器Rc的小型化，以实现天线阵列的集成。因此，在本实施例中，具有高相对电阻率和具有0.7Ω·μm的电阻率的高熔点的W-Ti薄膜(0.2μm厚)被用作电阻器层1191和1192。
半导体设备100的分流设备130包括两个分流设备。一个是由电阻器层1191构成的电阻器与其中第三电介质层1043被夹在第四导体层1181和第一导体层106之间的电容器串联连接的分流设备。另一个是由电阻器层1192构成的电阻器与其中第三电介质层1043被夹在第四导体层1182和第一导体层106之间的电容器串联连接的分流设备。注意的是，通过适当地设计分流设备的材料、尺寸和结构，电阻器Rc和电容器Cc的值可以被设定在上述范围内。此时，以与导体117a和117b的宽度相同的方式，如果通孔114的宽度过大，那么发生通过耦合线传播的fTHz的高频电场的谐振特性的恶化和由于导体损耗而引起的辐射效率的恶化。因此，通孔114的宽度优选地为与谐振电场没有干扰的级别的尺寸，通常，不超过λ/10是合适的。
在半导体设备100中，第一电介质层1041、第二电介质层1042和第三电介质层1043这三个电介质层被用作电介质层104。第三电介质层1043被用作用于分流设备130的电容器Cc的电介质构件，因此具有相对高介电常数(εr3＝7)的氮化硅被用于减小MIM电容器结构的大小。注意的是，εr3是第三电介质层1043的相对介电常数。在如本实施例中那样电介质层104具有三层配置的情况下，还考虑到第三电介质层1043的厚度和相对介电常数来确定有效相对介电常数。
关于与常规半导体设备的比较的描述
图3示出了对根据本实施例的半导体设备100的阻抗与不具有分流设备130的常规半导体设备的阻抗进行分析的结果的比较。使用HFSS执行分析，该HFSS是由ANSYS公司制造的有限元方法高频电磁场求解器。这里，阻抗Z等同于Yaa的倒数，Yaa是天线100a的整体结构的导纳。另外，如本实施例中那样，在具有分流设备130的情况下，Z_w/_分流器为阻抗Z。如常规布置中那样，在不具有分流设备130的情况下，Z_w/o_分流器为阻抗Z。Re和Im分别表示实部和虚部，并且谐振发生在虚部的阻抗为0的频率处。
如图3中示出的，在常规结构的阻抗中发生多峰，并且存在在接近0.42THz和接近0.52THz的两个频带处发生谐振模式的可能性。与此相反，在根据本实施例的半导体设备100的阻抗中，在所期望的谐振频率fTHz＝0.48THz处仅存在单个峰，并且抑制了多模。由于分流设备130，根据本实施例的半导体设备100具有在图3中示出的曲线图的范围之外的低频带(不高于0.1THz)处抑制谐振的发生的效果。
在半导体设备100中，分流设备130被部署成在耦合线109处平行于RTD。这抑制了在相对高频率(通常从10GHz至1000GHz)的频带处的多模谐振，并且仅使得所期望的太赫兹波的操作频率fTHz的谐振能够被选择性地稳定。另外，与天线通过电阻器串联连接的配置相比较，在根据本实施例的半导体设备100中，不容易发生由于结构而引起的阻抗变化，并且不容易发生相位和频率中的变化。
因此，根据本实施例，即使天线阵列中的天线数量增大，也可以在太赫兹波操作频率fTHz处执行单模操作。因此，可以提高可以被排列的天线的数量的上限，并且可以预料到根据阵列中的天线数量的增大，指向性和正面强度的显著改善的效果。因此，根据本实施例，可以提供可以实现高效的太赫兹波的生成或检测的半导体设备。
注意的是，分流设备不限于具有图1A中示出的电阻器Rc和电容器Cc的布置。例如，如图1B中示出的，分流设备130可以仅仅由与半导体102a和102b并联连接的电阻器Rc配置。
第一变形例
下面，将描述根据第一变形例的半导体设备200。图4A至图4C示出了根据第一变形例的半导体设备200。半导体设备200具有两条天线200a和200b为H平面耦合的天线阵列。半导体设备200具有天线通过AC耦合(电容耦合)而耦合的配置的天线阵列。将省略与半导体设备100中的天线100a和100b的配置和结构相同的天线200a和200b的配置和结构的部分的详细描述。
如图4B中示出的，耦合线209由具有电介质层204和第四电介质层2044被夹在第三导体层210和第一导体层206之间的结构的微带线构成。电介质层204由第一电介质层2041、第二电介质层2042和第三电介质层2043构成。第二导体层203a和203b被形成在第三导体层210与第一导体层206之间的层中。从堆叠方向观察时(在平面图中)，作为将天线200a和200b耦合的耦合线209的上导体的第三导体层210在辐射端附近与导体层203a和203b重叠达长度x＝5μm。在该重叠部分处，第二导体层203a和203b、第四电介质层2044以及第三导体层210被依次堆叠。因此，形成第二导体层203a和203b以及第三导体层210将第四电介质层2044夹在中间的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构。注意的是，第二导体层203a和第二导体层203b之间关于DC是开路的，并且在低于谐振频率fTHz的低频率区域处，耦合的大小小，因此确保了器件间隔离。同时，可以通过电容来调节谐振频率fTHz频带处的天线间耦合的大小。
在半导体设备200中，分流设备2301和2302连接到耦合线209。分流设备2301和2302通过通孔2141和2142连接到耦合线209。通孔2141和2142在耦合线209中驻有的谐振频率f THz的高频电场的节点处连接到第三导体层210。这使得除了太赫兹波的谐振频率fTHz之外的频率被短路，因此可以抑制多模谐振的发生。
耦合线209的第三导体层210通过形成在第四电介质层2044内部的通孔2141和2142连接到堆叠在第一电介质层2041上的电阻器层2191和2192。另外，电阻器层2191和2192通过形成在第一电介质层2041内部的通孔2071和2072连接到堆叠在第三电介质层2043上的第四导体层2181和2182。
形成第三电介质层2043被夹在第四导体层2181和2182与第一导体层206之间的MIM电容器结构。这种AC耦合结构可以减弱天线之中的耦合，由此抑制天线之中的传输损耗，并且预料到天线阵列的改善的辐射效率。注意的是，由于通孔2071和2072被形成在相对厚的第一电介质层2041内部，因此在某些情形下，通孔2071和2072的宽度可以被形成得大。然而，在如本变形例中那样通孔2071、2072被部署在远离耦合线209的位置处的配置中，即使通孔2071和2072的宽度大(通常不小于λ/10)，也可以抑制天线对谐振电场的干扰。因此，可以预料到改善的天线增益。
第二变形例
下面将描述作为图1B中示出的分流设备单独由电阻器构成的配置的具体示例的根据第二变形例的半导体设备300。图5A至图5C示出了根据第二变形例的半导体设备300。半导体设备300具有相邻的天线通过部署在第一导体层306(接地导体)与第二导体层303a和303b(贴片导体)之间的耦合线309(微带线)连接的天线阵列。将省略与半导体设备100中的天线100a和100b的配置和结构相同的天线300a和300b的配置和结构的详细描述。
耦合线309是具有第二电介质层3042被夹在第三导体层310(上导体)与第一导体层306(接地导体)之间的结构的微带线，并且还用作谐振器。天线300a具有RTD 301a被集成在由贴片天线(由第一导体层306和第二导体层303a构成的天线)和耦合线309的一半(天线300a侧的一半)构成的复合谐振器中的结构。在耦合线309中，与天线的谐振方向(即，A-A’方向)垂直的方向是纵向。
耦合线309的长度和贴片天线的大小是确定天线300a和300b中的每个发射的电磁波的频率的重要参数。具体地，可以根据A-A’方向上的第三导体层310的长度和第二导体层303a的长度来确定天线300a的谐振频率fTHz。例如，A-A’方向上的第三导体层310的长度的一半是所期望的谐振频率的有效波长的整数倍并且第二导体层303a的长度是所期望的谐振频率的有效长度的1/2的布置是合适的。
偏置电路Va和Vb连接到由堆叠在第一电介质层3041上的导体层构成的线308a和308b。第三导体层310连接到通孔317a。通孔317a连接在第二导体层303a和RTD 301a之间。
相邻的天线通过耦合线309通过DC耦合而耦合。例如，天线300a和300b通过作为耦合线309的上导体的第三导体层310直接耦合。为了增强天线之间的频率锁定，RTD 301a和301b优选地被部署在耦合线中驻有的电磁波(谐振频率fTHz)的电场的最大点处。
在半导体设备300中，四个分流设备3301至3304被部署在耦合线309中，作为图1B中示出的仅电阻器Rc的等效电路的具体配置示例。例如，在图5C中示出的分流设备3302的截面中，构成耦合线309的第三导体层310经由电阻器319a2连接到堆叠在第二电介质层3042上的导体层312a2。导体层312a2也通过形成在第二电介质层3042内部的通孔307a2连接到作为接地导体的第一导体层306。本变形例是不需要电容器结构的集成的简单结构，因此可以减少制造步骤的数量。
第一示例
作为第一示例，将参考图2A至图2C来描述根据第一实施例的半导体设备100的具体配置。半导体设备100是能够在0.45THz至0.50THz频带中进行单模振荡的半导体设备。
RTD 101a和101b被配置有在由InP形成的基板113上晶格匹配的InGaAs/AlAs的多量子阱结构。在本示例中使用了双势垒结构的RTD。RTD的半导体异质结构是“J InfraredMilli Terahz Waves(2014)35：425-431”中公开的结构。关于RTD 101a和101b的电流-电压特性的测量值，峰值电流密度为9mA/μm2，并且每单位面积的负微分电导为10mS/μm2。
由包括RTD 101a的半导体层115a和作为欧姆电极的电极116a构成的台面结构形成在天线100a中。在本示例中，形成直径为2μm的柱状台面结构。这里，RTD 101a的负微分电阻的大小约为每个二极管-30Ω。在这种情况下，包括RTD 101a的半导体层115a的负微分电导(GRTD)被估计为约30mS，并且RTD 101a的二极管电容(CRTD)被估计为约10fF。
天线100a是电介质层104被夹在第二导体层103a(贴片导体)和第一导体层106(接地导体)之间的结构的贴片天线。内部包括RTD 101a的半导体层115a被集成在天线100a中。天线100a是第二导体层103a的一边为150μm的正方形贴片天线，并且天线的谐振器长度L为150μm。电阻率低的主要为Au薄膜的金属层被用于第二导体层103a和第一导体层106。
电介质层104被部署在第二导体层103a和第一导体层106之间。电介质层104由第一电介质层1041、第二电介质层1042和第三电介质层1043这三层构成。第一电介质层1041由5μm厚的苯并环丁烯(BCB，由陶氏化学公司制造，εr1＝2)形成。第二电介质层1042由2μm厚的SiO2(等离子体CVD，εr2＝4)形成。第三电介质层1043由0.1μm厚的SiNx(等离子体CVD，εr3＝7)形成。也就是说，在本示例中，电介质层104包括的三个电介质层各自由不同的材料形成(配置)。
第一导体层106由Ti/Pd/Au层(20/20/200nm)和具有电子浓度不小于1×1018cm-3的n+-InGaAs层(100nm)的半导体形成。在第一导体层106中，金属与半导体通过低电阻欧姆接触连接。
电极116a是由Ti/Pd/Au层(20/20/200nm)形成的欧姆电极。电极116a通过低电阻欧姆接触连接到形成在半导体层115a上的由电子浓度不小于1×1018cm-3的n+-InGaAs层(100nm)制成的半导体。
堆叠方向上的RTD 101a周围的结构从基板113侧起依次为依次堆叠并彼此电连接的基板113、第一导体层106、包括RTD 101a的半导体层115a、电极116a、导体117a和第二导体层103a。导体117a由包含Cu(铜)的导体形成(配置)。
RTD 101a被部署在从第二导体层103a的重心起在谐振方向(即，A-A’方向)上偏移40％(60μm)的位置处。从RTD向贴片天线供应高频率电力时的输入阻抗由天线100a中的RTD101a的位置来确定。第二导体层103a连接到线108a1和108a2。
线108a1和108a2由堆叠在第一电介质层1041上的包括Ti/Au(5/300nm)的金属层形成，并且连接到偏置电路Va、Vb。天线100a被设计为使得通过向RTD 101a的负电阻区域设定偏置在频率fTHz＝0.48THz处获得功率为0.2mW的振荡。线108a1和108a2由包括Ti/Au(5/300nm)、在谐振方向(即，A-A'方向)上的长度为75μm以及宽度为10μm的金属层的图案配置。线108a1和108a2在谐振方向(即，A-A’方向)上的第二导体层103a的中心处以及B-B’方向上的端部处连接到第二导体层103a。连接位置与天线100a中驻有的fTHz太赫兹波的电场的节点相对应。
半导体设备100具有两条天线100a和100b在辐射电磁波的电场方向(即，E平面方向)上排列并且相互耦合的天线阵列。天线被设计为单一地发射频率fTHz的太赫兹波，并且在A-A’方向上以340μm的节距布置。相邻的天线通过包括由Ti/Au(5/300nm)配置的第三导体层110的耦合线109相互耦合。更具体地，第二导体层103a和第二导体层103b通过宽度为5μm且长度为190μm的第三导体层110连接。天线100a和天线100b在相位彼此匹配(同相)的状态下被相互注入锁定并且以谐振频率fTHz＝0.48THz振荡。
在半导体设备100中，分流设备130被部署在耦合线109的中心处。分流设备130和耦合线109通过通孔114连接。具体地，耦合线109的第三导体层110和由Ti/Au(5/300nm)配置的导体层111通过第一电介质层1041内部的由Cu形成的通孔114连接。
通孔114是直径为10μm且高度为5μm的柱状结构。导体层111连接到由电阻率为0.7Ω·μm的W-Ti(0.2μm厚)形成的电阻器层1191和1192。这里，电阻器层1191和1192被设计为各自为20μm，并且被加工成宽度为4μm且长度为20μm的图案。
电阻器层1191和1192通过导体层1121和1122以及通孔1071和1072连接到第四导体层1181和1182。导体层1121和1122以及第四导体层1181和1182由Ti/Au(5/300nm)形成(配置)。通孔1071和1072由Cu形成。通孔1071和1072是直径为10μm且高度为2μm的柱状结构。
电阻器Rc与电容器Cc被串联连接的分流设备130由第三电介质层1043被夹在第四导体层1181和1182与第一导体层106之间的MIM电容器结构以及电阻器层1191和1192形成。
第三电介质层1043由0.1μm厚的氮化硅(εr3＝7)形成(配置)。第四导体层1181和1182被形成为宽度为50μm且长度为60μm的矩形图案。针对每个MIM结构，形成2pF的电容。如在半导体设备100中那样将分流设备130连接到耦合线109抑制了在相对高频率的频带处的多模谐振，并且仅使得能够以稳定的方式选择所期望的太赫兹波的操作频率fTHz。注意的是，相对高频率的频带通常是10GHz至1000GHz。
从偏置电路Va和Vb向半导体设备100执行电力供应，并且负微分电阻区域的偏置电压被正常地施加以供应偏置电流。在本示例中公开的半导体设备100的情况下，通过负电阻区域中的振荡操作在0.48Thz的频率处获得0.4mW太赫兹电磁波的辐射。
以这种方式，根据本示例，与常规布置相比较，可以减小电磁波的损耗，并且可以实现更高效的太赫兹波的发射或检测。
半导体设备的制造方法
接下来，将描述根据本示例的半导体设备100的制造方法。如下地制造(构造)半导体设备100。
(1)在InP基板113上外延生长InGaAs/AlAs半导体多层结构，由此形成包括RTD101a和101b的半导体层115a和115b。分子束外延(MBE)或金属有机气相外延(MOVPE)被用于外延生长。
(2)通过溅射在半导体层115a和115b上执行Ti/Pd/Au层(20/20/200nm)的膜形成，由此形成电极116a和116b。
(3)电极116a和116b以及半导体层115a和115b被形成为直径为2μm的圆形台面形式，由此形成台面结构。台面形式是使用光刻和通过电感耦合等离子体(ICP)的干刻蚀形成的。
(4)在通过在被刻蚀面上执行剥离处理在基板113上形成第一导体层106之后，通过等离子体CVD形成0.1μm厚的氮化硅的膜，由此形成第三电介质层1043。
(5)在第三电介质层1043上形成构成第四导体层1181和1182的Ti/Au层(5/300nm)。因此，形成第三电介质层1043被夹在第四导体层1181和1182与第一导体层106之间的电容器Cc。
(6)通过等离子体CVD形成2μm厚的氧化硅，由此形成第二电介质层1042。
(7)第二电介质层1042被干刻蚀，并且形成导通孔。一旦形成导通孔，就使用溅射、电镀和化学机械抛光用Cu填充导通孔并进行平坦化，由此形成通孔1071和1072。
(8)通过溅射和干刻蚀在第二电介质层1042上形成W-Ti(0.2μm厚)的电阻层1191和1192。因此，形成电容器Cc与电阻器Rc被串联连接的分流设备130。
(9)通过溅射和干刻蚀在第二电介质层1042上形成Ti/Au层(5/300nm)的导体层111、1121和1122。
(10)使用旋涂和干刻蚀执行利用BCB的填充和平坦化，由此形成5μm厚的第一电介质层1041。
(11)通过光刻和干刻蚀去除构成导体117a和117b以及通孔114的部分的BCB和氧化硅，从而形成通孔。
(12)用包含Cu的导体填充导通孔，由此形成导体117a和117b以及通孔114。使用溅射、电镀和化学机械抛光执行导体117a和117b以及通孔114的形成，由此用Cu填充导通孔并进行平坦化。
(13)通过溅射形成用于电极Ti/Au层(5/300nm)的膜，由此形成第二导体层103a和103b以及第三导体层110。
(14)通过电感耦合等离子体(ICP)执行光刻和干刻蚀，由此对第二导体层103a和103b以及第三导体层110进行图案化。这形成了耦合线109。
(15)分流电阻器121和MIM电容器124被形成在芯片内部，并且分流电阻器121和MIM电容器124通过布线接合等连接到布线122和电源123。因此，完成了半导体设备100。
以上已经描述了本发明的优选实施例和示例，但本发明不限于该实施例和示例，并且可以在不脱离其精神和范围的情况下进行各种修改和变更。例如，在上述对实施例和示例的描述中假定载流子是电子的情况，但这并非限制，并且可以进行使用空穴的布置。可以根据用途选择用于基板和电介质构件的材料，并且可以使用诸如硅、砷化镓、砷化铟、磷化镓等的半导体、玻璃、陶瓷以及诸如聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等的树脂。注意的是，可以根据所期望的频率等适当地选择上述实施例和示例中的结构和材料。
另外，在上述实施例和示例中，正方形贴片天线被用作太赫兹波谐振器。然而，谐振器的形状不限于此，例如，可以使用利用诸如矩形或三角形等的多边形、圆形、椭圆形等的贴片导体的结构的谐振器。
要被集成在半导体设备中的负微分电阻器件的数量不限于一个，并且可以制出具有多个负微分电阻器件的谐振器。线的数量不限于一条，并且可以制出设置多条线的配置。
另外，针对RTD，上面已经描述了由在InP基板上生长的InGaAs/AlAs制成的双势垒RTD。然而，这些结构和材料并非限制，并且可以进行其它结构和材料的组合。例如，可以使用具有三势垒量子阱结构的RTD或具有四重或更多重的多势垒量子阱结构的RTD。
另外，以下组合中的每个可以被用作RTD材料。
·在GaAs基板上形成的GaAs/AlGaAs和GaAs/AlAs、InGaAs/GaAs/AlAs
·在InP基板上形成的InGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAs、InGaAs/AlGaAsSb
·在InAs基板上形成InAs/AlAsSb和InAs/AlSb
·在硅基板上形成的SiGe/SiGe
根据本技术，可以在设置有多条天线的设备中实现更高效的太赫兹波的生成或检测。
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但要理解的是，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (17)

1.一种设备，其特征在于，包括：
天线阵列，设置有多条天线，所述多条天线各自包括具有太赫兹波增益的半导体层；以及
耦合线，用于在太赫兹波的频率处的所述天线中的至少两条天线的相互频率锁定，其中，
所述耦合线连接到分流设备，并且
所述分流设备与所述两条天线中的每条天线的所述半导体层并联连接。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多条天线各自连接到包括向所述半导体层供应偏置信号的电源的偏置电路。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多条天线中的每条天线包括：
基板；
第一导体层，被堆叠在基板上；
所述半导体层，电连接到第一导体层；
第二导体层，电连接到所述半导体层并且跨所述半导体层面对第一导体层；以及
第一电介质层，被形成在第一导体层和第二导体层之间。
4.根据权利要求3所述的设备，还包括第三导体层，
其中，所述耦合线具有第一电介质层被夹在第三导体层与第一导体层之间的结构。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，
第二导体层被形成在第三导体层与第一导体层之间的层中，并且
第二导体层和第三导体层通过将与第一电介质层不同的第二电介质层夹在其间而形成电容器。
6.根据权利要求3所述的设备，其中，
所述多条天线中的每条天线还包括第四导体层，所述第四导体层被形成在第一导体层与第二导体层之间的层中，并且
在所述分流设备中，其中第一电介质层的一部分被夹在第四导体层和第一导体层之间的电容器与电阻器被串联连接。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，在所述分流设备中，电阻器和电容器被串联连接。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述分流设备中的所述电阻器和所述电容器各自被设定为在比太赫兹波频率低的频带中比所述半导体层的阻抗低的阻抗。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述分流设备由电阻器配置。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述分流设备连接到所述耦合线中的太赫兹波的电场的节点。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述天线阵列被形成为具有m×n矩阵形式的天线，其中，m≥2且n≥2。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，以太赫兹波的波长的整数倍的节距形成所述天线。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述天线是贴片天线。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述半导体层包括负电阻元件。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述负电阻元件是共振隧穿二极管。
16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述太赫兹波是频率区域为至少30GHz且不大于30THz的电磁波。
17.一种用于设置有天线阵列的设备的制造方法，该天线阵列具有多条天线，其特征在于，所述方法包括：
在基板上形成具有太赫兹波增益的半导体层的步骤；
在所述基板上形成第一导体层的步骤；
形成分流设备的步骤，所述分流设备与两条天线中的每条天线的半导体层并联连接，并且连接到用于在太赫兹波频率处的所述多条天线的相互频率锁定的耦合线；以及
形成第三导体层以形成所述耦合线的步骤，所述耦合线具有第一电介质层被夹在第一导体层和第三导体层之间的结构。
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