CN116472647A - 元件、以及使用该元件的太赫兹相机系统 - Google Patents

Abstract

在包括第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和第五天线的天线阵列中，第二天线、第一天线和第三天线在第一方向上按此次序布置，并且第四天线、第一天线和第五天线在第二方向上按此次序布置。第二天线的导体层经由在第一方向上延伸的第一耦合线连接到第一天线的导体层，第一天线的导体层经由在第一方向上延伸的第二耦合线连接到第三天线的导体层，第四天线的导体层经由在第二方向上延伸的第三耦合线连接到第一天线的导体层，并且第一天线的导体层经由在第二方向上延伸的第四耦合线连接到第五天线的导体层。

Description

元件、以及使用该元件的太赫兹相机系统

技术领域

本发明涉及一种元件和使用该元件的太赫兹相机系统。

背景技术

其中集成了谐振器和具有太赫兹波的电磁波增益的元件的振荡器被认为是生成太赫兹波的电流注入光源。其中，集成有谐振隧穿二极管(RTD)和天线的振荡器被期望作为在室温下在1THz左右的频率范围内操作的元件。

PTL 1描述了一种太赫兹波天线阵列，其中将RTD和天线集成在其中的多个振荡器部署在同一基板上。在PTL 1的天线阵列中，提供了作为用于使多个振荡器的相位彼此同步的耦合线的微带线。

引文列表

专利文献

PTL 1：日本专利特许公开No.2014-200065

非专利文献

NPL 1：J.Appl.Phys.，第47卷，第6期(2008)，第4375-4384页

NPL 2：J.Appl.Phys.，第103卷,124514(2008)

发明内容

技术问题

在PTL 1中，尚未充分进行针对满足多个发送器之间的相位匹配条件等的研究。

考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种有利的天线阵列结构。

问题的解决方案

本发明的一方面是一种包括其中部署有多个天线的天线阵列的元件。每个天线包括第一导体层、与第一导体层电连接并生成或检测太赫兹波的半导体层、与半导体层电连接并隔着半导体层与第一导体层相对的第二导体层、以及位于第一导体层与第二导体层之间的介电层。天线阵列包括第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和第五天线。第二天线、第一天线和第三天线在第一方向上按此次序布置。第四天线、第一天线和第五天线在与第一方向相交的第二方向上按此次序布置。第二天线的第二导体层经由在第一方向上延伸的第一耦合线连接到第一天线的第二导体层。第一天线的第二导体层经由在第一方向上延伸的第二耦合线连接到第三天线的第二导体层。第四天线的第二导体层经由在第二方向上延伸的第三耦合线连接到第一天线的第二导体层。第一天线的第二导体层经由在第二方向上延伸的第四耦合线连接到第五天线的第二导体层。

发明的有利效果

根据本发明，提供了一种有利的天线阵列结构。

附图说明

图1A是示出根据第一实施例的元件10的顶部示意图。

图1B是示出根据第一实施例的元件10的修改的顶部示意图。

图2是图示根据第一实施例的元件10的构造的示意图。

图3A是图示根据第一实施例的元件10的示意性横截面图。

图3B是图示根据第一实施例的元件10的示意性横截面图。

图4是根据第一实施例的元件10的第二导体层的平面图。

图5A是图示根据第一实施例的元件10的效果的图。

图5B是图示根据第一实施例的元件10的效果的图。

图5C是图示根据第一实施例的元件10的效果的曲线图。

图6A是示出根据第二实施例的元件20的图。

图6B是示出根据第二实施例的元件20的图。

图7A是示出根据第二实施例的元件20的顶部示意图。

图7B是示出根据第二实施例的元件20的示意性横截面图。

图8A是示出根据第三实施例的元件30的图。

图8B是示出根据第三实施例的元件30的图。

图9A是示出根据第四实施例的元件40的图。

图9B是示出根据第四实施例的元件40的图。

图10是示出根据第五实施例的太赫兹相机系统的图。

图11A是示出根据第六实施例的元件50的顶部示意图。

图11B是示出根据第六实施例的元件50的顶部示意图。

图11C是示出根据第六实施例的元件50的放大的顶部示意图。

图11D是示出根据第六实施例的元件50的修改的顶部示意图。

图12A是示出根据第六实施例的元件50的示意性横截面图。

图12B是示出根据第六实施例的元件50的示意性横截面图。

图12C是示出根据第六实施例的元件50的示意性横截面图。

图13A是示出根据第七实施例的元件60的顶部示意图。

图13B是示出根据第七实施例的元件70的顶部示意图。

图14A是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图14B是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图15A是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图15B是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图16A是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图16B是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图17A是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图17B是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图18A是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图18B是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图19A是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图19B是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图20A是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图20B是示出根据第八实施例的元件的顶部示意图。

图21是用于图示根据第八实施例的元件的示意图。

具体实施方式

将参考附图描述实施例。在下面的描述中，将描述元件10被用作振荡器的情况；但是，元件10可以用作接收器。在此，太赫兹波是指频率范围高于或等于10GHz且低于或等于100THz，更合适地，高于或等于30GHz且低于或等于30THz的电磁波。

在每个实施例的描述中，可以省略与另一个实施例相同的组件的描述。每个实施例都可以根据需要进行修改或者根据需要与另一个实施例组合。

(第一实施例)

将参考图1A和2至5C描述根据本实施例的元件10。将参考图1A和2至4描述元件10的构造。图1A是从元件10上方观察时元件10的顶部示意图。图1A可以被视为示出元件10的顶部图。图1A示出了X方向、Y方向和Z方向。X方向和Y方向只要彼此相交即可。在图1A中，X方向与Y方向成直角。X方向和Y方向包括在一个平面内。Z方向与X方向和Y方向成直角，并且Z方向也称为向上方向。图2是示意性地示出元件10的外观的透视图。图3A是沿着图1A中的线A-A'截取的元件10的示意性横截面图。图3B是沿着图1A中的线B-B'截取的元件10的示意性横截面图。图4是示出元件10的第二导体层的示意性平面图。

如图1A和2至4中所示，元件10的组件(即，基板113、介电层104、半导体层115等)在组件的层压方向上的长度被称为厚度或高度。将相对于基板113存在介电层104和半导体层115的一侧称为上侧。

将参考图1A描述元件10。元件10是振荡或检测频率为f THz的太赫兹波的元件并且由半导体材料制成。多个天线部署在元件10中。在本实施例中，元件10包括将九个天线100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h和100i布置成3×3矩阵的天线阵列。

将描述天线的构造。天线100a至100i中的每一个都具有类似的构造。在下面的描述中，将详细描述天线100a的构造，并且省略与天线100a的组件类似的其它天线100b至100i中的组件部分的详细描述。在描述中，与每个天线对应的字母被添加到天线100a至天线100i中的每一个的组件的附图标记之后。例如，第二导体层103中的天线100a的组件将与第二导体层103a相关联地描述。

天线100a用作使太赫兹波谐振的谐振器和发送或接收太赫兹波的辐射器。天线可以以小于或等于要检测或生成的太赫兹波的波长或者该波长的整数倍的间距部署。

如图3A中所示，基板113、第一导体层106和第二导体层103a按此次序层压。在第一导体层106与第二导体层103a之间，介电层1042和介电层1041从第一导体层106侧起按此次序布置。与天线100a至天线100i的情况一样，第二导体层103a至103i中的每一个具有相似的构造。第三导体层110ab部署在第二导体层103a和第二导体层103b之间。与天线100a至100i的情况一样，第三导体层110ab包括第三导体层110bc、第三导体层110cf等。第三导体层110bc部署在第二导体层103b和第二导体层103c之间。在下面的描述中，例如，连接天线100x和天线100y的导体层被称为导体层110xy、导体层110yx等。不限于导体层，这同样适用于耦合层等。

天线100a至少具有第一导体层106、第二导体层103a以及部署在第一导体层106和第二导体层103a之间的半导体层101a。半导体层101a是稍后将详细描述的谐振隧穿二极管(RTD)，并且也被称为RTD 101a或有源层101a。在下文中，半导体层101a也可以被称为RTD101a。天线100a还包括半导体层115a、用于欧姆接合的电极116a、以及用于连接第二导体层103a与RTD 101a的导体117a。耦合线109ab包括第三导体层110ab。偏置线111x2部署在第三导体层110ab和第一导体层106之间。偏置线111x2位于介电层1042和介电层1041之间。

在图3B中，偏置线111y2等被部署在与图3A中所示的偏置线111x2所部署的层相同的层中。偏置线111y2组成线108g1、108d2。第二导体层103a通过导体107g1、线108g1、线108d2、导体107d2与第二导体层103b连接。如图2中所示，偏置线111y2的层电连接到偏置电路120。偏置电路120也称为电源电路。第一导体层106如图2中所示接地。如图3A和3B中所示，包括第一导体层106的层可以被称为第一布线层，包括偏置线111的层可以被称为第二布线层，并且包括第二导体层103和第三导体层110的层可以被称为第三布线层。每个布线层中包括的导体也可以被认为位于同一级别。级别是指距基板113的表面的高度。

图4示意性地示出了位于同一级别的包括第二导体层103和第三导体层110的图案。在此，将描述具有多个天线100的元件。

为了增加元件10的天线增益，已经考虑部署多个天线100。如上所述，RTD 101部署在每个天线100中。当在每个天线100中执行相互注入-锁定时，天线增益增加。为了使多个天线100彼此同步，需要耦合天线中相邻两个天线的耦合线。在此，该耦合线也称为耦合线。

到目前为止，还没有对耦合线进行详细研究。具体而言，当天线中的相邻两个天线通过耦合线连接时，难以在水平方向(磁场方向或H方向)和垂直方向(电场方向或E方向)中的任何一个或两个上满足相位匹配条件。为此，随着天线数量的增加，垂直方向和水平方向中任何一个方向上的注入-锁定变得不充分，并且增益的增加减少。此外，方向性的改善比预期的减小。因此，不可能通过使用天线阵列来高效地生成和检测太赫兹波。

将参考图4描述耦合多个天线100的耦合线。首先，将描述多个天线100在X方向上耦合的情况。天线100e通过耦合线109ef耦合到天线100f。将描述天线在X方向上的耦合。天线100e经由耦合线109ef耦合到天线100f并且经由耦合线109de耦合到天线100d。天线100h经由耦合线109hi耦合到天线100i并且经由耦合线109gh耦合到天线100g。天线100b经由耦合线109bc耦合到天线100c并且经由耦合线109ab耦合到天线100a。在图4中，每个天线直接连接到耦合线中的对应的一个耦合线，并且可以通过电容耦合连接。在此，X方向是垂直方向，电场的方向，即，E方向。

接下来，将描述多个天线100在Y方向上耦合的情况。通过耦合线109fi、耦合线109cf、耦合线1091he、耦合线1091eb、耦合线1092he、耦合线1092eb、耦合线109dg和耦合线109ad执行天线100在Y方向上的耦合。耦合线1091he将耦合线109hi耦合到耦合线109ef，并且耦合线1091eb将耦合线109ef耦合到耦合线109bc。耦合线1092he将耦合线109gh耦合到耦合线109de，耦合线1092eb将耦合线109de耦合到耦合线109ab。

当着眼于天线100e时，构造将被描述如下。对于天线100e，部署在第一方向(垂直方向)上与天线100e的两侧分别相邻的天线100f和天线100d。天线100e通过在第一方向(垂直方向)上延伸的耦合线109ef连接到天线100f，并通过在第一方向(垂直方向)上延伸的耦合线109ed连接到天线100d。类似地，部署在与第一方向相交的第二方向(水平方向)上与天线100e的两侧分别相邻的天线100h和天线100b。在此，在本实施例中使用的贴片天线的情况下，第一方向是太赫兹波谐振方向(谐振电场传播方向、电场方向或E方向)，并且第二方向是与第一方向正交的方向(磁场方向或H方向)。本发明不仅适用于辐射水平极化波或垂直极化波的天线，而且适用于辐射圆极化波的天线。

当着眼于天线100e时，构造将被描述如下。天线100d、天线100e、天线100f在第一方向(垂直方向)上按此次序布置。天线100h、天线100e、天线100b在与第一方向交叉的第二方向(水平方向)上按此次序布置。天线100e和天线100f通过在第一方向上延伸的耦合线109ef耦合，并且天线100e和天线100d通过在第一方向上延伸的耦合线109de耦合。天线100e和天线100b通过在第二方向上延伸的耦合线1091eb耦合，并且天线100e和天线100h通过在第二方向上延伸的耦合线1091he耦合。

在此，假设第一天线是天线100e，第二天线是天线100f，第三天线是天线100d，第四天线是天线100h，并且第五天线是天线100b。当假设第一方向是X方向并且第二方向是Y方向时，构造将被描述如下。第二天线、第一天线和第三天线在第一方向上按此次序布置。第四天线、第一天线和第五天线在第二方向上按此次序布置。第二天线的第二导体层经由在第一方向上延伸的第一耦合线连接到第一天线的第二导体层，并且第一天线的第二导体层经由在第一方向上延伸的第二耦合线连接到第三天线的第二导体层。第四天线的第二导体层经由在第二方向上延伸的第三耦合线连接第一天线的第二导体层，并且第一天线的第二导体层经由在第二方向上延伸的第四耦合线连接到第五天线的第二导体层。在此，第一耦合线是109ef，并且第二耦合线是耦合线109de。第三耦合线是耦合线1091he或耦合线1092he，并且第四耦合线是耦合线1091eb或耦合线1092eb。

如图4中所示，元件10还包括在与第一方向(垂直方向)交叉的第二方向(水平方向)上延伸的耦合线1091he、1092he、1091eb、1092eb。在第二方向上延伸的耦合线1091he、1091eb连接到在第一方向上延伸的耦合线109hi、109ef、109bc。在第二方向上延伸的耦合线1092he、1092eb连接到在第一方向上延伸的耦合线109gh、109de、109ab。通过这种连接，多个天线100被耦合。此外，通过这种连接，天线的增益增加。当耦合线彼此连接时，耦合线可以由其中耦合线连续形成的导体(即，单个导体主体)构成。

耦合线优选地如下连接。耦合线优选地具有使得天线的相邻RTD之间的电气长度是2π的整数倍的长度。当例如X方向被取为第一方向时，在X方向上延伸的耦合线109de具有使得RTD 100e和RTD 100d之间的电气长度为2π的长度。当Y方向被取为第二方向时，在Y方向上延伸的耦合线1091eb或耦合线1092eb具有使得RTD100e和100b之间的电气长度为4π的长度。在此，电气长度是考虑了在耦合线中传播的射频波的传播速度的布线长度。容易从天线的RTD 101a到101i执行相位的互注入-锁定。长度范围的误差是±1/4π。

将描述耦合。图5A和5B是用于图示根据本实施例的元件10的示意图。图5A和5B是示意性地示出天线和耦合线之间的关系的图。图5C是示出天线的数量与电磁波的辐射角之间的相关性的曲线图。

图5A示出了其中天线在X方向和Y方向上耦合的元件10。图5B示出了其中天线仅在X方向耦合的元件10'的构造。在此，图中的“+”和“-”指示驻留于天线阵列中的频率为f THz的谐振电场的波腹及其极性，而“×”指示谐振电场的波节。元件10'没有将中心天线100e耦合到在Y方向上相邻的两个天线(即，天线100h和天线100b)的耦合线，因此在Y方向上天线之间的同步不充分。由于元件10的天线100e经由耦合线连接到在Y方向上相邻的天线100h和天线100b，因此天线在Y方向上充分同步。因此，天线的增益增加。

此外，为了满足天线之间的相位匹配条件，X方向上的耦合线和Y方向上的耦合线在从X方向上相邻的天线之间的对称轴在X方向上移位的位置处连接。换句话说，X方向上的耦合线和Y方向上的耦合线在从在X方向上相邻的天线之间的中心在X方向上移位的位置处连接。例如，对于在X方向上相邻的天线100e、100d，构造将描述如下。当天线100e、100d相对于在Y方向上延伸的线段呈线对称时，该线段取与X方向相交的点作为对称点。X方向上的耦合线109de和Y方向上的耦合线1092he在从对称点向在X方向上移位的位置处连接。X方向上的耦合线109de和Y方向上的耦合线1092eb在从对称点在X方向上移位的位置处连接。移位量例如是30um。在图1A中，假设两个天线100在X方向上的距离为LX1的长度，两个天线100在Y方向上的距离为LY1的长度。在此，耦合线109ab与耦合线1092eb的连接从长度LX1的中心朝着天线100a移位。在此，移位也被称为偏移。

更优选地，X方向上的耦合线和Y方向上的耦合线在以太赫兹波的频率下驻留于耦合线中的谐振电场的波节之外的位置处连接。换句话说，X方向上的耦合线和Y方向上的耦合线优选地在从X方向上相邻的天线之间的太赫兹波的频率f THz的电对称中心移位的位置处连接。这是因为，当两条耦合线在以太赫兹波的频率下驻留于耦合线中的谐振电场的波节之外的位置处连接时，垂直布置的天线之间的相位匹配条件与水平布置的天线之间的相位匹配条件彼此矛盾。因此，可能发生输出之间的破坏性干扰。方向性可能发生变化。

图5C是示出天线的数量与辐射角之间的相关性的曲线图。曲线图上直线和虚线表示计算出的值(通过使用由ANSYS产生的HFSS来计算)，并且绘制的点表示2乘2阵列、4乘4阵列、5乘5阵列和6乘6阵列的测得的数据。看起来，对于其中天线仅在垂直方向上耦合的元件10'，水平方向上的同步在3乘3或更大的天线阵列中是不够的。然后，似乎改善方向性的效果饱和了。对于其中天线在两个方向(即，垂直方向和水平方向)上耦合的元件10的构造，在计算和测量侧都确认方向性得到改善并且随着天线数量的增加在垂直和水平方向上辐射角都锐化。这表明，由于在水平方向上连接的耦合线的影响，即使在像被天线100e一样相邻天线包围的天线数量增加的3乘3或更大的天线阵列中，天线之间的同步也在垂直和水平方向上足够地实现。换句话说，天线之间满足相位匹配条件。因此，对于根据本实施例的元件，即使是被相邻的天线包围成M×N的阵列(M和N为自然数)的天线，也至少在垂直方向上以及在垂直和水平方向这两者上实现耦合和相位匹配的增强。因此，与图5B中所示的只有垂直方向上的天线同步的元件10'的情况相比，图5A中所示的元件10预期增强天线输出的强度。预期方向性会有所改善。

在垂直方向和水平方向上的天线之间部署耦合线的构造是使耦合线的数量最小化以减少由于耦合造成的太赫兹波中的损耗的合适构造；但是，构造不限于此。

在下文中，将描述天线的详细构造。如图3A和3B中所示，天线100a具有第一导体层106、第二导体层103a和介电层104。介电层104位于两个导体层(布线层)(即，第一导体层106和第二导体层103a)之间。天线100a的上述构造被称为使用具有有限长度的微带线等的微带天线。在本实施例中，将描述其中使用作为微带谐振器的贴片天线的示例。

如图3A和3B中所示，第二导体层103a是天线100a的贴片导体，部署成隔着介电层104(半导体层115a)与第一导体层106相对。第二导体层103a电连接到半导体层115a。天线100a被设置作为第二导体层103a在A-A'方向(谐振方向)上的宽度为λTHz/2的谐振器而操作。第一导体层106是电接地的接地导体。λTHz是在天线100a中谐振的介电层104中的太赫兹波的有效波长。在真空中太赫兹波的波长为λ0且介电层104的有效介电常数为εr时，λTHz

＝λ0_×εr-1/2。

如图3A和3B中所示，天线100a具有半导体结构。半导体结构例如是台面结构。半导体结构包括半导体层115a和半导体层101a。此外，半导体结构具有作为欧姆电极的第三电极116a。半导体层115a位于天线100a中并且是振荡或检测太赫兹波的电磁波的构造。如图1A中所示，天线100a仅示出半导体层101a；但是，半导体层115a还部署在半导体层101a与第二导体层103a之间。

在下文中，将描述半导体层101a。半导体层101a由具有电磁波增益或太赫兹波的非线性的半导体层构成。在太赫兹波频带中具有电磁波增益的典型半导体层是谐振隧穿二极管(RTD)，并且也称为有源层。在本实施例中，将描述使用RTD作为半导体层101a的示例。在下文中，半导体层101a也可以被称为RTD 101a。

RTD 101a具有多量子阱结构，其中提供包括多个隧道势垒层的谐振隧穿结构层，在多个隧道势垒层之间提供量子阱层，并且太赫兹波通过载波在子带之间的迁移来生成太赫兹波。RTD 101a在电流-电压特征的微分负电阻范围内具有基于光子辅助隧穿现象的太赫兹波的频率范围内的电磁波增益，并且在微分负电阻范围内自振荡。

天线100a是其中集成了RTD 101a、半导体层115a和贴片天线的有源天线。仅从天线100a振荡的太赫兹波的频率f THz由通过将贴片天线与半导体层115a的电抗组合而获得的所有并联谐振电路的谐振频率来确定。具体而言，根据NPL 1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用于组合RTD与天线导纳(YRTD和Yaa)的谐振电路的振荡频率f THz。

Re[YRTD]+Re[Yaa]≤0(1)

Im[YRTD]+Im[Yaa]＝0(2)

在此，YRTD是半导体层115a的导纳，Re表示实部，并且Im表示虚部。由于半导体层115a包括作为负电阻元件的RTD 101a，因此Re[YRTD]具有负值。Yaa表示从半导体层115a观察时贴片天线100a的整体结构的导纳。

具有数百至数千层的半导体层多层结构的量子级联激光器(QCL)可以用作半导体层101a。在这种情况下，半导体层115a是包括QCL结构的半导体层。可替代地，可以将常用于毫米波段的诸如耿氏二极管和IMPATT二极管之类的负电阻元件用作半导体层101a。射频元件，诸如其一端被终端化的晶体管，可以被用作半导体层101a。异质结双极晶体管(HBT)、化合物半导体层FET、高电子迁移率晶体管(HEMT)等可以适合作为晶体管。微分负电阻，诸如使用超导层的Josephson器件，可以被用作半导体层101a。

介电层104由两层构成，即，第一介电层1041和第二介电层1042。微带谐振器，诸如贴片天线，具有厚介质层104，因此减少了导体损耗，从而提高了辐射效率。期望介电层104允许形成厚膜(通常3μm或更大)，以在太赫兹频带中提供低损耗和低介电常数，并且具有良好的微机械加工性(平坦化和蚀刻)。在此，随着介电层104的厚度增加，辐射效率增加；但是，如果介电层104太厚，那么可能发生多模谐振。因此，介电层104的厚度优选地被设计在小于或等于作为上限的振荡波长的1/10的范围内。另一方面，对于高频高功率振荡器，需要二极管的小型化和高电流密度，因此期望介电层104作为二极管的绝缘结构来抑制漏电流和采取防止迁移的措施。在本实施例中，为了满足上述两个目的，对于第一介质层1041和第二介质层1042，分别使用由两种不同材料制成的介质层。

作为第一介电层1041的材料的具体示例，合适地使用有机介电材料，诸如苯并环丁烯(BCB，陶氏化学公司制，εr1＝2)、聚四氟乙烯和聚酰亚胺。在此，εr1是第一介电层1041的介电常数。对于第一介电层1041，可以使用可以形成相对厚的膜且介电常数低的无机介电材料，诸如TEOS氧化膜和旋涂玻璃。

绝缘特性(作为电绝缘体和高电阻器工作的特性，在直流电压下不通电)、势垒特性(防止用于电极的金属材料扩散的特性)和加工性(允许以亚微米精度加工的特性)对于第二介电层1042是期望的。作为满足这些特性的材料的具体示例，合适地使用无机电绝缘材料，诸如氧化硅(εr2＝4)、氮化硅(εr2＝7)、氧化铝、氮化铝。εr2是第二介电层1042的介电常数。

在此，当介电层104如本实施例的情况那样具有两层构造时，介电层104的介电常数εr是由第一介电层1041的厚度和介电常数εr1以及第二介电层1042的厚度和介电常数εr2确定的有效介电常数。从天线与空间的阻抗匹配的角度来看，天线与空气的介电常数差异越小越好，因此与第二介电层1042的材料不同且具有较低介电常数(εr1<εr2)的材料应当用作第一介质层1041。在元件10中，介电层104无需具有两层构造并且可以具有仅从上述材料中选择的一层构成的结构。

半导体层115a部署在形成于基板113上的第一导体层106上。半导体层115a和第一导体层106彼此电连接。为了减少欧姆损耗，半导体层115a和第一导体层106优选地以低电阻连接。电极116a部署在半导体层115a的与部署第一导体层106的一侧相反的一侧。电极116a和半导体层115a彼此电连接。半导体层115a和电极116a嵌入在第二介电层1042中，并包覆有第二介电层1042。

只要电极116a是欧姆连接到半导体层115a的导体，电极116a就适于减少由于串联电阻引起的欧姆损耗和RC延迟。当电极116a用作欧姆电极时，例如，Ti/Pd/Au、Ti/Pt/Au、AuGe/Ni/Au、TiW、Mo、ErAs等适合用作材料。当半导体层115a的与电极116a接触的区域是重掺杂有杂质的半导体时，接触电阻进一步降低，这适于高功率和高频。表示用在太赫兹波频带中的RTD 101a的增益的量值的负电阻的绝对值大约在1Ω至100Ω的数量级，因此电磁波的损耗被适当地抑制到低于或等于其1％。因此，作为目标，欧姆电极的接触电阻应当被抑制在小于或等于1Ω。为了在太赫兹波频带中操作，半导体层115a的宽度(几乎等于电极116a)具有大约0.1μm至大约5μm作为典型值。为此，通过将电阻率设置为低于或等于10Ω·μm2，接触电阻被适当地抑制到0.001Ω至几Ω的范围。

可以想到使用非欧姆连接而是肖特基连接到电极116a的金属的构造。在这种情况下，电极116a和半导体层115a之间的接触界面具有整流特性，并且天线100a具有作为太赫兹波检测器的合适构造。在下文中，在本实施例中，将描述使用欧姆电极作为电极116a的构造。

如图3A中所示，在部署在RTD 101a的上侧和下侧的天线100a中，基板113、第一导体层106、半导体层115a、电极116a、导体117a和第二导体层103a按此次序层压。

导体117a在介电层104中形成，并且第二导体层103a和电极116a经由导体117a彼此电连接。在此，如果导体117a的宽度过大，那么发生贴片天线100a的谐振特性的劣化，并且由于寄生电容增加而发生辐射效率降低。为此，导体117a的宽度优选地被设置为导体117a不干扰谐振电场的程度，并且通常适当地小于或等于具有f THz的振荡频率并且驻留于天线100a中的太赫兹波的有效波长λ的1/10。导体117a的宽度可以小到串联电阻不增加的程度并且作为目标可以减小到趋肤深度的大约两倍。当考虑将导体117a的宽度减小到串联电阻不超过1Ω的程度时，作为目标，导体117a的宽度通常在大于或等于0.1μm且小于或等于20μm的范围内。

在图1A中，第二导体层103a通过导体107a1电连接到线108a1并且通过导体107a2电连接到线108a2。线108a1、108a2是通过在芯片内形成的作为共用布线的偏置线111与偏置电路120电连接的延长线。线108从每个天线延伸。偏置电路120是用于向天线100a的RTD101a供应偏置信号的电源。因此，当偏置线111连接到分别从相邻天线延伸的线108时，偏置信号被供给天线的半导体层115。由于足够的布线宽度因共用偏置线111得到确保，因此减小了由于布线电阻的变化而引起的天线之间的操作电压变化，因此即使当阵列的数量增加时同步也是稳定的。此外，可以使每个天线周围的区域的结构对称，因此辐射图案不会失真。

导体107a1是用于将线108a1电连接和机械连接到第二导体层103a的连接部分，并且导体107a2是用于将线108a2电连接和机械连接到第二导体层103a的连接部分。电互连上层和下层的结构，如导体117a和导体107a1、107a2，被称为通孔。第一导体层106和第二导体层103a中的每一个不仅用作作为贴片天线的组件的构件，而且当连接到这些通孔时用作用于将电流注入RTD 101a的电极。作为通孔的导体117a和导体107a1、107a2，电阻率为小于或等于1×10-6Ω·m的材料是优选的。具体而言，适合使用金属或金属化合物，诸如Ag、Au、Cu、W、Ni、Cr、Ti、Al、AuIn合金和TiN，作为材料。

导体107a1、107a2中的每一个的宽度小于第二导体层103a的宽度。在此，宽度是天线100a中的电磁波谐振方向(＝A-A'方向)上的宽度。线108a1(线108a2)的连接到导体107a1(导体107a2)的部分(连接部分)的宽度比第二导体层103a(天线100a)的宽度小(窄)。这些宽度适当地小于或等于驻留于天线100a中具有f THz振荡频率的太赫兹波的有效波长λ的1/10(小于λ/10)。这是因为优选的是将导体107a1、107a2和线108a1、108a2部署在维度达到导体107a1、107a2和线108a1、108a2不干扰天线100a中的谐振电场的程度的位置处，以提高辐射效率。

导体107a1、107a2的位置优选地部署在驻留于天线100a中具有f THz振荡频率的太赫兹波的电场的波节处。此时，导体107a1、107a2和线108a1、108a2是在f THz振荡频率附近的频带中具有比RTD 101a的微分负电阻的绝对值高足够多的阻抗的部件。换句话说，线108a1、108a2中的每一条都连接到除天线100a之外的天线，以便在f THz的振荡频率下从RTD观察时具有高阻抗。在这种情况下，另一个天线和天线100a在f THz的频率下通过偏置线111的路径被隔离(分离)。因此，在每个天线中感应出的具有f THz振荡频率的电流不会通过偏置线111和偏置电路120影响相邻天线。此外，具有f THz的振荡频率并且驻留于天线100a中的电场与这些供电构件之间的干扰被抑制。元件10中的其它天线100b至100i也类似于天线100a。

偏置线111是天线100a至100i共用的偏置布线线路(布线层)。天线100a至100i通过分别连接到天线100a至100i的线108a1、108a2至线108i1、108i2连接到偏置线111。在偏置线111中，A-A'方向(谐振方向)上的布线在图3A中被示为线111x1至111x4，并且B-B'方向上的布线在图3B中被示为线111y1至111y4。在描述中，元件10的整个偏置共用布线线路被称为偏置线111。

在图2中，偏置电路120是部署在芯片外部以便向RTD 101a至101i供给偏置信号的电源。偏置电路120包括与RTD 101a至101i中的每一个并联连接的分流电阻器121、布线线路122、电源123，以及与分流电阻器121并联连接的电容器124。

布线线路122肯定有寄生电感分量，因此布线线路122在图2中被示为电感。电源123供给驱动RTD 101a至101i中的每一个所需的电流并调整施加到RTD 101a至101i中的每一个的偏置电压。偏置电压通常选自用于RTD 101a至101i的RTD的差分负电阻范围内的电压。偏置电路120连接到作为芯片内布线的偏置线111。在天线100a的情况下，来自偏置电路120的偏置电压通过线108a1和线108a2供给天线100a中的RTD 101a。其它天线100b至100i也与天线100a类似。

分流电阻器121和电容器124用于抑制由于偏置电路120而在相对低频率(通常是从直流(DC)到10GHz的频带)的谐振频率处的寄生振荡。选择等于或略小于作为并联连接的RTD 101a至101i的组合电阻的微分负电阻的绝对值的值作为分流电阻器121的值。电容器124以及分流电阻器121也被设置为使得元件的阻抗等于或小于并联连接的RTD 101a至101i的组合差分负电阻的绝对值。换句话说，利用这些分流结构，偏置电路120被设置为比DC至10GHz的频带中的与增益对应的组合负电阻的绝对值更低的阻抗。一般而言，电容器124优选地在上述范围内越大越好，并且在本实施例的示例中，电容器124是大约几十皮法的电容。电容器124是解耦电容器，并且例如可以使用天线100a和基板集成在其中的金属-绝缘体-金属(MIM)结构。

元件10是具有部署在3乘3矩阵中的九个天线100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h、100i的天线阵列。天线100a至100i中的每一个仅振荡具有频率f THz的太赫兹波。天线中相邻两个天线通过耦合线109彼此耦合并且在太赫兹波的f THz的振荡频率下进行互注入-锁定(彼此同步)。

在此，互注入-锁定是指多个自激振荡器因相互作用而牵入同步。例如，天线100a和天线100b通过耦合线109ab彼此耦合，并且天线100a和天线100d通过耦合线109ad彼此耦合。这同样适用于其它相邻天线。术语“彼此耦合”是指在一个天线中感应出的电流作用于另一个相邻天线以改变相互发射和接收特征的现象。通过使相互耦合的天线同相或反相同步，互注入-锁定现象引起天线之间电磁场的增强或破坏。因此，可以调整天线增益的增加或减少。在描述中，当指示耦合元件10的天线的整个耦合线时，耦合线被称为耦合线109。与每个天线对应的字母被用于指示耦合天线中相邻两个天线并且是耦合线109的组件的耦合线。例如，将天线100a与天线100b耦合的耦合线被称为耦合线109ab。

元件10的振荡条件由构造中互注入-锁定的条件确定，在该构造中，在J.Appl.Phys.，第103卷，124514(2008)(NPL 2)中描述的两个或更多个单独的RTD振荡器被耦合。具体而言，考虑其中天线100a和天线100b通过耦合线109ab耦合的天线阵列的振荡条件。此时，出现两种振荡模式，即，同相互注入-锁定和反相互注入-锁定。同相互注入-锁定振荡模式(偶数模式)的振荡条件由数学表达式(4)和数学表达式(5)表达，而反相互注入-锁定振荡模式的振荡条件(奇数模式)由数学表达式(6)和数学表达式(7)表达。

同相(偶数模式)：频率f＝feven

Yeven＝Yaa+Yab+YRTD

Re(Yeven)≤0(4)

Im(Yeven)＝0(5)

反相(奇数模式)：频率f＝fodd

Yodd＝Yaa+Yab+YRTD

Re(Yodd)≤0(6)

Im(Yodd)＝0(7)

在此，Yab是天线100a和天线100b之间的互导纳。Yab与指示天线之间的耦合强度的耦合常数成比例，并且在理想情况下，优选-Yab的实部大且虚部为零。在根据本实施例的元件10中，天线在天线经受同相互注入-锁定并且振荡频率f THz≈feven的条件下耦合。类似地，对于其它天线，天线中任何相邻的两个在耦合线109中耦合以满足上述同相互注入-锁定条件。

耦合线109是介电层104夹在第三导体层110和第一导体层106之间的微带线。例如，如图3A中所示，耦合线109ab具有介电层104夹在第三导体层110ab和第一导体层106之间的结构。类似地，耦合线109bc被形成为使得介电层104被夹在第三导体层110bc和第一导体层106之间，耦合线109ad被形成为使得介电层104被夹在第三导体层110ad和第一导体层106之间，并且耦合线109cf被形成为使得介电层104被夹在第三导体层110cf和第一导体层106之间。

在图4中，元件10的天线中的任何相邻两个通过DC耦合来耦合。作为将天线100a耦合到天线100b的耦合线109ab的上部导体层的第三导体层110ab直接连接到第二导体层103a、103b。如图3A、3B和4中所示，在元件10中，第三导体层110ab和第二导体层103a、103b形成在同一层中。类似地，作为将天线100a耦合到天线100e的耦合线109ae的上部导体层的第三导体层110ae直接连接到第二导体层103a、103e。第三导体层110ae与第二导体层103a、103e形成在同一层中。

通过这种结构，天线100b和天线100e中的每一个耦合到天线100a并且在振荡太赫兹波的频率f THz下彼此同步地操作。利用这种DC耦合同步的天线阵列能够同步具有强耦合的相邻天线，因此该天线阵列易于执行牵入同步操作，并且不易受到每个天线的频率和相位变化的影响。

在元件10中，耦合线109和偏置线111部署在不同的层中。例如，如图3A中所示，作为将天线100a耦合到天线100b的耦合线109ab的组件的第三导体层110ab和作为偏置线111的组件的第四导体层111x2部署在不同的层中。作为将天线100a耦合到天线100d的耦合线109ad的组件的第三导体层110ad和构成偏置线111的第四导体层111x1部署在不同的层中。换句话说，具有耦合线109在基板113的面内方向(与层压方向垂直的方向)延伸的部分的布线层和具有偏置线111在基板113的面内方向上延伸的部分的布线层部署在不同的层中。在此，具有耦合线109在面内方向上延伸的部分的布线层是第三导体层110和第一导体层106。另一方面，具有偏置线111在面内方向上延伸的部分的布线层是第四导体层111。在本实施例中，所有天线中的所有第三导体层110和第一导体层106都部署在与第四导体层111中的任何一个不同的层中。

以这种方式，发送高频(f THz)的耦合线109和发送低频(DC至几十GHz)的偏置线111部署在不同的层中。这允许自由设置每一层中的传输线的宽度、长度和布局，诸如安装。

在元件10中，从基板113侧起基板113、第一导体层106、第二导体层103a按此次序层压。耦合线109和偏置线111中的至少任一个部署在第一导体层106和第二导体层103之间的层中。例如，如图3A中所示，第四导体层111x2、111x1部署在第一导体层106和第二导体层103之间的层中。

此外，如图1A中所示，当从上方看时(在平面图中)，耦合线109和偏置线111彼此交叉。例如，在平面图，第三导体层110ab与第四导体层111x2彼此交叉，并且第三导体层110ad与第四导体层111y3彼此交叉。如图3A和3B中所示，交叉的导体层位于不同的级别。

以这种方式，通过铺设线路使得耦合线109和偏置线111彼此交叉，实现具有进一步节省空间的布局的构造。因此，利用这种构造，在以m乘n矩阵(m≥2，n≥2)部署天线的天线阵列中，所部署的天线的数量增加。根据本实施例，即使当天线的数量增加时，用于天线之间同步的耦合线(耦合线109)和用于向每个RTD 101供给偏压的电源线(偏置线111)之间的物理干扰被抑制。因此，在元件10中，放宽了对所布置天线的数量的上限的限制，因此，预期因阵列数量的增加而带来的方向性和正面强度的大幅提高的效果。

通过将耦合线109和偏置线111中的至少任何一个部署在作为天线的组件的两个导体层之间的层中来实现具有空间节省的布局配置。具体而言，耦合线109或/和偏置线111嵌入在作为天线100a至100i的组件的介电层104中除天线之外的冗余区域中。利用这种构造，可以在以波长左右的间距部署的相邻天线之间的相对小的空间中部署多条传输线路，因此能够充分与因天线数量的增加而引起的线路数量的增加兼容。

由于集肤效应引起的电阻在太赫兹频带中增加，因此天线之间的高频传输产生的导体损耗不容忽视。随着导体层之间电流密度的增加，每单位长度的导体损耗(dB/mm)增加。在微带线的情况下，每单位长度的导体损耗(dB/mm)与电介质厚度的平方成反比。因此，为了提高天线阵列的辐射效率，通过不仅增加天线的厚度而且增加作为耦合线109的组件的电介质的厚度来减少导体损耗是合适的。相比之下，在根据本实施例的元件10中，偏置线111部署在第一介电层1041中的第一导体层106侧，并且频率为f THz的射频被发送穿过的第三导体层110部署在介电层104上方的上层中。利用这种构造，抑制了由太赫兹频带中的导体损耗引起的天线阵列的辐射效率的降低。在这种情况下，在天线100a中，基板113、第一导体层106、第四导体层111x1、111x2、第二导体层103a和第三导体层110ad、110ab从基板113侧按此次序层压。这同样适用于耦合其它天线的耦合线109和偏置线111之间的关系。

从导体损耗的观点来看，作为耦合线109的组件的电介质的厚度优选地大于或等于1μm，并且更优选地，当电介质厚度被设置为大于或等于2μm时，由于太赫兹频带中导体损耗引起的损耗被抑制到大约20％。类似地，从导体损耗的观点出发，作为耦合线109的组件的第三导体层110和第一导体层106之间在厚度方向上的距离优选地越宽越好。作为耦合线109的组件的第三导体层110和作为偏置线111的组件的第四导体层111之间在厚度方向上的距离优选地越宽越好。对于偏置线111，当电介质被设置为小于或等于2μm，优选地，小于或等于1μm时，可以使偏置线111用作直至千兆赫频带的低阻抗线路。即使当电介质设置得较厚，即，大于或等于2μm时，也可以通过将分流组件连接到偏置线来使偏置线111用作低阻抗线，如元件30的情况中那样。

在根据本实施例的元件10中，相邻的天线通过部署在天线之间的共用偏置线111被供给电力。例如，如图3B中所示，天线100a通过导体107a2和线108a2连接到偏置线111y3，并且天线100d通过导体107d1和线108d1连接到偏置线111y3。类似地，由于天线100a和天线100b彼此相邻，因此两个天线都连接到部署在天线之间并被供给偏置信号的共用偏置线111x2。这同样适用于其它天线100b至100i的偏置线111。以这种方式，当在天线中相邻两个天线之间使用作为芯片中布线的共用偏置线111时，允许天线被同一通道驱动，从而简化了驱动模式。由于布线线路的数量减少，并且因此可以增加一条布线的厚度，相应地可以抑制由于阵列数量增加引起的布线电阻增加以及天线中相邻两个天线之间的操作点差异。这样，由于阵列数量的增加而导致的天线间的频率差和相位差得到抑制，从而更容易获得阵列带来的同步效果。

共用偏置线111不是必不可少的部件。例如，可以利用多层化和小型化为每个天线准备多条偏置线111以提供个体电源。在这种情况下，增强了天线之间通过偏置线111的隔离，因此降低了低频寄生振荡的风险。在元件10中，线108a1、108a2至线108i1、108i2和偏置线111优选地在低于振荡频率f THz的低频带中具有比RTD 101a至101i的负电阻低的阻抗。更优选地，阻抗应当等于或小于并联连接的RTD 101a至101i的组合差分负电阻的绝对值的值。因此，抑制了低频下的多模振荡。

如上所述，根据本实施例，通过使天线阵列同步，以比现有技术更高的准确性执行振荡或检测。

将参考图1A和2描述根据第一实施例的振荡太赫兹波的元件10的具体构造。元件10是能够在0.45THz至0.50THz的频带中执行单模振荡的半导体设备。基板113是InP基板。RTD 101a至101i由基板113上匹配的InGaAs/AlAs晶格的多量子阱结构制成，并且在本实施例中，使用具有双势垒结构的RTD。这也被称为RTD的半导体层异质结构。

RTD 101a至101i中的每一个的电流电压特征使得在测得的值中，峰电流密度是9mA/μm²并且每单位面积的微分负电导是10mS/μm²。在天线100a中，形成了由包括RTD 101a的半导体层115a和作为欧姆电极的第三电极116a构成的台面结构。在本实施例中，台面结构具有直径为2μm的圆形。此时，RTD 101a的差分负电阻的量值大约为每个二极管-30Ω。在这种情况下，包括RTD 101a的半导体层115a的微分负电导(GRTD)被估计为大约30mS，并且RTD 101a的二极管电容(CRTD)被估计为大约10fF。

天线100a是具有使得介电层104被作为贴片导体的第二导体层103a和作为接地导体的第一导体层106夹住的结构的贴片天线。包括RTD 101a的半导体层115a集成在天线100a中。天线100a是方形贴片天线，其中第二导体层103a的一侧是150μm，并且天线的谐振器长度(L)是150μm。

对于作为贴片导体的第二导体层103a和作为接地导体的第一导体层106，使用具有低电阻率的Au薄膜为主的金属层。第二导体层103a由含有Ti/Au(＝5/300nm)的金属构成。介电层104部署在第二导体层103a和第一导体层106之间的层中。介电层104由两层(即，由5μm厚的苯并环丁烯(BCB，由陶氏化学公司生产，εr1＝2)制成的第一介电层1041和由2μm厚的SiO₂(等离子体CVD，εr2＝4)制成的第二介电层1042)组成。

第一导体层106由Ti/Pd/Au层(20/20/200nm)和电子浓度为1x1018cm-3或更大的n+-InGaAs层(100nm)构成的半导体层构成，并且金属和半导体层以低电阻欧姆接触彼此连接。

电极116a是由Ti/Pd/Au层(20/20/200nm)构成的欧姆电极。电极116a与由电子浓度为1x1018cm-3或更高的n+-InGaAs层(100nm)构成且形成在半导体层115a中的半导体层低电阻欧姆接触连接。

在RTD 101a周围，基板113、第一导体层106、半导体层115a、电极116a、由含Cu的导体构成的导体117a和第二导体层103a从基板113侧起按此次序层压并且电连接。RTD 101a部署在从第二导体层103a的重心在谐振方向(A-A'方向)上从第二导体层103a的一侧移位40％(60μm)的位置。在此，根据RTD 101a在天线100a中的位置来确定从RTD向贴片天线供应射频时的输入阻抗。第二导体层103a通过作为由Cu制成的通孔的导体107a1连接到部署在下层中的线108a1，并且通过作为由Cu制成的通孔的导体107a2连接到部署在下层中的线108a2。

线108a1、108a2由层压在第二介电层1042上的含有Ti/Au(＝5/300nm)的金属层构成。线108a1、108a2通过作为芯片内形成的共用布线线路的偏置线111连接到偏置电路120。偏置线111由层压在第二介电层1042上的含有Ti/Au(＝5/300nm)的金属层构成。天线100a被设计为当偏置设置到RTD 101a的负电阻区域时以f THz＝0.5THz的频率获得功率为0.2mW的振荡。

导体107a1、107a2中的每一个具有直径为10μm的圆柱结构。线108a1、108a2中的每一个由含有Ti/Au(＝5/300nm)的金属层形成的图案构成，其中在谐振方向(＝A-A'方向)上的宽度为10μm且长度为75μm。导体107a1、107a2中的每一个在B-B'方向上的端部连接到谐振方向(＝A-A'方向)上的中心的第二导体层103a。连接位置与具有f THz的太赫兹波并且驻留于天线100a中的电场的波节对应。

元件10是其中将九个天线100a至100i部署为3乘3矩阵的天线阵列。每个天线被设计为单独振荡具有频率f THz的太赫兹波，并且天线在A-A'方向和B-B'方向上都以340μm(间隔)的间距部署。天线中相邻两个天线通过包括由Ti/Au(＝5/300nm)制成的第三导体层110的耦合线109彼此耦合。例如，天线100a和天线100b通过耦合线109ab彼此耦合。中心天线100e通过在第一方向(垂直方向)上延伸的耦合线109ef连接到天线100f，并且通过在第一方向(垂直方向)上延伸的耦合线109ed连接到天线100d。类似地，天线100e通过在第二方向(水平方向)上延伸的耦合线1091he、1092he、1091eb、1092eb分别连接到相邻的天线100h和天线100b。在此，在天线100e、100d的情况下，垂直方向上的耦合线109de和水平方向上的耦合线1092he、1092eb在从天线100e、100d在垂直方向上的对称中心在A方向上移位30μm的位置处连接。换句话说，垂直方向上的耦合线109de和水平方向上的耦合线1092he、1092eb在连接天线100e和天线100d的线段的中心以外的位置处连接。第二导体层103a和第二导体层103b通过在同一层中形成的宽度为5μm且长度为190μm的第三导体层110ab直接连接。天线100a和天线100d通过耦合线109ad彼此耦合。第二导体层103a和第二导体层103d通过与它们在同一层中形成的宽度为5μm且长度为440μm的第三导体层110ad直接连接。这同样适用于其它天线。天线100a至100i经受互注入-锁定并且以f THz＝0.5THz的振荡频率在相位彼此匹配(同相)的状态下振荡。

作为在芯片中形成的共用布线线路的偏置线111是天线共用的偏置布线并且连接到分别连接到天线100a至100i的线108a1、108a2至线108i1、108i2。

在元件10中，如耦合线109ab的第三导体层110ab与偏置线111的第四导体层111x1之间的关系的情况一样，耦合线109和偏置线111部署在不同的层中。在元件10中，基板113、第一导体层106、第二导体层103a从基板113侧起按此次序层压。与第三导体层110ab和第四导体层111x1的情况一样，偏置线111部署在第一导体层106和第二导体层103之间的层中。耦合线109和偏置线111彼此相交。这同样适用于耦合其它天线100b至100i的耦合线109和偏置线111之间的关系。利用这种构造，减少了用于天线之间同步的耦合线(耦合线109)与用于向每个RTD 101供给偏压的电源线(偏置线111)之间的物理干扰。因此，所布置的天线数量的上限增加，因此预期阵列数量增加带来的方向性和正面强度显著改善的效果。

(元件的制造方法)

接下来，将描述根据本实施例的元件10的制造方法(准备方法)。

(1)首先，在由InP制成的基板113上外延生长作为分别包括RTD 101a至101i的半导体层115a至115i的组件的InGaAs/AlAs半导体层多层膜结构。这是通过分子束外延(MBE)法、金属有机气相外延(MOVPE)法等形成的。

(2)通过溅射法在半导体层115a至115i上沉积作为作为欧姆电极的电极116a至116i的组件的Ti/Pd/Au层(20/20/200nm)。

(3)电极116a至116i和半导体层115a至115i各自被形成为直径2μm的圆形台面形状，以形成台面结构。在此，使用光刻和电感耦合等离子体(ICP)的干蚀刻被用于形成台面形状。

(4)在刻蚀后的表面上，在通过剥离法在基板113上形成第一导体层106之后，通过等离子体CVD法沉积将作为第二介质层1042的厚度为2μm的氧化硅。

(5)在第二介电层1042上形成Ti/Au层(＝5/300nm)作为第四导体层111，第四导体层111是线108a1至i2和偏置线111的组件。(6)通过使用旋涂法和干蚀刻法嵌入并平坦化将作为第一介质层1041的厚度为5μm的BCB。

(7)通过光刻和干蚀刻，去除形成将作为通孔的导体117a至117i和导体107a1至107i2的部分处的BCB和氧化硅，以形成通孔孔(接触孔)。此时，当使用包括灰度级曝光的光刻时，选择性地控制用于形成第一介电层1041、第二介电层1042和耦合线109的通孔孔的锥角。

(8)作为通孔的导体117a至117i和导体107a1至107i2由含Cu的导体形成在通孔孔中。通过使用溅射法、电镀法和化学机械抛光法对通孔孔埋铜并平坦化，以形成导体117a至117i和导体107a1至107i2。

(9)通过溅射法沉积电极Ti/Au层(＝5/300nm)，其将作为第二导体层103a至103i和作为天线中耦合线109的组件的第三导体层110。

(10)通过使用光刻和电感耦合等离子体(ICP)的干蚀刻，对第二导体层103a至103i和作为耦合线109的组件的第三导体层110进行图案化。

(11)最后，形成分流电阻器121和电容器124并通过引线键合等连接到布线线路122和电源123，从而完成元件10。电容器124例如是金属绝缘体金属(MIM)电容器。

从偏置电路120向元件10供给电力。当施加通常引起微分负电阻范围的偏置电压以供给偏置电流时，元件10作为振荡器操作。

根据本实施例的元件10具有合适的天线阵列。因此，有可能提供实现天线增益的提高和方向性的改善中的至少一个的天线阵列。

可以如图1B中所示修改元件10的每个天线100。图1B是示出图1A中所示的元件10的天线100a的修改的顶部示意图。在图1B中，天线100a具有至少两个半导体层，即，半导体层101a1和半导体层101a2。半导体层101a1和半导体层101a2各自具有与半导体层101的构造等同的构造。利用这种构造，进一步提高了天线的增益。

天线100a是方形贴片天线。在图1B中，每个连接贴片天线的两个相对侧的中心的线段由虚线表示。虚线的交点是贴片天线的中心。导体107a1和导体107a2中的每一个分别位于贴片天线两侧的中心，在X方向上延伸，半导体层101a1和半导体层101a2分别位于在Y方向上延伸的连接贴片天线两侧的中心的虚线中。半导体层101a1和半导体层101a2距贴片天线的中心的距离相等。利用这种构造，天线的操作变得稳定。

(第二实施例)

图6A、6B、7A和7B是根据第二实施例的元件20的示意性构造图和示意性横截面图。元件20中除了以下描述的那些以外的组件和结构与根据第一实施例的元件10的同名的组件相似，因此省略详细描述。图6A是与第一实施例的图4对应的图，图6B是与第一实施例的图5A对应的图，并且将不再重复冗余的描述。图6B是用于图示图6A的构造中的谐振电场的波节和波腹的位置的示意图。图7A和图7B分别是与第一实施例的图3A和图3B对应的视图，并且将不再重复冗余的描述。

元件20是其中将九个天线200a至200i部署为3乘3矩阵的天线阵列。与第一实施例不同的是，天线200a包括两个半导体层，这两个半导体层在一个天线中具有针对太赫兹波的电磁波增益或非线性性。具体而言，如图7A中所示，天线200a包括包含RTD 201a1的半导体层215a1和包含RTD 201a2的半导体层215a2。

在图7A中，电极216a1部署在半导体层215a1的与部署有第一导体层206的一侧相反的一侧，并且电极216a2部署在半导体层215a2的与部署有第一导体层206的一侧相反的一侧。半导体层215a1部署在第一导体层206与电极216a1之间，并且半导体层215a2部署在第一导体层206与电极216a2之间。电极216a1与半导体层215a1彼此电连接，并且电极216a2与半导体层215a2彼此电连接。通过作为连接在电极216a1和第二导体层203a之间的通孔的导体217a1和作为连接在电极216a2和第二导体层203a之间的通孔的导体217a2，偏置信号从偏置电路120被供给到两个RTD 201a1、201a2。

如图6A中所示，RTD 201a1部署在从第二导体层203a的重心在谐振方向(即，A-A'方向)上移位第二导体层203a的一侧的长度的40％的位置处。另一方面，RTD 201a2部署在从第二导体层203a的重心在谐振方向(即，A-A'方向)上移位第二导体层203a的一侧的长度的-40％的位置处。换句话说，RTD 201a1和RTD 201a2部署在关于作为通过第二导体层203a的重心并垂直于谐振方向和层压方向的直线(中心线)的轴对称的位置处。在这种情况下，RTD 201a1和RTD 201a2经受互注入-锁定并且在相位彼此反转(反相)的状态下振荡。以这种方式，RTD被部署为在天线的左右方向和上下方向上对称的构造是更容易提供由阵列数量的增加而产生的方向性和正面强度的提高的效果的构造。

耦合线209由其中介电层204和介电层218被第一导体层206和层压在介电层218上的第五导体层210夹在中间的微带线构成，该介电层218层压在介电层204上。例如，如图7A中所示，耦合线209ab具有使得介电层204和介电层218被第五导体层210ab和第一导体层206夹在中间的结构。

类似地，耦合线209bc具有使得介电层204和介电层218被第一导体层206和作为上部导体层提供的第五导体层210bc夹在中间的结构，并且耦合线209ad具有使得介电层204和介电层218被第一导体层206和作为上部导体层提供的第五导体层210ad夹在中间的结构。

元件20是具有其中天线通过AC耦合(电容耦合)耦合的配置的天线阵列。例如，作为将天线200a与天线200b耦合的耦合线209ab的上部导体层的第五导体层210ab在平面图中以辐射端为中心与第二导体层203a、203b重叠5μm。这同样适用于其它天线200b至200i中的任何相邻两个天线之间的耦合。

在导体层彼此重叠的部分，第二导体层203a、203b、介质层218和第五导体层210ab按此次序层压，并且形成金属-绝缘体-金属(MIM)电容结构。此时，第二导体层203a和第二导体层203b在DC开路，因为在低于f THz的低频范围内耦合强度小，所以元件之间的隔离被确保。另一方面，在振荡频率f THz的频带中，天线之间的耦合强度可以用电容器调整。这种结构显著降低了天线之间的耦合，因此抑制了天线之间的传输损耗，结果天线阵列的辐射效率有望提高。

根据本实施例的元件20是其中在部署在中心的天线200e和在第二方向(水平方向)上与天线200e相邻的天线之间部署在第二方向(水平方向)上延伸的两条耦合线的示例。具体而言，在第二方向(水平方向)上延伸的耦合线2091he、2092fi、2092cf、2091eb部署在天线200e、200f之间并且连接到在第一方向上延伸的耦合线209ef。在第二方向(水平方向)上延伸的耦合线2092he、2091dg、2091ad、2092eb部署在天线200e、200d之间并连接到在第一方向上延伸的耦合线209de。

元件20中的耦合线在部署天线200i、天线200f和天线200c的行与部署天线200h、天线200e和天线200b的行之间呈阶梯状设置。在这些行之间，耦合线209bc、耦合线209hi和耦合线209ef部署在X方向上。此外，在这些行之间，耦合线2092fi、耦合线2092cf、耦合线2091he和耦合线2091eb部署在Y方向上。耦合线2092fi和耦合线2092cf连接耦合线209bc与耦合线209hi。耦合线2092fi和耦合线2092cf在耦合线209ef处连接。耦合线2091he和耦合线2091eb连接耦合线209bc与耦合线209hi。耦合线2091he和耦合线2091eb在耦合线209ef处连接。耦合线可以由单个电导体主体制成。天线200和耦合线通过AC耦合连接。

在部署天线200h、天线200e和天线200b的行与部署天线200g、天线200d和天线200a的行之间进一步以阶梯形状设置耦合线。在这些行之间，耦合线209gh、耦合线209de和耦合线209ab被布置在X方向上。另外，在这些行之间，耦合线2092he、耦合线2092eb、耦合线2091dg、耦合线2091ad在Y方向上配置。耦合线2092he和耦合线2092eb与耦合线209gh和耦合线209ab连接。耦合线2092he和耦合线2092eb在耦合线209de处连接。耦合线2091dg和耦合线2091ad与耦合线209gh和耦合线209ad连接。耦合线2091dg和耦合线2091ad在耦合线209de处连接。耦合线可以由单个电导体主体制成。天线200和耦合线通过AC耦合连接。

在此，为了满足天线之间的相位匹配条件，在第二方向(水平方向)上延伸的耦合线在第一方向上从第一方向上相邻天线之间的对称的中心移位预定距离的位置处连接到第一方向上的耦合线。在本实施例的示例的情况下，第一方向和第二方向上的耦合线连接在从在以太赫兹波的频率下驻留于耦合线中的谐振电场的波节向上方向和向下方向移位30um的位置处。通过以这种方式部署第二方向上的两条耦合线的构造，增强了水平方向上的天线之间的耦合，因此获得更高的互注入-锁定效果。因此，天线的增益提高了。耦合线与天线的连接布置的对称性比单条耦合线的情况更好，因此预期良好的辐射图案的效果。

(第三实施例)

图8A和8B是图示根据本实施例的元件30的构造的图。元件30是其中将九个天线300a至300i部署为3乘3矩阵的天线阵列。与根据第一实施例的元件10的情况一样，天线300a至300i中的每一个包括一个半导体层，该半导体层在一个天线中具有针对太赫兹波的电磁波增益或非线性性。图8A是与第一实施例的图4对应的图，图8B是与第一实施例的图5A对应的图，并且将不重复冗余的描述。

元件30具有使得部署在阵列端部的天线的耦合线向外延伸的构造。例如，线3091a、3092a、3091c、3092c、3091g、3092g、3091i、3092i在水平方向上与四个角处的天线300a、300c、300g、300i连接，并且耦合线被延伸。类似地，线3093a、3093c、3093g、3093i在垂直方向上与四个角处的天线300a、300c、300g、300i连接，并且耦合线被延伸。此外，3093d和3093f在垂直方向上连接，并且3091b、3092b、3091h和3092h在水平方向上连接到阵列端部且四个角以外的天线300b、300d、300f、300h，并且耦合线被延伸。利用这种构造，即使在阵列端部的部分，也实现天线与垂直方向上部署的耦合线和水平方向上部署的耦合线中的至少任一条耦合线之间的相同关系。换句话说，天线300e与耦合线之间的关系在布局上与每个其它天线300和耦合线之间的关系是一致的。因此，由于端部的影响而引起的不必要的反射和相位失配被减少，因此增强的锁相和良好的辐射图案的效果是预期的。此外，由于在每个单位天线中天线和耦合线在垂直方向和水平方向上呈对称形状，因此有利的是天线阵列的设计被简化并变得容易。在本实施例中，确保耦合线与天线在X方向上的对称性以及耦合线与天线在Y方向上的对称性。可替代地，可以仅改进对称性中的任何一个。

通过电气地终结单天线和阵列端部的耦合线，元件30的构造能够进一步减少因端部影响而产生的不必要的反射和相位失配，因此该构造进一步有利于增强锁相并调整辐射图案。

(第四实施例)

图9A和9B是图示根据本实施例的元件40的构造的图。图9A是与第一实施例的图4对应的图，图9B是与第一实施例的图5A对应的图，并且将不再重复冗余的描述。

元件40具有独立的耦合线在垂直方向和水平方向上从单位天线延伸的构造。例如，耦合线409ef、409de在垂直方向上从天线400e延伸并且分别连接到天线400f、400d。耦合线4091he、4092he在水平方向上延伸，并连接到400h。耦合线4091eb、4092eb在水平方向上延伸并连接到400b。将耦合线调整为使得相邻天线的振荡器之间的电气长度变为2π的整数倍的长度以执行作为天线的振荡器的RTD401a至401i的同相互注入-锁定。换句话说，当假设两个天线的半导体层之间的电气长度为L1时，耦合线的长度L2应当被设置为满足L1＝2π×k(k是整数)。第一方向(垂直方向)上的耦合线409de被调整为使得RTD 401e和RTD401d之间的电气长度变为2π的长度。在第二方向上延伸的耦合线4091eb、4092eb被调整为使得RTD 401e、401b之间的电气长度变为4π的长度。此时，在如元件40那样在向上、向下和向左三个方向上分支的耦合线的情况下，可以通过分别调整每条耦合线的长度来调整天线间的电气长度。这种构造使得垂直和水平的耦合线可以分开设计，从而提高设计的灵活性。元件40的构造能够通过电气地终结单个天线和阵列端部处的耦合线来进一步减少因端部影响而产生的不必要的反射和相位失配，使得该构造进一步有利于增强锁相和调整辐射图案。

(第五实施例)

在本实施例中，将描述根据第一至第四实施例中的任一个的元件应用于太赫兹相机系统的情况。在下文中，将参考图10进行描述。太赫兹相机系统1100包括辐射太赫兹波的发送部分1101和检测太赫兹波的接收部分1102。太赫兹相机系统1100还包括控制器1103，用于根据来自外部的信号控制发送部分1101和接收部分1102的操作并且基于检测到的太赫兹波处理图像或者将图像输出到外部。根据任一个实施例的元件可以是发送部分1101或者可以是接收部分1102。

来自发送部分1101的太赫兹波在被摄体1105上反射并被接收部分1102检测。包括发送部分1101和接收部分1102的相机系统也被称为有源相机系统。在没有发送部分1101的无源相机系统中，根据任何一个实施例的元件可以被用作接收部分。

因此，使用根据任何一个实施例的具有高天线增益的元件的相机系统能够获得高检测灵敏度和高质量图像。

(第六实施例)

将参考图11A至12C描述根据本实施例的元件50的构造。图11A和11B是元件50的顶部示意图。图11C是元件50的一个天线的相关部分的放大的顶部示意图。图11D是元件50的一个天线的相关部分的修改。图12A、12B和12C是与图11A对应的元件50的示意性横截面图。元件50中除了以下描述的那些以外的组件和结构与根据第一实施例的半导体元件100的组件相似，因此省略详细描述。

如图11A中所示，元件50是其中九个天线500a到500i以3乘3矩阵部署的天线阵列。元件50是其中假设天线500a是单位天线的天线阵列，单位天线以0.6波长的间距布置。

元件50具有部署在Y方向上的电容器530。在元件50中，示出了12个电容器530。在Y方向上，部署在两个天线之间的电容器530使用两个天线的附图标记被称为电容器530ad等，并且在图11A中示出了六个电容器530。在Y方向上，部署在天线阵列外围的电容器530通过使用相邻天线的附图标记被称为电容器530a等，并且六个电容器530在图11A中示出。

元件50具有部署在X方向上的电容器531和电容器532。电容器531部署在天线500a至天线500i中任何相邻的两个天线之间，并且电容器532部署在天线500a至天线500i中的每一个的周围。电容器531位于两个天线之间并且通过使用两个天线的附图标记被称为电容器531ab等。在元件50中，示出了六个电容器531。电容器521位于天线阵列的外围并且通过使用相邻天线的附图标记被称为电容器532a等。在元件50中，示出了六个电容器521。

天线500a包括作为传输线的多条耦合线，用于以f THz的振荡频率在X方向和Y方向上在相邻天线之间执行电力传输。这些耦合线也称为耦合线。至少一个天线包括多条耦合线。至少一个天线连接到至少三条或更多条耦合线。至少一个天线经由耦合线连接到至少四个或更多个不同的天线。在此，耦合线耦合到天线的情况包括天线和耦合线经由电容器电连接的情况、天线和耦合线直接连接的情况以及天线和耦合线由单个电导体组成的情况。耦合线具有微带线结构。微带线结构具有一个导体层、电介质和另一个导体层。在以下描述中，为了容易理解，将通过对一个导体层的附图标记和耦合线的附图标记使用相同的附图标记进行描述。

天线500i、天线500f和天线500c在天线阵列的第一行中在Y方向上按此次序部署。天线500h、天线500e和天线500b在天线阵列的第二行中在Y方向上按此次序部署。天线500g、天线500d和天线500a在天线阵列的第三行中在Y方向上按此次序部署。当假定X方向为向上方向时，第二行中的天线部署在第三行上方，并且第一行中的天线部署在第二行上方。

将描述耦合线。最初，多个导体层5091、多个导体层509和多个导体层5092，如图11A中所示，各自都可以用作耦合线。为了便于描述，当着眼于第二行时，导体层5091和导体层509部署在第一行天线与第二行天线500h、天线500e和天线500b之间。导体层5092和导体层509部署在第三行天线与第二行天线500h、天线500e和天线500b之间。在此，两个天线的附图标记被指派给耦合两个天线的导体层。例如，着眼于天线500e。天线500h和天线500e通过导体层5091he和导体层5092he耦合。天线500e和天线500b通过导体层5091eb和导体层5092eb耦合。天线500e和天线500f通过导体层509ef耦合。天线500e和天线500d通过导体层509de耦合。

换句话说，天线500h耦合到导体层5091he并耦合到导体层5092he。天线500e耦合到导体层5091he并耦合到导体层5092he。天线500e通过导体层5091he和导体层5092he耦合到天线500h。天线500e耦合到导体层5091eb并耦合到导体层5092eb。天线500b耦合到导体层5091eb并耦合到导体层5092eb。天线500e通过导体层5091eb和导体层5092eb耦合到天线500b。天线500e耦合到导体层509ef。天线500f耦合到导体层509ef。天线500e经由导体层509ef耦合到天线500f。天线500e耦合到导体层509de。天线500d耦合到导体层509de。天线500e经由导体层509de耦合到天线500d。

当图11A中所示的天线的附图标记被假设为xy时，x≠y≠z并且x、y和z每个是a到i中的任何一个。导体层5091xy位于天线上方并在Y方向上提供耦合。导体层5092xy位于天线下方并在Y方向上提供耦合。509xz部署在导体层5091xy和导体层5092xy之间。在此，上方和下方是指X方向上的位置并且是指图11A的纸张的上侧和下侧。

将描述天线阵列的一端。在图11A中所示的天线阵列中，对于端部处的天线没有示出目标，因此那些天线被指派例如5091h或5091i。但是，也可以为其它天线类似地部署导体层。例如，当着眼于天线500d时，耦合到天线500d的导体层5093d不耦合到另一个天线。导体层5093d可以耦合到电容器532d。导体层5093d也可以被视为被终结。

导体层的布置中的这种关系与天线500e的情况相似。换句话说，采用这种构造，位于天线阵列的端部的天线与导体层之间的关系等同于位于天线阵列内部的天线与导体层之间的布置中的关系。换句话说，可以认为用作单位单元的天线500a重复地部署于天线500b至天线500i。利用这种构造，增加天线阵列的对称性。

将描述天线与电容器之间的关系。电容器530、电容器531和电容器532各自可以用作分流元件。在X方向上部署的多个电容器531和多个电容器532分别经由作为耦合线的导体层与天线上部的导体层耦合。在Y方向上部署的多个电容器530各自耦合到天线上部的导体层。利用这种构造，耦合线中的寄生振荡被降低。在本说明书中，耦合可以包括电容耦合和直接连接。

电容器531可以耦合到多个导体层。换句话说，一个电容器531可以在多个导体层之间共享。例如，将通过使用电容器531ab来进行描述。导体层509ab、导体层5091a、导体层5091ad、导体层5092b和导体层5092eb耦合到电容器531ab。这同样适用于电容器532。一个电容器531可以在多个导体层之间共享。例如，导体层5092a、导体层5092ad和耦合线5093a耦合到电容器532a。利用这种构造，有可能实现由元件的共享引起的元件面积减少。电容器530可以耦合到多个天线。换句话说，换句话说，一个电容器530在多个天线之间共享。例如，将通过使用电容器530ad来进行描述。天线500a的导体层和天线500d的导体层耦合到电容器530ad。有可能共享连接到天线的电容器，因此减少元件面积是有可能的。稍后将参考图12A至12C描述这些电容器530至电容器532以及导体层与电容器之间的连接的配置。

天线500a具有构成振荡元件的RTD 501a1和RTD 501a2。天线500b具有RTD 501b1和RTD 501b2。天线500d具有RT D501d1和RTD 501d2。这同样适用于其它天线。

图11B是图11A的作为天线阵列的单位天线的天线500a的顶部视图。天线500a是贴片天线。天线500a至少具有导体层503a。导体层503a被供以偏压并且可以被认为是上部导体层，因为导体层503a在沿着Z方向截取的横截面中位于上部。天线500a在内部包括至少一个或多个有源层，该有源层具有针对太赫兹波的电磁波增益或非线性性。具体而言，天线500a具有两个有源层并且具有包括RTD501a1的半导体层515a1和包括RTD 501a2的半导体层515a2。天线500a被设计为甚至单独以f THz的振荡频率振荡。在图11B中，RTD501a1、RTD501a2、导体层503a、偏置线511a和导体层509a期望地关于天线500a的中心在左右方向和上下方向上具有对称的构造。在此，左右方向和上下方向是指图11A和11B中的X方向(A-A'方向)和Y方向(B-B'方向)。

电容器530a具有电阻器5212、作为MIM电容器的组件的导体层5224、线508a2和导体层507a2。电容器530ad具有电阻器5211、作为MIM电容器的组件的导体层5223、线508a1和通孔507a1。开口505a和开口505ad是部署在导体层中的开口。导体层包括偏置线511a、线508a1和线508a2。在下文中，线和通孔可以被认为是导体层。

电容器532a具有导体层5221、导体层5071、电阻器5191、电阻器5192和导体层5072。电容器531ab至少具有导体层5222、电阻器5193和电阻器5194。在此，导体层5071和导体层5082也可以被视为通孔。

在图11B中，部分地示出了导体层5091ad。导体层5091ad具有电阻器5511和电阻器5233。导体层5091ad还具有另一个部分。该另一个部分被构造为使得图中所示的部分相对于5511线对称地部署在天线500d侧。导体层5091a具有电阻器5512和电阻器5234。导体层5091ad经由电阻器5233耦合到电容器531ab，导体层5091a经由电阻器5234耦合到电容器531ab。

类似地，在图11B中，部分地示出了导体层5092ad。导体层5092ad具有电阻器5513和电阻器5231。导体层5092ad还具有另一个部分。该另一个部分被构造为使得图中所示的部分相对于电阻器5513线对称地部署在天线500d侧。导体层5092a具有电阻器5514和电阻器5232。导体层5092ad经由电阻器5231耦合到电容器532a，并且导体层5092a经由电阻器5232耦合到电容器532a。

如图11B中所示，天线500a的元件的布置是高度对称的。耦合到天线500a的元件的布置也是高度对称的。利用这种构造，抑制了辐射功率的降低。

图11C是图11B中所示天线500a的耦合线和电容器的局部放大视图。示出了导体层509ab的一部分、导体层5091a和导体层5091ad的一部分。示出了导体层5093a、导体层5092a和导体层5092ad的一部分。使得导体层509ab的一部分的长度与导体层5093a的长度相等，使得导体层5091a的长度与导体层5091ad的一部分的长度相等，并且使得导体层5092a的长度与导体层5092ad的一部分的长度相等。使得导体层5091a的长度与导体层5092a的长度相等，并且使得导体层5091ad的一部分的长度与导体层5092ad的一部分的长度相等。利用这种构造，改善了天线500a的对称性。

将参考图12A至12C描述与图11B对应的横截面结构。图12A是沿着图11B中的线A-A'截取的示意性横截面图。图12B是沿着图11B中的线B-B'截取的示意性横截面图。图12C是沿着图11B中的线C-C'截取的示意性横截面图。

如图12A中所示，元件50包括基板513、导体层506、导体层5222、导体层5221、导体层503a、导体层509ab和导体层5093a。元件50具有包括RTD 501a1的半导体层515a1、包括RTD 501a2的半导体层515a2、导体层516a1、导体层516a2、导体层517a1、导体层517a2和导体层514。元件50具有电介质5043、电介质5042、电介质501和电介质5044。导体层517a1、导体层517a2和导体层514也可以被视为通孔或插塞。导体层506例如提供地或接地电压。

导体层509ab与导体层506以及导体层509ab与导体层506之间的电介质一起构成耦合线。导体层5093a与导体层506以及导体层5093a与导体层506之间的电介质一起构成耦合线。导体层503a与导体层506、导体层503a和导体层506之间的电介质、RTD 501a1和RTD501a2一起用作谐振器。导体层5222与导体层506以及导体层5222与导体层506之间的电介质一起构成电容器531ab。导体层5221与导体层506以及导体层5221与导体层506之间的电介质一起构成电容器532a。导体层509ab和导体层503a被部署为在Z方向上重叠，并且重叠部分的长度是L1。导体层5093a和导体层503a在Z方向上部署成重叠，并且重叠部分的长度是L2。换句话说，两条耦合线和一个天线彼此耦合。导体层509ab与电容器531ab连接，并且导体层5093a与电容器532a连接。

将参考图12C描述连接。在图12C中，相同的附图标记表示与图12A中的组件相似的组件，并且省略描述。如图12C中所示，元件50具有电阻器5191、电阻器5192、导体层5071、导体层5072、导体层514和导体层5093a。导体层5093a经由导体514连接到电容器532a。导体层5093a与导体层514、电阻器5191、导体5071和导体层5221串联连接。导体层5093a与导体层514、电阻器5192、导体5072、导体层5221串联连接。导体层5071、导体层5072和导体层514也被称为通孔、插塞等。

在图12B中，相同的附图标记表示与图12A和12C的组件相似的组件，并且省略描述。元件50具有导体层507a1、导体层507a2、导体层508a1、导体层508a2、导体层511a、导体层512、导体层5223和导体层5224。元件50具有电阻器5211和电阻器5212。导体层507a1、导体层507a2和导体层512也被称为通孔或插塞。导体层503a经由导体层507a1、导体层508a1、电阻器5211和导体层512连接到导体层5223。换句话说，导体层503a连接到电容器530ad。导体层503a经由导体层507a2、导体层508a2、电阻器5212、导体层512连接到导体层5224。换句话说，导体层503a连接到电容器530a。在此，在两个区域中，导体层511被部署为与导体层512分开。导体层511a至少在纸张的近侧和纸张的远侧连接到导体层508a1和导体层508a2中的至少一个。纸张的近侧和纸张的远侧是X方向上的位置。换句话说，在包括Y方向和Z方向的横截面中，导体层511a具有开口505ad和开口505a。

上述导体层距基板513的顶表面的距离不同。例如，图12A至12C的相关部分的构造如下。第一层包括导体层506。第二层包括导体层5221、导体层5222、导体层5223和导体层5224。第三层包括导体层512、导体层5071和导体层5072。第四层包括导体层508a1、导体层508a2、导体层5191、导体层5192和导体层511a。第五层包括导体层508a1、导体层508a2、导体层5191、导体层5192和导体层511a。第六层包括导体层507a1和导体层507a2。第七层包括导体层503a。第八层包括导体层514。第八层包括导体层509ab和导体层5093a。可以通过选择可选的制造方法来改变组件的位置。

在图12A至12C中，导体层506被设置成包括电容器、耦合线等的组件共用。导体层506是部署在元件50的整个表面上的单个导体层电容器。利用这样构成的导体层506，要供给的电压的波动减小。

将参考图11A至12C进一步描述元件50的构造。如上所述，多条耦合线具有微带结构。每条耦合线由一个导体层、电介质和另一个导体层组成。每条耦合线是例如具有如下结构的微带线，其中电介质504和电介质5044被导体层509a、导体层509ab、导体层5093a、导体层5091ad、导体层5091a、导体层5092ad和导体层5092a以及导体层506和导体层511a夹在中间。导体层511a也可以被视为在f THz下作为接地导体操作的偏置线。天线500a由贴片天线和连接到贴片天线的微带线组成，并且被设计为甚至单独地以f THz的振荡频率振荡。导体层506可以被视为第一导体层。

天线500a的贴片天线通过AC耦合(电容耦合)耦合到导体层509a。例如，如图11B和12A中所示，在平面图中，天线500a的导体层503a和导体层509ab的导体层在天线500a的辐射端周围隔着绝缘体彼此重叠。重叠长度是L1。长度L1被假设为例如5μm。导体层彼此重叠的部分是金属-绝缘体-金属(MIM)的电容器结构，按导体层503a、介电层5044和导体层509ab的次序层压。电容值是例如20fF。导体层503a和导体层509ab在DC和低于f THz(低于或等于10GHz)的低频范围内开路，并且天线之间的隔离被确保。另一方面，在振荡频率fTHz的频带中，天线之间的耦合强度通过用电容器调整阻抗来调整。这同样适用于其它导体层5091ad、导体层5091a、导体层5092ad、导体层5092a和导体层5093a。

如图11B中所示，在天线500a中，耦合线在每个辐射端分支成向上、向右和向左三个方向，并且分支的耦合线分别独立地连接到六个导体层。这六个导体层是导体层5091ad、导体层5091a、导体层5092ad、导体层5092a、导体层509ab和导体层5093a。因此，两个天线和一条耦合线以二对一对一的关系连接。这种构造允许单独且独立地调整由两个天线和一条耦合线组成的组的长度和宽度，因此适用于在分开地调整天线阵列中任何相邻两个天线之间的电气长度和阻抗时。因此，垂直和水平的耦合线被允许分开调整，以提高设计的灵活性。如图11C中所示，天线的辐射端的导体层509a的连接部分被推测被构造为使得多条耦合线在一点合并和连接，或者被构造为通过增加天线中连接部分的面积来增加耦合量。可以根据用途需要来选择构造。

导体层509a的宽度是调整微带线的阻抗的参数，并且是从与天线500a匹配和降低传输损耗的观点设计的。导体层509a的长度优选地被设计为使得相邻天线中分别位于相同位置的RTD之间的电气长度为2π的整数倍。在天线500a的情况下，在X方向上延伸的导体层509ab具有使得RTD 501a1和RTD 501b1之间的电气长度变为2π的长度。因此，图11C中所示的导体层509ab的一部分被设置为导体层509ab的一半的长度(电气长度π)。导体层509ab的一部分与导体层5093a被设置为相同的长度。类似地，导体层5091ad的在Y方向上延伸的部分和导体层5092ad的长度被设置为RTD 501a1和RTD501d1之间以及RTD 501a2和RTD 501d2之间的电气长度4π的一半的长度，即，电气长度变为2π的长度。导体层5091a的长度可以被设置为导体层5091ad的1/2和导体层5092ad的1/2中的至少任一个的长度。导体层5092a可以被设置为导体层5091ad的1/2和导体层5092ad的1/2中的至少任一个的长度。

导体层509a包括连接到具有f THz振荡频率的谐振电场的波节的分流组件以便稳定模式。如图11C中所示，导体层509a和分流组件经由通孔514彼此连接。分流组件具有电阻器和电容器。分流组件是例如缓冲(snubber)电路。电阻器5191、电阻器5192、电阻器5231、电阻器5232和电容器532a串联连接。电阻器5193、电阻器5194、电阻器5233、电阻器5234和电容器531ab串联连接。电阻器具有例如20Ω并且由诸如TiW之类的薄膜制成。电容器具有例如20pF并且是MIM电容器。电容器532a具有电介质5043被导体层5221和导体层506夹在中间的电容结构。电容器531ab具有电介质5043被导体层5222和导体层506夹在中间的电容结构。因此，有可能通过对振荡频率f THz以外的射频执行AC短路以提供低阻抗来抑制天线阵列中的多模振荡。在导体层509a中，电阻器5511、电阻器5512、电阻器5513和电阻器5514分别连接在振荡频率为f THz的谐振电场的波节的位置处。这些电阻器各自具有例如20Ω的电阻值并且每个都由TiW薄膜制成的。因此，通过损失振荡频率f THz以外的频率和相位差分量来稳定该模式。

这些部署在振荡频率为f THz的谐振电场的波节和波腹处的组件还用作作为单位天线的天线500a的导体层509a端部的电气端子。例如，将描述在垂直方向(X方向)上没有天线连接到天线500a的情况。导体层509ab的未连接到导体层503a的一侧的端部是开路端。此外，导体层5093a的未与导体层503a连接的一侧的端部是开路端。当存在释放端时，谐振特征会受到影响。与天线501a的情况一样，通过利用连接在f THz的谐振电场的波节处的分流组件来AC短路该端部以终结，减少了不必要的反射和相位失配，结果是频率f THz下的谐振变得稳定。这也适用于在左右方向(Y方向)上没有连接天线的情况。分别连接到导体层5091ad、导体层5091a、导体层5092ad和导体层5092a的电阻器用作调整阻抗的端子。电阻器位于振荡频率为f THz的谐振电场的波节处。本实施例可以是通过在单个天线和阵列端部电气地终结耦合线以减少端部处的影响而适于稳定振荡、增强锁相和调整辐射图案中的至少一个的构造。

接下来，将描述用于向RTD 501a1和RTD 501a2供电的偏置线。偏置线是导体层511。在天线501a中，偏置线也被构造为相对于天线500a的中心(重心)在纸张的上下方向和左右方向上对称。纸张的上下方向和左右方向是X方向和Y方向，并且可以认为是A-A'方向和B-B'方向。在导体层503a的具有f THz的谐振电场的波节处连接的导体层507a1和导体层507a2通过线508a1和线508a2连接到作为共用布线线路的导体层511a。线508a1和线508a2中的每一条具有铅笔状的锥形形状，使得与导体层507a1和导体层507a2中对应的一个的连接部分处的布线线路宽度较窄，并且线508a1、508a2中的每一个的布线线路宽度随着它接近作为共用布线线路的导体层511a而变宽。布线线路宽度的窄部分的长度小于或等于λTHz/10。当导体层507a1和导体层507a2中的每一个的连接宽度窄时，偏置线与天线中具有fTHz的谐振电场之间的干扰和损耗减少。由于布线线路宽度逐渐变宽，从DC到低频带(<100MHz)的布线电阻减小，因此抑制了每个天线的操作电压的变化。这种布线结构实现了抑制低频带中布线电阻的降低引起的操作电压变化并抑制f THz处天线阵列中的干扰和损耗，因此该布线结构是适合天线阵列的互注入-锁定的稳定操作的构造。线508a1和线508a2连接到缓冲电路。缓冲电路具有使得电阻器5211和电容器530a的导体层5223串联连接的构造。缓冲电路具有使得电阻器5212和电容器530ad的导体层5224串联连接的结构。电阻器5211和电阻器5212各自具有例如15Ω并且各自由TiW薄膜构成。电容器530ad由导体层5223、导体层506和其间的电介质5043构成。电容器530a由导体层5224、导体层506和其间的电介质5043构成。电容器530a和电容器530ad的电容值各自是例如10pF。利用缓冲电路，靠近RTD的导体层511a、线508a1和线508a2在低于或等于100GHz的频带中被AC短路并且具有低阻抗。因此，可以减少由于偏置线的电感引起的低于或等于100GHz的寄生振荡。

图11B是天线阵列，其中作为单位天线的天线500a以0.6波长的恒定间距布置成3乘3并且相邻天线通过耦合线连接。通过连接耦合线，每个天线的RTD 501a1和RTD 501i2在相位上经历互注入-锁定。所有相邻的导体层511a也被连接以形成共用导体层511，即，共用偏置线。利用共用偏置线，可以从共用电源向天线的RTD供给偏置信号。此时，优选地，连接用于相邻天线的缓冲电路以维持对称性。例如，对于天线500a和天线500d，连接缓冲电路530ad以提高对称性。缓冲电路530ad由电阻器和MIM电容器组成。缓冲电路530ad为每个天线连接并连接到共用导体层511。缓冲电路530ad部署在相邻的天线之间。与缓冲电路530ad的情况一样，为了通过减少组件布局来增加集成度，可以在相邻天线之间共享电容器。天线阵列的共用导体层511在低于或等于100GHz的频带中被AC短路，其中为每个天线部署缓冲电路530ad，包括缓冲电路530ad以提供低阻抗，其结果是抑制天线之间的低频振荡。换句话说，至少一个缓冲电路连接到多个天线。

天线500e经由耦合线在上下方向和左右方向上与四个不同的天线500f、天线500d、天线500h和天线500b中的每一个接合。天线500e与布置在上下方向上的天线500f和天线500d中的每一个通过独立的耦合线一一对应地连接。天线500e与布置在左右方向上的天线500h和天线500b中的每一个通过独立的两条耦合线一一对应地连接。换句话说，天线500e总共连接到六条耦合线。从天线500e延伸的耦合线5091eb不分支地连接到相邻的天线500b。以这种方式，利用其中各自具有对称部署的天线组件和耦合线的单位天线规则地布置的天线阵列，可以通过使用单位天线的阻抗作为基础，通过近似以高准确性高效地设计大规模的M乘N阵列(M和N是天线的数量并且是自然数)。由于耦合线在垂直方向(X方向)和水平方向(Y方向)上布线，因此增强了相邻天线之间的互注入-锁定，因此通过天线阵列的同步进行方向性控制是容易的。

图11D是示出本实施例的修改的示意性平面图。元件51和元件52各自表示图11B的天线500a在X方向上的上部。换句话说，元件51和元件52各自表示导体层503a、耦合线5091ad、耦合线509ab和耦合线5091a之间的耦合部分。在图11B中，三条耦合线的端部彼此分开地部署；而在元件51中，三条耦合线的端部是一体的。换句话说，耦合到天线500a的一条耦合线可以被视为分支成两条或更多条，例如三条。在元件52中，与元件51相比，分支成三条的部分彼此间隔开。换句话说，图11B中的三条耦合线的端部可以被视为由在Y方向上延伸的另一个导体层连接。

在元件51和元件52中的每一个中，在平面图中，一条耦合线可以被认为在要被耦合的天线的外边缘的内侧被设置并且可以被认为在外边缘的外侧分支成三条耦合线。元件51和元件52中的每一个的构造可以被认为是例如天线和三条耦合线连接在一个连接点处。在图11B中，在平面图中，3条耦合线在要被耦合的天线的外边缘的内侧被设置，并且耦合线部署成彼此间隔开。换句话说，在图11B中，天线与三条耦合线可以被视为在三个连接点处连接。在此，连接点可以是耦合点，并且连接可以是耦合。利用这种构造，三条耦合线可以同步。

关于图11A的天线阵列分布局，M乘N不限于3乘3，并且可以扩展为4乘4、5乘5等天线阵列。

(第七实施例)

图13A是根据第六实施例的修改的元件60的顶部视图。除标有附图标记的组件以外的组件与图11A中所示的组件等效。

在图13A中，天线阵列的中心处的天线600e在上下方向(X方向)上有两个或更多个可连接的相邻天线，并且在左右方向(Y方向)上有两个或更多个可连接相邻天线，因此天线600e通过在左右方向和上下方向上延伸的耦合线609e中的对应一条耦合线连接到每个相邻天线。天线600e的构造与图11A中所示的天线500e相似。另一方面，阵列端部处的天线600a至600d、600f至600i在未部署相邻天线的方向上不存在耦合线。可以调整元件60的每条耦合线的长度和阻抗，使得振荡频率f THz即使在没有耦合线部署在波节或波腹处时也稳定地同步。因此，即使每个天线中的耦合线的数量减小，频率fTHz的谐振特征的波动也减小。在元件60中，例如，在天线的上端和下端，相邻的两个天线和耦合线以一对一的关系连接并且分别独立连接。天线的上端和下端是天线在X方向的两端。因此，可以省略不必要的耦合线而不改变f THz的谐振特征。在元件60中，例如在天线的右端和左端，相邻的两个天线和耦合线以一对二对一的关系连接。天线的右端和左端是Y方向上的天线端。

在部署在天线阵列的外围的天线中，由于在天线阵列的外围侧没有部署耦合线，因此每条耦合线的端部耦合到九个天线中的任何一个。利用THz频带微带线结构，发生由于集肤效应引起的导体损耗和由于tanδ增加引起的介电损耗，因此电力传输引起的损耗会增加。因此，随着用于耦合的电力传输的增加而增加，因此在同步和损耗之间可以出现权衡关系。利用根据本实施例的构造，允许减少对耦合没有贡献的耦合线，因此损耗减少。有可能实现通过注入-锁定的方向性控制和由于传输损耗的减少引起的正面增益增加这两者。通过消除每条耦合线的开路端，上述终结组件的集成变得不必要。因此，有可能减少由于制造误差引起的特征的变化并降低制造成本。

图13B是元件70的放大的顶部示意图，其中元件60的天线阵列的布局被扩展到4乘4阵列。图13B仅示出构成图13A的天线的导体层和构成耦合线的导体层。通过使用如图13A中所示的由高度对称的天线和耦合线组成的单位天线，可以利用与低阶天线阵列相同的设计规则，将天线阵列扩展到M乘N阵列(M和N是自然数)，无论是奇数还是偶数。在此假设天线阵的重心由点O指示。

在图13B中，元件70具有天线700a至天线700p。如图13A中所示，在元件70中，多个天线通过耦合线709、耦合线7091和耦合线7092耦合。利用这种构造，也可以在天线被同步时减少损耗。

(第八实施例)

在本实施例中，将描述作为第七实施例的修改的元件70的修改。图14A至20B示出了图13B中所示的元件70的耦合线的修改。与图13B的情况一样，图14A至20B各自仅示出构成天线的导体层和构成耦合线的导体层。

图14A至15B是其中与元件70相比改变了在Y方向上提供的耦合线的数量的构造。利用这种构造，有可能由于天线之间的耦合而执行注入-锁定并且减少传输损耗。传输损耗的减少增加辐射功率。

图14A是示出元件71的顶部示意图。从元件70减少在Y方向上延伸的六条耦合线。具体而言，元件70的耦合线7092dh、耦合线7092hl、耦合线7092lp、耦合线7091ae、耦合线7091ei和耦合线7091im没有部署在元件71中。当假设单位阵列是2乘2阵列时，单位阵列UA1包括天线700d、天线700c、天线700g和天线700h。天线700d、天线700c、天线700g和天线700h通过耦合线7091dh、耦合线709cd、耦合线7092cg和耦合线709gh环形耦合。此外，天线700c和天线700g通过耦合线7091cg环形耦合。单位阵列UA2包括天线700a、天线700b、天线700e和天线700f。天线700a、天线700b、天线700e和天线700f通过耦合线7091bf、耦合线709ab、耦合线7092ae和耦合线709ef环形耦合。此外，天线700f和天线700b通过耦合线7092bf环形耦合。单位阵列UA1的天线和耦合线的布置与单位阵列UA2的天线和耦合线的布置可以被看作是镜像对称布置。这同样适用于其它单位阵列，因此天线阵列具有高对称性。

图14B是示出元件72的顶部示意图。从元件71进一步减少在Y方向上延伸的六条耦合线。具体而言，元件71的耦合线7092bf、耦合线7092fj、耦合线7092jn、耦合线7091cg、耦合线7091gk和耦合线7091ko没有部署在元件72中。当假设单位阵列是2乘2阵列时，单位阵列UA1包括天线700d、天线700c、天线700g和天线700h。天线700d、天线700c、天线700g和天线700h通过耦合线环形耦合。天线700h、天线700g、天线700k和天线700l通过耦合线环形耦合。天线700l、天线700k、天线700o和天线700p通过耦合线环形耦合。这同样适用于其它单位阵列，因此天线阵列具有高对称性。

图15A是示出元件73的顶部示意图。从元件71进一步减少在Y方向上延伸的六条耦合线。具体而言，元件71的耦合线7092cg、耦合线7092gk、耦合线7092ko、耦合线7091bf、耦合线7091fj和耦合线7091jn没有部署在元件73中。当假设单位阵列是2乘2阵列时，单位阵列UA1包括天线700d、天线700c、天线700g和天线700h。天线700d和天线700c通过耦合线709cd耦合，并且天线700g和天线700h通过耦合线709fh耦合。天线700c和天线700g通过耦合线7091cg耦合，并且天线700h和天线700d通过耦合线7091dh耦合。单位阵列UA2包括天线700a、天线700b、天线700e和天线700f。天线700a和天线700b通过耦合线709ab耦合，并且天线700e和天线700f通过耦合线709ef耦合。天线700a和天线700e通过耦合线7092ae耦合，并且天线700b和天线700f通过耦合线7092bf耦合。单位阵列UA1的天线和耦合线的布置与单位阵列UA2的天线和耦合线的布置可以被看作是镜像对称布置。这同样适用于其它单位阵列，因此天线阵列具有高对称性。

图15B是示出元件74的顶部示意图。从元件73进一步减少在Y方向上延伸的六条耦合线。具体而言，元件73的耦合线7092bf、耦合线7092fj、耦合线7092jn、耦合线7091cg、耦合线7091gk和耦合线7091ko没有部署在元件74中。对于元件74，也可以与其它示例的情况一样定义单位阵列。单位阵列UA1的天线和耦合线的布置与单位阵列UA2的天线和耦合线的布置可以被看作是镜像对称布置。这同样适用于其它单位阵列，因此天线阵列具有高对称性。

例如，图15A示出了通过在X方向和Y方向上部署相同数量的耦合线并减少连接到天线阵列的端部处的天线和中心处的天线的耦合线的数量的差异来平衡同步和损耗的布置。在图14A至15B中，当取天线阵列的重心时，天线阵列和耦合线的布置可以是对称的。

图16A至18A是进一步的修改。这些修改可以通过将单位阵列的设计规则扩展到M乘N阵列(M和N都是偶数)来实现。在修改当中，存在其中一个天线负责单位阵列之间的耦合的构造，例如，图16A、17A、18A等。利用这种构造，由于有助于耦合的耦合线的数量减少，因此有可能减少阵列的端部与中心之间的同步的变化。

图16A是示出元件75的顶部示意图。在X方向和Y方向上延伸的耦合线从元件70减少。元件75包括四个单位阵列UA1至单位阵列UA4。单位阵列UA1包括天线700c、天线700d、天线700g和天线700h。单位阵列UA2包括天线700a、天线700b、天线700e和天线700f。单位阵列UA3包括天线700i、天线700j、天线700m和天线700n。单位阵列UA4包括天线700k、天线700l、天线700o和天线700p。单位阵列UA1至单位阵列UA4中的每一个包括一条耦合线7091、一条耦合线7092和两条耦合线709。例如，将描述单位阵列UA1。天线700c和天线700d通过耦合线709cd耦合，并且天线700d和天线700h通过耦合线7091dh耦合。天线700h和天线700g通过耦合线709gh耦合，并且天线700g和天线700c通过耦合线7092cg耦合。换句话说，四个天线由四条耦合线环形耦合。这同样适用于其它单位阵列UA2至单位阵列UA4。每个单位阵列的一个天线被环形耦合。具体而言，天线700g和天线700f通过耦合线709fg耦合，并且天线700f和天线700j通过耦合线7092fj耦合。天线700j和天线700k通过耦合线709jk耦合，并且天线700k和天线700g通过耦合线7091gk耦合。

图16B是示出元件76的顶部示意图。在X方向和Y方向上延伸的耦合线从元件70减少。具体而言，元件70的耦合线7091hl、耦合线7092hl、耦合线7091ei和耦合线7091ei没有部署在元件76中。在元件76中，单位阵列是1乘2(1行2列)，并且两个天线通过耦合线环形耦合。单位阵列UA1包括天线700d和天线700h。天线700d和天线700h通过耦合线7091dh和耦合线7092dh环形耦合。单位阵列UA2包括天线700c和天线700g。天线700c和天线700g通过耦合线7091cg和耦合线7092cg环形耦合。天线700d和天线700c通过耦合线709cd耦合，并且天线700g和天线700h通过耦合线709gh耦合。这同样适用于另一个1乘2单位阵列的连接关系和另一个2乘2单位阵列的连接关系。与图16A的情况一样，每个单位阵列的一个天线环形耦合。具体而言，天线700g和天线700f通过耦合线709fg耦合，并且天线700f和天线700j通过耦合线7092fj耦合。天线700j和天线700k通过耦合线709jk耦合，并且天线700k和天线700g通过耦合线7091gk耦合。此外，天线700g和天线700k通过耦合线7092gk耦合，并且天线700f和天线700j通过耦合线7091fj耦合。利用这种构造，单位阵列在维持1乘2单位阵列的对称性的同时被耦合。

图17A是示出元件77的顶部示意图。在X方向和Y方向上延伸的耦合线从元件70减少。在元件77中，单位阵列是1乘2，并且两个天线通过耦合线环形耦合。单位阵列UA1包括天线700d和天线700h。天线700d和天线700h通过耦合线7091dh和耦合线7092dh环形耦合。单位阵列UA2包括天线700c和天线700g。天线700c和天线700g通过耦合线7091cg和耦合线7092cg环形耦合。天线700g和天线700h通过耦合线709gh耦合；但是，天线700d和天线700c不通过耦合线709cd耦合。这同样适用于另一个1乘2单位阵列的连接关系和另一个2乘2单位阵列的连接关系。每个单位阵列的一个天线彼此环形耦合。具体而言，天线700g和天线700f通过耦合线709fg耦合，并且天线700f和天线700j通过耦合线7092fj耦合。天线700j和天线700k通过耦合线709jk耦合，并且天线700k和天线700g通过耦合线7091gk耦合。此外，天线700g和天线700k通过耦合线7092gk耦合，并且天线700f和天线700j通过耦合线7091fj耦合。天线阵列的天线和耦合线的布置可以相对天线阵列的重心为点对称。

图17B是示出元件78的顶部示意图。在元件78中，与图16A的元件75的情况一样，单位阵列是2乘2，并且四个天线通过耦合线环形耦合。天线700g、天线700f、天线700j和天线700k通过元件75中所示的耦合线7091gk、耦合线709fg、耦合线709jk和耦合线7092fj耦合。此外，天线700g、天线700f、天线700j和天线700k通过耦合线7092gk和耦合线7091fj耦合。

图18A是示出元件79的顶部示意图。在元件79中，与图16A的元件75的情况一样，单位阵列是2乘2，并且四个天线通过耦合线环形耦合。此外，与元件75的情况相同，每个单位阵列的天线700g、天线700f、天线700j和天线700k通过耦合线耦合。与元件75的不同之处在于，在单位阵列UA1至单位阵列UA4中的每一个当中，耦合线7091和耦合线7092互换。具体而言，在单位阵列UA1中，天线d和天线h通过耦合线7092dh耦合，并且天线c和天线g通过耦合线7091cg耦合。天线700g和天线700k通过耦合线7092gk耦合，并且天线700j和天线700f通过耦合线7091fj耦合。利用这种模式，也有可能提供具有高对称性的天线阵列。

在此，在图17A和17B中，有可能通过改变耦合到位于端部或中心的所选择天线的耦合线的数量来减少在天线阵列的端部和中心的耦合的变化。

图18B至20B是进一步的修改。发明人通过研究发现以下三个条件是重要的。一个条件是使得在X方向上连接的耦合线的数量与在Y方向上连接的耦合线的数量彼此接近。一个条件是连接到天线阵列的端部的天线的耦合线的数量与连接到天线阵列的中心的天线的耦合线的数量之差减小。一个条件是分别连接到天线中的两个辐射端的耦合线的数量之差减小。利用这些构造，垂直方向上的耦合与水平方向上的耦合被平衡，并且天线阵列的端部处与中心处之间的同步变化减小。例如，图18B、19A和19B是优先考虑X方向和Y方向的对称性以提供良好的方向性的构造，而图20A和20B是优先考虑由于耦合线的数量减少引起的损耗减少的构造。

图18B是示出元件80的顶部示意图。在元件80中，单位阵列是1乘2。天线阵列包括单位阵列UA1至单位阵列UA12。在元件80中，单位阵列中包括的天线包括相邻单位阵列的天线并且被部署为使得多个单位阵列彼此重叠。单位阵列UA1包括天线700d和天线700h。单位阵列UA2包括天线700c和天线700g。单位阵列UA3包括天线700b和天线700f。单位阵列UA4包括天线700a和天线700e。单位阵列UA5包括天线700h和天线700l。单位阵列UA6包括天线700g和天线700k。单位阵列UA7包括天线700f和天线700j。单位阵列UA8包括天线700e和天线700i。单位阵列UA9包括天线700l和天线700p。单位阵列UA10包括天线700k和天线700o。单位阵列UA11包括天线700j和天线700n。单位阵列UA12包括天线700i和天线700m。单位阵列UA2、单位阵列UA3、单位阵列UA6、单位阵列UA7、单位阵列UA10和单位阵列UA11通过耦合到每个天线的上侧和下侧的两条耦合线709、耦合线7091和耦合线7092耦合。这种构造与图13B的构造相似。但是，对于单位阵列UA1、单位阵列UA5和单位阵列UA9，耦合到天线的下端的一条耦合线709与耦合到相邻天线的耦合线7092耦合。对于单位阵列UA4、单位阵列UA8和单位阵列UA12，耦合到天线上端的一条耦合线709与耦合到相邻天线的耦合线7091耦合。

图19A是示出元件81的顶部示意图。在元件81中，单位阵列是1乘2，如图18B中所示的元件80的情况。与元件80的情况一样，天线阵列包括单位阵列UA1至单位阵列UA12。在元件81中，天线通过耦合线709在X方向上耦合。通过耦合线7091和耦合线7092中的任一个执行Y方向上天线的耦合。换句话说，耦合线7091和耦合线7092中的任何一个部署在Y方向上相邻的天线之间。利用这种构造，也有可能提供具有高对称性的天线阵列。

图19B是示出元件82的顶部示意图。在元件82中，与图19A的元件81的情况一样，单位阵列是1乘2，并且通过耦合线7091和耦合线7092中的任何一个执行Y方向上的天线的耦合。

图20A是示出元件83的顶部示意图。在元件83中，与图19A的元件81的情况一样，单位阵列是1乘2，并且通过耦合线7091和耦合线7092中的任何一个执行Y方向上的天线的耦合。

图20B是示出元件84的顶部示意图。在元件84中，与图19A的元件81的情况一样，单位阵列是1乘2，并且通过耦合线7091和耦合线7092中的任何一个执行Y方向上的天线的耦合。但是，在Y方向上耦合天线的耦合线中的一些被省略。例如，在单位阵列UA2、单位阵列UA4、单位阵列UA5、单位阵列UA7、单位阵列UA10和单位阵列UA12中的每一个中，部署在Y方向上的两个天线通过耦合线7091或耦合线7092耦合。但是，在单位阵列UA1、单位阵列UA3、单位阵列UA6、单位阵列UA8、单位阵列UA9和单位阵列UA11中的每一个中，部署在Y方向上的两个天线不耦合。

图21是示出上述4乘4天线阵列中天线之间的同步程度与每个天线的辐射功率之间的相关性的示意图。横轴的“同步程度”表示天线阵列的正面增益以天线数量的多少次方按比例增加。纵轴的“辐射功率/天线”表示从一个天线在所有方向上辐射的振荡功率的量值。例如，在具有无损耗耦合线的理想天线阵列的情况下，可以无损耗地获得互注入-锁定，因此实现每个天线的最大辐射功率和方向性锐化带来的正面增益增强(平方律)这两者。例如，辐射功率为0.3mW。这被示为比较例2。

实际上，微带线的功率传输会产生损耗，并且在THz频带损耗尤为显著。为此，与连接示例4、连接示例5、连接示例1的情况一样，随着耦合线数量的增加，传输损耗增加。每个天线的辐射功率往往会随着损耗量而减少。另一方面，通过增加耦合线的数量来增强天线之间的耦合，因此由于天线阵列的互注入-锁定，方向性变得锐化。为此，通过增加耦合线的数量，可以使正面增益接近与天线数量的平方律成比例地增强的趋势。不提供耦合线的情况被示为比较例1。在这种情况下，通过耦合线在天线之间传输的电力没有损耗，因此每个天线的辐射功率最大。但是，天线之间的耦合弱，并且不会发生互注入-锁定，因此不会出现方向性锐化。因此，正面增益的增加与天线数量的倍数成比例，因此“同步程度”是一次幂定律。上述天线阵列能够通过调整和设计X方向和Y方向上耦合线的数量来获得期望的辐射功率和方向性这两者。增加正面增益是可能的。在此，连接示例1是图13A的构造，连接示例4是图15B的构造，连接示例5是图15A的构造。

(其它实施例)

以上描述了本发明的实施例；但是，本发明不限于这些实施例。在本发明的范围内可以进行各种修改和变化。

例如，在上述实施例中，以载体是电子为前提进行了描述；但是，配置不限于此。可以使用空穴作为载体。基板和电介质的材料可以根据用途来选择。可以使用诸如硅、砷化镓、砷化铟和磷化镓之类的半导体层、玻璃、陶瓷、以及诸如聚四氟乙烯和亚乙基对苯二甲酸乙二醇酯之类的树脂。

此外，在上述实施例中，方形贴片天线被用作太赫兹波谐振器；但是，谐振器的形状不限于此。例如，可以使用具有使用诸如矩形和三角形之类的多边形、圆形、椭圆形等贴片导体的结构的谐振器。

集成在元件中的差分负电阻元件的数量不限于一个，并且谐振器可以具有多个差分负电阻元件。线的数量不限于一条，并且可以提供多条线。通过使用在上述实施例中描述的元件，太赫兹波的振荡和检测是可能的。

在上述每个实施例中，由在InP基板上生长的InGaAs/AlAs制成的双势垒RTD被描述为RTD。但是，构造不限于这些结构和材料。根据本发明的元件甚至具有其它结构和材料的组合。例如，可以使用具有三重势垒量子阱结构的RTD或具有四重或更多重势垒量子阱的RTD。

以下组合各自可以被用作RTD的材料。

·GaAs/AlGaAs/和GaAs/AlAs、InGaAs/GaAs/AlAs，在GaAs基板上形成

·InGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAs、InGaAs/AlGaAsSb，在InP基板上形成

·InAs/AlAsSb和InAs/AlSb，在InAs基板上形成

·SiGe/SiGe，在Si基板上形成

上述结构和材料应当根据期望的频率等按需要选择。

上述本实施例的构造消除了布置在天线阵列中的天线数量的上限并且提供了由阵列数量的增加引起的方向性和正面强度的改善的显著效果。因此，利用上述实施例的构造，有可能提供能够以更高效率实现太赫兹波的生成和检测的合适元件。

本发明的实施例不限于上述实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可应用各种改变或修改。因此，附上以下权利要求书以示出本发明的范围。

本申请要求2020年10月27日提交的日本专利申请No.2020-179542和2021年10月20日提交的日本专利申请No.2021-171694的优先权，所述申请通过引用并入本文。

Claims (36)

1.一种元件，包括其中部署有多个天线的天线阵列，每个天线包括

第一导体层，

半导体层，电连接到第一导体层并且生成或检测太赫兹波，

第二导体层，电连接到半导体层并且隔着半导体层与第一导体层相对，以及

介电层，位于第一导体层与第二导体层之间，其中

天线阵列包括第一天线、第二天线、第三天线、第四天线和第五天线，

第二天线、第一天线和第三天线在第一方向上按此次序布置，

第四天线、第一天线和第五天线在与第一方向相交的第二方向上按此次序布置，

第二天线的第二导体层经由在第一方向上延伸的第一耦合线连接到第一天线的第二导体层，

第一天线的第二导体层经由在第一方向上延伸的第二耦合线连接到第三天线的第二导体层，

第四天线的第二导体层经由在第二方向上延伸的第三耦合线连接到第一天线的第二导体层，以及

第一天线的第二导体层经由在第二方向上延伸的第四耦合线连接到第五天线的第二导体层。

2.根据权利要求1所述的元件，其中第一耦合线和第三耦合线在从连接第一天线和第二天线的线段的中心的位置移位的位置处连接。

3.根据权利要求1或2所述的元件，其中

第一天线和第二天线通过第一耦合线注入-锁定在太赫兹波的频率，以及

第一天线和第四天线通过第三耦合线注入-锁定在太赫兹波的频率。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的元件，其中第一耦合线和第三耦合线由单个导体主体组成。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的元件，其中第一耦合线和第三耦合线在太赫兹波的频率下驻留于耦合线中的谐振电场的波节以外的位置处连接。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的元件，其中第一耦合线和第三耦合线在太赫兹波的频率下与天线中的一些相邻天线满足相位匹配条件的位置处连接。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的元件，其中

在第二方向上延伸的第三耦合线与第五耦合线部署在第一天线与第四天线之间，

第一耦合线和第三耦合线在处于太赫兹波的频率下的谐振电场的波节以外的位置处连接，第一耦合线和第五耦合线在处于太赫兹波的频率下的谐振电场的波节以外的位置处连接，以及

处于太赫兹波的频率下的谐振电场的波节位于第一耦合线和第三耦合线连接的位置与第一耦合线和第五耦合线连接的位置之间。

8.根据权利要求1至7中的任一项所述的元件，其中第一方向是处于太赫兹波的频率下的谐振电场的谐振方向。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的元件，其中第二方向是与第一方向正交的方向。

10.根据权利要求1至9中的任一项所述的元件，其中第二方向是由处于太赫兹波的频率下的谐振电场感应出的磁场方向。

11.根据权利要求1至10中的任一项所述的元件，其中每个天线辐射圆形偏振波。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的元件，还包括用于连接第二导体层与用于向半导体层供给偏置信号的偏置电路的偏置线。

13.根据权利要求12所述的元件，其中偏置线部署在第一导体层与第二导体层之间的层中。

14.根据权利要求12或13所述的元件，其中

天线阵列部署在基板上，

第一耦合线和第三耦合线由第三导体层组成，

偏置线由第四导体层组成，以及

第三导体层和第四导体层分别部署在与基板的表面不同的层中。

15.根据权利要求14所述的元件，其中基板、第一导体层、第四导体层和第三导体层按此次序层压。

16.根据权利要求14所述的元件，其中基板、第一导体层、第三导体层和第四导体层按此次序层压。

17.根据权利要求12至16中的任一项所述的元件，其中，在比太赫兹波的频率低的频带中，偏置线具有比半导体层的阻抗低的阻抗。

18.根据权利要求1至17中的任一项所述的元件，其中，在天线阵列中，天线布置成m乘n矩阵(m和n是整数，m≥2，且n≥2)。

19.根据权利要求18所述的元件，其中天线阵列的天线以小于或等于太赫兹波的波长的间距布置。

20.根据权利要求1至19中的任一项所述的元件，其中天线是贴片天线。

21.根据权利要求1至20中的任一项所述的元件，其中半导体层包括负电阻元件。

22.根据权利要求21所述的元件，其中负电阻元件是谐振隧穿二极管。

23.根据权利要求1至22中的任一项所述的元件，其中在第一天线的半导体层和第二天线的半导体层中的每一个的电气长度为L1的情况下，L1＝2π×k(k：整数)。

24.根据权利要求1至23中的任一项所述的元件，其中天线中的每个天线包括与半导体层反相操作的第二半导体层。

25.一种太赫兹相机系统，包括：

发送部分，具有根据权利要求1至24中的任一项所述的元件并且辐射太赫兹波；以及

接收部分，检测所述太赫兹波。

26.一种元件，包括：

天线阵列，其中设置有多个天线，每个天线包括第一导体层、电连接到第一导体层并生成或检测太赫兹波的半导体层、电连接到半导体层并隔着半导体层与第一导体层相对的第二导体层、以及位于第一导体层与第二导体层之间的介电层，其中

天线阵列包括耦合线，每条耦合线连接天线中相邻的两个天线以发送太赫兹波，以及

天线阵列的天线中的至少一个天线与耦合线中的至少三条或更多条耦合线连接。

27.根据权利要求26所述的元件，其中耦合线中的所述三条或更多条耦合线在一个连接部分处与天线连接。

28.根据权利要求26所述的元件，其中耦合线中的所述三条或更多条耦合线分别在三个或更多个不同的连接点处与天线连接。

29.根据权利要求26所述的元件，其中耦合线中的所述三条或更多条耦合线分别在分离的连接点处与天线连接。

30.根据权利要求26所述的元件，其中

第一天线与至少两个天线通过耦合线连接，以及

第一天线通过单条独立的耦合线连接到所述至少两个天线中的每个天线。

31.根据权利要求26所述的元件，其中耦合线中的两条或更多条耦合线连接到天线阵列的天线中的至少一个天线的每个辐射端。

32.根据权利要求26所述的元件，其中在平面图中，耦合线中的所述至少三条或更多条耦合线在天线的外边缘内侧为一条线，并且在外边缘外侧该一条线分支成两条或更多条线。

33.根据权利要求26所述的元件，其中在平面图中，耦合线中的所述至少三条或更多条耦合线部署成在天线的外边缘外侧彼此间隔开。

34.根据权利要求26所述的元件，其中每条耦合线的端部在太赫兹波的频率下电终止。

35.根据权利要求26所述的元件，其中天线阵列的端部处的天线在天线阵列的外边缘侧不具有耦合线。

36.根据权利要求26所述的元件，其中耦合线关于天线的重心对称地连接到天线。