DE102023203294A1

DE102023203294A1 - Antennenvorrichtung, kommunikationsvorrichtung und bildaufnahmesystem

Info

Publication number: DE102023203294A1
Application number: DE102023203294.5A
Authority: DE
Inventors: Koji Yukimasa; Takeaki Itsuji; Yuki Kitazawa; Tatsuya Murao; Yasushi Koyama; Takahiro Sato
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2022-04-15
Filing date: 2023-04-12
Publication date: 2023-10-19
Also published as: KR20230148102A; US20230335885A1; CN116914408A; JP2023157737A

Abstract

Eine Antennenvorrichtung, die umfasst: eine aktive Antenne, die eine Antenne, eine Halbleiterstruktur, die konfiguriert ist, um als ein Oszillator zu arbeiten, und mindestens zwei Anschlussleitungen umfasst, die konfiguriert sind, um der Halbleiterstruktur eine Potentialdifferenz zu geben, und konfiguriert sind, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen oder zu detektieren, und eine Steuerleitung, die elektrisch mit einer der mindestens zwei Anschlussleitungen verbunden ist und konfiguriert ist, um mit einem Signal zum Steuern einer Phase des Oszillators in der aktiven Antenne injiziert zu werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Antennenvorrichtung, die eine elektromagnetische Welle ausgibt oder detektiert.
Beschreibung des Stands der Technik
Als eine Strominjektionslichtquelle, die eine elektromagnetische Welle wie beispielsweise eine Terahertzwelle erzeugt, ist ein Oszillator bekannt, der durch Integrieren eines Resonators und eines Elements mit einer Verstärkung elektromagnetischer Wellen in Bezug auf eine Terahertzwelle gebildet wird. Unter diesen wird ein durch Integrieren einer Resonanztunneldiode (RTD) und einer Antenne gebildeter Oszillator als ein Element erwartet, das bei Raumtemperatur in einem Frequenzbereich um 1 THz arbeitet. Die japanische Patentoffenlegungsschrift 2014-200065 offenbart eine Terahertzwellen-Antennenanordnung, in der mehrere aktive Antennen, die jeweils durch Integrieren eines RTD-Oszillators und einer Antenne gebildet werden, auf demselben Substrat vorgesehen sind. In der in der japanischen Patentoffenlegungsschrift 2014-200065 offenbarten Antennenanordnung werden Kopplungsleitungen, die die mehreren aktiven Antennen gegenseitig koppeln, verwendet, um zu bewirken, dass die mehreren aktiven Antennen in derselben Phase synchron zueinander schwingen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zum Verbessern der Leistungsfähigkeit einer Antennenvorrichtung durch Reduzieren des Phasenrauschens eines Oszillators bereit.
Gemäß einem bestimmten Aspekt der Erfindung wird eine Antennenvorrichtung bereitgestellt, umfassend: eine aktive Antenne, die eine Antenne, eine Halbleiterstruktur, die konfiguriert ist, um als ein Oszillator zu arbeiten, und mindestens zwei Anschlussleitungen umfasst, die konfiguriert sind, um der Halbleiterstruktur eine Potentialdifferenz zu geben, und konfiguriert sind, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen oder zu detektieren; und eine Steuerleitung, die elektrisch mit einer der mindestens zwei Anschlussleitungen verbunden ist und konfiguriert ist, um mit einem Signal zum Steuern einer Phase des Oszillators in der aktiven Antenne injiziert zu werden
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1A ist ein Blockdiagramm, das eine Antennenvorrichtung 10 zeigt;
1B ist eine schematische Draufsicht, die ein Beispiel der Anordnung der Antennenvorrichtung 10 zeigt;
1C ist eine schematische Ansicht, die das Verhalten eines Phänomens einer Injektionskopplung zeigt;
2A ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer 3 × 3-Antennenanordnung zeigt;
2B ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer 4 × 4-Antennenanordnung zeigt;
2C ist eine Ansicht zur Erläuterung der Leistungsverteilung;
2D ist eine Ansicht, die ein Beispiel einer 3 × 3-Antennenanordnung zeigt;
3A ist ein Blockdiagramm, das eine Antennenvorrichtung 20 zeigt;
3B ist eine schematische Draufsicht, die das erste Anordnungsbeispiel der Antennenvorrichtung 20 zeigt;
3C ist eine schematische Draufsicht, die das erste Anordnungsbeispiel der Antennenvorrichtung 20 zeigt;
4A bis 4C sind jeweils Schaltbilder zur Erläuterung eines Master-Oszillators;
5A ist eine Draufsicht des ersten Beispiels einer Antennenanordnung;
5B bis 5E sind Querschnittansichten des ersten Beispiels der Antennenanordnung;
6A ist eine Draufsicht des zweiten Beispiels einer Antennenanordnung;
6B bis 6D sind Querschnittansichten des zweiten Beispiels der Antennenanordnung;
7A ist eine Draufsicht des dritten Beispiels einer Antennenanordnung;
7B bis 7D sind Querschnittansichten des dritten Beispiels der Antennenanordnung;
8A ist eine Draufsicht des vierten Beispiels einer Antennenanordnung;
8B und 8C sind Querschnittansichten des vierten Beispiels der Antennenanordnung;
9A ist eine Ansicht, die ein Kamerasystem zeigt, das eine Antennenvorrichtung verwendet; und
9B ist eine Ansicht, die ein Beispiel der Anordnung eines Kommunikationssystems zeigt, das eine Antennenvorrichtung verwendet.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sei angemerkt, dass die folgenden Ausführungsformen den Umfang der beanspruchten Erfindung nicht einschränken sollen. In den Ausführungsformen werden mehrere Merkmale beschrieben, jedoch erfolgt keine Beschränkung auf eine Erfindung, die alle derartigen Merkmale erfordert, und mehrere derartige Merkmale können nach Bedarf kombiniert werden. Ferner werden in den beigefügten Zeichnungen gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Konfigurationen angegeben, und auf eine redundante Beschreibung derselben wird verzichtet.
[Erste Ausführungsform]
Die Anordnung einer auf eine Terahertzwelle anwendbaren Antennenvorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 1 A bis 1C, 2A bis 2D, 4A bis 4C und 5A bis 5E beschrieben. Es sei angemerkt, dass im Folgenden insbesondere ein Fall beschrieben wird, in dem die Antennenvorrichtung 10 als Sender verwendet wird, dass die Antennenvorrichtung 10 jedoch auch als Empfänger verwendet werden kann. Eine Terahertzwelle gibt eine elektromagnetische Welle in einem Frequenzbereich von einschließlich 10 GHz bis einschließlich 100 THz an und gibt in einem Beispiel eine elektromagnetische Welle in einem Frequenzbereich von einschließlich 30 GHz bis einschließlich 30 THz an.
1A ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Beispiels der Systemkonfiguration der Antennenvorrichtung 10, und 1B ist eine schematische Draufsicht der Antennenvorrichtung 10, wenn sie in einem Beispiel von oben betrachtet wird. Die Antennenvorrichtung 10 enthält eine Antennenanordnung 11, die aus n in einer Anordnung vorgesehenen aktiven Antennen AA₁ bis AA_n gebildet ist, eine Vorspannungssteuereinheit 12 und eine Master-Wellenquelle (im Folgenden manchmal als „Master-Oszillator
13“ bezeichnet). Es sei angemerkt, dass die Vorspannungssteuereinheit 12 und der Master-Oszillator 13 auch außerhalb der Antennenanordnung 11 vorgesehen sein können. Die aktive Antenne AA₁ wird durch Integrieren mindestens einer Antenne AN₁ und eines Halbleiters RTD₁ als eine Oszillationsquelle gebildet und ist konfiguriert, eine Terahertzwelle TW mit einer Oszillationsfrequenz f_THz zu emittieren. Es sei angemerkt, dass in der aktiven Antenne AA₁ andere Komponenten als der Halbleiter RTD₁ als ein Oszillationselement als die Antenne AN₁ interpretiert werden können, und beispielsweise nur ein Antennenleiter oder eine Kombination aus einem Antennenleiter und einem Erdleiter (GND-Leiter) als die Antenne AN₁ interpretiert werden können. Dasselbe gilt für die übrigen aktiven Antennen AA₂ bis AA_n. Wie in 1B gezeigt, kann als ein Beispiel der Antenne AN eine rechteckige Patchantenne verwendet werden. Dies ist jedoch lediglich ein Beispiel, und es kann auch eine Antenne mit einer anderen Form als die rechteckige Patchantenne verwendet werden, solange es möglich ist, eine elektromagnetische Welle in einem vorbestimmten Frequenzband, wie beispielsweise einem Terahertzfrequenzband, auszugeben. Es sei angemerkt, dass 1B ein Beispiel der Anordnung zeigt, in der neun Patchantennen in einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind. Die 3 × 3-Matrix gibt eine Anordnung an, in der Antennen in 3 Zeilen × 3 Spalten angeordnet sind. Die Halbleiter RTD₁ bis RTD_n der aktiven Antennen enthalten jeweils eine Halbleiterstruktur zum Erzeugen oder Detektieren einer Terahertzwelle. Diese Ausführungsform beschreibt ein Beispiel, in dem eine Resonanztunneldiode (RTD) als die Halbleiterstruktur verwendet wird. Es sei angemerkt, dass ein Halbleiter mit einer Nichtlinearität von Ladungsträgern (Nichtlinearität eines Stroms bezüglich einer Spannungsänderung in der Strom-Spannungs-Kennlinie) oder einer Verstärkung elektromagnetischer Wellen in Bezug auf eine Terahertzwelle für die Halbleiterstruktur ausreicht, und die Halbleiterstruktur ist nicht auf die RTD beschränkt. Daher werden die jeweiligen Halbleiter RTD₁ bis RTD_n im Folgenden manchmal als eine Halbleiterschicht 100 bezeichnet. Die Vorspannungssteuereinheit 12 ist eine Spannungsquelle zum Steuern eines Vorspannungssignals, das an einen jeweiligen der Halbleiter RTD₁ bis RTD_n anzulegen ist, und ist elektrisch mit einem jeweiligen der Halbleiter RTD₁ bis RTD_n verbunden. Der Master-Oszillator 13 ist auch konfiguriert, ein Vorspannungssignal an einen jeweiligen der Halbleiter RTD₁ bis RTD_n anzulegen. Das heißt, es gibt mindestens zwei Anschlussleitungen (engl. power lines) zur Spannungsversorgung (engl. power supply) der Halbleiter RTD₁ bis RTD_n. Eine der mindestens zwei Anschlussleitungen ist eine Leitung zur Spannungsversorgung des Halbleiters bei einer Frequenz von bis zu etwa 10 GHz und ist durch eine Mikrostreifenleitung oder eine koplanare Leitung implementiert. Die andere der Anschlussleitungen ist eine Leitung, in die ein Master-Signal einer durch den Master-Oszillator 13 erzeugten Welle im Bereich von 10 GHz bis zu Terahertz injiziert wird. Der Halbleiter RTD ist mit einem Erdleiter oder dergleichen verbunden, und der Erdleiter kann als eine Anschlussleitung zum Ausgeben einer Potentialdifferenz an den Halbleiter RTD angesehen werden. Es kann auch eine andere Leitung als die Leitungen als eine Anschlussleitung zum Ausgeben einer Potentialdifferenz an den Halbleiter RTD verwendet werden. Zum Beispiel kann der Halbleiter RTD mit dem Erdleiter und auch mit zwei oder mehr Anschlussleitungen zum Ausgeben unterschiedlicher Potentialdifferenzen verbunden sein und kann eine Struktur aufweisen, bei der eine der zwei oder mehr Anschlussleitungen eingeschaltet ist und die übrigen Anschlussleitungen ausgeschaltet sind. Das heißt, die Anzahl der mit dem Halbleiter RTD verbundenen Anschlussleitungen und deren Form sind nicht eingeschränkt.
4A ist ein Schaltbild zur Erläuterung des Master-Oszillators 13, der mit den aktiven Antennen AA₁ und AA₂ verbunden ist und ein Master-Signal injiziert. Es sei angemerkt, dass die übrigen aktiven Antennen AA₃ bis AA₉ die gleiche Anordnung aufweisen. Die aktive Antenne AA₁ ist ein Oszillator, bei dem ein negativer Widerstand -r des Halbleiters RTD₁ und eine Impedanz Z der Antenne AN₁ parallel geschaltet sind. Die Impedanz Z enthält eine Widerstandskomponente und eine LC-Komponente, die durch die Struktur der Antenne AN₁ verursacht werden. Außerdem ist die Vorspannungssteuereinheit 12 zum Zuführen eines Vorspannungssignals zum Halbleiter RTD₁ über die Anschlussleitung parallel zu dem Halbleiter RTD₁ geschaltet. Die aktive Antenne AA₂ weist ebenso die gleiche Anordnung auf. Die Vorspannungssteuereinheit 12 führt einen Strom zu, der notwendig ist, um die Halbleiter RTD₁ und RTD₂ anzusteuern, und stellt das Vorspannungssignal ein, das an die Halbleiter RTD₁ und RTD₂ angelegt wird. Wenn die RTD als der Oszillator verwendet wird, wird das Vorspannungssignal aus einer Spannung im Bereich negativen differentiellen Widerstands der RTD ausgewählt.
Der Master-Oszillator 13 ist eine Wellenquelle zum Synchronisieren des Timings einer Terahertzwelle und gibt ein elektrisches Signal mit einer subharmonischen Frequenz aus, die 1/2N (N ist eine natürliche Zahl) der Oszillationsfrequenz f_THz der Terahertzwelle ist. Das heißt, der Master-Oszillator 13 gibt gemäß dem durch die Vorspannungssteuereinheit 12 gegebenen Vorspannungssignal ein Signal mit einer niedrigen Frequenz aus, die 1/gerade Zahl der Oszillationsfrequenz des Oszillators in der aktiven Antenne ist.
Die Beziehung zwischen dem Master-Oszillator 13 und dem Oszillator (Halbleiter-RTD) der aktiven Antenne ist derart, dass der Master-Oszillator 13 als Master dient und die aktive Antenne als Slave dient. Das heißt, die aktive Antenne arbeitet, indem sie einer durch den Master-Oszillator 13 ausgegebenen Signalwellenform folgt. Der Master-Oszillator 13 gibt ein Signal mit einer Leistung aus, die größer ist als die von der als Slave dienenden einzelnen aktiven Antenne ausgegebene. In einem Beispiel kann vom Master-Oszillator 13 in eine jeweilige RTD injizierte Leistung als die Leistung des Ausgangssignals einer RTD gleich oder höher als P_RTD((3/16)_cos(ω τ)· Δ I Δ V) eingestellt werden. In einem Beispiel kann vom Master-Oszillator 13 in eine jeweilige RTD injizierte Leistung auf eine Leistung gleich hoch wie oder höher als das 10-fache der Leistung des Ausgangssignals einer RTD eingestellt werden. In diesem Fall stellt PRTD eine Ausgabe von einer RTD dar, ω stellt die Winkelfrequenz eines von der RTD ausgegebenen elektrischen Signals dar und τ stellt eine Ladungsträgerlaufzeit in der Halbleiterschicht (RTD) dar. Ferner stellen Δ I und Δ V die Stromdifferenz bzw. die Spannungsdifferenz zwischen einem Stromtal und einer Stromspitze im Bereich des negativen Widerstands der RTD dar. Wenn zum Beispiel, unter Bezugnahme auf 4A, der Master-Oszillator 13 das Master-Signal in eine jeweilige der beiden aktiven Antennen AA₁ und AA₂ injiziert, kann eine Leistung von P_RTD((3/1 6)cos(ω τ) · Δ I Δ V) oder mehr in eine jeweilige von RTD₁ und RTD₂ eingegeben werden. Daher kann der Master-Oszillator 13, wenn er Leistung in eine jeweilige der beiden RTDs injiziert, Leistung ausgeben, die durch Addieren einer Leistung eines Übertragungsverlusts vom Master-Oszillator 13 zu einer jeweiligen RTD zu einer Leistung von 2·P_RTD((3/1 6)cos(ω τ) · Δ I Δ V) oder mehr erhalten wird. Es sei angemerkt, dass in einem Beispiel die Länge eines Pfads des vom Master-Oszillator 13 ausgegebenen Master-Signals zu einer jeweiligen RTD so konfiguriert sein kann, dass sie eine Länge des 20-fachen der Wellenlänge des Master-Oszillators 13 oder weniger ist. Durch Einstellen einer derartigen Beschränkung ist es möglich, das Master-Signal mit ausreichender Leistung in die RTD gelangen zu lassen.
Der Master-Oszillator 13 ist über einen Kondensator C₁ durch Steuerleitungen IL₁ und RL₁ mit dem Halbleiter RTD₁ der aktiven Antenne AA₁ verbunden und injiziert das Master-Signal. Ein Stichleitung S₁ ist mit einem Port 1 zwischen den Steuerleitungen IL₁ und RL₁ verbunden und ist über einen Kondensator C_1S mit der Erde (GND) verbunden, sodass sie eine kurze Stichleitung ist. Der Kondensator C_1S kann so ausgelegt sein, dass er im Frequenzband (zum Beispiel dem Terahertzband) des von der aktiven Antenne ausgegebenen elektrischen Signals eine niedrige Impedanz aufweist. Es sei angemerkt, dass die Oszillationsfrequenz des Oszillators in der aktiven Antenne im Terahertzband liegt und das von der aktiven Antenne ausgegebene elektrische Signal ein Terahertzwellensignal ist. Das heißt, die nachfolgend zu verwendenden Begriffe „Terahertzband“ und „Terahertzwelle“ geben die Oszillationsfrequenz des Oszillators in der aktiven Antenne bzw. die elektromagnetische Welle der Frequenz an. Es sei angemerkt, dass die Terahertzwelle ein Beispiel für eine elektromagnetische Welle ist und die folgende Erörterung auf eine Antennenvorrichtung eines anderen Frequenzbands als das Terahertzband angewendet werden kann. Der Kondensator C_1S ist so ausgelegt, dass er bei 0,5 THZ etwa 0,01 bis 0,1 pF aufweist. Ferner kann die Stichleitung S₁ so eingestellt sein, dass sie eine Länge von 1/4 der Wellenlänge der Terahertzwelle der Frequenz f_THz aufweist. Demnach ist die Terahertzwelle am Port 1 offen. Daher ist es möglich, das Master-Signal durch die Steuerleitung IL₁ in den Halbleiter RTD₁ zu injizieren, ohne die Terahertzwelle zu beeinflussen. Ferner ist die Steuerleitung RL₁ so eingestellt, dass sie eine Länge von 1/4 der Wellenlänge der Terahertzwelle aufweist, und somit ist die Terahertzwelle am Port 1 offen. Daher fungiert die Steuerleitung RL₁ zusammen mit der Antenne AN als der Resonator des Halbleiters RTD₁. Es sei angemerkt, dass die Stichleitung S₁ weggelassen werden kann.
Der Halbleiter RTD₁ der aktiven Antenne AA₁ ist mit einem Timing gemäß dem injizierten Master-Signal synchronisiert. Zum Beispiel stimmt, wie in 1C gezeigt, während der Halbleiter RTD₁ die Terahertzwelle ausgibt, das Timing, bei dem die Amplitude der Terahertzwelle 0 wird, mit dem Master-Signal überein. Dasselbe gilt für die aktive Antenne AA₂. Wenn die aktiven Antennen AA₁ und AA₂ miteinander synchronisiert sind, weisen der Kondensator C₁ und ein Kondensator C₂ die gleiche Struktur auf, und die Differenz der elektrischen Länge zwischen der Steuerleitung IL₁ und einer Steuerleitung IL₂ ist auf ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Master-Oszillators 13 eingestellt. Da somit das Timing, bei dem die Amplitude des Master-Signals 0 wird, in Bezug auf die jeweiligen aktiven Antennen gleich ist, kann eine Synchronisation zwischen diesen aktiven Antennen hergestellt werden. Es sei angemerkt, dass in einem Beispiel die Kondensatoren C₁ und C₂ einen Wert von etwa 1 fF bis zu einigen zehn pF aufweisen, was etwa das 1/10- bis 10-fache des negativen Widerstands des Halbleiters RTD beträgt.
1A, 1B und 4A zeigen ein Beispiel, in dem die Antennenvorrichtung 10 nur einen Master-Oszillator 13 enthält. Die Anzahl der Master-Oszillatoren 13 ist nicht auf einen beschränkt. Beispielsweise kann, wie in 2A und 2B gezeigt, die Antennenvorrichtung 10 mehrere Master-Oszillatoren 13 enthalten, die miteinander synchronisiert sind. Eine subharmonische Frequenz f_sub als die Frequenz des Master-Oszillators 13 ist niedriger als die Frequenz f_THz der Terahertzwelle. Ein Oszillator mit einer Frequenz, die niedriger als die der Terahertzwelle ist, kann die Phasengenauigkeit erhöhen. Daher können die Terahertzwellen durch Verwenden eines Oszillators mit einer relativ niedrigen Frequenz, der die Phasengenauigkeit erhöhen kann, als den Master-Oszillator 13 genau synchronisiert werden. Als der Master-Oszillator 13 kann beispielsweise ein Oszillator verwendet werden, der durch genaues Stabilisieren eines Transistoroszillators im Millimeterwellenband durch eine Phasenregelschleife (Phase Locked Loop, PLL) erhalten wird. In einem Beispiel wird der Master-Oszillator 13 unter Verwendung einer Halbleiterheterostruktur, einer Halbleiterstapelstruktur, einer Resonanztunneldiode und einer Negativwiderstandsdiode gebildet.
Wie in 2A gezeigt, kann, wenn die mehreren Master-Oszillatoren 13 durch Steuerleitungen elektrisch verbunden sind, eine Synchronisation zwischen den Master-Oszillatoren 13 hergestellt werden. Unter Bezugnahme auf 2A sind drei Master-Oszillatoren 13 vorgesehen. Diese Master-Oszillatoren 13 verteilen jeweils das Master-Signal auf drei in verschiedenen Spalten angeordnete aktive Antennen von den mehreren in einer Matrix angeordneten aktiven Antennen. Es sei angemerkt, dass ein der Bezugszahl „13“ hinzugefügter Index, der den Master-Oszillator bezeichnet, verwendet wird, um die aktiven Antennen zu bezeichnen, der der Master-Oszillator 13 das Master-Signal zuführt. Beispielsweise führt der Master-Oszillator 13₁₂₃ das Master-Signal den aktiven Antennen AA₁ bis AA₃ zu. In ähnlicher Weise führt der Master-Oszillator 13₄₅₆ das Master-Signal den aktiven Antennen AA₄ bis AA₆ zu, und der Master-Oszillator 13₇₈₉ führt das Master-Signal den aktiven Antennen AA₇ bis AA₉ zu. Dasselbe gilt für andere Zeichnungen. Die elektrische Länge einer jeweiligen Steuerleitung IL ist so eingestellt, dass das verteilte Master-Signal an einer Position, an der es in den Halbleiter RTD injiziert wird, der in einer jeweiligen der mehreren aktiven Antennen AA enthalten ist, die gleiche Phase aufweist. Es sei angemerkt, dass 2A ein Beispiel zeigt, in dem ein Master-Oszillator 13 das Master-Signal den vertikal angeordneten aktiven Antennen von den in der Matrix angeordneten aktiven Antennen zuführt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann eine Anordnung verwendet werden, bei der ein Master-Oszillator 13 das Master-Signal den horizontal angeordneten aktiven Antennen zuführt.
2B zeigt ein Beispiel, bei dem aktive Antennen in einer 4 × 4-Matrix angeordnet sind. In dem in 2B gezeigten Beispiel führt ein jeweiliger von vier Master-Oszillatoren 13₁₂₅₆, 13₃₄₇₈, 13_9101314 und 13_11121516 ein Master-Signal entsprechenden vier aktiven Antennen zu. Es sei angemerkt, dass die vier Master-Oszillatoren über Steuerleitungen elektrisch mit beispielsweise dem Master-Oszillator 13 verbunden sind, der ein Referenz-Master-Signal zuführt, und konfiguriert sind, miteinander synchronisiert zu werden. Es sei angemerkt, dass der Master-Oszillator 13 in der Mitte von 2B weggelassen werden kann und dass eine Anordnung verwendet werden kann, bei der die vier Master-Oszillatoren über Steuerleitungen elektrisch verbunden sind, um miteinander synchronisiert zu werden. In einem Beispiel kann ein jeweiliger Master-Oszillator so angeordnet sein, dass die Abstände zu den vier aktiven Antennen als die Zuführziele des Master-Signals jeweils gleich groß sind. Das heißt, ein jeweiliger Master-Oszillator kann konfiguriert sein, das an die jeweiligen aktiven Antennen verteilte Master-Signal in derselben Phase mit gleicher Leistung in die Halbleiter RTD zu injizieren.
Ein Beispiel, bei dem das Master-Signal mit Leistung P in den Halbleiter RTD einer jeweiligen aktiven Antenne AA injiziert wird, wird nun unter Bezugnahme auf 2C beschrieben. Es sei angemerkt, dass 2C eine Ansicht ist, die eine Anordnung zeigt, die durch Entfernen der Vorspannungssteuereinheit 12 aus 2B zum Vereinfachen der Beschreibung erhalten wird. Wie in 2C gezeigt, führt beispielsweise der Master-Oszillator 13₁₂₅₆ das Master-Signal den aktiven Antennen AA₁, AA₂, AA₅ und AA₆ zu. Zu diesem Zeitpunkt gibt beispielsweise der Master-Oszillator 13₁₂₅₆ das Master-Signal über eine gemeinsame erste Steuerleitung an die aktiven Antennen AA₁ und AA₅ aus, und dann wird das Master-Signal über einen Zweigpfad gleichmäßig auf die aktiven Antennen AA₁ und AA₅ verteilt. Ferner kann beispielsweise der Master-Oszillator 13₁₂₅₆ das Master-Signal über eine von der ersten Steuerleitung verschiedene zweite Steuerleitung an die aktiven Antennen AA₂ und AA₆ ausgeben. Danach wird das Master-Signal über einen Zweigpfad gleichmäßig auf die aktiven Antennen AA₂ und AA₆ verteilt. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Master-Oszillator 13₁₂₅₆ das Master-Signal mit einer Leistung von 2.P an eine jeweilige der ersten und zweiten Steuerleitungen aus, wodurch es möglich wird, das Master-Signal mit der Leistung P einer jeweiligen der aktiven Antennen AA₁, AA₂, AA₅ und AA₆ zuzuführen. Die elektrische Länge einer jeweiligen Steuerleitung IL ist so eingestellt, dass das Master-Signal an der Position des Halbleiters RTD einer jeweiligen mit dem Master-Signal injizierten aktiven Antenne die gleiche Phase aufweist. Es sei angemerkt, dass die Auslegung derart, dass das Master-Signal mit gleicher Leistung an der Position des Halbleiters RTD einer jeweiligen aktiven Antenne zugeführt wird, beschrieben wurde, jedoch ist es möglich, die aktiven Antennen zu synchronisieren, selbst wenn das Master-Signal keine gleiche Leistung aufweist.
In dem obigen Beispiel wurde ein Fall erläutert, in dem die mehreren Master-Oszillatoren jeweils zum Zuführen des Master-Signals zu den aktiven Antennen verwendet werden, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können, wie in 2D gezeigt, obwohl mehrere Master-Oszillatoren 13 vorgesehen sind, nur einige (einer in dem in 2D gezeigten Beispiel) der Master-Oszillatoren 13 das Master-Signal den aktiven Antennen zuführen. Beispielsweise zeigt das Beispiel von 2D eine Anordnung, in der zwei Master-Oszillatoren 13_L und 13_H vorgesehen sind. In einem Beispiel ist die Frequenz des Master-Oszillators 13_L niedriger als die des Master-Oszillators 13_H, der das Master-Signal den aktiven Antennen zuführt. In dieser Anordnung kann beispielsweise eine Signalquelle mit hoher Genauigkeit, die eine Phasenregelschleife (PLL) im Millimeterwellen- oder Mikrowellenbereich verwendet, als der Master-Oszillator 13_L verwendet werden. Daher ist es möglich, die Phasengenauigkeit des Master-Oszillators 13_H, der ein Master-Signal mit einer relativ hohen Frequenz ausgibt, zu verbessern und einen Oszillator mit niedrigem Phasenrauschen im Terahertzband zu implementieren.
(Implementierungsbeispiel)
Anschließend werden die Struktur und Anordnung der oben beschriebenen Antennenvorrichtung 10 unter Bezugnahme auf die 5A bis 5E beschrieben. 5A ist eine schematische Draufsicht der Antennenanordnung 11, in der die neun aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ in einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind. 5B bis 5E sind Querschnittansichten der Antennenanordnung 11 entlang der Linien A-A', B-B', C-C' bzw. D-D' in 5A. Die Antennenanordnung 11 ist ein Element, das die Terahertzwelle der Frequenz f_THz oszilliert oder detektiert und aus einem Halbleitermaterial hergestellt ist. In dieser Ausführungsform wird als die Antennenanordnung 11 eine Antennenanordnung beispielhaft beschrieben, in der die neun aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ in einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind, wobei die vorliegende Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Die aktiven Antennen können beispielsweise linear angeordnet sein oder können in einer anderen Form angeordnet sein. Außerdem ist die Anzahl der aktiven Antennen nicht auf neun beschränkt, und selbst wenn die aktiven Antennen in einer Matrix angeordnet sind, können sie in einer anderen Matrix als der 3 × 3-Matrix angeordnet sein. Es sei angemerkt, dass eine jeweilige der aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ als ein Resonator dient, der die Terahertzwelle zum Schwingen bringt, und als ein Strahler dient, der die Terahertzwelle sendet oder empfängt. In der Antennenanordnung 11 können die aktiven Antennen in einem Abstand (Intervall) gleich groß wie oder kleiner als die Wellenlänge der detektierten oder erzeugten Terahertzwelle oder in einem Abstand (Intervall) eines ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge angeordnet sein. Es sei angemerkt, dass in der folgenden Beschreibung der Halbleiter RTD als die Halbleiterschicht 100 beschrieben wird, um den Halbleiter RTD als die Halbleiterstruktur zum Erzeugen oder Detektieren der Terahertzwelle zu verallgemeinern. Zusätzlich zu der oben beschriebenen Halbleiterstruktur kann die Halbleiterschicht 100 eine Elektrode zum ohmschen Kontakt mit der Halbleiterstruktur oder eine Elektrodenschicht zur Verbindung mit oberen und unteren Leitungsschichten enthalten.
Es sei angemerkt, dass die jeweiligen aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ die gleiche Anordnung aufweisen. Daher wird, wenn es nicht notwendig ist, die aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ besonders zu unterscheiden, generell der Begriff „aktive Antenne AA“ verwendet. Das heißt, die Anordnung der „aktiven Antenne AA“, die unten beschrieben wird, trifft für jede der aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ zu, die die Antennenanordnung 11 bilden.
(aktive Antenne)
Wie in den 5B bis 5E gezeigt, umfasst die aktive Antenne AA ein Substrat 110, eine Leiterschicht 109, eine Leiterschicht 101 und dielektrische Schichten 104 bis 106. Es sei angemerkt, dass, wie in den 5B bis 5E gezeigt, das Substrat 110, die Leiterschicht 109 und die Leiterschicht 101 in dieser Reihenfolge gestapelt sind und sich die dielektrischen Schichten 104 bis 106 zwischen den beiden Leiterschichten 109 und 101 (Leitungsschichten) befinden. Es sei angemerkt, dass die dielektrischen Schichten 104 bis 106 von der Seite der Leiterschicht 109 aus in der Reihenfolge der dielektrischen Schicht 106, der dielektrischen Schicht 105 und der dielektrischen Schicht 104 angeordnet sind. Die Anordnung der in den 5B bis 5E gezeigten Antenne wird als Mikrostreifenantenne bezeichnet, die eine Mikrostreifenleitung mit einer endlichen Länge verwendet. Ein Beispiel für die Verwendung einer Patchantenne als Mikrostreifenresonator wird nun beschrieben. Die Leiterschicht 101 ist der Patchleiter der aktiven Antenne AA (der obere Leiter der Patchantenne), der so angeordnet ist, dass er über die dielektrischen Schichten 104 bis 106 der Leiterschicht 109 zugewandt ist. Die Leiterschicht 109 dient als elektrisch geerdeter Erdleiter (GND-Leiter) und dient auch als Reflektorschicht. Die aktive Antenne AA ist so eingestellt, dass sie als Resonator arbeitet, bei dem die Breite der Leiterschicht 101 in der A-A'-Richtung (Resonanzrichtung) λ_THz/2 beträgt. Es sei angemerkt, dass λ_THz eine effektive Wellenlänge der in der aktiven Antenne AA schwingenden Terahertzwelle in den dielektrischen Schichten 104 bis 106 darstellt. Wenn λ₀ die Wellenlänge der Terahertzwelle im Vakuum darstellt und ε_r die effektive relative Permittivität der dielektrischen Schicht 104 darstellt, ergibt sich λ_THz = λ₀ × ε_r ^-1/2.
Die aktive Antenne AA weist die Halbleiterstruktur als die Halbleiterschicht 100 auf. Die Halbleiterschicht 100 entspricht einem jeweiligen der Halbleiter RTD₁ bis RTD₉ in 1A und ist in dieser Ausführungsform eine Resonanztunneldiode (RTD), wie oben beschrieben. Die RTD ist eine typische Halbleiterstruktur mit einer Verstärkung elektromagnetischer Wellen im Frequenzband der Terahertzwelle und wird auch als aktive Schicht bezeichnet. Daher wird die Halbleiterschicht 100 im Folgenden manchmal als „RTD“ bezeichnet. Die RTD weist eine Resonanztunnelstrukturschicht mit mehreren Tunnelbarriereschichten auf, in der eine Quantentopfschicht zwischen den mehreren Tunnelbarriereschichten vorgesehen ist, und weist eine Multiquantentopfstruktur zum Erzeugen einer Terahertzwelle durch Ladungsträgerübergang zwischen Subbändern (engl. inter-subband carrier transition) auf. Die RTD weist eine Verstärkung elektromagnetischer Wellen im Frequenzbereich der Terahertzwelle basierend auf einem Phänomen photonenunterstützten Tunnelings im Bereich des negativen differentiellen Widerstands der Strom-Spannungs-Kennlinie auf und führt im Bereich des negativen differentiellen Widerstands eine Selbstoszillation durch.
Die Halbleiterschicht 100 ist elektrisch mit der Leiterschicht 101 verbunden. Die Halbleiterstruktur ist beispielsweise eine Mesastruktur, und die Halbleiterschicht 100 enthält eine Elektrode (ohmsche oder Schottky-Elektrode) zum Kontakt mit der Halbleiterstruktur und eine Elektrodenschicht zur Verbindung mit den oberen und unteren Leitungsschichten. Die Halbleiterschicht 100 befindet sich in der aktiven Antenne AA und ist konfiguriert, die Terahertzwelle zu oszillieren oder zu detektieren. Die Halbleiterschicht 100 ist aus einer Halbleiterschicht mit Nichtlinearität oder Verstärkung einer elektromagnetischen Welle in Bezug auf die Terahertzwelle gebildet.
Die aktive Antenne AA ist eine aktive Antenne, die durch Integrieren der Halbleiterschicht 100 und der Patchantenne (Antenne AN) gebildet wird. Die Frequenz f_THz der von der einzelnen aktiven Antenne AA oszillierten Terahertzwelle wird basierend auf der Resonanzfrequenz eines vollständig parallelen Resonanzkreises bestimmt, der durch Kombinieren der Patchantenne und der Reaktanz der Halbleiterschicht 100 erhalten wird. Insbesondere wird in Bezug auf einen Resonanzkreis, der durch Kombinieren der Admittanzen (YRTD und Yaa) eines RTD und einer Antenne aus der äquivalenten Schaltung des Oszillators erhalten wird, der in Jpn. J. Appl. Phys., Band 47, Nr. 6 (2008), S. 4375-4384 beschrieben ist, eine Frequenz, die eine durch Ausdruck (1) gegebene Amplitudenbedingung erfüllt und eine durch Gleichung (2) gegebene Phasenbedingung als die Oszillationsfrequenz f_THz bestimmt.
$Re [YRTD] + Re [Y 11] \leq 0$
$Im [YRTD] + Im [Y 11] = 0$
wobei YRTD die Admittanz der Halbleiterschicht 100 darstellt, Re einen Realteil darstellt und Im einen Imaginärteil darstellt. Da die Halbleiterschicht 100 die RTD als ein Negativwiderstandselement enthält, weist Re[YRTD] einen negativen Wert auf. Y11 stellt die Admittanz der gesamten Struktur der aktiven Antenne AA₁ bei Betrachtung von der Halbleiterschicht 100 dar.
Es sei angemerkt, dass als Halbleiterschicht 100 ein Quantenkaskadenlaser (QCL, Quantum Cascade Laser) mit einer Halbleitervielschichtstruktur von einigen hundert bis einigen tausend Schichten verwendet werden kann. In diesem Fall ist die Halbleiterschicht 100 eine Halbleiterschicht, die die QCL-Struktur enthält. Als Halbleiterschicht 100 kann ein Negativwiderstandselement, wie beispielsweise eine Gunn-Diode oder IMPATT-Diode, die häufig im Millimeterwellenband verwendet werden, verwendet werden. Als Halbleiterschicht 100 kann ein Hochfrequenzelement, wie beispielsweise ein Transistor mit einem Anschluss, verwendet werden, und ein Heteroübergangs-Bipolartransistor (HBT), ein Verbindungshalbleiter-Feldeffekttransistor (ein Verbindungshalbleiter-FET), ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT, high electron mobility transistor) oder dergleichen kann als Transistor verwendet werden. Als Halbleiterschicht 100 kann ein negativer differentieller Widerstand des Josephson-Device unter Verwendung einer Supraleiterschicht verwendet werden. Das heißt, die Halbleiterschicht 100 muss nicht die RTD sein, solange sie die Halbleiterstruktur zum Erzeugen oder Detektieren einer elektromagnetischen Welle in einem vorbestimmten Frequenzband aufweist, und es kann auch eine beliebige Struktur mit der gleichen Kennlinie verwendet werden. In diesem Beispiel wird die RTD als eine für die Terahertzwelle geeignete Komponente verwendet, aber durch eine in dieser Ausführungsform beschriebene Anordnung kann auch eine Antennenanordnung, die einer elektromagnetischen Welle in einem beliebigen Frequenzband entspricht, implementiert werden. Das heißt, die Halbleiterschicht 100 gemäß dieser Ausführungsform ist nicht auf die RTD beschränkt, die die Terahertzwelle ausgibt, und kann unter Verwendung eines Halbleiters gebildet werden, der eine elektromagnetische Welle in einem beliebigen Frequenzband ausgeben kann.
Wenn der Mikrostreifenresonator, wie etwa eine Patchantenne, eine dicke dielektrische Schicht aufweist, wird ein Leiterverlust reduziert und die Strahlungseffizienz verbessert. Für die dielektrischen Schichten 104 bis 106 ist es erforderlich, dass ein dicker Film gebildet werden kann (typischerweise 3 µm oder mehr), ein niedriger Verlust/eine niedrige Dielektrizitätskonstante im Terahertzband erhalten wird und die Feinverarbeitbarkeit hoch ist (Planarisierung oder Ätzen). Umso größer die Dicke der dielektrischen Schicht ist, desto mehr steigt die Strahlungseffizienz, aber wenn die Dicke zu groß ist, kann eine multimodale Resonanz auftreten. Daher kann die Dicke der dielektrischen Schicht so ausgelegt werden, dass sie in einem Bereich liegt, dessen Obergrenze 1/10 der Oszillationswellenlänge beträgt. Andererseits müssen zum Implementieren der hohen Frequenz und der hohen Ausgabe des Oszillators eine Mikronisierung und eine hohe Stromdichte der Diode implementiert werden. Um dies zu tun, ist es auch erforderlich, dass die dielektrische Schicht als die isolierende Struktur der Diode einen Leckstrom unterdrückt und Migration verhindert. Um die beiden obigen Anforderungen zu erfüllen, können dielektrische Schichten aus unterschiedlichen Materialien als die dielektrischen Schichten 104 bis 106 verwendet werden.
Als das Material der dielektrischen Schicht 104 kann ein organisches dielektrisches Material wie Benzocyclobuten (BCB der Dow Chemical Company, ε_r1, = 2), Polytetrafluorethylen oder Polyimid verwendet werden. In diesem Beispiel stellt ε_r1, die relative Permittivität der ersten dielektrischen Schicht 104 dar. Für die erste dielektrische Schicht kann ein TEOS-Oxidfilm, der einen relativ dicken Film bilden kann und eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist, oder ein anorganisches dielektrisches Material wie Spin-on-Glass 104 verwendet werden. Die dielektrischen Schichten 105 und 106 müssen eine Isolationseigenschaft (die Eigenschaft, sich als Isolator oder Hochwiderstand zu verhalten, der in Bezug auf eine Gleichspannung keine Elektrizität leitet), eine Barriereeigenschaft (die Eigenschaft, eine Ausbreitung eines für eine Elektrode verwendeten Metallmaterials zu verhindern) und Verarbeitbarkeit (Verarbeitbarkeit mit Submikrometergenauigkeit) aufweisen. Als ein Material, das diese Eigenschaften erfüllt, wird beispielsweise ein anorganisches Isolatormaterial wie Siliziumoxid (ε_r2 = 4), Siliziumnitrid (ε_r2 = 7), Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid verwendet. ε_r2 stellt die relative Permittivität der dielektrischen Schichten 105 und 106 dar.
In dieser Ausführungsform ist, wenn die dielektrischen Schichten 104 bis 106 eine Vielschichtanordnung aufweisen, die relative Permittivität ε_r der dielektrischen Schichten 104 bis 106 die effektive relative Permittivität, die basierend auf der Dicke und relativen Permittivität ε_r1, der dielektrischen Schicht 104 und der Dicke und relativen Permittivität ε_r2 der dielektrischen Schichten 105 und 106 bestimmt wird. Um vom Gesichtspunkt der Impedanzanpassung zwischen der Antenne und einem Raum den Unterschied in der Dielektrizitätskonstante zwischen der Antenne und Luft zu verringern, kann ein Material, das sich von dem der dielektrischen Schichten 105 und 106 unterscheidet und eine niedrige relative Permittivität (ε_r1 < ε_r2) aufweist, für die dielektrische Schicht 104 verwendet werden. Es sei angemerkt, dass in der Antennenvorrichtung 10 die dielektrische Schicht keine Vielschichtanordnung aufweisen muss und auch eine Struktur aufweisen kann, die durch eine Schicht aus einem der oben beschriebenen Materialien gebildet wird.
Die Halbleiterschicht 100 ist auf der auf dem Substrat 110 gebildeten Leiterschicht 109 angeordnet. Die Halbleiterschicht 100 und die Leiterschicht 109 sind elektrisch miteinander verbunden. Es sei angemerkt, dass zum Reduzieren eines ohmschen Verlusts die Halbleiterschicht 100 und die Leiterschicht 109 mit einem niedrigen Widerstand verbunden werden können. Der ohmsche Verlust ist beispielsweise ein Verlust in einem Widerstand. Eine Durchkontaktierung 103 ist in Bezug auf die Halbleiterschicht 100 auf der gegenüberliegenden Seite der Seite angeordnet, auf der die Leiterschicht 109 angeordnet ist, und ist elektrisch mit der Halbleiterschicht 100 verbunden. Die Halbleiterschicht 100 ist in die dielektrische Schicht 106 eingebettet, und die dielektrische Schicht 106 bedeckt den Rand (engl. periphery) der Halbleiterschicht 100.
Die Halbleiterschicht 100 enthält eine ohmsche Elektrode als einen Leiter, der einen ohmschen Kontakt mit dem Halbleiter herstellt, um eine RC-Verzögerung und einen durch einen Reihenwiderstand verursachten ohmschen Verlust zu reduzieren. Als Material der ohmschen Elektrode können beispielsweise Ti/Au, Ti/Pd/Au, Ti/Pt/Au, AuGe/Ni/Au, Tiw, Mo, ErAs oder dergleichen verwendet werden. Es sei angemerkt, dass dieses Material durch chemische Symbole dargestellt wird und ein durch das jeweilige chemische Symbol dargestelltes Material nicht ausführlich beschrieben wird. Dasselbe gilt für die folgende Beschreibung. Durch Verringern des Kontaktwiderstands unter Verwendung eines Halbleiters, in dem ein Bereich, in dem der Halbleiter die ohmsche Elektrode kontaktiert, mit Verunreinigungen mit einer hohen Konzentration dotiert ist, können eine hohe Ausgabe und eine hohe Frequenz implementiert werden. Die Halbleiterschicht 100 kann konfiguriert sein, einen Verlust einer elektromagnetischen Welle auf 1 % oder weniger zu senken, da der Absolutwert des negativen Widerstands, der die Größe der Verstärkung der in dem Terahertzwellenband verwendeten RTD angibt, in der Größenordnung von einschließlich 1 bis einschließlich 100 Ω liegt. Daher kann der Kontaktwiderstand in der ohmschen Elektrode als Anhaltspunkt auf 1 Ω oder weniger gesenkt werden. Damit sie im Terahertzwellenband arbeitet, wird die Halbleiterschicht 100 so gebildet, dass sie als einen typischen Wert eine Breite von einschließlich 0,1 bis einschließlich 5 µm aufweist. Daher wird der Kontaktwiderstand in dem Bereich von einschließlich 0,001 Ω bis einschließlich einigen Ω gesenkt, indem der spezifische Widerstand auf 10 Ω·µm² oder weniger eingestellt wird.
Die Halbleiterschicht 100 kann konfiguriert sein, ein Metall (Schottky-Elektrode) zu enthalten, das keinen ohmschen Kontakt, sondern einen Schottky-Kontakt herstellt. In diesem Fall weist die Kontaktgrenzfläche zwischen der Schottky-Elektrode und dem Halbleiter eine gleichrichtende Eigenschaft auf, und die aktive Antenne AA kann als ein Terahertzwellendetektor verwendet werden. Es sei angemerkt, dass nachstehend eine Anordnung unter Verwendung einer ohmschen Elektrode beschrieben wird.
Wie in 5B gezeigt, sind das Substrat 110, die Leiterschicht 109, die Halbleiterschicht 100, die Durchkontaktierung 103 und die Leiterschicht 101 in dieser Reihenfolge in der aktiven Antenne AA gestapelt. Die Durchkontaktierung 103 ist in den dielektrischen Schichten 104 bis 106 ausgebildet, und die Leiterschicht 101 und die Halbleiterschicht 100 sind über die Durchkontaktierung 103 elektrisch verbunden. Wenn die Breite der Durchkontaktierung 103 zu groß ist, verschlechtert sich die Strahlungseffizienz aufgrund einer Verschlechterung der Oszillationskennlinie der Patchantenne und einer Erhöhung der parasitären Kapazität. Daher kann die Breite der Durchkontaktierung 103 auf eine Breite eingestellt werden, die ein elektrisches Resonanzfeld nicht stört, typischerweise auf 1/10 oder weniger der effektiven Wellenlänge λ der stehenden Terahertzwelle der Oszillationsfrequenz f_THz in der aktiven Antenne AA. Die Breite der Durchkontaktierung 103 kann so klein sein, dass der Reihenwiderstand nicht ansteigt, und kann als Anhaltspunkt auf etwa das Doppelte einer Skin-Tiefe reduziert werden. Unter der Annahme, dass der Reihenwiderstand auf einen Wert verringert wird, der 1 Ω nicht überschreitet, fällt die Breite der Durchkontaktierung 103 als Anhaltspunkt typischerweise in den Bereich von einschließlich 0,1 µm bis einschließlich 20 µm.
Unter Bezugnahme auf 5C ist die Leiterschicht 101 über die Durchkontaktierung elektrisch mit einer Leitung 108 verbunden, und die Leitung 108 ist über eine in dem Chip gebildete Vorspannungsleitungsschicht 102 als gemeinsame Leitung elektrisch mit der Vorspannungssteuereinheit 12 verbunden. Die Vorspannungssteuereinheit 12 kann auch als Leistungsschaltung bezeichnet werden. Die Leitungsschicht 102 ist an einem Zwischenpunkt zwischen den dielektrischen Schichten 104 und 105 angeordnet. Die Leitung 108 führt nach außerhalb einer jeweiligen Antenne. Die Vorspannungssteuereinheit 12 ist eine Spannungsquelle zum Zuführen eines Vorspannungssignals zur Halbleiterschicht 100 der aktiven Antenne AA. Daher wird das Vorspannungssignal der Halbleiterschicht 100 einer jeweiligen Antenne zugeführt, wenn die Leitungsschicht 102 mit der Leitung 108 verbunden ist, die nach außerhalb einer jeweiligen von benachbarten Antennen führt. Da die Vorspannungsleitungsschicht 102 eine gemeinsame ist, ist es möglich, eine ausreichende Leitungsbreite sicherzustellen. Daher ist es möglich, die durch die Variation des Leitungswiderstands verursachte Variation der Betriebsspannung zwischen den Antennen zu reduzieren, und die Synchronisation wird stabilisiert, selbst wenn die Anzahl der Anordnungen zunimmt. Es ist möglich, eine symmetrische Struktur um die Antennen herum zu erhalten, und somit wird das Strahlungsmuster nicht gebrochen.
Eine Durchkontaktierung 107, die die Leiterschicht 101 und die Leitung 108 verbindet, ist ein Verbindungsabschnitt zum elektrischen und mechanischen Verbinden der Leitung 108 mit der Leiterschicht 101. Eine Struktur, die die obere und untere Schicht elektrisch verbindet, wird als Durchkontaktierung bezeichnet. Zusätzlich zu der Rolle als ein Element, das die Patchantenne bildet, sind die Leiterschichten 109 und 101 mit diesen Durchkontaktierungen verbunden, um als eine Elektrode zum Injizieren eines Stroms in die RTD als die Halbleiterschicht 100 zu dienen. In dieser Ausführungsform kann als die Durchkontaktierung ein Material mit einem spezifischen Widerstand von 1 × 10^-6 Ω m oder weniger verwendet werden. Insbesondere wird als das Material ein Metall oder eine Metallverbindung wie Ag, Au, Cu, W, Ni, Cr, Ti, Al, eine Auln-Legierung oder TiN verwendet.
Die Breite der Durchkontaktierung 107, die die Leiterschicht 101 und die Leitung 108 verbindet, ist kleiner als die der Leiterschicht 101. Die Breite der Leiterschicht 101 entspricht der Breite in der Resonanzrichtung der elektromagnetischen Wellen (das heißt der A-A'-Richtung) in der aktiven Antenne AA. Die Breite eines Abschnitts (Verbindungsabschnitt) der Leitung 108, die mit der Durchkontaktierung 107 verbunden ist, ist kleiner (dünner) als die der Leiterschicht 101 (aktive Antenne AA). Diese Breiten können 1/10 oder weniger (λ/10 oder weniger) der effektiven Wellenlänge λ der stehenden Terahertzwelle der Oszillationsfrequenz f_THz in der aktiven Antenne AA betragen. Dies liegt daran, dass, wenn die Durchkontaktierung 107 und die Leitung 108 an Positionen mit derartigen Breiten angeordnet sind, dass sie ein elektrisches Resonanzfeld in der aktiven Antenne AA nicht stören, die Strahlungseffizienz verbessert werden kann.
Die Position der Durchkontaktierung 107 kann an dem Knoten des elektrischen Felds der stehenden Terahertzwelle der Oszillationsfrequenz f_THz in der aktiven Antenne AA angeordnet sein. Die Durchkontaktierung 107 und die Leitung 108 sind so konfiguriert, dass zu diesem Zeitpunkt die Impedanz ausreichend höher ist als der Absolutwert des negativen differentiellen Widerstands der RTD als Halbleiterschicht 100 in dem Frequenzband um die Oszillationsfrequenz f_THz herum. Mit anderen Worten: die Durchkontaktierung 107 und die Leitung 108 sind mit der aktiven Antenne AA verbunden, um bei der Oszillationsfrequenz f_THz von der RTD aus betrachtet eine hohe Impedanz zu erhalten. In diesem Fall ist die aktive Antenne AA in einem Pfad über die Vorspannungsleitungsschicht 102 bei der Frequenz f_THz isoliert (getrennt). Daher beeinflusst ein durch eine jeweilige aktive Antenne induzierter Strom der Oszillationsfrequenz f_THz nicht die benachbarte Antenne über die Leitungsschicht 102 und die Vorspannungssteuereinheit 12. Zusätzlich wird eine Interferenz zwischen dem stehenden elektrischen Feld der Oszillationsfrequenz f_THz in der aktiven Antenne AA und diesen Spannungszuführelementen unterdrückt.
Die Vorspannungsleitungsschicht 102 ist eine gemeinsame Vorspannungsleitung der mehreren aktiven Antennen AA. Es sei angemerkt, dass die Vorspannungssteuereinheit 12 außerhalb des Chips angeordnet ist, um der Halbleiterschicht 100 einer jeweiligen Antenne ein Vorspannungssignal zuzuführen. Die Vorspannungssteuereinheit 12 enthält eine Stabilisierungsschaltung zum Unterdrücken einer parasitären Oszillation einer niedrigen Frequenz. Die Stabilisierungsschaltung ist so eingestellt, dass sie eine Impedanz aufweist, die niedriger ist als der Absolutwert des negativen Widerstands, der der Verstärkung der Halbleiterschicht 100 in einem Frequenzband von DC bis 10 GHz entspricht. Um eine relativ hohe Frequenz von 0,1 bis 10 GHz zu stabilisieren, wird für eine jeweilige aktive Antenne ein AC-Kurzschluss angeordnet, indem eine Widerstandsschicht 127 aus TiW und ein Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Kondensator 126 in Reihe geschaltet werden, wie in 5D gezeigt. In diesem Fall weist der MIM-Kondensator 126 in dem oben beschriebenen Frequenzbereich eine große Kapazität auf und weist in einem Beispiel eine Kapazität von etwa einigen pF auf. Der MIM-Kondensator 126 dieser Ausführungsform verwendet eine Struktur, bei der ein Teil der dielektrischen Schicht 106 zwischen einer Leiterschicht 113 und der Leiterschicht 109 als Erdung (GND) angeordnet ist.
In dieser Ausführungsform injiziert der Master-Oszillator 13 durch Fokussieren auf beispielsweise die aktive Antenne AA₁ das Master-Signal über die Steuerleitung IL in den Port 1, wie in 5A gezeigt. In dem in 5A gezeigten Beispiel ist eine Stichleitung 125 konfiguriert, sich vom Port 1 zur gegenüberliegenden Seite der Halbleiterschicht 100 zu erstrecken. Die Stichleitung 125 ist so eingestellt, dass sie eine Länge von 1/4 der Wellenlänge der Terahertzwelle aufweist, und ist über den MIM-Kondensator 126 geerdet. Das in den Port 1 injizierte Master-Signal wird über die Steuerleitung RL, die sich zur gegenüberliegenden Seite der Stichleitung 125 erstreckt, in den Halbleiter RTD 100 injiziert. Es sei angemerkt, dass die Länge der Steuerleitung RL so ausgelegt ist, dass ihre Länge 1/4 der Wellenlänge der Terahertzwelle beträgt, sodass sie der Resonator des Halbleiters RTD ist. Wie in 5C gezeigt, ist die Steuerleitung IL zwischen den dielektrischen Schichten 105 und 106 angeordnet, um das Master-Signal in eine jeweilige aktive Antenne zu injizieren. Ferner sind, wie in 5E gezeigt, auch die Stichleitung 125 und die Steuerleitung RL zwischen den dielektrischen Schichten 105 und 106 angeordnet, und die Stichleitung 125 und die Steuerleitung RL zweigen von der Steuerleitung IL ab. Es sei angemerkt, dass 5E die Steuerleitung IL, die Steuerleitung RL und die Stichleitung 125 aus Gründen der einfacheren Beschreibung getrennt zeigt, dass diese Komponenten jedoch eine Reihe von Leitern sind und, anders als in 5E dargestellt, nicht immer getrennt sind. Die Stichleitung 125 ist mit der Leiterschicht 113 verbunden und ist über den MIM-Kondensator 126 mit der Leiterschicht 109 als GND geerdet. Wie in 5B und 5E gezeigt, ist die Steuerleitung RL mit der Durchkontaktierung 103 verbunden und konfiguriert, das Master-Signal in die Halbleiterschicht 100 zu injizieren.
(Antennenanordnung)
Die in 5A gezeigte Antennenanordnung 11 weist eine Anordnung auf, in der die neun aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ in einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind und eine jeweilige dieser aktiven Antennen die Terahertzwelle der Frequenz f_THz einzeln oszilliert. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der aktiven Antennen nicht auf neun beschränkt ist. Beispielsweise können 16 aktive Antennen in einer 4 × 4-Matrix angeordnet sein oder 15 aktive Antennen können in einer 3 × 5-Matrix angeordnet sein. Zu diesem Zeitpunkt umfasst eine jeweilige aktive Antenne AA, wie oben beschrieben, einen Oszillator wie beispielsweise die Halbleiterschicht 100, die die RTD umfasst, und wenn die Oszillatoren einzeln arbeiten, können die mehreren aktiven Antennen jeweils elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Phasen ausgeben. In diesem Fall können die elektromagnetischen Wellen einander schwächen und es kann erwartet werden, dass die Kennlinien der Antennen nicht ausreichend erhalten werden. Im Gegensatz dazu können in dieser Ausführungsform durch Injizieren des Master-Signals die Phasen der Oszillatoren in den jeweiligen aktiven Antennen genau miteinander synchronisiert werden und es ist somit möglich, die Verstärkung der Antennenanordnung zu verbessern.
(Praktische Material- und Strukturabmessungen)
Ein praktisches Beispiel der Antennenanordnung 11 wird beschrieben. Die Antennenanordnung 11 ist eine Halbleitervorrichtung, die eine Oszillation mit einer einzelnen Mode (engl. single-mode oscillation) in einem Frequenzband von 0,45 bis 0,50 THz durchführen kann. Das Substrat 110 ist ein halbisolierendes InP-Substrat. Die Halbleiterschicht 100 ist aus einer Multiquantentopfstruktur durch auf dem Substrat 110 gitterangepasstes InGaAs/AIAs gebildet, und in dieser Ausführungsform wird eine RTD mit einer Doppelbarrierenstruktur verwendet. Dies wird auch als die Halbleiterheterostruktur der RTD bezeichnet. Als die Strom-Spannungs-Kennlinie der in dieser Ausführungsform verwendeten RTD beträgt der Messwert der Spitzenstromdichte 9 mA/µm², und der Messwert des negativen differentiellen Leitwerts pro Flächeneinheit beträgt 10 mS/µm². Die Halbleiterschicht 100 ist in einer Mesastruktur gebildet und ist aus der Halbleiterstruktur, die die RTD enthält, und einer ohmschen Elektrode zur elektrischen Verbindung mit der Halbleiterstruktur gebildet. Die Mesastruktur weist eine runde Form mit einem Durchmesser von 2 µm auf, und die Größe des negativen differentiellen Widerstands der RTD beträgt zu diesem Zeitpunkt etwa -30 Ω pro Diode. In diesem Fall wird geschätzt, dass der negative differentielle Leitwert der Halbleiterschicht 100, die die RTD enthält, etwa 30 mS beträgt und die Diodenkapazität etwa 10 fF beträgt.
Die aktive Antenne AA ist eine Patchantenne mit einer Struktur, bei der die dielektrischen Schichten 104 bis 106 zwischen der Leiterschicht 101 als Patchleiter und der Leiterschicht 109 als Erdleiter angeordnet sind. Diese Patchantenne ist eine quadratische Patchantenne, bei der eine Seite der Leiterschicht 101 150 µm lang ist und die Resonatorlänge (L) der Antenne 150 µm beträgt. In der Antenne ist die Halbleiterschicht 100 integriert, die die RTD enthält.
Die Leiterschicht 101 als Patchleiter wird durch eine Metallschicht (Ti/Au) gebildet, die hauptsächlich einen dünnen Au-Film mit einem niedrigen spezifischen Widerstand enthält. Die Leiterschicht 109 als Erdleiter wird durch eine Ti/Au-Schicht und eine Halbleiterschicht gebildet, die eine n + -InGaAs-Schicht enthält, und die Metallschicht und die Halbleiterschicht sind mit einem niederohmigen ohmschen Kontakt verbunden. Die dielektrische Schicht 104 besteht aus Benzocyclobuten (BCB der Dow Chemical Company). Die dielektrische Schicht 105 oder 106 wird durch SiO₂ mit einer Dicke von 1 µm gebildet.
Wie in 5B gezeigt, sind am Rand der Halbleiterschicht 100 die Leiterschicht 109, die Halbleiterschicht 100, die durch einen Cu enthaltenden Leiter gebildete Durchkontaktierung 103, und die Leiterschicht 101 in dieser Reihenfolge von der Seite des Substrats 110 aus gestapelt und elektrisch verbunden. Die RTD als Halbleiterschicht 100 ist an einer Position angeordnet, die vom Schwerpunkt der Leiterschicht 101 in der Resonanzrichtung (das heißt der A-A'-Richtung) um 40 % (60 µm) einer Seite der Leiterschicht 101 verschoben ist. Die Eingangsimpedanz beim Zuführen einer hohen Frequenz von der RTD zur Patchantenne wird basierend auf der Position der RTD in der Antenne bestimmt. Wie in 5C gezeigt, ist die Leiterschicht 101 über die durch Cu gebildete Durchkontaktierung 107 mit der Leitung 108 verbunden, die in derselben Schicht vorhanden ist wie die Vorspannungsleitungsschicht 102, die auf der dielektrischen Schicht 105 angeordnet ist. Die Leitungsschichten 102 und 108 werden durch eine auf der dielektrischen Schicht 105 gestapelte Metallschicht gebildet, die Ti/Au enthält. Die Leitung 108 ist über die Vorspannungsleitungsschicht 102 als in dem Chip gebildete gemeinsame Leitung mit der Vorspannungssteuereinheit 12 verbunden. Durch Einstellen einer Vorspannung in dem Bereich des negativen Widerstands der in der Halbleiterschicht 100 enthaltenen RTD ist die aktive Antenne AA so ausgelegt, dass sie bei der Frequenz f_THz = 0,5 THz eine Oszillation mit einer Leistung von 0,2 mW erhält.
Eine Durchkontaktierung wie die Durchkontaktierungen 103 und 107 weist eine säulenförmige Struktur mit einem Durchmesser von 10µm auf. Die Leitung 108 wird durch ein Muster gebildet, das durch eine Metallschicht gebildet wird, die Ti/Au enthält und eine Breite von 10 µm in der Resonanzrichtung (das heißt der A-A'-Richtung) sowie eine Länge von 75 µm aufweist. Die Durchkontaktierung 107 befindet sich in der Resonanzrichtung (das heißt der A-A'-Richtung) in der Mitte und ist am Ende der Leiterschicht 101 in der C-C'-Richtung mit der Leiterschicht 101 verbunden. Diese Verbindungsposition entspricht dem Knoten des elektrischen Felds der stehenden Terahertzwelle der Frequenz f_THz in der aktiven Antenne AA₁.
Die Antennenanordnung 11 ist eine Antennenanordnung, in der aktive Antennen in einer Matrix angeordnet sind. In dieser Ausführungsform wurde als ein Beispiel die Antennenanordnung beschrieben, in der die neun aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ in einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind. Die jeweilige aktive Antenne ist so ausgelegt, dass sie die Terahertzwelle der Frequenz f_THz einzeln oszilliert, und die aktiven Antennen sind sowohl in der A-A'-Richtung als auch in der C-C'-Richtung in einem Abstand (Intervall) von 340 µm angeordnet.
(Herstellungsverfahren)
Ein Herstellungsverfahren (Erzeugungsverfahren) der Antennenanordnung 11 wird als Nächstes beschrieben.

(1) Zunächst wird auf dem aus InP hergestellten Substrat 110 durch epitaktisches Wachstum eine auf InGaAs/AiAs basierende Halbleitervielschichtfilmstruktur gebildet, die die Halbleiterschicht 100 bildet, welche die RTD enthält. Diese wird durch Molekularstrahlepitaxie (MBE, Molecular Beam Epitaxy), metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) oder dergleichen gebildet.
(2) Die die Halbleiterschicht 100 bildende Ti/Au-Schicht der ohmschen Elektrode wird durch Sputtern abgeschieden.
(3) Die Halbleiterschicht 100 wird in einer Mesastruktur mit einer runden Form mit einem Durchmesser von 2 µm gebildet. Um die Mesaform zu bilden, werden Photolithographie und Trockenätzen verwendet.
(4) Nach Bilden der Leiterschicht 109 auf dem Substrat 110 wird durch ein Lift-Off-Verfahren Siliziumoxid auf der geätzten Oberfläche abgeschieden, um die dielektrische Schicht 106 zu erhalten. Als ein Leiter, der die Leitungsschicht 125 auf der dielektrischen Schicht 106 bildet, wird eine Ti/Au-Schicht gebildet. Ferner wird die Steuerleitung IL auf der dielektrischen Schicht 106 gebildet. Es sei angemerkt, dass die Steuerleitung IL zum Beispiel in der Form einer Schlitzleitung implementiert werden kann, dass aber auch eine Leitung einer anderen Form verwendet werden kann.
(5) Siliziumoxid wird abgeschieden, um die dielektrische Schicht 105 zu erhalten. Als ein Leiter, der die Leitungsschichten 102 und 108 auf der dielektrischen Schicht 105 bildet, wird eine Ti/Au-Schicht gebildet.
(6) BCB wird eingebettet und unter Verwendung von Rotationsbeschichtung und Trockenätzen planarisiert, um die dielektrische Schicht 104 zu erhalten.
(7) BCB und Siliziumoxid der Abschnitte, die die Durchkontaktierungen 103 und 107 bilden, werden durch Photolithographie und Trockenätzen entfernt, um Durchkontaktierungslöcher (Kontaktlöcher) zu bilden.
(8) Die Durchkontaktierungen 103 und 107 werden in den Durchkontaktierungslöchern durch Cu enthaltende Leiter gebildet. Um die Durchkontaktierungen 103 und 107 zu bilden, wird Cu in die Durchkontaktierungslöcher eingebettet und unter Verwendung von Sputtern, Galvanisieren und chemisch-mechanischem Polieren planarisiert.
(9) Eine Ti/Au-Schicht der Elektrode wird durch Sputtern abgeschieden, um die Leiterschicht 101 einer jeweiligen Antenne zu erhalten. Die Leiterschicht 101 wird durch Photolithographie und Trockenätzen strukturiert.
(10) Siliziumnitrid wird abgeschieden, um eine dielektrische Schicht 112 zu erhalten.
(11) Schließlich werden die Widerstandsschicht 127 und der MIM-Kondensator 126 gebildet und durch Drahtbonden oder dergleichen mit der Leitungsschicht 102 und der Vorspannungssteuereinheit 12 verbunden, wodurch die Antennenanordnung 11 vervollständigt wird.

Es sei angemerkt, dass die Vorspannungssteuereinheit 12 der Antennenvorrichtung 10 Spannung zuführt. Wenn eine Vorspannung angelegt wird, um einen Vorspannungsstrom im Bereich negativen differentiellen Widerstands zuzuführen, arbeitet die Antennenvorrichtung 10 normalerweise als ein Oszillator.
[Zweite Ausführungsform]
In dieser Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Master-Oszillator 13 ein Master-Signal in eine Antennenvorrichtung 20 injiziert, die aktive Antennen durch Kopplungsleitungen koppelt, um ein Phänomen gegenseitiger Injektionskopplung zu erzeugen. Die 3A bis 3C zeigen die Anordnung der Antennenvorrichtung 20. 3A ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Systemkonfiguration der Antennenvorrichtung 20, und die 3B und 3C sind schematische Draufsichten der Antennenvorrichtung 20 von oben betrachtet.
Wie in 3A gezeigt weist die Antennenvorrichtung 20 gemäß dieser Ausführungsform eine Anordnung auf, die durch Hinzufügen von Kopplungsleitungen CL₁ bis CL_n-1 zwischen den aktiven Antennen zu der Antennenvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform erhalten wird. Die Kopplungsleitung CL ist eine Übertragungsleitung zum Durchführen gegenseitigen Injection Lockings bei einer Frequenz f_osc, und die aktiven Antennen sind durch die Kopplungsleitung CL elektrisch verbunden. Beispielsweise sind in einem in den 3B und 3C gezeigten Beispiel, in dem die aktiven Antennen in einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind, die benachbarten aktiven Antennen in der Anordnung durch eine Kopplungsleitung gekoppelt. In einem Beispiel sind zum Herstellen einer Synchronisation zwischen den aktiven Antennen AA₁ und AA₄ in der horizontalen Richtung zwei Kopplungsleitungen CL₁₄₁ und CL₁₄₂ zwischen den aktiven Antennen verbunden. Es sei angemerkt, dass dasselbe für die übrigen aktiven Antennen gilt. Die Kopplungsleitung ist zum Beispiel als eine Mikrostreifenleitung implementiert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Kopplungsleitung kann auch durch eine Schlitzleitung implementiert sein. Durch Verbinden der aktiven Antennen durch die Kopplungsleitung ist es möglich, die Genauigkeit einer Frequenz und einer Phase zu verbessern.
4B ist ein Schaltbild zur Erläuterung des zwischen den aktiven Antennen AA₁ und AA₄ verbundenen Master-Oszillators 13, der ein Master-Signal injiziert. Wie in 4B gezeigt, sind die benachbarten aktiven Antennen AA₁ und AA₄ über eine Kopplungsleitung CL₁₄ an den Ports 1 und 4 elektrisch verbunden. Diese koppelt die aktiven Antennen AA₁ und AA₄ in einem Terahertzband, wodurch es möglich wird, die Frequenz und Phase zu steuern. Es sei angemerkt, dass die aktive Antenne AA₁ und eine aktive Antenne AA₂ sowie die aktive Antenne AA₄ und eine aktive Antenne AA₅ jeweils über andere Kopplungsleitungen gegenseitig gekoppelt sind.
Die Kopplungsleitung CL₁₄ enthält zwei in Reihe geschaltete Leitungen CL_14a und CL_14b, die jeweils über Kondensatoren C₁₄ bzw. C₄₁ mit den aktiven Antennen AA₁ bzw. AA₄ verbunden sind. Die Kondensatoren C₁₄ und C₄₁ fungieren als Hochpassfilter und sind so eingestellt, dass sie Kondensatoren sind, die konfiguriert sind, in Bezug auf eine elektromagnetische Welle im Terahertzband kurzgeschlossen zu sein und in Bezug auf eine elektromagnetische Welle in einem Niederfrequenzband offen zu sein. Dasselbe gilt für die Verbindung zwischen der Kopplungsleitung und den aktiven Antennen AA₂ und AA₅. Ports 14 und 25 sind Ports, an denen das Master-Signal von dem Master-Oszillator 13 in die Kopplungsleitung CL₁₄ und eine Kopplungsleitung CL₂₅ injiziert wird, und sind in dieser Ausführungsform zwischen den Kopplungsleitungen CL_14a und CL_14b bzw. zwischen den Kopplungsleitungen CL_25a und CL_25b angeordnet. Durch Einstellen einer Differenz der elektrischen Länge zwischen Steuerleitungen IL₁₄ und IL₂₅ auf ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Master-Signals können die Phasen der Master-Signale in Halbleitern RTD der aktiven Antennen AA angeglichen werden. Wenn in einem Beispiel die Positionen der Ports 14 und 25 in der Mitte der Kopplungsleitung CL₁₄ eingestellt sind, wie in 3B gezeigt, werden die in die jeweiligen Halbleiter RTD injizierten Master-Signale miteinander synchronisiert. Wie in 3C gezeigt, kann eine Anordnung verwendet werden, bei der das Master-Signal in die Position des Knotens des elektrischen Felds der Terahertzwelle der Kopplungsleitung CL₁₄ injiziert wird. In dieser Anordnung ist es möglich, die Phasen der in die jeweiligen Halbleiter RTD injizierten Master-Signale zu unterscheiden, wodurch die Antennenvorrichtung 20 als eine Richtantenne fungiert.
(Implementierungsbeispiel)
Im Folgenden werden die Struktur und Anordnung der oben beschriebenen Antennenvorrichtung 20 unter Bezugnahme auf die 6A bis 6D beschrieben. 6A ist eine schematische Draufsicht einer Antennenanordnung 21, in der die neun aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ in einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind. 6B bis 6D sind Querschnittansichten der Antennenanordnung 21 entlang der Linien A-A', B-B', C-C' bzw. D-D' in 6A. Es sei angemerkt, dass eine detaillierte Beschreibung der gleichen Komponenten wie jener der Antennenvorrichtung 10 der ersten Ausführungsform nachstehend weggelassen wird.
In der in 6A gezeigten Anordnung sind die benachbarten Antennen durch die Kopplungsleitung CL gegenseitig gekoppelt und durch ein Phänomen gegenseitiger Injektionskopplung bei einer Oszillationsfrequenz f_THz einer Terahertzwelle miteinander synchronisiert. Das Phänomen gegenseitiger Injektionskopplung ist ein Phänomen, bei dem mehrere Selbstoszillatoren durch Interaktion angezogen werden, sodass sie synchron zueinander schwingen. Beispielsweise sind die aktiven Antennen AA₁ und AA₄ durch die Kopplungsleitung CL₁₄ gegenseitig gekoppelt und über eine Leiterschicht 109 gegenseitig gekoppelt, wie in 6B gezeigt. Es sei angemerkt, dass eine Leiterschicht 111 beispielsweise aus Ti/Au hergestellt ist. Dasselbe gilt für andere benachbarte aktive Antennen. Es sei angemerkt, dass „gegenseitig gekoppelt“ eine derartige Beziehung angibt, dass, wenn ein durch eine gegebene aktive Antenne induzierter Strom auf eine andere benachbarte aktive Antenne wirkt, die Übertragungs-/Empfangskennlinie der jeweils anderen geändert wird. Wenn die gegenseitig gekoppelten aktiven Antennen in derselben Phase oder in entgegengesetzten Phasen miteinander synchronisiert sind, bewirkt das Phänomen gegenseitiger Injektionskopplung, dass elektromagnetische Wellen einander zwischen den aktiven Antennen verstärken oder schwächen. Damit kann die Steigerung oder Verringerung der Antennenverstärkung eingestellt werden. Es sei angemerkt, dass in dieser Ausführungsform die Kopplungsleitung, die die aktiven Antennen koppelt, als die Kopplungsleitung CL beschrieben wird, um sie allgemein darzustellen. Eine Kopplungsleitung, die die Kopplungsleitung CL bildet und die Antennen koppelt, wird entsprechend der jeweiligen aktiven Antenne unter Verwendung einer Zahl und eines alphabetischen Zeichens beschrieben. Beispielsweise wird die Kopplungsleitung, die die aktiven Antennen AA₁ und AA₄ koppelt, als die Kopplungsleitung CL₁₄ beschrieben.
Die Oszillationsbedingung der Antennenanordnung 11 wird bestimmt durch die Bedingung gegenseitiger Injektionskopplung in einer Anordnung, in der zwei oder mehr einzelne RTD-Oszillatoren gekoppelt sind, was in J. Appl. Phys., Band 103, 124514 (2008) beschrieben ist. Insbesondere wird die Oszillationsbedingung der Antennenanordnung betrachtet, in der die aktiven Antennen AA₁ und AA₂ durch die Kopplungsleitung CL₁₂ gekoppelt sind. Zu diesem Zeitpunkt treten zwei Oszillationsmoden gegenseitiger Injektionskopplung positiver Phase und gegenseitiger Injektionskopplung negativer Phase auf. Die Oszillationsbedingung der Oszillationsmode (gerade Mode) gegenseitiger Injektionskopplung positiver Phase wird durch Ausdruck (4) und Gleichung (5) dargestellt, und die Oszillationsbedingung der Oszillationsmode (ungerade Mode) gegenseitiger Injektionskopplung negativer Phase wird durch Ausdruck (6) und Gleichung (7) dargestellt.

positive Phase (gerade Mode): Frequenz f = feven $Yeven = Y 11 + Y 12 + YRTD$
$Re (Yeven) \leq 0$
$Im (Yeven) = 0$
negative Phase (ungerade Mode): Frequenz f = fodd $Yodd = Y 11 + Y 12 - YRTD$
$Re (Yodd) \leq 0$
$Im (Yodd) = 0$
wobei Y12 die gegenseitige Admittanz zwischen den aktiven Antennen AA₁ und AA₂ darstellt. Y12 ist proportional zu einer Kopplungskonstante, die die Stärke der Kopplung zwischen den Antennen darstellt, und idealerweise ist der Realteil von -Y12 groß und der Imaginärteil ist null. In der Antennenanordnung 11 dieser Ausführungsform sind die aktiven Antennen unter der Bedingung gegenseitiger Injektionskopplung positiver Phase gekoppelt, und eine Oszillationsfrequenz f_THz ≈ feven wird erhalten. Bezugnehmend auf die übrigen Antennen sind die Antennen in ähnlicher Weise durch die Kopplungsleitung CL gekoppelt, um die oben beschriebene Bedingung gegenseitiger Injektionskopplung positiver Phase zu erfüllen.

Die Kopplungsleitung CL ist eine Mikrostreifenleitung, die durch Anordnen der dielektrischen Schichten 104 bis 106 zwischen der Leiterschicht 111 und der Leiterschicht 109 oder einer Leitungsschicht 102 erhalten wird. Wie beispielsweise in 5B gezeigt, weist eine Kopplungsleitung CL₄₅ eine Struktur auf, bei der die dielektrischen Schichten 104 bis 106 zwischen der Leiterschicht 111 (CL₄₅) und der Leiterschicht 109 oder der Leitungsschicht 102 angeordnet sind. In ähnlicher Weise weist eine Kopplungsleitung CL₅₅ eine Struktur auf, bei der die dielektrischen Schichten 104 bis 106 zwischen der Leiterschicht 111 (CL₅₆) und der Leiterschicht 109 oder der Leitungsschicht 102 angeordnet sind.
Die Antennenanordnung 11 ist eine Antennenanordnung mit einer Anordnung, bei der die Antennen durch AC-Kopplung (kapazitive Kopplung) gekoppelt sind. In einer planaren Ansicht überlappt beispielsweise die Leiterschicht 111 als die obere Leiterschicht der Kopplungsleitung CL₄₅ eine Leiterschicht 101 als den Patchleiter einer jeweiligen der aktiven Antennen AA₄ und AA₅, indem eine dielektrischen Schicht 112 dazwischen angeordnet ist, und ist mit der Leiterschicht 101 durch kapazitive Kopplung verbunden. Genauer gesagt überlappt in einer planaren Ansicht die Leiterschicht 111 der Kopplungsleitung CL₄₅ die Leiterschicht 101 nur um 5 µm, indem die dielektrische Schicht 1 12 nahe dem Strahlungsende einer jeweiligen der aktiven Antennen AA₄ und AA₅ dazwischen angeordnet ist, wodurch eine jeweilige der Kondensatorstrukturen C₁ und C₂ gebildet wird. Die Kondensatorstrukturen C₁ und C₂ entsprechen den Kondensatoren C₁₄ und C₄₁ in dem in 4B gezeigten Schaltbild. Die Kondensatoren C₁ und C₂ dieser Anordnung fungieren als Hochpassfilter und tragen zur Unterdrückung einer multimodalen Oszillation bei, indem sie in Bezug auf ein Terahertzband kurzgeschlossen sind und in Bezug auf ein Niederfrequenzband offen sind. Diese Anordnung ist jedoch keine wesentliche Anforderung und es kann auch eine Anordnung einer DC-Kopplung verwendet werden, sodass die Leiterschicht 111 der Kopplungsleitung CL₄₅ und die Leiterschichten 101 der aktiven Antennen AA₄ und AA₅ direkt gekoppelt (direkt verbunden) sind. Da die durch DC-Kopplung synchronisierte Antennenanordnung die benachbarten Antennen durch starke Kopplung synchronisieren kann, führt die Antennenanordnung leicht einen Vorgang einer Pull-in-Synchronisation durch und ist gegenüber Variationen der Frequenz und Phase der Antenne stabil. Es sei angemerkt, dass die Kopplung beispielhaft zwischen den aktiven Antennen AA₄ und AA₅ beschrieben wurde, aber dasselbe auch für Kopplungen zwischen den übrigen der aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ gilt.
In der Antennenanordnung 21 sind die Leiterschicht 101 der aktiven Antenne AA, die Leiterschicht 111 der Kopplungsleitung CL und die Vorspannungsleitungsschicht 102 in verschiedenen Schichten angeordnet. Wie oben beschrieben, sind die Leiterschicht 101 der aktiven Antenne AA und die Leiterschicht 111 der Kopplungsleitung CL, die eine hohe Frequenz (f_THz) senden, und die Vorspannungsleitungsschicht, die eine niedrige Frequenz (DC bis einige zehn GHz) sendet, in verschiedenen Schichten angeordnet. Dadurch kann die Breite, die Länge und das Layout, wie etwa das Routing, der Übertragungsleitung in der jeweiligen Schicht frei eingestellt werden. Wie in 5A gezeigt, überschneiden sich die Kopplungsleitung CL und die Vorspannungsleitungsschicht 102, wenn sie von oben betrachtet werden (in einer planaren Ansicht), wodurch eine Layouteinsparungsanordnung erhalten wird. Dies kann die Anzahl der anzuordnenden Antennen erhöhen, selbst in einer Antennenanordnung, in der Antennen in einer m × n-Matrix (m ≥ 2, n ≥ 2) angeordnet sind. Ferner können eine Impedanzsteuerung der Kopplungsleitung CL und eine Vorspannungssteuerung der Halbleiterschicht 100 einzeln ausgeführt werden.
Es sei angemerkt, dass, da im Terahertzband der Widerstand durch den Skin-Effekt zunimmt, ein mit der Hochfrequenzübertragung zwischen Antennen einhergehender Leitungsverlust nicht vernachlässigbar ist. Einhergehend mit einer Erhöhung der Stromdichte zwischen Leiterschichten nimmt ein Leitungsverlust (dB/mm) pro Längeneinheit zu. Im Fall einer Mikrostreifenleitung ist ein Leitungsverlust (dB/mm) pro Längeneinheit umgekehrt proportional zum Quadrat einer dielektrischen Dicke. Um die Strahlungseffizienz der Antennenanordnung zu erhöhen, ist es daher möglich, einen Leitungsverlust durch Erhöhen der Dicke des die Kopplungsleitung CL bildenden Dielektrikums zusätzlich zur Antenne zu reduzieren. Im Gegensatz dazu weist die Antennenanordnung 21 dieser Ausführungsform eine Anordnung auf, in der die Vorspannungsleitungsschicht 102 in der dielektrischen Schicht 105 angeordnet ist und die Leiterschicht 101 der Antenne und die Leiterschicht 111 der Kopplungsleitung CL, die eine hohe Frequenz der Frequenz f_THz senden, in der oberen Schicht der dielektrischen Schicht 104 angeordnet sind. Diese Anordnung kann eine Verringerung der Strahlungseffizienz der Antennenanordnung zusammen mit einem Leitungsverlust im Terahertzband unterdrücken. Vom Gesichtspunkt eines Leitungsverlusts beträgt die Dicke des die Kopplungsleitung CL bildenden Dielektrikums vorzugsweise 1 µm oder mehr. In einem Beispiel wird die dielektrische Dicke auf 2 µm oder mehr eingestellt und somit ein Verlust durch einen Leitungsverlust im Terahertzband auf etwa 20 % herabgesenkt. Ebenso kann vom Gesichtspunkt eines Leitungsverlusts ein breites Intervall in der Dickenrichtung zwischen der die Kopplungsleitung CL bildenden Leiterschicht 111 und der Leitungsschicht 102 und der Leiterschicht 109 sichergestellt werden. Die Vorspannungsleitungsschicht 102 kann veranlasst werden, bis zu einem Gigahertzband oder etwa in diesem Bereich als eine niederohmige Leitung zu fungieren, indem die dielektrische Dicke auf 2 µm oder weniger oder, in einem Beispiel, auf 1 µm oder weniger eingestellt wird. Selbst wenn die dielektrische Dicke auf 2 µm oder mehr eingestellt wird, ist es möglich, eine niederfrequente Oszillation zu unterdrücken, indem wie in dieser Ausführungsform eine durch eine Widerstandsschicht 127 und einen MIM-Kondensator 126 gebildete Nebenschlusskomponente mit der Vorspannungsleitungsschicht 102 verbunden wird, um als eine niederohmige Leitung zu fungieren.
Es sei angemerkt, dass die Länge der Leiterschicht 111 (Kopplungsleitung CL) so ausgelegt ist, dass sie eine Phasenanpassungsbedingung in einer oder beiden der horizontalen Richtung (Magnetfeldrichtung/H-Richtung) und der vertikalen Richtung (Richtung des elektrischen Felds/E-Richtung) erfüllt, wenn die benachbarten Antennen durch die Kopplungsleitung verbunden sind. Die Kopplungsleitung CL kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass sie eine solche Länge aufweist, dass die elektrische Länge zwischen den RTDs der benachbarten Antennen gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 2 π ist. Das heißt, die Länge der Kopplungsleitung CL ist so eingestellt, dass die Länge eines Pfads über die Kopplungsleitung CL, wenn die RTDs durch die Kopplungsleitung CL verbunden sind, gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge einer ausgebreiteten elektromagnetischen Welle ist. Zum Beispiel kann in 6A die Kopplungsleitung CL₁₄, die sich in der horizontalen Richtung erstreckt, so ausgelegt sein, dass sie eine solche Länge aufweist, dass die elektrische Länge zwischen den Halbleiterschichten 100 der aktiven Antennen AA₁ und AA₄ gleich 4 π ist. Ferner kann die Kopplungsleitung CL₁₂, die sich in der vertikalen Richtung erstreckt, so ausgelegt sein, dass sie eine solche Länge aufweist, dass die elektrische Länge zwischen den Halbleiterschichten 100 der aktiven Antennen AA₁ und AA₂ gleich 2 π ist. Es sei angemerkt, dass die elektrische Länge eine Leitungslänge unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der sich in der Kopplungsleitung CL ausbreitenden elektromagnetischen Welle der hohen Frequenz angibt. Die elektrische Länge von 2 π entspricht der Länge einer Wellenlänge der sich in der Kopplungsleitung CL ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Bei einer solchen Auslegung sind die Halbleiterschichten 100 der aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ in der positiven Phase gegenseitig injektionsgekoppelt. Es sei angemerkt, dass der Fehlerbereich der elektrischen Länge, in der gegenseitige Injektionskopplung auftritt, ± 1/4 π beträgt.
Es sei angemerkt, dass die Leiterschicht 111 wie beispielsweise oben in (10) beschrieben durch Abscheiden von Siliziumnitrid zum Erhalten der dielektrische Schicht 112 und dann Abscheiden einer Ti/Au-Schicht der Elektrode durch Sputtern zum Erhalten der Leiterschicht 111 gebildet wird. Danach wird die Leiterschicht 111 durch Photolithographie und Trockenätzen strukturiert. abgeglichen
Die aktiven Antennen AA₁ bis AA₉, die die Antennenanordnung 11 bilden, werden durch die zwischen den Antennen angeordnete gemeinsame Vorspannungsleitungsschicht 102 mit Spannung versorgt. Durch die gemeinsame Nutzung der Vorspannungsleitungsschicht 102 als die Leitung in dem Chip durch die Antennen ist ein Ansteuern im gleichen Kanal möglich, und das Ansteuerungsverfahren kann vereinfacht werden. Da in dieser Anordnung die Anzahl der Leitungen verringert wird und eine Leitung verdickt werden kann, ist es möglich, eine mit einer Erhöhung der Anzahl der Anordnungen eingehende Erhöhung des Leitungswiderstands sowie eine damit einhergehende Abweichung des Betriebspunkts zwischen den Antennen zu unterdrücken. Dies kann durch die Erhöhung der Anzahl der Anordnungen verursachte Abweichungen der Frequenz und Phase zwischen den Antennen unterdrücken, wodurch der Synchronisationseffekt durch die Anordnung leichter erhalten wird. Die gemeinsame Vorspannungsleitungsschicht 102 ist keine wesentliche Komponente. Beispielsweise können durch Stapeln oder Miniaturisieren einer Vielschichtleitung mehrere Vorspannungsleitungsschichten 102 für die jeweiligen Antennen vorbereitet werden, um einzeln Spannung zuzuführen. Da in diesem Fall die Isolierung über die Vorspannungsleitungsschicht 102 zwischen den Antennen verbessert wird, kann das Risiko einer niederfrequenten parasitären Oszillation reduziert werden. Ferner kann die Signalmodulationssteuerung für eine jeweilige Antenne durch individuelle Steuerung eines Vorspannungssignals durchgeführt werden. Die Vorspannungsleitungsschicht 102 kann so konfiguriert sein, dass sie im Vergleich zum negativen Widerstand der Halbleiterschicht 100 in einem niedrigen Frequenzband, das niedriger ist als die Oszillationsfrequenz f_THz, eine niedrige Impedanz aufweist. Eine Impedanz mit einem Wert, der gleich groß wie oder geringfügig kleiner ist als der Absolutwert des kombinierten negativen differentiellen Widerstands aller in der Antennenanordnung 11 parallel geschalteter Halbleiterschichten 100 ist vorzuziehen. Dies kann eine niederfrequente parasitäre Oszillation unterdrücken.
Eine Steuerleitung IL ist mit der Kopplungsleitung CL verbunden. Beispielsweise ist, wie in 6A gezeigt, der mit der Steuerleitung IL gekoppelte Port₁₄ in der Mitte der Kopplungsleitung CL₁₄ zwischen den aktiven Antennen AA₁ und AA₄ vorgesehen. Wie in 6C gezeigt ist die Steuerleitung IL beispielsweise zwischen den dielektrischen Schichten 112 und 104 gebildet und kann so konfiguriert sein, dass sie kapazitiv mit der Leiterschicht 111 der Kopplungsleitung CL gekoppelt ist. Es sei angemerkt, dass dies lediglich ein Beispiel ist und dass die Kopplungsleitung CL und die Steuerleitung IL auch direkt gekoppelt sein können. Das von dem Master-Oszillator 13 ausgegebene Master-Signal verläuft beispielsweise durch die Steuerleitung IL und wird am Port₁₄ in die Kopplungsleitung CL₁₄ injiziert, und die aktiven Antennen AA₁ und AA₄ können basierend auf dem Master-Signal Synchronisation präzise herstellen. Es sei angemerkt, dass die aktiven Antennen AA₁ und AA₄ beschrieben wurden, aber die übrigen aktiven Antennen führen den gleichen Vorgang mit der gleichen Anordnung durch.
[Dritte Ausführungsform]
Im Folgenden wird eine weitere Form einer Antennenvorrichtung unter Bezugnahme auf die 7A bis 7D beschrieben. 7A ist eine schematische Draufsicht einer Antennenanordnung 31 gemäß dieser Ausführungsform. 7B bis 7D sind Querschnittansichten der Antennenanordnung 31 entlang der Linien A-A', B-B' bzw. C-C' in 7A.
In dieser Ausführungsform, wie in 7B bis 7D gezeigt, sind ein erstes Substrat 151, auf dem eine Antennenanordnung zum Senden bzw. Empfangen einer Terahertzwelle und eine aus einem Verbindungshalbleiter gebildete Halbleiterschicht 100 integriert sind, und ein zweites Substrat 152, das eine integrierte Schaltung zur Antennenanordnungssteuerung enthält, an einer Bondfläche B.S. (bonding surface) gebondet. Diese Anordnung wird durch Stapeln, durch eine Halbleiterstapeltechnik, eines Antennensubstrats aus einem Verbindungshalbleiter mit einer Antennenanordnung und eines Substrats mit einer Si-integrierten Schaltung implementiert. In der Antennenanordnung 31 sind Leitungen von dem zweiten Substrat 152 jeweils elektrisch mit den aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ verbunden. Die aktive Antenne AA umfasst eine Leiterschicht 101 der Antenne, zwei Halbleiterschichten 100a und 100b, eine Leiterschicht 109 (Reflektor) und dielektrische Schichten 104 und 105. Ferner umfasst die aktive Antenne AA Durchkontaktierungen 103a und 103b, die die Leiterschicht 101 und die Halbleiterschichten 100 verbinden. In einem Beispiel werden RTDs als Halbleiterschichten 100a und 100b verwendet. Die beiden RTDs sind an einander zugewandten Positionen angeordnet, wobei sich die Mitte des Knotens eines elektrischen Resonanzfelds in der aktiven Antenne AA befindet. In dieser Anordnung oszillieren die beiden RTDs in einem Gegentaktmodus, in dem gegenseitige Injektionskopplung in einem Zustand (in entgegengesetzten Phasen) auftritt, in dem die Phasen entgegengesetzt sind. Wie oben beschrieben, ist es in der Anordnung, in der die RTDs vertikal und horizontal symmetrisch in der Antenne angeordnet sind, leicht, den Effekt der Verbesserung der Richtwirkung und der Frontstärke zusammen mit einer Erhöhung der Anzahl der Anordnungen zu erhalten.
Wie in 7B gezeigt, sind in der Halbleiterschicht 100 eine untere Elektrodenschicht 164, eine Halbleiterstruktur 162 und eine obere Elektrodenschicht 163 in dieser Reihenfolge von der Seite der Leiterschicht 109 aus gestapelt und elektrisch verbunden. Die Halbleiterstruktur 162 ist eine Halbleiterstruktur mit Nichtlinearität und einer Verstärkung einer elektromagnetischen Welle in Bezug auf eine Terahertzwelle, und eine RTD wird in dieser Ausführungsform verwendet. Die obere Elektrodenschicht 163 und die untere Elektrodenschicht 164 weisen eine Struktur auf, die als eine Elektrodenschicht zum Verbinden von Kontaktelektroden (ohmschen und Schottky-Elektroden) über und unter der Halbleiterstruktur 162 sowie oberen und unteren Leitungsschichten dient, um eine Potentialdifferenz oder einen Strom an die Halbleiterstruktur 162 anzulegen. Die obere Elektrodenschicht 163 und die untere Elektrodenschicht 164 können aus einem Metallmaterial (Ti/Pd/Au/Cr/Pt/AuGe/Ni/TiW/Mo/ErAs oder dergleichen), das als eine ohmsche Elektrode oder Schottky-Elektrode bekannt ist, oder einem mit Verunreinigungen dotierten Halbleiter hergestellt sein. Wenn die obere Elektrodenschicht 163 mit der Durchkontaktierung 103 verbunden ist und die untere Elektrodenschicht 164 mit der Leiterschicht 109 verbunden ist, wird eine Potentialdifferenz oder ein Strom an die Halbleiterstruktur 162 angelegt. Daher kann gesagt werden, dass die obere Elektrodenschicht 163 und die Durchkontaktierung 103 sowie die untere Elektrodenschicht 164 und die Leiterschicht 109 jeweils mit zwei Anschlussleitungen verbunden sind.
Um ein Vorspannungssteuersignal an die Halbleiterschicht 100 anzulegen, wird eine gemeinsame Vorspannungsleitungsschicht 102 für alle aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ bereitgestellt. Wie in 7D gezeigt, ist die Leitungsschicht 102 an der Position des Knotens eines elektrischen Resonanzfelds einer Frequenz f_THz durch Durchkontaktierungen 107a und 107b, die für die jeweiligen Antennen angeordnet sind, mit den aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ verbunden. Die Leitungsschicht 102 ist mit einem MIM-Kondensator 126 und einer Widerstandsschicht 127, die für eine jeweilige Antenne angeordnet sind, verbunden, und schließt eine von der Frequenz f_THz verschiedene hohe Frequenz kurz, wodurch eine Impedanz reduziert wird. Diese Komponenten unterdrücken eine multimodale Oszillation in der Anordnungsantenne. Wie in 7D gezeigt, ist die Vorspannungsleitungsschicht 102, die mit der Halbleiterschicht 100 des ersten Substrats 151 verbunden ist, elektrisch mit einer Vorspannungssteuerleitungsschicht 143 verbunden, die in einem Bereich einer integrierten Schaltung 154 des zweiten Substrats 152 bereitgestellt ist. Die Vorspannungsleitungsschicht 102 des ersten Substrats 151 ist elektrisch mit einer Durchkontaktierung 117, einer Leitungsschicht 135b, einer Durchkontaktierung 137b und einer Elektrodenschicht 138b, in dieser Reihenfolge, verbunden, um die Bondfläche B.S. zu erreichen. Es sei angemerkt, dass die Durchkontaktierung 117 so gebildet ist, dass sie sich durch die dielektrische Schicht 105 erstreckt, und mit der Leitungsschicht 135b verbunden ist, die in einer Öffnung 136b der Leiterschicht 109 als Reflektor bereitgestellt ist. Dann ist die Leitungsschicht 135b durch die in einer Isolierschicht 131 bereitgestellte Durchkontaktierung 137b mit der in einer Isolierschicht 148 bereitgestellten Bondelektrodenschicht 138b verbunden. In ähnlicher Weise ist in dem zweiten Substrat 152 die Vorspannungssteuerungsleitungsschicht 143 mit einer Durchkontaktierung 141b und einer Bondelektrodenschicht 139b, in dieser Reihenfolge, verbunden, um die Bondfläche B.S. zu erreichen. Wenn das erste Substrat 151 und das zweite Substrat 152 aneinander gebondet werden und die Elektrodenschichten 138b und 139b miteinander verbunden werden, werden die Vorspannungsleitungsschicht 102 der Antennenanordnung und die Leitungsschicht 143 in dem Bereich der integrierten Schaltung 154 leitend gemacht. Dies stellt einen Zustand her, in dem das Vorspannungssteuersignal an alle Antennen angelegt werden kann. Das Vorspannungssignal kann der Vorspannungssteuerungsleitungsschicht 143 über einen zusätzlich auf dem zweiten Substrat 152 bereitgestellten Anwendungsanschluss extern zugeführt werden.
Die aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ weisen jeweils eine Durchkontaktierung 130 zum Koppeln eines Injektionskopplungssignals vom Master-Oszillator 13 auf. Die Durchkontaktierung 130 ist über einen Kondensator C kapazitiv mit der Leiterschicht 101 der aktiven Antenne gekoppelt und der Master-Oszillator 13 und die aktive Antenne AA sind so verbunden, dass sie in Bezug auf ein Terahertzband kurzgeschlossen sind und in Bezug auf ein HF-Band offen sind. Ferner ist die Durchkontaktierung 130 an der Position des Knotens des elektrischen Resonanzfelds der Frequenz f_THz in einer jeweiligen der aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ verbunden. Somit weist die Durchkontaktierung 130 eine hohe Impedanz in Bezug auf die Frequenz f_THz und eine niedrige Impedanz in Bezug auf eine subharmonische Frequenz in der Antenne auf, wodurch die Terahertzstrahlungseffizienz und die Injektionseffizienz eines Master-Signals erhöht werden können.
Die aktive Antenne AA ist über die Durchkontaktierung 130 zur Master-Oszillation elektrisch mit dem Gate eines Transistors TRa (MOSFET) des Master-Oszillators 13 verbunden, der in dem Bereich der integrierten Schaltung 154 des zweiten Substrats 152 bereitgestellt ist. Die in den dielektrischen Schichten 104 und 105 des ersten Substrats 151 ausgebildete Durchkontaktierung 130 zur Master-Synchronisation ist elektrisch mit einer Leitungsschicht 135a, einer Durchkontaktierung 137a und einer Elektrodenschicht 138a, in dieser Reihenfolge, verbunden, um die Bondfläche B.S. zu erreichen. Es sei angemerkt, dass die Leitungsschicht 135a in einer Öffnung 136a der Leiterschicht 109 als Reflektor bereitgestellt ist und die Durchkontaktierung 137a in der Isolierschicht 131 bereitgestellt ist. In ähnlicher Weise ist der Transistor TRa, der in dem Bereich der integrierten Schaltung 154 des zweiten Substrats 152 ausgebildet ist, mit einer in dem Bereich der integrierten Schaltung 154 ausgebildeten Durchkontaktierung 141a und einer Bondelektrodenschicht 139a, in dieser Reihenfolge, verbunden, um die Bondfläche B.S. zu erreichen. Das erste Substrat 151 und das zweite Substrat 152 sind an der Bondfläche B.S. gebondet, wodurch die Elektrodenschicht 138a des ersten Substrats 151 und die Elektrodenschicht 139a des zweiten Substrats 152 an der Bondfläche B.S. elektrisch verbunden sind. Somit wird eine jeweilige der aktiven Antennen AA₁ bis AA₉ und der Transistor TRa zum individuellen Steuern einer jeweiligen aktiven Antenne leitend gemacht, und ein Steuersignal kann individuell an eine jeweilige aktive Antenne angelegt werden. Wie oben beschrieben, bildet eine jeweilige aktive Antenne durch die obere Elektrodenschicht 163 und die Durchkontaktierung 103 sowie die untere Elektrodenschicht 164 und die Leiterschicht 109 eine Vorspannungsstruktur, die eine Potentialdifferenz zwischen oberhalb und unterhalb der Halbleiterstruktur 162 anlegt. Ein subharmonisches Signal vom Master-Oszillator 13 wird über den Pfad in die Halbleiterschichten 100a und 100b injiziert. Daher wird ein Spannungssignal (engl. power signal) einer subharmonischen Frequenz (zum Beispiel fTHz/2) von dem Master-Oszillator 13 in die jeweils aus der RTD gebildeten Halbleiterschichten 100a und 100b injiziert, die die Rolle einer Oszillationsquelle in der aktiven Antenne einnehmen, wodurch die Phase einer jeweiligen aktiven Antenne zwangsweise gesteuert wird. Wie in 7B gezeigt, die eine Querschnittansicht ist, befinden sich die Elektrodenschicht 138g und die Elektrodenschicht 139g, die elektrisch miteinander verbunden sind, zwischen der aktiven Antennenanordnung AA₁ bis AA₉ und einer Kante des ersten Substrats 151. Zusätzlich befinden sich, wie in 7C gezeigt, die eine Querschnittansicht ist, die Elektrodenschicht 138 und die Elektrodenschicht 139, die elektrisch miteinander verbunden sind, zwischen der aktiven Antennenanordnung AA₁ bis AA₉ und einer Kante des ersten Substrats 151. Durch Verwenden einer derartigen Struktur kann ein Widerstandswert in Bezug auf die Leiterschicht 109 und die Leiterschicht 140 reduziert werden. Durch eine derartige Struktur kann auch die Bondstärke verbessert werden. Wie in 7C gezeigt, können sich die Elektrodenschicht 138d und die Elektrodenschicht 139d auch unter der aktiven Antennenanordnung AA₁ bis AA₉ befinden. Durch eine derartige Struktur kann die Bondingstärke an der Bondfläche verbessert werden.
Wie oben beschrieben wird gemäß der Anordnung dieser Ausführungsform eine Unterschwingung (fTHz/2N, wobei N eine natürliche Zahl ist; engl. low harmonic wave) einer Terahertzwelle als ein Master-Signal in die aktive Antenne injiziert, die mit der Frequenz fTHz arbeitet. Wenn die Injektionskopplung aufgrund der Injektion des Master-Signals auftritt, kann eine Zeitabstimmungs-Steuerung der aktiven Antenne mit der Frequenz f_THz ausgeführt werden, wodurch das Phasenrauschen reduziert wird.
[Vierte Ausführungsform]
In der Anordnung einer jeweiligen der oben beschriebenen Ausführungsformen wurde ein Beispiel erläutert, in dem die mit dem Master-Oszillator 13 verbundene Steuerleitung IL elektrisch verbunden ist mit einer Anschlussleitung eines hohen Potentials, das mit einer Vorspannung durch die Vorspannungssteuereinheit 12 angelegt wird, von den zwei Anschlussleitungen zum Ausgeben einer Potentialdifferenz. Im Gegensatz dazu ist in dieser Ausführungsform eine Steuerleitung IL elektrisch mit einer Anschlussleitung (zum Beispiel einem Erdleiter) eines niedrigen Potentials von zwei Anschlussleitungen zum Ausgeben einer Potentialdifferenz verbunden. 4C zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung dieser Anordnung. 8A ist eine schematische Draufsicht einer Antennenanordnung 41 mit einer derartigen Anordnung, und 8B und 8C sind Querschnittansichten der Antennenanordnung 41 entlang einer Linie A-A' in 8A. Ähnlich wie die Antennenanordnung 31 der dritten Ausführungsform weist die Antennenanordnung 41 als ein Beispiel eine Anordnung auf, in der ein erstes Substrat 151, auf dem eine Halbleiterschicht 100 integriert ist, und ein zweites Substrat 152, das eine integrierte Schaltung zur Antennenanordnungssteuerung enthält, an einer Bondfläche B.S. gebondet sind. Es sei angemerkt, dass eine Beschreibung der gleichen Komponenten wie jener der Antennenanordnung 31 weggelassen wird.
In dieser Ausführungsform, wie in 8B gezeigt, ist eine Durchkontaktierung 137, die sich von einem Master-Oszillator 13 erstreckt, mit einer Leiterschicht 109 als Reflektorschicht der Antenne verbunden. In diesem Fall werden durch Bereitstellen eines Schlitzes 167 die Leiterschicht 109, die Terahertz-GND entspricht, und eine Substrat-GND-Schicht 165 elektrisch isoliert. Dies kann ein Signal von dem Master-Oszillator 13 mit niedrigerem Rauschen in eine aktive Antenne injizieren. Ferner können, wie in 8C gezeigt, die Durchkontaktierung 137, die sich von dem Master-Oszillator 13 erstreckt, und eine Leiterschicht 166, die in einer Isolierschicht 131 angeordnet ist, verbunden werden. In diesem Fall wird das Band durch kapazitive Kopplung unter Verwendung der durch die Leiterschichten 109 und 166 gebildeten kapazitiven Struktur begrenzt und der Master-Oszillator 13 und die Leiterschicht 109 als Reflektorschicht der Antenne können verbunden werden.
Mit dieser Anordnung ist eine komplexe Verdrahtung von dem Master-Oszillator 13 nicht notwendig, wodurch es möglich ist, eine Antennenvorrichtung mit unterdrücktem Phasenrauschen durch eine einfache Struktur zu implementieren.
[Fünfte Ausführungsform]
Diese Ausführungsform wird einen Fall beschreiben, in dem die Antennenvorrichtung einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auf ein Terahertz-Kamerasystem (Bildaufnahmesystem) angewendet wird. Die folgende Beschreibung wird unter Bezugnahme auf 9A bereitgestellt. Ein Terahertz-Kamerasystem 1100 enthält eine Übertragungseinheit 1101, die eine Terahertzwelle emittiert, und eine Empfangseinheit 1102, die die Terahertzwelle detektiert. Ferner enthält das Terahertz-Kamerasystem 1100 eine Steuereinheit 1103, die den Betrieb der Übertragungseinheit 1101 und der Empfangseinheit 1102 basierend auf einem externen Signal steuert, ein Bild basierend auf der detektierten Terahertzwelle verarbeitet oder ein Bild nach außen ausgibt. Die Antennenvorrichtung einer jeweiligen Ausführungsform kann als die Übertragungseinheit 1101 oder die Empfangseinheit 1102 dienen.
Die von der Übertragungseinheit 1101 emittierte Terahertzwelle wird durch ein Objekt 1105 reflektiert und durch die Empfangseinheit 1102 detektiert. Das Kamerasystem, das die Übertragungseinheit 1101 und die Empfangseinheit 1102 enthält, kann auch als aktives Kamerasystem bezeichnet werden. Es sei angemerkt, dass in einem passiven Kamerasystem, das die Übertragungseinheit 1101 nicht enthält, die Antennenvorrichtung einer jeweiligen der oben beschriebenen Ausführungsformen als die Empfangseinheit 1102 verwendet werden kann.
Durch Verwenden der Antennenvorrichtung einer jeweiligen der oben beschriebenen Ausführungsformen, die eine Strahlformung durchführen kann, ist es möglich, die Detektionsempfindlichkeit des Kamerasystems zu verbessern, wodurch ein qualitativ hochwertiges Bild erhalten wird.
[Sechste Ausführungsform]
Diese Ausführungsform wird einen Fall beschreiben, in dem die Antennenvorrichtung einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auf ein Terahertz-Kommunikationssystem (Kommunikationsvorrichtung) angewendet wird. Die folgende Beschreibung wird unter Bezugnahme auf 9B bereitgestellt. Die Antennenvorrichtung kann als eine Antenne 1200 des Kommunikationssystems verwendet werden. Als das Kommunikationssystem wird das einfache ASK-Verfahren, superheterodyne Verfahren, direkte Umwandlungsverfahren oder dergleichen angenommen. Das Kommunikationssystem, das das superheterodyne Verfahren verwendet, umfasst beispielsweise die Antenne 1200, einen Verstärker 1201, einen Mischer 1202, ein Filter 1203, einen Mischer 1204, einen Wandler 1205, einen digitalen Basisbandmodulator-Demodulator 1206 und lokale Oszillatoren 1207 und 1208. Im Fall eines Empfängers wird eine über die Antenne 1200 empfangene Terahertzwelle durch den Mischer 1202 in ein Signal einer Zwischenfrequenz umgewandelt und dann durch den Mischer 1204 in ein Basisbandsignal umgewandelt, und eine analoge Wellenform wird durch den Wandler 1205 in eine digitale Wellenform umgewandelt. Danach wird die digitale Wellenform im Basisband demoduliert, um ein Kommunikationssignal zu erhalten. Im Fall eines Senders wird, nachdem ein Kommunikationssignal moduliert wurde, das Kommunikationssignal durch den Wandler 1205 von einer digitalen Wellenform in eine analoge Wellenform umgewandelt, über die Mischer 1204 und 1202 frequenzumgewandelt und dann als eine Terahertzwelle von der Antenne 1200 ausgegeben. Das Kommunikationssystem, das das direkte Umwandlungsverfahren verwendet, umfasst die Antenne 1200, einen Verstärker 1211, einen Mischer 1212, einen Modulator-Demodulator 1213 und einen lokalen Oszillator 1214. In dem direkten Umwandlungsverfahren wandelt der Mischer 1212 die empfangene Terahertzwelle zum Zeitpunkt des Empfangs direkt in ein Basisbandsignal um, und der Mischer 1212 wandelt das zu sendende Basisbandsignal zum Zeitpunkt des Sendens in ein Signal in einem Terahertzband um. Die übrigen Komponenten sind denjenigen in dem superheterodynen Verfahren ähnlich. Die Antennenvorrichtung gemäß einer jeweiligen der oben beschriebenen Ausführungsformen kann eine Strahlformung einer Terahertzwelle durch elektrische Steuerung eines einzelnen Chips durchführen. Daher ist es möglich, Funkwellen zwischen dem Sender und dem Empfänger auszurichten. Durch Verwenden der Antennenvorrichtung einer jeweiligen der oben beschriebenen Ausführungsformen, die eine Strahlformung in dem Kommunikationssystem durchführen kann, ist es möglich, die Funkqualität, wie etwa ein Signal-Rausch-Verhältnis, zu verbessern und eine große Informationskapazität in einem breiten Abdeckungsgebiet zu geringen Kosten zu senden.
[Andere Ausführungsformen]
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden oben beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen und Änderungen können innerhalb des Umfangs und Bedeutungsinhalts der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
Beispielsweise nimmt eine jeweilige der oben beschriebenen Ausführungsformen an, dass Ladungsträger Elektronen sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es können auch Löcher verwendet werden. Ferner werden die Materialien des Substrats und des Dielektrikums gemäß einem Anwendungszweck ausgewählt, und es kann eine Halbleiterschicht aus Silizium, Galliumarsenid, Indiumarsenid, Galliumphosphid oder dergleichen, Glas, Keramik und einem Harz wie beispielsweise Polytetrafluorethylen oder Polyethylenterephthalat verwendet werden.
Bei einer jeweiligen der oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine quadratische Patchantenne als Terahertzwellenresonator verwendet, aber die Form des Resonators ist nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann ein Resonator mit einer Struktur unter Verwendung eines Patchleiters mit einer polygonalen Form, wie etwa einer rechteckigen Form oder dreieckigen Form, einer runden Form, einer elliptischen Form oder dergleichen, verwendet werden.
Die Anzahl der Elemente negativen differentiellen Widerstands, die in ein Element integriert sind, ist nicht auf eins beschränkt, und es kann ein Resonator mit mehreren Elementen negativen differentiellen Widerstands verwendet werden. Die Anzahl der Leitungen ist nicht auf eins beschränkt, und es kann eine Anordnung mit mehreren Leitungen verwendet werden. Durch Verwendung der Antennenvorrichtung, die in einer jeweiligen der oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben ist, ist es möglich, eine Terahertzwelle zu oszillieren und zu detektieren.
In einer jeweiligen der oben beschriebenen Ausführungsformen wurde eine Doppelbarrieren-RTD aus auf dem InP-Substrat wachsendem InGaAs/AIAs als eine RTD beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Struktur und das Materialsystem beschränkt, und sogar eine andere Kombination aus einer Struktur und einem Material kann ein Element der vorliegenden Erfindung bereitstellen. Beispielsweise kann eine RTD mit einer Dreifachbarrieren-Quantentopfstruktur oder eine RTD mit einer Multibarrieren-Quantentopfstruktur mit vier oder mehr Barrieren verwendet werden.
Beispielsweise wurde in einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen ein Beispiel für einen Fall erläutert, in dem die Antennen AN, die in zwei aktiven Antennen von den mehreren aktiven Antennen enthalten sind, die an benachbarten Positionen in der Anordnung angeordnet sind, gekoppelt sind, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Solange eine Leitung möglich ist, können zwei Antennen AN, die in zwei aktiven Antennen enthalten sind, die nicht benachbart sind, gekoppelt werden.
Eine jeweilige der oben beschriebenen Ausführungsformen hat das Verfahren zum Bilden der Antennenvorrichtung unter Verwendung einer Stapelstruktur erläutert, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Das heißt, die obige Erörterung kann auch auf eine Antennenvorrichtung angewendet werden, die keine Stapelstruktur verwendet. In diesem Fall kann beispielsweise die oben beschriebene Halbleiterschicht 100 durch eine Halbleiterstruktur oder eine beliebige Oszillationsvorrichtung ersetzt werden. Durch Auslegen einer anderen Struktur, beispielsweise gemäß einem der in den 4A bis 4C gezeigten Schaltbilder, ist es möglich, eine Antennenvorrichtung mit der gleichen Leistung wie die in der Ausführungsform beschriebene Antennenvorrichtung zu erhalten.
Als das Material der RTD kann jede der folgenden Kombinationen verwendet werden.

·GaAs/AIGaAs, GaAs/AIAs und InGaAs/GaAs/AIAs gebildet auf einem GaAs-Substrat
·InGaAs/InAlAs, InGaAs/AIAs und InGaAs/AIGaAsSb gebildet auf einem InP-Substrat
·InAs/AIAsSb und InAs/AISb gebildet auf einem InAs-Substrat
·SiGe/SiGe gebildet auf einem Si-Substrat

Die oben beschriebene Struktur und das oben beschriebene Material können gemäß einer gewünschten Frequenz und dergleichen geeignet ausgewählt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Dem Umfang der folgenden Ansprüche soll die breiteste Auslegung gegeben werden, um alle derartigen Modifikationen und äquivalenten Strukturen und Funktionen einzuschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014200065 [0002]

Claims

Antennenvorrichtung, umfassend: eine aktive Antenne, die eine Antenne, eine Halbleiterstruktur, die konfiguriert ist, um als ein Oszillator zu arbeiten, und mindestens zwei Anschlussleitungen umfasst, die konfiguriert sind, um der Halbleiterstruktur eine Potentialdifferenz zu geben, und konfiguriert sind, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen oder zu detektieren; und eine Steuerleitung, die elektrisch mit einer der mindestens zwei Anschlussleitungen verbunden ist und konfiguriert ist, um mit einem Signal zum Steuern einer Phase des Oszillators in der aktiven Antenne injiziert zu werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Signal ein elektrisches Signal mit einer Frequenz gleich 1/gerade Anzahl einer Oszillationsfrequenz des Oszillators ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Signal ein elektrisches Signal ist, das den Oszillator mit einer Leistung erreicht, die nicht geringer als die Leistung eines Ausgangssignals von dem Oszillator ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Signal ein elektrisches Signal ist, das den Oszillator mit einer Leistung erreicht, die nicht geringer als das 10-fache der Leistung des Ausgangssignals von dem Oszillator ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Länge eines Pfads von einem vorbestimmten Oszillator, der das Signal ausgibt, zu dem Oszillator, der in der aktiven Antenne enthalten ist, den das Signal über die Steuerleitung erreicht, nicht länger als das 20-fache einer Wellenlänge des Signals ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens zwei Anschlussleitungen eine erste Anschlussleitung, die konfiguriert ist, um ein erstes Potential zu geben, und eine zweite Anschlussleitung enthalten, die konfiguriert ist, um ein zweites Potential zu geben, und das zweite Potential höher als das erste Potential ist, und die Steuerleitung elektrisch mit der zweiten Anschlussleitung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die mindestens zwei Anschlussleitungen eine erste Anschlussleitung, die konfiguriert ist, um ein erstes Potential zu geben, und eine zweite Anschlussleitung enthalten, die konfiguriert ist, um ein zweites Potential zu geben, und das zweite Potential höher als das erste Potential ist, und die Steuerleitung elektrisch mit der ersten Anschlussleitung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Antennenanordnung enthalten ist, in der mehrere aktive Antennen in einer Anordnung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner umfassend eine Kopplungsleitung, die konfiguriert ist, um mindestens zwei Antennen, die jeweils in mindestens zwei aktiven Antennen von den mehreren aktiven Antennen enthalten sind, gegenseitig zu koppeln.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei für die Kopplungsleitung, die die Antennen koppelt, die jeweils in den mindestens zwei benachbart zueinander in der Anordnung vorgesehenen aktiven Antennen von den mehreren aktiven Antennen enthalten sind, eine Länge eines Pfads in einem Fall, in dem die Halbleiterstruktur, die in einer jeweiligen der mindestens zwei aktiven Antennen enthalten ist, über die Kopplungsleitung verbunden ist, basierend auf einer elektrischen Länge der elektromagnetischen Welle in der Kopplungsleitung eingestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei für die Kopplungsleitung die Länge des Pfads so eingestellt ist, dass sie die elektrische Länge der elektromagnetischen Welle ist, die gleich einem ganzzahligen Vielfachen von 2 π ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Steuerleitung mit der Kopplungsleitung gekoppelt ist und über die Antenne elektrisch mit einer der mindestens zwei Anschlussleitungen verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei eine Länge eines Pfads von einem vorbestimmten Oszillator, der das Signal ausgibt, zu dem Oszillator, der in der aktiven Antenne enthalten ist, den das Signal über die Steuerleitung und die Kopplungsleitung erreicht, eine Länge eines ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge des Signals ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Antenne, die Halbleiterstruktur, die Steuerleitung und die Kopplungsleitung auf einem Halbleitersubstrat gestapelt sind, die Steuerleitung und die Kopplungsleitung in verschiedenen Schichten angeordnet sind und die Steuerleitung und die Kopplungsleitung bei einer Frequenz des Signals elektrisch verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Antenne, die Halbleiterstruktur und die Steuerleitung auf einem Halbleitersubstrat gestapelt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Steuerleitung so konfiguriert ist, dass eine Differenz zwischen einer elektrischen Länge der Steuerleitung, die mit einer ersten aktiven Antenne von den mehreren aktiven Antennen verbunden ist, und einer elektrischen Länge der Steuerleitung, die mit einer zweiten aktiven Antenne von den mehreren aktiven Antennen verbunden ist, ein ganzzahliges Vielfaches einer Wellenlänge des Signals wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei ein vorbestimmter Oszillator, der das Signal ausgibt, unter Verwendung einer Halbleiterheterostruktur, einer Halbleiterstapelstruktur, einer Resonanztunneldiode und einer Negativwiderstandsdiode gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die elektromagnetische Welle eine elektromagnetische Welle in einem Terahertzband ist.
Antennenvorrichtung, umfassend: eine erste aktive Antenne, die eine erste Antenne, eine erste Halbleiterstruktur, die konfiguriert ist, um als ein erster Oszillator zu arbeiten, und mindestens zwei Anschlussleitungen enthält, die konfiguriert sind, um der ersten Halbleiterstruktur eine Potentialdifferenz zu geben, und konfiguriert sind, um als Slave zu dienen, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen oder zu detektieren; eine zweite aktive Antenne, die eine zweite Antenne, eine zweite Halbleiterstruktur, die konfiguriert ist, um als ein zweiter Oszillator zu arbeiten, und mindestens zwei Anschlussleitungen enthält, die konfiguriert sind, um der zweiten Halbleiterstruktur eine Potentialdifferenz zu geben, und konfiguriert sind, um als Slave zu dienen, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen oder zu detektieren; einen dritten Oszillator, der konfiguriert ist, um als Master zu dienen, um ein Signal auszugeben, das Phasen des ersten Oszillators und des zweiten Oszillators steuert; eine erste Steuerleitung, die konfiguriert ist, um eine der mindestens zwei Anschlussleitungen der ersten aktiven Antenne elektrisch mit dem dritten Oszillator zu verbinden; und eine zweite Steuerleitung, die konfiguriert ist, um eine der mindestens zwei Anschlussleitungen der zweiten aktiven Antenne elektrisch mit dem dritten Oszillator zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei der dritte Oszillator unter Verwendung einer Halbleiterheterostruktur, einer Halbleiterstapelstruktur, einer Resonanztunneldiode und einer Negativwiderstandsdiode gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei die elektromagnetische Welle eine elektromagnetische Welle in einem Terahertzband ist.
Kommunikationsvorrichtung, umfassend: eine Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21; eine Übertragungseinrichtung, die konfiguriert ist, um eine elektromagnetische Welle zu emittieren; und eine Empfangseinrichtung, die konfiguriert ist, um die elektromagnetische Welle zu detektieren.
Bildaufnahmesystem, umfassend: eine Antennenvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21; eine Übertragungseinrichtung, die konfiguriert ist, um eine elektromagnetische Welle zu einem Objekt zu emittieren; und eine Detektionseinrichtung, die konfiguriert ist, um die durch das Objekt reflektierte elektromagnetische Welle zu detektieren.