JP2011155433A - Oscillation element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発振素子に関し、特に、低誘電率の絶縁体基板を用いることで、電磁波を基板に水平方向に、指向性高く、効率良く取り出すことが可能で、集積化の容易なテラヘルツの発振素子に関する。 The present invention relates to an oscillating element, and in particular, by using an insulating substrate having a low dielectric constant, electromagnetic waves can be taken out in a horizontal direction with high directivity and efficiently, and terahertz oscillation is easy to integrate. It relates to an element.
近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる新しい現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。 In recent years, electronic devices such as transistors have been miniaturized, and the size has become nano-sized. Therefore, a new phenomenon called a quantum effect has been observed. And development aiming at realization of ultra-high-speed devices and new functional devices using this quantum effect is in progress.
一方、そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる、周波数が1THz(1012Hz)〜10THzの周波数領域を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されることが期待されている。 On the other hand, in such an environment, an attempt to perform large-capacity communication, information processing, imaging, measurement, or the like using a frequency range of 1 THz (10 12 Hz) to 10 THz, particularly referred to as a terahertz band. Has been done. This frequency region is an undeveloped region between light and radio waves. If a device that operates in this frequency band is realized, in addition to the above-mentioned imaging, large-capacity communication / information processing, physical properties, astronomy, living things, etc. It is expected to be used for many purposes such as measurement in various fields.
テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振する素子としては、トランジスタやダイオードなどの能動デバイスに微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている(例えば、非特許文献1参照。)。 As an element that oscillates a high frequency electromagnetic wave having a frequency in the terahertz band, an element having a structure in which a fine slot antenna is integrated in an active device such as a transistor or a diode is known (for example, see Non-Patent Document 1).
また、アンテナ両端のスロット線路上に金属と絶縁体層を付加して高周波的に短絡した構造を持つ素子が開示されている(例えば、非特許文献1および2参照)。この発振素子は、作製が簡単であって、微細化に適するなどの特徴を有している。 In addition, an element having a structure in which a metal and an insulating layer are added on the slot lines at both ends of the antenna and short-circuited at a high frequency is disclosed (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2). This oscillation element is easy to manufacture and has features such as being suitable for miniaturization.
図17は、RTD(Resonant Tunneling Diode:共鳴トンネルダイオード)とスロットアンテナを組み合わせて作製した発振素子の模式的鳥瞰図である。スロットアンテナ100の中央付近にRTDからなる能動素子109が配置され、スロットアンテナ100の両端には、金属と絶縁体が積層され、絶縁体を上下の電極金属によって挟み込んだMIM(Metal Insulator Metal)構造が形成されている。ここで、MIM構造は、第2の電極104/絶縁層103/第1の電極102からなり、高周波的に短絡されるようになっている。 FIG. 17 is a schematic bird's-eye view of an oscillation element manufactured by combining an RTD (Resonant Tunneling Diode) and a slot antenna. An active element 109 made of RTD is disposed near the center of the slot antenna 100, and a metal and insulator are laminated on both ends of the slot antenna 100, and the insulator is sandwiched between upper and lower electrode metals, and an MIM (Metal Insulator Metal) structure. Is formed. Here, the MIM structure includes the second electrode 104 / the insulating layer 103 / the first electrode 102, and is short-circuited in a high frequency manner.
第2の電極104は、第1の電極102と絶縁層103を介して重なっている部分の中央部に2箇所の凹部105、106が形成されており、この2つの凹部105、106に挟まれた状態で凸部107が形成されている。そして、第2の電極104の凸部107の略中央部には突起部108が形成され、この突起部108の下側に第1の電極102と挟まれるようにして能動素子109が配置されている。なお、第2の電極104と第1の電極102には直流電源115が接続されるとともに、寄生発振を防止するために、ビスマス(Bi)などの材料で形成された寄生発振抑圧抵抗114が接続されている。 The second electrode 104 has two concave portions 105 and 106 formed in the central portion of the portion overlapping the first electrode 102 with the insulating layer 103 interposed between the two concave portions 105 and 106. In this state, the convex portion 107 is formed. A protrusion 108 is formed at a substantially central portion of the protrusion 107 of the second electrode 104, and an active element 109 is disposed below the protrusion 108 so as to be sandwiched between the first electrode 102. Yes. A DC power source 115 is connected to the second electrode 104 and the first electrode 102, and a parasitic oscillation suppression resistor 114 formed of a material such as bismuth (Bi) is connected to prevent parasitic oscillation. Has been.
半導体基板101の構成材料としては、半絶縁性(SI:Semi-Insulating)のInPが用いられる。RTDの両側に作られるスロットアンテナ100は、共振器と電磁波の放射アンテナとを兼ねている。この発振素子においては、半導体基板101に対して上方向と下方向の2方向に電磁波が放射される構造になっている。このため、例えば、図18に示すように、上下垂直方向に放射する電磁波(hν)を集光するためのシリコン半球レンズ120を新たに設ける必要がある。 As a constituent material of the semiconductor substrate 101, semi-insulating (SI) InP is used. The slot antenna 100 made on both sides of the RTD serves as both a resonator and an electromagnetic wave radiation antenna. This oscillation element has a structure in which electromagnetic waves are radiated in two directions, upward and downward, with respect to the semiconductor substrate 101. For this reason, for example, as shown in FIG. 18, it is necessary to newly provide a silicon hemisphere lens 120 for condensing electromagnetic waves (hν) radiated in the vertical direction.
図17に示す従来のテラヘルツ発振素子は、絶縁層103と同じ平面上に配置されるトランジスタやダイオードなどの能動素子109をスロットアンテナ100の中央部に配置し、スロット線路の両端を直角に曲げ、この部分を金属/絶縁体/金属の層構造で覆うようにしている。このため、金属/絶縁体/金属の層構造で覆った部分は、RF反射部150a,150bを構成し、高周波的に短絡になり、スロットアンテナ100が構成される。このスロットアンテナ100は、直流的には開放状態になっているため、能動素子109に直流を供給することができる。 In the conventional terahertz oscillation device shown in FIG. 17, an active element 109 such as a transistor or a diode disposed on the same plane as the insulating layer 103 is disposed at the center of the slot antenna 100, and both ends of the slot line are bent at right angles. This portion is covered with a metal / insulator / metal layer structure. For this reason, the portions covered with the metal / insulator / metal layer structure constitute the RF reflectors 150a and 150b, which are short-circuited in high frequency, and the slot antenna 100 is constructed. Since the slot antenna 100 is in an open state in terms of direct current, direct current can be supplied to the active element 109.
図17および図18において、スロットアンテナ100の上方は空気であるため、比誘電率εair=1である。スロットアンテナ100の下方は、半導体基板101として、InP基板を使用するため、比誘電率εInP=12.01である。ここで、全体の発振出力に対するスロットアンテナ100の下方への発振出力の割合は、εInP 3/2/(εair 3/2+εInP 3/2)=0.97で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約97%は、InP基板側に放射されている。 In FIG. 17 and FIG. 18, since the air above the slot antenna 100 is air, the relative permittivity ε air = 1. Below the slot antenna 100, since an InP substrate is used as the semiconductor substrate 101, the relative dielectric constant ε InP = 12.01. Here, the ratio of the oscillation output below the slot antenna 100 to the total oscillation output is represented by ε InP 3/2 / (ε air 3/2 + ε InP 3/2 ) = 0.97. That is, about 97% of the total oscillation output is radiated to the InP substrate side.
この構造の発振素子によって、室温でテラヘルツ帯1.02THz(1012Hz)の発振が実現されている(非特許文献3を参照)。すなわち、試作された素子によれば、基本波の発振周波数を342GHzとし、出力が23μWであった。そして、基本波の第3高調波として1.02THzの電磁波が同時に出力され、この第3高調波の出力は0.59μWであったと報告されている(非特許文献3を参照。)。 Oscillation elements having this structure realize oscillation in a terahertz band of 1.02 THz (10 12 Hz) at room temperature (see Non-Patent Document 3). That is, according to the prototyped element, the oscillation frequency of the fundamental wave was 342 GHz and the output was 23 μW. And it is reported that 1.02 THz electromagnetic waves were simultaneously output as the third harmonic of the fundamental wave, and the output of this third harmonic was 0.59 μW (see Non-Patent Document 3).
しかしながら、これら非特許文献1、2、3で提案した発振素子は、高周波短絡構造が不十分なため、高周波電磁波が発振する方向とは直角のRF反射部150a,150b方向に漏れてしまい、その分が損失となり、高出力が得られないという問題があった。 However, the oscillation elements proposed in these Non-Patent Documents 1, 2, and 3 have insufficient high-frequency short-circuit structures, and therefore leak in the direction of the RF reflectors 150a and 150b perpendicular to the direction in which high-frequency electromagnetic waves oscillate. There was a problem that a high output could not be obtained due to loss of minutes.
また、図17に示すような構造のテラヘルツ発振素子では、横方向に発振される電磁波の電力が相対的に小さいため、基板上に集積化する上で実用に供されるものではなかった。 Further, in the terahertz oscillation device having the structure as shown in FIG. 17, the power of electromagnetic waves oscillated in the lateral direction is relatively small, so that it is not practically used for integration on a substrate.
一方、周波数可変の発振素子から発振される比較的広い帯域幅を持った周波数帯の電磁波であっても、その発振周波数全域にわたりスロット線路からの漏れを無くして高効率かつ高出力の電磁波を発振することができるテラヘルツ発振素子についても開示されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1においては、RTDなどで構成される能動デバイスを備えた微細スロットアンテナの両端部に多段のスタブを設け、この多段スタブから比較的広い帯域幅を持った電磁波の周波数帯を反射させ、この多段スタブ回路を設けたことにより、能動素子から発振される電磁波の漏れが反射されて能動素子に戻るため、帯域の広い高出力の発振出力が得られ、発振素子に用いる能動素子が周波数可変の場合にも、それに対応して発振出力が得られる。 On the other hand, even in the case of electromagnetic waves in a frequency band with a relatively wide bandwidth that are oscillated from variable frequency oscillation elements, high efficiency and high output electromagnetic waves are oscillated without leakage from the slot line over the entire oscillation frequency. A terahertz oscillation element that can be used is also disclosed (for example, see Patent Document 1). In Patent Document 1, a multi-stage stub is provided at both ends of a fine slot antenna including an active device constituted by an RTD or the like, and a frequency band of an electromagnetic wave having a relatively wide bandwidth is reflected from the multi-stage stub, By providing this multi-stage stub circuit, leakage of electromagnetic waves oscillated from the active element is reflected and returned to the active element, so that a wide-band, high-power oscillation output can be obtained, and the active element used for the oscillation element has a variable frequency. In this case, an oscillation output can be obtained correspondingly.
しかしながら、非特許文献3および特許文献1に開示された発振素子は、基板に対して垂直な方向に電磁波を放射するため、図18に示すように、上下垂直方向に放射する電磁波(hν)を集光するためのシリコン半球レンズ120を新たに設ける必要があり、基板上に集積化する上で問題点があった。 However, since the oscillation elements disclosed in Non-Patent Document 3 and Patent Document 1 radiate electromagnetic waves in a direction perpendicular to the substrate, as shown in FIG. 18, electromagnetic waves (hν) radiated in the vertical and vertical directions are emitted. It is necessary to newly provide a silicon hemispherical lens 120 for condensing light, and there is a problem in integrating on a substrate.
また、従来のテラヘルツ発振素子は、基板として、相対的に高い誘電率を有するInP基板からなる半導体基板を用いるため、全体の発振出力の内、約97%は、InP基板側に放射され、目的の横方向への発振出力は、相対的に小さく、極めて指向性が低かった。 In addition, since the conventional terahertz oscillation device uses a semiconductor substrate made of an InP substrate having a relatively high dielectric constant as a substrate, about 97% of the total oscillation output is radiated to the InP substrate side. The oscillation output in the horizontal direction was relatively small and the directivity was extremely low.
本発明の目的は、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高く発振することができ、集積化の容易な発振素子を提供することにある。 The object of the present invention is to improve the directivity in the lateral direction by using an insulating substrate having a low dielectric constant, and can oscillate with high directivity in the lateral direction with high efficiency and high output. An object of the present invention is to provide an easily oscillating element.
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、絶縁体基板と、前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、前記第1の電極上に配置された絶縁層と、前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、前記第2の電極上に配置された半導体層と、前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された導波路と、前記導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置されたホーン開口部とを備える発振素子が提供される。 According to one aspect of the present invention for achieving the above object, an insulator substrate, a first electrode disposed on the insulator substrate, an insulating layer disposed on the first electrode, An interlayer insulating film disposed on the insulator substrate, disposed on the interlayer insulating film, and opposed to the first electrode with the insulating layer interposed therebetween with respect to the first electrode. A second electrode; a semiconductor layer disposed on the second electrode; an MIM reflector formed between the first electrode and the second electrode across the insulating layer; and adjacent to the MIM reflector A resonator disposed between the first electrode and the second electrode opposed to each other on the insulator substrate, an active element disposed at a substantially central portion of the resonator, and the resonator. Adjacent, disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate There is provided an oscillating device comprising: a waveguide, and a horn opening disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate, adjacent to the waveguide. .
本発明の他の態様によれば、絶縁体基板と、前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、前記第1の電極上に配置された絶縁層と、前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、前記絶縁体基板上に前記第1の電極に隣接し、かつ前記第2の電極とは反対側に前記第1の電極に対向して配置された第1スロットライン電極と、前記絶縁体基板上に前記第2の電極に隣接し、かつ前記第1の電極とは反対側に前記第2の電極に対向して配置された第2スロットライン電極と、前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1導波路と、前記第1導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1ホーン開口部と、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2導波路と、前記第2導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2ホーン開口部と、前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3導波路と、前記第3導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3ホーン開口部とを備える発振素子が提供される。 According to another aspect of the present invention, an insulator substrate, a first electrode disposed on the insulator substrate, an insulating layer disposed on the first electrode, and the insulator substrate An interlayer insulating film disposed; and a second electrode disposed on the interlayer insulating film and disposed opposite to the first electrode through the insulating layer with respect to the first electrode; A first slot line electrode disposed adjacent to the first electrode on the insulator substrate and opposite to the second electrode, opposite the first electrode; and on the insulator substrate A second slot line electrode disposed adjacent to the second electrode and opposite to the first electrode and opposite to the second electrode; and the first electrode sandwiching the insulating layer therebetween And an MIM reflector formed between the second electrode and the insulating layer adjacent to the MIM reflector. A resonator disposed between the first electrode and the second electrode opposed to each other on a substrate; an active element disposed at a substantially central portion of the resonator; and the insulation adjacent to the resonator. A first waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing the body substrate; and the first waveguide facing the insulator substrate adjacent to the first waveguide. A first horn opening disposed between an electrode and the second electrode; a second waveguide disposed between the first electrode and the first slot line electrode opposed to the insulator substrate; A second horn opening disposed between the first electrode facing the insulator substrate and the first slot line electrode adjacent to the second waveguide, and facing the insulator substrate. A third waveguide disposed between the second electrode and the second slot line electrode; and Adjacent to the waveguide, the oscillation element and a third horn aperture disposed between said second slot line electrode and the second electrode facing the insulator substrate is provided.
本発明によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高く発振することができ、集積化の容易な発振素子を提供することができる。 According to the present invention, by using an insulating substrate having a low dielectric constant, the directivity in the lateral direction is improved, and it is possible to oscillate with high directivity in the lateral direction with respect to the substrate with high efficiency and high output. It is possible to provide an easily oscillating element.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same reference numerals are assigned to the same blocks or elements to avoid duplication of explanation and simplify the explanation. It should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention. In the embodiments of the present invention, the arrangement of each component is as follows. Not specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰構造は、図1に示すように表され、また、図1に対応した第1の電極4、第2の電極2aおよび半導体層91aのパターン構造の模式的平面図は、図2示すように表される。また、図1のI−I線に沿う模式的断面構造は、図3(a)に示すように表され、図1のII−II線に沿う模式的断面構造は、図3(b)に示すように表される。
[First embodiment]
A schematic bird's-eye view structure of the terahertz oscillation device according to the first embodiment of the present invention is expressed as shown in FIG. 1, and the first electrode 4, the second electrode 2a, and the semiconductor corresponding to FIG. A schematic plan view of the pattern structure of the layer 91a is expressed as shown in FIG. Moreover, the schematic cross-sectional structure along the II line of FIG. 1 is represented as shown in FIG. 3A, and the schematic cross-sectional structure along the II-II line of FIG. 1 is shown in FIG. Represented as shown.
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子は、図1〜図3に示すように、絶縁体基板10と、絶縁体基板10上に配置された第1の電極4(4a,4b,4c)と、第1の電極4a上に配置された絶縁層3と、絶縁体基板10上に配置された層間絶縁膜9と、層間絶縁膜9上に配置され、かつ第1の電極4aに対して絶縁層3を介して第1の電極4に対向して配置された第2の電極2,2aと、第2の電極2上に配置された半導体層91aと、絶縁層3を挟み第1の電極4aと第2の電極2間に形成されたMIMリフレクタ50と、MIMリフレクタ50に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された共振器60と、共振器60の略中央部に配置された能動素子90と、共振器60に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された導波路70と、導波路70に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置されたホーン開口部80とを備える。 The terahertz oscillation device according to the first embodiment includes an insulator substrate 10 and a first electrode 4 (4a, 4b, 4c) disposed on the insulator substrate 10, as shown in FIGS. An insulating layer 3 disposed on the first electrode 4a, an interlayer insulating film 9 disposed on the insulator substrate 10, and an interlayer insulating film 9 disposed on the interlayer insulating film 9 and with respect to the first electrode 4a The second electrodes 2 and 2a disposed opposite to the first electrode 4 with the insulating layer 3 interposed therebetween, the semiconductor layer 91a disposed on the second electrode 2, and the first layer sandwiching the insulating layer 3 The MIM reflector 50 formed between the electrode 4 a and the second electrode 2, and adjacent to the MIM reflector 50 and disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing on the insulator substrate 10. Resonator 60, active element 90 disposed substantially at the center of resonator 60, and adjacent to resonator 60, insulation A waveguide 70 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing each other on the substrate 10, and the first electrode 4 and the second electrode facing each other on the insulator substrate 10 adjacent to the waveguide 70. A horn opening 80 disposed between the two electrodes 2.
能動素子90としてはRTDが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、タンネット(TUNNETT:Tunnel Transit Time)ダイオード、インパット(IMPATT:Impact Ionization Avalanche Transit Time)ダイオード、GaAs系電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)、GaN系FET、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)などを適用することもできる。 The active element 90 is typically an RTD, but can be composed of other diodes or transistors. Other active elements include, for example, a tannet (TUNNETT) diode, an impulse (Impact Ionization Avalanche Transit Time) diode, a GaAs field effect transistor (FET), a GaN FET, a high An electron mobility transistor (HEMT), a heterojunction bipolar transistor (HBT), or the like can also be applied.
ホーン開口部80は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、10度程度以下に設定することが、電磁波(hν)の放射方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部80の長さL3は、例えば、約700μm程度以下である。ホーン開口部80の先端部における開口幅は、例えば、約160μm程度である。 The horn opening 80 is composed of an open horn antenna. The opening angle θ of the horn opening is desirably set to about 10 degrees or less, for example, in order to provide directivity in the radiation direction of the electromagnetic wave (hν). The length L3 of the horn opening 80 is, for example, about 700 μm or less. The opening width at the tip of the horn opening 80 is, for example, about 160 μm.
導波路70は、共振器60の開口部に配置されている。導波路70の長さL2は、例えば、約700μm程度以下である。また、導波路70における第1の電極4と第2の電極2間の間隔は、例えば、約24μm程度である。 The waveguide 70 is disposed in the opening of the resonator 60. The length L2 of the waveguide 70 is, for example, about 700 μm or less. In addition, the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2 in the waveguide 70 is, for example, about 24 μm.
なお、ホーン開口部80のホーン形状は、電磁波を空気中に取り出すために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を空気中に効率よく取り出すことができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、2次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。 The horn shape of the horn opening 80 is a structure necessary for extracting electromagnetic waves into the air. Due to the horn shape, electromagnetic waves can be efficiently extracted into the air with good impedance matching. The shape of the horn is not limited to a linear shape, but may be a non-linear shape, a curved shape, a quadratic curved shape, a parabolic shape, a stepped shape, or the like.
共振器60には、2箇所の凹部5、6が形成されており、この2つの凹部5、6に挟まれて、凸部7が形成されている。そして、第2の電極2の凸部7の略中央部には突起部8が形成され、この突起部8の下側に第1の電極4aと挟まれるように、能動素子90が配置される。 In the resonator 60, two concave portions 5 and 6 are formed, and a convex portion 7 is formed between the two concave portions 5 and 6. Then, a protrusion 8 is formed at a substantially central portion of the convex portion 7 of the second electrode 2, and an active element 90 is disposed below the protrusion 8 so as to be sandwiched between the first electrode 4 a. .
共振器60の長さL1は、例えば、約30μm程度以下である。突起部8の長さは、例えば、約6μm程度以下である。また、凹部5、6の幅(第1の電極4と第2の電極2との間隔)は、例えば、約4μm程度である。能動素子90の寸法は、例えば、約1.4μm2程度である。但し、能動素子90のサイズは、この値に限定されず、例えば、約5.3μm2程度以下であってもよい。能動素子90の詳細構造については後述する。共振器60の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。 The length L1 of the resonator 60 is, for example, about 30 μm or less. The length of the protrusion 8 is, for example, about 6 μm or less. Further, the width of the recesses 5 and 6 (the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2) is, for example, about 4 μm. The dimension of the active element 90 is, for example, about 1.4 μm 2 . However, the size of the active element 90 is not limited to this value, and may be, for example, about 5.3 μm 2 or less. The detailed structure of the active element 90 will be described later. The size of each part of the resonator 60 is not limited to the above dimensions, and is appropriately set in design according to the frequency of the oscillating electromagnetic wave.
また、図1に示すように、導波路70における第1の電極4と第2の電極2間の間隔に比べて、共振器60が形成されている部分の第1の電極4と第2の電極2間の間隔は、狭い。 Further, as shown in FIG. 1, compared with the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2 in the waveguide 70, the first electrode 4 and the second electrode in the portion where the resonator 60 is formed. The interval between the electrodes 2 is narrow.
MIMリフレクタ50は共振器60の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属/絶縁体/金属からなるMIMリフレクタ50の積層構造により、第1の電極4と第2の電極2は高周波的に短絡される。また、MIMリフレクタ50は、直流的には開放(オープン)でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。 The MIM reflector 50 is disposed at the closing portion on the opposite side of the opening of the resonator 60. Due to the laminated structure of the metal / insulator / metal MIM reflector 50, the first electrode 4 and the second electrode 2 are short-circuited in high frequency. Further, the MIM reflector 50 has an effect that it can reflect a high frequency while being open in terms of direct current.
第1の電極4(4a,4b,4c)および第2の電極2,2aは、いずれも例えば、Au/Pd/Tiのメタル積層構造からなり、Ti層は、後述する半絶縁性のInP基板からなる半導体基板1との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第1の電極4a,4b,4cおよび第2の電極2,2aの各部の厚さは、例えば、約数100nm程度であり、全体として、図3(a)および図3(b)に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第1の電極4、第2の電極2は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 Each of the first electrode 4 (4a, 4b, 4c) and the second electrode 2, 2a has, for example, a metal laminated structure of Au / Pd / Ti, and the Ti layer is a semi-insulating InP substrate described later. It is a buffer layer for making the contact state with the semiconductor substrate 1 which consists of favorable. The thickness of each part of the first electrodes 4a, 4b, 4c and the second electrodes 2, 2a is, for example, about several hundred nm, and as a whole, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). A flattened laminated structure is obtained. Note that both the first electrode 4 and the second electrode 2 can be formed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.
さらに詳細には、第1の電極4aおよび第1の電極4cは、例えば、Au/Pd/Tiからなり、第1の電極4bは、例えば、Au/Tiからなる。第2の電極2は、例えば、Au/Pd/Tiからなり、第2の電極2aは、例えば、Au/Tiからなる。 More specifically, the first electrode 4a and the first electrode 4c are made of, for example, Au / Pd / Ti, and the first electrode 4b is made of, for example, Au / Ti. The second electrode 2 is made of, for example, Au / Pd / Ti, and the second electrode 2a is made of, for example, Au / Ti.
尚、第1の電極4bの表面層を形成するTi層は、ボンディングワイヤ12bによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第2の電極2aの表面層を形成するTi層は、ボンディングワイヤ12aによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。 Note that the Ti layer forming the surface layer of the first electrode 4b is desirably removed in order to reduce the contact resistance when the extraction electrode is formed by the bonding wire 12b. Similarly, the Ti layer forming the surface layer of the second electrode 2a is desirably removed in order to reduce the contact resistance when the extraction electrode is formed by the bonding wire 12a.
絶縁層3は、例えば、SiO2膜で形成することができる。その他、Si3N4膜、SiON膜、HfO2膜、Al2O3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層3の厚さは、MIMリフレクタ50の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数10nm〜数100nm程度である。絶縁層3は、化学的気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 The insulating layer 3 can be formed of, for example, a SiO 2 film. In addition, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like can be applied. The thickness of the insulating layer 3 can be determined in consideration of the geometric plane size of the MIM reflector 50 and the required capacitor value in terms of circuit characteristics, and is, for example, about several tens nm to several hundreds nm. . The insulating layer 3 can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method, a sputtering method, or the like.
同様に、層間絶縁膜9は、例えば、SiO2膜で形成することができる。その他、Si3N4膜、SiON膜、HfO2膜、Al2O3膜などを適用することもできる。層間絶縁膜9の厚さは、図4(a)に示すように、第2の電極2と層間絶縁膜9の全体の厚さが、第1の電極4の厚さと略同程度となるように設定されている。層間絶縁膜9は、CVD法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 Similarly, the interlayer insulating film 9 can be formed of, for example, a SiO 2 film. In addition, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like can be applied. As shown in FIG. 4A, the thickness of the interlayer insulating film 9 is such that the total thickness of the second electrode 2 and the interlayer insulating film 9 is approximately the same as the thickness of the first electrode 4. Is set to The interlayer insulating film 9 can be formed by a CVD method or a sputtering method.
また、絶縁体基板10は、半導体層91aよりも低誘電率材料の基板からなることが、電波を効率良く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板10としては、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン(登録商標)基板などを適用することができる。絶縁体基板10の厚さは、例えば、200μm程度である。 The insulator substrate 10 is preferably made of a substrate having a lower dielectric constant than the semiconductor layer 91a in order to efficiently extract radio waves. As the insulating substrate 10 made of a low dielectric constant material, for example, a polyimide resin substrate, a Teflon (registered trademark) substrate, or the like can be applied. The thickness of the insulator substrate 10 is, for example, about 200 μm.
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子において、上方は空気であるため、比誘電率εair=1である。絶縁体基板10として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、ポリイミド樹脂の比誘電率εpoly=3.5であるため、全体の発振出力に対する絶縁体基板10の下方への発振出力の割合は、εpoly 3/2/(εair 3/2+εpoly 3/2)=0.87で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約87%は、絶縁体基板10側に放射され、ホーン開口部80から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。 In the terahertz oscillation device according to the first embodiment, since the upper side is air, the relative dielectric constant ε air = 1. When a polyimide resin substrate is used as the insulator substrate 10, since the relative permittivity ε poly = 3.5 of the polyimide resin, the ratio of the oscillation output below the insulator substrate 10 to the total oscillation output is ε poly 3/2 / (ε air 3/2 + ε poly 3/2 ) = 0.87. That is, about 87% of the total oscillation output is radiated to the insulator substrate 10 side, and the oscillation output radiated laterally from the horn opening 80 is relatively increased.
さらに、絶縁体基板10として、テフロン(登録商標)樹脂基板を使用すると、テフロン(登録商標)の比誘電率εtef=2.1であるため、全体の発振出力に対する絶縁体基板10の下方への発振出力の割合は、εtef 3/2/(εair 3/2+εtef 3/2)=0.75で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約75%は、絶縁体基板10側に放射され、ホーン開口部80から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。 Further, when a Teflon (registered trademark) resin substrate is used as the insulator substrate 10, since the relative permittivity ε tef of the Teflon (registered trademark) is 2.1, the insulator substrate 10 is directed downward with respect to the entire oscillation output. The ratio of the oscillation output is represented by ε tef 3/2 / (ε air 3/2 + ε tef 3/2 ) = 0.75. That is, about 75% of the total oscillation output is radiated to the insulator substrate 10 side, and the oscillation output radiated laterally from the horn opening 80 is relatively increased.
MIMリフレクタ50は、図3(a)に示すように、第1の電極4aと第2の電極2間に絶縁層3を介在させた構造から形成されている。また、図3(b)から明らかなように、RTDからなる能動素子90は、絶縁体基板10上に第1の電極4aを介して、配置されている。第1の電極4aは、RTDのn+GaInAs層91bに接触して配置されている。第2の電極2は、RTDのn+GaInAs層91aに接触して配置されている。さらに、第1の電極4(4b,4c)は、絶縁体基板10上に延在して配置されている。 As shown in FIG. 3A, the MIM reflector 50 is formed from a structure in which an insulating layer 3 is interposed between the first electrode 4 a and the second electrode 2. As is clear from FIG. 3B, the active element 90 made of RTD is disposed on the insulator substrate 10 via the first electrode 4a. The first electrode 4a is disposed in contact with the n + GaInAs layer 91b of the RTD. The second electrode 2 is disposed in contact with the n + GaInAs layer 91a of the RTD. Further, the first electrode 4 (4b, 4c) is disposed so as to extend on the insulator substrate 10.
このように、第1の電極4が、絶縁体基板10上に延在して配置されていることから、第1の電極4と第2の電極2は、互いに短絡されることがなく、RTDのn+GaInAs層91aとn+GaInAs層91b間に所定の直流バイアス電圧を印加することができる。 Thus, since the 1st electrode 4 is extended and arrange | positioned on the insulator board | substrate 10, the 1st electrode 4 and the 2nd electrode 2 are not mutually short-circuited, but RTD. A predetermined DC bias voltage can be applied between the n + GaInAs layer 91a and the n + GaInAs layer 91b.
なお、第1の電極4には、ボンディングワイヤ12bが接続され、第2の電極2aには、ボンディングワイヤ12aが接続されて、第1の電極4と第2の電極2a間には、直流電源15が接続されている。また、第1の電極4と第2の電極2a間には、寄生発振を防止するための抵抗(図示省略)が接続されている。 Note that a bonding wire 12b is connected to the first electrode 4, a bonding wire 12a is connected to the second electrode 2a, and a DC power source is connected between the first electrode 4 and the second electrode 2a. 15 is connected. In addition, a resistor (not shown) for preventing parasitic oscillation is connected between the first electrode 4 and the second electrode 2a.
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子において、厚さdを有する絶縁体基板10をサンプル表面に貼付け、半導体基板をエッチングにより除去する工程後の模式的鳥瞰構造は、図5に示すように表され、図5の裏面から見た模式的鳥瞰構造は、図6に示すように表される。図5から明らかなように、第1の電極4は、直接絶縁体基板10に貼り付けられている。また、第2の電極2,2aは、図5では図示を省略しているが、図3に示すように、層間絶縁膜9を介して絶縁体基板10に貼り付けられている。図6の詳細構造は、図1に対応している。 In the terahertz oscillation device according to the first embodiment, a schematic bird's-eye view structure after the step of attaching the insulator substrate 10 having the thickness d to the sample surface and removing the semiconductor substrate by etching is as shown in FIG. The schematic bird's-eye view structure represented from the back surface of FIG. 5 is represented as shown in FIG. As is clear from FIG. 5, the first electrode 4 is directly attached to the insulator substrate 10. Although not shown in FIG. 5, the second electrodes 2 and 2 a are attached to the insulator substrate 10 via the interlayer insulating film 9 as shown in FIG. 3. The detailed structure of FIG. 6 corresponds to FIG.
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子において、半導体基板1上に電極パターンを形成後の模式的鳥瞰構造は、図7に示すように表され、図7のI−I線に沿う模式的断面構造は、図8(a)に示すように表され、図7のII−II線に沿う模式的断面構造は、図8(b)に示すように表される。 In the terahertz oscillation device according to the first embodiment, a schematic bird's-eye view structure after the electrode pattern is formed on the semiconductor substrate 1 is expressed as shown in FIG. 7 and schematically along the line II in FIG. The cross-sectional structure is expressed as shown in FIG. 8A, and the schematic cross-sectional structure along the line II-II in FIG. 7 is expressed as shown in FIG.
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子において、半導体基板1上に電極パターンを形成後の模式的鳥瞰構造は、図7〜図8に示すように、半導体基板1と、半導体基板1上に配置された第2の電極2,2aと、第2の電極2上に配置された絶縁層3と、第2の電極2に対して絶縁層3を介して配置され、かつ半導体基板1上に第2の電極2に対向して配置された第1の電極4(4a,4b,4c)と、絶縁層3を挟み第1の電極4aと第2の電極2間に形成されたMIMリフレクタ50と、MIMリフレクタ50に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された共振器60と、共振器60の略中央部に配置された能動素子90と、共振器60に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された導波路70と、導波路70に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置されたホーン開口部80とを備える。 In the terahertz oscillation device according to the first embodiment, a schematic bird's-eye view structure after the electrode pattern is formed on the semiconductor substrate 1 is formed on the semiconductor substrate 1 and the semiconductor substrate 1 as shown in FIGS. Second electrode 2, 2 a arranged, insulating layer 3 arranged on second electrode 2, arranged on insulating substrate 3 with respect to second electrode 2, and on semiconductor substrate 1 A first electrode 4 (4a, 4b, 4c) disposed opposite to the second electrode 2 and an MIM reflector 50 formed between the first electrode 4a and the second electrode 2 with the insulating layer 3 interposed therebetween. A resonator 60 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing the semiconductor substrate 1 adjacent to the MIM reflector 50, and an active disposed at a substantially central portion of the resonator 60. Adjacent to the element 90 and the resonator 60, the first electrode 4 and the first electrode facing the semiconductor substrate 1. A waveguide 70 arranged between the two electrodes 2, a first electrode 4 facing the semiconductor substrate 1 adjacent to the waveguide 70, and a horn opening 80 arranged between the second electrodes 2. Prepare.
図8(a)に対応する比較例の模式的断面構造は、図9(a)に示すように表され、図8(b)に対応する比較例の模式的断面構造は、図9(b)に示すように表される。 The schematic cross-sectional structure of the comparative example corresponding to FIG. 8A is represented as shown in FIG. 9A, and the schematic cross-sectional structure of the comparative example corresponding to FIG. ).
比較例の構造において、第1の電極4上に直接、また第2の電極2上に層間絶縁膜9を介して絶縁体基板10を貼付け、半導体基板1をエッチングで除去した後の上下反転した構造は、図4(a)および図4(b)に示すように表される。図4(a)および図4(b)に示すように、比較例においては、第2の電極2上には、半導体層91aが配置されるため、第2の電極2に対して、ワイヤボンディングなどの電極取り出し工程を行うには、半導体層91aをパターニングする工程が必要となる。或いは、図9(a)の構造において、第1の電極4上に直接絶縁体基板10を貼付け、半導体基板1をエッチングで除去した後、再度、別の絶縁体基板を貼付けて、先の絶縁体基板10を除去する工程を実施しようとすると、この工程は、テラヘルツ発振素子の薄膜構造による強度の点で困難となる。 In the structure of the comparative example, the insulator substrate 10 was pasted directly on the first electrode 4 and on the second electrode 2 via the interlayer insulating film 9, and the semiconductor substrate 1 was removed by etching and then turned upside down. The structure is represented as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, in the comparative example, the semiconductor layer 91a is disposed on the second electrode 2, so that the second electrode 2 is wire bonded. In order to perform the electrode extraction process such as the above, a process of patterning the semiconductor layer 91a is required. Alternatively, in the structure of FIG. 9A, after the insulator substrate 10 is directly pasted on the first electrode 4 and the semiconductor substrate 1 is removed by etching, another insulator substrate is pasted again and the previous insulation is performed. If it is going to carry out the process of removing the body substrate 10, this process becomes difficult in terms of strength due to the thin film structure of the terahertz oscillation element.
これに対して、第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の構造において、第1の電極4上に直接、また第2の電極2上に層間絶縁膜9を介して絶縁体基板10を貼付け、半導体基板1をエッチングで除去した後の上下反転した構造は、図3(a)および図3(b)に示すように表される。図3(a)および図3(b)に示すように、第1の実施の形態においては、第2の電極2上には半導体層91aが配置されが、第2の電極2aも露出するため、第2の電極2aに対して、ワイヤボンディングなどの電極取り出し工程を容易に行うことができる。 On the other hand, in the structure of the terahertz oscillation device according to the first embodiment, the insulator substrate 10 is pasted directly on the first electrode 4 and on the second electrode 2 via the interlayer insulating film 9. The structure upside down after the semiconductor substrate 1 is removed by etching is expressed as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). As shown in FIGS. 3A and 3B, in the first embodiment, the semiconductor layer 91a is disposed on the second electrode 2, but the second electrode 2a is also exposed. In addition, an electrode extraction process such as wire bonding can be easily performed on the second electrode 2a.
(製造工程)
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の製造方法においては、図8(a)および(b)に示すように、半導体基板1上に半導体層91aを形成後、パターニングによって、半導体層91aの幅を狭く形成し、半導体層91a上に形成される第2の電極2のパターン幅を狭く形成する。残りの部分には、第2の電極2に接続し、所定の幅を有し、相対的に厚い第2の電極2aを形成する。結果として、図8(a)および(b)に示すように、第2の電極2aが、半導体基板1に接触する構造を得る。
(Manufacturing process)
In the method for manufacturing the terahertz oscillation device according to the first embodiment, as shown in FIGS. 8A and 8B, after the semiconductor layer 91a is formed on the semiconductor substrate 1, the semiconductor layer 91a is patterned by patterning. The width is narrowed, and the pattern width of the second electrode 2 formed on the semiconductor layer 91a is narrowed. In the remaining portion, a second electrode 2a is formed which is connected to the second electrode 2 and has a predetermined width and is relatively thick. As a result, as shown in FIGS. 8A and 8B, a structure in which the second electrode 2a is in contact with the semiconductor substrate 1 is obtained.
次に、図3(a)および図3(b)に示すように、第1の電極4上に直接、また第2の電極2上に層間絶縁膜9を介して絶縁体基板10を貼付け、半導体基板1をエッチングで除去した後の上下反転した構造を得る。 Next, as shown in FIG. 3A and FIG. 3B, the insulator substrate 10 is pasted directly on the first electrode 4 and on the second electrode 2 via the interlayer insulating film 9, A vertically inverted structure after the semiconductor substrate 1 is removed by etching is obtained.
次に、図1に示すように、第1の電極4にボンディングワイヤ12bを接続し、第2の電極2aに、ボンディングワイヤ12aを接続することで電極取り出しを実施する。 Next, as shown in FIG. 1, the bonding wire 12b is connected to the first electrode 4, and the bonding wire 12a is connected to the second electrode 2a, whereby the electrode is taken out.
半導体基板1は、例えば、半絶縁性のInP基板によって形成され、厚さは、例えば、約600μm程度である。InP基板のエッチング液としては、例えば、塩酸系のエッチング液を適用することができる。 The semiconductor substrate 1 is formed of, for example, a semi-insulating InP substrate and has a thickness of about 600 μm, for example. As the etching solution for the InP substrate, for example, a hydrochloric acid-based etching solution can be applied.
(共鳴トンネルダイオード)
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子に用いられる能動素子90の模式的断面構造は、図10に示すように表される。図10は、半導体基板1上に配置された構造例であるが、その後の工程によって、第1の電極4aに絶縁体基板10を貼り付けた後、半導体基板1は、エッチングによって除去される。したがって、図10は、絶縁体基板10を貼り付け工程前における能動素子90近傍の模式的断面構造に相当している。
(Resonant tunnel diode)
A schematic cross-sectional structure of the active element 90 used in the terahertz oscillation element according to the first embodiment is expressed as shown in FIG. FIG. 10 shows an example of a structure disposed on the semiconductor substrate 1. After the insulator substrate 10 is attached to the first electrode 4 a in a subsequent process, the semiconductor substrate 1 is removed by etching. Therefore, FIG. 10 corresponds to a schematic cross-sectional structure in the vicinity of the active element 90 before the step of attaching the insulator substrate 10.
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子に用いられる能動素子90としてRTDの構成例は、図10に示すように、半絶縁性のInP基板からなる半導体基板1上に配置され,n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91aと、GaInAs層91a上に配置され,n型不純物をドープされたGaInAs層92aと、GaInAs層92a上に配置されたアンドープのGaInAs層93bと、GaInAs層93b上に配置されたAlAs層94a/GaInAs層95/AlAs層94bから構成されたRTD部と、AlAs層94b上に配置されたアンドープのGaInAs層93bと、GaInAs層93a上に配置され,n型不純物をドープされたGaInAs層92bと、GaInAs層92b上に配置され,n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91bと、GaInAs層91b上に配置された第1の電極4aと、GaInAs層91a上に配置された第2の電極2とを備える。 As shown in FIG. 10, a configuration example of an RTD as an active element 90 used in the terahertz oscillation element according to the first embodiment is arranged on a semiconductor substrate 1 made of a semi-insulating InP substrate, and is an n-type impurity. Heavily doped GaInAs layer 91a, GaInAs layer 92a doped with n-type impurities, undoped GaInAs layer 93b, GaInAs layer 93b disposed on GaInAs layer 92a An RTD portion composed of an AlAs layer 94a / GaInAs layer 95 / AlAs layer 94b disposed above, an undoped GaInAs layer 93b disposed on the AlAs layer 94b, and an n-type impurity disposed on the GaInAs layer 93a Doped on the GaInAs layer 92b and the GaInAs layer 92b, the n-type non- A GaInAs layer 91b doped with a pure substance at a high concentration, a first electrode 4a disposed on the GaInAs layer 91b, and a second electrode 2 disposed on the GaInAs layer 91a are provided.
図10に示すように、RTD部は、GaInAs層95をAlAs層94a、94bで挟んで形成されている。このように積層されたRTD部は、スペーサとして用いられるアンドープGaInAs層93a、93bを介在させてn型のGaInAs層92a、92b、及びn+型のGaInAs層91a、91bを介して、第2の電極2と第1の電極4にオーミックに接続される構造となっている。 As shown in FIG. 10, the RTD portion is formed by sandwiching a GaInAs layer 95 between AlAs layers 94a and 94b. The RTD portion laminated in this way is provided with the second n-type GaInAs layers 92a and 92b and the n + -type GaInAs layers 91a and 91b with the undoped GaInAs layers 93a and 93b used as spacers interposed therebetween. The electrode 2 and the first electrode 4 are ohmicly connected.
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。 Here, the thickness of each layer is as follows, for example.
n+型のGaInAs層91aおよび91bの厚さは、それぞれ例えば、約400nmおよび30nm程度である。n型のGaInAs層91aおよび91bの厚さは、略等しく、例えば、約50nm程度である。アンドープGaInAs層93aおよび93bの厚さは、略等しく、例えば、約5nm程度である。AlAs層94aおよび94bの厚さは、等しく、例えば、約1.5nm程度である。GaInAs層95の厚さは、例えば、約4.5nm程度である。 The thicknesses of the n + -type GaInAs layers 91a and 91b are, for example, about 400 nm and about 30 nm, respectively. The n-type GaInAs layers 91a and 91b are substantially equal in thickness, for example, about 50 nm. The undoped GaInAs layers 93a and 93b are substantially equal in thickness, for example, about 5 nm. The thicknesses of the AlAs layers 94a and 94b are equal, for example, about 1.5 nm. The thickness of the GaInAs layer 95 is about 4.5 nm, for example.
なお、図10に示す積層構造の側壁部には、SiO2膜、Si3N4膜、SiON膜、HfO2膜、Al2O3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、CVD法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 Note that an insulating film made of a SiO 2 film, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or a multilayer film thereof is deposited on the side wall portion of the laminated structure shown in FIG. You can also. The insulating layer can be formed by a CVD method, a sputtering method, or the like.
能動素子90を構成するRTDの寸法は、例えば、約1.4μm2程度以下である。例えば、室温で観測した発振周波数は、約460GHz程度である。また、例えば、発振時におけるテラヘルツ発振素子の電流密度Jpは、約7mA/μm2程度である。 The dimension of the RTD constituting the active element 90 is, for example, about 1.4 μm 2 or less. For example, the oscillation frequency observed at room temperature is about 460 GHz. Further, for example, the current density Jp of the terahertz oscillation element at the time of oscillation is about 7 mA / μm 2 .
(電磁界シミュレーション結果)
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のXYZ軸方向における3次元の電磁界シミュレーション結果の一例は、図11に示すように表され、図11に対応するX−Y平面上における電界パターンのシミュレーション結果は、図12に示すように表される。Y軸方向が、電波の出力方向であり、極めて良好な指向性が得られていることがわかる。図11の例は、図5および図6に示す第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子において、絶縁体基板10を、厚さd=200nmのポリイミド基板によって形成し、発振周波数f=0.5THzとした結果である。
(Electromagnetic field simulation results)
An example of a three-dimensional electromagnetic field simulation result in the XYZ-axis direction of the terahertz oscillation device according to the first embodiment is expressed as shown in FIG. 11, and the electric field pattern on the XY plane corresponding to FIG. The simulation result is expressed as shown in FIG. It can be seen that the Y-axis direction is the output direction of radio waves, and extremely good directivity is obtained. In the example of FIG. 11, in the terahertz oscillation device according to the first embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the insulator substrate 10 is formed of a polyimide substrate having a thickness d = 200 nm, and the oscillation frequency f = 0. The result is 5 THz.
(回路構成)
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の模式的回路構成は、図13(a)に示すように、能動素子90を構成するダイオードと、MIMリフレクタ50を構成するキャパシタCMの並列回路によって表される。第1の電極4にはダイオードのカソードが接続され、第2の電極2には、ダイオードのアノードが接続され、第1の電極4にはマイナスの電圧、第2の電極2にはプラスの電圧が印加される。発振状態においては、ホーン開口部の開口方向であるY軸方向に電磁波(hν)が指向性良く伝播される。
(Circuit configuration)
The schematic circuit configuration of the terahertz oscillation device according to the first embodiment is represented by a parallel circuit of a diode that configures the active device 90 and a capacitor CM that configures the MIM reflector 50, as shown in FIG. Is done. A diode cathode is connected to the first electrode 4, a diode anode is connected to the second electrode 2, a negative voltage is applied to the first electrode 4, and a positive voltage is applied to the second electrode 2. Is applied. In the oscillation state, the electromagnetic wave (hν) is propagated with good directivity in the Y-axis direction that is the opening direction of the horn opening.
13(a)に対応する第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の等価回路構成は、図13(b)に示すように表される。図13(b)に示すように、能動素子90を構成するRTDは、キャパシタC01とインダクタL01の並列回路で表わすことができ、MIMリフレクタ50のキャパシタCMがさらに並列に接続されるため、テラヘルツ電磁波(hν)の発振周波数fは、f=1/[2π(L01(C01+CM)1/2)で表される。 An equivalent circuit configuration of the terahertz oscillation device according to the first embodiment corresponding to 13 (a) is expressed as shown in FIG. 13 (b). As shown in FIG. 13B, the RTD constituting the active element 90 can be represented by a parallel circuit of a capacitor C01 and an inductor L01. Since the capacitor CM of the MIM reflector 50 is further connected in parallel, the terahertz electromagnetic wave The oscillation frequency f of (hν) is represented by f = 1 / [2π (L01 (C01 + CM) 1/2 ).
(変形例)
第1の実施の形態の変形例1に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図14(a)に示すように模式的に表され、変形例2に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図14(b)に示すように模式的に表される。
(Modification)
The electrode pattern structure of the terahertz oscillation device according to the first modification of the first embodiment is schematically represented as shown in FIG. 14A, and the electrode pattern structure of the terahertz oscillation device according to the second modification is It is schematically represented as shown in FIG.
変形例1に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、MIMリフレクタ50を構成する第2の電極2にスタブ構造を備える例であり、変形例2に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、MIMリフレクタ50を構成する第1の電極4にスタブ構造を備える例である。図3(a)から明らかなように、第2の電極2上には、半導体層91aが配置されているため、図14(a)および図14(b)では、半導体層91aが表示されているが、半導体層91aの下には、第2の電極2のパターンが同一のパターン形状で配置されている。 The electrode pattern structure of the terahertz oscillation element according to the modification 1 is an example in which the second electrode 2 constituting the MIM reflector 50 is provided with a stub structure, and the electrode pattern structure of the terahertz oscillation element according to the modification 2 is an MIM reflector. This is an example in which the first electrode 4 constituting 50 is provided with a stub structure. As apparent from FIG. 3A, since the semiconductor layer 91a is disposed on the second electrode 2, in FIG. 14A and FIG. 14B, the semiconductor layer 91a is displayed. However, the pattern of the second electrode 2 is arranged in the same pattern shape under the semiconductor layer 91a.
すなわち、図14(a)に示すように、MIMリフレクタ50を構成する部分において、第2の電極2は、複数のスタブ13Aを備える。 That is, as shown in FIG. 14A, the second electrode 2 includes a plurality of stubs 13 </ b> A in a portion constituting the MIM reflector 50.
また、図14(b)に示すように、MIMリフレクタ50を構成する部分において、第1の電極4は、複数のスタブ13Bを備える。 Further, as shown in FIG. 14B, the first electrode 4 includes a plurality of stubs 13 </ b> B in a portion constituting the MIM reflector 50.
複数のスタブ13Aまたは13Bは、共振器60に面して等間隔に配置されていてもよく、或いは、その間隔が変化するように配置されていてもよい。 The plurality of stubs 13A or 13B may be arranged at equal intervals facing the resonator 60, or may be arranged so that the intervals thereof change.
上記の変形例1と変形例2を組み合わせて、第2の電極2と第1の電極4の両方に複数のスタブを備えていてもよい。 A combination of Modification 1 and Modification 2 may include a plurality of stubs on both the second electrode 2 and the first electrode 4.
電磁波の伝送線路の一部に電磁波の波長の4分の1の長さのスタブを設けて、その中に電磁波を引き込み、それを反射させて伝送線路に戻すことにより共振回路が形成されることが分かっている。これは、伝送線路に入射した電磁波のうち、スタブの長さの4倍の波長を持つ電磁波のみが、スタブの位置で等価的に短絡され、これによって当該電磁波が反射されるため、その電磁波の伝送線路からの漏れが少なくなるという現象である。この方法によれば、入力される電磁波の波長に対してスタブの長さが4分の1波長と決まっているために、電磁波の波長がスタブの長さの4倍になる電磁波に対しては強く共振して反射させることができるが、帯域幅の広い電磁波についてはその反射効果は少ない。 A resonant circuit is formed by providing a stub with a quarter of the wavelength of the electromagnetic wave in a part of the transmission line of the electromagnetic wave, drawing the electromagnetic wave into the stub, reflecting it, and returning it to the transmission line. I know. This is because only the electromagnetic wave having a wavelength four times the length of the stub out of the electromagnetic wave incident on the transmission line is equivalently short-circuited at the position of the stub, and this electromagnetic wave is reflected thereby. This is a phenomenon that leakage from the transmission line is reduced. According to this method, since the length of the stub is determined to be a quarter wavelength with respect to the wavelength of the input electromagnetic wave, for the electromagnetic wave in which the wavelength of the electromagnetic wave is four times the length of the stub. Although it can be strongly resonated and reflected, an electromagnetic wave having a wide bandwidth has little reflection effect.
第1の実施の形態の変形例1のスタブ13Aの長さは、帯域を持った入射電磁波の中心部分の電磁波の4分の1波長としないで、4分の1からずれた長さにする。例えば、反射させたい周波数幅があったときその周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波を一部反射させるための2波長〜3波長以上の長さのスタブ13Aを多く設けることにより、反射させたい周波数幅の電磁波を幅広い範囲で反射させることが可能である。 The length of the stub 13A of the first modification of the first embodiment is not a quarter wavelength of the electromagnetic wave at the center of the incident electromagnetic wave having a band, but is shifted from the quarter. . For example, when there is a frequency width to be reflected, it is desired to reflect by providing many stubs 13A having a length of 2 to 3 wavelengths for partially reflecting electromagnetic waves having a median frequency of the frequency width. It is possible to reflect electromagnetic waves having a frequency range in a wide range.
当然のことながら、電磁波の反射率は4分の1波長のときと比べると小さくなるのであるが、それでもスタブがない場合と比較するとかなりの反射が起こる。そして、共振条件がゆるい分だけ、ある帯域を持った周波数(ある波長の幅を持った電磁波)に対して、満遍なく反射する効果がある。また、多段スタブの間隔は、反射させたい電磁波の周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波に対して、波長の半分程度の長さとすることにより各スタブからの反射の間に強め合う干渉(ブラッグ反射)が起こり、反射波が重ねあわされて、反射率がほぼ100%の大きな値になる。スタブの長さ、数、間隔によって、反射する周波数幅、中心周波数は総合的に決定される。 Naturally, the reflectivity of the electromagnetic wave is smaller than that of the quarter wavelength, but still a considerable amount of reflection occurs compared to the case where there is no stub. And, there is an effect of uniformly reflecting a frequency having a certain band (electromagnetic wave having a certain wavelength width) as much as the resonance condition is loose. In addition, the multi-stage stub spacing is about half the wavelength of electromagnetic waves having a median frequency of the frequency width of the electromagnetic waves to be reflected. Reflection) occurs, the reflected waves are superimposed, and the reflectance becomes a large value of almost 100%. Depending on the length, number, and interval of the stubs, the reflected frequency width and the center frequency are comprehensively determined.
所定の帯域幅を有する電磁波の中心波長をλ0として、スタブの間隔をλ0/2とすると、反射率が100%に近い電磁波の波長範囲Δλを得ることができる。このとき、スタブの長さは、2〜3λ0以上に設計するのがよい。また、スタブの幅がスタブの間隔の半分のとき、スタブ数5〜10個程度の少ない数で100%に近い大きな反射率となる。スタブ幅がそれ以外のときは大きな反射率を得るためにはスタブ数を増やす必要があり、また、周波数幅も狭くなる。しかしながら、これらの長さは限定されるものではなく反射する帯域幅との関係で設計的に規定されるものである。 0 the center wavelength of the electromagnetic wave lambda having a predetermined bandwidth, and the distance of the stub and lambda 0/2, the reflectivity can be obtained a wavelength range Δλ of electromagnetic waves close to 100%. At this time, the length of the stub, it is preferable to design the 2~3Ramuda 0 or more. Further, when the width of the stub is half of the stub interval, a large reflectance close to 100% is obtained with a small number of about 5 to 10 stubs. When the stub width is other than that, it is necessary to increase the number of stubs in order to obtain a large reflectance, and the frequency width is also narrowed. However, these lengths are not limited and are defined in terms of design in relation to the reflected bandwidth.
なお、第1の実施形態の変形例1では、スタブ13AおよびMIMリフレクタにより、閉口部側に伝送する漏れ電磁波が反射され、開口側に戻される。そして、反射された電磁波が出力として放射されるために、能動素子90から発振される電磁波は高出力となる。 In the first modification of the first embodiment, the leaked electromagnetic wave transmitted to the closing portion side is reflected by the stub 13A and the MIM reflector and returned to the opening side. And since the reflected electromagnetic waves are radiated | emitted as an output, the electromagnetic waves oscillated from the active element 90 become a high output.
第1の実施形態の変形例2においてもスタブ13Bの動作は、スタブ13Aと同様であるため、重複する説明は省略する。 Also in the second modification of the first embodiment, the operation of the stub 13B is the same as that of the stub 13A, and thus a duplicate description is omitted.
なお、第2の電極2と第1の電極4の両方に多段のスタブを設けることにより、片方だけの場合に比べ約半分のスタブ数で同等の大きな反射率を得ることができる。また、周波数幅や中心周波数を決める際の設計の自由度を上げることができるので、設計上極めて有効である。なお、第2の電極2と第1の電極4の双方に付けるスタブの長さ、数、間隔は必ずしも等しい必要はなく、設計上自由に変更することができる。 By providing multistage stubs on both the second electrode 2 and the first electrode 4, it is possible to obtain the same large reflectivity with about half the number of stubs as compared with the case of only one. In addition, the degree of freedom in design when determining the frequency width and center frequency can be increased, which is extremely effective in design. Note that the length, number, and interval of the stubs attached to both the second electrode 2 and the first electrode 4 are not necessarily equal, and can be freely changed in design.
第1の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高く発振することができ、しかも集積化が容易となる。 According to the terahertz oscillation device according to the first embodiment, the directivity in the lateral direction is improved by using the low dielectric constant insulator substrate, and the directivity is directed in the lateral direction with respect to the substrate with high efficiency and high output. It can oscillate with high performance and can be easily integrated.
第1の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ発振素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、MIMレフレクタを構成する電極にスタブ構造を組み合わせることによって、基板に水平な方向にさらに効率良く、指向性高く電磁波を取り出すことが可能となる。 According to the terahertz oscillation device according to the modification of the first embodiment, the directivity in the lateral direction is improved by using the low dielectric constant insulating substrate, and the stub structure is combined with the electrodes constituting the MIM reflector. Thus, it becomes possible to extract electromagnetic waves more efficiently in the direction horizontal to the substrate and with higher directivity.
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図15に示すように表される。
(Second Embodiment)
A schematic planar configuration of the electrode pattern structure of the terahertz oscillation device according to the second embodiment is expressed as shown in FIG.
第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においても第1の電極4(4a,4b,4c)、第2の電極2,2a、MIMリフレクタ50、共振器60、能動素子90の構成は、第1の実施の形態と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。 Also in the terahertz oscillation device according to the second embodiment, the configurations of the first electrode 4 (4a, 4b, 4c), the second electrode 2, 2a, the MIM reflector 50, the resonator 60, and the active element 90 are as follows. Since this is the same as that of the first embodiment, the redundant description will be omitted below.
第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子は、図15に示すように、絶縁体基板10と、絶縁体基板10上に配置された第1の電極4(4a,4b,4c)と、第1の電極4a(図3)上に配置された絶縁層3(図3)と、絶縁体基板10上に配置された層間絶縁膜9(図3)と、層間絶縁膜9上に配置され、かつ第1の電極4aに対して絶縁層3を介して第1の電極4に対向して配置された第2の電極2,2aと、第2の電極2上に配置された半導体層91aと、絶縁体基板10上に第1の電極4に隣接し、かつ第2の電極2aとは反対側に第1の電極4に対向して配置された第1スロットライン電極41と、絶縁体基板10上に第2の電極2aに隣接し、かつ第1の電極4とは反対側に第2の電極2aに対向して配置された第2スロットライン電極21と、絶縁層3を挟み第1の電極4aと第2の電極2間に形成されたMIMリフレクタ50と、MIMリフレクタ50に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された共振器60と、共振器60の略中央部に配置された能動素子90と、共振器60に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された第1導波路70と、第1導波路70に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された第1ホーン開口部80と、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第1スロットライン電極41間に配置された第2導波路71と、第2導波路71に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第1スロットライン電極41間に配置された第2ホーン開口部81と、絶縁体基板10上に対向する第2の電極2aと第2スロットライン電極21間に配置された第3導波路72と、第3導波路72に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第2の電極2aと第2スロットライン電極21間に配置された第3ホーン開口部82とを備える。 As shown in FIG. 15, the terahertz oscillation device according to the second embodiment includes an insulator substrate 10, a first electrode 4 (4 a, 4 b, 4 c) disposed on the insulator substrate 10, An insulating layer 3 (FIG. 3) disposed on one electrode 4a (FIG. 3), an interlayer insulating film 9 (FIG. 3) disposed on the insulator substrate 10, and an interlayer insulating film 9. In addition, the second electrodes 2 and 2a disposed opposite the first electrode 4 with respect to the first electrode 4a through the insulating layer 3, and the semiconductor layer 91a disposed on the second electrode 2; A first slot line electrode 41 disposed on the insulator substrate 10 adjacent to the first electrode 4 and opposite the first electrode 4 on the opposite side of the second electrode 2a; 10 and a second slot disposed adjacent to the second electrode 2a and opposite the first electrode 4 on the opposite side of the second electrode 2a. The line electrode 21, the MIM reflector 50 formed between the first electrode 4 a and the second electrode 2 with the insulating layer 3 interposed therebetween, and the first electrode which is adjacent to the MIM reflector 50 and faces the insulator substrate 10. The resonator 60 disposed between the electrode 4 and the second electrode 2, the active element 90 disposed substantially at the center of the resonator 60, and the resonator 60 are adjacent to each other on the insulator substrate 10. A first waveguide 70 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2, and the first electrode 4 and the second electrode adjacent to the first waveguide 70 and opposed to the insulator substrate 10. A first horn opening 80 disposed between the electrodes 2, a second waveguide 71 disposed between the first electrode 4 and the first slot line electrode 41 opposed to each other on the insulator substrate 10, and a second conductor. Adjacent to the waveguide 71, the first electrode 4 and the first slot line electrode facing the insulator substrate 10 are opposed to each other. 41, a second horn opening 81, a second waveguide 2a facing the insulator substrate 10, and a third waveguide 72 disposed between the second slot line electrodes 21, and a third waveguide. 72, the second electrode 2 a facing the insulator substrate 10 and the third horn opening 82 disposed between the second slot line electrodes 21 are provided.
第1の実施の形態と同様に、能動素子90としてはRTDが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、TUNNETTダイオード、IMPATTダイオード、GaAsFET、GaN系FET、HEMT、HBTなどを適用することもできる。 As in the first embodiment, the active element 90 is typically an RTD, but other diodes or transistors may be used. As other active elements, for example, TUNETTT diodes, IMPATT diodes, GaAsFETs, GaN-based FETs, HEMTs, HBTs, and the like can be applied.
ホーン開口部80〜82は、開口ホーンアンテナを構成する。 The horn openings 80 to 82 constitute an open horn antenna.
第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においては、図15に示すように、出力端におけるスロットライン電極21および41の幅W4は、例えば、160μm程度である。また、図15に示すように、出力端におけるホーン開口部80の幅D20およびホーン開口部81および82の幅D10、および、スロットライン電極21および41の幅W4は、適宜変更可能である。 In the terahertz oscillation device according to the second embodiment, as shown in FIG. 15, the width W4 of the slot line electrodes 21 and 41 at the output end is, for example, about 160 μm. As shown in FIG. 15, the width D20 of the horn opening 80, the width D10 of the horn openings 81 and 82, and the width W4 of the slot line electrodes 21 and 41 at the output end can be changed as appropriate.
導波路70は、共振器60の開口部に配置される。 The waveguide 70 is disposed in the opening of the resonator 60.
MIMリフレクタ50は共振器60の開口部と反対側の閉口部に配置される。 The MIM reflector 50 is disposed in a closed portion opposite to the opening of the resonator 60.
MIMリフレクタ50を構成する部分において、第2の電極2は、図14(a)に示された第1の実施の形態の変形例1と同様の複数のスタブを備えていても良い。 In the portion constituting the MIM reflector 50, the second electrode 2 may include a plurality of stubs similar to those of the first modification of the first embodiment shown in FIG.
同様に、MIMリフレクタ50を構成する部分において、第2の電極2は、図14(b)に示された第1の実施の形態の変形例2と同様の複数のスタブを備えていても良い。 Similarly, in the portion constituting the MIM reflector 50, the second electrode 2 may include a plurality of stubs similar to those of the second modification of the first embodiment shown in FIG. .
また、上記において、複数のスタブは、共振器60に面して等間隔に配置されていても良く、また、間隔が変化するように配置されていても良い。 In the above description, the plurality of stubs may be arranged at equal intervals facing the resonator 60, or may be arranged so that the intervals change.
また、絶縁体基板10は、半導体層91aよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板10としては、第1の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン(登録商標)基板などを適用することができる。 The insulator substrate 10 is preferably made of a substrate having a lower dielectric constant than that of the semiconductor layer 91a in order to extract radio waves efficiently in the lateral direction and with high directivity. As the insulator substrate 10 made of a low dielectric constant material, for example, a polyimide resin substrate, a Teflon (registered trademark) substrate, or the like can be applied as in the first embodiment.
絶縁体基板10として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、全体の発振出力の内、約87%は、絶縁体基板10側に放射され、ホーン開口部80から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点は、第1の実施の形態と同様である。 When a polyimide resin substrate is used as the insulator substrate 10, about 87% of the total oscillation output is radiated to the insulator substrate 10 side, and the oscillation output radiated laterally from the horn opening 80 is relative. The point which increases automatically is the same as that of the first embodiment.
また、絶縁体基板10として、テフロン(登録商標)樹脂基板を使用すると、第1の実施の形態と同様に、全体の発振出力の内、約75%は、絶縁体基板10側に放射され、ホーン開口部80から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点も、第1の実施の形態と同様である。 Further, when a Teflon (registered trademark) resin substrate is used as the insulator substrate 10, about 75% of the entire oscillation output is radiated to the insulator substrate 10 side as in the first embodiment, The oscillation output radiated from the horn opening 80 in the lateral direction is the same as that of the first embodiment in that the oscillation output is relatively increased.
第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においては、能動素子90に接続された第1の電極4および第2の電極2からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、同じ形状をしたテーパ形状の1対のスロットライン電極41、21を配置することで、第1の実施の形態に比べ、指向性がさらに向上する。 In the terahertz oscillation device according to the second embodiment, the taper-shaped 1 having the same shape is formed on both sides of the taper slot antenna including the first electrode 4 and the second electrode 2 connected to the active device 90. By arranging the pair of slot line electrodes 41 and 21, the directivity is further improved as compared with the first embodiment.
第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、第1の電極4および第2の電極2からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、テーパ形状の1対のスロットライン電極41、21を並列化配置することで、絶縁体基板10上にテーパスロットアンテナを集積化しても、絶縁体基板10の影響を抑制し、充分な指向性を得ることができる。 According to the terahertz oscillation device according to the second embodiment, a pair of tapered slot line electrodes 41 and 21 are arranged in parallel on both sides of the tapered slot antenna including the first electrode 4 and the second electrode 2. By arranging them in a uniform manner, even if the tapered slot antenna is integrated on the insulator substrate 10, the influence of the insulator substrate 10 can be suppressed and sufficient directivity can be obtained.
中央部の第1の電極4および第2の電極2からなるテーパスロットアンテナから広がった電界が、両サイドに設けた1対のスロットライン電極41、21に引き込まれて、スロットライン電極41、21の端面で反射され、中央部の第1の電極4および第2の電極2に戻ってくる。このとき、中央部の第1の電極4および第2の電極2およびスロットライン電極41、21内には、定在波が形成され、反射してきた電界によって、外部に電磁波が放射される。中央部の第1の電極4および第2の電極2および1対のスロットライン電極41、21からの放射電磁界が、干渉し合うことによって、指向性が向上する。 The electric field spread from the tapered slot antenna composed of the first electrode 4 and the second electrode 2 in the center is drawn into a pair of slot line electrodes 41, 21 provided on both sides, and the slot line electrodes 41, 21 And is returned to the first electrode 4 and the second electrode 2 at the center. At this time, a standing wave is formed in the first electrode 4 and the second electrode 2 and the slot line electrodes 41 and 21 in the central portion, and electromagnetic waves are radiated to the outside by the reflected electric field. Directivity is improved by the interference of the electromagnetic fields radiated from the center first electrode 4 and second electrode 2 and the pair of slot line electrodes 41 and 21.
第2の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高く発振することができ、しかも集積化が容易である。 According to the terahertz oscillation device according to the second embodiment, the directivity in the lateral direction is improved by using an insulating substrate having a low dielectric constant, and the standing wave is effectively arranged by arranging the slot line electrodes in parallel. Therefore, it is possible to oscillate with high directivity in the lateral direction with respect to the substrate with high efficiency and high output, and integration is easy.
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図16に示すように表される。
(Third embodiment)
A schematic planar configuration of the electrode pattern structure of the terahertz oscillation device according to the third embodiment is expressed as shown in FIG.
第3の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においても第1の電極4、第2の電極2、MIMリフレクタ50、共振器60、能動素子90、第1のスロットライン電極41、第2のスロットライン電極21の構成は、第2の実施の形態と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。 Also in the terahertz oscillation device according to the third embodiment, the first electrode 4, the second electrode 2, the MIM reflector 50, the resonator 60, the active device 90, the first slot line electrode 41, the second slot line Since the configuration of the electrode 21 is the same as that of the second embodiment, a redundant description is omitted below.
第3の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子は、図16に示すように、図15に示した第2の実施の形態の電極パターン構成に対して、さらに、1対のスロットライン電極22,42を並列化配置した点に特徴を有する。すなわち、絶縁体基板10上に第1スロットライン電極41に隣接し、かつ第1の電極4とは反対側に第1スロットライン電極41に対向して配置された第3スロットライン電極42と、絶縁体基板10上に第2スロットライン電極21に隣接し、かつ第2の電極2aとは反対側に第2スロットライン電極21に対向して配置された第4スロットライン電極22と、絶縁体基板10上に対向する第1スロットライン電極41と第3スロットライン電極42間に配置された第4導波路74と、第4導波路74に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1スロットライン電極41と第3スロットライン電極42間に配置された第4ホーン開口部84と、絶縁体基板10上に対向する第2スロットライン電極21と第4スロットライン電極22間に配置された第5導波路73と、第5導波路73に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第2スロットライン電極21と第4スロットライン電極22間に配置された第5ホーン開口部83とを備える。 As shown in FIG. 16, the terahertz oscillating device according to the third embodiment has a pair of slot line electrodes 22, 42 in addition to the electrode pattern configuration of the second embodiment shown in FIG. Is characterized by the fact that these are arranged in parallel. That is, the third slot line electrode 42 disposed on the insulator substrate 10 adjacent to the first slot line electrode 41 and opposite to the first electrode 4 and facing the first slot line electrode 41; A fourth slot line electrode 22 disposed adjacent to the second slot line electrode 21 on the insulator substrate 10 and opposite to the second slot line electrode 21 on the opposite side of the second electrode 2a; A fourth waveguide 74 disposed between the first slot line electrode 41 and the third slot line electrode 42 facing on the substrate 10, and a first waveguide facing the insulator substrate 10 adjacent to the fourth waveguide 74. A fourth horn opening 84 disposed between the first slot line electrode 41 and the third slot line electrode 42, and between the second slot line electrode 21 and the fourth slot line electrode 22 facing on the insulator substrate 10. The fifth waveguide 73 disposed and the fifth horn opening disposed between the second slot line electrode 21 and the fourth slot line electrode 22 facing the insulator substrate 10 adjacent to the fifth waveguide 73. Part 83.
また、絶縁体基板10は、半導体層91aよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板10としては、第1の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン(登録商標)基板などを適用することができる。 The insulator substrate 10 is preferably made of a substrate having a lower dielectric constant than that of the semiconductor layer 91a in order to extract radio waves efficiently in the lateral direction and with high directivity. As the insulator substrate 10 made of a low dielectric constant material, for example, a polyimide resin substrate, a Teflon (registered trademark) substrate, or the like can be applied as in the first embodiment.
図16の構成において、発振周波数は0.64THzが得られており、スロットライン電極21,41の外側に1対のスロットライン電極22,42をさらに並列化配置することによって、指向性がさらに向上する。 In the configuration of FIG. 16, the oscillation frequency is 0.64 THz, and the directivity is further improved by arranging a pair of slot line electrodes 22 and 42 in parallel outside the slot line electrodes 21 and 41. To do.
第3の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつ2対のスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高く発振することができ、しかも集積化が容易である。 According to the terahertz oscillating device according to the third embodiment, the lateral directivity is improved by using an insulating substrate having a low dielectric constant, and two pairs of slot line electrodes are arranged in parallel. By effectively generating the wave, it is possible to oscillate with high directivity in the lateral direction with respect to the substrate with higher efficiency and higher output, and integration is easy.
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1の実施の形態およびその変形例、第2、第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described according to the first embodiment and its modifications, and the second and third embodiments. However, the description and the drawings that form a part of this disclosure are exemplary. It should not be understood as limiting the invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
第2の実施の形態および第3の実施の形態においては、スロットライン電極を1対若しくは2対並列化配置して定在波を有効に発生させる例が開示されているが、スロットライン電極は、さらに3対以上の複数対配置しても良い。 In the second embodiment and the third embodiment, there is disclosed an example in which a standing wave is effectively generated by arranging one or two pairs of slot line electrodes in parallel. Further, a plurality of pairs of three or more pairs may be arranged.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.
本発明のテラヘルツ発振素子は、THz帯の周波数領域で動作する発振・増幅素子として、THzイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測、セキュリティー分野など、幅広い分野に適用することができる。 The terahertz oscillation device of the present invention is an oscillation / amplification device that operates in the frequency region of the THz band. In addition to THz imaging, large-capacity communication / information processing, measurement in various fields such as physical properties, astronomy, and organisms, security field, etc. Can be applied to a wide range of fields.
1…半導体基板
2、2a…第2の電極
3…絶縁層
4、4a、4b、4c…第1の電極
5,6…凹部
7…凸部
8…突起部
9…層間絶縁膜
10…絶縁体基板
13A,13B…スタブ
15…直流電源
21,22,41,42…スロットライン電極
50…MIMリフレクタ
60…共振器
70,71,72,73,74…導波路
80,81,82,83,84…ホーン開口部
90…能動素子
91a…半導体層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate 2, 2a ... 2nd electrode 3 ... Insulating layer 4, 4a, 4b, 4c ... 1st electrode 5, 6 ... Concave part 7 ... Convex part 8 ... Protrusion part 9 ... Interlayer insulating film 10 ... Insulator Substrate 13A, 13B ... Stub 15 ... DC power supply 21, 22, 41, 42 ... Slot line electrode 50 ... MIM reflector 60 ... Resonator 70, 71, 72, 73, 74 ... Waveguide 80, 81, 82, 83, 84 ... Horn opening 90 ... Active element 91a ... Semiconductor layer
Claims (20)
前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、
前記第1の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、
前記第2の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、
前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とする発振素子。 An insulator substrate;
A first electrode disposed on the insulator substrate;
An insulating layer disposed on the first electrode;
An interlayer insulating film disposed on the insulator substrate;
A second electrode disposed on the interlayer insulating film and disposed opposite to the first electrode via the insulating layer with respect to the first electrode;
A semiconductor layer disposed on the second electrode;
An MIM reflector formed between the first electrode and the second electrode across the insulating layer;
A resonator disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the MIM reflector;
An active element disposed substantially in the center of the resonator;
A waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the resonator;
An oscillating device comprising: a horn opening disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the waveguide.
前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、
前記第1の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、
前記第2の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁体基板上に前記第1の電極に隣接し、かつ前記第2の電極とは反対側に前記第1の電極に対向して配置された第1スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に前記第2の電極に隣接し、かつ前記第1の電極とは反対側に前記第2の電極に対向して配置された第2スロットライン電極と、
前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、
前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1導波路と、
前記第1導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2導波路と、
前記第2導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3導波路と、
前記第3導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3ホーン開口部と
を備えることを特徴とする発振素子。 An insulator substrate;
A first electrode disposed on the insulator substrate;
An insulating layer disposed on the first electrode;
An interlayer insulating film disposed on the insulator substrate;
A second electrode disposed on the interlayer insulating film and disposed opposite to the first electrode via the insulating layer with respect to the first electrode;
A semiconductor layer disposed on the second electrode;
A first slot line electrode disposed on the insulator substrate adjacent to the first electrode and opposite to the second electrode and facing the first electrode;
A second slot line electrode disposed on the insulator substrate adjacent to the second electrode and opposite to the first electrode and facing the second electrode;
An MIM reflector formed between the first electrode and the second electrode across the insulating layer;
A resonator disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the MIM reflector;
An active element disposed substantially in the center of the resonator;
A first waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the resonator;
A first horn opening disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the first waveguide;
A second waveguide disposed between the first electrode and the first slot line electrode facing each other on the insulator substrate;
A second horn opening disposed between the first electrode and the first slot line electrode facing the insulator substrate adjacent to the second waveguide;
A third waveguide disposed between the second electrode and the second slot line electrode facing each other on the insulator substrate;
An oscillation element comprising: the second electrode facing the insulator substrate, and a third horn opening disposed between the second slot line electrodes, adjacent to the third waveguide. .
前記絶縁体基板上に第2スロットライン電極に隣接し、かつ前記第2の電極とは反対側に前記第2スロットライン電極に対向して配置された第4スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第1スロットライン電極と前記第3スロットライン電極間に配置された第4導波路と、
前記第4導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1スロットライン電極と前記第3スロットライン電極間に配置された第4ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第2スロットライン電極と前記第4スロットライン電極間に配置された第5導波路と、
前記第5導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第2スロットライン電極と前記第4スロットライン電極間に配置された第5ホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項12に記載の発振素子。 A third slot line electrode disposed on the insulator substrate adjacent to the first slot line electrode and opposite the first slot line electrode to face the first slot line electrode;
A fourth slot line electrode disposed adjacent to the second slot line electrode on the insulator substrate and opposite to the second slot line electrode on the opposite side of the second electrode;
A fourth waveguide disposed between the first slot line electrode and the third slot line electrode facing each other on the insulator substrate;
A fourth horn opening disposed between the first slot line electrode and the third slot line electrode facing the insulator substrate adjacent to the fourth waveguide;
A fifth waveguide disposed between the second slot line electrode and the fourth slot line electrode facing each other on the insulator substrate;
The fifth horn opening disposed between the second slot line electrode and the fourth slot line electrode facing the insulator substrate adjacent to the fifth waveguide. Item 13. The oscillation element according to Item 12.
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