JP2021052276A - 素子、素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
テラヘルツ波の利得を有する半導体層を有するアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナの半導体層のそれぞれと並列に接続されたシャント素子と接続されている、
ことを特徴とする素子である。
複数のアンテナを有するアンテナアレイを備える素子の製造方法であって、
基板上に、テラヘルツ波の利得を有する半導体層を形成するステップと、
前記基板上に第1の導体層を形成するステップと、
隣接するアンテナの半導体層のそれぞれと並列に接続するシャント素子であって、前記複数のアンテナ間を前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインに接続するシャント素子を形成するステップと、
第3の導体層を形成して、前記第1の導体層と前記第3の導体層によって誘電体層を挟む構造である前記カップリングラインを形成するステップと、
を有することを特徴とする素子の製造方法である。
以下にて、実施形態1に係る半導体素子100について説明する。半導体素子100は、周波数(共振周波数;発振周波数)fTHzのテラヘルツ波(30GHz以上30THz以下の周波数領域の電磁波)を発生(発振)または検出する。なお、以降の説明では、半導体素子100を発振器として用いる例について説明する。また、半導体素子100の積層方向における各構成の長さを「厚さ」または「高さ」と呼ぶ。
以下では、まず、半導体素子100の回路構成について説明する。図1(a)は、半導体素子100の等価回路を説明する図である。図1(c)は、半導体素子100が有するバイアス回路Va,Vbの等価回路を説明する図である。
)を発生または検出するための半導体層115aを内部に有する。アンテナ100bも、アンテナ100aと同様の構成である。以下、アンテナ100aの構成について詳細に説明し、アンテナ100bにおけるアンテナ100aと同じ構成要素については、詳細な説明は省略する。
130が配置されていることによって、所望のテラヘルツ波の動作周波数fTHz以外の周波数において短絡されて、当該周波数において半導体素子100が低インピーダンスにされる。このため、複数の周波数帯での共振(マルチモード共振)の発生が抑制される。なお、アンテナの放射効率の観点では、シャント素子130は、カップリングライン109において定在する共振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界の節に配置(接続)されることが好ましい。ここで、「カップリングライン109において定在する共振周波数fTHzのテラヘルツ波の電解の節となる位置」とは、例えば、カップリングライン109において定在する共振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界強度が1桁程度低下する位置のことである。
続いて、半導体素子100の具体的な構造について説明する。図2(a)は半導体素子100の上面図である。図2(b)は図2(a)における半導体素子100のA−A’断面図であり、図2(c)は半導体素子100の図2(a)におけるB−B’断面図である。
層101aを含む。本実施形態では、活性層101aとしてRTDを用いている例について説明する。以降は、活性層101aをRTD101aとして説明する。
Re[YRTD]+Re[Yaa]≦0 (1)
Im[YRTD]+Im[Yaa]=0 (2)
ることが好ましい。
構成でもある。
半導体素子100は、2つのアンテナ100a,100bがE面結合(E−Plane
Coupled)したアンテナアレイを有する。各アンテナは、単体では周波数fTHzのテラヘルツ波を発振する。隣接したアンテナ間はカップリングライン109で相互に結合されており、テラヘルツ波の共振周波数fTHzにおいて相互注入同期される。
正位相(evenモード):周波数f=feven
Yeven=Yaa+Yab+YRTD
Re(Yeven)≦0 (4)
Im(Yeven)=0 (5)
逆位相(oddモード):周波数f=fodd
Yodd=Yaa+Yab+YRTD
Re(Yodd)≦0 (6)
Im(Yodd)=0 (7)
図3は、本実施形態に係る半導体素子100のインピーダンスと、シャント素子130を有しない従来の半導体素子のインピーダンスとの解析の結果の比較を示す。解析には、ANSYS社製の有限要素法高周波電磁界ソルバーであるHFSSを用いている。ここで、インピーダンスZは、アンテナ100aの全構造のアドミタンスであるYaaの逆数に相当する。また、Z_w/_shuntは、本実施形態のようにシャント素子130を有する場合のインピーダンスZである。Z_w/o_shuntは、従来のようにシャント素子130を有しない場合のインピーダンスZである。また、ReおよびImは、それぞれ実部および虚部を表し、虚部のインピーダンスが0である周波数において共振が生じる。
以下にて、変形例1に係る半導体素子200を説明する。図4(a)〜図4(c)は、変形例1に係る半導体素子200を示す。半導体素子200は、2つのアンテナ200a,200bがH面結合(H−Plane Coupled)されたアンテナアレイを有する。半導体素子200は、アンテナ間をAC結合(容量結合)によって結合した構成のアンテナアレイを有する。アンテナ200a,200bの構成および構造において、半導体素子100におけるアンテナ100a,100bと同様である部分については詳細な説明を省略する。
間の結合を弱めることができるので、アンテナ間の伝送ロスの抑制にもつながり、アンテナアレイの放射効率向上が期待される。なお、比較的厚さのある第1の誘電体層2041の内部にビア2071,2072を形成するため、ビア2071,2072の幅が大きくされてしまうことがある。しかし、本変形例のように、カップリングライン209から離れた場所にビア2071,2072を配置する構成では、ビア2071,2072の幅が大きくても(典型的にはλ/10以上)、アンテナの共振電界との干渉が抑制される。このため、アンテナ利得の改善が期待できる。
以下にて、図1(b)が示すシャント素子が抵抗のみから構成される具体例である、変形例2に係る半導体素子300について説明する。図5(a)〜図5(c)は、変形例2に係る半導体素子300を示す。半導体素子300は、接地導体である第1の導体層306とパッチ導体である第2の導体層303a,303bとの間に配置したカップリングライン309(マイクロストリップライン)によって隣接するアンテナ間を接続したアンテナアレイを有する。アンテナ300a,300bの構成および構造において、半導体素子100におけるアンテナ100a,100bと同様である部分については詳細な説明を省略する。
ある第1の導体層306と接続される。本変形例では、容量構造の集積が必要ないシンプルな構造であるため、製造工数の削減ができる。
実施例1として、実施形態1に係る半導体素子100の具体的な構成について、図2(a)〜図2(c)を用いて説明する。半導体素子100は、0.45〜0.50THzの周波数帯域で単一モード発振が可能な半導体デバイスである。
Terahz Waves (2014) 35:425−431(非特許文献4)に開示された構造である。RTD101a,101bの電流電圧特性では、測定値で、ピーク電流密度が9mA/μm2であり、単位面積当たりの微分負性コンダクタンスが10mS/μm2である。
の導体層106、RTD101aを含む半導体層115a、電極116a、導体117a、第2の導体層103aの順に積層されており、互いに電気的に接続されている。導体117aは、Cu(銅)を含む導体から構成されている。
cが直列接続されたシャント素子130が形成されている。
次に、本実施例の半導体素子100の製造方法について説明する。半導体素子100は、以下のように製造(作製)される。
(1)InPの基板113上に、InGaAs/AlAs系の半導体多層膜構造がエピタキシャル成長されて、RTD101a,101bを含む半導体層115a,115bが形成される。エピタキシャル成長には、分子ビームエピタキシー(MBE)法や有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法が用いられる。
(2)半導体層115a,115bの上に、Ti/Pd/Au層(20/20/200nm)がスパッタリング法により成膜されることによって、電極116a,116bに形成される。
(3)電極116a,116bと半導体層115a,115bが、直径2μmの円形のメサ形状に成形されることによってメサ構造が形成される。ここで、メサ形状の形成にはフォトリソグラフィーとICP(誘導性結合プラズマ)によるドライエッチングが用いられる。
(5)第3の誘電体層1043の上に、第4の導体層1181,1182を構成するTi/Au層(=5/300nm)が形成される。これによって、第4の導体層1181,1182と、第1の導体層106とによって、第3の誘電体層1043を挟むような容量Ccが形成される。
(6)プラズマCVD法により、厚さ2μmの酸化シリコンが成膜されることによって、第2の誘電体層1042が形成される。
(8)スパッタリング法およびドライエッチングを用いて、第2の誘電体層1042の上にW−Ti(0.2μm厚)の抵抗体層1191,1192が形成される。これによって、容量Ccと抵抗Rcが直列に接続されたシャント素子130が形成される。
(9)スパッタリング法およびドライエッチングを用いて、第2の誘電体層1042の上にTi/Au層(=5/300nm)の導体層111,1121,1122が形成される。
(11)フォトリソグラフィーとドライエッチングにより導体117a,117b、ビア114を形成する部分のBCBおよび酸化シリコンが除去されて、ビアホールが形成される。
(12)ビアホール内にCuを含む導体が埋め込まれて、導体117a,117b、ビア114が形成される。導体117a,117b、ビア114の形成には、スパッタリング法、電気めっき法、化学的機械研磨法が用いられて、Cuによるビアホール埋め込みと平坦化が実施される。
(14)フォトリソグラフィーとICP(誘導性結合プラズマ)によるドライエッチングによって、第2の導体層103a,103bと第3の導体層110のパターニングが行われる。これによって、カップリングライン109が形成される。
(15)チップ内にシャント抵抗121やMIM容量124が形成されて、シャント抵抗121やMIM容量124が、ワイヤーボンディングなどによって配線122および電源123と接続される。以上によって、半導体素子100が完成する。
・GaAs基板上に形成したGaAs/AlGaAs/およびGaAs/AlAs、InGaAs/GaAs/AlAs
・InP基板上に形成したInGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAs、InGaAs/AlGaAsSb
・InAs基板上に形成したInAs/AlAsSbおよびInAs/AlSb
・Si基板上に形成したSiGe/SiGe
115a,115b:半導体層、130:シャント素子
Claims (17)
- テラヘルツ波の利得を有する半導体層を有するアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナの半導体層のそれぞれと並列に接続されたシャント素子と接続されている、
ことを特徴とする素子。 - 前記複数のアンテナのそれぞれは、半導体層にバイアス信号を供給する電源を含むバイアス回路に接続されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の素子。 - 前記複数のアンテナのそれぞれは、
基板と、
前記基板上に積層された第1の導体層と、
前記第1の導体層と電気的に接続される前記半導体層と、
前記半導体層と電気的に接続される、前記半導体層を介して前記第1の導体層と対向する第2の導体層と、
前記第1の導体層と前記第2の導体層との間に形成された誘電体層と、
を含む、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の素子。 - 第3の導体層をさらに有し、
前記カップリングラインは、前記第3の導体層と前記第1の導体層によって前記誘電体層を挟んだ構造である、
ことを特徴とする請求項3に記載の素子。 - 前記第2の導体層は、前記第3の導体層と前記第1の導体層の間の層に形成されており、
前記第2の導体層と前記第3の導体層とが、前記誘電体層とは異なる他の誘電体層を挟むことによって容量を形成している、
ことを特徴とする請求項4に記載の素子。 - 前記複数のアンテナのそれぞれは、前記第1の導体層と前記第2の導体層の間の層に形成された第4の導体層をさらに含み、
前記シャント素子は、前記第4の導体層と前記第1の導体層によって前記誘電体層の一部を挟んだ容量と、抵抗とが直列に接続されることによって構成されている、
ことを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の素子。 - 前記シャント素子は、抵抗と容量が直列に接続することによって構成されている、
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の素子。 - 前記シャント素子における抵抗と容量のぞれぞれは、前記テラヘルツ波の周波数より低い周波数帯において前記半導体層のインピーダンスと比較して低いインピーダンスであるように設定されている、
ことを特徴とする請求項7に記載の素子。 - 前記シャント素子は、抵抗によって構成されている
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の素子。 - 前記シャント素子は、前記カップリングラインにおける前記テラヘルツ波の電界の節に接続されている、
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の素子。 - 前記アンテナアレイは、前記アンテナがm×nのマトリクス状に形成されている(m≧2,n≧2)、
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の素子。 - 前記アンテナは、前記テラヘルツ波の波長の整数倍のピッチで形成されている、
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の素子。 - 前記アンテナは、パッチアンテナである、
ことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の素子。 - 前記半導体層は、負性抵抗素子を含む、
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の素子。 - 前記負性抵抗素子は、共鳴トンネルダイオードである、
ことを特徴とする請求項14に記載の素子。 - 前記テラヘルツ波は、30GHz以上30THz以下の周波数領域の電磁波である、
ことを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載の素子。 - 複数のアンテナを有するアンテナアレイを備える素子の製造方法であって、
基板上に、テラヘルツ波の利得を有する半導体層を形成するステップと、
前記基板上に第1の導体層を形成するステップと、
隣接するアンテナの半導体層のそれぞれと並列に接続するシャント素子であって、前記複数のアンテナ間を前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインに接続するシャント素子を形成するステップと、
第3の導体層を形成して、前記第1の導体層と前記第3の導体層によって誘電体層を挟む構造である前記カップリングラインを形成するステップと、
を有することを特徴とする素子の製造方法。
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