JP5006642B2

JP5006642B2 - テラヘルツ波発振器

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Publication number: JP5006642B2
Application number: JP2006349233A
Authority: JP
Inventors: 泰史小山; 健明井辻; 敏彦尾内
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Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2012-08-22
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Description

本発明は、電磁波発振器に関し、特には、30GHｚ乃至30THｚのうちの任意の周波数帯域を有する高周波電磁波（本明細書ではテラヘルツ波と呼ぶ。）の電磁波発振器に関するものである。

近年、テラヘルツ波を通信、セキュリティー、医療などといった産業分野へ応用するための研究開発が活発に行われている。テラヘルツ波は、物質透過性と直進性を備え、物体からの反射信号や透過信号により、物体の内部情報を高分解能で取得することが出来る。そのため、以下に記載する様に、様々な非破壊及び非侵襲の検査技術が開発されてきている。

・Ｘ線の代用として、物体の透視イメージングを安全に行う技術
・物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態を調べる分光技術
・超伝導材料のキャリア濃度や移動度を評価する技術
・生体分子（DNAやたんぱく質）の解析技術

上記技術を実用化していく上で必要不可欠な開発要素の一つとして、テラヘルツ光源の開発が挙げられる。これまでに、フェムト秒レーザ励起光伝導素子や、非線形光学結晶を用いたテラヘルツ波パラメトリック発振器といったレーザ装置を用いた発生方法が開発されてきている。また、BWOやジャイロトロンといった小型電子真空管や自由電子レーザなどの大型電子線加速器を用いた発生方法なども開発されてきている。これらの方法は、周波数可変且つ高出力であるため様々な材料の指紋スペクトル同定など特殊な用途に威力を発揮するが、装置が大型化するため、一般向け又は産業向けとしては使用用途が限られる。

一方、小型の発生源として、次の様な発振器が開発されている。すなわち、ガンダイオードや共鳴トンネルダイオード（以下RTDとも記す）といった、電流注入による半導体中の電子の移動や遷移により生じる負性抵抗を利用した能動素子と、様々な種類のアンテナ（共振構造）を組み合わせた発振器が開発されている。これらの発振器は、低出力（特にテラヘルツ波帯域において顕著）ではあるが、単一周波数の小型発振器が実現可能であるため、様々な用途への応用が期待される。以下に従来の小型発振器の一例を記す。

非特許文献1では、能動素子としてMBEで成長したAlSb（1.5nm）障壁層とInAs（6.4nm）量子井戸層の2重障壁RTDを共振構造として、方形導波管（300μm×150μm）を組み合わせた小型発振器が提案されている。本文献では、単一素子で712GHzの周波数をもつサブミリ波の発振に成功しており、その出力は0.3μWとされている。

また、非特許文献2においては、能動素子としてGaAsガンダイオードを共振構造として、マイクロストリップライン型パッチアンテナ（以下MSL型パッチアンテナと記す）を組み合わせた平面集積型ガンダイオードアレイが提案されている。図7に示すこの平面集積型発振器は、能動素子（負性抵抗素子）、共振構造（アンテナ）、及びDC供給部（能動素子にDC給電するための回路及び電極）を、既知の半導体プロセスを用いて、基板平面上に一括形成することが可能である。その結果、発振器の小型化、アレイ化による高出力化、及び発振特性の向上が期待される。本文献では、4×1リニアアレイ型ガンダイオード（図7に示すもの）で12.423GHzの発振を、また、2×2ループアレイ型ガンダイオードで12.395GHzの発振が報告されている。

また、非特許文献3は、テラヘルツ波帯域における低出力化の対策として、高密度にアレイ化された発振素子を相互注入同期することにより、330GHz帯において発振器の高出力化が期待されると示唆している。
APL, Vol.58(20), P.2291, 1991 IEEE, Transactions on microwave theory and techniques, Vol.42,No.4, 1994 第53回応用物理学会関連講演会予稿集 2006 春季 No.3 23p-M-2

ところで、従来の平面集積型テラヘルツ波発振器においては、負性抵抗素子、アンテナ、電磁波共振部といった電磁波発振部以外に、基板上に回路、取り出し電極、ボンディングワイヤといったDC供給部を配置する必要がある。このDC供給部は凡そ1mm²オーダーの大きさとなるため、DC供給部にスペースが奪われ、基板上の電磁波発振部の設計の自由度が抑制されがちであった。また、電磁波放射部と同一面上にあるため、放射したテラヘルツ波とDC供給部の部材が干渉する恐れがあり、この観点からも設計の自由度が抑制されがちであった。これらの結果として、平面集積型のテラヘルツ波発振器の高密度アレイ化が容易とは言い難かった。

上記課題に鑑み、本発明のテラヘルツ波発振器は、基板と、利得部と電磁波共振部と電磁波放射部とグランド部を含む電磁波発振部と、電極と、前記電極に給電するための給電部と、を備える。グランド部は、利得部と電磁波共振部と電磁波放射部に対して、基準となる一定の電位を規定し、電磁波発振部は前記基板の第1の面に配置される。前記電極は、前記基板の第1の面と反対側の第2の面に配置される。そして、電磁波発振部と前記電極とは、前記基板内部に設けられた貫通電極を介し前記利得部にバイアス電圧を付与するように接続される。また、電磁波発振器の基板上面に、半球レンズ基板や曲面レンズ基板を積層する。

本発明の電磁波発振器によれば、基板の一面に電磁波発振部を配置して基板の他面に給電部を配置し、基板内部に貫通電極を配置して電磁波発振部と給電部を接続する。この結果、基板上の電磁波発振部の設計の自由度が向上し、電磁波放射部から放射した電磁波と給電部の部材が干渉する恐れが少なくなる。また、本発明の電磁波発振器は、基板の一面に、半球レンズ基板などの曲面レンズ基板を積層することが容易に可能となる。この場合、発振器から放射された電磁波を、半球レンズなどに結合させて、ビーム成形し、外部に効率良く取り出すことが出来る。

次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波に帯域を持つ平面集積型電磁波発振器の単一素子の上面図である。なお、図1において、自明の機能を持つ実装基板122やDC用ワイヤ118等は説明不要なため省略した。図2は、図1に示した単一素子のAA’断面図である。また、図3（a）、（b）は、それぞれ、本実施形態に係る平面集積型電磁波発振器をアレイ状に配置した発振器の上面図、及び下面図である。

先ず、図1及び図2を用いて、本実施形態の骨子となる平面集積型電磁波発振器の構成について説明する。

図1、図2に記す通り、本実施形態に係る発振器100では、基板112の上面に配置された電磁波発振部194と、基板112の下面に配置された給電用のDC供給部198とが、基板112内部に設置された貫通電極102を介して接続されている。電磁波発振部194は、RTD101、貫通電極102a、マイクロストリップライン型共振器103（以下、MSL共振器103と記す）、アンテナ104、誘電体107、GND層106から構成される。MSL共振器103とアンテナ104とGND層106は共振構造を構成する。GND層106は、利得部であるRTD101と、電磁波共振部であるMSL共振器103と、電磁波放射部であるアンテナ104に対して基準になる適当な一定の電位を規定するためのグランド部である。MSL共振器103は、位相スタブ105、第1のマイクロストリップライン109a（以下MSL109a）、第2のマイクロストリップライン109b（以下MSL109b）とから構成される。また、基板112は、内部に設置された貫通電極102b、102c、102d及び102eと、GND貫通電極110と、シールド113を含む。シールド113は基板112の平面方向に配置されており、一定の電位である接地電位を持つ。また、DC供給部198は、下面DC信号線190と下面DC電極パッド117を有する。

また、基板112の下部に配置された実装基板122上には、DC用半田ボール114、DC用配線119a、119b、119c、DC用ワイヤ118、GND用半田ボール120、GND用配線115、GND用ワイヤ121が設置されている。

すなわち、発振器100の母材となる基板112の上面には、電磁波を発振するためのパーツが配置され、基板112の下面には電磁波発振に必要なDC信号及び接地信号を供給するためのパーツが配置されている。そして、基板112内部には、それらを接続する為の貫通電極102が配置されている。貫通電極102は、102a、102b、102c、102d及び102eという複数の部材から構成されている。また、実装基板122には、DC電源を含む外部装置と発振器100とを電気的に接続する為の部材が配置されている。

本実施形態に係る平面集積型電磁波発振器の特徴及びその動作機構を説明する。RTD101にDC信号を給電することで、RTD101から、それが持つ負性抵抗から得られるミリ波乃至テラヘルツ波帯域の略単一の発振波長λ（λ：真空中の波長）の電磁波が誘導放射される。誘導放射された電磁波は、誘電体107中では、実効波長λ_g（λ_g：誘電体107中の波長）の電磁波と見なされ、マイクロストリップ型パッチアンテナ199（以下、MSL型パッチアンテナ199と記す）内を伝播する。MSL型パッチアンテナ199は、MSL共振器103、アンテナ104、GND部111、誘電体107、RTD101などから構成されている。そして、伝播する電磁波は、MSL型パッチアンテナ199内で定在波として共振しながら増幅され、或る条件にて、アンテナ104から発振波長の電磁波が発振される。この電磁波の発振条件としては、定性的には下記の（1）及び（2）で記した条件を同時に満たすことが必要となる。

（1）発振器100内部で増幅された電磁波λ_gが、或るしきい値を越えた時。すなわち、共振により得られる電磁波利得が、共振器100内の構成に起因する電磁波の損失（共振器内で消費される電力を含む）を上回ること。
（2）共振する電磁波λ_gの位相が整合する、すなわち、位相差が略0となること。

ここで、本実施形態の特徴の1つとして、RTD101に給電するDC供給部198、及び、それに外部から信号を与えるためのパーツを、RTD101を配置した基板112の面に対して対向した位置に配置している。また、加えて、電磁波発振部194内で定在化した電磁波λ_gが節となる位置、すなわち、定在化した電磁界分布の振幅が略0となる位置に、貫通電極102を配置している。これにより、電磁波発振部194に必要な部材、例えばMSL共振器103と、同じく基板112の下面に配置されたDC給電用部材、例えば下面DC信号線190が、基板112内部に配置された貫通電極102を介してDC的に接続される。この結果として、定在波の共振特性に影響を与えることなく、RTD101にDC給電を行うことができ、これまでDC給電のために必要であったDC信号線やボンディング用電極を基板112下面に設置する事が出来る。また、この効果として、基板112上面のレイアウトに余裕ができる為、発振器100の設計自由度が大幅に上がり、発振器100の高密度・高集積化が可能となる。こうして、小型で高出力なテラヘルツ波光源などを実現することが可能となる。なお、GND貫通電極110についても、定在化した電磁波λ_gが節となる位置に配置するのが良い。ただし、これら貫通電極102、110が、上記節の位置から多少ずれて配置される場合でも、電磁波発振部と給電部とを異なる基板面に配置することによる一定程度の効果は奏される。

更に、基板112内部又は下面に低周波用のシールド113を配置することで、給電側（供給部及びDC電源）からの低周波ノイズなどのノイズをシールドないし低減することが可能となり、寄生発振の防止などが実現できて、発振特性の向上に繋がる。

以下、本発明の具体的な実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第1の実施例）
図1乃至図3を用いて本発明に係る第1の実施例について説明する。なお、素子の詳細な寸法については各図面に記してある。

本実施例の発振器100は、発振周波数340GHz、すなわち、λ=840μm、実効波長λg=570μm（誘電体107としてBCB《ベンゾシクロブテン、誘電率:εr=2.8、以下BCBと記す》を用いた）の波長を持つテラヘルツ波を発振する様に設計されている。

まず、電磁波発振部194の構成の詳細を説明する。電磁波発振部194は、能動素子としてRTD101を、受動素子としてMSL型パッチアンテナ199を用いたタイプの発振素子である。電磁波発振部194は、RTD101、貫通電極102a、MSL共振器103、アンテナ104、誘電体107、GND層106から構成される。MSL共振部103は、位相スタブ105、MSL109a、MSL109bから構成される。

電磁波発振部194では、負性抵抗素子としてRTD101を用い、このRTD101はInGaAs/InAlAsヘテロ接合からなる3重障壁量子井戸構造の活性層、及びその上下に積層されたSiを高濃度にドープしたn⁺-InGaAsからなるコンタクト層から構成される。本実施例の活性層構造は、発振器100の上から順に下記の通りとなっており、RTD101の電流-電圧特性評価において、微分負性コンダクタンス（微分負性抵抗の逆数）で-4.1mSを確認している。

InGaAs 5.0nm
InAlAs 2.66nm
InGaAs 5.61nm
InAlAs 2.66nm
InGaAs 7.67nm
InAlAs 2.66nm
InGaAs 5.0nm

受動素子にあたるMSL型パッチアンテナ199は、MSL共振器103及びアンテナ104としてAu/Ti（3kÅ/0.3kÅ）を、誘電体107として3μm厚のBCBを、GND層106としてAu/Cr（3kÅ/0.5kÅ）を用いた。MSL型パッチアンテナ199は、負性コンダクタンスと発振波長を前述の値とし、及び特性インピーダンスを50Ωとして、高周波電磁界シミュレータを用いた計算により、次の様になっている。すなわち、図1乃至図3に記した通りの寸法で、340GHzのテラヘルツ波が発振する条件を満たす様に設計されている。

次に、DC信号を供給するために必要なDC供給部198、及び貫通電極113を含む基板112の構成及び構造について詳細を説明する。

基板112は、母材として、既存の半導体プロセスを用いて微細加工が容易に可能であるSi基板を用いた。基板112内部には、前述した特定の位置に配置されたDC給電用の貫通電極102b、102c、102d、102eと、GND供給用のGND貫通電極110a、110b、110cと、GND電位を持つシールド113が設置されている。シールド113は、基板112の平面方向に、GND電位を有した層として膜状に配置されている。貫通電極102aと貫通電極102c、102d、102eは、貫通電極102bによって接続されている。そして、これらは、基板112の下面に配置された下面DC信号線190に接続されており、実装基板122上に配置されたDC半田ボール114及び実装DC用配線119a及びDC用ワイヤ118を経由して、DC電源（不図示）へと接続される。また、GND層106と接続されたGND貫通電極110は、下面GNDパッド116に接続され、実装基板122に配置されたGND半田ボール120及び実装GND配線115及びGNDワイヤ121を経由して接地される（不図示）。シールド113は、GND貫通電極110bと接続されており、同じく接地されている。また、各配線及び電極と母材であるSi基板112との電気的な短絡を防止するため、基板112の周囲は熱酸化SiO₂からなる絶縁層111にて被覆されている。各部位の寸法は図に記してある。

貫通電極102の各部位の材料は、貫通電極102aはAu（3μm）、貫通電極102bはAu/Cr（3kÅ/0.5kÅ）、貫通電極102c及び102eはCu（300μm）、貫通電極102dはCr/Au/Cr（0.5kÅ/6kÅ/0.5kÅ）といった構成になっている。また、GND貫通電極110の各部位の材料は、GND貫通電極110a及び110cはCu（300μm）、貫通電極110bはCr/Au/Cr（0.5kÅ/6kÅ/0.5kÅ）といった構成になっている。また、各電極の直径は約5μmとした。

次に、発振器100の動作について説明する。貫通電極102を経由してDCにて電流注入されたRTD101は、活性層の3重量子井戸構造内の共鳴トンネル効果による電子のエネルギー状態遷移により、周波数340GHz、真空中の波長λ=840μmのテラヘルツ波が誘導放出される。この時の電磁波利得は、実測した-4.1mSの微分負性コンダクタンスから凡そ見積もることが出来る。放出された340GHzのテラヘルツ波は、RTD101とMSL型パッチアンテナ199と誘電体107とGND層106で形成された共振器中を、実効波長λg=570μmの定在波として伝播する。この共振器中を伝播するテラヘルツ波により、RTD101がフォトンアシスト的に活性化され誘導放出を繰り返す。このことで、或るDC電圧の閾値（およそ、電流-電圧特性において微分負性抵抗が得られるバイアス電圧値）において、340GHzの周波数を持つテラヘルツ波がアンテナ104から発振される。

この際、共振器中で定在化したテラヘルツ波に対して、本実施例の貫通電極102は、定在波の節、すなわち電磁界分布が略0となる位置に配置され、且つλg/20以下の寸法である。そのため、DC的にショートし、且つ高周波的にオープンであり、且つ定在波的に十分無視することが可能な状態で、貫通電極102はRTD101にDC給電を行うことが可能となる。こうして、本発振器から340GHzのテラヘルツ波の発振が得られるのである。また、接地されたシールド113を、基板112の板厚方向に対して略垂直に設置することで、DC電源からの低周波ノイズ（＜数十MHz程度）を防止することが出来る。このため、それらに起因する寄生発振や高調波発振を防ぐことが出来、発振特性の向上に繋がる。

図3に、以上にて説明してきた発振器100を5×3のアレイ状に配置した場合の発振器300の上面300a（図3(a)）及び下面300b（図3(b)）を示した。なお、実装基板等は、説明に必要ないため割愛した。各発振器100a乃至100oの配置ピッチや隣接発振器間の距離は、図3に記載した通りである。ちなみに、隣接発振器間の電磁波発振部194における最短距離は約416μmとなり、λg/2以上離すという条件を満たす様なレイアウト配置とした。図3において、例えば、上面300aの発振器100hは、下面300bの下面DC電極パッド117hと下面DC配線190hに対応している。また、下面300bの4頂点に上下左右対称となる位置に、それぞれ下面GNDパッド116a、116b、116c、116dを配置した。また、図2に記した様に、実装基板122には、他の発振器用の実装DC用配線、例えば発振器100b及び100cに対応した実装DC用配線119b及び119cが配置されている。この様に、本実施例に係る発振器100をアレイ状に高密度に集積することで、高出力のアレイ型の発振器300が容易に実現される。また、高出力の小型テラヘルツ波発振器が実現できる。この場合、例えば、アレイ状に配置した発振器100を同位相で発振させて高出力を得る。

次に、本実施例に係る発振器100の製造法について説明する。既存の半導体プロセス技術を用いるため、詳細な説明及び説明図については割愛した。

（1）電磁波発振部194のための第1の基板を用意する。本実施例の場合、半絶縁性InP基板上に、前述の活性層となるInGaAs及びInAlAsの量子井戸構造をMBE法にてエピタキシャル成長にて形成したエピ基板を用意した。このエピ基板のエピ面にスパッタリング法を用いて、GND層106の一部となるAu/Cr（3kÅ/0.3kÅ）を成膜した。

（2）DC供給部198及び貫通電極102含む基板112となる基板112a及び基板112bを用意する。基板112aは以下の方法で作製した。基板112bは、基板112aと同様のプロセスで作製されるため説明は割愛する。

既存のフォトリソ法及びBoschプロセスを用いたSi Deep RIE法を用いて、Si基板に直径10μmの貫通孔を形成する。ここで、貫通孔は、前述の各貫通電極102及びGND貫通電極110の位置に対応した位置に配置される。貫通孔を形成したSi基板の表面に、水素及び酸素を用いた熱酸化法により熱酸化SiO₂を1μm形成する。この熱酸化SiO₂が絶縁層111に対応する。その後、MOCVD法を用いて、Si基板上の貫通孔をCu及びTiNで埋め込む。更にCMP法を用いて、Si基板上面及び下面に堆積したCuを選択的に除去し、Si基板上に貫通電極を形成する。この貫通電極が、貫通電極102b、102c及びGND貫通電極110aに対応する。

貫通電極を形成したSi基板の上面及び下面にスパッタリング法を用いてAu/Cr（3kÅ/0.3kÅ）を成膜する。このAu/Cr層は、GND層106及びシールド113及び下面DC信号線190及び下面GNDパッド116に対応する。フォトリソ法及びAu/Cr-RIE法を用いてSi基板上面及び下面のAu/Cr層をエッチングして、任意のパターンを形成する。ここで任意のパターンとは、例えば、図3の発振器アレイ下面300bに記したような電極パターンであり、貫通電極102やGND電極110などの部材の位置に対応する位置に配置される。

（3）第1の基板及び基板112a及び基板112bを用意する。先ず、基板112aの下面と基板112b上面を向かい合わせ、位置アライメント後に、Au熱圧着法により接合し、基板112を作製する。次に第1の基板のエピ面と基板112の上面を向かい合わせ、位置アライメント後に、Au熱圧着法により接合し、基板112と第1の基板が接合された第2の基板を作製する。研磨法及びウェットエッチング法を用いて、第2の基板のInP部分、すなわち第1の基板の半絶縁性InPのみを選択的にエッチング除去し、InGaAsエピ面を露出させる。

（4）EB描画法及びRIE法を用いてInGaAs/InAlAsなどからなるエピ層をエッチング除去し、RTD101となるポストを形成する。次に、誘電体107となるBCBをスピンコートにより塗布し、その後、RIE法により、BCBを若干エッチング除去し、RTD101となるポストの上面を露出させる。次に、フォトリソ法及びリフトオフ法を用いて、Au/Crからなるパターンを形成する。これがMSL型パッチアンテナ199に対応する。次に、フォトリソ法及びRIE法を用いて、誘電体107であるBCBに開孔を形成し、貫通電極102bに相当するAu層を露出させる。

次に、電気めっき法を用いてAuを3μm堆積させて、貫通電極102aとなるAu電極を形成する。次に、フォトリソ法及びリフトオフ法を用いて、Au/Crからなるパターンを形成し、MSL型パッチアンテナ199に対応するAuパターンを形成する。次に、フリップチップボンド法を用いて、第2の基板を実装基板122上に実装し、更にワイヤボンディング法で外部回路と接続する。こうして発振器100が完成する。

なお、本実施例においては、母材となる基板112の材料として、高アスペクトな微細加工性に優れたシリコンを用いたが、InPやGaAsのような化合物半導体基板や、石英、サファイア、セラミック等も基板112として用いることが出来る。基板材料の選定は、所望の発振波長に対する共振器長を決める重要な要素であり、発振波長と微細加工性（精度）と材料データ（誘電率など）の兼ね合いから、任意に選択することが出来る。

（第2の実施例）
図4を用いて本発明に係る第2の実施例について説明する。なお、本実施例の素子の詳細な寸法についても図4に記してある。また、素子の上面など、部材及び材料及び構造について第1の実施例と共通する部分については、詳細な説明及び図示については割愛した。

本実施例の発振器200は、第1の実施例と同様に、発振周波数340GHz、すなわち、λ=840μm、実効波長λg=570μm（誘電体107としてBCBを用いた）の波長を持つテラヘルツ波を発振する様に設計されている。従って、電磁波発振部194の構成及び構造の詳細説明は割愛する。

本実施例では、DC給電用の貫通電極202及び接地用のGND貫通電極210が円形導波管構造となっている。基板212は、母材として、第1の実施例と同様に、Si基板を用いた。誘電体107と基板212内部には、特定の位置に配置されたDC給電用の貫通電極202a、202b、202c、202d、202eと、GND供給用のGND貫通電極210a、210b、210cとが設置されている。貫通電極202aは、貫通電極202bを介して貫通電極202cと接続されている。貫通電極202c、202d、202eは作製プロセス時に一体形成されるため、自動的に接続される。貫通電極202dは貫通電極202eを介して基板212の下面に配置された下面DC信号線190に接続される。下面DC信号線190と下面DC電極パッド117は、DC半田ボール114を介して、実装基板122上に配置された実装DC用配線119aに接続され、DC用ワイヤ118を経由して、DC電源（不図示）等の外部装置へと接続される。

また、GND層106は、GND貫通電極210aを介してGND貫通電極210bと接続される。GND貫通電極210bは、GND貫通電極210cを介して基板212の下面に配置された下面GNDパッド116に接続される。下面GNDパッド116は、GND半田ボール120を介して、実装基板122上に配置された実装GND用配線115に接続され、GNDワイヤ121を経由して接地される（不図示）。また、各配線及び電極と母材であるSi基板112との電気的な短絡を防止するため、基板212の周囲は熱酸化SiO₂からなる絶縁層111にて被覆されている。各部位の寸法は図に記してある。

貫通電極202の各部位の材料は、貫通電極202aはAu（3μm）、貫通電極202bはAu/Cr（3kÅ/0.5kÅ）、貫通電極202c及び202d及び202eはPd（深さ300μm、厚さ1μm）といった構成になっている。また、GND貫通電極210の各部位の材料は、GND貫通電極210a、210b、210cは全てPd（深さ300μm、厚さ1μm）となっている。また、貫通電極及びGND貫通電極の導波管の内径は約5μmとした。

次に、本実施例の発振器200の発振動作については、第1の実施例とほぼ同様である。本第2の実施例の発振器200の特徴として、貫通電極を導波管構造にすることで、カットオフ周波数以下の低周波電磁波をシールドすることが可能となる。これにより、DC電源からの低周波ノイズ（＜数十MHz程度）を防止することが出来るため、それらに起因する寄生発振や高調波発振を防ぐことが出来、発振特性の向上に繋がる。

発振器200は、第1の実施例の製造方法において、MOCVD法を用いた貫通電極形成の工程の代わりに、無電解めっき法を用いてPdを成膜することで、容易に形成することが可能である。

以上の様に、貫通電極内部を空洞とした導波管により、カットオフ周波数以下の電磁波をシールドでき、DC電源からのノイズを低減できて発振特性の向上が期されるが、上記空洞に樹脂などを充填して、シールド効果をより高めるようにしても良い。

（第3の実施例）
本発明の第3の実施例を説明する。図5及び図6は、半球面、楕円球面などの曲面を有するレンズ基板501を積層した本実施例の発振器の断面図及び上面図を夫々示す。素子の部材、材料、構造などについて、第1の実施例と共通する部分については、詳細な説明及び図示については割愛する。また、レンズ基板501の寸法については図面に記載した。

図5に示す様に、本発振器500では、第1の実施例で説明した周波数340GHzのテラヘルツ波を発振する様に設計された発振器100上に、半球レンズ基板501が積層されている。半球レンズ部の半径は10mmであり、基板厚は100μmである。また、図6に記した様に、レンズ基板501の配置例としては、発振器アレイ300と同様のピッチで配置されたマイクロレンズアレイ601（図6(a)）や、発振器アレイ300上に配置された単一の市販のシリコン半球レンズ602など（図6(b)）が挙げられる。

本実施例においては、レンズ基板501の材料として、テラヘルツ波帯での誘電損失が比較的少なく加工性に優れたシクロオレフィン系樹脂を用いた。レンズ基板501は、既存の微細機械加工モールド用金型を用いた成形加工にて作製した。レンズ材料としては、テラヘルツ波帯での損失が少ない材料が好ましく、レンズ形状および加工性により選定される。その他の材料の例としては、シリコン、セラミックス、ガラス等の無機材料や、ポリエチレンやテフロン（登録商標）等の有機樹脂などが挙げられる。

また、レンズ基板501と発振器100はスペーサ部502を介して接続されている。本実施例では、スペーサ部502として、加工性の高いPET（ポロエチレンテレフタラート）を基材とした両面接着シート（基材厚100μm）を用いている。スペーサ部502に対して、発振器100の基板とレンズ基板501を位置合わせしたあとに、80℃で熱圧着した。スペーサ502は、物理的な接続層であると同時に、発振器100の基板上面とレンズ基板501間の距離を決めるスペーサ層としての役割も果たしている。スペーサ部502の板厚を制御することで、発振器100より発生した電磁波のレンズ基板501への結合効率を最適化することができる。

スペーサ部502のその他の材料の一例としては、板厚制御性の良いシリコンを用いてもよい。この場合は、接着性のある樹脂を用いて、既存のダイボンディング技術を用いて作製する。また、スペーサ502としてエポキシ接着剤等を選択し、レンズ基板501を直接貼り付けてもよい。

DC供給用の貫通電極を配置した電磁波発振器においては、発振器上面に給電用部材を設ける必要がない。そのため、本実施例に示した様に、発振器100の上面にビーム成形用のレンズ基板501を積層することが出来る。これにより、発振部100から放射された電磁波を、半球レンズ、楕円球レンズなどの曲面レンズに結合し、ビーム成形して外部に効率良く取り出すことが可能となる。

本発明に係る発振器の上面図。本発明に係る発振器の断面図。本発明に係るアレイ型の発振器の上面図(a)及び下面図(b)。本発明に係る他の発振器の断面図。本発明に係るレンズ基板を積層した発振器の断面図。本発明に係るレンズ基板を積層した発振器において、2つ（夫々(a)、(b)に示す）のレンズ基板配置例を示す上面図。従来例の発振器の上面図。

符号の説明

100、200 発振器
101 利得部（RTD）
102、202 貫通電極
103 電磁波共振部（MSL共振器）
104 電磁波放射部（アンテナ）
106 グランド部（GND層）
107 誘電体
110、210 GND貫通電極
112、212 基板
113 シールド
194 電磁波発振部
198 給電部（DC供給部）
199 MSL型パッチアンテナ（共振構造）
500 レンズ基板を積層した発振器
501 レンズ基板
502 スペーサ部

Claims

基板と、
前記基板の第１の面に配置された、利得部と、電磁波共振部と、電磁波放射部と、前記利得部と前記電磁波共振部と前記電磁波放射部に対して基準の電位を規定するためのグランド部とを含む電磁波発振部と、
前記基板の第１の面と反対側の第２の面に配置された電極と、
前記電極に給電するための給電部と、を備え、
前記電磁波発振部と前記電極とが、前記基板内部に設けられた貫通電極を介し前記利得部にバイアス電圧を付与するように接続されていることを特徴とするテラヘルツ波発振器。
基板と、利得部を含む層と、前記利得部と電気的に接続される第１の電極及び第２の電極と、を含み構成されるテラヘルツ波発振器であって、
前記第１の電極と前記第２の電極とで前記層を挟み構成され、且つ前記基板の第１の面に配置される発振部と、
前記基板における前記第１の面とは反対側の第２の面に配置される第３の電極と、
前記基板の内部を貫通し、前記第１の電極と前記第３の電極とを接続するための第１の貫通電極とを備え、
前記第３の電極から前記第１の貫通電極と前記第１の電極とを介し前記利得部にバイアス電圧を付与することにより発生されたテラヘルツ波を、前記発振部が放射するように構成されることを特徴とするテラヘルツ波発振器。
前記貫通電極は、前記電磁波発振部内を共振する電磁界の定在波の節となる位置に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ波発振器。
前記貫通電極は、内部が空洞である導波管により構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発振器。
前記基板の内部に配置される低周波シールドを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発振器。
前記第１の面に積層され、前記電磁波発振部から放射されるテラヘルツ波をビーム成形する曲面を有するレンズ基板を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発振器。
前記利得部は負性抵抗素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発振器。
前記第１の電極あるいは前記第２の電極と、前記第１の面と、が接触して形成されることで、前記発振部が前記第１の面に配置されることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ波発振器。
前記第２の面に配置された第４の電極と、
前記基板の内部を貫通し、前記第２の電極と前記第４の電極とを接続する第２の貫通電極と、を備えることを特徴とする請求項２または８に記載のテラヘルツ波発振器。
前記第４の電極が接地されることにより、前記利得部に対する基準の電位を規定することを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波発振器。
前記発振部は、前記利得部と電気的に接続される放射部を含み、且つテラヘルツ波を前記放射部から放射するように構成されることを特徴とする請求項２及び８乃至１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ波発振器。