JP5797989B2 - アンテナ素子およびアンテナ素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光伝導基板等の素子基板上に、相互の電極をギャップを存して対向させた一対のアンテナを有するアンテナ素子およびアンテナ素子の製造方法に関するものである。

従来、この種のアンテナ素子として、光伝導性の基板の上に２つの電極を対向配置したものが知られている（特許文献１参照）。このアンテナ素子では、平坦な表面を有する光伝導性の基板上に、平坦な２つの電極が微小な間隙を存して対向配置されており、両電極間にバイアス電圧を印加しておいて、間隙の部分にレーザー光を照射することで、テラヘルツ波を発生させるようになっている。
このアンテナ素子では、両電極の間隙部分に、電極より幾分低く（同公報の図６）、或いは幾分高く（同公報の図７）、基板の隆起部が設けられている。また、上記の構造において、２つの電極の上面と隆起部の上面とに亘って、これらを覆うように絶縁層が設けられている（同公報の図８および図９）。すなわち、２つの電極間に物理的な障壁が設けられている。
これにより、両電極の間隙を広くし或いは印加電圧を抑えることなく、２つの電極間に短絡（放電）が発生するのを阻止し、基板の絶縁破壊を防止するようにしている。

特表２００５−５３８５４２号公報

このような、従来のアンテナ素子では、２つの電極の間隙に基板の隆起部が配設されているため、基板の隆起部以外の部分をエッチングして、この隆起部を作成する必要がある。また、絶縁層を設けるものでは、電極パッドとなる部分を避けて絶縁層を設ける必要がある。このため、製造工程が増え、コストアップになる問題があった。

本発明は、簡単な構造で、電極間の短絡による絶縁破壊を防止することができるアンテナ素子およびアンテナ素子の製造方法を提供することを課題としている。

本発明のアンテナ素子は、素子基板と、素子基板上に設けられ、相互の電極をギャップを存して対向させた一対のアンテナと、を備え、相互の電極のそれぞれの対向端部は、相互の電極の素子基板側となる下側のギャップ寸法に対し、相互の電極の素子基板側とは逆の上側のギャップ寸法が大きくなるように、形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、相互の電極のそれぞれの対向端部において、下側のギャップ寸法に対し、上側のギャップ寸法が大きくなるように形成されているため、一対のアンテナ間（相互の電極間）にバイアス電圧を印加したときに、電極間に生ずる放電（短絡）を極力抑制することができる。すなわち、ギャップを広くし或いは印加電圧を低くすることなく、相互の電極間の放電（短絡）を抑制することができ、素子基板の絶縁破壊を有効に防止することができる。また、電極の形成過程において、下側のギャップ寸法に対し上側のギャップ寸法が大きくなるように形成すればよく、製造工程の増加（工数の増加）を抑制することができる。

この場合、各アンテナは、素子基板の上面に対し裾広がりとなるように形成されていることが好ましい。

この構成によれば、半導体の微細加工により、上下のギャップ寸法が異なる２つの電極を有する一対のアンテナを、簡単に形成することができる。

また、素子基板は、最上層に光伝導膜を有する光伝導基板であることが好ましい。

さらに、素子基板は、ギャップの部分に照射した励起光により、テラヘルツ波を発生させるものであることが好ましい。

この構成によれば、レーザー光等の励起光により、電磁波（テラヘルツ波）を発生させる光伝導アンテナ素子を提供することができる。また、この光伝導アンテナ素子は、一対のアンテナに電圧を印加する代わりに、電流計を接続することにより、電磁波（テラヘルツ波）を検出する素子としても用いることができる。なお、この場合のテラヘルツ波とは、狭義のテラヘルツ波（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの電磁波）は元より、広義のテラヘルツ波（数十ＧＨｚ〜数百ＴＨｚの電磁波）も含む概念である。

本発明のアンテナ素子の製造方法は、上記したアンテナ素子の製造方法であって、素子基板上にリフトオフ用のレジストを塗布するレジスト塗布工程と、レジストを、一対のアンテナの形状にパターニングするパターニング工程と、素子基板を傾斜姿勢とした状態で、パターニングしたレジストを介して、素子基板上にアンテナ材料を成膜し一対のアンテナを形成するアンテナ成膜工程と、レジストおよびレジスト上のアンテナ材料を剥離除去するレジスト除去工程と、を備えたことを特徴とする。

この場合、アンテナ成膜工程において、素子基板を傾斜姿勢とした状態で、回転させることが好ましい。

また、傾斜姿勢の傾きが、角度２°〜４５°であることが好ましい。

この構成によれば、リフトオフ法を応用することにより、上下のギャップ寸法が異なる２つの電極を有する一対のアンテナを、簡単に且つ効率よく形成することができる。特に、素子基板を傾斜姿勢で回転させることにより、素子基板の上面に対し裾広がりとなる形状の一対のアンテナを、確実に形成することができる。

本発明の実施形態に係る光伝導アンテナ素子の斜視図である。 光伝導アンテナ素子のＡ−Ａ線で破断した断面模式図である。 光伝導アンテナ素子の製造方法を表した説明図である。 他の実施形態に係る光伝導アンテナ素子のＡ−Ａ線で破断した断面模式図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態の係るアンテナ素子を適用した光伝導アンテナ素子について説明する。光伝導アンテナ素子は、これに電圧を印加することにより、電磁波発生素子としての機能を奏する一方、電流計を接続することにより、電磁波検出素子としての機能を奏するものである。ここでは、特に、電磁波発生素子として好適な光伝導アンテナ素子について説明する。

図１は、光伝導アンテナ素子を模式的に表した斜視図であり、同図に示すように、光伝導アンテナ素子１は、素子基板である光伝導基板２と、光伝導基板２上に成膜した平行伝送線路３と、により構成されている。
光伝導基板２は、基板１１と、基板１１上に形成されたバッファ層１２と、バッファ層１２上に形成された光伝導膜１３と、を備えている。

基板１１は、化合物半導体であるＳＩ−ＧａＡｓ（半絶縁性ガリウム砒素）により構成されている。基板１１の材料としては、ＳＩ−ＧａＡｓの他、バッファ層１２や光伝導膜１３の材料（の格子定数）に応じて、例えばＳｉ、ＩｎＰ等の単結晶半導体を用いることもできる。ＧａＡｓ系の基板１１は、Ｓｉの基板に比して光励起キャリアの寿命を短くし、ノイズとなる残留キャリアによるＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。

バッファ層１２は、基板１１の格子定数以上、光伝導膜１３の格子定数以下となる材料を用いて、基板１１上にエピタキシャル成長させた薄膜であり、実施形態のものは、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）により構成されている。バッファ層１２は、この上に積層する光伝導膜１３の結晶性を制御するために設けられている。バッファ層１２を構成する半導体材料は、Ｓｉ、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ（ＬＴ−ＩｎＡｓ）、ＩｎＳｂ等を、基板１１および光伝導膜１３の材料（の格子定数）に応じて任意に選択して用いることができる。

光伝導膜１３は、ＬＴ−ＧａＡｓ（低温成長ガリウム砒素）を、バッファ層１２を介して基板１１上にエピタキシャル成長させたものであり、表面（上面）に垂直に入射した励起光（フェムト秒パルスレーザ等）により、光励起キャリア（電子）を発生させる（詳細は後述する）。この場合、光伝導膜１３は、キャリア寿命の短縮化や応答速度の高速化に鑑み、ＧａＡｓを材料として低温でエピタキシャル成長（ＬＴ−ＧａＡｓ）させて形成されている。なお、光伝導膜１３を構成する半導体材料は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ（ＬＴ−ＡｌＧａＡｓ）、ＩｎＧａＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ（ＬＴ-ＩｎＧａＡｓ）、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｓ（ＬＴ−ＩｎＡｓ）、ＩｎＳｂ等であってもよい。

一方、平行伝送線路３は、光伝導膜１３上に形成したダイポール型の一対のアンテナ２１，２１で構成されている。各アンテナ２１は、線状に延びているライン部２２と、ライン部２２の中央から内側に延設した電極部（電極）２３と、を有しており、ライン部２２の少なくとも一方の端部が電極パッド２４として機能するようになっている。一対のアンテナ２１，２１は、そのライン部２２，２２同士が平行に配置され、且つ相互の電極部２３，２３が所定のギャップを存して対向配置されている。

すなわち、相互の電極部２３，２３の対向端部２５，２５間には、数μｍの幅（ギャップ）を有するギャップ部２６が構成されている。また、図示では、高さ方向を強調して表しているが、各アンテナ２１は、数十ｎｍから数百ｎｍの極めて薄い膜として形成されている。実施形態のアンテナ２１は、Ａｕ（金）で構成されているが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｌ−Ｔｉ合金等の導電性材料であってもよい。なお、平行伝送線路（アンテナ２１）３の形式は、ボウタイ型、ストリップライン型、スパイラル型等であってもよい。

このように構成された光伝導アンテナ素子１を、電磁波発生素子として機能させるには、一対の電極パッド２４，２４を介して、相互の電極部間に所定のバイアス電圧を印加しておいて、ギャップ部２６に、フェムト秒パルスレーザ等の励起光（パルス光）を照射する。すなわち、電極部２３，２３間に電界を発生させておいて、励起光によりギャップ部２６の光伝導膜１３を励起する。これにより、光伝導膜１３に光励起キャリア（電子および正孔）が生成され、且つ電極部２３，２３間の電圧（電界）で光励起キャリアが加速されて瞬時電流が流れる。このパルス状電流の時間変動（超高速電流変調）により電磁波（テラヘルツ波：厳密にはテラヘルツパルス波）が発生し、誘電率の大きい基板１１側に強く放射される。

ところで、電磁波（テラヘルツ波）の放射強度は、印加する電圧と、励起光のパワーに依存する。また、印加する電圧が一定の場合、両電極部２３，２３間の距離に依存する。このため、両電極部２３，２３間の距離、すなわちギャップを狭くすることが好ましいが、ギャップを狭くすると、両電極部２３，２３間に無用な放電（短絡）が生じやすくなる。そこで、本実施形態では、相互の電極部２３，２３の断面形状を、具体的には両アンテナ２１，２１の断面形状を、以下のような形状としている。

図１および図２に示すように、両アンテナ２１，２１において、相互の電極部２３，２３のそれぞれの対向端部２５，２５は、光伝導膜１３側となる下側のギャップ寸法に対し、逆の上側のギャップ寸法が大きくなるように、形成されている。言い換えれば、相互の電極部２３，２３間には、下側のギャップ寸法に対し上側のギャップ寸法が大きい、ギャップ部２６が形成されている。詳細は後述するが、両アンテナ２１，２１は、それぞれの電極部２３を含んで真空蒸着により成膜されるため、実際には、各アンテナ２１が、光伝導膜１３の上面に対し裾広がりとなるように形成されている。したがって、電極部を２３を含む各アンテナ２１は、対向方向において、対向端部２５を含む両縁部が傾斜した扁平な台形形状に形成されている。すなわち、両対向端部２５，２５は、薄膜の端部であるが、それぞれ直線状の傾斜面となるように積極的に形成している。

ここで、図３を参照して、リフトオフ法を応用した光伝導アンテナ素子１の製造方法について説明する。この製造方法では、先ず光伝導基板２を用意する。光伝導基板２は、例えばＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置を用い、ＳＩ−ＧａＡｓの基板１１上に、０．１〜１．０μｍ厚程度のＧａＡｓのバッファ層１２をエピタキシャル成長させ、さらにバッファ層１２上に、１〜２μｍ厚程度のＬＴ−ＧａＡｓの光伝導膜１３をエピタキシャル成長させたものである。

光伝導基板２を用意したら（同図（ａ）参照）、光伝導基板２（光伝導膜１３）上にリフトオフ用のレジストを均一に塗布してレジスト膜３１を形成する（レジスト塗布工程：同図（ｂ））。次に、フォトリソグラフィ法により、レジスト膜３１に対し、マスクを介して密着露光および現像処理を行って、平行伝送線路（一対のアンテナ２１，２１）３の形状のレジストパターン３２を形成する（パターニング工程：同図（ｃ））。リフトオフ用のレジストにパターニングを行うと、レジストパターンの除去された部分の下部がオーバーハング状にアンダーカットされる。この形状はマイクログルーブと呼ばれ、本来、金属配線パターンを構成する金属膜の基板との接着性が良好になること、断面矩形の金属膜が形成できること、レジストバターンの基板からの剥離が容易であること等により、用いられる。なお、リフトオフ用のレジストは、単層でレジスト膜３１を形成するものであってもよいし、複層（２層）でレジスト膜３１を形成するものであってもよい。

次に、光伝導基板２を、約２０°の傾斜を有するテーブルにセットし、回転させながら（実際には、同軸上で回転させるわけではないので、光伝導基板２は公転（円運動）する。）、Ｃｒ（クロム）を下地膜として、アンテナ材料３３のＡｕを真空蒸着により成膜する（アンテナ成膜工程：同図（ｄ））。この真空蒸着では、アンテナ材料３３がアンダーカット部分（マイクログルーブ）にも入り込むように、光伝導基板２を角度２°〜４５°傾けて成膜を行うことが好ましい。この場合、傾きが小さいとアンダーカット部分にアンテナ材料３３が十分に行き渡らなくなり、大きいとレジストパターン３２の内壁への成膜（デポジション）が多くなる。よって、角度２０°前後（角度１５°〜２５°）の傾きが最も好ましい。そして、最後に、レジスト（レジストパターン３２）とレジスト上に成膜されたアンテナ材料３３を、溶剤を用いて光伝導基板２から剥離除去（リフトオフ）する（レジスト除去工程：同図（ｅ））。

なお、本実施形態では、少なくとも２つの電極部２３，２３の対向端部２５，２５を、傾斜形状に或いは面取り形状に形成すればよいため、例えば電極部２３，２３の対向方向において、光伝導基板２をシーソー様に傾動させながら、アンテナ材料３３を真空蒸着するようにしてもよい。

次に、図４を参照して、光伝導アンテナ素子１の他の実施形態について説明する。いずれの光伝導アンテナ素子１も、光伝導基板２は同一であるため、ここでは、主に平行伝送線路３の各アンテナ２１の断面形状について説明する。
図４（ａ）は、第２実施形態に係る光伝導アンテナ素子１である。この実施形態の各アンテナ（電極部２３も含む）２１は、各対向端部２５が凸状に湾曲した傾斜面となる断面形状に形成されている。
図４（ｂ）は、第３実施形態に係る光伝導アンテナ素子１である。この実施形態の各アンテナ（電極部２３も含む）２１は、各対向端部２５が「く」字状となる扁平なテーブルマウンテンの断面形状に形成されている。
図４（ｃ）は、第４実施形態に係る光伝導アンテナ素子１である。この実施形態の各アンテナ（電極部２３も含む）２１は、各対向端部２５が凹状に湾曲した傾斜面となる断面形状に形成されている。
図４（ｄ）は、第５実施形態に係る光伝導アンテナ素子１である。この実施形態の各アンテナ（電極部２３も含む）２１は、各対向端部２５を含む両上隅部がＲ形状に面取りされた扁平な略台形断面に形成されている。

以上のように、本実施形態によれば、少なくとも相互の電極部２３，２３のそれぞれの対向端部２５，２５において、下側のギャップ寸法に対し、下側のギャップ寸法が大きくなるように形成されているため、印加したバイアス電圧による電極部２３，２３間の放電（短絡）を極力抑制することができる。すなわち、ギャップ部２６を広くしたり印加電圧を低くすることなく、相互の電極部２３，２３間の放電（短絡）を抑制することができ、光伝導基板（光伝導膜１３）２の絶縁破壊を有効に防止することができる。

また、光伝導アンテナ素子１の製造において、リフトオフ法を応用した製造方法を用いているため、上下のギャップ寸法が異なる２つの電極部２３，２３を有する一対のアンテナ２１，２１を、簡単に形成することができる。特に、光伝導基板（光伝導膜１３）２を傾斜姿勢で回転させることにより、光伝導基板（光伝導膜１３）２の上面に対し裾広がりとなる形状の一対のアンテナ２１，２１を、確実に形成することができる。

なお、本発明は、平行伝送線路（一対のアンテナ２１，２１）において、複数組の電極部２３，２３を有するものにも、適用可能である。また、相互の電極部２３，２３のうち、片側のみ上記のような傾斜形状となっているものであってもよい。

１ 光伝導アンテナ素子、２ 光伝導基板、３ 平行伝送線路、１１ 基板、１３ 光伝導膜、２１ アンテナ、２３ 電極部、２４ 電極パッド、２５ 対向端部、２６ ギャップ部

Claims (7)

1. 素子基板と、
   前記素子基板上に設けられ、相互の電極をギャップを存して対向させた一対のアンテナと、を備え、
   前記相互の電極のそれぞれの対向端部は、前記相互の電極の前記素子基板側となる下側のギャップ寸法に対し、前記相互の電極の前記素子基板側とは逆の上側のギャップ寸法が大きくなるように、形成されていることを特徴とするアンテナ素子。
2. 前記各アンテナは、前記素子基板の上面に対し裾広がりとなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子。
3. 前記素子基板は、最上層に光伝導膜を有する光伝導基板であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子。
4. 前記素子基板は、前記ギャップの部分に照射した励起光により、テラヘルツ波を発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ素子。
5. 請求項２に記載のアンテナ素子の製造方法であって、
   前記素子基板上にリフトオフ用のレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
   前記レジストを、前記一対のアンテナの形状にパターニングするパターニング工程と、
   前記素子基板を傾斜姿勢とした状態で、パターニングした前記レジストを介して、前記素子基板上にアンテナ材料を成膜し前記一対のアンテナを形成するアンテナ成膜工程と、
   前記レジストおよび前記レジスト上のアンテナ材料を剥離除去するレジスト除去工程と、を備えたことを特徴とするアンテナ素子の製造方法。
6. 前記アンテナ成膜工程において、前記素子基板を傾斜姿勢として状態で、回転させることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ素子の製造方法。
7. 前記傾斜姿勢の傾きが、角度２°〜４５°であることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ素子の製造方法。

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