JP6034616B2 - 導波路及びその製造方法、ならびに電磁波分析装置 - Google Patents
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Description
(実施形態)
導波路100の一実施形態について、図1から図3を用いて説明する。図1は、導波路100の外観を示す模式図である。図2(a)、(b)、(c)、(d)は、夫々、導波路100の上面、A−A’断面、B−B’断面、C−C’断面を示す模式図である。図3は、本実施形態の変形例を示す模式断面図である。
(A)第一の基板に該基板の板厚方向に傾斜した第一の面を形成するステップ。
(B)第二の基板に該基板の板厚方向に傾斜した第二の面を形成するステップ。
(C)第一の導体層と第一の基板を接合するステップ。
(D)前記半導体層の膜厚方向において第一の面と第二の面とが向かい合うように第二の導体層と第二の基板を接合するステップ。
(実施例1)
本発明の導波路の具体的な実施例1について、図1と図2を用いて説明する。ここで、本発明による導波路は、単純な電磁波の導波路として用いることもできるが、コア層に電磁波利得や非線形性を持たることで発振素子、電磁波検出素子、電磁波増幅素子などの半導体素子を構成することができる。従って、以下では、その一例として、本発明の導波路を発振素子に用いた例について説明する。本実施例では、サブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する半導体多重量子井戸構造として、InP基板に格子整合するInGaAs/InAlAs系の共鳴トンネルダイオード(RTD)構造を用いた。RTD構造は、上から、n-InGaAs(50nm、Si、1×1018cm−3)、InGaAs(5nm)、AlAs(1.3nm)、InGaAs(7.6nm)、InAlAs(2.6nm)、InGaAs(5.6nm)、AlAs(1.3nm)、InGaAs(5nm)、n-InGaAs(50nm、Si、1×1018cm−3)の順に積層された半導体多層構造である。ここで、下線部のInGaAs層が量子井戸層、下線の無いInAlAs系の材料がポテンシャル障壁層となり、3重障壁共鳴トンネル構造を構成している。InPに格子整合していないAlAsは、臨界薄膜よりは薄く、エネルギーの高い障壁となっている。また、上下の高濃度キャリアでドーピングされたn−InGaAs層は、共鳴トンネル構造への電子の注入と抽出を行うエミッタ/コレクタ層である。エミッタ/コレクタ層とポテンシャル障壁層の間に配置されたInGaAs(5nm)は、ドーピング材料であるSiの拡散防止層である。
(1)シリコンからなる第一の基板105を準備し、板厚方向と鋭角をなす第一の面109をフォトリソグラフィーとSiDeepRIE法で形成する。第一の基板105の上面と第一の面109の表面に金属層Ti/Pd/Au(各部の厚さ=20nm/20nm/200nm)を形成する。これは、上記ステップ(A)に対応する。
(2)シリコンからなる第二の基板106を準備し、板厚方向と鋭角をなす第二の面110をフォトリソグラフィーとSiDeepRIE法で形成する。第二の基板106の上面と第二の面110の表面に金属層Ti/Pd/Au(各部の厚さ=20nm/20nm/200nm)を形成する。フォトリソグラフィーとドライエッチング法により金属層を整形する。スピンコート法とドライエッチング法により金属層のパターンをBCBで埋め込み、平坦化して、第二の基板106の上面に金属層とBCBのパターンを形成する。これは、上記ステップ(B)に対応する。
(3)活性層101を含む半導体層をエピタキシャル成長したInP基板を準備する。半導体層の上面に金属層Ti/Pd/Au(各部の厚さ=20nm/20nm/200nm)を形成する。InP基板と第一の基板105の上面を対向させて、Auの熱圧着法で2枚の基板を接合する。ここで、圧着接合により形成したTi/Pd/Au/Pd/Ti(各部の厚さ=20nm/20nm/400nm/20nm/20nm)が第一の導体層103となる。これは、上記ステップ(C)に対応する。従って、第一の導体層103と第一の面109は一体化した金属膜で構成されている。研磨及び塩酸エッチングにより、接合で一体化した基板からInP基板を除去して、半導体層を第一の基板105に転写する。フォトリソグラフィーとドライエッチング法により、半導体層と第一の導体層103を整形する。真空蒸着法とリフトオフ法を用いて、半導体層の上にTi/Pd/Au(各部の厚さ=20nm/20nm/200nm)からなる第二の導体層104を形成して導波路構造107の構造を整形する。スピンコート法によりBCBで導波路構造107を埋め込み、ドライエッチング法で平坦化する。
(4)第二の基板106の上面と第一の基板105の上面を対向させて、Au−Auパターン及びBCB−BCBパターンを熱圧着することで2枚の基板を接合する。このとき、半導体層の膜厚方向において、第一の面109と第二の面110とが向かい合うようにアライメントする。この際、第二の基板106の金属層と第二の導体層104とを接続することで、第二の導体層104と第二の面110とは一体化した金属膜で構成される。これは、上記ステップ(D)に対応する。
て、InP基板上に成長したInGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAsから
なる3重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明してきた。しかし、これらの構造や材
料系に限られることなく、他の構造や材料の組み合わせであっても本発明に係る発振素子
などの導波路を提供することができる。例えば、2重障壁量子井戸構造を有する共鳴トン
ネルダイオード、4重以上の多重障壁量子井戸を有する共鳴トンネルダイオード、量子カ
スケードレーザで知られるカスケード接続された多重量子井戸構造、ショットキーバリア
ダイオード等の整流素子、ガンダイオードなどの負性抵抗素子を用いてもよい。これらは
何れも、発振素子、検出素子、増幅素子として好適である。また材料系としては、GaA
s基板上のGaAs/AlGaAs/、GaAs/AlAs、InGaAs/GaAs/
AlAs、InP基板上のInGaAs/AlGaAsSb、InAs基板上のInAs
/AlAsSb、InAs/AlSb、Si基板上のSi/SiGeの組み合わせ等
であってもよい。これら構造と材料は、所望される周波数などに応じて適宜選定すればよ
い。また、基板の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン基板、ガリウムヒ素基板
、インジウムヒ素基板、ガリウムリン基板などの半導体基板や、ガラス基板、セラミック
基板、樹脂基板などを用いてもよい。
本発明の実施例2である導波路500について、図4と図5を用いて説明する。活性層501は、非特許文献1に開示された量子カスケードレーザ構造を用いており、活性層501は10μm程度の厚さの半導体多層膜から構成されている。第一の導体層503と第二の導体層504については、DMWの構成を用いている。また、基板505、基板506、スペーサ508などのその他構成材料については、実施例1と同じ構成を用いており、略同じ製造方法で作製している。導波路構造507では、導体層503、504は、約2.6mm×0.15mmの矩形パターンであり、約3THzの発振が得られる設計となっている。ここで、本構成の発振周波数3THzにおける導波路構造507の等価屈折率は約3で、管内波長λgを約30μmとしている。
本発明の実施例3である電磁波分析装置について、図7を用いて説明する。
Claims (16)
- 第一の導体層、第二の導体層、及び、前記第一の導体層と前記第二の導体層との間に配置されており半導体多層膜を有するコア層を有し、共振器構造を有する導波路構造と、
前記共振器構造を有する導波路構造の端に配置されており、第一の面と第二の面とを有するテーパー構造と、を備え、
前記第一の面と前記第二の面とのそれぞれは、前記半導体多層膜の積層方向に対して鋭角をなして互いに向かい合って配置されており、
前記共振器構造を有する導波路構造の光軸に垂直な前記テーパー構造の空間断面が、前記テーパー構造の最外部の開口面に近づくに従って、少なくとも前記光軸と直交する1つの方向に前記光軸を挟んで両側に広がることを特徴とする導波路。 - 前記テーパー構造の前記空間断面は、前記テーパー構造の最外部の開口面に近づくに従って、少なくとも前記積層方向に前記積層方向と垂直な前記半導体多層膜の積層面を挟んで両側に広がることを特徴とする請求項1に記載の導波路。
- 前記コア層は電磁波利得を有し、前記第一の導体層及び前記第二の導体層のそれぞれは、発振モードの電磁波に対する誘電率実部が負であることを特徴とする請求項1または2に記載の導波路。
- 前記第一の導体層と前記第二の導体層と短絡を防止するスペーサを有し、
前記スペーサは、前記第一の導体層と前記第二の導体層との間の前記コア層が配置されていない領域に配置されていることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の導波路。 - 前記第一の面及び前記第二の面のそれぞれは、金属、又は半導体、又は高濃度にドーピングされた半導体を含むことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の導波路。
- 前記第一の導体層と前記第一の面とは、電気的に接続されており、
前記第二の導体層と前記第二の面とは、電気的に接続されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の導波路。 - 前記コア層は、キャリアのサブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する多重量子井戸構造を含むことを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の導波路。
- 前記電磁波の波長をλ、前記導波路構造の等価屈折率をneとして、導波モードないし発振モードの電磁波の管内波長をλg=λ/neと表すとき、前記第一の導体層と前記第二の導体層との距離は、導波モードないし発振モードの管内波長(λg)以下であることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の導波路。
- 前記テーパー構造は、前記導波路構造と電気的に結合されていることを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の導波路。
- 前記テーパー構造は、導波管の切り口を徐々に広くして自由空間に整合させるようにしたホーンアンテナであることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載の導波路。
- 前記第一の導体層と接する第一の基板と、前記第二の導体層と接する第二の基板と、を有し、前記導波路構造は前記第一の基板と前記第二の基板との間に配置されていることを特徴とする請求項1から10の何れか1項に記載の導波路。
- 前記第一の面は、前記第一の基板に形成されており、
前記第二の面は、前記第二の基板に形成されていることを特徴とする請求項11に記載の導波路。 - 前記導波路構造の部分に対する、前記テーパー構造の前記空間断面が最小の開口部の位置が調整可能であることを特徴とする請求項1から11の何れか1項に記載の導波路。
- 前記テーパー構造は、互いに向き合った階段状のテーパー面を有することを特徴とする請求項1から13の何れか1項に記載の導波路。
- 電磁波を発振する発振素子と、物体を透過または該物体で反射した前記電磁波を検出する検出素子と、を備える電磁波分析装置であって、
前記発振素子及び前記検出素子の少なくとも一方は、請求項1から14の何れか1項に記載の導波路を有する、
ことを特徴とする電磁波分析装置。 - 第一の導体層と、第二の導体層と、前記第一の導体層と前記第二の導体層との間に配置されており半導体多層膜を含むコア層と、を有する導波路の製造方法であって、
第一の基板に、該基板の板厚方向に傾斜した第一の面を形成するステップと、
第二の基板に、該基板の板厚方向に傾斜した第二の面を形成するステップと、
第三の基板に、前記コア層を形成するステップと、
前記コア層と前記第一の基板とを前記第一の導体層を介して接合するステップと、
前記第三の基板を除去するステップと、
前記第一の面と前記第二の面とが前記半導体多層膜の積層方向に対して鋭角をなして向かい合うように、前記コア層と前記第二の基板とを前記第二の導体層を介して接合するステップと、を有することを特徴とする製造方法。
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