JP6137781B2 - 導波路、該導波路を用いた装置及び導波路の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、導波路及びその製造方法に関する。特に、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）までの周波数領域の電磁波（以下、テラヘルツ波とも記す）に係る導波路に関する。

テラヘルツ波の周波数領域には、生体材料・医薬品・電子材料などの多くの有機分子について、構造や状態に由来した吸収ピークが存在する。また、テラヘルツ波は、紙・セラミック・樹脂・布といった材料に対して高い透過性を有する。近年、この様なテラヘルツ波の特徴を活かしたイメージング技術やセンシング技術の研究開発が行われている。例えば、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置や、製造工程におけるインラインの非破壊検査装置などへの応用が期待されている。

電流注入型のテラヘルツ波光源として、半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づいた電磁波利得を利用する構造が検討されている。非特許文献１には、低損失の導波路として知られるＤｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅ Ｍｅｔａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ（以下、ＤＭＷとも記す）を共振器として集積したテラヘルツ波帯の量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ、以下、ＱＣＬとも記す）が提案されている。本素子は、１０μｍ程度の薄さの半導体薄膜からなる利得媒質の上下に金属を配置した共振器構造に、誘導放出されたテラヘルツ波を表面プラズモンモードで導波させることで、高い光閉じ込めと低損失伝搬により３ＴＨｚ近傍のレーザ発振を達成している。

一方、多重量子井戸構造は、歪による特性変化が知られており、非特許文献２には、歪による共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ、以下、ＲＴＤとも記す）の特性変化が報告されている。この非特許文献２では、１００ＭＰａ弱の応力で、約２倍の微分負性抵抗変化が観測されている。また、特許文献１に示すような導波路を伴ったレーザ素子について開示されている。

米国特許７６９３１９８号

Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ８３， ２１２４ （２００３） Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ａ、１４３、（２００８）、２３０−２３６

非特許文献１に開示されたＤＭＷは、１０μｍ程度の厚さの半導体薄膜を２枚の金属層で挟んだ構造であり、金属接合技術などを用いて半導体薄膜を異なる基板に転写することで作製される。一方、格子定数や熱膨張係数の異なる薄膜材料を積層した構造は、製造プロセスに起因した残留応力が生じ易いことが一般的に知られている。従って、従来の構造は、製造プロセスなどに起因した歪や欠陥で利得媒質である半導体薄膜の特性が変化し、発振特性の劣化や不安定化が生じる可能性があった。

上記課題に鑑み、本発明の導波路は、導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の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前記第一の導体層及び前記第二の導体層に接して配置されており、量子井戸構造を含むコア層と、を有する導波路である。そして、少なくとも前記第一の導体層は、凹部と凸部を有する凹凸構造を有し、前記第一の導体層の厚さ方向に凹である前記凹凸構造の凹部は、前記第一の導体層の面内方向において、前記導波モードの電磁波の伝播方向と交差する方向で隣接する前記凹凸構造の凸部の間に配置されており、前記コア層は、前記凹凸構造を有する前記第一の導体層に接して前記凹凸構造の凹部の外に設けられている。

また、上記課題に鑑み、本発明の導波路の製造方法は、次のステップを有する。上面に半導体層を備えた第一の基板を準備するステップ。前記半導体層を、面内方向に広がった凹凸構造を有する第一の導体層を介して第二の基板の上面に転写するステップ。前記半導体層の上面に第二の導体層を形成するステップ。

本発明による導波路では、塑性変形し易い凹凸構造を設けた第一の導体層を接合層として用いることができるので、比較的低温・低荷重で半導体膜の転写を行うことができる。これにより、共振構造などを維持しながら、懸案であった転写による活性層等の半導体部の残留歪みを低減することができて、テラヘルツ波帯の周波数領域などで安定して動作する発振素子等の素子が実現される。こうして、製造プロセスなどで生じる歪や欠陥を低減し、テラヘルツ波帯の周波数領域などで安定して動作する半導体素子とその製造方法を提供できる。

本発明の素子の実施形態及び実施例１を説明する図。 本発明の素子の各種の変形例を説明する図。 本発明の素子の製造方法の一例を説明する図。 本発明の素子の実施例２を説明する図。 本発明の素子の実施例３を説明する図。 本発明の素子の実施例４を説明する図。 本発明の素子を用いた応用例を示す図。

本発明の特徴は、導波路を規定する負誘電率媒質の２つの導体層に挟まれたコア層を有する導波路において、少なくとも一方の導体層が面内方向に広がった凹凸構造を有することである。さらに凹凸構造は、次のいずれか一つの要件を少なくとも有することを特徴とする。（１）前記導波モードの電磁波の伝播方向に対して垂直方向に前記凹凸構造を有し、凸部を複数有する。（２）前記電磁波の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎ_ｅとして、λｇ＝λ／ｎ_ｅと表すときに、前記凹凸構造のピッチ長がλg／２未満である。（３）前記凹凸構造のピッチ長が１００μｍ未満である。凹凸構造は、導体層を厚さ方向に貫通する分離溝、厚さ方向に導体層の途中まで掘り下げられた中途溝、導体層中に設けられた中空部などで構成することができる。溝や中空部で形成された凹部は、そのまま空間であってもよいが、そこに物質が充填されてもよい。本発明は、塑性変形し易い導体層の凹凸構造で、より低温・低荷重での接合を可能とするものであるので、こうした接合を可能とするのであれば、どの様な形態の凹凸構造を導体層に形成してもよい。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、後述の実施形態や実施例で説明する様に、コア層に電磁波利得部を持たせて、発振素子、電磁波検出素子、電磁波増幅素子などを構成することができる。さらに、より効果を高めるために、他方の導体層やコア層にも面内方向に広がった凹凸構造を設けて、コア層の半導体部に生じる歪や欠陥がより抑制される様にしてもよい。

以下、図を用いて、本発明による導波路、それを含む素子、その製造方法の実施形態及び実施例を説明する。
（実施形態）
導波路を含む発振素子１００の一実施形態について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。

発振素子１００は、電磁波利得を有するコア層１０２、導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の導体層である第一の金属層１０３と第二の金属層１０４から構成される導波路１０７を共振器としたレーザ素子であり、基板１０５上に集積される。本実施形態では、導波路１０７は、第一の金属層１０３と第二の金属層１０４とをクラッドとして、この近接した２つの金属層でコア層１０２を挟んだＤＭＷと呼ばれる光導波路である。第一の金属層１０３と第二の金属層１０４の距離は、発振素子１００の発振モードの管内波長をλｇとすると、λg／２以下、好ましくはλg／１０以下まで近接されている。こうして、テラヘルツ波の周波数領域の電磁波は、導波路１０７を回折限界が存在しない表面プラズモンモードで伝搬する。ここで、管内波長λgは、電磁波の波長をλ、導波路１０７の等価屈折率をｎ_ｅとすると、λｇ＝λ／ｎ_ｅで表される。また、管内波長がλgの発振モードを得るには、半導体レーザ技術で知られるように、電磁波の伝搬方向である導波路１０７の長手方向の長さＬをλg／２の整数倍となるように設定すれば良い。

コア層１０２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からなる半導体部である活性層１０１を含み、テラヘルツ波の周波数領域における電磁波利得を有している。活性層１０１は、例えば、共鳴トンネル構造や、数百から数千層の半導体多層構造を持つ量子カスケードレーザ構造が好適である。本実施形態は、活性層１０１として、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いた場合で説明する。ＲＴＤは、微分負性抵抗領域において、フォトンアシストトンネル現象に基づくミリ波からテラヘルツ波の周波数領域の電磁波利得を有する。コア層１０２は、活性層１０１と第一の金属層１０３及び第二の金属層１０４を接続するための高濃度にドーピングした半導体層を活性層１０１の上下に設けていても良い。

上述した様に、コア層１０２の上下には、第二の金属層１０４と第一の金属層１０３とが配置されている。基板１０５側から、第一の金属層１０３、コア層１０２、第二の金属層１０４の順に積層されている。コア層１０２と第一の金属層１０３及び第二の金属層１０４とは機械的かつ電気的に互いに接している。これにより、第一の金属層１０３と第二の金属層１０４との間に印加される電圧で、活性層１０１であるＲＴＤを駆動する。第一の金属層１０３には、その面内方向に広がって、周期的に凹部と凸部が配置された微細な凹凸構造が設けられている。凹凸構造は、例えば金属層の一部に形成された溝、穴、柱状構造、突起構造、貫通しない窪み構造などのことを指す。すなわち、第一の金属層１０３には、面内方向に広がった凹凸構造のパターンが形成されている。例えば図１の例は、凹凸構造のうち、凸構造１０９が金属部分、凹構造１１０が厚さ方向の貫通穴に対応しており、この場合、第一の金属層１０３はマトリックスのパターンで配置された複数のバンプから構成されている。凹凸構造のパターンを含む金属膜は、平滑で連続的な金属膜と比較して塑性変形し易いので、本実施形態のように第一の金属層１０３を接合層として用いることで、より低温・低荷重での接合が可能となる。

本実施形態では、凹凸構造に特に特徴を有している。具体的には、次の３つになる。（１）前記導波モードの電磁波の伝播方向に対して垂直方向に前記凹凸構造を有し、凸部を複数有する。（２）前記電磁波の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎ_ｅとして、λｇ＝λ／ｎ_ｅと表すときに、前記凹凸構造のピッチ長がλg／２未満である。（３）前記凹凸構造のピッチ長が１００μｍ未満である。このような構成を設けることにより、導波モードの電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できる凹凸構造であるとみなされるからである。凹凸構造のパターンは、微細で、アスペクト比（横方向の長さに対する高さ方向の長さの比）の高い構造が好ましい。このような構造は、応力集中が生じやすく、また、塑性すべりにおける転位線が抜けやすいので、より塑性変形し易い構成となるからである。具体的には、凹凸構造の凹部と凸部の各方向の幅及び高さは、およそ１００μｍから０．１μｍの範囲が好適である。この上限の目安は、半導体製造プロセスで形成できる薄膜の厚さの目安が１００μｍ程度であることから決めている。また、下限の目安は、第一の金属層１０３の厚さがテラヘルツ波の表皮深さ(約０．２μｍ程度)以上であれば、導波路１０７がプラズモン導波路として機能することから決めている。また、アスペクトは、０．５以上であれば、より塑性変形しやすい構成となる。ただし、本発明は、これらの範囲に限定されるものではなく、第一の金属層１０３に凹凸構造のパターンが形成されていれば、一定の効果が見込まれる。

また、凹凸構造のパターンは、発振素子１００の発振モードの管内波長λg以下の大きさが好ましく、典型的にはλg／２からλg／２０の範囲が好適である。これは、本実施形態の発振素子１００が動作するテラヘルツ波の周波数領域においては、１００μｍから０．１μｍの範囲となり、前述の範囲と概ね一致する。このことは、波長の１／１０のサイズの構造体は、一般的にその波長の電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できると看做されるので、凹凸構造の共振電界への影響を低減することができるためである。また、凹凸構造の凹部と凸部のパターンは、発振モードにおける共振電界に対して規則的に配置するような構成であっても良い。例えば、共振電界の節となる位置に凹凸構造の凹部を配置するような構成であれば、凹凸構造の大きさに依らず、共振電界への影響を低減することができるので、発振特性の向上が見込まれる。例えば、図１の例では、発振モードにおける共振電界の節となる位置に凹構造１１０をλg／２ピッチで周期的に配置している。

ＤＭＷ構造のように金属薄膜で半導体薄膜を挟み込んだ構造は、或る基板上に成長した半導体薄膜を、金属接合技術などを用いて他の基板上に移設する薄膜転写プロセスを用いて形成することができる。この製造過程において、熱膨張係数差による熱応力や、接合界面近傍の応力集中などに起因して半導体薄膜に歪が生じる可能性がある。例えば、製造プロセスの熱履歴により、半導体薄膜には、およそ±１ＧＰａの範囲の残留応力（約０．１〜１％の範囲の残留ひずみ）が生じる可能性がある。本実施形態の素子は、塑性変形し易い微細な凹凸構造を設けた第一の金属層１０３を接合層として用いるので、より低温・低荷重で上述の転写プロセスを行うことができる。また、凹凸構造の凹部と凸部の大きさや配置を工夫することで、ＤＭＷの共振電界への影響を抑制している。このため、共振構造を維持しながら、懸案であった転写による活性層１０１の残留歪みを低減することができる。従って、テラヘルツ波帯の周波数領域などで安定して動作する素子の実現が期待される。

図２は、本実施形態の素子の変形例を説明する図である。本発明では、発振素子２００や発振素子３００の如く第一の金属層１０３に複数の溝（厚さ方向に途中までの溝２１０、３１０）のパターンが形成された構成や、発振素子４００の如く第一の金属層が複数の中空４１０のパターンを有する様な構成であっても良い。発振素子２００や４００の構成であれば、コア層と接する第一の金属層は平滑であり、配置や大きさによらず、凹凸構造（凸部２０９、３０９、４０９を含む）の共振電界への影響は低減される。この場合、第一の金属層は平滑な部分が、テラヘルツ波の表皮深さより厚い構成であれば、共振電界への影響はより低減される。

また、発振素子５００、７００のように、コア層を不連続にする構成や、発振素子６００、７００のように第二の金属層にも凹凸構造を配置するような構成であっても良い。また、コア層を不連続にする場合は、誘電体や絶縁体のスペーサ５１３やスペーサ７１３を配置することで、素子は機械的により安定した構成となる。図２において、５０９、６０９、７０９は第一の金属層の凸部、５１０、６１０、７１０は第一の金属層の凹部、６１１、７１１は第二の金属層の凸部、６１２、７１２は第二の金属層の凹部である。また、発振素子８００のように、第一の金属層８０３を、凸構造を含む金属層８０３ａと凹構造を含む金属層８０３ｂとを嵌合して形成した構成であれば、塑性変形し易いため、より低温・低荷重の接合が可能となる。

図３を参照して導波路の製造方法の一例を説明する。この製造方法は、第一の基板上の半導体層と第二の基板を、凹凸構造を有する第一の金属層を介して接合するステップを含む。より具体的には、本実施形態で述べた素子１００及び素子の共振器である導波路は、次のような工程で製造することで、製造工程などに起因して初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥を低減することができる。半導体層が電磁波利得を持つ活性層を含めば、導波路を共振器として備えた発振素子１００が製造される。導波路は、管内波長λｇ以下の距離に近接した２つの導体層からなるクラッドと、導体層の間に配置された半導体層のコア層とから構成される。導波路は次の（Ａ）〜（Ｄ）のステップを含む工程で製造される。（Ａ）上面に半導体層１２０を備えた第一の基板１２１を準備するステップ
（Ｂ）第一の基板１２１上の半導体層１２０と第二の基板１２２を、凹凸構造を有する第一の金属層１２３を介して接合するステップ
（Ｃ）第一の基板１２１と半導体層１２０を分離するステップ
（Ｄ）第二の基板１２２上の半導体層１２０の上面に第二の金属層１２４を形成するステップ

以上に述べた如く、本実施形態では、金属（導体層）／半導体部／金属（導体層）といった異種膜材料の積層構造であっても、比較的低温・低荷重で半導体膜の転写を行える。よって、製造プロセスなどに起因して半導体部に生じる歪や欠陥が抑制される構成の素子及びその製造方法を提供することができる。従って、本実施形態により、テラヘルツ波帯の周波数領域などで安定して動作する発振素子などが実現される。

以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
本発明の発振素子の実施例１について、図１及び図３を用いて説明する。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多重量子井戸構造からなる活性層１０１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構造を用いた。活性層１０１は、上から順に、ｎ-ＩｎＧａＡｓ（５０ｎｍ、Ｓｉ、１×１０^１８ｃｍ^−３）、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ、◎）、ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ、◎）、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）、ｎ-ＩｎＧａＡｓ（５０ｎｍ、Ｓｉ、１×１０^１８ｃｍ^−３）の順に積層された半導体多層構造である。ここで、厚さの後に◎を付したＩｎＧａＡｓ層が量子井戸層、◎を付していない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。また、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。

コア層１０２は、上述の活性層１０１と、活性層１０１の上下に配置された高濃度にキャリアドープしたｎ-ＩｎＧａＡｓ（１×１０^１９ｃｍ^−３）から構成される。このドーピング層により、コア層１０２と、コア層１０２の上下に配置した第一の金属層１０３及び第二の金属層１０４とを比較的低抵抗で接続する。第一の金属層１０３と第二の金属層１０４は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの積層膜で構成される。第一の金属層１０３がＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２０２００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ）、第二の金属層１０４がＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）である。基板１０５は、高濃度キャリアでドーピングされたＧａＡｓ基板であり、第一の金属層１０３と機械的かつ電気的に接続されている。発振素子１００は、第二の金属層１０４と第一の金属層１０３及び基板１０５を介して電源に接続され、駆動用のバイアス電圧が供給される。これらの構成により、発振素子１００は、微分負性抵抗領域で、フォトンアシストトンネル現象に基づいてミリ波からテラヘルツ波帯までの周波数領域の電磁波を発生する。

導波路１０７は、ファブリペロー型の共振器構造であり、電磁波の伝搬方向において少なくとも２つの端面を備えており、この端面からの反射を利用して電磁波を定在化する、伝搬方向（導波路１０７の長手方向）の長さＬが発振波長を決める要素となる。本実施例では、導波路１０７の長さＬがλｇの２０倍となる１ｍｍ、幅を０．０５ｍｍとしている。従って、第二の金属層１０４は１ｍｍ×０．０５ｍｍの矩形パターンである。

第一の金属層１０３には、周期的に配置された微細な凹凸構造が形成されており、本実施例では、凸構造１０９が金属部、凹構造１１０が貫通孔にそれぞれ対応している。また、ピッチ長とは、凹部と凸部とで一つのピッチ長としている。導波モードの電磁波の伝播方向と平行なピッチ長がＰＬ１で、伝播方向と面内において垂直方向のピッチ長がＰＬ２になる。凸構造１０９は、導波路１０７の長手方向及び短手方向の幅が２４μｍの正方形、高さが２０μｍのＡｕのバンプ構造である。凸構造１０９は、導波路１０７の長手方向にピッチ長が２５μｍ（λg／２）ピッチで４０個、導波路１０７の短手方向にピッチ長が２５μｍピッチ（λg／２）で２個配置されている。このように、導波モードの電磁波の伝播方向に垂直な短手方向に凹凸構造が伸びるように設けられている。なお、図１において、凸構造１０９と凹構造１１０の数は構造の特徴を分かり易く示すため省略して記載している。凹構造１１０は、発振素子１００の発振モードにおける共振電界の節の位置に配置されている。本実施例の場合、導波路１０７の端面が開放端となり、端面からλｇ／４の位置が共振電界の最初の節の位置となる。凹構造１１０は、真空または空気などのガス、もしくは、テラヘルツ波帯で低損失な材料（例えばＢＣＢなどの樹脂やＳｉＯ_２などの無機材料）で構成すれば良い。第一の金属層１０３と第二の金属層１０４との距離は、約１μｍである。本実施例の導波路１０７において、電磁波は、活性層１０１の薄い真性半導体層を表面プラズモンモードで伝搬する。本実施例では、発振周波数０．３ＴＨｚにおける導波路の等価屈折率を約２０として、発振モードの管内波長λｇを５０μｍとして設計している。従って、凸構造１０９の大きさはλｇ／２程度、ピッチ長はλｇ／２、凹構造１１０の大きさはλｇ／５０程度にそれぞれ対応している。

本発明の発振素子１００の製造方法について図３を用いて説明する。
（Ａ）第一基板１２１として、半導体層１２０をエピタキシャル成長したＩｎＰ基板を準備する。半導体層１２０は、図１における活性層１０１を含むコア層１０２に対応する。（Ｂ）第一基板１２１の上面（半導体層１２０が配置された面）にフォトリソグラフィー、真空蒸着法、電気めっき法によりパターン化された金属層（Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００００ｎｍ））を形成する。第二基板１２２の上面にフォトリソグラフィーと真空蒸着法でパターン化された金属層（Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ））を形成する。第一基板１２１と第二基板１２２の上面を対向させて、ＡｕバンプとＡｕ薄膜の表面をＡｒ高周波プラズマ活性化した後、常温で圧着接合する。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／２０２００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ））が第一の金属層１２３となる。第一の金属層１２３は、幅２４μｍ□、高さ２０μｍのＡｕバンプである凸構造１２９と、貫通孔である凹構造１３０とから構成される。また、第二基板１２２は、導電性のＧａＡｓ基板で、図１における基板１０５に対応する。
（Ｃ）研磨及び塩酸エッチングにより、一体化した基板から、ＩｎＰ基板を除去して、半導体層１２０を第一基板１２１から分離して第二基板１２２に転写する。
（Ｄ）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１２０と第一の金属層１２３を整形する。真空蒸着法とリフトオフ法を用いて、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ））からなる第二の金属層１２４を形成する。

本実施例の素子でも、上述の効果が得られて、製造プロセスなどに起因して初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥が抑制されるので、発振特性などの特性の向上や安定化が実現される。

本実施例は上記構成に限定されるものでなく、以下に示す様な変形例も可能である。例えば、本実施例では、活性層１０１として、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半導体素子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や、４重以上の多重障壁量子井戸構造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ようなカスケード接続された多重量子井戸構造などを用いても良い。また材料系としては、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせ等であっても良い。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良い。

また、本実施例では、キャリアが電子である場合を想定して説明をしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、正孔（ホール）を用いたものであっても良い。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良い。また、第一の導体層１０３及び第二の導体層１０４には、金属（Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｕＩｎ合金など）及び半金属（Ｂｉ、Ｓｂ、ＩＴＯ、ＥｒＡｓなど）を好適に用いることが出来る。もちろん、高濃度にドーピングされた半導体を導電体として用いても良い。また、スペーサ５１３、７１３には、ＳｉＯ_２、ＴＥＯＳ、ポリシリコン、ＳｉＮ_ｘ、ＡｌＮ、ＴｉＯ_２などの無機材料や、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、ＳＵ−８、ポリイミドなどの有機材料が好適に用いられる。また、低導電性の真性半導体を再成長したものを用いても良い。これらの変形例は、他の実施形態や実施例でも同様に適用可能である。

（実施例２）
本発明の実施例２である発振素子９００について図４を用いて説明する。活性層９０１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９０１を含むコア層９０２は、１０μｍ程度の厚さの半導体薄膜から構成されている。また、第一の金属層９０３と第二の金属層９０４、及び、その他の構成材料についても、非特許文献１に開示された構成を用いている。第二の金属層９０４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。なお、本構成では、発振周波約３ＴＨｚにおける導波路９０７の等価屈折率は３で、管内波長λｇを約３０μｍとしている。

本実施例では、基板９０５上の第一の金属層９０３に、凸構造９０９間の凹構造９１０として、導波路９０７の両側の端面から約１．３ｍｍの位置、すなわち導波路９０７の中央に、３μｍ×１５０μｍの溝が形成されている。また、第二の金属層９０４には、導波路９０７の両端面からそれぞれ約０．６５ｍｍの位置に、９μｍ×１５０μｍの矩形の溝が凹構造９１２ａ、９１２ｂとして形成されている。凹構造９１２ａ、９１２ｂ以外は凸構造９０１となっている。本実施例のように、凹構造９１０が管内波長λｇ／２以下となる構成であれば、凹構造９１０の位置に係らず共振電界への影響は抑制される、また、凸構造９０９が管内波長λｇ以上であることで、導波路９０７は高い光閉じ込めと低損失伝搬を実現できる。従って、本実施例のような構成であれば、導波路９０７の発振モードの安定化と活性層の歪の低減の両方が見込まれるので、発振特性の向上や安定化が期待される。

（実施例３）
本発明の実施例３である発振素子１０００について図５を用いて説明する。コア層１００２の活性層１００１は、実施例１と同じ共鳴トンネルダイオード構造であり、第一の金属層１００３と第二の金属層１００４、及び、その他の構成材料についても、実施例１と同じ構成を用いている。第二の金属層１００３は、約１ｍｍ×０．０５ｍｍの矩形パターンであり、約０．３ＴＨｚの発振が得られる設計となっている。なお、図５において、凸構造１００９と凹構造１０１０の数は省略して記載している。

本実施例の基板１００５上の第一の金属層１００３は、凸構造１００９として１μｍ□の矩形のＡｕ薄膜パターンをピッチ長が１．５μｍピッチ（λｇ／２０）で導波路１００７の長手方向及び短手方向に配置した構成である。この場合、凸構造１００９の幅はλｇ／５０程度、凹構造１０１０の大きさはλｇ／１００程度に対応している。このように、λｇ／２以下、具体的にはλｇ／２０以下の凹凸構造を用いた場合は、波長の電磁波に対する構造体の反射、散乱、屈折などの影響を無視できるので、凹凸構造の共振電界への影響が低減され、本実施例の発振素子の設計の自由度が広がる構成となる。

本実施例の素子においても、製造プロセスなどに起因して初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥が抑制されるので、発振特性などの特性の向上や安定化が実現される。

（実施例４）
本発明の実施例４である発振素子１１００について図６を用いて説明する。コア層１１０２の活性層１１０１は、実施例１と同じ共鳴トンネルダイオード構造であり、第一の金属層１１０３と第二の金属層１１０４、及び、その他の構成材料についても、実施例１と同じ構成を用いている。第二の金属層１１０３は、約１ｍｍ×０．０５ｍｍの矩形パターンであり、約０．３ＴＨｚの発振が得られる設計となっている。なお、図６において、凸構造１１０９と凹構造１１１０の数は省略して記載している。

本実施例では、導波路１１０７の片側の端面付近の領域１１２０において、第一の金属層１１０３と第二の金属層１１０４に、面内方向に広がる凹凸構造として多数のスリット１１１０と１１１２がそれぞれ配置されている。スリット１１１０及び１１１２は２μｍ×５０μｍの溝であり、本実施例ではＢＣＢが充填されている。スリット１１１０、１１１２は、単位長さあたりのスリットの個数が端面方向に向かって段階的に増加するように配置されている。言い換えると、導波路１１０７の第一の金属層１１０３と第二の金属層１１０４の凹部と凸部の粗密が導波路の端面近傍で段階的に変化する構成となっている。より具体的には、５０μｍ長さにおける２μｍ幅のスリット１１１０と１１１２の個数を１個、２個、５個、１０個、２５個と５０μｍピッチで増加するように配置される。この場合、Ｌ’＝２５０μｍである。本実施例の構造は、領域１１２０において、端面に向かうに従って等価屈折率がグレーデッドに減少するため、導波路１１０７と外部とのインピーダンスマッチングに好適であり、発振素子の取り出し効率の向上が期待される。ここで、導波路の外部とは、自由空間、伝送線路、低誘電率の誘電体などが挙げられる。

また、本実施例の別の変形例として、第一の金属層１１０３と第二の金属層１１０４の少なくとも一方の凹部と凸部の粗密を部分的に変化することで、導波路の有効屈折率を部分的に変化させることも可能である。

本実施例のような構成は、導波路１１０７の発振モードの安定化と活性層の歪の低減の両方が見込まれるので、発振特性の向上や安定化が期待される。また、ＤＭＷは、導波路と空間とのモードミスマッチに起因した端面反射の増加やビームパターンの発散が生じるため、応用の観点からビームの効率的な利用と取り回しが課題となっている。本実施例の構成であれば、導波路と外部とのインピーダンスマッチングが容易な高効率の導波路を提供することが可能となる。

また、これまで説明してきた導波路を用い、検体の状態などを算出する演算部などと組合せた図７に示す装置を提供することができる。例えば、導波路を発信器７００として用い、導波路の端部に検体７０１を配置する。検体７０１は導波路から発信される電磁波と相互作用するため、発信された電磁波は何らかの影響をうける。検体に照射された電磁波は反射や透過するため、それを検出器７０２で検出する。その後、パソコン等の演算部７０３で、検出した信号から検体７０１の状態を算出する。具体的には、薬の状態などを検査する産業用検査装置などの応用が想定される。演算部７０３で得られた検体７０１の状態は表示部７０４で表示することもできる。また、発信器７００からの情報を用いて、補正部により、演算部７０３で得られる検体７０１の状態に補正をかけてもよい。

以上、本発明の実施形態と実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態と実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１０１・・活性層（半導体部）、１０２・・コア層、１０３・・第一の導体層、１０４・・第二の導体層、１０７・・導波路、１０９・・凸構造（凸部）、１１０・・凹構造（凹部）

Claims (14)

1. 導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の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前記第一の導体層及び前記第二の導体層に接して配置されており、量子井戸構造を含むコア層と、を有し、
   少なくとも前記第一の導体層は、凹部と凸部を有する凹凸構造を有し、前記第一の導体層の厚さ方向に凹である前記凹凸構造の凹部は、前記第一の導体層の面内方向において、前記導波モードの電磁波の伝播方向と交差する方向で隣接する前記凹凸構造の凸部の間に配置されており、
   前記コア層は、前記凹凸構造を有する前記第一の導体層に接して前記凹凸構造の凹部の外に設けられている、ことを特徴とする導波路。
2. 前記凹凸構造の凹部と凸部は、周期的に配置されることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
3. 前記凹凸構造の凹部は、少なくとも、発振モードにおける共振電界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に記載の導波路。
4. 前記第二の導体層は、前記第二の導体層の面内方向に広がった凹凸構造を有す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。
5. 前記コア層は、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４の何れか１項に記載の導波路。
6. 基板、前記第一の導体層、前記コア層、前記第二の導体層の順に積層されていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の導波路。
7. 前記電磁波の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎ_ｅとして、λｇ＝λ／ｎ_ｅと表すときに、前記凹凸構造のピッチ長がλg／２未満であることを特徴とする請求項２に記載の導波路。
8. 前記凹凸構造のピッチ長が１００μｍ未満であることを特徴とする請求項２に記載の導波路。
9. 前記凹凸構造が、前記導波路の端面近傍で段階的に変化する粗密を有することを特徴とする請求項８に記載の導波路。
10. 前記第一の導体層と前記第二の導体層のそれぞれは、前記コア層に接して、導波路全体に亘って伸び、前記凹部は、前記導波モードの電磁波の伝播方向に伸びている部分を有することを特徴とする請求項７に記載の導波路。
11. 前記凹凸構造の凹部は、前記第一の導体層の面内方向において、前記導波モードの電磁波の伝播方向で隣接する前記凹凸構造の凸部の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の導波路。
12. 電磁波を用いる装置であって、
    請求項１から１１の何れか１項に記載の導波路と、
    検体と相互作用した前記電磁波を検出し、検出した信号から検体の状態を取得する演算部と、を有することを特徴とする装置。
13. 請求項１から１１の何れか１項に記載の導波路の製造方法であって、
    上面に半導体層を備えた第一の基板を準備するステップと、
    前記半導体層を、当該第一の導体層の面内方向に広がった凹凸構造を有する第一の導体層を介して第二の基板の上面に転写するステップと、
    前記半導体層の上面に第二の導体層を形成するステップと、を有することを特徴とする導波路の製造方法。
14. 請求項１３に記載の製造方法により製造される導波路を用いて発振素子を製造する発振素子の製造方法であって、
    前記半導体層を、電磁波利得を有する半導体層として形成し、
    前記導波路を、発振素子の共振器として形成することを特徴とする発振素子の製造方法。

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