JP6431978B2 - テラヘルツ変調器、高速テラヘルツ波の変調方法及び対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法 - Google Patents

テラヘルツ変調器、高速テラヘルツ波の変調方法及び対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、テラヘルツ変調器及びその製造方法に関し、特に低次元電子プラズマ波に基づく高速且つ大きい変調度を実現可能なテラヘルツ変調器及びその製造方法に関する。本発明は、更に前記テラヘルツ変調器に基づく変調方法に関する。
テラヘルツ波は、電子、通信、生命科学、軍事、宇宙航空と医療などの分野において非常に多く応用されている。テラヘルツ機能デバイスはテラヘルツシステムにおいて重要な役割を果たしている。高性能の変調器は、テラヘルツ高速イメージングと通信システムにおいて重要な役割を果たしている。現在、世界範囲でまだ電気的に駆動される変調速度が速く変調度の大きいテラヘルツ変調器が開発されていないため、その発展と応用を妨げている。
従来の固体テラヘルツ変調器の技術的解決手段は、主に単一電子挙動のＤｒｕｄｅ導電率変化によるテラヘルツ波の非共振吸収メカニズムに基づく。実現された材料によって分類すれば、主に半導体２次元電子ガス、半導体複合メタマテリアルとグラフェンなどの材料に基づく変調器がある。
２次元電子ガス変調器は、ゲート電極を介して２次元電子ガスの濃度を電気的に制御することでその導電率を変化させ、入射されたテラヘルツ放射の透過強度を変化させる。該方法は室温で実施することができるが、その最大変調度は３％に過ぎず、実際に普及し応用するまではまだ大きくかけ離れている。このような変調器はプラズマ波の特性を利用していない。それは、テラヘルツ波の透過強度が２次元電子ガスの導電率に関係するからである。
半導体複合メタマテリアル変調器において、メタマテリアルは、励起電磁波の波長より小さい構造ユニット（「ａｔｏｍｓ」）からなる、電磁気共振応答を有する人工誘電体である。半導体複合メタマテリアルを製造する時、幾何学的設計及びメタマテリアルの電磁構造パラメータを調整することでその共振特性を変化させることができ、この原理を用いてテラヘルツ放射に対する効果的なコントロールを実現することができる。ドープ半導体のエピタキシャル層においてメタマテリアルを製造してショットキーダイオード構造を形成し、電圧によりスプリットリング共振器（Ｓｐｌｉｔ−Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ、ＳＲＲ）構造ユニットの隙間にある近傍の半導体基板層のキャリア濃度を調整することで共振強度を変化させるため、共振周波数点におけるテラヘルツ波の透過強度を電気的変調により実現することができる。該方法により、室温における変調度が５０％に達し、変調速度が２ＭＨｚに達するテラヘルツ変調を実現することができる。また、複合メタマテリアル構造は、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）をＳＲＲの隙間に集積し、ゲート電極を介してチャネルの電子濃度を変化させることでＳＲＲの容量を変化させ、更にＳＲＲの共振強度を調整する。該デバイスの変調度は３３％に達することができ、最高の変調速度は１０ＭＨｚに達する。テラヘルツ波帯において、従来変調器の特許技術、例えば、２００９年にＨｏｕｔｏｎｇ Ｃｈｅｎらが出願した発明の名称が「アクティブ型テラヘルツメタマテリアルデバイス」である米国発明特許は、主にメタマテリアルを利用して実現している。
グラフェン変調器は、テラヘルツ波帯において、グラフェンにおける電子のバンド内遷移が主な役割を果たし、大面積の単層グラフェンを利用して室温における１５％の変調度と２０ｋＨｚの変調周波数を実現することができる。
従来技術は、主に、変調度が一般的に高くなく、最も高くても５０％しか達せず、こられのメカニズムのエネルギー消費方式はそれほど効果的でないことを示し、更に、高速変調は変調器の最も重要な性能指標のひとつであるが、従来技術の変調速度（最高の変調速度は１０ＭＨｚである）は高くないと言う欠点がある。
こられの欠点が発生する根本的な原因は、主に以下のとおりである。ａ）２次元電子ガスとグラフェンのキャリア層が非常に薄く、電磁波とキャリアの相互作用時間が短く、密結合が実現出来なかった場合変調効率は高くない。ｂ）Ｄｒｕｄｅ導電率モデルの散逸は単一の自由キャリアが外部散乱（フォノン、不純物と欠陥など）を受けて発生するものである。電磁波は単粒子に結合されているため、テラヘルツ波のこのような消費メカニズムはそれほど効率的ではない。ｃ）大面積デバイスの変調速度は、デバイスの寄生容量と抵抗、例えば、半導体複合メタマテリアルにゲート電圧を印加することで形成された空乏層容量と抵抗により限定される。
現在、低次元電子プラズマ波を用いてテラヘルツ変調器を実現したことに関する文献報告がない。
本発明が解決しようとする技術的課題は、テラヘルツ波の空洞型とプラズマ波モードが密結合された後に形成されたプラズモンポラリトンを利用してテラヘルツ波に対する効果的な変調を実現する、高速と大きい変調度を実現可能なテラヘルツ変調器を提供することである。テラヘルツ高速イメージングと高速通信に必要な変調器を実現するために、可能な解決手段を提供する。
本発明に係るテラヘルツ変調器は、
ソース電極、ドレイン電極及び回折格子ゲート電極を含むＧａＮ／ＡｌＧａＮの高電子移動度トランジスタと、
プラズマ波を励起させるのに用いられ、前記トランジスタの半導体ヘテロ界面におけるナローギャップ半導体側に形成された準２次元電子殻と、
を含むプラズモンと、
回折格子とサンプルが接触する表面から薄化されたサファイア基板の下部表面にわたって形成された誘電体共振空洞を含む共振空洞と、
を含む。
上記のようなテラヘルツ変調器において、前記回折格子ゲート電極は１次元回折格子又はインターデジタル型回折格子である。
上記のようなテラヘルツ変調器において、前記共振空洞は薄化されたサンプル自体の界面に形成されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ（ファブリ・ペロー：Ｆ−Ｐと略称する）共振空洞又は同じ誘電体層からなる対称共振空洞構造であってもよい。
本発明は、更に、
前記トランジスタのソース電極とドレイン電極を接地させ、前記トランジスタのゲート電極に直流の
である交流の変調信号を印加することと、
前記トランジスタに含まれている回折格子ゲート電極により、２次元電子ガスにおける２次元プラズマ波とテラヘルツ共振空洞モードを密結合させてプラズモンポラリトンを形成することと、
プラズモンと共振空洞型の共振条件を満たすように、回折格子のゲート電圧を調整することと、
共振空洞モードに対する効果的な変調を実現するために、共振と非共振点の間でゲート電圧を切り替えることと、
を含む高電子移動度トランジスタに基づく高速変調方法を提供する。
上記のような高速変調方法において、プラズモンの共振周波数は
に依存し、
上記のような高速変調方法において、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ（Ｆ−Ｐ）共振空洞モードは共振空洞誘電体の
に関連し、その共振周波数は
である。
ここで、プラズモンと共振空洞モードに共振密結合された場合、プラズモンポラリトンが２つに分岐されるが、これは密結合の重要な特徴である。
本発明は、更に、
ＧａＮ／ＡｌＧａＮの２次元電子ガス材料の小片にデバイス活性領域の２次元電子ガス平面を形成するステップ１と、
ソース電極、ドレイン電極のオーム接触を形成するステップ２と、
回折格子ゲート電極を形成するステップ３と、
回折格子ゲート電極とオーム接触するリード線電極及びウェハー接合に用いられるパターン転写を形成するステップ４と、
共振空洞構造を形成するために、サファイア基板の裏面を薄くし研磨するステップ５と、
を含むテラヘルツ変調器の製造方法を提供する。
本発明は、更に、共振空洞の平板材料に対する薄化及び研磨を行うことと、共振空洞の平板材料においてウェハー接合領域のパターン転写を行うことと、接合された金属領域においてフリップチップボンディングのパターン転写を実現することとを含む、誘電体共振空洞を製造するステップと、誘電体共振空洞と２次元電子ガスのチップを一体に接合させるステップと、を含む対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法を開示する。
本発明は、２次元電子ガスにおけるプラズマ波が電子の集団振動であり、その特有の強束縛電場はテラヘルツ波との密結合を実現することができるため、そのテラヘルツ波に対する変調効率が非常に高いという顕著な特徴を有する。単一電子挙動の消費メカニズムに対して、本発明の集団振動モードの消費はより効果的であり、これは大きい変調度を発生するのに有利である。２次元電子ガスのプラズマ波をテラヘルツ共振空洞に集積して密結合を実現し、プラズモンをコントロールすることで共振空洞の共振モードに対する効果的なコントロールを実現する。
本発明は、テラヘルツ波空洞型とプラズマ波モードが密結合された後に形成されたプラズモンポラリトンを利用してテラヘルツ波に対する効果的な変調を実現する。また、高速（約１ＧＨｚ）と変調度（７０％、すなわち１０ｄＢ以上）が大きい変調を実現することができ、テラヘルツ高速イメージングと高速通信に必要な変調器を実現するために、可能な解決手段を提供する。
本発明に係るテラヘルツ変調器の構造原理を示す図である。 本発明に係るテラヘルツ変調器における回折格子ゲート電極を示す図である。ここで、図２ａは１次元回折格子ゲート電極であり、図２ｂはインターデジタル型回折格子ゲート電極である。 本発明に係るテラヘルツ変調器における対称共振空洞の構成図である。 本発明に係るテラヘルツ変調器の動作状態下での各電極バイアスを示す図である。 プラズモンと自由空間テラヘルツ光の分散関係曲線である。 プラズモンと共振空洞モードが密結合して形成されたプラズモンポラリトンの２つの分岐ω＋とω−の曲線図である。 計算により得られたプラズモンポラリトンの固有モードである。 実験で測定された周波数が１．０７ＴＨｚである空洞型の透過係数がゲート電圧に従って変化する関係を示す図である。 本発明に係るテラヘルツ変調器の製造フローチャートである。 基本的なテラヘルツ変調器構造の製造プロセスの具体的なフローチャートである。
本発明の目的、技術的解決手段及び利点がより明瞭であるように、以下、図面に合わせて本発明の具体的な実施形態を例示的且つ詳細に説明する。
当業者が理解しやすいように、本発明により提供される関連技術用語を下記のように解釈する。
１）テラヘルツ波（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｗａｖｅ、ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）とは、周波数が０．１−１０ＴＨｚ（１ＴＨｚ＝１０００ＧＨｚ＝１０１２Ｈｚ）であり、波長が３０μｍから３ｍｍである電磁波を指し、電磁波の周波数スペクトルのミリ波帯と赤外線波帯の間に位置し、亜ミリ波又は遠赤外線とも言う。
２）テラヘルツ変調器（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）とは、テラヘルツ波の電磁特性（電場強度又は位相）を効果的にコントロールことができるデバイス又は装置を指す。
３）テラヘルツ共振空洞（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｃａｖｉｔｙ）とは、特定のテラヘルツ波の定在波モードをサポートすることができる電磁誘電体構造を指し、金属導波路共振空洞と誘電体導波路共振空洞を含む。ファブリ共振空洞は同じく金属導波路共振空洞又は誘電体導波路共振空洞に属し、空洞内には低消費誘電材料が充填され、又は真空状態（空気）であり、空洞表面は高反射率を有する金属コーティング膜又は誘電体−空気界面であってもよい。
４）２次元電子ガス（ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇａｓ、２ＤＥＧ）とは、一方の空間次元での運動が制限されるが、その他の２つの次元では自由に運動できる一定の濃度を有する電子システムを指す。固体では、一般的に半導体ヘテロ界面におけるナローギャップ半導体側に形成された準２次元電子殻であり、例えば、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのヘテロ接合界面におけるＧａＡｓ側の２次元電子ガスとＧａＮ／ＡｌＧａＮのヘテロ接合界面におけるＧａＮ側に形成された２次元電子ガスである。ヘテロ接合において２次元電子ガスにおける電子は空間的にドープ不純物と効果的に分離されるため、２次元電子ガスは該当の半導体材料におけるキャリアより高い移動度を有する。
５）プラズマ波（ｐｌａｓｍａ ｗａｖｅ、ｐｌａｓｍｏｎ）とは、同じ極性の電荷の集合体が逆極性の電荷の環境で発生する密度の変動を指し、波の特性を有し、電荷の集団励起である。プラズマ波として振動する準粒子はプラズモン（ｐｌａｓｍｏｎ）であり、実際は電荷密度が振動する素励起である。当該特許では、半導体２次元電子ガスにおける電荷密度の振動波を指し、２次元プラズマ波又は２次元プラズモンと言う。
６）プラズモンポラリトンとは、空洞光子が物質素励起に密結合して形成されたコヒーレント混合状態を指す。当該特許では、２次元電子ガスにおけるプラズモンとテラヘルツ空洞共振型が密結合して形成された混合状態を指し、該密結合システムの固有状態である。また、プラズモンと共振空洞モードが共振する時に逆スタガ型特徴が現れることを特徴とする。
７）高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＨＥＭＴ）とは、半導体ヘテロ接合材料により製造された電界効果トランジスタを指し、電子とドープ領域が分離し、トランジスタチャネルにおける電子が非常に高い移動度を有するため、該トランジスタを高電子移動度トランジスタと称する。
８）振幅変調度とは、電磁波の電場振幅の変化△Ａと原電場振幅Ａの比の百分率、すなわち、
である。
本発明はテラヘルツ変調器を提供する。その基本的な原理は、電子の集団振動（Ｐｌａｓｍｏｎ、すなわち、プラズモン、又はプラズマ波と称する）による共振吸収メカニズムであり、テラヘルツ波とプラズモンの結合強度を強化するために、回折格子結合２次元電子ガスを有するＨＥＭＴ構造をテラヘルツ共振空洞に集積し、それによりテラヘルツ変調器を提供する。本発明に係るテラヘルツ変調器は密結合の役割によって共振空洞モードの透過係数を共振点で最小とし、プラズモンの振動周波数をコントロールすることでシステムを共振点と非共振点にて切り替える時、共振空洞の共振モードに対する効果的な変調を実現することができる。
図１は最も基本的なテラヘルツ変調器デバイスの構成図であり、主にプラズモンと共振空洞の２つのユニットを含む。
前記プラズモンは、
ソース電極１、ドレイン電極２、回折格子ゲート電極３を含むＧａＮ／ＡｌＧａＮのＨＥＭＴ構造と、
プラズマ波６の担体であり、又は、プラズマ波を励起させるのに用いられる、半導体ヘテロ界面におけるナローギャップ半導体側に形成された準２次元電子殻、すなわち、２次元電子ガス４と、を含む。
前記共振空洞は、薄化されたサファイア誘電体材料により形成された誘電体共振空洞５である。好ましくは、本発明は薄化処理された後のサファイア材料を共振空洞誘電体材料として採用する。
具体的には、共振空洞は回折格子とサンプルが接触する表面から基板の下部表面にわたって形成された誘電体共振空洞を含むべきであり、２次元電子ガス４の上面には、非常に薄いゲート電極バリア層があり、それも共振空洞に含まれ、主な原因として該層が非常に薄く且つ屈折率が基板と非常に近接するため、誘電体共振空洞と総称することができる。
ここで、ソース電極１とドレイン電極２は、従来のオーム接触プロセスを採用して、その接触抵抗を小さければ小さいほどよくすることができる。
ここで、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ接合界面におけるＧａＡｓ側に形成された２次元電子ガスとＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ接合界面におけるＧａＮ側に形成された２次元電子ガスに対して、主に２つの重要なパラメータがある。第１のパラメータは高い電子移動度であり、移動度が高ければ高いほど、プラズマ波の品質ファクターは高くなり、より強い結合を実現することができる。一般的に、ＧａＮ／ＡｌＧａＮの２次元電子ガスに対して、その室温移動度は２０００ｃｍ２／Ｖｓである。実験を通じて観察できるプラズモン共振吸収の最高温度は２００Ｋに近接する。有効なプラズモン振動を形成するには、１００００ｃｍ２／Ｖｓ及びそれ以上の電子移動度が求められる。第２のパラメータは高い２次元電子ガスの濃度であり、濃度が高ければ高いほど高い品質ファクターを獲得するのに有利であり、その他の条件が同じである場合、より高い振動周波数を有するため、デバイスはより広い周波数スペクトル範囲をカバーすることができる。
その他の２次元電子ガス材料は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、グラフェン、ＭｏＳ２などを含む。
図１は、更に、空洞型電場７は回折格子の近距離強化によってプラズマ波６の拘束電場に結合され、密結合を実現することができることを示す。
結合強度と変調度を向上させるために、図１に示す構造における非ゲート制御領域の２次元電子ガスをエッチングすることができ、例えば、誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ、ＩＣＰと略称する）を介してエッチングすることで実現することができる。
図１における符号８は入射されたテラヘルツ波を示し、符号９は前記テラヘルツ変調器を通過した後の透過テラヘルツ波を示す。
図２は本発明に係るテラヘルツ変調器における回折格子ゲート電極に関する２つの実施例を示す。
図２ａは１次元回折格子を示し、ここで、デバイスのソース電極はＳ、ドレイン電極はＤ、ゲート電極はＧで示す。ゲート長はＷであり、Ｌはゲート長とゲート電極間距離の和と等しい回折格子周期である。
図２ｂはインターデジタル型回折格子であり、ここで、回折格子Ｇ１のゲート長はＷ１、回折格子Ｇ２のゲート長はＷ２、ゲート電極間距離はＳである。
ここで説明すべきことは、回折格子は結合の役割を果たし、その周期は
より遥かに小さければならず、一方、テラヘルツ波帯における回折格子の消費が非常に小さい場合、回折格子の金属厚さが表皮深さ（≧１２０ｎｍ）より必ず大きいことを要求する。
回折格子ゲート電極の役割は、回折格子のゲート電圧を調整することでプラズマ波をコントロールすることである。
上記１次元回折格子とインターデジタル型金属回折格子のほか、回折格子ゲート電極は更に平面２次元メッシュ回折格子、同心円状回折格子、テラヘルツメタマテリアルと２次元電子ガス平面の周期性構造又はパターンを含む。
図１に示す共振空洞構造は最もシンプルな基板を採用し、基本的な平板式共振空洞に属する。そのため、本発明は更に図３に示すような基板ともう一つ同じ厚さの同じ誘電体により構成される対称共振空洞構造を提供する。
上記誘電体共振空洞に対して、誘電体材料を選択する根拠は、テラヘルツ波に対する吸収を可能な限り小さくし、同時に高電子移動度２次元電子ガス材料ヘテロ接合成長の要求を満たすことが必要である。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ材料に対して、サファイア基板によるテラヘルツ波の吸収は小さく、その機械的強度も高く、更に小さい寸法の共振空洞を加工するのに有利である。一般的に、共振空洞の寸法が考慮される周波数帯波長のにあることを要求するが、これは主に独立した空洞型を形成しやすくするためである。
図３に示すＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ平板式共振空洞に加えて、更に２次元電子ガスと共面する共振空洞、例えば、テラヘルツ共面導波路（Ｃｏ−ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ、すなわち、ＣＰＷ）、スリットアンテナ（Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ）とテラヘルツメタマテリアル共振器（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）などであってもよい。
前記準２次元電子殻は半導体２次元電子チャネルにおける電子であり、前記電子の集団振動によってテラヘルツ波の共振吸収を実現し、共振空洞モードに密結合されることで吸収を更に強化する。
２次元プラズマ波の共振吸収の原理に基づき、２次元電子チャネルにおける電子の集団振動によってテラヘルツ波に対する共振吸収を実現し、共振空洞モードに密結合されることで吸収を更に強化する。該物理的メカニズムは本発明の本質である。
図４〜図８は本発明により提供される高電子移動度トランジスタＨＥＭＴの構造に基づく前記高速変調方法を詳細に説明するのに用いられる。
図４は本発明に係るテラヘルツ変調器が動作する時の電圧バイアスを示す図であり、図４に示すように、回折格子ゲート電極を有するＧａＮ／ＡｌＧａＮ高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＨＥＭＴと略称する）構造である。
本発明に係るテラヘルツ変調器の変調原理は、回折格子により２次元電子ガスにおけるプラズマ波をテラヘルツ共振空洞モードに密結合させ、それによりプラズモンポラリトンを形成することである。回折格子のゲート電圧を通じてプラズモンと空洞型の共振条件をコントロールし、システムを共振点と非共振点で切り替えることによりテラヘルツ空洞型の透過をコントロールする目的に達する。
図４に示すように、テラヘルツ変調器デバイスが動作する時、ソース電極とドレイン電極が接地し、ゲート電極に
を印加する。
プラズモンの共振周波数は
（シールド効果）に依存し、すなわち、
である。電子濃度はゲート電圧によりコントロールされ、デバイスの物理モデルのグラジュアルチャネル近似により得られた電子濃度とゲート電圧の関係は
（ここで、
であり、すなわち、２次元電子ガスからサンプル表面までの距離である）である。交流の変調信号よってプラズモンの共振周波数は刻々と変化する。プラズモンと自由空間のテラヘルツ波との分散関係曲線は図５に示すとおりである。
図５において、点線は両者が共振することを示し、すなわち、プラズモンの共振吸収が生じることを示す。Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ（Ｆ−Ｐ）共振空洞モードは共振空洞誘電体の
に関連し、その共振周波数は
である。
図６に示すように、プラズモンと共振空洞モードが共振により密結合される場合、プラズモンポラリトンが２つに分岐され、すなわち、図６に示す
である。図７に示すように、構造の密結合の固有モードを算出するために、図７はあるプラズモンポラリトン（ｍ＝１、ｋ＝２）の上部分岐（ＵＰＰ）と下部分岐（ＬＰＰ）を示し、鉛直な直線はプラズモンと共振空洞モードの共振結合点に対応する直流ゲート電圧を示し、約−２．５Ｖである。
ゲート電圧を通じてコントロールする場合、実質的には２次元電子ガスの電子濃度をコントロールすることによって、グリッドコントロールのプラズモンと共振空洞モードを共振させ、元は透過ピークであった共振空洞モードはプラズモン共振により吸収される。そのため、ゲート電圧が共振と非共振点の間で切り替えられる時、共振空洞モードに対する効果的な変調を実現する。これが本発明に係るテラヘルツ変調器の基本的な動作原理である。
デバイスの低温時間領域透過光スペクトルは、テラヘルツ変調器としての大きな潜在的能力を証明する。変調方法をより明瞭に説明するために、図８はデバイスが動作する時のバイアスを示す図である。共振点にある場合、空洞型の透過は最も小さく、加えられた変調信号がゲート電圧を非共振点に調整した場合、空洞型の透過は最大に達する。図にはデバイスの直流動作電圧と最適な印加の変調高周波数信号が示されている。図８は実験結果から周波数が１．０７ＴＨｚであるものを取った時、空洞型の透過係数がゲート電圧に伴って変化することを示す曲線である。図８は、デバイスの直流動作のゲート電圧及び印加の高周波数変調信号を示し、図８から分かるように、共振点の近傍において、透過率のゲート電圧に伴う変化は良好な直線性を有し、すなわち、透過率のゲート電圧に伴う変化は線形関係を呈する。図８における点線により示された「類似正弦波」の波形は変調されたテラヘルツ波の透過係数を示し、その振幅変調度は
である。該変調度はいずれも従来技術に開示されたテラヘルツ変調器の性能より高い。
図９に示すように、本発明は更に、
ＧａＮ／ＡｌＧａＮの２次元電子ガス材料の小片にデバイス活性領域の２次元電子ガス平面を形成するステップ１と、
ソース電極、ドレイン電極のオーム接触を形成するステップ２と、
回折格子ゲート電極を形成するステップ３と、
回折格子ゲート電極とオーム接触するリード線電極及びウェハー接合に用いられるパターン転写を形成するステップ４と、
共振空洞構造を形成するために、サファイア基板の裏面を薄くし研磨するステップ５と、を含むテラヘルツ変調器の製造方法を提供する。
図９の技術的思考に基づき、図１０はより詳しいテラヘルツ変調器の製造プロセスのフロー図を示し、大量生産に適用し、具体的に説明すると以下のとおりである。
Ｓ１００１、小片に切断する。２寸のＧａＮ／ＡｌＧａＮの２次元電子ガスの原片をレーザースクライビングマシンを介して長さと幅がいずれも１．５ｃｍである四角形の小片に切断する。
Ｓ１００２、２次元電子ガス平面を形成する。紫外線露光技術（フォトエッチングと略称する）を用いて２次元電子ガス平面のパターン転写を実現した後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いて２次元電子ガス材料をエッチングし、デバイス活性領域平面を形成する。
Ｓ１００３、オーム接触させる。フォトエッチングし、電子ビーム蒸発プロセスを用いて、２次元電子ガス平面にオーム接触する複数層の金属構造を蒸着し、剥離させた後、オーム接触の金属パータンを形成し、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ ＨＥＭＴに対して、一般的にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（２０／１２０／７０／１００ｎｍ）を採用し、最後に急速焼きなまし炉における窒素雰囲気にて、９００℃にて３０秒アニーリングし、ソース電極、ドレイン電極のオーム接触を形成する。
Ｓ１００４、回折格子ゲート電極を形成する。フォトエッチングし、回折格子構造のパターン転写を実現し、電子ビーム蒸発を用いてＴｉ／Ａｕ又はＮｉ／Ａｕ（２０／１００ｎｍ）を蒸着し、剥離させた後、金属回折格子ゲート電極構造を形成する。
Ｓ１００５、リード線電極の形成する。フォトエッチングし、回折格子ゲート電極のリード線電極、オーム接触リード線電極とウェハー接合に用いられるパターン転写を実現し、電子ビーム蒸発を用いてＴｉ／Ａｕ又はＮｉ／Ａｕ（２０／３００ｎｍ）を蒸着し、剥離させた後に該当する電極構造を形成する。
Ｓ１００６、共振空洞構造を形成するために、薄化装置と化学機械により基板共振空洞を研磨し、サンプルの裏面から薄化及び研磨し、薄化された厚さは一般的に１００〜２００μｍの間である。
最後に、小片の切断により単一の回折格子結合２次元電子ガスのチップの形成することは、レーザーで小片を切断し、手動で剥離して、１．５ｃｍの四角形の小片を独立した、約６×６ｍｍ２の２次元電子ガスのプロトタイプチップに分割する。
前記のように、図３は最も基本的な基板共振空洞構造以外の他の具体的な構造を示し、それは対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器であり、対称する２つの共振空洞は１つのプラズモンを「共用」し、すなわち、図１０のプロセスにおいて最後に製造された２次元電子ガスのチップには、他の共振空洞１０が対称に設置され、該共振空洞１０と２次元電子ガスのチップの共振空洞は１つのプラズモンを「共用」する。そのため、本発明は更にこのような異なる共振空洞のテラヘルツ変調器の製造方法の実施例を提供する。
対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法は以下のとおりである。
図３に示すような対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器に対し、図１に示す典型的なテラヘルツ変調器をもとに、１つの誘電体共振空洞を増設することに相当し、それにより対称誘電体共振空洞を有するテラヘルツ変調器を形成する。その製造方法は、誘電体共振空洞１０を製造するステップと、該共振空洞と上記２次元電子ガスのチップを一体に接合するステップと、を含み、ここで説明する誘電体共振空洞とは、２次元電子ガスのチップに対して対称に設置された誘電体共振空洞１０を指し、該誘電体共振空洞の製造ステップは以下のとおりである。
１）薄化装置と化学機械による研磨プロセスを採用して、共振空洞平板材料（サファイア）に対する薄化及び研磨を行う。
２）フォトエッチングし、共振空洞平板材料においてウェハー接合領域のパターン転写を実現し、電子ビーム蒸発によりＴｉ／Ａｕ又はＮｉ／Ａｕ（２０／３００ｎｍ）を蒸着し、ウェハー接合の金属領域を形成する。
３）フォトエッチングし、接合された金属領域でフリップチップボンディングのパターン転写を実現し、熱蒸発によりインジウムを蒸着し、剥離してフリップチップボンディングに必要なインジウム柱を獲得する。
最後に、フリップチップボンディング技術により、上記ステップで製造された誘電体共振空洞と図１０のステップで最終的に製造された２次元電子ガスのチップを一体に接合し、対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器を形成する。
ここで、共振空洞平板材料においてウェハー接合領域のパターン転写を行うステップは、電子ビーム蒸発によりＴｉ／Ａｕ又はＮｉ／Ａｕを蒸着し、剥離してウェハー接合の金属領域を形成することで実現する。
接合された金属領域においてフリップチップボンディングのパターン転写を行うステップは、熱蒸発によりインジウムを蒸着し、剥離してフリップチップボンディングに必要なインジウム柱を獲得することで実現する。
２次元電子ガスのチップと誘電体共振空洞を一体に接合するステップは、フリップチップボンディング技術により実現することができ、すなわち、両者の図３に示すような位置関係を合わせ、加熱後に更に圧力を加えることで、両者を金−インジウムの固溶化熱処理を介して一体に結合させ、最後にリフロー炉で逆流よって接合をより強固にする。
本発明の利点は具体的に以下の幾つかの面から体現される。
１）プラズマ波とテラヘルツ空洞型が密結合状態にあり、プラズマ波は電子の集団振動（集団的応答が極めて速い）であるため、変調度が大きく、速度が速いという利点を有する。
２）ＧａＮ／ＡｌＧａＮのヘテロ接合における２次元電子ガスの電子濃度が高く、ゲート電極によるコントロールによってより広いテラヘルツの周波数帯域をカバーすることができる。
３）デバイスは狭帯域で動作するが、複数の周波数点で動作することができ、動作周波数点と動作電圧は理論とニーズに応じて設計することができるため、該デバイスの適応性が高い。
４）プラズモンの品質ファクターが高い場合、変調器が動作する時に必要な変調信号の振幅が比較的小さく、これは高速応用と電力消費を低減するのに有利である。
５）サファイア基板自体によるテラヘルツ波の吸収が非常に小さいため、ドープ半導体より消費が小さい。
６）サファイア基板が非常に強靭であるため、デバイスを１００〜２００μｍに薄化させても、破壊することなく、十分な機械的強度を有する。
要するに、従来技術における単一電子挙動の技術的解決手段との違いは、本発明は電子の集団振動（プラズマ波、すなわち、プラズモン、Ｐｌａｓｍｏｎ）による共振吸収メカニズムである。テラヘルツ波とプラズモンの結合強度を強化するために、回折格子結合２次元電子ガスを有するＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）の構造をテラヘルツ共振空洞に集積する。密結合の役割よって共振空洞モードの透過係数を共振点で最も小さくし、回折格子のゲート電圧の変化により、プラズモンと空洞型の共振条件をコントロールし、テラヘルツ波の透過をコントロールする目的に達する。プラズモンの振動周波数をコントロールすることてシステムを共振点と非共振点で切り替える場合、共振空洞の共振モードに対する効果的な変調を実現することができる。本発明は、テラヘルツ変調器の物理的メカニズムと実現プロセス技術に対して詳細に説明し、関連する応用のために可能な解決手段を提供する。「光」（テラヘルツ波）と「物質」（プラズモン）の密結合を用いるため、本発明は突出した実質的特徴と顕著な進歩性を有する。
上記具体的な実施形態は本発明の目的、技術的解決手段と好適な効果を理解させるためのものであり、理解すべきことは、前記内容は本発明の具体的な実施形態に過ぎず、本発明の特許請求の範囲を限定するものではなく、本発明の趣旨と原則を逸脱しない限り、なされたいかなる修正、等価置換、改良などは、いずれも本発明の保護範囲に含まれるべきである。

Claims (18)

  1. プラズモンと共振空洞を含む低次元電子プラズマ波に基づくテラヘルツ変調器であって、
    前記プラズモンは、
    ソース電極、ドレイン電極と回折格子ゲート電極を含むＧａＮ／ＡｌＧａＮの高電子移動度トランジスタと、
    プラズマ波を励起させるのに用いられ、前記トランジスタの半導体ヘテロ界面におけるナローギャップ半導体側に形成された準２次元電子殻と、
    を含み、
    前記共振空洞は、前記回折格子と前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮが接触する表面から薄化されたサファイア基板の下部表面にわたって形成された誘電体共振空洞と、回折格子ゲート電極の界面に形成されたサファイア基板と同じ誘電体層と、からなる対称共振空洞構造を含み、
    前記テラヘルツ変調器の変調方法は、前記トランジスタのソース電極とドレイン電極を接地させ、前記トランジスタのゲート電極に
    である交流の変調信号を印加することと、
    プラズモンと共振空洞型の共振条件を満たすように、回折格子のゲート電圧を調整することと、
    共振空洞モードに対する効果的な変調を実現するために、共振と非共振点の間でゲート電圧を切り替えることと、を含み、
    前記ゲート電極に交流の変調信号を印加することは、負の直流のゲート電圧Ｖ Ｇ と振幅Ｖ Ｍ の交流変調信号が同時に前記ゲート電極に供給されることである、
    ことを特徴とするテラヘルツ変調器。
  2. 前記回折格子ゲート電極は１次元回折格子又はインターデジタル型回折格子であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ変調器。
  3. 前記回折格子ゲート電極は、更に平面２次元回折格子、同心円状回折格子、テラヘルツメタマテリアル回折格子を含むことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ変調器。
  4. 前記共振空洞は２次元電子ガスと共面する共振空洞であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ変調器。
  5. 前記準２次元電子殻は半導体２次元電子チャネルにおける電子であり、前記電子の集団振動によってテラヘルツ波に対する共振吸収を実現し、共振空洞モードと密結合することにより吸収を更に強化することを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ変調器。
  6. 高電子移動度トランジスタに基づく高速テラヘルツ波の変調方法であって、
    前記トランジスタのソース電極とドレイン電極を接地させ、前記トランジスタのゲート電極に
    である交流の変調信号を印加することと、
    前記トランジスタに含まれている回折格子ゲート電極により、２次元電子ガスにおける２次元プラズマ波とテラヘルツ共振空洞モードを密結合させてプラズモンポラリトンを形成することと、
    プラズモンと共振空洞型の共振条件を満たすように、回折格子のゲート電圧を調整することと、
    共振空洞モードに対する効果的な変調を実現するために、共振と非共振点の間でゲート電圧を切り替えることと、
    を含み、
    前記共振空洞は、前記回折格子と前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮが接触する表面から薄化されたサファイア基板の下部表面にわたって形成された誘電体共振空洞と、回折格子ゲート電極の界面に形成されたサファイア基板と同じ誘電体層と、からなる対称共振空洞構造を含み、
    前記交流の変調信号を印加することは、負の直流のゲート電圧Ｖ Ｇ と振幅Ｖ Ｍ の交流変調信号が同時に前記ゲート電極に供給されることである、ことを特徴とする高速テラヘルツの変調方法。
  7. 前記プラズモンの共振周波数は
    に依存し、
    であることを特徴とする請求項６に記載の高速テラヘルツ波の変調方法。
  8. 前記共振空洞は、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共振空洞であり、前記Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共振空洞モードは
    に関連し、その共振周波数は
    であることを特徴とする請求項６又は７に記載の高速テラヘルツ波の変調方法。
  9. プラズモンが共振空洞モードに共振密結合された場合、プラズモンポラリトンの２つの分岐が発生することを特徴とする請求項６又は７に記載の高速テラヘルツ波の変調方法。
  10. 請求項１に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法であって、
    ＧａＮ／ＡｌＧａＮの２次元電子ガス材料の小片にデバイス活性領域の２次元電子ガス平面を形成するステップ１と、
    ソース電極、ドレイン電極のオーム接触を形成するステップ２と、
    回折格子ゲート電極を形成するステップ３と、
    回折格子ゲート電極とオーム接触するリード線電極及びウェハー接合に用いられるパターン転写を形成するステップ４と、
    共振空洞構造を形成するために、サファイア基板の裏面を薄くし研磨するステップ５と、
    共振空洞平板材料に対する薄化及び研磨を行うことと、
    共振空洞平板材料においてウェハー接合領域のパターン転写を行うことと、
    接合された金属領域においてフリップチップボンディングのパターン転写を実現することと、
    を含む誘電体共振空洞を製造するステップと、
    前記誘電体共振空洞と前記回折格子ゲート電極を接合させるステップ６と、
    を含む、ことを特徴とする対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
  11. ステップ１において、前記ＧａＮ／ＡｌＧａＮの２次元電子ガス材料の小片は、レーザースクライビングマシンを用いて２寸（約３０．３０３ｍｍ、以下同様）のＧａＮ／ＡｌＧａＮの２次元電子ガスの原片を長さと幅がいずれも１．５ｃｍである四角形の小片に切断して得られ、前記２次元電子ガス平面は、紫外線露光技術を用いて２次元電子ガス平面のパターン転写を実現し、その後、デバイス活性領域の平面を形成するために、誘導結合プラズマを用いて２次元電子ガス材料をエッチングする、ことを特徴とする請求項１０に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
  12. ステップ２は、フォトエッチングし、電子ビーム蒸発プロセスを採用して、２次元電子ガス平面にオーム接触する複数層の金属構造を蒸着し、剥離させた後、オーム接触する金属パターンを形成し、急速焼きなまし炉に投入して焼きなましを行い、ソース電極とドレイン電極のオーム接触を形成することをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
  13. ステップ３における前記回折格子ゲート電極を形成することは、フォトエッチングし、電子ビーム蒸発を採用してＴｉ／Ａｕ又はＮｉ／Ａｕを蒸着し、剥離させた後に金属回折格子ゲート電極構造を形成することを含み、ステップ４において、リード線電極の形成は、まずフォトエッチングを採用し、電子ビーム蒸発によってＴｉ／Ａｕ又はＮｉ／Ａｕを蒸着し、剥離させた後に該当する電極構造を形成することを特徴とする請求項１０に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
  14. 共振空洞構造を形成するために、薄化装置及び化学機械を用いて前記サファイア基板を薄化及び研磨することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
  15. ステップ５の後、更に、レーザースクライビング加工と手動による剥離を採用して、小片に切断し単一の回折格子結合２次元電子ガスのチップを形成することを含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
  16. 共振空洞平板材料においてウェハー接合領域のパターン転写を行う前記ステップは、電子ビーム蒸発によってＴｉ／Ａｕ又はＮｉ／Ａｕを蒸着し、剥離させてウェハー接合の金属領域を形成することを特徴とする請求項１０に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
  17. 接合された金属領域においてフリップチップボンディングのパターン転写を行う前記ステップは、熱蒸発によってインジウムを蒸着し、剥離させてフリップチップボンディングに必要なインジウム柱を得ることを特徴とする請求項１０に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
  18. 前記誘電体共振空洞と前記回折格子ゲート電極を接合させる前記ステップは、両者を位置合わせ、加熱後に圧力を加え、両者を金−インジウムの固溶化熱処理を介して一体に結合させ、最後にリフロー炉で逆流させることを特徴とする請求項１０に記載の対称誘電体共振空洞付きのテラヘルツ変調器の製造方法。
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