JP6618273B2 - テラヘルツ素子モジュール - Google Patents
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Description
図1・図2は、実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100を示した図である。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100に搭載可能なテラヘルツ素子30の模式的平面パターン構成は、図3(a)に示すように表され、図3(a)のII−II線に沿う模式的断面構造は、図3(b)に示すように表される。
テラヘルツ発振素子として動作可能なテラヘルツ素子30は、図3(a)・図3(b)に示すように、半導体基板1と、半導体基板1上に配置された第1の半導体層91aと、第1の半導体層91a上に積層化形成された能動素子90と、第1の半導体層91aに接続されて能動素子90の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板1上に配置された第2の電極2と、能動素子90の主電極の他方に接続され、かつ半導体基板1上に第2の電極2に対向して配置された第1の電極4とを備え、サブマウント16上に搭載される。ここで、能動素子90は、第2の電極2と第1の電極4間において共振器を形成し、放射された電磁波は、サブマウント16に反射されて、半導体基板1に対して垂直方向の面発光放射パターンを有する。ここで、図示は省略されているが、サブマウント16上には金属層が配置されており、テラヘルツ素子30の半導体基板1は、この金属層上に配置される。
テラヘルツ検出素子として動作可能なテラヘルツ素子30は、図3(a)・図3(b)に示すように、半導体基板1と、半導体基板1上に配置された第1の半導体層91aと、第1の半導体層91a上に積層化形成された能動素子90と、第1の半導体層91aに接続されて能動素子90の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板1上に配置された第2の電極2と、能動素子90の主電極の他方に接続され、かつ半導体基板1上に第2の電極2に対向して配置された第1の電極4と、サブマウント16上に搭載される。ここで、図示は省略されているが、サブマウント16上には金属層が配置されており、テラヘルツ素子30の半導体基板1は、この金属層上に配置される。ここで、能動素子90は、第2の電極2と第1の電極4間において共振器を形成し、受信した電磁波は、サブマウント16上の金属層に反射されて、半導体基板1に対して垂直方向の面受光パターンを有する。
能動素子90としてRTDを有するテラヘルツ素子30は、RTDの負性抵抗に起因する外部回路との寄生発振によって、テラヘルツ帯での本発振を規制される。寄生発振を抑制する方法として、図3(a)・図5・図6に示すように、RTDに対して並列に抵抗素子114を配置し、外部回路に対して負性抵抗が見えないようにすることができる。
RBi<=ΔV/ΔI(=RRTD) (1)
で表される。
テラヘルツ素子30において、並列抵抗Rpが有る場合の簡易的な等価回路構成は、図7に示すように表される。図7において、L1・L2は、フィード線40F・20Fに相当する部分のインダクタンスに相当している。また、Cpは、RTD部の寄生容量を示す。また、RTD部のRTDは、ダイオード表示で示されている。また、アンテナ部は、アンテナインダクタンスLAとアンテナ抵抗RAの並列回路で表されている。また、CMは、MIMリフレクタ50のキャパシタに対応している。また、アノードA・カソードK間には、コネクタや駆動回路等の外部回路が接続される。
RTDを用いてテラヘルツ波の発振器を作製しようとした場合、RTDから見て回路的に外部に当たる部分との間で寄生発振が発生する。外部回路に対して、RTDの負性抵抗が見えていると、RF基本発振する共振回路よりも、外部と低周波で発振する方がQ値が高く、発振しやすい条件となる。そのため、外部回路との寄生発振が顕著に生じる。
一般的に寄生発振を抑える方法として、図3(a)・図5・図6・図7に示すように、RTDに対して並列抵抗Rpを配置することで、寄生発振のQ値を低下させて発振を抑制し、効率よく本発振側へ電力をまわしてやるといった工夫がなされる。
Q値を簡単に説明すると、発振状態がどれだけ安定して存在しているかを示す指標である。並列共振回路を考えたときのQ値を示す式を以下に記す。
Q=1/Rt・√(LA/Cp) (2)
並列抵抗Rpを配置することは、合成抵抗Rtを大きくすることに相当する。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100に搭載可能なテラヘルツ素子30のデバイス表面顕微鏡写真例は、図8に示すように表され、図8の拡大されたデバイス表面顕微鏡写真例は、図9に示すように表される。図8・図9の例は、図5に示されたテラヘルツ素子30の詳細な平面パターン構成例に対応している。尚、図8・図9では、MIMリフレクタ50が形成されていない例が示されているが、図5と同様に、パッド電極20P・40Pの一部分を絶縁層を介して積層化することで、MIMリフレクタ50が形成可能である。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100に搭載可能なテラヘルツ素子30の発振周波数特性例は、図10に示すように表される。図10に示す例では、約0.27THzにおいて、発振強度(任意単位)のピークが得られている。
ダイポールアンテナ計算モデルに用いた実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100に搭載可能なテラヘルツ素子30の模式的鳥瞰図は、図11(a)に示すように表され、フィード線40F・20Fおよびパッド電極40P・20Pを含むダイポールアンテナ計算モデルに用いたテラヘルツ素子30の模式的鳥瞰図は、図11(b)に示すように表される。いずれもサブマウント16上に配置される金属層を備えるものとして計算している。
テラヘルツ素子30に適用可能な能動素子90として、RTDの構成例は、図4(a)に示すように、半絶縁性のInP基板からなる半導体基板1上に配置され、n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91aと、GaInAs層91a上に配置され、n型不純物をドープされたGaInAs層92aと、GaInAs層92a上に配置されたアンドープのGaInAs層93aと、GaInAs層93a上に配置されたAlAs層94a/InGaAs層95/AlAs層94bから構成されたRTD部と、AlAs層94b上に配置されたアンドープのGaInAs層93bと、GaInAs層93b上に配置され、n型不純物をドープされたGaInAs層92bと、GaInAs層92b上に配置され、n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91bと、GaInAs層91b上に配置された第1の電極4と、GaInAs層91a上に配置された第2の電極2とを備える。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100において、パッケージステム実装シミュレーション例として、相対強度とサブマウント高さhとの関係は、図13に示すように表される。図13においては、サブマウント高さh=200μmの時を1とした相対強度を表している。図13に示すように、パッケージステム実装シミュレーションにおける計算パラメータとして、サブマウント高さhを200μm〜1500μmまで50μmずつ可変にしている。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100において、サブマウント16とテラヘルツ素子30の配置構成を示す模式的上面図は、図14に示すように表される。図14においては、テラヘルツ素子30は、模式的に長方形のブロックで示されているが、詳細な構成は、前述の図5・図8・図9と同様の構成を備え、面発光放射若しくは面受光可能である。図14に示す座標軸X−Yの中心にRTDなどの能動素子が配置される。図14に示すように、テラヘルツ素子30のX軸方向に沿う幅はX1で表され、Y軸方向に沿う幅はY1で表される。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100において、パッケージステム実装シミュレーション例として、キャップ12の有無による相対強度比とサブマウント高さhとの関係は、図26に示すように表される。図26のA部分のプロットが、キャップ12を備える場合に対応している。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100において、パッケージステム実装シミュレーション例として、相対強度とサブマウント高さhおよび封止材(ガラス)14からの距離Dとの関係は、図27に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100において、放射アンテナとして機能するガラス面におけるHFSSによる電磁界シミュレーション結果(サブマウント高さh=1200μm)は図28に示すように表され、HFSSによる電磁界シミュレーション結果(サブマウント高さh=800μm)は図29に示すように表され、HFSSによる電磁界シミュレーション結果(サブマウント高さh=500μm)は図30に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100において、パッケージステム実装シミュレーション例として、サブマウント16上に配置されるテラヘルツ素子30の平面内位置による変位dx、dyの説明図は、図31に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール100において、パッケージステム実装シミュレーション例として、相対強度とガラス直径Wとの関係は、図34に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールは、図38に示すように、それぞれ送信器モジュール100Tおよび受信器モジュール100Rとして構成可能である。
上記のように、実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールについて記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
2…第2の電極(カソード電極)
4……第1の電極(アノード電極)
9…層間絶縁膜
10、10T、10R…パッケージステム(基板)
12、12T、12R…キャップ
12S…側壁部
12TOP…天井部
14、14T、14R…封止材
16、16T、16R…サブマウント
18A、18K…ボンディングワイヤ
20D、40D…ダイポールアンテナ(アンテナ電極)
20F、40F…フィード線
20P、40P…パッド電極
20A、20K…リードピン
30、30T、30R…テラヘルツ素子
50…MIMリフレクタ
90、90T、90R…能動素子
91a…第1の半導体層(GaInAs層)
94a、94b…トンネルバリア層
95…量子井戸層
100R…テラヘルツ素子モジュール
100T…送信器モジュール
100R…受信器モジュール
114…抵抗素子
OP…開口
A…アノード
K…カソード
W…開口部の直径(ガラス直径)
H…キャップ高さ
h…サブマウント高さ
D…封止材(ガラス)からの距離
T…封止材(ガラス)の厚さ
Claims (18)
- 基板と、
前記基板の表面上に配置され、テラヘルツ波を発振または検出するテラヘルツ素子と、
前記テラヘルツ素子から離間して前記テラヘルツ素子を覆い、かつ前記基板の表面と垂直方向の前記テラヘルツ素子に対向する位置に開口部を有するキャップと、
前記キャップの天井部の裏面側から前記開口部を覆い、前記基板と前記キャップと共に、前記テラヘルツ素子を封止する封止材と
を備え、前記テラヘルツ素子の表面から前記封止材までの距離は、前記テラヘルツ波の電界が前記テラヘルツ素子の表面から前記封止材まで途切れずに達するニアフィールド以下であることを特徴とするテラヘルツ素子モジュール。 - 前記開口部の幅は、前記テラヘルツ波の1波長と等しくなるように形成されていることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記テラヘルツ素子から前記封止材までの距離は、前記テラヘルツ波の半波長より短い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素子モジュール。
- 前記開口部の直径は、前記開口部から放射若しくは検出されるテラヘルツ波の波長の0.1倍〜数倍であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記基板上に配置され、前記テラヘルツ素子を搭載するサブマウントを備え、
前記サブマウントの高さは、前記開口部から放射若しくは検出されるテラヘルツ波の波長の0.2倍〜1.5倍であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。 - 前記封止材は、ガラス基板若しくはシリコン基板を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記開口部を含む前記キャップ内部の平面内で、前記電界が共振することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記テラヘルツ素子は、面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記テラヘルツ素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第1の半導体層と、
前記第1の半導体層上に積層化形成された能動素子と、
前記第1の半導体層に接続されて前記能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記半導体基板上に配置された第2の電極と、
前記能動素子の主電極の他方に接続され、かつ前記半導体基板上に前記第2の電極に対向して配置された第1の電極と
を備え、
前記能動素子は、前記第2の電極と前記第1の電極間において共振器を形成し、電磁波は、前記基板に反射されて、前記半導体基板に対して垂直方向の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。 - 前記第1の電極および前記第2の電極は、ダイポールアンテナを備えることを特徴とする請求項9に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記ダイポールアンテナに接続された第1フィード線および第2フィード線と、
前記第1フィード線および前記第2フィード線に接続された第1パッド電極および第2パッド電極と
を備えることを特徴とする請求項10に記載のテラヘルツ素子モジュール。 - 前記第1パッド電極と前記第2パッド電極との間に接続されたMIMリフレクタを備えることを特徴とする請求項11に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記第1の電極と前記第2の電極間に接続された抵抗素子を備えることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記抵抗素子は、金属配線を備えることを特徴とする請求項13に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記金属配線は、ビスマス、ニッケル、チタン、若しくは白金のいずれかを備えることを特徴とする請求項14に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記能動素子は、マルチチップ化して配置されたことを特徴とする請求項9〜15のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記能動素子は、セルアレイ化して配置されたことを特徴とする請求項16に記載のテラヘルツ素子モジュール。
- 前記能動素子は、共鳴トンネルダイオード、タンネットダイオード、インパットダイオード、GaAs系電界効果トランジスタ、GaN系FET、高電子移動度トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、若しくはCMOSFETのいずれかを備えることを特徴とする請求項9〜17のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子モジュール。
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