JP7220333B1 - テラヘルツ装置用部材 - Google Patents

Abstract

反射によるテラヘルツ波の損失が抑制され、かつ、取り扱い性に優れたテラヘルツ装置用部材が提供される。本発明の実施形態によるテラヘルツ装置用部材は、第１主面および第２主面を有する基板本体と、基板本体の第１主面および第２主面の少なくとも一方の主面に設けられた反射抑制部と、を有する。反射抑制部は、格子状に配置された、鉛直方向断面においてテーパー部を有する複数の突起を含む。

Description

本発明は、テラヘルツ装置用部材に関する。

現在、テラヘルツ波デバイス（テラヘルツ波を放射および／または検出し得るデバイス）の開発が進められている。テラヘルツ波デバイス（テラヘルツデバイス、テラヘルツ装置とも称される場合がある）は、代表的には、テラヘルツ無線における使用が想定されている。テラヘルツ無線は、近距離高速無線通信を実現し得る技術として期待されている。テラヘルツ無線の用途としては、例えば、近接データダウンロード（キオスクモデル）、デバイス間通信、データセンタ内ラック間通信、携帯電話ネットワーク用通信が挙げられる。また、テラヘルツ波デバイスは、ボディースキャナー、製薬検査等への応用も期待されている。テラヘルツ波デバイスの実用化に向けて、種々の検討課題が残されている。

国際公開第２０２１/０７０９２１号

本発明の主たる目的は、反射によるテラヘルツ波の損失が抑制され、かつ、取り扱い性に優れたテラヘルツ装置用部材を提供することにある。

本発明の実施形態によるテラヘルツ装置用部材は、第１主面および第２主面を有する基板本体と、該基板本体の第１主面および第２主面の少なくとも一方の主面に設けられた反射抑制部と、を有する。該反射抑制部は、格子状に配置された、鉛直方向断面においてテーパー部を有する複数の突起を含む。
１つの実施形態においては、上記突起は、円錐状、角錐状、円錐台状、角錐台状、円柱と円錐との組み合わせ、円柱と円錐台との組み合わせ、角柱と角錐との組み合わせ、および、角柱と角錐台との組み合わせから選択される形状を有する。
１つの実施形態においては、上記反射抑制部における突起の高さは０．５Ｈｏ（ｍｍ）～２Ｈｏ（ｍｍ）であり、突起の周期は０．４Ｈｏ（ｍｍ）～１．３Ｈｏ（ｍｍ）である：ここで、Ｈｏは式：Ｈｏ＝３００／（ｆ×√εｒ）で表され、ｆ（ＧＨｚ）は前記第１主面を通過するテラヘルツ波の周波数であり、εｒは前記基板本体の誘電率である。
１つの実施形態においては、上記基板本体は、石英ガラス、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、スピネルおよびシリコンから選択される材料で構成されている。
１つの実施形態においては、上記基板本体は石英ガラスで構成され、該基板本体における気孔サイズが１μｍ以上の気孔率は０．５ｐｐｍ～３０００ｐｐｍである。
１つの実施形態においては、上記基板本体の厚みは５０μｍ～２５０μｍである。
１つの実施形態においては、上記反射抑制部は上記第１主面のみに設けられている。
１つの実施形態においては、上記テラヘルツ装置用部材は、上記基板本体の第２主面の上記反射抑制部に対応する位置に設けられたテラヘルツ素子をさらに有する。
１つの実施形態においては、上記テラヘルツ装置用部材は、上記基板本体の第１主面の上記反射抑制部が設けられていない部分に、補強部が設けられている。
１つの実施形態においては、上記補強部の厚みは０．５Ｈｏ（ｍｍ）～２Ｈｏ（ｍｍ）である。
１つの実施形態においては、上記補強部は上記基板本体と一体で構成されている。
１つの実施形態においては、上記補強部は上記基板本体に固着されている。この場合、上記補強部は、石英ガラス、シリコン、アルミナ、銅、ＳＵＳおよび真鍮から選択される材料で構成されている。
１つの実施形態においては、上記反射抑制部は上記第２主面のみに設けられており、上記第１主面には凸部が設けられている。１つの実施形態においては、上記反射抑制部が上記凸部にさらに設けられている。
１つの実施形態においては、上記反射抑制部は上記第１主面のみに設けられており、上記第２主面には凹部が設けられている。１つの実施形態においては、上記反射抑制部が上記凹部にさらに設けられている。

本発明の実施形態によれば、反射によるテラヘルツ波の損失が抑制され、かつ、取り扱い性に優れたテラヘルツ装置用部材を実現することができる。

本発明の１つの実施形態によるテラヘルツ装置用部材の概略平面図である。 図１のテラヘルツ装置用部材のＩＩ－ＩＩ線による概略断面図である。 本発明の実施形態によるテラヘルツ装置用部材における反射抑制部の突起を説明するための部分概略断面図である。 図４（ａ）は、本発明の実施形態によるテラヘルツ装置用部材に設けられ得る補強部の一例を説明するための概略断面図であり；図４（ｂ）は、補強部の別の例を説明する概略断面図である。 図５（ａ）は、本発明の別の実施形態によるテラヘルツ装置用部材の概略断面図であり；図５（ｂ）は、本発明のさらに別の実施形態によるテラヘルツ装置用部材の概略断面図であり；図５（ｃ）は、図５（ａ）のテラヘルツ装置用部材と能動素子とを組み合わせて用いる場合の構成の一例を説明する概略断面図である。 図６（ａ）は、本発明のさらに別の実施形態によるテラヘルツ装置用部材の概略断面図であり；図６（ｂ）は、本発明のさらに別の実施形態によるテラヘルツ装置用部材の概略断面図であり；図６（ｃ）は、図６（ａ）のテラヘルツ装置用部材と能動素子とを組み合わせて用いる場合の構成の一例を説明する概略断面図である。 図７（ａ）は、本発明の実施形態によるテラヘルツ装置用部材に設けられ得るテラヘルツ素子の一例を説明するための要部概略断面図であり；図７（ｂ）は、図７（ａ）のテラヘルツ素子の構成要素である能動素子の一例を説明するための要部概略断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。なお、見やすくするために図面は模式的に表されており、縦、横および厚みの比率、形状、角度、ならびに個数等は実際とは異なっている場合がある。

Ａ．テラヘルツ装置用部材の全体構成
図１は、本発明の１つの実施形態によるテラヘルツ装置用部材の概略平面図であり；図２は、図１のテラヘルツ装置用部材のＩＩ－ＩＩ線による概略断面図である。図示例のテラヘルツ装置用部材１００は、第１主面１０ａおよび第２主面１０ｂを有する基板本体１０と、基板本体１０の第１主面１０ａおよび第２主面１０ｂの少なくとも一方の主面に設けられた反射抑制部２０と、を有する（図示例では、反射抑制部は第１主面１０ａに設けられている）。反射抑制部２０は、目的に応じて基板本体１０の任意の適切な位置に設けられ得る（図示例では、反射抑制部は基板本体の中央部に設けられている）。反射抑制部２０は、基板本体１０と一体で構成されていてもよく、基板本体１０に任意の適切な手段により取り付けられていてもよい。本発明の実施形態においては、反射抑制部２０は、格子状に配置された複数の突起２１、２１、・・・を含む。このような構成であれば、基板本体の第１主面（空気との界面）近傍の屈折率を連続的に変化させることができるので、テラヘルツ素子から発振および放射されたテラヘルツ波の反射による損失を顕著に小さくすることができる。基板本体の第１主面（空気との界面）近傍の屈折率を連続的に変化させるという観点から、突起２１は、鉛直方向断面においてテーパー部を有する。突起２１は、図３に示すように、鉛直方向断面において全体にわたってテーパー形状を有していてもよく；図示しないが、鉛直方向断面において一部にテーパー形状を有していてもよい。具体的には、突起２１は、鉛直方向断面において全体にわたってテーパー形状を有する場合には、円錐状、角錐状（例えば、三角錐状、四角錐状、五角錐状、六角錐状、七角錐状、八角錐状）、円錐台状または角錐台状であり得る。突起２１は、鉛直方向断面において一部にテーパー形状を有する場合には、例えば、円柱と円錐または円錐台との組み合わせ、あるいは、角柱と角錐または角錐台との組み合わせ形状を有し得る。また、突起は、円錐、円錐台、角錐、角錐台およびこれらの組み合わせ以外に、例えば鉛直方向断面において曲率のあるＲ形状を有していてもよい。図示例は、突起が四角錐状である形態を示している。それぞれの突起は、好ましくは同一形状を有する。このような構成であれば、屈折率をより滑らかに変化させることができる。反射抑制部の全体的な平面視形状としては、任意の適切な形状が採用され得る。具体例としては、矩形（図示例）、円形、楕円形、多角形が挙げられる。

テラヘルツ装置用部材は、任意の適切な方法により作製され得る。例えば、テラヘルツ装置用部材は、流し込み成形またはインプリントにより作製してもよく、無垢の母材からの削り出しまたはエッチングにより作製してもよい。流し込み成形は、代表的には、反射抑制部の形状に対応した突起部を有する成形型を準備すること；当該成形型に原料粉末と所定の分散剤および分散媒とを含むスラリーを流し込むこと；流し込んだスラリーを成形型内で固化した後に焼成すること；を含む。このようにして作製する場合、原料粉末はシリカまたはアルミナを使用するのでテラヘルツ波の吸収の原因となり得るＯＨ基の混入を極力抑えることができる。これに対して、通常の合成石英ガラスは塩化物系のシリコン化合物を原料として使用するために、作製過程で加水分解処理が必要となりＯＨ基が残留する。合成石英ガラスでは、塩化チオニール等で還元処理することやプラズマ焼成することでＯＨ基を除去することができるが、材料コストが高くなるという課題がある。流し込み成形は、ＯＨ基の混入を抑制でき、かつ、複雑な基板形状やレンズ形状に対応でき、反射抑制部を一体成形できるので、性能、量産性および低コストの観点から非常に優れた製造方法である。流し込み成形は、例えば国際公開第２０１８／１００７７５号に記載の手順で行うことができる。

テラヘルツ装置用部材１００は、目的に応じて、テラヘルツ素子３０をさらに有していてもよい。例えば反射抑制部２０が基板本体１０の第１主面１０ａに設けられる場合には、テラヘルツ素子３０は、基板本体１０の第２主面１０ｂの反射抑制部２０に対応する位置に設けられ得る。テラヘルツ素子３０は、代表的には、一方の主面（裏面）３０ａが基板本体１０に対向するようにして設けられている。テラヘルツ素子は、電気エネルギーとテラヘルツ波（周波数０．１ＴＨｚ～１０ＴＨｚの電磁波）との変換を行う素子である。テラヘルツ素子は、発振により、供給される電気エネルギーをテラヘルツ波に変換し得る。これにより、テラヘルツ素子は、テラヘルツ波を放射し得る。一方、テラヘルツ素子は、テラヘルツ波を受信し、当該電磁波を電気エネルギーに変換し得る。これにより、テラヘルツ素子は、テラヘルツ波を検出し得る。

本明細書において「対応する位置」とは、テラヘルツ装置用部材を平面視した場合に２つの部材または構成要素（ここでは、反射抑制部２０およびテラヘルツ素子３０）が重なっていることをいう。反射抑制部２０およびテラヘルツ素子３０は完全に重なっていてもよく、一部が重なっていてもよい。反射抑制部２０およびテラヘルツ素子３０は、平面視形状が同一であってもよく異なっていてもよい。反射抑制部２０およびテラヘルツ素子３０は、好ましくは、平面視で同一形状である。さらに、反射抑制部２０およびテラヘルツ素子３０は、平面視で同一サイズであってもよく、一方が他方よりも大きいサイズであってもよい。好ましくは、反射抑制部２０のサイズは、平面視でテラヘルツ素子３０よりも大きい。このような構成であれば、以下の利点がある。一般的に、テラヘルツ素子３０から発生する電磁波は広がりながら伝搬する。また、導波管内では管内一面に電磁波が広がる。このために反射抑制部に到達した時点では、テラヘルツ波の電界分布はテラヘルツ素子よりも大きくなっている。したがって、反射抑制部の平面視サイズをテラヘルツ素子の平面視サイズよりも大きくすることにより、テラヘルツ素子から発振および放射されたテラヘルツ波の伝搬および／または反射による損失を小さくすることができる。例えば、基板本体の第１主面全面に反射抑制部を設け、第２主面の中央部にテラヘルツ素子を設けてもよい。

１つの実施形態においては、テラヘルツ装置用部材は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、基板本体１０の第１主面１０ａの反射抑制部２０が設けられていない部分に補強部４０をさらに有していてもよい。補強部を設けることにより、以下のような効果を奏し得る。本発明の実施形態によれば、基板本体の厚みは非常に薄く（例えば、後述するように１００μｍ程度に）設定され得る。このような構成であれば、テラヘルツ素子から発振および放射されたテラヘルツ波の伝搬および／または反射による損失を小さくすることができる。一方で、基板本体の厚みを薄くすると、テラヘルツ装置用部材全体の取り扱い性が不十分となる場合がある。具体的には、基板本体の形状維持が困難である、基板本体が割れやすい、機械的強度が不十分である、テラヘルツ装置本体（実質的には、筐体）への取り付けが困難である、といった問題が生じ得る。補強部を設けることにより、基板本体を薄くする効果（テラヘルツ波の損失抑制）を維持しつつ、優れた取り扱い性を実現し、上記のような問題を回避することができる。

補強部４０は、図４（ａ）に示すように、基板本体１０に固着されていてもよく；図４（ｂ）に示すように、基板本体１０と一体で構成されていてもよい。補強部が基板本体に固着されている場合、固着は任意の適切な手段により行われる。補強部は、例えば、基板本体の第１主面に配された接着剤を介して基板本体に貼り合わせられ得る。接着剤以外の固着手段としては、例えば、表面活性化法、プラズマ法、原子拡散法等の直接接合法が挙げられる。補強部が基板本体と一体で構成されている場合、好ましくは、テラヘルツ装置用部材全体（基板本体、反射抑制部および補強部）は、無垢の母材から削り出して作製され得る。なお、図４（ｂ）に示すテラヘルツ装置用部材１０２においては、基板本体の第１主面が明確には存在しなくなるが、「補強部が基板本体の第１主面に設けられている」ことと同等の技術的意味を有することは当業者に明らかである。

図５（ａ）～図５（ｃ）を参照して、本発明の別の実施形態によるテラヘルツ装置用部材を説明する。図５（ａ）のテラヘルツ装置用部材１０３は、基板本体１０の第１主面１０ａに凸部７０が設けられている。この場合、反射抑制部２０は、代表的には第２主面１０ｂに設けられる。図５（ｂ）のテラヘルツ装置用部材１０４は、反射抑制部２０が第２主面１０ｂに加えて凸部７０にさらに設けられている。反射抑制部を第２主面および凸部の２カ所に設けることにより、さらに優れた反射抑制機能を実現することができる。凸部７０は、テラヘルツ素子に入射するまたはテラヘルツ素子から出射されるテラヘルツ波に対するレンズ機能を有し得る。その結果、テラヘルツ波の伝搬効率をさらに向上させることができる。図５（ａ）に示す例においては、１つの凸部７０が第１主面１０ａの実質的に全面に設けられており、反射抑制部２０が第２主面１０ｂの凸部７０に対応する位置（図示例では実質的に全面）に設けられている。図５（ｂ）に示す例においては、反射抑制部２０がさらに凸部７０の実質的に全面に設けられている。凸部７０および反射抑制部２０が設けられる領域は図示例に限られず、目的に応じて適切に設定され得る。このような凸部を有するテラヘルツ装置用部材は、テラヘルツ素子を実装するパッケージの蓋部材または窓部材として好適に用いることができる。図５（ｃ）は、図５（ａ）のテラヘルツ装置用部材と能動素子とを組み合わせて用いる場合の構成の一例を説明する概略断面図である。図示例のテラヘルツ素子パッケージ２００は、任意の適切な支持部材（例えば、基板）１２０と、支持部材１２０に設けられたテラヘルツ素子３０と、スペーサー部１３０を介して支持部材１２０と一体化されたテラヘルツ装置用部材１０３と、を有する。図示例においては、テラヘルツ装置用部材１０３は、反射抑制部２０がテラヘルツ素子３０に対向するようにして支持部材１２０と一体化されている。スペーサー部１３０の高さを調整することにより、テラヘルツ素子３０が配置される空間の広さを調整するとともに、テラヘルツ素子３０と反射抑制部２０との距離を調整することができる。これにより、レンズの焦点距離に合わせてテラヘルツ素子を配置することができ、高効率な受光・放射が可能となる。テラヘルツ素子パッケージ２００は、任意の適切な手段により一体化され得る。テラヘルツ素子パッケージ２００は、全体形状に対応した型を用いて一体成形（例えば、上記の流し込み成形）してもよく、各構成要素（実質的には、テラヘルツ装置用部材、支持部材およびスペーサー部）を直接接合または接着してもよい。各構成要素の接触面をメタライズしてもよい。メタライズした場合には、各構成要素をハンダにより接合してもよい。支持部材およびスペーサー部は、代表的には無機材料（例えば、セラミックス）または金属で構成され得、１つの実施形態においてはテラヘルツ装置用部材と同一の材料で構成され得る。テラヘルツ装置用部材の構成材料は、後述するように、例えばセラミックスであり得る。テラヘルツ装置用部材（したがって、あわせて支持部材およびスペーサー部）をセラミックスで構成することにより、有機材料（例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）のような樹脂）で構成する場合に比べて、格段に優れた気密性を確保することができる。その結果、デバイスの耐久性・信頼性を向上させることができる。さらに、セラミックスは誘電率が樹脂より大きいので、同一機能の凸部を形成する場合に、セラミックスによれば樹脂に比べて凸部のサイズを小さくすることができる。その結果、テラヘルツ素子パッケージの小型化を実現することができる。凸部の形状は、目的に応じて適切に設定され得る。凸部の形状としては、例えば、半球状、半円柱状（かまぼこ状）が挙げられる。凸部の数は、目的、凸部の形状およびサイズに応じて適切に設定され得る。凸部のサイズは、目的、凸部の形状および数に応じて適切に設定され得る。図示例では、第１主面に１つの凸部（半球状であってもよく半円柱状であってもよい）が形成されている構成が示されているが、凸部の数は２つ以上（例えば、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上）であってもよい。

図６（ａ）～図６（ｃ）を参照して、本発明のさらに別の実施形態によるテラヘルツ装置用部材を説明する。図６（ａ）のテラヘルツ装置用部材１０５は、基板本体１０の第２主面１０ｂに凹部８０が設けられている。この場合、反射抑制部２０は、代表的には第１主面１０ａに設けられる。図６（ｂ）のテラヘルツ装置用部材１０６は、反射抑制部２０が第１主面１０ａに加えて凹部８０にさらに設けられている。反射抑制部を第１主面および凹部の２カ所に設けることにより、さらに優れた反射抑制機能を実現することができる。凹部８０は、図５（ａ）～図５（ｃ）に示した凸部７０と同様に、テラヘルツ素子に入射するまたはテラヘルツ素子から出射されるテラヘルツ波に対するレンズ機能を有し得る。その結果、テラヘルツ波の伝搬効率をさらに向上させることができる。図６（ａ）に示す例においては、１つの凹部８０が第２主面１０ｂの実質的に全面に設けられており、反射抑制部２０が第１主面１０ａの凹部８０に対応する位置（図示例では実質的に全面）に設けられている。図６（ｂ）に示す例においては、反射抑制部２０がさらに凹部８０の実質的に全面に設けられている。凹部８０および反射抑制部２０が設けられる領域は図示例に限られず、目的に応じて適切に設定され得る。このような凹部を有するテラヘルツ装置用部材は、テラヘルツ素子を実装するパッケージの蓋部材または窓部材として好適に用いることができる。図６（ｃ）は、図６（ａ）のテラヘルツ装置用部材と能動素子とを組み合わせて用いる場合の構成の一例を説明する概略断面図である。図示例のテラヘルツ素子パッケージ２０１は、任意の適切な支持部材（例えば、基板）１２０と、支持部材１２０に設けられたテラヘルツ素子３０と、支持部材１２０と一体化されたテラヘルツ装置用部材１０５と、を有する。図示例においては、テラヘルツ装置用部材１０５は、テラヘルツ素子３０を凹部８０に収容するようにして支持部材１２０と一体化されている。テラヘルツ素子パッケージ２０１は、任意の適切な手段により一体化され得る。テラヘルツ素子パッケージ２０１は、全体形状に対応した型を用いて一体成形（例えば、上記の流し込み成形）してもよく、各構成要素（実質的には、テラヘルツ装置用部材および支持部材）を直接接合または接着してもよい。各構成要素の接触面をメタライズしてもよい。メタライズした場合には、各構成要素をハンダにより接合してもよい。支持部材およびスペーサー部は、代表的には無機材料（例えば、セラミックス）または金属で構成され得、１つの実施形態においてはテラヘルツ装置用部材と同一の材料で構成され得る。テラヘルツ装置用部材の構成材料およびその効果については、図５（ａ）～図５（ｃ）の構成について説明したとおりである。凹部の形状としては、例えば、半球状、半円柱状（かまぼこ状）が挙げられる。凹部の数は、目的、凹部の形状およびサイズに応じて適切に設定され得る。凹部のサイズは、目的、凹部の形状および数に応じて適切に設定され得る。図示例では、第２主面に１つの凹部（半球状であってもよく半円柱状であってもよい）が形成されている構成が示されているが、凹部の数は２つ以上（例えば、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上）であってもよい。

以下、テラヘルツ装置用部材の構成要素について具体的に説明する。

Ｂ．基板本体
基板本体は、本発明の実施形態による効果が得られる限りにおいて任意の適切な材料で構成され得る。基板本体の構成材料としては、例えば、石英ガラス、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）、シリコンが挙げられる。透明性向上や散乱抑制という観点で光軸方向に平行な方向については結晶軸が配向していてもよい。好ましくは、石英ガラス、アルミナであり、より好ましくは石英ガラスである。構成材料がセラミックスである場合、多結晶またはアモルファスであることが好ましい。このような構成であれば、異方性を消失できるために偏光や伝搬方向による損失の差を抑制することができる。したがって、石英ガラスは、アモルファスであってもよく多結晶石英であってもよい。

基板本体の厚みは、図１～図４に示す構成においては、例えば５０μｍ～２５０μｍであり、好ましくは５０μｍ～１５０μｍであり、より好ましくは７０μｍ～１３０μｍであり、さらに好ましくは８０μｍ～１２０μｍであり、特に好ましくは９０μｍ～１１０μｍである。基板本体の厚みがこのような範囲であれば、テラヘルツ素子から発振および放射されたテラヘルツ波の伝搬および／または反射による損失を小さくすることができる。また、基板本体の強度を確保することができる。基板本体の厚みは、図５および図６に示す構成においては、例えば２５０μｍ～３０００μｍであり、好ましくは３００μｍ～２０００μｍであり、より好ましくは３３０μｍ～１５００μｍである。なお、図５に示す構成における基板本体の厚みは、第２主面から凸部の最も高い部分までの厚みを意味し；図６に示す構成における基板本体の厚みは、第１主面から第２主面までの厚みを意味する。したがって、凸部の厚み（高さ）および凸部のへこみ（深さ）はいずれも、代表的には、図５および図６に示す構成における基板本体の厚みと図１～図４に示す構成における基板本体の厚みとの差で表され得る。

基板本体の気孔率は、気孔サイズ１μｍ以上の気孔が、好ましくは０．５ｐｐｍ～３０００ｐｐｍであり、より好ましくは０．５ｐｐｍ～１０００ｐｐｍであり、さらに好ましくは０．５ｐｐｍ～１００ｐｐｍである。気孔率がこのような範囲であれば緻密化が可能であり、さらに、気孔によるテラヘルツ波の散乱の抑制、気孔によるＯＨ基残留の抑制という利点がある。なお、気孔のサイズとは、気孔が略球状である場合には直径であり、略円柱状である場合には平面視した場合の直径であり、その他の形状である場合には気孔に内接する円の直径である。気孔の有無は、例えば、光ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｏｈｙ）または透過率測定器により確認することができる。気孔のサイズは、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定することができる。

基板本体のＯＨ基は、テラヘルツ波を吸収するため、低減化することが好ましい。基板本体のＯＨ基は、好ましくは１００ｐｐｍ以下であり、より好ましくは５０ｐｐｍ以下であり、さらに好ましくは２０ｐｐｍ以下である。上記のとおり、流し込み成形を利用して石英ガラスまたはアルミナで基板本体を形成することにより、ＯＨ基を低減することができる。また、無水ガラスを用いてもＯＨ基を低減することができる。

不純物については、光学用では吸収の原因になるとされているので、一般的には除去される。一方、基板本体においては、Ａｌ、ＦeおよびＮａがそれぞれ、質量比で好ましくは１０００ｐｐｍ以下、より好ましくは１０ｐｐｍ以下のレベルで混入していてよい。上記不純物が混入していることにより、焼結性が向上しテラヘルツ波での誘電損失低減と低誘電率化に寄与し得ると考えられる。

基板本体の表面粗さＲａは、代表的には、数ｎｍ以下に平坦化処理され得る。このような構成であれば、光または電磁波の散乱を適切に抑制することができる。テラヘルツ波は波長が数１０μｍから数ｍｍになるので、Ｒａは５ｎｍ～０．５μｍであってよい。また、Ｒａは、□１０μｍ算術平均粗さと定義し測定することができる。

基板本体の表面の凹みは、代表的には、数ｎｍ以下に平坦化処理され得る。このような構成であれば、光または電磁波の散乱を適切に抑制することができる。テラヘルツ波は波長が数１０μｍから数ｍｍになるので、凹みの幅は０．１μｍ～２０μｍ、深さは３ｎｍ～１μｍであってよく、存在頻度は０．５万個／ｍｍ^２～３００万個／ｍｍ^２であってよい。また、凹みの幅と深さは、□３０μｍ内の算術平均値として定義でき、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定することができる。

上記のような特性を満足する石英ガラスは、代表的には上記のとおり流し込み成形により作製され得る。このような石英ガラスについては、３００ＧＨｚにおいて誘電率が３．８、誘電損失（ｔａｎδ）が０．００１の誘電特性を示し得る。これに対して、通常の合成石英ガラス（ＯＨ基の含有量が代表的には５０ｐｐｍ以上）は、誘電率が３．９、誘電損ｔａｎδが０．０１の誘電特性を示すことがわかっている。すなわち、本発明の実施形態に用いられる石英ガラスは、通常の合成石英ガラスに比べて誘電損失を１桁小さくすることができる。

基板本体の１００ＧＨｚ～１０ＴＨｚにおける誘電率は、好ましくは３．６～１１．５であり、好ましくは３．７～１０．０であり、さらに好ましくは３．８～９．０である。基板本体の誘電率がこのような範囲であれば、基板の小型化が可能であり、機械加工や型成形による製造が可能であり、かつ、テラヘルツ波信号を遅延なく伝搬できるという利点がある。誘電率が小さすぎると、基板の厚みを大きくする必要があり、反射抑制部の突起の高さおよび／または周期を大きくする必要があるので、基板サイズが大きくなり過ぎる、ならびに、機械加工や型成形に長時間を要するという問題が生じる場合がある。誘電率が大きすぎると、基板の厚みを小さくする必要があり、反射抑制部の突起の高さおよび／または周期を小さくする必要があるので、過度に微細な加工が必要となり、機械加工や型成形にて製造することが困難になる場合がある。また、テラヘルツ波の信号の遅延が大きくなるという問題が生じる場合がある。さらに、上記のような誘電率を有する基板本体は、樹脂製の基板本体（誘電率が２．４程度）に比べて、顕著に優れたテラヘルツ波の伝搬特性を示し得る。

基板本体の抵抗率は、好ましくは１０ｋΩ・ｃｍ以上であり、より好ましくは１００ｋΩ・ｃｍ以上であり、さらに好ましくは５００ｋΩ・ｃｍ以上であり、特に好ましくは７００ｋΩ・ｃｍ以上である。抵抗率がこのような範囲であれば、電磁波が電子伝導に影響を与えることなく、材料中を低損失で伝搬することができる。この現象は、詳細には明らかではないが、抵抗率が小さいと電磁波が電子と結合し電磁波のエネルギーが電子伝導に奪われるために損失となると推察され得る。この観点から、抵抗率は大きいほど好ましい。抵抗率は、例えば３０００ｋΩ（３ＭΩ）・ｃｍ以下であり得る。

基板本体の誘電損失（ｔａｎδ）は、使用する周波数において好ましくは０．０１以下であり、より好ましくは０．００８以下であり、さらに好ましくは０．００６以下であり、特に好ましくは０．００４以下である。誘電損失がこのような範囲であれば、基板本体におけるテラヘルツ波の伝搬損失を小さくすることができる。誘電損失は小さいほど好ましい。誘電損失は、例えば０．００１以上であり得る。この観点から、石英ガラスはきわめて良好に誘電損失を低減することができる。

基板本体の曲げ強度は、好ましくは５０ＭＰａ以上であり、より好ましくは６０ＭＰａ以上である。曲げ強度がこのような範囲であれば、基板本体の厚みを１００μｍ程度まで薄くしても許容可能な取り扱い性を確保することができる。曲げ強度は大きいほど好ましい。曲げ強度は、例えば７００ＭＰａ以下であり得る。

基板本体の熱膨張係数（線膨張係数）は、好ましくは１０×１０^－６／Ｋ以下であり、より好ましくは８×１０^－６／Ｋ以下である。熱膨張係数がこのような範囲であれば、基板本体（結果として、テラヘルツ装置用部材全体）の熱変形（代表的には、反り）を良好に抑制することができる。

基板本体の吸水率は、好ましくは０．００８％以下であり、より好ましくは０．００７％以下であり、さらに好ましくは０．００５％以下である。基板本体の吸水率がこのような範囲であれば、デバイスの耐久性・信頼性を向上させることができる。基板本体の吸水率の下限は、例えば０．００１％であり得る。

図１～図４に示す構成においては、基板本体には、給電用線路（図示せず）が形成されていてもよい。給電用線路は、代表的には、テラヘルツ素子に接続される。したがって、給電用線路は、代表的には基板本体の第２主面に形成され得る。給電用線路は、任意の適切な構成を有し得る。給電用線路としては、例えば、コプレーナ線路、マイクロストリップ線路、ストリップ線路、スロット線路が挙げられる。なお、図５および図６に示す構成においては、給電用線路は、代表的には支持部材１２０に形成され得る。

Ｃ．反射抑制部
反射抑制部は、基板本体と同一材料で構成されていてもよく、異なる材料で構成されていてもよい。反射抑制部は、好ましくは、基板本体と同一材料で構成されている。反射抑制部と基板本体とを同一材料で構成することにより、基板本体から反射抑制部にかけての屈折率の急激な変化を抑制することができ、かつ、テラヘルツ装置用部材を簡便安価に製造することができる。

反射抑制部は、上記のとおり、格子状に配置された複数の突起を含む。これも上記のとおり、突起は、鉛直方向断面においてテーパー部を有し、例えば図３に示すように、鉛直方向断面において全体にわたってテーパー形状を有し得る。突起の高さＨ、周期Ｐおよびテーパー角θを調整することにより、基板本体の第１主面（空気との界面）近傍の屈折率変化を制御する（代表的には、屈折率を連続的に変化させる）ことができる。その結果、テラヘルツ素子から発振および放射されたテラヘルツ波の反射による損失を顕著に小さくすることができる。反射抑制部としては、例えば特開２０１３－１３０６０９号公報に記載の構成を採用してもよい。

突起の高さＨは好ましくは０．５Ｈｏ（ｍｍ）～２Ｈｏ（ｍｍ）であり、突起の周期Ｐは好ましくは０．４Ｈｏ（ｍｍ）～１．３Ｈｏ（ｍｍ）である。ここで、Ｈｏは式：Ｈｏ＝３００／（ｆ×√εｒ）で表され、ｆ（ＧＨｚ）は第１主面を通過するテラヘルツ波の周波数であり、εｒは基板本体の誘電率である。より詳細には、Ｈｏは、屈折率の急激な変化による反射損失を十分に抑制できるように定められる指標であり、反射抑制部の構成材料に対する実効的な電磁波の波長の大きさによって決定され得る。具体的には、使用される電磁波の周波数が３００ＧＨｚであり、反射抑制部の構成材料が石英ガラスである場合には、突起の高さは、好ましくは２５０μｍ～７５０μｍであり、突起の周期は、好ましくは２００μｍ～６５０μｍである。突起の高さＨは、より好ましくは０．７Ｈｏ（ｍｍ）～１．３Ｈｏ（ｍｍ）であり、さらに好ましくは０．７５Ｈｏ（ｍｍ）～１．２５Ｈｏ（ｍｍ）であり、特に好ましくは０．９Ｈｏ（ｍｍ）～１．１Ｈｏ（ｍｍ）である。突起の周期Ｐは、より好ましくは０．５Ｈｏ（ｍｍ）～１．３５Ｈｏ（ｍｍ）であり、さらに好ましくは０．６Ｈｏ（ｍｍ）～１．３Ｈｏ（ｍｍ）であり、特に好ましくは０．６５Ｈｏ（ｍｍ）～１．２５Ｈｏ（ｍｍ）である。テーパー角θは、好ましくは４５°～７０°であり、より好ましくは５５°～６８°であり、さらに好ましくは６０°～６５°である。突起の数は、目的、ならびに突起の形状および周期等に応じて適切に設定され得る。図示例では、第１の方向（例えば、縦方向）に４個、第２の方向（例えば、横方向）に４個の合計１６個が描かれている。第１の方向の突起の数と第２の方向の突起の数とは、同一であってもよく異なっていてもよい。

反射抑制部の突起の高さＨの基板本体の厚みＴに対する比Ｈ／Ｔは、好ましくは１．６～９．４であり、より好ましくは２．７～８．０であり、さらに好ましくは３．１～６．０である。比Ｈ／Ｔがこのような範囲であれば、テラヘルツ波の反射による損失をより良好に抑制することができる。

Ｄ．テラヘルツ素子
テラヘルツ素子としては、テラヘルツ波を放射および／または検出し得る任意の適切な構成が採用され得る。テラヘルツ素子の一例の概略を、図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して説明する。このようなテラヘルツ素子の詳細は、例えば国際公開第２０２１／０７０９２１号に記載されている。テラヘルツ素子としては、例えば、国際公開第２０２０／１１０８１４号、国際公開第２０１５／１７０４２５号に記載の構成を採用してもよい。

テラヘルツ素子３０は、代表的には、素子基板３１と能動素子３２と第１導電体層３３と第２導電体層３４とを含む。

素子基板３１は、任意の適切な半導体で構成され得る。素子基板を構成する半導体の代表例としては、ＩｎＰ（リン化インジウム）またはシリコンが挙げられる。

能動素子３２は、テラヘルツ波と電気エネルギーとの変換を行う。能動素子としては、任意の適切な構成が採用され得る。能動素子の具体例としては、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系電界効果トランジスタ、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、ＣＭＯＳトランジスタが挙げられる。以下、能動素子の具体的な構成の一例を、図７（ｂ）を参照して説明する。

素子基板３１上には、半導体層６１ａが形成されている。半導体層６１ａは、例えばＧａＩｎＡｓで構成されている。半導体層６１ａには、ｎ型不純物が高濃度にドープされている。半導体層６１ａ上には、ＧａＩｎＡｓ層６２ａが積層されている。ＧａＩｎＡｓ層６２ａには、ｎ型不純物がドープされている。ＧａＩｎＡｓ層６２ａ上には、ＧａＩｎＡｓ層６３ａが積層されている。ＧａＩｎＡｓ層６３ａには、不純物はドープされていない。

ＧａＩｎＡｓ層６３ａ上には、ＡｌＡｓ層６４ａが積層されており、ＡｌＡｓ層６４ａ上には、ＩｎＧａＡｓ層６５が積層されており、ＩｎＧａＡｓ層６５上には、ＡｌＡｓ層６４ｂが積層されている。ＡｌＡｓ層６４ａとＩｎＧａＡｓ層６５とＡｌＡｓ層６４ｂとにより、共鳴トンネル部が構成されている。

ＡｌＡｓ層６４ｂ上には、不純物がドープされていないＧａＩｎＡｓ層６３ｂが積層されている。ＧａＩｎＡｓ層６３ｂ上には、ｎ型不純物がドープされているＧａＩｎＡｓ層６２ｂが積層されている。ＧａＩｎＡｓ層６２ｂ上には、ＧａＩｎＡｓ層６１ｂが積層されている。ＧａＩｎＡｓ層６１ｂには、ｎ型不純物が高濃度にドープされている。例えば、ＧａＩｎＡｓ層６１ｂの不純物濃度は、ＧａＩｎＡｓ層６２ｂの不純物濃度よりも高い。

第１導電体層３３および第２導電体層３４はアンテナとして機能し得る。第１導電体層３３および第２導電体層３４はそれぞれ、素子基板３１の一方の主面（基板本体１０側の主面３０ａと反対側の主面）に形成されている。第１導電体層３３と第２導電体層３４とは、互いに絶縁されている。第１導電体層３３および第２導電体層３４はそれぞれ、金属の積層構造を有する。積層構造としては、例えば、Ａｕ（金）／Ｐｄ（パラジウム）／Ｔｉ（チタン）の積層構造、Ａｕ／Ｔｉの積層構造が挙げられる。

Ｅ．補強部
補強部としては、上記所望の取り扱い性を付与し得る限りにおいて、任意の適切な構成が採用され得る。上記のとおり、補強部は、基板本体に固着されていてもよく（図４（ａ））、基板本体と一体で構成されていてもよい（図４（ｂ））。図４（ａ）の構成においては、補強部を構成する材料は、基板本体を構成する材料と同一であってもよく異なっていてもよい。この場合、補強部を構成する材料としては、例えば、石英ガラス、シリコン、アルミナが挙げられる。また、金属筐体や導波管で使用される銅、ＳＵＳ、真鍮であってもよく、上記の材料の表面や側面に導電性の高い金や銅の成膜やメッキ膜を形成していてもよい。図４（ｂ）の構成においては、補強部を構成する材料は、必然的に、基板本体を構成する材料と同一となる。

補強部の厚みとしては、上記所望の取り扱い性を付与し得る限りにおいて、任意の適切な厚みが設定され得る。補強部の厚みは、好ましくは０．５Ｈｏ（ｍｍ）～２Ｈｏ（ｍｍ）であり、より好ましくは０．７Ｈｏ（ｍｍ）～１．３Ｈｏ（ｍｍ）であり、さらに好ましくは０．７５Ｈｏ（ｍｍ）～１．２５Ｈｏ（ｍｍ）であり、特に好ましくは０．９Ｈｏ（ｍｍ）～１．１Ｈｏ（ｍｍ）である。さらに、補強部の厚みは、好ましくは反射抑制部の突起の高さと同等である。このような構成であれば、実装する場合に突起部分が導波管に当たることがなく、かつ、テラヘルツ波が補強部を伝って外部へ放射されるのを抑制できる。

Ｆ．テラヘルツ装置
本発明の実施形態によるテラヘルツ装置用部材は、テラヘルツ装置に好適に用いられ得る。テラヘルツ装置としては、テラヘルツ波を放射および／または検出し得る任意の適切な構成が採用され得る。本発明の実施形態によるテラヘルツ装置用部材がテラヘルツ素子を含む場合には、テラヘルツ装置としては、当該基板を組み込みかつ機能させることができる任意の適切な構成が採用され得る。テラヘルツ装置の具体的な構成は、例えば、国際公開第２０２１／０７０９２１号、特開２０１７－１４３３４７号公報、特開２０１２－４９８６２号公報に記載されている。これらの特許文献の記載は、本明細書に参考として援用される。

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。

（実施例１）
図１を改変した構造（具体的には、基板本体の第１主面全面に反射抑制部が設けられ、第２主面の中央部にテラヘルツ素子が設けられている構造）のテラヘルツ装置用部材について、シミュレーションを実施した。基板本体および反射抑制部の構成材料は、誘電率が３．８、誘電損ｔａｎδが０．００１の石英ガラスとした。反射抑制部の構造は、突起の高さが０．５１ｍｍ、周期が０．４１ｍｍとした。シミュレーションは、ＦＤＴＤ法を使用した。反射率は、垂直入射を０度として、３０度、４５度の各入射角に対してテラヘルツ波の周波数２５０ＧＨｚと３００ＧＨｚについて計算した。結果を表１に示す。

（比較例１）
反射抑制部が設けられていないこと以外は実施例１と同様のテラヘルツ装置用部材について、シミュレーションを実施した。結果を表１に示す。

（実施例２）
構成材料を誘電率が９、誘電損ｔａｎδが０．００７のアルミナとし、反射抑制部の突起の高さを０．３３ｍｍ、周期を０．２６ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にしてシミュレーションを実施した。結果を表１に示す。

（比較例２）
反射抑制部が設けられていないこと以外は実施例２と同様のテラヘルツ装置用部材について、シミュレーションを実施した。結果を表１に示す。

（実施例３）
図５（ａ）の構造のテラヘルツ装置用部材について、シミュレーションを実施した。基板本体および反射抑制部の構成材料は、誘電率が３．８、誘電損ｔａｎδが０．００１の石英ガラスとした。反射抑制部の構造は、突起の高さが０．５１ｍｍ、周期が０．４１ｍｍとした。シミュレーションは、ＦＤＴＤ法を使用した。凸部の径を変化させて、凸部の径とテラヘルツ波の集光径との関係を調べた。テラヘルツ光源として、３００ＧＨｚの共鳴トンネルダイオードを用いた。集光径はアイ・アール・システム製ＴＺｃａｍを用いて評価した。必要な集光径は１．１ｍｍに設定した。１．１ｍｍの集光径を実現するに必要なレンズ径（凸部の径）は３ｍｍであった。

（比較例３）
テラヘルツ装置用部材（実質的には、基板本体および反射抑制部）の構成材料を石英ガラスからポリプロピレン（ＰＰ：誘電率が２．４、誘電損ｔａｎδが０．００２）に変更したこと以外は実施例３と同様にしてシミュレーションを実施した。１．１ｍｍの集光径を実現するに必要なレンズ径（凸部の径）は３．６ｍｍであった。

実施例１と比較例１、ならびに、実施例２と比較例２とを比較すると明らかなとおり、本発明の実施例のテラヘルツ装置用部材は、反射抑制部を設けることにより、高周波数の電磁波が高入射角で入射した場合の反射損を顕著に抑制することができ、高周波数の電磁波の全損失を顕著に抑制することができる。さらに、実施例１と実施例２とを比較すると明らかなとおり、石英ガラスはアルミナよりも反射損が大きい一方で、伝搬損が顕著に小さく、その結果、全損失もアルミナより小さくなっている。石英ガラスの反射損が大きい理由は、基板本体とテラヘルツ素子との界面反射が大きいことに起因する。一方、石英ガラスはアルミナに比べて誘電損失が顕著に小さいので、伝搬損を小さくすることができる。

さらに、実施例３と比較例３とを比較すると明らかなとおり、同一の集光径を実現しようとする場合、無機材料（石英ガラス）を用いることにより有機材料（ＰＰ）に比べて約２０％レンズ径（凸部の径）を小さくでき、結果として、テラヘルツ素子パッケージの小型化を実現できることがわかる。

本発明の実施形態によるテラヘルツ装置用部材は、テラヘルツ装置に好適に用いられ得る。テラヘルツ装置は、例えば、近接データダウンロード（キオスクモデル）、デバイス間通信、データセンタ内ラック間通信、携帯電話ネットワーク用通信のようなテラヘルツ無線、ボディースキャナー、製薬検査への応用が期待されている。

１０ 基板本体
２０ 反射抑制部
２１ 突起
３０ テラヘルツ素子
４０ 補強部
７０ 凸部
８０ 凹部
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６ テラヘルツ装置用部材
２００、２０１ テラヘルツ素子パッケージ

Claims (19)

1. 第１主面および第２主面を有する基板本体と、該基板本体の第１主面および第２主面の少なくとも一方の主面に設けられた反射抑制部と、を有し、
   該反射抑制部が、格子状に配置された、鉛直方向断面においてテーパー部を有する複数の突起を含み、
   該基板本体における気孔サイズが１μｍ以上の気孔率が０．５ｐｐｍ～３０００ｐｐｍである、
   テラヘルツ装置用部材。
2. 前記突起が、円錐状、角錐状、円錐台状、角錐台状、円柱と円錐との組み合わせ、円柱と円錐台との組み合わせ、角柱と角錐との組み合わせ、および、角柱と角錐台との組み合わせから選択される形状を有する、請求項１に記載のテラヘルツ装置用部材。
3. 前記反射抑制部における突起の高さが０．５Ｈｏ（ｍｍ）～２Ｈｏ（ｍｍ）であり、突起の周期が０．４Ｈｏ（ｍｍ）～１．３Ｈｏ（ｍｍ）である、請求項１または２に記載のテラヘルツ装置用部材：
   ここで、Ｈｏは式：Ｈｏ＝３００／（ｆ×√εｒ）で表され、ｆ（ＧＨｚ）は前記第１主面を通過するテラヘルツ波の周波数であり、εｒは前記基板本体の誘電率である。
4. 前記基板本体が、石英ガラス、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、酸化マグネシウム、スピネルおよびシリコンから選択される材料で構成されている、請求項１から３のいずれかに記載のテラヘルツ装置用部材。
5. 前記基板本体のＯＨ基濃度が１００ｐｐｍ以下である、請求項１から４のいずれかに記載のテラヘルツ装置用部材。
6. 前記基板本体が流し込み成形による成形体である、請求項５に記載のテラヘルツ装置用部材。
7. 前記基板本体が石英ガラスまたは酸化アルミニウムで構成されている、請求項６に記載のテラヘルツ装置用部材。
8. 前記基板本体の厚みが５０μｍ～２５０μｍである、請求項１から７のいずれかに記載のテラヘルツ装置用部材。
9. 前記反射抑制部が前記第１主面のみに設けられている、請求項１から８のいずれかに記載のテラヘルツ装置用部材。
10. 前記基板本体の第２主面の前記反射抑制部に対応する位置に設けられたテラヘルツ素子をさらに有する、請求項９に記載のテラヘルツ装置用部材。
11. 前記基板本体の第１主面の前記反射抑制部が設けられていない部分に、補強部が設けられている、請求項９または１０に記載のテラヘルツ装置用部材。
12. 前記補強部の厚みが０．５Ｈｏ（ｍｍ）～２Ｈｏ（ｍｍ）である、請求項１１に記載のテラヘルツ装置用部材。
13. 前記補強部が前記基板本体と一体で構成されている、請求項１１または１２に記載のテラヘルツ装置用部材。
14. 前記補強部が前記基板本体に固着されている、請求項１１または１２に記載のテラヘルツ装置用部材。
15. 前記補強部が、石英ガラス、シリコン、アルミナ、銅、ＳＵＳおよび真鍮から選択される材料で構成されている、請求項１４に記載のテラヘルツ装置用部材。
16. 前記反射抑制部が前記第２主面のみに設けられており、前記第１主面に凸部が設けられている、請求項１から７のいずれかに記載のテラヘルツ装置用部材。
17. 前記反射抑制部が前記凸部にさらに設けられている、請求項１６に記載のテラヘルツ装置用部材。
18. 前記反射抑制部が前記第１主面のみに設けられており、前記第２主面に凹部が設けられている、請求項１から７のいずれかに記載のテラヘルツ装置用部材。
19. 前記反射抑制部が前記凹部にさらに設けられている、請求項１８に記載のテラヘルツ装置用部材。

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