WO2016181727A1 - テラヘルツ素子モジュール - Google Patents

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terahertz element
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俊和 向井
在瑛 金
一魁 鶴田
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Rohm Co Ltd
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    • H03B2200/006—Functional aspects of oscillators
    • H03B2200/0084—Functional aspects of oscillators dedicated to Terahertz frequencies

Definitions

  • This embodiment relates to a terahertz element module.
  • a terahertz element that oscillates a high-frequency electromagnetic wave having a frequency in the terahertz band
  • a structure in which a resonant tunnel diode (RTD) and a fine slot antenna are integrated is known.
  • a terahertz wave radiation device including a cap that covers the terahertz element and a waveguide connected to the cap.
  • This embodiment provides a terahertz element module that can suppress the increase in size of the cap so that the terahertz wave can be efficiently emitted or detected from the opening of the cap.
  • a substrate, a terahertz element that is disposed on the surface of the substrate and oscillates or detects terahertz waves covers the terahertz element apart from the terahertz element, and the substrate
  • a cap having an opening at a position facing the terahertz element in a direction perpendicular to the surface of the surface, and a sealing material that covers the opening of the cap and seals the terahertz element together with the substrate and the cap
  • a terahertz element module is provided in which the distance from the terahertz element to the sealing material is equal to or less than the near field where the electric field of the terahertz wave reaches from the surface of the terahertz element to the sealing material without interruption.
  • a terahertz element module that can suppress the increase in size of the cap by efficiently emitting or detecting terahertz waves from the opening of the cap.
  • FIG. 3 is a schematic top view of the terahertz element module according to the embodiment.
  • FIG. 4A is a schematic plane pattern configuration diagram of a terahertz element that can be mounted on the terahertz element module according to the embodiment
  • FIG. 3B is a schematic cross-sectional structure diagram taken along the line II-II in FIG.
  • the radiation pattern of the terahertz element which can be mounted in the terahertz element module which concerns on embodiment Comprising: (a) The simulation result in the oscillation frequency of 300 GHz, (b) The simulation result in the oscillation frequency of 320 GHz.
  • the terahertz element module according to the embodiment as a package stem mounting simulation example, the relationship between the relative strength and the submount height h.
  • the typical top view which shows the arrangement configuration of a submount and a terahertz element.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram cut.
  • (a) an explanatory diagram of an HFSS electromagnetic field simulation in a plane parallel to the X axis, and (b) an electromagnetic field by a high-frequency three-dimensional electromagnetic simulator (HFSS) in a plane parallel to the X axis. Simulation result (submount height h 1200 ⁇ m).
  • an electromagnetic field simulation result by HFSS in a plane parallel to the Y axis 500 ⁇ m).
  • the relationship between the relative strength ratio according to the presence or absence of a cap and the submount height h in the terahertz element module according to the embodiment, as an example of package stem mounting simulation, the relationship between relative strength, submount height h, and distance D from glass.
  • FIG. The terahertz element module which concerns on embodiment WHEREIN The figure explaining the relationship between relative intensity and the displacement dx of an X-axis direction as a package stem mounting simulation example.
  • the terahertz element module which concerns on embodiment WHEREIN The figure explaining the relationship between relative strength and the displacement dy of a Y-axis direction as a package stem mounting simulation example.
  • the terahertz element module which concerns on embodiment WHEREIN The figure explaining the relationship between relative strength and the glass diameter W as a package stem mounting simulation example.
  • movement which made the terahertz element module which concerns on embodiment function as a transmitter and a receiver.
  • (Terahertz element module) 1 and 2 are diagrams illustrating a terahertz element module 100 according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a schematic cross-sectional structure taken along the line II of FIG. 1, and shows an example in which the terahertz element module 100 uses the lead pins 20A and 20K.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional structure taken along the line II of FIG. 1, and shows an example in which the terahertz element module 100 does not use the lead pins 20A and 20K.
  • a terahertz element module 100 includes a package stem 10 as a substrate, a submount 16, a terahertz element 30, and a cap 12, as shown in FIGS. 1 and 2A and 2B. And a sealing material 14.
  • the package stem 10 has a front surface and a back surface, and is made of, for example, Fe, FeNi, glass, or a combination thereof.
  • the package stem 10 has a circular shape when viewed from a direction perpendicular to the surface (hereinafter, “upper surface”), and has a diameter of 5.6 mm, for example.
  • the shape seen from the upper surface of the package stem 10 is not limited to a circular shape, and may be a rectangle, or is not limited thereto.
  • the package stem 10 may include lead pins 20A and 20K provided so as to penetrate from the front surface to the back surface, for example.
  • the submount 16 is formed on the surface of the package stem 10, and is formed by being bonded to the surface of the package stem 10 through an adhesive, for example.
  • the submount 16 is made of an insulating material such as aluminum nitride or alumina, for example.
  • the shape seen from the upper surface of the submount 16 is circular, for example, about 1 mm. However, the shape seen from the upper surface of the submount 16 is not limited to the circular shape, and may be a rectangular parallelepiped or is not limited thereto.
  • the submount 16 may not be formed. In other words, the terahertz package 100 may not have the submount 16. Further, the value of the height h of the submount may be about 200 ⁇ m to 1500 ⁇ m, for example.
  • the terahertz element 30 has a front surface and a back surface, and the back surface is formed on the surface of the submount 16 so as to face the surface of the submount 16.
  • the terahertz element 30 is formed by being bonded to the surface of the package stem 10 via an adhesive, for example.
  • the terahertz element 30 is a surface emitting radiation type that emits terahertz waves directed toward the surface of itself by oscillating electromagnetic waves from the surface of the terahertz element 30 or a surface receiving type that receives terahertz waves on its surface.
  • the terahertz element 30 When the terahertz element 30 includes the lead pin 20A and the lead pin 20K, the anode electrode A of the terahertz element 30 is connected to the lead pin 20A via the bonding wire 18A, and the cathode electrode K of the terahertz element 30 is bonded to the bonding wire 18K. It may be connected to the lead pin 20K via the pin.
  • the terahertz element 30 may be configured to include an external terminal (not shown) on the back surface. In this case, the package is provided via the external terminal. It may be electrically connected to wiring, terminals, etc. (not shown) formed on the surface of the stem 10.
  • the bonding wires 18A and 18K are connected to the anode electrode A and the cathode electrode K of the terahertz element 30, and the lead pins 20A and 20K can be applied as an anode terminal and a cathode terminal, respectively.
  • the terahertz element 30 may be formed directly on the surface of the package stem 10 when the terahertz element module 100 does not have the submount 16, but the terahertz element module 100 has the submount 16. It is preferable to have. Since the terahertz element module 100 has the submount 16, it is possible to suppress external electrical interference transmitted from the package stem 10 to the terahertz element 30.
  • the cap 12 is formed on the surface of the package stem 10 so as to cover the submount 16 and the terahertz element 30 and to be separated from at least the terahertz element 30.
  • the surface of the cap 12 is Au-plated based on a FeNi alloy.
  • the cap 12 has a cylindrical shape, one end of which is connected to the surface of the package stem 10, and the other end of the side wall 12 ⁇ / b> S is parallel to the surface of the package stem 10, and the surface of the terahertz element 30.
  • a ceiling portion 12TOP opened at a position corresponding to at least the terahertz element 30 when viewed from above.
  • the opening is referred to as an opening OP.
  • the opening OP has a circular shape, and its diameter is referred to as a diameter W.
  • the value of the diameter W can be selected from, for example, 1200 ⁇ m, 1600 ⁇ m, 2000 ⁇ m, 2400 ⁇ m, and the like, but is not limited thereto.
  • the cap 12 is made of an FeNi alloy, but is not limited thereto.
  • the cap 12 is not limited to the above, and various metals can be applied.
  • the height from the surface of the package stem 10 of the cap 12 to the upper surface of the ceiling portion 12TOP is referred to as a height H.
  • the height H is, for example, about 2300 ⁇ m.
  • the diameter W of the opening OP may be 0.1 to several times the wavelength of the terahertz wave radiated or detected from the opening OP. Further, the diameter W of the opening OP may be set to approximately 1 mm, which is substantially equal to the wavelength of the terahertz wave radiated or detected from the opening OP.
  • the terahertz element module 100 includes a submount 16 that is disposed on the package stem 10 and on which the terahertz element 30 is mounted, as shown in FIGS. 1 and 2A and 2B.
  • the height of the submount 16 is preferably about 0.2 to 1.5 times the wavelength of the terahertz wave emitted or detected from the opening OP.
  • the sealing material 14 is formed so as to cover the opening OP from the back surface side of the ceiling portion 12 TOP of the cap 12.
  • the sealing material 14 is bonded to, for example, a part of the ceiling portion 12 TOP via an adhesive.
  • the sealing material 14 is, for example, a glass substrate, but is not limited to this, and may be a silicon substrate, and can be variously applied as long as it has other transparency.
  • the sealing material 14 functions as an antenna and can emit or detect terahertz waves from the opening.
  • the thickness of the sealing material 14 is referred to as a thickness T.
  • a distance from the sealing material 14 to the terahertz element 30 is referred to as a distance D.
  • the distance D is substantially equal to the distance from the sealing material 14 to the surface of the submount 16 because the substrate thickness of the terahertz element 30 is sufficiently smaller than the thickness of the submount 16.
  • the distance D from the surface of the terahertz element 30 to the sealing material 14 in the terahertz element module 100 according to the present embodiment is such that the electric field generated by the terahertz wave emitted from the terahertz element 30 is sealed from the surface of the terahertz element 30. It is set to a distance below the near field reaching the material 14 without interruption, that is, a distance shorter than one wavelength of the terahertz wave emitted from the terahertz element 30. Thereby, the irregular reflection in the cap 12 generated when the terahertz wave radiated from the terahertz element 30 is reflected from the sealing material 14 can be suppressed.
  • the terahertz package 100 configured as described above may have the following features.
  • the distance D from the submount 16 disposed on the package stem 10 to the sealing material 14 is 1 ⁇ 2 of the wavelength of the terahertz wave radiated or detected from the opening. The following is desirable.
  • a package with an opening diameter of about 1 mm is commonly used for semiconductor lasers.
  • the wavelength of the terahertz wave is several hundred times to 1000 times longer than that of the semiconductor laser.
  • a terahertz element module 100 in which a terahertz element whose wavelength is several hundred times to 1000 times longer than that of a semiconductor laser can be mounted, for example, an opening having a diameter W of about 1 mm. is there.
  • the distance D from the surface of the terahertz element 30 to the sealing material 14 is such that the electric field when the intensity of the terahertz wave emitted from the terahertz element 30 is maximum is the terahertz element 30.
  • the distance from the surface to the sealing material 14 is set at a distance of near field or less that reaches without interruption. For this reason, it becomes possible to efficiently emit and detect the terahertz wave from the opening OP of the cap 12.
  • FIG. 3A A schematic planar pattern configuration of the terahertz element 30 that can be mounted on the terahertz element module 100 according to the embodiment is represented as shown in FIG. 3A, and is schematically shown along the line II-II in FIG. The cross-sectional structure is expressed as shown in FIG.
  • FIG. 4A a schematic cross-sectional structure of the active element 90 applicable to the terahertz element module 100 according to the embodiment is expressed as shown in FIG. 4A, and another schematic cross-sectional structure is shown in FIG. It is expressed as shown in Details of the active element 90 will be described later.
  • the terahertz element 30 that can operate as a terahertz oscillation element includes a semiconductor substrate 1, a first semiconductor layer 91 a disposed on the semiconductor substrate 1, Active element 90 laminated on one semiconductor layer 91a, and a second element connected to one of the main electrodes of active element 90 connected to first semiconductor layer 91a and disposed on semiconductor substrate 1 And the first electrode 4 connected to the other main electrode of the active element 90 and disposed on the semiconductor substrate 1 so as to face the second electrode 2, and mounted on the submount 16. Is done.
  • the active element 90 forms a resonator between the second electrode 2 and the first electrode 4, and the radiated electromagnetic wave is reflected by the submount 16 and is perpendicular to the semiconductor substrate 1. It has a surface emitting radiation pattern.
  • a metal layer is disposed on the submount 16, and the semiconductor substrate 1 of the terahertz element 30 is disposed on the metal layer.
  • the first electrode 4 and the second electrode 2 may include a dipole antenna.
  • the detailed planar pattern configuration of the terahertz element 30 is expressed as shown in FIG. 5, and the description of the parasitic element parameters in FIG. 5 is expressed as shown in FIG.
  • the terahertz element 30 includes a first feed line 40F and a second feed line 20F connected to the dipole antenna, and a first feed line 40F and a second feed line 20F connected to the first feed line 20F.
  • One pad electrode 40P and a second pad electrode 20P may be provided.
  • an MIM reflector 50 connected between the first pad electrode 40P and the second pad electrode 20P may be provided.
  • the MIM reflector 50 can be formed by stacking a part of the pad electrodes 20P and 40P via an insulating layer.
  • a resistance element 114 connected between the first electrode 4 and the second electrode 2 may be provided.
  • the resistance element 114 may include a metal wiring.
  • the metal wiring may include bismuth (Bi), nickel (Ni), titanium (Ti), or platinum (Pt).
  • the active element 90 may be arranged in a multichip.
  • the active elements 90 may be arranged in a cell array.
  • the active element 90 is typically an RTD, but can be composed of other diodes or transistors.
  • Other active elements include, for example, a tannet (TUNNETT: Transit Time) diode, an impulse (IMPATT: Ionization Avalanche Transit Time) diode, a GaAs field effect transistor (FET: Field Effect Transistor), a GaN-based FET, An electron mobility transistor (HEMT: High Electron Mobility Transistor), a heterojunction bipolar transistor (HBT), a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) FET, or the like can also be applied.
  • TUNNETT Transit Time
  • IMPATT Ionization Avalanche Transit Time
  • FET Field Effect Transistor
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • HBT Het Bipolar transistor
  • CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor
  • a terahertz oscillation element or a terahertz detection element using an RTD negative resistance can be configured.
  • first electrode 4 and the second electrode 2 may include, for example, Au / Pd / Ti or Au / Ti.
  • the terahertz element 30 operable as a terahertz detection element includes a semiconductor substrate 1, a first semiconductor layer 91a disposed on the semiconductor substrate 1, Active element 90 laminated on one semiconductor layer 91a, and a second element connected to one of the main electrodes of active element 90 connected to first semiconductor layer 91a and disposed on semiconductor substrate 1 And the first electrode 4 connected to the other of the main electrodes of the active element 90 and disposed opposite to the second electrode 2 on the semiconductor substrate 1, and mounted on the submount 16.
  • a metal layer is disposed on the submount 16
  • the semiconductor substrate 1 of the terahertz element 30 is disposed on the metal layer.
  • the active element 90 forms a resonator between the second electrode 2 and the first electrode 4, and the received electromagnetic wave is reflected by the metal layer on the submount 16 to the semiconductor substrate 1. It has a vertical surface light receiving pattern.
  • the first electrode 4 and the second electrode 2 may include a dipole antenna.
  • Other configurations of the terahertz detection element are the same as those of the terahertz oscillation element.
  • the terahertz element 30 having an RTD as the active element 90 is restricted from the main oscillation in the terahertz band by parasitic oscillation with an external circuit caused by the negative resistance of the RTD.
  • a resistance element 114 is arranged in parallel with the RTD so that the negative resistance is not visible to the external circuit. can do.
  • the resistance R Bi of the resistance element 114 is connected in parallel between the anode and the cathode of the RTD with respect to the RTD resistance R RTD .
  • the combined resistance R t between the anode A and the cathode K of the RTD is a resistance R RTD ⁇ R Bi / (R RTD + R Bi ) in which the RTD resistance R RTD and the resistance R Bi of the resistance element 114 are connected in parallel.
  • the resistance R Bi of the resistance element 114 corresponds to the parallel resistance R p in FIG.
  • the negative resistance ( ⁇ V / ⁇ I) is generated on the relatively large voltage and relatively large current side. Shifts and has the effect of suppressing parasitic oscillation.
  • the negative resistance is made invisible from the external circuit by arranging the resistor in parallel with the RTD. In this way, parasitic oscillations other than the main oscillation can be suppressed.
  • Wiring is performed with Bi, which has a relatively high resistance value, and metals such as Ni, Ti, Pt, which are generally used in semiconductor processes, and this oscillation is obtained by suppressing parasitic oscillation.
  • resistance wiring for suppressing parasitic oscillation is directly connected to the dipole antenna portion.
  • the parallel resistance R p is arranged and the negative resistance becomes invisible from the outside, the Q of the parasitic oscillation that oscillates at a low frequency with the outside becomes low, and the oscillation becomes harder than the RF basic oscillation. Therefore, the original RF fundamental oscillation occurs.
  • Q value 1 / R t ⁇ ⁇ (LA / C p ) (2) Arranging the parallel resistance R p corresponds to increasing the combined resistance R t .
  • FIG. 8 An example of a device surface micrograph of the terahertz element 30 that can be mounted on the terahertz element module 100 according to the embodiment is shown as shown in FIG. 8, and an enlarged example of the device surface micrograph of FIG. 8 is shown in FIG. It is expressed as follows.
  • the examples of FIGS. 8 and 9 correspond to detailed planar pattern configuration examples of the terahertz element 30 shown in FIG. 8 and 9 show an example in which the MIM reflector 50 is not formed, but, as in FIG. 5, by laminating a part of the pad electrodes 20P and 40P via an insulating layer, An MIM reflector 50 can be formed.
  • the terahertz device 30 is a Ti that is commonly used in a relatively high resistance value Bi and semiconductor process, Pt, a parallel resistor R p using a metal such as Ni can be produced. Due to the structure of the device, it is possible to improve the film covering property, such as oblique vapor deposition, in the stepped portion, and to achieve the device operation demonstration.
  • oscillation frequency characteristics An example of oscillation frequency characteristics of the terahertz element 30 that can be mounted on the terahertz element module 100 according to the embodiment is expressed as shown in FIG. In the example shown in FIG. 10, a peak of oscillation intensity (arbitrary unit) is obtained at about 0.27 THz.
  • a schematic bird's-eye view of the terahertz element 30 that can be mounted on the terahertz element module 100 according to the embodiment used in the dipole antenna calculation model is expressed as shown in FIG. 11A, and feed lines 40F and 20F and pad electrodes 40P.
  • a schematic bird's-eye view of the terahertz element 30 used in the dipole antenna calculation model including 20P is expressed as shown in FIG. Both are calculated as having a metal layer disposed on the submount 16.
  • the pad electrodes 40P and 20P constitute a transmission line.
  • the width of the pad electrodes 40P and 20P is, for example, 75 ⁇ m, and the distance between the pad electrodes 40P and 20P (interval of the transmission line) is, for example, 5 ⁇ m, and the length of the pad electrodes 40P and 20P (transmission line) For example, 300 ⁇ m.
  • the feed lines 40F and 20F constitute a connecting portion between the dipole antenna (2 and 4) and the pad electrodes 40P and 20P, and the length thereof is, for example, 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, and the width thereof is For example, 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the antenna length DA (see FIG. 5) of the dipole antenna (2.4) is set to 320 ⁇ m, for example.
  • the simulation results of FIGS. 12A and 12B are results calculated based on the dipole antenna calculation model including the feed lines 40F and 20F and the pad electrodes 40P and 20P shown in FIG. 11B.
  • a favorable surface-emitting radiation pattern is obtained, for example, at about 330 GHz or less from the simulation results.
  • the chip area of the terahertz element 30 including the dipole antenna is, for example, about 0.5 mm ⁇ 0.5 mm.
  • the size can be reduced to about 1/18.
  • the chip size can be reduced to about 0.5 mm ⁇ 0.5 mm or less.
  • the terahertz element 30 can be disposed on a metal layer disposed on the submount, and a terahertz wave can be emitted from the surface of the semiconductor substrate by surface emission by using reflection from the metal layer.
  • the oscillation frequency can be controlled by changing the antenna length DA. It is also possible to control the antenna efficiency by adjusting the length, width and arrangement position of the feed lines 40F and 20F constituting the connecting portion.
  • an RTD configuration example is disposed on a semiconductor substrate 1 made of a semi-insulating InP substrate as shown in FIG.
  • Doped GaInAs layer 91a, GaInAs layer 91a doped with n-type impurity, undoped GaInAs layer 93a disposed on GaInAs layer 92a, and GaInAs layer 93a The RTD portion composed of the AlAs layer 94a / InGaAs layer 95 / AlAs layer 94b, the undoped GaInAs layer 93b disposed on the AlAs layer 94b, and the GaInAs layer 93b are doped with n-type impurities.
  • the GaInAs layer 92b and the GaInAs layer 92b are disposed on the n-type impurity highly concentrated Comprising a doped GaInAs layer 91b, a first electrode 4 disposed over the GaInAs layer 91b, a second electrode 2 arranged on the GaInAs layer 91a on.
  • RTD Reliable to Low-power transistor 30
  • another configuration example of RTD is a GaInAs layer that is disposed on a GaInAs layer 91b and is doped with n-type impurities at a high concentration, as shown in FIG.
  • the first electrode 4 is provided on the GaInAs layer 91c.
  • the GaInAs layer 91c may be formed.
  • each layer is, for example, as follows.
  • the thicknesses of the n + -type GaInAs layers 91a, 91b, and 91c are, for example, about 400 nm, 15 nm, and 8 nm, respectively.
  • the thicknesses of the n-type GaInAs layers 92a and 92b are substantially equal, for example, about 25 nm.
  • the thicknesses of the undoped GaInAs layers 93a and 93b are, for example, thicknesses that enable the above-described asymmetry to be about 2 nm ⁇ 20 nm.
  • the thicknesses of the AlAs layers 94a and 94b are equal, for example, about 1.1 nm.
  • the thickness of the GaInAs layer 95 is about 4.5 nm, for example.
  • a SiO 2 film, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like An insulating film made of a multilayer film can also be deposited.
  • the insulating layer can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method, a sputtering method, or the like.
  • the MIM reflector 50 has a metal / insulator / metal laminated structure, and the pad electrodes 40P and 20P are short-circuited in high frequency. Further, the MIM reflector 50 has an effect that it can reflect a high frequency while being open in terms of direct current.
  • Each of the first electrode 4 and the second electrode 2 is made of, for example, a metal laminated structure of Au / Pd / Ti or Au / Ti, and the Ti layer is connected to the semiconductor substrate 1 made of a semi-insulating InP substrate. It is a buffer layer for improving the contact state.
  • the thickness of each part of the first electrode 4 and the second electrode 2 is, for example, about several hundred nm, and a flattened laminated structure is obtained as a whole. Note that both the first electrode 4 and the second electrode 2 can be formed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.
  • the insulating layer of the MIM reflector can be formed of, for example, a SiO 2 film.
  • a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like can be applied.
  • the thickness of the insulating layer can be determined in consideration of the geometric plane size of the MIM reflector 50 and the required capacitor value in terms of circuit characteristics, and is, for example, about several tens nm to several hundreds nm.
  • the insulating layer can be formed by a CVD method, a sputtering method, or the like.
  • the terahertz element 30 has an example in which the first tunnel barrier layer / quantum well (QW) layer / second tunnel barrier layer has a configuration of AlAs / InAlAs / AlAs. It is not limited to.
  • the first tunnel barrier layer / quantum well layer / second tunnel barrier layer may have an AlGaAs / GaAs / AlGaAs configuration.
  • the first tunnel barrier layer / quantum well layer / second tunnel barrier layer may have an AlGaN / GaN / AlGaN configuration.
  • the first tunnel barrier layer / quantum well layer / second tunnel barrier layer may have an SiGe / Si / SiGe configuration.
  • FIG. 14 a schematic top view showing the arrangement configuration of the submount 16 and the terahertz element 30 is expressed as shown in FIG.
  • the terahertz element 30 is schematically shown as a rectangular block, but the detailed configuration has the same configuration as that of FIGS. 5, 8, and 9 described above, and includes surface emitting radiation or a surface. Light can be received.
  • An active element such as an RTD is arranged at the center of the coordinate axis XY shown in FIG.
  • the width along the X-axis direction of the terahertz element 30 is represented by X1
  • the width along the Y-axis direction is represented by Y1.
  • FIG. 15A and 15B a schematic cross-sectional structure cut along a plane perpendicular to the package stem 10 along the X axis is expressed as shown in FIG. 15A and 15B, the configuration of each part is the same as that in FIG.
  • the configurations of FIGS. 15A and 15B correspond to the basic structure of HFSS electromagnetic field simulation described below.
  • the explanatory diagram of the HFSS electromagnetic field simulation in the plane parallel to the X axis is expressed as shown in FIG. 16A, and the high frequency three-dimensional in the parallel plane along the X axis is shown.
  • an explanatory diagram of electromagnetic field simulation by HFSS in a plane parallel to the Y axis is represented as shown in FIG. 17A, and HFSS in a plane parallel to the Y axis.
  • the electric field from the dipole antenna constituting the terahertz element 30 mounted on the terahertz element module 100 is near field, and the sealing material (glass) 14 It can be seen that propagation is possible.
  • the relative intensity ratio is increased by adopting the configuration including the cap 12.
  • the relative intensity ratio increases by about 5.7 times at the maximum.
  • the dipole antenna constituting the terahertz element 30 and the sealing material (glass) 14 function as a highly efficient antenna, and the electric field is near-field and the sealing material (glass). 14 that it can be propagated.
  • the relative intensity changes at a complicated cycle due to the influence of multiple reflection in the cap 12, as shown by a width CA in FIG.
  • the distance from the sealing material (glass) 14 is 500 ⁇ m ( ⁇ / 2) or less, and the electric field of the terahertz element 30 is applied to the sealing material (glass) 14 in the near field. I can see it.
  • the glass surface of the sealing material 14 in the opening functions as an antenna due to resonance in the emission surface. Recognize.
  • the relationship between the relative strength and the displacement dx in the X-axis direction is expressed as shown in FIG. 32, and the relative strength and the displacement dy in the Y-axis direction are expressed.
  • the position (x, y) in the package stem is displaced in steps of 50 ⁇ m.
  • the electromagnetic field simulation results by HFSS in FIGS. 35 to 37 correspond to plots P1 to P3 in FIG. 34, respectively.
  • the terahertz element module can be configured as a transmitter module 100T and a receiver module 100R, respectively.
  • FIG. 1 A schematic cross-sectional structure for explaining a transmission / reception operation in which the terahertz element module according to the embodiment functions as the transmitter module 100T and the receiver module 100R is expressed as shown in FIG.
  • the transmitter module 100T includes a package stem 10T, a submount 16T disposed on the package stem 10T, a terahertz element 30T disposed on the submount 16T, and a package stem 10T.
  • the submount 16T and the terahertz element 30T are incorporated, and a cap 12T having an opening and a sealing material 14T connected to the cap 12T and sealing the opening are provided.
  • the sealing material 14T functions as an antenna and can emit terahertz waves from the opening.
  • the receiver module 100R includes a package stem 10R, a submount 16R disposed on the package stem 10R, a terahertz element 30R disposed on the submount 16R, and a package stem 10R.
  • the cap 12R includes the submount 16R and the terahertz element 30R, and includes an opening 12C.
  • the cap 12R is connected to the cap 12R and seals the opening.
  • the sealing material 14R functions as an antenna and can detect a terahertz wave from the opening.
  • the terahertz element module By making the terahertz element module according to the embodiment function as the transmitter module 100T and the receiver module 100R and disposing the terahertz element modules so as to face each other as shown in FIG. 38, the terahertz waves radiated from the transmitter module 100T are received by the receiver.
  • the module 100R can detect efficiently.
  • the terahertz element module is caused to function as the transmitter module 100T / receiver module 100R, the terahertz element 30T having an in-plane light emission pattern is mounted on the transmitter module 100T, and the receiver module 100R includes By mounting the terahertz element 30R having an in-plane light receiving pattern and the respective sealing materials 14T and 14R function as antennas, it is possible to efficiently radiate and detect terahertz waves from an opening having the same wavelength.
  • a terahertz element module that can suppress the increase in size of the cap by efficiently emitting or detecting terahertz waves from the opening of the cap.
  • the present embodiment includes various embodiments that are not described here.
  • the terahertz element module of this embodiment can be applied to a terahertz oscillator, a terahertz detector, a high-frequency resonance circuit, a signal amplifier, and the like on a device basis, and a terahertz wave imaging device, a sensing device, and a high-speed wireless communication device on an application basis.
  • a terahertz oscillator a terahertz detector
  • a high-frequency resonance circuit a signal amplifier
  • a terahertz wave imaging device a sensing device
  • a high-speed wireless communication device on an application basis.
  • it can be applied to a wide range of fields such as measurement in various fields such as physical properties, astronomy, and organisms, and security.
  • SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 ... 2nd electrode (cathode electrode) 4.
  • First electrode (anode electrode) 9 ... Interlayer insulating film 10, 10T, 10R ... Package stem (substrate) 12, 12T, 12R ... Cap 12S ... Side wall part 12TOP ... Ceiling part 14, 14T, 14R ... Sealing material 16, 16T, 16R ... Submount 18A, 18K ... Bonding wire 20D, 40D ... Dipole antenna (antenna electrode) 20F, 40F ... feed wires 20P, 40P ... pad electrodes 20A, 20K ... lead pins 30, 30T, 30R ... terahertz elements 50 ...
  • MIM reflectors 90, 90T, 90R active elements 91a ... first semiconductor layer (GaInAs layer) 94a, 94b ... Tunnel barrier layer 95 ... Quantum well layer 100R ... Terahertz element module 100T ... Transmitter module 100R ... Receiver module 114 ... Resistance element OP ... Opening A ... Anode K ... Cathode W ... Opening diameter (glass diameter) H: Cap height h ... Submount height D ... Distance from sealing material (glass) T ... Thickness of sealing material (glass)

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Abstract

テラヘルツ素子モジュール（１００）は、基板（１０）と、基板（１０）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（３０）と、テラヘルツ素子（３０）から離間してテラヘルツ素子（３０）を覆い、かつ基板（１０）の表面と垂直方向のテラヘルツ素子（３０）に対向する位置に開口部ＯＰを有するキャップ（１２）と、キャップ（１２）の開口部ＯＰを覆い、基板（１０）とキャップ（１２）と共に、テラヘルツ素子（３０）を封止する封止材（１４）とを備え、テラヘルツ素子（３０）から封止材（１４）までの距離は、テラヘルツ波の電界がテラヘルツ素子３０の表面から封止材（１４）まで途切れずに達するニアフィールド以下である。キャップの開口部から効率良くテラヘルツ波の放射または検出可能としてキャップの大型化を抑制できるテラヘルツ素子モジュールを提供する。

Description

テラヘルツ素子モジュール
　本実施の形態は、テラヘルツ素子モジュールに関する。
　近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる新しい現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる、周波数が０．１ＴＨｚ（１０11Ｈｚ）～１０ＴＨｚの周波数領域を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されることが期待されている。
　テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振するテラヘルツ素子としては、例えば、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）と微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている。
　また、テラヘルツ素子を覆うキャップと、このキャップに接続された導波管を備えるテラヘルツ波放射装置も開示されている。
特開２００７－１２４２５０号公報 特開２０１２－２１７１０７号公報 特開２００５－３２２７３３号公報
　キャップの開口部から外部へ放射電磁波の強度をより高くしようとする場合、回折等の影響を考慮し、発振される電磁波の波長に対してより大きい開口径を設ける必要があるため、パッケージ全体のサイズが増大してしまう問題があった。
　本実施の形態は、キャップの開口部から効率良くテラヘルツ波の放射または検出可能としてキャップの大型化を抑制できるテラヘルツ素子モジュールを提供する。
　本実施の形態の一態様によれば、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テラヘルツ素子モジュールが提供される。
　本実施の形態によれば、キャップの開口部から効率良くテラヘルツ波の放射または検出可能としてキャップの大型化を抑制できるテラヘルツ素子モジュールを提供することができる。
実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールの模式的上面図。 （ａ）図１のＩ－Ｉ線に沿う模式的断面構造図（リードピン２０Ａ・２０Ｋを用いる例）、（ｂ）図１のＩ－Ｉ線に沿う模式的断面構造図（リードピン２０Ａ・２０Ｋを用いない例）。 （ａ）実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図３（ａ）のＩＩ－ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。 （ａ）実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールに適用可能な能動素子の模式的断面構造図、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールに適用可能な能動素子の別の模式的断面構造図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子の詳細な平面パターン構成図。 図５における寄生素子パラメータの説明図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子の等価回路構成図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子のデバイス表面顕微鏡写真例。 図８の拡大されたデバイス表面顕微鏡写真例。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子の発振周波数特性。 （ａ）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に搭載可能なテラヘルツ素子の模式的鳥瞰図、（ｂ）フィード線およびパッド電極を含む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に搭載可能なテラヘルツ素子の模式的鳥瞰図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールに搭載可能なテラヘルツ素子の放射パターンであって、（ａ）発振周波数３００ＧＨｚにおけるシミュレーション結果、（ｂ）発振周波数３２０ＧＨｚにおけるシミュレーション結果。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、サブマウントとテラヘルツ素子の配置構成を示す模式的上面図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、（ａ）Ｘ軸に沿い、パッケージステムに対して垂直面で切断した模式的断面構造図、（ｂ）Ｙ軸に沿い、パッケージステムに対して垂直面で切断した模式的断面構造図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、（ａ）Ｘ軸に平行な面におけるＨＦＳＳ電磁界シミュレーションの説明図、（ｂ）Ｘ軸に平行な面における高周波３次元電磁界シミュレータ（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）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、（ａ）Ｙ軸に平行な面におけるＨＦＳＳによる電磁界シミュレーションの説明図、（ｂ）Ｙ軸に平行な面における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）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、Ｘ軸に平行な面における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＝１０００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、Ｙ軸に平行な面における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＝１０００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、Ｘ軸に平行な面における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＝８００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、Ｙ軸に平行な面における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＝８００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、Ｘ軸に平行な面における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＝５００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、Ｙ軸に平行な面における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＝５００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、Ｘ軸に平行な面における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＝４００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、Ｙ軸に平行な面における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＝４００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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およびガラスからの距離Ｄとの関係。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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＝８００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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＝５００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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の平面内位置による変位ｄｘ、ｄｙを説明する上面図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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Ｘ軸方向の変位ｄｘとの関係を説明する図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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Ｙ軸方向の変位ｄｙとの関係を説明する図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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との関係を説明する図。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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（ガラス直径Ｗ＝１２００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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（ガラス直径Ｗ＝１６００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールにおいて、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（ガラス直径Ｗ＝２０００μｍ）。 実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールを送信器および受信器として機能させた送受信動作を説明する模式的断面構造図。
　次に、図面を参照して、本実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
　以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
　（テラヘルツ素子モジュール）
　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。
　図２（ａ）は、図１のＩ－Ｉ線に沿う模式的断面構造であり、テラヘルツ素子モジュール１００がリードピン２０Ａ・２０Ｋを用いた例を示した図である。図２（ｂ）は、図１のＩ－Ｉ線に沿う模式的断面構造であり、テラヘルツ素子モジュール１００がリードピン２０Ａ・２０Ｋを用いていない例を示した図である。
　実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール１００は、図１及び図２（ａ）・図２（ｂ）に示すように、基板としてのパッケージステム１０と、サブマウント１６と、テラヘルツ素子３０と、キャップ１２と、封止材１４とを備える。
　パッケージステム１０は、表面と裏面とを備えており、例えば、Ｆｅ、ＦｅＮｉ、ガラス、またはこれらの組み合せ等から構成されている。パッケージステム１０の形状は、表面と垂直の方向（以下「上面」）から見て、円形状であり、例えば、直径は、５．６ｍｍである。ただし、パッケージステム１０の上面から見た形状は、円形状に限られず、矩形であっても良いし、これらに限定されない。なお、パッケージステム１０は、例えば表面から裏面に貫通して設けられたリードピン２０Ａ・２０Ｋを備えていても良い。
　サブマウント１６は、パッケージステム１０の表面上に形成されており、例えば接着剤を介してパッケージステム１０の表面に接着されて形成されている。サブマウント１６は、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ等の絶縁材料から構成されている。サブマウント１６の上面から見た形状は、円形状であり、例えば、約１ｍｍである。ただし、サブマウント１６の上面から見た形状は、円形状に限られず、直方体であってもよいし、これに限られない。なお、サブマウント１６は形成されていなくても良い。言い換えれば、テラヘルツパッケージ１００は、サブマウント１６を有していなくても良い。また、サブマウントの高さｈの値は、例えば約２００μｍ～１５００μｍ程度であっても良い。
　テラヘルツ素子３０は、表面と裏面とを備えており、サブマウント１６の表面上において裏面がサブマウント１６の表面と対向して形成されている。テラヘルツ素子３０は、例えば接着剤を介してパッケージステム１０の表面に接着されて形成されている。テラヘルツ素子３０は、自己の表面から電磁波を発振することで自己の表面上に向かうテラヘルツ波を放射する面発光放射型、又は自己の表面にテラヘルツ波を受信する面受信型である。
　テラヘルツ素子３０は、リードピン２０Ａとリードピン２０Ｋとを備えている場合には、テラヘルツ素子３０のアノード電極Ａがボンディングワイヤ１８Ａを介してリードピン２０Ａと接続され、テラヘルツ素子３０のカソード電極Ｋがボンディングワイヤ１８Ｋを介してリードピン２０Ｋと接続されていても良い。また、リードピン２０Ａとリードピン２０Ｋとを備えていない場合には、テラヘルツ素子３０は、裏面に図示しない外部端子を備えた構成となっていてもよく、この場合には、該外部端子を介してパッケージステム１０の表面に形成された図示しない配線や端子等と電気的に接続されていても良い。
　ここで、例えば、ボンディングワイヤ１８Ａ・１８Ｋは、テラヘルツ素子３０のアノード電極Ａ・カソード電極Ｋに接続され、リードピン２０Ａ・２０Ｋは、それぞれアノード端子・カソード端子として適用可能である。
　なお、テラヘルツ素子３０は、テラヘルツ素子モジュール１００がサブマウント１６を有していない場合には、パッケージステム１０の表面上に直接的に形成されていても良いが、テラヘルツ素子モジュール１００はサブマウント１６を有していることが好ましい。テラヘルツ素子モジュール１００がサブマウント１６を有していることで、パッケージステム１０からテラヘルツ素子３０に伝わる外部からの電気的干渉を抑制することができる。
　キャップ１２は、パッケージステム１０の表面上に、サブマウント１６とテラヘルツ素子３０とを覆いかつ少なくともテラヘルツ素子３０から離間して形成されており、例えばＦｅＮｉ合金をベースに表面がＡｕめっき加工されている。キャップ１２は、筒形状であり一端がパッケージステム１０の表面と接続された側壁部１２Ｓと、側壁部１２Ｓの他端と接続されて、パッケージステム１０の表面と平行であり、テラヘルツ素子３０の表面と対向する位置であって上面から見て少なくともテラヘルツ素子３０に対応する位置が開口された天井部１２ＴＯＰとを備えている。ここで、該開口を開口部ＯＰと称する。開口部ＯＰは、円形状であり、その直径を直径Ｗと称する。直径Ｗの値は、例えば、１２００μｍ、１６００μｍ、２０００μｍ、２４００μｍなどに選定可能であり、これらに限られない。キャップ１２は、ＦｅＮｉ合金から構成されているが、これに限られない。また、キャップ１２は、上記に限られず種々金属を適用可能である。なお、ここで、キャップ１２のパッケージステム１０の表面から天井部１２ＴＯＰの上面までの高さを高さＨと称する。高さＨは、例えば約２３００μｍ程度である。
　また、開口部ＯＰの直径Ｗは、開口部ＯＰから放射若しくは検出されるテラヘルツ波の波長０．１倍～数倍であっても良い。さらに、開口部ＯＰの直径Ｗは、開口部ＯＰから放射若しくは検出されるテラヘルツ波の波長と実質的に等しい、およそ１ｍｍに設定されていても良い。
　また、実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール１００は、図１及び図２（ａ）・図２（ｂ）に示すように、パッケージステム１０上に配置され、テラヘルツ素子３０を搭載するサブマウント１６を備え、サブマウント１６の高さは、開口部ＯＰ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倍程度であることが望ましい。
　封止材１４は、キャップ１２の天井部１２ＴＯＰの裏面側から開口部ＯＰを覆って形成されている。封止材１４は、例えば天井部１２ＴＯＰの一部に接着剤を介して接着されている。封止材１４は、例えばガラス基板であるが、これに限られずシリコン基板でも良く、その他の透過性を有する基板であれば種々適用可能である。封止材１４は、アンテナとして機能し、開口部からテラヘルツ波の放射若しくは検出が可能である。ここで、封止材１４の厚さを厚さＴと称する。また、封止材１４からテラヘルツ素子３０までの距離を距離Ｄと称する。なお、距離Ｄは、テラヘルツ素子３０の基板厚さがサブマウント１６の厚さに比べて十分に小さいことから、封止材１４からサブマウント１６表面までの距離と実質的に同等である。
　ここで、本実施形態におけるテラヘルツ素子モジュール１００におけるテラヘルツ素子３０の表面から封止材１４までの距離Ｄは、テラヘルツ素子３０から放射されるテラヘルツ波によって生じる電界が、テラヘルツ素子３０の表面から封止材１４まで途切れずに達するニアフィールド以下、すなわち、テラヘルツ素子３０から放射されるテラヘルツ波の１波長よりも短い距離に設定されている。これにより、テラヘルツ素子３０から放射されるテラヘルツ波が、封止材１４から反射することで発生するキャップ１２内における乱反射を抑制することができる。
　以上のように構成されたテラヘルツパッケージ１００は、下記の特徴を備えていても良い。
　また、後述するシミュレーション結果（図２７）より、パッケージステム１０上に配置されるサブマウント１６から封止材１４までの距離Ｄは、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１／２以下であることが望ましい。
　開口径１ｍｍ程度のパッケージは、半導体レーザで一般的に良く使われている。一方、テラヘルツ波は、半導体レーザに比べて波長が数１００倍～１０００倍程度長い。つまり、本実施の形態においては、半導体レーザで一般的に良く使われている開口径１ｍｍ程度と同程度のパッケージを使用することが可能である。
　すなわち、実施の形態によれば、半導体レーザに比べて波長が数１００倍～１０００倍程度長いテラヘルツ素子を搭載可能な、例えば、開口部の直径Ｗ＝１ｍｍ程度のテラヘルツ素子モジュール１００を提供可能である。
　以上、実施形態にかかるテラヘルツ素子モジュール１００によれば、テラヘルツ素子３０の表面から封止材１４までの距離Ｄは、テラヘルツ素子３０から放射されるテラヘルツ波の強度が最大時の電界がテラヘルツ素子３０の表面から封止材１４まで途切れずに達するニアフィールド以下の距離に設定されている。このため、キャップ１２の開口部ＯＰから効率良くテラヘルツ波の放射および検出可能となる。
　（テラヘルツ素子）
　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。
　また、実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール１００に適用可能な能動素子９０の模式的断面構造は、図４（ａ）に示すように表され、別の模式的断面構造は、図４（ｂ）に示すように表される。能動素子９０の詳細については後述する。
　（テラヘルツ発振素子）
　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。
　また、テラヘルツ素子３０は、図３（ａ）に示すように、第１の電極４および第２の電極２は、ダイポールアンテナを備えていても良い。
　テラヘルツ素子３０の詳細な平面パターン構成は、図５に示すように表され、図５における寄生素子パラメータの説明は、図６に示すように表される。
　また、テラヘルツ素子３０の等価回路構成は、図７に示すように表される。
　テラヘルツ素子３０は、図５・図６に示すように、ダイポールアンテナに接続された第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆと、第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆに接続された第１パッド電極４０Ｐおよび第２パッド電極２０Ｐとを備えていても良い。
　また、図５・図６に示すように、第１パッド電極４０Ｐと第２パッド電極２０Ｐとの間に接続されたＭＩＭリフレクタ５０を備えていても良い。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。
　また、図３（ａ）・図５・図６に示すように、第１の電極４と第２の電極２間に接続された抵抗素子１１４を備えていてもい良い。ここで、抵抗素子１１４は、金属配線を備えていても良い。例えば、金属配線は、ビスマス（Ｂｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、若しくは白金（Ｐｔ）を備えていても良い。
　また、テラヘルツ素子３０において、能動素子９０は、マルチチップ化して配置されていても良い。
　また、テラヘルツ素子３０において、能動素子９０は、セルアレイ化して配置されていても良い。
　能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、タンネット（ＴＵＮＮＥＴＴ：Tunnel Transit Time）ダイオード、インパット（ＩＭＰＡＴＴ：Impact Ionization Avalanche Transit Time）ダイオード、ＧａＡｓ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＧａＮ系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ:Heterojunction Bipolar Transistor）若しくはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）ＦＥＴなどを適用することもできる。
　実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール１００に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの負性抵抗を用いたテラヘルツ発振素子若しくはテラヘルツ検出素子を構成可能である。
　さらに詳細には、第１の電極４・第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ若しくはＡｕ／Ｔｉを備えていても良い。
　（テラヘルツ検出素子）
　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。
　また、テラヘルツ素子３０は、図３（ａ）に示すように、第１の電極４および第２の電極２は、ダイポールアンテナを備えていても良い。テラヘルツ検出素子のその他の構成は、テラヘルツ発振素子と同様である。
　（並列抵抗）
　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。
　ＲＴＤの抵抗ＲRTDに対して、抵抗素子１１４の抵抗ＲBiは、ＲＴＤのアノード・カソード間に並列に接続される。結果として、ＲＴＤのアノードＡ・カソードＫ間の合成抵抗Ｒtは、ＲＴＤの抵抗ＲRTDと抵抗素子１１４の抵抗ＲBiの並列接続された抵抗ＲRTD・ＲBi／（ＲRTD＋ＲBi）で表される。抵抗素子１１４の抵抗ＲBiは、図６における並列抵抗Ｒpに相当している。
　ＲＴＤの抵抗ＲRTDに対して、抵抗素子１１４の抵抗ＲBiを並列に配置することによって、負性抵抗（－ΔＶ／ΔＩ）の発生が、相対的に大きな電圧および相対的に大きな電流側にシフトし、寄生発振の抑制効果がある。
　負性抵抗領域において外部回路との間に寄生発振が生じてしまうため、ＲＴＤに並列に抵抗を配置することで、外部回路から負性抵抗を見えにくくする。こうすると、本発振以外の寄生発振を抑えることができる。
　そのための要求条件は、合成抵抗Ｒt＞＝０より、

　　ＲBi＜＝ΔＶ／ΔＩ（＝ＲRTD）　　　　　　　　　　　　　　　（１）

で表される。
　抵抗値の比較的高いＢｉや半導体プロセスでも一般的に使われるＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ等のメタルで配線を行い、寄生発振を抑制して本発振を得ている。
　テラヘルツ素子３０においては、寄生発振を抑制するための抵抗配線をダイポールアンテナ部に直接接続している。
　（等価回路構成）
　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。
　（外部回路との寄生発振）
　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。
　（並列抵抗）
　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。
　並列抵抗Ｒpを配置して、外部から負性抵抗が見えなくなると、外部と低周波で発振する寄生発振のＱが低くなり、ＲＦ基本発振よりも発振しにくくなる。そのため、本来のＲＦ基本発振がおきる。
　（Ｑ値）
　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。
　仮にこの（２）式から、上に示すような寄生発振のＱ値を考えると、並列抵抗Ｒpを配置することは、Ｒtを大きくすることに相当し、結果としてＱ値の減少が得られる。並列抵抗Ｒpを配置することによって、寄生発振を抑制可能であることがわかる。
　（ＲＴＤのデバイス表面顕微鏡写真例）
　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。
　テラヘルツ素子３０においては、相対的に抵抗値の高いＢｉや半導体プロセスで一般的に使用されるＴｉ、Ｐｔ，Ｎｉ等のメタルを用いて並列抵抗Ｒpを作製可能である。デバイスの構造上、段差のある部分も、斜め蒸着などうまく覆膜性を改良し、デバイスの動作実証を達成可能である。
　（発振周波数特性）
　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。
　（シミュレーション結果）
　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。
　ここで、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐは、伝送線路を構成している。パッド電極４０Ｐ・２０Ｐの幅（伝送線路の幅）は、例えば７５μｍとし、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐ間の間隔（伝送線路の間隔）は、例えば５μｍとし、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐの長さ（伝送線路の長さ）は、例えば３００μｍとした。
　また、フィード線４０Ｆ・２０Ｆは、ダイポールアンテナ（２・４）と、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐとの間の接続部を構成しており、その長さは、例えば、２０μｍ～１００μｍとし、その幅は、例えば、１μｍ～１０μｍとした。
　また、ダイポールアンテナ（２・４）のアンテナ長ＤＡ（図５参照）は、例えば３２０μｍとした。
　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の放射パターンであって、発振周波数３００ＧＨｚにおけるシミュレーション結果は、図１２（ａ）に示すように表され、発振周波数３２０ＧＨｚにおけるシミュレーション結果は、図１２（ｂ）に示すように表される。図１２（ａ）・図１２（ｂ）のシミュレーション結果は、図１１（ｂ）に示すフィード線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基づき計算した結果である。
　テラヘルツ素子３０においては、シミュレーション結果より、例えば約３３０ＧＨｚ以下において、良好な面発光型の放射パターンのが得られている。
　比較例として、テーパースロットアンテナを備えるテラヘルツ素子のチップ面積（１．５ｍｍ×３．０ｍｍ）と比較すると、ダイポールアンテナを備えるテラヘルツ素子３０のチップ面積は、例えば約０．５ｍｍ×０．５ｍｍであり、比較例に比べて、約１／１８に微細化可能である。さらに、チップサイズは、約０．５ｍｍ×０．５ｍｍ以下にも微細化可能である。
　テラヘルツ素子３０においては、サブマウント上に配置される金属層上に配置し、この金属層よる反射を用いて、半導体基板表面側にテラヘルツ波を面発光放射することができる。アンテナ長ＤＡを変化することによって、発振周波数を制御することができる。また、接続部を構成するフィード線４０Ｆ・２０Ｆの長さ・幅・配置位置を調整することによってアンテナ効率を制御することも可能である。
　―ＲＴＤ―
　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。
　テラヘルツ素子３０に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの別の構成例は、図４（ｂ）に示すように、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｃを備え、第１の電極４は、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃ上に配置される。このように、第１の電極４とＧａＩｎＡｓ層９１ｂとのコンタクトをさらに良好にするために、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃを形成しても良い。
　ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
　ｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａ、９１ｂ・９１ｃの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ・８ｎｍ程度である。ｎ型のＧａＩｎＡｓ層９２ａおよび９２ｂの厚さは、略等しく、例えば、約２５ｎｍ程度である。アンドープＧａＩｎＡｓ層９３ａ・９３ｂの厚さは、例えば、上述の非対称性を実現可能とする厚さであって、約２ｎｍ・２０ｎｍ程度である。ＡｌＡｓ層９４ａおよび９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．１ｎｍ程度である。ＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
　なお、図４（ａ）および図４（ｂ）に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
　ＭＩＭリフレクタ５０は金属／絶縁体／金属からなる積層構造により、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐは高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
　第１の電極４・第２の電極２は、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／ＴｉやＡｕ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４・第２の電極２の各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４・第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
　ＭＩＭリフレクタの絶縁層は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ～数１００ｎｍ程度である。絶縁層は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
　テラヘルツ素子３０は、第１トンネルバリア層／量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓの構成を有する例が示されているが、このような材料系に限定されるものではない。例えば、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの構成を有する例であっても良い。また、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの構成を有する例であっても良い。また、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＳｉＧｅ／Ｓｉ／ＳｉＧｅの構成を有する例であっても良い。
　（相対強度とサブマウント高さの関係）
　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においては、図１３に示すように、サブマウントの高さｈを変えることで、相対強度の向上を見込むことができる。例えば、ｈ＝２００μｍに対して、ｈ＝１２００μｍとすることで、約１．５５倍出力の向上が可能である。
　（ＨＦＳＳ電磁界シミュレーション）
　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、Ｘ軸に沿い、パッケージステム１０に対して垂直面で切断した模式的断面構造は、図１５（ａ）に示すように表され、Ｙ軸に沿い、パッケージステムに対して垂直面で切断した模式的断面構造は、図１５（ｂ）に示すように表される。図１５（ａ）・図１５（ｂ）において、各部の構成は、図１（ａ）と同様であるため、重複説明は省略する。図１５（ａ）・図１５（ｂ）の構成は、以下に説明するＨＦＳＳ電磁界シミュレーションの基本構造に対応している。
　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、Ｘ軸に平行な面におけるＨＦＳＳ電磁界シミュレーションの説明図は、図１６（ａ）に示すように表され、Ｘ軸に沿う平行な面における高周波３次元電磁界シミュレータ（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１６（ｂ）に示すように表される。
　また、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、Ｙ軸に平行な面におけるＨＦＳＳによる電磁界シミュレーションの説明図は、図１７（ａ）に示すように表され、Ｙ軸に平行な面における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１７（ｂ）に示すように表される。。
　同様に、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、Ｘ軸に平行な面における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＝１０００μｍ）は、図１８に示すように表され、Ｙ軸に平行な面における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＝１０００μｍ）は、図１９に示すように表される。
　同様に、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、Ｘ軸に平行な面における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＝８００μｍ）は、図２０に示すように表され、Ｙ軸に平行な面における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＝８００μｍ）は、図２１に示すように表される。
　同様に、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、Ｘ軸に平行な面における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＝５００μｍ）は、図２２に示すように表され、Ｙ軸に平行な面における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＝５００μｍ）は、図２３に示すように表される。
　同様に、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、Ｘ軸に平行な面における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＝４００μｍ）は、図２４に示すように表され、Ｙ軸に平行な面における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＝４００μｍ）は、図２５に示すように表される。
　以上のシミュレーション計算結果によれば、サブマウント高さｈ＝１２００μｍおよび８００μｍにおいて、テラヘルツ素子モジュール１００に搭載されるテラヘルツ素子３０を構成するダイポールアンテナからの電界がニアフィールドで封止材（ガラス）１４に伝搬可能であることがわかる。
　（キャップの有無による相対強度比とサブマウント高さとの関係）
　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においては、図２６に示すように、キャップ１２を備える構成を採用することで、逆に相対強度比が上昇することがわかる。例えば、最大で約５．７倍程度も相対強度比が上昇する。
　実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール１００によれば、テラヘルツ素子３０を構成するダイポールアンテナと封止材（ガラス）１４によって、効率の高いアンテナとして機能し、電界がニアフィールドで封止材（ガラス）１４に伝搬可能であることがわかる。
　（相対強度とサブマウント高さｈおよびガラスからの距離Ｄとの関係）
　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においては、また、相対強度は、図２７内の幅ＣＡに示すように、キャップ１２内での多重反射の影響により、複雑な周期で変化することがわかる。
　また、図２７内の幅ＧＬに示すように、封止材（ガラス）１４からの距離が５００μｍ（λ／２）以下で、テラヘルツ素子３０の電界がニアフィールドで封止材（ガラス）１４に入ることがわかる。
　（放射アンテナとして機能するガラス面）
　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においては、図２８～図３０に示すように、開口部の封止材１４のガラス面が、出射面内での共振により、アンテナとして機能していることがわかる。
　（相対強度とサブマウント上に配置されるテラヘルツ素子の平面内変位の関係）
　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Ｘ軸方向の変位ｄｘとの関係は、図３２に示すように表され、相対強度とＹ軸方向の変位ｄｙとの関係は、図３３に示すように表される。いずれも、サブマウント高さｈ＝１２００μｍで計算した結果である。パッケージステム実装シミュレーションにおいては、パッケージステム内位置（ｘ，ｙ）を５０μｍずつのステップで変位させている。
　実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュール１００においては、図３２・図３３に示すように、平面内位置による比較では、テラヘルツ素子３０を中心（ｄｘ＝０、ｄｙ＝０）に置いた時が最も効率が高い。また、図３２・図３３に示すように、ｄｘ方向およびｄｙ方向において、約２５０μｍ（＝１／４波長）だけシフトすると、相対強度はピークレベルからボトムレベルに変化することがわかる。
　（相対強度とガラス直径Ｗとの関係）
　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。
　また、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（ガラス直径Ｗ＝１２００μｍ）は、図３５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（ガラス直径Ｗ＝１６００μｍ）は、図３６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（ガラス直径Ｗ＝２０００μｍ）は、図３７に示すように表される。図３５～図３７のＨＦＳＳによる電磁界シミュレーション結果は、それぞれ図３４におけるプロットＰ１～Ｐ３に対応している。
　発振周波数３００ＧＨｚのときのテラヘルツ波の波長は１ｍｍであり、ガラス直径Ｗ＝２０００μｍの結果が、良好な面内共振の電磁界シミュレーション結果（図３７）を示している。図３５～図３７のＨＦＳＳによる電磁界シミュレーション結果より、発振周波数とガラス直径のマッチングが重要であることがわかる。
　（送受信動作）
　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。
　実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールを送信器モジュール１００Ｔおよび受信器モジュール１００Ｒとして機能させた送受信動作を説明する模式的断面構造は、図３８に示すように表される。
　送信器モジュール１００Ｔは、図３８に示すように、パッケージステム１０Ｔと、パッケージステム１０Ｔ上に配置されたサブマウント１６Ｔと、サブマウント１６Ｔ上に配置されたテラヘルツ素子３０Ｔと、パッケージステム１０Ｔ上に配置され、サブマウント１６Ｔおよびテラヘルツ素子３０Ｔを内蔵すると共に、開口部を有するキャップ１２Ｔと、キャップ１２Ｔに接続され、開口部を封止する封止材１４Ｔとを備える。ここで、封止材１４Ｔは、アンテナとして機能し、開口部からテラヘルツ波の放射が可能である。
　受信器モジュール１００Ｒは、図３８に示すように、パッケージステム１０Ｒと、パッケージステム１０Ｒ上に配置されたサブマウント１６Ｒと、サブマウント１６Ｒ上に配置されたテラヘルツ素子３０Ｒと、パッケージステム１０Ｒ上に配置され、サブマウント１６Ｒおよびテラヘルツ素子３０Ｒを内蔵すると共に、開口部を有するキャップ１２Ｒと、キャップ１２Ｒに接続され、開口部を封止する封止材１４Ｒとを備える。ここで、封止材１４Ｒは、アンテナとして機能し、開口部からテラヘルツ波の検出が可能である。
　実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールを送信器モジュール１００Ｔおよび受信器モジュール１００Ｒとして機能させ、図３８に示すように互いに対向して配置すことによって、送信器モジュール１００Ｔから放射されたテラヘルツ波を受信器モジュール１００Ｒによって、効率よく検出可能である。
　実施の形態に係るテラヘルツ素子モジュールを送信器モジュール１００Ｔ・受信器モジュール１００Ｒとして機能させ、送信器モジュール１００Ｔには、面内発光放射パターンを有するテラヘルツ素子３０Ｔを搭載し、受信器モジュール１００Ｒには、面内受光パターンを有するテラヘルツ素子３０Ｒを搭載し、それぞれの封止材１４Ｔ・１４Ｒがアンテナとして機能することで、波長と同程度の開口部から効率良くテラヘルツ波の放射および検出が可能である。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、キャップの開口部から効率良くテラヘルツ波の放射又は検出可能としてキャップの大型化を抑制できるテラヘルツ素子モジュールを提供することができる。
　[その他の実施の形態]
　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。
　このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
　本実施の形態のテラヘルツ素子モジュールは、デバイスベースでは、テラヘルツ発振器、テラヘルツ検出器、高周波共振回路、信号増幅器等に適用可能であり、応用ベースでは、テラヘルツ波イメージング装置、センシング装置、高速無線通信器等の大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測、セキュリティー分野など、幅広い分野に適用することができる。
１…半導体基板
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)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　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。
  14. 　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。
  15. 　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。
  16. 　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。
  17. 　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。
  18. 　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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