WO2022019136A1 - テラヘルツモジュール - Google Patents

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    • H03B2200/0084—Functional aspects of oscillators dedicated to Terahertz frequencies

Definitions

  • an object of the present disclosure is to provide a terahertz module capable of obtaining high bonding efficiency between a terahertz chip and a dielectric substrate without thinning the terahertz chip.
  • a plurality of terahertz chips arranged in a row are bonded to the photonic crystal.
  • the active element is a resonant tunneling diode.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the vicinity of RTD 20 in FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG.
  • the notch CS has a rectangular parallelepiped shape.
  • the cut portion CS has a surface 74P, a surface 75P, and a surface 76P.
  • the surface 74P is parallel to the first side surface SP.
  • the surface 75P and the surface 76P are perpendicular to the first side surface SP.
  • the thickness d of the terahertz tip 10 is equal to the depth d of the notch CS. Therefore, the uppermost surface of the terahertz chip 10 is connected to the first side surface SP of the dielectric substrate 50.
  • a photonic crystal B1 can be used as the dielectric substrate 50.
  • FIG. 15 is a perspective view of the photonic crystal B1.
  • FIG. 16 is a plan view of the photonic crystal B1.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view of the photonic crystal B1.
  • the photonic crystal B1 includes a plurality of lattice points 31.
  • the plurality of lattice points 31 diffract the terahertz wave in the photonic band gap zone of the photonic band structure of the photonic crystal B1.
  • the plurality of lattice points 31 are periodically arranged in the XY plane of the photonic crystal B1.
  • Each of the plurality of grid points 31 is composed of, for example, holes. As shown in FIG. 17, the hole penetrates the photonic crystal B1 and reaches from the front surface 41 to the back surface 42.
  • the shape of the holes is circular, but may be polygonal or elliptical.
  • the periodic array of the square lattice is shown in FIGS. 15 and 16, it may be a two-dimensional periodic array such as a rectangular lattice, a triangular lattice, or a honeycomb lattice.
  • the refractive index of the terahertz wave can be changed by adjusting the lattice constant of the lattice point 31. This makes it possible to control the propagation path of the terahertz wave.
  • the transmission path can be straight, bent, branched (branched), crossed, or directionally coupled (combined).
  • the photonic crystal B1 can integrate a compact transmission line using a refractive index confinement structure, a nonlinear optical element such as a filter and a lens, an antenna, and the like in a plane.
  • FIG. 19 is a diagram showing a second application example of the terahertz module.
  • the dielectric substrate 50 can form a planar lens 112 by adjusting the lattice constant of the lattice points to form a refractive index distribution.
  • the terahertz wave radiated from the terahertz chip 10 is collected by the planar lens 112.
  • the dielectric substrate 50 is not a flat lens 112 but a reflector that reflects a terahertz wave or a filter that passes or removes a defined frequency component of the terahertz wave by adjusting the lattice constants of the lattice points. Can be formed.

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Abstract

テラヘルツモジュールは、テラヘルツ波を放射する能動素子を含むテラヘルツチップ（１０）と、テラヘルツチップ（１０）と結合される誘電体基板（５０）とを備える。テラヘルツチップ（１０）は、半導体基板（１）を含む。能動素子（２０）は、半導体基板（１）の上面に配置される。誘電体基板（５０）の複数の側面のうちの第１の側面（ＳＰ）の一部に、第１の側面（ＳＰ）の上辺から下辺に至るまでの切り込み部（ＣＳ）が形成される。テラヘルツチップ（１０）は、半導体基板（１）の上面が第１の側面（ＳＰ）と平行となり、かつ半導体基板（１）が切り込み部（ＣＳ）の奥側に配置されるような向きに嵌め込まれている。

Description

テラヘルツモジュール
　本開示は、テラヘルツモジュールに関する。
　近年、携帯電話など、電磁波を用いた情報通信応用が進んでいる。電磁波を特徴づける値として、周波数と波長とがある。一般に周波数が高いほど大容量の情報を伝送することが可能なため、次世代の携帯電話の規格である５Ｇでは、２８ギガヘルツ帯または３９ギガヘルツ帯の電磁波（ミリ波）の利用が検討されている。一方、５Ｇを超えた超高速無線通信の実現を目指したより高い周波数の電磁波であるテラヘルツ波に関する研究が進展している。テラヘルツ波を利用した応用システムの実用化に向けて、小型集積化が可能な電子デバイスによるテラヘルツ波発生器および検出器の開発が期待されている。
　たとえば、非特許文献１には、テラヘルツチップに金属モード変換機構を介して、誘電体基板であるフォトニック結晶の導波路に接続する構成が開示されている。この構成では、０．３ＴＨｚ帯において、テラヘルツチップと誘電体基板との間において最大９０％の結合効率が得られることが報告されている。
XIONGBIN　Yu,　JAE-YOUNG　Kim,　MASAYUKI　FUJITA,　TADAO　NAGATSUMA,　Vol,　27,　No.20/30　September　2019,　Optics　Express　28707.
　非特許文献１では、テラヘルツチップの厚さをフォトニック結晶の厚さの半分程度にする必要がある。しかしながら、テラヘルツチップをこのような厚さに薄膜化加工するのは、容易ではない。
　それゆえに、本開示の目的は、テラヘルツチップを薄膜化することなく、テラヘルツチップと誘電体基板との間において高い結合効率を得ることができるテラヘルツモジュールを提供することである。
　本開示のテラヘルツモジュールは、テラヘルツ波を放射する能動素子を含むテラヘルツチップと、テラヘルツチップと結合される誘電体基板とを備える。テラヘルツチップは、半導体基板を含み、能動素子は、半導体基板の上面に配置される。誘電体基板の複数の側面のうちの第１の側面の一部に、第１の側面の上辺から下辺に至るまでの切り込み部が形成される。テラヘルツチップは、半導体基板の上面が第１の側面と平行となり、かつ半導体基板が切り込み部の奥側に配置されるような向きに嵌め込まれている。
　好ましくは、切り込み部は、第１の側面に平行な面を有する。テラヘルツチップは、半導体基板の下面が、第１の側面に平行な切り込み部の面と接触する。
　好ましくは、テラヘルツチップの厚さは、切り込み部の深さと同じである。
　好ましくは、テラヘルツチップの厚さは、切り込み部の深さよりも大きい。
　好ましくは、誘電体基板は、フォトニック結晶である。
　好ましくは、フォトニック結晶には、半導体基板の上面に垂直な方向に前記テラヘルツ波の導波路が形成される。
　好ましくは、フォトニック結晶に、前テラヘルツ波の定められた周波数成分を通過または除去するフィルタが形成される。
　好ましくは、フォトニック結晶には、能動素子から放射されたテラヘルツ波を集光する平面レンズが形成される。
　好ましくは、１列に配置された複数個のテラヘルツチップが、フォトニック結晶に結合される。
　好ましくは、能動素子は、共鳴トンネルダイオードである。
　本開示のテラヘルツモジュールによれば、テラヘルツチップを薄膜化することなく、テラヘルツチップと誘電体基板との間において高い結合効率を得ることができる。
非特許文献１に記載されたテラヘルツチップ１９２の斜視図である。 非特許文献１に記載されたテラヘルツチップ１９２の上面図である。 非特許文献１に記載されたテラヘルツモジュールを表わす図である。 テラヘルツチップ１０の外観を表わす図である。 テラヘルツチップ１０を上側から下側方向（－Ｚ方向）に見たときの図である。 図５におけるＲＴＤ２０の付近を拡大した図である。 図６のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。 図６のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。 実施の形態１の誘電体基板５０を表わす図である。 実施の形態１におけるテラヘルツモジュールを表わす図である。 実施の形態１のテラヘルツモジュールの実装方法の例を表わす図である。 実施の形態２の誘電体基板５０を表わす図である。 実施の形態２におけるテラヘルツモジュールを表わす図である。 実施の形態３におけるテラヘルツモジュールを表わす図である。 フォトニック結晶Ｂ１の斜視図である。 フォトニック結晶Ｂ１の平面図である。 フォトニック結晶Ｂ１の断面図である。 テラヘルツモジュールの第１の応用例を表わす図である。 テラヘルツモジュールの第２の応用例を表わす図である。 テラヘルツモジュールの第３の応用例を表わす図である。 テラヘルツモジュールの第４の応用例を表わす図である。 テラヘルツモジュールの第５の応用例を表わす図である。 シミュレーション結果を表わす図である。
　以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
　［従来の構造］
　非特許文献１に記載された構造について説明する。
　図１は、非特許文献１に記載されたテラヘルツチップ１９２の斜視図である。図２は、非特許文献１に記載されたテラヘルツチップ１９２の上面図である。図３は、非特許文献１に記載されたテラヘルツモジュールを表わす図である。
　ＲＴＤ（Resonant　Tunneling　Diode）は、テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波（テラヘルツ波）を発振する。ＲＴＤは、超高感度な検出器として動作させることもできる。ＭＩＭ（Metal　Insulator　Metal）は、テラヘルツ波を反射させる反射鏡として動作する。テラヘルツモジュールは、テラヘルツチップ１９２とフォトニック結晶とを結合させて構成される。
　導電路１３９ａ、１３９ｂは、方向ｘに向かうにつれて方向ｙにおける寸法が大きくなるテーパ状を呈する。これによって、テラヘルツチップとフォトニック結晶の導波路のスケールの相違による問題を解消して、高い結合率を得ることができる。
　対称性および放射損失を低減するために、テラヘルツチップ１９２の表面にＩｎＰ基板１９１が配置される。
　高い結合率を得るためには、テラヘルツチップ１９２の厚さｄをフォトニック結晶の厚さ（２００μｍ）の半分程度（１００μｍ）にする必要がある。なぜなら、フォトニック結晶の厚さ方向の中央部において、結合効率が最も大きくなるためである。テラヘルツ波の周波数を増加させると、テラヘルツ波の波長が短くなるので、テラヘルツチップ１９２の厚さｄを小さくしなければならず、加工するのが容易ではない。
　［実施の形態１］
　図４～図８を用いて、テラヘルツモジュール構成を説明する。
　図４は、テラヘルツチップ１０の外観を表わす図である。
　テラヘルツチップ１０は、幅ｗ、長さＬ、厚さｄを有する。テラヘルツチップ１０の幅ｗの方向をｘ方向、テラヘルツチップ１０の長さＬの方向をｙ方向、テラヘルツチップ１０の厚さｄの方向をｚ方向とする。
　テラヘルツチップ１０において、半導体基板であるＩｎＰ基板１の上面（表面）にＲＴＤ２０およびスロット３０が配置される。図４に示すように、テラヘルツチップの厚さ方向（－ｚ方向）にテラヘルツ波が伝搬される。
　テラヘルツチップ１０の底面をＩｎＰ基板１の下面（裏面）とする。
　図５は、テラヘルツチップ１０を上側から下側方向（－ｚ方向）に見たときの図である。図６は、図５におけるＲＴＤ２０の付近を拡大した図である。
　厚さ方向（ｚ方向）において上部電極４と下部電極２との間にあり、ｙ方向において、上部電極４と下部電極２とを横断する領域にシャント抵抗ＳＲ１、ＳＲ２が形成されている。シャント抵抗ＳＲ１、ＳＲ２は、寄生発振を抑制する機能を有する。
　厚さ方向（ｚ方向）において、上部電極４の下側に、スロット３０、ＲＴＤ２０が形成されている。
　厚さ方向（ｚ方向）において上部電極４と下部電極２との間にあり、ｙ方向において、上部電極４と下部電極２とが重なる部分にＭＩＭキャパシタ６ａ、６ｂが形成される。
　図７は、図６のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。ＩｎＰ基板１の面（上面および下面）に垂直な方向がｚ方向である。
　ＲＴＤ２０は、半導体基板であるＩｎＰ基板１の上面に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ａと、ＧａＩｎＡｓ層９１ａの上面に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ａと、ＧａＩｎＡｓ層９２ａの上面に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ａと、ＧａＩｎＡｓ層９３ａの上面に配置されたＡｌＡｓ層９４ａと、ＡｌＡｓ層９４ａの上面に配置されたＧａＩｎＡｓ層９５と、ＧａＩｎＡｓ層９５の上面に配置されたＡｌＡｓ層９４ｂと、ＡｌＡｓ層９４ｂの上面に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９３ｂの上面に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９２ｂの上面に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｂとからなる。
　ＲＴＤ２０の横側には、ＳｉＯ2膜９８ａ、９８ｂが堆積される。
　ＧａＩｎＡｓ層９１ｂの上面に上部電極４が配置される。
　ＧａＩｎＡｓ層９１ａの上面およびＩｎＰ基板１の上面に下部電極２が配置される。
　ここで、各層の厚さは、例えば、以下の通りであるが、これに限定されるものではない。
　ｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａ、９１ｂの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ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、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。ＩｎＰ基板１の厚さは、数１００μｍ程度である。
　上部電極４および下部電極２は、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／ＴｉまたはＡｕ／Ｔｉのメタル積層構造からなる。Ｔｉ層は、半絶縁性のＩｎＰ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。上部電極４および下部電極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。上部電極４および下部電極２は、いずれも真空蒸着法、また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。
　上述したように、ＲＴＤ２０は、ＩｎＰ基板１の上面に配置される。ＲＴＤ２０は、下部電極２と上部電極４との間において共振器を形成する。ＲＴＤ２０から放射された電磁波は、ＩｎＰ基板１の上面に垂直方向の面発光放射パターンを有する。
　図８は、図６のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。
　ＭＩＭキャパシタ６ａ、６ｂは、厚さ方向（ｚ方向）において、上部電極４と下部電極２との間にあり、ｙ方向において、上部電極４と下部電極２とが重なる部分に配置されるＳｉＯ2膜９８によって形成される。
　図９は、実施の形態１の誘電体基板５０を表わす図である。
　誘電体基板５０は、テラヘルツ波の偏光機能、周波数フィルタ機能、および平面レンズなどの機能を実現することができる。誘電体基板５０は、たとえば、フォトニック結晶などの誘電体によって構成される。誘電体基板５０に展開される回路デバイスは、金属配線を利用しないため、周波数の高いテラヘルツ帯において、低損失なシステムを実現することができる。
　誘電体基板５０の厚さはＳｄである。誘電体基板５０の複数の側面のうちの第１の側面ＳＰに切り込み部ＣＳが形成される。切り込み部ＣＳは、第１の側面ＳＰの上辺ＵＳから下辺ＬＳに至るまでに第１の側面ＳＰに対して垂直方向に形成されている。
　切り込み部ＣＳは、直方体の形状である。切り込み部ＣＳの長さがＬであり、幅がｗであり、深さがｄ２である。ｗ＝Ｓｄ、ｄ２＜ｄである。切り込み部ＣＳは、面７１Ｐと、面７２Ｐと、面７３Ｐとを有する。面７１Ｐは、第１の側面ＳＰと平行である。面７２Ｐおよび面７３Ｐは、第１の側面ＳＰに対して垂直である。
　図１０は、実施の形態１におけるテラヘルツモジュールを表わす図である。
　テラヘルツモジュールは、テラヘルツチップ１０と、テラヘルツチップ１０と結合される誘電体基板５０とを備える。
　誘電体基板５０の切り込み部ＣＳに、テラヘルツチップ１０が嵌め込まれている。テラヘルツチップ１０は、ＩｎＰ基板１の上面が切り込み部ＣＳの第１の側面ＳＰと平行となり、ＩｎＰ基板１が切り込み部ＣＳの奥側に配置されるような向きに嵌め込まれている。テラヘルツチップ１０の底面（ＩｎＰ基板１の下面（裏面））が面７１Ｐと接触する。テラヘルツチップ１０の２つの側面が、切り込み部ＣＳの２つの面７２Ｐ、７３Ｐとそれぞれ接触する。
　テラヘルツチップ１０の厚さｄは、切り込み部ＣＳの深さｄ２よりも大きい。したがって、テラヘルツチップ１０の最も上側の面は、誘電体基板５０の外側に配置される。
　本実施の形態では、テラヘルツチップ１０の厚さは、任意に設定することができる。テラヘルツチップ１０の厚さ方向が、誘電体基板５０の表面方向と同じ方向なるので、テラヘルツチップ１０を薄膜化する必要がなくなる。
　シミュレーション結果によれば、本実施の形態のテラヘルツモジュールは、従来例のテラヘルツモジュールと同様に、９０％の結合効率を得ることができることが示されている。
　図１１は、実施の形態１のテラヘルツモジュールの実装方法の例を表わす図である。
　誘電体基板５０の溝８４の部分が第１の側面ＳＰに相当する。図示しないが、第１の側面ＳＰに切り込み部ＣＳが形成されて、テラヘルツチップ１０が嵌め込まれている。
　マイクロ波回路基板８０は、金属層８０ａと樹脂層８０ｂとを備える。同軸コネクタ７０からマイクロ波回路基板８０の金属層８０ａに信号および電圧が伝送される。これらの信号および電圧は、さらに、ボンディングワイヤ９０を通じてテラヘルツチップ１０に送られる。
　以上のように、本実施の形態によれば、誘電体基板の側面に形成された切り込み部にテラヘルツチップを嵌め込んで、テラヘルツチップと誘電体基板とを結合することによって、テラヘルツチップを薄膜化加工することなく、テラヘルツチップと誘電体基板との間で高い結合効率を得ることができる。
　［実施の形態２］
　図１２は、実施の形態２の誘電体基板５０を表わす図である。
　誘電体基板５０の厚さはＳｄである。誘電体基板５０の第１の側面ＳＰに切り込み部ＣＳが形成される。切り込み部ＣＳは、第１の側面ＳＰの上辺ＵＳから下辺ＬＳに至るまでに第１の側面ＳＰに対して垂直方向に形成されている。形成される。
　切り込み部ＣＳは、直方体の形状である。切り込み部ＣＳの長さがＬであり、幅がｗであり、深さがｄである。ｗ＝Ｓｄである。切り込み部ＣＳは、面７４Ｐと、面７５Ｐと、面７６Ｐとを有する。面７４Ｐは、第１の側面ＳＰと平行である。面７５Ｐおよび面７６Ｐは、第１の側面ＳＰに対して垂直である。
　図１３は、実施の形態２におけるテラヘルツモジュールを表わす図である。
　テラヘルツモジュールは、テラヘルツチップ１０と、テラヘルツチップ１０と結合される誘電体基板５０とを備える。
　誘電体基板５０の切り込み部ＣＳに、テラヘルツチップ１０が嵌め込まれている。テラヘルツチップ１０は、ＩｎＰ基板１の上面が切り込み部ＣＳの第１の側面ＳＰと平行となり、ＩｎＰ基板１が切り込み部ＣＳの奥側に配置されるような向きに嵌め込まれている。テラヘルツチップ１０の底面（ＩｎＰ基板１の下面（裏面））が面７４Ｐと接触する。テラヘルツチップ１０の２つの側面が、切り込み部ＣＳの２つの面７５Ｐ、７６Ｐとそれぞれ接触する。
　テラヘルツチップ１０の厚さｄは、切り込み部ＣＳの深さｄと等しい。したがって、テラヘルツチップ１０の最も上側の面は、誘電体基板５０の第１の側面ＳＰと接続する。
　本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、テラヘルツチップ１０の厚さは、任意に設定することができる。テラヘルツチップ１０の厚さ方向が、誘電体基板５０の表面方向と同じ方向なるので、テラヘルツチップ１０を薄膜化する必要がなくなる。
　［実施の形態３］
　図１４は、実施の形態３におけるテラヘルツモジュールを表わす図である。
　実施の形態２と同様に、誘電体基板５０の切り込み部ＣＳにテラヘルツチップ１０が嵌め込まれている。テラヘルツチップ１０には、ボータイアンテナが形成される。
　テラヘルツチップ１０は、アンテナ電極４Ｂおよび２Ｂと、第１伝送線路（スロット）４０Ｓおよび２０Ｓと、ＲＴＤ２０と、第２伝送線路（スロット）４０Ｆおよび２０Ｆと、パッド電極４０Ｐおよび２０Ｐと、低域通過フィルタ９とを備える。
　アンテナ電極４Ｂおよび２Ｂは、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信することができる。第１伝送線路４０Ｓおよび２０Ｓは、アンテナ電極４Ｂおよび２Ｂに接続され、テラヘルツ波を伝送することができる。
　ＲＴＤ２０の主電極がそれぞれ第１伝送線路４０Ｓおよび２０Ｓに接続される。
　第２伝送線路４０Ｆおよび２０Ｆは、ＲＴＤ２０に接続され、テラヘルツ波を伝送することができる。
　パッド電極４０Ｐおよび２０Ｐは、第２伝送線路４０Ｆおよび２０Ｆに接続される。
　低域通過フィルタ９は、パッド電極４０Ｐおよび２０Ｐに接続される。
　第１伝送線路４０Ｓおよび２０Ｓのインピーダンス変換により、アンテナ電極４Ｂおよび２Ｂと、ＲＴＤ２０との間をインピーダンス整合することができる。パッド電極２０Ｐおよび４０Ｐは、バイアス電源およびデータ信号供給用電極を構成可能である。
　低域通過フィルタ９は、ＭＩＭリフレクタを備えていても良い。パッド電極４０Ｐとパッド電極２０Ｐとの間に接続された抵抗素子を設けても良い。抵抗素子は、金属配線を備えていても良い。金属配線は、ビスマス、ニッケル、チタン、若しくは白金を備えていても良い。
　ボータイアンテナのアンテナ電極４Ｂと２Ｂの間隔は、伝送線路（スロット線路）間隔と実質的に等しい。
　ＲＴＤ２０の断面は、実施の形態１の図７において説明したものと同様である。
　実施の形態１のスロットアンテナに代えて、テラヘルツチップがボータイアンテナを備える場合においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。
　［実施の形態４]
　本実施の形態において、上記の実施形態において説明したテラヘルツモジュールの応用例を説明する。
　誘電体基板５０として、フォトニック結晶Ｂ１を用いることができる。
　図１５は、フォトニック結晶Ｂ１の斜視図である。図１６は、フォトニック結晶Ｂ１の平面図である。図１７は、フォトニック結晶Ｂ１の断面図である。
　フォトニック結晶Ｂ１は、たとえば、二次元フォトニック結晶スラブと称される。フォトニック結晶Ｂ１は、たとえば、半導体材料により構成される。フォトニック結晶Ｂ１を構成する半導体材料としては、たとえば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、およびＧａＩｎＮ／ＧａＮなどである。図１５および図１６において、フォトニック結晶Ｂ１の平面視の形状は矩形状であるが、台形状、または他の形状であってもよい。
　フォトニック結晶Ｂ１は、表面４１および裏面４２を有する。表面４１および裏面４２いずれも平坦である。フォトニック結晶Ｂ１の第１の側面ＳＰの切り込み部（図示は省略）にテラヘルツチップ１０が嵌め込まれる。
　フォトニック結晶Ｂ１は、複数の格子点３１を含む。複数の格子点３１は、フォトニック結晶Ｂ１のフォトニックバンド構造のフォトニックバンドギャップ帯におけるテラヘルツ波を回折させる。複数の格子点３１は、フォトニック結晶Ｂ１のＸＹ平面において周期的に配置されている。複数の格子点３１は各々、たとえば、孔により構成される。図１７に示すように、孔は、フォトニック結晶Ｂ１を貫通しており、表面４１から裏面４２に至っている。図１５および図１６では、孔の形状は円形であるが、多角形または楕円形であってもよい。また、図１５および図１６では、正方格子の周期配列が示されているが、長方格子、三角格子、または蜂の巣格子などの２次元的な周期配列であってもよい。
　格子点３１の格子定数を調整することによって、テラヘルツ波の屈折率を変化させることができる。これによって、テラヘルツ波の伝搬経路を制御することができる。たとえば、伝送経路を直線、曲げ、分岐（分波）、交差、方向性結合（合波）することができる。また、フォトニック結晶Ｂ１は、屈折率閉じ込め構造を利用したコンパクトな伝送路、フィルタ、レンズなどの非線形光学素子、アンテナなどを平面集積化することができる。
　以下では、誘電体基板５０として、フォトニック結晶Ｂ１を用いた５つの応用例を説明する。
　図１８は、テラヘルツモジュールの第１の応用例を表わす図である。
　誘電体基板５０は、格子点３１の格子定数を調整して屈折率分布を形成することによって、テラヘルツ波の誘電体導波路１１０を形成することができる。誘電体導波路１１０は、ＩｎＰ基板１の上面及び下面に垂直方向に形成される。ＩｎＰ基板１の上面および下面は、誘電体基板５０の第１の側面ＳＰ、切り込み部ＣＳの面７１Ｐ、および切り込み部ＣＳの面７４Ｐと平行である。
　図１９は、テラヘルツモジュールの第２の応用例を表わす図である。
　誘電体基板５０は、格子点の格子定数を調整して屈折率分布を形成することによって、平面レンズ１１２を形成することができる。図１９に示すように、テラヘルツチップ１０から放射されたテラヘルツ波が平面レンズ１１２によって集光される。
　なお、誘電体基板５０は、格子点の格子定数を調整することによって、平面レンズ１１２ではなく、テラヘルツ波を反射する反射鏡、またはテラヘルツ波の定められた周波数成分を通過または除去するフィルタなどを形成することができる。
　図２０は、テラヘルツモジュールの第３の応用例を表わす図である。
　複数のテラヘルツチップ１０を１列に配置して、フォトニック結晶に結合することによって、テラヘルツチップアレイが形成される。複数のテラヘルツチップ１０は、駆動電圧の相違によって、互いに別個の周波数のテラヘルツ波を放射する。複数のテラヘルツチップ１０から放射されたテラヘルツ波が平面レンズ１１２によって集光され、出力用導波路１１９を通じて出力される。
　図２１は、テラヘルツモジュールの第４の応用例を表わす図である。
　フォトニック結晶に形成されたフィルタによって、周波数多重化を実現することができる。周波数に応じて、合波または分波が可能となる。
　複数のテラヘルツチップ１０は、互いに別個の周波数のテラヘルツ波を放射する。
　複数のテラヘルツチップ１０から放射されたテラヘルツ波が分波器１８１によって分波され、複数の導波路１８３へ送られる。複数の導波路１８３から出力された複数の周波数のテラヘルツ波は、合波器１８２によって多重化される。多重化されたテラヘルツ波はアンテナへ出力される。
　図２２は、テラヘルツモジュールの第５の応用例を表わす図である。
　フォトニック結晶に、共振器１１７、カップラ１３３、ミキサ１３２、吸収体１３４が形成される。
　局部発振器１３１は、複数のテラヘルツチップ１０が１列に配置されたアレイと、合成レンズ１１５と、高いＱ値を有する共振器１１７とを備える。
　局部発振器１３１から放射された局部発振信号ＬＯの一部が、吸収体１３４へ送られ、残りが、カップラ１３３へ送られる。吸収体１３４によって、局部発振信号ＬＯが反射されるのを防止することができる。
　カップラ１３３は、局部発振信号ＬＯをミキサ１３２へ送り、ミキサ１３２から出力された変調信号ＲＦを通さない。
　ミキサ１３２は、中間周波数信号ＩＦと局部発振信号ＬＯとを混合することによって、変調信号ＲＦを生成して、アンテナへ放射する。
　［シミュレーション］
　次に、シミュレーションの結果を説明する。
　図２３は、シミュレーション結果を表わす図である。
　図２３において、図１１に示すマイクロ波回路基板８０を設けた場合の透過率と、マイクロ波回路基板８０を設けなかった場合の透過率が表されている。図２３に示すように、両者の差は、約１ｄＢ程度である。マイクロ波回路基板８０を設けることによる透過率への影響は十分に小さいことが示される。
　［変形例］
　本開示は、上記の実施形態に限定されるものではない。たとえば、以下のような変形例も含む。
　（１）上記の実施形態では、能動素子の例としてＲＴＤを用いたが、これ以外のダイオードまたはトランジスタでも構成可能である。例えば、能動素子として、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などを用いることもできる。
　（２）テラヘルツチップは、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／ＧａＩｎＡｓ／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。
　（３）上記の実施形態では、テラヘルツチップは、スロットアンテナ、またはボータイアンテナを備えるものとしたが、これに限定するものではない。テラヘルツチップが備えるアンテナは、電波（テラヘルツ波）が基板の垂直方向に放射するようなものであれば、その形状は問わない。たとえば、テラヘルツチップは、パッチアンテナ、ダイポールアンテナ、またはリングアンテナ等の平面アンテナを備えるものとしてもよい。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１，１９１　ＩｎＰ基板、２　下部電極、４　上部電極、４Ｂ　アンテナ電極、６ａ，６ｂ　ＭＩＭキャパシタ、９　低域通過フィルタ、１０，１９２　テラヘルツチップ、２０　ＲＴＤ、３０　スロット、２０Ｐ，４０Ｐ　パッド電極、３１　格子点、４０Ｆ　第２伝送線路、４０Ｓ　第１伝送線路、４１　表面、４２　裏面、５０　誘電体基板、７０　同軸コネクタ、７１Ｐ，７２Ｐ，７３Ｐ，７４Ｐ，７５Ｐ，７６Ｐ　面、８０　マイクロ波回路基板、８０ａ　マイクロ波回路基板の金属層、８０ｂ　マイクロ波回路基板の樹脂層、８４　溝、９０　ボンディングワイヤ、９１ａ，９１ｂ，９２ａ，９２ｂ，９３ａ，９３ｂ，９４ａ，９４ｂ，９５　層、９８，９８ａ，９８ｂ　ＳｉＯ2膜、１１０　誘電体導波路、１１２　平面レンズ、１１５　合成レンズ、１１７　共振器、１１９　出力用導波路、１３１　局部発振器、１３２　ミキサ、１３３　カップラ、１３４　吸収体、１３９ａ，１３９ｂ　導電路、１８１　分波器、１８２　合波器、１８３　導波路、Ｂ１　フォトニック結晶、ＣＳ　切り込み部、ＬＳ　下辺、ＳＰ　側面、ＳＲ１，ＳＲ２　シャント抵抗、ＵＳ　上辺。

Claims (10)

  1. 　テラヘルツ波を放射する能動素子を含むテラヘルツチップと、
    　前記テラヘルツチップと結合される誘電体基板とを備え、
    　前記テラヘルツチップは、半導体基板を含み、前記能動素子は、前記半導体基板の上面に配置され、
    　前記誘電体基板の複数の側面のうちの第１の側面の一部に、前記第１の側面の上辺から下辺に至るまでの切り込み部が形成され、
    　前記テラヘルツチップは、前記半導体基板の上面が前記第１の側面と平行となり、かつ前記半導体基板が前記切り込み部の奥側に配置されるような向きに嵌め込まれている、テラヘルツモジュール。
  2. 　前記切り込み部は、前記第１の側面に平行な面を有し、
    　前記半導体基板の下面が、前記第１の側面に平行な前記切り込み部の面と接触する、請求項１記載のテラヘルツモジュール。
  3. 　前記テラヘルツチップの厚さは、前記切り込み部の深さと同じである、請求項１または２記載のテラヘルツモジュール。
  4. 　前記テラヘルツチップの厚さは、前記切り込み部の深さよりも大きい、請求項１または２記載のテラヘルツモジュール。
  5. 　前記誘電体基板は、フォトニック結晶である、請求項１～４のいずれか１項に記載のテラヘルツモジュール。
  6. 　前記フォトニック結晶には、前記半導体基板の上面に垂直な方向に前記テラヘルツ波の導波路が形成される、請求項５記載のテラヘルツモジュール。
  7. 　前記フォトニック結晶に、前記テラヘルツ波の定められた周波数成分を通過または除去するフィルタが形成される、請求項５記載のテラヘルツモジュール。
  8. 　前記フォトニック結晶には、前記能動素子から放射された前記テラヘルツ波を集光する平面レンズが形成される、請求項５記載のテラヘルツモジュール。
  9. 　１列に配置された複数個の前記テラヘルツチップが、前記フォトニック結晶に結合される、請求項５記載のテラヘルツモジュール。
  10. 　前記能動素子は、共鳴トンネルダイオードである、請求項１～９のいずれか１項に記載のテラヘルツモジュール。
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