專利名稱：振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含產(chǎn)生電磁波的共振隧道二極管(resonant tunneling diode, RTD)的振蕩器。
背景技術(shù)：
共振隧道二極管(RTD)是產(chǎn)生在30GHz 30THz的頻率范圍中的電磁波(在本說明書中被稱為太赫茲波)的電流注入型的太赫茲振蕩器的例子。RTD能夠使用基于半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)中的子帶之間的電子躍遷的電磁波增益在室溫產(chǎn)生太赫茲波。專利文獻1(日本專利公開No. 2007-124250)公開了通過在半導(dǎo)體基板上堆積 (accumulate)由雙勢壘(double-barrier)RTD構(gòu)成的活性層和平面狹縫天線共振器而形成的太赫茲振蕩器。該振蕩器在RTD的電流-電壓(I-V)特性中的微分負阻(negative differential resistance)的范圍中通過受激發(fā)射(stimulated emission)而產(chǎn)生電磁波。對于包含所述RTD的太赫茲振蕩器，公知的是發(fā)生偏壓電路中的寄生振蕩。所述寄生振蕩是在太赫茲頻帶(frequency band)中除了由共振器的結(jié)構(gòu)所確定的希望的共振頻率以外的頻率處的振蕩。因此，寄生振蕩導(dǎo)致希望的共振頻率處的振蕩輸出的減少。因此，非專利文獻 1 (IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 5, No. 7, July 1995,pp 219-221)公開了在偏壓電源和RTD之間布置穩(wěn)定化電路的方法。所述穩(wěn)定化電路包括與RTD并聯(lián)地布置的電阻器和電容器，并且用于減少共振頻率以外的所有頻率處的共振電路的阻抗。所述穩(wěn)定化電路位于與RTD相距λ/4(λ是與太赫茲頻率范圍中的希望的共振頻率對應(yīng)的波長)之內(nèi)的位置。專利文獻1還公開了包括具有鉍(bismuth)電阻器的結(jié)構(gòu)的并聯(lián)電阻器和具有金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal，MIM)分層結(jié)構(gòu)的并聯(lián)電容器的穩(wěn)定化電路。 這些部件與RTD和狹縫天線共振器一起被集成在同一基板上，以產(chǎn)生太赫茲頻率范圍中的振蕩。專利文獻2 (日本專利公開No. 2006-101495)公開了在同一基板上集成RTD和微帶共振器(包含兩個導(dǎo)體和插入兩個導(dǎo)體間的電介質(zhì)的共振器)的太赫茲振蕩器。引文列表專利文獻專利文獻1 日本專利公開No. 2007-124250專利文獻2 日本專利公開No. 2006-101495非專利文獻非專利文獻 1:IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 5, No. 7, July 1995，pp 219-221
發(fā)明內(nèi)容
此外，在專利文獻2中公開的太赫茲振蕩器中，可以設(shè)置在非專利文獻1中公開的包含并聯(lián)電阻器和并聯(lián)電容器的穩(wěn)定化電路以抑制寄生振蕩。但是，根據(jù)專利文獻2，如果穩(wěn)定化電路直接位于與RTD相距λ /4的位置內(nèi)，那么共振器的結(jié)構(gòu)將被改變。因此，存在振蕩輸出水平(level)將被減小的風(fēng)險。另外，還存在輻射電磁波的圖案將被干擾(disturb)的風(fēng)險。鑒于上述問題，本發(fā)明提供這樣的太赫茲振蕩器在該太赫茲振蕩器中，集成了 RTD和諸如微帶的共振器，并且該太赫茲振蕩器可產(chǎn)生太赫茲頻率范圍中的穩(wěn)定振蕩。根據(jù)本發(fā)明的實施例，一種用于使電磁波振蕩的振蕩器包括共振器部分，包含共振隧道二極管、與共振隧道二極管接觸的電介質(zhì)以及第一和第二導(dǎo)體，該共振器部分被構(gòu)建為使得電介質(zhì)被插入第一和第二導(dǎo)體之間并且使得第一和第二導(dǎo)體與共振隧道二極管電連接；電容器部分，被構(gòu)建為使得電介質(zhì)被插入第一和第二導(dǎo)體之間；線路部分，被配置為使得共振器部分和電容器部分相互并聯(lián)地電連接；以及電阻器部分，被配置為使得第一和第二導(dǎo)體相互電連接。共振器部分的第一位置和電容器部分的第二位置通過線路部分而相互連接，使得第一位置和第二位置在比在共振器部分中共振的電磁波的波長大的波長范圍中在電氣上基本相互等價。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，一種用于使太赫茲波振蕩的振蕩元件包括共振器部分，包含通過子帶之間的載流子躍遷(carrier transition)而產(chǎn)生太赫茲波的活性層、與活性層電接觸的第一和第二導(dǎo)體、以及被插入第一和第二導(dǎo)體之間并且與活性層接觸的電介質(zhì)；電容器部分，被構(gòu)建為使得電介質(zhì)被插入第一和第二導(dǎo)體之間；線路部分，被配置為使得共振器部分和電容器部分相互并聯(lián)地電連接；以及電阻器部分，被配置為使得第一和第二導(dǎo)體相互電連接。共振器部分的第一位置和電容器部分的第二位置通過線路部分而相互連接，使得第一位置和第二位置在比在共振器部分中共振的電磁波的波長大的波長范圍中在電氣上基本相互等價。如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的振蕩器中，共振器部分的第一位置和電容器部分的第二位置通過線路部分而相互連接。所述連接被設(shè)置為使得第一和第二位置在比在共振器部分中共振的電磁波的波長大的波長范圍中在電氣上基本相互等價。該結(jié)構(gòu)與在共振器部分上直接布置穩(wěn)定化電路的結(jié)構(gòu)基本上等價。因此，可以在比共振波長大的波長范圍中(在比共振頻率低的頻率范圍中)抑制寄生振蕩。因此，可以提高太赫茲頻率范圍中的振蕩輸出的穩(wěn)定性。


圖IA是根據(jù)實施例的振蕩器的截面圖。圖IB是示出與根據(jù)實施例的振蕩器等價的電路的示意圖。圖IC是示出根據(jù)另一實施例的振蕩器的結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2A是示出第一例子的外示圖(external view)。圖2B是沿線IIB-IIV切取的圖2A的截面圖。圖3A是示出導(dǎo)納(admittance)分析的例子的曲線圖。圖;3B是示出導(dǎo)納分析的結(jié)果的例子的另一曲線圖。圖4A是示出根據(jù)第一例子的振蕩器的變更例的外示圖。
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圖4B是示出根據(jù)第一例子的振蕩器的另一變更例的外示圖。圖5A是示出根據(jù)第二例子的振蕩器的示意圖。圖5B是沿線VB-VB切取的圖5A的截面圖。圖6A是示出根據(jù)第一例子的振蕩器的另一變更例的示意圖。圖6B是示出根據(jù)第一例子的振蕩器的另一變更例的示意圖。
具體實施例方式將參照圖IA IC來描述根據(jù)實施例的振蕩器。圖IA是根據(jù)實施例的振蕩器的截面圖。圖IB是示出與根據(jù)實施例的振蕩器等價的電路的示意圖。圖IC是示出根據(jù)另一實施例的振蕩器的結(jié)構(gòu)的示意圖。根據(jù)本發(fā)明的振蕩器(或振蕩元件)的結(jié)構(gòu)不限于以下描述的結(jié)構(gòu)。振蕩器包括共振器部分12。共振器部分12被構(gòu)建如下。共振器部分12包含用于產(chǎn)生電磁波的共振隧道二極管(RTD) 11。根據(jù)本發(fā)明，作為RTD的替代，當(dāng)然可以使用諸如Gurm 二極管的負阻(negative resistance)器件作為產(chǎn)生電磁波(特別是太赫茲波)的活性層。作為替代方案，根據(jù)本發(fā)明，可以使用通過子帶之間的載流子躍遷而產(chǎn)生電磁波的活性層(例如，量子級聯(lián)激光器(quantum cascade lasers))作為產(chǎn)生電磁波(特別是太赫茲波)的活性層。共振器部分12還包含電介質(zhì)14，該電介質(zhì)14與共振隧道二極管(RTD) 11接觸。共振器部分12具有電介質(zhì)14被插入第一導(dǎo)體16和第二導(dǎo)體17之間的結(jié)構(gòu)。第一導(dǎo)體16和第二導(dǎo)體17與共振隧道二極管(RTD) 11電連接。如后面將參照圖IC 詳細描述的那樣，共振器部分12可被構(gòu)建為使得第一電介質(zhì)108被插入第一電極106和第二電極107之間。RTD 11在其電流-電壓特性中具有微分負阻。被插入第一導(dǎo)體16和第二導(dǎo)體17 之間的電介質(zhì)14具有基于第一導(dǎo)體16和第二導(dǎo)體17之間的距離及其截面面積而確定的電容C。電介質(zhì)14還具有基于第一導(dǎo)體16和第二導(dǎo)體17的長度而確定的電感L。RTD 11 和共振器部分12相互并聯(lián)地電連接。共振電路由RTD 11、電容C和電感L形成。上述的電磁波可以是在30GHz 30THz的頻率范圍中的電磁波。在本說明書中， 這樣的電磁波也被稱為太赫茲波。振蕩器還包括電容器部分19。電容器部分19具有電介質(zhì)14被插入第一導(dǎo)體16 和第二導(dǎo)體17之間的結(jié)構(gòu)。被插入第一導(dǎo)體I6和第二導(dǎo)體17之間的電介質(zhì)14具有基于第一導(dǎo)體16和第二導(dǎo)體17之間的距離及其截面面積而確定的電容。如后面將參照圖IC 詳細描述的那樣，電容器部分19可被構(gòu)建為使得第二電介質(zhì)113被插入第三電極111和第四電極112之間。振蕩器還包括線路部分13。線路部分13被構(gòu)建為使得共振器部分12和電容器部分19相互并聯(lián)地電連接。電阻器部分M被設(shè)置為與電容器部分19電氣并聯(lián)。電阻器部分M與第一導(dǎo)體 16和第二導(dǎo)體17電連接。共振器部分12的第一位置31 (端口 1)和電容器部分19的第二位置32 (端口 2) 通過線路部分13而相互連接。所述連接被設(shè)置為使得第一位置31和第二位置32在比在共振器部分12中共振的電磁波(駐波(standing wave))的波長大的波長范圍中在電氣上相互等價。該結(jié)構(gòu)基本上與在共振器部分上直接布置穩(wěn)定化電路的結(jié)構(gòu)等價。
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因此，可以在比共振波長大的波長范圍中(在比共振頻率低的頻率范圍中)抑制寄生振蕩。因此，可以提高太赫茲頻率范圍中的振蕩輸出的穩(wěn)定性。另外，在根據(jù)本發(fā)明的實施例的振蕩器中，可通過調(diào)整線路部分13的長度和電容器部分19的電容來調(diào)整可產(chǎn)生振蕩的頻率范圍。如后面將參照圖IC詳細描述的那樣，共振器部分12中的第一電極106上的第一位置31和電容器部分19中的第三電極111上的第二位置32可通過線路部分13而相互連接。線路部分13可以是λ /4線。λ /4線是具有基本上等于λ /4的長度的線，這里， λ是在共振器部分12中共振的共振電磁波(駐波)的波長。λ可以是與希望的振蕩頻率對應(yīng)的波長。在線路部分13是λ /4線的情況下，線路部分13可與共振器部分12在其任意的位置處連接。第一位置31 (端口 1)可位于在共振器部分12中共振的駐波的節(jié)點(node) 處。在這種情況下，線路部分13的長度可被設(shè)為任意的長度。如在以下參照圖IC描述的實施例中那樣，可通過不同的導(dǎo)體(第一電極106、第三電極111和線103)構(gòu)成第一導(dǎo)體16。因此，第一導(dǎo)體16不被特別地限制，只要第一導(dǎo)體 16在共振器部分12、電容器部分19和線路部分13之間是電氣均勻的即可。電阻器部分M 優(yōu)選地被設(shè)置在電容器部分19中的第三電極111的外周處。電容器部分19中的第三電極 111可被構(gòu)建為沿設(shè)置共振器部分12的平面包圍共振器部分12中的第一電極106。另外， 可設(shè)置多個線路部分13，并且可關(guān)于共振器部分12相互對稱地布置這些線路部分13。另外，可設(shè)置向RTD 11施加電壓的電源25和電連接電源25與第二位置32的饋線(feeder line) 114。共振器部分12可包含貼片天線(patch antenna)。以下將參照圖IC詳細地描述這些結(jié)構(gòu)。作為將電磁波輻射到空間中的替代，根據(jù)本發(fā)明的振蕩器也可被構(gòu)建為使得該振蕩器產(chǎn)生電磁波作為高頻信號。將參照圖IC描述根據(jù)另一實施例的振蕩器100。該振蕩器100主要包括RTD 101、 共振器102、線103、穩(wěn)定化電路104和偏壓電源105。在根據(jù)本實施例的振蕩器100中，共振器102包含兩個電極和被插入兩個電極之間的電介質(zhì)。共振器102中的第一電極106和電容器部分109中的第三電極111在共振器 102中共振的駐波的節(jié)點處通過線103而相互連接。因此，在第三電極111上出現(xiàn)在比共振波長λ大的波長范圍中在電氣上與第一電極106上的端口 1等價的端口 2。并聯(lián)電阻器部分110與端口 2連接。這基本上與穩(wěn)定化電路104接入到端口 1中的狀態(tài)等價。由于設(shè)置了線103，因此，穩(wěn)定化電路104不導(dǎo)致在共振器102中共振的駐波的損失。首先，將描述共振器102 (共振器部分1 。共振器102包含第一電極106、第二電極107和第一電介質(zhì) 108。第一電介質(zhì)108被插入第一電極106和第二電極107之間，并且，第一電介質(zhì)108中的電磁波形成駐波。RTD 101例如被設(shè)置在第一電介質(zhì)108中，并且與第一電極106和第二電極107電連接，使得偏壓被提供。電極106和107可由導(dǎo)電板(conductive plate)(良好的導(dǎo)體)構(gòu)成，并且希望由金屬板構(gòu)成。穩(wěn)定化電路104包含電容器部分109(電容器部分19)和并聯(lián)電阻器部分110(電阻器部分)。電容器部分109包含第三電極111、第四電極112和第二電介質(zhì)113。第二電介質(zhì)113被插入第三電極111和第四電極112之間，并且，電容器部分109具有金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結(jié)構(gòu)，其中在所述金屬-絕緣體-金屬(MIM)電容器結(jié)構(gòu)中，金屬層、電介質(zhì)層和金屬層依次被層疊在一起。希望電容器部分109的電容盡可能地大。因此， 第二電介質(zhì)113可由具有高的介電常數(shù)和小的厚度的材料制成。第二電極107和第四電極 112具有相同的靜電電勢，并且在本實施例中接地。并聯(lián)電阻器部分110是在電流-電壓特性中具有線性或非線性電阻特性的電阻器。并聯(lián)電阻器部分110的一端與第三電極111連接，其另一端接地。偏壓電源105(電源25)的一端通過饋線114與第三電極111連接，其另一端接地。為了向RTD 101供給偏壓，需要連接偏壓電源105與共振器102中的第一電極 106。在這種情況下，要求不在共振器102中的共振電磁場中導(dǎo)致?lián)p失，并且不出現(xiàn)對于輻射的電磁波的圖案的干涉(interference)。非專利文獻1公開了在RTD 101和偏壓電源 105之間設(shè)置并聯(lián)電容器和并聯(lián)電阻器的穩(wěn)定化電路的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實施例的振蕩器，通過用線103相互電連接共振器102和電容器部分109 來滿足上述要求。線103的一端與第一電極106上的定位在共振器102中共振的電磁場中的駐波的節(jié)點的端口 1連接。線103的另一端與電容器部分109的第三電極111上的端口 2連接。線103的長度L可以為λ/4(λ/4線)。在這種情況下，可以有效地減少來自天線共振器的高頻波的泄漏。另外，可以減少RTD 101的串聯(lián)電阻成分。這可以從端口 1的導(dǎo)納Y11來理解，端口 1的導(dǎo)納Y11可被計算如下。(式1)Y11 = Y103(Y22+jY103tan(β XL))/(Y1(13+jY22tan(β XL)) (1)在上式中，β是2Χ π/λ，Υ1(13是線103的特性導(dǎo)納。端口 2的導(dǎo)納^可被確定為電容器部分109和并聯(lián)電阻器部分110的組合導(dǎo)納。根據(jù)式(1)的解，端口 1和端口 2在比共振波長大的波長范圍中基本在電氣上相互等價，并且，該結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定化電路104與端口 1連接的結(jié)構(gòu)基本上等價。從圖3Α所示的分析結(jié)果的例子可以清楚地看出，當(dāng)線103 的長度L例如正好等于λ/4時，Y11最小。因此，不因穩(wěn)定化電路104在共振器102中的共振電磁場中導(dǎo)致?lián)p失。在這種情況下，不需將損失水平減至零，只要損失水平小于或等于一定的水平即可。因此，線103的長度L可被設(shè)為接近λ/4的長度。除了 λ/4以外，長度L 還可被設(shè)為通過將λ/4乘以O(shè)m-1)(這里，m是自然數(shù))而獲得的3\入/4、5父入/4等。 另外，如果端口 1位于在共振器102中共振的電磁場中的駐波的節(jié)點處，那么線103的長度可被設(shè)為任意長度。例如，當(dāng)長度L被設(shè)為約λ2/2時，高頻(λ)處的寄生振蕩可被抑制。這里，λ是駐波的波長，并且，λ 2是在共振器102中共振的電磁波的波長，并且滿足 λ2< λ。除了 λ2/2以外，長度L還可被設(shè)為通過將λ2/2乘以η(η是自然數(shù))而獲得的 λ2、3Χ λ2/2等。線103的寬度被設(shè)定為使得線103的特征阻抗可增加，并且，線103不用作RTD 101的大的串聯(lián)電阻。在比共振波長(λ)大的波長范圍中，由于電容器部分109，端口 2被擴展到第三電極111的整個區(qū)域。因此，在本實施例中，例如，并聯(lián)電阻器部分110和饋線114可在第三電極111上的任意位置處與第三電極111連接。如果并聯(lián)電阻器部分Iio和饋線114可被布置在第三電極111上的任意位置處，那么可以容易地在振蕩器100中布置穩(wěn)定化電路 104和來自偏壓電源105的引線。根據(jù)非專利文獻1，并聯(lián)電阻器的電阻可等于或稍小于微分負阻的絕對值。更具體而言，該電阻可被設(shè)為幾歐姆到幾十歐姆。為了從諸如金屬或合金的相對穩(wěn)定的電阻器獲得這樣的電阻，以幾十到幾百微米的量級設(shè)定所述電阻器的尺寸。因此，并聯(lián)電阻器的尺寸接近共振器102的尺寸(以100微米的量級)。如果并聯(lián)電阻器部分110被設(shè)置在RTD 101 附近，那么具有存在以下這樣的情況的高的可能性將出現(xiàn)對于輻射電磁波的圖案的干涉。 由于并聯(lián)電阻器的電阻較低，因此，當(dāng)電流在振蕩操作中流過其中時，并聯(lián)電阻器發(fā)熱。因此，如果并聯(lián)電阻器部分110被設(shè)置在RTD 101附近，那么存在RTD 101的特性將因為熱而改變的可能性。另外，由于部件的規(guī)模(scale)，難以在使共振器102中的共振電磁場中的損失最小化的同時直接連接共振器102和用于供給偏壓的引線。但是，在振蕩操作中，必須從偏壓電源105向用作振蕩源的RTD 101供給偏壓。在根據(jù)本實施例的振蕩器100中，共振器102和電容器部分109通過線103而相互連接，使得并聯(lián)電阻器部分110和饋線114的連接點可擴展到第三電極111的整個區(qū)域。 這允許實現(xiàn)不導(dǎo)致對于輻射電磁波的圖案(pattern)的干涉的通用(versatile)布局。例如，即使當(dāng)并聯(lián)電阻器部分110較大并具有較低的電阻時，并聯(lián)電阻器部分110也可在遠離 RTD 101的位置被布置在第三電極111的外周處。作為結(jié)果，可以在不導(dǎo)致RTD 101被熱影響的情況下抑制寄生振蕩，并且，可以提高振蕩操作的穩(wěn)定性。因此，根據(jù)本實施例的振蕩器100的結(jié)構(gòu)，雖然共振器由兩個電極和電介質(zhì)構(gòu)成， 但是，可以在使共振電磁場的損失和對于輻射的電磁波的圖案的干涉最小化的同時設(shè)置穩(wěn)定化電路104。因此，可從偏壓電源105向共振器102中的RTD 101供給偏壓，并且，可通過穩(wěn)定化電路104抑制寄生振蕩。作為結(jié)果，本實施例的振蕩器100能夠在太赫茲范圍中執(zhí)行振蕩操作。共振器102可被整形(shape)，使得第三電極111包圍第一電極106。作為替代方案，電容器部分19中的第一導(dǎo)體16的一部分可被布置為沿設(shè)置共振器部分12的平面包圍共振器部分12中的第一導(dǎo)體16的一部分。在這種情況下，可以在整形后的狀態(tài)中從共振器發(fā)射電磁波。另外，可以設(shè)置多個線103(線路部分13)，并且，可以沿左右方向關(guān)于共振器102 相互對稱地布置這些線103。共振器102不被特別限制，只要共振器102包含兩個電極和設(shè)置在其間的電介質(zhì)即可。例如，可以使用微帶共振器、貼片天線等。例子現(xiàn)在將詳細描述本發(fā)明的例子。第一例子將參照圖2A 4B描述根據(jù)第一例子的振蕩器。圖2A是示出第一例子的外示圖。 圖2B是示出第一例子的截面圖。圖3A和圖;3B是示出根據(jù)第一例子的振蕩器的導(dǎo)納分析的結(jié)果的例子的曲線圖。圖4A和圖4B是示出第一例子的變更方式的外示圖?，F(xiàn)在將描述根據(jù)第一例子的振蕩器200的結(jié)構(gòu)。根據(jù)第一例子的振蕩器200是在基板230上形成的太赫茲振蕩器，并且主要由RTD201、貼片天線共振器202、線203a和 203b、MIM結(jié)構(gòu)209、以及鉍電阻器210構(gòu)成。RTD 201具有三勢壘量子阱結(jié)構(gòu)。第一勢壘層:AlAs，1.3nm第一量子阱層InGaAs，7.6nm
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第二勢壘層InAlAs，2.6nm第二量子阱層InGaAs，5.6nm第三勢壘層AlAs，1.3nm第一量子阱層、第二勢壘層和第二量子阱層由與^iP(IOO)表面晶格匹配 (lattice-matched)的hGaAs/InAlAs (未示出)制成。第一勢壘層和第三勢壘層由不與 InP晶格匹配的AlAs制成。第一和第三勢壘層比臨界膜薄，并且用作高能量勢壘。三勢壘量子阱結(jié)構(gòu)被由非摻雜的InGaAs制成的隔離(spacer)層(未示出)和由n+hGaAs制成的電氣接觸層(未示出)從上面和下面夾著。另外，這樣獲得的結(jié)構(gòu)被由重度摻雜的!!++InGaAs 制成的接觸層220a和220b從上面和下面夾著。由此，獲得RTD 201。RTD 201具有直徑為約2微米的臺面(mesa)結(jié)構(gòu)，并且通過使用氯化殺蟲劑(chlorinated pesticide)的 ICP-RIE方法來形成。RTD 201在其上部分和下部分處與作為上部電極層221的一部分的第一電極206和與接觸層220b連接的GND電極207電連接。因此，可向RTD 201供給振蕩操作所需的偏壓。由于光子輔助隧穿(tunneling)現(xiàn)象，根據(jù)第一例子的RTD 201提供電流密度為Jp = 280kA/cm2、峰值-谷值比約為3、并且微分負阻約為-22歐姆的電流-電壓特性。根據(jù)第一例子的貼片天線共振器202能夠有效地向空間發(fā)射太赫茲波，并且，在制造陣列共振器或高輸出水平共振器的情況下，貼片天線共振器202的共振器結(jié)構(gòu)是有利的。在貼片天線共振器202中，確定振蕩頻率的因素包含材料和結(jié)構(gòu)的參數(shù)，例如電介質(zhì)材料的類型和厚度、貼片天線的各邊的長度、以及RTD的尺寸和位置。貼片天線共振器202包含第一電極206、GND電極207和電介質(zhì)層208。電介質(zhì)層208被插入第一電極206和GND 電極207之間，并且，在第一電極206和GND電極207之間的電介質(zhì)中形成駐留的電磁波。 第一電極206是上部電極層221的一部分，并且以150微米X 150微米正方形的圖案被形成為導(dǎo)電貼片。RTD 201被嵌入電介質(zhì)層208中，并且被第一電極206和GND電極207從上面和下面夾著。RTD 201被設(shè)置在沿線IIB-IIB從第一電極206的中心位移40微米的位置處，使得在貼片天線共振器202和RTD 201之間實現(xiàn)阻抗匹配。上部電極層221由通過剝離方法形成的Ti/Pd/Au (20nm/20nm/200nm)的金屬層構(gòu)成，并且已知為重度摻雜的!!++InGaAs上的低電阻歐姆電極。在第一例子中，在上部電極層 221中相互一體化地形成第一電極206、第三電極211、層部分223a和層部分22北。電介質(zhì)層208由已知為對于高頻電磁波的低損失材料的苯并環(huán)丁烯 (benzocyclobutene, BCB)制成。電介質(zhì)層208具有3微米的厚度，并且通過旋涂(spin coating)和干法蝕刻而形成。電介質(zhì)層208用于使上部電極層221與GND電極207對于直流相互絕緣。在第一例子中，在電介質(zhì)層208中相互一體化地形成與圖IC所示的共振器 102中的第一電介質(zhì)108、電容器中的第二電介質(zhì)113以及線103中的電介質(zhì)(未示出)對應(yīng)的那些部件。GND電極207由通過剝離方法形成的Ti/Pd/Au/Ti (20nm/20nm/200nm/20nm) 的金屬層構(gòu)成。GND電極207與圖IC所示的具有相同電勢的第二電極107和第四電極112 對應(yīng)，并且GND電極207接地。GND電極207通過由導(dǎo)線接合而形成的GND線225與被布置在例如印刷板227上的GND線2 連接。在根據(jù)第一例子的振蕩器200中，具有λ /2貼片的貼片天線共振器202的振蕩頻率約為0. 4ΤΗζ。線203a和20 是微帶線，其中，電介質(zhì)層208被插入GND電極207與在上
1部電極層221中以一定的圖案被形成的層部分223a和22 之間。以12微米X75微米矩形的圖案(即，以作為微帶線的線203a和20 關(guān)于0.4THz的振蕩頻率用作λ/4線的形狀)來形成層部分223a和22 中的每一個。在第一例子中，層部分223a和22 基本上在其中心位置處與第一電極206連接，使得線203a和20 被設(shè)置在與共振電磁場的駐波的節(jié)點對應(yīng)的位置處。由于沿左右方向關(guān)于貼片天線共振器202相互對稱地布置線203a 和203b，因此，可以減少布線電阻。MIM結(jié)構(gòu)209與圖IC中的電容器部分109對應(yīng)，并且由第三電極211、GND電極 207和電介質(zhì)層208構(gòu)成。MIM結(jié)構(gòu)209被形成為使得電介質(zhì)層208被插入第三電極211 和GND電極207之間。第三電極211是上部電極層221的一部分，并且以使得從1，200微米X2，000微米矩形切出300微米X300微米正方形的圖案被形成以獲得幾pF的電容。根據(jù)MIM結(jié)構(gòu)209的電容和貼片天線共振器202中的天線的形狀來適當(dāng)?shù)卦O(shè)計第三電極211 的形狀。在如第一例子中那樣第三電極211被布置為使得第三電極211沿左右方向關(guān)于貼片天線共振器202對稱并且使得第三電極211包圍貼片天線共振器202的情況下，部件對于從貼片天線輻射的電磁波的圖案的不平衡影響可被抑制，并且，電磁波圖案可被更適當(dāng)?shù)卣巍Ｔ诘谝焕又?，鉍電阻器(并聯(lián)電阻器)210與圖IC中的并聯(lián)電阻器部分110對應(yīng)。鉍電阻器210在其一端處與第三電極211的外周部分連接，并且在其另一端處與GND 電極207連接。鉍電阻器210由作為半金屬的鉍制成。為了獲得20歐姆的電阻，通過剝離方法形成厚度為1微米的200微米X200微米鉍膜。并聯(lián)電阻器也可以是由諸如鎳鉻合金 (nickel chrome)的金屬、導(dǎo)電樹脂等制成的線性電阻器，或者是由半導(dǎo)體制成的非線性電阻器。通過導(dǎo)線接合而形成的饋線214的一端在適當(dāng)?shù)奈恢锰幣c第三電極211連接，并且， 另一端與印刷板227上的信號線2M連接。圖3A和圖;3B分別表示上述的第一例子的結(jié)構(gòu)中的端口 1和端口 2處的導(dǎo)納Y11和 ^的分析結(jié)果。如圖3A所示，端口 1和端口 2在20GHz或更小的頻率范圍中相互電氣等價。即，在20GHz或更小的范圍內(nèi)，第一例子的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定化電路和端口 1相連接的結(jié)構(gòu)等價。另外，由于線203a和20 的長度L為λ/4，因此，當(dāng)頻率等于振蕩頻率(即，0. 4THz) 時，導(dǎo)納Y11的大小最小并且可被忽略。在如第一例子那樣調(diào)整線203a和20 的長度L以及MIM結(jié)構(gòu)(電容器部分)209的電容的情況下，寄生振蕩可被抑制的頻率范圍小于或等于 0. ITHz。這是由于，當(dāng)頻率小于或等于0. ITHz時，導(dǎo)納Y11和RTD 201中的并聯(lián)共振電路滿足下面的能夠抑制寄生振蕩的條件(寄生振蕩抑制條件)。(式2) Re [YmD] +Re [Y11] > 0 (2)在上式中，Re[YKTD]是RTD 201的導(dǎo)納的實部，并且等于負阻的倒數(shù)，即，在第一例子中為1/-22Ω-1。從式(1)可以清楚地看出，隨著電容增大，滿足寄生振蕩抑制條件的最大頻率減小。另外，隨著線203a和20 的長度L增大，滿足寄生振蕩抑制條件的最大頻率減小。但是，長度L具有λ/2的上限。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的振蕩器，可以調(diào)整可產(chǎn)生振蕩的頻率范圍和要抑制振蕩的頻率范圍。在圖2Α和圖2Β所示的振蕩器200中，從偏壓電源205向信號線224、饋線214、第三電極211、線203a和20 、第一電極206、以及RTD 201依次供給偏壓。此時，饋送電所需的各部件與貼片天線共振器202中的共振電磁場中的損失最小化。另外，穩(wěn)定化電路用于抑制包含RTD 201和貼片天線共振器202的共振電路中的寄生振蕩。如上所述，根據(jù)第一例子的振蕩器200被構(gòu)建為使得，在使共振電磁場中的損失最小化的同時，可將穩(wěn)定化電路與RTD 201和貼片天線共振器202集成在一起。因此，根據(jù)第一例子的振蕩器200能夠抑制寄生振蕩并執(zhí)行太赫茲范圍中的振蕩操作。作為第一例子的變更例，圖4A表示貼片天線共振器30 不被MIM結(jié)構(gòu)209包圍的結(jié)構(gòu)。另外，圖4B表示貼片天線共振器302b與單個線303連接的結(jié)構(gòu)。另外，如在圖6A所示的振蕩器500中那樣，線503可被形成為λ /4線，并且可在任意的位置處與共振器102連接。在這種情況下，如作為導(dǎo)納分析的結(jié)果的例子的圖3Α 所示，導(dǎo)納在Om-1) X λ /4(這里，m是自然數(shù))的周期處減小到相對極小值(relative minimum)，因此，穩(wěn)定化電路不用作共振器中的駐波的損失。另外，如在圖6B所示的振蕩器 600中那樣，可以在共振器102中共振的電磁場中的駐波(波長λ)的節(jié)點處布置具有約 λ2/2的線長的線607。作為典型的例子，λ2(或λ ‘)是在共振器102中共振的電磁波中的高次共振點處的電磁波的波長。另外，λ (或λ)是在共振器102中共振的電磁波中的基本共振點處的電磁波的波長，并且滿足λ2< λ。在這種情況下，如作為導(dǎo)納分析的結(jié)果的例子的圖3Α和圖;3Β所示，導(dǎo)納在η Χλ2/2(η是自然數(shù))的周期增大，并且，即使在比λ 高的頻率(λ2)處，也滿足式O)。因此，可以抑制共振器102特有的高次振蕩。作為包含兩個電極和插入其間的電介質(zhì)的共振器的另一例子，也可使用狹縫天線共振器，狹縫天線共振器適于要增大根據(jù)第一例子的振蕩器的頻率的情況。另外，當(dāng)在單個基板上以陣列布置具有根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的多個振蕩器的情況下，可提供可以更高的輸出水平產(chǎn)生太赫茲電磁波的振蕩器?？赏ㄟ^已知的半導(dǎo)體工藝制造這種結(jié)構(gòu)。在第一例子中，使用包含由在InP基板上形成的InGaAs/InAlAs和InGaAs/AlAs 制成的各層的三勢壘共振隧道二極管作為RTD 201。但是，結(jié)構(gòu)和材料不限于上述的例子， 并且，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件也可以是其它結(jié)構(gòu)和材料的組合。例如，也可使用具有雙勢壘量子阱結(jié)構(gòu)的共振隧道二極管，或者使用具有帶有四個或更多個勢壘的多勢壘量子阱結(jié)構(gòu)的共振隧道二極管。關(guān)于材料，可以組合使用在GaAs基板上形成的GaAs/AWaA^GaAs/ AlAs或InGaAs/GaAs/AlAs、在InP基板上形成的InGaAs/AlGaAsSb、在hAs基板上形成的 InAs/AlAsSb或InAs/AlSb、在Si基板上形成的SiGe/SiGe等?？筛鶕?jù)希望的頻率等適當(dāng)?shù)剡x擇結(jié)構(gòu)和材料。在本發(fā)明的以上的描述中，假定載流子是電子。但是，本發(fā)明不限于此， 并且，載流子也可以是空穴。另外，可根據(jù)其應(yīng)用選擇基板230的材料。例如，也可使用半導(dǎo)體基板(例如硅基板、砷化鎵(gallium arsenide)基板、砷化銦(indium arsenide)基板或磷化鎵(gallium phosphide)基板)、玻璃基板、陶瓷基板、樹脂基板等。第二例子將參照圖5A和圖5B描述第二例子，在第二例子中，共振器具有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。根據(jù)第二例子的振蕩器包括具有等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的共振器。等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被構(gòu)建為使得各 RTD 401被設(shè)置在共振器中，所述共振器包含兩個電極406和407及被插入其間的電介質(zhì)層 408。根據(jù)第二例子，振蕩器的輸出水平可增大。在圖5A和圖5B中，附圖標(biāo)記414表示饋線?？裳嘏c圖面垂直的方向連續(xù)地形成各RTD 401(未示出)。另外，如圖5A和圖5B所示，可以在共振器中周期性地布置RTD 401。在這種情況下，根據(jù)第二例子的振蕩器可被構(gòu)建為使得多個線(例如，線403a和40 )與相應(yīng)的端口 1連接，在電磁場中共振的駐波的節(jié)點位于所述相應(yīng)的端口 1處。作為典型的例子，所述線可包含第一線和第二線(與第一線不同)，所述第一線用于抑制比基本共振點處的電磁波的波長λ長的波長范圍中的電磁波，所述第二線用于抑制高次共振點處的具有波長λ ‘ (λ ‘小于λ)的電磁波。此時， 第一線的長度接近λ/4(πι是自然數(shù))，并且，第二線的長度接近ηΧ λ ‘ /2 (η是自然數(shù))?？赏ㄟ^已知的半導(dǎo)體工藝制造這種結(jié)構(gòu)。雖然已參照示例性實施例說明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開的示例性實施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被賦予最寬的解釋以包含所有的變更方式以及等同的結(jié)構(gòu)和功能。本申請要求在2009年3月27日提交的日本專利申請No. 2009-079402和在2009 年12月22日提交的日本專利申請No. 2009-291025的權(quán)益，在此以引用方式將其全部內(nèi)容并入本文。
權(quán)利要求
1.一種用于使電磁波振蕩的振蕩器，包括共振器部分，包含共振隧道二極管、與共振隧道二極管接觸的電介質(zhì)、以及第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體，所述共振器部分被構(gòu)建為使得所述電介質(zhì)被插入第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體之間并且使得第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體與共振隧道二極管電連接；電容器部分，被構(gòu)建為使得所述電介質(zhì)被插入第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體之間； 線路部分，被配置為使所述共振器部分和所述電容器部分相互并聯(lián)地電連接；以及電阻器部分，被配置為使得第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體相互電連接； 其中，所述共振器部分的第一位置和所述電容器部分的第二位置通過所述線路部分而相互連接，使得所述第一位置和所述第二位置在比在所述共振器部分中共振的電磁波的波長大的波長范圍中在電氣上基本相互等價。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的振蕩器，其中，所述共振器部分包含第一電極、第二電極、以及插入第一電極和第二電極之間的第一電介質(zhì)，其中，所述電容器部分包含第三電極、第四電極、以及插入第三電極和第四電極之間的第二電介質(zhì)，以及其中，所述共振器部分的第一電極上的第一位置和所述電容器部分的第三電極上的第二位置通過所述線路部分而相互連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的振蕩器，其中，在所述共振器部分中共振的電磁波是駐波，以及其中，所述第一位置是由所述共振隧道二極管產(chǎn)生的電磁波的駐波的節(jié)點在所述共振器部分中所位于的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中的一項的振蕩器，其中，當(dāng)λ是在所述共振器部分中共振的電磁波的波長時，所述線路部分的長度等于或接近于^n-DX λ/4，這里，m是自然數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中的一項的振蕩器，其中，當(dāng)λ是在所述共振器部分中共振的電磁波的波長并且λ ‘是比λ小的波長時， 所述線路部分的長度或另一個線路部分的長度等于或接近于ηΧ λ ‘ /2，這里，η是自然數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2 5中的一項的振蕩器，其中，所述電阻器部分被設(shè)置在所述電容器部分中的第三電極的外周處。
7.根據(jù)權(quán)利要求2 6中的一項的振蕩器，其中，所述電容器部分中的第三電極被布置為沿設(shè)置所述共振器部分的平面包圍所述共振器部分中的第一電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中的一項的振蕩器， 其中，多個線路部分被設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的振蕩器，其中，所述多個線路部分關(guān)于所述共振器部分被相互對稱地布置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中的一項的振蕩器，還包括 電源，被配置為向所述共振隧道二極管施加電壓；以及饋線，被配置為使所述電源與所述第二位置電連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 10中的一項的振蕩器， 其中，所述電磁波是太赫茲波，以及其中，所述共振器部分包含用于使所述太赫茲波振蕩的貼片天線。
12.一種用于使太赫茲波振蕩的振蕩元件，包括共振器部分，包含通過子帶之間的載流子躍遷而產(chǎn)生太赫茲波的活性層、與所述活性層電接觸的第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體、以及被插入第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體之間并且與所述活性層接觸的電介質(zhì)；電容器部分，被構(gòu)建為使得所述電介質(zhì)被插入第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體之間； 線路部分，被配置為使所述共振器部分和所述電容器部分相互并聯(lián)地電連接；以及電阻器部分，被配置為使第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體相互電連接，其中，所述共振器部分的第一位置和所述電容器部分的第二位置通過所述線路部分而相互連接，使得所述第一位置和所述第二位置在比在所述共振器部分中共振的太赫茲波的波長大的波長范圍中在電氣上基本相互等價。
全文摘要
振蕩器包括被構(gòu)建為使得電介質(zhì)被插入第一和第二導(dǎo)體之間并且使得第一和第二導(dǎo)體與共振隧道二極管電連接的共振器部分；被構(gòu)建為使得電介質(zhì)被插入第一和第二導(dǎo)體之間的電容器部分；被配置為相互并聯(lián)地電連接共振器部分和電容器部分的線路部分；和被配置為相互電連接第一和第二導(dǎo)體的電阻器部分。共振器部分的第一位置和電容器部分的第二位置通過線路部分相互連接，使得第一位置和第二位置在比在共振器部分中共振的電磁波的波長大的波長范圍中在電氣上基本相互等價。
文檔編號H03B7/14GK102362428SQ20108001304
公開日2012年2月22日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者關(guān)口亮太, 小山泰史 申請人:佳能株式會社