波導、包括該波導的裝置及制造該波導的方法

專利名稱：波導、包括該波導的裝置及制造該波導的方法
技術領域：
本發明涉及一種波導、包括所述波導的裝置以及制造所述波導的方法。更具體地說，本發明涉及一種用于從毫米波帶到太赫茲波帶(30GHz到30THZ)(下文中，又稱為太赫茲波)的頻帶中的電磁波的波導。
背景技術：
在太赫茲波的頻帶中，存在生物材料、醫藥、電子材料等的很多有機分子的源自其結構和狀態的吸收峰。此外，太赫茲波容易穿透諸如紙張、陶瓷、樹脂和布料等材料。近年來，已經對使用太赫茲波的這些特性的成像技術和感測技術進行了研究和開發。例如，期望其對于用于代替X射線裝置的安全熒光檢查裝置、制造工藝中的在線(in-line)無創檢查裝置等的應用。·作為電流注入型太赫茲波光源，正在研究一種結構，其使用基于半導體量子阱結構中的電子的子帶間躍遷的電磁波增益。Appl. Phys. Lett. 83，2124(2003)提出了一種太赫茲波帶量子級聯激光器(quantum cascade laser,下文中，又稱為QCL),其中,被稱為低損耗波導的雙面金屬波導(double-side metal waveguide,下文中，又稱為DMW)被集成為諧振器。該元件通過在表面等離激元模式下把感應地發射的太赫茲波引導到諧振器結構(諧振器結構中金屬放置在由大約10 Pm厚度的半導體薄膜形成的增益介質之上以及之下)而通過優異光封閉(confinement)和低損耗傳播來獲得大約3THz的激光振蕩。另一方面，已知多量子阱結構歸因于對其施加的應變而改變其特性。在Sensorsand Actuators, A, 143 (2008), 230-236 中，作出這樣的報告諧振隧道二極管(resonanttunnel diode,下文中，又稱為RTD)的特性歸因于對其施加的應變而改變。在Sensors andActuators, A, 143 (2008), 230-236中，觀測到在接近IOOMPa的應力時負微分電阻的大約兩倍的改變。此外，公開了一種具有如美國專利No. 7，693，198中描述的波導的激光設備。Appl. Phys. Lett. 83, 2124(2003)中公開的DMW具有這樣的結構其中，兩個金屬層夾住具有大約10 u m的厚度的半導體層，并且通過使用金屬接合技術等將半導體薄膜轉移到不同襯底上來制造DMW。另一方面，其中層疊具有不同晶格常數和不同熱膨脹系數的薄膜材料的結構通常已知易于歸因于制造工藝而在其中產生殘余應力。因此，在常規結構中，歸因于制造工藝等的應變或缺陷可能改變作為增益介質的半導體薄膜的特性，從而導致振蕩特性的惡化或不穩定性。

發明內容
已經鑒于上述問題作出了本發明。根據本發明的波導包括第一導體層和第二導體層，其包括相對于波導模式下的電磁波具有負介電常數實部的負介電常數介質；以及核心層，其與第一導體層和第二導體層接觸，并且被放置在第一導體層與第二導體層之間，并且包括半導體部分。包括半導體部分的核心層具有在面內方向上延伸的凹入凸出結構，此夕卜，滿足以下要求中的至少一個
(I)凹入凸出結構被布置在與在波導模式下的電磁波的傳播方向垂直的方向上，并且具有多個凸出部分。(2)凹入凸出結構具有小于Xg/2的節距長度，其中，Xg=X/ne，A是所述電磁波的波長，ne是波導的等效折射率；以及(3)凹入凸出結構具有小于IOOiim的節距長度。根據本發明的波導具有其中包括半導體部分的核心層在面內方向上延伸的凹入凸出結構。因此，即使使用不同材料(例如負介電常數介質的第一導體層、包括半導體部分的核心層、以及負介電常數介質的第二導體層)的層疊結構，歸因于由微小(minute)凹入凸出結構引起的減小應力的效應，由晶格常數差或熱膨脹系數差產生的應變減小了。更具體地說，存在以下三種情況(1)凹入凸出結構被布置在與在波導模式下的電磁波的傳播方向垂直的方向上，并且具有多個凸出部分；(2)凹入凸出結構可以具有小·于X g/2的節距長度，其中，Xg=XAv A是電磁波的波長，~是波導的等效折射率；以及
(3)凹入凸出結構可以具有小于IOOiim的節距長度。因此，抑制了歸因于制造工藝等的應變或缺陷或在初始狀態中或操作期間在半導體中產生的應變或缺陷，并且因此，可預期特性(比如振蕩特性)的改進和穩定。例如，可以提供一種在尺寸方面容易制造并且在太赫茲波的頻帶中穩定地工作的半導體元件、以及一種制造該半導體元件的方法。根據參照附圖的示例性實施例的以下描述，本發明的更多特征將變得清楚。


圖1A、圖IB和圖IC是示出根據本發明的實施例和示例I的元件的視圖。圖2A、圖2B和圖2C是示出根據本發明的示例2的元件的視圖。圖3A、圖3B、圖3C1、圖3C2、圖3C3、圖3C4、圖3D1、圖3D2、圖3D3和圖3D4是示出根據本發明的制造波導的方法的示例的視圖。圖4A、圖4B和圖4C是示出根據本發明的示例3的元件的視圖。圖5是示出根據本發明示例3的元件的結構分析結果的圖。圖6A、圖6B和圖6C是示出根據本發明的示例3的元件的修改示例的視圖。圖7是示出使用根據本發明的實施例和示例的元件的應用示例的視圖。
具體實施例方式本發明涉及一種波導，其特征在于核心層，與用于限定波導的負介電常數介質的兩個導體層接觸并且放置在所述兩個導體層之間，并且包括半導體部分，核心層具有在面內方向上延伸的凹入凸出結構。此外,滿足以下要求中的至少一個(1)凹入凸出結構設置為使得在與波導模式下的電磁波的傳播方向垂直的方向上延伸；(2)凹入凸出結構具有小于X g/2的節距長度，其中，Xg=XAv A是電磁波的波長，\是波導的等效折射率；以及(3)凹入凸出結構具有小于lOOym的節距長度。凹入凸出結構可以是在厚度方向上穿過核心層的分隔槽、通過在厚度方向上向下挖所述核心層到中途所獲得的盲槽、核心層中提供的中空部分等。當半導體部分包括具有如下述的電磁波增益的有源層時，關于效果，優選的是，盲槽被挖掘從而穿過有源層，但是即使盲槽在到達有源層之前停止，也獲得特定級別的效果。此外，作為槽或中空部分的凹入部分可以是原樣的空間，但可以通過用電介質或絕緣體填充空間而形成為間隔物。在待放置于上面的導體層的形狀的強度、穩定性等方面，后一種情況是優選的。根據本發明，使用通過在凹入凸出結構的一端的失配錯位(misfitdislocation)等減小應力的效果，并且因此，只要可以如此產生應變減小，就可以在核心層中形成任何種類的凹入凸出結構。根據本發明的波導可以用作用于電磁波的簡單波導，并且，如以下實施例和示例中描述的那樣，半導體部分可以還具有電磁波增益部分，以形成振蕩器、電磁波檢測元件、電磁波放大元件等。以下參照附圖描述根據本發明實施例和示例的波導、包括該波導的元件以及制造該波導的方法。實施例參照圖IA至圖IC描述包括根據本發明實施例的波導的振蕩器100。圖IA是平面圖，圖IB是沿著圖IA的直線1B-1B取得的截面圖，圖IC是沿著圖IA的直線1C-1C取得的 截面圖。振蕩器100包括具有電磁波增益并且其中的每一個都以島形狀形成的多個半導體部分101、間隔物102、以及作為相對于波導模式下的電磁波具有負介電常數實部的負介電常數介質的導體層的第一金屬層103和第二金屬層104,并且被安裝在襯底105上。在該實施例中，以下描述的有源層106以及在有源層106之上和之下提供的半導體形成半導體部分101。半導體部分101和間隔物102形成核心層108。作為包層的兩個金屬層103和104以及核心層108形成被稱為DMW的波導107。存在多個半導體部分101，其被在厚度方向上延伸的分隔槽彼此分隔，并且其中每一個半導體部分以島形狀形成。優選的是，半導體部分101的大小在IOiim到約亞微米的范圍中。在具有這樣尺寸的用于毫米波到太赫茲波的頻帶的元件中，半導體部分101的大小被設置為使得波導107在縱向方向和橫向方向上的寬度等于或小于X g/2，優選地，等于或小于Xg/10。Ag是在振蕩模式下的波導107的波導波長，并且由Xg=X/ne表示，其中，\是電磁波的波長，ne是波導107的等效折射率。彼此接近地提供兩個金屬層103和104，從而其間的距離是例如\ g或更小。半導體部分101包括具有用于通過載流子的子帶間躍遷而生成太赫茲波的多量子阱結構的有源層106，并且具有電磁波增益。作為有源層106，例如，具有幾百至幾千層的半導體多層結構的諧振隧道結構或量子級聯激光器結構是合適的。該實施例描述為這樣的情況其中，諧振隧道二極管(RTD)用作有源層106。RTD具有基于負微分電阻區域中的光子協助隧穿現象(photon-assisted tunneling phenomenon)的在毫米波到太赫茲波的頻帶中的電磁波增益。優選的是，半導體部分101包括有源層106之上和之下的重摻雜層作為用于將電流注入RTD中的發射極/集電極。具有電磁波增益并且包括有源層106的半導體部分101與兩個金屬層103和104接觸，并且放置在這兩個金屬層103和104之間。具體地說，該實施例的特征在于所述凹入凸出結構。更具體地說，其特征在于以下三個特征(1)凹入凸出結構被布置在與在波導模式下的電磁波的傳播方向垂直的方向上，并且具有多個凸出部分。(2)凹入凸出結構的節距長度小于入§/2，其中，入8=入/1^，入是電磁波的波長，ne是波導的等效折射率；以及(3)凹入凸出結構的節距長度小于100 iim。通過提供這樣的結構，凹入凸出結構可以被視為這樣的結構其中，反射、散射、折射等對波導模式下的電磁波的影響是可忽略的。
用于使得核心層108具有在面內方向上延伸的凹入凸出結構的間隔物102被布置在鄰近的半導體部分101之間，從而與半導體部分101接觸。在面內方向上，半導體部分101形成凹入凸出結構的凸出部分，而間隔物102形成凹入凸出結構的凹入部分。作為間隔物102，與半導體部分101的材料不同的材料(諸如電介質或絕緣體等)是合適的，并且相對于要振蕩的電磁波的低損耗材料是優選的。間隔物102的材料可以是具有與半導體部分101不同的晶格常數的材料、多晶材料、或非結晶材料。優選的是，采用的材料使得半導體部分101中的每個半導體部分101都以島形狀形成，也就是說，形成不連續膜。關于間隔物102的大小，優選的是，在波導107的縱向方向和橫向方向上的間隔物102的寬度等于或小于Ag/2，更優選地，等于或小于Xg/10。原因在于，大小被設置為波長的1/10的結構可以通常被視為這樣的結構其中，反射、散射、折射等對該波長的電磁波的影響可忽略。如上所述，第二金屬層104和第一金屬層103分別放置在半導體部分101和間隔物102之上和之下。半導體部分101機械地且電氣地與第一金屬層103和第二金屬層104接觸。這允許作為有源層106的RTD由在第一金屬層103與第二金屬層104之間施加的電壓來驅動。此外，優選的是，間隔物102至少機械地與金屬層103和104接觸。間隔物102·在確定彼此接近的第一金屬層103與第二金屬層104之間的距離時起作用，并且使波導107成為剛性穩定結構。如上所述，根據該實施例的振蕩器100包括作為DMW的波導107。波導107包括核心層108，其包括具有電磁波增益的半導體部分101 ;以及包層，其包括彼此接近的第一金屬層103和第二金屬層104。第一金屬層103與第二金屬層104之間的距離小于或等于入g/2，優選地小于或等于入g/10，其中，入g是振蕩模式下振蕩器100的波導波長。在此，毫米波到太赫茲波的頻帶中的電磁波在不存在衍射限制的表面等離激元模式下傳播通過波導107。為了獲得其中波導波長為\ g的振蕩模式，如在半導體激光器技術領域中已知的那樣，作為電磁波的傳播方向的波導107的縱向方向上的長度L設置為\ g/2的整數倍。根據該實施例的振蕩器具有如上描述的波導107。通過層疊具有不同晶格常數和不同熱膨脹系數的薄膜材料形成的結構(例如金屬/半導體部分/金屬)可以歸因于半導體部分中的制造工藝等而產生應變。通常，通過形成半導體膜的工藝或制造元件的工藝的熱遲滯等而在薄膜中產生的內部應力近似在±lGPa的范圍中。歸因于工藝，在半導體部分101或有源層106中可能產生±0. 1%至±1%的應變，其中，“ + ”表示拉伸應力，而表示壓縮應力。此外，當如在傳統情況下那樣通過接合不同種類的襯底來制造DMW結構時，歸因于熱膨脹系數差的熱壓力或接合界面周圍的應力集中可能在半導體部分中產生應變。相反，本發明的元件包括半導體部分101，其大小被設置為使得在波導107的寬度方向上的寬度等于或小于X g/2至X g/10 (在太赫茲波的頻帶中的10 ii m至亞微米),其中的每一個半導體部分都以島形狀形成，并且半導體部分101包括有源層106以及在半導體部分101之間布置的間隔物102。以此方式，通過把半導體部分形成為并非常規連續膜而是大小被設置為如波長那樣微小或更小的島形狀結構的增益介質，通過在島結構的一端處的失配錯位減小應變的效果可以減小半導體部分中產生的應變。在該實施例的元件中，太赫茲波的頻帶中的振蕩模式下的波導波長Ag將半導體部分的厚度和寬度分別確定為幾十微米至0. I ii m以及幾十微米至0. I ii m,這對于用于減小應變的結構是合適的。此外，在根據該實施例的元件中，通過在鄰近半導體部分101之間布置電介質或絕緣體的間隔物102，使DMW結構更穩定。通過把相對于毫米波至太赫茲波的低損耗材料用作間隔物102，歸因于自由電子吸收、導體損耗等的波導損耗減小。此外，為了高效地放大波導107中的駐波，期望包括有源層106作為增益介質的半導體部分101至少被布置在要被作為振蕩模式下的諧振電場中的波腹的位置處。不貢獻于電磁波增益的放大的間隔物102可以被布置在要被作為諧振電場的波節的位置處。現參照圖3A、圖3B、圖3C1至圖3C4以及圖3D1至圖3D4描述制造波導的方法的示例。該制造方法包括以下步驟在半導體層中形成凹入部分；以及使用用于提供間隔物的物質填充凹入部分。更具體地說，通過以下步驟制造該實施例中描述的元件以及作為元件的諧振器的波導307，可以減少歸因于制造工藝等在初始狀態中或操作期間在半導體中產生的應變或缺陷。波導307包括包層，通過彼此靠近從而其間的距離等于或小于波導波長入g的第一導體層303和第二導體層304形成；以及核心層308,放置在導體層303與304之間。核心層308包括每個均以島形狀形成的多個半導體部分301以及間隔物302。在包括以下步驟(A)至(F)的工藝中制造波導307
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(A)制備在上表面上具有半導體部分301的第一襯底309 ；(B)制備第二襯底305 ；(C)經由第一導體層303將第一襯底309上的半導體部分301轉移到第二襯底305的上表面上；(D)將半導體部分301劃分為島形狀；(E)在每一個都以島形狀形成的劃分出的半導體部分301之間布置間隔物302 ;以及(F)在半導體層301的上表面上形成第二導體層304。關于與圖3A、圖3B和圖3C1至圖3C4的關系，圖3A對應于步驟(A)，圖3B對應于步驟(B)，圖3C1至圖3C2對應于步驟(C)，圖3C3對應于步驟(D)和(E)，圖3C4對應于步驟(F)。步驟(A)至(F)不一定要求按該順序(圖3A、圖3B、以及圖3C1至圖3C4)執行。例如，如圖3 (圖3D I至圖3D4)的右側所示，即使按(么)、(8)、(0)、化)、(0和^)的順序執行步驟，也可以減少轉移中產生的應力，并且減少應變的效果在預料之中。此外，當半導體部分301包括具有電磁波增益的有源層時，就制成了包括波導307作為諧振器的振蕩器100。如果制造方法包括步驟(D)和(E)，則可以抑制在初始狀態中或操作期間可能產生半導體的應變的結構中的應變。如果以金屬形成第一導體層303和第二導體層304，則實現執行低損耗傳播和高效封閉的雙等離激元波導。如果以半導體形成第二導體層304，則可以實現低損耗單等離激元波導。如上所述，在該實施例中，即使使用作為包括不同種類薄膜的材料的金屬(導體層)/半導體部分/金屬(導體層)的層疊結構，也可提供其中歸因于制造工藝等而在半導體中產生的應變和缺陷被抑制了的元件，以及一種制造所述元件的方法。因此，根據該實施例，實現在太赫茲波的頻帶中穩定地工作的振蕩器等。以下描述更多具體示例。示例 I現參照圖IA至圖IC以及圖3A、圖3B、圖3C1至圖3C4以及圖3D1至圖3D4描述根據本發明的具體示例I的元件。在示例I中，作為具有用于通過子帶間躍遷而生成太赫茲波的多量子阱結構的有源層106，使用與InP襯底晶格匹配的基于InGaAs/InAlAs的諧振隧道二極管結構。有源層106具有半導體多層結構，其中，按從頂部開始的順序層疊 n-InGaAs (50nm, I X 1018cm 3)、InGaAs (5nm)、AlAs (I. 3nm)、InGaAs (7. 6nm, *)、InAlAs (2. 6nm)、InGaAs (5. 6nm, *)、AlAs (I. 3nm)、InGaAs (5nm)和n-InGaAs (50nm, I X IO18CnT3)。在厚度之后具有星號(*)的InGaAs層要成為量子講層，而沒有星號(*)的基于InAlAs的材料要成為勢壘層，以形成三壘諧振隧道結構。與InP襯底不晶格匹配的AlAs層比臨界薄膜更薄，并且是高能量壘。此外，在頂部和底部的摻雜有高密度載流子的n-InGaAs層是發射極/集電極層，用于將電子注入到諧振隧道結構/從諧振隧道結構抽取電子。在發射極/集電極層與勢壘層之間放置的InGaAs (5nm)層是用于防止作為摻雜材料的Si的擴散的層。半導體部分101包括上述有源層106和被放置在有源層106之上和之下并且摻雜有高密度載流子的n-InGaAs層(500nm，IX 1019cm_3)。摻雜層分別以相對低電阻連接半導體部分101以及放置在半導體部分101之上和之下的第一金屬層103和第二金屬層104。第·一金屬層103和第二金屬層104中的每一個包括Ti/Pd/Au層疊膜。振蕩器100經由第一金屬層103和第二金屬層104連接到電源，并且用于驅動的偏置電壓提供至振蕩器100。通過上述結構，振蕩器100基于負微分電阻區域中的光子協助隧穿現象生成毫米波到太赫茲波的頻帶的電磁波。波導107具有Fabry-Perot諧振器結構，并且在電磁波的傳播方向上包括至少兩個端面，使用來自端面的反射而使得電磁波成為駐波。因此，波導107的傳播方向(波導107的縱向方向)上的長度L是在確定振蕩波長中的因素。在該示例中，波導107的長度L是1mm，其為Xg的5倍大，并且波導107的寬度是0.02mm。因此，第二金屬層104處于ImmX0. 02mm的矩形圖案中。每個均以島形狀形成從而彼此分離的半導體部分101包括在與波導模式下電磁波的傳播方向垂直的方向上延伸的凹入凸出結構。半導體部分中的每一個在具有2iim寬度的方形中，九個半導體部分101被布置在波導107的縱向方向上，節距長度是IOOiim(入g/2)，三個半導體部分101被布置在波導107的橫向方向上，節距長度是5 iim。以此方式，提供凹入凸出結構，從而在與波導模式下電磁波的傳播方向垂直的橫向方向上延伸。注意，在圖IA至圖IC中，節距長度是一個凹入部分的長度與一個凸出部分的長度的和。與波導模式下電磁波的傳播方向平行的節距長度由PLl表示，在面內方向上且在與傳播方向垂直的方向上的節距長度由PL2表示。為了容易理解結構特性，減少半導體部分101的數量。半導體部分101被布置在將要成為波導107的振蕩模式下諧振電場中的波腹的位置處。在該示例中，波導107的端面是開放端，至少距端面X g/2的位置是諧振電場中的波腹的位置。此外，作為間隔物102，在太赫茲波帶中是低損耗的BCB (苯并環丁烯，benzocyclobutene)被布置在鄰近的半導體部分101之間，從而與半導體部分101接觸。通過把相對于毫米波至太赫茲波的低損耗材料用作間隔物102，歸因于自由電子吸收、導體損耗等的波導損耗減小。從半導體部分101的厚度可見，第一金屬層103與第二金屬層104之間的距離大約是I U m,并且間隔物102被設置為具有相同厚度。在該示例中，波導107的核心層108的多于90%是作為間隔物102的BCB，因此，如果當振蕩頻率是ITHz時的等效折射率是大約I. 5，則振蕩模式下的波導波長X g是200 y m。因此，半導體部分101的大小近似等于Ag/100，節距長度等于Ag/2，間隔物102的大小近似等于Ag/2。注意，當波導107的核心層108中的半導體部分101的比例高時，如以下示例2中描述的那樣，等效折射率增大，當比例為一半時，等效折射率在示例I與示例2的等效折射率的中間。現參照圖3A、圖3B以及圖3C1至圖3C4描述制造該示例的元件的波導307a的方法。作為第一襯底，制備具有多量子阱結構的InP襯底309，多量子阱結構形成InP襯底上外延生長的半導體部分301 (圖3A)。作為第二襯底，制備GaAs襯底305 (圖3B)。通過真空沉積在InP襯底309的上表面(上面放置有半導體部分301的表面)上形成Ti/Pd/Au層(20nm/20nm/200nm)。通過真空沉積在GaAs襯底305的上表面上形成Ti/Pd/Au層(20nm/20nm/200nm)o使得InP襯底309和GaAs襯底305的上表面彼此面對，并且通過Au的熱壓縮接合而將兩個襯底彼此接合(圖3C1)。在此通過熱壓縮接合而形成的Ti/Pd/Au/Pd/Ti層(20nm/20nm/400nm/20nm/20nm)是第一金屬層303。通過研磨和鹽酸蝕刻從整體襯底移除InP襯底309，以將半導體部分301轉移到GaAs襯底305上(圖3C2)。通過光刻和 干法蝕刻而將半導體部分301劃分為多個半導體部分301a，其中的每一個以島形狀形成。通過旋轉涂覆和干法蝕刻而將BCB填充到鄰近的半導體部分301a之間的空間，以形成間隔物302a。以此方式,形成核心層308a (圖3C3)。真空沉積和剝離(lift-off)用于形成Ti/Pd/Au (20nm/20nm/200nm)的第二金屬層 304 (圖 3C4)。在該示例的元件中，即使使用作為包括不同種類的薄膜的材料的金屬/半導體/金屬的層疊結構，也可減小晶格常數差或熱膨脹系數差產生的應變。因此，抑制歸因于制造工藝等在初始狀態中或操作期間在半導體中產生的應變或缺陷，因此，實現特性(比如振蕩特性)的改進和穩定。在此，通過提供間隔物102，使波導成為具有剛性結構的等離激元波導，并且實現更穩定的元件。此外，具有電磁波增益的半導體部分101至少被布置在要成為波導的振蕩模式下的波腹的位置處，相對于太赫茲波的低損耗材料的間隔物102被布置在要成為振蕩模式下的波節的位置處，因此，實現低損耗和高效的等離激元波導。此外，在根據本發明的半導體元件中，以不連續膜(例如凹入凸出結構或島形狀的結構)形成使電流流過的半導體部分101。因此，與常規情況相比，減少了半導體的面積，因此，抑制了被使得流過元件的電流。更具體地說，在該示例中，基于半導體層的結構和面積而近似計算出的元件的電阻是大約10 Q，其為常規情況(即大約0. IQ )的100倍。因此，可以減少被使得流過包括元件、外圍電路以及外部電源的整個系統的電流，因此，減少微小電阻器、電容器等的寄生組件的影響，結果是可預期振蕩器的產率的改進。此外，如果大電流不是必須的，則普通電子組件和裝置可以用作電源和外圍電路，因此，可預期更實際的效果(例如成本減少)。本發明不限于該示例的上述結構，以下描述的修改示例也是可能的。例如，在該示例中，上述有源層106是以在InP襯底上生長的InGaAs/InAlAs或InGaAs/AlAs形成的三壘諧振隧道二極管。然而，本發明不限于這樣的結構和材料，其它結構以及其它材料組合也可以提供半導體元件。例如，也可以使用具有雙壘量子阱結構的諧振隧道二極管，具有四元或更多的多壘量子阱結構、已知為量子級聯激光器的具有級聯連接的多量子阱結構等的諧振隧道二極管等。關于材料組合，也可以使用GaAs襯底上形成的GaAs/AlGaAs、GaAS/AlAS、或InGaAs/GaAs/AlAs, InP 襯底上形成的 InGaAs/AlGaAsSb, InAs 襯底上形成的 InAs/AlAsSb或InAs/AlSb, Si襯底上形成的SiGe/SiGe等。可以取決于期望頻率等而適當地選擇結構和材料。此外，在該示例中，假設載流子是電子來進行描述。然而，本發明不限于此，也可以使用正空穴(空穴)。此外，可以取決于應用目的而選擇襯底的材料，也可以使用半導體襯底(諸如硅襯底、砷化鎵襯底、砷化銦襯底、或磷化鎵襯底等)、玻璃襯底、陶瓷襯底、樹脂襯底等。此外，作為第一金屬層103和第二金屬層104,也可以適當地使用金屬(Ag、Au、Cu、Al、AuIn合金等)或半金屬(Bi、Sb、IT0、ErAs等)。應理解，重摻雜的半導體可以用作導體。此夕卜，作為間隔物102，適當地使用無機材料(諸如Si02、TE0S、多晶硅、SiNx、AlN或1102等)或有機材料(諸如BCB、SU-8或聚酰亞胺等)。此外，也可以使用重新生長的低導電本征半導體。這些修改示例相似地可應用于其它實施例和示例。示例2現參照圖2A至圖2C以及圖3A、圖3B、圖3C1至圖3C4以及圖3D1至圖3D4描述根·據本發明的示例2的元件。作為有源層206，使用與示例I的情況下相同的諧振隧道二極管結構，并且半導體部分201的結構也與示例I的情況相同。關于波導207，也與示例I的情況相似，長度L是1_，其為X g的20倍,寬度是0. 05mm,第二金屬層204形成在ImmXO. 05mm的矩形圖案中。省略與示例I的情況相似的其它結構的描述。在該示例中每個均以島形狀形成的半導體部分201中的每個均在寬度為24 iim的方形中，并且從波導207的一端被布置在波導207的縱向方向和橫向方向上，各個節距長度為25 pm (Xg/8)。在圖2A至圖2C中，節距長度是將要成為一個周期(一個節距長度)的一個凹入部分的長度與一個凸出部分的長度的和。與波導模式下電磁波的傳播方向平行的節距長度由PLl表示，面內的與傳播方向垂直的方向上的節距長度由PL2表示。為了容易理解結構，減少半導體部分201的數量。具有I y m的寬度的間隔物202被布置在鄰近的半導體部分201之間，在要成為波導207的振蕩模式下諧振電場中的波節的位置處，并且該間隔物202被布置為多條線的形式。在該示例中，波導207的端面是開放端，至少距端面A g/4的位置是諧振電場中的波節的位置。通過在要成為不貢獻于放大的電場中的波節的位置處布置不是增益介質的間隔物202，與在所述位置具有半導體部分201的結構的情況相比，更加防止振蕩器的增益的降低。在該示例中，作為間隔物202，布置太赫茲波帶中低損耗的SiO2,以便與半導體部分201接觸。從半導體部分201的厚度可見，第一金屬層203與第二金屬層204之間的距離大約是I U m,并且間隔物202被設置為具有相同厚度。在該示例中，波導207的核心層208的多于90%是半導體部分201，電磁波在表面等離激元模式下傳播通過有源層206的薄本征半導體層。在該示例中，如果當振蕩頻率為0. 3THz時波導207的等效折射率是大約20，則振蕩模式下的波導波長入8是5011111。因此，半導體部分201的大小近似等于Xg/2，節距長度近似等于入g/2,間隔物202的大小近似等于入g/50。現參照圖3A、圖3B以及圖3D1至圖3D4描述制造該示例的元件的波導307b的方法。如下制造該示例中的波導307b。作為第一襯底，制備具有多量子阱結構的InP襯底309，多量子阱結構形成通過分子束外延等在InP襯底上外延地生長的半導體部分301 (圖3A)。作為第二襯底，制備GaAs襯底305 (圖3B)。通過光刻和干法蝕刻而將半導體部分301劃分為多個半導體部分301b，其中的每一個以島形狀形成。通過等離子體CVD (化學氣相沉積)和CMP (化學機械拋光)將SiO2填充到鄰近的半導體部分301b之間的空間，以形成間隔物302b (圖3D1)。通過真空沉積在InP襯底309的上表面(上面布置有半導體部分301b的表面)上形成Ti/Pd/Au層(20nm/20nm/200nm)。通過真空沉積在GaAs襯底305的上表面上形成Ti/Pd/Au層(20nm/20nm/200nm)。使InP襯底309和GaAs襯底305的上表面彼此面對，并且通過Au的熱壓縮接合而將襯底彼此接合(圖3D2)。在此通過熱壓縮接合而形成的 Ti/Pd/Au/Pd/Ti 層(20nm/20nm/400nm/20nm/20nm)是第一金屬層 303。通過研磨和鹽酸蝕刻從整體襯底移除InP襯底309，以將半導體部分301b轉移到GaAs襯底305上。通過光刻和干法蝕刻，形成間隔物302b(圖3D3)。真空沉積和剝離用于形成Ti/Pd/Au(20nm/20nm/200nm)的第二金屬層 304 (圖 3D4)。在該示例中的元件中，也抑制了歸因于制造工藝等在初始狀態中或操作期間在半導體中產生的應變和缺陷，因此，實現特性(比如振蕩特性)的改進和穩定。示例3現參照圖4A至圖4C、圖5以及圖6A至圖6C描述根據本發明的示例3。注意，在 附圖中，減少凹入凸出結構的數量。作為有源層406，使用與示例I的情況相同的諧振隧道二極管結構，并且半導體部分401的結構也與示例I相同。關于波導407，長度L是1mm，其為Xg的20倍，寬度是0.005mm，第二金屬層404形成在ImmX 0.005mm的矩形圖案中。省略與示例I的情況相似的其它結構的描述。該示例中的振蕩器400包括波導407的一個端面附近的區域412，其中，半導體部分401以島形狀形成，作為凹入凸出結構的間隔物402在面內方向上延伸。與示例I的情況相似，以BCB形成間隔物402。在該示例中，波導407的核心層408中的半導體部分401與間隔物402之間的體積比率分布在面內方向上。換句話說，波導407的核心層408中的凹入凸出結構的疏密程度在波導的端面附近逐漸改變。更具體地說，如圖5的表所示，半導體部分401和間隔物402被布置為使得半導體部分401的體積比率以20 節距的增量朝向所述端面逐漸減小(因此，間隔物402的體積比率逐漸增大)。區域412的長度L'是0. 14mm。圖5不出對于該不例的波導407的結構使用高頻電磁場仿真器(ANSYS公司制造的HFSS)在300GHz處進行的間隔物的體積比率與等效折射率之間的相關性的分析結果。傳播通過波導407的電磁波的等效折射率與間隔物402與半導體部分401之間的體積比率有關地從大約2逐漸改變為20。因此，在該示例中公開的結構中，在波導407的端面附近的區域412中，等效折射率朝向端面逐漸減少，以達到大約2，因此，可以相對容易地實現與波導的外部的阻抗匹配。在此使用的波導的外部指代例如自由空間、傳輸線、或具有低介電常數的電介質。圖6A至圖6C是示出作為該示例的修改示例的波導500的視圖。注意，在這些圖中，為了容易理解結構特性，減少凹入凸出結構的數量。此外，波導500的基本結構和材料與圖4A至圖4C所示的振蕩器400相同，因此省略其描述。如在振蕩器500中那樣，可以在波導507的兩側的端面附近包括區域512和區域513 :在區域512和區域513中布置了將要成為在面內方向上延伸的凹入凸出結構的間隔物502和以島形狀形成的半導體部分501。在波導507的區域512和區域513中，具有2 ii m的寬度的半導體部分501被布置為使得其每單位長度的數量朝向端面逐漸減少。更具體地說，具有2 y m寬度的半導體部分501被布置為使得其每50 U m長度的數量在50 U m節距的增量的情況下逐漸減少為25、10、5、2和I。在此情況下，L' =250 u m0其中端面附近的等效折射率以此方式逐漸改變的結構也適合于與外部的阻抗匹配。此外，在本發明的另一修改示例中，可以通過部分地改變波導407的核心層408中的凹入凸出結構的疏密程度而部分地改變波導的有效折射率。在該示例的元件中，也抑制了歸因于制造工藝等在初始狀態中或操作期間在半導體中產生的應變或缺陷，因此，實現特性(比如振蕩特性)的改進和穩定。此外，在DMW中，在端面處的反射增加，并且波束圖案歸因于波導與空間之間的模式失配而發散，因此，從應用性的觀點來說，DMW在波束的高效使用和傳送路線中有問題。使用根據本發明的結構，可以提供容易地實現波導與外部之間的阻抗匹配的高效波導。此外，可以與用于計算樣本的狀態等的算術單元結合使用上述波導來提供圖7所示的裝置。例如，波導用作振蕩器，并且樣本放置在波導的一端處。樣本與從波導發送的電磁波相互作用，因此，一些影響作用在發送的電磁波上。施加于樣本的電磁波被樣本反射或穿過樣本，被檢測器檢測到。此后，算術單元(例如個人計算機)基于檢測信號而計算樣本的狀態。更具體地說，提出了對用于檢查醫藥狀態等的工業檢查裝置的應用。
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雖然已經參照示例性實施例描述了本發明，但應理解，本發明不限于公開的示例性實施例。所附權利要求的范圍將要被賦予最寬泛的解釋，從而包括所有這些修改以及等效結構和功能。
權利要求
1.一種波導,包括 第一導體層和第二導體層，所述第一導體層和第二導體層包括相對于波導模式下的電磁波具有負介電常數實部的負介電常數介質；以及 核心層，其與所述第一導體層和所述第二導體層接觸并且被放置在所述第一導體層與所述第二導體層之間，并且包括半導體部分， 其中，包括所述半導體部分的所述核心層具有在面內方向上延伸的凹入凸出結構，以及 其中，所述凹入凸出結構被布置在與所述波導模式下的所述電磁波的傳播方向垂直的方向上，并且包括多個凸出部分。
2.—種波導,包括 第一導體層和第二導體層，所述第一導體層和第二導體層包括相對于波導模式下的電磁波具有負介電常數實部的負介電常數介質；以及 核心層，其與所述第一導體層和所述第二導體層接觸并且被放置在所述第一導體層與所述第二導體層之間，并且包括半導體部分， 其中，包括所述半導體部分的所述核心層具有在面內方向上延伸的凹入凸出結構，以及 其中，所述凹入凸出結構具有小于λ g/2的節距長度，其中，Xg=X/ne，λ是所述電磁波的波長，ne是所述波導的等效折射率。
3.—種波導,包括 第一導體層和第二導體層，所述第一導體層和第二導體層包括相對于波導模式下的電磁波具有負介電常數實部的負介電常數介質；以及 核心層，其與所述第一導體層和所述第二導體層接觸并且被放置在所述第一導體層與所述第二導體層之間，并且包括半導體部分， 其中，包括所述半導體部分的所述核心層具有在面內方向上延伸的凹入凸出結構，以及 其中，所述凹入凸出結構具有小于IOOym的節距長度。
4.如權利要求I至3中任一項所述的波導，其中，所述凹入凸出結構的凹入部分包括槽，所述槽用于通過在厚度方向上穿過所述核心層而將所述半導體部分劃分為島形狀。
5.如權利要求4所述的波導，其中，所述凹入部分被構造為電介質或絕緣體的間隔物。
6.如權利要求5所述的波導，其中，所述間隔物在所述波導的縱向方向和橫向方向上具有等于或小于Xg/2的寬度，其中，Xg=XAv λ是所述電磁波的波長，ne是所述波導的等效折射率。
7.如權利要求I至3中任一項所述的波導，其中，所述半導體部分在所述波導的縱向方向和橫向方向上具有等于或小于Xg/2的寬度，其中，Xg=XAv λ是所述電磁波的波長，ne是所述波導的等效折射率。
8.如權利要求I至3中任一項所述的波導，其中，所述半導體部分至少被布置在要成為振蕩模式下的諧振電場中的波腹的位置處。
9.如權利要求5所述的波導，其中，所述間隔物至少被布置在將要成為振蕩模式下的諧振電場中的波節的位置處。
10.如權利要求I至3中任一項所述的波導，其中，所述半導體部分具有多量子阱結構，用于通過載流子的子帶間躍遷來生成太赫茲波。
11.如權利要求I至3中任一項所述的波導，其中，所述凹入凸出結構具有在所述波導的端面附近逐漸改變的疏密程度。
12.一種使用電磁波的裝置，包括 如權利要求I至3中任一項限定的波導；以及 算術單元，用于檢測已經與樣本相互作用的電磁波，并且基于檢測信號來計算所述樣本的狀態。
13.—種制造如權利要求I至3中任一項限定的波導的方法，所述方法包括 在半導體層中形成凹入部分；以及 使用物質填充所述凹入部分以布置間隔物。
14.如權利要求13所述的制造波導的方法，所述方法還包括 制備第一襯底，所述第一襯底在上表面上提供有半導體層； 制備第二襯底； 經由第一導體層將所述第一襯底上的半導體層轉移到第二襯底的上表面上；以及 在所述半導體層的上表面上形成第二導體層，在所述半導體層中布置有間隔物。
全文摘要
提供一種波導、包括該波導的裝置及制造該波導的方法，使用該波導抑制了在初始階段中或在操作期間在半導體中引起的或由制造工藝等引起的應力和缺陷，從而預期有特性的改進和穩定性。該波導包括第一導體層和第二導體層，其包括相對于波導模式下的電磁波具有負介電常數實部的負介電常數介質；以及核心層，其與第一導體層和第二導體層接觸，并且被放置在第一導體層與第二導體層之間，并且包括半導體部分。包括半導體部分的核心層具有在面內方向上延伸的凹入凸出結構。
文檔編號H01S5/20GK102790355SQ201210148448
公開日2012年11月21日 申請日期2012年5月14日 優先權日2011年5月17日
發明者小山泰史 申請人:佳能株式會社