波導、包括波導的裝置和波導的製造方法

2023-04-29 07:14:26

專利名稱：波導、包括波導的裝置和波導的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種波導及其製造方法。具體而言，本發明涉及用於從毫米波帶到太赫茲波帶(30GHz 30THZ)的頻帶中的電磁波(以下，也稱為太赫茲波)的波導。
背景技術：
在太赫茲波的頻帶中，存在源自其結構和狀態的生物材料、藥品和電子材料等的許多有機分子的吸收峰。並且，太赫茲波很容易穿透諸如紙、陶瓷、樹脂和布的材料。近年來，對於利用太赫茲波的這種特性的成像技術和感測技術進行了研究和開發。例如，期望將其應用於替代X射線裝置的安全螢光透視檢查裝置和製造過程中的線上非破壞性檢查裝置等。
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作為電流注入型太赫茲波光源，使用基於半導體量子阱結構中的電子的子帶間躍遷的電磁波增益的結構處於研究之中。Appl.Phys. Lett. 83,2124 (2003)提出了集成已知為低損失波導的雙側金屬波導(以下，也稱為DMW)作為共振器的太赫茲波帶量子級聯雷射器(以下，也稱為QCL)。通過將感應發射的太赫茲波引向在由約10 y m的厚度的半導體薄膜形成的增益介質上下設置金屬的處於表面等離子體激元模的共振器結構，該元件通過優異的光束縛和低損失傳播獲得約3THz的雷射振蕩。另一方面，已知多量子講結構由於其被施加應變(strain)而改變特性。在Sensorsand Actuators, A, 143 (2008), 230-236中，報告了共振隧穿二極體(以下，也稱為RTD)由於被施加應變而改變特性。在Sensors and Actuators, A, 143 (2008)，230-236中，觀察到約IOOMPa的應力下的約兩倍的負微分電阻變化。並且，公開了美國專利No. 7693198所述的具有波導的雷射器件。在Appl. Phys. Lett. 83，2124 (2003)中公開的DMW具有兩個金屬層夾著具有約10 U m的厚度的半導體薄膜的結構，並且，通過使用金屬接合技術等將半導體薄膜轉移到不同基板上來製造DMW。另一方面，眾所周知，由於製造過程，層疊具有不同的晶格常數和不同的熱膨脹係數的薄膜材料的結構易於在其中導致殘餘應力。因此，在常規的結構中，由於製造過程等導致的應變或缺陷可改變作為增益介質的半導體薄膜的特性以導致振蕩特性的劣化或不穩定。

發明內容
鑑於上述問題，提出本發明。根據本發明的波導包括由相對于波導模式的電磁波其介電常數的實部為負的負介電常數介質構成的第一導體層和第二導體層；芯層，與第一導體層和第二導體層接觸並被設置在二者之間，並包含半導體部分。至少第一導體層具有沿面內方向延伸的凹凸結構，此外，滿足以下要求中的至少一個(1)凹凸結構沿與波導模式的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，並具有多個凸部；(2)凹凸結構具有小於X g/2的間距長度，其中，Ag= A/ne, A是電磁波的波長，並且\是波導的等效折射率；和(3)凹凸結構具有小於lOOym的間距長度。
此外，鑑於上述的問題，提出本發明。根據本發明的波導的製造方法包括製備在其上表面具有半導體層的第一基板；通過具有沿面內方向延伸的凹凸結構的第一導體層將半導體層轉移到第二基板的上表面上；和在半導體層的上表面上形成第二導體層。在根據本發明的波導中，可以使用具有設置在其中的易於塑性變形的凹凸結構的第一導體層作為接合層，並因此可在相對低溫和相對低負載下轉移半導體膜。並且，通過設計凹凸結構中的凹部和凸部的尺寸和配置以滿足以下三個條件中的任何一個，可抑制諸如DMW的波導對於共振電場等的影響(1)凹凸結構沿與波導模式的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，並具有多個凸部；(2)凹凸結構具有小於Ag/2的間距長度，其中，Xg=入/ne, A是電磁波的波長，並且\是波導的等效折射率；和(3)凹凸結構具有小於lOOym的間距長度。這實現諸如振蕩器的元件，該振蕩器在保持共振結構等的同時通過減少成為要解決的問題的諸如活性層的半導體部分的由轉移導致的殘餘應變，在諸如太赫茲波帶的頻帶中穩定地工作。以這種方式，可以提供減少由於製造過程等導致的應變和缺陷、並且在諸如太赫茲波帶的頻帶中穩定地工作的半導體元件和該半導體元件的製造方法。參照附圖閱讀示例性實施例的以下說明，本發明的其它特徵將變得明顯。·


圖1A、圖IB和圖IC是示出根據本發明的實施例和例子I的元件的示圖。圖2A、圖2B、圖2C、圖2D、圖2E、圖2F和圖2G是示出根據本發明的實施例的元件的各種類型的變更例的示圖。圖3A、圖3B、圖3C和圖3D是示出根據本發明的元件的製造方法的例子的示圖。圖4A、圖4B和圖4C是示出根據本發明的例子2的元件的示圖。圖5A、圖5B和圖5C是不出根據本發明的例子3的兀件的不圖。圖6A、圖6B和圖6C是不出根據本發明的例子4的兀件的不圖。圖7是示出使用根據本發明的實施例和例子的元件的應用例的示圖。
具體實施例方式本發明涉及包含夾在用於限定波導的負介電常數介質的兩個導體層之間的芯層的波導，其中，導體層中的至少一個具有沿面內方向延伸的凹凸結構。此外，滿足以下要求中的至少一個(I)凹凸結構沿與波導模式的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，並具有多個凸部；(2)凹凸結構具有小於入g/2的間距長度，其中，Xg= X/ne, X是電磁波的波長，並且ne是波導的等效折射率；和(3)凹凸結構具有小於100 的間距長度。凹凸結構可以是沿厚度方向通過導體層的貫通溝槽、通過沿厚度方向下挖到導體層的中途獲得的封閉(blind)的溝槽、或設置在導體層中的中空部分等。由溝槽或中空部分形成的凹部可為原樣的空間，並且可以是填充有物質的空間。根據本發明，可通過易於塑性變形的導體層的凹凸結構實施低溫低負載下的接合，並且，只要可以實施這種接合，就可以在導體層中形成任何類型的凹凸結構。根據本發明的波導可被用作用於電磁波的簡單波導，並且，如在後面的實施例和例子中描述的那樣，波導的芯層可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。並且，為了進一步增強本發明的效果，導體層和芯層中的另一個可具有沿面內方向延伸的凹凸結構，使得可進一步抑制在芯層的半導體部分中導致的應變和缺陷。以下參照附圖描述根據本發明的實施例和例子的波導、包含該波導的元件、和該波導的製造方法。
實施例參照圖IA IC描述包括根據本發明的實施例的波導的振蕩器100。圖IA是平面圖，圖IB是沿圖IA的線1B-1B切取的斷面圖，而圖IC是沿圖IA的線1C-1C切取的斷面圖。振蕩器100是具有波導107作為共振器的雷射器件，波導107包含具有電磁波增益的芯層102、和作為相對于波導模式的電磁波其介電常數的實部為負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。振蕩器100被安裝在基板105上。在本實 施例中，波導107是被稱為DMW的光學波導，其中，作為彼此相鄰的包層的第一金屬層103和第二金屬層104夾著芯層102。第一金屬層103與第二金屬層104之間的距離小至\ g/2或更小、優選小至入g/10或更小，其中，入g是振蕩模式中的振蕩器100的波導波長。以這種方式，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子體激元模式中貫穿波導107傳播。波導波長Ag由Xg= X/ne表示，其中，X是電磁波的波長，並且ne是波導107的等效折射率。並且，為了以Ag的波導波長獲得振蕩模式，如在半導體雷射技術領域中已知的那樣，作為電磁波的傳播方向的波導107的縱向的長度L被設為\ g/2的整數倍。芯層102包含作為具有用於通過載流子的子帶間躍遷產生太赫茲波的多量子阱結構的半導體部分的活性層101，並且具有太赫茲波的頻帶中的電磁波增益。作為活性層101，例如，共振隧穿結構或具有幾百到幾千個層的半導體多層結構的量子級聯雷射結構是合適的。本實施例被描述為使用共振隧穿結構(RTD)作為活性層101的情況。RTD在負微分電阻區域中具有基於光子輔助隧穿現象的毫米波到太赫茲波的頻帶中的電磁波增益。在芯層102中，可分別在活性層101之上和之下設置用於連接活性層101與第二金屬層104以及與第一金屬層103的重度摻雜半導體層。如上所述，第二金屬層104和第一金屬層103分別位於芯層102之上和之下。從基板105側依次層疊第一金屬層103、芯層102和第二金屬層104。芯層102與第一金屬層103和第二金屬層104機械接觸和電接觸。這允許作為活性層101的RTD通過在第一金屬層103和第二金屬層104之間施加的電壓而被驅動。第一金屬層103具有沿其面內方向延伸並且其中周期性地布置凹部和凸部的微細凹凸結構。這裡使用的凹凸結構指的是例如在金屬層的一部分中形成的溝槽、空穴、柱狀結構、突起結構或不貫通金屬層的凹陷結構。換句話說，第一金屬層103具有在其中形成的沿面內方向延伸的凹凸結構的圖案。例如，在圖IA IC的情況下，凹凸結構中的凸結構109和凹結構110分別與厚度方向的金屬部分和通孔對應。在這種情況下，第一金屬層103由以矩陣圖案布置的多個凸塊形成。具有凹凸結構的圖案的金屬膜比平滑和連續的金屬膜更易於塑性變形，因此，通過如在本實施例中那樣使用第一金屬層103作為接合層,可以實施低溫低負載下的接合。特別地，本實施例的特徵是凹凸結構。具體而言，其特徵在於以下的三個特徵
(I)凹凸結構沿與波導模式的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，並具有多個凸部；(2)凹凸結構的間距長度小於Ag/2，其中，Ag= A/ne, A是電磁波的波長，並且ne是波導的等效折射率；和(3)凹凸結構的間距長度小於100 Pm。通過設置這種結構，凹凸結構可被視為可忽略反射、散射、折射等對于波導模式中的電磁波的影響的結構。作為凹凸結構的圖案，優選微細並且具有高的縱橫比(高度方向的長度與橫向的長度的比)的結構。這是由於，在這種結構中，應力易於集中，並且塑性滑移(slip)中的位錯線(dislocation line)易於消失，因此，該結構變得更易於塑性變形。具體而言，優選各方向的凹凸結構的凹部和凸部的寬度和高度在約IOOiim 約0. Iym的範圍中。上限是從可在半導體製造過程中形成的薄膜的厚度被估計為約100 的事實而確定的。下限是從波導107在第一金屬層103的厚度大於或等於太赫茲波的表皮深度的深度(約0. 2iim)時用作等離子體激元波導的事實確定的。並且，當縱橫比大於或等於0.5時，該結構更易於塑性變形。但是，本發明不限於此，並且只要在第一金屬層103中形成凹凸結構的圖案，就可期望實現一定程度的效果。優選凹凸結構的圖案的尺寸為振蕩器100的振蕩模式中的波導波長\ g或更小，並且一般地，Xg/2 Xg/20的範圍是合適的。這與根據本實施例的振蕩器100操作的太赫茲波的頻帶中的100 y m 0. I y m的範圍等同，並且基本上與上述的範圍一致。原因是，由·於尺寸為波長的1/10的結構可一般被視為可忽略反射、散射、折射等對於該波長的電磁波的影響的結構，因此可以減少凹凸結構對於共振電場的影響。並且，關於凹凸結構中的凹部和凸部的圖案，可參照振蕩模式中的共振電場周期性地布置凹部和凸部。例如，當在要成為共振電場中的節點的位置處布置凹凸結構中的凹部時，不管凹凸結構的尺寸如何，都可減少對於共振電場的影響，因此，有望改善振蕩特性。例如，在圖IA IC所示的情況下，在要成為振蕩模式中的共振電場中的節點的位置處以、g/2的間距周期性地布置凹結構110。可使用通過使用金屬接合技術等將在某基板上生長的半導體薄膜轉移到另一基板上的薄膜轉移過程，形成金屬薄膜如在DMW結構中那樣夾著半導體薄膜的結構。在該製造過程中，由於熱膨脹係數差導致的熱應力或接合界面周圍的應力集中會在半導體薄膜中導致應變。例如，製造過程的熱滯後可在半導體薄膜中導致約± IGPa的範圍內的殘餘應力(約0. I 1%的範圍內的殘餘應變)。在根據本實施例的元件中，使用具有設置在其中的易於塑性變形的微細凹凸結構的第一金屬層103作為接合層，並因此可在低溫下以低的負載實施上述的轉移過程。並且，通過設計凹凸結構中的凹部和凸部的尺寸和布置，抑制DMW對於共振電場的影響。這使得能夠在保持共振結構的同時減少作為要被解決的問題的活性層101的轉移引起的殘餘應變。因此，可望實現在諸如太赫茲波帶的頻帶中穩定地工作的元件。圖2A 2G是示出本實施例的元件的變更例的示圖。根據本發明，該結構可如振蕩器200或振蕩器300那樣使得在第一金屬層103中形成多個溝槽(沿厚度方向挖到第一金屬層103的中途的封閉(blind)的溝槽210和310)的圖案,或者可使得第一金屬層如振蕩器400那樣具有多個中空部分410的圖案。在振蕩器200和振蕩器400的結構中，與芯層接觸的第一金屬層是平滑的，並且不管布置和尺寸如何，都減少凹凸結構(包含凸部209、309或409)對共振電場的影響。在這種情況下，當第一金屬層的平滑部分比太赫茲波的表皮深度深時，對於共振電場的影響進一步減少。並且，如振蕩器500和700那樣，該結構可使得芯層不連續，並且，如振蕩器600和振蕩器700那樣，該結構可使得第二金屬層也具有布置於其中的凹凸結構。並且，當芯層不連續時，通過在其中布置電介質或絕緣體的間隔件513或間隔件713，元件變得在機械上更穩定。在圖2A 2G中，第一金屬層具有凸部509、609或709和凹部510、610或710，並且第二金屬層具有凸部611或711和凹部612或712。並且，當該結構使得通過將具有凸結構的金屬層803a配入具有凹結構的金屬層803b中形成第一金屬層803時，該結構易於塑性變形，並因此可實施低溫低負載下的接合。現在參照圖3A 3D描述波導的製造方法的例子。該製造方法包括通過具有凹凸結構的第一金屬層在第一基板和第二基板上接合半導體層的步驟。具體而言，通過以下面的步驟製造在本實施例中描述的元件100和要成為元件的共振器的波導，可以減少由於製造過程等在初期或在操作中在半導體中導致的應變和缺陷。當半導體層包含具有電磁波增益的活性層時，製造包含波導作為共振器的振蕩器100。波導包含由彼此相鄰的兩個導體層構成使得其間的距離小於或等于波導波長\ g的包層、和設置在導體層之間的半導體層的芯層。在包括以下步驟(A) (D)的過程中製造波導(A)製備在其上表面上具有半導體層120的第一基板121的步驟；(B)通過具有凹凸結構的第一金屬層123在第一基板121和第二基板122上接合半導體層120的步驟；(C)使第一基板121與半導體層120分離的·步驟；和(0)在第二基板122上的半導體層120的上表面上形成第二金屬層124的步驟。如上所述，在本實施例中，即使通過作為包含不同類型的膜的材料的金屬的層疊結構(導體層)/半導體部分/金屬(導體層)，也可在相對低溫、相對低負載下轉移半導體膜。因此，可以提供抑制由於製造過程等在半導體部分中導致的應變和缺陷的元件和該元件的製造方法。因此，根據本實施例，實現穩定地在太赫茲波的頻帶中工作的振蕩器等。以下描述更具體的例子。例子I現在參照圖IA IC和圖3A 3D描述根據本發明的例子I的振蕩器。在本例子中，作為具有用於通過子帶間躍遷產生太赫茲波的多量子阱結構的活性層101，使用按與InP基板匹配的晶格的基於InGaAs/InAlAs的共振隧穿二極體結構。活性層101具有從頂部依次層疊 n-InGaAs (50nm, Si, 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,Si，I X 1018cm_3)的半導體多層結構。在其厚度後面具有星號(*)的InGaAs層是要成為量子阱層的層，而沒有星號(*)的基於InAlAs的材料要成為用於形成三重勢壘共振隧穿結構的勢壘層。不按與InP基板匹配的晶格的AlAs層比臨界薄膜更薄，並且是高能量勢壘。並且，在摻雜有高濃度載流子的頂部和底部的n-InGaAs層是用於對於共振隧穿結構注入/提取電子的發射極/集電極。被設置在發射極/集電極層與勢壘層之間的InGaAs (5nm)層是用於防止作為摻雜材料的Si擴散的層。芯層102包含上述的活性層101和被設置在活性層101之上和之下並且摻雜有高濃度載流子的n-InGaAs層(lX1019cm_3)。摻雜層以相對較低的電阻連接芯層102與分別設置在芯層102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中的每一個包含Ti/Pd/Au層疊膜。第一金屬層103是Ti/Pd/Au/Pd/Ti (分別具有20nm/20nm/20200nm/20nm/20nm的厚度)，並且第二金屬層104是Ti/Pd/Au (分別具有20nm/20nm/200nm的厚度)。基板105是摻雜有高濃度載流子的GaAs基板，並且與第一金屬層103機械和電氣連接。振蕩器100通過第二金屬層104、第一金屬層103和基板105與電源連接，並且，向其供給用於驅動的偏壓電壓。通過上述的結構，振蕩器100在負微分電阻區域中基於光子輔助隧穿現象產生毫米波到太赫茲波的頻帶中的電磁波。波導107具有Fabry-Perot共振器結構，並且沿電磁波的傳播方向包含至少兩個端面。用於通過使用來自端面的反射導致電磁波成為駐波的波導107的傳播方向(波導107的縱向)的長度L是確定振蕩波長的因素。在本例子中，波導107的長度L是1_，該長度為入g的20倍，並且波導107的寬度為0.05mm。因此，第二金屬層104為ImmX 0. 05mm的矩形圖案。在第一金屬層103中形成周期性地布置凸部和凹部的微細的凹凸結構。在本例子中，凸結構109與金屬部分對應，並且凹結構110與通孔對應。間距長度為凹部的長度與凸部的長度的和。與波導模式中的電磁波的傳播方向平行的間距長度由PLl表示，並且在面內與傳播方向垂直的方向的間距長度由PL2表不。凸結構109具有Au的凸塊結構，該凸塊結構在波導107的縱向上的寬度為24 U m、 在波導107的橫向的寬度為24 iim (正方形形狀)並且高度為20 iim。以25 y m (Ag/2)的間距長度沿波導107的縱向布置40個凸結構109，並且以25 ii m U g/2)的間距長度沿波導107的橫向布置2個凸結構109。以這種方式，凹凸結構被設置為沿與波導模式的電磁波的傳播方向垂直的橫向延伸。注意，在圖IA IC中，為了便於理解結構的特性，減少凸結構109和凹結構110的數量。凹結構110被布置在要成為振蕩器100的振蕩模式中的共振電場中的節點的位置上。在本例子中，波導107的端面是開放端，並且距端面的X g/4的位置是共振電場中的第一節點的位置。凹結構110可由真空、諸如空氣的氣體、或太赫茲波帶中的低損耗材料(例如，諸如BCB的樹脂或諸如SiO2的無機材料)形成。第一金屬層103與第二金屬層104之間的距離為約I y m。在本例子中的波導107中，電磁波在表面等離子體激元模式中通過活性層101的薄的本徵半導體層傳播。在本例子中，振蕩頻率為0. 3THz時的波導的等效折射率被設計為約20，並且振蕩模式中的波導波長入8被設計為50^111。因此，凸結構109的尺寸大致等於Ag/2，並且間距長度等於Ag/2，並且凹結構110的尺寸大致等於X g/50。現在參照圖3A 3D描述根據本發明的振蕩器100的製造方法。(A)作為第一基板121，製備具有在其上外延生長的半導體層120的InP基板。半導體層120與圖IA IC所示的包含活性層101的芯層102對應。(B)在第一基板121的上表面(上面設置半導體層120的表面)上形成通過光亥Ij、真空沉積和電鍍圖案化的金屬層(Ti/Pd/Au (分別具有20nm/20nm/20000nm的厚度))。在第二基板122的上表面上形成通過光刻和真空沉積圖案化的金屬層(Ti/Pd/Au (分別具有20nm/20nm/200nm的厚度))。使第一基板121和第二基板122的上表面相互面對，並且在通過Ar高頻等離子體激活Au凸塊和Au薄膜的表面之後，在室溫下加壓，使這些上表面相互接合。這裡，在壓力下接合而形成的Ti/Pd/Au/Pd/Ti層(分別具有20nm/20nm/20200nm/20nm/20nm的厚度)要成為第一金屬層123。第一金屬層123具有作為2411111平方、高度2011111的411凸塊的凸結構129和作為通孔的凹結構130。第二基板122是導電GaAs基板，並與圖IA IC所示的基板105對應。(C)InP基板通過研磨和鹽酸蝕刻從整個基板被去除，以使半導體層120與第一基板121分離，以將其轉移到第二基板122上。
(D)半導體層120和第一金屬層123通過光刻和幹蝕刻成形。使用真空沉積和剝離以形成Ti/Pd/Au (分別具有20nm/20nm/200nm的厚度)的第二金屬層124。本例子中的元件也獲得上述效果，並且抑制由於製造過程等在初期階段或操作中在半導體中導致的應變和缺陷，並因此實現諸如振蕩特性的特性的改善和穩定化。本發明不限於本例子的上述結構，並且以下描述的變更例也是可能的。例如，在本例子中，上述的活性層101是在由InP基板上生長的InGaAs/InAlAs和InGaAs/AlAs形成的三重勢壘共振隧穿二極體。但是，本發明不限於這種結構和材料，並且其它結構和材料的其它組合也可提供半導體元件。例如，也可以使用具有雙重勢壘量子阱結構的共振隧穿二極體、具有四重或更多重的多重勢壘量子阱結構的共振隧穿二極體、通過量子級聯雷射器獲知的具有級聯連接的多量子阱結構等。關於材料的組合，也可以使用在GaAs基板上形成的 GaAs/AlGaAs、GaAs/AlAs 或 InGaAs/GaAs/AlAs,在 InP 基板上形成的 InGaAs/AlGaAsSb,在InAs基板上形成的InAs/AlAsSb或InAs/AlSb，在Si基板上形成的SiGe/SiGe等。可根據希望的頻率等適當地選擇結構和材料。
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並且，在本例子中，在假定載流子是電子的情況下進行描述。但是，本發明不限於此，並且也可使用正空穴(空穴)。並且，可根據應用目的選擇基板的材料，並且也可以使用諸如矽基板、砷化鎵基板、砷化銦基板或磷化鎵基板的半導體基板，玻璃基板，陶瓷基，樹脂基板等。並且，作為第一金屬層103和第二金屬層104,可適當地使用金屬(Ag、Au、Cu、Al或AuIn合金等)或半金屬(Bi、Sb、ITO、ErAs等)。應當理解,作為導體,可以使用重度摻雜的半導體。並且，作為間隔件513或713，適當地使用諸如Si02、TE0S、多晶矽、SiNx、AlN或TiO2的無機材料或諸如BCB (苯並環丁烯)、SU-8或聚醯亞胺的有機材料。並且，也可使用重複生長的低導電本徵半導體。這些變更例類似地適於其它的實施例和例子。例子2現在參照圖4A 4C描述根據本發明的例子2的振蕩器900。活性層901使用在Appl. Phys. Lett. 83,2124 (2003)中公開的量子級聯雷射器結構。包含活性層901的芯層902是約10 y m的厚度的半導體薄膜。關於第一金屬層903和第二金屬層904和其它部件，使用在Appl. Phys. Lett. 83,2124 (2003)中公開的結構。第二金屬層904具有約2. 6mmX0. 15mm的矩形圖案，並且被設計為獲得約3THz的振蕩。注意，在該結構中，振蕩頻率為3THz時的波導907的等效折射率約為3，並且波導波長入g約為30 u m。在本例子中，在基板905上的第一金屬層903中，作為凸結構909之間的凹結構910，在距波導907的兩個端面約I. 3mm的位置(即在波導907的中間)形成3 y mX 150 y m的溝槽。並且，在第二金屬層904中，作為凹結構912a和912b，在分別距波導907的兩個端面約0. 65mm的位置形成9 y mX 150 u m的矩形溝槽。凹結構912a和912b以外的部分是凸結構901。如在本例子中那樣，不管凹結構910的位置如何，只要形成凹結構910使其尺寸小於或等於X g/2 (這裡，Ag是波導波長)就抑制對於共振電場的影響。並且，凸結構909的尺寸大於或等于波導波長\ g，因此，波導907可實現優異的光束縛和低損失傳播。因此，通過本例子的結構，可望同時實現波導907的振蕩模式的穩定化和活性層中的應變的減少，並因此有望獲得振蕩特性的改善和穩定化。例子3現在參照圖5A 5C描述根據本發明的例子3的振蕩器1000。與例子I的情況類似，芯層1002的活性層1001具有共振隧穿二極體結構，並且關於第一金屬層1003和第二金屬層1004和其它部件，使用與例子I相同的結構。第二金屬層1004具有約ImmXO. 05mm的矩形圖案，並且被設計為獲得約0. 3THz的振蕩。注意，在圖5A 5C中，凸結構1009和凹結構1010的數量減少。在本例子的基板1005上的第一金屬層1003中，作為凸結構1009，以I. 5iim(入g/20)的間距長度沿波導1007的縱向和橫向布置IymXliim的矩形Au薄膜圖案。在這種情況下，凸結構1009的寬度大致等於Xg/50，並且凹結構1010的尺寸大致等於入g/100。當以這種方式使用尺寸小於或等於X g/2 (特別是小於等於X g/20)的凹凸結構時，結構中的反射、散射和折射等對于波長中的電磁波的影響是可忽略的，因此凹凸結構對於共振電場的影響減小，並且本例子的振蕩器的設計靈活性變大。在本例子中的元件中，同樣，抑制由於製造過程等在初期階段或操作中在半導體中導致的應變和缺陷，並因此實現諸如振蕩特性的特性的改善和穩定化。例子4·現在參照圖6A 6C描述根據本發明的例子4的振蕩器1100。芯層1102的活性層1101具有與例子I的情況類似的共振隧穿二極體結構，並且關於第一金屬層1103和第二金屬層1104和其它的部件，使用與例子I相同的結構。第二金屬層1104具有約ImmX 0. 05mm的矩形圖案，並被設計為獲得約0. 3THz的振蕩。注意，在圖6A 6C中，凸結構1109和凹結構(狹縫)1110的數量減少。在本例子中，在波導1107的一個端面附近的區域1120中，作為沿面內方向延伸的凹凸結構，分別在第一金屬層1103和第二金屬層1104中布置大量的狹縫1110和1112。狹縫1110和1112是2 iimX 50 iim的溝槽，並且在本例子中填充有BCB。狹縫1110和1112被布置為使得其單位長度的數量向著端面逐漸增加。換句話說，波導1107的第一金屬層1103和第二金屬層1104中的凹部和凸部的疏密度隨著接近波導的端面而逐漸改變。具體而言，狹縫1110和1112被布置成使得分別具有2 iim的寬度的狹縫1110和1112的每50 iim長度的數量以50 iim間距的增量增加至Ij 1、2、5、10和25個。在這種情況下，L' = 250 V- mo在本例子的結構中，在區域1120中，等效折射率向著端面逐漸減小，因此，該結構適于波導1107與外面之間的阻抗匹配，並且期望振蕩器的提取效率的改善。這裡使用的波導的外面指的是例如自由空間、傳輸線或具有低介電常數的電介質。並且，在本發明的另一變更例中，可通過部分改變第一金屬層1103和第二金屬層1104中的至少一個的凹部和凸部的疏密度，部分地改變波導的有效折射率。通過本例子的結構，可望同時實現波導1107的振蕩模式的穩定化和活性層中的應變的減少，並因此期望振蕩特性的改善和穩定化。並且，在DMW中，端面上的反射增加，並且射束圖案由于波導與空間之間的模式不匹配而發散，因此，從應用的觀點看，DMW具有有效使用和射束路由的問題。通過根據本發明的結構，可以提供容易實現波導與外面之間的阻抗匹配的高度有效的波導。並且，可通過使用與用於計算樣品等的狀態的運算單元組合的上述波導，提供圖7所示的裝置。例如，使用波導作為振蕩器，並且將樣品放置在波導的端部。樣品與從波導發送的電磁波交互作用，因此，對於發送的電磁波施加一些影響。向樣品施加的電磁波被樣品反射或透過該樣品，該電磁波被檢測器檢測。然後，諸如個人計算機的運算單元基於檢測信號計算樣品的狀態。具體而言，設想對於用於檢查機器條件等的工業檢查裝置的應用。 雖然已參照示例性實施例說明了本發明，但應理解，本發明不限於公開的示例性實施例。以下的權利要求的範圍應被賦予最寬的解釋以包含所有的變更方式和等同的結構和功能。
權利要求
1.一種波導,包括 第一導體層和第二導體層，由相對于波導模式的電磁波其介電常數的實部為負的負介電常數介質構成；和 芯層，與第一導體層和第二導體層接觸並被設置在二者之間，並且包含半導體部分，其中，至少第一導體層具有沿面內方向延伸的凹凸結構，以及其中，凹凸結構沿與波導模式中的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，並且包含多個凸部。
2.—種波導,包括 第一導體層和第二導體層，由相對于波導模式的電磁波其介電常數的實部為負的負介電常數介質構成；以及 芯層，與第一導體層和第二導體層接觸並被設置在二者之間，並且包含半導體部分， 其中，至少第一導體層具有沿面內方向延伸的凹凸結構，以及 凹凸結構具有小於λ g/2的間距長度，其中，Xg= λ/ηβ, λ是電磁波的波長，並且ne是波導的等效折射率。
3.—種波導,包括 第一導體層和第二導體層，由相對于波導模式的電磁波其介電常數的實部為負的負介電常數介質構成；以及 芯層，與第一導體層和第二導體層接觸並被設置在二者之間，並且包含半導體部分， 其中，至少第一導體層具有沿面內方向延伸的凹凸結構，以及 其中，凹凸結構具有小於100 μ m的間距長度。
4.根據權利要求I 3中的任一項的波導，其中，凹凸結構的凹部和凸部具有小於或等於Ag/2的寬度，其中，Xg= λ/ηβ, λ是電磁波的波長，並且\是波導的等效折射率。
5.根據權利要求I 3中的任一項的波導，其中，周期性地布置凹凸結構的凹部和凸部。
6.根據權利要求I 3中的任一項的波導，其中，凹凸結構的凹部至少被布置在要成為振蕩模式的共振電場中的節點的位置。
7.根據權利要求I 3中的任一項的波導，其中，第二導體層具有沿面內方向延伸的凹凸結構。
8.根據權利要求I 3中的任一項的波導，其中，芯層具有用於通過載流子的子帶間躍遷產生太赫茲波的多重量子阱結構。
9.根據權利要求I 3中的任一項的波導，其中，基板、第一導體層、芯層和第二導體層按該順序層疊。
10.根據權利要求I 3中的任一項的波導，其中，凹凸結構具有在接近波導的端面時逐漸改變的疏密度。
11.一種使用電磁波的裝置，包括 在權利要求I 3中的任一項中限定的波導；和 運算單元，用於檢測與樣品交互的電磁波，並基於檢測信號計算樣品的狀態。
12.一種根據權利要求I 3中的任一項的波導的製造方法，該方法包括 製備在其上表面上具有半導體層的第一基板；通過具有沿面內方向延伸的凹凸結構的第一導體層，將半導體層轉移到第二基板的上表面上；以及 在半導體層的上表面上形成第二導體層。
13.—種製造包括通過根據權利要求12的方法製造的波導的振蕩器的方法，其中，半導體層形成為具有電磁波增益的半導體層，並且波導形成為振蕩器的共振器。
全文摘要
本公開涉及波導、包括波導的裝置和波導的製造方法。提供一種能夠抑制由於製造過程等在初始階段或操作中在半導體中導致的應變和缺陷，以實現諸如振蕩特性的特性的改善和穩定化的波導以及該波導的製造方法。波導包括由相對于波導模式的電磁波介電常數的實部為負的負介電常數介質構成的第一導體層和第二導體層；和與第一導體層和第二導體層接觸並被設置在其間並包含半導體部分的芯層。至少第一導體層具有沿面內方向延伸的特定的凹凸結構。
文檔編號H01S5/20GK102790356SQ20121014848
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