JP6635376B2 - テラヘルツ素子およびテラヘルツ集積回路 - Google Patents
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Description
第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子30の模式的平面パターン構成として、ボータイアンテナの例は、図1(a)に示すように表され、ダイポールアンテナの例は、図1(b)に示すように表される。
第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子30の模式的ブロック構成は、図2(a)に示すように表される。
ZA=RA+jXA (1)
ここで、RAはアンテナ抵抗、jは虚数単位、XAはアンテナインピーダンスの虚数成分である。
第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、共振部とRTD部とアンテナ部近傍の拡大された模式的平面パターン構成(ボータイアンテナの例)は、図3に示すように表される。
1/jωL+jωC=0,RA || RN <=0 (2)
||は、並列合成抵抗を表す。
発振周波数f0は、次式(3)で表される。
f0=1/2π√LC (3)
基本的には,共振部を調整して、発振周波数f0を決定する。
RA || RN>0 (4)
発振器としての発振動作条件は、次式(5)で表される。
RA || RN <=0 (5)
第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、能動素子として適用したRTDの電流−電圧特性例は、図5に示すように表される。
一般的な平面アンテナ(R)と伝送線路(B)の配置例は、図9に示すように表される。また、一般的な平面アンテナ(R)のスミスチャート、伝送線路(B)のスミスチャートおよび第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、伝送線路によるインピーダンス調整したアンテナ(G)のスミスチャートは、図10に示すように表される。
ZA=Z0 2/RA (6)
ここで、Z0は、伝送線路の特性インピーダンスを表す。
このように得られた第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子(RTD発振器)のレイアウト(整合回路とアンテナ部分の詳細)を以下に示す。すなわち、第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子の具体的な構造寸法例として、ボータイアンテナの例は、図13(a)に示すように表され、第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子の具体的な構造寸法例として、ダイポールアンテナの例は、図13(b)に示すように表される。
第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、基本的な金属並列抵抗の実装例の模式的平面パターン構成は、図16に示すように表される。
第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子30に適用可能なRTD90の構成例は、図19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InGaAs層91aと、InGaAs層91a上に配置され、n型不純物をドープされたInGaAs層92aと、InGaAs層92a上に配置されたアンドープのInGaAs層93aと、InGaAs層93a上に配置されたアンドープのAlAs層94a/アンドープのInGaAs層95/アンドープのAlAs層94bから構成された量子井戸構造QWと、アンドープのAlAs層94b上に配置されたアンドープのInGaAs層93bと、InGaAs層93b上に配置され、n型不純物をドープされたInGaAs層92bと、InGaAs層92b上に配置され、n型不純物を高濃度にドープされたInGaAs層91bと、GaInAs層91b上に配置された第1の電極40と、InGaAs層91a上に配置された第2の電極20とを備える。
本実施の形態に係るテラヘルツ素子30には、例えばボータイアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、八木宇田アンテナ等など、平面集積可能なアンテナであればいずれも適用可能である。
第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子30のデバイス(共振器、アンテナ、伝送路を含む)の製造方法は、例えば、InP基板上に能動素子(RTD)用の半導体積層構造を成膜し、各部位の電極配線をパターニングすることで作製することができる。
更に、第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、半導体層による並列抵抗114Sを形成する例の模式的平面パターン構成は、図20に示すように表される。また、図20において、IV−IV線に沿う模式的断面構造は、図21に示すように表される。ここで、半導体層による並列抵抗114Sは、半絶縁性InP基板1上に配置された半導体層(n+InGaAs層91a)をパターニングすることで形成可能である。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路32の模式的平面パターン構成図(ボータイアンテナの例)は、図23(a)に示すように表され、図23(a)のB部分近傍の拡大図は、図23(b)に示すように表される。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路32の模式的ブロック構成は、図24に示すように表される。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においも、第1の実施の形態に係るテラヘルツ素子と同様に、デバイス(共振器、ミキサ、アンテナ、伝送路を含む)の製造方法は、例えば、InP基板上に能動素子(RTD)用の半導体積層構造を成膜し、各部位の電極配線をパターニングすることで作製することができる。
ヘテロダイン検波は、一般的に受信機方法の表現であるため、送信機に関しては高次変調、受信機はヘテロダインでそれぞれ表示する。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、高次変調送信機とヘテロダイン検波受信機の実装も可能である。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、アンテナ利得の周波数特性例は、図27に示すように表される。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、RTD90の3次元電磁界放射パターンのシミュレーション結果は、図28に示すように表される。RTD90が配置されるデバイス平面パターンに対して鉛直方向がZ方向、RTD90が配置される伝送線路に沿う延伸方向がY軸方向、Y軸方向に対して垂直方向がX軸方向に対応している。図28は、第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、RTD90として、300GHzにおける指向性を裏面反射鏡無しのRTDデバイス構造でシミュレーションした結果であり、特に裏面には、半球レンズを配置していない。第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、図28に示すように高い指向性 (アンテナ利得)が得られている。しかも、図28に示すように、単峰的な放射パターンが得られている。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、作製されたデバイスの測定結果であって、アンテナから放射されたテラヘルツ波(ミキサ入力信号無し)の規格化発振電力と周波数との関係(スペクトル)は、図29に示すように表される。
アンテナから放射されたテラヘルツ波(ミキサ入力信号なし)のスペクトル結果により、例えば、約301.6GHz近傍において、規格化電力は、約30dBが得られている。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路32において、構造の応用例1として、共振部を複数配列し、複数の機能素子をアレイ化した例の模式的ブロック構成は、図31に示すように表される。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路32において、構造の応用例2として、共振部を複数配列し、かつミキサ部に分岐結合して、複数の発振素子アレイで高出力化する例の模式的ブロック構成は、図32に示すように表される。
第2の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路32において、構造の応用例3として、I/Q位相の発振器と結合したI/Q位相のミキサ部を配列し、I/Q変復調機能を実現した例の模式的ブロック構成は、図33に示すように表される。
上記のように、実施の形態に係るテラヘルツ素子およびテラヘルツ集積回路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。
2B、4B…ボータイアンテナ(アンテナ電極)
2D、4D…ダイポールアンテナ(アンテナ電極)
9、130…層間絶縁膜
20P、20M…パッド電極(カソード電極)
40P、40M……パッド電極(アノード電極)
20、40…電極
20S、40S、20F、40F、120A、220R、220R1、220R2、…、220Rn、220D1、220D2、420M、420M1、420M2…伝送線路
30…テラヘルツ素子
32…テラヘルツ集積回路
50、50M…MIMリフレクタ
90、90M、901、902、…、90n…能動素子(RTD)
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
100A…アンテナ部
114、114S、260R、260R1、260R2、…、260Rn…並列抵抗(抵抗素子)
140A…アンテナ
150、150B、1501、1502…分岐部
150IQ…分配器
150H…分岐回路・HPF部
160、440M、440M1、440M2…高域通過フィルタ(HPF)
200R、200R1、200R2、…、200Rn…共振器
240R、240R1、240R2、…、240Rn、240D1、240D2…低域通過フィルタ(LPF)
300B、300B1、300B2、…、300Bn…バイアス電源供給部
300D、300R、300R1、300R2、…、300Rn…バイアス電源・データ信号供給部
300D1…バイアス電源・I-データ信号供給部
300D2…バイアス電源・Q-データ信号供給部
300IQ…I/Q位相発振器
400M、400M1、400M2…ミキサ部
500…90°位相変更器
Claims (32)
- 自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第1伝送線路と、
主電極がそれぞれ前記第1伝送線路に接続された能動素子と、
前記能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第2伝送線路と、
前記第2伝送線路に接続されたパッド電極と、
前記パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する低域通過フィルタと、
前記パッド電極に接続され、前記能動素子に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部と
を備え、
前記第1伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ素子。 - 前記低域通過フィルタは、MIMリフレクタを備えることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ素子。
- 前記パッド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1または2に記載のテラヘルツ素子。
- 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3に記載のテラヘルツ素子。
- 前記金属配線は、ビスマス、ニッケル、チタン、若しくは白金を備えることを特徴とする請求項4に記載のテラヘルツ素子。
- 前記抵抗素子は、半導体層を備えることを特徴とする請求項3に記載のテラヘルツ素子。
- 前記アンテナは、ボータイアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、リングアンテナ若しくは八木宇田アンテナを備え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。
- 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前記能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記第1の半導体層に接続され、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、前記第1の電極および前記第2の電極は、前記第1伝送線路に接続され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。 - 自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第1伝送線路とを有するアンテナ部と、
前記第1伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な能動素子と、
前記能動素子に接続され、前記能動素子に給電するための第2伝送線路と、前記第2伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する低域通過フィルタとを有する共振部と、
前記共振部に接続され、前記能動素子に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部と
を備え、
前記第1伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ素子。 - 少なくとも前記第2伝送線路と前記テラヘルツ波とにより共振部を構成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。
- 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1〜10のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子。
- 分岐部をさらに備え、
複数の前記能動素子および前記共振部を前記分岐部を介して、前記アンテナ部に接続したことを特徴とする請求項9または10に記載のテラヘルツ素子。 - 自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナ電極と、
前記アンテナ電極に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第1伝送線路と、
前記第1伝送線路と接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第3伝送線路と、
前記第3伝送線路に接続された第2パッド電極と、
前記第2パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する第2低域通過フィルタと、
主電極がそれぞれ前記第3伝送線路に接続された第2能動素子と、
前記第2能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第4伝送線路と、
前記第4伝送線路上、前記第2能動素子と離隔して配置され、主電極がそれぞれ前記第4伝送線路に接続された第1能動素子と、
前記第1能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第2伝送線路と、
前記第2伝送線路に接続された第1パッド電極と、
前記第1パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する第1低域通過フィルタと
を備え、
前記第1伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナ電極と前記第1能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ集積回路。 - 前記第4伝送線路は、前記テラヘルツ波に対する高域通過フィルタ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集積回路。
- 前記第1低域通過フィルタおよび前記第2低域通過フィルタは、MIMリフレクタを備えることを特徴とする請求項13または14に記載のテラヘルツ集積回路。
- 前記第1パッド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13〜15のいずれか1項に記載のテラヘルツ集積回路。
- 前記アンテナ電極は、ボータイアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、若しくは八木宇田アンテナを備えることを特徴とする請求項13〜16のいずれか1項に記載のテラヘルツ集積回路。
- 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前記第1能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記第1の半導体層に接続され、前記半導体基板上に配置された第2の電極と、
前記第1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、前記第1の電極および前記第2の電極は、前記第2伝送線路および前記第4伝送線路と接続されることを特徴とする請求項13〜17のいずれか1項に記載のテラヘルツ集積回路。 - 前記第1の半導体層上に積層化形成された前記第2能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記第1の半導体層に接続され、前記半導体基板上に配置された第4の電極と、
前記第2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4の電極に対向して配置された第3の電極と
を備え、前記第3の電極および前記第4の電極は、前記第3伝送線路および前記第4伝送線路と接続されることを特徴とする請求項18に記載のテラヘルツ集積回路。 - 自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第1伝送線路とを有するアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続されたミキサ部と、
前記ミキサ部を介して前記第1伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第1能動素子と、
前記第1能動素子に接続され、前記第1能動素子に給電するための第2伝送線路と、前記第2伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第1低域通過フィルタとを有する共振部と
を備え、
前記第1伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記第1能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ集積回路。 - 前記ミキサ部は、
前記第1伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第2能動素子と、
前記第2能動素子に接続され、前記第2能動素子に給電するための第3伝送線路と、
前記第3伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第2低域通過フィルタと、
前記第2能動素子に接続され、前記テラヘルツ波に対する高域通過フィルタと、
前記高域通過フィルタを介して前記第2能動素子に接続された第4伝送線路と
を備えることを特徴とする請求項20に記載のテラヘルツ集積回路。 - 前記共振部に接続され、前記第1能動素子に対するバイアス電源を供給するバイアス電源供給部をさらに備えることを特徴とする請求項21に記載のテラヘルツ集積回路。
- 前記ミキサ部に接続され、前記第2能動素子に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部をさらに備えることを特徴とする請求項21または22に記載のテラヘルツ集積回路。
- 第1分岐部をさらに備え、
前記第2能動素子および前記第3伝送線路は、前記第1分岐部を介して前記第1伝送線路に接続されることを特徴とする請求項21〜23のいずれか1項に記載のテラヘルツ集積回路。 - 第2分岐部をさらに備え、
複数の前記第1能動素子および前記共振部を前記第2分岐部を介して、前記ミキサ部に接続したことを特徴とする請求項21〜24のいずれか1項に記載のテラヘルツ集積回路。 - 自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第1伝送線路とを有するアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続された第1ミキサ部および第2ミキサ部と、
前記第1ミキサ部を介して前記第1伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可
能な第1能動素子と、
前記第2ミキサ部と前記第1能動素子との間に配置された90°位相変更器と、
前記第1能動素子に接続され、前記第1能動素子に給電するための第2伝送線路と、前記第2伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第1低域通過フィルタとを有する共振部と
を備え、
前記第1伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記第1能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ集積回路。 - 前記第1ミキサ部は、
前記第1伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第2能動素子と、
前記第2能動素子に接続され、前記第2能動素子に給電するための第3伝送線路と、
前記第3伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第2低域通過フィルタと、
前記第2能動素子に接続され、前記テラヘルツ波に対する第1高域通過フィルタと、
前記第1高域通過フィルタを介して前記第2能動素子に接続された第4伝送線路と
を備え、
前記第2ミキサ部は、
前記第1伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第3能動素子と、
前記第3能動素子に接続され、前記第3能動素子に給電するための第5伝送線路と、
前記第5伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第3低域通過フィルタと、
前記第3能動素子に接続され、前記テラヘルツ波に対する第2高域通過フィルタと、
前記第2高域通過フィルタを介して前記第3能動素子に接続された第6伝送線路と
を備え、
前記第1伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記第2能動素子および前記第3能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とする請求項26に記載のテラヘルツ集積回路。 - 前記共振部に接続され、前記第1能動素子に対するバイアス電源を供給するバイアス電源供給部をさらに備えることを特徴とする請求項26または27に記載のテラヘルツ集積回路。
- 前記第1ミキサ部に接続され、前記第2能動素子に対するバイアス電源およびI相データ信号を供給する第1バイアス電源・データ信号供給部と、
前記第2ミキサ部に接続され、前記第3能動素子に対するバイアス電源およびQ相データ信号を供給する第2バイアス電源・データ信号供給部と
をさらに備えることを特徴とする請求項27に記載のテラヘルツ集積回路。 - 第1分岐部および第2分岐部をさらに備え、
前記第2能動素子および前記第3伝送線路は、前記第1分岐部を介して前記第1伝送線路に接続され、
前記第3能動素子および前記第5伝送線路は、前記第2分岐部を介して前記第1伝送線路に接続されることを特徴とする請求項27に記載のテラヘルツ集積回路。 - 第3高域通過フィルタをさらに備え、
前記第1ミキサ部および前記第2ミキサ部は、前記第3高域通過フィルタを介して、前記アンテナ部に接続されることを特徴とする請求項26〜30のいずれか1項に記載のテラヘルツ集積回路。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載のテラヘルツ素子を備えることを特徴とするテラヘルツ集積回路。
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