專利名稱：波導(dǎo)、包括波導(dǎo)的裝置和波導(dǎo)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種波導(dǎo)及其制造方法。具體而言，本發(fā)明涉及用于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(dǎo)。
背景技術(shù)：
在太赫茲波的頻帶中，存在源自其結(jié)構(gòu)和狀態(tài)的生物材料、藥品和電子材料等的許多有機(jī)分子的吸收峰。并且，太赫茲波很容易穿透諸如紙、陶瓷、樹(shù)脂和布的材料。近年來(lái)，對(duì)于利用太赫茲波的這種特性的成像技術(shù)和感測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)。例如，期望將其應(yīng)用于替代X射線裝置的安全熒光透視檢查裝置和制造過(guò)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，使用基于半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)中的電子的子帶間躍遷的電磁波增益的結(jié)構(gòu)處于研究之中。Appl.Phys. Lett. 83,2124 (2003)提出了集成已知為低損失波導(dǎo)的雙側(cè)金屬波導(dǎo)(以下，也稱為DMW)作為共振器的太赫茲波帶量子級(jí)聯(lián)激光器(以下，也稱為QCL)。通過(guò)將感應(yīng)發(fā)射的太赫茲波引向在由約10 y m的厚度的半導(dǎo)體薄膜形成的增益介質(zhì)上下設(shè)置金屬的處于表面等離子體激元模的共振器結(jié)構(gòu)，該元件通過(guò)優(yōu)異的光束縛和低損失傳播獲得約3THz的激光振蕩。另一方面，已知多量子講結(jié)構(gòu)由于其被施加應(yīng)變(strain)而改變特性。在Sensorsand Actuators, A, 143 (2008), 230-236中，報(bào)告了共振隧穿二極管(以下，也稱為RTD)由于被施加應(yīng)變而改變特性。在Sensors and Actuators, A, 143 (2008)，230-236中，觀察到約IOOMPa的應(yīng)力下的約兩倍的負(fù)微分電阻變化。并且，公開(kāi)了美國(guó)專利No. 7693198所述的具有波導(dǎo)的激光器件。在Appl. Phys. Lett. 83，2124 (2003)中公開(kāi)的DMW具有兩個(gè)金屬層夾著具有約10 U m的厚度的半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)，并且，通過(guò)使用金屬接合技術(shù)等將半導(dǎo)體薄膜轉(zhuǎn)移到不同基板上來(lái)制造DMW。另一方面，眾所周知，由于制造過(guò)程，層疊具有不同的晶格常數(shù)和不同的熱膨脹系數(shù)的薄膜材料的結(jié)構(gòu)易于在其中導(dǎo)致殘余應(yīng)力。因此，在常規(guī)的結(jié)構(gòu)中，由于制造過(guò)程等導(dǎo)致的應(yīng)變或缺陷可改變作為增益介質(zhì)的半導(dǎo)體薄膜的特性以導(dǎo)致振蕩特性的劣化或不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問(wèn)題，提出本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)包括由相對(duì)于波導(dǎo)模式的電磁波其介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)的負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)構(gòu)成的第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層；芯層，與第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層接觸并被設(shè)置在二者之間，并包含半導(dǎo)體部分。至少第一導(dǎo)體層具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)，此外，滿足以下要求中的至少一個(gè)(1)凹凸結(jié)構(gòu)沿與波導(dǎo)模式的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，并具有多個(gè)凸部；(2)凹凸結(jié)構(gòu)具有小于X g/2的間距長(zhǎng)度，其中，Ag= A/ne, A是電磁波的波長(zhǎng)，并且\是波導(dǎo)的等效折射率；和(3)凹凸結(jié)構(gòu)具有小于lOOym的間距長(zhǎng)度。
此外，鑒于上述的問(wèn)題，提出本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)的制造方法包括制備在其上表面具有半導(dǎo)體層的第一基板；通過(guò)具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)的第一導(dǎo)體層將半導(dǎo)體層轉(zhuǎn)移到第二基板的上表面上；和在半導(dǎo)體層的上表面上形成第二導(dǎo)體層。在根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)中，可以使用具有設(shè)置在其中的易于塑性變形的凹凸結(jié)構(gòu)的第一導(dǎo)體層作為接合層，并因此可在相對(duì)低溫和相對(duì)低負(fù)載下轉(zhuǎn)移半導(dǎo)體膜。并且，通過(guò)設(shè)計(jì)凹凸結(jié)構(gòu)中的凹部和凸部的尺寸和配置以滿足以下三個(gè)條件中的任何一個(gè)，可抑制諸如DMW的波導(dǎo)對(duì)于共振電場(chǎng)等的影響(1)凹凸結(jié)構(gòu)沿與波導(dǎo)模式的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，并具有多個(gè)凸部；(2)凹凸結(jié)構(gòu)具有小于Ag/2的間距長(zhǎng)度，其中，Xg=入/ne, A是電磁波的波長(zhǎng)，并且\是波導(dǎo)的等效折射率；和(3)凹凸結(jié)構(gòu)具有小于lOOym的間距長(zhǎng)度。這實(shí)現(xiàn)諸如振蕩器的元件，該振蕩器在保持共振結(jié)構(gòu)等的同時(shí)通過(guò)減少成為要解決的問(wèn)題的諸如活性層的半導(dǎo)體部分的由轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的殘余應(yīng)變，在諸如太赫茲波帶的頻帶中穩(wěn)定地工作。以這種方式，可以提供減少由于制造過(guò)程等導(dǎo)致的應(yīng)變和缺陷、并且在諸如太赫茲波帶的頻帶中穩(wěn)定地工作的半導(dǎo)體元件和該半導(dǎo)體元件的制造方法。參照附圖閱讀示例性實(shí)施例的以下說(shuō)明，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。·


圖1A、圖IB和圖IC是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)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(jù)本發(fā)明的實(shí)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(jù)本發(fā)明的元件的制造方法的例子的示圖。圖4A、圖4B和圖4C是示出根據(jù)本發(fā)明的例子2的元件的示圖。圖5A、圖5B和圖5C是不出根據(jù)本發(fā)明的例子3的兀件的不圖。圖6A、圖6B和圖6C是不出根據(jù)本發(fā)明的例子4的兀件的不圖。圖7是示出使用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和例子的元件的應(yīng)用例的示圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及包含夾在用于限定波導(dǎo)的負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)的兩個(gè)導(dǎo)體層之間的芯層的波導(dǎo)，其中，導(dǎo)體層中的至少一個(gè)具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)。此外，滿足以下要求中的至少一個(gè)(I)凹凸結(jié)構(gòu)沿與波導(dǎo)模式的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，并具有多個(gè)凸部；(2)凹凸結(jié)構(gòu)具有小于入g/2的間距長(zhǎng)度，其中，Xg= X/ne, X是電磁波的波長(zhǎng)，并且ne是波導(dǎo)的等效折射率；和(3)凹凸結(jié)構(gòu)具有小于100 的間距長(zhǎng)度。凹凸結(jié)構(gòu)可以是沿厚度方向通過(guò)導(dǎo)體層的貫通溝槽、通過(guò)沿厚度方向下挖到導(dǎo)體層的中途獲得的封閉(blind)的溝槽、或設(shè)置在導(dǎo)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，并且可以是填充有物質(zhì)的空間。根據(jù)本發(fā)明，可通過(guò)易于塑性變形的導(dǎo)體層的凹凸結(jié)構(gòu)實(shí)施低溫低負(fù)載下的接合，并且，只要可以實(shí)施這種接合，就可以在導(dǎo)體層中形成任何類型的凹凸結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)可被用作用于電磁波的簡(jiǎn)單波導(dǎo)，并且，如在后面的實(shí)施例和例子中描述的那樣，波導(dǎo)的芯層可具有電磁波增益部分，以形成振蕩器、電磁波檢測(cè)元件、電磁波放大元件等。并且，為了進(jìn)一步增強(qiáng)本發(fā)明的效果，導(dǎo)體層和芯層中的另一個(gè)可具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)，使得可進(jìn)一步抑制在芯層的半導(dǎo)體部分中導(dǎo)致的應(yīng)變和缺陷。以下參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例和例子的波導(dǎo)、包含該波導(dǎo)的元件、和該波導(dǎo)的制造方法。
實(shí)施例參照?qǐng)DIA IC描述包括根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的波導(dǎo)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(dǎo)107作為共振器的激光器件，波導(dǎo)107包含具有電磁波增益的芯層102、和作為相對(duì)于波導(dǎo)模式的電磁波其介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)的負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)的導(dǎo)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(shí) 施例中，波導(dǎo)107是被稱為DMW的光學(xué)波導(dǎo)，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(yōu)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(dǎo)波長(zhǎng)。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(dǎo)107傳播。波導(dǎo)波長(zhǎng)Ag由Xg= X/ne表示，其中，X是電磁波的波長(zhǎng)，并且ne是波導(dǎo)107的等效折射率。并且，為了以Ag的波導(dǎo)波長(zhǎng)獲得振蕩模式，如在半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域中已知的那樣，作為電磁波的傳播方向的波導(dǎo)107的縱向的長(zhǎng)度L被設(shè)為\ g/2的整數(shù)倍。芯層102包含作為具有用于通過(guò)載流子的子帶間躍遷產(chǎn)生太赫茲波的多量子阱結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體部分的活性層101，并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(jié)構(gòu)或具有幾百到幾千個(gè)層的半導(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)的量子級(jí)聯(lián)激光結(jié)構(gòu)是合適的。本實(shí)施例被描述為使用共振隧穿結(jié)構(gòu)(RTD)作為活性層101的情況。RTD在負(fù)微分電阻區(qū)域中具有基于光子輔助隧穿現(xiàn)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(shè)置用于連接活性層101與第二金屬層104以及與第一金屬層103的重度摻雜半導(dǎo)體層。如上所述，第二金屬層104和第一金屬層103分別位于芯層102之上和之下。從基板105側(cè)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(jī)械接觸和電接觸。這允許作為活性層101的RTD通過(guò)在第一金屬層103和第二金屬層104之間施加的電壓而被驅(qū)動(dòng)。第一金屬層103具有沿其面內(nèi)方向延伸并且其中周期性地布置凹部和凸部的微細(xì)凹凸結(jié)構(gòu)。這里使用的凹凸結(jié)構(gòu)指的是例如在金屬層的一部分中形成的溝槽、空穴、柱狀結(jié)構(gòu)、突起結(jié)構(gòu)或不貫通金屬層的凹陷結(jié)構(gòu)。換句話說(shuō)，第一金屬層103具有在其中形成的沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)的圖案。例如，在圖IA IC的情況下，凹凸結(jié)構(gòu)中的凸結(jié)構(gòu)109和凹結(jié)構(gòu)110分別與厚度方向的金屬部分和通孔對(duì)應(yīng)。在這種情況下，第一金屬層103由以矩陣圖案布置的多個(gè)凸塊形成。具有凹凸結(jié)構(gòu)的圖案的金屬膜比平滑和連續(xù)的金屬膜更易于塑性變形，因此，通過(guò)如在本實(shí)施例中那樣使用第一金屬層103作為接合層,可以實(shí)施低溫低負(fù)載下的接合。特別地，本實(shí)施例的特征是凹凸結(jié)構(gòu)。具體而言，其特征在于以下的三個(gè)特征
(I)凹凸結(jié)構(gòu)沿與波導(dǎo)模式的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，并具有多個(gè)凸部；(2)凹凸結(jié)構(gòu)的間距長(zhǎng)度小于Ag/2，其中，Ag= A/ne, A是電磁波的波長(zhǎng)，并且ne是波導(dǎo)的等效折射率；和(3)凹凸結(jié)構(gòu)的間距長(zhǎng)度小于100 Pm。通過(guò)設(shè)置這種結(jié)構(gòu)，凹凸結(jié)構(gòu)可被視為可忽略反射、散射、折射等對(duì)于波導(dǎo)模式中的電磁波的影響的結(jié)構(gòu)。作為凹凸結(jié)構(gòu)的圖案，優(yōu)選微細(xì)并且具有高的縱橫比(高度方向的長(zhǎng)度與橫向的長(zhǎng)度的比)的結(jié)構(gòu)。這是由于，在這種結(jié)構(gòu)中，應(yīng)力易于集中，并且塑性滑移(slip)中的位錯(cuò)線(dislocation line)易于消失，因此，該結(jié)構(gòu)變得更易于塑性變形。具體而言，優(yōu)選各方向的凹凸結(jié)構(gòu)的凹部和凸部的寬度和高度在約IOOiim 約0. Iym的范圍中。上限是從可在半導(dǎo)體制造過(guò)程中形成的薄膜的厚度被估計(jì)為約100 的事實(shí)而確定的。下限是從波導(dǎo)107在第一金屬層103的厚度大于或等于太赫茲波的表皮深度的深度(約0. 2iim)時(shí)用作等離子體激元波導(dǎo)的事實(shí)確定的。并且，當(dāng)縱橫比大于或等于0.5時(shí)，該結(jié)構(gòu)更易于塑性變形。但是，本發(fā)明不限于此，并且只要在第一金屬層103中形成凹凸結(jié)構(gòu)的圖案，就可期望實(shí)現(xiàn)一定程度的效果。優(yōu)選凹凸結(jié)構(gòu)的圖案的尺寸為振蕩器100的振蕩模式中的波導(dǎo)波長(zhǎng)\ g或更小，并且一般地，Xg/2 Xg/20的范圍是合適的。這與根據(jù)本實(shí)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的范圍等同，并且基本上與上述的范圍一致。原因是，由·于尺寸為波長(zhǎng)的1/10的結(jié)構(gòu)可一般被視為可忽略反射、散射、折射等對(duì)于該波長(zhǎng)的電磁波的影響的結(jié)構(gòu)，因此可以減少凹凸結(jié)構(gòu)對(duì)于共振電場(chǎng)的影響。并且，關(guān)于凹凸結(jié)構(gòu)中的凹部和凸部的圖案，可參照振蕩模式中的共振電場(chǎng)周期性地布置凹部和凸部。例如，當(dāng)在要成為共振電場(chǎng)中的節(jié)點(diǎn)的位置處布置凹凸結(jié)構(gòu)中的凹部時(shí)，不管凹凸結(jié)構(gòu)的尺寸如何，都可減少對(duì)于共振電場(chǎng)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(chǎng)中的節(jié)點(diǎn)的位置處以、g/2的間距周期性地布置凹結(jié)構(gòu)110。可使用通過(guò)使用金屬接合技術(shù)等將在某基板上生長(zhǎng)的半導(dǎo)體薄膜轉(zhuǎn)移到另一基板上的薄膜轉(zhuǎn)移過(guò)程，形成金屬薄膜如在DMW結(jié)構(gòu)中那樣夾著半導(dǎo)體薄膜的結(jié)構(gòu)。在該制造過(guò)程中，由于熱膨脹系數(shù)差導(dǎo)致的熱應(yīng)力或接合界面周圍的應(yīng)力集中會(huì)在半導(dǎo)體薄膜中導(dǎo)致應(yīng)變。例如，制造過(guò)程的熱滯后可在半導(dǎo)體薄膜中導(dǎo)致約± IGPa的范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力(約0. I 1%的范圍內(nèi)的殘余應(yīng)變)。在根據(jù)本實(shí)施例的元件中，使用具有設(shè)置在其中的易于塑性變形的微細(xì)凹凸結(jié)構(gòu)的第一金屬層103作為接合層，并因此可在低溫下以低的負(fù)載實(shí)施上述的轉(zhuǎn)移過(guò)程。并且，通過(guò)設(shè)計(jì)凹凸結(jié)構(gòu)中的凹部和凸部的尺寸和布置，抑制DMW對(duì)于共振電場(chǎng)的影響。這使得能夠在保持共振結(jié)構(gòu)的同時(shí)減少作為要被解決的問(wèn)題的活性層101的轉(zhuǎn)移引起的殘余應(yīng)變。因此，可望實(shí)現(xiàn)在諸如太赫茲波帶的頻帶中穩(wěn)定地工作的元件。圖2A 2G是示出本實(shí)施例的元件的變更例的示圖。根據(jù)本發(fā)明，該結(jié)構(gòu)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(gè)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(gè)中空部分410的圖案。在振蕩器200和振蕩器400的結(jié)構(gòu)中，與芯層接觸的第一金屬層是平滑的，并且不管布置和尺寸如何，都減少凹凸結(jié)構(gòu)(包含凸部209、309或409)對(duì)共振電場(chǎng)的影響。在這種情況下，當(dāng)?shù)谝唤饘賹拥钠交糠直忍掌澆ǖ谋砥ど疃壬顣r(shí)，對(duì)于共振電場(chǎng)的影響進(jìn)一步減少。并且，如振蕩器500和700那樣，該結(jié)構(gòu)可使得芯層不連續(xù)，并且，如振蕩器600和振蕩器700那樣，該結(jié)構(gòu)可使得第二金屬層也具有布置于其中的凹凸結(jié)構(gòu)。并且，當(dāng)芯層不連續(xù)時(shí)，通過(guò)在其中布置電介質(zhì)或絕緣體的間隔件513或間隔件713，元件變得在機(jī)械上更穩(wěn)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，并且第二金屬層具有凸部611或711和凹部612或712。并且，當(dāng)該結(jié)構(gòu)使得通過(guò)將具有凸結(jié)構(gòu)的金屬層803a配入具有凹結(jié)構(gòu)的金屬層803b中形成第一金屬層803時(shí)，該結(jié)構(gòu)易于塑性變形，并因此可實(shí)施低溫低負(fù)載下的接合?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3A 3D描述波導(dǎo)的制造方法的例子。該制造方法包括通過(guò)具有凹凸結(jié)構(gòu)的第一金屬層在第一基板和第二基板上接合半導(dǎo)體層的步驟。具體而言，通過(guò)以下面的步驟制造在本實(shí)施例中描述的元件100和要成為元件的共振器的波導(dǎo)，可以減少由于制造過(guò)程等在初期或在操作中在半導(dǎo)體中導(dǎo)致的應(yīng)變和缺陷。當(dāng)半導(dǎo)體層包含具有電磁波增益的活性層時(shí)，制造包含波導(dǎo)作為共振器的振蕩器100。波導(dǎo)包含由彼此相鄰的兩個(gè)導(dǎo)體層構(gòu)成使得其間的距離小于或等于波導(dǎo)波長(zhǎng)\ g的包層、和設(shè)置在導(dǎo)體層之間的半導(dǎo)體層的芯層。在包括以下步驟(A) (D)的過(guò)程中制造波導(dǎo)(A)制備在其上表面上具有半導(dǎo)體層120的第一基板121的步驟；(B)通過(guò)具有凹凸結(jié)構(gòu)的第一金屬層123在第一基板121和第二基板122上接合半導(dǎo)體層120的步驟；(C)使第一基板121與半導(dǎo)體層120分離的·步驟；和(0)在第二基板122上的半導(dǎo)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(shí)施例中，即使通過(guò)作為包含不同類型的膜的材料的金屬的層疊結(jié)構(gòu)(導(dǎo)體層)/半導(dǎo)體部分/金屬(導(dǎo)體層)，也可在相對(duì)低溫、相對(duì)低負(fù)載下轉(zhuǎn)移半導(dǎo)體膜。因此，可以提供抑制由于制造過(guò)程等在半導(dǎo)體部分中導(dǎo)致的應(yīng)變和缺陷的元件和該元件的制造方法。因此，根據(jù)本實(shí)施例，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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(xiàn)在參照?qǐng)DIA IC和圖3A 3D描述根據(jù)本發(fā)明的例子I的振蕩器。在本例子中，作為具有用于通過(guò)子帶間躍遷產(chǎn)生太赫茲波的多量子阱結(jié)構(gòu)的活性層101，使用按與InP基板匹配的晶格的基于InGaAs/InAlAs的共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)?；钚詫?01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(dǎo)體多層結(jié)構(gòu)。在其厚度后面具有星號(hào)(*)的InGaAs層是要成為量子阱層的層，而沒(méi)有星號(hào)(*)的基于InAlAs的材料要成為用于形成三重勢(shì)壘共振隧穿結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘層。不按與InP基板匹配的晶格的AlAs層比臨界薄膜更薄，并且是高能量勢(shì)壘。并且，在摻雜有高濃度載流子的頂部和底部的n-InGaAs層是用于對(duì)于共振隧穿結(jié)構(gòu)注入/提取電子的發(fā)射極/集電極。被設(shè)置在發(fā)射極/集電極層與勢(shì)壘層之間的InGaAs (5nm)層是用于防止作為摻雜材料的Si擴(kuò)散的層。芯層102包含上述的活性層101和被設(shè)置在活性層101之上和之下并且摻雜有高濃度載流子的n-InGaAs層(lX1019cm_3)。摻雜層以相對(duì)較低的電阻連接芯層102與分別設(shè)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(gè)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)，并且第二金屬層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，并且與第一金屬層103機(jī)械和電氣連接。振蕩器100通過(guò)第二金屬層104、第一金屬層103和基板105與電源連接，并且，向其供給用于驅(qū)動(dòng)的偏壓電壓。通過(guò)上述的結(jié)構(gòu)，振蕩器100在負(fù)微分電阻區(qū)域中基于光子輔助隧穿現(xiàn)象產(chǎn)生毫米波到太赫茲波的頻帶中的電磁波。波導(dǎo)107具有Fabry-Perot共振器結(jié)構(gòu)，并且沿電磁波的傳播方向包含至少兩個(gè)端面。用于通過(guò)使用來(lái)自端面的反射導(dǎo)致電磁波成為駐波的波導(dǎo)107的傳播方向(波導(dǎo)107的縱向)的長(zhǎng)度L是確定振蕩波長(zhǎng)的因素。在本例子中，波導(dǎo)107的長(zhǎng)度L是1_，該長(zhǎng)度為入g的20倍，并且波導(dǎo)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(xì)的凹凸結(jié)構(gòu)。在本例子中，凸結(jié)構(gòu)109與金屬部分對(duì)應(yīng)，并且凹結(jié)構(gòu)110與通孔對(duì)應(yīng)。間距長(zhǎng)度為凹部的長(zhǎng)度與凸部的長(zhǎng)度的和。與波導(dǎo)模式中的電磁波的傳播方向平行的間距長(zhǎng)度由PLl表示，并且在面內(nèi)與傳播方向垂直的方向的間距長(zhǎng)度由PL2表不。凸結(jié)構(gòu)109具有Au的凸塊結(jié)構(gòu)，該凸塊結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)107的縱向上的寬度為24 U m、 在波導(dǎo)107的橫向的寬度為24 iim (正方形形狀)并且高度為20 iim。以25 y m (Ag/2)的間距長(zhǎng)度沿波導(dǎo)107的縱向布置40個(gè)凸結(jié)構(gòu)109，并且以25 ii m U g/2)的間距長(zhǎng)度沿波導(dǎo)107的橫向布置2個(gè)凸結(jié)構(gòu)109。以這種方式，凹凸結(jié)構(gòu)被設(shè)置為沿與波導(dǎo)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，為了便于理解結(jié)構(gòu)的特性，減少凸結(jié)構(gòu)109和凹結(jié)構(gòu)110的數(shù)量。凹結(jié)構(gòu)110被布置在要成為振蕩器100的振蕩模式中的共振電場(chǎng)中的節(jié)點(diǎn)的位置上。在本例子中，波導(dǎo)107的端面是開(kāi)放端，并且距端面的X g/4的位置是共振電場(chǎng)中的第一節(jié)點(diǎn)的位置。凹結(jié)構(gòu)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(shù)脂或諸如SiO2的無(wú)機(jī)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(dǎo)107中，電磁波在表面等離子體激元模式中通過(guò)活性層101的薄的本征半導(dǎo)體層傳播。在本例子中，振蕩頻率為0. 3THz時(shí)的波導(dǎo)的等效折射率被設(shè)計(jì)為約20，并且振蕩模式中的波導(dǎo)波長(zhǎng)入8被設(shè)計(jì)為50^111。因此，凸結(jié)構(gòu)109的尺寸大致等于Ag/2，并且間距長(zhǎng)度等于Ag/2，并且凹結(jié)構(gòu)110的尺寸大致等于X g/50?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3A 3D描述根據(jù)本發(fā)明的振蕩器100的制造方法。(A)作為第一基板121，制備具有在其上外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層120的InP基板。半導(dǎo)體層120與圖IA IC所示的包含活性層101的芯層102對(duì)應(yīng)。(B)在第一基板121的上表面(上面設(shè)置半導(dǎo)體層120的表面)上形成通過(guò)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(guò)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(duì)，并且在通過(guò)Ar高頻等離子體激活A(yù)u凸塊和Au薄膜的表面之后，在室溫下加壓，使這些上表面相互接合。這里，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(jié)構(gòu)129和作為通孔的凹結(jié)構(gòu)130。第二基板122是導(dǎo)電GaAs基板，并與圖IA IC所示的基板105對(duì)應(yīng)。(C)InP基板通過(guò)研磨和鹽酸蝕刻從整個(gè)基板被去除，以使半導(dǎo)體層120與第一基板121分離，以將其轉(zhuǎn)移到第二基板122上。
(D)半導(dǎo)體層120和第一金屬層123通過(guò)光刻和干蝕刻成形。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，并且抑制由于制造過(guò)程等在初期階段或操作中在半導(dǎo)體中導(dǎo)致的應(yīng)變和缺陷，并因此實(shí)現(xiàn)諸如振蕩特性的特性的改善和穩(wěn)定化。本發(fā)明不限于本例子的上述結(jié)構(gòu)，并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(zhǎng)的InGaAs/InAlAs和InGaAs/AlAs形成的三重勢(shì)壘共振隧穿二極管。但是，本發(fā)明不限于這種結(jié)構(gòu)和材料，并且其它結(jié)構(gòu)和材料的其它組合也可提供半導(dǎo)體元件。例如，也可以使用具有雙重勢(shì)壘量子阱結(jié)構(gòu)的共振隧穿二極管、具有四重或更多重的多重勢(shì)壘量子阱結(jié)構(gòu)的共振隧穿二極管、通過(guò)量子級(jí)聯(lián)激光器獲知的具有級(jí)聯(lián)連接的多量子阱結(jié)構(gòu)等。關(guān)于材料的組合，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(jù)希望的頻率等適當(dāng)?shù)剡x擇結(jié)構(gòu)和材料。
·
并且，在本例子中，在假定載流子是電子的情況下進(jìn)行描述。但是，本發(fā)明不限于此，并且也可使用正空穴(空穴)。并且，可根據(jù)應(yīng)用目的選擇基板的材料，并且也可以使用諸如硅基板、砷化鎵基板、砷化銦基板或磷化鎵基板的半導(dǎo)體基板，玻璃基板，陶瓷基，樹(shù)脂基板等。并且，作為第一金屬層103和第二金屬層104,可適當(dāng)?shù)厥褂媒饘?Ag、Au、Cu、Al或AuIn合金等)或半金屬(Bi、Sb、ITO、ErAs等)。應(yīng)當(dāng)理解,作為導(dǎo)體,可以使用重度摻雜的半導(dǎo)體。并且，作為間隔件513或713，適當(dāng)?shù)厥褂弥T如Si02、TE0S、多晶硅、SiNx、AlN或TiO2的無(wú)機(jī)材料或諸如BCB (苯并環(huán)丁烯)、SU-8或聚酰亞胺的有機(jī)材料。并且，也可使用重復(fù)生長(zhǎng)的低導(dǎo)電本征半導(dǎo)體。這些變更例類似地適于其它的實(shí)施例和例子。例子2現(xiàn)在參照?qǐng)D4A 4C描述根據(jù)本發(fā)明的例子2的振蕩器900?；钚詫?01使用在Appl. Phys. Lett. 83,2124 (2003)中公開(kāi)的量子級(jí)聯(lián)激光器結(jié)構(gòu)。包含活性層901的芯層902是約10 y m的厚度的半導(dǎo)體薄膜。關(guān)于第一金屬層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(kāi)的結(jié)構(gòu)。第二金屬層904具有約2. 6mmX0. 15mm的矩形圖案，并且被設(shè)計(jì)為獲得約3THz的振蕩。注意，在該結(jié)構(gòu)中，振蕩頻率為3THz時(shí)的波導(dǎo)907的等效折射率約為3，并且波導(dǎo)波長(zhǎng)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(jié)構(gòu)909之間的凹結(jié)構(gòu)910，在距波導(dǎo)907的兩個(gè)端面約I. 3mm的位置(即在波導(dǎo)907的中間)形成3 y mX 150 y m的溝槽。并且，在第二金屬層904中，作為凹結(jié)構(gòu)912a和912b，在分別距波導(dǎo)907的兩個(gè)端面約0. 65mm的位置形成9 y mX 150 u m的矩形溝槽。凹結(jié)構(gòu)912a和912b以外的部分是凸結(jié)構(gòu)901。如在本例子中那樣，不管凹結(jié)構(gòu)910的位置如何，只要形成凹結(jié)構(gòu)910使其尺寸小于或等于X g/2 (這里，Ag是波導(dǎo)波長(zhǎng))就抑制對(duì)于共振電場(chǎng)的影響。并且，凸結(jié)構(gòu)909的尺寸大于或等于波導(dǎo)波長(zhǎng)\ g，因此，波導(dǎo)907可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光束縛和低損失傳播。因此，通過(guò)本例子的結(jié)構(gòu)，可望同時(shí)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)907的振蕩模式的穩(wěn)定化和活性層中的應(yīng)變的減少，并因此有望獲得振蕩特性的改善和穩(wěn)定化。例子3現(xiàn)在參照?qǐng)D5A 5C描述根據(jù)本發(fā)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具有共振隧穿二極管結(jié)構(gòu)，并且關(guān)于第一金屬層1003和第二金屬層1004和其它部件，使用與例子I相同的結(jié)構(gòu)。第二金屬層1004具有約ImmXO. 05mm的矩形圖案，并且被設(shè)計(jì)為獲得約0. 3THz的振蕩。注意，在圖5A 5C中，凸結(jié)構(gòu)1009和凹結(jié)構(gòu)1010的數(shù)量減少。在本例子的基板1005上的第一金屬層1003中，作為凸結(jié)構(gòu)1009，以I. 5iim(入g/20)的間距長(zhǎng)度沿波導(dǎo)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(jié)構(gòu)1009的寬度大致等于Xg/50，并且凹結(jié)構(gòu)1010的尺寸大致等于入g/100。當(dāng)以這種方式使用尺寸小于或等于X g/2 (特別是小于等于X g/20)的凹凸結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)中的反射、散射和折射等對(duì)于波長(zhǎng)中的電磁波的影響是可忽略的，因此凹凸結(jié)構(gòu)對(duì)于共振電場(chǎng)的影響減小，并且本例子的振蕩器的設(shè)計(jì)靈活性變大。在本例子中的元件中，同樣，抑制由于制造過(guò)程等在初期階段或操作中在半導(dǎo)體中導(dǎo)致的應(yīng)變和缺陷，并因此實(shí)現(xiàn)諸如振蕩特性的特性的改善和穩(wěn)定化。例子4·現(xiàn)在參照?qǐng)D6A 6C描述根據(jù)本發(fā)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管結(jié)構(gòu)，并且關(guān)于第一金屬層1103和第二金屬層1104和其它的部件，使用與例子I相同的結(jié)構(gòu)。第二金屬層1104具有約ImmX 0. 05mm的矩形圖案，并被設(shè)計(jì)為獲得約0. 3THz的振蕩。注意，在圖6A 6C中，凸結(jié)構(gòu)1109和凹結(jié)構(gòu)(狹縫)1110的數(shù)量減少。在本例子中，在波導(dǎo)1107的一個(gè)端面附近的區(qū)域1120中，作為沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)，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，并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(zhǎng)度的數(shù)量向著端面逐漸增加。換句話說(shuō)，波導(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)度的數(shù)量以50 iim間距的增量增加至Ij 1、2、5、10和25個(gè)。在這種情況下，L' = 250 V- mo在本例子的結(jié)構(gòu)中，在區(qū)域1120中，等效折射率向著端面逐漸減小，因此，該結(jié)構(gòu)適于波導(dǎo)1107與外面之間的阻抗匹配，并且期望振蕩器的提取效率的改善。這里使用的波導(dǎo)的外面指的是例如自由空間、傳輸線或具有低介電常數(shù)的電介質(zhì)。并且，在本發(fā)明的另一變更例中，可通過(guò)部分改變第一金屬層1103和第二金屬層1104中的至少一個(gè)的凹部和凸部的疏密度，部分地改變波導(dǎo)的有效折射率。通過(guò)本例子的結(jié)構(gòu)，可望同時(shí)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)1107的振蕩模式的穩(wěn)定化和活性層中的應(yīng)變的減少，并因此期望振蕩特性的改善和穩(wěn)定化。并且，在DMW中，端面上的反射增加，并且射束圖案由于波導(dǎo)與空間之間的模式不匹配而發(fā)散，因此，從應(yīng)用的觀點(diǎn)看，DMW具有有效使用和射束路由的問(wèn)題。通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可以提供容易實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與外面之間的阻抗匹配的高度有效的波導(dǎo)。并且，可通過(guò)使用與用于計(jì)算樣品等的狀態(tài)的運(yùn)算單元組合的上述波導(dǎo)，提供圖7所示的裝置。例如，使用波導(dǎo)作為振蕩器，并且將樣品放置在波導(dǎo)的端部。樣品與從波導(dǎo)發(fā)送的電磁波交互作用，因此，對(duì)于發(fā)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(guò)該樣品，該電磁波被檢測(cè)器檢測(cè)。然后，諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單元基于檢測(cè)信號(hào)計(jì)算樣品的狀態(tài)。具體而言，設(shè)想對(duì)于用于檢查機(jī)器條件等的工業(yè)檢查裝置的應(yīng)用。 雖然已參照示例性實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明不限于公開(kāi)的示例性實(shí)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和等同的結(jié)構(gòu)和功能。
權(quán)利要求
1.一種波導(dǎo),包括 第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層，由相對(duì)于波導(dǎo)模式的電磁波其介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)的負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)構(gòu)成；和 芯層，與第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層接觸并被設(shè)置在二者之間，并且包含半導(dǎo)體部分，其中，至少第一導(dǎo)體層具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)，以及其中，凹凸結(jié)構(gòu)沿與波導(dǎo)模式中的電磁波的傳播方向垂直的方向布置，并且包含多個(gè)凸部。
2.—種波導(dǎo),包括 第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層，由相對(duì)于波導(dǎo)模式的電磁波其介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)的負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)構(gòu)成；以及 芯層，與第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層接觸并被設(shè)置在二者之間，并且包含半導(dǎo)體部分， 其中，至少第一導(dǎo)體層具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)，以及 凹凸結(jié)構(gòu)具有小于λ g/2的間距長(zhǎng)度，其中，Xg= λ/ηβ, λ是電磁波的波長(zhǎng)，并且ne是波導(dǎo)的等效折射率。
3.—種波導(dǎo),包括 第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層，由相對(duì)于波導(dǎo)模式的電磁波其介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)的負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)構(gòu)成；以及 芯層，與第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層接觸并被設(shè)置在二者之間，并且包含半導(dǎo)體部分， 其中，至少第一導(dǎo)體層具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)，以及 其中，凹凸結(jié)構(gòu)具有小于100 μ m的間距長(zhǎng)度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)的波導(dǎo)，其中，凹凸結(jié)構(gòu)的凹部和凸部具有小于或等于Ag/2的寬度，其中，Xg= λ/ηβ, λ是電磁波的波長(zhǎng)，并且\是波導(dǎo)的等效折射率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)的波導(dǎo)，其中，周期性地布置凹凸結(jié)構(gòu)的凹部和凸部。
6.根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)的波導(dǎo)，其中，凹凸結(jié)構(gòu)的凹部至少被布置在要成為振蕩模式的共振電場(chǎng)中的節(jié)點(diǎn)的位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)的波導(dǎo)，其中，第二導(dǎo)體層具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)的波導(dǎo)，其中，芯層具有用于通過(guò)載流子的子帶間躍遷產(chǎn)生太赫茲波的多重量子阱結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)的波導(dǎo)，其中，基板、第一導(dǎo)體層、芯層和第二導(dǎo)體層按該順序?qū)盈B。
10.根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)的波導(dǎo)，其中，凹凸結(jié)構(gòu)具有在接近波導(dǎo)的端面時(shí)逐漸改變的疏密度。
11.一種使用電磁波的裝置，包括 在權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)中限定的波導(dǎo)；和 運(yùn)算單元，用于檢測(cè)與樣品交互的電磁波，并基于檢測(cè)信號(hào)計(jì)算樣品的狀態(tài)。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求I 3中的任一項(xiàng)的波導(dǎo)的制造方法，該方法包括 制備在其上表面上具有半導(dǎo)體層的第一基板；通過(guò)具有沿面內(nèi)方向延伸的凹凸結(jié)構(gòu)的第一導(dǎo)體層，將半導(dǎo)體層轉(zhuǎn)移到第二基板的上表面上；以及 在半導(dǎo)體層的上表面上形成第二導(dǎo)體層。
13.—種制造包括通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求12的方法制造的波導(dǎo)的振蕩器的方法，其中，半導(dǎo)體層形成為具有電磁波增益的半導(dǎo)體層，并且波導(dǎo)形成為振蕩器的共振器。
全文摘要
本公開(kāi)涉及波導(dǎo)、包括波導(dǎo)的裝置和波導(dǎo)的制造方法。提供一種能夠抑制由于制造過(guò)程等在初始階段或操作中在半導(dǎo)體中導(dǎo)致的應(yīng)變和缺陷，以實(shí)現(xiàn)諸如振蕩特性的特性的改善和穩(wěn)定化的波導(dǎo)以及該波導(dǎo)的制造方法。波導(dǎo)包括由相對(duì)于波導(dǎo)模式的電磁波介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)的負(fù)介電常數(shù)介質(zhì)構(gòu)成的第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層；和與第一導(dǎo)體層和第二導(dǎo)體層接觸并被設(shè)置在其間并包含半導(dǎo)體部分的芯層。至少第一導(dǎo)體層具有沿面內(nèi)方向延伸的特定的凹凸結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01S5/20GK102790356SQ20121014848
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日
發(fā)明者小山泰史 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社