(57)【要約】【課題】電磁波の発生と検出の少なくとも一方を行うアンテナを持つ電磁波素子において、電磁波をアンテナ側より比較的効率的に発生または検出することである。【解決手段】電磁波素子101は、基板105上に設けられて電磁波の発生と検出の少なくとも一方を行う電磁波発生／検出部102と、電磁波発生／検出部102に繋がって電磁波発生／検出部102から電磁波を受けて外部へ放射することと外部から電磁波を受けて電磁波発生／検出部102に導くことの少なくとも一方を行うアンテナ104を有する。アンテナ104は、支持部103によって基板105に対して隔たって支持されている。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられて電磁波の発生と検出の少なくとも一方を行う電磁波発生／検出部と、該電磁波発生／検出部に繋がって該電磁波発生／検出部から電磁波を受けて外部へ放射することと外部から電磁波を受けて該電磁波発生／検出部に導くことの少なくとも一方を行うアンテナと、を有し、該アンテナは、支持部によって前記基板に対して隔たって支持されていることを特徴とする電磁波素子。
【請求項２】
前記アンテナには、給電部として所定の空隙が設けられ、該アンテナの空隙の直下に、キャリヤを供給することによって動作する電磁波発生／検出部が設けられている請求項1記載の電磁波素子。
【請求項３】
前記電磁波発生／検出部は、外部から飛来する光の超短パルス信号或いは差周波信号によって、前記キャリヤを励起する様に構成されている請求項2記載の電磁波素子。
【請求項４】
前記電磁波発生／検出部は、電界が印加されることによって動作する電磁波利得物質を含む半導体素子で構成されている請求項1記載の電磁波素子。
【請求項５】
前記半導体素子とアンテナは導波路で接続されている請求項4記載の電磁波素子。
【請求項６】
前記アンテナは、1つまたは複数の支持部によって支持されている請求項1乃至5のいずれかに記載の電磁波素子。
【請求項７】
前記アンテナを支持する支持部は、それぞれ孤立した柱状の半導体または誘電体である請求項6記載の電磁波素子。
【請求項８】
前記基板は半導体基板である請求項1乃至7のいずれかに記載の電磁波素子。
【請求項９】
電磁波の発生と検出の少なくとも一方を行う電磁波素子の作製方法において、
高抵抗半導体基板に高移動度半導体部を成長させる工程と、
前記高抵抗半導体基板と前記高移動度半導体部をエッチングしキャリヤ発生部と半導体支持部を形成する工程と、
前記キャリヤ発生部の端部と前記半導体支持部の端部を含む面が均一になるように、有機材料を埋め込み、頭出しを行う工程と、
前記頭出しを行った面に対してアンテナ構造をパターニングする工程と、
前記有機材料と前記アンテナ構造のパターニングに用いた材料を除去する工程と、
を有することを特徴とする電磁波素子の作製方法。
【請求項１０】
電磁波の発生と検出の少なくとも一方を行う電磁波素子の作製方法において、
高抵抗半導体基板に高移動度半導体部を成長させる工程と、
前記高抵抗半導体基板と前記高移動度半導体部をエッチングしキャリヤ発生部を形成する工程と、
前記高抵抗半導体基板に誘電体支持部をパターニングする工程と、
前記キャリヤ発生部の端部と前記誘電体支持部の端部を含む面が均一になるように、有機材料を埋め込み、頭出しを行う工程と、
前記頭出しを行った面に対してアンテナ構造をパターニングする工程と、
前記有機材料と前記アンテナ構造のパターニングに用いた材料を除去する工程と、
を有することを特徴とする電磁波素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に高周波領域の電磁波信号を用いた位置センサ、生体センサなどに用いられるような電磁波素子（本明細書において、電磁波素子とは、電磁波の発生と検出の少なくとも一方を行うことができる様に構成された素子を指す）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
数10GHｚから近赤外領域の電磁波（以下、この領域の電磁波をテラヘルツ波とも言う）は、電磁波に特有の物体への透過性という特徴の他に、光の持つ直進性という特徴を併せ持つことが知られている。この様な電磁波の特徴を用いて、例えば、電磁波の位相変化や到達時間の変化の情報より、透過型のイメージングシステムを構築することや、物質を介することによる電磁波の形状変化より、物質の物性を特定することが検討されている。
【０００３】
特に、生体を構成する水やタンパク質などの生体分子は、この領域の電磁波に対して、固有の周波数吸収スペクトルを有していることが知られており、この特徴より、医療診断や個人認証などに用いる生体センサへの適用が期待されている。
【０００４】
この様な領域の電磁波を発生させる方法として、例えば、図8のように、キャリヤ移動度が高い高抵抗半導体基板805上に、伝導物質によって微小な空隙とアンテナパターンをパターニングし、この空隙に所定の電界を印加した状態で、超短パルスレーザを照射する手法がある（非特許文献1参照）。この方法は、超短パルスレーザによって微小な空隙に励起されたキャリヤを、印加電界によって加速させることにより、キャリヤの時間微分に比例した振幅を持つ電磁波を取得するものである。この時、発生した電磁波パルスのパルス幅は、およそサブpsecから数psec程度であり、周波数スペクトルに換算すると、ＤＣから数THzまでの領域に分布している。
【非特許文献１】Appl.Opt.,Vol.36,No.30,pp7853-7859(1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電磁波は、キャリヤの時間微分に依存するため、この領域の電磁波を発生・検出するためには、素子には、少なくともサブpsecから数psec程度のキャリヤの追従性がなければならない。そのため、電磁波素子の基板として、キャリヤ移動度が高い半導体基板が好んで使用される。この様なキャリヤ移動度が高い半導体基板の誘電率は非常に高いものになるため、電磁波素子で発生した殆どの電磁波は、半導体基板内を伝搬する。しかしながら、誘電率が高いということは、屈折率も高いことを意味し、半導体基板と大気の境界において大きな屈折率差が生じ、伝搬する電磁波の伝搬角度によっては、大気との境界面において電磁波が全反射し、半導体基板内に閉じ込められてしまうという問題があった。そのため、上記非特許文献1では、図9のように、アンテナ804が設けられた半導体基板805内を伝搬する電磁波の全反射条件を緩和し、半導体基板805から効率よく電磁波を大気中に放射させるために、半導体基板805と同程度の誘電率を有する半球レンズ801を用いている。
【０００６】
しかし、この様な光学系を用いることは、例えば、電磁波素子を他の半導体素子や高周波回路とともにモジュール化しようと考えた場合、モジュールの形状が光学系の形状に律速され、モジュールの小型化が困難になることや、モジュール形状の自由度が失われるということが生起する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の電磁波素子は、半導体基板などの基板上に設けられて電磁波の発生と検出の少なくとも一方を行う電磁波発生／検出部と、該電磁波発生／検出部に繋がって該電磁波発生／検出部から電磁波を受けて外部へ放射することと外部から電磁波を受けて該電磁波発生／検出部に導くことの少なくとも一方を行うアンテナと、を有し、該アンテナは、支持部によって前記基板に対して隔たって支持されていることを特徴とする。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、本発明の電磁波の発生と検出の少なくとも一方を行う電磁波素子の作製方法は、高抵抗半導体基板に高移動度半導体部を成長させる工程と、前記高抵抗半導体基板と前記高移動度半導体部をエッチングしキャリヤ発生部と半導体支持部を形成する工程と、前記キャリヤ発生部の端部と前記半導体支持部の端部を含む面が均一になるように、有機材料を埋め込み、頭出しを行う工程と、前記頭出しを行った面に対してアンテナ構造をパターニングする工程と、前記有機材料と前記アンテナ構造のパターニングに用いた材料を除去する工程と、を有することを特徴とする。また、高抵抗半導体基板に高移動度半導体部を成長させる工程と、前記高抵抗半導体基板と前記高移動度半導体部をエッチングしキャリヤ発生部を形成する工程と、前記高抵抗半導体基板に誘電体支持部をパターニングする工程と、前記キャリヤ発生部の端部と前記誘電体支持部の端部を含む面が均一になるように、有機材料を埋め込み、頭出しを行う工程と、前記頭出しを行った面に対してアンテナ構造をパターニングする工程と、前記有機材料と前記アンテナ構造のパターニングに用いた材料を除去する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電磁波素子においては、基板内への電磁波の閉じ込めを抑制するために、電磁波素子を構成するアンテナを基板から隔てて支持部で支持することによって、電磁波の誘電体損失を比較的軽減でき、電磁波をアンテナ側より比較的効率的に発生または検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。尚、図中の同一要素に関しては、基本的に同符号を付する。
【００１１】
図1は、本発明における電磁波素子の一実施形態の概略構成図を示したものである。図1のように、本実施形態の電磁波素子101は、電磁波発生／検出部102、支持部103、アンテナ104、基板105で構成される。
【００１２】
アンテナ104は、電磁波を効率よく発生・検出するために用いられるもので、対象となる電磁波の周波数特性によってその形状が決められる。そのため、アンテナ104の形状は任意である。アンテナ104の空隙部104aで構成される給電部直下には、微小な電磁波発生／検出部102が配置されている。アンテナ104と接続された電磁波発生／検出部102は、キャリヤ移動度が高い高抵抗半導体で構成される。ただし、これに限るものではなく、例えば、ガンダイオードに代表されるような、電磁波利得を得られる半導体素子であってもよい。
【００１３】
また、アンテナ104は、1つまたは複数の支持部103によって、基板105に対して任意の高さで隔たって空間に支持されている。これらの支持部103は、対象とする電磁波に対して低損失なものが望ましいが、製造プロセスの容易化などの観点より、電磁波発生／検出部102で用いた高抵抗半導体と同様のものを用いてもよい。また、本実施形態において、アンテナ104を支持する高さは、図1のように、基板105に対して或る一定の高さを保っているが、例えば、基板105に対して、傾斜を有していることや、部分的に高さが変化しているような構成をとることも可能である。これは、放射される電磁波に或る指向性を持たせる等の要求に応じて設計すればよい。
【００１４】
電磁波素子101に対して、この様な構成をとることで、半導体基板105などの高誘電率物質がアンテナ104に接触する割合を減らすことができる。そのため、例えば、アンテナ104を介して電磁波発生／検出部102で発生した電磁波が、電磁波発生／検出部102や基板105に閉じ込められる効果を抑制することができる。つまり、アンテナ104側から、電磁波を空間に放射する割合を増やすことが可能になる。また、半球レンズなどの光学系が不要になるため、他の半導体素子や高周波回路などとのモジュール化において設計の自由度が高まり、モジュール化が容易になるという効果がある。
【００１５】
なお、本実施形態ではアンテナ104を支持部103によって基板105に対して空間を隔てて支持しているが、電磁波の誘電体損失を軽減できて電磁波を効率的に発生・検出できるのであれば、基板105と異なる適当な物質でこの空間を満たしてもよい。この場合は、この物質も支持部を構成することになる。
【実施例】
【００１６】
以下、より具体的な実施例を図を用いて説明する。以下で示す具体的な数字および具体的物質名等はあくまで一例であって、本発明の趣旨を限定するものではない。また、図は模式的に描かれたものであり、正確な寸法を示すものではない。
【００１７】
（実施例1）
図2は、図1の電磁波素子101について、超短パルスレーザを用いてテラヘルツ波を発生・検出する光伝導素子への適応例を示したものである。図2（A）は上面図であり、図2（B）は側面図である。
【００１８】
本実施例の光伝導素子は、半絶縁性のガリウムヒ素（SI-GaAs）基板105上に構成される。本実施例で用いるアンテナ104は、共振型のダイポール形状を有しており、アンテナ長は100μm、アンテナ幅15μmで、アンテナ104の共振周波数はおよそ500GHzである。また、アンテナ104は、図2のようにアンテナ104の給電部に5μmの空隙部104aを設けている。この空隙部104aに電界を印加するため、アンテナ104には電極203が別途接続されている。アンテナ104と電極203は、Ti／50nm上にAu／950nmを成膜することで構成される。本実施例では、アンテナ104として、ダイポール形状を用いているが、これに限るものではなく、対象とする電磁波の周波数特性によって適宜選択される。
【００１９】
アンテナ104の空隙部104aの直下には、図2のように、超短パルスレーザ（不図示）によってキャリヤを励起する微小なキャリヤ発生部201が配置されている。キャリヤ発生部20はアンテナ104と接している。本実施例では、キャリヤ発生部201は、断面形状が10μm×10μmのSI-GaAs／3μmと低温成長GaAs（LT-GaAs）／2μmからなる高さ5μmの柱状構造で構成されている。ただし、キャリヤ発生部201の形状はこれに限るものではない。また、キャリヤ発生部201を構成する物質もSI-GaASとLT-GaAsに限るものではなく、例えば、ベンゾシクロブテンやポリイミドやポリシランなどの誘電体物質を含んだ構成や、InGaAsで構成することも可能である。
【００２０】
超短パルスレーザによりキャリヤ発生部201から励起したキャリヤは、電極203を介してアンテナ104の空隙部104aに印加されている電界によって加速され、電磁波を発生する。また、超短パルスレーザによりキャリヤ発生部201で励起したキャリヤを、外部から飛来してくるテラヘルツ波の電界によって加速し、その時の変位電流を観測することで、電磁波素子101は電磁波検出にも応用できる。
【００２１】
アンテナ104は、2つの半導体支持部202によって、基板105に対して空間に支持されている。本実施例では、2つの支持部202は、図2のように、キャリヤ発生部201と同じく、高さ5μm、断面形状が10μm×10μmの柱状のSI-GaAsとLT-GaAsで構成され、キャリヤ発生部201を間に挟んで、キャリヤ発生部201から30μmの間隔で対向配置されている。ただし、半導体支持部202の形状は、これに限るものではない。また、アンテナ104を支持する半導体支持部202の配置や数も図示のものに限るものではない。さらに、半導体支持部202を構成する物質も、キャリヤ発生部201の構成で述べたように、これに限るものではなく、好ましくは、対象とする電磁波に対して低損失なものを用いるとよい。
【００２２】
上記の光伝導素子の作製方法について、図3(A)−(G)に沿って説明する。
SI-GaAs基板105に、LT-GaAsを分子ビーム低温エピタキシャル成長(250°C)によって形成する(A)。成長したLT-GaAsに対して、レジスト（AZ1500）を用いてフォトリソグラフィー技術でパターニングを施し、プラズマエッチングによってキャリヤ発生部201と半導体支持部202を形成する(B)。(B)で形成したキャリヤ発生部201と半導体支持部202上に、有機埋め込み材料を全面塗布し(C)、ドライエッチングで頭出しを行う(D)。次に、レジスト（AZP4620）を用いてフォトリソグラフィー技術で、アンテナ104や電極203に対応するレジストパターンをパターニングし(E)、その上に金属(Ti／Au)を、イオンビーム蒸着によって順次成膜する(F)。金属を成膜後、アセトンでレジストパターンを除去し、洗浄剤で埋め込み材料を除去して、給電部分に空隙部104aを有するアンテナ104を作製する(G)。
【００２３】
以上の方法で作製した光伝導素子101について、その形状をSEMで観察したところ、正確に形成できていることを確認した。
【００２４】
また、この光伝導素子101について、アンテナ104から放射する電磁界分布について、解析を行った。その結果を図6に示す。
【００２５】
図6は、アンテナ104から放射する電磁界分布のうち、500GHzにおける電界面の放射パターンをグラフ化したものである。グラフにおいて、電磁界分布のうち、最も強度が強い部分を基準（0dB）とし、各放射方向の電力を比較したものである。また、この電磁界分布に対応する光伝導素子101の向きを併せて示した。本実施例で用いた光伝導素子101の放射パターンを実線で示し、従来の光伝導素子の放射パターンについて破線で示した。グラフより明らかなように、本実施例で採用したようにアンテナ104を空間に支持する構成の方が、電磁波がアンテナ104側より放射する割合が増加している様子がわかる。ここで、この電磁波の放射の割合は、アンテナ104を支持する高さを調整することにより、増やすことが可能である。
【００２６】
本実施例では、電磁波素子として、超短パルスレーザを用いた光伝導素子の例を示したが、これに限るものではなく、例えば、2つの周波数の差周波信号を用いる光伝導素子も構成可能である。また、キャリヤ発生部201を含む電磁波発生／検出部を、電磁波利得が得られる半導体素子に置き換えることも可能であり、これらの電磁波発生／検出部が、アンテナ104の直下になく、電磁波発生／検出部とアンテナ104が導波路によって接続されている構成であってもよい（後述の実施例3参照）。
【００２７】
以上のように、電磁波素子を構成するアンテナ104を、空中に支持することによって、アンテナ104側よりテラヘルツ波を効率よく発生・検出することが可能になる。また、素子の全体形状も単純なものとなり、他の素子とのモジュール化に適する。
【００２８】
（実施例2）
図4は、図1の電磁波素子101について、超短パルスレーザを用いてテラヘルツ波を発生・検出する光伝導素子への適応例を示したものである。図4（A）は上面図であり、図4（B）は側面図である。
【００２９】
実施例2は、実施例1と支持部401の材料が異なるものである。アンテナ104は、2つの誘電体支持部401によって、空間に支持されている。本実施例では、2つの誘電体支持部401は、図4のように、キャリヤ発生部201と同じく、高さ5μm、断面形状が10μm×10μmの柱状のベンゾシクロブテンで構成され、キャリヤ発生部201を間に置いて、キャリヤ発生部201から30μmの間隔で対向配置されている。ただし、誘電体支持部401の形状は、これに限るものではない。また、アンテナ104を支持する誘電体支持部401の配置や数もこれに限るものではない。さらに、誘電体支持部401を構成する物質も、ベンゾシクロブテンに限るものではなく、例えば、ポリイミドやポリシランのような、対象とする電磁波に対して低損失な材料を用いるとよい。その他の点は、実施例1と同じである。
【００３０】
この光伝導素子の作製方法について、図5(A)−(H)に沿って説明する。
SI-GaAs基板105に、LT-GaAsを分子ビーム低温エピタキシャル成長(250°C)によって形成する(A)。成長したLT-GaAsに対して、レジスト（AZ1500）を用いてフォトリソグラフィー技術でパターニングを施し、プラズマエッチングによってキャリヤ発生部201を形成する(B)。再度、フォトリソグラフィー技術でパターニングを施し、誘電体支持部401を形成し、レジストを除去する(C)。(C)で形成したキャリヤ発生部201と誘電体支持部401上に、有機埋め込み材料を全面塗布し(D)、ドライエッチングで頭出しを行う(E)。次に、レジスト（AZP4620）を用いてフォトリソグラフィー技術で、アンテナ104や電極203に対応するレジストパターンをパターニングし(F)、その上に金属(Ti／Au)を、イオンビーム蒸着によって順次成膜する(G)。金属を成膜後、アセトンでレジストパターンを除去し、洗浄剤で埋め込み材料を除去して、給電部分に空隙部104aを有するアンテナ104を作製する(H)。
【００３１】
以上の方法で作製した光伝導素子についても、その形状をSEMで観察したところ、正確に形成できていることを確認した。
【００３２】
本実施例では、支持部として、実施例1で用いた半導体支持部202よりも誘電率の低い誘電体支持部401を用いているため、アンテナ104から放射する電磁波が支持部に閉じ込められる効果をさらに抑制できる。そのため、電磁波がアンテナ104側より放射する割合をさらに増加させることができる。また、実施例1で述べたように、この電磁波の放射の割合は、アンテナ104を支持する高さを調整することにより、増やすことが可能である。
【００３３】
本実施例でも、実施例1と同様な効果が得られる。
【００３４】
（実施例3）
図7は、実施例3の電磁波素子を示す斜視図である。実施例3では、電磁波利得が得られる利得物質を含む半導体素子701（ガンダイオードなど）で電磁波発生／検出部を構成し、この電磁波発生／検出部701が、アンテナ704の直下になく、電磁波発生／検出部701とアンテナ704が導波路706によって接続されている。本実施例では、アンテナ704としてパッチアンテナ形状を用いているが、これに限るものではない。そして、アンテナ704と導波路706は、基板705と接地導体703に対して空隙を隔てて適当数の柱状の誘電体、半導体などの支持部702で支持されている。ただし、電磁波素子の形状は、これに限るものではなく、アンテナ704の形状や利得物質を含む半導体素子701への電界の印加方法（不図示）や導波路706の形状によって適宜変化する。
【００３５】
本実施例では、電界が印加された半導体素子701で発生した電磁波は導波路706を介してアンテナ704に伝わり外部に放射される。また、外部から飛来してきてアンテナ704と導波路706を経て半導体素子701に導かれてきたテラヘルツ波の電界によって、励起された半導体素子701から電流ないし電圧が発生し、その時の変位電流ないし電圧を観測することで、本実施例の電磁波素子も電磁波検出に応用できる。
【００３６】
このように、本実施例においても、電磁波素子を構成するアンテナ704及び導波路706を、基板705に対して空中に支持することによって、アンテナ704側よりテラヘルツ波を効率よく発生・検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の電磁波素子の一実施形態の概略構成図。
【図２】実施例1における光伝導素子の構成図。
【図３】実施例1における光伝導素子の作製方法を示す断面図。
【図４】実施例2における光伝導素子の構成図。
【図５】実施例2における光伝導素子の作製方法を示す断面図。
【図６】実施例1における光伝導素子の電磁界分布を示す図。
【図７】実施例3における光伝導素子の構成を示す斜視図。
【図８】先行技術を説明する図。
【図９】先行技術の光伝導素子より電磁波を放射させるための構成例を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
101  電磁波素子
102、104a、201、203、701  電磁波発生／検出部（アンテナの空隙部、キャリヤ発生部、電極、利得物質を含む半導体素子）
103、202、401、702  支持部（半導体支持部、誘電体支持部）
104、704  アンテナ
104a  アンテナの空隙部（給電部）
105、705  基板（半導体基板）
201  キャリヤ発生部
203  電極
701  利得物質を含む半導体素子
703  接地導体
706  導波路
【図１】
2006064679.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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