专利名称：振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及包含产生电磁波的共振隧道二极管(resonant tunneling diode, RTD)的振荡器。
背景技术：
共振隧道二极管(RTD)是产生在30GHz 30THz的频率范围中的电磁波(在本说明书中被称为太赫兹波)的电流注入型的太赫兹振荡器的例子。RTD能够使用基于半导体量子阱结构中的子带之间的电子跃迁的电磁波增益在室温产生太赫兹波。专利文献1(日本专利公开No. 2007-124250)公开了通过在半导体基板上堆积 (accumulate)由双势垒(double-barrier)RTD构成的活性层和平面狭缝天线共振器而形成的太赫兹振荡器。该振荡器在RTD的电流-电压(I-V)特性中的微分负阻(negative differential resistance)的范围中通过受激发射(stimulated emission)而产生电磁波。对于包含所述RTD的太赫兹振荡器，公知的是发生偏压电路中的寄生振荡。所述寄生振荡是在太赫兹频带(frequency band)中除了由共振器的结构所确定的希望的共振频率以外的频率处的振荡。因此，寄生振荡导致希望的共振频率处的振荡输出的减少。因此，非专利文献 1 (IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 5, No. 7, July 1995,pp 219-221)公开了在偏压电源和RTD之间布置稳定化电路的方法。所述稳定化电路包括与RTD并联地布置的电阻器和电容器，并且用于减少共振频率以外的所有频率处的共振电路的阻抗。所述稳定化电路位于与RTD相距λ/4(λ是与太赫兹频率范围中的希望的共振频率对应的波长)之内的位置。专利文献1还公开了包括具有铋(bismuth)电阻器的结构的并联电阻器和具有金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal，MIM)分层结构的并联电容器的稳定化电路。 这些部件与RTD和狭缝天线共振器一起被集成在同一基板上，以产生太赫兹频率范围中的振荡。专利文献2 (日本专利公开No. 2006-101495)公开了在同一基板上集成RTD和微带共振器(包含两个导体和插入两个导体间的电介质的共振器)的太赫兹振荡器。引文列表专利文献专利文献1 日本专利公开No. 2007-124250专利文献2 日本专利公开No. 2006-101495非专利文献非专利文献 1:IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 5, No. 7, July 1995，pp 219-221
发明内容
此外，在专利文献2中公开的太赫兹振荡器中，可以设置在非专利文献1中公开的包含并联电阻器和并联电容器的稳定化电路以抑制寄生振荡。但是，根据专利文献2，如果稳定化电路直接位于与RTD相距λ /4的位置内，那么共振器的结构将被改变。因此，存在振荡输出水平(level)将被减小的风险。另外，还存在辐射电磁波的图案将被干扰(disturb)的风险。鉴于上述问题，本发明提供这样的太赫兹振荡器在该太赫兹振荡器中，集成了 RTD和诸如微带的共振器，并且该太赫兹振荡器可产生太赫兹频率范围中的稳定振荡。根据本发明的实施例，一种用于使电磁波振荡的振荡器包括共振器部分，包含共振隧道二极管、与共振隧道二极管接触的电介质以及第一和第二导体，该共振器部分被构建为使得电介质被插入第一和第二导体之间并且使得第一和第二导体与共振隧道二极管电连接；电容器部分，被构建为使得电介质被插入第一和第二导体之间；线路部分，被配置为使得共振器部分和电容器部分相互并联地电连接；以及电阻器部分，被配置为使得第一和第二导体相互电连接。共振器部分的第一位置和电容器部分的第二位置通过线路部分而相互连接，使得第一位置和第二位置在比在共振器部分中共振的电磁波的波长大的波长范围中在电气上基本相互等价。根据本发明的另一实施例，一种用于使太赫兹波振荡的振荡元件包括共振器部分，包含通过子带之间的载流子跃迁(carrier transition)而产生太赫兹波的活性层、与活性层电接触的第一和第二导体、以及被插入第一和第二导体之间并且与活性层接触的电介质；电容器部分，被构建为使得电介质被插入第一和第二导体之间；线路部分，被配置为使得共振器部分和电容器部分相互并联地电连接；以及电阻器部分，被配置为使得第一和第二导体相互电连接。共振器部分的第一位置和电容器部分的第二位置通过线路部分而相互连接，使得第一位置和第二位置在比在共振器部分中共振的电磁波的波长大的波长范围中在电气上基本相互等价。如上所述，在根据本发明的振荡器中，共振器部分的第一位置和电容器部分的第二位置通过线路部分而相互连接。所述连接被设置为使得第一和第二位置在比在共振器部分中共振的电磁波的波长大的波长范围中在电气上基本相互等价。该结构与在共振器部分上直接布置稳定化电路的结构基本上等价。因此，可以在比共振波长大的波长范围中(在比共振频率低的频率范围中)抑制寄生振荡。因此，可以提高太赫兹频率范围中的振荡输出的稳定性。
图IA是根据实施例的振荡器的截面图。图IB是示出与根据实施例的振荡器等价的电路的示意图。图IC是示出根据另一实施例的振荡器的结构的示意图。图2A是示出第一例子的外示图(external view)。图2B是沿线IIB-IIV切取的图2A的截面图。图3A是示出导纳(admittance)分析的例子的曲线图。图;3B是示出导纳分析的结果的例子的另一曲线图。图4A是示出根据第一例子的振荡器的变更例的外示图。
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图4B是示出根据第一例子的振荡器的另一变更例的外示图。图5A是示出根据第二例子的振荡器的示意图。图5B是沿线VB-VB切取的图5A的截面图。图6A是示出根据第一例子的振荡器的另一变更例的示意图。图6B是示出根据第一例子的振荡器的另一变更例的示意图。
具体实施例方式将参照图IA IC来描述根据实施例的振荡器。图IA是根据实施例的振荡器的截面图。图IB是示出与根据实施例的振荡器等价的电路的示意图。图IC是示出根据另一实施例的振荡器的结构的示意图。根据本发明的振荡器(或振荡元件)的结构不限于以下描述的结构。振荡器包括共振器部分12。共振器部分12被构建如下。共振器部分12包含用于产生电磁波的共振隧道二极管(RTD) 11。根据本发明，作为RTD的替代，当然可以使用诸如Gurm 二极管的负阻(negative resistance)器件作为产生电磁波(特别是太赫兹波)的活性层。作为替代方案，根据本发明，可以使用通过子带之间的载流子跃迁而产生电磁波的活性层(例如，量子级联激光器(quantum cascade lasers))作为产生电磁波(特别是太赫兹波)的活性层。共振器部分12还包含电介质14，该电介质14与共振隧道二极管(RTD) 11接触。共振器部分12具有电介质14被插入第一导体16和第二导体17之间的结构。第一导体16和第二导体17与共振隧道二极管(RTD) 11电连接。如后面将参照图IC 详细描述的那样，共振器部分12可被构建为使得第一电介质108被插入第一电极106和第二电极107之间。RTD 11在其电流-电压特性中具有微分负阻。被插入第一导体16和第二导体17 之间的电介质14具有基于第一导体16和第二导体17之间的距离及其截面面积而确定的电容C。电介质14还具有基于第一导体16和第二导体17的长度而确定的电感L。RTD 11 和共振器部分12相互并联地电连接。共振电路由RTD 11、电容C和电感L形成。上述的电磁波可以是在30GHz 30THz的频率范围中的电磁波。在本说明书中， 这样的电磁波也被称为太赫兹波。振荡器还包括电容器部分19。电容器部分19具有电介质14被插入第一导体16 和第二导体17之间的结构。被插入第一导体I6和第二导体17之间的电介质14具有基于第一导体16和第二导体17之间的距离及其截面面积而确定的电容。如后面将参照图IC 详细描述的那样，电容器部分19可被构建为使得第二电介质113被插入第三电极111和第四电极112之间。振荡器还包括线路部分13。线路部分13被构建为使得共振器部分12和电容器部分19相互并联地电连接。电阻器部分M被设置为与电容器部分19电气并联。电阻器部分M与第一导体 16和第二导体17电连接。共振器部分12的第一位置31 (端口 1)和电容器部分19的第二位置32 (端口 2) 通过线路部分13而相互连接。所述连接被设置为使得第一位置31和第二位置32在比在共振器部分12中共振的电磁波(驻波(standing wave))的波长大的波长范围中在电气上相互等价。该结构基本上与在共振器部分上直接布置稳定化电路的结构等价。
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因此，可以在比共振波长大的波长范围中(在比共振频率低的频率范围中)抑制寄生振荡。因此，可以提高太赫兹频率范围中的振荡输出的稳定性。另外，在根据本发明的实施例的振荡器中，可通过调整线路部分13的长度和电容器部分19的电容来调整可产生振荡的频率范围。如后面将参照图IC详细描述的那样，共振器部分12中的第一电极106上的第一位置31和电容器部分19中的第三电极111上的第二位置32可通过线路部分13而相互连接。线路部分13可以是λ /4线。λ /4线是具有基本上等于λ /4的长度的线，这里， λ是在共振器部分12中共振的共振电磁波(驻波)的波长。λ可以是与希望的振荡频率对应的波长。在线路部分13是λ /4线的情况下，线路部分13可与共振器部分12在其任意的位置处连接。第一位置31 (端口 1)可位于在共振器部分12中共振的驻波的节点(node) 处。在这种情况下，线路部分13的长度可被设为任意的长度。如在以下参照图IC描述的实施例中那样，可通过不同的导体(第一电极106、第三电极111和线103)构成第一导体16。因此，第一导体16不被特别地限制，只要第一导体 16在共振器部分12、电容器部分19和线路部分13之间是电气均勻的即可。电阻器部分M 优选地被设置在电容器部分19中的第三电极111的外周处。电容器部分19中的第三电极 111可被构建为沿设置共振器部分12的平面包围共振器部分12中的第一电极106。另外， 可设置多个线路部分13，并且可关于共振器部分12相互对称地布置这些线路部分13。另外，可设置向RTD 11施加电压的电源25和电连接电源25与第二位置32的馈线(feeder line) 114。共振器部分12可包含贴片天线(patch antenna)。以下将参照图IC详细地描述这些结构。作为将电磁波辐射到空间中的替代，根据本发明的振荡器也可被构建为使得该振荡器产生电磁波作为高频信号。将参照图IC描述根据另一实施例的振荡器100。该振荡器100主要包括RTD 101、 共振器102、线103、稳定化电路104和偏压电源105。在根据本实施例的振荡器100中，共振器102包含两个电极和被插入两个电极之间的电介质。共振器102中的第一电极106和电容器部分109中的第三电极111在共振器 102中共振的驻波的节点处通过线103而相互连接。因此，在第三电极111上出现在比共振波长λ大的波长范围中在电气上与第一电极106上的端口 1等价的端口 2。并联电阻器部分110与端口 2连接。这基本上与稳定化电路104接入到端口 1中的状态等价。由于设置了线103，因此，稳定化电路104不导致在共振器102中共振的驻波的损失。首先，将描述共振器102 (共振器部分1 。共振器102包含第一电极106、第二电极107和第一电介质 108。第一电介质108被插入第一电极106和第二电极107之间，并且，第一电介质108中的电磁波形成驻波。RTD 101例如被设置在第一电介质108中，并且与第一电极106和第二电极107电连接，使得偏压被提供。电极106和107可由导电板(conductive plate)(良好的导体)构成，并且希望由金属板构成。稳定化电路104包含电容器部分109(电容器部分19)和并联电阻器部分110(电阻器部分)。电容器部分109包含第三电极111、第四电极112和第二电介质113。第二电介质113被插入第三电极111和第四电极112之间，并且，电容器部分109具有金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构，其中在所述金属-绝缘体-金属(MIM)电容器结构中，金属层、电介质层和金属层依次被层叠在一起。希望电容器部分109的电容尽可能地大。因此， 第二电介质113可由具有高的介电常数和小的厚度的材料制成。第二电极107和第四电极 112具有相同的静电电势，并且在本实施例中接地。并联电阻器部分110是在电流-电压特性中具有线性或非线性电阻特性的电阻器。并联电阻器部分110的一端与第三电极111连接，其另一端接地。偏压电源105(电源25)的一端通过馈线114与第三电极111连接，其另一端接地。为了向RTD 101供给偏压，需要连接偏压电源105与共振器102中的第一电极 106。在这种情况下，要求不在共振器102中的共振电磁场中导致损失，并且不出现对于辐射的电磁波的图案的干涉(interference)。非专利文献1公开了在RTD 101和偏压电源 105之间设置并联电容器和并联电阻器的稳定化电路的结构。根据本实施例的振荡器，通过用线103相互电连接共振器102和电容器部分109 来满足上述要求。线103的一端与第一电极106上的定位在共振器102中共振的电磁场中的驻波的节点的端口 1连接。线103的另一端与电容器部分109的第三电极111上的端口 2连接。线103的长度L可以为λ/4(λ/4线)。在这种情况下，可以有效地减少来自天线共振器的高频波的泄漏。另外，可以减少RTD 101的串联电阻成分。这可以从端口 1的导纳Y11来理解，端口 1的导纳Y11可被计算如下。(式1)Y11 = Y103(Y22+jY103tan(β XL))/(Y1(13+jY22tan(β XL)) (1)在上式中，β是2Χ π/λ，Υ1(13是线103的特性导纳。端口 2的导纳^可被确定为电容器部分109和并联电阻器部分110的组合导纳。根据式(1)的解，端口 1和端口 2在比共振波长大的波长范围中基本在电气上相互等价，并且，该结构与稳定化电路104与端口 1连接的结构基本上等价。从图3Α所示的分析结果的例子可以清楚地看出，当线103 的长度L例如正好等于λ/4时，Y11最小。因此，不因稳定化电路104在共振器102中的共振电磁场中导致损失。在这种情况下，不需将损失水平减至零，只要损失水平小于或等于一定的水平即可。因此，线103的长度L可被设为接近λ/4的长度。除了 λ/4以外，长度L 还可被设为通过将λ/4乘以Om-1)(这里，m是自然数)而获得的3\入/4、5父入/4等。 另外，如果端口 1位于在共振器102中共振的电磁场中的驻波的节点处，那么线103的长度可被设为任意长度。例如，当长度L被设为约λ2/2时，高频(λ)处的寄生振荡可被抑制。这里，λ是驻波的波长，并且，λ 2是在共振器102中共振的电磁波的波长，并且满足 λ2< λ。除了 λ2/2以外，长度L还可被设为通过将λ2/2乘以η(η是自然数)而获得的 λ2、3Χ λ2/2等。线103的宽度被设定为使得线103的特征阻抗可增加，并且，线103不用作RTD 101的大的串联电阻。在比共振波长(λ)大的波长范围中，由于电容器部分109，端口 2被扩展到第三电极111的整个区域。因此，在本实施例中，例如，并联电阻器部分110和馈线114可在第三电极111上的任意位置处与第三电极111连接。如果并联电阻器部分Iio和馈线114可被布置在第三电极111上的任意位置处，那么可以容易地在振荡器100中布置稳定化电路 104和来自偏压电源105的引线。根据非专利文献1，并联电阻器的电阻可等于或稍小于微分负阻的绝对值。更具体而言，该电阻可被设为几欧姆到几十欧姆。为了从诸如金属或合金的相对稳定的电阻器获得这样的电阻，以几十到几百微米的量级设定所述电阻器的尺寸。因此，并联电阻器的尺寸接近共振器102的尺寸(以100微米的量级)。如果并联电阻器部分110被设置在RTD 101 附近，那么具有存在以下这样的情况的高的可能性将出现对于辐射电磁波的图案的干涉。 由于并联电阻器的电阻较低，因此，当电流在振荡操作中流过其中时，并联电阻器发热。因此，如果并联电阻器部分110被设置在RTD 101附近，那么存在RTD 101的特性将因为热而改变的可能性。另外，由于部件的规模(scale)，难以在使共振器102中的共振电磁场中的损失最小化的同时直接连接共振器102和用于供给偏压的引线。但是，在振荡操作中，必须从偏压电源105向用作振荡源的RTD 101供给偏压。在根据本实施例的振荡器100中，共振器102和电容器部分109通过线103而相互连接，使得并联电阻器部分110和馈线114的连接点可扩展到第三电极111的整个区域。 这允许实现不导致对于辐射电磁波的图案(pattern)的干涉的通用(versatile)布局。例如，即使当并联电阻器部分110较大并具有较低的电阻时，并联电阻器部分110也可在远离 RTD 101的位置被布置在第三电极111的外周处。作为结果，可以在不导致RTD 101被热影响的情况下抑制寄生振荡，并且，可以提高振荡操作的稳定性。因此，根据本实施例的振荡器100的结构，虽然共振器由两个电极和电介质构成， 但是，可以在使共振电磁场的损失和对于辐射的电磁波的图案的干涉最小化的同时设置稳定化电路104。因此，可从偏压电源105向共振器102中的RTD 101供给偏压，并且，可通过稳定化电路104抑制寄生振荡。作为结果，本实施例的振荡器100能够在太赫兹范围中执行振荡操作。共振器102可被整形(shape)，使得第三电极111包围第一电极106。作为替代方案，电容器部分19中的第一导体16的一部分可被布置为沿设置共振器部分12的平面包围共振器部分12中的第一导体16的一部分。在这种情况下，可以在整形后的状态中从共振器发射电磁波。另外，可以设置多个线103(线路部分13)，并且，可以沿左右方向关于共振器102 相互对称地布置这些线103。共振器102不被特别限制，只要共振器102包含两个电极和设置在其间的电介质即可。例如，可以使用微带共振器、贴片天线等。例子现在将详细描述本发明的例子。第一例子将参照图2A 4B描述根据第一例子的振荡器。图2A是示出第一例子的外示图。 图2B是示出第一例子的截面图。图3A和图;3B是示出根据第一例子的振荡器的导纳分析的结果的例子的曲线图。图4A和图4B是示出第一例子的变更方式的外示图。现在将描述根据第一例子的振荡器200的结构。根据第一例子的振荡器200是在基板230上形成的太赫兹振荡器，并且主要由RTD201、贴片天线共振器202、线203a和 203b、MIM结构209、以及铋电阻器210构成。RTD 201具有三势垒量子阱结构。第一势垒层:AlAs，1.3nm第一量子阱层InGaAs，7.6nm
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第二势垒层InAlAs，2.6nm第二量子阱层InGaAs，5.6nm第三势垒层AlAs，1.3nm第一量子阱层、第二势垒层和第二量子阱层由与^iP(IOO)表面晶格匹配 (lattice-matched)的hGaAs/InAlAs (未示出)制成。第一势垒层和第三势垒层由不与 InP晶格匹配的AlAs制成。第一和第三势垒层比临界膜薄，并且用作高能量势垒。三势垒量子阱结构被由非掺杂的InGaAs制成的隔离(spacer)层(未示出)和由n+hGaAs制成的电气接触层(未示出)从上面和下面夹着。另外，这样获得的结构被由重度掺杂的!!++InGaAs 制成的接触层220a和220b从上面和下面夹着。由此，获得RTD 201。RTD 201具有直径为约2微米的台面(mesa)结构，并且通过使用氯化杀虫剂(chlorinated pesticide)的 ICP-RIE方法来形成。RTD 201在其上部分和下部分处与作为上部电极层221的一部分的第一电极206和与接触层220b连接的GND电极207电连接。因此，可向RTD 201供给振荡操作所需的偏压。由于光子辅助隧穿(tunneling)现象，根据第一例子的RTD 201提供电流密度为Jp = 280kA/cm2、峰值-谷值比约为3、并且微分负阻约为-22欧姆的电流-电压特性。根据第一例子的贴片天线共振器202能够有效地向空间发射太赫兹波，并且，在制造阵列共振器或高输出水平共振器的情况下，贴片天线共振器202的共振器结构是有利的。在贴片天线共振器202中，确定振荡频率的因素包含材料和结构的参数，例如电介质材料的类型和厚度、贴片天线的各边的长度、以及RTD的尺寸和位置。贴片天线共振器202包含第一电极206、GND电极207和电介质层208。电介质层208被插入第一电极206和GND 电极207之间，并且，在第一电极206和GND电极207之间的电介质中形成驻留的电磁波。 第一电极206是上部电极层221的一部分，并且以150微米X 150微米正方形的图案被形成为导电贴片。RTD 201被嵌入电介质层208中，并且被第一电极206和GND电极207从上面和下面夹着。RTD 201被设置在沿线IIB-IIB从第一电极206的中心位移40微米的位置处，使得在贴片天线共振器202和RTD 201之间实现阻抗匹配。上部电极层221由通过剥离方法形成的Ti/Pd/Au (20nm/20nm/200nm)的金属层构成，并且已知为重度掺杂的!!++InGaAs上的低电阻欧姆电极。在第一例子中，在上部电极层 221中相互一体化地形成第一电极206、第三电极211、层部分223a和层部分22北。电介质层208由已知为对于高频电磁波的低损失材料的苯并环丁烯 (benzocyclobutene, BCB)制成。电介质层208具有3微米的厚度，并且通过旋涂(spin coating)和干法蚀刻而形成。电介质层208用于使上部电极层221与GND电极207对于直流相互绝缘。在第一例子中，在电介质层208中相互一体化地形成与图IC所示的共振器 102中的第一电介质108、电容器中的第二电介质113以及线103中的电介质(未示出)对应的那些部件。GND电极207由通过剥离方法形成的Ti/Pd/Au/Ti (20nm/20nm/200nm/20nm) 的金属层构成。GND电极207与图IC所示的具有相同电势的第二电极107和第四电极112 对应，并且GND电极207接地。GND电极207通过由导线接合而形成的GND线225与被布置在例如印刷板227上的GND线2 连接。在根据第一例子的振荡器200中，具有λ /2贴片的贴片天线共振器202的振荡频率约为0. 4ΤΗζ。线203a和20 是微带线，其中，电介质层208被插入GND电极207与在上
1部电极层221中以一定的图案被形成的层部分223a和22 之间。以12微米X75微米矩形的图案(即，以作为微带线的线203a和20 关于0.4THz的振荡频率用作λ/4线的形状)来形成层部分223a和22 中的每一个。在第一例子中，层部分223a和22 基本上在其中心位置处与第一电极206连接，使得线203a和20 被设置在与共振电磁场的驻波的节点对应的位置处。由于沿左右方向关于贴片天线共振器202相互对称地布置线203a 和203b，因此，可以减少布线电阻。MIM结构209与图IC中的电容器部分109对应，并且由第三电极211、GND电极 207和电介质层208构成。MIM结构209被形成为使得电介质层208被插入第三电极211 和GND电极207之间。第三电极211是上部电极层221的一部分，并且以使得从1，200微米X2，000微米矩形切出300微米X300微米正方形的图案被形成以获得几pF的电容。根据MIM结构209的电容和贴片天线共振器202中的天线的形状来适当地设计第三电极211 的形状。在如第一例子中那样第三电极211被布置为使得第三电极211沿左右方向关于贴片天线共振器202对称并且使得第三电极211包围贴片天线共振器202的情况下，部件对于从贴片天线辐射的电磁波的图案的不平衡影响可被抑制，并且，电磁波图案可被更适当地整形。在第一例子中，铋电阻器(并联电阻器)210与图IC中的并联电阻器部分110对应。铋电阻器210在其一端处与第三电极211的外周部分连接，并且在其另一端处与GND 电极207连接。铋电阻器210由作为半金属的铋制成。为了获得20欧姆的电阻，通过剥离方法形成厚度为1微米的200微米X200微米铋膜。并联电阻器也可以是由诸如镍铬合金 (nickel chrome)的金属、导电树脂等制成的线性电阻器，或者是由半导体制成的非线性电阻器。通过导线接合而形成的馈线214的一端在适当的位置处与第三电极211连接，并且， 另一端与印刷板227上的信号线2M连接。图3A和图;3B分别表示上述的第一例子的结构中的端口 1和端口 2处的导纳Y11和 ^的分析结果。如图3A所示，端口 1和端口 2在20GHz或更小的频率范围中相互电气等价。即，在20GHz或更小的范围内，第一例子的结构与稳定化电路和端口 1相连接的结构等价。另外，由于线203a和20 的长度L为λ/4，因此，当频率等于振荡频率(即，0. 4THz) 时，导纳Y11的大小最小并且可被忽略。在如第一例子那样调整线203a和20 的长度L以及MIM结构(电容器部分)209的电容的情况下，寄生振荡可被抑制的频率范围小于或等于 0. ITHz。这是由于，当频率小于或等于0. ITHz时，导纳Y11和RTD 201中的并联共振电路满足下面的能够抑制寄生振荡的条件(寄生振荡抑制条件)。(式2) Re [YmD] +Re [Y11] > 0 (2)在上式中，Re[YKTD]是RTD 201的导纳的实部，并且等于负阻的倒数，即，在第一例子中为1/-22Ω-1。从式(1)可以清楚地看出，随着电容增大，满足寄生振荡抑制条件的最大频率减小。另外，随着线203a和20 的长度L增大，满足寄生振荡抑制条件的最大频率减小。但是，长度L具有λ/2的上限。如上所述，根据本发明的振荡器，可以调整可产生振荡的频率范围和要抑制振荡的频率范围。在图2Α和图2Β所示的振荡器200中，从偏压电源205向信号线224、馈线214、第三电极211、线203a和20 、第一电极206、以及RTD 201依次供给偏压。此时，馈送电所需的各部件与贴片天线共振器202中的共振电磁场中的损失最小化。另外，稳定化电路用于抑制包含RTD 201和贴片天线共振器202的共振电路中的寄生振荡。如上所述，根据第一例子的振荡器200被构建为使得，在使共振电磁场中的损失最小化的同时，可将稳定化电路与RTD 201和贴片天线共振器202集成在一起。因此，根据第一例子的振荡器200能够抑制寄生振荡并执行太赫兹范围中的振荡操作。作为第一例子的变更例，图4A表示贴片天线共振器30 不被MIM结构209包围的结构。另外，图4B表示贴片天线共振器302b与单个线303连接的结构。另外，如在图6A所示的振荡器500中那样，线503可被形成为λ /4线，并且可在任意的位置处与共振器102连接。在这种情况下，如作为导纳分析的结果的例子的图3Α 所示，导纳在Om-1) X λ /4(这里，m是自然数)的周期处减小到相对极小值(relative minimum)，因此，稳定化电路不用作共振器中的驻波的损失。另外，如在图6B所示的振荡器 600中那样，可以在共振器102中共振的电磁场中的驻波(波长λ)的节点处布置具有约 λ2/2的线长的线607。作为典型的例子，λ2(或λ ‘)是在共振器102中共振的电磁波中的高次共振点处的电磁波的波长。另外，λ (或λ)是在共振器102中共振的电磁波中的基本共振点处的电磁波的波长，并且满足λ2< λ。在这种情况下，如作为导纳分析的结果的例子的图3Α和图;3Β所示，导纳在η Χλ2/2(η是自然数)的周期增大，并且，即使在比λ 高的频率(λ2)处，也满足式O)。因此，可以抑制共振器102特有的高次振荡。作为包含两个电极和插入其间的电介质的共振器的另一例子，也可使用狭缝天线共振器，狭缝天线共振器适于要增大根据第一例子的振荡器的频率的情况。另外，当在单个基板上以阵列布置具有根据本发明的结构的多个振荡器的情况下，可提供可以更高的输出水平产生太赫兹电磁波的振荡器。可通过已知的半导体工艺制造这种结构。在第一例子中，使用包含由在InP基板上形成的InGaAs/InAlAs和InGaAs/AlAs 制成的各层的三势垒共振隧道二极管作为RTD 201。但是，结构和材料不限于上述的例子， 并且，根据本发明的半导体元件也可以是其它结构和材料的组合。例如，也可使用具有双势垒量子阱结构的共振隧道二极管，或者使用具有带有四个或更多个势垒的多势垒量子阱结构的共振隧道二极管。关于材料，可以组合使用在GaAs基板上形成的GaAs/AWaA^GaAs/ AlAs或InGaAs/GaAs/AlAs、在InP基板上形成的InGaAs/AlGaAsSb、在hAs基板上形成的 InAs/AlAsSb或InAs/AlSb、在Si基板上形成的SiGe/SiGe等。可根据希望的频率等适当地选择结构和材料。在本发明的以上的描述中，假定载流子是电子。但是，本发明不限于此， 并且，载流子也可以是空穴。另外，可根据其应用选择基板230的材料。例如，也可使用半导体基板(例如硅基板、砷化镓(gallium arsenide)基板、砷化铟(indium arsenide)基板或磷化镓(gallium phosphide)基板)、玻璃基板、陶瓷基板、树脂基板等。第二例子将参照图5A和图5B描述第二例子，在第二例子中，共振器具有波导结构。根据第二例子的振荡器包括具有等离子波导结构的共振器。等离子波导结构被构建为使得各 RTD 401被设置在共振器中，所述共振器包含两个电极406和407及被插入其间的电介质层 408。根据第二例子，振荡器的输出水平可增大。在图5A和图5B中，附图标记414表示馈线。可沿与图面垂直的方向连续地形成各RTD 401(未示出)。另外，如图5A和图5B所示，可以在共振器中周期性地布置RTD 401。在这种情况下，根据第二例子的振荡器可被构建为使得多个线(例如，线403a和40 )与相应的端口 1连接，在电磁场中共振的驻波的节点位于所述相应的端口 1处。作为典型的例子，所述线可包含第一线和第二线(与第一线不同)，所述第一线用于抑制比基本共振点处的电磁波的波长λ长的波长范围中的电磁波，所述第二线用于抑制高次共振点处的具有波长λ ‘ (λ ‘小于λ)的电磁波。此时， 第一线的长度接近λ/4(πι是自然数)，并且，第二线的长度接近ηΧ λ ‘ /2 (η是自然数)。可通过已知的半导体工艺制造这种结构。虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式以及等同的结构和功能。本申请要求在2009年3月27日提交的日本专利申请No. 2009-079402和在2009 年12月22日提交的日本专利申请No. 2009-291025的权益，在此以引用方式将其全部内容并入本文。
权利要求
1.一种用于使电磁波振荡的振荡器，包括共振器部分，包含共振隧道二极管、与共振隧道二极管接触的电介质、以及第一导体和第二导体，所述共振器部分被构建为使得所述电介质被插入第一导体和第二导体之间并且使得第一导体和第二导体与共振隧道二极管电连接；电容器部分，被构建为使得所述电介质被插入第一导体和第二导体之间； 线路部分，被配置为使所述共振器部分和所述电容器部分相互并联地电连接；以及电阻器部分，被配置为使得第一导体和第二导体相互电连接； 其中，所述共振器部分的第一位置和所述电容器部分的第二位置通过所述线路部分而相互连接，使得所述第一位置和所述第二位置在比在所述共振器部分中共振的电磁波的波长大的波长范围中在电气上基本相互等价。
2.根据权利要求1的振荡器，其中，所述共振器部分包含第一电极、第二电极、以及插入第一电极和第二电极之间的第一电介质，其中，所述电容器部分包含第三电极、第四电极、以及插入第三电极和第四电极之间的第二电介质，以及其中，所述共振器部分的第一电极上的第一位置和所述电容器部分的第三电极上的第二位置通过所述线路部分而相互连接。
3.根据权利要求1或2的振荡器，其中，在所述共振器部分中共振的电磁波是驻波，以及其中，所述第一位置是由所述共振隧道二极管产生的电磁波的驻波的节点在所述共振器部分中所位于的位置。
4.根据权利要求1 3中的一项的振荡器，其中，当λ是在所述共振器部分中共振的电磁波的波长时，所述线路部分的长度等于或接近于^n-DX λ/4，这里，m是自然数。
5.根据权利要求1 4中的一项的振荡器，其中，当λ是在所述共振器部分中共振的电磁波的波长并且λ ‘是比λ小的波长时， 所述线路部分的长度或另一个线路部分的长度等于或接近于ηΧ λ ‘ /2，这里，η是自然数。
6.根据权利要求2 5中的一项的振荡器，其中，所述电阻器部分被设置在所述电容器部分中的第三电极的外周处。
7.根据权利要求2 6中的一项的振荡器，其中，所述电容器部分中的第三电极被布置为沿设置所述共振器部分的平面包围所述共振器部分中的第一电极。
8.根据权利要求1 7中的一项的振荡器， 其中，多个线路部分被设置。
9.根据权利要求8的振荡器，其中，所述多个线路部分关于所述共振器部分被相互对称地布置。
10.根据权利要求1 9中的一项的振荡器，还包括 电源，被配置为向所述共振隧道二极管施加电压；以及馈线，被配置为使所述电源与所述第二位置电连接。
11.根据权利要求1 10中的一项的振荡器， 其中，所述电磁波是太赫兹波，以及其中，所述共振器部分包含用于使所述太赫兹波振荡的贴片天线。
12.一种用于使太赫兹波振荡的振荡元件，包括共振器部分，包含通过子带之间的载流子跃迁而产生太赫兹波的活性层、与所述活性层电接触的第一导体和第二导体、以及被插入第一导体和第二导体之间并且与所述活性层接触的电介质；电容器部分，被构建为使得所述电介质被插入第一导体和第二导体之间； 线路部分，被配置为使所述共振器部分和所述电容器部分相互并联地电连接；以及电阻器部分，被配置为使第一导体和第二导体相互电连接，其中，所述共振器部分的第一位置和所述电容器部分的第二位置通过所述线路部分而相互连接，使得所述第一位置和所述第二位置在比在所述共振器部分中共振的太赫兹波的波长大的波长范围中在电气上基本相互等价。
全文摘要
振荡器包括被构建为使得电介质被插入第一和第二导体之间并且使得第一和第二导体与共振隧道二极管电连接的共振器部分；被构建为使得电介质被插入第一和第二导体之间的电容器部分；被配置为相互并联地电连接共振器部分和电容器部分的线路部分；和被配置为相互电连接第一和第二导体的电阻器部分。共振器部分的第一位置和电容器部分的第二位置通过线路部分相互连接，使得第一位置和第二位置在比在共振器部分中共振的电磁波的波长大的波长范围中在电气上基本相互等价。
文档编号H03B7/14GK102362428SQ20108001304
公开日2012年2月22日 申请日期2010年3月23日 优先权日2009年3月27日
发明者关口亮太, 小山泰史 申请人:佳能株式会社