专利名称：具有负电阻元件的振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及振荡器，并且更特别地涉及振荡电磁波的电流注入型振荡器，该电磁波的至少一部分包括从毫米波带到太赫兹波带(大于30GHz且不大于30THZ)的频率区域中的频率成分。更具体地说，本发明涉及具有负电阻元件(诸如具有谐振隧穿二极管结构的元件)的电流注入型振荡器。
背景技术：
已开发了使用从毫米波带到太赫兹波带(大于30GHz且不大于30THz)的频率区域中的电磁波的非破坏性感测技术。该频带的电磁波的应用领域包括使用替代X射线装置的安全荧光检查装置的成像技术。已开发了诸如通过确定物质内的吸收光谱和/或复介电常数来检查物质的诸如接合状态的物理性能的光谱技术、生物分子分析技术和评估载流子浓度和迁移率的技术的技术。另外，正在讨论用于检查表现出太赫兹带特有的吸收光谱或所谓的指纹光谱的物质的有无的检查装置的开发。当这种检查装置被离散地提供有具有在要被检查物质的指纹光谱附近的各振荡频率(典型地为0. ITHz IOTHz)的振荡器时，由于它不包含在时域或频域中的任何扫描，因此，它可用于高速检查。用于产生太赫兹波的手段包括适于通过用来自飞秒激光器的光照射光电导元件产生脉冲波的那些手段和适于通过用来自纳秒激光器的光照射非线性晶体产生特定频率的波的参数振荡的那些手段。但是，所有这些手段基于发光激励并且面临小型化和功耗降低的限制。因此，正在讨论使用量子级联激光器或谐振隧穿二极管(RTD)作为用于在太赫兹波的区域中操作的电流注入型元件的结构。特别地，研究正致力于后者或者谐振隧穿二极管型元件，原因是它们在室温在ITHz附近操作(参见专利文献(PTL)I和非专利文献 (NPL) 1)。这些元件典型地通过使用包含经由GaAs或InP基板上的基于晶格匹配的外延生长生产的GaAs/AWaAs或InGaAs/InAlAs的量子阱形成。当在如图5所示的电压/电流 (V-I)特性的负电阻区域附近加偏压时，元件振荡。使用PTLl所示的在基板上形成的平板天线结构作为用于振荡的谐振器结构。这种RTD元件在宽的频率区域上表现增益。因此，必须抑制除希望的振荡以外的可归因于相对低频率的谐振点的寄生振荡，其是由于连接电源偏压电路与RTD元件而产生的。通过将在PTL 1中的电阻器或者如图6所示的在NPL 1中的二极管元件63与RTD元件64并联连接，抑制寄生振荡。注意，在图6中，60表示还用作用于取出振荡输出的缝隙天线的传输线，并且，61和62表示传输线的终端部分的电容元件。振荡器由60、61、62和64 形成。65表示用于向RTD元件64施加电压的电源(Vbias)，并且，66表示电源65的内电阻和连接线67具有的电阻的总和(Rbias)。电源偏压电路由65、66和67形成。引文列表专利文献PTL 1 日本专利申请公开 No. 2007-124250非专利文献
NPL 1 :IEEE Electron Device Letters, vol. 18，1997，pp.218—221NPL 2 JEEE MICROWAVE AND GUIDE WAVE LETTERS, VOL. 5, NO. 7, JULY 1995， pp.219-22
发明内容
关于PTL 1的方法，通过用具有与图6的RTD元件64的负电阻基本上相同的电阻的电阻元件替代二极管元件63，负电阻在低频率区域中被抵消，以不产生任何增益并且抑制任何寄生振荡。这里使用的低频率基本上为kHz和MHz的量级，但是可根据连接电源偏压电路与RTD元件的电缆的长度而改变。但是，上述的电阻元件的电阻值为几欧姆(Ω)的约几十倍，并且，不参与振荡的DC电流流向电阻元件，限制了功率转换效率的提高。另一方面，NPL 1使用二极管元件63以替代上述的电阻元件。通过选择当RTD元件被驱动振荡时在偏压电压附近可抵消二极管元件63的负电阻的微分电阻值，防止出现寄生振荡。同样， 通过这种配置，DC电流流向RTD元件以外的元件，限制了功耗的降低。并且，由于使得电流流向电阻元件和二极管元件，因此两者均发热以消耗电力。从而，作为结果，当发热元件被一体化布置于RTD元件附近时，RTD元件被加热，减少了元件的寿命和增益。在本发明的一个方面中，根据本发明的振荡器包括负电阻元件和谐振器，以及相对于电源偏压电路与所述负电阻元件并联电连接的电容器，所述电容器的电容被选择为使得抑制由于电源偏压电路导致的任何寄生振荡并且允许由于负电阻元件和谐振器导致的谐振频率上的振荡。结合附图从以下描述，本发明的其它特征和优点将变得清晰，在附图中，类似的附图标记表示相同或类似的部分。
被并入说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。图IA是本发明的实施例1的振荡器的示意性透视图。图IB是本发明的实施例1的振荡器的示意性截面图。图2是示出用于描述本发明的原理的频带和能量损失量之间的关系的曲线图。图3是本发明的实施例2的振荡器的示意性透视图。图4是本发明的实施例3的振荡器的示意性透视图。图5是负电阻元件的振荡的示意图。图6是已知的振荡器的示意图。
具体实施例方式现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。对于本发明的本实施例的振荡器来说，以下是重要的。即，选择相对于电源偏压电路与负电阻元件并联电连接的电容器的电容，使得抑制由于电源偏压电路导致的任何寄生振荡，并且允许由于负电阻元件和谐振器导致的谐振频率上的振荡。换句话说，如果电容器由单一部分形成，那么该部分操作以抑制任何寄生振荡并在希望的谐振频率产生振荡。另一方面，如果通过多个部分形成电容器，那么这些部分协作以抑制任何寄生振荡并在希望的谐振频率产生振荡。基于该思想，本实施例的振荡器具有上述的基本配置。根据该基本配置，根据本发明的振荡器可具有以下描述的更具体的配置。例如，谐振器的一部分用作负电阻元件的两个电极，并且，电容器与这些电极并联电连接。然后，按以下描述的方式选择电容器的电容C。即，由与电容器连接的电源偏压电路的总电阻R确定的截止角频率ω = 1/(CR)被选择为比由电源偏压电路和负电阻元件形成的环路反馈电路的基本谐振频率小(参见以下描述的实施例)。电容器和负电阻元件可在电气长度方面以与谐振频率对应的振荡波长的约1/4分隔开，并且通过线连接(参见以下描述的实施例 1)。电容器可包含具有不同的电容并与负电阻元件并联连接的两个或多于两个的电容器， 并且，位置更远离负电阻元件的电容器的电容可具有更大的电容值(参见以下描述的实施例)。(实施例1)本发明的实施例1具有通过在同一基板上集成RTD元件和大电容电容器而形成的结构。图IA和图IB示出其结构，其中，图IA是示意性透视图，并且图IB是沿图IA中的 1B-1B切取的示意性截面图。在图IA和图IB中，4表示柱状RTD元件，并且，该结构还包括在InP基板1上通过其晶体生长而形成的外延层，包含InGaAs/AlAs或InGaAs/InAlAs量子阱17、一对接触层15、16和间隔层(未示出)。通过使用诸如GaAs基板上的AWaAs/GaAs 和GaN基板上的AlfeiNAnGaN的III-V族化合物半导体、诸如Si基板上的Si/SiGe的IV 族半导体和II-VI族半导体形成的负电阻元件也是适用的。通过还用作接地面的电极2、还用作贴片天线和电源的电极5以及被夹在它们之间的电介质3形成谐振器。在其振荡区域中仅表现很少的损失的电介质3是优选的。优选的示例性电介质包含BCB (商标BenzoCyClobutene)、聚酰亚胺、聚乙烯和聚烯烃，并且，这里使用BCB。从图IB可以看出，RTD元件4的触点中的一个通过n+hGaAs接触层15与接地面电极2连接，而另一触点通过n+hGaAs接触层16与变为贴片天线的电极5连接。天线5与形成电容元件的电极6和7以及线10电连接，使得可从电源9通过电缆线13以及电极2和7向RTD元件4供给偏压能量。在本实施例中，通过线10在RTD元件4附近形成具有相对小的电容(pF量级的大小)的第一电容器Cjll)。希望的是，它在与RTD元件4相距振荡波长λ的1/4内的位置处形成。例如，如果振荡频率为0. 5ΤΗζ，那么自由空间中的波长为约600 μ m,由此在分隔开约 150 μ m的距离的位置处设置第一电容器11的电极6。在贴片天线5的情况下，线10的长度为约λ/4就够了。实际上，由于存在电介质，因此，以考虑了波长减小效果的有效长度来设计振荡器，使得该距离为自由空间中的距离的约一半，但是该距离可依赖于使用的材料。这是因为一般称为管内波长(intra-tube wavelength)或电气长度的长度减小约1/ V ε eff， 这里，是有效介电常数。然后，用作第一电容器的电容器共享用于形成贴片天线5的电介质3。由于第一电容器的设置，因此，能够仅在希望的振荡频率振荡，从而在一定程度上防止可归因于供给偏压所需要的线的寄生振荡。如果第一电容器的电容为lpF，那么，当电介质3由BCB (比介电常数(specific dielectric constant) 2. 7)制成并具有3μπι的厚度 (可根据RTD元件的柱体的高度改变)时，电极6的尺寸为约10_7m2。这根据C= ε S/d的关系计算(这里，S是电极面积，d是电极之间的距离，ε是电介质的介电常数)。因此，电极6可具有长约100 μ m的数倍的边。然后，对于本实施例，具有相对大的电容(大小为nF和PF之间的量级)的第二电容器C2 (1 接近于第一电容器的偏压电路与第一电容器并联连接。选择具有大的介电常数的材料8，并然后使其表现小的厚度。可通过使用例如比介电常数不小于10的几倍、厚度为约0. 1 μ m并且面积为lcm2(边长为1cm)的高介电常数材料(例如，氧化钛和钛酸钡)， 使得第二电容器12表现约IOOnF的电容。在本实施例中，在同一基板上集成多个电容器。 虽然电极6和7在图IA和图IB中均被绘制为表现相同的宽度，但是，电极6和7不仅可沿高度方向产生台阶而且可沿宽度方向产生台阶，只要它们相互电连接即可。现在，以下将参照示出频带的图2详细描述抑制寄生振荡的效果。在图2中，横轴是对于从IHz直到ITHz的频率示出1000Hz的步幅的对数轴。纵轴示意性地以任意选择的刻度表示振荡电路以及电源偏压电路的能量损失量。在图2中，由实线绘制的梯形曲线23 表示由第一电容器C1确定的特性，以证明损失在粗实线20所指示的希望的振荡频率(例如，700GHz)处小，但在低于希望的频率的频率处增加。另外，由于第一电容器的电容的限制，因此在低于IOGHz的几倍的频率处抑制效果小并且能量损失量减小。这是由于滤波器元件形成有由下式(1)限定的截止频率f，这里Rs是作为偏压电路的内电阻和电缆线13的电阻的总和的电阻(14)，并且，C1是电容器的电容。
权利要求
1.一种具有负电阻元件和谐振器的振荡器，其特征在于，包括相对于电源偏压电路与所述负电阻元件并联电连接的电容器，所述电容器的电容C被选择为使得抑制由于所述电源偏压电路导致的任何寄生振荡并且允许由于所述负电阻元件和所述谐振器导致的谐振频率处的振荡。
2.根据权利要求1的振荡器，其特征在于，所述谐振器的一部分用作所述负电阻元件的两个电极，所述电容器与所述电极并联电连接，并且，所述电容器的所述电容C以如下方式被选择，即由与所述电容器连接的所述电源偏压电路的总电阻R确定的截止角频率ω =/I(CR)比通过所述电源偏压电路和所述负电阻元件形成的环路反馈电路的基本谐振频率小。
3.根据权利要求1的振荡器，其特征在于，所述电容器和所述负电阻元件在电气长度方面分隔开与谐振频率对应的振荡波长的 1/4，并且通过线连接。
4.根据权利要求1的振荡器，其特征在于，所述电容器包含具有不同的电容C并与所述负电阻元件并联地连接的两个或多于两个的电容器，并且，位置距所述负电阻元件更远的电容器的电容C具有更大的电容值。
5.根据权利要求4的振荡器，其特征在于，所述两个或多于两个的电容器被集成于同一基板上。
6.根据权利要求1的振荡器，其特征在于，所述电源偏压电路的总电阻比所述负电阻元件的负电阻的绝对值小。
全文摘要
振荡器具有负电阻元件和谐振器，以及相对于电源偏压电路与负电阻元件并联电连接的电容器，电容器的电容被选择为使得抑制由于电源偏压电路导致的任何寄生振荡并允许由于负电阻元件和谐振器导致的谐振频率上的振荡。
文档编号H03B7/08GK102484450SQ20108003968
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月13日 优先权日2009年9月7日
发明者关口亮太, 尾内敏彦 申请人:佳能株式会社