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JP6870135B2 - element - Google Patents

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JP6870135B2 JP2020054579A JP2020054579A JP6870135B2 JP 6870135 B2 JP6870135 B2 JP 6870135B2 JP 2020054579 A JP2020054579 A JP 2020054579A JP 2020054579 A JP2020054579 A JP 2020054579A JP 6870135 B2 JP6870135 B2 JP 6870135B2
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Description

本発明は、テラヘルツ波を発振又は検出する素子に関する。 The present invention relates to an element that oscillates or detects a terahertz wave.

ミリ波帯からテラヘルツ帯まで(30GHz以上30THz以下)の周波数領域の電磁波(以下、「テラヘルツ波」とよぶ)を発生する電流注入型の光源として、負性抵抗素子に共振器を集積した発振器が良く知られている。特許文献1は、負性抵抗素子である2重障壁型の共鳴トンネルダイオード(以下、単に「RTD」とよぶことがある)とマイクロストリップ共振器とを同一基板上に集積したテラヘルツ波の発振器が記載されている。 As a current injection type light source that generates electromagnetic waves (hereinafter referred to as "terahertz waves") in the frequency range from the millimeter wave band to the terahertz band (30 GHz or more and 30 THz or less), an oscillator in which a resonator is integrated in a negative resistance element is used. Well known. Patent Document 1 describes a terahertz wave oscillator in which a double barrier type resonance tunnel diode (hereinafter, sometimes simply referred to as “RTD”), which is a negative resistance element, and a microstrip resonator are integrated on the same substrate. Are listed.

負性抵抗素子を用いた発振器は、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整するための電源と配線とを含むバイアス回路に起因した寄生発振を生じることが知られている。寄生発振は、所望の周波数と異なる低周波側の周波数帯における寄生的な発振のことを指し、所望の周波数における発振出力を低下させる。 It is known that an oscillator using a negative resistance element causes parasitic oscillation caused by a bias circuit including a power supply and wiring for adjusting the bias voltage of the negative resistance element. Parasitic oscillation refers to parasitic oscillation in a frequency band on the low frequency side different from the desired frequency, and reduces the oscillation output at the desired frequency.

寄生発振の抑制には、発振器から発振するテラヘルツ波の波長をλTHz、発振周波数をfTHzとすると、DC以上fTHz未満の周波数領域においてバイアス回路側のインピーダンスを低くすることが必要である。この対策として、RTDから見て電源側に向かってλTHz/4以内の位置に抵抗と容量とを有する回路を配置する方法が提案されている。これを実現する手段として、非特許文献1にはスロット型共振器を用いた発振器が記載されている。非特許文献1では図11のように、S−RTD11から見て電源16側に向かってλTHz/4以内の位置に整流ダイオード15を集積している。抵抗17は、電源16の内部抵抗及び接続線が持つ抵抗を合計したものである。 In order to suppress parasitic oscillation, if the wavelength of the terahertz wave oscillated from the oscillator is λ THz and the oscillation frequency is f THz , it is necessary to lower the impedance on the bias circuit side in the frequency region of DC or more and less than f THz. As a countermeasure, a method of arranging a circuit having a resistor and a capacitance at a position within λ THz / 4 toward the power supply side when viewed from the RTD has been proposed. As a means for realizing this, Non-Patent Document 1 describes an oscillator using a slot type resonator. In Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 11, the rectifier diode 15 is integrated at a position within λ THz / 4 toward the power supply 16 side when viewed from the S-RTD 11. The resistance 17 is the sum of the internal resistance of the power supply 16 and the resistance of the connecting wire.

特開2006−101495号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-101495

IEEE Electron Device Letters,Vol 18,218(1997)IEEE Electronics Letters, Vol 18, 218 (1997)

非特許文献1に記載の手法は、あくまでスロット型共振器のための構成を述べているため、特許文献1に開示されるパッチアンテナ等のマイクロストリップ型共振器を用いた発振器に適用することは容易ではなかった。例えば共振器がパッチアンテナであれば、負性抵抗素子から見てバイアス回路側に向かってλTHz/4以内の領域は、パッチアンテナそのもの、あるいはパッチアンテナに近接する周辺部材のある領域となるためである。したがって、マイクロストリップ型共振器では、共振器と干渉せずに回路を配置することは容易ではなかった。また、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整する為に必要な配線構造が共振器に近接するため、構造に起因した比較的高い周波数の寄生発振を低減する必要があった。 Since the method described in Non-Patent Document 1 only describes the configuration for a slot type resonator, it cannot be applied to an oscillator using a microstrip type resonator such as a patch antenna disclosed in Patent Document 1. It wasn't easy. For example, if the resonator is a patch antenna, the region within λ THz / 4 toward the bias circuit side when viewed from the negative resistance element is the patch antenna itself or a region with peripheral members close to the patch antenna. Is. Therefore, in the microstrip type resonator, it is not easy to arrange the circuit without interfering with the resonator. Further, since the wiring structure required for adjusting the bias voltage of the negative resistance element is close to the resonator, it is necessary to reduce the parasitic oscillation at a relatively high frequency due to the structure.

本発明は上記課題に鑑み、配線構造に起因した寄生発振を低減し、所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波をより安定して発振できる素子を提供することを目的とする。 In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide an element capable of reducing parasitic oscillation caused by a wiring structure and oscillating a terahertz wave having a desired oscillation frequency of f THz more stably.

本発明の一側面としての素子は、テラヘルツ波を発振又は検出する素子であって、微分負性抵抗素子、第1の導体、第2の導体、誘電体、を有する共振部と、前記微分負性抵抗素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、前記共振部と前記バイアス回路とを接続する線路と、を有し、前記微分負性抵抗素子と前記誘電体とは、前記第1の導体と前記第2の導体との間に配置されており、前記線路は、前記線路のインダクタンスと前記共振部の容量とによる共振の周波数fLCにおいて、前記微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路であることを特徴とする素子。 The element as one aspect of the present invention is an element that oscillates or detects a terahertz wave, and has a resonant portion having a differential negative resistance element, a first conductor, a second conductor, and a dielectric, and the differential negative. It has a bias circuit that supplies a bias voltage to the sex resistance element and a line that connects the resonance portion and the bias circuit, and the differential negative resistance element and the dielectric are the first conductor. The line is arranged between the second conductor and the absolute resistance of the differential negative resistance element at the frequency fLC of resonance due to the inductance of the line and the capacitance of the resonance portion. An element characterized by being a low-impedance line based on a value.

本発明の一側面としての素子によれば、配線構造に起因した寄生発振を低減し、所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波をより安定して発振又は検出できる。 According to the element as one aspect of the present invention, the parasitic oscillation caused by the wiring structure can be reduced, and the terahertz wave having a desired oscillation frequency of f THz can be oscillated or detected more stably.

実施形態の素子の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the element of embodiment. 実施形態の素子のアドミタンス特性を説明する図。The figure explaining the admittance characteristic of the element of embodiment. 実施例1の素子の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the element of Example 1. FIG. 実施例2に記載の変形例1の素子の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the element of the modification 1 described in Example 2. FIG. 実施例2に記載の変形例2の素子の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the element of the modification 2 described in Example 2. FIG. 実施例2に記載の変形例2の発振器のアドミタンス特性を説明する図。The figure explaining the admittance characteristic of the oscillator of the modification 2 which is described in Example 2. FIG. 実施例2に記載の変形例3の素子の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the element of the modification 3 described in Example 2. FIG. 実施例2に記載の変形例3の素子のアドミタンス特性を説明する図。The figure explaining the admittance characteristic of the element of the modification 3 described in Example 2. FIG. 実施形態の素子のアドミタンス特性の誘電体の厚さ依存性を説明する図。The figure explaining the thickness dependence of the dielectric of the admittance characteristic of the element of embodiment. 実施形態の素子のアドミタンス特性の線路の長さ依存性を説明する図。The figure explaining the line length dependence of the admittance characteristic of the element of embodiment. 従来の発振器の構成を説明する図。The figure explaining the structure of the conventional oscillator.

本実施形態に係る素子100について、図1を用いて説明する。素子100は、発振周波数fTHz(共振周波数fTHz)の電磁波を発振する発振器である。図1(a)は本実施形態に係る素子100の外観を示す斜視図であり、図1(b)はそのA−A断面図、図1(c)はそのB−B断面図である。なお、素子100は、以降「発振器100」と呼ぶ。 The element 100 according to this embodiment will be described with reference to FIG. The element 100 is an oscillator that oscillates an electromagnetic wave having an oscillation frequency of f THz (resonance frequency f THz). 1 (a) is a perspective view showing the appearance of the element 100 according to the present embodiment, FIG. 1 (b) is a sectional view taken along the line AA, and FIG. 1 (c) is a sectional view taken along the line BB. The element 100 is hereinafter referred to as an "oscillator 100".

まず、発振器100の構成について説明する。発振器100は、共振部102、線路108、バイアス回路120、を有する。共振部102は、パッチ導体(第1の導体)103、接地導体(第2の導体)104及び第1の誘電体105aを含むテラヘルツ波帯の共振器と、微分負性抵抗素子101と、を有する。 First, the configuration of the oscillator 100 will be described. The oscillator 100 has a resonance portion 102, a line 108, and a bias circuit 120. The resonance portion 102 includes a terahertz wave band resonator including a patch conductor (first conductor) 103, a ground conductor (second conductor) 104, and a first dielectric 105a, and a differential negative resistance element 101. Have.

微分負性抵抗素子101は、電流電圧特性において、電圧の増加に伴って電流が減少する領域、すなわち負の抵抗をもつ領域(微分負性抵抗領域)が現れる素子である。微分負性抵抗素子101は、典型的には、RTDやエサキダイオード、ガンダイオード、一端子を終端したトランジスタなどの高周波素子が好適である。また、タンネットダイオード、インパットダイオード、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、化合物半導体系FET、高電子移動度トランジスタ(HEMT)などを用いてもよい。また、超伝導体を用いたジョセフソン素子の微分負性抵抗を用いてもよい。本実施形態では、テラヘルツ波帯で動作する代表的な微分負性抵抗素子である共鳴トンネルダイオード(RTD)を微分負性抵抗素子101に用いた場合を例にして説明を進める。 The differential negative resistance element 101 is an element in which a region in which the current decreases as the voltage increases, that is, a region having a negative resistance (differential negative resistance region) appears in the current-voltage characteristics. The differential negative resistance element 101 is typically a high-frequency element such as an RTD, an Esaki diode, a Gunn diode, or a transistor having one terminal terminated. Further, a tannet diode, an impat diode, a heterojunction bipolar transistor (HBT), a compound semiconductor FET, a high electron mobility transistor (HEMT) and the like may be used. Further, the differential negative resistance of the Josephson element using a superconductor may be used. In this embodiment, a case where a resonance tunnel diode (RTD), which is a typical differential negative resistance element operating in the terahertz wave band, is used for the differential negative resistance element 101 will be described as an example.

共振部102は、共振器と微分負性抵抗素子101とが集積されたアクティブアンテナである。共振器は、テラヘルツ波の共振器であり、パッチ導体103と、接地導体104と、パッチ導体103と接地導体104との間に配置されている誘電体105aと、を有する。パッチ導体103と接地導体104との二導体で誘電体105aを挟む構成は、有限な長さのマイクロストリップラインなどを用いたマイクロストリップ共振器として良く知られている。本実施形態では、テラヘルツ波の共振器としてパッチアンテナを用いている。 The resonance unit 102 is an active antenna in which a resonator and a differential negative resistance element 101 are integrated. The resonator is a terahertz wave resonator, and has a patch conductor 103, a ground conductor 104, and a dielectric 105a arranged between the patch conductor 103 and the ground conductor 104. A configuration in which a dielectric 105a is sandwiched between two conductors, a patch conductor 103 and a ground conductor 104, is well known as a microstrip resonator using a microstrip line having a finite length or the like. In this embodiment, a patch antenna is used as a terahertz wave resonator.

パッチアンテナは、パッチ導体103のA−A方向の幅がλ/2共振器となるように設定される。パッチ導体103と接地導体104との間には、微分負性抵抗素子101が配置されている。本実施形態では、微分負性抵抗素子101とパッチアンテナなどのテラヘルツ波帯の共振器とを集積した構成を共振部102とする。 The patch antenna is set so that the width of the patch conductor 103 in the AA direction is a λ / 2 resonator. A differential negative resistance element 101 is arranged between the patch conductor 103 and the ground conductor 104. In the present embodiment, the resonance portion 102 is a configuration in which the differential negative resistance element 101 and a terahertz wave band resonator such as a patch antenna are integrated.

ここで、本明細書における「誘電体」は、導電性よりも誘電性が優位な物質で、直流電圧に対しては電気を通さない絶縁体或いは高抵抗体としてふるまう材料である。典型的には抵抗率が1kΩ・m以上の材料が好適である。具体例としては、プラスティック、セラミック、酸化シリコン、窒化シリコンなどがある。 Here, the "dielectric" in the present specification is a substance having a dielectric property superior to that of a conductive material, and is a material that behaves as an insulator or a high resistor that does not conduct electricity with respect to a DC voltage. Typically, a material having a resistivity of 1 kΩ · m or more is suitable. Specific examples include plastic, ceramic, silicon oxide, silicon nitride and the like.

共振部102は、パッチアンテナと微分負性抵抗素子101とが集積されたアクティブアンテナである。従って、発振器100の共振部102によって規定される発振周波数fTHzは、パッチアンテナのリアクタンスと微分負性抵抗素子101のリアクタンスとを組み合わせた全並列共振回路の共振周波数として決定される。すなわち、発振器100は、発振周波数fTHzのテラヘルツ波を発振する。 The resonance portion 102 is an active antenna in which a patch antenna and a differential negative resistance element 101 are integrated. Therefore, the oscillation frequency f THz defined by the resonance portion 102 of the oscillator 100 is determined as the resonance frequency of the all-parallel resonance circuit in which the reactance of the patch antenna and the reactance of the differential negative resistance element 101 are combined. That is, the oscillator 100 oscillates a terahertz wave having an oscillation frequency of f THz.

具体的には、Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.47,No.6,4375(2008)に開示されたRTD発振器の等価回路から、RTDとアンテナのアドミタンス(YRTD及びYANT)を組み合わせた共振回路について、(1)式の振幅条件と(2)式の位相条件との二つの条件を満たす周波数が発振周波数fTHzとして決定される。ここで、Re[YRTD]は、微分負性抵抗素子101のアドミタンスであり負の値を有す。
Re[YRTD]+Re[YANT]≦0 (1)
Im[YRTD]+Im[YANT]=0 (2)
Specifically, Jpn. J. Apple. Phys. , Vol. 47, No. From the equivalent circuit of the RTD oscillator disclosed in 6,4375 (2008), for the resonant circuit combining the RTD and the admittance of the antenna (Y RTD and Y ANT ), the amplitude condition of the equation (1) and the phase of the equation (2). A frequency that satisfies the two conditions is determined as the oscillation frequency f THz. Here, Re [Y RTD ] is the admittance of the differential negative resistance element 101 and has a negative value.
Re [Y RTD ] + Re [Y ANT ] ≤ 0 (1)
Im [Y RTD ] + Im [Y ANT ] = 0 (2)

微分負性抵抗素子101にバイアス電圧を供給するためのバイアス回路120は、微分負性抵抗素子101と並列に接続された抵抗110、抵抗110と並列に接続された容量109、電源112、配線111を含む。配線111は、寄生的なインダクタンス成分を必ず伴うため、図1上ではインダクタンスとして表示した。電源112は、微分負性抵抗素子101の駆動に必要な電流を供給し、バイアス電圧を調整する。バイアス電圧は、典型的には、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗領域から選択される。 The bias circuit 120 for supplying the bias voltage to the differential negative resistance element 101 includes a resistor 110 connected in parallel with the differential negative resistance element 101, a capacitance 109 connected in parallel with the resistor 110, a power supply 112, and a wiring 111. including. Since the wiring 111 always has a parasitic inductance component, it is shown as an inductance in FIG. The power supply 112 supplies the current required to drive the differential negative resistance element 101 and adjusts the bias voltage. The bias voltage is typically selected from the differential negative resistance region of the differential negative resistance element 101.

線路108は、分布定数線路であり、バイアス回路120からのバイアス電圧は、線路108を介して素微分負性抵抗子101に供給される。本実施形態の線路108は、マイクロストリップラインである。線路108は、ストリップ導体(第3の導体)106と、接地導体(第4の導体)104と、第2の誘電体105bと、第5の導体107と、を有し、ストリップ導体106と接地導体104とで第2の誘電体105bを挟んだ構成である。ストリップ導体106とパッチ導体103とは、第5の導体107を介して電気的に接続されている。 The line 108 is a distributed constant line, and the bias voltage from the bias circuit 120 is supplied to the elementary differential negative resistor 101 via the line 108. The line 108 of this embodiment is a microstrip line. The line 108 has a strip conductor (third conductor) 106, a grounding conductor (fourth conductor) 104, a second dielectric 105b, and a fifth conductor 107, and is grounded with the strip conductor 106. The second dielectric 105b is sandwiched between the conductor 104 and the conductor 104. The strip conductor 106 and the patch conductor 103 are electrically connected via a fifth conductor 107.

第2の誘電体105bの厚さは、第1の誘電体105aの厚さより薄くなるように構成されている。そのため、第5の導体107は、第1の誘電体105aと第2の誘電体105bとの間の段差(高低差)をつなぎ、パッチ導体103とストリップ導体106との間を電気的かつ物理的に接続するためのプラグの役割がある。これにより共振部102と線路108とはDC結合される。なお、本実施形態では共振部102の第2の導体と線路108の第4の導体とは、同一の層である接地導体104であるが、各々異なる導体でもよい。 The thickness of the second dielectric 105b is configured to be thinner than the thickness of the first dielectric 105a. Therefore, the fifth conductor 107 connects the step (height difference) between the first dielectric 105a and the second dielectric 105b, and electrically and physically connects the patch conductor 103 and the strip conductor 106. Has the role of a plug to connect to. As a result, the resonance portion 102 and the line 108 are DC-coupled. In the present embodiment, the second conductor of the resonance portion 102 and the fourth conductor of the line 108 are ground conductors 104, which are the same layer, but different conductors may be used.

バイアス回路120の抵抗110及び容量109は、バイアス回路120に起因した比較的低周波な共振周波数fsp(fsp<fLC<fTHz、典型的にはDCから10GHzの周波数帯)の寄生発振を抑制している。ここで、周波数fLCは、線路108のインダクタンスLと微分負性抵抗素子101及びパッチアンテナを含む共振部102の容量(キャパシタンス)CANTによるLC共振の周波数である。これについての詳細は後述する。 The resistance 110 and the capacitance 109 of the bias circuit 120 are parasitic oscillations of a relatively low frequency resonance frequency f sp (f sp <f LC <f THz , typically a frequency band from DC to 10 GHz) caused by the bias circuit 120. Is suppressed. Here, the frequency f LC is the frequency of the LC resonance due to the inductance L of the line 108 and the capacitance CANT of the resonance portion 102 including the differential negative resistance element 101 and the patch antenna. Details of this will be described later.

抵抗110の値は、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗領域における微分負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値が選択されることが好ましい。抵抗110は、微分負性抵抗素子101から距離d離れた位置に配置されている。そして、主に4×d以上の波長帯において、抵抗110より外側のバイアス回路120は、微分負性抵抗素子101からみて低インピーダンス、すなわち、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値を基準として低インピーダンスとなっている。これを換言すると、抵抗110は、fSP(fSP<fLC<fTHz)以下の周波数帯において、微分負性抵抗素子101からみて低インピーダンスとなるように設定されることが好ましい。 It is preferable that the value of the resistance 110 is selected to be equal to or slightly smaller than the absolute value of the differential negative resistance in the differential negative resistance region of the differential negative resistance element 101. Resistor 110 is arranged at a distance d 2 away from the negative differential resistance element 101. Then, mainly in the wavelength band of 4 × d 2 or more, the bias circuit 120 outside the resistor 110 has a low impedance when viewed from the differential negative resistance element 101, that is, the absolute differential negative resistance of the differential negative resistance element 101. The impedance is low based on the value. In other words, it is preferable that the resistor 110 is set to have a low impedance when viewed from the differential negative resistance element 101 in the frequency band below f SP (f SP <f LC <f THz).

容量109も抵抗110と同様に、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値とインピーダンスが等しいか、少し低くなるように設定されることが好ましい。一般的には、容量109は大きいほうが好ましく、本実施形態では数十pF程度としている。容量109は線路108としてのマイクロストリップラインと直結されたデカップリング容量となっており、例えば、パッチアンテナ102と基板(不図示)とを共にしたMIM(Metal−insulator−Metal)構造を利用してもよい。 Like the resistor 110, the capacitance 109 is preferably set so that the impedance is equal to or slightly lower than the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101. Generally, it is preferable that the capacity 109 is large, and in the present embodiment, it is about several tens of pF. The capacity 109 is a decoupling capacity directly connected to a microstrip line as a line 108. For example, using a MIM (Metal-insulator-Metal) structure in which a patch antenna 102 and a substrate (not shown) are used together. May be good.

従来の素子構成では、線路108のインダクタンスLと微分負性抵抗素子101及び共振部102の容量(キャパシタンス)CANTに起因した周波数fLC(fLC≒1/{2π√(LCANT)}、fSP<fLC<fTHz)のLC共振を形成することがあった。周波数fLCは、主に、微分負性抵抗素子101の容量、線路(本実施形態であればマイクロストリップライン)108の長さと幅、及びパッチアンテナの面積、誘電体105aの厚さ等で決まり、典型的には10GHz以上500GHz以下の範囲となる。 In the conventional element configuration, the frequency f LC (f LC ≈ 1 / {2π√ (LC ANT )} due to the inductance L of the line 108 and the capacitance (capacitance) C ANT of the differential negative resistance element 101 and the resonance portion 102, An LC resonance of f SP <f LC <f THz ) was sometimes formed. The frequency fLC is mainly determined by the capacitance of the differential negative resistance element 101, the length and width of the line (microstrip line in this embodiment) 108, the area of the patch antenna, the thickness of the dielectric 105a, and the like. Typically, the range is 10 GHz or more and 500 GHz or less.

パッチアンテナの構造上、前述の抵抗110及び容量109を含むバイアス回路120を、発振周波数fTHzの共振電界と干渉せず共振部102に直接接続することは容易ではない。このため、微分負性抵抗素子101へバイアス電圧を給電するためには、給電線である線路108を介してバイアス回路120と共振部102とを接続する必要がある。よって、線路108は、バイアス回路120よりも微分負性抵抗素子101に近い位置に配置されるので、微分負性抵抗素子101の利得による寄生的な周波数fLCの発振が生じることがあった。 Due to the structure of the patch antenna, it is not easy to directly connect the bias circuit 120 including the resistor 110 and the capacitance 109 described above to the resonance portion 102 without interfering with the resonance electric field having an oscillation frequency of f THz. Therefore, in order to supply the bias voltage to the differential negative resistance element 101, it is necessary to connect the bias circuit 120 and the resonance portion 102 via the line 108 which is a feeder line. Thus, line 108, since it is located closer to the negative differential resistance element 101 than the bias circuit 120, there is the oscillation of the parasitic frequency f LC due to the gain of the negative differential resistance element 101 occurs.

本実施形態の発振器100は、微分負性抵抗素子101及びパッチアンテナを含む共振部102と、抵抗110及び容量109を含むバイアス回路120とを、分布定数線路である線路108で接続している。従って、分布定数線路である線路108は、バイアス回路120のデカップリング容量である容量109とパッチアンテナを含む共振部102とを接続するための線路である。本実施形態の発振器100は、パッチ導体103と接地導体104との二導体で微分負性抵抗素子101と第1の誘電体105aを挟む構成のアクティブパッチアンテナである。バイアス回路120の抵抗110はシャント抵抗、容量109はデカップリング容量であり、これらは、微分負性抵抗素子101および電源112と並列に接続される。マイクロストリップラインである線路108は、共振部102のパッチアンテナと容量109との間に接続される。 In the oscillator 100 of the present embodiment, the resonance portion 102 including the differential negative resistance element 101 and the patch antenna and the bias circuit 120 including the resistor 110 and the capacitance 109 are connected by a line 108 which is a distributed constant line. Therefore, the line 108, which is a distributed constant line, is a line for connecting the capacitance 109, which is the decoupling capacitance of the bias circuit 120, and the resonance portion 102 including the patch antenna. The oscillator 100 of the present embodiment is an active patch antenna having a structure in which a differential negative resistance element 101 and a first dielectric 105a are sandwiched between two conductors, a patch conductor 103 and a ground conductor 104. The resistor 110 of the bias circuit 120 is a shunt resistor, and the capacitance 109 is a decoupling capacitance, which are connected in parallel with the differential negative resistance element 101 and the power supply 112. The line 108, which is a microstrip line, is connected between the patch antenna of the resonance portion 102 and the capacitance 109.

発振器100は、LC共振の周波数fLC付近の周波数帯において、線路(マイクロストリップライン)108は、微分負性抵抗素子101からみて低インピーダンスとなるような構造及び構成となっている。線路108が微分負性抵抗素子101からみて低インピーダンスとなるような構成とは、言い換えると、線路108が微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路である構成である。 The oscillator 100 has a structure and a configuration such that the line (microstrip line) 108 has a low impedance when viewed from the differential negative resistance element 101 in the frequency band near the LC resonance frequency f LC. The configuration in which the line 108 has a low impedance when viewed from the differential negative resistance element 101 is, in other words, a low impedance line in which the line 108 is based on the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101. It is a composition.

ここで、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路とは、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値を基準とした時に比較的インピーダンスが低い線路の事を指す。比較的インピーダンスが低い線路とは、典型的には、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値の10倍以下、好ましくは微分負性抵抗の絶対値以下となる線路のことである。一般的には、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値は、構造によるが大体0.1Ω以上100Ω以下であるので、低インピーダンス線路のインピーダンスは、概ね1Ω以上1000Ωの範囲に設定される。 Here, the low impedance line based on the absolute value of the differential negative resistance element 101 has a relatively high impedance when the absolute value of the differential negative resistance element 101 is used as a reference. Refers to low lines. A line having a relatively low impedance is typically a line having a value of 10 times or less, preferably less than or equal to the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101. .. Generally, the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101 depends on the structure, but is about 0.1Ω or more and 100Ω or less. Therefore, the impedance of the low impedance line is set in the range of about 1Ω or more and 1000Ω. Will be done.

微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値を基準として、インピーダンスな線路108を構成するには、例えば、線路108の厚さを調整して線路108の特性インピーダンスを微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値の10倍以下に設定する。より好ましくは、線路108の特性インピーダンスを微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値以下に設定する。また、微分負性抵抗素子101の周波数特性を考慮して利得であるインピーダンスの実部の絶対値(|1/Re[YRTD]|)で考えても良い。この場合、特性インピーダンスが、微分負性抵抗素子101のインピーダンスの実部の絶対値(|1/Re[YRTD]|)の10倍以下、好ましくは微分負性抵抗素子101のインピーダンスの実部の絶対値(|1/Re[YRTD]|)以下となる線路を線路108として用いる。 To construct an impedance line 108 based on the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101, for example, the thickness of the line 108 is adjusted to change the characteristic impedance of the line 108 to the differential negative resistance element. It is set to 10 times or less the absolute value of the differential negative resistance of 101. More preferably, the characteristic impedance of the line 108 is set to be equal to or less than the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101. Further, the absolute value (| 1 / Re [Y RTD ] |) of the real part of the impedance, which is the gain, may be considered in consideration of the frequency characteristic of the differential negative resistance element 101. In this case, the characteristic impedance is 10 times or less the absolute value (| 1 / Re [Y RTD ] |) of the real part of the impedance of the differential negative resistance element 101, preferably the real part of the impedance of the differential negative resistance element 101. A line having an absolute value of (| 1 / Re [Y RTD ] |) or less is used as the line 108.

このような構成にすることにより、線路108は、周波数fLC付近の周波数の電磁波の損失が大きくなるような構成となっている。従って、線路108としてのマイクロストリップラインは損失性の線路であるため、線路108に起因した寄生的なLC共振の損失が増加するので、LC共振の発振を発振不可とする、又は、低減することができる。 With such a configuration, the line 108, the electromagnetic wave loss at a frequency near the frequency f LC has become as large structure. Therefore, since the microstrip line as the line 108 is a lossy line, the loss of the parasitic LC resonance caused by the line 108 increases, so that the oscillation of the LC resonance cannot be oscillated or is reduced. Can be done.

ここで、線路108の長さをd、微分負性抵抗素子101から抵抗110までの距離をdとしたとき、周波数fLC付近の周波数帯は、波長に換算すると4×d以上4×d以下の波長帯である。これは、線路108や抵抗110の配置や構造で決まり、典型的には数GHz以上500GHz以下の範囲である。 Here, assuming that the length of the line 108 is d 1 and the distance from the differential negative resistance element 101 to the resistor 110 is d 2 , the frequency band near the frequency f LC is 4 × d 1 or more in terms of wavelength 4 It is a wavelength band of × d 2 or less. This is determined by the arrangement and structure of the line 108 and the resistor 110, and is typically in the range of several GHz or more and 500 GHz or less.

なお、本明細書における「線路108が微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路」は線路108の特性インピーダンスを考えることで簡易的に設計出来る。すなわち線路108の特性インピーダンスが、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値の10倍以下、好ましくは、線路108の特性インピーダンスが、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値以下となるような線路の構造を設計すれば良い。このとき、線路108は微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路となる。 The "low impedance line in which the line 108 is based on the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101" in the present specification can be simply designed by considering the characteristic impedance of the line 108. That is, the characteristic impedance of the line 108 is 10 times or less the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101, preferably the characteristic impedance of the line 108 is the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101. The line structure should be designed so that it is less than or equal to the value. At this time, the line 108 becomes a low impedance line based on the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101.

周波数fLCにおける微分負性抵抗素子101からみた線路108のインピーダンスが微分負性抵抗の絶対値の10倍以下であれば、微分負性抵抗素子101が持つ利得に対して、線路108による損失の大きさが無視出来なくなるため、LC共振の発振を抑制できる。特に、周波数fLCにおける微分負性抵抗素子101からみた線路108のインピーダンスが低ければ低いほど、線路108におけるこの周波数帯の電磁波の損失が増えるので、LC共振の発振抑制に効果がある。周波数fLCにおける微分負性抵抗素子101からみた線路108のインピーダンスが微分負性抵抗の絶対値以下であれば、微分負性抵抗素子101の利得を損失が上回るのでLC共振は発振不可とする事ができる。 If the impedance of the line 108 as seen from the differential negative resistance element 101 at the frequency fLC is 10 times or less the absolute value of the differential negative resistance, the loss due to the line 108 is greater than the gain of the differential negative resistance element 101. Since the magnitude cannot be ignored, the oscillation of LC resonance can be suppressed. In particular, the lower the impedance of the line 108 as seen from the differential negative resistance element 101 at the frequency fLC, the greater the loss of electromagnetic waves in this frequency band on the line 108, which is effective in suppressing the oscillation of LC resonance. If the impedance of the line 108 seen from the differential negative resistance element 101 at the frequency f LC is equal to or less than the absolute value of the differential negative resistance element, the loss exceeds the gain of the differential negative resistance element 101, so that the LC resonance cannot oscillate. Can be done.

また、微分負性抵抗素子101からみた線路108のインピーダンスが低くなるように設計すれば、上述の効果が得られる構造や構成が実現できる。さらに、線路108のうち微分負性抵抗素子101からみてインピーダンスが低い構造が、微分負性抵抗素子101及び共振部102に近いほどLC共振の発振抑制に効果がある。具体的には、微分負性抵抗素子101からλTHz以下の距離に配置されることが好ましい。なお、λTHzは、発振周波数fTHzのテラヘルツ波の波長である。 Further, if the impedance of the line 108 as seen from the differential negative resistance element 101 is designed to be low, a structure or configuration capable of obtaining the above-mentioned effect can be realized. Further, the closer the structure of the line 108 to the differential negative resistance element 101 with respect to the differential negative resistance element 101 to the differential negative resistance element 101 and the resonance portion 102, the more effective it is in suppressing the oscillation of LC resonance. Specifically, it is preferably arranged at a distance of λ THz or less from the differential negative resistance element 101. Note that λ THz is the wavelength of a terahertz wave having an oscillation frequency of f THz.

このような構成は、線路108の損失による効果で、周波数fsp及びfLCを含むfTHz未満の低周波数領域では、(1)式を満たさずRe[YRTD]+Re[YANT]>0となる。また、発振周波数fTHz付近の周波数領域では、(1)式を満たす構造が実現できる。ここで、Re[YRTD]は負の値を有し、DCでは、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の逆数に漸近する。従って、LC共振の発振が抑制され、発振周波数fTHzのテラヘルツ波を得る事ができる。 Such a configuration is due to the effect of the loss of the line 108, and in the low frequency region of less than f THz including the frequencies f sp and f LC , the equation (1) is not satisfied and Re [Y RTD ] + Re [Y ANT ]> 0. It becomes. Further, in the frequency region near the oscillation frequency f THz , a structure satisfying the equation (1) can be realized. Here, Re [Y RTD ] has a negative value, and in DC, it gradually approaches the reciprocal of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101. Therefore, the oscillation of LC resonance is suppressed, and a terahertz wave having an oscillation frequency of f THz can be obtained.

線路108などの分布定数線路の主な損失には、表皮効果に起因する導体損失と誘電正接(tanδ)に起因する誘電損失とがある。分布定数線路の等価回路上では、それぞれインダクタンスLと、直列接続された抵抗Rと、キャパシタンスと並列に接続された漏れコンダクタンスGと、で表現される。このうち、漏れコンダクタンスGは、G=tanδ×ω×Cで表現されるので、テラヘルツ波のような高周波になるほど誘電損失による損失が無視できなくなる。また、誘電損失による損失は誘電正接tanδと線路の容量Cの増加関数となる。 The main losses of a distributed constant line such as the line 108 include a conductor loss due to the skin effect and a dielectric loss due to the dielectric loss tangent (tan δ). On the equivalent circuit of the distributed constant line, it is represented by the inductance L, the resistor R connected in series, and the leakage conductance G connected in parallel with the capacitance, respectively. Of these, the leakage conductance G is expressed by G = tan δ × ω × C, so that the higher the frequency, such as a terahertz wave, the more the loss due to the dielectric loss cannot be ignored. Further, the loss due to the dielectric loss is an increasing function of the dielectric loss tangent tan δ and the capacitance C of the line.

よって、線路108の材料と構造を選択して線路108の誘電正接tanδと容量Cとを適切に選ぶことで、線路108の周波数fLC付近の電磁波の漏れコンダクタンスGを増大させ、周波数fLC付近の誘電損失を大きくできる。具体的には、周波数fLC付近において、誘電損失が、微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の逆数の絶対値の1/10以上、より好ましくは、微分負性抵抗の逆数の絶対値以上であれば、周波数fLC付近の発振の抑制に効果がある。 Therefore, by choosing to select the material and structure of the line 108 and a dielectric loss tangent tanδ and capacitance C of the line 108 suitably increases the leakage conductance G of electromagnetic waves around a frequency f LC of the line 108, around the frequency f LC Dielectric loss can be increased. Specifically, in the vicinity of the frequency fLC , the dielectric loss is 1/10 or more of the absolute value of the reciprocal of the differential negative resistance element 101, more preferably the absolute value of the reciprocal of the differential negative resistance. If it is the above, it is effective in suppressing the oscillation near the frequency fLC.

例えば、誘電体105bの厚さを十分に薄くすれば、マイクロストリップライン108の容量Cが増加するので、fLC付近において誘電損失は増加し、線路108は微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路となる。具体的には、誘電体105bの厚さは、誘電体の種類にもよるが、典型的には0.001μm以上1μm以下の厚さであれば、周波数fLC付近におけるマイクロストリップライン108の特性インピーダンスは1Ω以上100Ω以下となる。微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値は、構造によるが大体1Ω以上100Ω以下である。 For example, if sufficiently thin thickness of the dielectric 105b, the capacitance C of the microstrip line 108 is increased, the dielectric loss increases in the vicinity of f LC, line 108 is the negative differential of the negative differential resistance element 101 It is a low impedance line based on the absolute value of resistance. Specifically, the thickness of the dielectric 105b depends on the type of the dielectric, but typically, if the thickness is 0.001 μm or more and 1 μm or less, the characteristics of the microstrip line 108 in the vicinity of the frequency fLC The impedance is 1Ω or more and 100Ω or less. The absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101 depends on the structure, but is approximately 1 Ω or more and 100 Ω or less.

そのため、線路108の厚さを調整して特性インピーダンスを微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値の10倍以下や微分負性抵抗の絶対値以下に設定できる。この時、微分負性抵抗素子101からみた線路108のインピーダンスは、微分負性抵抗の絶対値の10倍以下や微分負性抵抗の絶対値以下となる。その結果、マイクロストリップライン108の周波数fLC付近の誘電損失が増大するので、LC共振の発振を抑制、又は、発振不可にする事ができる。 Therefore, the thickness of the line 108 can be adjusted to set the characteristic impedance to 10 times or less the absolute value of the differential negative resistance element 101 or to be less than or equal to the absolute value of the differential negative resistance. At this time, the impedance of the line 108 as seen from the differential negative resistance element 101 is 10 times or less the absolute value of the differential negative resistance or less than the absolute value of the differential negative resistance. As a result, the dielectric loss near the frequency f LC of the microstrip line 108 increases, so that the oscillation of LC resonance can be suppressed or disabled.

第2の誘電体105bの厚さを、共振部102の第1の誘電体105aの厚さより薄い構成とすることで、テラヘルツ波の共振器兼放射器であるパッチアンテナは低損失且つ高放射効率を維持しながら、線路108のみの損失を増大させる事ができる。すなわち、発振周波数fTHzの電磁波は共振部102において低損失且つ高放射効率を維持し、周波数fLCの電磁波のマイクロストリップライン108における損失を増大させる事が出来る。 By making the thickness of the second dielectric 105b thinner than the thickness of the first dielectric 105a of the resonance portion 102, the patch antenna, which is a terahertz wave resonator and radiator, has low loss and high radiation efficiency. It is possible to increase the loss of only the line 108 while maintaining the above. That is, the electromagnetic wave having the oscillation frequency f THz can maintain low loss and high radiation efficiency in the resonance portion 102, and the loss of the electromagnetic wave having the frequency f LC in the microstrip line 108 can be increased.

図9は、発振器100のアドミタンス特性の誘電体105bの厚さ依存性を解析した結果をプロットしたグラフである。第2の誘電体105bには半導体製造で良く使われる窒化シリコンを用いた。第2の誘電体105bが厚さ3μmの従来の発振器の場合は、周波数fLC(≒0.08THz)の付近はアドミタンスが10mS以下であり低損失(高インピーダンス)な構成である。一方、発振器100であれば、膜厚を1μmから0.1μmまで薄くすることで、発振周波数fTHz付近のアドミタンスの変化は最小限で、周波数fLC付近のアドミタンスを約10mSから100mS以上にまで任意に調整することが出来る。 FIG. 9 is a graph plotting the results of analyzing the thickness dependence of the dielectric 105b of the admittance characteristic of the oscillator 100. Silicon nitride, which is often used in semiconductor manufacturing, was used as the second dielectric 105b. For conventional oscillator of the second dielectric 105b has a thickness of 3 [mu] m, the vicinity of the frequency f LC (≒ 0.08THz) admittance is there a low loss (high impedance) consists of the following 10 mS. On the other hand, in the case of the oscillator 100, by reducing the film thickness from 1 μm to 0.1 μm, the change in admittance near the oscillation frequency f THz is minimal, and the admittance near the frequency f LC is increased from about 10 mS to 100 mS or more. It can be adjusted arbitrarily.

このように、線路108の第2の誘電体105bの厚さが共振部102の第1の誘電体105aの厚さより薄くなるように、第2の誘電体105bの厚さを設定する。これにより、線路108と共振部102との間の等価屈折率の差が大きくなるため共振器102と線路108の接続部にインピーダンス不整合が生じる。このため、誘電体105bが薄くなると、アンテナを含む共振部102の容量と線路108のインダクタンスに起因した周波数fLCのLC共振は、共振部102の容量に起因した共振と、線路108のインダクタンスに起因した共振と、の二つに分裂する。この結果、周波数fLCの前後に周波数の近い二つの共振点が生じ、周波数fLCの前後に低インピーダンスの帯域が生じる。 In this way, the thickness of the second dielectric 105b is set so that the thickness of the second dielectric 105b of the line 108 is thinner than the thickness of the first dielectric 105a of the resonance portion 102. As a result, the difference in the equivalent refractive index between the line 108 and the resonance portion 102 becomes large, so that impedance mismatch occurs at the connection portion between the resonator 102 and the resonance portion 108. Therefore, when the dielectric 105b becomes thinner, LC resonance frequency f LC due to the inductance of the capacitor and the line 108 of the resonator 102 including the antenna, a resonance due to the capacitance of the resonance part 102, the inductance of the line 108 It splits into two, the resulting resonance. As a result, two resonance points occur close in frequency before and after the frequency f LC, band of low impedance occurs before and after the frequency f LC.

また、誘電体105bに誘電正接tanδの大きい材料を用いれば、線路108の構造寸法を変えずに周波数fLC付近の電磁波の誘電損を増加させることもできる。周波数fLCにおける誘電正接tanδの大きい材料としては、窒化シリコン、ポリアラミド、ポリエチレンテレフタラート、PMMA、ABS、ポリカーボネイトなどがある。また、スチロールやエポキシ等の誘電損失の大きさが電界強度依存性を有する合成樹脂に金属フィラ―やカーボングラファイトの微粉末を分散して形成した物質でもよい。さらに、周波数fLCにおける誘電正接tanδの大きいメタマテリアル構造でもよい。 Further, if a material having a large dielectric loss tang tan δ is used for the dielectric 105b, the dielectric loss of electromagnetic waves near the frequency fLC can be increased without changing the structural dimensions of the line 108. The material with a large dielectric loss tangent tanδ at the frequency f LC, silicon nitride, polyaramid, polyethylene terephthalate, PMMA, ABS, and the like polycarbonate. Further, it may be a substance formed by dispersing fine powder of metal filler or carbon graphite in a synthetic resin such as styrene or epoxy whose dielectric loss magnitude depends on the electric field strength. Furthermore, it may be a larger meta-material structure of the dielectric loss tangent tanδ at the frequency f LC.

ここで、線路108の長さdは、導体抵抗が顕著にならない範囲で長い方が良く、λTHz/4以上が好ましい。なお、λTHzは、発振周波数fTHzのテラヘルツ波の波長である。 Here, the length d 1 of the line 108 is preferably long as long as the conductor resistance is not noticeable, and is preferably λ THz / 4 or more. Note that λ THz is the wavelength of a terahertz wave having an oscillation frequency of f THz.

図10は、発振器100のアドミタンス特性の線路108の長さ依存性を解析した結果をプロットしたグラフである。線路の長さを100μm、200μm、300μm、400μm、500μmに設定した場合の発振器100のアドミタンス特性を示した。λTHzを、周波数fTHzのテラヘルツ波の波長とすると100μmはλTHz/4に相当する。ストリップ導体106が長いとインダクタンスLが増加し、LC共振の周波数fLCは低周波側にシフトする。このため、周波数fLC付近の損失が共振部102内の発振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界へ影響するのが抑制される。一方、ストリップ導体106が短いと、インダクタンスLが減少するので、LC共振の周波数fLCは高周波側にシフトする。 FIG. 10 is a graph plotting the results of analyzing the length dependence of the line 108 of the admittance characteristic of the oscillator 100. The admittance characteristics of the oscillator 100 when the line lengths are set to 100 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm, and 500 μm are shown. Assuming that λ THz is the wavelength of a terahertz wave having a frequency of f THz , 100 μm corresponds to λ THz / 4. When the strip conductor 106 is long, the inductance L increases, and the frequency f LC of the LC resonance shifts to the low frequency side. Therefore, it is suppressed that the loss near the frequency f LC affects the electric field of the terahertz wave having the oscillation frequency f THz in the resonance portion 102. On the other hand, if the strip conductor 106 is short, the inductance L decreases, so that the frequency f LC of the LC resonance shifts to the high frequency side.

この結果、距離と周波数の面で発振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界への影響が無視できなくなり、発振周波数fTHzのテラへルツ波の損失やマルチモードの原因となる。線路108長と、周波数fLC付近の低インピーダンスになる周波数帯域が広がり、また、周波数fLC自体が低周波側にシフトするため。そのため、線路108の長さは、長くすることが好適であり、好ましくはλTHz/4以上が良い。ただし、線路108が長いと直列抵抗の原因となるため、直列抵抗とfLC付近のインピーダンスの兼ね合いで適宜設計すればよい。 As a result, the influence of the terahertz wave having the oscillation frequency f THz on the electric field cannot be ignored in terms of distance and frequency, which causes loss of the terahertz wave having the oscillation frequency f THz and multi-mode. This is because the line 108 length and the low impedance frequency band near the frequency f LC are widened, and the frequency f LC itself shifts to the low frequency side. Therefore, the length of the line 108 is preferably long, preferably λ THz / 4 or more. However, since the line 108 causes a long series resistance, may be appropriately designed in consideration of the impedance in the vicinity of the series resistor and f LC.

導体107及び線路108の幅は、共振部102内の共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、例えばλTHz/10以下が好適である。また、導体107及び線路108は、共振部102に定在する発振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界の節に配置することが好ましい。この時、線路108は、発振周波数fTHz付近の周波数帯において微分負性抵抗素子101の微分負性抵抗の絶対値よりインピーダンスが高い構成となる。そのため、周波数fLC付近の電磁波の損失が、共振部102内の発振周波数fTHzの電界へ影響することが抑制される。 The widths of the conductor 107 and the line 108 are preferably such that they do not interfere with the resonant electric field in the resonant portion 102, and for example, λ THz / 10 or less is preferable. Further, it is preferable that the conductor 107 and the line 108 are arranged in the node of the electric field of the terahertz wave having the oscillation frequency f THz which is fixed in the resonance portion 102. At this time, the line 108 has a configuration in which the impedance is higher than the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element 101 in the frequency band near the oscillation frequency f THz. Therefore, it is suppressed that the loss of the electromagnetic wave in the vicinity of the frequency f LC affects the electric field having the oscillation frequency f THz in the resonance portion 102.

ここで、「共振部102に定在する発振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界の節」は、共振部102に定在する発振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界の実質的な節となる領域のことである。すなわち、テラヘルツ波の共振器であるパッチアンテナ内に定在する発振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界の実質的な節となる領域であるとも言える。具体的には、共振部102に定在する発振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界強度が、共振部102に定在する発振周波数fTHzのテラヘルツ波の最大電界強度より1桁程度低い領域のことである。望ましくは、発振周波数fTHzのテラヘルツ波の電界強度が、共振部102に定在する発振周波数fTHzのテラヘルツ波の最大電界強度の1/e(eは自然対数の底)以下となる位置が好適である。 Here, "paragraph of the electric field of the terahertz wave of the oscillation frequency f THz for standing in the resonance section 102" is the area where a substantial section of the electric field of the terahertz wave of the oscillation frequency f THz for standing the resonance part 102 That is. That is, it can be said that it is a region that is a substantial node of the electric field of the terahertz wave having an oscillation frequency of f THz that is fixed in the patch antenna that is the resonator of the terahertz wave. Specifically, the electric field intensity of the terahertz wave of the oscillation frequency f THz for standing in the resonance part 102, that of about one order of magnitude lower region than the maximum electric field intensity of the terahertz wave of the oscillation frequency f THz for standing the resonance part 102 Is. Desirably, the electric field intensity of the terahertz wave of the oscillation frequency f THz is, 1 / e 2 of the maximum electric field intensity of the terahertz wave of the oscillation frequency f THz for standing the resonance section 102 (e is the base of natural logarithms) becomes less position Is preferable.

本実施形態の具体例である実施例1の発振器200のアドミタンス特性の解析結果について、図2を参照して説明する。発振器200の構成については、後述する実施例1で説明する。 The analysis result of the admittance characteristic of the oscillator 200 of the first embodiment, which is a specific example of the present embodiment, will be described with reference to FIG. The configuration of the oscillator 200 will be described with reference to Example 1 described later.

図2は、実施例1に開示した発振器200のアドミタンス特性の解析結果であり、微分負性抵抗素子であるRTDのアドミタンスの実部Re[YRTD]とパッチアンテナのアドミタンスの実部Re[YANT]とをプロットしたグラフである。グラフには、後述の実施例1の周波数fLC付近の周波数帯で低インピーダンスとなる線路208を備えたパッチアンテナのアドミタンスRe[YANTwith 208]も示した。また、従来の比較的インピーダンスの高いマイクロストリップラインを線路として備えたパッチアンテナのアドミタンスRe[YANT]を示した。 FIG. 2 shows the analysis results of the admittance characteristics of the oscillator 200 disclosed in Example 1, and shows the admittance real part Re [Y RTD ] of the RTD, which is a differential negative resistance element, and the admittance real part Re [Y] of the patch antenna. It is a graph in which ANT] is plotted. The graph shows admittance Re patch antenna with a line 208 which becomes low impedance in a frequency band near the frequency f LC of Example 1 below [Y ANTwith 208] also. In addition, the admittance Re [YANT ] of a conventional patch antenna equipped with a microstrip line having a relatively high impedance as a line is shown.

発振器200において、(2)式を満たす発振周波数fTHzは0.45THzであり、LC共振の周波数fLCは0.08THzと見積られる。従来の比較的インピーダンスの高いマイクロストリップラインの場合は、発振周波数fTHz及び周波数fLCの両方で(1)式の発振条件を満たすため、LC共振を含む寄生発振が生じる可能性がある。 In the oscillator 200, the oscillation frequency f THz satisfying the equation (2) is estimated to be 0.45 THz, and the LC resonance frequency f LC is estimated to be 0.08 THz. In the case of a conventional microstrip line having a relatively high impedance, since the oscillation condition of Eq. (1) is satisfied at both the oscillation frequency f THz and the frequency f LC, parasitic oscillation including LC resonance may occur.

一方、実施例1の周波数fLC付近の周波数帯で低インピーダンスとなる線路208を備えた場合は、発振周波数fTHzにおけるインピーダンスが高くなり発振条件を満たす。しかし、周波数fLCを含むDC以上fTHz未満の低周波数の領域では、線路208はRTD201からみて低インピーダンスとなり、(1)式の発振条件を満たさない。従って、実施例1の構成であれば、LC共振を含む寄生発振は抑制されることが分かる。 On the other hand, when the line 208 having a low impedance in the frequency band near the frequency fLC of the first embodiment is provided, the impedance at the oscillation frequency f THz becomes high and the oscillation condition is satisfied. However, in the low frequency region of DC or more and less than f THz including the frequency f LC , the line 208 has a low impedance when viewed from the RTD 201, and does not satisfy the oscillation condition of the equation (1). Therefore, it can be seen that in the configuration of the first embodiment, the parasitic oscillation including the LC resonance is suppressed.

このように、実施例1の発振器は、テラヘルツ波帯における所望の発振周波数fTHz付近で高インピーダンスとなり、且つ、周波数fLCのLC共振を含むDC以上fTHz未満の寄生発振の周波数領域で低インピーダンスとなるような発振回路が実現される。なお、ここでの高インピーダンス及び低インピーダンスは、RTD201からみて(すなわちRTD201を基準として)高インピーダンス、RTD201からみて(すなわちRTD201を基準として)低インピーダンスであることを言う。したがって、マイクロストリップ型共振器を用いた発振器においても、バイアス回路120や給電構造に起因した低周波の寄生発振を抑制し、共振器により規定される所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波を安定して発振することが可能となる。 As described above, the oscillator of Example 1 has a high impedance in the vicinity of the desired oscillation frequency f THz in the terahertz wave band, and is low in the frequency region of parasitic oscillation of DC or more and less than f THz including the LC resonance of the frequency f LC. An oscillation circuit that becomes an impedance is realized. The high impedance and the low impedance here are high impedance when viewed from RTD201 (that is, with reference to RTD201) and low impedance when viewed from RTD201 (that is, with reference to RTD201). Therefore, even in an oscillator using a microstrip type resonator, low-frequency parasitic oscillation caused by the bias circuit 120 and the feeding structure is suppressed, and a terahertz wave having a desired oscillation frequency of f THz defined by the resonator is stabilized. It becomes possible to oscillate.

このような構成であれば、マイクロストリップ共振器及び分布定数線路の構造の寸法及び材料を任意に設計することで、テラヘルツ波の発振周波数fTHzにおける損失を低減できる。また、適切に設計することにより、発振周波数fTHzにおけるテラヘルツ波の損失を最小化し、寄生発振の周波数における損失を最大化することも可能となる。 With such a configuration, the loss of the terahertz wave at the oscillation frequency f THz can be reduced by arbitrarily designing the dimensions and materials of the structure of the microstrip resonator and the distributed constant line. In addition, with proper design, it is possible to minimize the loss of the terahertz wave at the oscillation frequency f THz and maximize the loss at the frequency of parasitic oscillation.

本実施形態及び実施例1の発振器は、パッチアンテナなどを含むマイクロストリップ型共振器における課題であった、配線構造に起因した寄生発振を低減できる。具体的には、微分負性抵抗素子にバイアス給電するためのストリップ導体のインダクタンスに起因した新たな寄生発振の発生を低減する。よって、マイクロストリップ型共振器でもDC以上fTHz未満の周波数領域において寄生発振を低減又は抑制することができ、共振器の所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波をより安定して得ることができる。 The oscillators of the present embodiment and the first embodiment can reduce the parasitic oscillation caused by the wiring structure, which has been a problem in the microstrip type resonator including the patch antenna and the like. Specifically, it reduces the occurrence of new parasitic oscillation caused by the inductance of the strip conductor for bias-feeding the differential negative resistance element. Therefore, it is also possible to reduce or suppress the parasitic oscillation in the frequency region of less DC than f THz microstrip type resonator may be more stable terahertz wave of a desired oscillation frequency f THz resonator.

また、発振周波数fTHzのテラヘルツ波が安定して得られることにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波がより高出力で得ることができる。 Further, since the terahertz wave having an oscillation frequency of f THz can be stably obtained, the terahertz wave having a desired oscillation frequency f THz in the microstrip type resonator can be obtained with a higher output.

(実施例1)
本実施例に係るテラヘルツ波を発振する素子である発振器200の構成について、図3を参照して説明する。図3は、発振器200の構成を説明する図である。発振器200は、発振周波数fTHz=0.45THzを発振させる素子である。本実施例では微分負性抵抗素子201として共鳴トンネルダイオード(RTD)を用いている。本実施例で用いたRTD201は、例えば、InP基板230上のInGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAsによる多重量子井戸構造とn−InGaAsによる電気的接点層を伴って構成される。
(Example 1)
The configuration of the oscillator 200, which is an element that oscillates a terahertz wave according to this embodiment, will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the oscillator 200. The oscillator 200 is an element that oscillates an oscillation frequency f THz = 0.45 THz. In this embodiment, a resonance tunnel diode (RTD) is used as the differential negative resistance element 201. The RTD201 used in this embodiment is configured with, for example, a multiple quantum well structure made of InGaAs / InAlAs and InGaAs / AlAs on an InP substrate 230 and an electrical contact layer made of n-InGaAs.

多重量子井戸構造としては、例えば三重障壁構造を用いる。より具体的には、AlAs(1.3nm)/InGaAs(7.6nm)/InAlAs(2.6nm)/InGaAs(5.6nm)/AlAs(1.3nm)の半導体多層膜構造で構成する。このうち、InGaAsは井戸層で、格子整合するInAlAsや非整合のAlAsは障壁層である。これらの層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープ層としておく。 As the multiple quantum well structure, for example, a triple barrier structure is used. More specifically, it is composed of a semiconductor multilayer film structure of AlAs (1.3 nm) / InGaAs (7.6 nm) / InAlAs (2.6 nm) / InGaAs (5.6 nm) / AlAs (1.3 nm). Of these, InGaAs is a well layer, and lattice-matched InAlAs and unmatched AlAs are barrier layers. These layers are intentionally left as undoped layers that are not carrier-doped.

この様な多重量子井戸構造は、電子濃度が2×1018cm−3のn−InGaAsによる電気的接点層に挟まれる。こうした電気的接点層間の構造の電流電圧I(V)特性において、ピーク電流密度は280kA/cmであり、約0.7Vから約0.9Vまでが微分負性抵抗領域となる。RTD201が約2μmΦのメサ構造の場合、ピーク電流10mA、微分負性抵抗−20Ωが得られる。 Such a multiple quantum well structure is sandwiched between an electrical contact layer made of n-InGaAs having an electron concentration of 2 × 10 18 cm -3. In the current-voltage I (V) characteristics of the structure between the electrical contacts, the peak current density is 280 kA / cm 2 , and the differential negative resistance region is from about 0.7 V to about 0.9 V. When the RTD201 has a mesa structure of about 2 μmΦ, a peak current of 10 mA and a differential negative resistance of -20 Ω can be obtained.

共振部202は、パッチ導体203、接地導体204及び第1の誘電体205aを有する共振器と、RTD201とを有する。共振器は、パッチ導体203の一辺が200μmの正方形のパッチアンテナを含む。パッチ導体203と接地導体204との間には、第1の誘電体205aとして3μm厚のBCB(ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、ε=2.4)及び0.1μm厚の窒化シリコンが配置されている。 The resonance portion 202 includes a resonator having a patch conductor 203, a ground conductor 204, and a first dielectric 205a, and an RTD 201. The resonator includes a square patch antenna having a side of the patch conductor 203 of 200 μm. Between the patch conductor 203 and the ground conductor 204, 3 μm thick BCB (benzocyclobutene, manufactured by Dow Chemical Co., Ltd., ε r = 2.4) and 0.1 μm thick silicon nitride are used as the first dielectric 205a. Have been placed.

パッチ導体203と接地導体204との間には、直径2μmのRTD201が接続され、RTD201は、パッチ導体203の重心から共振方向に80μmシフトした位置に配置されている。パッチアンテナの単独の共振周波数は、約0.48THzであるが、微分負性抵抗素子201であるRTDのリアクタンスを考慮すると、発振器200の発振周波数(共振周波数)fTHzは約0.45THzとなる。 An RTD 201 having a diameter of 2 μm is connected between the patch conductor 203 and the ground conductor 204, and the RTD 201 is arranged at a position shifted by 80 μm in the resonance direction from the center of gravity of the patch conductor 203. The single resonance frequency of the patch antenna is about 0.48 THz, but considering the reactance of the RTD which is the differential negative resistance element 201, the oscillation frequency (resonance frequency) f THz of the oscillator 200 is about 0.45 THz. ..

パッチ導体203は、導体207を介して線路208としてのマイクロストリップラインのストリップ導体206と接続されている。これにより、パッチアンテナは、線路208を介してMIM容量209と接続される。このような構成にすることにより、線路208は、バイアス回路220と、共振部202とを接続する。 The patch conductor 203 is connected to the strip conductor 206 of the microstrip line as the line 208 via the conductor 207. As a result, the patch antenna is connected to the MIM capacity 209 via the line 208. With such a configuration, the line 208 connects the bias circuit 220 and the resonance portion 202.

MIM容量209の容量の大きさは、本実施例では100pFとした。MIM容量209には、ワイヤーボンディングを含む配線211が接続され、電源212により微分負性抵抗素子201のバイアス電圧が調整される。マイクロストリップライン208のストリップ導体206のインダクタンスLと共振部202の容量Cとで形成されるLC共振の周波数fLCは約0.08THzとなる。 The size of the MIM capacity 209 was set to 100 pF in this example. Wiring 211 including wire bonding is connected to the MIM capacity 209, and the bias voltage of the differential negative resistance element 201 is adjusted by the power supply 212. The frequency f LC of the LC resonance formed by the inductance L 1 of the strip conductor 206 of the microstrip line 208 and the capacitance C of the resonance portion 202 is about 0.08 THz.

線路208は、ストリップ導体206と、接地導体204と、ストリップ導体206と接地導体204との間に配置されている第2の誘電体205bと、を有する。第2の誘電体205bは、厚さ約0.1μmの窒化シリコンである。線路208のインピーダンスは、LC共振の周波数fLCにおいてRTD201の微分負性抵抗の絶対値より低くなっている。線路208としてのマイクロストリップラインの具体的な寸法は、共振部202との接続部から、幅a約6μm、長さb約100μmの線路が伸びており、さらに幅c約20μm、全長約600μmの線路が伸びている。幅c約20μmの線路は、MIM容量209と接続されている。幅c約20μmの線路は、MIM容量209と反対の方向に長さeだけ伸びており、略直角に2回曲がってMIM容量209に向かって長さe伸びる構成となっている。本実施例の長さeは約200μm、長さdは約400μmである。また、長さeのマイクロストリップラインと長さdのマイクロストリップラインと距離fは約60μmである。 The line 208 has a strip conductor 206, a ground conductor 204, and a second dielectric 205b disposed between the strip conductor 206 and the ground conductor 204. The second dielectric 205b is silicon nitride having a thickness of about 0.1 μm. The impedance of the line 208 is lower than the absolute value of the differential negative resistance of the RTD 201 at the LC resonance frequency f LC. The specific dimensions of the microstrip line as the line 208 are such that a line having a width a of about 6 μm and a length b of about 100 μm extends from the connection portion with the resonance portion 202, and further has a width c of about 20 μm and a total length of about 600 μm. The track is extending. A line having a width c of about 20 μm is connected to a MIM capacity 209. The line having a width c of about 20 μm extends by the length e in the direction opposite to the MIM capacity 209, and is configured to bend twice at a substantially right angle and extend the length e toward the MIM capacity 209. The length e of this embodiment is about 200 μm, and the length d is about 400 μm. The distance f between the microstrip line of length e and the microstrip line of length d is about 60 μm.

パッチ導体203は、発振周波数fTHz(=0.45THz)で共振部202に定在する高周波電界の節で導体207と接続されており、線路208と発振周波数fTHzのテラヘルツ波の共振電界との干渉を抑制している。 The patch conductor 203 is connected to the conductor 207 at a high-frequency electric field node resident in the resonance portion 202 at an oscillation frequency of f THz (= 0.45 THz), and is connected to the line 208 and the resonance electric field of the terahertz wave having an oscillation frequency of f THz. Interference is suppressed.

このような構成にすると、図2に示したアドミタンス解析の結果からも分かる通り、発振周波数fTHzでは(1)式の発振条件を満たすが、周波数fLCを含むDC以上fTHz未満の低周波数領域では低インピーダンスとなり、(1)式を満たさない。従って、発振器200は、バイアス回路220や給電構造に起因した低周波の寄生発振が抑制され、RTD201とパッチアンテナとを含む共振部202により規定される所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波を安定して発振することが可能となる。 With such a configuration, as can be seen from the result of the admittance analysis shown in FIG. 2, the oscillation condition of Eq. (1) is satisfied at the oscillation frequency f THz , but the low frequency of DC or more and less than f THz including the frequency f LC. In the region, the impedance becomes low and the equation (1) is not satisfied. Therefore, the oscillator 200 suppresses low-frequency parasitic oscillation caused by the bias circuit 220 and the feeding structure, and stabilizes a terahertz wave having a desired oscillation frequency of f THz defined by the resonance portion 202 including the RTD 201 and the patch antenna. It becomes possible to oscillate.

本実施例による発振器200は、以下のように作製される。まず、InP基板230上に、分子ビームエピタキシー(MBE)法や有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法などによって、次の層をエピタキシャル成長する。すなわち、順に、n−InP/n−InGaAs、InGaAs/InAlAsによる共鳴トンネルダイオード(RTD)201をエピタキシャル成長する。InP基板230としてn型の導電性基板を選択する場合は、n−InGaAsからエピタキシャル成長すればよい。 The oscillator 200 according to this embodiment is manufactured as follows. First, the next layer is epitaxially grown on the InP substrate 230 by a molecular beam epitaxy (MBE) method, an organometallic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, or the like. That is, the resonance tunnel diode (RTD) 201 made of n-InP / n-InGaAs and InGaAs / InAlAs is epitaxially grown in this order. When an n-type conductive substrate is selected as the InP substrate 230, it may be epitaxially grown from n-InGaAs.

次に、RTD201を、直径が2μmとなるような円弧形状のメサ状にエッチングを行う。エッチングにはEB(電子線)リソグラフィとICP(誘導性結合プラズマ)によるドライエッチングを用いる。フォトリソグラフィを用いてもよい。続いて、エッチングされた面に、リフトオフ法により接地導体204を形成する。第2の誘電体205b及び共鳴トンネルダイオードの側壁保護膜として0.1μmの窒化シリコン膜を全面に成膜する。さらに、スピンコート法とドライエッチングを用いて第1の誘電体205aであるBCBによる埋め込みを行い、リフトオフ法によりTi/Pd/Auのパッチ導体203を形成する。 Next, the RTD201 is etched into an arc-shaped mesa having a diameter of 2 μm. For etching, EB (electron beam) lithography and dry etching by ICP (inductively coupled plasma) are used. Photolithography may be used. Subsequently, the ground conductor 204 is formed on the etched surface by the lift-off method. A 0.1 μm silicon nitride film is formed on the entire surface of the second dielectric 205b and the side wall protective film of the resonance tunnel diode. Further, the spin coating method and dry etching are used to embed the first dielectric 205a with BCB, and the Ti / Pd / Au patch conductor 203 is formed by the lift-off method.

次に、ドライエッチング法により、パッチアンテナより外側にあるBCBを除去し、第2の誘電体205bである0.1μmの窒化シリコン膜を露出する。リフトオフ法により導体207、ストリップ導体206、MIM容量209の上部の電極を形成する。最後に、リフトオフ法により、抵抗210となる部分にBiパターンを形成し、接地導体204とMIM容量209の上部の電極を接続し、ワイヤーボンディングなどで配線211及び電源212と接続することで本実施例の発振器200は完成する。発振器200への電力の供給はバイアス回路220から行われ、通常は微分負性抵抗領域となるバイアス電圧を印加してバイアス電流を供給すると、発振器として動作する。 Next, the BCB outside the patch antenna is removed by a dry etching method to expose a 0.1 μm silicon nitride film which is the second dielectric 205b. The upper electrodes of the conductor 207, the strip conductor 206, and the MIM capacity 209 are formed by the lift-off method. Finally, by the lift-off method, a Bi pattern is formed in the portion that becomes the resistor 210, the ground conductor 204 and the upper electrode of the MIM capacity 209 are connected, and the wiring 211 and the power supply 212 are connected by wire bonding or the like. The example oscillator 200 is completed. Power is supplied to the oscillator 200 from the bias circuit 220, and when a bias voltage, which is usually a differential negative resistance region, is applied to supply a bias current, it operates as an oscillator.

本実施例では、RTD201として、InP基板上に成長したInGaAs/InAlAs、InGaAs/AlAsからなる3重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明してきた。しかし、これらの構造や材料系に限られることなく、他の構造や材料の組み合わせであっても本発明の半導体素子を提供することができる。例えば、2重障壁量子井戸構造を有する共鳴トンネルダイオードや、4重以上の多重障壁量子井戸を有する共鳴トンネルダイオードを用いてもよい。 In this embodiment, as RTD201, a triple barrier resonance tunnel diode composed of InGaAs / InAlAs and InGaAs / AlAs grown on an InP substrate has been described. However, the semiconductor device of the present invention can be provided not only by these structures and material systems but also by combinations of other structures and materials. For example, a resonance tunnel diode having a double barrier quantum well structure or a resonance tunnel diode having four or more multiple barrier quantum wells may be used.

また、その材料としては、以下の組み合わせのそれぞれを用いてもよい。
・GaAs基板上に形成したGaAs/AlGaAs/及びGaAs/AlAs、InGaAs/GaAs/AlAs
・InP基板上に形成したInGaAs/AlGaAsSb
・InAs基板上に形成したInAs/AlAsSb及びInAs/AlSb
・Si基板上に形成したSiGe/SiGe
Moreover, each of the following combinations may be used as the material.
-GaAs / AlGaAs / and GaAs / AlAs, InGaAs / GaAs / AlAs formed on the GaAs substrate
-InGaAs / AlGaAsSb formed on the InP substrate
-InAs / AlAsSb and InAs / AlSb formed on the InAs substrate.
-SiGe / SiGe formed on the Si substrate

上述の構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すればよい。 The above-mentioned structure and material may be appropriately selected according to a desired frequency and the like.

このように、本実施例の発振器は、テラヘルツ波帯における所望の発振周波数fTHz付近は高インピーダンスとなり、且つ、周波数fLCのLC共振を含むDC以上fTHz未満の寄生発振の周波数領域は低インピーダンスとなるような発振回路が実現される。したがって、マイクロストリップ型共振器を用いた本実施例の発振器は、バイアス回路や給電構造等の配線構造に起因した低周波の寄生発振を抑制し、所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波を安定して発振できる。 As described above, the oscillator of this embodiment has a high impedance in the vicinity of the desired oscillation frequency f THz in the terahertz wave band, and the frequency region of the parasitic oscillation of DC or more and less than f THz including the LC resonance of the frequency f LC is low. An oscillation circuit that becomes an impedance is realized. Therefore, the oscillator of this embodiment using the microstrip type resonator suppresses low-frequency parasitic oscillation caused by the wiring structure such as the bias circuit and the feeding structure, and stabilizes the terahertz wave having a desired oscillation frequency of f THz. Can oscillate.

また、発振周波数fTHzのテラヘルツ波が安定して得られることにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波がより高出力で得ることができる。 Further, since the terahertz wave having an oscillation frequency of f THz can be stably obtained, the terahertz wave having a desired oscillation frequency f THz in the microstrip type resonator can be obtained with a higher output.

(実施例2)
実施例2では、実施例1の発振器200の変形例1〜3の素子について、図4〜図8を参照して説明する。まず、変形例1の素子としての発振器300の構成を、図4を参照して説明する。図4は、発振器300の構成を説明する図である。発振器300は、発振器200と同じく発振周波数fTHz=0.45THzを発振させる発振器である。発振器300は、共振部302の形態が発振器200と異なる。また、発振器300は、線路308の形態が実施例1の発振器200と異なる。線路の形態は、必要に応じて適宜設計すればよい。その他の構成は発振器200と同じなので、詳細な説明を省略する。
(Example 2)
In the second embodiment, the elements of the modified examples 1 to 3 of the oscillator 200 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 8. First, the configuration of the oscillator 300 as the element of the first modification will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the oscillator 300. The oscillator 300 is an oscillator that oscillates an oscillation frequency f THz = 0.45 THz like the oscillator 200. The oscillator 300 differs from the oscillator 200 in the form of the resonance portion 302. Further, the oscillator 300 is different from the oscillator 200 of the first embodiment in the form of the line 308. The form of the line may be appropriately designed as needed. Since other configurations are the same as those of the oscillator 200, detailed description thereof will be omitted.

共振部302は、パッチ導体203と、接地導体204と、パッチ導体203と接地導体204との間に配置されている第1の誘電体305aとを有する。第1の誘電体305aの側壁の一部は基板230と略垂直でなく、基板230と第1の誘電体305aとがなす角の角度が約60°となるように構成されている。パッチ導体203は、第5の導体207を介して線路208としてのマイクロストリップラインのストリップ導体206と接続されている。 The resonance portion 302 has a patch conductor 203, a ground conductor 204, and a first dielectric 305a arranged between the patch conductor 203 and the ground conductor 204. A part of the side wall of the first dielectric 305a is not substantially perpendicular to the substrate 230, and the angle formed by the substrate 230 and the first dielectric 305a is about 60 °. The patch conductor 203 is connected to the strip conductor 206 of the microstrip line as the line 208 via a fifth conductor 207.

第5の導体207は、第1の誘電体305aの一部が基板230となす角の角度が約60°になるようにテーパー加工された法面上に配置されている。第5の導体207は、パッチ導体203とストリップ導体206との間の段差(高低差)をつなぐためのプラグである。このような構成は、異なる厚さの第1及び第2の誘電体305a、205b間の段差部分における金属のカバレッジ不良による抵抗増加を低減できる。 The fifth conductor 207 is arranged on a slope that has been tapered so that the angle formed by a part of the first dielectric 305a with the substrate 230 is about 60 °. The fifth conductor 207 is a plug for connecting a step (height difference) between the patch conductor 203 and the strip conductor 206. Such a configuration can reduce the increase in resistance due to poor metal coverage at the stepped portion between the first and second dielectrics 305a and 205b having different thicknesses.

発振器200の変形例2の発振器400について、図5を参照して説明する。図5(a)は、発振器400の構成を説明する図で、図5(b)はそのD−D断面図、図5(c)はそのE−E断面図である。発振器400は、発振周波数fTHz=0.45THzを発振させる発振器である発振器400は、共振部402とバイアス回路(不図示)とを接続する線路408として、分布定数線路としてのストリップ線路を用いる。その他の構成は発振器200と同じなので、以下は必要な部分についてのみ説明する。 The oscillator 400 of the second modification of the oscillator 200 will be described with reference to FIG. 5 (a) is a diagram for explaining the configuration of the oscillator 400, FIG. 5 (b) is a sectional view taken along the line DD, and FIG. 5 (c) is a sectional view taken along the line EE. The oscillator 400 is an oscillator that oscillates an oscillation frequency f THz = 0.45 THz. The oscillator 400 uses a strip line as a distributed constant line as a line 408 connecting the resonance portion 402 and the bias circuit (not shown). Since other configurations are the same as those of the oscillator 200, only the necessary parts will be described below.

発振器400の線路408は、ストリップ導体(第3の導体)406と、第2の誘電体405bと、第3の誘電体422と、を有する。ストリップ導体406は、厚さtの第3の誘電体422と厚さtの第2の誘電体405bとを含む誘電体層に埋め込まれている。また、誘電体層は、第6の導体421と第2の導体(第4の導体)204とで上下から挟まれた構造となっている。ストリップ導体406とパッチ導体203とは、第5の導体207を介して接続されている。 The line 408 of the oscillator 400 has a strip conductor (third conductor) 406, a second dielectric 405b, and a third dielectric 422. Strip conductor 406 is embedded in the dielectric layer comprising the second third of the dielectric 422 and the thickness t 2 of the thickness t 1 and a dielectric 405 b. Further, the dielectric layer has a structure in which the sixth conductor 421 and the second conductor (fourth conductor) 204 are sandwiched from above and below. The strip conductor 406 and the patch conductor 203 are connected via a fifth conductor 207.

第5の導体207は、パッチ導体203とストリップ導体406との間の段差(高低差)をつなぐためのプラグであり、共振部202とストリップ線路408はDC結合される。なお、第6の導体421と第2の導体204が電気的かつ物理的に接続されている構成であっても良い。 The fifth conductor 207 is a plug for connecting a step (height difference) between the patch conductor 203 and the strip conductor 406, and the resonance portion 202 and the strip line 408 are DC-coupled. The sixth conductor 421 and the second conductor 204 may be electrically and physically connected to each other.

ここで、発振器400のアドミタンス特性について図6を参照して説明する。図6は、発振器400のアドミタンス特性の解析結果であり、微分負性抵抗素子であるRTD401のアドミタンスの実部Re[YRTD]とパッチアンテナのアドミタンスの実部Re[YANT]とをプロットしたグラフである。グラフには、アンテナのアドミタンスの実部Re[YANT]について、第3の誘電体422と第2の誘電体405bとを含む誘電体層の厚さが、t=t=100nmとt=t=500nmの2種類の場合の解析結果を示した。また、RTD401の利得、すなわちアドミタンスの実部Re[YRTD]は、RTD401の直径が2μmと3μmの場合の2種類の解析結果を示した。 Here, the admittance characteristic of the oscillator 400 will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the analysis result of the admittance characteristic of the oscillator 400, and plots the admittance real part Re [Y RTD ] of the RTD 401, which is a differential negative resistance element, and the admittance real part Re [Y ANT ] of the patch antenna. It is a graph. In the graph, for the real part Re [ YANT ] of the admittance of the antenna, the thickness of the dielectric layer containing the third dielectric 422 and the second dielectric 405b is t 1 = t 2 = 100 nm and t. The analysis results in the case of 2 types of 1 = t 2 = 500 nm are shown. Further, the gain of RTD401, that is, the real part Re [Y RTD ] of admittance, showed two kinds of analysis results when the diameters of RTD401 were 2 μm and 3 μm.

グラフより、線路408の誘電体層(第3の誘電体422と第2の誘電体405b)の厚さを調整することで、fLC付近の周波数帯のインピーダンスを調整可能なことが分かる。なお、fLC付近の周波数帯のインピーダンスは、誘電体層の厚さ以外にも、線路408の長さ及び第2及び第3の誘電体405b、422の材料の選択によっても調整可能であり、RTD401の利得によって適宜選択すれば良い。発振器400の構成は、DC以上fTHz未満の低周波数の領域では損失で発振が抑制され、所望の発振周波数fTHzでは損失が少なく発振条件を満たすことが可能である。 From the graph, it can be seen that the impedance of the frequency band near fLC can be adjusted by adjusting the thickness of the dielectric layer (third dielectric 422 and the second dielectric 405b) of the line 408. Incidentally, the impedance in the frequency band near f LC, other than the thickness of the dielectric layer is also adjustable by selecting the material of the dielectric 405 b, 422 size and the second and third line 408, It may be appropriately selected depending on the gain of RTD401. Configuration of the oscillator 400 is oscillated in the loss in the region of low frequencies below DC or f THz is suppressed, it is possible desired oscillation at the frequency f THz loss less oscillation condition is satisfied.

実施例1の変形例3の発振器500について図7を参照して説明する。図7(a)は、発振器500の構成を説明する図で、図7(b)はそのG−G断面図、図7(c)はF−F断面図である。発振器500は、発振周波数fTHz=0.45THzを発振させる素子である。発振器500は、共振部502とバイアス回路(不図示)とを接続する線路508として、方形同軸線路を用いる。その他の構成は発振器200と同じなので詳細な説明を省略し、以下は必要な部分についてのみ説明する。 The oscillator 500 of the third modification of the first embodiment will be described with reference to FIG. 7 (a) is a diagram illustrating the configuration of the oscillator 500, FIG. 7 (b) is a sectional view taken along line GG, and FIG. 7 (c) is a sectional view taken along line FF. The oscillator 500 is an element that oscillates an oscillation frequency f THz = 0.45 THz. The oscillator 500 uses a square coaxial line as the line 508 that connects the resonance portion 502 and the bias circuit (not shown). Since other configurations are the same as those of the oscillator 200, detailed description thereof will be omitted, and only necessary parts will be described below.

線路508としての方形同軸線路は、分布定数線路である。線路508は、ストリップ導体(第3の導体)506と、第6の導体521と、第3の誘電体層522と、第4の導体(接地導体)204と、を有する。ストリップ導体506は、厚さhの第3の誘電体層522と厚さhの第2の誘電体205bとを含む誘電体層に埋め込まれており、誘電体層が第6の導体521と第4の導体204とを含む導体層で囲まれた構造となっている。ストリップ導体506とパッチ導体203とは、段差(高低差)をつなぐためのプラグである第5の導体207を介して接続されている。線路508は、素子201の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路である。 The square coaxial line as the line 508 is a distributed constant line. The line 508 has a strip conductor (third conductor) 506, a sixth conductor 521, a third dielectric layer 522, and a fourth conductor (ground conductor) 204. Strip conductor 506 is embedded in the dielectric layer and a second dielectric 205b of the third dielectric layer 522 having a thickness of h 1 thickness h 2, the dielectric layer is the sixth conductor 521 It has a structure surrounded by a conductor layer including the fourth conductor 204 and the fourth conductor 204. The strip conductor 506 and the patch conductor 203 are connected via a fifth conductor 207, which is a plug for connecting a step (height difference). The line 508 is a low impedance line based on the absolute value of the differential negative resistance of the element 201.

ここで、発振器500のアドミタンス特性について図8を参照して説明する。図8は、発振器500のアドミタンス特性の解析結果であり、素子201であるRTDのアドミタンスの実部Re[YRTD]とパッチアンテナのアドミタンスの実部Re[YANT]とをプロットしたグラフである。グラフには、アンテナのアドミタンスの実部Re[YANT]について、第3の誘電体522と第2の誘電体205bとを含む誘電体層の厚が、h=h=100nmとh=h=500nmの2種類の場合の解析結果を示した。また、RTDの利得、すなわちアドミタンスの実部Re[YRTD]は、RTDの直径が2μmと3μmの場合の2種類の解析結果を示した。 Here, the admittance characteristic of the oscillator 500 will be described with reference to FIG. FIG. 8 is an analysis result of the admittance characteristic of the oscillator 500, and is a graph in which the real part Re [Y RTD ] of the admittance of the RTD which is the element 201 and the real part Re [Y ANT ] of the admittance of the patch antenna are plotted. .. In the graph, for the real part Re [Y ANT ] of the admittance of the antenna, the thickness of the dielectric layer containing the third dielectric 522 and the second dielectric 205b is h 1 = h 2 = 100 nm and h 1. The analysis results in the case of two types of = h 2 = 500 nm are shown. In addition, the gain of RTD, that is, the real part Re [Y RTD ] of admittance, showed two kinds of analysis results when the diameter of RTD was 2 μm and 3 μm.

グラフより、ストリップ線路508の第3の誘電体522と第2の誘電体505bの厚さを調整することで、fLC付近の周波数帯のインピーダンスを調整することが可能である。なお、fLC付近の周波数帯のインピーダンスは、誘電体層の厚さ以外にも、線路508の長さ又は各誘電体505b、522の材料の選択によっても調整可能であり、素子201の利得によって適宜選択すれば良い。発振器500の構成は、DC以上fTHz未満の低周波数の領域では損失で発振が抑制され、所望の発振周波数fTHzでは損失が少なく発振条件を満たすことが可能である。 From the graph, the third dielectric 522 stripline 508 by adjusting the thickness of the second dielectric 505b, it is possible to adjust the impedance in the frequency band near f LC. Incidentally, the impedance in the frequency band near f LC, other than the thickness of the dielectric layer is also adjustable by selecting the length or the material of each dielectric 505b, 522 of the line 508, by the gain of the device 201 It may be selected as appropriate. Configuration of the oscillator 500 is oscillated in the loss in the region of low frequencies below DC or f THz is suppressed, it is possible desired oscillation at the frequency f THz loss less oscillation condition is satisfied.

以上、発振器200の変形例1〜3について説明した。上述の変形例1〜3においても、共振部とバイアス回路とを接続する線路が、微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値を基準として低インピーダンス回路となるように構成することにより、配線構造に起因した寄生発振を低減できる。その結果、所望の発振周波数fTHzのテラヘルツ波をより安定して発振できる。 The modified examples 1 to 3 of the oscillator 200 have been described above. Also in the above-described modifications 1 to 3, the line connecting the resonance portion and the bias circuit is configured to be a low impedance circuit with reference to the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element. It is possible to reduce parasitic oscillation caused by the wiring structure. As a result, a terahertz wave having a desired oscillation frequency of f THz can be oscillated more stably.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.

例えば、上述の実施形態及び実施例では、キャリアが電子である場合を想定して説明しているが、これに限定されるものではなく、正孔(ホール)を用いたものであってもよい。また、基板や誘電体の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、ガリウムリンなどの半導体や、ガラス、セラミック、テフロン(登録商標)、ポリエチレンテレフタラートなどの樹脂を用いることができる。 For example, in the above-described embodiments and examples, the case where the carrier is an electron is described, but the description is not limited to this, and holes may be used. .. The substrate and dielectric materials may be selected according to the application, including semiconductors such as silicon, gallium arsenide, indium arsenide, and gallium phosphide, and resins such as glass, ceramics, Teflon (registered trademark), and polyethylene terephthalate. Can be used.

さらに、上述の実施形態及び実施例では、テラヘルツ波の共振器として正方形パッチを用いているが、共振器の形状はこれに限られたものではなく、例えば、矩形及び三角形等の多角形、円形、楕円形等のパッチ導体を用いた構造の共振器等を用いてもよい。 Further, in the above-described embodiments and examples, a square patch is used as the resonator of the terahertz wave, but the shape of the resonator is not limited to this, and for example, a polygon such as a rectangle and a triangle, or a circle. , A resonator or the like having a structure using a patch conductor such as an ellipse may be used.

また、発振器に集積する微分負性抵抗素子の数は、1つに限るものではなく、微分負性抵抗素子を複数有する共振器としてもよい。線路の数も1つに限定されず、複数の線路を設ける構成でもよい。 Further, the number of differential negative resistance elements integrated in the oscillator is not limited to one, and a resonator having a plurality of differential negative resistance elements may be used. The number of lines is not limited to one, and a plurality of lines may be provided.

上述の実施形態及び実施例で記載した発振器は、テラヘルツ波を検出する検出器として使用することも可能である。また、上述の実施形態及び実施例で記載した発振器を用いて、テラヘルツ波の発振及び検出を行うこともできる。 The oscillators described in the above embodiments and examples can also be used as detectors for detecting terahertz waves. It is also possible to oscillate and detect terahertz waves using the oscillators described in the above-described embodiments and examples.

100 素子
101 微分負性抵抗素子
102 共振部
103 パッチ導体(第1の導体)
104 接地導体(第2の導体)
105a 第1の誘電体(誘電体)
105b 第2の誘電体
108 線路
120 バイアス回路
100 element 101 differential negative resistance element 102 resonance part 103 patch conductor (first conductor)
104 Ground conductor (second conductor)
105a First Dielectric (Dielectric)
105b Second Dielectric 108 Line 120 Bias Circuit

Claims (15)

テラヘルツ波を発振又は検出する素子であって、
微分負性抵抗素子、第1の導体、第2の導体、第1の誘電体、を有する共振部と、
前記微分負性抵抗素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
前記共振部と前記バイアス回路とを接続するストリップ線路と、を有し、
前記微分負性抵抗素子と前記第1の誘電体とは、前記第1の導体と前記第2の導体との間に配置されており、
前記ストリップ線路は、前記第1の導体と電気的に接続する第3の導体と、前記第2の導体と電気的に接続する第4の導体と、前記第3の導体と前記第4の導体との間に配置されている第2の誘電体と、を備え、
前記第2の誘電体が有する材料は、前記第1の誘電体が有する材料とは異なり、
前記ストリップ線路を含む前記共振部のインピーダンスは、前記ストリップ線路のインダクタンスと前記共振部の容量とによる共振の周波数をfLCとすると、前記周波数fLCにおいて、前記微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値の10倍以下であることを特徴とする素子。
An element that oscillates or detects terahertz waves.
A resonant portion having a differential negative resistance element, a first conductor, a second conductor, and a first dielectric,
A bias circuit that supplies a bias voltage to the differential negative resistance element and
It has a strip line connecting the resonance portion and the bias circuit.
The differential negative resistance element and the first dielectric are arranged between the first conductor and the second conductor.
The strip line includes a third conductor that is electrically connected to the first conductor, a fourth conductor that is electrically connected to the second conductor, and the third conductor and the fourth conductor. With a second dielectric placed between and
The material contained in the second dielectric is different from the material contained in the first dielectric.
The impedance of the resonance portion including the strip line is the differential negative resistance of the differential negative resistance element at the frequency FLC, where the frequency of resonance due to the inductance of the strip line and the capacitance of the resonance portion is fLC. An element characterized by being 10 times or less an absolute value.
前記第2の誘電体の厚さは、前記第1の誘電体の厚さより薄いことを特徴とする請求項1に記載の素子。 The element according to claim 1, wherein the thickness of the second dielectric is thinner than the thickness of the first dielectric. 前記第2の誘電体が有する材料の誘電正接は、前記第1の誘電体が有する材料の誘電正接よりも大きいことを特徴とする請求項1または2に記載の素子。 The element according to claim 1 or 2 , wherein the dielectric loss tangent of the material of the second dielectric is larger than the dielectric loss tangent of the material of the first dielectric. 前記第1の誘電体は、少なくとも、第1の層と第2の層を有することを特徴とする請求項2または3に記載の素子。 The element according to claim 2 or 3, wherein the first dielectric has at least a first layer and a second layer. 前記第2の誘電体は、前記第1の層を有することを特徴とする請求項4に記載の素子。 The element according to claim 4, wherein the second dielectric has the first layer. 前記第1の層の材料は、窒化シリコンであり、前記第2の層の材料はベンゾシクロブテンであることを特徴とする請求項4または5に記載の素子。 The device according to claim 4 or 5, wherein the material of the first layer is silicon nitride, and the material of the second layer is benzocyclobutene. 前記ストリップ線路を含む前記共振部のインピーダンスは、前記周波数fLCにおいて、前記微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値以下であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の素子。 The invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the impedance of the resonance portion including the strip line is equal to or less than the absolute value of the differential negative resistance of the differential negative resistance element at the frequency fLC. The element described. 前記微分負性抵抗素子のアドミタンスの実部をRe[YRTD]、前記ストリップ線路を含む前記共振部のアドミタンスの実部をRe[YANT]とすると、前記テラヘルツ波の共振周波数をfTHzとすると前記共振周波数fTHzにおいて、
Re[YRTD]+Re[YANT]≦0
を満たし、前記周波数fLCにおいて、
Re[YRTD]+Re[YANT]>0
を満たすことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の素子。
If the real part of the admittance of the differential negative resistance element is Re [YRTD] and the real part of the admittance of the resonance part including the strip line is Re [YANT], and the resonance frequency of the terahertz wave is fTHz, the resonance At the frequency fTHz
Re [YRTD] + Re [YANT] ≤ 0
At the frequency fLC
Re [YRTD] + Re [YANT]> 0
The element according to any one of claims 1 to 7, wherein the element satisfies.
前記第1の誘電体の厚さは、0.001μm以上1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 8, wherein the thickness of the first dielectric is 0.001 μm or more and 1 μm or less. 前記テラヘルツ波の波長をλTHzとすると、前記ストリップ線路の長さは、λTHz/4以上であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 9, wherein the length of the strip line is λTHz / 4 or more, where λTHz is the wavelength of the terahertz wave. 前記共振部と前記ストリップ線路とは、前記共振部に定在している前記テラヘルツ波の電界の節で接続していることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 10, wherein the resonance portion and the strip line are connected by a node of the electric field of the terahertz wave resident in the resonance portion. .. 前記ストリップ線路は、マイクロストリップラインであることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 11, wherein the strip line is a microstrip line. 前記バイアス回路は、シャント抵抗とデカップリング容量とを有し、
前記ストリップ線路は、前記共振部と前記デカップリング容量との間に接続されていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一項に記載の素子。
The bias circuit has a shunt resistor and a decoupling capacitance.
The element according to any one of claims 1 to 12, wherein the strip line is connected between the resonance portion and the decoupling capacitance.
前記ストリップ線路は、前記周波数fLCにおいて損失性の線路であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一項に記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 13, wherein the strip line is a line that is lossy at the frequency fLC. 前記第3の導体の幅は、前記第1の導体の幅よりも狭いことを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一項に記載の素子。 The element according to any one of claims 1 to 14, wherein the width of the third conductor is narrower than the width of the first conductor.
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