3.7節では、提案レクテナにおける本研究で対象とした電磁界解析における各種解析 例を示す。
3.8節では、デバイスの対抗解析モデルにおいて、ボウタイアンテナ単体モデルを対 象とした解析結果を示す。
ツ帯通信をターゲットとしており、キャリア周波数を1THzとして設定し、構造設計 を行なっていた。本研究においては第1章で述べたようにテラヘルツ帯通信デバイス においては300GHz、マイクロ波帯エネルギーハーベスティングデバイスとしては数 GHzをターゲットとしている。そのため先行研究とはアンテナの外形サイズや、メサ 領域の構造が異なってくる。
3.3.1 テラヘルツ帯レクテナの特性解析
100μm 5μm 3μm 2μm
Semiconductor mesa region
Output line 3μm
図3.2 テラヘルツ帯レクテナの概略図
0.42μm 50nm 4.53μm 50nm
0.7μm
2.66μm 2.66μm
(a) メサ領域
30μm 3μm
(b)出力端
図3.3 メサ領域及び出力端の概略図
図3.2にCOMSOL のCAD上で作成した提案テラヘルツ帯レクテナの概略図を示
す。デバイス構造は先行研究のモデルとは異なり、半導体メサ部の構造が変わってい
る。これにより従来のモデルとは違い左右のアンテナアームの高さが揃っている。半 導体プロセスの都合上、デバイス最下部には半導体基板が存在し、その上に順に構成 されていく。デバイスの心臓部となる半導体メサはS.I-InP基板上に結晶成長により 形成され、各種プロセスによりメサ形状が形作られたのちに金属薄膜を蒸着しアンテ ナを形成するような工程を想像しデバイスのモデリングを行なっている。アンテナと 基板の間は絶縁層としてベンゾシクロブテン(Benzocyclobutene、以下BCB)で埋め られている。表3.1に本解析で使用する各領域の材料及びその材料定数を示す。また、
図3.4には実際のCOMSOLにおいて材料を指定する領域を示す。
表3.1 テラヘルツ帯レクテナモデルの材料定数
材料名 導電率σ[S/m] 比誘電率 ϵr 比透磁率 µr
(a)Au(アンテナアーム,出力線等) 4.5×107 1 1
(b)BCB(絶縁層) 0.4 2.7 1
(c)S.I InP(基板) 1 ×10−6 9.52 1
(d)InGaAs(縦メサ部分) 32 (σ(V)) 13.94 1
(d)n++InGaAs(横メサ部分) 3.2×105 13.94 1
(a)
(b)
(c)
(a)
(e) (e)
図3.4 テラヘルツ帯レクテナモデルの材料指定領域
3.3.2 マイクロ波帯レクテナの特性解析
図3.5に示すマイクロ波帯エネルギーハーベスティング集積レクテナモデルはプロ トタイプとして市販の基板の表面を金属加工しアンテナを形成する手法を採用してい
18μm 800μm Semiconductor
mesa region Output line
0.5mm
14.5mm 0.5mm
図3.5 マイクロ波帯レクテナの概略図
る。また整流用ダイオードはアンテナ中央部にパッケージ化し、貼り付ける想定でモ デリングを行なっている。表3.2に本解析で使用する各領域の材料及びその材料定数 を示す。また、図3.6には実際のCOMSOLにおいて材料を指定する領域を示す。
表3.2 マイクロ波帯レクテナモデルの材料定数
材料名 導電率σ[S/m] 比誘電率 ϵr 比透磁率 µr
(a)Cu(アンテナアーム,出力線等) 5.998 ×107 1 1
(b)RO4003(樹脂基板) 5.998 ×10−15 3.38 1
(c)InGaAs(半導体チップ) 32 (σ(V)) 13.94 (ϵr(V)) 1
(a) (b)
(a) (c)
図3.6 マイクロ波帯レクテナモデルの材料指定領域