JP2010062533A - 整流素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】構造の微細化とは別な観点からカットオフ周波数を高めることのできる検出素子などの整流素子を提供する。
【解決手段】整流素子は、ショットキー電極１１１を含むショットキー障壁部１０１と、ショットキー障壁部１０１における多数キャリアに対して整流性を有する障壁部１０２と、この整流性障壁部１０２に電気的に接したオーミック電極１０３を備える。ショットキー障壁部１０１と整流性障壁部１０２は、それぞれ、一方側が他方側よりも大きい勾配の非対称なバンドプロファイルを有するように構成される。ショットキー障壁部１０１と整流性障壁部１０２は、それぞれ、バンドプロファイルの大きい勾配の方の側がショットキー電極１１１の側に位置するように接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波検出素子などの整流素子に関し、特には、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０GHz以上３０THz以下、以下同様な意味で用いる）の周波数領域内の周波数帯における電磁波検出素子、整流素子、こうした素子を用いる装置に関する。
ミリ波帯からテラヘルツ帯までの電磁波検出素子として、熱型検出素子や量子型検出素子がこれまで知られている。熱型検出素子としては、マイクロボロメータ（a-Si、VOxなど）、焦電素子（LiTaO３、TGSなど）、ゴーレイセルなどがある。こうした熱型検出素子は、電磁波のエネルギーによる物性変化を熱に変換し、温度変化を熱起電力、抵抗などに変換の上、検出する素子である。冷却を必ずしも必要としない一方、熱交換を利用するため応答が比較的遅い。量子型検出素子としては、真性半導体素子（MCT(HgCdTe)光伝導素子など）や不純物半導体素子などがある。こうした量子型検出素子は、電磁波をフォトンとして捕らえ、バンドギャップの小さい半導体の光起電力或いは抵抗変化を検出する素子である。応答が比較的速い一方、この様な周波数領域における室温の熱エネルギーは無視できないため冷却を必要とする。
そこで、最近では、応答が比較的速く冷却の不要な検出素子として、整流素子を利用したミリ波帯からテラヘルツ帯までの電磁波検出素子の開発が行われている。この検出素子は、電磁波を高周波電気信号として捕らえ、アンテナなどによって受信した高周波電気信号を整流素子によって整流して検出する。この様な方式は、一般には、周波数帯が高くなればなるほど検出が難しくなる。というのも、周波数帯が高くなればなるほど、検出素子のあらゆる部分に発生するフィルタ効果が無視できなくなるからである。このため、多くの場合、アンテナは整流素子に直結し、また、整流素子は素子構造の微細化を行うことで、フィルタ効果を抑制する方法が採られている。
特許文献１はこうした検出素子を開示している。ここで、整流素子はショットキーバリアダイオードであって、ショットキー電極の面積を０.０００７μm２（直径０.０３μm）に微細加工して、CO２レーザによる約２８THz（波長１０.６μm）の電磁波を検出している。ショットキーバリアダイオードは、ショットキー障壁における接合容量Cjと直列抵抗RsによるRCローパスフィルタを伴うことが知られている。接合容量Cjはショットキー電極の面積に比例するため、カットオフ周波数fc（=(２π×RsCj)-１）を高める最も単純な方法としてはショットキー電極の面積を小さくすればよい。典型的なショットキーバリアダイオードのこれらの関係について単純計算を行えば、ショットキー電極の面積を１μm２（直径換算で約１μm）まで微細加工すると、およそ３００GHz前後がfcとなる。ショットキー電極の面積をその十分の一の０.１μm２（直径換算で約０.３μm）まで微細加工すると、およそ３THz前後がfcとなる。更に、その十分の一の０.０１μm２（直径換算で約０.１μm）まで微細加工すると、およそ３０THz前後がfcとなると見積もられる。
特開平０９-１６２４２４号公報
しかしながら、ショットキーバリアダイオードを利用した従来の検出素子において、構造の微細化によってカットオフ周波数を高める方法には次の様な課題がある。
一つ目は、こうしたサブミクロン及びナノ構造の作製において、高い精度の微細加工技術が必要となる点である。つまり、特性の安定化、歩留まりの向上、コストの低減といった課題が発生するため、単純に微細加工のみに依存する方法は好ましくない。
二つ目は、構造の微細化に伴い、直列抵抗が増加してしまう点である。こうしたサブミクロン及びナノ構造における直列抵抗の原因の一つとして、広がり抵抗（spreading resistance）と呼ばれる抵抗成分が知られている。ショットキーバリアダイオード構造において、ショットキー電極の直径が小さくなると広がり抵抗は大きくなる傾向にある（Dickens, IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-１５, １０１ (１９６７) を参照）。従って、上述の様なショットキー電極の面積とカットオフ周波数の関係は甘い見積もりとなる。実際には、微細化に伴い直列抵抗が増加するためカットオフ周波数が低下して、更に微細化が求められ、構造の微細化によるカットオフ周波数向上には上限がある。
上記課題に鑑み、本発明の検出素子は、ショットキー電極を含むショットキー障壁部と、前記ショットキー障壁部における多数キャリアに対して整流性を有する障壁部と、前記整流性を有する障壁部に電気的に接したオーミック電極と、を備える。前記ショットキー障壁部と前記整流性を有する障壁部は、被検出電磁波の電界成分がショットキー電極とオーミック電極の間に誘起されたとき、これらの障壁部において流れる検出電流の方向が一致するように、接続されている。
また、上記課題に鑑み、本発明の画像形成装置は、複数の前記検出素子をアレイ状に配し、前記複数の検出素子がそれぞれ検出する被検出電磁波の電界に基づいて電界分布の画像を形成することを特徴とする。更に、上記課題に鑑み、本発明の整流素子は、ショットキー電極を含むショットキー障壁部と、前記ショットキー障壁部における多数キャリアに対して整流性を有する障壁部と、この整流性障壁部に電気的に接したオーミック電極と、を備える。前記ショットキー障壁部と前記整流性障壁部は、それぞれ、一方側が他方側よりも大きい勾配の非対称なバンドプロファイルを有するように構成される。更に、前記ショットキー障壁部と前記整流性障壁部は、それぞれ、前記バンドプロファイルの大きい勾配の方の側が前記ショットキー電極の側に位置するように接続されている。
本発明は、構造の微細化とは別な観点からカットオフ周波数を高めることのできる検出素子、整流素子を提供するものである。すなわち、本発明では、同じ多数キャリアが連続的に通過する整流性障壁とショットキー障壁とを一体の整流素子として機能させている。従って、本発明によれば、カットオフ周波数を高める方法が構造の微細化のみには依存しなくなるため、従来よりも精度の低い微細加工技術での作製が可能となる。また、直列抵抗が発生しにくく、従来よりもカットオフ周波数向上の上限を高めることができる。
本発明を適用できる素子の実施形態１の構成、バンドプロファイル、バンドプロファイル上における検出電流を示した図。 本発明を適用できる素子の実施形態２の構成、バンドプロファイル、カットオフ周波数を高める理由を示した図。 本発明を適用できる素子の実施形態３と実施形態４の構成を示した図。 本発明を適用できる素子の実施形態５の構成を示した図。 本発明を適用できる素子の実施例１の構成、バンドプロファイル、多数キャリア濃度分布を示した図。 実施例１及び実施例２の素子のバンドプロファイルにおいて掛けられる電界（電圧）との関係を示した図。 実施例１の素子において検出感度と掛けられる電界（電圧）との関係を示した図。 実施例１と従来のショットキーダイオードの検出性能における効率及びNEPの周波数依存性を比較したもの、及び実施例１の素子の検出性能においてショットキー電極の直径Φとの関係を示した図。 本発明を適用できる素子の実施例２の構成、バンドプロファイル、多数キャリア濃度分布を示した図。 実施例２と従来のショットキーダイオードの検出性能における効率及びNEPの周波数依存性を比較して示した図。 本発明を適用できる素子の実施例３の構成、バンドプロファイル、多数キャリア濃度分布を示した図。
以下に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。本発明の検出素子などの整流素子において重要なことは、同じ多数キャリアが連続的に通過する整流性障壁とショットキー障壁とを一体の整流素子として機能させることと、ショットキー電極を整流素子の一部分として用いることである。この考え方に基づき、本発明による検出素子の基本的な実施形態は、ショットキー電極を含むショットキー障壁部と、ショットキー障壁部における多数キャリアに対して整流性を有する整流性障壁部と、整流性障壁部に電気的に接したオーミック電極を備える。そして、ショットキー障壁部と整流性障壁部は、被検出電磁波の電界成分がショットキー電極とオーミック電極の間に誘起されたとき、ショットキー障壁部と整流性障壁部において流れる検出電流の方向が一致するように、接続されている。
上記基本構成において、後述の実施形態２のように、複数の整流性障壁部を備えることができる。この場合、複数の整流性障壁部は、被検出電磁波の電界成分がショットキー電極とオーミック電極の間に誘起されたとき、個別の整流性障壁部において流れる検出電流の方向が一致するように、接続される。
また、後述の実施形態３のように、ショットキー障壁部は、ショットキー電極をなす金属又は半金属と前記多数キャリアがなくなる様な実質的に真性（本明細書において、単に「実質的に真性」ともいう）又は真性な半導体を含んで構成することができる。
また、後述の実施形態１のように、整流性障壁部は、順に、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体、実質的に真性又は真性な半導体、前記導電型の半導体とは反対の導電型の半導体、前記実質的に真性又は真性な半導体よりも厚く実質的に真性又は真性な半導体、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体を備えた多層膜構造で構成することができる。
また、後述の実施形態３のように、整流性障壁部は、順に、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体、半金属、実質的に真性又は真性な半導体、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体を備えた多層膜構造で構成することもできる。
また、後述の実施形態４のように、整流性障壁部は、順に、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体、前記導電型の半導体よりバンドギャップが大きく且つ実質的に真性又は真性な半導体、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体を備えた多層膜構造で構成することもできる。更に、検出信号を出力するためのトランジスタを同一基板上に備えることもできる。
また、後述の実施形態５のように、被検出電磁波の電界成分を前記ショットキー電極と前記オーミック電極の間に誘起するためのアンテナを備えることもできる。ここで、ショットキー電極とオーミック電極をアンテナの出力ポートとする。
複数のこうした検出素子をアレイ状に配し、複数の検出素子がそれぞれ検出する被検出電磁波の電界（すなわち電界の違い）に基づいて電界分布の画像を形成する画像形成装置を構成することができる。
また、本発明による整流素子の基本的な実施形態は、ショットキー電極を含むショットキー障壁部と、ショットキー障壁部における多数キャリアに対して整流性を有する整流性障壁部と、整流性障壁部に電気的に接したオーミック電極を備える。ショットキー障壁部と整流性障壁部は、それぞれ、一方側が他方側よりも大きい勾配の非対称なバンドプロファイルを有するように構成される。そして、ショットキー障壁部と整流性障壁部は、それぞれ、前記バンドプロファイルの大きい勾配の方の側が前記ショットキー電極の側に位置するように接続される。こうした整流素子は、検出素子などとして使用することができる。
上記実施形態の検出素子ないし整流素子によれば、上記発明の効果のところで述べた様な効果が奏される。
カットオフ周波数を高めた検出素子ないし整流素子は、例えば、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内の周波数帯でもフィルタ効果が低減される。そのため、検出感度の低下やNEP（Noise Equivalent Power）の増大が起こりにくい。故に、こうした周波数帯において、検出感度やNEPといった基本的な検出性能が十分で、且つ、応答が比較的速く冷却の不要な素子を提供することが可能になる。更に、素子構造がショットキー障壁のみには依存しなくなるため、典型的なショットキーバリアダイオードにおいて必要なバイアスを低減、好ましくは不要とすることも可能になる。故に、好ましくは検出素子としての検出感度の最適動作点をゼロバイアスとする様に構成し、バイアス電流によって発生する雑音の低減や、バイアス配線を不要とするといった構成の簡易化を行える可能性がある。
こうした効果を有する素子は、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内の周波数帯におけるセンシング用の高感度検出器、撮像用のアレイ検出器などとして用いることができる。
以下、図を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
実施形態１による検出素子について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態による素子を示すもので、図１（a）は構造の断面図、図１（b）は構造におけるバンドプロファイルの一部を表している。本実施形態による素子は、ショットキー電極１１１を含むショットキー障壁部１０１と、整流性を有する整流性障壁部１０２とが接続されている。図１（b）のショットキー障壁１１０は、例えば、実質的に真性又は真性な半導体１１２と金属１１１とを接続すると生じるエネルギー障壁である。整流性を有する障壁１２０は、例えば、順に半導体１２１〜１２５を備える多層膜構造によって生じるエネルギー障壁である。半導体１２１は、同じ多数キャリアを与える様な導電型の半導体である。半導体１２２は、実質的に真性又は真性な半導体である。半導体１２３は、半導体１２１とは反対の導電型の半導体である。半導体１２４は、半導体１２２より厚く実質的に真性又は真性な半導体である。半導体１２５は、半導体１２１と同じ導電型の半導体である。尚、図１（a）において、１１は基板である。
ここで、障壁部１０２は、よく知られたプレーナドープバリアダイオード（planar doped barrier-diode）と呼ばれる多層膜構造である。いずれのエネルギー障壁１１０、１２０においても、或る方向の電界が掛けられたときに始めて多数キャリアが通過することのできる構造となっている。つまり、或る方向の電界で、多数キャリアはエネルギー障壁１１０、１２０より熱電界放出（thermoionic-field-emission）され、これとは逆の方向の電界で、多数キャリアはエネルギー障壁１１０、１２０をトンネリングできない。いずれのエネルギー障壁１１０、１２０の構造でも、こうしたメカニズムとなっている。このメカニズムは、エネルギー障壁を構成する片側の半導体１１２、１２４において多数キャリアが十分に少なくなるときに生じる。本実施形態の素子では、この或る方向の電界が掛けられたとき（順方向電圧と呼ぶ）にのみ、同じ多数キャリアが連続的に整流性障壁１２０とショットキー障壁１１０を通過するバンドプロファイルが特徴となっている。従って、ショットキー電極１１１とオーミック電極１０３の間に順方向電圧が掛けられたとき、同じ多数キャリアが連続的に障壁部１０２とショットキー障壁部１０１を通過する様にショットキー障壁部１０１と整流性障壁部１０２が接続されている。言い換えれば、エネルギー障壁１１０、１２０は、それぞれ、一方側が他方側よりも大きい勾配の非対称なバンドプロファイルを持ち、大きい勾配の方の側がショットキー電極１１１の側に位置する様に構成される。
これらの関係を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）の様に、順方向電圧において一方向に電流が流れ、これとは逆の逆方向電圧において電流が流れない。このとき、オーミック電極１０３は、整流性障壁部１０２におけるショットキー電極１１１と反対の側に位置する導電性の半導体１２５と電気的に接している必要がある。こうした本実施形態の素子で、ショットキー電極１１１とオーミック電極１０３の間に被検出電磁波の電界成分が誘起されたとき、上述のメカニズムに基づいて一方向に電流が流れる。この電流は被検出電磁波の周波数と等しい振動数の振動成分を含むが、その実効値はゼロでないため、検出電流となる。従って、本実施形態による素子の構成は、いわゆる整流素子に位置付けられ、整流を利用した方式の検出素子として利用できることになる。
本発明を適用できる素子がカットオフ周波数を高める効果を有している理由は、同じ多数キャリアが連続的に通過する整流性障壁１２０とショットキー障壁１１０とが一体の整流素子として機能する点にある。故に、本実施形態による素子のRC一次ローパスフィルタは、ショットキー障壁１１０における接合容量Cj１１０、整流性障壁１２０における接合容量Cj１２０、直列抵抗Rsから構成される。全体の接合容量CjはCj-１=(Cj１１０ -１+Cj１２０ -１)となるので、同じショットキー電極の面積のショットキーバリアダイオード構造と比較すると、本実施形態による素子の全体の接合容量Cjは、例外なく、小さく抑えることができる。また、ショットキー電極１１１を整流素子の一部分として用いることで、電極１１１におけるコンタクト抵抗（contact resistance）が直列抵抗Rsの成分とはならない点にも注意すべきである。
こうしてRsCjを低減することができるため、本発明を適用できる素子はカットオフ周波数を高める効果を有しているといえる。別の言い方をすれば、同じ接合容量Cjを持つショットキーバリアダイオード構造と比較すると、本発明を適用できる素子のショットキー電極１１１の面積は大きくすることができる。故に、本実施形態による素子は、カットオフ周波数を高める方法が構造の微細化のみには依存しておらず、従来よりも精度の低い微細加工技術での作製が可能となる。例えば、ショットキー電極１１１の直径が従来よりも大きいサブミクロン構造において、広がり抵抗を小さく抑えることもできるため、カットオフ周波数を３０THz以上とすることができる。こうしてカットオフ周波数を高めた本実施形態による素子は、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内の周波数帯における検出素子として好ましいものとなる。例えば、センシング用の高感度検出器、撮像用のアレイ検出器などとして用いることができる。
（実施形態２）
本発明の実施形態２による検出素子を説明する。本実施形態による検出素子の構成については、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態による検出素子を示すもので、図２（a）は構造の断面図、図２（b）は構造におけるバンドプロファイルの一部を表している。本実施形態による検出素子では、順方向電圧が掛けられたとき、同じ多数キャリアが連続的に複数の整流性障壁２３０、２２０とショットキー障壁２１０を通過するバンドプロファイルが特徴となっている。故に、ショットキー電極２１１とオーミック電極２０４の間に順方向電圧が掛けられたとき、同じ多数キャリアが連続的に個別の整流性障壁部２０２、２０３とショットキー障壁部２０１を通過する様に、障壁部２０１、２０２、２０３が接続される。従って、本実施形態による検出素子の構成も、いわゆる整流素子に位置付けられ、整流を利用した方式の検出素子として利用できることになる。
尚、図２（a）において、２１は基板、２０４はオーミック電極、２１２は実質的に真性な半導体、２２１は多数キャリアを与える導電型の半導体、２２２は実質的に真性な半導体、２２３は反対の導電型の半導体、２２４は実質的に真性な半導体である。また、２３１は多数キャリアを与える導電型の半導体、２３２は実質的に真性な半導体、２３３は反対の導電型の半導体、２３４は実質的に真性な半導体、２３５は多数キャリアを与える導電型の半導体である。
本実施形態による検出素子のRC一次ローパスフィルタは、ショットキー障壁２１０における接合容量Cj２１０、個別の整流性障壁２２０、２３０におけるそれぞれの接合容量Cj２２０、Cj２２０と直列抵抗Rsから構成される。全体の接合容量CjはCj-１=(Cj２１０ -１+Cj２２０ -１+Cj２３０ -１)となる。よって、同じショットキー電極の面積のショットキーバリアダイオード構造と比較すれば、本実施形態による検出素子の全体の接合容量Cjも、例外なく、小さく抑えることができる。整流性障壁部は幾つあってもよい。ショットキー電極２１１とオーミック電極２０４の間に順方向電圧が掛けられたとき、同じ多数キャリアが連続的に個別の整流性障壁部を通過する様に、ショットキー障壁部２０１と複数の障壁部２０２、２０３が接続されていればよい。こうした本実施形態による検出素子の全体の接合容量Cjは、整流性障壁部が一個の場合と比較しても更に小さく抑えることができる。
ただし、整流性障壁部の個数が多くなり過ぎると直列抵抗の原因の一つとしてのエピタキシャル層の抵抗成分が無視できなくなるため、カットオフ周波数を高める効果は飽和する。というのも、エピタキシャル層の抵抗は個別の整流性障壁部を接続する部分で発生するため、典型的には小さな抵抗でも整流性障壁部の個数に比例して増加する。一方で、接合容量は整流性障壁部の個数に反比例するため、整流性障壁部の個数が多くなり過ぎるとRsCjは一定となる。従って、直列抵抗の成分における広がり抵抗の方がエピタキシャル層の抵抗より大きい様な場合、RsCjの低減効果が効率的に奏されるといえる。例えば、サブミクロン構造において個数が少ないうちは広がり抵抗の方が大きく、これらの関係を示す図２（ｃ）の様に整流性障壁部の個数としては、１０個程度までが効果的といえる。こうしてカットオフ周波数を高めた本実施形態による検出素子も、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内の周波数帯における検出素子として好ましいものとなる。
（実施形態３）
本発明の実施形態３による検出素子を説明する。本実施形態による検出素子の構成については、図３（a）を参照して説明する。
図３（a）は、本実施形態による検出素子の構造の断面図を示している。本実施形態による検出素子では、ショットキー電極３１１とオーミック電極３０３の間に順方向電圧が掛けられたとき、同じ多数キャリアが連続的に整流性障壁部３０２とショットキー障壁部３０１を通過する様に、障壁部３０１、３０２が接続されている。本実施形態による検出素子において、ショットキー障壁は、例えば、半金属３１１と実質的に真性又は真性な半導体３１２を接続すると生じるエネルギー障壁である。ショットキー電極としての半金属３１１は、単独では導電性が低いため、導電性の高い金属３１３を伴ってもよい。
整流性障壁は、例えば、次の様な多層膜構造によって構成してもよい。この多層膜構造は、順に、ショットキー障壁部３０１の多数キャリアと同じ多数キャリアを与える様な導電型の半導体３２１、半金属３２２、実質的に真性又は真性な半導体３２３、半導体３２１と同じ導電型の半導体３２４を備える。ここで、障壁部３０１、３０２は、半金属／半導体接合を利用した多層膜構造であって、例えば、Brown et al, IEEE Microwave Magazine Vol. ８,５４(２００７)に開示されている。半金属３１１、３２２は、例えば、ErAs薄膜であって、NaCl構造においてGaAs基板やInP基板と格子定数が近い。このとき、半導体３１２、３２１、３２３、３２４としては、GaAs系やInP系（InGaAs含む）を選べばよい。本実施形態でも、整流性障壁部３０２におけるエネルギー障壁は、順方向電圧が掛けられたときに始めて多数キャリアが通過することのできる構造となっている。従って、本実施形態による検出素子の構成も、いわゆる整流素子に位置付けられ、整流を利用した方式の検出素子として利用することができる。尚、図３（a）において、３１は基板である。
本実施形態による検出素子の全体の接合容量Cjも、同じショットキー電極の面積のショットキーバリアダイオード構造と比較すれば、例外なく、小さく抑えることができる。本実施形態による検出素子において、整流性障壁部はこれまでに知られた多層膜構造から選ぶことが可能である。どの多層膜構造を選択しても、同じショットキー電極の面積のショットキーバリアダイオード構造と比較すれば、本実施形態による検出素子の全体の接合容量Cjを、例外なく、小さく抑えることができる。従って、本発明を適用できる検出素子における整流性障壁部は、付加的な別の目的に応じて選択される。本実施形態の半金属／半導体接合を利用した多層膜構造３０２は、半導体の組成を変化させることによって検出感度の最適動作点を設計できる特徴がある。よって、本実施形態では、ショットキーバリアダイオードでは難しいゼロバイアス動作を可能にし、バイアス電流によって発生する雑音の低減や、バイアス配線を不要とするといった構成の簡易化を行えることになる。
（実施形態４）
本発明の実施形態４による検出素子を説明する。本実施形態による検出素子の構成については、図３（b）を参照して説明する。
図３（b）は、本実施形態による検出素子の構造の断面図を示している。本実施形態による検出素子では、ショットキー電極４１１とオーミック電極４０３の間に順方向電圧が掛けられたとき、同じ多数キャリアが連続的に整流性障壁部４０２とショットキー障壁部４０１を通過する様に、障壁部４０１、４０２が接続されている。本実施形態による検出素子において、整流性障壁は、例えば、次の様な多層膜構造によって構成することができる。この多層膜構造は、順に、ショットキー障壁部４０１の多数キャリアと同じ多数キャリアを与える様な導電型の半導体４２１、半導体４２１よりバンドギャップが大きく且つ実質的に真性又は真性な半導体４２２、半導体４２１と同じ導電型の半導体４２３を備える。
ここで、整流性障壁部４０２は、いわゆる半導体ヘテロ接合を利用した多層膜構造であって、例えば、Chen et al,Appl.Phys.Lett.,Vol.７０,１５５１(１９９７)に開示されている。バンドギャップが大きい半導体４２２は、例えば、GaPであって、これよりバンドギャップの小さな半導体４２１は、例えば、InAs薄膜である。このとき、半導体４１２、４２３としては、GaP系を選べばよい。本実施形態でも、整流性障壁部４０２におけるエネルギー障壁は、順方向電圧が掛けられたときに始めて多数キャリアが通過することのできる構造となっている。従って、本実施形態による検出素子の構成も、いわゆる整流素子に位置付けられ、整流を利用した方式の検出素子として利用することができる。尚、図３（b）において、４１は基板である。
本実施形態による検出素子の全体の接合容量Cjも、同じショットキー電極の面積のショットキーバリアダイオード構造と比較すれば、例外なく、小さく抑えることができる。本実施形態による検出素子においても、整流性障壁部はこれまでに知られた多層膜構造から選ぶことが可能である。どの多層膜構造を選択しても、同じショットキー電極の面積のショットキーバリアダイオード構造と比較すれば、本実施形態による検出素子の全体の接合容量Cjを、例外なく、小さく抑えることができる。従って、本発明を適用できる検出素子における整流性障壁部も、付加的な別の目的に応じて選択される。本実施形態の半導体ヘテロ接合を利用した多層膜構造４０２は、熱電界放出が理想的に行われているかどうかを示すn値（ideality factor）が理想に近いという特徴がある。これに伴って、検出感度を理論上における最大の感度に近づけることができる。
尚、上述の実施形態１、２、３、４による検出素子において、多数キャリアとしては、電子又は正孔を用いることができる。図１（b）などで示すバンドプロファイルは伝導帯のもので多数キャリアは電子であるが、エネルギーを表す縦軸を上下逆にして価電子帯のものと考えれば多数キャリアが正孔であるバンドプロファイルを表すことになる。典型的には、移動度の高い電子を選ぶと、遅延時間を小さくすることができるため好ましい。更に、半導体の選択によっても、こうした遅延時間を十分に小さく抑えることができる。例えば、半導体としてはSi系、GaAs系、InP系（InGaAs含む）、InAs系、InSb系などを選択することができる。列挙した中の後の側の半導体ほど、多数キャリアの移動度が高く、カットオフ周波数を高めることができるため好ましい。一方で、Si系を選択すれば、CMOSによるMOSFETやBiCMOSによるHBTなどのアンプを同一基板上に集積できるため好ましい。
（実施形態５）
本発明の実施形態５による検出素子を説明する。本実施形態による検出素子の構成については、図４を参照して説明する。
図４は、本実施形態による検出素子を示すもので、図４（a）は構造の一部の断面図、図４（b）は構造の上面図、図４（c）は本実施形態による検出素子のアレイ検出器の鳥瞰図である。図４（a）の断面は、図４（b）におけるA−A’の断面に相当する。本実施形態による検出素子では、ショットキー電極５１１とオーミック電極５０３の間に順方向電圧が掛けられたとき同じ多数キャリアが連続的に整流性障壁部５０２とショットキー障壁部５０１を通過する様に、障壁部５０１、５０２が接続されている。従って、本実施形態による検出素子の構成も、いわゆる整流素子に位置付けられ、整流を利用した方式の検出素子として利用することができる。
尚、図４（a）において、５１２は実質的に真性な半導体、５２１は多数キャリアを与える導電型の半導体、５２２は実質的に真性な半導体、５２３は反対の導電型の半導体、５２４は実質的に真性な半導体、５２５は多数キャリアを与える導電型の半導体である。
本発明を適用できる検出素子において、ショットキー電極５１１とオーミック電極５０３の間に被検出電磁波の電界成分を誘起するためには、アンテナ５０４を用いるのが最も簡単である。アンテナは、受信した電磁波の電界（電圧）及び電流を出力ポートに出力する。周波数帯が低いうちは、こうした出力ポートに伝送線を接続し、整流素子に入力する回路が一般的である。しかし、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内の周波数帯では、伝送線はロスの原因となり、また、伝送線の接続箇所などにおける寄生的なリアクタンスが無視できなくなる。
従って、アンテナ５０４の出力ポートを、本実施形態による検出素子におけるショットキー電極５１１とオーミック電極５０３の二電極間に一致させて構成すると、こうした影響を除去できる。このため、整流素子をメサ状として素子分離を行い、半絶縁性基板５１と誘電体５２などを用いて二電極を構成している。ここで、メサの形状は、順メサでも逆メサでもよい。もちろん、これに限ることはなく、よく知られたイオン注入によって素子分離を行ってもよい。また、こうした二電極にそれぞれ読み出し配線５０５を接続すると、検出電流を読み出すことができる。もちろん、アレイ検出器において、こうした検出電流の違いに基づいて電界分布の画像を形成する画像形成部を備えた画像形成装置とすることもできる。
本実施形態による検出素子において、アンテナ５０４としては、例えば、対数周期アンテナを用いている。本発明を適用できる検出素子におけるアンテナは、付加的な別の目的に応じて選択されてもよい。対数周期アンテナ、スパイラルアンテナを含む自己補対アンテナ（self-complementary antennas）は優れた広帯域特性を持ち、極めて広い周波数帯の電磁波検出が可能な検出素子として有効である。また、共鳴的な周波数特性を持つダイポールアンテナやスロットアンテナは、受信したい周波数帯を制限する検出素子として有効である。また、出力ポートにスタブを付加するなど、既存のマイクロ波技術を利用して、特定の周波数帯の効率を高める方法も考えられる。
周波数帯の制御は、例えば、色分解（周波数分解）を行いたい様な応用に使用することができる。また、こうした平面アンテナへの結合効率を高めるための結合部材として、図４（c）に示す様なシリコン半球レンズ５０６をアンテナの上面に載せてもよい。MEMS加工によって作製されるホーンアンテナを上面に載せてもよい。こうした本実施形態による検出素子は、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域内の周波数帯における検出素子として好ましいものである。
更に具体的な構成について、以下の実施例において説明する。
（実施例１）
図５は、実施例１による検出素子を示すもので、図５（a）は構造の断面図、図５（b）は構造におけるバンドプロファイルの一部の設計を表す図、図５（c）は構造における電子濃度分布の設計を表す図である。
本実施例による検出素子では、Pt/Auショットキー電極８１１を含むショットキー障壁部８０１と、電子に対して整流性を有するGaAs系の半導体多層膜による整流性障壁部８０２とが接続されている。ショットキー障壁８１０は、Pt/Au８１１と電子濃度２×１０１８cm-３のn-GaAs８１２を接続すると生じる。n-GaAs８１２が実質的に真性な半導体となっている様子は、図５（c）におけるn-GaAs８１２の部分の電子濃度が十分に低く、空乏していることからも理解できる。こうしたn-GaAs８１２の厚さは、空乏層の厚さと同程度となるように５０nmとする。障壁８１０の高さは、ショットキー金属８１１と実質的に真性な半導体８１２との少ない組み合わせの相性によって決定される。ここではPt８１１とGaAs８１２の組み合わせを選択し、経験的には０.８eV程度となることが知られている。
整流性障壁８２０は、次の多層膜構造によって生じる。この多層膜構造は、順に、電子濃度３×１０１８cm-３のn+GaAs８２１、アンドープのGaAs８２２、δドーピングによって正孔のシート濃度１×１０１２cm-２としたδ-doped p-GaAs８２３、GaAs８２２より厚いアンドープのGaAs８２４、電子濃度３×１０１８cm-３のn+GaAs８２５を備える。プレーナドープバリアダイオード構造では、δ-doped p-GaAs８２３における正孔濃度がエネルギー障壁の高さを決めることが知られている。ここでは約０.３eVとなるように設計した。
また、GaAs８２２とGaAs８２４の厚さの比がｎ値を決めることが知られており、GaAs８２４の厚さはGaAs８２２の厚さに比べて厚くしておく必要がある。ここでは、２０nm:４００nmとしてn値が１.０５となるように設計した。n+GaAs８２１、８２５はキャリア供給のため、比較的高い電子濃度で十分に厚くしておく。また、n+GaAs８２５からオーミック電極８０３までの間の広がり抵抗を低減するために電子濃度１×１０１９cm-３のn+GaAs８２６を付加した。オーミック電極８０３としては、GaAs系で典型的なAuGe/Ni/Au電極を用いてもよい。こうしたショットキー障壁部８０１と整流性障壁部８０２の基板材料としては、GaAs基板８１を用いると格子整合する。こうした半導体の各層の厚さは表１の通りである。尚、表において、２E１７などは２×１０１７などを表す。
Figure 2010062533
本実施例による検出素子に電界が掛られたときのバンドプロファイルは図６（ａ）に示す通りである。バンド端Ecは、ショットキー電極８１１のフェルミエネルギーを基準としてプロットした。電界は、一般には、ショットキー障壁部８０１と整流性障壁部８０２でシェアされる。つまり、電圧をVとすると、V=V８０１+V８０２である。このとき、ショットキー障壁部８０１に短絡負荷を接続した場合の電流検出感度（short-circuit current
responsibility）は（d２I/dV８０１ ２）/（２×dI/dV８０１）で表される。同じく、整流性障壁部８０２に短絡負荷を接続した場合の電流検出感度（short-circuit current responsibility）は（d２I/dV８０２ ２）/（２×dI/dV８０２）で表される。これらをSI８０１、SI８０２とおくと、素子全体の電圧検出感度SV(V)は、電圧Vにおける素子全体の微分抵抗dR(V)を利用してSV(V)=dR(V)（SI８０１(V８０１)+SI８０２(V８０２)）と見積もられる。これを、dR(V)（SI８０１((１-α)V)+SI８０２(αV)）とおく（０＜α＜１）。
SI８０１、SI８０２は、経験的にはそれぞれの障壁の高さに相当する順方向電圧の付近で極大を迎える。本実施例による検出素子では、SI８０１はV=（０.８/(１-α)）V、SI８０２(V８０２)はV=（０.３/α）Vの付近で極大となる。これらの関係を、例として、図７（a）に示す。図７（a）において、V=０.０Vから（０.３/α）V付近まではV８０１とV８０２がおおよそ同じオーダとなるため、この順方向電圧領域ではα＞０.５となる。ここで、V=（０.３/α）Vは、通常、先にターン・オンされる障壁の低い側のターン・オン電圧である。V=（０.３/α）V付近からは、V８０１はV８０２よりも十分に大きくなるから、この順方向電圧領域ではα＜０.１となる。こうして電圧検出感度SV(V)は、図７（b）に示す様に、ショットキー障壁部８０１と整流性障壁部８０２における検出感度が混合し、V=（０.３/α）Vの付近に極大を有する素子となる。また、本実施例による検出素子は、整流性障壁部８０２における検出感度のため、ゼロバイアス付近においても検出感度を有する素子となる。
本実施例による検出素子のRC一次ローパスフィルタは、ショットキー障壁８１０における接合容量Cj８１０、整流性障壁８２０における接合容量Cj８２０と直列抵抗Rsから構成される。バンド設計によればCj８１０は約２fF/μｍ２（空乏層約５０nm）、Cj８２０は約０.３fF/μｍ２（空乏層約４００nm）である。こうした本実施例による検出素子のショットキー電極の直径Φ=４μｍの場合の効率とNEPをプロットしたものが図８である。ここで効率とは、アンテナなどによって被検出電磁波の電界成分がショットキー電極８１１とオーミック電極８０３に誘起されたとき、電磁波の電力が整流素子に入力される割合のことを指す。効率の計算ではアンテナは対数周期アンテナと仮定し、インピーダンス１８８Ωとしている。本実施例による検出素子の効率は、図８（a）に示す様に、比較のためのショットキー障壁８１０のみの構成と比較すると、高い周波数側において優れていることが分かる。こうした効率と室温におけるジョンソン雑音を考慮したNEPも、図８（b）に示す様に、比較のためのショットキー障壁８１０のみの構成と比較すると、高い周波数側において優れていることが分かる。これらは、素子全体としてのRsCjを低減し、カットオフ周波数を高めた効果そのものである。
本実施例における変形例として、整流性障壁部８０２を２個とした場合（上記の表１におけるグループGROUP２の繰り返し数REP.を２回とした場合）も併せてプロットしてある。本実施例ではショットキー電極の直径Φ=４μｍの場合を示しているが、もちろん、従来のショットキーダイオードと同様にショットキー電極の直径を小さくするとカットオフ周波数が高くなる。例えば、Φ=１２μｍ、Φ=４μｍ、Φ=１.２μｍとした場合のこれらの関係を図８（ｃ）に示す。ここで、直列抵抗に支配的な広がり抵抗としては、Φ=１２μｍのときの０.８Ω、Φ=４μｍのときの１.６Ω、Φ=１.２μｍのときの３.１Ωを考慮している。本実施例による検出素子のエピタキシャル層の抵抗は、これより一桁小さい。Φは電磁波の周波数帯によって選べばよい。１００GHzまでの周波数帯においてはΦ=１２μｍ（面積換算で約１００μｍ２）を選択すればよい。また、１００GHzから１THzまでの周波数帯においてはΦ=４μｍ（面積換算で約１０μｍ２）、１THzから１０THzまでの周波数帯においてはΦ=１.２μｍ（面積換算で約１μｍ２）を選択すればよい。
本実施例による検出素子は次の作製方法で作製することができる。まず、半絶縁性GaAs基板８１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+GaAs８２６、n+GaAs８２５、アンドープGaAs８２４、δ-doped p-GaAs８２３、アンドープGaAs８２２、n+GaAs８２１、n-GaAs８１２をエピタキシャル成長する。その表面にショットキー電極８１１としてのPt/Auを蒸着し、例えばΦ=４μｍのメサ状にエッチングを行う。エッチングにはホトリソグラフィと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。
更に、露出したn+GaAs層８２６上において、リフトオフ法によりオーミック電極８０３としてのAuGe/Ni/Auを形成し、上記構成を完成する。AuGe/Ni/Auを先に形成してから、AuGe/Ni/Au及びGaAsを連続してメサ状にエッチングしてもよい。こうしたホトリソグラフィによる作製は大量生産に向いている方法であって、本発明を適用できる検出素子の作製に好ましい。尚、ショットキー電極８１１の形成において、CVD法、スパッタ法などを選択することもできる。
本実施例により、上記実施形態の説明のところで述べた様な作用・効果を奏することができる。
（実施例２）
図９は、実施例２による検出素子を示すもので、図９（a）は構造の断面図、図９（b）は構造におけるバンドプロファイルの一部の設計を表す図、図９（c）は構造における電子濃度分布の設計を表す図である。
本実施例による検出素子は、Alショットキー電極１３１１を含むショットキー障壁部１３０１と、電子に対して整流性を有するInGaAs系の半導体多層膜による整流性障壁部１３０２とが接続されている。障壁１３１０の高さは、ショットキー金属１３１１と実質的に真性な半導体１３１２との少ない組み合わせの相性によって決定される。ここではAl１３１１とInGaAs１３１２の組み合わせを選択し、０.２eV程度と比較的低い障壁の高さとなるようにしている。また、整流性障壁１３２０は、多層膜構造の構成によって障壁の高さは０.１eV程度となるようにしている。
こうして障壁の高さを低く設計すると、検出感度の最適動作点をゼロバイアスとすることができる。これは、ショットキーバリアダイオードにおける雑音の成分であるショット雑音（∝I）、１/ｆ雑音（∝I/f）、バースト雑音（∝I/(１+f/fn)）が整流素子を流れる電流Iに依存していることからも明らかである。ここで、fnはノイズコーナーと呼ばれる周波数のことで、典型的には１０kHz程度である。つまり、ゼロバイアス動作ではバイアス電流が不要となるため、こうした雑音を低減することができる。また、検出素子としてのバイアス配線を不要とすることができる。故に、必要な配線は、検出電流の読み出し配線のみとすることができる。これは、例えば大規模アレイとしたときに、構成の簡易化のためには都合が良い。
こうしたショットキー障壁部１３０１と整流性障壁部１３０２の基板材料としては、InP基板１３１を用いると格子整合する。こうした半導体の各層の厚さ等は表２の通りである。オーミック電極１３０３としては、電子濃度１×１０１９cm-３のn+InGaAs１３２６を付加したことにより、ノンアロイ電極として典型的なTi/Pt/Au電極を用いてもよい。
Figure 2010062533
本実施例による検出素子に電界が掛られたときのバンドプロファイルは図６（ｂ）に示す通りである。また、ショットキー電極の直径Φ=４μｍの場合の本実施例による検出素子の効率、NEPをプロットしたものが図１０（a）、（b）である。これらは、素子全体としてのRsCjを低減し、カットオフ周波数を高めた効果そのものであり、ゼロバイアス動作のための設計においてもその効果が失われることはない。本実施例における変形例として、整流性障壁部１３０２を２個とした場合（上記の表２におけるグループGROUP２の繰り返し数REP.を２回とした場合）も併せてプロットしてある。
本実施例によっても、上記実施形態の説明のところで述べた様な作用・効果を奏することができる。
（実施例３）
図１１は、実施例３による検出素子を示すもので、図１１（a）は構造の断面図、図１１（b）は構造におけるバンドプロファイルの一部の設計を表す図、図１１（c）は構造における正孔濃度分布の設計を表す図である。本実施例による検出素子は、Pd/Auショットキー電極１６１１を含むショットキー障壁部１６０１と、正孔に対して整流性を有するSi系の半導体ヘテロ接合による整流性障壁部１６０２とが接続されている。本実施例において、整流性障壁部１６０２は、Siと歪みSiGe薄膜を用いたSi/SiGeを選択している。勿論、これに限られず、歪みSiと緩和SiGeを用いたSi/SiGeでもよい。こうしたショットキー障壁部１６０１と整流性障壁部１６０２の基板材料としては、Si基板１６１を用いて、SiGeの組成としてはSi０.９０Ge０.１０として、δEvは約０.０７eVとなるように設計した。こうした半導体の各層の厚さ等は表３の通りである。
Figure 2010062533
本実施例では、更に、同じSi基板１６１上に集積したMOSFETによって検出信号をアンプすることが可能である。このため、ショットキー電極１６１１はMOSFETのゲート電極１６３１に検出信号を入力するように配線１６３０を接続する。尚、オーミック電極１６０３をソース電極１６３３と接続してよく知られたソース接地とするか、ドレイン電極１６３４と接続してよく知られたソースフォロアとするかは目的に応じて選択する。この際、検出電流の素子全体の微分抵抗dRによって変換された電圧が、検出信号としてMOSFETに入力される。MOSFETからの検出信号の出力は、ショットキー電極１６１１ともオーミック電極１６０３とも接続されていない残りの電極から出力される。この様に検出素子のアンプとしてMOSFETを同一基板上に配置した構成は、標準的なCMOSプロセスを用いて作製できるため低コストである。また、配線１６３０は短いほど検出信号への雑音の混入が少ないので、こうして同一基板上に集積することは低NF（noise figure）化のためにも都合がよい。勿論、本実施例によっても、上記実施形態の説明のところで述べた様な作用・効果を奏することができる。
１１…基板、１１０…ショットキー障壁、１２０…整流性障壁、１０１…ショットキー障壁部、１０２…整流性障壁部、１０３…オーミック電極

Claims (11)

  1. ショットキー電極を含むショットキー障壁部と、前記ショットキー障壁部における多数キャリアに対して整流性を有する障壁部と、前記整流性を有する障壁部に電気的に接したオーミック電極と、を備え、
    被検出電磁波の電界成分が前記ショットキー電極と前記オーミック電極の間に誘起されたとき、前記ショットキー障壁部と前記整流性を有する障壁部において流れる検出電流の方向が一致するように、前記ショットキー障壁部と前記整流性を有する障壁部が接続されていることを特徴とした検出素子。
  2. 複数の前記整流性を有する障壁部を備え、
    被検出電磁波の電界成分が前記ショットキー電極と前記オーミック電極の間に誘起されたとき、個別の前記整流性を有する障壁部において流れる検出電流の方向が一致するように、複数の前記整流性を有する障壁部が接続されていることを特徴とした請求項１に記載の検出素子。
  3. 前記ショットキー障壁部は、前記ショットキー電極をなす金属又は半金属と前記多数キャリアがなくなる様な実質的に真性又は真性な半導体を含んで構成されること特徴とした請求項１又は２に記載の検出素子。
  4. 前記整流性を有する障壁部は、順に、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体、前記多数キャリアがなくなる様な実質的に真性又は真性な半導体、前記導電型の半導体とは反対の導電型の半導体、前記実質的に真性又は真性な半導体よりも厚く前記多数キャリアがなくなる様な実質的に真性又は真性な半導体、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体を備えた多層膜構造によって構成されること特徴とした請求項１から３のいずれか１項に記載の検出素子。
  5. 前記整流性を有する障壁部は、順に、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体、半金属、前記多数キャリアがなくなる様な実質的に真性又は真性な半導体、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体を備えた多層膜構造によって構成されること特徴とした請求項１から３のいずれか１項に記載の検出素子。
  6. 前記整流性を有する障壁部は、順に、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体、前記導電型の半導体よりバンドギャップが大きく且つ前記多数キャリアがなくなる様な実質的に真性又は真性な半導体、前記多数キャリアを与える様な導電型の半導体を備えた多層膜構造によって構成されること特徴とした請求項１から３のいずれか１項に記載の検出素子。
  7. 前記多数キャリアは電子であることを特徴とした請求項１から６のいずれか１項に記載の検出素子。
  8. 検出信号を出力するためのトランジスタを備え、
    前記検出素子と前記トランジスタが同一基板に配置されることを特徴とした請求項１から７のいずれか１項に記載の検出素子。
  9. 被検出電磁波の電界成分を前記ショットキー電極と前記オーミック電極の間に誘起するためのアンテナを備え、
    前記ショットキー電極と前記オーミック電極を前記アンテナの出力ポートとすることを特徴とした請求項１から８のいずれか１項に記載の検出素子。
  10. 複数の請求項１から９のいずれか１項に記載の検出素子をアレイ状に配し、
    前記複数の検出素子がそれぞれ検出する被検出電磁波の電界に基づいて電界分布の画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
  11. ショットキー電極を含むショットキー障壁部と、前記ショットキー障壁部における多数キャリアに対して整流性を有する障壁部と、前記整流性を有する障壁部に電気的に接したオーミック電極と、を備え、
    前記ショットキー障壁部と前記整流性を有する障壁部は、それぞれ、一方側が他方側よりも大きい勾配の非対称なバンドプロファイルを有するように構成され、且つ、
    前記ショットキー障壁部と前記整流性を有する障壁部は、それぞれ、前記バンドプロファイルの大きい勾配の方の側が前記ショットキー電極の側に位置するように接続されていることを特徴とした整流素子。
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