JP2011077396A - Terahertz-wave radiating element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、テラヘルツ波放射素子に関し、テラヘルツ周波数帯の電磁波を放射することのできる半導体素子から構成される、テラヘルツ波放射素子に関するものである。 The present invention relates to a terahertz wave radiating element, and more particularly to a terahertz wave radiating element including a semiconductor element that can radiate electromagnetic waves in a terahertz frequency band.
テラヘルツ帯の電磁波は、電波の有する透過性と、光の有する広帯域性、可干渉性及び集光性とを有しており、セキュリティ、バイオ、環境及び通信などの様々な分野への応用が期待されている。 Terahertz band electromagnetic waves have the transparency of radio waves and the broadband, coherent, and light-collecting properties of light, and are expected to be applied in various fields such as security, biotechnology, environment, and communications. Has been.
テラヘルツ電磁波を放射する装置として、例えば光伝導素子、テラヘルツパラメトリック発生器、量子カスケードレーザ、炭酸ガスレーザ及び後進波管などが用いられている。しかし、これらの装置では、大規模で高価なフェムト秒レーザやピコ秒レーザが必要であったり、極低温に冷却して動作させる必要があったりする。そのため、これらの装置の小型化または低価格化が困難という課題がある。 As a device for emitting terahertz electromagnetic waves, for example, a photoconductive element, a terahertz parametric generator, a quantum cascade laser, a carbon dioxide laser, a backward wave tube, and the like are used. However, these apparatuses require a large-scale and expensive femtosecond laser or picosecond laser, or need to operate by cooling to a very low temperature. Therefore, there is a problem that it is difficult to reduce the size or cost of these devices.
この課題を克服するため、すなわち、小型かつ安価で冷却不要なテラヘルツ波放射装置の実現に向け、半導体中に存在する電子プラズマを利用したデバイスの研究開発が精力的に進められている。ここでは、半導体中の電子プラズマとして、電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor; FET)構造や高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor; HEMT)中の二次元電子ガス(2−Dimensional Electron Gas; 2DEG)が用いられる(例えば、非特許文献1)。電子の集団的振動である2DEGプラズマ波の速度は、108cm/s台となっており、単一の電子の速度に比べて1桁以上高く、単一の電子を利用した一般的な電子デバイスに比べて、より高周波なテラヘルツ周波数帯での動作が可能となる。以下にこのデバイスの動作原理を説明する。 In order to overcome this problem, that is, to realize a small, inexpensive, and cooling-free terahertz radiation apparatus, research and development of devices using electron plasma existing in semiconductors has been vigorously advanced. Here, as an electron plasma in a semiconductor, a field effect transistor (FET) structure or a two-dimensional electron gas (2-dimensional electron gas) in a high electron mobility transistor (HEMT) is used. Is used (for example, Non-Patent Document 1). The speed of the 2DEG plasma wave, which is the collective vibration of electrons, is on the order of 10 8 cm / s, which is one digit higher than the speed of a single electron, and is a general electron using a single electron. Operation in a higher frequency terahertz frequency band is possible compared to devices. The operating principle of this device will be described below.
図6は、非特許文献1中の図1に示されたテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。このテラヘルツ波放射素子900は、ソース電極908、ゲート電極909、ドレイン電極910、半導体層911、二次元電子ガス領域912及びゲート絶縁膜913から構成されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of the terahertz wave radiating element shown in FIG. The terahertz
このテラヘルツ波放射素子900では、ソース電極908とドレイン電極910とにバイアス電圧を印加すると二次元電子ガス流が生じる。二次元電子ガス流はソース電極908端及びドレイン電極910端での反射により不安定な状態となる。この不安定性がテラヘルツ周波数帯の電子プラズマ振動を誘起して、テラヘルツ電磁波の放射を引き起こす。
In the terahertz
さらに、近年になって上記技術の進展が見られ、2006年には室温においてテラヘルツ電磁波の放射が確認されるに至った(例えば、非特許文献2)。この非特許文献2には、AlGaN/GaN材料系のHEMTから0.1μW程度のテラヘルツ電磁波出力が得られる技術が開示されている。 Furthermore, in recent years, the above-described technology has been developed, and in 2006, radiation of terahertz electromagnetic waves was confirmed at room temperature (for example, Non-Patent Document 2). This non-patent document 2 discloses a technique that can obtain a terahertz electromagnetic wave output of about 0.1 μW from an AlGaN / GaN material HEMT.
このように、電子プラズマを利用して、室温でテラヘルツ波を放射できる半導体デバイスの研究開発が進んできた。 Thus, research and development of semiconductor devices capable of emitting terahertz waves at room temperature using electron plasma have progressed.
しかしながら、従来のテラヘルツ波を放射できる半導体デバイスすなわちテラヘルツ波放射素子では、放射可能なテラヘルツ電磁波の強度は未だ1μW以下と微弱であり、各種の応用には出力が不十分である。また、従来のテラヘルツ波放射素子では、電力変換効率も1×10-7と非常に小さく、0.1μWの出力を得るために約1000mWもの入力電力が必要となっている。 However, in a conventional semiconductor device that can emit a terahertz wave, that is, a terahertz wave radiating element, the intensity of the radiable terahertz electromagnetic wave is still as weak as 1 μW or less, and the output is insufficient for various applications. Further, the conventional terahertz wave radiating element has a very low power conversion efficiency of 1 × 10 −7, and an input power of about 1000 mW is required to obtain an output of 0.1 μW.
したがって、テラヘルツ放射可能な半導体素子であるテラヘルツ波放射素子を実用化するためには、出力及び効率の向上が不可欠である。 Therefore, in order to put the terahertz wave radiating element, which is a semiconductor element capable of terahertz radiation, into practical use, improvement in output and efficiency is indispensable.
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a high-power and high-efficiency terahertz wave radiating element.
上記目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツ波放射素子は、基板と、前記基板上に、窒化物半導体からなる層と、前記窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる層とが積層されたヘテロ接合構造体が少なくとも2つ積層されている積層構造体と、前記積層構造体とショットキー接続されるショットキー電極と、前記積層構造体とオーミック接続されるオーミック電極とを備え、前記ショットキー電極は、前記積層構造体で生じるテラヘルツ周波数帯の電子プラズマ振動を、テラヘルツ周波数帯の電磁波に変換する放射場変換機能を有する。 To achieve the above object, a terahertz wave radiating element according to the present invention includes a substrate, a layer made of a nitride semiconductor on the substrate, and a layer made of a nitride semiconductor having a band gap larger than that of the nitride semiconductor. A stacked structure in which at least two heterojunction structures are stacked, a Schottky electrode that is Schottky connected to the stacked structure, and an ohmic electrode that is ohmically connected to the stacked structure. The Schottky electrode has a radiation field conversion function for converting the electron plasma vibration in the terahertz frequency band generated in the laminated structure into an electromagnetic wave in the terahertz frequency band.
この構成により、テラヘルツ波の発生源である二次元電子ガスの流量を、ヘテロ接合構造体の数だけ増加できるので、テラヘルツ波出力の向上が可能となる。 With this configuration, the flow rate of the two-dimensional electron gas that is the generation source of the terahertz wave can be increased by the number of heterojunction structures, so that the terahertz wave output can be improved.
それにより、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。 Thereby, a high-output and high-efficiency terahertz wave radiating element can be realized.
ここで、好ましくは、前記ショットキー電極は、金属のグレーティング状に形成されている。 Here, preferably, the Schottky electrode is formed in a metal grating shape.
この構成により、テラヘルツ帯で生じる二次元電子ガスのプラズマ振動(プラズモン)を、デバイス外部に出射可能な放射電磁場に効率よく変換することができる。 With this configuration, plasma vibration (plasmon) of a two-dimensional electron gas generated in the terahertz band can be efficiently converted into a radiated electromagnetic field that can be emitted to the outside of the device.
また、好ましくは、前記積層構造体は、前記基板上に形成された第1のGaN層、及び、前記第1のGaN層上に形成され前記第1のGaN層よりバンドギャップが大きい第1のAlxGa1-xN層からなる第1ヘテロ接合構造体と、前記第1のAlxGa1-xN層上に形成された第2のGaN層、及び、前記第2のGaN層上に形成され前記第2のGaN層よりバンドギャップが大きい第2のAlyGa1-yN層からなる第2ヘテロ接合構造体と、前記第2のAlyGa1-yN層上に形成された第3のGaN層、及び、前記第3のGaN層上に形成され前記第3のGaN層よりバンドギャップが大きい第3のAlzGa1-zN層からなる第3ヘテロ接合構造体が積層されてなる。 Preferably, the multilayer structure includes a first GaN layer formed on the substrate, and a first GaN layer formed on the first GaN layer and having a band gap larger than that of the first GaN layer. Al a first heterojunction structure comprising x Ga 1-x N layer, the second GaN layer formed on the first Al x Ga 1-x N layer, and said second GaN layer a second heterojunction structure is formed consisting of a second Al y Ga 1-y N layer having a large band gap than the second GaN layer, formed on the second Al y Ga 1-y N layer And a third heterojunction structure comprising a third Al z Ga 1 -z N layer formed on the third GaN layer and having a band gap larger than that of the third GaN layer Are laminated.
この構成によれば、AlGaN層にn型不純物をドープしなくても、AlGaN/GaNヘテロ接合界面には分極によって二次元電子ガスが誘起される。そして、第2のGaN層と第2のAlyGa1-yN層の界面、及び第3のGaN層と第3のAlzGa1-zN層との界面にそれぞれ二次元電子ガスが誘起されるので、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を2倍に高めることができる。 According to this configuration, even if the AlGaN layer is not doped with n-type impurities, a two-dimensional electron gas is induced by polarization at the AlGaN / GaN heterojunction interface. Then, two-dimensional electron gas is present at the interface between the second GaN layer and the second Al y Ga 1-y N layer and at the interface between the third GaN layer and the third Al z Ga 1-z N layer. Since it is induced, the flow rate of the two-dimensional electron gas that becomes the source of the terahertz wave can be doubled.
また、第2のGaN層及び第3のGaN層は両側をAlGaN層に挟まれたダブルヘテロ構造となっているため、誘起された二次元電子ガスがGaN層に効率よく閉じ込められる。このため、高密度の二次元電子ガス流を発生させることが可能となり、さらにテラヘルツ波の出力を向上することができる。 Moreover, since the second GaN layer and the third GaN layer have a double hetero structure in which both sides are sandwiched between AlGaN layers, the induced two-dimensional electron gas is efficiently confined in the GaN layer. For this reason, it is possible to generate a high-density two-dimensional electron gas flow and further improve the output of the terahertz wave.
また、好ましくは、前記第2のGaN層、前記第3のGaN層及び前記第2のAlyGa1-yN層の膜厚は、それぞれ10nm以下である。 Preferably, the second GaN layer, the third GaN layer, and the second Al y Ga 1-y N layer each have a thickness of 10 nm or less.
これにより、前記第2のGaN層及び前記第3のGaN層が量子井戸となり、より高密度の二次元電子ガス流を得ることができる。 Thereby, the second GaN layer and the third GaN layer become quantum wells, and a higher density two-dimensional electron gas flow can be obtained.
また、好ましくは、前記第1のAlxGa1-xN層、前記第2のAlyGa1-yN層及び前記第3のAlzGa1-zN層におけるAl組成x、y及びzの間には、x>y及びy<zの関係がある。 Preferably, the Al composition x, y and the first Al x Ga 1 -x N layer, the second Al y Ga 1 -y N layer, and the third Al z Ga 1 -z N layer, There is a relationship of x> y and y <z between z.
この構成により、量子井戸間のバリア層である第2のAlyGa1-yN層が低Al組成のため、第2のGaN層及び第3のGaN層中の二次元電子ガス流の相互作用が強くなる。この相互作用により、プラズマの不安定性が増強されるので、高効率にテラヘルツ波を生成することができる。 With this configuration, since the second Al y Ga 1-y N layer, which is a barrier layer between quantum wells, has a low Al composition, the mutual flow of the two-dimensional electron gas flow in the second GaN layer and the third GaN layer is reduced. The action becomes stronger. This interaction enhances the instability of the plasma, so that terahertz waves can be generated with high efficiency.
また、好ましくは、前記オーミック電極は、前記積層構造体の側面に形成されている。 Preferably, the ohmic electrode is formed on a side surface of the multilayer structure.
この構成により、ヘテロ接合構造体に直接オーミック電極が形成されるので、電極と二次元電子ガスとの接合を低抵抗化することができる。したがって、損失が少なく高効率なテラヘルツ波放射装置が実現できる。 With this configuration, since the ohmic electrode is directly formed on the heterojunction structure, the resistance between the electrode and the two-dimensional electron gas can be reduced. Therefore, a highly efficient terahertz wave radiation device with little loss can be realized.
また、好ましくは、前記基板は、高抵抗Si基板からなる。 Preferably, the substrate is a high-resistance Si substrate.
この構成によれば、高抵抗のSi基板はテラヘルツ波に対して吸収係数が小さいため、発生したテラヘルツ波を減衰させることなくデバイスから出射させることができる。また、吸収係数が小さいので、基板側から出射させることも可能である。 According to this configuration, since the high-resistance Si substrate has a small absorption coefficient with respect to the terahertz wave, the generated terahertz wave can be emitted from the device without being attenuated. Further, since the absorption coefficient is small, it is possible to emit light from the substrate side.
本発明によれば、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。 According to the present invention, a high-power and high-efficiency terahertz wave radiating element can be realized.
具体的には、本発明のテラヘルツ波放射素子は、小型、低価格で冷却不要といった、従来のテラヘルツ波放射素子にない特長を有するため、セキュリティ、バイオ、環境及び通信などテラヘルツ電磁波を用いた応用分野の進展に大きく貢献することが期待できる。また、本発明のテラヘルツ波放射素子は、既存の半導体プロセスを使用して安価に作製できるため、アプリケーションの実用化及び普及を大いに促進することができる。このように、本発明の実用的価値は非常に大きい。 Specifically, the terahertz wave radiating element of the present invention has features that are not found in conventional terahertz wave radiating elements, such as small size, low cost, and no cooling. Therefore, applications using terahertz electromagnetic waves such as security, biotechnology, environment, and communication are used. It can be expected to greatly contribute to the progress of the field. In addition, since the terahertz wave radiating element of the present invention can be manufactured at low cost using an existing semiconductor process, the practical application and popularization of applications can be greatly promoted. Thus, the practical value of the present invention is very great.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。図1に示すテラヘルツ波放射素子100では、基板11上に、積層構造体12が積層されており、積層構造体12にソース電極108、ゲート電極109及びドレイン電極110が形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the terahertz wave radiating element of the present embodiment. In the terahertz
基板11は、例えばSi基板であり、好ましくは高抵抗のSiである。
The
積層構造体12は、窒化物半導体からなる層と、その窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる層とが積層されたヘテロ接合構造体を複数備え、それらのヘテロ接合構造体は積層されている。具体的には、積層構造体12では、第1のGaN層102と、第1のAlxGa1-xN層103と、第2のGaN層104と第2のAlyGa1-yN層105と、第3のGaN層106と第3のAlzGa1-zN層107とが順に積層されている。
The
第1のGaN層102は、基板11上に形成されている。
The
第1のAlxGa1-xN層103は、第1のGaN層102よりバンドギャップが大きい窒化物半導体層であり、第1のGaN層102上に形成されている。第1のAlxGa1-xN層103は、第1のGaN層102とヘテロ接合構造体を形成する。
The first Al x Ga 1-x N layer 103 is a nitride semiconductor layer having a band gap larger than that of the
第2のGaN層104は、第1のAlxGa1-xN層103上に形成されている。また、第2のGaN層104の膜厚は、例えば10nm以下である。第2のAlyGa1-yN層105は、第2のGaN層104よりバンドギャップが大きい窒化物半導体層であり、第2のGaN層104上に形成されている。第2のAlyGa1-yN層105は、第2のGaN層104とヘテロ接合構造体を形成する。また、第2のGaN層104は、上下をAlGaN層で挟まれたダブルヘテロ構造となっている。なお、第2のAlyGa1-yN層105のAl組成については、x>yの関係がある。
The
第3のGaN層106は、第2のAlyGa1-yN層105上に形成されている。また、第3のGaN層106の膜厚は、例えば10nm以下である。
The
第3のAlzGa1-zN層107は、第3のGaN層106よりバンドギャップが大きい窒化物半導体層であり、第3のGaN層106上に形成されている。第3のAlzGa1-zN層107は、第3のGaN層106とヘテロ接合構造体を形成する。また、第3のGaN層106は、上下をAlGaN層で挟まれたダブルヘテロ構造となっている。なお、第3のAlzGa1-zN層107のAl組成については、y<zの関係がある。
The third Al z Ga 1 -z N layer 107 is a nitride semiconductor layer having a larger band gap than the
ゲート電極109は、積層構造体12上に形成され、放射場変換機能を備える。具体的には、ゲート電極109は、第3のAlzGa1-zN層107上に形成されている。ゲート電極109は、AlGaN層に対してショットキー性の電極であり、Ni、Pt、Au及びTiから構成されている。また、ゲート電極109は、二次元電子ガスのプラズマ振動を放射電磁場に変換する放射場変換機能として、図1に示すような周期的な開口を有するグレーティング状に形成されている。すなわち、放射場変換機能は、ゲート電極109が周期的な開口を有する金属のグレーティングからなることにより形成される。
The
ソース電極108及びドレイン電極110は、積層構造体12に形成されている。具体的には、ソース電極108及びドレイン電極110は、それぞれ第3のAlzGa1-zN層107上のゲート電極109のない領域から積層構造体12の側面にかけて(積層構造体12の端部に)形成されている。ソース電極108及びドレイン電極110は、それぞれ積層構造体12が有するGaN層(第1のGaN層102、第2のGaN層104及び第3のGaN層106)に対してオーミック性の電極(オーミック電極)であり、Ti及びAlから構成される。
The
以上のように、テラヘルツ波放射素子100は構成される。
As described above, the terahertz
図2は、本実施形態のテラヘルツ波放射素子のバンドラインナップを示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a band lineup of the terahertz wave radiating element of the present embodiment.
図2に示すように、第2のGaN層104及び第3のGaN層106には、AlGaN層とGaN層のヘテロ界面での分極効果により二次元電子ガスが形成される。つまり、上記のようにテラヘルツ波放射素子100が構成されることにより、AlGaN層にn型不純物をドープしなくても、AlGaN/GaNヘテロ接合界面には分極によって二次元電子ガスが誘起される。
As shown in FIG. 2, a two-dimensional electron gas is formed in the
また、第2のGaN層104及び第3のGaN層106は、上述したように、両側(層の上下)をAlGaN層に挟まれたダブルヘテロ構造となっている。そのため、第2のGaN層104及び第3のGaN層106は、二次元電子ガスをGaN層に効率良く(強く)閉じ込めることができる。
Further, as described above, the
このように、テラヘルツ波放射素子100には、第2のGaN層104及び第3のGaN層106中の二次元電子ガスをチャネルとした、2つ以上のチャネルのFETすなわちマルチチャネルのFETが形成されている。つまり、少なくとも第2のGaN層104と第2のAlyGa1-yN層105の界面、及び第3のGaN層106と第3のAlzGa1-zN層107の界面にそれぞれ二次元電子ガスが誘起されるので、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を少なくとも2倍に高めることができる。
Thus, in the terahertz
次に、上記のように構成されたテラヘルツ波放射素子100の動作原理を説明する。
Next, the operation principle of the terahertz
ソース電極108とドレイン電極110との間に電圧を印加すると、第2のGaN層104及び第3のGaN層106中の二次元電子ガスをキャリアとした電流が流れる。そして、この二次元電子ガス流は、ゲート電極109下方の領域の両端部での反射により、不安定な状態を誘発する(プラズマ不安定性)。
When a voltage is applied between the
そして、テラヘルツ波放射素子100に形成されているFETのゲートが短ゲート長の場合には、このプラズマ不安定性に起因してテラヘルツ周波数でのプラズマ振動(プラズモン)が誘起される。ここで、誘起されたプラズモンは、チャネルを伝搬する縦波(非放射場)である。しかし、この誘起されたプラズモンは、ゲート電極109の金属グレーティングと結合することにより、テラヘルツ電磁波(放射場)として外部に放射される。
When the gate of the FET formed in the terahertz
このように、ソース電極108とドレイン電極110との間に電流を流すことにより、つまり第2のGaN層104及び第3のGaN層106に形成された二次元電子ガスをキャリアとした電流を流すことによりゲート電極109の下方でテラヘルツ電磁波が発生する。
In this way, by passing a current between the
なお、テラヘルツ電磁波を、より効率よく発生させるために、ソース電極108及びゲート電極109を短絡させた状態で、テラヘルツ波放射素子100を構成するFETを飽和領域で動作させるとよい。
In order to generate the terahertz electromagnetic wave more efficiently, the FET constituting the terahertz
また、ゲート電極109の電圧を調整することでテラヘルツ電磁波の周波数を所望の値に設定することができる。
Further, the frequency of the terahertz electromagnetic wave can be set to a desired value by adjusting the voltage of the
次に、上記のように構成された構造を有するテラヘルツ波放射素子100の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the terahertz
図3は、本発明の実施の形態におけるテラヘルツ波放射素子の製造方法を説明するための図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining a method of manufacturing the terahertz wave radiating element in the embodiment of the present invention.
まず、エピタキシャル成長により、基板11上に、第1のGaN層102、第1のAlxGa1-xN層103、第2のGaN層104、第2のAlyGa1-yN層105、第3のGaN層106及び第3のAlzGa1-zN層107を順次積層する。すなわち、エピタキシャル成長により、基板11上に、積層構造体12を積層する(図3(a))。
First, the
次に、積層構造体12のエピタキシャル層の周辺部を所定の深さまでエッチング除去する(図3(b))。
Next, the peripheral portion of the epitaxial layer of the
次に、第3のAlzGa1-zN層107上及びエッチングにより露出したエピタキシャル層の周辺部に金属材料を堆積し、パターニングしてソース電極108、ゲート電極109及びドレイン電極110を形成する(図3(c))。
Next, a metal material is deposited on the third Al z Ga 1 -z N layer 107 and around the epitaxial layer exposed by etching, and patterned to form the
以上のようにして、テラヘルツ波放射素子100を製造する。
The terahertz
以上のように、本発明におけるテラヘルツ波放射素子100では、第2のGaN層104と第3のGaN層106に少なくとも2つのチャネルを有するため、チャネルが一つである従来の素子と比べて、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を少なくとも2倍に高めることができる。このことにより、高出力のテラヘルツ波放射素子100を実現することが可能である。
As described above, since the terahertz
また、本発明におけるテラヘルツ波放射素子100では、ゲート電極109が周期的な開口を有するグレーティング状に形成されているため、プラズモンが効率よく放射場に変換される。これにより、高効率なテラヘルツ波放射素子100を実現することができる。
In the terahertz
また、本発明におけるテラヘルツ波放射素子100では、第2のGaN層104及び第3のGaN層106は、その両側(層の上下)をAlGaN層に挟まれたダブルヘテロ構造となっているため、誘起された二次元電子ガスがGaN層に強く閉じ込められる。したがって、高密度の二次元電子ガス流が形成され、高出力のテラヘルツ波放射素子100を得ることができる。
Further, in the terahertz
特に、第2のGaN層104、第3のGaN層106及び第2のAlyGa1-yN層105の膜厚を、それぞれ10nm以下とすれば、第2のGaN層104及び第3のGaN層106が量子井戸となるので、より高密度の二次元電子ガス流を得ることができる。
In particular, if the thickness of the
この場合において、さらに、第1のAlxGa1-xN層103、第2のAlyGa1-yN層105、及び第3のAlzGa1-zN層107のAl組成x、y、及びzについて、x>y、及びy<zの関係を持つように設定する。すなわち、量子井戸間のバリア層である第2のAlyGa1-yN層105のAl組成が小さくなるようにすると、バリア層を越えて第2のGaN層104及び第3のGaN層106中の電子が互いに行き来しやすくなる。つまり、二次元電子ガス流の相互作用が強くなる。このことは、プラズマの不安定性が増強されることにつながるので、その結果、高効率にテラヘルツ波を生成することが可能となる。
In this case, the Al composition x of the first Al x Ga 1 -x N layer 103, the second Al y Ga 1 -y N layer 105, and the third Al z Ga 1 -z N layer 107, About y and z, it sets so that it may have the relationship of x> y and y <z. That is, when the Al composition of the second Al y Ga 1-y N layer 105, which is a barrier layer between quantum wells, is reduced, the
また、本発明におけるテラヘルツ波放射素子100では、図1に示すように、デバイスの側面すなわちテラヘルツ波放射素子100の側面において、オーミック電極が2つのチャネルに対して直接形成されているので、電極と二次元電子ガスとの接合を低抵抗化することができる。したがって、入力電力の損失が少なく高効率なテラヘルツ波放射素子100を実現することができる。
Further, in the terahertz
以上、本発明によれば、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。 As described above, according to the present invention, a high-power and high-efficiency terahertz wave radiating element can be realized.
なお、基板の材料は、テラヘルツ帯において吸収係数の小さいものであることが好ましい。吸収係数の小さい基板として例えば、高抵抗Si基板を用いることができる。これにより、発生したテラヘルツ波を減衰させることなくデバイスから出射させることができる。吸収係数が小さい基板を用いると、テラヘルツ電磁波を基板側から出射させることも可能である。 Note that the material of the substrate is preferably a material having a small absorption coefficient in the terahertz band. For example, a high resistance Si substrate can be used as the substrate having a small absorption coefficient. Thereby, the generated terahertz wave can be emitted from the device without being attenuated. When a substrate having a small absorption coefficient is used, it is possible to emit terahertz electromagnetic waves from the substrate side.
また、本発明ではゲート電極109がグレーティング状に形成されている場合について説明したが、これに限らず、例えば単一のゲート電極として形成されていてもよい。また、例えば単一のゲート電極の横に、互いに電気的に接続されていない金属をグレーティング状に並べて形成してもよい。
In the present invention, the case where the
なお、本発明におけるテラヘルツ波放射素子100では、第2のGaN層104と第2のAlyGa1-yN層105との界面、及び、第3のGaN層106と第3のAlzGa1-zN層107との界面にそれぞれ二次元電子ガスが誘起されることを説明した。さらに、テラヘルツ波放射素子100では、第1のGaN層102と第1のAlxGa1-xN層103との界面にも分極によって二次元電子ガスが誘起されチャネルが形成される。この第1のGaN層102と第1のAlxGa1-xN層103との界面に誘起されるチャネルも、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を高め、テラヘルツ波の出力を向上するのに寄与する。したがって、この第1のGaN層102と第1のAlxGa1-xN層103との界面に誘起されチャネルを利用して、テラヘルツ波の出力を向上する次に説明する変形例のような構造にしてもよい。
In the terahertz
(変形例)
図4は、本発明の実施の形態における変形例のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。図5は、本発明の実施の形態における変形例のテラヘルツ波放射素子のバンドラインナップを示す図である。なお、図1及び図2と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
(Modification)
FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a terahertz wave radiating element according to a modification of the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram showing a band lineup of a terahertz wave radiating element according to a modification of the embodiment of the present invention. Elements similar to those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図4に示すテラヘルツ波放射素子200は、図1に示すテラヘルツ波放射素子100に比べて、第3のGaN層106と第3のAlzGa1-zN層107とを備えていない点が異なる。
The terahertz
テラヘルツ波放射素子200は、図5に示すように第2のGaN層104と第2のAlyGa1-yN層105との界面だけでなく、第1のGaN層102と第1のAlxGa1-xN層103との界面にも分極によって二次元電子ガスが誘起されてチャネルが形成される。それにより、テラヘルツ波放射素子200では、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を2倍に高めることができ、テラヘルツ波の出力を向上することができる。
As shown in FIG. 5, the terahertz
以上のように、本発明によれば、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。 As described above, according to the present invention, a high-power and high-efficiency terahertz wave radiating element can be realized.
以上、本発明のテラヘルツ波放射素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、当業者が思いつく構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。 As described above, the terahertz wave radiating element of the present invention has been described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to this embodiment. Unless it deviates from the meaning of this invention, the form which carried out the various deformation | transformation which those skilled in the art can consider to this Embodiment, and the form constructed | assembled combining the component which those skilled in the art can think are also included in the scope of the present invention.
本発明は、テラヘルツ波放射素子に利用でき、特にイメージング装置、非破壊検査装置及び大容量通信装置などに用いられるテラヘルツ波放射素子に利用することができる。 The present invention can be used for a terahertz wave radiating element, and in particular, can be used for a terahertz wave radiating element used in an imaging apparatus, a nondestructive inspection apparatus, a large-capacity communication apparatus, and the like.
11 基板
12、22 積層構造体
100、200、900 テラヘルツ波放射素子
102 第1のGaN層
103 第1のAlxGa1-xN層
104 第2のGaN層
105 第2のAlyGa1-yN層
106 第3のGaN層
107 第3のAlzGa1-zN層
108、908 ソース電極
109、909 ゲート電極
110、910 ドレイン電極
911 半導体層
912 二次元電子ガス領域
913 ゲート絶縁膜
11
Claims (7)
前記基板上に、窒化物半導体からなる層と、前記窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる層とが積層されたヘテロ接合構造体が少なくとも2つ積層されている積層構造体と、
前記積層構造体とショットキー接続されるショットキー電極と、
前記積層構造体とオーミック接続されるオーミック電極とを備え、
前記ショットキー電極は、前記積層構造体で生じるテラヘルツ周波数帯の電子プラズマ振動を、テラヘルツ周波数帯の電磁波に変換する放射場変換機能を有する
テラヘルツ波放射素子。 A substrate,
A stacked structure in which at least two heterojunction structures in which a layer made of a nitride semiconductor and a layer made of a nitride semiconductor having a larger band gap than the nitride semiconductor are stacked are stacked on the substrate; ,
A Schottky electrode that is Schottky connected to the multilayer structure;
An ohmic electrode that is ohmically connected to the laminated structure;
The Schottky electrode is a terahertz wave radiating element having a radiation field converting function for converting an electron plasma vibration in a terahertz frequency band generated in the laminated structure into an electromagnetic wave in a terahertz frequency band.
請求項1に記載のテラヘルツ波放射素子。 The terahertz wave radiating element according to claim 1, wherein the Schottky electrode is formed in a metal grating shape.
前記基板上に形成された第1のGaN層、及び、前記第1のGaN層上に形成され前記第1のGaN層よりバンドギャップが大きい第1のAlxGa1-xN層からなる第1ヘテロ接合構造体と、
前記第1のAlxGa1-xN層上に形成された第2のGaN層、及び、前記第2のGaN層上に形成され前記第2のGaN層よりバンドギャップが大きい第2のAlyGa1-yN層からなる第2ヘテロ接合構造体と、
前記第2のAlyGa1-yN層上に形成された第3のGaN層、及び、前記第3のGaN層上に形成され前記第3のGaN層よりバンドギャップが大きい第3のAlzGa1-zN層からなる第3ヘテロ接合構造体とが積層されてなる
請求項1または2に記載のテラヘルツ波放射素子。 The laminated structure is
A first GaN layer formed on the substrate and a first Al x Ga 1-x N layer formed on the first GaN layer and having a band gap larger than that of the first GaN layer. 1 heterojunction structure;
A second GaN layer formed on the first Al x Ga 1-x N layer, and a second Al having a band gap larger than that of the second GaN layer formed on the second GaN layer. a second heterojunction structure comprising y Ga 1-y N layers;
A third GaN layer formed on the second Al y Ga 1-y N layer, and a third Al formed on the third GaN layer and having a larger band gap than the third GaN layer. z Ga 1-z N a third heterojunction structure formed by stacking consisting layers according to claim 1 or 2 THz wave radiating device according to.
請求項3に記載のテラヘルツ波放射素子。 The terahertz wave radiating element according to claim 3, wherein film thicknesses of the second GaN layer, the third GaN layer, and the second Al y Ga 1-y N layer are each 10 nm or less.
請求項3に記載のテラヘルツ波放射素子。 Between the Al compositions x, y and z in the first Al x Ga 1 -x N layer, the second Al y Ga 1 -y N layer and the third Al z Ga 1 -z N layer The terahertz wave radiating element according to claim 3, wherein x> y and y <z.
請求項1から5のいずれか1項に記載のテラヘルツ波放射素子。 The terahertz wave radiating element according to any one of claims 1 to 5, wherein the ohmic electrode is formed on a side surface of the multilayer structure.
請求項1から6のいずれか1項に記載のテラヘルツ波放射素子。 The terahertz wave radiating element according to any one of claims 1 to 6, wherein the substrate is made of a high-resistance Si substrate.
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