JP2011199241A - テラヘルツ波受信素子 - Google Patents

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【課題】テラヘルツ波を効率よく受信し、信号／雑音比を向上したテラヘルツ波受信素子を提供する。
【解決手段】第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するテラヘルツ波受信素子１００であ
って、２以上の半導体層（バッファ層１０２ａおよび電子供給層１０４ａ）のヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層１０３ａ、ゲート幅方向にλ1／２の長さを有するゲート電極１１１ａ、ドレイン電極１１３ａおよびソース電極１１２ａを有する第１のＦＥＴ１００ａと、第１のＦＥＴ１００ａのゲート電極１１１ａのゲート幅方向における中央部と接続され、かつ、ゲート電極１１１ａと直交するように配置されたゲート配線１１４ａとを備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯の電磁波を受信する素子に関し、特に、信号／雑音比を向上した電界効果トランジスタを備えるテラヘルツ波受信素子に関するものである。
テラヘルツ電磁波（以下、単に「テラヘルツ波」という。）は近年注目されている新しい電磁波領域であり、多岐にわたる応用の可能性が提案されている。現在、テラヘルツ波の室温受信は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いることによりテラヘルツ波の高感度受信を行うことが一般的であるが、高精度な光学系の調整を必要とするだけでなく大規模な設備構成にならざるを得ず、現状では様々な分野への技術応用、商品展開は困難である。
従来、設備を小型化し、簡便で高感度なテラヘルツ受信技術として、電子デバイスを用いたテラヘルツ波の受信が新たに検討されており、電界効果トランジスタを用いてチャネル電子のプラズマ共鳴を利用したテラヘルツ波の室温受信が報告されている。これは、１０8ｃｍ／ｓオーダの群速度を持つプラズマ波を利用することにより、室温でのテラヘルツ波受信を可能とするものである。中でも２次元電子システムを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）において、２次元電子プラズモン共鳴を利用したデバイスをＭ．Ｓｈｕｒらが提案している（非特許文献１および２参照）。この共鳴周波数はゲートに印加される電圧によって定まる電子濃度の平方根に比例するため、ゲート電圧により周波数可変なテラヘルツ波受信素子、或いは広帯域なテラヘルツ波受信素子の実現が期待できる。
このように、トランジスタを用いてテラヘルツ帯の電磁波を検波することが可能であることから、トランジスタを２次元並列化することによってイメージングが可能となりテラヘルツイメージングシステム等の小型化、低コスト化が可能となるなどのメリットがある。
また、ＴａｕｋらはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても、テラヘルツ波の受信が可能であることを報告している（非特許文献３参照）。この報告ではテラヘルツ波はゲートワイヤにて受信されるとしており、ゲートワイヤで受信したテラヘルツ帯の変調信号をゲートワイヤと通じてゲート直下のチャネルへ伝送され、プラズマ共鳴にてテラヘルツ光を室温受信していることになる。その構造とテラヘルツ受信特性を、それぞれ、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示す。このように電界効果トランジスタにおいて、外部アンテナを用いることによりテラヘルツ帯の電磁波を受信することが可能である。
Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，７１，２４６５（１９９３） ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ．ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．４３，ＮＯ．３，ｐｐ．３８０（１９９６） ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，８９，２５３５１１（２００６）
しかしながら、従来のテラヘルツ波受信素子には下記のような課題がある。
（１）複数の周波数成分を同時に受信してしまう
従来のテラヘルツ波受信素子では電界効果トランジスタに接続された給電用のワイヤを線状アンテナとして利用している。このような構成のため、テラヘルツ波の受信に不必要な配線部および接続部がワイヤ周辺に存在するため、受信感度および伝送効率を高めることは困難である。また、ワイヤ、配線等の寸法がテラヘルツ波の波長と非常に近いため、素子の様々な部分でそれぞれ異なる周波数のテラヘルツ波と結合してしまう。そのため単一波長のみを効率よく受信することが非常に困難である。
（２）不要な周波数成分が含まれるため信号／雑音比が低い
従来のテラヘルツ波受信素子では上記のように複数の周波数成分を同時に受信してしまうため、雑音成分が多く、信号／雑音比を高めることが困難である。そのため、テラヘルツ波の応用として期待されている含有成分検査装置、イメージング装置などを実現する上で必要となる周波数分光測定を行うことが困難である。
（３）テラヘルツ波は導体損が大きいため、伝搬損失が大きい
テラヘルツ波の特徴として、金属内を伝搬するときの導体損が非常に大きい。そのため、従来の構成では伝送線路が長くなり、損失の増大が避けられない。また、ミリ波帯と比較して電磁波の波長が数十μｍ〜数百μｍと短いため、回路設計が困難である。
そこで、本発明は、テラヘルツ波を効率よく受信し、信号／雑音比を向上したテラヘルツ波受信素子を提供することを目的とする。
本願発明者らは、上記課題を解決することが可能なテラヘルツ波受信素子の構成について検討を行った。その結果、２次元電子チャネル層を有する電界効果型トランジスタのゲート電極をテラヘルツ波が高効率で受信できるダイポールアンテナとして機能させることで課題を解決できることが判明した。このとき、２つの電界効果型トランジスタで得られた信号の差を検出する構成とすることが好ましいことも判明した。このような構成とすることにより、設計自由度が高く、且つ、単純な構成で、テラヘルツ波を効率的にゲート電極下の２次元電子チャネル層に伝達することができると共に、配線部やワイヤ部などで受信した不要なテラヘルツ波の成分を除去し、高い信号／雑音比のテラヘルツ波受信が実現可能となる。
つまり、上記目的を達成するために、本願発明に係るテラヘルツ波受信素子の一態様は、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するテラヘルツ波受信素子であって、２以上の半導体層のヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層、ゲート幅方向にλ1／２の長さを有するゲート電極、ドレイン電極およびソース電極を有する第１の電界効果トランジスタと、前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート幅方向における中央部と接続され、かつ、当該ゲート電極と直交するように配置された第１のゲート配線とを備える。
このような構成とすることにより、ゲート電極そのものがテラヘルツ波に対応したダイポールアンテナとして機能し、効率よくテラヘルツ波を受信すると共に、電送線路を介することなく２次元電子チャネルに直接テラヘルツ波を伝えることが可能なテラヘルツ波受信素子を実現することができる。よって、テラヘルツ波が金属内を伝搬することに起因する導体損の発生が回避され、上記（３）の課題が解決される。
さらに、ゲート電極には、そのゲート幅方向における中央部（例えば、中点）に、当該ゲート電極と直交するように配置された第１のゲート配線が設けられているので、信号光として直線偏波を用いた場合にゲート配線で受信されてしまう不要なテラヘルツ波による影響が除去されるので、ゲート配線を介して複数の周波数を同時に受信してしまう不具合、および、そのために生じる信号／雑音比の劣化が回避され、上記（１）および（２）の課題が解決される。
なお、「ゲート幅方向」とは、ソース電極とドレイン電極とを結ぶ線（チャネルをキャリアが流れる方向、つまり、「ゲート長方向」）と直交する方向である。本願発明では、ゲート電極は、ゲート長方向よりもゲート幅方向に長い形状を有するので、ゲート電極の「長さ」とは、ゲート幅方向における長さを意味し、ゲート電極の「幅」とは、ゲート長方向における長さを意味する。
ここで、さらに、２以上の半導体層のヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層、ゲート幅方向に前記第１の波長λ1と異なる第２の波長λ2の１／２であるλ2／２の長さを有するゲート電極、ドレイン電極およびソース電極を有する第２の電界効果トランジスタと、前記第２の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート幅方向における中央部と接続され、かつ、当該ゲート電極と直交するように配置された第２のゲート配線とを備えるのが好ましい。
このような構成とすることにより、ゲート電極の長さ（ゲート幅方向の長さ）を調整するだけで複数のテラヘルツ波を同時に受信することができる。
また、さらに、前記第１の電界効果トランジスタのドレイン電極からの出力信号と、前記第２の電界効果トランジスタのドレイン電極からの出力信号との差分を検出する回路を備えてもよい。
このような構成とすることにより、第１の電界効果トランジスタおよび第２の電界効果トランジスタに共通に生じる雑音（ゲート電極以外の部分で結合した不要な周波数成分、および、２次元電子プラズモンの非共鳴モードにおける周波数成分）を打ち消すことが可能となり、信号／雑音比を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記第１の電界効果トランジスタのドレイン電極およびソース電極は、それぞれ、前記第２の電界効果トランジスタのドレイン電極およびソース電極と同一形状であるのが好ましい。
このような構成とすることにより、第１の電界効果トランジスタと第２の電界効果トランジスタそれぞれで発生するゲート電極以外の部分で結合した不要な周波数成分（雑音）が等しくなり、これによって、上述の打ち消しが効果的に行われることとなり、信号／雑音比を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート幅方向における長さは前記第２の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート幅方向における長さの奇数倍であってもよい。
このような構成とすることにより、プラズマ共鳴受信において必ず発生してしまう奇数倍の高次モード受信を打ち消すことが可能となり、信号／雑音比を飛躍的に向上することが可能となる。
前記第１の電界効果トランジスタは、２つのフィンガーをもつマルチフィンガー構造を有し、前記第１の電界効果トランジスタの２つのフィンガーにおけるゲート電極は、ゲート幅方向における長さがλ1／４であり、前記λ1／２の長さを有するゲート電極を構成するようにゲート幅方向に接続されているのが好ましい。
このような構成とすることにより、マルチフィンガー構造の電界効果トランジスタによるテラヘルツ波受信素子が実現されるので、フィンガーを増加することによって受信感度を上げることが可能になる。
また、さらに、前記第１のゲート配線に接続され、かつ、前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極と直交するように配置されたワイヤを有してもよい。
このような構成とすることにより、ゲート電極で受信するテラヘルツ波とワイヤで受信する不要なテラヘルツ波が直交することになり、信号光として直線偏波を用いた場合にはワイヤ部で受信する不要なテラヘルツ波による影響を完全に除去することが可能となる。
また、さらに、前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極の周辺部に、金属により形成された周期構造体を有してもよい。
このような構成とすることにより、金属により形成されたグレーティング構造の集光効果によりゲート電極に照射されるテラヘルツ波の強度が増強され、高効率にテラヘルツ波を受信することが可能となる。
また、前記第１のゲート配線は、直流バイアスを透過させ、テラヘルツ波を透過させないインピーダンスを有するのが好ましい。
このような構成とすることにより、ゲート電極で受信したテラヘルツ波が直流バイアスを印加する電源部に無駄に伝達することを抑制し、テラヘルツ波を効率よく２次元電子チャネル層に伝達する構造を実現することができる。
また、前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート長方向における幅は、前記第１の電界効果トランジスタの２次元電子チャネル層におけるプラズマ共鳴周波数が前記第１の波長λ1に対応する値となるのに適した値であるのが好ましい。
このような構成とすることにより、ゲート電極の長さと幅が、第１の電界効果トランジスタの２次元電子チャネル層におけるプラズマ共鳴周波数に対応する寸法となるので、第１の波長λ1のテラヘルツ波が効率よく受信される。
また、前記第１の電界効果トランジスタのドレイン電極およびソース電極は、前記ゲート電極との間隔がλ1／１００以下であるのが好ましい。
このような構成とすることにより、ドレイン電極およびソース電極が無給電素子として機能し、ダイポールアンテナとして機能するテラヘルツ波受信素子のテラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記第１の電界効果トランジスタの２次元電子チャネル層の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さに対して１／２以下であることが好ましい。
このような構成とすることにより、２次元電子チャネルの影響によるアンテナ利得の低減を抑制することが可能となりテラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記ソース電極と前記ドレイン電極とは、前記ゲート電極の幅方向の長さが異なることが好ましい。
このような構成とすることにより、ドレイン電極およびソース電極が無給電素子として機能し、ダイポールアンテナの放射パターンを任意に制御可能となりテラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記ソース電極の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さよりも小さく、前記ドレイン電極の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さよりも大きくしてもよい。
このような構成とすることにより、ソース電極が導波器、ドレイン電極が反射器として機能することにより、ダイポールアンテナの指向性利得が向上しテラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記ソース電極の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さよりも大きく、前記ドレイン電極の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さよりも小さくしてもよい。
このような構成とすることにより、ソース電極が反射器、ドレイン電極が導波器として機能することにより、ダイポールアンテナの指向性利得が向上しテラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記ソース電極または前記ドレイン電極が、ゲート長方向に並んで複数個配置されていてもよい。
このような構成とすることにより、ソース電極およびドレイン電極の無給電素子としての効果が向上し、ダイポールアンテナの指向性利得が向上しテラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
また、前記ソース電極または前記ドレイン電極に対しゲート長方向に並ぶ、給電しない電極を有していてもよい。
このような構成とすることにより、電界効果トランジスタの性能を犠牲にすることなく、ダイポールアンテナの指向性利得を最大限に向上させることが可能となり、テラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
本発明のテラヘルツ波受信素子は上記構成を有し、高効率なテラヘルツ受信を実現可能とする。すなわち本発明によるテラヘルツ波受信素子のゲート電極がテラヘルツ波の波長に応じて設計されたアンテナとして機能するために、受信したテラヘルツ波の信号を効率よく２次元電子チャネル層に伝送することができる。
本発明により、テラヘルツ波を用いたセンシング、或いはイメージングに必要なテラヘルツ波に対して感度があり、高感度でテラヘルツ信号を検出することが可能なテラヘルツ波受信素子を提供することが可能になり、本発明の実用的価値は極めて高い。
本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の断面図 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の使用方法を説明する回路図 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子ゲート電極をダイポールアンテナとして設計した場合のアンテナ特性についてのシミュレーション結果の一例を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の受信周波数特性の計算結果を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の受信特性（実験結果）の一例を示す図 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の応用例を説明する回路図 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の応用例の動作原理を説明する図 本発明の第２の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 本発明の第２の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の断面図 本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の断面図 本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の応用例に係るテラヘルツ波受信素子の位置関係とテラヘルツ波のスペクトルの変化とを示す図 本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の応用例に係るテラヘルツ波受信素子の動作を説明する図 本発明の第４の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 本発明の第４の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の断面図 本発明の第５の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 本発明の第５の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の断面図 本発明の第６の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 本発明の第６の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の断面図 本発明の第７の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 本発明の第７の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の断面図 本発明の第８の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 本発明の第９の実施の形態に係るテラヘルツ波受信素子の構成（レイアウト）を示す図 従来のテラヘルツ波受信素子の構成を示す図
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。図面の説明において、同一の名称を有する同一要素に関しては重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致しない。
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を説明する。図１Ａ（ａ）および（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子１００の構成（レイアウト）を示す図である。図１Ｂ（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１Ａ（ａ）のＡ−Ａ’断面および図１Ａ（ｂ）のＢ−Ｂ’断面を示す図である。
このテラヘルツ波受信素子１００は、主に２つの電界効果トランジスタ（第１の電界効果トランジスタ１００ａおよび第２の電界効果トランジスタ１００ｂ、以下、「電界効果トランジスタ」を単に「ＦＥＴ」という。）により構成される。それら２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）の周辺には、それぞれ、各ゲート電極に接続された配線部（ゲート配線１１４ａおよび１１４ｂ、ゲートパッド１１５ａおよび１１５ｂ、並びに、ゲートワイヤ１１６ａおよび１１６ｂ）が付加されている。
第１のＦＥＴ１００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図１Ａ（ａ）に示されるように、２つのフィンガーからなるマルチフィンガー構造を有する。具体的には、第１のＦＥＴ１００ａは、平面的には、高抵抗基板１０１ａ、絶縁層１２２ａ、ゲート電極１１１ａ、ソース電極１１２ａ、ドレイン電極１１３ａ、ソース配線１１８ａ、ソースパッド１１９ａ、ドレイン配線１２０ａ、および、ドレインパッド１２１ａを備える。また、ゲート配線１１４ａは、第１のＦＥＴ１００ａのゲート電極１１１ａのゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極１１１ａと直交するように配置されている。ゲートワイヤ１１６ａは、ゲート配線１１４ａと接続されたゲートパッド１１５ａに、ゲート電極１１１ａと直交する方向に接続されている。
第２のＦＥＴ１００ｂは、第１の波長λ1とは異なる第２の波長λ2のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図１Ａ（ｂ）に示されるように、２つのフィンガーからなるマルチフィンガー構造を有する。具体的には、第２のＦＥＴ１００ｂは、平面的には、高抵抗基板１０１ｂ、絶縁層１２２ｂ、ゲート電極１１１ｂ、ソース電極１１２ｂ、ドレイン電極１１３ｂ、ソース配線１１８ｂ、ソースパッド１１９ｂ、ドレイン配線１２０ｂ、および、ドレインパッド１２１ｂを備える。また、ゲート配線１１４ｂは、第２のＦＥＴ１００ｂのゲート電極１１１ｂのゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極１１１ｂと直交するように配置されている。ゲートワイヤ１１６ｂは、ゲート配線１１４ｂと接続されたゲートパッド１１５ｂに、ゲート電極１１１ｂと直交する方向に接続されている。なお、第１のＦＥＴ１００ａと第２のＦＥＴ１００ｂとは、相似的に同一形状を有する。
図１Ｂ（ａ）および（ｂ）に示されるように、第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂでは、それぞれ、接地面１２５ａおよび１２５ｂ、高抵抗基板１０１ａおよび１０１ｂ上に、バッファ層１０２ａおよび１０２ｂ、２次元電子チャネル層１０３ａおよび１０３ｂ、電子供給層１０４ａおよび１０４ｂが形成されている。第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂをＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板１０１ａおよび１０１ｂとしてサファイア基板、バッファ層１０２ａおよび１０２ｂとしてＧａＮ、電子供給層１０４ａおよび１０４ｂとしてＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎを用いることにより、バッファ層１０２ａおよび１０２ｂと電子供給層１０４ａおよび１０４ｂの界面に２次元電子チャネル層１０３ａおよび１０３ｂが形成される。また、２次元電子チャネル層１０３ａおよび１０３ｂは、エピタキシャル成長した状態では素子の全域に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性することにより、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）（図１Ａ（ａ）および（ｂ）における点線枠）のみに存在する状態になっている。なお、バッファ層１０２ａ（または１０２ｂ）と電子供給層１０４ａ（または１０４ｂ）は、それらのヘテロ接合により２次元電子チャネル層１０３ａ（または１０３ｂ）を形成する２以上の半導体層の一例である。
また、図１Ｂ（ａ）および（ｂ）に示されるように、第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂについて、それぞれ、ゲート電極１１１ａと１１１ｂ、ソース電極１１２ａと１１２ｂ、ドレイン電極１１３ａと１１３ｂ、ゲート絶縁膜１１７ａおよび１１７ｂが形成されている。ソース電極１１２ａおよび１１２ｂ、並びに、ドレイン電極１１３ａおよび１１３ｂは、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉを形成後、水素雰囲気中で熱処理を行いオーミック接合を形成している。ゲート絶縁膜１１７ａおよび１１７ｂはＡｌ2Ｏ3膜で形成されている。ゲート電極１１１ａおよび１１１ｂは、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉで形成され、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を形成している。ゲート電極１１１ａおよび１１１ｂのゲート長方向の幅は、後述するように、テラヘルツ波帯でプラズマ共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。
ここで、第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂにおける２次元電子チャネルの電子濃度ｎｓは、ゲート−ソース間の電圧Ｖｇｓ、閾値電圧Ｖｔｈ、電子供給層の誘電率ε、電子の電荷量をｅ、膜厚ｄを用いて、以下の式で与えられる。
ゲート電極１１１ａおよび１１１ｂにテラヘルツ波が入射すると、その信号がゲート電極１１１ａおよび１１１ｂ直下に存在する２次元電子チャネル層１０３ａおよび１０３ｂに伝わり、電子濃度が変調を受ける。ここで、ゲート電極１１１ａおよび１１１ｂがアンテナとして機能することにより、伝送線路が不要となることで損失が最小限に抑えることができ、高効率に信号を伝送することができる。
テラヘルツ波の受信感度向上のためには、このようなアンテナのサイズとＦＥＴのプラズマ共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。ここでは、第１のＦＥＴ１００ａが第１の波長λ1（ここでは、周波数が１ＴＨｚ）のテラヘルツ波に対して受信感度が高くなるように設計する例を説明する。なお、第２のＦＥＴ１００ｂが第２の波長λ2のテラヘルツ波に対して受信感度が高くなるように設計することについても同様の手法で実現できるので、その説明を省略する。
まず、ゲート電極１１１ａの長さ（ゲート幅方向における長さ、つまり、長手方向の長さ）に関しては、以下の点を考慮して決定する。つまり、テラヘルツ受信アンテナとして作用するゲート電極１１１ａの長さであるが、１ＴＨｚのテラヘルツ波に対して受信感度が高い設計となるようにフィンガー１つあたりのゲート電極１１１ａの長さを１ＴＨｚのテラヘルツ波の波長の１／４となる７５μｍとし、合計の長さ（２つのフィンガー分のゲート電極１１１ａ全体の長さ）をテラヘルツ波の波長の１／２となる１５０μｍとする。
また、ゲート電極１１１ａの幅（ゲート長方向の長さ、つまり、短手方向の長さ）に関しては、以下の点を考慮して決定する。つまり、ＦＥＴのプラズマ共鳴周波数ｆは、ゲート電極１１１ａの幅をＬ、ゲート補正係数をβ、プラズマ波速度をｓ、２次元電子チャネル層１０３ａおよび１０３ｂにおける電子の有効質量をｍ*、スイング電圧をＶs（＝Ｖgs−Ｖth）とすると、以下の式で与えられる。
よって、ゲート電極１１１ａの幅を、上記プラズマ共鳴周波数ｆ等によって決定される値に設計する。
さらに、ゲート配線１１４ａに関しては、以下の点を考慮して作製する。つまり、ゲート配線１１４ａは、２つのフィンガーのそれぞれにおけるゲート電極の長さが等しくなるように、ゲート電極１１１ａのゲート幅方向（長手方向）における中央部に接続されるようにレイアウトパターンを決定する。
さらに、接地面１２５ａおよび１２５ｂに関しては、以下の点を考慮して作製する。接地面１２５ａおよび１２５ｂは例えばＴｉ／Ａｕなどの金属材料などにより形成される。接地面１２５ａおよび１２５ｂは、アンテナとして機能するゲート電極１１１ａおよび１１１ｂの反射面として機能する。
また、接地面１２５ａおよび１２５ｂは必ずしも高抵抗基板１０１ａおよび１０１ｂの裏面に金属を形成しなくてもよい。例えば、第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂを表面が金属で覆われたパッケージなどに実装することで、高抵抗基板１０１ａおよび１０１ｂと接しているパッケージ表面を接地面１２５ａおよび１２５ｂとして機能させることもできる。
また、高抵抗基板１０１ａおよび１０１ｂ上に高い導電性を有する半導体層を形成することで接地面１２５ａおよび１２５ｂと等価の機能を与えることもできる。
次に、以上のようにして設計された第１の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子１００の使用方法を説明する。図２は、第１の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子１００を構成する第１のＦＥＴ１００ａの使用方法を示す回路である。なお、第２のＦＥＴ１００ｂについても同様の回路を用いて使用することができるので、その説明を省略する。
この図２に示されるように、第１のＦＥＴ１００ａのドレイン電極１１３ａおよびゲート電極１１１ａに、それぞれ、外部抵抗ＲDを介したバイアス電圧Ｖdsおよびバイアス電圧Ｖgsを印加しておき、ドレイン電極１１３ａに現れる信号を増幅器１３２で増幅することにより、第１のＦＥＴ１００ａが受信したテラヘルツ波に対応する信号出力を得ることができる。
次に、第１の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子１００の評価結果について説明する。以下では、第１のＦＥＴ１００ａの評価結果について説明するが、受信周波数が異なる点を除いて第２のＦＥＴ１００ｂについても同様である。
ゲート電極１１１ａをダイポールアンテナとして設計した場合のアンテナ特性についてのシミュレーション結果の一例を図３に示す。縦軸は、ゲート電極１１１ａに供給したテラヘルツ波のリターンロスＳ11（ｄＢ）を示し、横軸は、ゲート電極１１１ａに供給したテラヘルツ波の周波数（ＴＨｚ）を示す。本図から分かるように、上述のように設計された第１の実施の形態における第１のＦＥＴ１００ａは、１ＴＨｚにピークを持つ良好なダイポールアンテナとしての受信特性を示すことが分かる。
図４（ａ）および（ｂ）は、ＧａＮ系材料により構成される第１のＦＥＴ１００ａにおけるプラズマ共鳴周波数とソース−ドレイン間にＤＣ的に出力される受信信号の関係の計算結果を示す図である（計算周波数は、図４（ａ）では１ＴＨｚ、図４（ｂ）では０．２ＴＨｚ）。ここで、図４（ａ）および（ｂ）における縦軸は、第１のＦＥＴ１００ａのソース電極１１２ａ−ドレイン電極１１３ａ間に出力された信号のレベル（ａ．ｕ．）を示し、横軸は、ゲート電極１１１ａに印加された実効電圧（上述のスイング電圧）を示す。
図４（ａ）および（ｂ）を比較して分かるように、第１のＦＥＴ１００ａが受信する周波数によって出力される電圧が大きく異なることがわかる。図４（ａ）からは、ゲート電極１１１ａを共鳴周波数１ＴＨｚのダイポールアンテナとして設計することにより、１ＴＨｚのテラヘルツ波との結合効率が向上し、図４（ａ）に示されるテラヘルツ受信特性をもつ第１のＦＥＴ１００ａを得ることができることがわかる。一方、低い共鳴周波数（０．２ＴＨｚ）については、その低い共鳴周波数が、ゲートワイヤ１１６ａ等がテラヘルツ波を受信し得る周波数であることから、図４（ｂ）に示されるように、非共鳴モードにおける受信特性が得られ、信号出力が負になってしまうことが分かる。
第１の実施の形態における第１のＦＥＴ１００ａで実際に１ＴＨｚのテラヘルツ波を受信したときの特性の一例を図５（ａ）および（ｂ）に示す。図５（ａ）は、第１のＦＥＴ１００ａの受信特性のゲート電圧依存性を示す。ここには、１ＴＨｚのテラヘルツ波が入射された場合の信号出力と、テラヘルツ波が入射されない場合の信号出力とが示されている。ここで、縦軸は、第１のＦＥＴ１００ａからの出力信号のレベル（ａ．ｕ．）を示し、横軸は、第１のＦＥＴ１００ａのゲート電極１１１ａに印加した実効電圧（スイング電圧）を示す。１ＴＨｚのテラヘルツ波が入射された場合、つまり、入射したテラヘルツ波の電界方向と、ダイポールアンテナ（ゲート電極１１１ａ）の設計電界方向が一致した条件にて、図５（ａ）の特性が図４（ａ）に似ていることから分かるように、１ＴＨｚのプラズマ共鳴受信特性が得られた。
図５（ｂ）は、第１のＦＥＴ１００ａの受信特性の角度依存性を示す。ここで、縦軸は、第１のＦＥＴ１００ａからの出力信号のレベル（ａ．ｕ．）を示し、横軸は、第１のＦＥＴ１００ａのゲート電極１１１ａの長さ方向に対して入射されたテラヘルツ波の電界方向の角度（度）を示す。テラヘルツ波の電界方向と、ダイポールアンテナ（ゲート電極１１１ａ）の設計電界方向が一致した角度（図５（ｂ）の横軸における０°、１８０°）にて、図４（ａ）とよく一致した強いピークを確認した。このことからゲート電極１１１ａがダイポールアンテナとして機能し、１ＴＨｚのテラヘルツ波をプラズマ共鳴受信していることが明確に実証された。また、テラヘルツ波の電界方向と、ゲートワイヤ１１６ａがアンテナとして機能した場合の電界方向とが一致した角度（図５（ｂ）の横軸における９０°、２７０°）にて、図４（ｂ）とよく一致した負の信号を確認した。このことからゲートワイヤ１１６ａが線状アンテナとして機能し、０．２ＴＨｚのテラヘルツ波を非共鳴受信していることを確認した。この実験例から分かるように、異なる周波数のテラヘルツ波がテラヘルツ波受信素子（ここでは、第１のＦＥＴ１００ａ）の様々な部分で結合し、信号出力として得られるが、偏波方向を直交させることにより周波数成分を分離可能なことが明確に実証された。
以上、第１の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子１００を構成する第１のＦＥＴ１００ａについて、好ましい設計例、受信特性の計算結果、および、受信特性の実験結果を説明したが、これらのことは、テラヘルツ波受信素子１００を構成する第２のＦＥＴ１００ｂについても、ゲート電極１１１ｂの長さと幅が第１のＦＥＴ１００ａのゲート電極１１１ａと異なる点（つまり、共鳴周波数が異なる点）を除いて、同様である。よって、受信周波数が異なる２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）を備えることで、第１の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子１００は、２つの異なる周波数のテラヘルツ波を受信する装置のためのセンサーとして利用することができる。
ところで、上記のような構成を有し、ゲート電極の設計周波数のみが異なる２つＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）を利用し、受信信号の差分を検出することにより、特定の周波数のテラヘルツ波を高い信号／雑音比で受信することが可能となる。そこで、次に、受信周波数が異なる２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）からの出力信号の差分をとることで、受信するテラヘルツ波の信号／雑音比を向上させた第１の実施の形態の応用例について説明する。
図６は、本発明に係るテラヘルツ波受信素子１５０の構成を示す回路ブロック図である。このテラヘルツ波受信素子１５０は、受信周波数が異なる２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）からの出力信号の差分をとることで、受信するテラヘルツ波の信号／雑音比を向上させることができる差分検出回路であり、第１の実施の形態における２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）、それら２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）のドレイン電極１１３ａおよび１１３ｂのそれぞれにバイアス電圧を供給する直流電源１５１ａおよび１５１ｂ、それら２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）のゲート電極１１１ａおよび１１１ｂのそれぞれにバイアス電圧を供給する直流電源１５２ａおよび１５２ｂ、それら２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）からの出力信号を増幅する２つの増幅器１５３ａおよび１５３ｂ、および、それら２つの増幅器１５３ａおよび１５３ｂからの差分をとって出力する差動増幅器１５４を備える。
このような構成を有するテラヘルツ波受信素子１５０の動作原理、つまり、２つの電界効果トランジスタ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）を用いて雑音成分を除去する動作例を図７（ａ）〜（ｃ）に示す。図７（ａ）は第１のＦＥＴ１００ａの受信特性を示し、図７（ｂ）は第２のＦＥＴ１００ｂの受信特性を示し、図７（ｃ）は差動増幅器１５４の出力信号を示す。
図７（ａ）に示されるように、第１のＦＥＴ１００ａで得られる信号成分として、ゲート電極１１１ａにおけるプラズマ共鳴受信による成分（図中の点線）と、配線および非共鳴モードによる成分（図中の一点鎖線）とがあり、第１のＦＥＴ１００ａからは、それらを合計した信号（図中の実線）が出力される。第２のＦＥＴ１００ｂについても、図７（ｂ）に示されるように、定性的には、第１のＦＥＴ１００ａと同様の受信特性となる。ただし、第２のＦＥＴ１００ｂのゲート電極１１１ｂにおけるプラズマ共鳴受信による成分（図中の点線）は、意図的に、その設計周波数が第１のＦＥＴ１００ａからずらされ、かつ、その成分に対する感度も下げられている。よって、図７（ｂ）に示されるように、第２のＦＥＴ１００ｂで得られる成分は配線および非共鳴モードによる成分（図中の一点鎖線）が支配的となる。このような２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）からの出力信号が増幅器１５３ａおよび１５３ｂで増幅され、差動増幅器１５４で差分がとられることにより、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）からの出力信号に共通して含まれていた不要な成分（配線および非共鳴モードによる成分）が打ち消され、図７（ｃ）に示されるように、第１のＦＥＴ１００ａのゲート電極１１１ａにおけるプラズマ共鳴受信の成分のみが選択的に取り出され、高い信号／雑音比が実現される。なお、この応用例では、第２のＦＥＴ１００ｂは、第１のＦＥＴ１００ａからの出力信号に含まれる不要な成分（配線および非共鳴モードによる成分）を打ち消すためにだけ使用されているので、その受信周波数は、第１のＦＥＴ１００ａの受信周波数と異なる値であれば、任意の値でよい。
以上のように、第１の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子１００および１５０によれば、第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂのゲート電極１１１ａおよび１１１ｂそのものがテラヘルツ波に対応したダイポールアンテナとして機能し、効率よくテラヘルツ波を受信すると共に、電送線路を介することなく第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂの２次元電子チャネル層１０３ａおよび１０３ｂに直接テラヘルツ波が伝えられ、これにより、テラヘルツ波が金属内を伝搬することに起因する導体損の発生が回避される。
また、ゲート電極１１１ａおよび１１１ｂには、そのゲート幅方向（長手方向）における中央部に、ゲート電極１１１ａおよび１１１ｂと直交するように配置されたゲート配線１１４ａおよび１１４ｂ並びにゲートワイヤ１１６ａおよび１１６ｂが設けられているので、信号光として直線偏波を用いた場合にゲート配線１１４ａおよび１１４ｂ並びにゲートワイヤ１１６ａおよび１１６ｂで受信されてしまう不要なテラヘルツ波による影響が除去されるので、ゲート配線１１４ａおよび１１４ｂ並びにゲートワイヤ１１６ａおよび１１６ｂを介して複数の周波数を同時に受信してしまう不具合、および、そのために生じる受信特性における信号／雑音比の劣化が回避される。
また、第１の実施の形態における、差分検出の機能を有するテラヘルツ波受信素子１５０によれば、第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂに共通に生じる雑音（ゲート電極以外の部分で結合した不要な周波数成分、および、２次元電子プラズモンの非共鳴モードにおける周波数成分）が打ち消され、さらに、信号／雑音比が向上される。
なお、第１の実施の形態においては、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）を構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料で構成しても同様の効果が得られる。また、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）の構造としてＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成しても同様の効果が得られる。
また、第１の実施の形態においては、テラヘルツ受信のアンテナとしてゲート電極を半波長ダイポールアンテナとして利用する方法を取り上げたが、パッチアンテナ、スロットアンテナ、スパイラルアンテナ、あるいはフェルミアンテナをゲート電極に隣接して形成しても同様の効果が得られる。また、半波長ダイポールアンテナの設計を基本共鳴モードで設計したが、高次共鳴モードで設計を行っても同様の効果が得られる。第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂの共鳴周波数については、所望のプラズマ共鳴周波数に応じた設計が可能であり、第１の実施の形態ではその一例を示したのみである。
なお、第１の実施の形態においては２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂ）を用いたテラヘルツ波受信素子を示したが、本発明は、１つのＦＥＴで構成されるテラヘルツ波受信素子も含まれる。雑音などが無視できるような応用では、一つのＦＥＴのみでＴＨｚ波をゲート電極で直接検出できるテラヘルツ波受信素子として本発明に係るテラヘルツ波受信素子を実現してもよいことは言うまでも無い。
また、第１の実施の形態では、第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂは、異なる半導体基板（それぞれ、高抵抗基板１０１ａおよび１０１ｂ）に独立して形成されたが、同一の基板に形成されてもよい。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を説明する。図８Ａは、本発明の第２の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子２００の構成（レイアウト）を示す表面図である。図８Ｂは、図８ＡのＣ−Ｃ’断面図である。第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
第２の実施の形態においては、テラヘルツ波受信素子２００は、第１の実施の形態と同様に、主に２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ２００ａおよび第２のＦＥＴ２００ｂ）で構成されている。それら２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ２００ａおよび第２のＦＥＴ２００ｂ）の周辺に、それぞれ、各ゲート電極に接続された配線部（ゲート配線２１４ａおよび２１４ｂ、ゲートパッド２１５ａおよび２１５ｂ、並びに、ゲートワイヤ２１６ａおよび２１６ｂ）が付加されている点、および、その配線部の特徴は、第１の実施の形態と同様である。
つまり、第１のＦＥＴ２００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴで
あり、図８Ａの左側に示されるように、２つのフィンガーからなるマルチフィンガー構造を有する。具体的には、第１のＦＥＴ２００ａは、平面的には、ゲート電極２１１ａ、ソース電極２１２ａ、ドレイン電極２１３ａ、第２のＦＥＴ２００ｂと共用のソース配線２１８、第２のＦＥＴ２００ｂと共用のソースパッド２１９、ドレイン配線２２０ａ、および、ドレインパッド２２１ａを備える。また、ゲート配線２１４ａは、第１のＦＥＴ２００ａのゲート電極２１１ａのゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極２１１ａと直交するように配置されている。ゲートワイヤ２１６ａは、ゲート配線２１４ａと接続されたゲートパッド２１５ａに、ゲート電極２１１ａと直交する方向に接続されている。
第２のＦＥＴ２００ｂは、第１の波長λ1とは異なる第２の波長λ2のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図８Ａの右側に示されるように、２つのフィンガーからなるマルチフィンガー構造を有する。具体的には、第２のＦＥＴ２００ｂは、平面的には、ゲート電極２１１ｂ、ソース電極２１２ｂ、ドレイン電極２１３ｂ、第１のＦＥＴ２００ａと共用のソース配線２１８、第１のＦＥＴ２００ａと共用のソースパッド２１９、ドレイン配線２２０ｂ、および、ドレインパッド２２１ｂを備える。また、ゲート配線２１４ｂは、第２のＦＥＴ２００ｂのゲート電極２１１ｂのゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極２１１ｂと直交するように配置されている。ゲートワイヤ２１６ｂは、ゲート配線２１４ｂと接続されたゲートパッド２１５ｂに、ゲート電極２１１ｂと直交する方向に接続されている。なお、第１のＦＥＴ２００ａと第２のＦＥＴ２００ｂとは、相似的に同一形状を有する。
ここで、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ２００ａおよび第２のＦＥＴ２００ｂ）は、第１の実施の形態と異なり、同一の半導体基板（より厳密には、高抵抗基板２０１の上に形成された絶縁層２２２）上に形成されている。さらに、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ２００ａおよび第２のＦＥＴ２００ｂ）について、ソース配線２１８およびソースパッド２１９が共通化され、ゲート配線２１４ａおよび２１４ｂ、ゲートパッド２１５ａおよび２１５ｂ、ドレイン配線２２０ａおよび２２０ｂ、並びに、ドレインパッド２２１ａおよび２２１ｂが、それぞれ、線対称に配置される構成となっている。なお、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ２００ａおよび第２のＦＥＴ２００ｂ）の断面構造については、図８Ｂに示されるように、第１のＦＥＴ２００ａおよび第２のＦＥＴ２００ｂは、共通の接地面２２５、高抵抗基板２０１、バッファ層２０２、電子供給層２０４、および、ゲート絶縁膜２１７ａおよび２１７ｂを有し、それぞれ、別個の２次元電子チャネル層２０３ａおよび２０３ｂを有する。
このような構成とすることにより、第２の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子２００は、１つの素子で２つの設計周波数のテラヘルツ波を受信することができる。なお、第２の実施の形態では、テラヘルツ波受信素子２００が１ＴＨｚと１．８ＴＨｚを受信できるよう、第１のＦＥＴ２００ａのゲート電極２１１ａの長さ（ゲート幅方向の長さ）については、フィンガー１つあたりの長さを７５μｍ、合計の長さ（２つのフィンガー分のゲート電極２１１ａ全体の長さ）を１５０μｍとしている。一方、第２のＦＥＴ２００ｂのゲート電極２１１ｂの長さ（ゲート幅方向の長さ）については、フィンガー１つあたりの長さを４３μｍ、合計の長さを８６μｍとしている。これにより、第２の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子２００は、１つの素子で１ＴＨｚと１．８ＴＨｚの２つの周波数のテラヘルツ波を受信することができる。
さらに、ゲート電極２１１ａおよび２１１ｂと、ゲート配線２１４ａおよび２１４ｂ並びにゲートワイヤ２１６ａおよび２１６ｂとが直交するように配置されている点については第１の実施の形態と同様であるので、配線部などで受信した不要なテラヘルツ波を高い精度で無効化することが可能となる。
また、第２の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子２００では、第１のＦＥＴ２００ａおよび第２のＦＥＴ２００ｂが単一の高抵抗基板２０１に形成されるとともに、ソース配線２１８およびソースパッド２１９が第１のＦＥＴ２００ａおよび第２のＦＥＴ２００ｂで共通化されているので、第１の実施の形態に比べ、より接近した位置において２つの周波数のテラヘルツ波を受信することができるとともに、ソース電極の配線が簡素化される。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を説明する。図９Ａは、本発明の第３の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子３００の構成（レイアウト）を示す表面図である。図９Ｂは、図９ＡのＤ−Ｄ’断面図である。第１の実施の形態および第２の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
第３の実施の形態においては、テラヘルツ波受信素子３００は、第１の実施の形態と同様に、主に２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ３００ａおよび第２のＦＥＴ３００ｂ）で構成されている。それら２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ３００ａおよび第２のＦＥＴ３００ｂ）の周辺に、それぞれ、各ゲート電極に接続された配線部（ゲート配線３１４ａおよび３１４ｂ、ゲートパッド３１５ａおよび３１５ｂ、並びに、ゲートワイヤ３１６）が付加されている点、および、その配線部の特徴は、第１の実施の形態と同様である。
つまり、第１のＦＥＴ３００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図９Ａの左側に示されるように、２つのフィンガーからなるマルチフィンガー構造を有する。具体的には、第１のＦＥＴ３００ａは、平面的には、ゲート電極３１１ａ、ソース電極３１２ａ、ドレイン電極３１３ａ、第２のＦＥＴ３００ｂと共用のソース配線３１８、第２のＦＥＴ３００ｂと共用のソースパッド３１９、ドレイン配線３２０ａ、および、ドレインパッド３２１ａを備える。また、ゲート配線３１４ａは、第１のＦＥＴ３００ａのゲート電極３１１ａのゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極３１１ａと直交するように配置されている。ゲートワイヤ３１６は、ゲート配線３１４ａと接続されたゲートパッド３１５ａに、ゲート電極３１１ａと直交する方向に接続されている。
第２のＦＥＴ３００ｂは、第１の波長λ1の３分の１である第２の波長λ2（＝λ1／３）のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図９Ａの右側に示されるように、２つのフィンガーからなるマルチフィンガー構造を有する。具体的には、第２のＦＥＴ３００ｂは、平面的には、ゲート電極３１１ｂ、ソース電極３１２ｂ、ドレイン電極３１３ｂ、第１のＦＥＴ３００ａと共用のソース配線３１８、第１のＦＥＴ３００ａと共用のソースパッド３１９、ドレイン配線３２０ｂ、および、ドレインパッド３２１ｂを備える。また、ゲート配線３１４ｂは、第２のＦＥＴ３００ｂのゲート電極３１１ｂのゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極３１１ｂと直交するように配置されている。なお、第１のＦＥＴ３００ａと第２のＦＥＴ３００ｂとは、相似的に同一形状を有する。
ここで、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ３００ａおよび第２のＦＥＴ３００ｂ）は、第２の実施の形態と同様に、同一の半導体基板（より厳密には、高抵抗基板３０１の上に形成された絶縁層３２２）上に形成されている。また、第３の実施の形態では、ゲート配線３１４ａとゲート配線３１４ｂとは、直線状に（一本の配線パターンとして）接続されている。そのために、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ３００ａおよび第２のＦＥＴ３００ｂ）のゲート電極３１１ａおよび３１１ｂに対して共通にバイアス電圧を供給する一本のゲートワイヤ３１６だけが配置されている。
なお、２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ３００ａおよび第２のＦＥＴ３００ｂ）の断面構造については、第２の実施の形態と同様であり、図９Ｂに示されるように、第１のＦＥＴ３００ａおよび第２のＦＥＴ３００ｂは、共通の接地面３２５、高抵抗基板３０１、バッファ層３０２、電子供給層３０４、および、ゲート絶縁膜３１７ａおよび３１７ｂを有し、それぞれ、別個の２次元電子チャネル層３０３ａおよび３０３ｂを有する。
ここで、本実施の形態の特徴として、第２のＦＥＴ３００ｂのゲート電極３１１ｂにより構成されるダイポールアンテナの設計周波数が第１のＦＥＴ３００ａのゲート電極３１１ａにより構成されるダイポールアンテナの設計周波数の奇数倍（ここでは、３倍）の周波数になるように、テラヘルツ波受信素子３００が構成されている。
具体的には、第１のＦＥＴ３００ａのゲート電極３１１ａの長さ（ゲート幅方向の長さ）については、１ＴＨｚのテラヘルツ波に対して受信感度が高い設計となるように、フィンガー１つあたりの長さを１ＴＨｚのテラヘルツ波の波長の１／４となる７５μｍとし、合計の長さ（２つのフィンガー分のゲート電極３１１ａ全体の長さ）をテラヘルツ波の波長の１／２となる１５０μｍとしている。一方、第２のＦＥＴ３００ｂのゲート電極の長さ（ゲート幅方向の長さ）については、３ＴＨｚのテラヘルツ波に対して受信感度が高い設計となるように、フィンガー１つあたりの長さを２５μｍとし、合計の長さを５０μｍとしており、その結果、第１のＦＥＴ３００ａのゲート電極３１１ａに対して電極長が１／３倍になっている。
このような構成とすることにより、第３の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子３００は、プラズマ共鳴受信で必ず発生する奇数倍の高次モード成分の影響を除去することに利用することが可能となる。具体的には、このような２つのＦＥＴを用いて図６に示される差分検出回路を構成することで、高次モード成分（基本周波数の奇数倍の周波数のテラヘルツ波に対しても受信してしまう特性）を除去することができる。そのような第３の実施の形態の応用例に係るテラヘルツ波受信素子３５０を、図１０Ａおよび図１０Ｂを用いて説明する。
図１０Ａは、テラヘルツ波の光源３５１、材料３５２、および、その応用例に係るテラヘルツ波受信素子３５０の位置関係と、テラヘルツ波のスペクトルの変化を示す図である。なお、この応用例に係るテラヘルツ波受信素子３５０は、図６に示される差分検出回路と同様の構成を有する。つまり、この応用例に係るテラヘルツ波受信素子３５０は、図６における第１のＦＥＴ１００ａおよび第２のＦＥＴ１００ｂが、それぞれ、第３の実施の形態における第１のＦＥＴ３００ａおよび第２のＦＥＴ３００ｂに置き換えられたものに相当する構成を有する。
図１０Ｂ（ａ）〜（ｃ）は、この応用例に係るテラヘルツ波受信素子３５０の動作を説明する図である。具体的には、図１０Ｂ（ａ）は入射してくるテラヘルツ波（点線）と第１のＦＥＴ３００ａの受信特性（実線）を示し、図１０Ｂ（ｂ）は入射してくるテラヘルツ波（点線）と第２のＦＥＴ３００ｂの受信特性（実線）を示し、図１０Ｂ（ｃ）は入射してくるテラヘルツ波（点線）とテラヘルツ波受信素子３５０全体（差分検出回路として）の受信特性（実線）を示す。
図１０Ａに示される光源３５１として、広い周波数成分を有する黒体炉などが利用できる。ある特定の吸収スペクトルを有する材料３５２に、光源３５１から放射されるテラヘルツ波を照射すると、その材料３５２に固有の吸収スペクトルの特性に応じた透過光が得られる。このような透過光は、図１０Ａに示されるように、複数の周波数（ここでは、周波数ｆと周波数２．７ｆ）に吸収ピークを有する場合がほとんどである。もし、このような透過光を１つのＦＥＴで受信する場合、ＦＥＴの受信特性における高次モードの存在により、複数の周波数成分を同時に受信してしまう不具合が生じる。そこで、この応用例に係るテラヘルツ波受信素子３５０では、第２のＦＥＴ３００ｂの受信周波数を第１のＦＥＴ３００ａの受信周波数の３倍に設計し、それら２つのＦＥＴ（第１のＦＥＴ３００ａおよび第２のＦＥＴ３００ｂ）からの出力信号の差分をとることにより、特定の周波数成分のみを選択的に受信することができる。
図１０Ｂ（ａ）に示されるように、第１のＦＥＴ３００ａは、基本周波数ｆとその高調波である周波数３ｆにピークをもつ受信特性（実線）を有するので、透過光（点線）における２箇所の周波数（ｆと２．７ｆ）の成分に対応する信号を出力する。一方、図１０Ｂ（ｂ）に示されるように、第２のＦＥＴ３００ｂは、基本周波数３ｆとその高調波（図示されず）にピークをもつ受信特性（実線）を有するので、透過光（点線）における高い周波数（２．７ｆ）の成分だけに対応する信号を出力する。よって、図１０Ｂ（ｃ）に示されるように、テラヘルツ波受信素子３５０からの出力信号は、第１のＦＥＴ３００ａからの出力信号と第２のＦＥＴ３００ｂからの出力信号の差分、つまり、透過光（点線）における基本周波数（ｆ）の成分だけに対応する信号を出力する。
このように、第３の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を用いて差分検出回路を構成することで、１つのＦＥＴがもつ不要な高次モード成分が除去され、注目する一つの周波数成分だけを受信するテラヘルツ波受信素子が実現される。
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を説明する。図１１Ａは、本発明の第４の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子４００の構成（レイアウト）を示す表面図である。図１１Ｂ（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１１ＡのＥ−Ｅ’断面、図１１ＡのＦ−Ｆ’断面を示す図である。第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
第４の実施の形態においては、テラヘルツ波受信素子４００は、主に１つのＦＥＴ４００ａで構成されている。ただし、そのＦＥＴ４００ａの周辺に、そのゲート電極４１１に接続された配線部（ゲート配線４１４、ゲートパッド４１５、および、ゲートワイヤ４１６）が付加されている点、および、その配線部の特徴は、第１の実施の形態と同様である。
つまり、ＦＥＴ４００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図１１Ａに示されるように、一つの半導体基板（より厳密には、高抵抗基板４０１の上に形成された絶縁層４２２）上に形成された２つのフィンガーからなるマルチフィンガー構造を有する。具体的には、ＦＥＴ４００ａは、平面的には、ゲート電極４１１、ソース電極４１２、ドレイン電極４１３、ソース配線４１８、ソースパッド４１９、ドレイン配線４２０、および、ドレインパッド４２１を備える。また、ゲート配線４１４は、ＦＥＴ４００ａのゲート電極４１１のゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極４１１と直交するように配置されている。ゲートワイヤ４１６は、ゲート配線４１４と接続されたゲートパッド４１５に、ゲート電極４１１と直交する方向に接続されている。
ここで、ゲート電極４１１により構成されるダイポールアンテナの周辺部には、金属からなる周期構造体４２３が配置されている。ここでは、周期構造体４２３は、平面的には、ゲート電極４１１の幅方向における両側に、ゲート電極４１１に近づくに従って長さが短くなるような複数の長方形状の配線パターンが短冊状に一定の間隔を置いて並べられている。なお、図１１Ｂに示されるように、周期構造体４２３のうち、ゲート電極４１１の片側（右側および左側）に配置された部分において、複数の配線パターンは共通の金属層によって電気的に接続されている。
なお、ＦＥＴ４００ａの断面構造については、図１１Ｂ（ａ）および（ｂ）に示されるように、ＦＥＴ４００ａは、接地面４２５、高抵抗基板４０１、バッファ層４０２、電子供給層４０４、ゲート絶縁膜４１７、および、２次元電子チャネル層４０３を有する。また、周期構造体４２３は、図１１Ｂ（ｂ）に示されるように、ＦＥＴ４００ａの左右の両側のそれぞれにおいて、絶縁膜２２上に形成され、共通の層上に複数の配線パターンが接続された断面構造を有する。
さらに、接地面４２５に関しては、以下の点を考慮して作製する。接地面４２５は例えばＴｉ／Ａｕなどの金属材料などにより形成される。接地面４２５は、アンテナとして機能するゲート電極４１１の反射面として機能する。本来、接地面４２５を有しない線状アンテナはゲート幅方向（長手方向）に直交する面内にて円状の指向性を示す。しかしながら、接地面４２５を配置することによって、線状アンテナの指向性を接地面４２５と直交する方向（素子の表面側）に単峰性の指向性を持たせる効果がある。つまり、素子の表面側における指向性利得が向上し、高効率にテラヘルツ波を受信することが可能となる。ゲート電極４１１から接地面４２５までの距離はどのような値であっても素子の表面側に単峰性の指向性を持たせる効果があるが、ゲート電極４１１から接地面４２５までの距離を高抵抗基板４０１の屈折率をｎとした場合、λ1／４ｎに設定することでアンテナの利得が最大化される。
また、接地面４２５は必ずしも高抵抗基板４０１の裏面に金属を形成しなくてもよい。例えば、ＦＥＴ４００ａを表面が金属で覆われたパッケージなどに実装することで、高抵抗基板４０１と接しているパッケージ表面を接地面４２５として機能させることもできる。
また、高抵抗基板４０１上に高い導電性を有する半導体層を形成することで接地面４２５と等価の機能を与えることもできる。
このような構成とすることにより、周期構造体４２３がもつ集光機能によって、ダイポールアンテナに効率的にテラヘルツ波が集光され、ＦＥＴ４００ａは、高効率にテラヘルツ波を受信することが可能となる。
（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を説明する。図１２Ａは、本発明の第５の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子５００の構成（レイアウト）を示す表面図である。図１２Ｂ（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、図１２ＡのＧ−Ｇ’断面、図１２ＡのＨ−Ｈ’断面を示す図である。第１の実施の形態および第４の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
第５の実施の形態においては、テラヘルツ波受信素子５００は、基本的に第４の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子４００と同様の構成を有し、主に１つのＦＥＴ５００ａで構成されている。ただし、第４の実施の形態と異なり、ゲート配線５１４にキャパシタ５２４が接続されている。このキャパシタ５２４は、ゲート配線５１４のインピーダンスが、直流バイアスを透過させ、テラヘルツ波を透過させないインピーダンスとなる値に調整されている。
つまり、ＦＥＴ５００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図１２Ａに示されるように、一つの半導体基板（より厳密には、高抵抗基板５０１の上に形成された絶縁層５２２）上に形成された２つのフィンガーからなるマルチフィンガー構造を有する。具体的には、ＦＥＴ５００ａは、平面的には、ゲート電極５１１、ソース電極５１２、ドレイン電極５１３、ソース配線５１８、ソースパッド５１９、ドレイン配線５２０、および、ドレインパッド５２１を備える。また、ゲート配線５１４は、ＦＥＴ５００ａのゲート電極５１１のゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極５１１と直交するように配置されている。ゲートワイヤ５１６は、ゲート配線５１４と接続されたゲートパッド５１５に、ゲート電極５１１と直交する方向に接続されている。
また、ＦＥＴ５００ａの断面構造については、図１２Ｂ（ａ）および（ｂ）に示されるように、ＦＥＴ５００ａは、接地面５２５、高抵抗基板５０１、バッファ層５０２、電子供給層５０４、ゲート絶縁膜５１７、および、２次元電子チャネル層５０３を有する。また、周期構造体５２３は、図１１Ｂ（ｂ）に示されるように、ＦＥＴ５００ａの左右の両側のそれぞれにおいて、絶縁膜２２上に形成され、共通の層上に複数の配線パターンが接続された断面構造を有する。
このような構成とすることにより、ゲートワイヤ５１６やゲート配線５１４等の配線部で受信してしまう不要なテラヘルツ波がゲート電極５１１に伝搬することなくキャパシタ５２４を通して接地部（図示されていないＧＮＤ）に逃がすことが可能となり、ゲート電極４１１で受信した任意のテラヘルツ波のみを２次元電子チャネル層に高効率に伝搬することが可能となる。
以上のように、本発明に係るテラヘルツ波受信素子によれば、テラヘルツ波受信素子を構成するＦＥＴのゲート電極がテラヘルツ波に対応したダイポールアンテナとして機能し、効率よくテラヘルツ波を受信すると共に、電送線路を介することなくＦＥＴの２次元電子チャネル層に直接テラヘルツ波が伝えられ、これにより、テラヘルツ波が金属内を伝搬することに起因する導体損の発生が回避される。また、ＦＥＴのゲート電極には、そのゲート幅方向（長手方向）における中央部に、ゲート電極と直交するように配置されたゲート配線およびゲートワイヤが設けられているので、ゲート配線およびゲートワイヤで受信されてしまう不要なテラヘルツ波による影響が除去される、受信特性における信号／雑音比の劣化が回避される。
（第６の実施の形態）
また、本発明に係るテラヘルツ波受信素子は、必ずしも、マルチフィンガー構造を有しなくてもよい。たとえば、図１３Ａのレイアウト図および図１３Ｂの断面図に示されるような、マルチフィンガー構造を有していないテラヘルツ波受信素子６００も、本発明に含まれる。このテラヘルツ波受信素子６００は、１つのＦＥＴ６００ａと、そのＦＥＴ６００ａのゲート電極に接続された配線部（ゲート配線６１４、ゲートパッド６１５）により構成される。このＦＥＴ６００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、平面的には、図１３Ａに示されるように、高抵抗基板６０１、絶縁層６２２、ゲート電極６１１、ソース電極６１２、ドレイン電極６１３、ソース配線６１８、および、ドレイン配線６２０を備える。また、図１３Ｂに示されるように、断面的には、接地面６２５、高抵抗基板６０１上に、バッファ層６０２、２次元電子チャネル層６０３、および、電子供給層６０４が形成されている。
このテラヘルツ波受信素子６００では、ゲート配線６１４は、図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるように、ＦＥＴ６００ａのゲート電極６１１のゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極６１１と直交するように配置されている。よって、このような構造を有するテラヘルツ波受信素子６００は、マルチフィンガー構造でない点を除いて、第１〜第５の実施の形態における一つのＦＥＴと同様の特徴を有するので、これらと同様の効果が奏される。
なお、図１３Ｂに示される断面図では、ゲート配線６１４は、ソース電極６１２と立体的に交差しているが、本発明に係るテラヘルツ波受信素子におけるゲート配線の引き出し方法は、このような立体交差に限られず、たとえば、ソース電極６１２およびドレイン電極６１３との立体交差を避けるパスで形成されてもよい。
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を説明する。図１４Ａは、本発明の第７の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子７００の構成（レイアウト）を示す表面図である。図１４Ｂは、図１４Ａの断面を示す図である。第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
第７の実施の形態においては、テラヘルツ波受信素子７００は、主に１つのＦＥＴ７００ａで構成されている。ただし、そのＦＥＴ７００ａの周辺に、そのゲート電極７１１に接続された配線部（ゲート配線７１４、ゲートパッド７１５、および、ゲートワイヤ７１６）が付加されている点、および、その配線部の特徴は、第１の実施の形態と同様である。
つまり、ＦＥＴ７００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図１４Ａに示されるように、一つの半導体基板（より厳密には、高抵抗基板７０１の上に形成された絶縁層７２２）上に形成されている。具体的には、ＦＥＴ７００ａは、平面的には、ゲート電極７１１、ソース電極７１２、ドレイン電極７１３、ソース配線７１８、および、ドレイン配線７２０を備える。また、ゲート配線７１４は、ＦＥＴ７００ａのゲート電極７１１のゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極７１１と直交するように配置されている。ゲートワイヤ７１６は、ゲート配線７１４と接続されたゲートパッド７１５に、ゲート電極７１１と直交する方向に接続されている。
ＦＥＴ７００ａの断面構造については、図１４Ｂに示されるように、ＦＥＴ７００ａは、接地面７２５、高抵抗基板７０１、バッファ層７０２、電子供給層７０４、ゲート絶縁膜７１７、および、２次元電子チャネル層７０３を有する。図１４Ａ（ａ）では、２次元電子チャネル層７０３の幅方向の長さがゲート電極７１１の幅方向の長さに対して１／２以下となる構成となっている。テラヘルツ帯においては２次元電子チャネル層のように電子濃度の高い物質は近似的に金属に近い振る舞いを示す。よって２次元電子チャネル層の形状や電子濃度によっては金属膜がゲートダイポールアンテナの直下に存在するのと等価の状態になり、配置や寸法によってはダイポールアンテナの利得を低下させる要因となる。また、２次元電子チャネル層の幅方向の長さがゲートダイポールアンテナの長さに近づくと、利得低下の影響が顕著になる。２次元電子チャネル層の幅方向の長さがゲートダイポールアンテナの長さの１／２以下になると、利得低下の影響がほぼ無視出来る程度にまで低減されることを確認した。このような構成とすることにより、２次元電子チャネル層がダイポールアンテナの利得を低下させることを抑制することが可能となり、高効率にテラヘルツ波を受信することが可能となる。
なお、図１４Ａ（ｂ）に示すように、幅方向の長さの合計値がゲート電極７１１の幅方向の長さに対して１／２以下となるようにｍ個に分割された２次元電子チャネル層７０３を並列に並べることで、任意の２次元電子チャネル層の幅方向の長さの合計値を得ることが出来ると同時に、出力がｍ倍になり、高効率にテラヘルツ波を受信することが可能となる。
なお、これまで述べた第１〜第６の実施の形態、および、以下に述べる第８〜第１０の実施の形態においても、２次元電子チャネル層の幅方向の長さがゲート電極の幅方向の長さに対して１／２以下となる構成とすることにより、同様の効果を得ることができる。ただし、第１の波長λ1が小さい（受信周波数が高い）場合、すなわち、対応するゲート電極の幅方向の長さが短い場合は、２次元電子チャネル層の幅方向の長さがゲート電極の幅方向の長さに対して１／２以下となる構成とすると、２次元電子チャネル層の幅方向の長さが極端に小さくなり、ソース電極、およびドレイン電極とのコンタクト抵抗が増加してしまう恐れがある。例えば、受信周波数が３０ＴＨｚのとき、２次元電子チャネル層の幅方向の長さが２．５μｍとなり、ダイポールアンテナの利得の低下を抑制する効果を期待できる一方で、コンタクト抵抗の増加が懸念される。よって、本実施の形態の構成は、受信周波数が１０ＴＨｚ以下の場合に適用することが好ましい。
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を説明する。図１５は、本発明の第８の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子８００の構成（レイアウト）を示す表面図である。第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
第８の実施の形態においては、テラヘルツ波受信素子８００は、主に１つのＦＥＴ８００ａで構成されている。ただし、そのＦＥＴ８００ａの周辺に、そのゲート電極８１１に接続された配線部（ゲート配線８１４、ゲートパッド８１５、および、ゲートワイヤ８１６）が付加されている点、および、その配線部の特徴は、第１の実施の形態と同様である。
つまり、ＦＥＴ８００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図１５に示されるように、一つの半導体基板（より厳密には、高抵抗基板８０１の上に形成された絶縁層８２２）上に形成されている。具体的には、ＦＥＴ８００ａは、平面的には、ゲート電極８１１、ソース電極８１２、ドレイン電極８１３、ソース配線８１８、ソースパッド８１９、ドレイン配線８２０、および、ドレインパッド８２１を備える。また、ゲート配線８１４は、ＦＥＴ８００ａのゲート電極８１１のゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極８１１と直交するように配置されている。ゲートワイヤ８１６は、ゲート配線８１４と接続されたゲートパッド８１５に、ゲート電極８１１と直交する方向に接続されている。ここで、図１５においてはソース電極８１２の幅方向の長さがゲート電極８１１の幅方向の長さよりも大きく、ドレイン電極８１３の幅方向の長さがゲート電極８１１の幅方向の長さよりも小さくなる構成としている。さらにドレイン電極８１３を複数個配置する構成としている。
このような構成とすることにより、ソース電極８１２が反射器、ドレイン電極８１３が導波器として機能することにより、ダイポールアンテナの指向性利得が向上しテラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
なお、図１５においてはソース電極８１２を１つ、ドレイン電極８１３を複数配置する構成としたが、同様にソース電極８１２とドレイン電極８１３を入れ替えて配置した場合にも同様な効果が得られる。
（第９の実施の形態）
次に、本発明の第９の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子を説明する。図１６は、本発明の第９の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子９００の構成（レイアウト）を示す表面図である。第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
第９の実施の形態においては、テラヘルツ波受信素子９００は、主に１つのＦＥＴ９００ａで構成されている。ただし、そのＦＥＴ９００ａの周辺に、そのゲート電極９１１に接続された配線部（ゲート配線９１４、ゲートパッド９１５、および、ゲートワイヤ９１６）が付加されている点、および、その配線部の特徴は、第１の実施の形態と同様である。
つまり、ＦＥＴ９００ａは、第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するＦＥＴであり、図１６に示されるように、一つの半導体基板（より厳密には、高抵抗基板９０１の上に形成された絶縁層９２２）上に形成されている。具体的には、ＦＥＴ９００ａは、平面的には、ゲート電極９１１、ソース電極９１２、ドレイン電極９１３、ソース配線９１８、ソースパッド９１９、ドレイン配線９２０、ドレインパッド９２１、ダミー電極であるドレイン電極側無給電素子９２３、および、ソース電極側無給電素子９２４を備える。また、ゲート配線９１４は、ＦＥＴ９００ａのゲート電極９１１のゲート幅方向（長手方向）における中央部と接続され、かつ、ゲート電極９１１と直交するように配置されている。ゲートワイヤ９１６は、ゲート配線９１４と接続されたゲートパッド９１５に、ゲート電極９１１と直交する方向に接続されている。ここで、図１６においてはゲート電極９１１からドレイン電極側無給電素子９２３およびソース電極側無給電素子９２４までの距離が第１の波長λ1の１／４になるように配置する構成としている。
このような構成とすることにより、ドレイン電極側無給電素子９２３が反射器、ソース電極側無給電素子９２４が導波器として機能することにより、ダイポールアンテナの指向性利得が向上しテラヘルツ波受信効率を飛躍的に向上することが可能となる。
なお、図１６においてはソース電極９１２側に無給電素子（ソース電極側無給電素子９２４）を１つ、ドレイン電極９１３側に無給電素子（ドレイン電極側無給電素子９２３）を１つ配置する構成としたが、同様に無給電素子を複数個配置した場合にも同様な効果が得られる。
なお、図１６においてはゲート電極９１１からドレイン電極側無給電素子９２３およびソース電極側無給電素子９２４までの距離が第１の波長λ1の１／４になるように配置する構成としたが、形状の最適化などを行うことにより距離を任意に変更しても同様の効果が得られる。ドレイン電極側無給電素子９２３およびソース電極側無給電素子９２４は、ダイポールアンテナから距離を離した方が、反射器および導波器としての効果が高い。本実施の形態のように、無給電素子をソース電極およびドレイン電極とは電気的に独立したダミー電極として設けることにより、無給電素子距離の自由度が高まる。無給電素子はダイポールアンテナであるゲート電極から、波長λ1の１／４の奇数倍の位置に形成することが好ましい。
以上、本発明のテラヘルツ波受信素子について、第１〜第９の実施の形態およびその応用例に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態および応用例に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したもの、および、これらの実施の形態および応用例における構成要素を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明の範囲内に含まれる。
たとえば、第４〜第９の実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子は、１つのＦＥＴだけを備えたが、第１〜第３の実施の形態のように、異なる周波数の受信特性をもつ２つのＦＥＴを備えてもよい。さらに、それら２つのＦＥＴからの出力信号の差分を検出する差分検出回路として構成してもよい。
また、一般にダイポールアンテナの周囲に無給電素子を配置することにより、ダイポールアンテナの特性が変化することが知られている。よって、上記実施の形態におけるテラヘルツ波受信素子において、ソース電極およびドレイン電極を無給電素子として働くような配置および寸法としてもよい。たとえば、テラヘルツ波受信素子を構成するドレイン電極とゲート電極との間隔、および、ソース電極とゲート電極との間隔として、λ1／１００以下にする。なお、無給電素子とは、０バイアスもしくは直流バイアスを与え、設計周波数の信号（本実施の形態では、波長λ1のテラヘルツ波）を与えない導体などで構成される素子のことである。これにより、ダイポールアンテナとして機能するテラヘルツ波受信素子のテラヘルツ波受信効率が飛躍的に向上される。
本発明は、高効率にテラヘルツ波を受信する装置として、特に、テラヘルツ波受信素子を用いた残留物質分析装置、非破壊検査装置、イメージング装置、通信装置などに利用可能であり、産業上の利用価値は高い。
１００、１５０、２００、３００、３５０、４００、５００、６００、７００、８００、９００ テラヘルツ波受信素子
１００ａ、１００ｂ、２００ａ、２００ｂ、３００ａ、３００ｂ、４００ａ、５００ａ、６００ａ、７００ａ、８００ａ、９００ａ 電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
１０１ａ、１０１ｂ、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１、９０１ 高抵抗基板
１０２ａ、１０２ｂ、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２ バッファ層
１０３ａ、１０３ｂ、２０３ａ、２０３ｂ、３０３ａ、３０３ｂ、４０３、５０３、６０３、７０３、８０３、９０３ ２次元電子チャネル層
１０４ａ、１０４ｂ、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４、７０４ 電子供給層
１１１ａ、１１１ｂ、２１１ａ、２１１ｂ、３１１ａ、３１１ｂ、４１１、５１１、６１１、７１１、８１１、９１１ ゲート電極
１１２ａ、１１２ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、３１２ａ、３１２ｂ、４１２、５１２、６１２、７１２、８１２、９１２ ソース電極
１１３ａ、１１３ｂ、２１３ａ、２１３ｂ、３１３ａ、３１３ｂ、４１３、５１３、６１３、７１３、８１３、９１３ ドレイン電極
１１４ａ、１１４ｂ、２１４ａ、２１４ｂ、３１４ａ、３１４ｂ、４１４、５１４、６１４、７１４、８１４、９１４ ゲート配線
１１５ａ、１１５ｂ、２１５ａ、２１５ｂ、３１５ａ、３１５ｂ、４１５、５１５、６１５、７１５、８１５、９１５ ゲートパッド
１１６ａ、１１６ｂ、２１６ａ、２１６ｂ、３１６、４１６、５１６、７１６、８１６、９１６ ゲートワイヤ
１１７ａ、１１７ｂ、２１７ａ、２１７ｂ、３１７ａ、３１７ｂ、４１７、５１７、６１７、７１７ ゲート絶縁膜
１１８ａ、１１８ｂ、２１８、３１８、４１８、５１８、６１８、７１８、８１８、９１８ ソース配線
１１９ａ、１１９ｂ、２１９、３１９、４１９、５１９ ソースパッド
１２０ａ、１２０ｂ、２２０ａ、２２０ｂ、３２０ａ、３２０ｂ、４２０、５２０、６２０、７２０、８２０、９２０ ドレイン配線
１２１ａ、１２１ｂ、２２１ａ、２２１ｂ、３２１ａ、３２１ｂ、４２１、５２１ ドレインパッド
１２２ａ、１２２ｂ、２２２、３２２、４２２、５２２、６２２、７２２、８２２、９２２ 絶縁層
１３２、１５３ａ、１５３ｂ 増幅器
１５１ａ、１５１ｂ、１５２ａ、１５２ｂ 直流電源
１５４ 差動増幅器
３５１ 光源
３５２ 材料
４２３、５２３ 周期構造体
５２４ キャパシタ
１２５ａ、１２５ｂ、２２５、３２５、４２５、５２５、６２５、７２５ 接地面
９２３ ドレイン電極側無給電素子
９２４ ソース電極側無給電素子

Claims (17)

  1. 第１の波長λ1のテラヘルツ波を受信するテラヘルツ波受信素子であって、
    ２以上の半導体層のヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層、ゲート幅方向にλ1／２の長さを有するゲート電極、ドレイン電極およびソース電極を有する第１の電界効果トランジスタと、
    前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート幅方向における中央部と接続され、かつ、当該ゲート電極と直交するように配置された第１のゲート配線と
    を備えるテラヘルツ波受信素子。
  2. さらに、
    ２以上の半導体層のヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層、ゲート幅方向に前記第１の波長λ1と異なる第２の波長λ2の１／２であるλ2／２の長さを有するゲート電極、ドレイン電極およびソース電極を有する第２の電界効果トランジスタと、
    前記第２の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート幅方向における中央部と接続され、かつ、当該ゲート電極と直交するように配置された第２のゲート配線と
    を備える請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  3. さらに、前記第１の電界効果トランジスタのドレイン電極からの出力信号と、前記第２の電界効果トランジスタのドレイン電極からの出力信号との差分を検出する回路を備える
    請求項２に記載のテラヘルツ波受信素子。
  4. 前記第１の電界効果トランジスタのドレイン電極およびソース電極は、それぞれ、前記第２の電界効果トランジスタのドレイン電極およびソース電極と同一形状である
    請求項３に記載のテラヘルツ波受信素子。
  5. 前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート幅方向における長さは前記第２の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート幅方向における長さの奇数倍である
    請求項４に記載のテラヘルツ波受信素子。
  6. 前記第１の電界効果トランジスタは、２つのフィンガーをもつマルチフィンガー構造を有し、
    前記第１の電界効果トランジスタの２つのフィンガーにおけるゲート電極は、ゲート幅方向における長さがλ1／４であり、前記λ1／２の長さを有するゲート電極を構成するようにゲート幅方向に接続されている
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  7. さらに、前記第１のゲート配線に接続され、かつ、前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極と直交するように配置されたワイヤを有する
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  8. さらに、前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極の周辺部に、金属により形成された周期構造体を有する
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  9. 前記第１のゲート配線は、直流バイアスを透過させ、テラヘルツ波を透過させないインピーダンスを有する
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  10. 前記第１の電界効果トランジスタのゲート電極のゲート長方向における幅は、前記第１の電界効果トランジスタの２次元電子チャネル層におけるプラズマ共鳴周波数が前記第１の波長λ1に対応する値となるのに適した値である
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  11. 前記第１の電界効果トランジスタのドレイン電極およびソース電極は、前記ゲート電極との間隔がλ1／１００以下である
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  12. 前記第１の電界効果トランジスタの２次元電子チャネル層の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さに対して１／２以下である
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  13. 前記ソース電極と前記ドレイン電極とは、前記ゲート電極の幅方向の長さが異なる
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  14. 前記ソース電極の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さよりも小さく、
    前記ドレイン電極の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さよりも大きい
    請求項１３に記載のテラヘルツ波受信素子。
  15. 前記ソース電極の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さよりも大きく、
    前記ドレイン電極の幅方向の長さが前記ゲート電極の幅方向の長さよりも小さい
    請求項１３に記載のテラヘルツ波受信素子。
  16. 前記ソース電極または前記ドレイン電極が、ゲート長方向に並んで複数個配置されている
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
  17. 前記ソース電極または前記ドレイン電極に対しゲート長方向に並ぶ、給電しない電極を有する
    請求項１に記載のテラヘルツ波受信素子。
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