JP2012216714A - Terahertz detection device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a terahertz detection device with low noise that uses a resonant tunnel diode.SOLUTION: A terahertz detection device comprises: a semiconductor substrate 1; second electrodes 2 and 2a that are disposed on the semiconductor substrate 1; an insulating layer 3 that is disposed on the second electrode 2; a first electrode 4 (4a, 4b, and 4c) that is disposed with respect to the second electrode 2 via the insulating layer 3 and is disposed so as to face the second electrode 2 on the semiconductor substrate 1; a MIM reflector 50 that is formed between the first electrode 4a and the second electrode 2 interposed the insulating layer 3 therebetween; a resonator 60 that is adjacent to the MIM reflector 50 and is disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing each other on the semiconductor substrate 1; an active element 90 that is disposed in the substantially center of the resonator 60; a waveguide 70 that is adjacent to the resonator 60 and is disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing each other on the semiconductor substrate 1; and a horn opening portion 80 that is adjacent to the waveguide 70 and is disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing each other on the semiconductor substrate 1.

Description

本発明は、テラヘルツ検出素子に関し、特に、共鳴トンネルダイオードを利用した低雑音のテラヘルツ検出素子に関する。   The present invention relates to a terahertz detection element, and more particularly to a low noise terahertz detection element using a resonant tunneling diode.

近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる新しい現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。   In recent years, electronic devices such as transistors have been miniaturized, and the size has become nano-sized. Therefore, a new phenomenon called a quantum effect has been observed. And development aiming at realization of ultra-high-speed devices and new functional devices using this quantum effect is in progress.

一方、そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる、周波数が0.1THz(1011Hz)〜10THzの周波数領域を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されることが期待されている。 On the other hand, in such an environment, large-capacity communication, information processing, imaging, measurement, and the like are performed using a frequency range of 0.1 THz (10 11 Hz) to 10 THz, particularly called a terahertz band. An attempt is being made. This frequency region is an undeveloped region between light and radio waves. If a device that operates in this frequency band is realized, in addition to the above-mentioned imaging, large-capacity communication / information processing, physical properties, astronomy, living things, etc. It is expected to be used for many purposes such as measurement in various fields.

テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振する素子としては、トランジスタやダイオードなどの能動デバイスに微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている(例えば、非特許文献1参照。)。   As an element that oscillates a high-frequency electromagnetic wave having a frequency in the terahertz band, an element having a structure in which a fine slot antenna is integrated in an active device such as a transistor or a diode is known (for example, see Non-Patent Document 1).

また、アンテナ両端のスロット線路上に金属と絶縁体層を付加して高周波的に短絡した構造を持つ素子が開示されている(例えば、非特許文献1および非特許文献2参照)。この発振素子は、作製が簡単であって、微細化に適するなどの特徴を有している。   Further, an element having a structure in which a metal and an insulating layer are added on the slot lines at both ends of the antenna and short-circuited in a high frequency is disclosed (for example, see Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2). This oscillation element is easy to manufacture and has features such as being suitable for miniaturization.

図24は、RTD(Resonant Tunneling Diode:共鳴トンネルダイオード)とスロットアンテナを組み合わせて作製した発振素子の模式的鳥瞰図である。スロットアンテナ100の中央付近にRTDからなる能動素子109が配置され、スロットアンテナ100の両端には、金属と絶縁体が積層され、絶縁体を上下の電極金属によって挟み込んだMIM(Metal Insulator Metal)構造が形成されている。ここで、MIM構造は、第2の電極104/絶縁層103/第1の電極102からなり、高周波的に短絡されるようになっている。   FIG. 24 is a schematic bird's-eye view of an oscillation element manufactured by combining an RTD (Resonant Tunneling Diode) and a slot antenna. An active element 109 made of RTD is disposed near the center of the slot antenna 100, and a metal and insulator are laminated on both ends of the slot antenna 100, and the insulator is sandwiched between upper and lower electrode metals, and an MIM (Metal Insulator Metal) structure. Is formed. Here, the MIM structure includes the second electrode 104 / the insulating layer 103 / the first electrode 102, and is short-circuited in a high frequency manner.

第2の電極104は、第1の電極102と絶縁層103を介して重なっている部分の中央部に2箇所の凹部105、106が形成されており、この2つの凹部105、106に挟まれた状態で凸部107が形成されている。そして、第2の電極104の凸部107の略中央部には突起部108が形成され、この突起部108の下側に第1の電極102と挟まれるようにして能動素子109が配置されている。なお、第2の電極104と第1の電極102には直流電源115が接続されるとともに、寄生発振を防止するために、ビスマス(Bi)などの材料で形成された寄生発振抑圧抵抗114が接続されている。   The second electrode 104 has two concave portions 105 and 106 formed in the central portion of the portion overlapping the first electrode 102 with the insulating layer 103 interposed between the two concave portions 105 and 106. In this state, the convex portion 107 is formed. A protrusion 108 is formed at a substantially central portion of the protrusion 107 of the second electrode 104, and an active element 109 is disposed below the protrusion 108 so as to be sandwiched between the first electrode 102. Yes. A DC power source 115 is connected to the second electrode 104 and the first electrode 102, and a parasitic oscillation suppression resistor 114 formed of a material such as bismuth (Bi) is connected to prevent parasitic oscillation. Has been.

半導体基板101の構成材料としては、半絶縁性(SI:Semi-Insulating)のInPが用いられる。RTDの両側に作られるスロットアンテナ100は、共振器と電磁波の放射アンテナとを兼ねている。この発振素子においては、半導体基板101に対して上方向と下方向の2方向に電磁波が放射される構造になっている。このため、例えば、図25に示すように、上下垂直方向に放射する電磁波(hν)を集光するためのシリコン半球レンズ120を新たに設ける必要がある。   As a constituent material of the semiconductor substrate 101, semi-insulating (SI) InP is used. The slot antenna 100 made on both sides of the RTD serves as both a resonator and an electromagnetic wave radiation antenna. This oscillation element has a structure in which electromagnetic waves are radiated in two directions, upward and downward, with respect to the semiconductor substrate 101. For this reason, for example, as shown in FIG. 25, it is necessary to newly provide a silicon hemispherical lens 120 for condensing electromagnetic waves (hν) radiating vertically.

図24に示す従来のテラヘルツ発振素子は、絶縁層103と同じ平面上に配置されるトランジスタやダイオードなどの能動素子109をスロットアンテナ100の中央部に配置し、スロット線路の両端を直角に曲げ、この部分を金属/絶縁体/金属の層構造で覆うようにしている。このため、金属/絶縁体/金属の層構造で覆った部分は、RF反射部150a,150bを構成し、高周波的に短絡になり、スロットアンテナ100が構成される。このスロットアンテナ100は、直流的には開放状態になっているため、能動素子109に直流を供給することができる。   In the conventional terahertz oscillation device shown in FIG. 24, an active element 109 such as a transistor or a diode disposed on the same plane as the insulating layer 103 is disposed at the center of the slot antenna 100, and both ends of the slot line are bent at right angles. This portion is covered with a metal / insulator / metal layer structure. For this reason, the portions covered with the metal / insulator / metal layer structure constitute the RF reflectors 150a and 150b, which are short-circuited in high frequency, and the slot antenna 100 is constructed. Since the slot antenna 100 is in an open state in terms of direct current, direct current can be supplied to the active element 109.

図24および図25において、スロットアンテナ100の上方は空気であるため、比誘電率εair=1である。スロットアンテナ100の下方は、半導体基板101として、InP基板を使用するため、比誘電率εInP=12.01である。ここで、全体の発振出力に対するスロットアンテナ100の下方への発振出力の割合は、εInP 3/2/(εair 3/2+εInP 3/2)=0.97で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約97%は、InP基板側に放射されている。 In FIG. 24 and FIG. 25, since the air above the slot antenna 100 is air, the relative permittivity ε air = 1. Below the slot antenna 100, since an InP substrate is used as the semiconductor substrate 101, the relative dielectric constant ε InP = 12.01. Here, the ratio of the oscillation output below the slot antenna 100 to the total oscillation output is represented by ε InP 3/2 / (ε air 3/2 + ε InP 3/2 ) = 0.97. That is, about 97% of the total oscillation output is radiated to the InP substrate side.

この構造の発振素子によって、室温でテラヘルツ帯1.02THz(1012Hz)の発振が実現されている。すなわち、試作された素子によれば、基本波の発振周波数を342GHzとし、出力が23μWであった。そして、基本波の第3高調波として1.02THzの電磁波が同時に出力され、この第3高調波の出力は0.59μWであったと報告されている(非特許文献3を参照。)。また最近では、室温でテラヘルツ帯1.04THzの基本波発振が実現されている(非特許文献4を参照)。 Oscillation with a terahertz band of 1.02 THz (10 12 Hz) is realized at room temperature by the oscillation element having this structure. That is, according to the prototyped element, the oscillation frequency of the fundamental wave was 342 GHz and the output was 23 μW. And it is reported that 1.02 THz electromagnetic waves were simultaneously output as the third harmonic of the fundamental wave, and the output of this third harmonic was 0.59 μW (see Non-Patent Document 3). Recently, fundamental wave oscillation of a terahertz band of 1.04 THz has been realized at room temperature (see Non-Patent Document 4).

一方、周波数可変の発振素子から発振される比較的広い帯域幅を持った周波数帯の電磁波であっても、その発振周波数全域にわたりスロット線路からの漏れを無くして高効率かつ高出力の電磁波を発振することができるテラヘルツ発振素子についても開示されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1においては、RTDなどで構成される能動デバイスを備えた微細スロットアンテナの両端部に多段のスタブを設け、この多段スタブから比較的広い帯域幅を持った電磁波の周波数帯を反射させ、この多段スタブ回路を設けたことにより、能動素子から発振される電磁波の漏れが反射されて能動素子に戻るため、帯域の広い高出力の発振出力が得られ、発振素子に用いる能動素子が周波数可変の場合にも、それに対応して発振出力が得られる。   On the other hand, even in the case of electromagnetic waves in a frequency band with a relatively wide bandwidth that are oscillated from variable frequency oscillation elements, high efficiency and high output electromagnetic waves are oscillated without leakage from the slot line over the entire oscillation frequency. A terahertz oscillation element that can be used is also disclosed (for example, see Patent Document 1). In Patent Document 1, a multi-stage stub is provided at both ends of a fine slot antenna including an active device constituted by an RTD or the like, and a frequency band of an electromagnetic wave having a relatively wide bandwidth is reflected from the multi-stage stub, By providing this multi-stage stub circuit, leakage of electromagnetic waves oscillated from the active element is reflected and returned to the active element, so that a wide-band, high-power oscillation output can be obtained, and the active element used for the oscillation element has a variable frequency. In this case, an oscillation output can be obtained correspondingly.

一方、300GHz無線通信方式では、16GHz発振器と複数の逓倍器を用いて、約20cm角程度のユニットにより、300GHz電磁波を発生させているものがある(例えば、非特許文献5参照)。また、2個の1550nm帯半導体レーザを用いて、光変調技術を応用したものがある(例えば、非特許文献6参照)。   On the other hand, in the 300 GHz wireless communication system, there is one in which a 300 GHz electromagnetic wave is generated by a unit of about 20 cm square using a 16 GHz oscillator and a plurality of multipliers (for example, see Non-Patent Document 5). In addition, there is one in which an optical modulation technique is applied using two 1550 nm band semiconductor lasers (see, for example, Non-Patent Document 6).

一方、テラヘルツ検出素子としては、ショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)が主に開発されている。   On the other hand, a Schottky Barrier Diode (SBD) is mainly developed as a terahertz detection element.

特開2007−124250号公報JP 2007-124250 A

N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillators Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with Stacked-Layer Slot Antenna,” Jpn.J.Appl.Phys. vol.67, L1309 (2004).N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillators Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with Stacked-Layer Slot Antenna,” Jpn.J.Appl.Phys. Vol.67, L1309 (2004). N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillator Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with a novel RF short structure,” Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves (IRMMW2004), (赤外とミリ波国際会議)Karlsruhe (Germany), M5.3 (Sept. 2004) pp.121-122.N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillator Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with a novel RF short structure,” Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves (IRMMW2004), International Conference on Waves) Karlsruhe (Germany), M5.3 (Sept. 2004) pp.121-122. N. Orihashi, S. Suzuki, and M. Asada:”HarmonicGeneration of 1THz in Sub-THz Oscillating Resonant Tunneling Diode,” [IRMMW2005/THz2005(The Joint 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th Infrared Conference on Terahertz Electronics)2005.9.19-23]N. Orihashi, S. Suzuki, and M. Asada: “Harmonic Generation of 1THz in Sub-THz Oscillating Resonant Tunneling Diode,” [IRMMW2005 / THz2005 (The Joint 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th Infrared Conference on Terahertz Electronics) 2005.9.19-23] S. Suzuki, A. Teranishi, M. Asada, H. Sugiyama, and H. Yokoyama, “Increase of fundamental oscillation frequency in resonant tunneling diode with thin barrier and grated emitter structures,” Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Teraherz waves, Tu-C1.2, Rome, Sept.7, 2010S. Suzuki, A. Teranishi, M. Asada, H. Sugiyama, and H. Yokoyama, “Increase of fundamental oscillation frequency in resonant tunneling diode with thin barrier and grated emitter structures,” Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Teraherz waves, Tu-C1.2, Rome, Sept. 7, 2010 C.Jastrow, S. Priebe, B. Spitschan, J. Hartmann, M. Jacob, T. Kurner, T. Schrader, and T. Kleine-Ostmann, “Wireless digital data transmission at 300GHz,”Elecron. Lett., vol. 46, pp.661-663, 2010.C. Jastrow, S. Priebe, B. Spitschan, J. Hartmann, M. Jacob, T. Kurner, T. Schrader, and T. Kleine-Ostmann, “Wireless digital data transmission at 300GHz,” Elecron. Lett., Vol 46, pp.661-663, 2010. T. Nagatsuma, H.- J. Song, Y. Fujimoto, K. Miyake, A. Hirata, K. Ajito, A. Wakatuski, T. Furuta, N. Kukutsu, and Y. Kado, “Giga-bit wireless link using 300-400 GHz bands,” Tech. Dig. IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics, Th.2.3, 2009T. Nagatsuma, H.- J. Song, Y. Fujimoto, K. Miyake, A. Hirata, K. Ajito, A. Wakatuski, T. Furuta, N. Kukutsu, and Y. Kado, “Giga-bit wireless link using 300-400 GHz bands, ”Tech. Dig. IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics, Th.2.3, 2009

SBDにおいては、ショットキーバリアを越えて流れる電子の数は、温度と共に上昇するため、温度が上がると、熱雑音が増大し、S/N比が低下するという問題点がある。   In SBD, the number of electrons that flow beyond the Schottky barrier increases with temperature, and as the temperature increases, there is a problem that thermal noise increases and the S / N ratio decreases.

本発明の目的は、共鳴トンネルダイオードを利用した低雑音のテラヘルツ検出素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a low noise terahertz detecting element using a resonant tunneling diode.

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に配置された第2の電極と、前記第2の電極上に配置された絶縁層と、前記第2の電極に対して前記絶縁層を介して配置され、かつ前記半導体基板上に前記第1の電極に対向して配置された第1の電極と、前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、前記MIMリフレクタに隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、前記共振器に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された導波路と、前記導波路に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置されたホーン開口部とを備えるテラヘルツ検出素子が提供される。   According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a semiconductor substrate, a second electrode disposed on the semiconductor substrate, an insulating layer disposed on the second electrode, and the first A first electrode disposed on the semiconductor substrate so as to face the first electrode, and the first electrode sandwiching the insulating layer; An MIM reflector formed between the second electrodes; a resonator disposed between the first electrode and the second electrode facing the semiconductor substrate adjacent to the MIM reflector; and An active element disposed at a substantially central portion of the resonator, a waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing the semiconductor substrate, adjacent to the resonator; Adjacent to the waveguide, the first electrode facing the semiconductor substrate and the front THz detection device is provided and a horn opening portion disposed between the second electrode.

本発明の他の態様によれば、絶縁体基板と、前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、前記第1の電極上に配置された絶縁層と、前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、前記第2の電極上に配置された半導体層と、前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された導波路と、前記導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置されたホーン開口部とを備えるテラヘルツ検出素子が提供される。   According to another aspect of the present invention, an insulator substrate, a first electrode disposed on the insulator substrate, an insulating layer disposed on the first electrode, and the insulator substrate An interlayer insulating film disposed; and a second electrode disposed on the interlayer insulating film and disposed opposite to the first electrode through the insulating layer with respect to the first electrode; A semiconductor layer disposed on the second electrode; an MIM reflector formed between the first electrode and the second electrode across the insulating layer; and the insulator adjacent to the MIM reflector A resonator disposed between the first electrode and the second electrode opposed to each other on a substrate; an active element disposed at a substantially central portion of the resonator; and the insulation adjacent to the resonator. A waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing each other on a body substrate; Adjacent to the road, the said faces on an insulating substrate a first electrode and the terahertz detector element and a said horn opening disposed between the second electrode.

本発明の他の態様によれば、絶縁体基板と、前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、前記第1の電極上に配置された絶縁層と、前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、前記第2の電極上に配置された半導体層と、前記絶縁体基板上に前記第1の電極に隣接し、かつ前記第2の電極とは反対側に前記第1の電極に対向して配置された第1スロットライン電極と、前記絶縁体基板上に前記第2の電極に隣接し、かつ前記第1の電極とは反対側に前記第2の電極に対向して配置された第2スロットライン電極と、前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1導波路と、前記第1導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1ホーン開口部と、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2導波路と、前記第2導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2ホーン開口部と、前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3導波路と、前記第3導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3ホーン開口部とを備えるテラヘルツ検出素子が提供される。   According to another aspect of the present invention, an insulator substrate, a first electrode disposed on the insulator substrate, an insulating layer disposed on the first electrode, and the insulator substrate An interlayer insulating film disposed; and a second electrode disposed on the interlayer insulating film and disposed opposite to the first electrode through the insulating layer with respect to the first electrode; A semiconductor layer disposed on the second electrode; and disposed adjacent to the first electrode on the insulator substrate and opposite the first electrode on the opposite side of the second electrode. A first slot line electrode formed on the insulating substrate, adjacent to the second electrode, and on the opposite side of the first electrode to face the second electrode. A line electrode; and an MIM reflector formed between the first electrode and the second electrode across the insulating layer; A resonator disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the MIM reflector; and an active element disposed at a substantially central portion of the resonator; A first waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the resonator; and adjacent to the first waveguide; A first horn opening disposed between the first electrode and the second electrode facing each other on the insulator substrate; and the first electrode and the first slot line electrode facing each other on the insulator substrate. And a second horn opening disposed between the first electrode and the first slot line electrode facing the insulator substrate, adjacent to the second waveguide. , The second electrode and the second slot line facing each other on the insulator substrate A third waveguide disposed between the electrodes, and a third horn disposed between the second electrode and the second slot line electrode adjacent to the third waveguide and opposed to the insulator substrate. A terahertz detection element comprising an opening is provided.

本発明によれば、共鳴トンネルダイオードを利用した低雑音のテラヘルツ検出素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a low noise terahertz detecting element using a resonant tunneling diode.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰図。The typical bird's-eye view of the terahertz detection element concerning an embodiment. (a)図1のI−I線に沿う模式的断面構造図、(b)図1のII−II線に沿う模式的断面構造図。FIG. 2A is a schematic cross-sectional structure diagram taken along the line II of FIG. 1, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional structure diagram taken along the line II-II of FIG. (a)実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)の模式的断面構造図、(b)図3(a)の変形例の模式的断面構造図。FIG. 4A is a schematic cross-sectional structure diagram of a terahertz detection element (RTD) according to an embodiment, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional structure diagram of a modified example of FIG. テラヘルツ発振素子と集積化された実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)の模式的断面構造図。The typical cross-section figure of the terahertz detection element (RTD) which concerns on embodiment integrated with the terahertz oscillation element. (a)実施の形態に係るテラヘルツ検出素子の模式的回路構成図、(b)テラヘルツ検出素子の簡易等価回路構成図。(A) The typical circuit block diagram of the terahertz detection element which concerns on embodiment, (b) The simple equivalent circuit block diagram of the terahertz detection element. (a)実施の形態に係るテラヘルツ検出素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図、(b)図5(a)のRTDの等価回路構成図。(A) Typical equivalent circuit block diagram also including the antenna system of the terahertz detection element which concerns on embodiment, (b) The equivalent circuit block diagram of RTD of Fig.5 (a). 実施の形態に係るテラヘルツ検出素子の電流−電圧特性例。The current-voltage characteristic example of the terahertz detection element which concerns on embodiment. 実施の形態に係るテラヘルツ検出素子と同一工程で作製されたテラヘルツ発振素子において、共振器長L1をパラメータとする発振周波数fとピーク電流Ipの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the oscillation frequency f which uses the resonator length L1 as a parameter, and the peak current Ip in the terahertz oscillation element produced by the same process as the terahertz detection element which concerns on embodiment. 実施の形態に係るテラヘルツ検出素子と同一工程で作製されたテラヘルツ発振素子において、発振強度と発振周波数fの関係を示す図。The figure which shows the relationship between an oscillation intensity | strength and the oscillation frequency f in the terahertz oscillation element produced at the same process as the terahertz detection element which concerns on embodiment. テラヘルツ検出素子として適用可能な比較例に係るショットキーバリアダイオードの電流−電圧特性の模式図。The schematic diagram of the current-voltage characteristic of the Schottky barrier diode which concerns on the comparative example applicable as a terahertz detection element. 実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)の電流−電圧特性の模式図。The schematic diagram of the current-voltage characteristic of the terahertz detection element (RTD) which concerns on embodiment. 実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)の電流−電圧特性例であって、室温動作時、テラヘルツ波の照射時(A)と、テラヘルツ波の非照射時(B)の特性例。FIG. 6 is a current-voltage characteristic example of the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment, and is a characteristic example when operating at room temperature, when irradiating a terahertz wave (A), and when not irradiating a terahertz wave (B). 実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)を検出素子として適用するテラヘルツ無線通信方式の模式的ブロック構成図。The typical block block diagram of the terahertz radio communication system which applies the terahertz detection element (RTD) which concerns on embodiment as a detection element. 実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)と同一構成のテラヘルツ発振素子(RTD)を利用したテラヘルツ無線通信方式の構成図。The block diagram of the terahertz radio | wireless communication system using the terahertz oscillation element (RTD) of the same structure as the terahertz detection element (RTD) which concerns on embodiment. 実施の形態の変形例1に係るテラヘルツ検出素子(RTD)の模式的鳥瞰図。The typical bird's-eye view of the terahertz detection element (RTD) which concerns on the modification 1 of embodiment. 実施の形態の変形例2に係るテラヘルツ検出素子(RTD)の模式的鳥瞰図。The typical bird's-eye view of the terahertz detection element (RTD) which concerns on the modification 2 of embodiment. 図16に対応した第1の電極4、第2の電極2aおよび半導体層91aのパターン構造の模式的平面図。FIG. 17 is a schematic plan view of a pattern structure of a first electrode 4, a second electrode 2a, and a semiconductor layer 91a corresponding to FIG. (a)図16のIII−III線に沿う模式的断面構造図、(b)図16のIV−IV線に沿う模式的断面構造図。(A) The typical cross-section figure along the III-III line of FIG. 16, (b) The typical cross-section figure along the IV-IV line of FIG. 変形例2に係るテラヘルツ検出素子において、絶縁体基板をサンプル表面に貼付け、半導体基板を除去した様子を示す模式的鳥瞰図。The typical bird's-eye view which shows a mode that the insulator board | substrate was affixed on the sample surface in the terahertz detection element which concerns on the modification 2, and the semiconductor substrate was removed. 図18の裏面から見た様子を示す模式的鳥瞰図。The typical bird's-eye view which shows a mode seen from the back surface of FIG. (a)実施の形態の変形例3に係るテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面図、(b)実施の形態の変形例4に係るテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面図。(A) The schematic plan view of the electrode pattern structure of the terahertz detection element which concerns on the modification 3 of embodiment, (b) The typical top view of the electrode pattern structure of the terahertz detection element which concerns on the modification 4 of embodiment. 実施の形態の変形例5に係るテラヘルツ検出素子の模式的平面図。FIG. 10 is a schematic plan view of a terahertz detection element according to Modification 5 of the embodiment. 実施の形態の変形例6に係るテラヘルツ検出素子の模式的平面図。The typical top view of the terahertz detection element which concerns on the modification 6 of embodiment. 従来のテラヘルツ発振素子の構造を示す模式的鳥瞰図。The typical bird's-eye view which shows the structure of the conventional terahertz oscillation element. シリコン半球レンズ上に配置した従来のテラヘルツ発振素子の構造を示す模式的鳥瞰図。The typical bird's-eye view which shows the structure of the conventional terahertz oscillation element arrange | positioned on a silicon hemisphere lens.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same reference numerals are assigned to the same blocks or elements to avoid duplication of explanation and simplify the explanation. It should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。   The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention. In the embodiments of the present invention, the arrangement of each component is as follows. Not specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.

[実施の形態]
実施の形態に係るなテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰構造は、図1に示すように表され、図1のI−I線に沿う模式的断面構造は、図2(a)に示すように表され、図1のII−II線に沿う模式的断面構造は、図2(b)に示すように表される。
[Embodiment]
A schematic bird's-eye view structure of the terahertz detection element according to the embodiment is represented as shown in FIG. 1, and a schematic cross-sectional structure taken along line II in FIG. 1 is represented as shown in FIG. A schematic cross-sectional structure taken along line II-II in FIG. 1 is expressed as shown in FIG.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰構造は、図1〜図2に示すように、半導体基板1と、半導体基板1上に配置された第2の電極2,2aと、第2の電極2上に配置された絶縁層3と、第2の電極2に対して絶縁層3を介して配置され、かつ半導体基板1上に第2の電極2に対向して配置された第1の電極4(4a,4b,4c)と、絶縁層3を挟み第1の電極4aと第2の電極2間に形成されたMIMリフレクタ50と、MIMリフレクタ50に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された共振器60と、共振器60の略中央部に配置された能動素子90と、共振器60に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された導波路70と、導波路70に隣接して、半導体基板1上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置されたホーン開口部80とを備える。   The schematic bird's-eye view structure of the terahertz detection element according to the embodiment includes, as shown in FIGS. 1 to 2, a semiconductor substrate 1, second electrodes 2 and 2 a disposed on the semiconductor substrate 1, An insulating layer 3 disposed on the electrode 2 and a first electrode disposed on the semiconductor substrate 1 so as to face the second electrode 2 with respect to the second electrode 2 via the insulating layer 3. The electrode 4 (4a, 4b, 4c), the MIM reflector 50 formed between the first electrode 4a and the second electrode 2 with the insulating layer 3 interposed therebetween, and adjacent to the MIM reflector 50 on the semiconductor substrate 1 The resonator 60 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing each other, the active element 90 disposed substantially at the center of the resonator 60, and the semiconductor substrate 1 adjacent to the resonator 60. A waveguide 70 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing upward, and adjacent to the waveguide 70 To, and a first electrode 4 and the horn opening 80 disposed between the two second electrodes facing on the semiconductor substrate 1.

能動素子90としてはRTDが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、タンネット(TUNNETT:Tunnel Transit Time)ダイオード、インパット(IMPATT:Impact Ionization Avalanche Transit Time)ダイオード、GaAs系電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)、GaN系FET、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)などを適用することもできる。   The active element 90 is typically an RTD, but can be composed of other diodes or transistors. Other active elements include, for example, a tannet (TUNNETT) diode, an impulse (Impact Ionization Avalanche Transit Time) diode, a GaAs field effect transistor (FET), a GaN FET, a high An electron mobility transistor (HEMT), a heterojunction bipolar transistor (HBT), or the like can also be applied.

ホーン開口部80は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、10度程度以下に設定することが、電磁波(hν)の検出方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部80の長さL3は、例えば、約700μm程度以下である。ホーン開口部80の先端部における開口幅は、例えば、約160μm程度である。   The horn opening 80 is composed of an open horn antenna. The opening angle θ of the horn opening is desirably set to about 10 degrees or less, for example, in order to provide directivity in the electromagnetic wave (hν) detection direction. The length L3 of the horn opening 80 is, for example, about 700 μm or less. The opening width at the tip of the horn opening 80 is, for example, about 160 μm.

導波路70は、共振器60の開口部に配置されている。導波路70の長さL2は、例えば、約700μm程度以下である。また、導波路70における第1の電極4と第2の電極2間の間隔は、例えば、約24μm程度である。   The waveguide 70 is disposed in the opening of the resonator 60. The length L2 of the waveguide 70 is, for example, about 700 μm or less. In addition, the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2 in the waveguide 70 is, for example, about 24 μm.

なお、ホーン開口部80のホーン形状は、電磁波を空気中から有効に検出するために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を空気中から効率よく検出することができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、2次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。   Note that the horn shape of the horn opening 80 is a structure necessary for effectively detecting electromagnetic waves from the air. Due to the horn shape, electromagnetic waves can be efficiently detected from the air with good impedance matching. The shape of the horn is not limited to a linear shape, but may be a non-linear shape, a curved shape, a quadratic curved shape, a parabolic shape, a stepped shape, or the like.

共振器60には、2箇所の凹部5、6が形成されており、この2つの凹部5、6に挟まれて、凸部7が形成されている。そして、第1の電極4の凸部7の略中央部には突起部8が形成され、この突起部8の下側に第2の電極2と挟まれるように、能動素子90が配置される。   In the resonator 60, two concave portions 5 and 6 are formed, and a convex portion 7 is formed between the two concave portions 5 and 6. Then, a protrusion 8 is formed at a substantially central portion of the protrusion 7 of the first electrode 4, and an active element 90 is disposed below the protrusion 8 so as to be sandwiched between the second electrode 2. .

共振器60の長さL1は、例えば、約30μm程度以下である。突起部8の長さは、例えば、約6μm程度以下である。また、凹部5、6の幅(第1の電極4と第2の電極2との間隔)は、例えば、約4μm程度である。能動素子90の寸法は、例えば、約1.4μm2程度である。但し、能動素子90のサイズは、この値に限定されず、例えば、約5.3μm2程度以下であってもよい。能動素子90の詳細構造については後述する。共振器60の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、受信するテラヘルツ電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。 The length L1 of the resonator 60 is, for example, about 30 μm or less. The length of the protrusion 8 is, for example, about 6 μm or less. Further, the width of the recesses 5 and 6 (the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2) is, for example, about 4 μm. The dimension of the active element 90 is, for example, about 1.4 μm 2 . However, the size of the active element 90 is not limited to this value, and may be, for example, about 5.3 μm 2 or less. The detailed structure of the active element 90 will be described later. The size of each part of the resonator 60 is not limited to the above dimensions, and is appropriately set in design according to the frequency of the terahertz electromagnetic wave to be received.

また、図1に示すように、導波路70における第1の電極4と第2の電極2間の間隔に比べて、共振器60が形成されている部分の第1の電極4と第2の電極2間の間隔は、狭い。   Further, as shown in FIG. 1, compared with the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2 in the waveguide 70, the first electrode 4 and the second electrode in the portion where the resonator 60 is formed. The interval between the electrodes 2 is narrow.

MIMリフレクタ50は共振器60の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属/絶縁体/金属からなるMIMリフレクタ50の積層構造により、第1の電極4と第2の電極2は高周波的に短絡される。また、MIMリフレクタ50は、直流的には開放(オープン)でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。   The MIM reflector 50 is disposed at the closing portion on the opposite side of the opening of the resonator 60. Due to the laminated structure of the metal / insulator / metal MIM reflector 50, the first electrode 4 and the second electrode 2 are short-circuited in high frequency. Further, the MIM reflector 50 has an effect that it can reflect a high frequency while being open in terms of direct current.

第1の電極4(4a,4b,4c)および第2の電極2,2aは、いずれも例えば、Au/Pd/Tiのメタル積層構造からなり、Ti層は、後述する半絶縁性のInP基板からなる半導体基板1との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第1の電極4a,4b,4cおよび第2の電極2,2aの各部の厚さは、例えば、約数100nm程度であり、全体として、図2(a)および図2(b)に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第1の電極4、第2の電極2は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。   Each of the first electrode 4 (4a, 4b, 4c) and the second electrode 2, 2a has, for example, a metal laminated structure of Au / Pd / Ti, and the Ti layer is a semi-insulating InP substrate described later. It is a buffer layer for making the contact state with the semiconductor substrate 1 which consists of favorable. The thickness of each part of the first electrodes 4a, 4b, 4c and the second electrodes 2, 2a is, for example, about several hundred nm, and as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b) as a whole. A flattened laminated structure is obtained. Note that both the first electrode 4 and the second electrode 2 can be formed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.

さらに詳細には、第1の電極4aおよび第1の電極4cは、例えば、Au/Pd/Tiからなり、第1の電極4bは、例えば、Au/Tiからなる。第2の電極2は、例えば、Au/Pd/Tiからなり、第2の電極2aは、例えば、Au/Tiからなる。   More specifically, the first electrode 4a and the first electrode 4c are made of, for example, Au / Pd / Ti, and the first electrode 4b is made of, for example, Au / Ti. The second electrode 2 is made of, for example, Au / Pd / Ti, and the second electrode 2a is made of, for example, Au / Ti.

尚、第1の電極4bの表面層を形成するTi層は、ボンディングワイヤ(図示省略)によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第2の電極2aの表面層を形成するTi層は、ボンディングワイヤ(図示省略)によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。   Note that the Ti layer forming the surface layer of the first electrode 4b is desirably removed in order to reduce the contact resistance when the extraction electrode is formed by a bonding wire (not shown). Similarly, the Ti layer forming the surface layer of the second electrode 2a is desirably removed in order to reduce the contact resistance when forming the extraction electrode with a bonding wire (not shown).

絶縁層3は、例えば、SiO2膜で形成することができる。その他、Si34膜、SiON膜、HfO2膜、Al23膜などを適用することもできる。なお、絶縁層3の厚さは、MIMリフレクタ50の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数10nm〜数100nm程度である。絶縁層3は、化学的気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 The insulating layer 3 can be formed of, for example, a SiO 2 film. In addition, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like can be applied. The thickness of the insulating layer 3 can be determined in consideration of the geometric plane size of the MIM reflector 50 and the required capacitor value in terms of circuit characteristics, and is, for example, about several tens nm to several hundreds nm. . The insulating layer 3 can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method, a sputtering method, or the like.

―共鳴トンネルダイオード―
実施の形態に係るテラヘルツ検出素子に適用可能な共鳴トンネルダイオード(RTD)の模式的断面構造は、図3(a)に示すように表され、その変形例の模式的断面構造は、図3(b)に示すように表される。
―Resonant tunnel diode―
A schematic cross-sectional structure of a resonant tunneling diode (RTD) applicable to the terahertz detection element according to the embodiment is represented as shown in FIG. 3A, and a schematic cross-sectional structure of the modified example is shown in FIG. It is expressed as shown in b).

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子に適用可能な能動素子90としてRTDの構成例は、図3(a)に示すように、半絶縁性のInP基板からなる半導体基板1上に配置され,n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91aと、GaInAs層91a上に配置され,n型不純物をドープされたGaInAs層92aと、GaInAs層92a上に配置されたアンドープのGaInAs層93bと、GaInAs層93b上に配置されたAlAs層94a/GaInAs層95/AlAs層94bから構成されたRTD部と、AlAs層94b上に配置されたアンドープのGaInAs層93bと、GaInAs層93a上に配置され,n型不純物をドープされたGaInAs層92bと、GaInAs層92b上に配置され,n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91bと、GaInAs層91b上に配置された第1の電極4aと、GaInAs層91a上に配置された第2の電極2とを備える。   As shown in FIG. 3A, a configuration example of an RTD as an active element 90 applicable to the terahertz detection element according to the embodiment is arranged on a semiconductor substrate 1 made of a semi-insulating InP substrate, and is n-type. GaInAs layer 91a doped with impurities at a high concentration, GaInAs layer 92a doped with n-type impurities, GaInAs layer 92b disposed on GaInAs layer 92a, and GaInAs layer disposed on GaInAs layer 91a An RTD portion composed of an AlAs layer 94a / GaInAs layer 95 / AlAs layer 94b disposed on 93b, an undoped GaInAs layer 93b disposed on the AlAs layer 94b, and an n-type layer disposed on the GaInAs layer 93a An impurity-doped GaInAs layer 92b and an n-type impurity disposed on the GaInAs layer 92b A GaInAs layer 91b doped with a material at a high concentration, a first electrode 4a disposed on the GaInAs layer 91b, and a second electrode 2 disposed on the GaInAs layer 91a are provided.

変形例では、図3(b)に示すように、n型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91b上に更にn型不純物を高濃度にドープされたGaInAs層91cを配置し、第1の電極4aとのコンタクトを良好にしている。   In the modification, as shown in FIG. 3B, a GaInAs layer 91c doped with a high concentration of n-type impurities is further disposed on a GaInAs layer 91b doped with a high concentration of n-type impurities, and the first The contact with the electrode 4a is made good.

図3(a)および図3(b)に示すように、RTD部は、GaInAs層95をAlAs層94a、94bで挟んで形成されている。このように積層されたRTD部は、スペーサとして用いられるアンドープGaInAs層93a、93bを介在させてn型のGaInAs層92a、92b、及びn+型のGaInAs層91a、91b、若しくは91cを介して、第2の電極2と第1の電極4にオーミックに接続される構造となっている。 As shown in FIGS. 3A and 3B, the RTD portion is formed by sandwiching a GaInAs layer 95 between AlAs layers 94a and 94b. The RTD portion laminated in this way is interposed with n-type GaInAs layers 92a and 92b and n + -type GaInAs layers 91a, 91b or 91c with undoped GaInAs layers 93a and 93b used as spacers interposed therebetween. The second electrode 2 and the first electrode 4 are ohmicly connected.

ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。   Here, the thickness of each layer is as follows, for example.

+型のGaInAs層91a、91b・91cの厚さは、それぞれ例えば、約400nm、15nm・8nm程度である。n型のGaInAs層92aおよび92bの厚さは、略等しく、例えば、約25nm程度である。アンドープGaInAs層93a・93bの厚さは、例えば、約2nm・20nm程度である。AlAs層94aおよび94bの厚さは、等しく、例えば、約1.1nm程度である。GaInAs層95の厚さは、例えば、約4.5nm程度である。 The thicknesses of the n + -type GaInAs layers 91a, 91b, and 91c are, for example, about 400 nm, 15 nm, and 8 nm, respectively. The thicknesses of the n-type GaInAs layers 92a and 92b are substantially equal, for example, about 25 nm. The undoped GaInAs layers 93a and 93b have a thickness of about 2 nm and 20 nm, for example. The thicknesses of the AlAs layers 94a and 94b are equal, for example, about 1.1 nm. The thickness of the GaInAs layer 95 is about 4.5 nm, for example.

なお、図3(a)および図3(b)に示す積層構造の側壁部には、SiO2膜、Si34膜、SiON膜、HfO2膜、Al23膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、CVD法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 Note that, on the side wall portion of the stacked structure shown in FIGS. 3A and 3B, the SiO 2 film, the Si 3 N 4 film, the SiON film, the HfO 2 film, the Al 2 O 3 film, etc., or these An insulating film made of a multilayer film can also be deposited. The insulating layer can be formed by a CVD method, a sputtering method, or the like.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子は、テラヘルツ発振素子と同一の製造工程で形成することも可能である。ここで、同一工程で製造されたテラヘルツ発振素子RTD(O)と集積化された実施の形態に係るテラヘルツ検出素子RTD(D)の模式的断面構造は、図4に示すように表される。各層の構成は、図3(b)と同様であるため、重複説明は省略する。   The terahertz detection element according to the embodiment can be formed in the same manufacturing process as the terahertz oscillation element. Here, a schematic cross-sectional structure of the terahertz detection element RTD (D) according to the embodiment integrated with the terahertz oscillation element RTD (O) manufactured in the same process is expressed as shown in FIG. Since the configuration of each layer is the same as that in FIG.

例えば、同一工程で製造されたテラヘルツ発振素子において、室温で観測した発振周波数は、約300GHz程度である。また、例えば、発振時におけるテラヘルツ発振素子の電流密度Jpは、約7mA/μm2程度である。 For example, in a terahertz oscillation device manufactured in the same process, the oscillation frequency observed at room temperature is about 300 GHz. Further, for example, the current density Jp of the terahertz oscillation element at the time of oscillation is about 7 mA / μm 2 .

尚、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子においては、テラヘルツ発振素子に比べ、バリア層となるAlAs層94aおよび94bの厚さを厚く形成して、検出時におけるテラヘルツ検出素子の電流密度Jpを低く設定して、低雑音化を図っても良い。同様に、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子においては、テラヘルツ発振素子に比べ、n型のGaInAs層92aおよび92bのドーピングレベルを低く形成して、検出時におけるテラヘルツ検出素子の電流密度Jpを低く設定して、低雑音化を図っても良い。発振素子の場合は、RTDの電流密度が大きい方が望ましいが、検出素子として用いる場合に、発振が雑音となる可能性があるので、RTDの電流密度は、相対的に低い方が望ましい。このため、発振が雑音となる可能性がある場合には、このように電流密度を敢えて低下させて低雑音化のための構造を備えていても良い。   In the terahertz detection element according to the embodiment, the AlAs layers 94a and 94b serving as barrier layers are formed thicker than the terahertz oscillation element, and the current density Jp of the terahertz detection element during detection is set low. Thus, noise reduction may be achieved. Similarly, in the terahertz detection element according to the embodiment, the doping level of the n-type GaInAs layers 92a and 92b is formed lower than that of the terahertz oscillation element, and the current density Jp of the terahertz detection element at the time of detection is set low. Thus, noise reduction may be achieved. In the case of an oscillation element, it is desirable that the RTD current density is large. However, when used as a detection element, oscillation may cause noise, so the RTD current density is desirably relatively low. For this reason, when there is a possibility that the oscillation becomes noise, a structure for reducing the noise may be provided by deliberately reducing the current density.

本実施の形態に係るテラヘルツ検出素子においては、寄生発振抑制用のビスマス(Bi)配線も不要である。   In the terahertz detection element according to the present embodiment, bismuth (Bi) wiring for suppressing parasitic oscillation is also unnecessary.

―回路構成―
実施の形態に係るテラヘルツ検出素子の模式的回路構成は、図5(a)に示すように、能動素子90を構成するダイオードと、MIMリフレクタ50を構成するキャパシタCMの並列回路によって表される。第1の電極4にはダイオードのアノードが接続され、第2の電極2には、ダイオードのカソードが接続され、第1の電極4にはマイナスの電圧、第2の電極2にはプラスの電圧が印加される。検出状態においては、ホーン開口部の開口方向であるY軸方向からの電磁波(hν)が指向性良く検出 される。
―Circuit configuration―
A schematic circuit configuration of the terahertz detection element according to the embodiment is represented by a parallel circuit of a diode that configures the active element 90 and a capacitor CM that configures the MIM reflector 50, as illustrated in FIG. A diode anode is connected to the first electrode 4, a diode cathode is connected to the second electrode 2, a negative voltage is applied to the first electrode 4, and a positive voltage is applied to the second electrode 2. Is applied. In the detection state, the electromagnetic wave (hν) from the Y-axis direction, which is the opening direction of the horn opening, is detected with good directivity.

図5(a)に対応する簡易等価回路構成は、図5(b)に示すように、能動素子90を構成するRTDは、キャパシタC01とインダクタL01の並列回路で表わすことができ、MIMリフレクタ50のキャパシタCMがさらに並列に接続される。   In the simple equivalent circuit configuration corresponding to FIG. 5A, as shown in FIG. 5B, the RTD constituting the active element 90 can be represented by a parallel circuit of a capacitor C01 and an inductor L01, and the MIM reflector 50 Are further connected in parallel.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図6(a)に示すように、ダイオード(RTD)系を表す能動素子90・キャパシタCMの並列回路に対して、アンテナ(ANT)系を表すアンテナインダクタL・アンテナキャパシタCA・アンテナ放射抵抗GANTの並列回路が並列に接続される。 A schematic equivalent circuit configuration including the antenna system of the terahertz detection element according to the embodiment is as shown in FIG. 6A with respect to a parallel circuit of an active element 90 and a capacitor CM representing a diode (RTD) system. A parallel circuit of an antenna inductor L representing an antenna (ANT) system, an antenna capacitor CA, and an antenna radiation resistance GANT is connected in parallel.

図6(a)の能動素子90を構成するダイオードの等価回路構成は、図6(b)に示すように、コンタクト抵抗Rc・コンタクトキャパシタCcからなるコンタクト部分の並列回路と、外部ダイオードキャパシタCD・内部ダイオードキャパシタCd・ダイオード負性抵抗(−Gd)からなるダイオード部分の並列回路と、インダクタLM・抵抗RMからなるメサ部分の直列回路が直列接続された構成を備える。   As shown in FIG. 6 (b), the equivalent circuit configuration of the diode constituting the active element 90 of FIG. 6 (a) is as follows. A parallel circuit of a diode part composed of an internal diode capacitor Cd and a diode negative resistance (-Gd) and a series circuit of a mesa part composed of an inductor LM and a resistor RM are connected in series.

ここで、等価回路全体のアドミッタンスYは、
Y=Yd+Yc・Ya・Ym/(Yc・Ya+Ya・Ym+Yc・Ym)
で表される。ここで、Yd=−Gd+jωCd、Yc=1/Rc+jωCc、Ym=1/(Rm+jωLm)であり、Yaはアンテナ系のアドミッタンス、ωは発振角周波数を表す。各パラメータは、能動素子90を構成するダイオード(RTD)の物性値から求めることができる。
Here, the admittance Y of the entire equivalent circuit is
Y = Yd + Yc.Ya.Ym / (Yc.Ya + Ya.Ym + Yc.Ym)
It is represented by Here, Yd = −Gd + jωCd, Yc = 1 / Rc + jωCc, Ym = 1 / (Rm + jωLm), Ya represents the admittance of the antenna system, and ω represents the oscillation angular frequency. Each parameter can be obtained from a physical property value of a diode (RTD) constituting the active element 90.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子の電流−電圧特性例は、図7に示すように表され、約0.75Vにおいて、ピーク電流Ipの値は、約12mAが得られている。また、0.7V〜1.0Vの範囲において、負性微分抵抗(NDR:Negative Differential resistance)得られている。峰谷比(peak-to-valley ratio)は、約3である。   An example of the current-voltage characteristic of the terahertz detection element according to the embodiment is expressed as shown in FIG. 7, and the value of the peak current Ip is about 12 mA at about 0.75 V. Further, negative differential resistance (NDR) is obtained in the range of 0.7V to 1.0V. The peak-to-valley ratio is about 3.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子と同一工程で作製されたテラヘルツ発振素子において、共振器長L1をパラメータとする発振周波数fとピーク電流Ipの関係は、図8に示すように表される。共振器長L1=80μmでは、約250〜300GHz、L1=60μmでは、約300〜320GHz、L1=40μmでは、約350〜370GHz、L1=20μmでは、約380〜400GHzの発振周波数fが得られている。ピーク電流Ipの値は、約4〜10mAである。共振器長L1が短くなると、発振周波数fは増加する傾向にある。   In the terahertz oscillation element manufactured in the same process as the terahertz detection element according to the embodiment, the relationship between the oscillation frequency f using the resonator length L1 as a parameter and the peak current Ip is expressed as shown in FIG. With the resonator length L1 = 80 μm, an oscillation frequency f of about 250 to 300 GHz, with L1 = 60 μm, about 300 to 320 GHz, with L1 = 40 μm, about 350 to 370 GHz, and with L1 = 20 μm, an oscillation frequency f of about 380 to 400 GHz is obtained. Yes. The value of the peak current Ip is about 4 to 10 mA. As the resonator length L1 becomes shorter, the oscillation frequency f tends to increase.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子と同一工程で作製されたテラヘルツ発振素子において、発振強度と発振周波数fの関係は、図9に示すように表される。室温で、約300GHzの発振周波数fが得られている。この発振周波数fの値は、図3に示される各層の構造、メサ領域の寸法、アンテナ構造などを調整することによって、変更可能である。   In the terahertz oscillation element manufactured in the same process as the terahertz detection element according to the embodiment, the relationship between the oscillation intensity and the oscillation frequency f is expressed as shown in FIG. An oscillation frequency f of about 300 GHz is obtained at room temperature. The value of the oscillation frequency f can be changed by adjusting the structure of each layer, the size of the mesa region, the antenna structure, and the like shown in FIG.

テラヘルツ検出素子として適用可能な比較例に係るショットキーバリアダイオード(SBD:Schottky Barrier Diode)の電流−電圧特性は、模式的に図10に示すように表される。   A current-voltage characteristic of a Schottky Barrier Diode (SBD) according to a comparative example applicable as a terahertz detection element is schematically represented as shown in FIG.

一方、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)の電流−電圧特性は、模式的に図11に示すように表される。実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)は、負性抵抗を有するため、SBDに比べて非線形性の大きい領域が存在し、感度が高くなる。   On the other hand, the current-voltage characteristic of the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment is schematically represented as shown in FIG. Since the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment has a negative resistance, there is a region with higher nonlinearity than SBD, and sensitivity is high.

SBDにおいては、ショットキーバリアを越えて流れる電子の数は、温度と共に上昇するため、温度が上がると、熱雑音が増大し、S/N比が低下する。一方、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)においては、トンネル電流に寄与する電子は、フェルミエネルギーレベルよりも低い電子である。このため、トンネル電流の温度依存性は小さい。したがって、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)においては、負性抵抗の前後では、非線形性が大きいので、S/N比が向上する。   In SBD, the number of electrons that flow beyond the Schottky barrier increases with temperature, so as the temperature increases, thermal noise increases and the S / N ratio decreases. On the other hand, in the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment, the electrons contributing to the tunnel current are electrons lower than the Fermi energy level. For this reason, the temperature dependence of the tunnel current is small. Therefore, in the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment, the nonlinearity is large before and after the negative resistance, so that the S / N ratio is improved.

図11に示すように、電流−電圧特性上の動作点QではNDR領域であることから、発振状態にある。したがって、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子においては、電流−電圧特性上の動作点を非発振状態とする必要がある。一方、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子において検出感度を増大するためには、電流−電圧特性上の動作点を非発振状態とするとともに、微分抵抗の変化率を最大化することが望ましい。このような動作点は、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子の電流−電圧特性上の動作点Pおよび動作点Qに相当する。すなわち、電流−電圧特性上の動作点Pおよび動作点Rでは、非発振状態にあり、しかも検出感度が極大値を取る。   As shown in FIG. 11, the operating point Q on the current-voltage characteristic is in the oscillation state because it is in the NDR region. Therefore, in the terahertz detection element according to the embodiment, the operating point on the current-voltage characteristic needs to be in a non-oscillating state. On the other hand, in order to increase the detection sensitivity in the terahertz detection element according to the embodiment, it is desirable to set the operating point on the current-voltage characteristic to the non-oscillation state and maximize the rate of change of the differential resistance. Such an operating point corresponds to the operating point P and the operating point Q on the current-voltage characteristics of the terahertz detecting element according to the embodiment. That is, the operating point P and the operating point R on the current-voltage characteristic are in a non-oscillating state, and the detection sensitivity has a maximum value.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)の電流−電圧特性例であって、室温動作において、テラヘルツ波の照射時(A)と、テラヘルツ波の非照射時(B)の特性変化は、図12に示すように表される。図12に示すように、バイアス電圧を例えば、0.5Vと設定することによって、テラヘルツ電磁波を良好な感度で、室温動作で検出可能である。   FIG. 6 is an example of current-voltage characteristics of the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment, and the characteristics change between the time of irradiation with the terahertz wave (A) and the time of non-irradiation of the terahertz wave in the room temperature operation is illustrated in FIG. As shown in FIG. As shown in FIG. 12, by setting the bias voltage to 0.5 V, for example, terahertz electromagnetic waves can be detected with good sensitivity and at room temperature operation.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)を検出素子として適用するテラヘルツ無線通信方式の模式的ブロック構成は、図13に示す示すように、テラヘルツ発振素子38を備えるテラヘルツ送信器100と、テラヘルツ検出素子44を備えるテラヘルツ受信器200とを備える。ここで、テラヘルツ検出素子44は、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)を適用可能である。ここで、テラヘルツ発振素子38は、例えば、負性微分抵抗領域(NDR)に動作点を有し、テラヘルツ電磁波を発生すると共に、テラヘルツ検出素子44は、テラヘルツ発振素子38から発生されたテラヘルツ電磁波を検出する。   A schematic block configuration of a terahertz wireless communication system in which the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment is applied as a detection element includes a terahertz transmitter 100 including a terahertz oscillation element 38 and a terahertz detection as illustrated in FIG. A terahertz receiver 200 including an element 44. Here, the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment can be applied to the terahertz detection element 44. Here, the terahertz oscillation element 38 has an operating point in a negative differential resistance region (NDR), for example, and generates a terahertz electromagnetic wave, and the terahertz detection element 44 receives the terahertz electromagnetic wave generated from the terahertz oscillation element 38. To detect.

実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)と同一構成のテラヘルツ発振素子(RTD)を利用したテラヘルツ無線通信方式の構成は、図14に示すように表される。図14においては、図1に示された実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)と同一構成のテラヘルツ発振素子(RTD)を利用している。このため、同一工程で製造したテラヘルツ発振素子と組み合わせることによって、送信器および検出器が、飛躍的に小さくなり、高感度、低雑音でテラヘルツ電磁波の無線送受信方式を提供することができる。   The configuration of the terahertz wireless communication system using the terahertz oscillation element (RTD) having the same configuration as the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment is expressed as shown in FIG. In FIG. 14, a terahertz oscillation element (RTD) having the same configuration as that of the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment shown in FIG. 1 is used. For this reason, by combining with the terahertz oscillation device manufactured in the same process, the transmitter and the detector are drastically reduced, and a radio transmission / reception system of terahertz electromagnetic waves can be provided with high sensitivity and low noise.

―変形例1―
実施の形態に係るの変形例1に係るテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰構造は、図15に示すように表される。
-Modification 1-
A schematic bird's-eye view structure of the terahertz detection element according to the first modification according to the embodiment is expressed as shown in FIG.

変形例1においては、図15に示すように、半導体基板1は、共振器60,導波路70,およびホーン開口部80を形成する第1の電極4および第2の電極2の配置される領域において薄層化されている。さらに、図15に示すように、第1の電極4と第2の電極2間の導波路70,およびホーン開口部80の半導体基板1aは、完全に除去されていても良い。その他の構成は、図1の構成と同様であるため、各部の説明は省略する。   In Modification 1, as shown in FIG. 15, the semiconductor substrate 1 is a region where the first electrode 4 and the second electrode 2 that form the resonator 60, the waveguide 70, and the horn opening 80 are disposed. In FIG. Further, as shown in FIG. 15, the waveguide 70 between the first electrode 4 and the second electrode 2 and the semiconductor substrate 1a of the horn opening 80 may be completely removed. Since other configurations are the same as the configuration in FIG. 1, description of each part is omitted.

図15において、薄層化された半導体基板1aの厚さは、例えば、約20μm程度である。また、導波路70の長さは、例えば、約700μm程度以下であり、ホーン開口部80の長さも例えば、約700μm程度以下である。MIMリフレクタ50を含む変形例1に係るテラヘルツ検出素子の全体の長さは、例えば、約1600μm程度以下でる。   In FIG. 15, the thickness of the thinned semiconductor substrate 1a is, for example, about 20 μm. The length of the waveguide 70 is, for example, about 700 μm or less, and the length of the horn opening 80 is, for example, about 700 μm or less. The total length of the terahertz detection element according to the first modification including the MIM reflector 50 is, for example, about 1600 μm or less.

変形例1に係るテラヘルツ検出素子をテラヘルツ発振素子として動作させた場合の電磁界シミュレーション結果によれば、薄層化された半導体基板1a上のY軸方向に延伸する電極パターンに沿って、Y軸方向に一定の間隔で電界パターンが発生し、半導体基板1aに垂直方向(−Z軸方向)の電界の漏れはほとんどない。また、XYZ軸方向における3次元の電磁界シミュレーション結果によれば、Y軸方向の指向性が顕著に良好となる。また、Y軸方向放射強度と発振周波数との関係からは高調波成分が抑制され、指向性が向上する結果も得られている。薄層化された半導体基板1aを形成する技術としては、メムス(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)素子の形成技術を適用することができる。   According to the electromagnetic field simulation result when the terahertz detection element according to the first modification is operated as a terahertz oscillation element, the Y axis is extended along the electrode pattern extending in the Y axis direction on the thinned semiconductor substrate 1a. Electric field patterns are generated at regular intervals in the direction, and there is almost no electric field leakage in the direction perpendicular to the semiconductor substrate 1a (−Z axis direction). Further, according to the three-dimensional electromagnetic field simulation result in the XYZ-axis directions, the directivity in the Y-axis direction is remarkably improved. Further, from the relationship between the Y-axis direction radiation intensity and the oscillation frequency, the harmonic component is suppressed, and the directivity is improved. As a technique for forming the thinned semiconductor substrate 1a, a technique for forming a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element can be applied.

変形例1に係るテラヘルツ検出素子によれば、半導体基板を薄層化することによって、基板の影響を抑制することが可能となり、指向性を向上させ、高効率に、基板に対して横方向の電波を検出することができ、しかも集積化が容易である。   According to the terahertz detection element according to the first modification, by reducing the thickness of the semiconductor substrate, it is possible to suppress the influence of the substrate, improve directivity, and highly efficiently in a lateral direction with respect to the substrate. Radio waves can be detected and integration is easy.

変形例1に係るテラヘルツ検出素子によれば、半導体基板を薄層化することによって、基板の影響を抑制することが可能となり、基板に水平な方向に指向性を向上させ、効率良く、テラヘルツ電磁波を検出することが可能となる。   According to the terahertz detection element according to the first modification, the influence of the substrate can be suppressed by thinning the semiconductor substrate, the directivity is improved in the direction horizontal to the substrate, and the terahertz electromagnetic wave is efficiently generated. Can be detected.

―変形例2―
実施の形態の変形例2に係るテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰構造は、図16に示すように表され、また、図16に対応した第1の電極4、第2の電極2aおよび半導体層91aのパターン構造の模式的平面図は、図17に示すように表される。また、図16のIII−III線に沿う模式的断面構造は、図18(a)に示すように表され、図16のIV−IV線に沿う模式的断面構造は、図18(b)に示すように表される。
-Modification 2-
A schematic bird's-eye view structure of the terahertz detection element according to the second modification of the embodiment is expressed as shown in FIG. 16, and the first electrode 4, the second electrode 2a, and the semiconductor layer 91a corresponding to FIG. A schematic plan view of the pattern structure is expressed as shown in FIG. Further, a schematic cross-sectional structure taken along line III-III in FIG. 16 is represented as shown in FIG. 18A, and a schematic cross-sectional structure taken along line IV-IV in FIG. 16 is shown in FIG. Represented as shown.

変形例2に係るテラヘルツ検出素子は、図16〜図18に示すように、絶縁体基板10と、絶縁体基板10上に配置された第1の電極4(4a,4b,4c)と、第1の電極4a上に配置された絶縁層3と、絶縁体基板10上に配置された層間絶縁膜9と、層間絶縁膜9上に配置され、かつ第1の電極4aに対して絶縁層3を介して第1の電極4に対向して配置された第2の電極2,2aと、第2の電極2上に配置された半導体層91aと、絶縁層3を挟み第1の電極4aと第2の電極2間に形成されたMIMリフレクタ50と、MIMリフレクタ50に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された共振器60と、共振器60の略中央部に配置された能動素子90と、共振器60に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された導波路70と、導波路70に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置されたホーン開口部80とを備える。   As shown in FIGS. 16 to 18, the terahertz detection element according to Modification 2 includes an insulator substrate 10, a first electrode 4 (4 a, 4 b, 4 c) disposed on the insulator substrate 10, An insulating layer 3 disposed on one electrode 4a, an interlayer insulating film 9 disposed on an insulator substrate 10, and an insulating layer 3 disposed on the interlayer insulating film 9 and with respect to the first electrode 4a. A second electrode 2, 2 a disposed opposite to the first electrode 4 via the semiconductor layer 91, a semiconductor layer 91 a disposed on the second electrode 2, and the first electrode 4 a sandwiching the insulating layer 3 The MIM reflector 50 formed between the second electrodes 2, and the resonator 60 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing the insulator substrate 10 adjacent to the MIM reflector 50. An active element 90 disposed substantially at the center of the resonator 60, and an insulator substrate adjacent to the resonator 60. The waveguide 70 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2 facing each other on the substrate 10, and the first electrode 4 and the second electrode facing each other on the insulator substrate 10 adjacent to the waveguide 70. A horn opening 80 disposed between the two electrodes 2.

ホーン開口部80は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、10度程度以下に設定することが、テラヘルツ電磁波(hν)の検出方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部80の長さL3は、例えば、約700μm程度以下である。ホーン開口部80の先端部における開口幅は、例えば、約160μm程度である。   The horn opening 80 is composed of an open horn antenna. The opening angle θ of the horn opening is preferably set to about 10 degrees or less, for example, in order to provide directivity in the terahertz electromagnetic wave (hν) detection direction. The length L3 of the horn opening 80 is, for example, about 700 μm or less. The opening width at the tip of the horn opening 80 is, for example, about 160 μm.

導波路70は、共振器60の開口部に配置されている。導波路70の長さL2は、例えば、約700μm程度以下である。また、導波路70における第1の電極4と第2の電極2間の間隔は、例えば、約24μm程度である。   The waveguide 70 is disposed in the opening of the resonator 60. The length L2 of the waveguide 70 is, for example, about 700 μm or less. In addition, the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2 in the waveguide 70 is, for example, about 24 μm.

なお、ホーン開口部80のホーン形状は、テラヘルツ電磁波を空気中から有効に検出するために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良くテラヘルツ電磁波を空気中から効率よく検出することができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、2次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。   Note that the horn shape of the horn opening 80 is a structure necessary for effectively detecting terahertz electromagnetic waves from the air. By the horn shape, terahertz electromagnetic waves can be efficiently detected from the air with good impedance matching. The shape of the horn is not limited to a linear shape, but may be a non-linear shape, a curved shape, a quadratic curved shape, a parabolic shape, a stepped shape, or the like.

共振器60には、2箇所の凹部5、6が形成されており、この2つの凹部5、6に挟まれて、凸部7が形成されている。そして、半導体層91aの凸部7の略中央部には突起部8が形成され、この突起部8の下側に第1の電極4aと挟まれるように、能動素子90が配置される。   In the resonator 60, two concave portions 5 and 6 are formed, and a convex portion 7 is formed between the two concave portions 5 and 6. A protrusion 8 is formed at a substantially central portion of the protrusion 7 of the semiconductor layer 91a, and an active element 90 is disposed below the protrusion 8 so as to be sandwiched between the first electrode 4a.

共振器60の長さL1は、例えば、約30μm程度以下である。突起部8の長さは、例えば、約6μm程度以下である。また、凹部5、6の幅(第1の電極4と第2の電極2との間隔)は、例えば、約4μm程度である。能動素子90の寸法は、例えば、約1.4μm2程度である。但し、能動素子90のサイズは、この値に限定されず、例えば、約5.3μm2程度以下であってもよい。共振器60の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、受信するテラヘルツ電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。 The length L1 of the resonator 60 is, for example, about 30 μm or less. The length of the protrusion 8 is, for example, about 6 μm or less. Further, the width of the recesses 5 and 6 (the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2) is, for example, about 4 μm. The dimension of the active element 90 is, for example, about 1.4 μm 2 . However, the size of the active element 90 is not limited to this value, and may be, for example, about 5.3 μm 2 or less. The size of each part of the resonator 60 is not limited to the above dimensions, and is appropriately set in design according to the frequency of the terahertz electromagnetic wave to be received.

また、図16に示すように、導波路70における第1の電極4と第2の電極2間の間隔に比べて、共振器60が形成されている部分の第1の電極4と第2の電極2間の間隔は、狭い。   In addition, as shown in FIG. 16, compared with the distance between the first electrode 4 and the second electrode 2 in the waveguide 70, the first electrode 4 and the second electrode in the portion where the resonator 60 is formed. The interval between the electrodes 2 is narrow.

MIMリフレクタ50は共振器60の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属/絶縁体/金属からなるMIMリフレクタ50の積層構造により、第1の電極4と第2の電極2は高周波的に短絡される。また、MIMリフレクタ50は、直流的には開放(オープン)でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。   The MIM reflector 50 is disposed at the closing portion on the opposite side of the opening of the resonator 60. Due to the laminated structure of the metal / insulator / metal MIM reflector 50, the first electrode 4 and the second electrode 2 are short-circuited in high frequency. Further, the MIM reflector 50 has an effect that it can reflect a high frequency while being open in terms of direct current.

第1の電極4(4a,4b,4c)および第2の電極2,2aは、いずれも例えば、Au/Pd/Tiのメタル積層構造からなり、Ti層は、絶縁体基板10との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第1の電極4a,4b,4cおよび第2の電極2,2aの各部の厚さは、例えば、約数100nm程度であり、全体として、図18(a)および図18(b)に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第1の電極4、第2の電極2は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。   Each of the first electrode 4 (4a, 4b, 4c) and the second electrode 2, 2a has, for example, an Au / Pd / Ti metal laminated structure, and the Ti layer is in contact with the insulator substrate 10. This is a buffer layer for improving the resistance. The thickness of each part of the first electrodes 4a, 4b, 4c and the second electrodes 2, 2a is, for example, about several hundred nm, and as a whole, as shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b). A flattened laminated structure is obtained. Note that both the first electrode 4 and the second electrode 2 can be formed by a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.

さらに詳細には、第1の電極4aおよび第1の電極4cは、例えば、Au/Pd/Tiからなり、第1の電極4bは、例えば、Au/Tiからなる。第2の電極2は、例えば、Au/Pd/Tiからなり、第2の電極2aは、例えば、Au/Tiからなる。   More specifically, the first electrode 4a and the first electrode 4c are made of, for example, Au / Pd / Ti, and the first electrode 4b is made of, for example, Au / Ti. The second electrode 2 is made of, for example, Au / Pd / Ti, and the second electrode 2a is made of, for example, Au / Ti.

尚、第1の電極4bの表面層を形成するTi層は、ボンディングワイヤ12bによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第2の電極2aの表面層を形成するTi層は、ボンディングワイヤ12aによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。   Note that the Ti layer forming the surface layer of the first electrode 4b is desirably removed in order to reduce the contact resistance when the extraction electrode is formed by the bonding wire 12b. Similarly, the Ti layer forming the surface layer of the second electrode 2a is desirably removed in order to reduce the contact resistance when the extraction electrode is formed by the bonding wire 12a.

絶縁層3は、例えば、SiO2膜で形成することができる。その他、Si34膜、SiON膜、HfO2膜、Al23膜などを適用することもできる。なお、絶縁層3の厚さは、MIMリフレクタ50の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数10nm〜数100nm程度である。絶縁層3は、CVD法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 The insulating layer 3 can be formed of, for example, a SiO 2 film. In addition, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like can be applied. The thickness of the insulating layer 3 can be determined in consideration of the geometric plane size of the MIM reflector 50 and the required capacitor value in terms of circuit characteristics, and is, for example, about several tens nm to several hundreds nm. . The insulating layer 3 can be formed by a CVD method or a sputtering method.

同様に、層間絶縁膜9は、例えば、SiO2膜で形成することができる。その他、Si34膜、SiON膜、HfO2膜、Al23膜などを適用することもできる。層間絶縁膜9の厚さは、図18(a)に示すように、第2の電極2aと層間絶縁膜9の全体の厚さが、第1の電極4の厚さと略同程度となるように設定されている。層間絶縁膜9は、CVD法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。 Similarly, the interlayer insulating film 9 can be formed of, for example, a SiO 2 film. In addition, a Si 3 N 4 film, a SiON film, a HfO 2 film, an Al 2 O 3 film, or the like can be applied. As shown in FIG. 18A, the thickness of the interlayer insulating film 9 is such that the total thickness of the second electrode 2a and the interlayer insulating film 9 is substantially the same as the thickness of the first electrode 4. Is set to The interlayer insulating film 9 can be formed by a CVD method or a sputtering method.

また、絶縁体基板10は、半導体層91aよりも低誘電率材料の基板からなることが、電波を効率良く検出する上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板10としては、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン(登録商標)基板などを適用することができる。絶縁体基板10の厚さは、例えば、200μm程度である。   The insulator substrate 10 is preferably made of a substrate having a lower dielectric constant than that of the semiconductor layer 91a in order to detect radio waves efficiently. As the insulating substrate 10 made of a low dielectric constant material, for example, a polyimide resin substrate, a Teflon (registered trademark) substrate, or the like can be applied. The thickness of the insulator substrate 10 is, for example, about 200 μm.

変形例2に係るテラヘルツ検出素子において、上方は空気であるため、比誘電率εair=1である。絶縁体基板10として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、ポリイミド樹脂の比誘電率εpoly=3.5であるため、全体の受信電波に対する絶縁体基板10の下方からの受信電波の割合は、εpoly 3/2/(εair 3/2+εpoly 3/2)=0.87で表される。すなわち、全体の受信電波の内、約87%は、絶縁体基板10側から検出され、ホーン開口部80を介して横方向から検出される受信電波は、相対的に増大する。 In the terahertz detection element according to Modification 2, since the upper side is air, the relative permittivity ε air = 1. When a polyimide resin substrate is used as the insulator substrate 10, since the relative dielectric constant ε poly = 3.5 of the polyimide resin, the ratio of the received radio wave from below the insulator substrate 10 to the total received radio wave is ε poly 3/2 / (ε air 3/2 + ε poly 3/2 ) = 0.87. That is, about 87% of the total received radio waves are detected from the insulator substrate 10 side, and the received radio waves detected from the lateral direction through the horn opening 80 are relatively increased.

さらに、絶縁体基板10として、テフロン(登録商標)樹脂基板を使用すると、テフロン(登録商標)の比誘電率εtef=2.1であるため、全体の受信電波に対する絶縁体基板10の下方からの検出電波の割合は、εtef 3/2/(εair 3/2+εtef 3/2)=0.75で表される。すなわち、全体の受信電波の内、約75%は、絶縁体基板10側から検出され、ホーン開口部80を介して横方向から検出される受信電波は、相対的に増大する。 Further, when a Teflon (registered trademark) resin substrate is used as the insulator substrate 10, since the relative permittivity ε tef of the Teflon (registered trademark) is 2.1, the lower portion of the insulator substrate 10 with respect to the entire received radio wave The ratio of the detected radio wave is represented by ε tef 3/2 / (ε air 3/2 + ε tef 3/2 ) = 0.75. That is, about 75% of the total received radio waves are detected from the insulator substrate 10 side, and the received radio waves detected from the lateral direction through the horn opening 80 are relatively increased.

MIMリフレクタ50は、図18(a)に示すように、第1の電極4aと第2の電極2間に絶縁層3を介在させた構造から形成されている。また、図18(b)から明らかなように、RTDからなる能動素子90は、絶縁体基板10上に第1の電極4aを介して、配置されている。第1の電極4aは、RTDのn+GaInAs層91bに接触して配置されている。第2の電極2は、RTDのn+GaInAs層91aに接触して配置されている。さらに、第1の電極4(4b,4c)は、絶縁体基板10上に延在して配置されている。 As shown in FIG. 18A, the MIM reflector 50 is formed from a structure in which an insulating layer 3 is interposed between the first electrode 4 a and the second electrode 2. As is clear from FIG. 18B, the active element 90 made of RTD is disposed on the insulator substrate 10 via the first electrode 4a. The first electrode 4a is disposed in contact with the n + GaInAs layer 91b of the RTD. The second electrode 2 is disposed in contact with the n + GaInAs layer 91a of the RTD. Further, the first electrode 4 (4b, 4c) is disposed so as to extend on the insulator substrate 10.

このように、第1の電極4が、絶縁体基板10上に延在して配置されていることから、第1の電極4と第2の電極2は、互いに短絡されることがなく、RTDのn+GaInAs層91aとn+GaInAs層91b間に所定の直流バイアス電圧を印加することができる。 Thus, since the 1st electrode 4 is extended and arrange | positioned on the insulator board | substrate 10, the 1st electrode 4 and the 2nd electrode 2 are not mutually short-circuited, but RTD. A predetermined DC bias voltage can be applied between the n + GaInAs layer 91a and the n + GaInAs layer 91b.

なお、第1の電極4には、ボンディングワイヤ12bが接続され、第2の電極2aには、ボンディングワイヤ12aが接続されて、第1の電極4と第2の電極2a間には、直流電源15が接続されている。また、第1の電極4と第2の電極2a間には、寄生発振を防止するための抵抗(図示省略)が接続されている。   Note that a bonding wire 12b is connected to the first electrode 4, a bonding wire 12a is connected to the second electrode 2a, and a DC power source is connected between the first electrode 4 and the second electrode 2a. 15 is connected. In addition, a resistor (not shown) for preventing parasitic oscillation is connected between the first electrode 4 and the second electrode 2a.

変形例2に係るテラヘルツ検出素子の構造において、第1の電極4上に直接、また第2の電極2上に層間絶縁膜9を介して絶縁体基板10を貼付け、半導体基板1をエッチングで除去した後の上下反転した構造は、図18(a)および図18(b)に示すように表される。図18(a)および図18(b)に示すように、変形例2に係るテラヘルツ検出素子においては、第2の電極2上には半導体層91aが配置されが、第2の電極2aも露出するため、第2の電極2aに対して、ワイヤボンディングなどの電極取り出し工程を容易に行うことができる。   In the structure of the terahertz detection element according to the modified example 2, the insulator substrate 10 is pasted directly on the first electrode 4 and on the second electrode 2 via the interlayer insulating film 9, and the semiconductor substrate 1 is removed by etching. The inverted structure after the above is expressed as shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b). As shown in FIGS. 18A and 18B, in the terahertz detection element according to the second modification, the semiconductor layer 91a is disposed on the second electrode 2, but the second electrode 2a is also exposed. Therefore, an electrode extraction process such as wire bonding can be easily performed on the second electrode 2a.

変形例2に係るテラヘルツ検出素子の製造方法においては、図2(a)および図2(b)に示すように、半導体基板1上に半導体層91aを形成後、パターニングによって、半導体層91aの幅を狭く形成し、半導体層91a上に形成される第2の電極2のパターン幅を狭く形成する。残りの部分には、第2の電極2に接続し、所定の幅を有し、相対的に厚い第2の電極2aを形成する。結果として、図2(a)および図2(b)に示すように、第2の電極2aが、半導体基板1に接触する構造を得る。   In the method for manufacturing a terahertz detection element according to Modification 2, as shown in FIGS. 2A and 2B, after the semiconductor layer 91a is formed on the semiconductor substrate 1, the width of the semiconductor layer 91a is formed by patterning. And the pattern width of the second electrode 2 formed on the semiconductor layer 91a is narrowed. In the remaining portion, a second electrode 2a is formed which is connected to the second electrode 2 and has a predetermined width and is relatively thick. As a result, as shown in FIGS. 2A and 2B, a structure in which the second electrode 2a is in contact with the semiconductor substrate 1 is obtained.

次に、図18(a)および図18(b)に示すように、第1の電極4上に直接、また第2の電極2上に層間絶縁膜9を介して絶縁体基板10を貼付け、半導体基板1をエッチングで除去した後の上下反転した構造を得る。   Next, as shown in FIGS. 18A and 18B, the insulator substrate 10 is pasted directly on the first electrode 4 and on the second electrode 2 via the interlayer insulating film 9, A vertically inverted structure after the semiconductor substrate 1 is removed by etching is obtained.

次に、図16に示すように、第1の電極4にボンディングワイヤ12bを接続し、第2の電極2aに、ボンディングワイヤ12aを接続することで電極取り出しを実施する。   Next, as shown in FIG. 16, the bonding wire 12b is connected to the first electrode 4, and the bonding wire 12a is connected to the second electrode 2a, whereby the electrode is taken out.

半導体基板1は、例えば、半絶縁性のInP基板によって形成され、厚さは、例えば、約600μm程度である。InP基板のエッチング液としては、例えば、塩酸系のエッチング液を適用することができる。   The semiconductor substrate 1 is formed of, for example, a semi-insulating InP substrate and has a thickness of about 600 μm, for example. As the etching solution for the InP substrate, for example, a hydrochloric acid-based etching solution can be applied.

変形例2に係るテラヘルツ検出素子において、厚さdを有する絶縁体基板10をサンプル表面に貼付け、半導体基板をエッチングにより除去する工程後の模式的鳥瞰構造は、図19に示すように表され、図19の裏面から見た模式的鳥瞰構造は、図20に示すように表される。図19から明らかなように、第1の電極4は、直接絶縁体基板10に貼り付けられている。また、第2の電極2,2aは、図19では図示を省略しているが、図18(a)および図18(b)に示すように、層間絶縁膜9を介して絶縁体基板10に貼り付けられている。図20の詳細構造は、図16に対応している。   In the terahertz detection element according to Modification 2, a schematic bird's-eye view structure after the step of attaching the insulator substrate 10 having a thickness d to the sample surface and removing the semiconductor substrate by etching is represented as shown in FIG. A schematic bird's-eye view structure viewed from the back surface of FIG. 19 is expressed as shown in FIG. As is clear from FIG. 19, the first electrode 4 is directly attached to the insulator substrate 10. The second electrodes 2 and 2a are not shown in FIG. 19, but are formed on the insulator substrate 10 via the interlayer insulating film 9, as shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b). It is pasted. The detailed structure of FIG. 20 corresponds to FIG.

実施の形態の変形例2に係るテラヘルツ検出素子として、能動素子90に適用可能な共鳴トンネルダイオード(RTD)の模式的断面構造は、図3(a)と同様に表される。また、その変形例の模式的断面構造は、図3(b)と同様に表される。また、同一の製造工程で形成されたテラヘルツ検出素子RTD(D)とテラヘルツ発振素子RTD(O)の集積化構は、図4と同様に表される。   As a terahertz detecting element according to the second modification of the embodiment, a schematic cross-sectional structure of a resonant tunneling diode (RTD) applicable to the active element 90 is expressed in the same manner as FIG. Moreover, the schematic cross-sectional structure of the modification is represented similarly to FIG.3 (b). Further, an integrated structure of the terahertz detection element RTD (D) and the terahertz oscillation element RTD (O) formed in the same manufacturing process is expressed in the same manner as in FIG.

図3および図4は、半導体基板1上に配置された構造例であるが、その後の工程によって、第1の電極4aに絶縁体基板10を貼り付けた後、半導体基板1は、エッチングによって除去される。したがって、図3および図4は、絶縁体基板10を貼り付ける程前における能動素子90近傍の模式的断面構造に相当している。   FIGS. 3 and 4 are structural examples arranged on the semiconductor substrate 1, but after the insulator substrate 10 is attached to the first electrode 4a in a subsequent process, the semiconductor substrate 1 is removed by etching. Is done. Therefore, FIGS. 3 and 4 correspond to a schematic cross-sectional structure in the vicinity of the active element 90 just before the insulator substrate 10 is attached.

前述と同様に、能動素子90としてはRTDが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、TUNNETTダイオード、IMPATTダイオード、GaAsFET、GaN系FET、HEMT、HBTなどを適用することもできる。   As described above, the active element 90 is typically an RTD, but other diodes or transistors may be used. As other active elements, for example, TUNETTT diodes, IMPATT diodes, GaAsFETs, GaN-based FETs, HEMTs, HBTs, and the like can be applied.

変形例2に係るテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率に、基板に対して横方向に指向性高く検出することができ、しかも集積化が容易となる。   According to the terahertz detection element according to the modified example 2, it is possible to improve the directivity in the lateral direction by using an insulating substrate having a low dielectric constant, and to detect with high directivity in the lateral direction with respect to the substrate with high efficiency. In addition, integration is easy.

―変形例3・変形例4
実施の形態の変形例3に係るテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、図21(a)に示すように表され、変形例4に係るテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、図21(b)に示すように表される。
-Modification 3 and Modification 4
The electrode pattern structure of the terahertz detection element according to Modification 3 of the embodiment is represented as shown in FIG. 21A, and the electrode pattern structure of the terahertz detection element according to Modification 4 is shown in FIG. Represented as shown.

実施の形態の変形例3に係るテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、MIMリフレクタ50を構成する第2の電極2にスタブ構造を備える例であり、変形例4に係るテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、MIMリフレクタ50を構成する第1の電極4にスタブ構造を備える例である。図18(a)から明らかなように、第2の電極2上には、半導体層91aが配置されているため、図21(a)および図21(b)では、半導体層91aが表示されているが、半導体層91aの下には、第2の電極2のパターンが同一のパターン形状で配置されている。   The electrode pattern structure of the terahertz detection element according to Modification 3 of the embodiment is an example in which the second electrode 2 constituting the MIM reflector 50 is provided with a stub structure, and the electrode pattern structure of the terahertz detection element according to Modification 4 These are examples in which the first electrode 4 constituting the MIM reflector 50 is provided with a stub structure. As apparent from FIG. 18A, since the semiconductor layer 91a is disposed on the second electrode 2, in FIG. 21A and FIG. 21B, the semiconductor layer 91a is displayed. However, the pattern of the second electrode 2 is arranged in the same pattern shape under the semiconductor layer 91a.

すなわち、図21(a)に示すように、MIMリフレクタ50を構成する部分において、第2の電極2は、複数のスタブ13Aを備える。   That is, as shown in FIG. 21A, the second electrode 2 includes a plurality of stubs 13 </ b> A in a part constituting the MIM reflector 50.

また、図21(b)に示すように、MIMリフレクタ50を構成する部分において、第1の電極4は、複数のスタブ13Bを備える。   In addition, as shown in FIG. 21B, in the portion constituting the MIM reflector 50, the first electrode 4 includes a plurality of stubs 13B.

複数のスタブ13Aまたは13Bは、共振器60に面して等間隔に配置されていてもよく、或いは、その間隔が変化するように配置されていてもよい。   The plurality of stubs 13A or 13B may be arranged at equal intervals facing the resonator 60, or may be arranged so that the intervals thereof change.

上記の変形例3・変形例4を組み合わせて、第2の電極2と第1の電極4の両方に複数のスタブを備えていてもよい。   A combination of Modification 3 and Modification 4 described above may include a plurality of stubs on both the second electrode 2 and the first electrode 4.

電磁波の伝送線路の一部に電磁波の波長の4分の1の長さのスタブを設けて、その中に電磁波を引き込み、それを反射させて伝送線路に戻すことにより共振回路が形成されることが分かっている。これは、伝送線路に入射した電磁波のうち、スタブの長さの4倍の波長を持つ電磁波のみが、スタブの位置で等価的に短絡され、これによって当該電磁波が反射されるため、その電磁波の伝送線路からの漏れが少なくなるという現象である。この方法によれば、入力される電磁波の波長に対してスタブの長さが4分の1波長と決まっているために、電磁波の波長がスタブの長さの4倍になる電磁波に対しては強く共振して反射させることができるが、帯域幅の広い電磁波についてはその反射効果は少ない。   A resonant circuit is formed by providing a stub with a quarter of the wavelength of the electromagnetic wave in a part of the transmission line of the electromagnetic wave, drawing the electromagnetic wave into the stub, reflecting it, and returning it to the transmission line. I know. This is because only the electromagnetic wave having a wavelength four times the length of the stub out of the electromagnetic wave incident on the transmission line is equivalently short-circuited at the position of the stub, and this electromagnetic wave is reflected thereby. This is a phenomenon that leakage from the transmission line is reduced. According to this method, since the length of the stub is determined to be a quarter wavelength with respect to the wavelength of the input electromagnetic wave, for the electromagnetic wave in which the wavelength of the electromagnetic wave is four times the length of the stub. Although it can be strongly resonated and reflected, an electromagnetic wave having a wide bandwidth has little reflection effect.

変形例3のスタブ13Aの長さは、帯域を持った入射電磁波の中心部分の電磁波の4分の1波長としないで、4分の1からずれた長さにする。例えば、反射させたい周波数幅があったときその周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波を一部反射させるための2波長〜3波長以上の長さのスタブ13Aを多く設けることにより、反射させたい周波数幅の電磁波を幅広い範囲で反射させることが可能である。   The length of the stub 13A of the third modification is not a quarter wavelength of the electromagnetic wave at the central portion of the incident electromagnetic wave having a band, but is shifted from the quarter. For example, when there is a frequency width to be reflected, it is desired to reflect by providing many stubs 13A having a length of 2 to 3 wavelengths for partially reflecting electromagnetic waves having a median frequency of the frequency width. It is possible to reflect electromagnetic waves having a frequency range in a wide range.

当然のことながら、電磁波の反射率は4分の1波長のときと比べると小さくなるのであるが、それでもスタブがない場合と比較するとかなりの反射が起こる。そして、共振条件がゆるい分だけ、ある帯域を持った周波数(ある波長の幅を持った電磁波)に対して、満遍なく反射する効果がある。また、多段スタブの間隔は、反射させたい電磁波の周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波に対して、波長の半分程度の長さとすることにより各スタブからの反射の間に強め合う干渉(ブラッグ反射)が起こり、反射波が重ねあわされて、反射率がほぼ100%の大きな値になる。スタブの長さ、数、間隔によって、反射する周波数幅、中心周波数は総合的に決定される。   Naturally, the reflectivity of the electromagnetic wave is smaller than that of the quarter wavelength, but still a considerable amount of reflection occurs compared to the case where there is no stub. And, there is an effect of uniformly reflecting a frequency having a certain band (electromagnetic wave having a certain wavelength width) as much as the resonance condition is loose. In addition, the multi-stage stubs have a length that is about half the wavelength of electromagnetic waves having a median frequency of the electromagnetic wave frequency to be reflected, thereby strengthening the interference between the reflections from each stub (Bragg). Reflection) occurs, the reflected waves are superimposed, and the reflectance becomes a large value of almost 100%. Depending on the length, number, and interval of the stubs, the reflected frequency width and the center frequency are comprehensively determined.

所定の帯域幅を有する電磁波の中心波長をλとして、スタブの間隔をλ/2とすると、反射率が100%に近い電磁波の波長範囲Δλを得ることができる。このとき、スタブの長さは、2〜3λ以上に設計するのがよい。また、スタブの幅がスタブの間隔の半分のとき、スタブ数5〜10個程度の少ない数で100%に近い大きな反射率となる。スタブ幅がそれ以外のときは大きな反射率を得るためにはスタブ数を増やす必要があり、また、周波数幅も狭くなる。しかしながら、これらの長さは限定されるものではなく反射する帯域幅との関係で設計的に規定されるものである。 0 the center wavelength of the electromagnetic wave lambda having a predetermined bandwidth, and the distance of the stub and lambda 0/2, the reflectivity can be obtained a wavelength range Δλ of electromagnetic waves close to 100%. At this time, the length of the stub, it is preferable to design the 2~3Ramuda 0 or more. Further, when the width of the stub is half of the stub interval, a large reflectance close to 100% is obtained with a small number of about 5 to 10 stubs. When the stub width is other than that, it is necessary to increase the number of stubs in order to obtain a large reflectance, and the frequency width is also narrowed. However, these lengths are not limited and are defined in terms of design in relation to the reflected bandwidth.

なお、変形例3では、スタブ13AおよびMIMリフレクタにより、漏れ電磁波が反射され、共振器60側に戻される。そして、反射された電磁波が受信電波として検出されるために、能動素子90において検出される電磁波は高出力となる。   In the third modification, the leaked electromagnetic wave is reflected by the stub 13A and the MIM reflector and returned to the resonator 60 side. Since the reflected electromagnetic wave is detected as a received radio wave, the electromagnetic wave detected by the active element 90 has a high output.

変形例4においてもスタブ13Bの動作は、スタブ13Aと同様であるため、重複する説明は省略する。   Also in the modified example 4, since the operation of the stub 13B is the same as that of the stub 13A, a duplicate description is omitted.

なお、第2の電極2と第1の電極4の両方に多段のスタブを設けることにより、片方だけの場合に比べ約半分のスタブ数で同等の大きな反射率を得ることができる。また、周波数幅や中心周波数を決める際の設計の自由度を上げることができるので、設計上極めて有効である。なお、第2の電極2と第1の電極4の双方に付けるスタブの長さ、数、間隔は必ずしも等しい必要はなく、設計上自由に変更することができる。   By providing multistage stubs on both the second electrode 2 and the first electrode 4, it is possible to obtain the same large reflectivity with about half the number of stubs as compared with the case of only one. In addition, the degree of freedom in design when determining the frequency width and center frequency can be increased, which is extremely effective in design. Note that the length, number, and interval of the stubs attached to both the second electrode 2 and the first electrode 4 are not necessarily equal, and can be freely changed in design.

変形例3および変形例4に係るテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高く検出することができ、しかも集積化が容易となる。   According to the terahertz detection element according to the modification 3 and the modification 4, the directivity in the lateral direction is improved by using an insulating substrate having a low dielectric constant, and high efficiency and high output are achieved. Detection can be performed with high directivity, and integration is facilitated.

変形例3および変形例4に係るテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、MIMレフレクタを構成する電極にスタブ構造を組み合わせることによって、基板に水平な方向にさらに効率良く、指向性高く電磁波を検出することが可能となる。   According to the terahertz detecting element according to the modified example 3 and the modified example 4, by using a low dielectric constant insulator substrate, the directivity in the lateral direction is improved, and by combining the stub structure with the electrodes constituting the MIM reflector, It becomes possible to detect electromagnetic waves more efficiently in the direction horizontal to the substrate and with high directivity.

―変形例5―
実施の形態の変形例5に係るテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図22に示すように表される。
-Modification 5-
A schematic planar configuration of the electrode pattern structure of the terahertz detecting element according to the fifth modification of the embodiment is expressed as shown in FIG.

変形例5に係るテラヘルツ検出素子においても第1の電極4(4a,4b,4c)、第2の電極2,2a、MIMリフレクタ50、共振器60、能動素子90の構成は、変形例2と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。   Also in the terahertz detection element according to the modified example 5, the configuration of the first electrode 4 (4a, 4b, 4c), the second electrode 2, 2a, the MIM reflector 50, the resonator 60, and the active element 90 is the same as that of the modified example 2. Since it is the same, in the following, redundant description is omitted.

変形例5に係るテラヘルツ検出素子は、図22に示すように、絶縁体基板10と、絶縁体基板10上に配置された第1の電極4(4a,4b,4c)と、第1の電極4a(図18)上に配置された絶縁層3(図18)と、絶縁体基板10上に配置された層間絶縁膜9(図18)と、層間絶縁膜9上に配置され、かつ第1の電極4aに対して絶縁層3を介して第1の電極4に対向して配置された第2の電極2,2aと、第2の電極2上に配置された半導体層91aと、絶縁体基板10上に第1の電極4に隣接し、かつ第2の電極2aとは反対側に第1の電極4に対向して配置された第1スロットライン電極41と、絶縁体基板10上に第2の電極2aに隣接し、かつ第1の電極4とは反対側に第2の電極2aに対向して配置された第2スロットライン電極21と、絶縁層3を挟み第1の電極4aと第2の電極2間に形成されたMIMリフレクタ50と、MIMリフレクタ50に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された共振器60と、共振器60の略中央部に配置された能動素子90と、共振器60に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された第1導波路70と、第1導波路70に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第2の電極2間に配置された第1ホーン開口部80と、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第1スロットライン電極41間に配置された第2導波路71と、第2導波路71に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1の電極4と第1スロットライン電極41間に配置された第2ホーン開口部81と、絶縁体基板10上に対向する第2の電極2aと第2スロットライン電極21間に配置された第3導波路72と、第3導波路72に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第2の電極2aと第2スロットライン電極21間に配置された第3ホーン開口部82とを備える。   As shown in FIG. 22, the terahertz detection element according to Modification 5 includes an insulator substrate 10, a first electrode 4 (4 a, 4 b, 4 c) disposed on the insulator substrate 10, and a first electrode Insulating layer 3 (FIG. 18) disposed on 4a (FIG. 18), interlayer insulating film 9 (FIG. 18) disposed on insulator substrate 10, and disposed on interlayer insulating film 9 and the first A second electrode 2, 2 a disposed opposite to the first electrode 4 via the insulating layer 3 with respect to the electrode 4 a, a semiconductor layer 91 a disposed on the second electrode 2, and an insulator A first slot line electrode 41 disposed adjacent to the first electrode 4 on the substrate 10 and opposite the first electrode 4 on the opposite side of the second electrode 2a; A second slot disposed adjacent to the second electrode 2a and opposite the second electrode 2a on the side opposite to the first electrode 4 The in-electrode 21, the MIM reflector 50 formed between the first electrode 4 a and the second electrode 2 with the insulating layer 3 interposed therebetween, and the first electrode facing the insulator substrate 10 adjacent to the MIM reflector 50. The resonator 60 disposed between the electrode 4 and the second electrode 2, the active element 90 disposed substantially at the center of the resonator 60, and the resonator 60 are adjacent to each other on the insulator substrate 10. A first waveguide 70 disposed between the first electrode 4 and the second electrode 2, and the first electrode 4 and the second electrode adjacent to the first waveguide 70 and opposed to the insulator substrate 10. A first horn opening 80 disposed between the electrodes 2, a second waveguide 71 disposed between the first electrode 4 and the first slot line electrode 41 opposed to each other on the insulator substrate 10, and a second conductor. The first electrode 4 and the first slot line electrode that are adjacent to the waveguide 71 and face the insulator substrate 10. A second horn opening 81 disposed between the first substrate 2, a second waveguide 2 a facing the insulator substrate 10, a third waveguide 72 disposed between the second slot line electrodes 21, and a third waveguide 72, the second electrode 2 a facing the insulator substrate 10 and the third horn opening 82 disposed between the second slot line electrodes 21 are provided.

変形例2と同様に、能動素子90としてはRTDが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、TUNNETTダイオード、IMPATTダイオード、GaAsFET、GaN系FET、HEMT、HBTなどを適用することもできる。   As in the second modification, the active element 90 is typically an RTD, but can be configured by other diodes or transistors. As other active elements, for example, TUNETTT diodes, IMPATT diodes, GaAsFETs, GaN-based FETs, HEMTs, HBTs, and the like can be applied.

ホーン開口部80〜82は、開口ホーンアンテナを構成する。   The horn openings 80 to 82 constitute an open horn antenna.

変形例5に係るテラヘルツ検出素子においては、図22に示すように、出力端におけるスロットライン電極21および41の幅W4は、例えば、160μm程度である。また、図22に示すように、出力端におけるホーン開口部80の幅D20およびホーン開口部81および82の幅D10、および、スロットライン電極21および41の幅W4は、適宜変更可能である。   In the terahertz detection element according to Modification 5, as shown in FIG. 22, the width W4 of the slot line electrodes 21 and 41 at the output end is, for example, about 160 μm. As shown in FIG. 22, the width D20 of the horn opening 80, the width D10 of the horn openings 81 and 82, and the width W4 of the slot line electrodes 21 and 41 at the output end can be changed as appropriate.

導波路70は、共振器60の開口部に配置される。   The waveguide 70 is disposed in the opening of the resonator 60.

MIMリフレクタ50は共振器60の開口部と反対側の閉口部に配置される。   The MIM reflector 50 is disposed in a closed portion opposite to the opening of the resonator 60.

MIMリフレクタ50を構成する部分において、第2の電極2は、図21(a)に示された変形例3と同様の複数のスタブを備えていても良い。同様に、MIMリフレクタ50を構成する部分において、第2の電極2は、図21(b)に示された変形例4と同様の複数のスタブを備えていても良い。   In the portion constituting the MIM reflector 50, the second electrode 2 may include a plurality of stubs similar to those of the third modification shown in FIG. Similarly, in the portion constituting the MIM reflector 50, the second electrode 2 may include a plurality of stubs similar to those of the modification 4 shown in FIG.

また、上記において、複数のスタブは、共振器60に面して等間隔に配置されていても良く、また、間隔が変化するように配置されていても良い。   In the above description, the plurality of stubs may be arranged at equal intervals facing the resonator 60, or may be arranged so that the intervals change.

また、絶縁体基板10は、半導体層91aよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く検出する上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板10としては、第1の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン(登録商標)基板などを適用することができる。   The insulator substrate 10 is preferably made of a substrate having a lower dielectric constant than that of the semiconductor layer 91a in order to detect radio waves efficiently in the lateral direction and with high directivity. As the insulator substrate 10 made of a low dielectric constant material, for example, a polyimide resin substrate, a Teflon (registered trademark) substrate, or the like can be applied as in the first embodiment.

絶縁体基板10として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、全体の受信電波の内、約87%は、絶縁体基板10側から検出され、ホーン開口部80を介して横方向から検出される受信電波は、相対的に増大する点は、変形例2と同様である。   When a polyimide resin substrate is used as the insulator substrate 10, about 87% of the total received radio waves are detected from the insulator substrate 10 side, and the received radio waves detected from the lateral direction through the horn opening 80 are The relatively increasing point is the same as in the second modification.

また、絶縁体基板10として、テフロン(登録商標)樹脂基板を使用すると、変形例2と同様に、全体の受信電波の内、約75%は、絶縁体基板10側から検出され、ホーン開口部80を介して横方向から検出される受信電波は、相対的に増大する点も、変形例2と同様である。   Further, when a Teflon (registered trademark) resin substrate is used as the insulator substrate 10, about 75% of the total received radio waves are detected from the insulator substrate 10 side as in the second modification, and the horn opening The received radio waves detected from the lateral direction via 80 are relatively similar to the second modification in that they increase relatively.

変形例5に係るテラヘルツ検出素子においては、能動素子90に接続された第1の電極4および第2の電極2からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、同じ形状をしたテーパ形状の1対のスロットライン電極41、21を配置することで、変形例2に比べ、検出電波の指向性がさらに向上する。   In the terahertz detection element according to the modified example 5, a pair of tapered slots having the same shape is formed on both sides of the tapered slot antenna including the first electrode 4 and the second electrode 2 connected to the active element 90. By arranging the line electrodes 41 and 21, the directivity of the detected radio wave is further improved as compared with the second modification.

変形例5に係るテラヘルツ検出素子によれば、第1の電極4および第2の電極2からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、テーパ形状の1対のスロットライン電極41、21を並列化配置することで、絶縁体基板10上にテーパスロットアンテナを集積化しても、絶縁体基板10の影響を抑制し、充分な検出電波の指向性を得ることができる。   According to the terahertz detecting element according to the modified example 5, the pair of tapered slot line electrodes 41 and 21 are arranged in parallel on both sides of the tapered slot antenna including the first electrode 4 and the second electrode 2. As a result, even if the tapered slot antenna is integrated on the insulator substrate 10, the influence of the insulator substrate 10 can be suppressed and sufficient directivity of the detected radio wave can be obtained.

中央部の第1の電極4および第2の電極2からなるテーパスロットアンテナから広がった電界が、両サイドに設けた1対のスロットライン電極41、21に引き込まれて、スロットライン電極41、21の端面で反射され、中央部の第1の電極4および第2の電極2に戻ってくる。このとき、中央部の第1の電極4および第2の電極2およびスロットライン電極41、21内には、定在波が形成され、反射してきた電界によって、内部に電磁波が受信される。中央部の第1の電極4および第2の電極2および1対のスロットライン電極41、21からの放射電磁界が、干渉し合うことによって、受信電磁波の指向性が向上する。   The electric field spread from the tapered slot antenna composed of the first electrode 4 and the second electrode 2 in the center is drawn into a pair of slot line electrodes 41, 21 provided on both sides, and the slot line electrodes 41, 21 And is returned to the first electrode 4 and the second electrode 2 at the center. At this time, standing waves are formed in the first electrode 4, the second electrode 2, and the slot line electrodes 41, 21 in the center, and electromagnetic waves are received inside by the reflected electric field. The radiation electromagnetic fields from the first electrode 4 and the second electrode 2 at the center and the pair of slot line electrodes 41 and 21 interfere with each other, thereby improving the directivity of the received electromagnetic wave.

変形例5に係るテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高く受信することができ、しかも集積化が容易である。   According to the terahertz detection element according to the modified example 5, the directivity in the lateral direction is improved by using an insulating substrate having a low dielectric constant, and the standing wave is effectively generated by arranging the slot line electrodes in parallel. As a result, it is possible to receive signals with higher efficiency and higher output, higher directivity in the lateral direction with respect to the substrate, and easy integration.

―変形例6―
実施の形態の変形例6に係るテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図23に示すように表される。
-Modification 6-
A schematic planar configuration of the electrode pattern structure of the terahertz detection element according to the sixth modification of the embodiment is expressed as shown in FIG.

変形例6に係るテラヘルツ検出素子においても第1の電極4、第2の電極2、MIMリフレクタ50、共振器60、能動素子90、第1のスロットライン電極41、第2のスロットライン電極21の構成は、第2の実施の形態と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。   Also in the terahertz detection element according to Modification 6, the first electrode 4, the second electrode 2, the MIM reflector 50, the resonator 60, the active element 90, the first slot line electrode 41, and the second slot line electrode 21 Since the configuration is the same as that of the second embodiment, redundant description will be omitted below.

変形例6に係るテラヘルツ検出素子は、図23に示すように、図22に示した変形例5の電極パターン構成に対して、さらに、1対のスロットライン電極22,42を並列化配置している。すなわち、絶縁体基板10上に第1スロットライン電極41に隣接し、かつ第1の電極4とは反対側に第1スロットライン電極41に対向して配置された第3スロットライン電極42と、絶縁体基板10上に第2スロットライン電極21に隣接し、かつ第2の電極2aとは反対側に第2スロットライン電極21に対向して配置された第4スロットライン電極22と、絶縁体基板10上に対向する第1スロットライン電極41と第3スロットライン電極42間に配置された第4導波路74と、第4導波路74に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第1スロットライン電極41と第3スロットライン電極42間に配置された第4ホーン開口部84と、絶縁体基板10上に対向する第2スロットライン電極21と第4スロットライン電極22間に配置された第5導波路73と、第5導波路73に隣接して、絶縁体基板10上に対向する第2スロットライン電極21と第4スロットライン電極22間に配置された第5ホーン開口部83とを備える。   As shown in FIG. 23, the terahertz detection element according to Modification 6 further includes a pair of slot line electrodes 22 and 42 arranged in parallel to the electrode pattern configuration of Modification 5 shown in FIG. Yes. That is, the third slot line electrode 42 disposed on the insulator substrate 10 adjacent to the first slot line electrode 41 and opposite to the first electrode 4 and facing the first slot line electrode 41; A fourth slot line electrode 22 disposed adjacent to the second slot line electrode 21 on the insulator substrate 10 and opposite to the second slot line electrode 21 on the opposite side of the second electrode 2a; A fourth waveguide 74 disposed between the first slot line electrode 41 and the third slot line electrode 42 facing on the substrate 10, and a first waveguide facing the insulator substrate 10 adjacent to the fourth waveguide 74. A fourth horn opening 84 disposed between the first slot line electrode 41 and the third slot line electrode 42, and between the second slot line electrode 21 and the fourth slot line electrode 22 facing on the insulator substrate 10. The fifth waveguide 73 disposed and the fifth horn opening disposed between the second slot line electrode 21 and the fourth slot line electrode 22 facing the insulator substrate 10 adjacent to the fifth waveguide 73. Part 83.

また、絶縁体基板10は、半導体層91aよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く検出する上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板10としては、第1の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン(登録商標)基板などを適用することができる。   The insulator substrate 10 is preferably made of a substrate having a lower dielectric constant than that of the semiconductor layer 91a in order to detect radio waves efficiently in the lateral direction and with high directivity. As the insulator substrate 10 made of a low dielectric constant material, for example, a polyimide resin substrate, a Teflon (registered trademark) substrate, or the like can be applied as in the first embodiment.

図23の構成において、スロットライン電極21,41の外側に1対のスロットライン電極22,42をさらに並列化配置することによって、指向性がさらに向上する。   In the configuration of FIG. 23, the directivity is further improved by further arranging a pair of slot line electrodes 22, 42 in parallel outside the slot line electrodes 21, 41.

変形例6に係るテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつ2対のスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高く検出することができ、しかも集積化が容易である。   According to the terahertz detecting element according to the modified example 6, the horizontal directionality is improved by using an insulating substrate having a low dielectric constant, and two pairs of slot line electrodes are arranged in parallel to make a standing wave effective. Therefore, it is possible to detect with high directivity in the lateral direction with respect to the substrate with high efficiency and high output, and integration is easy.

本発明のテラヘルツ検出素子によれば、基板上にアンテナを集積化してテラヘルツ電磁波を検出するので、検出器が、従来技術よりも飛躍的に小さくなり、高感度、低雑音でテラヘルツ電磁波を検出可能である。   According to the terahertz detection element of the present invention, since the antenna is integrated on the substrate to detect the terahertz electromagnetic wave, the detector is dramatically smaller than the conventional technology, and the terahertz electromagnetic wave can be detected with high sensitivity and low noise. It is.

本発明のテラヘルツ検出素子によれば、同一工程で製造可能なテラヘルツ発振素子と組み合わせることによって、送信器および検出器が、従来技術よりも飛躍的に小さくなり、高感度、低雑音でテラヘルツ電磁波の無線送受信方式を提供することも可能である。   According to the terahertz detection element of the present invention, when combined with a terahertz oscillation element that can be manufactured in the same process, the transmitter and the detector are remarkably smaller than the prior art, and the terahertz electromagnetic wave with high sensitivity and low noise is obtained. It is also possible to provide a wireless transmission / reception system.

また、このようなテラヘルツ無線通信方式に適用されるテラヘルツ検出素子は、高速で復調するために、テフロン(登録商標)基板上に配置され、かつSMAコネクタで最適なバイアスを印加しても良い。   Further, the terahertz detection element applied to such a terahertz wireless communication system may be disposed on a Teflon (registered trademark) substrate and applied with an optimum bias by an SMA connector in order to demodulate at high speed.

また、実施の形態に係るテラヘルツ検出素子(RTD)においては、テラヘルツ発振素子としても利用可能であるため、同一の素子で発振素子としても検出素子としても機能するデバイスの構成が可能である。   Further, since the terahertz detection element (RTD) according to the embodiment can be used as a terahertz oscillation element, it is possible to configure a device that functions as an oscillation element and a detection element with the same element.

本発明によれば、共鳴トンネルダイオードを利用した低雑音のテラヘルツ検出素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a low noise terahertz detecting element using a resonant tunneling diode.

[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態およびその変形例に係るテラヘルツ検出素子について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the terahertz detection element according to the embodiment and the modified example thereof has been described. However, it is understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. should not do. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。   As described above, the present invention includes various embodiments not described herein.

本発明のテラヘルツ検出素子は、テラヘルツ帯の周波数領域で低雑音で動作可能であるため、テラヘルツイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測、セキュリティー分野など、幅広い分野に適用することができる。   The terahertz detection element of the present invention can operate with low noise in the terahertz band frequency range, so in addition to terahertz imaging, large-capacity communication and information processing, measurement and security fields in various fields such as physical properties, astronomy, and organisms It can be applied to a wide range of fields.

1…半導体基板
2、2a…第2の電極
3…絶縁層
4、4a、4b、4c…第1の電極
5,6…凹部
7…凸部
8…突起部
9…層間絶縁膜
10…絶縁体基板
13A,13B…スタブ
15…直流電源
21,22,41,42…スロットライン電極
38…テラヘルツ発振素子
44…テラヘルツ検出素子
50…MIMリフレクタ
60…共振器
70,71,72,73,74…導波路
80,81,82,83,84…ホーン開口部
90…能動素子
91a…半導体層
100…テラヘルツ送信器
200…テラヘルツ受信器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate 2, 2a ... 2nd electrode 3 ... Insulating layer 4, 4a, 4b, 4c ... 1st electrode 5, 6 ... Concave part 7 ... Convex part 8 ... Protrusion part 9 ... Interlayer insulating film 10 ... Insulator Substrate 13A, 13B ... Stub 15 ... DC power supply 21, 22, 41, 42 ... Slot line electrode 38 ... Terahertz oscillation element 44 ... Terahertz detection element 50 ... MIM reflector 60 ... Resonator 70, 71, 72, 73, 74 ... Waveguide 80, 81, 82, 83, 84 ... Horn opening 90 ... Active element 91a ... Semiconductor layer 100 ... Terahertz transmitter 200 ... Terahertz receiver

Claims (15)

半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第2の電極と、
前記第2の電極上に配置された絶縁層と、
前記第2の電極に対して前記絶縁層を介して配置され、かつ前記半導体基板上に前記第1の電極に対向して配置された第1の電極と、
前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、
前記MIMリフレクタに隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とするテラヘルツ検出素子。
A semiconductor substrate;
A second electrode disposed on the semiconductor substrate;
An insulating layer disposed on the second electrode;
A first electrode disposed with respect to the second electrode through the insulating layer and disposed on the semiconductor substrate so as to face the first electrode;
An MIM reflector formed between the first electrode and the second electrode across the insulating layer;
A resonator disposed between the first electrode and the second electrode facing the semiconductor substrate adjacent to the MIM reflector;
An active element disposed substantially in the center of the resonator;
A waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing the semiconductor substrate adjacent to the resonator;
A terahertz detection element, comprising: a horn opening disposed between the first electrode and the second electrode facing the semiconductor substrate adjacent to the waveguide.
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、
前記第1の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、
前記第2の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、
前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とするテラヘルツ検出素子。
An insulator substrate;
A first electrode disposed on the insulator substrate;
An insulating layer disposed on the first electrode;
An interlayer insulating film disposed on the insulator substrate;
A second electrode disposed on the interlayer insulating film and disposed opposite to the first electrode via the insulating layer with respect to the first electrode;
A semiconductor layer disposed on the second electrode;
An MIM reflector formed between the first electrode and the second electrode across the insulating layer;
A resonator disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the MIM reflector;
An active element disposed substantially in the center of the resonator;
A waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the resonator;
A terahertz detection element, comprising: a horn opening disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the waveguide.
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第1の電極と、
前記第1の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第1の電極に対して前記絶縁層を介して前記第1の電極に対向して配置された第2の電極と、
前記第2の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁体基板上に前記第1の電極に隣接し、かつ前記第2の電極とは反対側に前記第1の電極に対向して配置された第1スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に前記第2の電極に隣接し、かつ前記第1の電極とは反対側に前記第2の電極に対向して配置された第2スロットライン電極と、
前記絶縁層を挟み前記第1の電極と前記第2の電極間に形成されたMIMリフレクタと、
前記MIMリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1導波路と、
前記第1導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第2の電極間に配置された第1ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2導波路と、
前記第2導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1の電極と前記第1スロットライン電極間に配置された第2ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3導波路と、
前記第3導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第2の電極と前記第2スロットライン電極間に配置された第3ホーン開口部と
を備えることを特徴とするテラヘルツ検出素子。
An insulator substrate;
A first electrode disposed on the insulator substrate;
An insulating layer disposed on the first electrode;
An interlayer insulating film disposed on the insulator substrate;
A second electrode disposed on the interlayer insulating film and disposed opposite to the first electrode via the insulating layer with respect to the first electrode;
A semiconductor layer disposed on the second electrode;
A first slot line electrode disposed on the insulator substrate adjacent to the first electrode and opposite to the second electrode and facing the first electrode;
A second slot line electrode disposed on the insulator substrate adjacent to the second electrode and opposite to the first electrode and facing the second electrode;
An MIM reflector formed between the first electrode and the second electrode across the insulating layer;
A resonator disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the MIM reflector;
An active element disposed substantially in the center of the resonator;
A first waveguide disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the resonator;
A first horn opening disposed between the first electrode and the second electrode facing the insulator substrate adjacent to the first waveguide;
A second waveguide disposed between the first electrode and the first slot line electrode facing each other on the insulator substrate;
A second horn opening disposed between the first electrode and the first slot line electrode facing the insulator substrate adjacent to the second waveguide;
A third waveguide disposed between the second electrode and the second slot line electrode facing each other on the insulator substrate;
A terahertz detection comprising: a second horn opening disposed between the second electrode facing the insulator substrate and the second slot line electrode adjacent to the third waveguide. element.
前記絶縁体基板上に第1スロットライン電極に隣接し、かつ前記第1の電極とは反対側に前記第1スロットライン電極に対向して配置された第3スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に第2スロットライン電極に隣接し、かつ前記第2の電極とは反対側に前記第2スロットライン電極に対向して配置された第4スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第1スロットライン電極と前記第3スロットライン電極間に配置された第4導波路と、
前記第4導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第1スロットライン電極と前記第3スロットライン電極間に配置された第4ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第2スロットライン電極と前記第4スロットライン電極間に配置された第5導波路と、
前記第5導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第2スロットライン電極と前記第4スロットライン電極間に配置された第5ホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項3に記載のテラヘルツ検出素子。
A third slot line electrode disposed on the insulator substrate adjacent to the first slot line electrode and opposite the first slot line electrode to face the first slot line electrode;
A fourth slot line electrode disposed adjacent to the second slot line electrode on the insulator substrate and opposite to the second slot line electrode on the opposite side of the second electrode;
A fourth waveguide disposed between the first slot line electrode and the third slot line electrode facing each other on the insulator substrate;
A fourth horn opening disposed between the first slot line electrode and the third slot line electrode facing the insulator substrate adjacent to the fourth waveguide;
A fifth waveguide disposed between the second slot line electrode and the fourth slot line electrode facing each other on the insulator substrate;
The fifth horn opening disposed between the second slot line electrode and the fourth slot line electrode facing the insulator substrate adjacent to the fifth waveguide. Item 4. The terahertz detecting element according to Item 3.
前記半導体基板は、前記共振器,前記導波路,および前記ホーン開口部を形成する前記第1の電極および前記第2の電極の配置される領域において、薄層化されていることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ検出素子。   The semiconductor substrate is thinned in a region where the first electrode and the second electrode forming the resonator, the waveguide, and the horn opening are disposed. The terahertz detection element according to claim 1. 前記能動素子は、共鳴トンネルダイオード、タンネットダイオード、インパットダイオード、GaAs系電界効果トランジスタ、GaN系FET、高電子移動度トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のテラヘルツ検出素子。   2. The active element is any one of a resonant tunnel diode, a tannet diode, an impat diode, a GaAs field effect transistor, a GaN FET, a high electron mobility transistor, and a heterojunction bipolar transistor. The terahertz detection element of any one of -4. 前記ホーン開口部は、開口ホーンアンテナを構成することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のテラヘルツ検出素子。   The terahertz detection element according to any one of claims 1 to 4, wherein the horn opening constitutes an opening horn antenna. 前記絶縁体基板は、前記半導体層よりも低誘電率材料の基板からなることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載のテラヘルツ検出素子。   5. The terahertz detection element according to claim 2, wherein the insulator substrate is made of a substrate having a dielectric constant lower than that of the semiconductor layer. 前記導波路は、前記共振器の開口部に配置されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のテラヘルツ検出素子。   The terahertz detecting element according to claim 1, wherein the waveguide is disposed in an opening of the resonator. 前記MIMリフレクタは前記共振器の開口部と反対側の閉口部に配置されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のテラヘルツ検出素子。   5. The terahertz detection element according to claim 1, wherein the MIM reflector is disposed in a closed portion opposite to the opening of the resonator. 前記MIMリフレクタを構成する部分において、前記第2の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のテラヘルツ検出素子。   5. The terahertz detection element according to claim 1, wherein the second electrode includes a plurality of stubs in a portion constituting the MIM reflector. 前記MIMリフレクタを構成する部分において、前記第1の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のテラヘルツ検出素子。   5. The terahertz detection element according to claim 1, wherein the first electrode includes a plurality of stubs in a portion constituting the MIM reflector. 前記複数のスタブは、前記共振器に面して等間隔に配置されていることを特徴とする請求項11または12に記載のテラヘルツ検出素子。   The terahertz detection element according to claim 11, wherein the plurality of stubs are arranged at equal intervals so as to face the resonator. 前記複数のスタブは、前記共振器に面してその間隔が変化するように配置されていることを特徴とする請求項11または12に記載のテラヘルツ検出素子。 The terahertz detecting element according to claim 11 or 12, wherein the plurality of stubs are arranged so as to face the resonator and change their intervals. テラヘルツ発振素子を備えるテラヘルツ送信器と、
テラヘルツ検出素子を備えるテラヘルツ受信器と
を備え、前記テラヘルツ検出素子は、請求項1〜14のいずれかに記載ののテラヘルツ検出素子であることを特徴とするテラヘルツ無線通信方式。
A terahertz transmitter including a terahertz oscillation element;
A terahertz receiver including the terahertz detection element, wherein the terahertz detection element is the terahertz detection element according to any one of claims 1 to 14.
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