JP2020114008A - 素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 配線構造に起因した寄生発振を低減し、所望の発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波をより安定して発振できる素子を提供することを目的とする。【解決手段】 発振器は、テラヘルツ波を発振又は検出する素子であって、微分負性抵抗素子１０１、第１の導体１０３、第２の導体１０４、誘電体１０５ａ、を有する共振部１０２と、微分負性抵抗素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路１２０と、共振部とバイアス回路とを接続する線路１０８と、を有し、微分負性抵抗素子と誘電体とは、第１の導体と第２の導体との間に配置されており、線路は、線路のインダクタンスと共振部の容量とによる共振の周波数ｆＬＣにおいて、微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路である。【選択図】 図１

Description

本発明は、テラヘルツ波を発振又は検出する素子に関する。

ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下）の周波数領域の電磁波（以下、「テラヘルツ波」とよぶ）を発生する電流注入型の光源として、負性抵抗素子に共振器を集積した発振器が良く知られている。特許文献１は、負性抵抗素子である２重障壁型の共鳴トンネルダイオード（以下、単に「ＲＴＤ」とよぶことがある）とマイクロストリップ共振器とを同一基板上に集積したテラヘルツ波の発振器が記載されている。

負性抵抗素子を用いた発振器は、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整するための電源と配線とを含むバイアス回路に起因した寄生発振を生じることが知られている。寄生発振は、所望の周波数と異なる低周波側の周波数帯における寄生的な発振のことを指し、所望の周波数における発振出力を低下させる。

寄生発振の抑制には、発振器から発振するテラヘルツ波の波長をλ_ＴＨｚ、発振周波数をｆ_ＴＨｚとすると、ＤＣ以上ｆ_ＴＨｚ未満の周波数領域においてバイアス回路側のインピーダンスを低くすることが必要である。この対策として、ＲＴＤから見て電源側に向かってλ_ＴＨｚ／４以内の位置に抵抗と容量とを有する回路を配置する方法が提案されている。これを実現する手段として、非特許文献１にはスロット型共振器を用いた発振器が記載されている。非特許文献１では図１１のように、Ｓ−ＲＴＤ１１から見て電源１６側に向かってλ_ＴＨｚ／４以内の位置に整流ダイオード１５を集積している。抵抗１７は、電源１６の内部抵抗及び接続線が持つ抵抗を合計したものである。

特開２００６−１０１４９５号公報

ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ １８，２１８（１９９７）

非特許文献１に記載の手法は、あくまでスロット型共振器のための構成を述べているため、特許文献１に開示されるパッチアンテナ等のマイクロストリップ型共振器を用いた発振器に適用することは容易ではなかった。例えば共振器がパッチアンテナであれば、負性抵抗素子から見てバイアス回路側に向かってλ_ＴＨｚ／４以内の領域は、パッチアンテナそのもの、あるいはパッチアンテナに近接する周辺部材のある領域となるためである。したがって、マイクロストリップ型共振器では、共振器と干渉せずに回路を配置することは容易ではなかった。また、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整する為に必要な配線構造が共振器に近接するため、構造に起因した比較的高い周波数の寄生発振を低減する必要があった。

本発明は上記課題に鑑み、配線構造に起因した寄生発振を低減し、所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波をより安定して発振できる素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての素子は、テラヘルツ波を発振又は検出する素子であって、微分負性抵抗素子、第１の導体、第２の導体、誘電体、を有する共振部と、前記微分負性抵抗素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、前記共振部と前記バイアス回路とを接続する線路と、を有し、前記微分負性抵抗素子と前記誘電体とは、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されており、前記線路は、前記線路のインダクタンスと前記共振部の容量とによる共振の周波数ｆ_ＬＣにおいて、前記微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路であることを特徴とする素子。

本発明の一側面としての素子によれば、配線構造に起因した寄生発振を低減し、所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波をより安定して発振又は検出できる。

実施形態の素子の構成を説明する図。 実施形態の素子のアドミタンス特性を説明する図。 実施例１の素子の構成を説明する図。 実施例２に記載の変形例１の素子の構成を説明する図。 実施例２に記載の変形例２の素子の構成を説明する図。 実施例２に記載の変形例２の発振器のアドミタンス特性を説明する図。 実施例２に記載の変形例３の素子の構成を説明する図。 実施例２に記載の変形例３の素子のアドミタンス特性を説明する図。 実施形態の素子のアドミタンス特性の誘電体の厚さ依存性を説明する図。 実施形態の素子のアドミタンス特性の線路の長さ依存性を説明する図。 従来の発振器の構成を説明する図。

本実施形態に係る素子１００について、図１を用いて説明する。素子１００は、発振周波数ｆ_ＴＨｚ（共振周波数ｆ_ＴＨｚ）の電磁波を発振する発振器である。図１（ａ）は本実施形態に係る素子１００の外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）はそのＢ−Ｂ断面図である。なお、素子１００は、以降「発振器１００」と呼ぶ。

まず、発振器１００の構成について説明する。発振器１００は、共振部１０２、線路１０８、バイアス回路１２０、を有する。共振部１０２は、パッチ導体（第１の導体）１０３、接地導体（第２の導体）１０４及び第１の誘電体１０５ａを含むテラヘルツ波帯の共振器と、微分負性抵抗素子１０１と、を有する。

微分負性抵抗素子１０１は、電流電圧特性において、電圧の増加に伴って電流が減少する領域、すなわち負の抵抗をもつ領域（微分負性抵抗領域）が現れる素子である。微分負性抵抗素子１０１は、典型的には、ＲＴＤやエサキダイオード、ガンダイオード、一端子を終端したトランジスタなどの高周波素子が好適である。また、タンネットダイオード、インパットダイオード、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、化合物半導体系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などを用いてもよい。また、超伝導体を用いたジョセフソン素子の微分負性抵抗を用いてもよい。本実施形態では、テラヘルツ波帯で動作する代表的な微分負性抵抗素子である共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を微分負性抵抗素子１０１に用いた場合を例にして説明を進める。

共振部１０２は、共振器と微分負性抵抗素子１０１とが集積されたアクティブアンテナである。共振器は、テラヘルツ波の共振器であり、パッチ導体１０３と、接地導体１０４と、パッチ導体１０３と接地導体１０４との間に配置されている誘電体１０５ａと、を有する。パッチ導体１０３と接地導体１０４との二導体で誘電体１０５ａを挟む構成は、有限な長さのマイクロストリップラインなどを用いたマイクロストリップ共振器として良く知られている。本実施形態では、テラヘルツ波の共振器としてパッチアンテナを用いている。

パッチアンテナは、パッチ導体１０３のＡ−Ａ方向の幅がλ／２共振器となるように設定される。パッチ導体１０３と接地導体１０４との間には、微分負性抵抗素子１０１が配置されている。本実施形態では、微分負性抵抗素子１０１とパッチアンテナなどのテラヘルツ波帯の共振器とを集積した構成を共振部１０２とする。

ここで、本明細書における「誘電体」は、導電性よりも誘電性が優位な物質で、直流電圧に対しては電気を通さない絶縁体或いは高抵抗体としてふるまう材料である。典型的には抵抗率が１ｋΩ・ｍ以上の材料が好適である。具体例としては、プラスティック、セラミック、酸化シリコン、窒化シリコンなどがある。

共振部１０２は、パッチアンテナと微分負性抵抗素子１０１とが集積されたアクティブアンテナである。従って、発振器１００の共振部１０２によって規定される発振周波数ｆ_ＴＨｚは、パッチアンテナのリアクタンスと微分負性抵抗素子１０１のリアクタンスとを組み合わせた全並列共振回路の共振周波数として決定される。すなわち、発振器１００は、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波を発振する。

具体的には、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６，４３７５（２００８）に開示されたＲＴＤ発振器の等価回路から、ＲＴＤとアンテナのアドミタンス（Ｙ_ＲＴＤ及びＹ_ＡＮＴ）を組み合わせた共振回路について、（１）式の振幅条件と（２）式の位相条件との二つの条件を満たす周波数が発振周波数ｆ_ＴＨｚとして決定される。ここで、Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は、微分負性抵抗素子１０１のアドミタンスであり負の値を有す。
Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］≦０ （１）
Ｉｍ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｉｍ［Ｙ_ＡＮＴ］＝０ （２）

微分負性抵抗素子１０１にバイアス電圧を供給するためのバイアス回路１２０は、微分負性抵抗素子１０１と並列に接続された抵抗１１０、抵抗１１０と並列に接続された容量１０９、電源１１２、配線１１１を含む。配線１１１は、寄生的なインダクタンス成分を必ず伴うため、図１上ではインダクタンスとして表示した。電源１１２は、微分負性抵抗素子１０１の駆動に必要な電流を供給し、バイアス電圧を調整する。バイアス電圧は、典型的には、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗領域から選択される。

線路１０８は、分布定数線路であり、バイアス回路１２０からのバイアス電圧は、線路１０８を介して素微分負性抵抗子１０１に供給される。本実施形態の線路１０８は、マイクロストリップラインである。線路１０８は、ストリップ導体（第３の導体）１０６と、接地導体（第４の導体）１０４と、第２の誘電体１０５ｂと、第５の導体１０７と、を有し、ストリップ導体１０６と接地導体１０４とで第２の誘電体１０５ｂを挟んだ構成である。ストリップ導体１０６とパッチ導体１０３とは、第５の導体１０７を介して電気的に接続されている。

第２の誘電体１０５ｂの厚さは、第１の誘電体１０５ａの厚さより薄くなるように構成されている。そのため、第５の導体１０７は、第１の誘電体１０５ａと第２の誘電体１０５ｂとの間の段差（高低差）をつなぎ、パッチ導体１０３とストリップ導体１０６との間を電気的かつ物理的に接続するためのプラグの役割がある。これにより共振部１０２と線路１０８とはＤＣ結合される。なお、本実施形態では共振部１０２の第２の導体と線路１０８の第４の導体とは、同一の層である接地導体１０４であるが、各々異なる導体でもよい。

バイアス回路１２０の抵抗１１０及び容量１０９は、バイアス回路１２０に起因した比較的低周波な共振周波数ｆ_ｓｐ（ｆ_ｓｐ＜ｆ_ＬＣ＜ｆ_ＴＨｚ、典型的にはＤＣから１０ＧＨｚの周波数帯）の寄生発振を抑制している。ここで、周波数ｆ_ＬＣは、線路１０８のインダクタンスＬと微分負性抵抗素子１０１及びパッチアンテナを含む共振部１０２の容量（キャパシタンス）Ｃ_ＡＮＴによるＬＣ共振の周波数である。これについての詳細は後述する。

抵抗１１０の値は、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗領域における微分負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値が選択されることが好ましい。抵抗１１０は、微分負性抵抗素子１０１から距離ｄ_２離れた位置に配置されている。そして、主に４×ｄ_２以上の波長帯において、抵抗１１０より外側のバイアス回路１２０は、微分負性抵抗素子１０１からみて低インピーダンス、すなわち、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値を基準として低インピーダンスとなっている。これを換言すると、抵抗１１０は、ｆ_ＳＰ（ｆ_ＳＰ＜ｆ_ＬＣ＜ｆ_ＴＨｚ）以下の周波数帯において、微分負性抵抗素子１０１からみて低インピーダンスとなるように設定されることが好ましい。

容量１０９も抵抗１１０と同様に、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値とインピーダンスが等しいか、少し低くなるように設定されることが好ましい。一般的には、容量１０９は大きいほうが好ましく、本実施形態では数十ｐＦ程度としている。容量１０９は線路１０８としてのマイクロストリップラインと直結されたデカップリング容量となっており、例えば、パッチアンテナ１０２と基板（不図示）とを共にしたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造を利用してもよい。

従来の素子構成では、線路１０８のインダクタンスＬと微分負性抵抗素子１０１及び共振部１０２の容量（キャパシタンス）Ｃ_ＡＮＴに起因した周波数ｆ_ＬＣ（ｆ_ＬＣ≒１／｛２π√（ＬＣ_ＡＮＴ）｝、ｆ_ＳＰ＜ｆ_ＬＣ＜ｆ_ＴＨｚ）のＬＣ共振を形成することがあった。周波数ｆ_ＬＣは、主に、微分負性抵抗素子１０１の容量、線路（本実施形態であればマイクロストリップライン）１０８の長さと幅、及びパッチアンテナの面積、誘電体１０５ａの厚さ等で決まり、典型的には１０ＧＨｚ以上５００ＧＨｚ以下の範囲となる。

パッチアンテナの構造上、前述の抵抗１１０及び容量１０９を含むバイアス回路１２０を、発振周波数ｆ_ＴＨｚの共振電界と干渉せず共振部１０２に直接接続することは容易ではない。このため、微分負性抵抗素子１０１へバイアス電圧を給電するためには、給電線である線路１０８を介してバイアス回路１２０と共振部１０２とを接続する必要がある。よって、線路１０８は、バイアス回路１２０よりも微分負性抵抗素子１０１に近い位置に配置されるので、微分負性抵抗素子１０１の利得による寄生的な周波数ｆ_ＬＣの発振が生じることがあった。

本実施形態の発振器１００は、微分負性抵抗素子１０１及びパッチアンテナを含む共振部１０２と、抵抗１１０及び容量１０９を含むバイアス回路１２０とを、分布定数線路である線路１０８で接続している。従って、分布定数線路である線路１０８は、バイアス回路１２０のデカップリング容量である容量１０９とパッチアンテナを含む共振部１０２とを接続するための線路である。本実施形態の発振器１００は、パッチ導体１０３と接地導体１０４との二導体で微分負性抵抗素子１０１と第１の誘電体１０５ａを挟む構成のアクティブパッチアンテナである。バイアス回路１２０の抵抗１１０はシャント抵抗、容量１０９はデカップリング容量であり、これらは、微分負性抵抗素子１０１および電源１１２と並列に接続される。マイクロストリップラインである線路１０８は、共振部１０２のパッチアンテナと容量１０９との間に接続される。

発振器１００は、ＬＣ共振の周波数ｆ_ＬＣ付近の周波数帯において、線路（マイクロストリップライン）１０８は、微分負性抵抗素子１０１からみて低インピーダンスとなるような構造及び構成となっている。線路１０８が微分負性抵抗素子１０１からみて低インピーダンスとなるような構成とは、言い換えると、線路１０８が微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路である構成である。

ここで、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路とは、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値を基準とした時に比較的インピーダンスが低い線路の事を指す。比較的インピーダンスが低い線路とは、典型的には、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値の１０倍以下、好ましくは微分負性抵抗の絶対値以下となる線路のことである。一般的には、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値は、構造によるが大体０．１Ω以上１００Ω以下であるので、低インピーダンス線路のインピーダンスは、概ね１Ω以上１０００Ωの範囲に設定される。

微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値を基準として、インピーダンスな線路１０８を構成するには、例えば、線路１０８の厚さを調整して線路１０８の特性インピーダンスを微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値の１０倍以下に設定する。より好ましくは、線路１０８の特性インピーダンスを微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値以下に設定する。また、微分負性抵抗素子１０１の周波数特性を考慮して利得であるインピーダンスの実部の絶対値（｜１／Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］｜）で考えても良い。この場合、特性インピーダンスが、微分負性抵抗素子１０１のインピーダンスの実部の絶対値（｜１／Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］｜）の１０倍以下、好ましくは微分負性抵抗素子１０１のインピーダンスの実部の絶対値（｜１／Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］｜）以下となる線路を線路１０８として用いる。

このような構成にすることにより、線路１０８は、周波数ｆ_ＬＣ付近の周波数の電磁波の損失が大きくなるような構成となっている。従って、線路１０８としてのマイクロストリップラインは損失性の線路であるため、線路１０８に起因した寄生的なＬＣ共振の損失が増加するので、ＬＣ共振の発振を発振不可とする、又は、低減することができる。

ここで、線路１０８の長さをｄ_１、微分負性抵抗素子１０１から抵抗１１０までの距離をｄ_２としたとき、周波数ｆ_ＬＣ付近の周波数帯は、波長に換算すると４×ｄ_１以上４×ｄ_２以下の波長帯である。これは、線路１０８や抵抗１１０の配置や構造で決まり、典型的には数ＧＨｚ以上５００ＧＨｚ以下の範囲である。

なお、本明細書における「線路１０８が微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路」は線路１０８の特性インピーダンスを考えることで簡易的に設計出来る。すなわち線路１０８の特性インピーダンスが、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値の１０倍以下、好ましくは、線路１０８の特性インピーダンスが、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値以下となるような線路の構造を設計すれば良い。このとき、線路１０８は微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路となる。

周波数ｆ_ＬＣにおける微分負性抵抗素子１０１からみた線路１０８のインピーダンスが微分負性抵抗の絶対値の１０倍以下であれば、微分負性抵抗素子１０１が持つ利得に対して、線路１０８による損失の大きさが無視出来なくなるため、ＬＣ共振の発振を抑制できる。特に、周波数ｆ_ＬＣにおける微分負性抵抗素子１０１からみた線路１０８のインピーダンスが低ければ低いほど、線路１０８におけるこの周波数帯の電磁波の損失が増えるので、ＬＣ共振の発振抑制に効果がある。周波数ｆ_ＬＣにおける微分負性抵抗素子１０１からみた線路１０８のインピーダンスが微分負性抵抗の絶対値以下であれば、微分負性抵抗素子１０１の利得を損失が上回るのでＬＣ共振は発振不可とする事ができる。

また、微分負性抵抗素子１０１からみた線路１０８のインピーダンスが低くなるように設計すれば、上述の効果が得られる構造や構成が実現できる。さらに、線路１０８のうち微分負性抵抗素子１０１からみてインピーダンスが低い構造が、微分負性抵抗素子１０１及び共振部１０２に近いほどＬＣ共振の発振抑制に効果がある。具体的には、微分負性抵抗素子１０１からλ_ＴＨｚ以下の距離に配置されることが好ましい。なお、λ_ＴＨｚは、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の波長である。

このような構成は、線路１０８の損失による効果で、周波数ｆ_ｓｐ及びｆ_ＬＣを含むｆ_ＴＨｚ未満の低周波数領域では、（１）式を満たさずＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］＞０となる。また、発振周波数ｆ_ＴＨｚ付近の周波数領域では、（１）式を満たす構造が実現できる。ここで、Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は負の値を有し、ＤＣでは、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の逆数に漸近する。従って、ＬＣ共振の発振が抑制され、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波を得る事ができる。

線路１０８などの分布定数線路の主な損失には、表皮効果に起因する導体損失と誘電正接（ｔａｎδ）に起因する誘電損失とがある。分布定数線路の等価回路上では、それぞれインダクタンスＬと、直列接続された抵抗Ｒと、キャパシタンスと並列に接続された漏れコンダクタンスＧと、で表現される。このうち、漏れコンダクタンスＧは、Ｇ＝ｔａｎδ×ω×Ｃで表現されるので、テラヘルツ波のような高周波になるほど誘電損失による損失が無視できなくなる。また、誘電損失による損失は誘電正接ｔａｎδと線路の容量Ｃの増加関数となる。

よって、線路１０８の材料と構造を選択して線路１０８の誘電正接ｔａｎδと容量Ｃとを適切に選ぶことで、線路１０８の周波数ｆ_ＬＣ付近の電磁波の漏れコンダクタンスＧを増大させ、周波数ｆ_ＬＣ付近の誘電損失を大きくできる。具体的には、周波数ｆ_ＬＣ付近において、誘電損失が、微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の逆数の絶対値の１／１０以上、より好ましくは、微分負性抵抗の逆数の絶対値以上であれば、周波数ｆ_ＬＣ付近の発振の抑制に効果がある。

例えば、誘電体１０５ｂの厚さを十分に薄くすれば、マイクロストリップライン１０８の容量Ｃが増加するので、ｆ_ＬＣ付近において誘電損失は増加し、線路１０８は微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路となる。具体的には、誘電体１０５ｂの厚さは、誘電体の種類にもよるが、典型的には０．００１μｍ以上１μｍ以下の厚さであれば、周波数ｆ_ＬＣ付近におけるマイクロストリップライン１０８の特性インピーダンスは１Ω以上１００Ω以下となる。微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値は、構造によるが大体１Ω以上１００Ω以下である。

そのため、線路１０８の厚さを調整して特性インピーダンスを微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値の１０倍以下や微分負性抵抗の絶対値以下に設定できる。この時、微分負性抵抗素子１０１からみた線路１０８のインピーダンスは、微分負性抵抗の絶対値の１０倍以下や微分負性抵抗の絶対値以下となる。その結果、マイクロストリップライン１０８の周波数ｆ_ＬＣ付近の誘電損失が増大するので、ＬＣ共振の発振を抑制、又は、発振不可にする事ができる。

第２の誘電体１０５ｂの厚さを、共振部１０２の第１の誘電体１０５ａの厚さより薄い構成とすることで、テラヘルツ波の共振器兼放射器であるパッチアンテナは低損失且つ高放射効率を維持しながら、線路１０８のみの損失を増大させる事ができる。すなわち、発振周波数ｆ_ＴＨｚの電磁波は共振部１０２において低損失且つ高放射効率を維持し、周波数ｆ_ＬＣの電磁波のマイクロストリップライン１０８における損失を増大させる事が出来る。

図９は、発振器１００のアドミタンス特性の誘電体１０５ｂの厚さ依存性を解析した結果をプロットしたグラフである。第２の誘電体１０５ｂには半導体製造で良く使われる窒化シリコンを用いた。第２の誘電体１０５ｂが厚さ３μｍの従来の発振器の場合は、周波数ｆ_ＬＣ（≒０．０８ＴＨｚ）の付近はアドミタンスが１０ｍＳ以下であり低損失（高インピーダンス）な構成である。一方、発振器１００であれば、膜厚を１μｍから０．１μｍまで薄くすることで、発振周波数ｆ_ＴＨｚ付近のアドミタンスの変化は最小限で、周波数ｆ_ＬＣ付近のアドミタンスを約１０ｍＳから１００ｍＳ以上にまで任意に調整することが出来る。

このように、線路１０８の第２の誘電体１０５ｂの厚さが共振部１０２の第１の誘電体１０５ａの厚さより薄くなるように、第２の誘電体１０５ｂの厚さを設定する。これにより、線路１０８と共振部１０２との間の等価屈折率の差が大きくなるため共振器１０２と線路１０８の接続部にインピーダンス不整合が生じる。このため、誘電体１０５ｂが薄くなると、アンテナを含む共振部１０２の容量と線路１０８のインダクタンスに起因した周波数ｆ_ＬＣのＬＣ共振は、共振部１０２の容量に起因した共振と、線路１０８のインダクタンスに起因した共振と、の二つに分裂する。この結果、周波数ｆ_ＬＣの前後に周波数の近い二つの共振点が生じ、周波数ｆ_ＬＣの前後に低インピーダンスの帯域が生じる。

また、誘電体１０５ｂに誘電正接ｔａｎδの大きい材料を用いれば、線路１０８の構造寸法を変えずに周波数ｆ_ＬＣ付近の電磁波の誘電損を増加させることもできる。周波数ｆ_ＬＣにおける誘電正接ｔａｎδの大きい材料としては、窒化シリコン、ポリアラミド、ポリエチレンテレフタラート、ＰＭＭＡ、ＡＢＳ、ポリカーボネイトなどがある。また、スチロールやエポキシ等の誘電損失の大きさが電界強度依存性を有する合成樹脂に金属フィラ―やカーボングラファイトの微粉末を分散して形成した物質でもよい。さらに、周波数ｆ_ＬＣにおける誘電正接ｔａｎδの大きいメタマテリアル構造でもよい。

ここで、線路１０８の長さｄ_１は、導体抵抗が顕著にならない範囲で長い方が良く、λ_ＴＨｚ／４以上が好ましい。なお、λ_ＴＨｚは、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の波長である。

図１０は、発振器１００のアドミタンス特性の線路１０８の長さ依存性を解析した結果をプロットしたグラフである。線路の長さを１００μｍ、２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍに設定した場合の発振器１００のアドミタンス特性を示した。λ_ＴＨｚを、周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の波長とすると１００μｍはλ_ＴＨｚ／４に相当する。ストリップ導体１０６が長いとインダクタンスＬが増加し、ＬＣ共振の周波数ｆ_ＬＣは低周波側にシフトする。このため、周波数ｆ_ＬＣ付近の損失が共振部１０２内の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界へ影響するのが抑制される。一方、ストリップ導体１０６が短いと、インダクタンスＬが減少するので、ＬＣ共振の周波数ｆ_ＬＣは高周波側にシフトする。

この結果、距離と周波数の面で発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界への影響が無視できなくなり、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラへルツ波の損失やマルチモードの原因となる。線路１０８長と、周波数ｆ_ＬＣ付近の低インピーダンスになる周波数帯域が広がり、また、周波数ｆ_ＬＣ自体が低周波側にシフトするため。そのため、線路１０８の長さは、長くすることが好適であり、好ましくはλ_ＴＨｚ／４以上が良い。ただし、線路１０８が長いと直列抵抗の原因となるため、直列抵抗とｆ_ＬＣ付近のインピーダンスの兼ね合いで適宜設計すればよい。

導体１０７及び線路１０８の幅は、共振部１０２内の共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、例えばλ_ＴＨｚ／１０以下が好適である。また、導体１０７及び線路１０８は、共振部１０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に配置することが好ましい。この時、線路１０８は、発振周波数ｆ_ＴＨｚ付近の周波数帯において微分負性抵抗素子１０１の微分負性抵抗の絶対値よりインピーダンスが高い構成となる。そのため、周波数ｆ_ＬＣ付近の電磁波の損失が、共振部１０２内の発振周波数ｆ_ＴＨｚの電界へ影響することが抑制される。

ここで、「共振部１０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節」は、共振部１０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の実質的な節となる領域のことである。すなわち、テラヘルツ波の共振器であるパッチアンテナ内に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の実質的な節となる領域であるとも言える。具体的には、共振部１０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が、共振部１０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の最大電界強度より１桁程度低い領域のことである。望ましくは、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が、共振部１０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の最大電界強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）以下となる位置が好適である。

本実施形態の具体例である実施例１の発振器２００のアドミタンス特性の解析結果について、図２を参照して説明する。発振器２００の構成については、後述する実施例１で説明する。

図２は、実施例１に開示した発振器２００のアドミタンス特性の解析結果であり、微分負性抵抗素子であるＲＴＤのアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］とパッチアンテナのアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］とをプロットしたグラフである。グラフには、後述の実施例１の周波数ｆ_ＬＣ付近の周波数帯で低インピーダンスとなる線路２０８を備えたパッチアンテナのアドミタンスＲｅ［Ｙ_{ＡＮＴｗｉｔｈ ２０８}］も示した。また、従来の比較的インピーダンスの高いマイクロストリップラインを線路として備えたパッチアンテナのアドミタンスＲｅ［Ｙ_ＡＮＴ］を示した。

発振器２００において、（２）式を満たす発振周波数ｆ_ＴＨｚは０．４５ＴＨｚであり、ＬＣ共振の周波数ｆ_ＬＣは０．０８ＴＨｚと見積られる。従来の比較的インピーダンスの高いマイクロストリップラインの場合は、発振周波数ｆ_ＴＨｚ及び周波数ｆ_ＬＣの両方で（１）式の発振条件を満たすため、ＬＣ共振を含む寄生発振が生じる可能性がある。

一方、実施例１の周波数ｆ_ＬＣ付近の周波数帯で低インピーダンスとなる線路２０８を備えた場合は、発振周波数ｆ_ＴＨｚにおけるインピーダンスが高くなり発振条件を満たす。しかし、周波数ｆ_ＬＣを含むＤＣ以上ｆ_ＴＨｚ未満の低周波数の領域では、線路２０８はＲＴＤ２０１からみて低インピーダンスとなり、（１）式の発振条件を満たさない。従って、実施例１の構成であれば、ＬＣ共振を含む寄生発振は抑制されることが分かる。

このように、実施例１の発振器は、テラヘルツ波帯における所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚ付近で高インピーダンスとなり、且つ、周波数ｆ_ＬＣのＬＣ共振を含むＤＣ以上ｆ_ＴＨｚ未満の寄生発振の周波数領域で低インピーダンスとなるような発振回路が実現される。なお、ここでの高インピーダンス及び低インピーダンスは、ＲＴＤ２０１からみて（すなわちＲＴＤ２０１を基準として）高インピーダンス、ＲＴＤ２０１からみて（すなわちＲＴＤ２０１を基準として）低インピーダンスであることを言う。したがって、マイクロストリップ型共振器を用いた発振器においても、バイアス回路１２０や給電構造に起因した低周波の寄生発振を抑制し、共振器により規定される所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波を安定して発振することが可能となる。

このような構成であれば、マイクロストリップ共振器及び分布定数線路の構造の寸法及び材料を任意に設計することで、テラヘルツ波の発振周波数ｆ_ＴＨｚにおける損失を低減できる。また、適切に設計することにより、発振周波数ｆ_ＴＨｚにおけるテラヘルツ波の損失を最小化し、寄生発振の周波数における損失を最大化することも可能となる。

本実施形態及び実施例１の発振器は、パッチアンテナなどを含むマイクロストリップ型共振器における課題であった、配線構造に起因した寄生発振を低減できる。具体的には、微分負性抵抗素子にバイアス給電するためのストリップ導体のインダクタンスに起因した新たな寄生発振の発生を低減する。よって、マイクロストリップ型共振器でもＤＣ以上ｆ_ＴＨｚ未満の周波数領域において寄生発振を低減又は抑制することができ、共振器の所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波をより安定して得ることができる。

また、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波が安定して得られることにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波がより高出力で得ることができる。

（実施例１）
本実施例に係るテラヘルツ波を発振する素子である発振器２００の構成について、図３を参照して説明する。図３は、発振器２００の構成を説明する図である。発振器２００は、発振周波数ｆ_ＴＨｚ＝０．４５ＴＨｚを発振させる素子である。本実施例では微分負性抵抗素子２０１として共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いている。本実施例で用いたＲＴＤ２０１は、例えば、ＩｎＰ基板２３０上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造とｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層を伴って構成される。

多重量子井戸構造としては、例えば三重障壁構造を用いる。より具体的には、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ）／ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ）／ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）の半導体多層膜構造で構成する。このうち、ＩｎＧａＡｓは井戸層で、格子整合するＩｎＡｌＡｓや非整合のＡｌＡｓは障壁層である。これらの層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープ層としておく。

この様な多重量子井戸構造は、電子濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３のｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層に挟まれる。こうした電気的接点層間の構造の電流電圧Ｉ（Ｖ）特性において、ピーク電流密度は２８０ｋＡ／ｃｍ^２であり、約０．７Ｖから約０．９Ｖまでが微分負性抵抗領域となる。ＲＴＤ２０１が約２μｍΦのメサ構造の場合、ピーク電流１０ｍＡ、微分負性抵抗−２０Ωが得られる。

共振部２０２は、パッチ導体２０３、接地導体２０４及び第１の誘電体２０５ａを有する共振器と、ＲＴＤ２０１とを有する。共振器は、パッチ導体２０３の一辺が２００μｍの正方形のパッチアンテナを含む。パッチ導体２０３と接地導体２０４との間には、第１の誘電体２０５ａとして３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、ε_ｒ＝２．４）及び０．１μｍ厚の窒化シリコンが配置されている。

パッチ導体２０３と接地導体２０４との間には、直径２μｍのＲＴＤ２０１が接続され、ＲＴＤ２０１は、パッチ導体２０３の重心から共振方向に８０μｍシフトした位置に配置されている。パッチアンテナの単独の共振周波数は、約０．４８ＴＨｚであるが、微分負性抵抗素子２０１であるＲＴＤのリアクタンスを考慮すると、発振器２００の発振周波数（共振周波数）ｆ_ＴＨｚは約０．４５ＴＨｚとなる。

パッチ導体２０３は、導体２０７を介して線路２０８としてのマイクロストリップラインのストリップ導体２０６と接続されている。これにより、パッチアンテナは、線路２０８を介してＭＩＭ容量２０９と接続される。このような構成にすることにより、線路２０８は、バイアス回路２２０と、共振部２０２とを接続する。

ＭＩＭ容量２０９の容量の大きさは、本実施例では１００ｐＦとした。ＭＩＭ容量２０９には、ワイヤーボンディングを含む配線２１１が接続され、電源２１２により微分負性抵抗素子２０１のバイアス電圧が調整される。マイクロストリップライン２０８のストリップ導体２０６のインダクタンスＬ_１と共振部２０２の容量Ｃとで形成されるＬＣ共振の周波数ｆ_ＬＣは約０．０８ＴＨｚとなる。

線路２０８は、ストリップ導体２０６と、接地導体２０４と、ストリップ導体２０６と接地導体２０４との間に配置されている第２の誘電体２０５ｂと、を有する。第２の誘電体２０５ｂは、厚さ約０．１μｍの窒化シリコンである。線路２０８のインピーダンスは、ＬＣ共振の周波数ｆ_ＬＣにおいてＲＴＤ２０１の微分負性抵抗の絶対値より低くなっている。線路２０８としてのマイクロストリップラインの具体的な寸法は、共振部２０２との接続部から、幅ａ約６μｍ、長さｂ約１００μｍの線路が伸びており、さらに幅ｃ約２０μｍ、全長約６００μｍの線路が伸びている。幅ｃ約２０μｍの線路は、ＭＩＭ容量２０９と接続されている。幅ｃ約２０μｍの線路は、ＭＩＭ容量２０９と反対の方向に長さｅだけ伸びており、略直角に２回曲がってＭＩＭ容量２０９に向かって長さｅ伸びる構成となっている。本実施例の長さｅは約２００μｍ、長さｄは約４００μｍである。また、長さｅのマイクロストリップラインと長さｄのマイクロストリップラインと距離ｆは約６０μｍである。

パッチ導体２０３は、発振周波数ｆ_ＴＨｚ（＝０．４５ＴＨｚ）で共振部２０２に定在する高周波電界の節で導体２０７と接続されており、線路２０８と発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の共振電界との干渉を抑制している。

このような構成にすると、図２に示したアドミタンス解析の結果からも分かる通り、発振周波数ｆ_ＴＨｚでは（１）式の発振条件を満たすが、周波数ｆ_ＬＣを含むＤＣ以上ｆ_ＴＨｚ未満の低周波数領域では低インピーダンスとなり、（１）式を満たさない。従って、発振器２００は、バイアス回路２２０や給電構造に起因した低周波の寄生発振が抑制され、ＲＴＤ２０１とパッチアンテナとを含む共振部２０２により規定される所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波を安定して発振することが可能となる。

本実施例による発振器２００は、以下のように作製される。まず、ＩｎＰ基板２３０上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などによって、次の層をエピタキシャル成長する。すなわち、順に、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）２０１をエピタキシャル成長する。ＩｎＰ基板２３０としてｎ型の導電性基板を選択する場合は、ｎ−ＩｎＧａＡｓからエピタキシャル成長すればよい。

次に、ＲＴＤ２０１を、直径が２μｍとなるような円弧形状のメサ状にエッチングを行う。エッチングにはＥＢ（電子線）リソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。フォトリソグラフィを用いてもよい。続いて、エッチングされた面に、リフトオフ法により接地導体２０４を形成する。第２の誘電体２０５ｂ及び共鳴トンネルダイオードの側壁保護膜として０．１μｍの窒化シリコン膜を全面に成膜する。さらに、スピンコート法とドライエッチングを用いて第１の誘電体２０５ａであるＢＣＢによる埋め込みを行い、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｄ／Ａｕのパッチ導体２０３を形成する。

次に、ドライエッチング法により、パッチアンテナより外側にあるＢＣＢを除去し、第２の誘電体２０５ｂである０．１μｍの窒化シリコン膜を露出する。リフトオフ法により導体２０７、ストリップ導体２０６、ＭＩＭ容量２０９の上部の電極を形成する。最後に、リフトオフ法により、抵抗２１０となる部分にＢｉパターンを形成し、接地導体２０４とＭＩＭ容量２０９の上部の電極を接続し、ワイヤーボンディングなどで配線２１１及び電源２１２と接続することで本実施例の発振器２００は完成する。発振器２００への電力の供給はバイアス回路２２０から行われ、通常は微分負性抵抗領域となるバイアス電圧を印加してバイアス電流を供給すると、発振器として動作する。

本実施例では、ＲＴＤ２０１として、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明してきた。しかし、これらの構造や材料系に限られることなく、他の構造や材料の組み合わせであっても本発明の半導体素子を提供することができる。例えば、２重障壁量子井戸構造を有する共鳴トンネルダイオードや、４重以上の多重障壁量子井戸を有する共鳴トンネルダイオードを用いてもよい。

また、その材料としては、以下の組み合わせのそれぞれを用いてもよい。
・ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／及びＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
・ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ
・ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ及びＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ
・Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅ

上述の構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すればよい。

このように、本実施例の発振器は、テラヘルツ波帯における所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚ付近は高インピーダンスとなり、且つ、周波数ｆ_ＬＣのＬＣ共振を含むＤＣ以上ｆ_ＴＨｚ未満の寄生発振の周波数領域は低インピーダンスとなるような発振回路が実現される。したがって、マイクロストリップ型共振器を用いた本実施例の発振器は、バイアス回路や給電構造等の配線構造に起因した低周波の寄生発振を抑制し、所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波を安定して発振できる。

また、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波が安定して得られることにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波がより高出力で得ることができる。

（実施例２）
実施例２では、実施例１の発振器２００の変形例１〜３の素子について、図４〜図８を参照して説明する。まず、変形例１の素子としての発振器３００の構成を、図４を参照して説明する。図４は、発振器３００の構成を説明する図である。発振器３００は、発振器２００と同じく発振周波数ｆ_ＴＨｚ＝０．４５ＴＨｚを発振させる発振器である。発振器３００は、共振部３０２の形態が発振器２００と異なる。また、発振器３００は、線路３０８の形態が実施例１の発振器２００と異なる。線路の形態は、必要に応じて適宜設計すればよい。その他の構成は発振器２００と同じなので、詳細な説明を省略する。

共振部３０２は、パッチ導体２０３と、接地導体２０４と、パッチ導体２０３と接地導体２０４との間に配置されている第１の誘電体３０５ａとを有する。第１の誘電体３０５ａの側壁の一部は基板２３０と略垂直でなく、基板２３０と第１の誘電体３０５ａとがなす角の角度が約６０°となるように構成されている。パッチ導体２０３は、第５の導体２０７を介して線路２０８としてのマイクロストリップラインのストリップ導体２０６と接続されている。

第５の導体２０７は、第１の誘電体３０５ａの一部が基板２３０となす角の角度が約６０°になるようにテーパー加工された法面上に配置されている。第５の導体２０７は、パッチ導体２０３とストリップ導体２０６との間の段差（高低差）をつなぐためのプラグである。このような構成は、異なる厚さの第１及び第２の誘電体３０５ａ、２０５ｂ間の段差部分における金属のカバレッジ不良による抵抗増加を低減できる。

発振器２００の変形例２の発振器４００について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、発振器４００の構成を説明する図で、図５（ｂ）はそのＤ−Ｄ断面図、図５（ｃ）はそのＥ−Ｅ断面図である。発振器４００は、発振周波数ｆ_ＴＨｚ＝０．４５ＴＨｚを発振させる発振器である発振器４００は、共振部４０２とバイアス回路（不図示）とを接続する線路４０８として、分布定数線路としてのストリップ線路を用いる。その他の構成は発振器２００と同じなので、以下は必要な部分についてのみ説明する。

発振器４００の線路４０８は、ストリップ導体（第３の導体）４０６と、第２の誘電体４０５ｂと、第３の誘電体４２２と、を有する。ストリップ導体４０６は、厚さｔ_１の第３の誘電体４２２と厚さｔ_２の第２の誘電体４０５ｂとを含む誘電体層に埋め込まれている。また、誘電体層は、第６の導体４２１と第２の導体（第４の導体）２０４とで上下から挟まれた構造となっている。ストリップ導体４０６とパッチ導体２０３とは、第５の導体２０７を介して接続されている。

第５の導体２０７は、パッチ導体２０３とストリップ導体４０６との間の段差（高低差）をつなぐためのプラグであり、共振部２０２とストリップ線路４０８はＤＣ結合される。なお、第６の導体４２１と第２の導体２０４が電気的かつ物理的に接続されている構成であっても良い。

ここで、発振器４００のアドミタンス特性について図６を参照して説明する。図６は、発振器４００のアドミタンス特性の解析結果であり、微分負性抵抗素子であるＲＴＤ４０１のアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］とパッチアンテナのアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］とをプロットしたグラフである。グラフには、アンテナのアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］について、第３の誘電体４２２と第２の誘電体４０５ｂとを含む誘電体層の厚さが、ｔ_１＝ｔ_２＝１００ｎｍとｔ_１＝ｔ_２＝５００ｎｍの２種類の場合の解析結果を示した。また、ＲＴＤ４０１の利得、すなわちアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は、ＲＴＤ４０１の直径が２μｍと３μｍの場合の２種類の解析結果を示した。

グラフより、線路４０８の誘電体層（第３の誘電体４２２と第２の誘電体４０５ｂ）の厚さを調整することで、ｆ_ＬＣ付近の周波数帯のインピーダンスを調整可能なことが分かる。なお、ｆ_ＬＣ付近の周波数帯のインピーダンスは、誘電体層の厚さ以外にも、線路４０８の長さ及び第２及び第３の誘電体４０５ｂ、４２２の材料の選択によっても調整可能であり、ＲＴＤ４０１の利得によって適宜選択すれば良い。発振器４００の構成は、ＤＣ以上ｆ_ＴＨｚ未満の低周波数の領域では損失で発振が抑制され、所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚでは損失が少なく発振条件を満たすことが可能である。

実施例１の変形例３の発振器５００について図７を参照して説明する。図７（ａ）は、発振器５００の構成を説明する図で、図７（ｂ）はそのＧ−Ｇ断面図、図７（ｃ）はＦ−Ｆ断面図である。発振器５００は、発振周波数ｆ_ＴＨｚ＝０．４５ＴＨｚを発振させる素子である。発振器５００は、共振部５０２とバイアス回路（不図示）とを接続する線路５０８として、方形同軸線路を用いる。その他の構成は発振器２００と同じなので詳細な説明を省略し、以下は必要な部分についてのみ説明する。

線路５０８としての方形同軸線路は、分布定数線路である。線路５０８は、ストリップ導体（第３の導体）５０６と、第６の導体５２１と、第３の誘電体層５２２と、第４の導体（接地導体）２０４と、を有する。ストリップ導体５０６は、厚さｈ_１の第３の誘電体層５２２と厚さｈ_２の第２の誘電体２０５ｂとを含む誘電体層に埋め込まれており、誘電体層が第６の導体５２１と第４の導体２０４とを含む導体層で囲まれた構造となっている。ストリップ導体５０６とパッチ導体２０３とは、段差（高低差）をつなぐためのプラグである第５の導体２０７を介して接続されている。線路５０８は、素子２０１の微分負性抵抗の絶対値を基準とした低インピーダンス線路である。

ここで、発振器５００のアドミタンス特性について図８を参照して説明する。図８は、発振器５００のアドミタンス特性の解析結果であり、素子２０１であるＲＴＤのアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］とパッチアンテナのアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］とをプロットしたグラフである。グラフには、アンテナのアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］について、第３の誘電体５２２と第２の誘電体２０５ｂとを含む誘電体層の厚が、ｈ_１＝ｈ_２＝１００ｎｍとｈ_１＝ｈ_２＝５００ｎｍの２種類の場合の解析結果を示した。また、ＲＴＤの利得、すなわちアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は、ＲＴＤの直径が２μｍと３μｍの場合の２種類の解析結果を示した。

グラフより、ストリップ線路５０８の第３の誘電体５２２と第２の誘電体５０５ｂの厚さを調整することで、ｆ_ＬＣ付近の周波数帯のインピーダンスを調整することが可能である。なお、ｆ_ＬＣ付近の周波数帯のインピーダンスは、誘電体層の厚さ以外にも、線路５０８の長さ又は各誘電体５０５ｂ、５２２の材料の選択によっても調整可能であり、素子２０１の利得によって適宜選択すれば良い。発振器５００の構成は、ＤＣ以上ｆ_ＴＨｚ未満の低周波数の領域では損失で発振が抑制され、所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚでは損失が少なく発振条件を満たすことが可能である。

以上、発振器２００の変形例１〜３について説明した。上述の変形例１〜３においても、共振部とバイアス回路とを接続する線路が、微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値を基準として低インピーダンス回路となるように構成することにより、配線構造に起因した寄生発振を低減できる。その結果、所望の発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波をより安定して発振できる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施形態及び実施例では、キャリアが電子である場合を想定して説明しているが、これに限定されるものではなく、正孔（ホール）を用いたものであってもよい。また、基板や誘電体の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、ガリウムリンなどの半導体や、ガラス、セラミック、テフロン（登録商標）、ポリエチレンテレフタラートなどの樹脂を用いることができる。

さらに、上述の実施形態及び実施例では、テラヘルツ波の共振器として正方形パッチを用いているが、共振器の形状はこれに限られたものではなく、例えば、矩形及び三角形等の多角形、円形、楕円形等のパッチ導体を用いた構造の共振器等を用いてもよい。

また、発振器に集積する微分負性抵抗素子の数は、１つに限るものではなく、微分負性抵抗素子を複数有する共振器としてもよい。線路の数も１つに限定されず、複数の線路を設ける構成でもよい。

上述の実施形態及び実施例で記載した発振器は、テラヘルツ波を検出する検出器として使用することも可能である。また、上述の実施形態及び実施例で記載した発振器を用いて、テラヘルツ波の発振及び検出を行うこともできる。

１００ 素子
１０１ 微分負性抵抗素子
１０２ 共振部
１０３ パッチ導体（第１の導体）
１０４ 接地導体（第２の導体）
１０５ａ 第１の誘電体（誘電体）
１０５ｂ 第２の誘電体
１０８ 線路
１２０ バイアス回路

Claims (15)

1. テラヘルツ波を発振又は検出する素子であって、
   微分負性抵抗素子、第１の導体、第２の導体、第１の誘電体、を有する共振部と、
   前記微分負性抵抗素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
   前記共振部と前記バイアス回路とを接続するストリップ線路と、を有し、
   前記微分負性抵抗素子と前記第１の誘電体とは、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されており、
   前記ストリップ線路は、前記第１の導体と電気的に接続する第３の導体と、前記第２の導体と電気的に接続する第４の導体と、前記第３の導体と前記第４の導体との間に配置されている第２の誘電体と、を備え、
   前記第２の誘電体の厚さは、前記第１の誘電体の厚さより薄く、
   前記ストリップ線路を含む前記共振部のインピーダンスは、前記ストリップ線路のインダクタンスと前記共振部の容量とによる共振の周波数をｆＬＣとすると、前記周波数ｆＬＣにおいて、前記微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値の１０倍以下であることを特徴とする素子。
2. 前記第１の誘電体は、前記第２の誘電体が有しない材料を有することを特徴とする請求項１に記載の素子。
3. 前記第２の誘電体が有する材料の誘電正接は、前記第１の誘電体が有する材料の誘電正接よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の素子。
4. 前記第１の誘電体は、少なくとも、第１の層と第２の層を有することを特徴とする請求項２または３に記載の素子。
5. 前記第２の誘電体は、前記第１の層を有することを特徴とする請求項４に記載の素子。
6. 前記第１の層の材料は、窒化シリコンであり、前記第２の層の材料はベンゾシクロブテンであることを特徴とする請求項４または５に記載の素子。
7. 前記ストリップ線路を含む前記共振部のインピーダンスは、前記周波数ｆＬＣにおいて、前記微分負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の素子。
8. 前記微分負性抵抗素子のアドミタンスの実部をＲｅ［ＹＲＴＤ］、前記ストリップ線路を含む前記共振部のアドミタンスの実部をＲｅ［ＹＡＮＴ］とすると、前記テラヘルツ波の共振周波数をｆＴＨｚとすると前記共振周波数ｆＴＨｚにおいて、
   Ｒｅ［ＹＲＴＤ］＋Ｒｅ［ＹＡＮＴ］≦０
   を満たし、前記周波数ｆＬＣにおいて、
   Ｒｅ［ＹＲＴＤ］＋Ｒｅ［ＹＡＮＴ］＞０
   を満たすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の素子。
9. 前記第１の誘電体の厚さは、０．００１μｍ以上１μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の素子。
10. 前記テラヘルツ波の波長をλＴＨｚとすると、前記ストリップ線路の長さは、λＴＨｚ／４以上であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の素子。
11. 前記共振部と前記ストリップ線路とは、前記共振部に定在している前記テラヘルツ波の電界の節で接続していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の素子。
12. 前記ストリップ線路は、マイクロストリップラインであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の素子。
13. 前記バイアス回路は、シャント抵抗とデカップリング容量とを有し、
    前記ストリップ線路は、前記共振部と前記デカップリング容量との間に接続されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の素子。
14. 前記ストリップ線路は、前記周波数ｆＬＣにおいて損失性の線路であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の素子。
15. 前記第３の導体の幅は、前記第１の導体の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の素子。

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