JP4845988B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を送受信するアンテナ装置に関する。本発明は特に、光を受信し、その光エネルギーを電気エネルギーに変換するアンテナ装置に関する。

アンテナ装置を利用して光を送受信する技術は、様々な分野で必要とされている。例えば、情報を送受信するために、光を媒体として電力を無線で送受信するために、又は太陽光から電力を生成するために、アンテナ装置を利用する技術の開発が進められている。これらの技術分野に用いられるアンテナ装置の一例に、アンテナ部で光を受信し、その光エネルギーを整流器で電流に変換するレクテナと呼ばれるアンテナ装置が開発されている。

レクテナと呼ばれるアンテナ装置の多くは、特許文献１及び特許文献２に開示されているように、電流型のレクテナである。電流型のレクテナは、アンテナ部に生じる共振電流を給電点から引き出し、整流器で整流して電流を生成することを特徴としている。

一方、非特許文献１には、電流型のレクテナとは異なる構造を有するアンテナ装置が提案されている。非特許文献１のアンテナ装置は、アンテナ部に生じる電圧を利用して電流を生成することを特徴としている。

図２４に、非特許文献１に開示される電圧型のアンテナ装置の構成を示す。アンテナ装置４００は、負荷４６０に電流を供給するアンテナ素子４２０を備えている。アンテナ素子４２０は、金属体のアンテナ部４３０と、第１トンネルダイオード４４２と、第２トンネルダイオード４４４と、第１接続電極４５２と、第２接続電極４５４を有する。第１トンネルダイオード４４２は、アンテナ部４３０の一端４３２と第１接続電極４５２の間に接続されており、ホットエレクトロンを選択的に透過させるＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）型のトンネルダイオードである。第２トンネルダイオード４４４は、アンテナ部４３０の他端４３６と第２接続電極４５４の間に接続されており、ホットホールを選択的に透過させるＭＩＭ型のトンネルダイオードである。負荷４６０は、第１接続電極４５２と第２接続電極４５４の間に接続されている。アンテナ部４３０の長手方向の長さは、受信対象の光の波長λの１／２に設定されている。

図２５に、アンテナ部４３０が波長λの光を受信したときのアンテナ部４３０内のフェルミ準位を示す。図２５の横軸はアンテナ部４３０の長手方向の位置を示しており、縦軸はその位置におけるフェルミ準位を示す。アンテナ部４３０に波長λの光が入射すると、交番電界に同期してアンテナ部４３０の両端部に電子が交互に密集する。紙面右向きの電界（図２５に実線で示す）がアンテナ部４３０に加わると、アンテナ部４３０の一端４３２に電子が密集し、アンテナ部４３０の一端４３２のフェルミ準位が上昇する。一方、紙面左向きの電界（図２５に破線で示す）がアンテナ部４３０に加わると、アンテナ部４３０の他端４３６に電子が密集し、アンテナ部４３０の他端４３６のフェルミ準位が上昇する。

紙面右向きの電界によってアンテナ部４３０の一端４３２のフェルミ準位が上昇すると、第１トンネルダイオード４４２内の不連続なエネルギーレベルを超えたホットエレクトロンは、第１トンネルダイオード４４２を透過する。これにより、アンテナ部４３０、第１トンネルダイオード４４２、負荷４６０、及び第２トンネルダイオード４４４で構成されるループが形成され、負荷４６０に時計回りの電流が供給される。一方、紙面左向きの電界がアンテナ部４３０に加わったときは、第１トンネルダイオード４４２と第２トンネルダイオード４４４が非導通状態に維持されるので、負荷に電流が供給されない。これにより、図２４に示すアンテナ装置４００は、紙面右向きの電界に応じて半波整流された電流を負荷４６０に供給することができる。

非特許文献１はさらに、図２６に示すアンテナ装置４１０も提案している。図２６に示すアンテナ装置４１０は、アンテナ部４３０の一端４３２に正孔選択性のトンネルダイオード４４３が追加接続されているとともに、アンテナ部４３０の他端４３６に電子選択性のトンネルダイオード４４５が追加接続されていることを特徴としている。これにより、紙面右向きの電界がアンテナ部４３０に加わると、トンネルダイオード４４２とトンネルダイオード４４４を介して電流が負荷４６０に供給され、紙面左向きの電界がアンテナ部４３０に加わると、トンネルダイオード４４５とトンネルダイオード４４３を介して電流が負荷４６０に供給される。図２６に示すアンテナ装置４１０は、全波整流された電流を負荷４６０に供給することができる。

特開平５−１８２７１号公報 特開２００７−１１６５１５号公報

D. Koenig and R. Corkish, "Energy selective contacts as ultrafast rectifiers for optical antennas", Proceedings of 21th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 2006, p.83-p.86

しかしながら、図２４に示す電圧型のアンテナ装置４００では、半波整流された電流を生成するために、少なくとも電子選択性のトンネルダイオードと正孔選択性のトンネルダイオードの合計２個のトンネルダイオードが必要である。また、図２６に示す電圧型のアンテナ装置４１０では、全波整流された電流を生成するために、少なくとも電子選択性のトンネルダイオードと正孔選択性のトンネルダイオードの組の２組が必要であり、合計４個のトンネルダイオードが必要である。電圧型のアンテナ装置４００，４１０は、必要とされるトンネルダイオードの個数が多いという問題がある。本明細書で開示される技術は、簡易な構造の電圧型のアンテナ装置を提供する。

図２５に示されるように、電圧型のアンテナ装置は、アンテナ部の端部において電位が上昇する現象を利用する。例えば、図２５に示されるように、電圧型のアンテナ装置は、アンテナ部に紙面右向きの電界が周期的に印加されるのに応じて、アンテナ部の左端部のフェルミ準位が周期的に上昇する現象を利用する。図２５に示されるように、アンテナ部の左端部のフェルミ準位は上下に変動を繰返すものの、アンテナ部の左端部から光の波長λの１／４だけ離れた位置では電位が一定である。このため、電位が一定なアンテナ部の部位を固定電位に固定するとともに、負荷にも固定電位を接続すると、アンテナ部と負荷の間には固定電位を介したループが形成され、アンテナ部に加わる電界から電流を生成することが可能になる。固定電位を利用すれば、簡易な構造の電圧型のアンテナ装置を構成することができる。

本明細書で開示されるアンテナ装置は、アンテナ素子を備えている。アンテナ素子は、導電性の第１アンテナ部と、第１トンネルダイオードと、負荷に接続して用いられる第１接続電極と、固定電位に接続して用いられる固定電極とを有する。第１アンテナ部は、第１トンネルダイオードに接続される第１部位と、固定電極に接続される第２部位を有している。第１トンネルダイオードは、一方の電極が第１アンテナ部の前記第１部位に接続されており、他方の電極が第１接続電極に接続されている。
上記アンテナ装置のアンテナ部は、第１部位が第１トンネルダイオードに接続され、第２部位が固定電位に接続されている。アンテナ部が光を受信すると、光の交番電界に応じてアンテナ部の第１部位のフェルミ準位が上下する。フェルミ準位の上下に応じて励起されたキャリアは、第１トンネルダイオードを透過する。上記のアンテナ装置は、少なくとも１つのトンネルダイオードを利用して、半波整流された電流を生成することができる。

本明細書で開示されるアンテナ装置は、全波整流された電流を生成することもできる。全波整流用のアンテナ装置のアンテナ素子は、導電性の第２アンテナ部と、第２トンネルダイオードと、負荷に接続して用いられる第２接続電極をさらに有している。第２アンテナ部は、固定電極に接続される第３部位と、第２トンネルダイオードに接続される第４部位を有している。第２トンネルダイオードは、一方の電極が第２アンテナ部の前記第４部位に接続されており、他方の電極が第２接続電極に接続されている。第１部位、第２部位、第３部位、及び第４部位は、直線上に配置されている。第１部位と第２部位の間の距離と第３部位と第４部位の間の距離が等しい。
上記のアンテナ装置では、第１アンテナ部の第１部位と第２アンテナ部の第４部位が固定電極を中心として点対称に配置されている。このため、第１アンテナ部と第２アンテナ部が受信対象の光を受信すると、光の交番電界に応じて、第１アンテナ部の第１部位のフェルミ準位と第２アンテナ部の第４部位のフェルミ準位が交互に上下する。したがって、光の交番電界に応じて、第１トンネルダイオードをホットキャリアが透過する現象と第２トンネルダイオードをホットキャリアが透過する現象が交互に繰返される。上記のアンテナ装置は、少なくとも２つのトンネルダイオードを利用して、全波整流された電流を生成することができる。

上記のアンテナ装置の１つの例では、第１アンテナ部が線状の形態を有しており、第２アンテナ部も線状の形態を有している。これにより、第１アンテナ部と第２アンテナ部は、一方向に伸びる線状アンテナ部を構成している。
受信対象の光の電界の振動面及び波長に基づいて、線状アンテナ部の長手方向及び長さを設定すれば、受信対象の光を効率的に受信することができる。

受信対象の光が少なくとも異なる波長の光を含む場合、上記のアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を有するのが好ましい。この場合、複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つのアンテナ素子の線状アンテナ部の第１部位と第４部位の間の長さは、複数のアンテナ素子のうちの他の少なくとも１つのアンテナ素子の線状アンテナ部の第１部位と第４部位の間の長さと異なるのが好ましい。
長さの異なる線状アンテナ部を有すると、異なる波長の光で構成された光を効率的に電流に変換することができる。

受信対象の光が少なくとも異なる電界の振動面の光を含む場合、上記のアンテナ装置は、複数のアンテナ素子を有するのが好ましい。この場合、複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つのアンテナ素子の線状アンテナ部の長手方向は、複数のアンテナ素子のうちの他の少なくとも１つのアンテナ素子の線状アンテナ部の長手方向と異なるのが好ましい。
長手方向が異なるアンテナ部を有すると、異なる電界の振動面の光で構成された光を効率的に電流に変換することができる。

上記のアンテナ装置の他の１つの例では、第１アンテナ部と第２アンテナ部が、一体で形成された平板状アンテナ部である。第２部位と第３部位は、平板状アンテナ部内の共通部位である。第１部位と第４部位は、その共通部位を間に挟んで配置されている。
上記のアンテナ装置では、アンテナ部が平板状に形成されているので、機械的強度が高く、信頼性が高い。

受信対象の光が少なくとも異なる電界の振動面の光を含む場合、平板状アンテナ部を有するアンテナ装置では、第１部位と第４部位が、平板状アンテナ部の対角線上の角部に配置されていることが好ましい。即ち、第１部位に接続される第１トンネルダイオードと第４部位に接続される第２トンネルダイオードが、平板状アンテナ部の対角線上の角部に配置されていることが好ましい。
第１トンネルダイオードと第２トンネルダイオードが上記位置関係に配置されていると、異なる電界の振動面の光で構成された光を効率的に電流に変換することができる。

本明細書で開示されるアンテナ装置は、簡易な構造でありながら、光の送受信を行うことができる。例えば、本明細書で開示されるアンテナ装置は、少なくとも１つのダイオードで半波整流された電流を生成することができる。また、本明細書で開示されるアンテナ装置は、少なくとも２つのダイオードで全波整流された電流を生成することができる。

第１実施形態のアンテナ装置の構成を示す。 第１実施形態のアンテナ装置の具体的な構成を示す。 第１実施形態のアンテナ装置のアンテナ部内のフェルミ準位を示す。 第２実施形態のアンテナ装置の構成を示す。 第２実施形態のアンテナ装置のアンテナ部内のフェルミ準位を示す。 第２実施形態のアンテナ装置の平面図の一例を示す。 第２実施形態のアンテナ装置の平面図の他の一例を示す。 第２実施形態のアンテナ装置の平面図の他の一例を示す。 （Ａ）第１実施例のアンテナ素子の断面図を模式的に示す。 （Ｂ）第１実施例のアンテナ素子の平面図を模式的に示す。 第１トンネルダイオードにＭＩＭトンネルダイオードを適用した場合の断面図の一例を示す。 第１トンネルダイオードにＭＩＭトンネルダイオードを適用した場合の断面図の他の一例を示す。 第１トンネルダイオードにＭＩＩＭトンネルダイオードを適用した場合の断面図の一例を示す。 第１トンネルダイオードにＭＩＩＭトンネルダイオードを適用した場合の断面図の他の一例を示す。 第１トンネルダイオードに共鳴トンネルダイオードを適用した場合の断面図の一例を示す。 出力として利用される電子の状態を示す。 アンテナ素子のレイアウトの一例を示す。 アンテナ素子のレイアウトの他の一例を示す。 アンテナ素子のレイアウトの他の一例を示す。 アンテナ素子のレイアウトの他の一例を示す。 アンテナ素子のレイアウトの他の一例を示す。 アンテナ素子のレイアウトの他の一例を示す。 アンテナ素子のレイアウトの他の一例を示す。 （Ａ）第２実施例のアンテナ素子の断面図を模式的に示す。 （Ｂ）第２実施例のアンテナ素子の平面図を模式的に示す。 従来のアンテナ装置の構成の一例を示す。 従来のアンテナ装置のアンテナ部内のフェルミ準位を示す。 従来のアンテナ装置の構成の他の一例を示す。

以下、図１〜８を参照して、本明細書で開示される技術の概要を説明する。
（第１実施形態）
図１に、半波整流用のアンテナ装置１０の構成を示す。アンテナ装置１０は、負荷６０に電流を供給するアンテナ素子２０を備えている。アンテナ素子２０は、アンテナ部３０と、トンネルダイオード４０と、接続電極５２と、固定電極５４を有する。

アンテナ部３０は、導電性であり、線状又は平板状の形態を有している。アンテナ部３０は、受信対象の光の波長λの１／４の長さ有する部分を備えており、その部分の一端３２（第１部位の一例）と他端３４（第２部位の一例）の間が直線状に伸びている。トンネルダイオード４０は、アンテナ部３０の一端３２と接続電極５２の間に接続されており、所定のエネルギーレベルに励起されたホットエレクトロンを選択的に透過させる。固定電極５４は、アンテナ部３０の他端３４に接続されている。負荷６０は、接続電極５２に接続されているとともに、接地電位にも接続されている。固定電極５４は、接地電位に固定されている。なお、固定電極５４は、図２に示すように、アンテナ部３０の他端３４に接触する導体部５４ａを有するのが望ましい。アンテナ部３０は、導体部５４ａに対して垂直に接触するのが望ましい。導体部５４ａは、十分な厚みを有しており、アンテナ部３０の鏡像アンテナを提供することができる。

図３に、アンテナ部３０が波長λの光を受信したときのアンテナ部３０内のフェルミ準位を示す。図３の横軸はアンテナ部３０の直線状に伸びる方向の位置を示しており、縦軸はその位置におけるフェルミ準位を示す。アンテナ部３０に波長λの光が入射すると、交番電界に同期してアンテナ部３０の一端３２に電子が周期的に密集する。紙面右向きの電界（図３に実線で示す）がアンテナ部３０に加わると、アンテナ部３０の一端３２に電子が密集し、アンテナ部３０の一端３２のフェルミ準位が上昇する。紙面左向きの電界（図３に破線で示す）がアンテナ部３０に加わると、アンテナ部３０の一端３２のフェルミ準位が下降する。アンテナ部３０の一端３２のフェルミ準位は、交番電界に同期して上下の変動を繰返す。

紙面右向きの電界によってアンテナ部３０の一端３２のフェルミ準位が上昇すると、トンネルダイオード４０内の不連続（離散的）なエネルギーレベルを経由してホットエレクトロンがトンネルダイオード４０を透過する。アンテナ部３０の他端３４が接地電位に接続されているとともに、負荷６０も接地電位に接続されているので、アンテナ部３０と負荷６０の間には接地電位を介したループが形成される。このため、トンネルダイオード４０を透過したエレクトロンは、負荷６０に流れ込むことができる。アンテナ装置１０は、１つのトンネルダイオード４０を利用して、半波整流された電流を負荷６０に供給することができる。

（第２実施形態）
図４に、全波整流用のアンテナ装置１００の構成を示す。アンテナ装置１００は、負荷１６０に電流を供給するアンテナ素子１２０を備えている。アンテナ素子１２０は、アンテナ部１３０と、第１トンネルダイオード１４２と、第２トンネルダイオード１４４と、第１接続電極１５２と、第２接続電極１５６と、固定電極１５４を有する。

アンテナ部１３０は、導電性であり、線状又は平板状の形態を有している。アンテナ部１３０は、受信対象の光の波長λの１／２の長さ有する部分を備えており、その部分の一端１３２と他端１３６の間が直線状に伸びている。アンテナ部１３０の直線状に伸びる部分は、第１アンテナ部１３３と第２アンテナ部１３５を備えている。第１アンテナ部１３３と第２アンテナ部１３５は、アンテナ部１３０の中心部位１３４（第２部位と第３部位の一例）に対して対称に伸びている。第１アンテナ部１３３及び第２アンテナ部１３５の直線状に伸びる方向の長さはそれぞれ、光の波長λの１／４に設定されている。第１トンネルダイオード１４２は、アンテナ部１３０の一端１３２（第１部位の一例）と第１接続電極１５２の間に接続されており、所定のエネルギーレベルに励起されたホットエレクトロンを選択的に透過させる。第２トンネルダイオード１４４は、アンテナ部１３０の他端１３６（第４部位の一例）と第２接続電極１５６の間に接続されており、所定のエネルギーレベルに励起されたホットエレクトロンを選択的に透過させる。固定電極１５４は、アンテナ部１３０の中心部位１３４に接続されている。負荷１６０は、第１接続電極１５２と第２接続電極１５６のそれぞれに接続されている。負荷１６０はさらに、接地電位に接続されている。固定電極１５４は、接地電位に固定されている。

図５に、アンテナ部１３０が波長λの光を受信したときのアンテナ部１３０内のフェルミ準位を示す。図５の横軸はアンテナ部１３０の直線状に伸びる方向の位置を示しており、縦軸はその位置におけるフェルミ準位を示す。アンテナ部１３０に波長λの光が入射すると、交番電界に同期してアンテナ部１３０の両端１３２，１３６に電子が交互に密集する。紙面右向きの電界（図５に実線で示す）がアンテナ部１３０に加わると、アンテナ部１３０の一端１３２に電子が密集し、アンテナ部１３０の一端１３２のフェルミ準位が上昇する。一方、紙面左向きの電界（図５に破線で示す）がアンテナ部１３０に加わると、アンテナ部１３０の他端１３６に電子が密集し、アンテナ部１３０の他端１３６のフェルミ準位が上昇する。アンテナ部１３０の両端のフェルミ準位は、交番電界に同期して上下の変動を繰返す。

紙面右向きの電界によってアンテナ部１３０の一端１３２のフェルミ準位が上昇すると、第１トンネルダイオード１４２内の不連続（離散的）なエネルギーレベルを経由したホットエレクトロンが第１トンネルダイオード１４２を透過する。アンテナ部１３０の中心部位１３４が接地電位に接続されているとともに、負荷１６０も接地電位に接続されているので、アンテナ部１３０と負荷１６０の間には接地電位を介したループが形成される。このため、第１トンネルダイオード１４２を透過したエレクトロンは、負荷１６０に流れ込むことができる。また、紙面左向きの電界によってアンテナ部１３０の他端１３６のフェルミ準位が上昇すると、第２トンネルダイオード１４４内の不連続（離散的）なエネルギーレベルを経由したホットエレクトロンが第２トンネルダイオード１４４を透過する。アンテナ部１３０の中心部位１３４が接地電位に接続されているとともに、負荷１６０も接地電位に接続されているので、アンテナ部１３０と負荷１６０の間には接地電位を介したループが形成される。このため、第２トンネルダイオード１４４を透過したエレクトロンは、負荷１６０に流れ込むことができる。これにより、アンテナ装置１００では、アンテナ部１３０に紙面右向きの電界が加わるときに第１トンネルダイオード１４２を介した電流が負荷１６０に供給され、アンテナ部１３０に紙面左向きの電界が加わるときに第２トンネルダイオード１４４を介した電流が負荷１６０に供給される。アンテナ装置１００は、交番電界の方向が紙面左右のいずれの方向であっても、負荷１６０に電流を供給することができる。アンテナ装置１００は、２つのトンネルダイオード１４２，１４４を利用して、全波整流された電流を負荷１６０に供給することができる。

図６に、図４に示すアンテナ装置１００のアンテナ素子１２０の一例を示す。図６は、アンテナ素子１２０を平面視したときの模式図である。このアンテナ素子１２０は、アンテナ部１３０が線状の形態であることを特徴としている。アンテナ部１３０は、受信対象の光の電界の振動面がｘ軸に平行であり、その波長がλである光を選択的に受信することができる。

図７に、図４に示すアンテナ装置１００のアンテナ素子１２０の他の一例を示す。図７は、アンテナ素子１２０を平面視したときの模式図である。このアンテナ素子１２０は、アンテナ部１３０が平板状の形態であることを特徴としている。このアンテナ部１３０は、受信対象の光の電界の振動面がｘ軸に平行であり、その波長がλの光を受信する。また、平板状のアンテナ部１３０は、電界の振動面がｘ軸から僅かに傾いた光も受信することができる。このため、平板状のアンテナ部１３０は、受信対象の光の電界の振動面に関し、その許容範囲を広くすることができる。なお、この例のアンテナ部１３０は、平面視したときに矩形状の形態を有している。この例に代えて、アンテナ部１３０は、平面視したときに多角形状、楕円形状、又は円状であってもよい。

図８に、図４に示すアンテナ装置１００のアンテナ素子１２０の他の一例を示す。図８は、アンテナ素子１２０を平面視したときの模式図である。このアンテナ素子１２０は、アンテナ部１３０が平板状の形態であることを特徴としている。さらに、このアンテナ素子１２０は、第１トンネルダイオード１４２と第２トンネルダイオード１４４が、平板状のアンテナ部１３０の対角線上の角部に配置されていることを特徴としている。このアンテナ部１３０は、受信対象の光が円偏波であっても受信することができる。

以下、本明細書で開示される技術を具現化したアンテナ装置を具体的に説明する。なお、以下に説明するアンテナ装置は、赤外光より短い波長の光を受信するために用いられ、具体的には波長２μｍ以下の光を受信するために用いられる。より好ましくは、以下に説明するアンテナ装置は、赤外光から可視光の範囲の光を受信するために用いられ、具体的には波長０．２μｍ以上であり、且つ２μｍ以下の光を受信するために用いられる。以下に説明するアンテナ装置は、電力を無線で送受信する技術、太陽光から電力を生成する技術に適用することができる。

図９に、第１実施例のアンテナ装置が備えるアンテナ素子２２０の構成を示す。アンテナ素子２２０は、アンテナ装置の基本ユニットである。図９（Ａ）に、アンテナ素子２２０の縦断面図を模式的に示す。図９（Ｂ）に、アンテナ素子２２０の平面図を模式的に示す。なお、図９（Ａ）は、図９（Ｂ）のＡ−Ａ線に対応した縦断面図である。

図９に示すように、アンテナ素子２２０は、絶縁性の基板２６０と、基板２６０の表面に設けられた第１接続電極２５２と、基板２６０の表面に設けられた固定電極２５４と、基板２６０の表面に設けられた第２接続電極２５６と、第１接続電極２５２の表面に設けられた第１トンネルダイオード２４２と、第２接続電極２５６の表面に設けられた第２トンネルダイオード２４４と、線状アンテナ部２３０を備えている。

基板２６０の材料には、製造過程で加えられる熱処理に耐えられる高耐熱性を有する材料が用いられるのが望ましい。基板２６０には、例えば、高融点ガラス基板、石英基板、アルミナ基板、セラミックス基板を用いることができる。また、基板２６０には、金属基板又は半導体基板の表面に絶縁材料を被膜させたものを用いてもよい。この場合、半導体基板の材料には、例えば、シリコン、砒化ガリウムを用いることができる。

第１接続電極２５２は、基板２６０の表層部に形成された溝内に設けられている。第１接続電極２５２の材料には、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、銀を用いることができる。第１接続電極２５２と線状アンテナ部２３０の間の距離Ｇ１は、受信対象の光の波長λの１／４以上であるのが望ましい。平板状の第１接続電極２５２の表面近傍は、水平方向の電界が０となる。このため、線状アンテナ部２３０は、受信対象の光の波長λの１／４以上の距離Ｇ１を有して第１接続電極２５２上に設けられているのが望ましい。より好ましくは、距離Ｇ１が受信対象の光の波長λの１／４であるのが望ましい。入射光と第１接続電極２５２で反射した反射光の腹が、線状アンテナ部２３０で重なり、線状アンテナ部２３０に印加される電界が強くなる。なお、第１接続電極２５２には、図示しない負荷が接続されている。

固定電極２５４は、基板２６０の表面に設けられており、第１固定電極２５４ａと第２固定電極２５４ｂを有する。第１固定電極２５４ａは、第２固定電極２５４ｂの表面の一部に設けられており、線状アンテナ部２３０との固着性を向上させるために用いられる。第１固定電極２５４ａの材料は、線状アンテナ部２３０の材料と合金化がすることが可能な材料であるのが望ましい。例えば、線状アンテナ部２３０の材料がカーボンナノチューブのようなナノカーボン材料である場合、第１固定電極２５４ａの材料は、そのナノカーボン材料の成長温度で炭化物を形成することが可能な金属材料であるのが望ましい。具体的には、第１固定電極２５４ａの材料には、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタンを用いることができる。第２固定電極２５４ｂは、第１固定電極２５４ａと基板２６０の固着性を向上させるために用いられる。第２固定電極２５４ｂの材料には、一般的に電極材料として知られる金属材料が用いられるのが好ましく、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、銀、銅等が用いられる。固定電極２５４は、接地電位に固定されている。

第２接続電極２５６は、基板２６０の表面に形成された溝内に設けられている。第２接続電極２５６の材料には、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、銀を用いることができる。第２接続電極２５６と線状アンテナ部２３０の間の距離Ｇ２も、受信対象の光の波長λの１／４以上であるのが望ましい。より好ましくは、距離Ｇ２が受信対象の光の波長λの１／４であるのが望ましい。なお、第２接続電極２５６には、図示しない負荷が接続されている。

第１トンネルダイオード２４２と第２トンネルダイオード２４４は、共通した構造を有している。第１トンネルダイオード２４２と第２トンネルダイオード２４４には、ＭＩＭ（Metal−Insulator−Metal）ダイオード、ＭＩＩＭ（Metal−Insulator−Insulator−Metal）ダイオード、又は共鳴トンネルダイオードを用いるのが望ましい。以下、図９〜図１４を参照して、第１トンネルダイオード２４２及び第２トンネルダイオード２４４の構造を説明する。なお、図９〜図１４では、第１トンネルダイオード２４２を例にして説明するが、同様の構造は第２トンネルダイオード２４４にも適用される。

図１０に、第１トンネルダイオード２４２がＭＩＭトンネルダイードである例を示す。第１トンネルダイオード２４２は、第１金属薄膜２４２ａ（他方の電極の一例）と、第２金属薄膜２４２ｃ（一方の電極の一例）と、第１金属薄膜２４２ａと第２金属薄膜２４２ｃの間に設けられた絶縁薄膜２４２ｂを有している。

第１金属薄膜２４２ａの材料には、例えば、アルミニウム、白金、ニッケル、パラジウム、金、モリブテン、クロム、銀等が用いられる。なお、図１１に示すように、第１トンネルダイオード２４２の第１金属薄膜２４２ａを省略してもよい。この場合、第１接続電極２５２が、第１金属薄膜２４２ａの役割を果たす。

絶縁薄膜２４２ｂの材料には、例えば、ニッケル酸化膜、クロム酸化膜、ニオブ酸化膜、酸化アルミニウムの金属酸化物を用いることができる。絶縁薄膜２４２ｂの厚さは、電子がトンネル現象によって透過できる厚さであり、具体的には０．５nm以上であり、且つ１０nm以下の範囲であるのが望ましい。絶縁薄膜２４２ｂには、第１金属薄膜２４２ａの自然酸化膜を用いることができる。また、絶縁薄膜２４２ｂは、酸素プラズマ中で第１金属薄膜２４２ａの表面を酸化させて形成することもできる。あるいは、絶縁薄膜２４２ｂは、酸素を含む雰囲気中で第１金属薄膜２４２ａの表面を熱処理することによって形成することもできる。また、絶縁薄膜２４２ｂは、上記例示した金属酸化物をターゲットに用いたスパッタ法、又は上記例示した金属酸化物を蒸着源に用いた蒸着法等の技術を利用して形成することもできる。

第２金属薄膜２４２ｃは、線状アンテナ部２３０の材料であるナノカーボン材料が成長できる触媒金属であるのが望ましい。具体的には、第２金属薄膜２４２ｂの材料には、例えば、コバルト、ニッケル又はそれらの合金膜を用いることができる。また、必要に応じて、密着性を改善するために、第２金属薄膜２４２ｃと絶縁薄膜２４２ｂの間に、例えば、クロム、金、チタンの金属膜を形成してもよい。

次に、図１２に、第１トンネルダイオード２４２にＭＩＩＭトンネルダイードを用いた例を示す。第１トンネルダイオード２４２は、第１金属薄膜２４２ｄ（他方の電極の一例）と、第２金属薄膜２４２ｆ（一方の電極の一例）と、第１金属薄膜２４２ｄと第２金属薄膜２４２ｆの間に設けられた絶縁薄膜２４２ｅを有している。

第１金属薄膜２４２ｄの材料には、例えば、アルミニウム、白金、ニッケル、パラジウム、金、モリブテン、クロム、銀等が用いられる。なお、図１３に示すように、第１トンネルダイオード２４２の第１金属薄膜２４２ｄを省略してもよい。この場合、第１接続電極２５２が、第１金属薄膜２４２ｄの役割を果たす。

絶縁薄膜２４２ｅは、下側絶縁薄膜２４１ｅと上側絶縁薄膜２４３ｅの２層構造である。ここで、第１金属薄膜２４２ｄの仕事関数と下側絶縁薄膜２４１ｅの電気親和力の差は、第２金属薄膜２４２ｆの仕事関数と上側絶縁薄膜２４３ｅの電気親和力の差よりも大きい。この結果、上側絶縁薄膜２４３ｅから下側絶縁薄膜２４１ｅを見たときに、下側絶縁薄膜２４１ｅは、電子に対してエネルギー障壁を形成する。具体的には、第１金属薄膜２４２ｄ及び第２金属薄膜２４２ｆの材料にクロム（Ｃｒ）が用いられ、下側絶縁薄膜２４１ｅの材料に酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられ、上側絶縁薄膜２４３ｅの材料に酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）が用いられるのが望ましい。この例では、酸化アルミニウムの電子親和力が１．７８eV、クロムの仕事関数が４．５eV、酸化クロムの電子親和力が３．７６eVである。したがって、第１金属薄膜２４２ｄの仕事関数と下側絶縁薄膜２４１ｅの電気親和力の差は２．７２eVであり、第２金属薄膜２４２ｆの仕事関数と上側絶縁薄膜２４３ｅの電気親和力の差は０．７４eVである。このため、上側絶縁薄膜２４３ｅから下側絶縁薄膜２４１ｅを見たときに、下側絶縁薄膜２４１ｅは、電子に対して高さが１．９８eVのエネルギー障壁を形成する。

下側絶縁薄膜２４１ｅは、第１金属薄膜２４２ｄの自然酸化膜、プラズマ酸化膜又は熱酸化膜を用いることができる。また、下側絶縁膜２４１ｅは、スパッタ法又は真空蒸着法等の技術を利用して形成することもできる。上側絶縁薄膜２４３ｅは、スパッタ法又は真空蒸着法等の技術を利用して形成することができる。上側絶縁薄膜２４３ｅの厚さは、下側絶縁薄膜２４１ｅと上側絶縁薄膜２４３ｅの界面に形成される電位のくぼみに向けて、電子が第２金属薄膜２４２ｆからトンネル現象によって透過できる厚さであり、具体的には０．５nm以上であり、且つ１０nm以下の範囲であるのが望ましい。下側絶縁薄膜２４１ｅの厚さは、下側絶縁薄膜２４１ｅと上側絶縁薄膜２４３ｅの界面に形成される電位のくぼみから第１金属薄膜２４２ｄに向けて、電子がトンネル現象によって透過できる厚さであり、具体的には０．５nm以上であり、且つ１０nm以下の範囲であるのが望ましい。

次に、図１４に、第１トンネルダイオード２４２に共鳴トンネルダイオードを用いた例を示す。第１トンネルダイオード２４２は、第１金属薄膜２４２ｇ（他方の電極の一例）と、第２金属薄膜２４２ｉ（一方の電極の一例）と、第１金属薄膜２４２ｇと第２金属薄膜２４２ｉの間に設けられた中間膜２４２ｈを有する。

第１金属膜の材料には、一般的に電極材料として知られる金属材料が用いられるのが好ましく、例えば、アルミニウム、ニッケル、チタン、金、銀、銅等が用いられる。

中間膜２４２ｈは、第１エネルギー障壁膜２４１ｈと、半導体膜２４３ｈと、第２エネルギー障壁膜２４５ｈを有する。第１エネルギー障壁膜２４１ｈ及び第２エネルギー障壁膜２４５ｈは、絶縁体又は半導体で形成されている。第１エネルギー障壁膜２４１ｈ及び第２エネルギー障壁膜２４５ｈの材料の伝導帯底のエネルギー準位は、半導体膜２４３ｈの材料の伝導帯底のエネルギー準位より高い。また、第１エネルギー障壁膜２４１ｈ及び第２エネルギー障壁膜２４５ｈの厚さは、電子がトンネル現象で透過できる厚さであり、具体的には０．５nm以上であり、且つ１０nm以下の範囲であるのが望ましい。第１エネルギー障壁膜２４１ｈ及び第２エネルギー障壁膜２４５ｈの材料には、例えば、二酸化珪素、アルミナ、窒化珪素、フッ化カルシウムの絶縁体、あるいはアルミニウム砒素、炭化珪素、窒化ゲルマニウムの半導体を用いるのが望ましい。

半導体膜２４３ｈの材料は、その禁制帯幅が第１エネルギー障壁膜２４１ｈ及び第２エネルギー障壁膜２４５ｈの材料の禁制帯幅より狭い。半導体膜２４３ｈの材料には、例えば、シリコン、シリコンゲルマニウム、砒化ガリウム、ガリウムインジウム砒素を用いるのが望ましい。また、半導体膜２４３ｈの厚さは、離散的な電子エネルギー準位が形成される厚さであり、具体的には０．５nm以上であり、且つ１０nm以下の範囲であるのが望ましい。半導体膜２４３ｈと第１エネルギー障壁膜２４１ｈの間、及び半導体膜２４３ｈと第２エネルギー障壁膜２４５ｈの間にはスペーサー膜が形成されていてもよい。スペーサー膜は、半導体膜２４３ｈの材料と同一の半導体材料で形成することができる。また、スペーサー膜は、半導体膜２４３ｈと同一の半導体材料に不純物を導入し、それらの電気伝導性を高めた半導体材料で形成することができる。スペーサー膜の厚さは、具体的には０．０１μｍ以上、且つ０．３μｍ以下の範囲であるのが望ましい。

第２金属薄膜２４２ｉは、線状アンテナ部２３０の材料であるナノカーボン材料の成長に必要な触媒金属であるのが望ましい。第２金属薄膜２４２ｉの材料には、例えば、コバルト、ニッケルまたはそれらの合金膜を用いることができる。

上記に例示したトンネルダイオードのうち特に好ましいのは共鳴トンネルダイオードである。一般的に、高周波の電磁波に対するアンテナ部２３０のインピーダンスは約５０Ωである。受信する光の波長に応じてアンテナ部２３０の長さが小さくなっても、アンテナ部２３０のインピーダンスは約５０Ωである。このため、アンテナ装置の応答速度を増加させるためには、トンネルダイオード２４２，２４４の寄生容量を減少させるのが有効である。

共鳴トンネルダイオードは、単位面積当たりの寄生容量を１．５×１０^−７Ｆ／cm^２以下にできることが知られている。このため、線状アンテナ部のインピーダンスを５０Ωと仮定しても、直径５２nmの寸法の共鳴トンネルダイオードで周波数１０００ＴＨｚ（波長：０．３μｍ）の光に応答できる。直径５２nmの寸法ならば、既知の電子線リソグラフィ等の微細加工技術を利用して共鳴トンネルダイオードを形成することができる。また、共鳴トンネルダイオードは、２つのエネルギー障壁膜で挟まれた１つの量子井戸を有する。このため、共鳴トンネルダイオードに進入した電子は、そのエネルギーが量子井戸中のエネルギー準位の一つと一致していれば、透過確率1で２つのエネルギー障壁膜を透過できる。このため、共鳴トンネルダイオードは、電子が透過する際の信号強度の減衰が原理的には起こらない。共鳴トンネルダイオードを用いたアンテナ装置は、光エネルギーを電気エネルギーに高効率で変換することができる。

図９に戻る。線状アンテナ部２３０は、線状の形態を有しており、一方向（ｘ軸方向）に長く伸びている。線状アンテナ部２３０の長手方向（ｘ軸方向）の長さは、受信対象の光の波長λの１／２に設定されている。線状アンテナ部２３０は、第１アンテナ部２３３と第２アンテナ部２３５を有している。第１アンテナ部２３３と第２アンテナ部２３５は、アンテナ部２３０の中心部位２３４（第２部位と第３部位の一例）に対して対称に伸びている。第１アンテナ部２３３及び第２アンテナ部２３５の長手方向の長さはそれぞれ、光の波長λの１／４に設定されている。

第１アンテナ部２３３の一端２３２（第１部位の一例）は第１トンネルダイオード２４２に接触しており、第１アンテナ部２３３の他端２３４（第２部位の一例）は固定電極２５４に接触している。第２アンテナ部２３５の一端２３４（第３部位の一例）は固定電極２５４に接触しており、第２アンテナ部２３５の他端２３６（第４部位の一例）は第２トンネルダイオード２４４に接触している。第１アンテナ部２３３と第２アンテナ部２３５は、固定電極２５４上で接触しており、第１アンテナ部２３３の他端２３４と第２アンテナ部２３５の一端２３４は共通部位である。

線状アンテナ部２３０の材料には、例えば、カーボンナノチューブを用いるのが望ましい。前記したように、第１トンネルダイオード２４２及び第２トンネルダイオード２４４の表面の第２金属薄膜には、カーボンナノチューブの成長に必要な触媒金属が用いられている。このため、例えば、化学気相成長法又はアーク放電成長法等の技術を利用すると、第２金属薄膜を成長用の触媒としてカーボンナノチューブを成長させることができる。一方、固定電極２５４は、カーボンナノチューブの成長温度で炭化物を形成することが可能な金属材料で形成されている。このため、カーボンナノチューブが第１トンネルダイオード２４２及び第２トンネルダイオード２４４の表面の第２金属薄膜から成長し、カーボンナノチューブの先端が固定電極２５４の表面に到達すると、カーボンナノチューブを構成する炭素が固定電極２５４と接触して合金化する。これにより、線状アンテナ部２３０と固定電極２５４は、電気的に接続されるとともに、強固に結合される。

線状アンテナ部２３０の電子が光の交番電界に同期して線状アンテナ部２３０の両端部２３２，２３６で交互にエネルギー的に励起されるためには、交番電界に同期して線状アンテナ部２３０の両端部２３２，２３６に電子が集中し、両端部２３２，２３６の電子濃度が高まるのが望ましい。両端部２３２，２３６の電子濃度は、電子のドリフト速度と交番電界の印加時間に比例する。交番電界の印加時間は、受信対象の光の波長λによって一義的に決定される。したがって、両端部２３２，２３６の電子濃度を高めるためには、電子のドリフト速度を向上させ、線状アンテナ部２３０内に存在する電子を両端部２３２，２３６に交互に移動させるのが望ましい。そのためには、電子のドリフト速度は、線状アンテナ部２３０内の電子が一方の端部から他方の端部まで移動できるほど速いのが望ましい。例えば、波長が０．２μｍ〜２μｍの光を受信するためには、線状アンテナ部２３０の長手方向の長さは０．１μｍ〜１μｍの範囲に設定される。この長さの線状アンテナ部２３０内を電子が交番電界に同期して一方の端部から他方の端部まで移動するためには、電子のドリフト速度として１０^８ｍ／ｓ以上であるのが望ましい。一例として、本実施例のアンテナ装置を太陽光と同程度の強度の電磁波の受信に用いる場合を考える。太陽定数（太陽光によって１秒間に地球表面の１ｍ^２の面積に運ばれるエネルギー）は約１０^３Ｗ／ｍ^２である。一方、電磁波の電界をＥ、電磁波を伝える媒体の誘電率をεとすると、電磁波によって１秒間に地球表面の１ｍ^２の面積に運ばれるエネルギーは、ε Ｅ^２（ＭＫＳＡ単位系）となる。真空中を電磁波が伝わる場合を考えると、１０^３Ｗ／ｍ^２の電磁波の電界の強さは１０^７Ｖ／ｍと計算される。電子の移動度は、（電子のドリフト速度）／（電界の強さ）で表されるので、電磁波の交番電界に追従するためには、線状アンテナ部２３０の材料の電子の移動度として約１０ｍ^２／Ｖｓ＝１０００００cm^２／Ｖｓ以上であるのが望ましい。このような条件を満足する線状アンテナ部２３０の材料には、ナノカーボン材料を用いるのが好ましく、より好ましくはカーボンナノチューブを用いるのが望ましい。

次に、アンテナ素子２２０の動作を説明する。電界の振動面が線状アンテナ部２３０の長手方向（ｘ軸方向）に対して平行な光が線状アンテナ部２３０に入射すると、交番電界に同期してアンテナ部２３０の両端部２３２，２３６に交互に電子が密集する。紙面右向きの電界が線状アンテナ部２３０に入射すると、線状アンテナ部２３０内の電子は、電界によって線状アンテナ部２３０の左端部２３２に密集する。また、光は、超高周波の電磁波である。このため、光は、金属的な性質をもつ線状アンテナ部２３０の極表面にのみ侵入でき、線状アンテナ部２３０の内部には侵入できない。したがって、線状アンテナ部２３０内の電子分布の偏りは、線状アンテナ部２３０の極表面のみで起こる。これにより、線状アンテナ部２３０の左端部２３２では、電子密度が極めて上昇する。このとき、密集した電子はクーロン反発とパウリの排他律によってエネルギー的に励起された準位に入らざるを得ないので、線状アンテナ部２３０の左端部２３２のフェルミ準位が上昇する。一方、線状アンテナ部２３０の右端部２３６のフェルミ準位が下降する。次に、紙面左向きの電界が線状アンテナ部２３０に入射すると、線状アンテナ部２３０の右端部２３６に電子が密集し、線状アンテナ部２３０の右端部２３６のフェルミ準位が上昇する。一方、線状アンテナ部２３０の左端部２３２のフェルミ準位が下降する。このように、アンテナ部２３０に光が入射すると、線状アンテナ部２３０の両端部２３２，２３６のフェルミ準位は振動するが、線状アンテナ部２３０の中央部位２３４のフェルミ準位は安定している。線状アンテナ部２３０のフェルミ準位の変動は、線状アンテナ部２３０の中央部位２３４に対して点対称に起こる。したがって、線状アンテナ部２３０の中央部位２３４を接地しても、光の電界ベクトルが周期的に変動に応じて、線状アンテナ部２３０の両端部２３２，２３６のフェルミ準位は交互に上下する。

光の電界が紙面右向きのとき、前述したように、線状アンテナ部２３０の左端部２３２において電子の励起が起こる。このときの線状アンテナ部２３０の左端部２３２における電子のフェルミ準位は、光が照射されていないときの線状アンテナ部２３０のフェルミ準位Ｅ_Ｆに比べてΔＥ_Ｆだけ高いエネルギー位置にある。線状アンテナ部２３０に照射される光の位相角をφ、光の電界の強さＥがφの正弦関数で表されるとすると、線状アンテナ部２３０の左端部２３２におけるΔＥ_Ｆは以下の数式（１）で表すことができる。また、電子のドリフト速度をμ、光の周期の１／４をΔｔ、電子密度をＮｅ、エネルギー準位Ｅを占める状態密度をＮ（Ｅ）とすると、以下の数式（２）が成立する。

電界が紙面右向きのとき、線状アンテナ部２３０の左端部２３２の電子のエネルギーは、電界が印加されていないときのフェルミ準位より高い位置にある。このため、励起されたホットエレクトロンは、第１トンネルダイオード２４２をトンネル現象によって透過し、第１接続電極２５２に引き出される。このとき、第２トンネルダイオード２４４がＭＩＭトンネルダイオードの場合、線状アンテナ部２３０の右端部２３６のフェルミ準位は低い位置にあるので、第２接続電極２５６から第２トンネルダイオード２４４を介して線状アンテナ部２３０にトンネル現象によって逆流する電子が存在する。しかし、第２トンネルダイオード２４４の電流電圧特性の非線形性によって、この電子の数は、第１トンネルダイオード２４２を介して第１接続電極２５２に取り出される電子の数より少ない。したがって、電子は、第１接続電極２５２から負荷に流れ込むことができる。同様に、電界が紙面左向きの場合、第２接続電極２５６に引き出された電子は、負荷に流れ込むことができる。したがって、アンテナ素子２２０は、全波整流された電流を負荷に供給することができる。

上記したように、トンネルダイオード２４２，２４４がＭＩＭダイオードの場合、逆流電流が存在する。この点を改善するために、トンネルダイオード２４２，２４４には、２つのエネルギー障壁に囲まれた量子井戸に形成される離散的なエネルギー準位を介してトンネル現象で電子が透過するＭＩＩＭダイオードまたは共鳴トンネルダイオードを用いるのが望ましい。以下、トンネルダイオード２４２，２４４に図１４に示す共鳴トンネルダイオードが用いられた場合について説明する。

トンネルダイオード２４２，２４４に用いられる共鳴トンネルダイオードは、離散的なエネルギー準位の１つＥ_ＥＳＣが以下の数式（３）を満たすのが望ましい。

第１トンネルダイオード２４２を透過して、第１トンネルダイオード２４２と第１接続電極２５２の界面に達する電子のエネルギーの振動は、線状アンテナ部２３０の左端部２３２の電子のエネルギーの振動に比べて遅れる。第１トンネルダイオード２４２の第１エネルギー障壁膜２４１ｈ及び第２エネルギー障壁膜２４５ｈを電子が透過するのに要する時間は約１０^−１５秒であり、可視光の周期に近い値である。この状況を図１５に示す。図１５の実線は、線状アンテナ部２３０の左端部２３２におけるフェルミ準位を示す。図１５の破線は、第１トンネルダイオード２４２と第１接続電極２５２の界面におけるフェルミ準位を示す。第１トンネルダイオード２４２は、電子のエネルギーがＥ_ＥＳＣの電子を選択的に透過させる。したがって位相角が０°から増加し、線状アンテナ部２３０の左端部２３２のＥ_ＦがＥ_ＥＳＣに達した時点で電子は第１トンネルダイオード２４２を透過できるようになる。しかし、上述したように、第１トンネルダイオード２４２を透過するのに要する位相遅れのため、第１トンネルダイオード２４２を透過した電子のエネルギーがＥ_ＥＳＣに達するまでは出力は変化しない。さらに、位相角が増加すると、線状アンテナ部２３０の左端部２３２のＥ_ＦがＥ_ＥＳＣを越えて大きくなる。線状アンテナ部２３０は、金属的な性質をもつ材料で構成されているので、フェルミ準位以下のエネルギー準位は満たされている。したがって、Ｅ_ＦがＥ_ＥＳＣを越えている場合、Ｅ_ＥＳＣのエネルギーをもつ電子は必ず存在しており、この電子が第１トンネルダイオード２４２を透過する。これにより、エネルギーがＥ_ＥＳＣの準位は空孔となるが、すぐにその上の電子がその空孔を占めることになるので第１トンネルダイオード２４２を透過できる電子が途切れることはない。さらに位相が進み、線状アンテナ部２３０の左端部２３２の電子のエネルギーがＥ_ＥＳＣより小さくなると、第１トンネルダイオード２４２を透過できる電子がなくなり、出力が０になる。したがって、図１５においてハッチングした部分に相当する電子が電流として寄与する。一方、アンテナ素子２２０の出力電圧は、以下の数式（４）となる。ここで、eは電気素量である。

Ｅ_ＥＳＣの範囲は、上記の数式（３）の範囲であれば効果を有するが、以下の数式（５）を満たすのがより好ましい。

図１５に示すように、Ｅ_ＥＳＣがＥ_Ｆ+０．９×ΔＥ_Ｆより大きいと取り出せる電子数が著しく少なくなるので、アンテナ素子２２０によって取り出すことのできる電力が低下する。また、Ｅ_ＥＳＣ＜Ｅ_Ｆ+０．４×ΔＥ_ＦのときにはＥ_ＥＳＣ−Ｅ_Ｆが小さすぎるので、アンテナ素子２２０の出力電圧が小さくなる。すなわち、この場合もアンテナ素子２２０によって取り出すことのできる電力が低下する。

上記したように、共鳴トンネルダイオードは、量子井戸に形成される離散的エネルギー準位に等しいエネルギーをもつ電子のみを選択的に透過させる。したがって、紙面右向きの電界がアンテナ部２３０に加わったときは、第１トンネルダイオード２４２では励起された電子が透過するものの、第２トンネルダイオード２４４には量子井戸に形成される離散的エネルギー準位に等しいエネルギーをもつ電子が存在しないので逆流電流が生じない。トンネルダイオード２４２，２４４に共鳴トンネルダイオードを用いると、光エネルギーから電気エネルギーに変換するときの損失が顕著に改善される。

以下、図９に示すアンテナ素子２２０の複数個で構成されたアンテナ装置の例を説明する。例えば、本明細書で開示されるアンテナ装置を太陽光から電力を生成する技術に適用する場合、光エネルギーから電気エネルギーに変換する効率を向上させることが重要である。また、太陽光は、複数波長の光を含むとともに、光の偏波面も多様である。以下に説明するアンテナ装置は、このような場面で特に有用な効果を提供することができる。

図１６に示すアンテナ装置２００は、アンテナ素子２２０が並列に配置されていることを特徴としている。アンテナ素子２２０を多数並べて設置することによって、取り出すことのできる電流を多くすることができる。また、隣接するアンテナ素子２２０において、一方の線状アンテナ部２３０と他方の線状アンテナ部２３０の間の距離Ｄ１は、受信対象の光の波長λ以下であるのが望ましい。距離Ｄ１が光の波長λ以下であると、アンテナ素子２２０の後方に透過してしまう光量を抑制できるので、エネルギーの変換効率を向上させることができる。

図１７に示すアンテナ装置２０１は、第１接続電極２５２、固定電極２５４、及び第２接続電極２５５が、各アンテナ素子２２０間を亘って伸びていることを特徴としている。アンテナ装置２０２は、複雑な配線を必要としないという利点を有する。

図１８に示すアンテナ装置２０２は、複数種類の波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光が混合した光を受信するために用いられる。アンテナ装置２０２は、線状アンテナ部２３０の長手方向（ｘ軸方向）の長さにおいて、複数の長さを有していることを特徴としている。異なる長さの線状アンテナ部２３０を有していると、異なる波長（λ_１、λ_２、λ_３）の光を受信することができる。この例は一例であり、より多くの異なる長さの線状アンテナ部２３０を配置すれば、より多くの異なる波長の光を受信することができる。アンテナ装置２０２は、波長に連続的な幅を有する光にも適用できる。例えば、スペクトル分布をn個の領域に分け、分けられた各スペクトルの代表的な波長に感度を有する線状アンテナ部２３０を配置すればよい。また、隣接するアンテナ素子２２０の線状アンテナ部２３０の間隔が、そのアンテナ素子２２０が感度を有する光の波長以下にすると、各アンテナ素子２２０が感度を有する波長の光のみならず、隣接するアンテナ素子２２０間でも共振が起こるため、波長に連続的な幅をもつ光も受信できる。

図１９に示すアンテナ装置２０３も、複数種類の波長（λ_１、λ_２、λ_３、λ_４、λ_５）の光が混合した光を受信するために用いられる。アンテナ装置２０３は、隣接するアンテナ素子２２０の線状アンテナ部２３０の間隔が異なることを特徴としている。隣接するアンテナ素子２２０の線状アンテナ部２３０の間隔を変化させると、空間の共振周波数を変化させることができ、複数種類の波長の光を受信することができる。アンテナ装置２０３は、隣接するアンテナ素子２２０の間隔を調整するだけであり、単純な構造である。

ここで、上記した図１６〜図１９に示すアンテナ装置２００，２０１，２０２，２０３は、電界の振動面が単一の光を受信するために用いられる。太陽光の光は、電界の振動面が多様であり、効率よくこのような光を受信するためには任意の方向を向いている光を受信できるのが望ましい。このような場合、基板に透明な材料のものを採用し、その透明な基板の表面側に図１６〜図１９のアンテナ装置２００，２０１，２０２，２０３を形成するとともに、透明な基板の裏面側にも図１６〜図１９のアンテナ装置２００，２０１，２０２，２０３を形成するのが望ましい。また、表面側の線状アンテナ部２３０の長手方向と裏面側の線状アンテナ部２３０の長手方向が直交する関係を有しているのが望ましい。さらに、接続電極２５２，２５６及び固定電極２５４に透明な材料のものを採用するのが望ましい。このように構成すると、透明な基板の表面側に入射する光のうち、表面側の線状アンテナ部２３０の長手方向と直交する方向の電界ベクトルを有する光は、表面側の線状アンテナ部２３０で受信されずに基板を透過する。透過した光は、裏面側の線状アンテナ部２３０で受信することができる。このような複合アンテナ装置を製造するためには、例えば、図１６〜図１９のアンテナ装置２００，２０１，２０２，２０３を２つ用意し、一方のアンテナ装置２００，２０１，２０２，２０３の基板と他方のアンテナ装置２００，２０１，２０２，２０３の基板を貼り合せ技術を用いて貼り合せれば形成することができる。あるいは、このような複合アンテナ装置を製造するためには、１つの透明な基板の両面に、互いに線状アンテナ部２３０が直交するように、図１６〜図１９のアンテナ装置２００，２０１，２０２，２０３を形成してもよい。

透明な基板の材料には、例えば、石英、高融点ガラス、透明アルミナを用いることができる。透明な電極の材料には、例えば、インジウム添加酸化スズ電極、酸化スズ電極を用いることができる。また、透明な電極の材料には、アルミニウム、マグネシウム等適切な金属をドーピングし、電気抵抗率を調整した酸化亜鉛電極を用いることもできる。透明な基板を貼り合せるには、例えば、透明な接着剤を用いて貼り合わせる方法、電界を用いて貼り合わせる陽極接合法を用いることができる。また、透明な基板を貼り合せるには、基板の貼り合せ面側を基板の接着を助ける化学基で修飾した後に、適切な圧力を加えることによって貼り合せる直接接合法を用いてもよい。

以下、図２０〜図２３を参照して、複数の偏光面を有する光を受信するアンテナ装置の他の例を説明する。
図２０に示すアンテナ装置２０４は、固定電極２５４を中心として、線状アンテナ部２３０が周囲に向けて放射状に伸びていることを特徴としている。アンテナ装置２０４では、１つの固定電極２５４に対して複数の線状アンテナ部２３０を接続させている。固定電極２５４の面積を小さくすることができるので、面積効率に優れている。

図２１に示すアンテナ装置２０５は、異なる方向に伸びる線状アンテナ部２３０がトンネルダイオード２４２，２４４を介して接続されていることを特徴としている。具体的には、ｘ軸方向に伸びる線状アンテナ部２３０とｙ軸方向に伸びる線状アンテナ部２３０がトンネルダイオード２４２，２４４を介して接続されている。また、アンテナ装置２０５は、線状アンテナ部２３０がループしていることを特徴としている。アンテナ装置２０５では、ｘ軸方向に伸びる線状アンテナ部２３０とｙ軸方向に伸びる線状アンテナ部２３０の間でトンネルダイオード２４２，２４４が兼用して用いられているので、部品点数を削減することができる。

図２２に示すアンテナ装置２０６は、ループした線状アンテナ部２３０の周囲に、その線状アンテナ部２３０を取囲むように他の線上アンテナ部２３０が設けられていることを特徴としている。アンテナ装置２０６は、複数の偏光面を有する光を受信するとともに、複数波長の光を受信することもできる。

図２３に、第２実施例のアンテナ装置が備えるアンテナ素子３２０の構成を示す。図２３（Ａ）に、アンテナ素子３２０の縦断面図を模式的に示す。図２３（Ｂ）に、アンテナ素子３２０の平面図を模式的に示す。なお、図２３（Ａ）は、図２３（Ｂ）のＡ−Ａ線に対応した縦断面図である。アンテナ素子３２０は、アンテナ部３５４が平板状であることを特徴としている。その他の構成要素に関しては、第１実施例と共通した形態、構造及び位置関係を適用することが可能であり、その詳細な説明を省略する。

図２３に示すように、アンテナ素子３２０は、絶縁性の基板３６０と、基板３６０上を被膜する絶縁膜３６２と、絶縁膜３６２の表面に設けられた第１接続電極３５２と、基板３６０及び絶縁膜３６２の表面に設けられた固定電極３５４と、絶縁膜３６２の表面に設けられた第２接続電極３５６と、第１接続電極３５２の表面に設けられた第１トンネルダイオード３４２と、第２接続電極３５６の表面に設けられた第２トンネルダイオード３４４と、平板状アンテナ部３３０を備えている。

アンテナ部３３０の紙面左右方向の長さは受信対象の光の波長λの１／２に設定されている。アンテナ部３３０は、第１アンテナ部３３３と第２アンテナ部３３５を備えている。第１アンテナ部３３３と第２アンテナ部３３５は、アンテナ部３３０の中心部位３３４（第２部位と第３部位の一例）に対して対称に伸びている。第１アンテナ部３３３及び第２アンテナ部３３５の紙面左右方向の長さはそれぞれ、光の波長λの１／４に設定されている。第１トンネルダイオード３４２は、アンテナ部３３０の一端３３２（第１部位の一例）の裏面に接触している。第２トンネルダイオード３４４は、アンテナ部３３０の他端３３６（第４部位の一例）の裏面に接触している。固定電極３５４は、アンテナ部３３０の中心部位３３４の裏面に接触している。固定電極３５４は、第１固定電極３５４ａと第２固定電極３５４ｂを備えている。第１固定電極３５４ａと第２固定電極３５４ｂは、絶縁膜３６２のコンタクトホールを介して接触している。第２固定電極３５４ｂの厚みは、受信対象の光の波長λの１／４以下である。負荷は、第１接続電極３５２と第２接続電極３５４のそれぞれに接続されている。固定電極３５４は、接地電位に固定されている。

平板状アンテナ部３３０の材料には、シート状の炭素材料導電性を用いるのが望ましい。具体的には、平板状アンテナ部３３０の材料には、高配向性質熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）、グラフェンを用いることができる。平板状アンテナ部３３０は、第１トンネルダイオード３４２、固定電極３５４、及び第２トンネルダイオード３４４の表面に載置し、加熱処理によって第１トンネルダイオード３４２、固定電極３５４、及び第２トンネルダイオード３４４に固着させることができる。必要に応じて、平板状アンテナ部３３０を加圧しながら加熱処理を実施してもよい。

平板状アンテナ部３３０は、受信対象の光の電界の振動面がｘ軸に平行であり、その波長がλの光を受信する。また、平板状のアンテナ部３３０は、電界の振動面がｘ軸から僅かに傾いた光も受信することができる。このため、平板状のアンテナ部３３０は、受信対象の光の電界の振動面に関し、その許容範囲を広くすることができる。また、アンテナ装置３２０では、第１トンネルダイオード３４２と第２トンネルダイオード３４４がｘ軸方向に沿って配置されている。この例に代えて、第１トンネルダイオード３４２と第２トンネルダイオード３４４が、平板状アンテナ部３３０の対角線上の角部に配置されていてもよい。この構成によると、受信対象の光が円偏波であっても受信することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０，１００，２００：アンテナ装置
２０，１２０，２２０，３２０：アンテナ素子
３０，１３０，２３０，３３０：アンテナ部
４０，１４２，１４４，２４２，２４４，３４２，３４４：トンネルダイオード
５２，１５２，１５６，２５２，２５６：接続電極
５４，１５４：固定電極
６０，１６０：負荷

Claims (7)

1. アンテナ装置であって、
   導電性の第１アンテナ部と、第１トンネルダイオードと、負荷に接続して用いられる第１接続電極と、固定電位に接続して用いられる固定電極とを有するアンテナ素子を備えており、
   第１アンテナ部は、第１トンネルダイオードに接続される第１部位と、固定電極に接続される第２部位を有しており、
   第１トンネルダイオードは、一方の電極が第１アンテナ部の前記第１部位に接続されており、他方の電極が第１接続電極に接続されているアンテナ装置。
2. アンテナ素子は、導電性の第２アンテナ部と、第２トンネルダイオードと、負荷に接続して用いられる第２接続電極をさらに有しており、
   第２アンテナ部は、固定電極に接続される第３部位と、第２トンネルダイオードに接続される第４部位を有しており、
   第２トンネルダイオードは、一方の電極が第２アンテナ部の前記第４部位に接続されており、他方の電極が第２接続電極に接続されており、
   前記第１部位、前記第２部位、前記第３部位、及び前記第４部位は、直線状に配置されており、
   第１部位と第２部位の間の距離と第３部位と第４部位の間の距離が等しいことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 第１アンテナ部は、線状の形態を有しており、
   第２アンテナ部は、線状の形態を有しており、
   第１アンテナ部と第２アンテナ部は、一方向に伸びる線状アンテナ部を構成していることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 複数のアンテナ素子を備えており、
   複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つのアンテナ素子の線状アンテナ部の第１部位と第４部位の間の長さは、複数のアンテナ素子のうちの他の少なくとも１つのアンテナ素子の線状アンテナ部の第１部位と第４部位の間の長さと異なることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 複数のアンテナ素子を備えており、
   複数のアンテナ素子のうちの少なくとも１つのアンテナ素子の線状アンテナ部の長手方向は、複数のアンテナ素子のうちの他の少なくとも１つのアンテナ素子の線状アンテナ部の長手方向と異なることを特徴とする請求項３又は４に記載のアンテナ装置。
6. 第１アンテナ部と第２アンテナ部は、一体で形成された平板状アンテナ部であり、
   第２部位と第３部位は、前記平板状アンテナ部内の共通部位であり、
   第１部位と第４部位は、その共通部位を間に挟んで配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
7. 第１部位と第４部位は、平板状アンテナ部の対角線上の角部に配置されていることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
   

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