JP5268090B2 - 電磁波放射素子 - Google Patents
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しかしながら、ゲート電極格子が等間隔であった為、ドレインバイアス印加によって各ゲート電極格子下のプラズモン領域の電子濃度がソースからドレイン方向に単調に減少する分布となることから、次の問題を生じていた。すなわち、プラズマ周波数は、電子濃度の平方根に比例し、ゲート電極格子の寸法に反比例することから、各格子下のプラズマ周波数は一致せずにある周波数領域で分布することになる。
(1)半導体ヘテロ接合構造によって形成される2次元電子層と、該2次元電子層の両辺に電気的に接続され両者の間にバイアス電位が与えられたソース及びドレインと、該2次元電子層の上方に電子供給層を介して該2次元電子層と平行にかつ格子状に配置され、直流バイアス電位が与えられたゲート電極格子とを含み、該ゲート電極格子の配位に対応して2次元電子層の電子濃度を周期的に変調させるとともに、該2次元電子層に2つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子において、
ドレイン及びソース間の直流バイアス電位に依存するゲート電極格子下の電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、各ゲート電極格子の幅を定めることを特徴とする電磁波放射素子。
(2)半導体ヘテロ接合構造によって形成される2次元電子層と、該2次元電子層の両辺に電気的に接続され両者の間にバイアス電位が与えられたソース及びドレインと、該2次元電子層の上方に電子供給層を介して該2次元電子層と平行にかつ格子状に配置され、2つの異なる直流バイアス電位が交互に与えられる2重ゲート電極格子とを含み、該2重ゲート電極格子の配位に対応して2次元電子層の電子濃度を周期的に変調させるとともに、該2次元電子層に2つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子において、
ドレイン及びソース間の直流バイアス電位に依存する一方のゲート電極格子下の電子濃度の平方根と該一方のゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、該少なくとも一方のゲート電極格子の幅を定めることを特徴とする電磁波放射素子。
(3)上記ゲート電極格子の厚みは、上記ゲート電極格子と2次元電子層との間隔以下に設定されていることを特徴とする(1)又は(2)に記載の電磁波放射素子。
図1は、本発明を具体化する電磁波放射素子の第一の実施例を示す構造断面図である。図中の半絶縁性バルク層を構成する基板の上に、半導体へテロ接合構造を形成する。半導体ヘテロ接合構造は、ワイドバンドギャップのバッファ層、ナローバンドギャップの真性半導体によるチヤネル層、ドナーを2次元的にドープしたワイドバンドギャップの電子供給層(キャリア供給層)から構成される。
その形成は、化合物トランジスタで量産・実用化されている分子線エピタキシー(MBE)や金属有機気相エピタキシー(MOWE)の技術によって、半絶縁性バルク層に半導体へテロ接合構造をナノメータ精度でエピタキシヤル成長させることによりなされる。
図2は、ゲート回折格子を1組しか有しない本発明の第二の実施例を示す模式図である。
図2から分かるように、第二の実施例の構造断面図は図1と基本的に同じで、違いはゲート格子が1組しかないことのみである。
図4から分かるように、従来の電磁波放射素子では周波数の幅が広く電界強度も小さいのに対し、本発明の電磁波放射素子では周波数の幅が狭くかつ強度が大きくなっている。
さらに特許文献1の電磁波放射素子との比較では詳細は次のようになる。
放射電界強度は、出力パワーであり、図3ならびに図4から分かるように、特許文献1の電磁波放射素子では、回折格子のアンテナ効果はあるものの、電子濃度の分布広がりによりスペクトルはブロードになり、所望の周波数に放射エネルギーを集中させることができない。従って△とした。一方、本発明の電磁波放射素子では所望の単一周波数に放射電力が集中できるため、◎印となる。
非放射−放射モード変換効率は、単位出力を得るのにどれだけ少ないエネルギーで済むか、という効率であるが、特許文献1の電磁波放射素子では、単一素子内部に、プラズモン共振器を回折格子の本数分だけ複数存在するために入射レーザー光を大面積で効率よく吸収できること、さらに、回折格子のアンテナ効果によって非放射プラズモン分極波を放射モード電磁波に効率よく変換できることから○印となる。一方、本発明の電磁波放射素子では放射電力を所望の周波数に集中させることができることから、◎印となる。
周波数可変性は、基本的に電界効果型トランジスタ(HEMT)構造が基礎となる場合には、ゲートバイアス制御により電子濃度変調が果たせるため、プラズマ共鳴周波数を可変制御できる。特許文献1の電磁波放射素子では、単純なHEMT構造ではなく、縦型共振器と2重回折格子ゲートの相乗効果によって可動周波数帯域の拡大が図れることから◎印となる。本発明もその点に変わりはなく、特許文献1の電磁波放射素子と同じで◎印となる。
以上のとおり、本発明の電磁波放射素子は、放射電界強度、非放射−放射モード変換効率及び周波数可変性ともに、従来の電磁波放射素子よりも優れていることが分かる。
Claims (3)
- 半導体ヘテロ接合構造によって形成される2次元電子層と、該2次元電子層の両辺に電気的に接続され両者の間にバイアス電位が与えられたソース及びドレインと、該2次元電子層の上方に電子供給層を介して該2次元電子層と平行にかつ格子状に配置され、直流バイアス電位が与えられたゲート電極格子とを含み、該ゲート電極格子の配位に対応して2次元電子層の電子濃度を周期的に変調させるとともに、該2次元電子層に2つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子において、
ドレイン及びソース間の直流バイアス電位に依存するゲート電極格子下の電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、各ゲート電極格子の幅を定めることを特徴とする電磁波放射素子。 - 半導体ヘテロ接合構造によって形成される2次元電子層と、該2次元電子層の両辺に電気的に接続され両者の間にバイアス電位が与えられたソース及びドレインと、該2次元電子層の上方に電子供給層を介して該2次元電子層と平行にかつ格子状に配置され、2つの異なる直流バイアス電位が交互に与えられる2重ゲート電極格子とを含み、該2重ゲート電極格子の配位に対応して2次元電子層の電子濃度を周期的に変調させるとともに、該2次元電子層に2つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子において、
ドレイン及びソース間の直流バイアス電位に依存する一方のゲート電極格子下の電子濃度の平方根と該一方のゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、該少なくとも一方のゲート電極格子の幅を定めることを特徴とする電磁波放射素子。 - 上記ゲート電極格子の厚みは、上記ゲート電極格子と2次元電子層との間隔以下に設定されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電磁波放射素子。
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