JP5366663B2 - テラヘルツ発振素子 - Google Patents

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    • H03B7/08—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element being semiconductor device being a tunnel diode

Description

本発明は、テラヘルツ発振素子に関し、特に電磁波を基板に水平方向に取り出すことが可能で、集積化の容易なテラヘルツ発振素子に関する。
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。
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１ＴＨｚ（１０１２Ｈｚ）〜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。
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。）。
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、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。
また、高周波電磁波の漏れを防ぐために、アンテナ両端のスロット線路に共振スタブを設けて高周波的に短絡を完全に行い、漏れを反射させる方法が提案されている。この共振スタブによる方法は、伝送線路の一部に波長の４分の１の長さのスタブ線路からなる共振回路を付加することにより、伝送線路に入射した電磁波がスタブの位置で等価的に短絡されることを利用する方法である。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、特定の周波数に対してのみ強い共振を示し、その周波数のみを短絡し強く反射するという効果がある。
図３８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。
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。
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３９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。
図３８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。
図３８および図３９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＝１２．１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。
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（非特許文献３を参照）。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。）。
しかしながら、これら非特許文献１、２、３で提案した発振素子は、高周波短絡構造が不十分なため、高周波電磁波が発振する方向とは直角の方向（つまり横方向）に漏れてしまうという損失が生じ、高出力が得られないという問題があった。つまり、図３８に示すような構造のテラヘルツ発振素子では、目的方向に発振される電磁波の電力が３％程度しかないため、実用に供されるものではなかった。
また、アンテナの両端のスロット線路に共振スタブを設けて高周波の漏れを反射させる方法においては、発振素子に使用する能動素子が周波数可変の特徴を有する場合であって、比較的広い帯域幅を持つ電磁波を発振させる場合には、発振する周波数の全域にわたり漏れを反射して高出力の発振を行わせることはできなかった。すなわち、電磁波の漏れが生じるスロット通路上に、４分の１波長のスタブ線路を設ける方法では、特定の周波数の短絡及び反射には有効であっても、広帯域の周波数帯を有する電磁波に対しては、これを有効に反射させることはできないという問題があった。
この理由は、発振される電磁波の波長に対して付加するスタブ線路が、電磁波の波長の４分の１の長さに一致しない場合は、完全な共振にはならないために、短絡および反射が不十分となるからである。しかし、スタブ線路の長さが、電磁波の波長の４分の１でない場合であっても、ある程度の弱い反射が起こることが確かめられている。したがって、このようなスタブ線路を、伝送線路の途中に決まった間隔を置いて多段に付加すれば、それらによる反射が合成され、あるいは、ある程度位相がそろっていれば強めあうようにすることができて、特定の周波数のみでなく、幅を持った周波数に対して強い反射を可能とすることができる。
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、それに対応して高出力の発振出力が得られる。
特開２００７−１２４２５０号公報
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. 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]
しかしながら、非特許文献３および特許文献１に開示された発振素子は、基板に対して垂直な方向に電磁波を放射するため、図３９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り、基板上に集積化する上で問題点があった。
本発明の目的は、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を、その発振周波数全域にわたり、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に発振することができ、集積化の容易なテラヘルツ発振素子を提供することにある。
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、前記第１の電極に対して前記絶縁体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２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発振素子が提供される。
本発明の他の態様によれば、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、前記第１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２の電極と、前記半導体基板上に前記第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、前記半導体基板上に前記第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第１導波路と、前記第１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第１ホーン開口部と、前記半導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、前記半導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、前記半導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、前記半導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発振素子が提供される。
本発明によれば、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を、その発振周波数全域にわたり、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に発振することができ、集積化の容易なテラヘルツ発振素子を提供することができる。
本発明によれば、単に開口部を持たせるだけではなく、導波路とホーン開口部を持たせることで基板に水平な方向に効率良く、電磁波を取り出すことが可能となるテラヘルツ発振素子を提供することができる。
本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図。 図１に対応した電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子において、（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。 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子に用いられる共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造図。 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子に用いられる共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）近傍のＳＥＭ写真。 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例１。 図６に示す電極パターン構成例１の電磁界シミュレーション結果。 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションの適用する電極パターン構成例２。 図８に示す電極パターン構成例２の電磁界シミュレーション結果。 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションの適用する電極パターン構成例３。 図１０に示す電極パターン構成例３の電磁界シミュレーション結果。 本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の発振スペクトルの特性例。 （ａ）本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の模式的回路構成図、（ｂ）本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の等価回路構成図。 （ａ）本発明の第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図、（ｂ）本発明の第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図。 図１５に示す第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＹ−Ｚ平面上における電界パターンのシミュレーション結果。 図１５に示す第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーション結果。 （ａ）図１に示す第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＹ軸方向放射強度と発振周波数との関係を示す図、（ｂ）図１５に示す第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＹ軸方向放射強度と発振周波数との関係を示す図。 本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 （ａ）図１９のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図１９のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図、（ｃ）図１９のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造図。 図１９に示す第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＸ−Ｙ平面上における電界パターンのシミュレーション結果。 本発明の第３の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第３の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第３の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 図１９に示す第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＹ軸方向放射強度と発振周波数との関係を示す図。 （ａ）本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例１（比較例）、（ｂ）図２６（ａ）に示す電極パターン構成例１（比較例）の電磁界シミュレーション結果。 （ａ）本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例２、（ｂ）図２７（ａ）に示す電極パターン構成例２の電磁界シミュレーション結果。 （ａ）本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例３、（ｂ）図２８（ａ）に示す電極パターン構成例３の電磁界シミュレーション結果。 本発明の第４の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 （ａ）図２９のＶＩ−ＶＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図２９のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｃ）図２９のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。 本発明の第４の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第４の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第４の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第４の実施の形態の変形例４に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第４の実施の形態の変形例５に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第４の実施の形態の変形例６に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 本発明の第４の実施の形態の変形例７に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。 従来のテラヘルツ発振素子の構造を示す模式的鳥瞰図。 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。
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。
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。
[第１の実施の形態]
本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図は、図１に示すように表され、また、図１に対応した電極パターン構造の模式的平面図は、図２示すように表される。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子は、図１および図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１の電極２と、第１の電極２上に配置された絶縁層３と、第１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１の電極２に対向して配置された第２の電極４と、絶縁層３を挟み第１の電極２と第２の電極４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２と第２の電極４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２と第２の電極４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２と第２の電極４間に配置されたホーン開口部８０とを備える。
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。
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）の放射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。
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２と第２の電極４間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に取り出す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に効率よく取り出すことができる。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。
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２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１の電極２と挟まれるように、能動素子９０が配置される。
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２と第２の電極４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、発振する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。
また、図１に示すように、導波路７０における第１の電極２と第２の電極４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２と第２の電極４間の間隔は、狭い。
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２の電極４と第１の電極２は高周波的に短絡されるようになっている。
なお、ここで、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。
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。
第１の電極２および第２の電極４は、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は半絶縁性のＩｎＰ基板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２および第２の電極４の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度である。なお、第１の電極２、第２の電極４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。
絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3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。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子において、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図３（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３（ｂ）に示すように表される。
ＭＩＭリフレクタ５０は、図３（ａ）に示すように、第１の電極２と第２の電極４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３（ｂ）から明らかなように、ＲＴＤからなる能動素子９０は、半絶縁性の半導体基板１上に配置されている。ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａの一部分をエッチングした表面上に接触して、第１の電極２が配置されている。第２の電極４は、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に接触して配置されている。さらに、第２の電極４は、半絶縁性の半導体基板１上に延在して配置されている。
このように、第２の電極４が、半絶縁性の半導体基板１上に延在して配置されていることから、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できる構成を提供している。
なお、第１の電極２と第２の電極４には、直流電源１５が接続されるとともに、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。
（共鳴トンネルダイオード）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子に用いられる能動素子９０の模式的断面構造は、図４に示すように表される。また、能動素子９０近傍のＳＥＭ写真は、図５に示すように表される。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子に用いられる能動素子９０としてＲＴＤの構成例は、図４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２の電極４と、ＧａＩｎＡｓ層９１ａのエッチングされた表面上に配置された第１の電極２とを備える。
図４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を介して、下側に位置する第１の電極２と上側に位置する第２の電極４にオーミックに接続される構造となっている。
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
ｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａおよび９１ｂの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍおよび３０ｎｍ程度である。ｎ型のＧａＩｎＡｓ層９１ａおよび９１ｂの厚さは、略等しく、例えば、約５０ｎｍ程度である。アンドープＧａＩｎＡｓ層９３ａおよび９３ｂの厚さは、略等しく、例えば、約５ｎｍ程度である。ＡｌＡｓ層９４ａおよび９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．５ｎｍ程度である。ＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
なお、図４に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3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。
（電極パターン構成と電磁界シミュレーション結果）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例１は図６に示すように表される。図６に示す電極パターン構成例１において、表示された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は、図７に示すように表される。同様に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例２は図８に示すように表される。図８に示す電極パターン構成例２において、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は、図９に示すように表される。同様に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例３は図１０に示すように表される。図１０に示す電極パターン構成例３において、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は、図１１に示すように表される。
構成例１〜３は、テラヘルツ発振素子を構成する第１の電極２，第２の電極４の幅を変化させた構造に対応している。それぞれホーン開口部８０の先端部分における第１の電極２，第２の電極４の幅を構成例１では、Ｗ１、構成例２ではＷ２、構成例３ではＷ３と設定した例が示されている。第１の電極２，第２の電極４の幅の関係は、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３としている。構成例１〜３のそれぞれの電磁界シミュレーション結果から明らかなように、この幅を狭くすることで、所望の電磁波の発振方向であるＹ方向への指向性を向上させることができる。逆に、第１の電極２，第２の電極４の幅の関係上、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３となるように大きくするにしたがって、Ｙ方向への指向性は低下し、―Ｚ軸方向への電磁界放射パターン強度が増大する傾向が現れる。なお、構成例１〜３のそれぞれの電極の幅、ホーン開口部の寸法、導波路の寸法は、電磁波の発振周波数に応じて適宜設定することができる。
（発振スペクトル）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の発振スペクトルの特性例は、図１２に示すように表される。図１２において、縦軸は出力パワー（a.u.）を表し、横軸は発振周波数を表している。能動素子９０を構成するＲＴＤの寸法は、約１．４μｍ2程度以下である。室温で観測した発振周波数は、約４６０ＧＨｚ程度である。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。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の模式的回路構成は、図１３（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２にはダイオードのカソードが接続され、第２の電極４には、ダイオードのアノードが接続され、第１の電極２にはプラスの電圧、第２の電極４にはマイナスの電圧が印加される。発振状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向に電磁波（ｈν）が指向性良く伝播される。図
１３（ａ）に対応する第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の等価回路構成は、図１３（ｂ）に示すように表される。図１３（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ため、テラヘルツ電磁波（ｈν）の発振周波数ｆは、ｆ＝１／[２π（Ｌ０１（Ｃ０１＋ＣＭ）1/2）で表される。
（変形例）
第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図１４（ａ）に示すように模式的に表され、変形例２に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図１４（ｂ）に示すように模式的に表される。
変形例１に係るテラヘルツ発振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４にスタブ構造を備える例であり、変形例２に係るテラヘルツ発振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２にスタブ構造を備える例である。
すなわち、図１４（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の電極は、複数のスタブ１３Ａを備えていてもよい。
また、図１４（ｂ）に示すように、ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、第１の電極は、複数のスタブ１３Ｂを備えていてもよい。
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。
上記の変形例１と変形例２を組み合わせて、第１の電極２と第２の電極４の両方に複数のスタブを備えていてもよい。
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。
第１の実施の形態の変形例１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。
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。
所定の帯域幅を有する電磁波の中心波長をλ０として、スタブの間隔をλ０／２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、２〜３λ０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。
なお、第１の実施形態の変形例１では、スタブ１３ＡおよびＭＩＭリフレクタにより、閉口部側に伝送する漏れ電磁波が反射され、開口側に戻される。そして、反射された電磁波が出力として放射されるために、能動素子９０から発振される電磁波は高出力となる。
第１の実施形態の変形例２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。
なお、両側の電極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１の電極２と第２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。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、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を、その発振周波数全域にわたり、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に発振することができ、しかも集積化が容易となる。
本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、単に開口部を持たせるだけではなく、導波路とホーン開口部を持たせることで基板に水平な方向に効率良く、電磁波を取り出すことができる。
第１の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ発振素子によれば、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、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を、その発振周波数全域にわたり、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に発振することができ、しかも集積化が容易である。
第１の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ発振素子によれば、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、電磁波を取り出すことが可能となる。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図は、図１５に示すように表される。
第２の実施の形態においては、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２および第２の電極４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２と第２の電極４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、第１の実施の形態と同様であるため、各部の説明は省略する。
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を含む第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の全体の長さは、例えば、約１６００μｍ程度以下でる。
また、ホーン開口部８０の開口角は、例えば、約１０度以下である。
図１５に示す第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＹ−Ｚ平面上における電界パターンのシミュレーション結果は、図１６に示すように表される。また、図１５に示す第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の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は、図１７に示すように表される。
図１６に示すように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子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ており、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、図１７に示すように、Ｙ軸方向の指向性が顕著に良好となることがわかる。
図１に示す第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＹ軸方向放射強度（ａ．ｕ．）と発振周波数(ＴＨｚ)との関係は、図１８（ａ）に示すように表され、図１５に示す第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＹ軸方向放射強度（ａ．ｕ．）と発振周波数(ＴＨｚ)との関係は、図１８（ｂ）に示すように表される。図１８（ａ）および図１８（ｂ）から明らかなように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においては、高調波成分が抑制され、指向性が向上している。しかもＹ軸方向放射強度（ａ．ｕ．）は増大化されている。また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においては、Ｙ軸方向放射強度（ａ．ｕ．）のピーク値が、より高い発振周波数側にシフトしている。ここで、Ｙ軸方向放射強度（ａ．ｕ．）とは、アンテナから放射される電力のうち、放射パターン上、Ｙ軸方向へ出射される割合を相対的な強度として示している。
上記の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。
第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、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、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を、その発振周波数全域にわたり、指向性を向上させ、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に、発振することができ、しかも集積化が容易である。
第２の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、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、電磁波を取り出すことが可能となる。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図１９に示すように表される。また、図１９のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図２０（ａ）に示すように表され、ＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図２０（ｂ）に示すように表され、Ｖ−Ｖ線に沿う模式的断面構造は、図２０（ｃ）に示すように表される。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においても第１の電極２、第２の電極４、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０の構成は、図１〜図４に示した第１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。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子は、図１９および図２０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１の電極２と、第１の電極２上に配置された絶縁層３（図１）と、第１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１の電極２に対向して配置された第２の電極４と、半導体基板１上に第１の電極２に隣接し、かつ第２の電極４とは反対側に第１の電極２に対向して配置されたスロットライン電極２１と、半導体基板１上に第２の電極４に隣接し、かつ第１の電極２とは反対側に第２の電極４に対向して配置されたスロットライン電極４１と、絶縁層３を挟み第１の電極２と第２の電極４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２と第２の電極４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２と第２の電極４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２と第２の電極４間に配置されたホーン開口部８０と、半導体基板１上に対向する第１の電極２とスロットライン電極２１間に配置された導波路７１と、導波路７１に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極２とスロットライン電極２１間に配置されたホーン開口部８１と、半導体基板１上に対向する第２の電極４とスロットライン電極４１間に配置された導波路７２と、導波路７２に隣接して、半導体基板１上に対向する第２の電極４とスロットライン電極４１間に配置されたホーン開口部８２とを備える。
第１の実施の形態と同様に、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。
ホーン開口部８０〜８３は、開口ホーンアンテナを構成する。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においては、図１９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１９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、後述するように、適宜変更可能である。
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置される。
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。
ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第１の電極２は、図１４（ａ）に示された第１の実施の形態の変形例１と同様に、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４は、図１４（ｂ）に示された第１の実施の形態の変形例２と同様に、複数のスタブを備えていても良い。
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。
（定在波パターン）
図１９に示す第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＸ−Ｙ平面上における電界パターンのシミュレーション結果は、図２１に示すように表される。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においては、能動素子９０に接続された第１の電極２および第２の電極４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２１、４１を配置することで、第１〜第２の実施の形態に比べ、指向性がさらに向上する。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、第１の電極２および第２の電極４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２１、４１を並列化配置することで、半導体基板１上にテーパスロットアンテナを集積化しても、半導体基板１の影響を抑制し、充分な指向性を得ることができる。
中央部の第１の電極２および第２の電極４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２１、２２に引き込まれて、スロットライン電極２１、４１の端面で反射され、中央部の第１の電極２および第２の電極４に戻ってくる。このとき、中央部の第１の電極２および第２の電極４およびスロットライン電極２１、４１内には、定在波が形成され、反射してきた電界によって、外部に電磁波が放射される。中央部の第１の電極２および第２の電極４および１対のスロットライン電極２１、４１からの放射電磁界が、干渉し合うことによって、指向性が向上する。
（変形例）
第３の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図２２に示すように表され、変形例２に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図２３に示すように表され、変形例３に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図２４に示すように表される。
図２２において、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２１は、例えば１６０μｍ程度であり、およびホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１１は、例えば３００μｍ程度である。スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ５は、適宜変更可能である。
図２３において、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２２は、例えば１６０μｍ程度であり、およびホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１２は、例えば２２０μｍ程度である。スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ６は、適宜変更可能である。
図２４において、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２３は、例えば１６０μｍ程度であり、およびホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１３は、例えば２００μｍ程度である。スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ７は、適宜変更可能である。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子のＹ軸方向放射強度（ａ．ｕ．）と発振周波数（ＴＨｚ）との関係は、図２５に示すように表される。図２５から明らかなように、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を、その発振周波数全域にわたり、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に発振することができる。しかも集積化が容易となる。
（電極パターン構成と電磁界シミュレーション結果）
比較例として、第１の電極２と第２の電極４のみを有する場合の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例１（比較例）は、図２６（ａ）に示すように表される。図２６（ａ）に示す電極パターン構成例１（比較例）の電磁界シミュレーション結果は、図２６（ｂ）に示すように表される。また、１対のスロットライン電極２１,４１を有する第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例２は、図２７（ａ）に示すように表される。図２７（ａ）に示す電極パターン構成例２の電磁界シミュレーション結果は、図２７（ｂ）に示すように表される。図２６および図２７においては、発振周波数はいずれも０．６４ＴＨｚであり、スロットライン電極２１,４１を有する第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の指向性が向上していることがわかる。
第３の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電磁界シミュレーションを適用する電極パターン構成例３は、図２８（ａ）に示すように表される。図２８（ａ）に示す電極パターン構成例３の電磁界シミュレーション結果は、図２８（ｂ）に示すように表される。
図２８（ａ）の電極パターン構成例３を有するテラヘルツ発振素子は、図１９に示す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を並列化配置した点に特徴を有する。すなわち、半導体基板１上にスロットライン電極２１に隣接し、かつ第１の電極２とは反対側にスロットライン電極２１に対向して配置されたスロットライン電極２２と、半導体基板１上にスロットライン電極４１に隣接し、かつ第２の電極４とは反対側にスロットライン電極４１に対向して配置されたスロットライン電極４２と、半導体基板１上に対向するスロットライン電極２１とスロットライン電極２２間に配置された導波路７３と、導波路７３に隣接して、半導体基板１上に対向するスロットライン電極２１とスロットライン電極２２間に配置されたホーン開口部８３と、半導体基板１上に対向するスロットライン電極４１とスロットライン電極４２間に配置された導波路７４と、導波路７４に隣接して、半導体基板１上に対向するスロットライン電極４１とスロットライン電極４２間に配置されたホーン開口部８４とを備える。
図２８においても、発振周波数は０．６４ＴＨｚであり、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していることがわかる。
第３の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ発振素子によれば、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、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を、その発振周波数全域にわたり、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に発振することができ、しかも集積化が容易である。
（第４の実施の形態）
第４の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図２９に示すように表される。また、図２９のＶＩ−ＶＩ線に沿う模式的断面構造は、図３０（ａ）に示すように表され、ＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図３０（ｂ）に示すように表され、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図３０（ｃ）に示すように表される。
半導体基板１は、共振器６０,導波路７０〜７２,およびホーン開口部８０〜８２を形成する領域において、薄層化されていることを特徴とする。さらに、図２９および図３０に示すように、導波路７０〜７２,およびホーン開口部８０〜８２の半導体基板１は、完全に除去されていても良い。その他の構成は、第３の実施の形態と同様であるため、各部の説明は省略する。
第４の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子においては、図２９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２９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、後述するように、適宜変更可能である。
（変形例）
第４の実施の形態の変形例１〜変形例７に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、それぞれ図３１〜図３７に示すように表される。
半導体基板１は、共振器６０,導波路７０〜７２,およびホーン開口部８０〜８２を形成する領域において、薄層化されていることを特徴とする。図３１〜図３７に示すように、導波路７０〜７２,およびホーン開口部８０〜８２の半導体基板１は、完全に除去されていても良い。
図３１において、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２２は、例えば１６０μｍ程度であり、ホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１２は、例えば２２０μｍ程度である。スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ６は、適宜変更可能である。
図３２において、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２１は、例えば１６０μｍ程度であり、ホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１１は、例えば３００μｍ程度である。スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ５は、適宜変更可能である。
図３３において、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２３は、例えば１６０μｍ程度であり、ホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１３は、例えば２００μｍ程度である。スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ７は、適宜変更可能である。
図３４に示される変形例４においては、第１の電極２および第２の電極４のテーパ形状が片側がフラットな台形形状を有する。出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２４、ホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１４、スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ８、および第１の電極２および第２の電極４の幅Ｗ９は、適宜変更可能である。
図３５に示される変形例５においては、第１の電極２および第２の電極４のみがテーパ形状を備え、スロットライン電極２１および４１は、テーパ形状を備えず、矩形形状を有する。出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２５、ホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１５、スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ１０は、適宜変更可能である。
図３６に示される変形例６においては、導波路７０〜７２の長さを相対的に短く設定し、ホーン開口部８０〜８２の長さを相対的に長く設定している。出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２６、ホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１６、スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ１１は、適宜変更可能である。
図３７に示される変形例７においては、導波路７０〜７２の長さを相対的に長く設定し、ホーン開口部８０〜８２の長さを相対的に短く設定している。出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２６、ホーン開口部８１,８２の幅Ｄ１６、スロットライン電極２１,４１の幅Ｗ１１は、適宜変更可能である。
第４の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、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、かつ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、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を、その発振周波数全域にわたり、指向性を向上させ、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に、発振することができ、しかも集積化が容易である。
第４の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子によれば、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、かつ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、電磁波を取り出すことが可能となる。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１〜第４の実施の形態およびその変形例によって記載したが、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。
第３の実施の形態および第４の実施の形態においては、スロットライン電極を１対若しくは２対並列化配置して定在波を有効に発生させる例が開示されているが、スロットライン電極は、さらに３対以上の複数対配置しても良い。
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。
本発明のテラヘルツ発振素子は、ＴＨｚ帯の周波数領域で動作する発振・増幅素子として、ＴＨｚ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。
１…半導体基板
２…第１の電極
３…絶縁層
４…第２の電極
５,６…凹部
７…凸部
８…突起部
１３Ａ,１３Ｂ…スタブ
１５…直流電源
２１,２２,４１,４２…スロットライン電極
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

Claims (20)

  1. 半導体基板と、
    前記半導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、
    前記第１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２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発振素子。
  2. 前記能動素子は共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ発振素子。
  3. 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または２に記載のテラヘルツ発振素子。
  4. 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１〜３のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  5. 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１〜３のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  6. 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１〜５のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  7. 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１〜６のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  8. 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６または７に記載のテラヘルツ発振素子。
  9. 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６または７に記載のテラヘルツ発振素子。
  10. 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１〜９のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  11. 前記導波路における前記第１の電極と前記第２の電極間の間隔に比べて、前記共振器が形成されている部分の前記第１の電極と前記第２の電極間の間隔が狭いことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  12. 半導体基板と、
    前記半導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、
    前記第１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２の電極と、
    前記半導体基板上に前記第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、
    前記半導体基板上に前記第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第１導波路と、
    前記第１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第１ホーン開口部と、
    前記半導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、前記半導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、
    前記半導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、前記半導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発振素子。
  13. 前記能動素子は共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項１２に記載のテラヘルツ発振素子。
  14. 前記第１ホーン開口部、前記第２ホーン開口部、および前記第３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１２または１３に記載のテラヘルツ発振素子。
  15. 前記第１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１２〜１４のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  16. 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１２〜１４のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  17. 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１２〜１６のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  18. 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１２〜１７のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
  19. 前記半導体基板上に第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、
    前記半導体基板上に第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、
    前記半導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、前記半導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、
    前記半導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、前記半導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１２に記載のテラヘルツ発振素子。
  20. 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１２〜１９のいずれか１項に記載のテラヘルツ発振素子。
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