JP5371053B2 - 高周波素子 - Google Patents

Description

本発明は、二次元電子伝導層に磁場が印加されることにより、二次元電子伝導層の端に沿ってエッジチャネルを形成し、二次元電子伝導層の端に形成された電極に電圧が印加されることにより、エッジチャネルを伝搬するエッジマグネトプラズモンを生成する高周波素子に関するものである。

近年、量子ホール領域におけるエッジチャネルの電気伝導を用いた物性研究や応用研究が注目されている。半導体ヘテロ構造中の二次元電子に磁場を印加すると、試料の端を一方向に流れるエッジチャネルが形成される。このエッジチャネルの伝導は、後方散乱が著しく抑制されることから散逸のない電子の伝導路（チャネル）を構成することができ、電子波の干渉性が高いことからマッハツェンダー型やファブリペロー型の電子波干渉デバイスを実現できることが最近の研究で明らかになってきた。また、量子ドットとエッジチャネルを集積化することによって、量子ドットから単一電子をエッジチャネルに注入することもできるようになってきた。このように、エッジチャネルでは電子の波動性と粒子性を制御できることから、電子の量子性に関する物性研究の舞台としてだけでなく、新しい原理に基づく干渉素子への応用が見込まれている。

また、エッジチャネルのマグネトプラズモン（電子波束）に関する研究は、数１０ＧＨｚの高周波を中心として研究が進められているが、ＴＨｚ領域での動作が期待されており、高速のプラズモン素子として注目されている。現在、プラズモンの伝搬や共振器など基本的な特性を中心に研究が行われているが、より実用的な研究も進むものと期待されている。このような背景において、エッジチャネルを用いた高周波素子は今後重要な要素技術となるものである。

従来のエッジマグネトプラズモンを用いた高周波素子は、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）のような素子によって構成される。図５（Ａ）は従来の高周波素子の構成を示す鳥瞰図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の高周波素子の断面図、図５（Ｃ）は図５（Ａ）の高周波素子の平面図である。この高周波素子では、半導体積層構造１００の上部層の一部の領域１０２，１０３がエッチングされ、残った上部層１０１の上面と側面とに接するようにして電極１０４，１０５が形成されている。

このような高周波素子において、半導体積層構造１００の内部に存在する二次元電子１０６に図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すような垂直な磁場成分を有する磁場Ｂを印加することにより、二次元電子領域の端に沿ってエッジチャネル１０８が形成される。一方の電極１０４に高周波電源１０７から高周波電圧を印加することにより、エッジチャネル１０８にエッジマグネトプラズモンを励起することができる。エッジチャネル１０８を周回するエッジマグネトプラズモンは、エッジチャネル１０８の長さとエッジマグネトプラズモンの速度とで決まる共振周波数の入力高周波電圧に対して強く形成され、共振回路を構成する。形成されたエッジマグネトプラズモンは、出力側の電極１０５に現れる高周波電圧として取り出すことができる。このような構成により、入力側の電極１０４と出力側の電極１０５との間で高周波素子を形成することができ、特定の周波数のみを透過する周波数フィルターとして用いることができる（非特許文献１参照）。

R.C.Ashoori，H.L.Stormer，L.N.Pfeiffer，K.W.Baldwin，and K.West，"Edge magnetoplasmons in the time domain"，Physical Review B，Vol.45，No.7，p.3894-3897，1992

しかしながら、非特許文献１に開示された従来の高周波素子においては、電極とエッジチャネルとの結合の大きさが半導体積層構造によって決まってしまうため、十分な大きさの結合を得ることができず、エッジマグネトプラズモンの電荷密度を増大させることが難しいという問題点があった。また、従来の高周波素子においては、共振特性を得るために周回するエッジチャネルを用いていることから、出力側の電極によって高周波信号を取り出す必要があり、次段のエッジチャネル高周波素子に直接に接続することが難しいという問題点があった。

また、従来の高周波素子においては、入力高周波電圧に比例した電荷密度、または入力高周波電圧の時間微分に比例した単純な電荷密度のプラズモンを得ることができるが、高周波電圧の信号を処理するという機能性をもたせることは不可能であり、生成されるプラズモンの電荷密度の波形にも限りがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来と比較してエッジマグネトプラズモンの電荷密度を増大させることができ、次段のエッジチャネル高周波素子に直接に接続することが可能な高周波素子を提供することを目的とする。

また、本発明は、様々な信号処理を行うことが可能な高周波素子を提供することを目的とする。

本発明は、二次元電子伝導層に磁場が印加されることにより、二次元電子伝導層の端に沿ってエッジチャネルを形成する高周波素子において、二次元電子伝導層を含む半導体層と、前記二次元電子伝導層の一端に相当する前記半導体層の端部に形成された複数の電極とを備え、この複数の電極に電圧が印加されることにより、前記エッジチャネルを伝搬するエッジマグネトプラズモンを生成することを特徴とするものである。
また、本発明は、二次元電子伝導層に磁場が印加されることにより、二次元電子伝導層の端に沿ってエッジチャネルを形成する高周波素子において、二次元電子伝導層を含む半導体層と、前記二次元電子伝導層の一端に相当する前記半導体層の端部に形成され、前記エッジチャネルとの距離が前記二次元電子伝導層の端に沿って変化する電極とを備え、この電極に時間的に変化する電圧が印加されることにより、前記エッジチャネルを伝搬するエッジマグネトプラズモンを生成することを特徴とするものである。

また、本発明の高周波素子の１構成例において、前記複数の電極は、電極間距離をｄ、エッジマグネトプラズモンの伝播速度をｖとしたとき、ｆ＝ｎｖ／ｄ（ｎ＝１，２，３・・・は自然数）で決まる共振周波数ｆの印加電圧に応じてエッジマグネトプラズモンが生成されるように前記電極間距離ｄが設定されることを特徴とするものである。
また、本発明の高周波素子の１構成例において、前記電極は、所望の信号処理を担う空間分布関数で表現される形状を有することを特徴とするものである。
また、本発明の高周波素子の１構成例は、複数の前記電極を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、二次元電子伝導層の一端に相当する半導体層の端部に複数の電極を設けたので、この複数の電極に電圧を印加すれば、従来と比較してエッジマグネトプラズモンの電荷密度を増大させることができる。本発明では、電極間距離とエッジマグネトプラズモンの伝播速度とで決まる共振周波数の高周波電圧のみを取り出すことができるフィルターを実現することができる。また、本発明では、電極の数を増やすことによって、フィルターの特性を先鋭化することができると共に、エッジマグネトプラズモンの電荷密度を更に増大させることができる。また、本発明では、従来の高周波素子のようにエッジチャネルを周回させる必要がないので、電気信号を出力電極からいったん取り出すことなく、次段のエッジチャネル高周波素子に直接に接続することが可能となる。

また、本発明では、二次元電子伝導層の一端に相当する半導体層の端部に、エッジチャネルとの距離が二次元電子伝導層の端に沿って変化する電極を設けたので、この電極に時間的に変化する電圧を印加すれば、電極形状と時間的に変化する電圧とによって決まる密度のプラズモンを生成することができるので、所望の信号処理を担う空間分布関数で表現される電極形状とすることで、様々な信号処理を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態に係る高周波素子の構成を示す鳥瞰図、断面図および平面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る高周波素子における別の電極構造を示す鳥瞰図、断面図および平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る高周波素子の構成を示す断面図および平面図である。 本発明の第２の実施の形態において電極に供給される入力電圧と出力端子に現れる電荷密度とを示す波形図である。 従来の高周波素子の構成を示す鳥瞰図、断面図および平面図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る高周波素子の構成を示す鳥瞰図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の高周波素子の断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の高周波素子の平面図である。なお、図１（Ｃ）では、高周波素子の電極の周辺部分のみを記載している。

本実施の形態では、ヘテロ接合を有する半導体積層構造３を、図示しない砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上に堆積したウエハーを用いた。半導体積層構造３は、不純物を添加していない高純度の砒化ガリウム層１と、この砒化ガリウム層１の上に形成された、一部分にシリコンなどのｎ型不純物を添加した砒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）層２とからなる。この場合、砒化ガリウム層１と砒化アルミニウムガリウム層２の界面に二次元電子４が形成される。

このような半導体積層構造３の一部をエッチング領域５として、このエッチング領域５を例えば化学エッチングなどによって砒化ガリウム層１の途中まで除去する。そして、エッチング除去されずに残った上部層６の上面と側面とに接するようにして、例えば金などの金属からなる複数の電極７，８をリソグラフィー技術によって堆積する。こうして、二次元電子伝導層の端に複数の電極７，８を形成する。ここでは、電極７，８は、半導体との接合部がショットキー接合となるショットキー電極となる。

以上のような高周波素子において、二次元電子４に図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示すような垂直な磁場成分を有する磁場Ｂを印加することにより、半導体積層構造３の上部層６の端（すなわち、二次元電子伝導層の端）に沿ってエッジチャネル９が形成される。
この高周波素子の電極７，８に同一の高周波電圧を印加することにより、エッジマグネトプラズモンを励起することができ、共振回路を構成することができる。図１（Ｃ）における１０は、エッジマグネトプラズモンの電荷分布を示している。

本実施の形態では、電極７，８間の距離ｄとエッジマグネトプラズモンの速度ｖで決まる共振周波数の高周波電圧に対して、強いエッジマグネトプラズモンを励起することができる。すなわち、電極７，８に同一の高周波電源を接続した場合、電極７，８間の距離ｄとエッジマグネトプラズモンの速度ｖで決まる共振周波数ｆ＝ｎｖ／ｄ（ｎ＝１，２，３・・・は自然数）の高周波電圧のみを取り出すことができるフィルターを実現することができる。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示した従来の高周波素子では、２つの電極１０４，１０５のうち一方の電極１０４はプラズモンを励起（高周波電圧を印加）するための電極であり、他方の電極１０５はプラズモンを検出するための電極である。したがって、高周波電圧を印加する電極は１つのみである。また、従来の高周波素子では、２つの電極１０４，１０５が二次元電子伝導層の異なる端部に形成されている。

これに対して、本実施の形態では、二次元電子伝導層の同一の端部に複数の電極７，８を形成し、この複数の電極７，８に高周波電圧を印加する。これにより、本実施の形態では、エッジマグネトプラズモンの干渉効果を得ることができ、エッジマグネトプラズモンの電荷密度を増大させることができる。本実施の形態では、電極の数を増やすことによって、フィルターの特性を先鋭化することができると共に、エッジマグネトプラズモンの電荷密度を更に増大させることができる。図１（Ａ）〜図１（Ｃ）の例では、２つの電極７，８を形成しているが、電極を３つ以上としてもよいことは言うまでもない。

また、本実施の形態では、二次元電子伝導層の一端に形成されるエッジチャネルを用いており、従来の高周波素子のようにエッジチャネルを周回させる必要がないので、本実施の形態のエッジチャネル高周波素子の隣（図１（Ｃ）の例では下方向）に次段のエッジチャネル高周波素子を本実施の形態と同様に作製すれば、信号を出力電極からいったん取り出すことなく、次段のエッジチャネル高周波素子に直接に接続することが可能となる。

なお、本実施の形態では、二次元電子伝導層を含む半導体層として、砒化ガリウム層１と砒化アルミニウムガリウム層２とからなる半導体積層構造３を用いたが、これに限るものではない。二次元電子伝導層を含む半導体層として、砒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＡｓ）と砒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）とを積層した半導体積層構造に代表される化合物半導体の積層構造を用いてもよいし、表面に二次元電子が形成される砒化インジウム（ＩｎＡｓ）層を用いてもよいし、グラフェンまたはグラファイトの薄膜を用いてもよい。

また、本実施の形態では、電極７，８をショットキー電極としたが、これに限るものではなく、電極７，８を、金、ゲルマニウム、ニッケルからなる金属と半導体との合金化によってオーミック接合となるオーミック電極としてもよい。
また、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、エッチング領域５によってエッジチャネル９と隔てられ絶縁された二次元電子伝導層を含む半導体層を電極７，８としてもよい。
また、全ての電極の構造を同一にする必要はなく、上記ショットキー電極、オーミック電極、絶縁された二次元電子伝導層を含む半導体層のいずれかの構造あるいは２つ以上の構造を用いて、複数の電極を形成するようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る高周波素子の構成を示す断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の高周波素子の平面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。なお、図３（Ｂ）では、高周波素子の電極の周辺部分のみを記載している。
本実施の形態では、第１の実施の形態と同様にエッチング領域５を例えば化学エッチングなどによって砒化ガリウム層１の途中まで除去し、エッチング除去されずに残った上部層６の上面と側面とに接するようにして電極７ａを堆積する。こうして、二次元電子伝導層の端に電極７ａを形成する。

本実施の形態では、二次元電子伝導層の端に沿った軸をｘ軸としたとき、電極７ａのエッジチャネル９側の端とエッジチャネル９との距離ａがｘの関数ａ（ｘ）となる、すなわち距離ａが二次元電子伝導層の端に沿って変化するように電極７ａの形状を設計する。このような設計により、電極７ａとエッジチャネル９との間の単位長さあたりの静電容量Ｃも、ｘの関数Ｃ（ｘ）となり、二次元電子伝導層の端に沿って変化する。したがって、電極７ａに高周波電圧Ｖ（ｔ）を印加することによって、空間的に変調されたエッジマグネトプラズモンを励起することができる。その結果として、エッジマグネトプラズモンの電荷線密度ρ（ｘ，ｔ）は、長波長の波に対して近似的に次式で与えられる。

ここで、ｖはエッジマグネトプラズモンの伝搬速度を表す。したがって、本実施の形態の高周波素子から出射されるプラズモンの電荷密度は、式（１）の微分方程式の解となるような電荷密度ρ（ｘ，ｔ）となることが期待される。

例えば、図３（Ａ）、図３（Ｂ）の例で示した形状の電極７ａに、図４（Ａ）で示すステップ関数の入力電圧Ｖ（ｔ）を入力したとすると、ｘ＝ｘ₀の位置のプラズモン出力端子１１に現れる電荷密度の波形ρ（ｘ₀，ｔ）は、図４（Ｂ）に示すように電極７ａとエッジチャネル９との間の静電容量Ｃの空間分布関数Ｃ（ｘ）を反映したものになる。こうして、本実施の形態の高周波素子は、ステップ関数の入力電圧に対して、電極７ａの形状によって決まる波形のエッジマグネトプラズモンを発生する高周波プラズモン発生器として機能する。十分に立ち上がり時間の早いステップ関数の入力電圧を電極７ａに印加することにより、非常に高い周波数成分を有するプラズモンを得ることができる。

非特許文献１に開示された従来の高周波素子では、数周期のプラズモンを生成するに留まっていたが、本実施の形態では、任意の数の周期のプラズモンを生成することができる。特に、通常の電子デバイスが動作しないＴＨｚ近傍の周波数においても、本実施の形態の高周波素子を用いてプラズモンを発生することにより、単色で可干渉時間の長い発振器を得ることできる。

また、図３（Ａ）、図３（Ｂ）の例で示した電極７ａに、さまざまな高周波信号を入力した場合、入力が特定の周波数の場合にのみ強いプラズモンが発生する。これによって、本実施の形態の高周波素子は、高周波の周波数フィルターとして機能する。

なお、本実施の形態では、１つの電極７ａを形成しているが、これに限るものではなく、第１の実施の形態で説明したように電極７ａを２つ以上とすることで、機能的な高周波プラズモンを発生することが可能である。２つの電極７ａにステップ関数の電圧を入力することにより、その微分波形であるパルス状の電荷分布をもつプラズモンを２個発生することができる。また、電極７ａの数を増すことにより、パルスの数を増すことができる。このように、電極７ａを複数設けることにより、機能的なプラズモン発生器を得ることができる。

第１、第２の実施の形態において、発生したプラズモンを電気信号として取り出すためには、従来から知られている手法、すなわち図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示した出力電極１０５を用いることができる。
また、第１、第２の実施の形態において、第１の実施の形態の電極７，８、第２の実施の形態の電極７ａを、出力電極として用いることも可能である。すなわち、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示した電極７，８を並列に接続して出力電極として用いることや、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示した電極７ａを出力電極として用いることにより、プラズモンの検出においても、高周波フィルターや、電極形状で決まる出力波形を得ることなど、信号処理の機能を取り入れることが可能である。

本発明は、二次元電子伝導層に磁場が印加されることにより、二次元電子伝導層の端に沿ってエッジチャネルを形成し、二次元電子伝導層の端に形成された電極に電圧が印加されることにより、エッジチャネルを伝搬するエッジマグネトプラズモンを生成する高周波素子に適用することができる。

１…砒化ガリウム層、２…砒化アルミニウムガリウム層、３…半導体積層構造、４…二次元電子、５…エッチング領域、６…半導体積層構造の上部層、７，７ａ，８…電極、９…エッジチャネル、１１…プラズモン出力端子。

Claims (5)

1. 二次元電子伝導層に磁場が印加されることにより、二次元電子伝導層の端に沿ってエッジチャネルを形成する高周波素子において、
   二次元電子伝導層を含む半導体層と、
   前記二次元電子伝導層の一端に相当する前記半導体層の端部に形成された複数の電極とを備え、
   この複数の電極に電圧が印加されることにより、前記エッジチャネルを伝搬するエッジマグネトプラズモンを生成することを特徴とする高周波素子。
2. 二次元電子伝導層に磁場が印加されることにより、二次元電子伝導層の端に沿ってエッジチャネルを形成する高周波素子において、
   二次元電子伝導層を含む半導体層と、
   前記二次元電子伝導層の一端に相当する前記半導体層の端部に形成され、前記エッジチャネルとの距離が前記二次元電子伝導層の端に沿って変化する電極とを備え、
   この電極に時間的に変化する電圧が印加されることにより、前記エッジチャネルを伝搬するエッジマグネトプラズモンを生成することを特徴とする高周波素子。
3. 請求項１記載の高周波素子において、
   前記複数の電極は、電極間距離をｄ、エッジマグネトプラズモンの伝播速度をｖとしたとき、ｆ＝ｎｖ／ｄ（ｎ＝１，２，３・・・は自然数）で決まる共振周波数ｆの印加電圧に応じてエッジマグネトプラズモンが生成されるように前記電極間距離ｄが設定されることを特徴とする高周波素子。
4. 請求項２記載の高周波素子において、
   前記電極は、所望の信号処理を担う空間分布関数で表現される形状を有することを特徴とする高周波素子。
5. 請求項２または４記載の高周波素子において、
   複数の前記電極を備えることを特徴とする高周波素子。

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