JP5401469B2 - テラヘルツ波を検出するためのモノリシック集積アンテナおよび受信器回路 - Google Patents

テラヘルツ波を検出するためのモノリシック集積アンテナおよび受信器回路 Download PDF

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Description

本発明は、ソース、ドレイン、ゲート、ゲート・ソース接点、ソース・ドレイン・チャネルおよびゲート・ドレイン接点を有する少なくとも１つの電界効果トランジスタを含む、ミリメートル波を検出するための装置に関する。
およそ１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚとして定義されるテラヘルツ周波数範囲またはサブミリメートル波長範囲は、電磁スペクトルにおける最後の「暗黒」領域の１つである。技術的に使用可能なその周波数範囲では、特にコヒーレント源とそれに対応する検出器は、これまで市販されていないか、低い周波数でしか市販されていない。過去数十年間の開発でシステムは複雑になったが、その複雑さのために、このシステムは、これまで電波天文学や大気研究などの実験的に高度な領域でしか使用されていなかった。これまで、安価なコヒーレント源と検出器は日常生活の用途に利用されてこなかったが、ＴＨｚ周波数範囲は、電磁スペクトルにおける他の周波数帯より優れた次のような固有の利点を有する。
−ＴＨｚ周波数範囲では、多くの光学的に不透明な材料が透明である。
−ＴＨｚ放射はイオン化せず、したがって生物医学分野で安全と考えられる。
−所定の回転励起、バイブロニック励起または振動分子励起は、ＴＨｚ周波数範囲で共振周波数を有する。
−ＴＨｚ放射は、特にナノ構造における電荷キャリア・ダイナミクスに関する極めて重要な情報を提供し、この電荷キャリア・ダイナミクスは、将来の光および電子部品において需要な役割を果たす。
−ＴＨｚ放射は、光周波数と比べて分散度が低く、したがって、特に、例えば多くのダスト形成を伴う産業環境での使用に適している。
−通信システムを考えた場合、周波数が高いほど伝送帯幅が大きくなる。
ＴＨｚ周波数範囲で動作する最も純粋な電子機器は、ＧａＡｓまたはＩｎＰ半導体技術に基づく。最終的には、ＳｉＧｅおよびＣＭＯＳ半導体技術でも装置が最大１００ＧＨｚで動作することが分かった。１ＴＨｚ以上のさらに高い周波数では、フェムト秒ショート・パルス・レーザまたは２つの連続波レーザ源の混合を利用したオプトエレクトロニクス・システムの光源として複雑な量子カスケード・レーザ・システムが同様に使用される。
現在、ＴＨｚ放射は、例えば、ヘテロダイン・ミキサー（例えば、ショットキー・ダイオード・ミキサー）、光導電検出器、または電力検出器（例えば、光起電力検出器、ボロメータ、Ｇｏｌａｙセルなど）によって検出される。
しかしながら、前述の技術はすべて、発生源と検出器の構成要素自体とその製造がかなり複雑になり、従って、研究開発分野および電波天文学などの研究関連応用分野では確かに使用されるが、量販市場には適していない。
特許文献１は、無線周波数信号の出力レベルを検出するために使用される電界効果トランジスタ回路を開示している。示された受信器回路は個別要素で構成され、したがって、チップ上の集積密度レベルを高くできない。更に、電界効果トランジスタ内の電荷キャリアの移動時間によって決まる時定数が長いため、ＴＨｚ周波数範囲の高い周波数には適していない。前述の特許文献１に示された受信器回路は、電界効果トランジスタをいわゆる抵抗ミキサーとして使用する。そのために、無線周波数信号が電界効果トランジスタのドレインに結合され、電界効果トランジスタのゲートが直流電圧でバイアスされ、出力信号は、低域フィルタの直流電流の信号強度が無線周波数信号の電力に比例するように低域フィルタによってフィルタリングされる。局部発振器による受信信号の混合を可能にする回路構成については記載されていない。
米国特許第４，６４７，８４８号明細書 米国特許出願公開第２００６／００８１８８９号明細書
「Shallow Water Analogy for a Ballistic Field Effect Transistor: New Mechanism of Plasma Wave Generation by dc Current」Appl Phys Let, volume 71, No 15, 2465〜2468ページ, October 1993 「Plasma Wave Electronics: Novel Terahertz Devices using Two Dimensional Electron Fluid」IEEE Transactions on Electron Devices, volume 43, No 10, October 1996
これに対して、本発明の目的は、特に、ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射の電力および／または位相を検出するための電界効果トランジスタを提供することを可能にする装置を提供することである。
更に、本発明の実現可能な目的は、検出器構成要素の高レベルの集積密度を可能にする装置を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、装置が量販市場に適するように従来の半導体技術によって作成することができる装置を提供することである。
前述の目的の少なくとも１つは、ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射を検出するために、ソース、ドレイン、ゲート、ゲート・ソース接点、ソース・ドレイン・チャネルおよびゲート・ドレイン接点を有する少なくとも１つの電界効果トランジスタと、アンテナ構造体とを有する装置によって達成され、この電界効果トランジスタは、アンテナ構造体によって受信されたＴＨｚ周波数範囲の電磁気信号がゲート・ソース接点を介して電界効果トランジスタに供給されるようにアンテナ構造体に接続され、電界効果トランジスタとアンテナ構造体が単一基板上に一緒に配列される。
その点において、本発明によるＴＨｚ周波数範囲は、１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数範囲であると解釈される。
アンテナ構造体によって受信された電磁気信号を電界効果トランジスタのゲート・ソース接点を介して結合することにより、受信した高周波数信号を、受信信号の振幅および／または位相を検出するために提供された電界効果トランジスタに効率的に結合することができる。その結合作用を改善するために、後述するようにトランジスタの高周波数境界条件を最適化することができる。
トランジスタとアンテナ構造体を単一基板上に集積することにより、本発明による複数の装置を高密度で集積して線形または二次元の平坦な検出器を構成することができる。
更に、トランジスタとアンテナ構造体を単一基板上に集積することにより、アンテナ構造体と電界効果トランジスタの間隔があっても小さくなるので、アンテナ構造体によって受信されたＴＨｚ信号をトランジスタに伝送する際に普通なら必然的に生じる輸送損失の発生を防ぐことができる。
しかしながら、アンテナ構造体と電界効果トランジスタを単一基板上に集積するには、後でより詳しく述べるように、アンテナ構造体と電界効果トランジスタの２つの要素間の空間的接近によって生じる相互作用を考慮した装置全体の再設計が必要である。
一実施形態では、電界効果トランジスタとアンテナ構造体は、例えばシリコンの単一チップ上、即ち半導体材料の単一チップ上にモノリシックに集積化される。
一実施形態では、アンテナ構造体は、電界効果トランジスタのゲートに直接接続された接続を有する。これにより、ＴＨｚ放射を電界効果トランジスタに輸送損失なく直接結合することができ、この直接結合によって、アンテナと電界効果トランジスタ間の最適なインピーダンス整合が可能になる。
一実施形態では、電界効果トランジスタは、金属−絶縁体半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）、特に、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。詳細には、使用される電界効果トランジスタは、線形部品である。
本発明の実施形態では、電界効果トランジスタは、いわゆるプラズマ電界効果トランジスタである。
特許文献２と、非特許文献１と、非特許文献２は、ＴＨｚ周波数で動作する受信器回路を実現するために例えばＣＭＯＳ技術やバイポーラＳｉＧｅ技術などによる安価な半導体構造方法によって作成される金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を開示している。
そのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）は、以下でプラズマ電界効果トランジスタと呼ばれる方式で動作するように電気的にバイアスされ接続されてもよく、プラズマ電界効果トランジスタでは、電子と電子の衝突によって、電荷キャリア輸送特性が支配され、電界効果トランジスタ・チャネル内の電子が、二次元電子ガスの代わりに二次元電子流体として挙動する。この場合、電界効果トランジスタ・チャネル内の電子の動きは、浅い水面波の流体力学から知られた数式で説明することができる。プラズマ波の速度は、電界効果トランジスタ・チャネル内の二次元電子ガスの移動速度より大きい。したがって、電界効果トランジスタ内のプラズマ波の伝播を使用して、電界効果トランジスタのチャネル内の従来の電荷キャリア移動時間によって定義される周波数特性を有する従来の電界効果トランジスタより高い周波数を可能にする方式で電界効果トランジスタを動作させることができる。
電界効果トランジスタ内の電子輸送がプラズマ電界効果トランジスタのように動作するので、電界効果トランジスタは、次の２つの必須の境界条件に従わなければならない。
１）アンテナ構造体によって受信されたＴＨｚ周波数範囲の電磁気信号が、ゲート・ソース接点によって電界効果トランジスタに供給されなければならない。２）電界効果トランジスタは、ソース・ドレイン接点を介して、ＴＨｚターゲット周波数、すなわちアンテナ構造体の共振周波数においてできるだけ高いインピーダンスを有しなければならない。
そのような境界条件を満たす電界効果トランジスタは、本発明により、以下ではプラズマＦＥＴと呼ばれる。
電磁波が、前述の境界条件を満たすＦＥＴのチャネルに結合されたときに、一定のソース・ドレイン電圧が誘導される。高い電荷キャリア移動度を有するチャネル内で、その一定のソース・ドレイン電圧が、照射された電磁放射の周波数に応じて共振し、その共振周波数は、表面電荷キャリア密度の平方根に比例し、ゲート長に反比例する。現在の半導体プロセス技術によって達成できるゲート長とキャリア密度により、プラズマ電界効果トランジスタのプラズマ周波数は、ＴＨｚ周波数範囲に達することができる。
プラズマ電界効果トランジスタは、２つ異なる動作条件で動作することができる。第１に、短チャネルを有する装置で得ることができる共振衝撃動作モード（resonant ballistic mode of operation）がある。これに対して、長チャネルを有する装置は、過減衰動作モードで操作することができる。過減衰動作モードでは、検出器応答は、照射された電磁放射の周波数の平坦関数であり、従ってこのモードは、特に広帯域検出器に適しているが、衝撃動作モードでは、構造は高度に共振することになる。
プラズマＦＥＴに関連するこれまでの出版物はすべて、プラズマＴＨｚに基づいてＴＨｚ検出器を実現する基本的な可能性を理論的または実験的に示しているが、ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射を検出するように最適化された構造の実際的な実施態様について特に提案していない。
一実施形態では、プラズマ電界効果トランジスタの第１の条件として必要とされる高周波数信号による電界効果トランジスタの給電は、チャネル内を伝播するプラズマ波の高周波数短絡を有するゲート・ソース接点によって実行することができる。
更に、一実施形態では、電界効果トランジスタは、さらに、（プラズマ波に関して）開路されたドレインとも呼ばれる第２の境界条件に従う。トランジスタ内のプラズマ波のその境界条件は、一実施形態では、ソース・ドレイン接点におけるＴＨｚターゲット周波数の高いインピーダンスによって実施される。その点において、一実施形態では、ソース・ドレイン接点の高周波インピーダンスは１ＭΩを越える。一実施形態では、ソース・ドレイン接点での高インピーダンスは、外部で、すなわちトランジスタ自体ではなく回路によって生成される。代替または追加として、ソース・ドレイン接点の負荷インピーダンスは、本質的に、すなわちトランジスタ内で、例えば半導体金属接合によって与えることができる。
さらに他の実施形態では、前述の第１の境界条件と他に、代替または追加として第２の境界条件として、ゲートの電圧がドレインの電圧に従うようにゲート・ドレイン接点にキャパシタンスがあってもよい。
そのようなゲート・ドレイン・キャパシタンスを有する電界効果トランジスタは、プラズマ電界効果トランジスタの必ずしもすべての境界条件を満たすことなく、いわゆる抵抗ミキサーとして働くことができる。
その点に関して、ゲート・ドレイン接点のキャパシタンスは、外部キャパシタンス（例えば、ゲートとドレインの端子に接続されたキャパシタ）でもよい。代替または追加として、ゲート・ドレイン接点は、固有ゲート・ドレイン・キャパシタンスを有することができる。
一実施形態では、ゲート・ドレイン・キャパシタンスは、ゲート・ソース接点の固有キャパシタンスより大きい。
一実施形態では、ゲート・ドレイン・キャパシタンスは、１００ｆＦより大きい。
一実施形態では、ゲート・ドレイン接点の固有キャパシタンスは、互いに空間的に重なるように互いの上または下に配列されているゲートのゲート接点およびドレインのドレイン接点によって高められる。そのように、ゲート接点とドレイン接点の間の絶縁により、平板キャパシタが提供され、そのキャパシタンスは、接点の空間的重なりに依存する。
本発明の一実施形態では、電界効果トランジスタのドレインは、インピーダンス整合要素、好ましくは波動線路（wave line）（または、伝送線路）に接続される。そのようなインピーダンス整合要素は、ドレインの高インピーダンスを調整することを可能にし、したがってプラズマ電界効果トランジスタの動作に必要な第２の境界条件に従うことを可能にする。
本発明の一実施形態では、装置は、直列または並列に選択的に接続された２つの電界効果トランジスタを有する。
直列回路の場合、一実施形態では、第１のトランジスタのドレインが第２のトランジスタのソースに接続され、従って、これらのトランジスタは、カスケード接続によって装置の検出効率を高めることができる。
電界効果トランジスタの並列構成では、２つのトランジスタのソースが接続される。この場合、ソースは、付加的な交流接地に接続されて、ＴＨｚ周波数範囲の電磁波のゲートへの結合が改善されるか、またはプラズマ電界効果トランジスタとして動作するトランジスタのプラズマ波の短絡境界条件を満たすと有利である。ソースに接続された交流接地は、後の増幅段ではバイアス電圧として働くことができる。
一実施形態では、アンテナ構造体は、電界効果トランジスタがアンテナ構造体によって受信された電磁波によって差動的に駆動されるように、２つの電界効果トランジスタの一方のゲートにそれぞれ接続された２つの端子を有する。一実施形態では、その差動モードの場合、２つの電界効果トランジスタのソースとドレインが接続され、差動増幅器の２つの入力に給電する。
本発明の一実施形態では、アンテナ構造体は、複数、好ましくは２つの互いに異なる受信帯域を有する。その場合、一実施形態では、アンテナ構造体は、好ましくは直交偏向を含む２つのモードの電磁放射を受信するように適応されることが好ましい。そのようにして、異なる周波数および／または異なる偏向の２つの電磁波を同時に検出し、それらを電界効果トランジスタ内で混合する受信器装置を実現することができる。そのような構成は、詳細にはヘテロダイン受信器の実現を可能にし、受信される実際の電磁放射の他に、局部発振器の信号がアンテナ内に放射される。
さらに他の実施形態では、アンテナ構造体は、アンテナ構造体によって電界効果トランジスタのゲートのバイアス電圧を提供する電圧源に接続される。
アンテナが、電界効果トランジスタの高感度ゲートに直接接続されるので、本発明による装置の一実施形態は、電界効果トランジスタを過電圧と放電破損から保護するための素子、好ましくはアンテナ構造体と接地に接続された１つまたは複数のダイオードを有する。
その点において、電界効果トランジスタを過電圧と放電破損から保護するための素子は、装置、詳細には電界効果トランジスタに付加的な寄生作用で負荷をかけないように構成されることが望ましい。そのために、本発明の一実施形態では、トランジスタを保護する素子は、アンテナ構造体上の点に接続され、装置の接地面に対して誘導される交流電圧はゼロである。
本発明の一実施形態では、そのようなアンテナ構造体は、折返しダイポール・アンテナである。折返しダイポール・アンテナは、両方とも、装置の接地面に対して誘導される交流電圧がゼロであるが、同一周波数で２つの垂直共振モードの受信を可能にする点を有する。
したがって、一実施形態では、ダイポール・アンテナは、アンテナをトランジスタにインピーダンス整合させる働きをする第３の分岐を有する。
さらに他の実施形態では、更に他のモノポールが、ダイポール・アンテナの対称点に接続され、これにより、第２のモードの受信が可能になる。
本発明による装置に適した代替のアンテナ構造体は、パッチ・アンテナ、リング・アンテナ、スロット・アンテナ、またはノッチ・アンテナである。
一実施形態では、アンテナ構造体は、基板に対して金属遮蔽を有する。これは、アンテナ構造体からある一定間隔で配列され、例えば酸化物層によって分離されることが望ましい。
本発明による複数の装置を単一基板上に高密度で集積化できるようにするために、増幅器回路、詳細には差動増幅器を、アンテナ構造体および電界効果トランジスタと同じ基板上に集積化することが望ましい。
更に、本発明による装置の一実施形態では、装置の動作に役立つ更に他の回路が基板上に集積化される。これは、例えば、バイアス電圧回路、好ましくは増幅器回路の下流に接続された検出器回路、ミキサー回路、または局部発振器としての高周波数発生源でよい。
ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射を検出するための前述の装置の様々な実施形態は、受信される電磁気信号を局部発振器で混合するＴＨｚヘテロダイン受信器の実施態様に特に適する。そのようなＴＨｚヘテロダイン受信器は、詳細には、画像処理システム、レーダ・システム、または通信システムで使用するのに適する。
本発明のさらに他の利点、特徴および可能な用途は、以下のいくつかの実施形態の説明と添付図面から明らかになるであろう。
本発明により集積化された構成要素の構造を概略的に示す図である。 ２つの電界効果トランジスタを有する本発明の一実施形態の回路図である。 本発明の代替実施形態を概略的に示す平面図である。 図３ａのチップの断面図である。 本発明の実施形態で使用されるようなＭＯＳＦＥＴの概略断面図である。 アンテナ構造体と２つの一体型電界効果トランジスタを有する本発明の一実施形態を示す概略平面図である。 パッチ・アンテナを有する本発明による装置の代替実施形態を示す図である。 リング・アンテナを有する本発明による装置の一実施形態を示す図である。 スロット・アンテナを有する本発明の一実施形態を示す図である。 ４分１波長ノッチ・アンテナを有する本発明の一実施形態を示す図である。 ミキサー回路の一実施形態を例として示す回路図である。 図１０のミキサー回路の代替実施形態を示す図である。 差動ミキサー回路の一実施形態を例として示す回路図である。 シングルエンド・ミキサー回路の回路図である。 単一電界効果トランジスタを有する本発明の一実施形態を示す回路図である。 システム構成における本発明の一実施形態による複数の受信器装置の構成を概略的に示す図である。 図１の構造の代替として本発明により集積化された構成要素を概略的に示す図である。
図１は、ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射を検出する集積構成要素１の構造を概略的に示す。この場合、示した実施形態では、アンテナ構造体２、アンテナによって受信された放射を検出するための電界効果トランジスタを有する検出器回路３、および低雑音増幅器４が、単一チップ上に集積化される。入射する電磁ＴＨｚ放射５は、アンテナ構造体２によって受信され、電界効果トランジスタ３によって検出され、検出器回路３の出力信号が、増幅器４により増幅される。ベースバンド出力信号６が出力される。
図２は、図１に示された構成要素が単一チップ上に集積化されたＴＨｚ周波数範囲の電磁放射を検出するための装置の例として一実施形態の回路図を示す。これらは、アンテナ構造体２（示した実施形態では、折返しダイポール・アンテナ７を有する）、２つの電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２を有するミキサー回路３、および演算増幅器８によって構成された一体型増幅器４である。図１の基本回路図に示された要素２、３および４の他に、図２の実施形態は、２つの伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２を有するインピーダンス整合要素９を有する。
次に、本発明による受信器装置の個別要素２、３、４および９について詳細に説明する。アンテナ構造体２は、後面接地遮蔽（rear-side ground screening）を有する折返しダイポール・アンテナ７を有する。折返しダイポール・アンテナの２つの端１０，１１はそれぞれ、ミキサー回路３の電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲートＧに接続される。電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲートＧのバイアスは、最初にダイポール・アンテナ７に接続された直流電圧源Ｖbias1によって行われ、それにより、ゲートＧのバイアスが、ダイポール・アンテナ７とその端部１０，１１によって行われる。更に、アンテナ７には、生産プロセス中の静電荷およびプラズマ誘導過電圧からアンテナ７と電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２を保護する素子が提供される。この保護素子は、グランドと直流電圧源Ｖｄｄに接続された２つのダイオード１２，１３によって実質的に放電経路を提供する。トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲート・バイアス電圧Ｖbias1は、アンテナの対称点１４に直流的（galvanically）に接続され、対称点では、接地面に対する誘導高周波数（ＴＨｚ）電圧が０である。その対称点１４で、アンテナ保護ダイオード１２，１３とバイアス電圧源Ｖbias1を、要素２，３の高周波数特性への悪影響なしに導入することができる。
図３ａは、アンテナ構造体２と検出器回路３を有する図２の集積構成の平面図を概略的に示す。要素はすべて、単一シリコン・チップ１５上に配置される。この図は、実施される装置の平面図に対応し、装置は、拡大されて示されており一定倍率ではない。折返しダイポール・アンテナ７を構成する上側金属被覆をはっきりと確認することができる。アンテナの対称点１４の領域には、ゲート・バイアス電圧源Ｖbias1と保護ダイオード１２，１３が提供される。電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２は、折返しダイポール・アンテナのダイポール端の領域内に直接提供され、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲートＧは、ダイポール・アンテナ７の端１０，１１に接続される。図３ａは、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の差動出力１６，１７と、バイアス電圧Ｖbias1の給電線１８を破線で示す。図３ｂに示されたチップの断面図から明らかなように、シリコン基板１５の上には、後面接地遮蔽として働く第１の金属被覆１９が設けられる。アンテナ構造体７を構成する上側金属被覆は、二酸化ケイ素の絶縁層２０によって下側金属被覆１９から絶縁される。
下側金属被覆１９は、アンテナの後面放射ローブを抑制し、それにより受信器の利得が高められる。更に、下側金属被覆１９は、基板１５の後側の物体の影響に対して受信器構造を遮蔽する。上側金属被覆７から離間した金属被覆１９の配置（その間隔は、二酸化ケイ素層２０の厚さによって予め決められる）は、アンテナ帯域幅とアンテナの放射抵抗に対する接地遮蔽１９の影響を最小にする。あるいは、放射要素７と後面接地遮蔽１９に他の層を使用できることは明らかである。層の選択は、アンテナの効率と構造内の導電層の利用可能性のバランスの問題である。
ダイポール・アンテナの折り返しは、アンテナ７を電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲートＧに接続するために、アンテナ２０のインピーダンスを共振周波数で整合させる働きをする。電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の入力インピーダンスに応じて、アンテナは、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２に対する共振周波数でのアンテナ・インピーダンスを整合させるために、ダイポール構成７の残りの部分から間隔Ｓ２で幅Ｗ３の任意選択の第３の分岐２１を有することができる。
アンテナのデュアル・モード動作（すなわち、２つの互いに垂直偏向された波を同時に受信すること）を可能にする他に、アンテナの対称点１４にモノポール２２を提供することができる。モノポールの長さＬｍを適応させることにより、折返しダイポール・アンテナ７の共振周波数に影響を与えることなく第２のモードの共振周波数を調整することができる。そのようにして、受信ＴＨｚ信号と局部発振器信号を同時にアンテナ７に結合することができ、装置をミキサーとして動作させることができる。
図２の検出器回路の実施形態では、２つの電界効果トランジスタが差動回路で使用されており、２つのトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のソースＳが、互いに接続されて回路の第１の出力１６を構成し、トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２の相互接続された２つのドレインＤが第２の出力１７を構成する。
各トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲートＧはそれぞれ、キャパシタンスＣ１およびＣ２を介して対応するドレインＤに接続される。このようにして、ドレインＤの電圧は、トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のゲートＧでの電圧に直接従う。示された実施形態では、２つのキャパシタンスは、キャパシタンス１５０ｆＦのキャパシタＣ１，Ｃ２である。この回路により、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２を抵抗ミキサーとして動作させることができる。
外部キャパシタンスＣ１，Ｃ２に加えて、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２は、ゲート・ドレイン接点の固有キャパシタンスを有する。図４に概略的に示したような実施形態では、ゲート・ドレイン接点の固有キャパシタンスを高めるために、ゲート接点２３が、基板１５、ソース接点２５およびドレイン接点２６に対して酸化物層２４よって絶縁される。図４に破線と矢印によって示されたように、ゲート接点２３がドレイン接点２６の上に空間的に延在するようにゲート接点２３を拡張することによって、ゲート・ドレイン接点の固有キャパシタンスを大きくすることができ、これにより、ゲートＧとドレインＤの電圧結合度が大幅に向上する。
図１６とまた図１０〜図１４に示されたような代替実施形態では、キャパシタンスＣ１，Ｃ２が省略される。この回路の場合、図示された電界効果トランジスタは、プラズマ電界効果トランジスタまたは抵抗ミキサーとして動作する。
図２と図１６に示された実施形態において、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のソースＳは、改善された交流接地（ac ground）ａｃ ｇｎｄを有する。電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のドレインＤは、それぞれの伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２によって差動増幅器８の入力に接続される。
図１６の実施形態では、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２は、プラズマ電界効果トランジスタとして動作するように構成され接続される。そのために、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２とその回路を選択することによって、次の２つの境界条件が満たされる。
１．アンテナによって受信されたＴＨｚ信号は、ゲート・ソース接点を介して電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２に送られる。その境界条件に従うために、トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のソースＳは、交流接地に接続され、これにより、それぞれの電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のチャネル内で伝播されるプラズマ波のために、ゲートＧとソースＳ間で「短絡」が起こる。
２．ソース・ドレイン接点は、ＴＨｚターゲット周波数で高いインピーダンスを有する。このインピーダンスは、ドレインＤがプラズマ波に開路しているように見えるほど高い。そのために、ゲートに接続された伝送線路ＴＬ１，ＴＬ２は、ＴＨｚターゲット周波数においてできるだけ高いインピーダンスを提供するように選択される。したがって、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のドレインＤのそのような終端は、「オープン・ドレイン」とも呼ばれ、回路図では「ａｃ ｏｐｅｎ」とも書かれる。
図５は、３つの分岐を有する折返しダイポール・アンテナ７’を備えた検出装置の代替実施形態を示す。この図から、電界効果トランジスタＦＥＴ１’，ＦＥＴ２’が、アンテナ構造体に組み込まれていることがはっかりと分かる。ダイポール・アンテナ７’の端部１０’，１１’はそれぞれ、トランジスタのＦＥＴ１’，ＦＥＴ２’のドレインＤ１，Ｄ２に接続される。この場合、２つのトランジスタＦＥＴ１’，ＦＥＴ２’は、２つの個別の接点から成り後で互いに接続されるソースの代わりに、共通ソース接点を共用する。
図６〜図９は、集積アンテナ／トランジスタ構造の他の実施形態に関する上面図である。図６は、この場合も基板３０上の二酸化ケイ素の絶縁層２８と金属遮蔽２９の上の最上金属被覆として配置されたパッチ・アンテナ２７を示す。このパッチ・アンテナ２７の場合、下側金属被覆２９は、接地面として働く。電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２は、アンテナ２７の対称軸３１の両側に配列されているので、従来通りパッチ・アンテナ２７によって差動的に駆動される。トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２は、対称軸３１から異なる間隔であり、したがって、パッチ・アンテナ２７をデュアル・モードで動作させることができる。パッチ・アンテナは、異なる辺長の長方形なので、２つの周波数または周波数帯に共振し、従って、パッチ・アンテナは、ＴＨｚ信号と局部発振器信号を受信するデュアル・バンド・アンテナとしても適する。従来のように、パッチ・アンテナ２７の対称点３２に、構造を過電圧から保護するダイオードとゲート・バイアス電圧用の端子が提供される。
図７は、リング・アンテナ３３を示す。示された実施形態では、リング・アンテナ３３は、全波長リング・アンテナであり、リングの周囲は、伝搬媒体内のＴＨｚターゲット周波数の波長の４分の１に対応する。示された実施形態では、リング・アンテナは、アンテナの下にあり二酸化ケイ素層３４によって絶縁された接地３５を備える。図３ａのダイポール・アンテナの場合と同じように、接地３５は、アンテナのデュアル・モード動作を可能にする。電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２は、アンテナ給電点に配置される。アンテナが差動励起されるとき、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２により給電点に仮想交流接地３６が提供される。従来通り、仮想接地点３６に保護ダイオードを提供することができ、またアンテナのモード特性に影響を及ぼすことなくゲートの供給電圧を接続することができる。
図８は、やはり二酸化ケイ素の絶縁体層３８によって絶縁された接地面３９上に配置された半波スロット・アンテナ３６を示す。対称点３７ａ，３７ｂに保護ダイオードを提供することができ、そこにゲート・バイアス電圧を接続することができ、接地面３９への容量結合によってその点に交流接地を提供することができる。図示された構成では、水平方向に偏向された局部発振器信号が、アンテナの同相励起を行い、垂直方向に偏向された受信ＴＨｚ信号が差動励起を行う。
図９は、図８の半波スロット・アンテナより小さいサイズのノッチ・アンテナ４０を示す。局部発振器周波数でノッチ・アンテナを４分１波長パッチ・アンテナとして使用することにより、２モード動作を達成することができる。パッチ・モードでは局部発振器周波数でスロットのそれぞれの側に等しい電位が存在するので、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２は、同相モードで励起される。水平偏向局部発振器モードを励起するために、例えばキャパシタによって、低インピーダンスの高周波数接地を提供しなければならない。
図１０〜図１４は、受信器回路の代替実施形態を例として示し、回路図の形で示される。示されたすべての回路はそれぞれ、これまで様々なタイプのアンテナの集積について述べたように、単一チップ上に集積化されたアンテナ構造体２、検出器回路３および増幅器回路４を有する。
図１０は、単一平衡電界効果トランジスタ回路の一実施形態を例として示す。デュアル・バンド・デュアル・モード・アンテナ４５は、反対に偏向された（すなわち、水平偏向と垂直偏向）局部発振器信号とＴＨｚ信号を受信する。受信器出力は、中心周波数（すなわち、ＴＨｚ信号と局部発振器信号の間の差動周波数）であり、ここで、ＴＨｚ電力と局部発振器電力の全電力を表わす直流電圧バックグラウンドが抑制される。検出電界効果トランジスタＦＥＴ１とＦＥＴ２の出力は、差動ＮＭＯＳ入力段を構成する差動増幅器に直接接続される。
図１１は、２つのプラズマ電界効果トランジスタを有する差動ミキサー回路の一実施形態を例として示す。シングル・モード・デュアル・バンド・アンテナ４６は、同じ偏向を有するが異なる周波数の局部発振器信号とＴＨｚ信号を受信する。受信器は、中心周波数（ＴＨｚ周波数から局部発振器周波数を引いたもの）と、直流電圧オフセットとして全電力を出力する。したがって、回路は、同時に電力検出器とミキサーとして動作する。しかしながら、この回路は、円偏向放射の電力検出器として使用されてもよい。回路は、電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２をプラズマ電界効果トランジスタとして動作させるために図１６の実施形態に関して前に述べた境界条件に従うように、インピーダンス整合要素（すなわち、伝送線路ＴＬ１〜ＴＬ４）を使用する。詳細には、開放端伝送線路ＴＬ１とＴＬ４は、ＴＨｚ信号を電界効果トランジスタに適切に結合するための境界条件に従う（電界効果トランジスタにおけるＴＨｚ周波数でのプラズマ波のゲート・ソース接点の短絡）。これに対して、伝送線路ＴＬ２とＴＬ３は、ドレインの高ＴＨｚインピーダンス（すなわち、「開路」）を提供することによってソース・ドレイン接点の境界条件を満たす。
図１２は、図１６の回路と類似の２つのプラズマ電界効果トランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２を有する差動ミキサー回路を示し、ドレイン出力は、シングルエンド出力に導かれる。そのようなシングルエンド出力を使用して、直流電圧信号と中心周波数信号を同時に増幅することができる。受信器出力は、中心周波数（ＴＨｚ周波数から局部発振器周波数を引いたもの）を表わし、直流電圧オフセットは、ＴＨｚ受信電力と局部発振器電力の合計を再現する。
図１２の実施形態と類似の本発明の実施形態が、図１３に示される。この実施形態では、直流電圧成分を抑制するために、差動駆動ミキサー回路の出力が２つのプラズマ電界効果トランジスタに直流結合される。
図１４は、これに対して、プラズマ電界効果トランジスタの動作の交流接地と境界条件がバイパス・キャパシタンスによってのみ与えられる、単一プラズマ電界効果トランジスタを有するシングルエンド・ミキサー回路を示す。
前述の検出回路または検出器回路はすべて、各検出器回路が単一画素を構成する撮像用途向けの線形またはマトリクス形配列（アレイ）の集積化に適する。そのようなマトリクス配列４７は、図１５に概略的に示され、ここで、検出器回路のマトリクス配列４７は、入射ＴＨｚ信号４９をマトリクス４７上に集束させる光撮像システム４８の焦点に提供される。同時に、局部発振器信号が、５０で後ろから照射され、または５１で前から照射される。そのような応用は、例えば、特に人または荷物管理のセキュリティ用途に適する。
独創的な開示のために、この説明、図面および特許請求の範囲から当業者が理解できるようなすべての特徴は、特定の他の特徴と関連して特定の用語のみで記述された場合でも、本明細書で開示された他の特徴または一群の特徴と個別に組み合わされるか任意の組み合わせで組み合わされてもよく、それは、明示的に除外されずかつ技術態様がそのような組み合わせを不可能または無意味にしない限り有効である。本明細書では、特徴のすべての可能な組み合わせの包括的かつ明示的な表現は、説明の簡潔さと判読性のためにのみ提供される。
本発明を図面と以上の説明で詳細に示し説明したが、図と説明は、単なる例であり、特許請求の範囲によって定義される保護の範囲を限定するものではない。本発明は、開示した実施形態に限定されない。
開示された実施形態の修正は、図面、説明および添付の特許請求の範囲から当業者に明らかである。特許請求の範囲では、用語「ｈａｖｅ」は、他の要素または段階を除外せず、不定冠詞「ａ」は、複数を除外しない。特定の特徴が異なる請求項で請求される単なる事実は、その組み合わせを除外しない。請求項の参照は、保護の範囲を限定するものではない。
２ アンテナ構造体
４ 増幅器回路
７ ダイポール・アンテナ
１２，１３ 素子、トランジスタ
１４ 点

Claims (30)

  1. ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射を検出するための装置であって、
    ソース（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）、ゲート（Ｇ）、ゲート・ソース接点、ソース・ドレイン・チャネルおよびゲート・ドレイン接点を有する少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）と、
    アンテナ構造体（２）とを有し、
    前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）は、前記アンテナ構造体（２）によって受信された前記ＴＨｚ周波数範囲の電磁気信号が前記ゲート・ソース接点を介して前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）に供給されるように、前記アンテナ構造体（２）に接続され、
    前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）と前記アンテナ構造体（２）が、単一基板上に配列され、
    前記ゲート（Ｇ）がゲート接点を有し、前記ドレイン（Ｄ）がドレイン接点を有し、前記ゲート接点と前記ドレイン接点が、前記ゲート（Ｇ）の前記電圧が前記ドレイン（Ｄ）の前記電圧に従うように外部キャパシタンス（Ｃ１，Ｃ２）を介して接続されることを特徴とする装置。
  2. 前記ゲート・ドレイン接点が、前記ゲート（Ｇ）の前記電圧が前記ドレイン（Ｄ）の前記電圧に従うように固有キャパシタンスを有する請求項１に記載の装置。
  3. ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射を検出するための装置であって、
    ソース（Ｓ）、ドレイン（Ｄ）、ゲート（Ｇ）、ゲート・ソース接点、ソース・ドレイン・チャネルおよびゲート・ドレイン接点を有する少なくとも１つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）と、
    アンテナ構造体（２）とを有し、
    前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）は、前記アンテナ構造体（２）によって受信された前記ＴＨｚ周波数範囲の電磁気信号が前記ゲート・ソース接点を介して前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）に供給されるように、前記アンテナ構造体（２）に接続され、
    前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）と前記アンテナ構造体（２）が、単一基板上に配列され、
    前記ゲート・ドレイン接点が、前記ゲート（Ｇ）の前記電圧が前記ドレイン（Ｄ）の前記電圧に従うように固有キャパシタンスを有することを特徴とする装置。
  4. 前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）と前記アンテナ構造体（２）が、単一チップ上にモノリシックで集積化される、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
  5. 前記アンテナ構造体（２）が、前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）の前記ゲート（Ｇ）に接続された接続を有する、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
  6. 前記ソース・ドレイン接点が、前記ＴＨｚ周波数範囲で高インピーダンスを有する、請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
  7. 前記ＴＨｚ周波数範囲の前記ソース・ドレイン接点の前記インピーダンスが、１ＭΩより大きい、請求項６に記載の装置。
  8. 前記ドレイン（Ｄ）がドレイン接点を有し、前記ドレイン接点が、前記アンテナ構造体（２）に直接接続される、請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
  9. 前記ゲート（Ｇ）がゲート接点を有し、前記ドレイン（Ｄ）がドレイン接点を有し、前記ゲート・ドレイン接点の前記固有キャパシタンスを高めるための前記ゲート接点が、空間的に重なるように前記ドレイン接点の上または下に配列される、請求項２または３に記載の装置。
  10. 前記キャパシタンスが、１ｆＦより大きい、請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
  11. 前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）の前記ドレイン（Ｄ）が、インピーダンス整合要素（ＴＬ１，ＴＬ２）、好ましくは伝送線路に接続される、請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置。
  12. ２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）を有する、請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置。
  13. 前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）が直列に接続され、第１のトランジスタの前記ドレイン（Ｄ）が、第２のトランジスタの前記ソース（Ｓ）に接続される、請求項１２に記載の装置。
  14. 前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）が並列に接続され、前記２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）の前記ソース（Ｓ）が互いに接続される、請求項１２に記載の装置。
  15. 前記ソース（Ｓ）が、追加の交流接地（ａｃ ｇｎｄ）に接続される、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記アンテナ構造体（２）は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）が差動的に駆動されるように前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）の前記ゲート（Ｇ）にそれぞれ接続された２つの端子（１０，１１）を有し、さらに、前記２つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）の前記ドレイン（Ｄ）が接続される、請求項１乃至１５のいずれかに記載の装置。
  17. 前記アンテナ構造体（２）が、複数、好ましくは２つの互いに異なる受信帯域を有する、請求項１乃至１６のいずれかに記載の装置。
  18. 前記アンテナ構造体（２）が、好ましくは直交偏向の２つのモードの電磁放射を受信するように適応される、請求項１乃至１７に記載の装置。
  19. 前記アンテナ構造体（２）が、前記アンテナ構造体（２）を介して、前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）の前記ゲート（Ｇ）の前記バイアス電圧を提供する電圧源（Ｖbias1）に接続される、請求項１乃至１８に記載の装置。
  20. 前記ソース（Ｓ）が、前記電界効果トランジスタを介して、前記後の低雑音増幅器（４）のバイアスを提供する直流電圧源に接続されたソース接点を有する、請求項１乃至１９のいずれかに記載の装置。
  21. 前記アンテナ構造体（２）が、前記電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１，ＦＥＴ２）を過電圧と放電破損から保護する素子（１２，１３）、好ましくはアンテナ構造体（２）に接続されたダイオードを有する、請求項１乃至２０のいずれかに記載の装置。
  22. 前記トランジスタ（１２，１３）を保護する前記素子が、前記アンテナ構造体上の点（１４）に接続され、前記点（１４）で、前記装置の接地面に対して誘導された前記交流電圧がゼロである、請求項２１に記載の装置。
  23. 前記アンテナ構造体（２）が、折返しダイポール・アンテナ（７）を有する、請求項１乃至２２に記載の装置。
  24. 前記ダイポール・アンテナ（７’）が、前記アンテナ（７’）を前記トランジスタ（ＦＥＴ１’，ＦＥＴ２’）に対してインピーダンス整合させる働きをする第３の分岐を有する、請求項２３に記載の装置。
  25. 前記アンテナの前記対称点に、前記２つのモードの受信を可能にするモノポールが接続される、請求項２３または２４に記載の装置。
  26. 前記アンテナ構造体（２）が、前記基板に対して遮蔽される、請求項１乃至２５のいずれかに記載の装置。
  27. 前記基板上に集積化された増幅器回路（４）を有する、請求項１乃至２６のいずれかに記載の装置。
  28. 請求項１乃至２７のいずれかに記載された少なくとも１つの装置を有するＴＨｚヘテロダイン受信器。
  29. 請求項１乃至２７のいずれかに記載された少なくとも１つの装置を有する撮像システム。
  30. 前記ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射を検出するための請求項１乃至２７のいずれかに記載の装置の使用法。
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