JP5606061B2 - 発振素子 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波を発振させるための発振素子に関する。

電流注入型のテラヘルツ波（本明細書では３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波）を発振させる発振素子の活性層には、主に、量子カスケードレーザと、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ、以下ＲＴＤと呼ぶ。）とが用いられる。これらは、半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づく電磁波発振を実現させるものである。

特に、２重障壁型のＲＴＤを活性層とする素子により、室温において１ＴＨｚ近傍の周波数帯域のテラヘルツ波を発振することが、特許文献１に開示されている。ここで、２重障壁型のＲＴＤは、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＩｎＡｌＡｓトンネル障壁層とから構成されている。ＲＴＤは、電流―電圧（Ｉ−Ｖ）特性に現れる微分負性抵抗の範囲において、誘導放出により電磁波を発生させる。また、微分負性抵抗が現れる範囲で駆動電圧を変化させることによって、中心周波数４７０ＧＨｚと可変幅１８ＧＨｚの周波数を変化させる構成が、非特許文献１に開示されている。

特開２００７−１２４２５０号公報

ＩＥＥＥ，ＶＯＬ．４８，ＮＯ．６、ｐ１３３３−１３３８、１９９９

ここで、非特許文献１には、上記微分負性抵抗が一定であることが前提の技術が開示されている。このとき、発振するテラヘルツ波の周波数を変えるために駆動電圧を変えると、一緒に発振するテラヘルツ波の出力（パワー）も変わってしまうという課題があった。

本発明に係るテラヘルツ波を発振させるための発振素子は、テラヘルツ波（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波）を発振させるための発振素子であって、サブバンド間でのキャリアの遷移によりテラヘルツ波を発生させる活性層と、前記活性層から発生されたテラヘルツ波を共振させるための共振部と、前記活性層に歪を生じさせるための歪発生部と、前記歪発生部を制御する制御部と、を備え、前記活性層に生じる歪に応じて該活性層の微分負性抵抗が変わることにより、前記共振部で共振されるテラヘルツ波の発振特性が変わることを特徴とする。

本発明に係る発振素子は、テラヘルツ波を発生させる活性層に歪を生じさせることにより、発振素子の電流―電圧（Ｉ−Ｖ）特性に現れる微分負性抵抗を変えることができる。これにより、発振するテラヘルツ波の周波数と出力（パワー）との制御性が良好な発振素子を提供することができる。

本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子の概略を説明するための模式図である。 実施例１に係るテラヘルツ波発生素子の構成を説明するための模式図である。 実施例１における応力の方向を説明するための模式図である。 実施例１に係るテラヘルツ波発生素子を説明するための模式図である。 実施例２に係るテラヘルツ波発生素子の構成を説明するための模式図である。 実施例３に係るテラヘルツ波発生素子の構成を説明するための模式図である。 実施例４に係る検査装置を説明するための模式図である。 実施例５に係る検出器を説明するための模式図である。

本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子について、図１を用いて説明する。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本実施形態の概略を説明するための模式図である。１０１は、サブバンド間でのキャリアの遷移によりテラヘルツ波を発生させる活性層であり、好ましくは微分負性抵抗を生じる素子である。更に、１０１は、テラヘルツ波を発生するための共鳴トンネル構造（あるいは共鳴トンネルダイオード。以下、ＲＴＤと呼ぶ。）であることが好ましい。ＲＴＤ１０１は、第１の電極１１１と第２の電極１１２で挟まれている構造が好ましい。これにより、電源（あるいは電圧印加部）１０５を用いることにより、ＲＴＤ１０１に電圧を印加可能（電圧を発生可能）に構成することができる。

ＲＴＤ１０１は、障壁層と量子井戸層とが交互に積層された半導体へテロ構造からなるダイオードであり、共鳴トンネル現象により微分負性抵抗が電流―電圧特性に現れる。ＲＴＤ１０１には、例えばＩｎＰ上にエピ成長されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁量子井戸構造が用いられる。他の例としては、ＲＴＤ１０１の構造としては一般的な２重障壁構造や多重障壁構造が挙げられ、材料としては、ＧａＡｓ系やＳｉ系などの材料も挙げられる。これら構造と材料は、所望の発振周波数や出力などに応じて適宜選定すれば良い。また本実施形態ではキャリアが電子である場合を説明しているが、正孔（ホール）を用いたものであっても良い。

次に、１０２は、前記共鳴トンネルダイオード１０１から発生されたテラヘルツ波を共振させるための共振部（電磁波共振器）である。共振部１０２は、主に電磁波（テラヘルツ波）を共振させることにより、電磁波のパワーを増幅させる。また、共振部１０２は、ＲＴＤ１０１とともにＬＣ共振回路を構成し基本発振周波数を決定する。共振部１０２とＲＴＤ１０１とは、オーミック電極（第１の電極１１１、第２の電極１１２）を経て電気的に接続されている。そして、電源１０５により、ＲＴＤ１０１に電圧が印加される。

また、前記共振部１０２は、前記共振されたテラヘルツ波１０７を放射するための放射部を含み構成されることが望ましい。このとき、共振部１０２は、放射部を設置することで電磁波をより効率よく空間に取り出すことが可能（あるいは放射可能）に構成される。また、放射部は、該放射部が応力による変位の影響を受けないように構成することが好ましい。これにより、応力による部材の変形による電磁波の放射パターンの変化や放射効率の変化が生じないため、テラヘルツ波１０７を安定して放射することができる。ただし、パッチアンテナ（実施例１で詳述。図２の２０２。）のように、共振部と放射部を兼ねて構成することも可能である。

共振部１０２としては、例えば、高周波化に有利なスロットアンテナ構造、アレイ化に有利なコプレナ線路型や、Ｑ値の高い３次元構造の空洞導波管を採用しても良い。また、共振部１０２として、金属―金属プラズモン導波路構造の共振器を用いれば、より高出力化に有利な構成を提供することが出来る。

また、１０３は、活性層１０１に歪（あるいは応力とも呼ぶ。）を生じさせるための歪発生部（あるいは応力発生部とも呼ぶ。）である。なお、歪発生部１０３については後述する。

そして、１０４は、共振部１０２で共振させるテラヘルツ波の発振特性（周波数あるいは出力）に応じて歪発生部１０３を制御する制御部である。ここで、活性層１０１に生じる歪に応じて微分負性抵抗が変わることにより、共振部１０２で共振されるテラヘルツ波１０７の周波数あるいは出力が変わる。これを詳述すると、次のようになる。まず、活性層１０１の内部に歪（応力）が発生すると、活性層１０１の結晶構造が変化する。そして、活性層１０１の電子の有効質量も変化し、さらにはドリフト速度（ドリフト速度は有効質量の関数）も変化する。これにより、微分負性抵抗（ドリフト速度の関数）が変化するので、テラヘルツ波１０７の周波数（微分負性抵抗の関数）を変化させることができる。

ここで、歪発生部１０３は、電気や熱などのエネルギーを注入されるように構成されることが望ましい。このとき、ＲＴＤ１０１の内部に応力を発生させるための歪信号１０６（あるいは応力信号とも呼ぶ。）を発生する応力信号源（あるいは歪発生部１０３を駆動するための駆動部とも呼ぶ。）を備えることが望ましい。なお、歪信号１０６をＲＴＤ１０１に伝達する役割を果たす代表的なものとしては、カンチレバー構造やメンブレン構造などが挙げられる。例えば、図３（ａ）と（ｂ）に示したように、外部から直接圧力を加える。また、部材の圧電性や内部応力変化などを利用して、ＲＴＤ１０１に縦応力や横応力といった内部応力を発生させる。

（歪発生部１０３について） 次に、本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子が有する歪発生部１０３の変形例について、図１（ｂ）と（ｃ）とを用いて説明する。

（１）たわみ可能な構成
図１（ｂ）において、歪発生部１０３は、たわみ可能に構成されている。このとき、前記ＲＴＤ１０１は、歪発生部１０３がたわむことによって、該ＲＴＤ１０１の面内方向に歪む位置に配置されることが好ましい。これにより、図３（ａ）のように、ＲＴＤ１０１の面内方向に応力σ（横応力）を発生させることができる。

ここで、歪発生部１０３の具体例について、図２を用いて説明する。歪発生部として、圧電材料薄膜と金属材料薄膜の圧電ユニモルフ構造２１２と、カンチレバー構造体２１３とを用いた例を示した。ここで、ユニモルフとは、金属片に接着した圧電性の薄片で作られた圧電トランスデューサーのことである。一方の圧電素子を伸ばし、もう一方を縮ますように変位を生じると、支点に応力が生じることを利用する。圧電材料はメカニカルな応力発生方法に比べて高速応答性に優れる為、ＲＴＤ１０１への歪信号１０６の入力を高速で行なうことが可能となる。

圧電ユニモルフ構造２１２は、圧電体層２１４と応力信号用電極２１５とから構成される。応力信号電極２１５は応力信号源２１９に接続されており、圧電体層２１４に適切な大きさと極性の電圧を印加することで、カンチレバー構造体２１３は、引張または圧縮応力が発生され、変形する。応力信号源２１９は、調整部２２０（図１（ａ）における制御部１０４に相当。以下同様。）に接続されており、ＲＴＤ１０１に所望の応力信号が入力されるように調整される。ＲＴＤ２０１は、カンチレバー構造体２１４の応力集中点に配置されており、応力信号源２１９からの信号を受けて、主にヘテロ接合界面と略平行な方向の内部応力（横応力）が発生されるようになっている。

なお、本実施形態のように、ＲＴＤ１０１、共振部１０２、歪発生部１０３などを同一基板上に集積することが好ましい。これにより小型なテラヘルツ電磁波発生素子を実現することが出来る。

（２）ピエゾ電界発生可能な構成
図１（ｃ）において、歪発生部１０３は、ピエゾ電界を発生可能に構成されている。

前記ＲＴＤ１０１は、歪発生部１０３がピエゾ電界を発生することによって、該ＲＴＤ１０１の面内方向に対して垂直方向に歪む位置に配置されることが好ましい。これにより、図３（ｂ）のように、ＲＴＤ１０１の面内方向に対して垂直方向に応力σ（縦応力）を発生させることができる。

これは、電力をエネルギーとして、歪発生部にバイモルフ型の圧電素子を用いる手法である。ここで、バイモルフ型の圧電素子とは、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムといった圧電素子を２枚積層し、印加電圧当たりの変位を大きくした素子である。

（３）その他の構成
歪発生部のその他の例としては、以下の手法が考えられる。まず、歪発生部として針（例えば、プローブ）を用いて共鳴トンネルダイオードの内部に応力を発生させる手法がある。共鳴トンネルダイオード近辺（例えば、電極）を叩くことにより生じる力によって、共鳴トンネルダイオードの内部に応力を発生させる。

また、熱をエネルギーとして、バイメタル（熱膨張率の異なる２つの金属板を張り合わせたもの）を用いる手法もある。その他、薄膜の残留応力を用いる方法等も考えられる。

さらに、電磁力を用いたアクチュエータや、ＭＥＭＳ静電アクチュエータを用いた方法、表面弾性波や音波を用いた方法も好適である。さらに、ＲＴＤをメンブレン構造の応力集中点に配置し、封止された流路内を流れる液体や気体の圧力変化を利用してメンブレン構造に応力を発生させるような構成であっても良い。

（電磁波発振の原理と応力変化による周波数可変動作の説明）
一般的に、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）は、ＡＰＬ，Ｖｏｌ．５５〈１７〉，Ｐ．１７７７，１９８９などに開示されているように、図４（ａ）に示した等価回路で記述される。また、電磁波発振素子においては、共振器の構造によって決まる負荷抵抗、容量成分、インダクタンス成分を接続した共振回路のＬＣの共振周波数によって基本発振波長が決定される。ここで、Ｒ_ｃｏｎｔ、Ｃ_ｃｏｎｔは電極６３１とコンタクト層６１０の接触抵抗成分、接触容量成分であり、Ｒ_ｐｏｓｔはＲＴＤ２００に直列に接続されるメサ構造に起因する抵抗成分を表している。また、Ｒ_ａｃｔはＲＴＤの微分負性抵抗（＜０）である。また、Ｃ_ａｃｔはＲＴＤの容量成分であり、Ｌ_ａｃｔはＲＴＤのインダクタンス成分である。

Ｌ_ａｃｔは、ＲＴＤ１００内における電子のトンネリング時間、空乏層の走行時間を考慮したＲＴＤ１００におけるの電子の遅延時間τを遅延インダクタンスとして表したものであり、Ｌ_ａｃｔ＝Ｒ_ａｃｔ×τの関係が知られている。

一方、非特許文献２（ＩＥＥＥ，ＶＯＬ．４８，ＮＯ．６）などによれば、一般的に共鳴トンネルダイオード内に応力が発生するとヘテロ構造内でのピエゾ電界効果や電子の有効質量変化などが発生する。その結果、図４（ｂ）に示したようにＩ−Ｖ特性におけるピーク／バレー電圧及び電流のシフトが生じ、結果として微分負性抵抗が変化する。

本実施形態に係るテラヘルツ電磁波発生素子は、ＲＴＤ１０１に対してバイアス電源１０５からバイアス電圧を入力することで、図４（ｂ）に示したような微分負性抵抗（ＮＤＲ）が得られる。また、応力発生手段からＲＴＤ１０１に応力信号σを入力すれば、図４（ｃ）のように微分負性抵抗（ＮＤＲ）の値Ｒ_ａｃｔが対応して変化する。

従って、あるバイアス電圧Ｖにおいて、入力する応力信号σの大きさを変化させることで、微分負性抵抗（ＮＤＲ）の値Ｒ_ａｃｔが変化し、図４（ａ）の等価回路の遅延インダクタンスＬ_ａｃｔが変化することになる。この結果、同じ電磁波共振器を用いても、Ｌ_ａｃｔが変化することで共振回路全体の共振周波数が大きく変化するため、テラヘルツ電磁波発生素子の発振周波数が変化することになる。

図４（ｃ）には、本発明の第一実施例に開示した電磁波発生素子（ＲＴＤのメサ径２μｍΦ、パッチアンテナ）の応力変化に対応する発振周波数の変化を例示している。これらは上記ＬＣ共振周波数の変化を等価回路によって見積ったものである。

このように、本発明のテラヘルツ電磁波発生素子は、外部から入力された歪信号１０６による微分負性抵抗の変化を利用して、発振周波数の調整を行なうことが可能な構成となっている。ただし、本発明は上記構成に限定されるものでないことは言うまでもない。

（ＲＴＤに歪を生じさせる方向と結晶面方位）
活性層１０１は、少なくとも２種類の半導体のヘテロ接合により構成されることが好ましい。

このとき、前記へテロ接合の界面の方向（略平行な方向）に応力（横応力）を発生させることが好ましい。このとき、結晶の面方位に依らず主にピエゾ電界効果がヘテロ構造内に生じて、微分負性抵抗の変化が大きくなる為、効率良く周波数可変が可能となることが期待される。

また、前記ヘテロ接合の界面の方向に対して略垂直な方向に応力（縦応力）を発生させることが好ましい。このとき、（１００）結晶では主に有効質量変化が、（１１１）結晶では主に有効質量変化とピエゾ電界効果が生じて、周波数可変が実現される。

（１１１）結晶にエピ成長された半導体へテロ構造のＲＴＤを用いれば、応力の方向に依らず大きなピエゾ電界効果が得られるため、効率良く周波数可変が実現される。

ねじり応力により、横応力、縦応力を同時に発生させることが出来るとともに、ＲＴＤのインダクタンス変化が期待される為、効率の良い周波数可変が実現される。

なお、２軸や単軸の応力を組み合わせた応力発生手段でも周波数可変の効果は十分得られることは言うまでもなく、上記構成に限定されるものではない。

（バイアス極性を変えるスイッチ）
正負バイアス電圧で異なる微分負性抵抗が獲られるＲＴＤを用いて、バイアス電源に極性の切り替えスイッチを設けてもよい。例えば、図４（ｂ）に示したＲＴＤにバイアス電源から極性の異なるバイアス電圧を入力すると、正負の電圧信号に対応した２種類の微分負性抵抗が得られる。さらに、本発明の応力発生手段により、応力信号を入力すれば微分負性抵抗が変化する。この特性を利用すれば、バイアス電圧の極性によって得られる少なくとも２つの発振周波数を応力信号で変化させて、少なくとも２つの周波数帯での周波数可変が実現される。

（アレイ化）
本発明のテラヘルツ電磁波発生素子１００を同一基板上に複数個アレイ状に配置すれば、１デバイスで複数の周波数のテラヘルツ電磁波を発生可能なテラヘルツ電磁波発生デバイスが実現される。さらに、面内に応力分布を有する基板を用いて、応力分布に合わせて素子をアレイ配置して、複数の周波数のテラヘルツ電磁波を発生させても良い。

以下、本発明に係る実施例について説明する。

（実施例１：共鳴トンネルダイオード）
本実施例のテラヘルツ電磁波発生素子２００について、図２などを用いて説明する。ここで、図２は本実施形態に係るテラヘルツ波発生素子の説明するための模式図である。また、図４（ａ）は、ＲＴＤの等価回路を説明する図である。図４（ｂ）は、第一実施例のテラヘルツ電磁波発生素子の電流電圧特性を説明する図である。

テラヘルツ電磁波発生素子２００は、ＲＴＤ２０１、パッチアンテナ２０２、応力発生手段２３０、調整部２２０、バイアス電源２０５とから構成される。素子２００は、電磁波共振器にはパッチアンテナ型共振器構造を、応力発生手段２３０（図１（ａ）における歪発生部１０３に相当。以下同様。）には圧電ユニモルフ効果とカンチレバー構造体を用いた構成となっている。これらの構成と構造は既存の半導体プロセスを用いて作製することが出来る。

（ＲＴＤの説明）
ＲＴＤ２０１は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合からなる３重障壁量子井戸構造と、上下に積層された高濃度にＳｉをドープしたｎ^＋−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層から構成される。本実施例にて用いた３重障壁量子井戸構造の膜構成は、下記の通りである。
第一障壁層 ＡｌＡｓ １．３ｎｍ
第一量子井戸層 ＩｎＧａＡｓ ７．６ｎｍ
第二障壁層 ＩｎＡｌＡｓ ２．６ｎｍ
第二量子井戸層 ＩｎＧａＡｓ ５．６ｎｍ
第三障壁層 ＡｌＡｓ １．３ｎｍ
ここで、第一量子井戸層、第二障壁層、第二量子井戸層は面方位（１００）のＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓである。また、第一障壁層、第三障壁層は、ＩｎＰ基板に格子整合していないＡｌＡｓで、臨界薄膜よりは薄く、エネルギーの高い障壁となっている。

ＲＴＤ２０１を含むエピタキシャル半導体層は、プラズマ活性化と熱圧着を用いたＡｕ―Ａｕ薄膜接合法により、基板２１６であるシリコン基板に転写されている。

図４（ｂ）は、本実施例で用いたＲＴＤ２０１の電流―電圧特性を測定して得られたグラフである。ＲＴＤ２０１は極性の異なる２種類のバイアス電圧を印加することで、ピーク電流密度とピーク対バレー比が異なる２つの微分負性抵抗領域が観測される。

本実施例で用いたＲＴＤ２０１は、応力信号が０ＭＰａの状態で、正バイアス印加時ではピーク電流密度Ｊ_ｐ＝２８０ｋＡ／ｃｍ^２、直径約２μｍΦのＲＴＤで微分負性抵抗ＮＤＲ＝−２２Ωが得られる。負バイアス印加時ではピーク電流密度Ｊ_ｐ＝９０ｋＡ／ｃｍ^２、直径約２μｍΦのＲＴＤでＮＤＲ＝−１７４Ωが得られる。

なお、本実施例では、面方位（１００）のＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明してきた。しかし、これらの構造や材料系に限られることなく、他の構造や材料の組み合わせであっても本発明のテラヘルツ電磁波発生素子を提供することができる。例えば、構造としては２重障壁量子井戸構造を有する共鳴トンネルダイオードや、４重以上の多重障壁量子井戸を有する共鳴トンネルダイオードを用いても良い。また、面方位としては（１００）以外に、縦応力及び横応力に対して微分負性抵抗変化が大きく生じる（１１１）成長のＲＴＤを用いれば、より効率良く周波数可変が実現される。また材料系としては、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＰ基板上の、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂや、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせであっても良い。

（電磁波共振器の説明）
本実施例で用いたパッチアンテナ型共振器構造は、パッチアンテナ２０２が電磁波共振部２０３と電磁波放射部２０４の役割を兼ねた構成となっている。即ちパッチアンテナ２０２を用いることで、テラヘルツ電磁波をより効率よく空間に取り出すことが可能な構成となっている。

パッチアンテナ２０２は、ＲＴＤ２０１、上電極層２１１、ＧＮＤ電極層２０８、誘電体層２０７から構成され、上電極層２１１とＧＮＤ電極層２０８に挟まれた領域にある誘電体層２０７内を電磁波は共振する。本共振器構造では、誘電体層２０７の材料と厚さ、パッチアンテナ２０２の辺の長さ、ＲＴＤ２０１の大きさと位置などの構造が発振周波数を決める上で重要なファクタとなる。

本実施例で用いたパッチアンテナ２０２は、上電極層２１１が２００μｍ×２００μｍの正方形パターンをしている。また、アンテナ中心からＡ’Ａ方向に４０μｍずらした位置にＲＴＤ２０１が配置されている。ＲＴＤ２０１は、上電極層２１１とＧＮＤ電極層２０８に上下から挟まれており、駆動に必要なバイアス電圧が印加可能な構成となっている。ＲＴＤ２０１は、量子井戸構造層を含む２μｍのメサ構造となっている。

上電極層２１１は、真空蒸着したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）をリフトオフすることで形成した。Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層は高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｓの低抵抗コンタクト電極として知られている。誘電体層２０７には、高周波電磁波に対して低損失材料として知られるＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を用いた。誘電体層２０７のＢＣＢ膜厚は３μｍであり、スピンコート法とドライエッチング法を用いて形成した。ＧＮＤ電極層２０８は共振器内の接地電極であるとともに、ＲＴＤ２０１を含む活性層を基板２１６に接合する際の接合層としての役割も果たしている。本実施例ではスパッタリング法で形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｔｉ層（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ／２０ｎｍ）を用いた。

上記構造及び構成のパッチアンテナ２０２と、ＲＴＤ２０１を用いた場合では、応力信号が０ＭＰａの時で基本発振周波数４２０ＧＨｚの電磁波発振が得られる設計となっている。

（応力発生手段についての説明）
応力発生手段２３０は、主には、圧電ユニモルフ構造２１２とカンチレバー構造体２１４とから構成される。ＲＴＤ２０１は、カンチレバー構造体２１４の応力集中点に配置されている。圧電ユニモルフ構造２１２は、圧電体層２１４と応力信号用電極２１５とから構成される。圧電体層２１４としては、スパッタリング法で形成した１μｍ厚の窒化アルミニウム薄膜を、応力信号用電極２１５としてはスパッタリング法で形成した０．５μｍのアルミニウム薄膜を用いた。

カンチレバー構造体２１３は、基板２１６と梁構造層２１７とから構成される。基板２１６は加工性と弾性に優れたシリコン（５２５μｍ厚）を用いた。また、梁構造層２１７にはプラズマＣＶＤ法にて形成した１μｍ厚の窒化シリコン薄膜を用いた。

カンチレバー構造体２１３は、ＲＴＤ２０１が転写された基板２１６を、フォトリソ法とボッシュプロセスを用いたＳｉＤｅｅｐＲＩＥ法により母材であるシリコンをドライエッチングして形成した。カンチレバー構造体２１３を形成後、スパッタリング法やリフトオフ法を用いて圧電ユニモルフ構造２１２を形成した。

本実施例で開示した応力発生手段２３０は、ＲＴＤ２０１に主に０ＭＰａ〜約１０００ＭＰａ程度の横応力（ヘテロ接合界面に対して平行）を印加することが可能な構成となっている。

なお、圧電体層２１４の材料は、通常の圧電性を有する材料であればよく特に限定されない。形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、レーザーアブレーション法、イオンプレーティング法、ＣＶＤ法及びＭＯＣＶＤ法などがあり、用途に応じて選択すればよい。材料は、例えば、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、ポリフッ化ビニリデン、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸タンタル、チタン酸ストロンチウムなどが挙げられる。また、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化ベリリウム、酸化亜鉛、硫化カドミウム、硫化亜鉛又はヨウ化銀なども挙げられる。圧電体層２１４の厚さは、応力発生手段としては十分なパワーが得られ、且つ、クラックや剥離が発生する可能性が低い０．１μｍ〜１０μｍとすることが好ましい。応力信号用電極２１５の材料は導電性を有すれば良く、例えばアルミニウム、ニッケル、クロム、銅、チタン、モリブデン、白金、金、パラジウムなどの一般的な金属を用いればよい。形成方法としてはスパッタリング法や真空蒸着法などが挙げられる。基板２１６の材料は用途に応じて選定すればよく、上記以外にインジウム燐基板、ガリウムヒ素基板、ガラス基板、セラミック基板、樹脂基板などを用いても良い。梁構造層２１７についても、材料は用途に応じて選定すればよく、例えばシリコン、ポリシリコン、ガリウムヒ素、インジウム燐、インジウムガリウムヒ素、樹脂、酸化シリコンなどの薄膜を用いても良い。

（制御系の接続と動作の説明）
ＲＴＤ２０１と電磁波共振器２０２からなる共振回路はバイアス電源２１８に接続されており、バイアス電圧が入力される。

応力信号電極２１５は応力信号源２１９に接続されており、圧電体層２１４に適切な大きさと極性の電圧を印加することで、カンチレバー構造体２１３に引張応力または圧縮応力が印加されて変形する。

ＲＴＤ２０１は、カンチレバー構造体２１４の応力集中点に配置されており、カンチレバー構造体２１４が撓むと、ＲＴＤ２０１は、ヘテロ接合界面と略平行な方向に内部応力が発生するようになっている。

調整部２２０は、バイアス電源２１８と応力信号源２１９と接続されており、ＲＴＤ２０１に入力されるバイアス電圧と応力信号を、発振周波数に合わせて外部から所望の値に制御する役割を果たす。

本実施例のテラヘルツ電磁波発生素子２００は、応力信号０ＭＰａ、バイアス電圧０．８ＶにおいてＮＤＲ＝−２２Ωとなり、基本発振周波数４５５ＧＨｚのテラヘルツ電磁波の発振動作を行なう。

また、応力信号として０〜５００ＭＰａの範囲の引張応力及び圧縮応力をＲＴＤ２０１に入力した場合は図４（ｃ）に示したようにＮＤＲ及び基本発振周波数の値が変化する。

このように、本実施例における共鳴トンネルダイオードを用いたテラヘルツ電磁波発振素子２００は、応力信号の入力で、微分負性抵抗が変化させて、周波数可変を行なうことが可能である。また、応力信号の入力方法を変調すれば、周波数変調を行なうことも可能となる。

（実施例２：ピエゾ電界によりＲＴＤ内部に応力印加）
本実施例のテラヘルツ電磁波発生素子３００について、図５を用いて説明する。図５は本発明の第二実施例の構成を説明する図である。なお、実施例１と同じ構成部材についての説明は省略した。

素子３００は、ＲＴＤ３０１、メサ３１０、マイクロストリップパッチアンテナ３０２、応力発生手段３０３、調整部３２０、バイアス電源３１８、応力信号源３１９とから構成される。本実施例では、電磁波共振器としてマイクロストリップパッチアンテナ型の共振器構造を、応力発生手段３０３としては、圧電バイモルフ効果により応力が発生する構造を用いた。これらの構造は既存の半導体プロセスを用いて作製することが出来る。

マイクロストリップパッチアンテナ３０２は、主に電磁波共振部と電磁波放射部の役割を果たすパッチアンテナ３０５と、主に電磁波共振部の役割を果たすマイクロストリップライン３０４より構成される。実施例１と同じく、誘電体層３０７の材料と厚さ、パッチアンテナ３０５の辺の長さ、マイクロストリップライン３０４の長さ、ＲＴＤ３０１の大きさと位置などが基本発振周波数を決める上で重要なファクタとなる。本実施例の場合は以下のような設計となっている。パッチアンテナ３０５は、上電極層３１１がＬ×Ｌ／２の長方形パターンをしている。ここで、Ｌ＝２８０μｍである。また、パッチアンテナ３０５の短辺の中心から線幅８μｍのマイクロストリップラインが伸びており、ＲＴＤ３０１の上でＴ字に交差するような配置となっている。ここで、ＲＴＤ３０１はマイクロストリップライン３０４の共振する電磁波の腹になる部分に配置されている。マイクロストリップライン３０４は、ＤＣ給電線３２５に接続されており、パット電極３２６を介してバイアス電源３１８に接続されている。実施例１と同様に、ＲＴＤ３０１は２μｍΦメサ構造であり、上電極層３１１とＧＮＤ電極層３０８に上下から挟まれており、駆動に必要なバイアス電圧が印加可能な構成となっている。なお、上電極層３１１、ＧＮＤ電極層３０８、誘電体層３０７は実施例１と同様の材料を使用した。上記構造及び構成の電磁波共振器３０２では、応力信号が０ＭＰａの時で基本発振周波数３４０ＧＨｚの電磁波発振が得られる設計となっている。

本実施例で用いた応力発生手段３０３は、圧電バイモルフ効果により応力が発生する構造を用いている。応力発生手段３０３は、圧電体層３１４と圧電体層３１５と、２つの圧電体層に挟まれた応力信号用電極３１３とから構成され、ＲＴＤ３０１を覆うように配置される。

圧電体層３１４と圧電体層３１５は、それぞれ膜厚方向に分極した圧電材料であり、例えばスパッタリング法で形成した１μｍ厚の窒化アルミニウム薄膜である。また応力信号用電極３１３としては真空蒸着法で形成した０．５μｍのアルミニウム薄膜である。応力信号用電極３１３は、応力信号用配線３１６、応力信号用パット３１２を介して応力信号源３１９に接続される。応力信号用配線３１６は絶縁層３１７により基板３２１の材料であるＩｎＰと電気的な絶縁がなされている。応力信号源３１９から電圧信号などを印加すれば、図示した方向に内部応力が生じて、ＲＴＤ３０１に応力信号が印加される。

本実施例のテラヘルツ電磁波発生素子は、ＲＴＤ３０１への応力信号印加に伴うパッチアンテナ３０４の変形が生じないので、応力印加による周波数変化中にも放射方向が変化せず、放射方向の安定した放射を実現出来る。

（実施例３：スロットアンテナ構造の共振器）
例えば、図６に開示した電磁波発生素子６３０ように、電磁波共振器にスロットアンテナ構造の共振器を、応力発生手段６０３には外部より直接印加する方式を用いた電磁波発生素子であってもよい。スロットアンテナ６３７は本発明の電磁波発生素子の高周波化に好適である。さらに、本発生素子のように、正負バイアス（Ｖ_ａとＶ_ｂ）を切替えるスイッチ６１４を配置してもよい。

ここで、本発生素子６００は、ＩｎＰ基板６３６上に、電極Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層６３１と６３２とが、ＳｉＯ_２絶縁層６３３を介して積層された構造となっている。電極６３１及び電極６３２の一部が除去された窓領域６３４がスロットアンテナ型共振器となっており、窓領域の長さが発振周波数を決めるファクタとなっている。本実施例においては、スロットアンテナ６３７の窓幅は３０μｍとし、一辺２．３μｍのメサ６３５を配置した。メサ６３５はポスト状に形成されたＲＴＤ１０１である。電極Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層６３１や６３２はオーミック電極であり、バイアス電源６１８を介して調整部６２０に接続されている。また、応力発生手段６０３は先端の細いプローブやアンビルなどを用いて直接ＲＴＤ１０１に応力を発生させる構成となっている。応力発生手段６０３は応力信号源６１９を介して調整部６２０と接続されており、所望の周波数に応じて応力信号が入力される。

また応力発生手段の別の例として、静電コイルからの電磁力により撓むトーションバーを用いても良い。この場合、ＲＴＤ１０１及び電磁波共振器４０２はトーションバーの応力集中点に配置され、トーションバーがコイルからの電磁力でねじれる際に発生する応力がＲＴＤ１０１に伝達される。また、トーションバーの変形を利用して、応力信号によってスロットアンテナ６３７の方向を変化させて放射方向を変化することが可能な構成にすることも出来る。

（実施例４：検査装置）
実施例４について、図７（ａ）と（ｂ）を用いて説明する。ここで本実施例は、例えば本発明の共鳴トンネルダイオードを用いた電磁波発生素子を用いた、物体の検査装置である。本実施例の検査装置は、例えば上記の実施例の周波数可変が可能な電磁波発生素子７０ａ〜７０ｄを並べて配置し、ｆ１〜ｆ８までの複数の発振周波数の電磁波を発生させる。ここで周波数ｆ１〜ｆ８は、電磁波発生素子に応力信号を入力したり、スイッチを用いてバイアス電圧の極性を変化させるなどして、周波数を変化させたり、変調したりすることが出来る。また、それぞれの電磁波は放物面鏡７４で平行ビームとして伝播し、検体となる対象物体７２に照射され、透過光がレンズ７３で集光され検出器７１ａ〜７１ｄで受信される。ここで、本実施例では透過配置にしているが、反射配置で検査しても良い。例えば、記憶装置に、予め検出器で受信すべき強弱の組み合わせパターンを記憶させておく。また、検査物質がｆ１〜ｆ８までの周波数のうち、いずれか１つまたは複数の特定な吸収スペクトルを有していたとする。このとき、検査物質の吸収スペクトルと、記憶させておいたパターンと比較することにより、検査したい物質が対象物体７２中に含まれているか否かを判別することができる。また、図７（ｂ）は、検査物質の指紋スペクトルの例である。周波数ｆ１、ｆ６、ｆ７に吸収ピークを持つために、予め本物質の吸収パターンを記憶しておいて、ｆ１、ｆ６、ｆ７で検出器出力が弱く、その他の周波数における検出器出力が大きいという情報を照合すれば、本物質が含まれると判定することができる。

本実施例の検査装置は、例えば、空港での危険物・禁止物質検査、郵便・貨物等の物流品検査、工場における工業製品の検査等に利用することができる。この際、本発明の電磁波発生素子を用いることで、１つの検査装置でさらに多くの周波数での検査が可能となるため、より多くの種類の検査物質を検査することが可能となる。

（実施例５：ヘテロダイン検出器）
実施例５について、図８（ａ）と（ｂ）を用いて説明する。本実施例は、例えば上記実施例の共鳴トンネルダイオードを備えた電磁波発生素子を局部発振器として用いたヘテロダイン検出器を提供する。図８（ａ）は局部発振器としてスロットアンテナ型の電磁波共振器を用いた例であり、図８（ｂ）は局部発振器としてマイクロストリップ型の電磁波共振器を用いた例である。

本実施例の検出器は局部発振器（ＬＯ）、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）、ＩＦ検出部、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）、ＬＯ−ｐｏｒｔ、ＲＦ―ｐｏｒｔ、ＩＦ−ｐｏｒｔなどから構成される。ここで、局部発振器（ＬＯ）としては本発明の電磁波発振器が用いられる。また、ミキサーはＲＦパワーを効率よくＩＦパワーに変換するデバイスであり、ショットキーダイオード、超伝導ＳＩＳミキサー、ホットエレクトロンボロメータ、ＨＢＴ／ＨＥＭＴミキサーなどが用いられる。また、ＩＦ検出部はミキシングで生成した中間周波数（ＩＦ）出力を検出する役割を果たし、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）は検出したい電磁波を受信する役割を果たす。また、ＬＯ−ｐｏｒｔ、ＲＦ―ｐｏｒｔは、それぞれ局発波、信号波のミキサー（Ｍｉｘｅｒ）への入力ポートを表しており、ＩＦ−ｐｏｒｔは中間周波数（ＩＦ）のＩＦ検出部への入力ポートを表している。ここで、特に図示はしていないが、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）、局部発振器（ＬＯ１又はＬＯ２）の間に高周波フィルターやＲＦ増幅器等を配置すればより高感度な検出器が実現される。

図８（ａ）を用いて本発明の検出器について詳細に説明する。検出器６４０の局部発振器（ＬＯ１）は、スロットアンテナ６３７を有する電磁波発生素子６３０とスイッチ６１４が設けられたバイアス電源６１８とから構成される。ここで、本発明の電磁波発生素子は、応力信号（σ_１及びσ_２）の入力により周波数を変化及び変調することが可能である。また、バイアス電圧の極性をスイッチすれば、２つ以上の発振周波数の電磁波を発生することが可能になる。従って、本発明の電磁波発生素子を局部発振器（ＬＯ１）にとして用いれば、１つの局部発振器から広い帯域幅の周波数を検出器に入力することが可能となる（例えばｆ_Ｌ１からｆ_Ｌ２）。また、検出器６４０において、スロットアンテナ型共振器構造６３７は電磁波（ｆ_Ｓ１からｆ_Ｓ２）の受信用のアンテナとしての役割も果たしている。受信した電磁波と、電磁波発生素子６３０からの発振出力は、ＲＦ―ｐｏｒｔ及びＬＯ―ｐｏｒｔからミキサー（Ｍｉｘｅｒ）に入力され、周波数混合により差周波成分である中間周波数（ＩＦ）が生成される。生成された中間周波数（ＩＦ）はＩＦ−ｐｏｒｔを介してＩＦ検出部にて検出される。

本発明の検出器の動作について説明する。例えば、バイアス電源６１８からバイアス電圧Ｖ_ａが、応力信号源６１９から応力信号σ_１が電磁波発生素子６３０に入力された場合は、局部発振器（ＬＯ１）から周波数ｆ_Ｌ１が発振される。このとき、検出器６４０はアンテナにて周波数ｆ_Ｓ１（＝｜ｆ_Ｌ１＋ｆ_ＩＦ｜）の信号波１を受信し、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）から出力される中間周波数ｆ_ＩＦをＩＦ検出部にて検出することで信号波１が検出される。また、応力信号σ_２が電磁波発生素子６３０に入力された場合は、局部発振器（ＬＯ１）はから周波数ｆ_Ｌ２が発振される。このとき、検出器６４０はアンテナにて周波数ｆ_Ｓ２（＝｜ｆ_Ｌ２＋ｆ_ＩＦ｜）の信号波２を受信し、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）から出力される中間周波数ｆ_ＩＦをＩＦ検出部にて検出することで信号波２が検出される。

また、図８（ｂ）のように、局部発振器として共鳴トンネルダイオードとマイクロストリップ型共振器とを備えた電磁波発生素子を用いた例でも同様の検出を行なうことが可能である。ここで、検出器８０７の局部発振器ＬＯ２は、ＲＴＤ８０１、マイクロストリップライン８０２、λ／４スタブ８０３、局発波出力部８０６、基板８０５、電圧源６１４から構成され、一般的なＭＭＩＣ技術で作製される。

いずれの構成においても、応力信号σ_１及びσ_２に応じて局部発振器ＬＯ？から発振出力が周波数ｆ_Ｌ１からｆ_Ｌ２まで連続可変なため、ｆ_Ｓ１からｆ_Ｓ２までの電磁波をアンテナ（Ａｎｔｅｎｎｎａ）で受信してヘテロダイン検出することが可能である。

例えば、実施例１で説明した電磁波発生素子を局所発振器として用いた場合は、例えばｆ_Ｌ１を４２５ＧＨｚ〜４６５ＧＨｚでチューニングすることが出来る。従って、中間周波数をｆ_ＩＦ＝２ＧＨｚとすれば、ｆ_Ｓ１が４２７ＧＨｚ〜４６７ＧＨｚの電磁波を検出することが出来る。

このように、本発明の共鳴トンネルダイオードを用いた発振器をヘテロダインミキシングにおける局部発振器として用いれば、１つの検出器で広い帯域幅のテラヘルツ電磁波の検出が可能な検出器が実現される。

また、本実施例の検出器により、１つの検出器で複数の周波数帯のテラヘルツ電磁波を検出することが可能であるため、検出器の小型化や高密度化が容易に達成される。さらに、本実施例の検出器をアレイ状に複数配置すれば、複数の周波数の高周波電磁波を高感度で検出可能な小型の検出器が実現される。

１０１ 活性層
１０２ 共振部
１０３ 歪発生部
１０４ 制御部
１０５ 電圧印加部
１０６ 歪信号
１０７ テラヘルツ波

Claims (11)

1. テラヘルツ波（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波）を発振させるための発振素子であって、
   サブバンド間でのキャリアの遷移によりテラヘルツ波を発生させる活性層と、
   前記活性層から発生されたテラヘルツ波を共振させるための共振部と、
   前記活性層に歪を生じさせるための歪発生部と、
   前記歪発生部を制御する制御部と、を備え、
   前記活性層に生じる歪に応じて該活性層の微分負性抵抗が変わることにより、前記共振部で共振されるテラヘルツ波の発振特性が変わる
   ことを特徴とする発振素子。
2. テラヘルツ波（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波）を発振させるための発振素子であって、
   サブバンド間でのキャリアの遷移によりテラヘルツ波を発生させる活性層と、
   前記活性層から発生されたテラヘルツ波を共振させるための共振部と、
   前記活性層に歪を生じさせるための歪発生部と、
   前記歪発生部を制御する制御部と、を備え、
   前記活性層に生じる歪に応じて該活性層の等価回路の共振周波数が変わることにより、前記共振部で共振されるテラヘルツ波の発振特性が変わる
   ことを特徴とする発振素子。
3. 前記発振特性は、テラヘルツ波の周波数あるいはパワーであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振素子。
4. 前記活性層は、少なくとも２種類の半導体のヘテロ接合により構成され、
   前記歪発生部は、前記ヘテロ接合の界面の方向、あるいは該界面に対して略垂直な方向に、前記活性層に歪を生じさせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発振素子。
5. 前記歪発生部は、たわみ可能に構成され、
   前記活性層は、前記歪発生部によるたわみによって、該活性層の面内方向に歪む位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発振素子。
6. 前記歪発生部は、ピエゾ電界を発生可能に構成され、
   前記活性層は、前記歪発生部により発生されるピエゾ電界によって、該活性層の面内方向に対して略垂直な方向に歪む位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発振素子。
7. 前記歪発生部により前記活性層に歪を生じさせることで、該活性層おける電子の有効質量を変えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発振素子。
8. 前記活性層は、共鳴トンネルダイオードであり、
   前記共鳴トンネルダイオードに電圧を印加可能に構成され、前記共振部で共振されたテラヘルツ波を放射可能に構成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発振素子。
9. 前記共振部は、前記共振されたテラヘルツ波を放射するための放射部を含むことを特徴とする請求項８に記載の発振素子。
10. 前記活性層にバイアス電圧を入力するための電源を備え、
    前記電源は、前記制御部に接続されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の発振素子。
11. 前記制御部は、前記活性層に入力する電圧と前記歪発生部とを制御することで、前記発振特性を制御することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発振素子。

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