JP5632911B2 - ＴＨｚ周波数範囲アンテナ - Google Patents

Description

本発明はＴＨｚ周波数範囲アンテナに関する。より具体的には半導体材料に基づく同調ＴＨｚ周波数範囲アンテナに関する。

本願の文脈において、ＴＨｚ周波数範囲という語は０．１乃至３０ＴＨｚの電磁波周波数の範囲を指す。この周波数範囲は、１０乃至３０００μｍの波長範囲又は０．４乃至１２０ｍｅＶのエネルギー範囲に対応する。従ってＴＨｚ周波数範囲は赤外線放射とマイクロ波放射の中間に位置する。ＴＨｚ周波数は例えば検出技術、イメージング技術、通信技術、及び分光法に関して重要な科学的及び技術的応用を提供する。例えばＴＨｚ時間分解分光法における最近の進歩は、ピコ秒分解能で新規の有機及び無機電子材料における伝導性プロセスの研究を可能にした。

関連する低エネルギー励起の範囲は幅広い材料の非破壊検査を可能にする。さらに、ＴＨｚ周波数範囲における電磁波長は、凝縮相媒体の低周波数振動モード、及び分子における振動‐回転遷移を励起することができ、ＴＨｚ周波数吸収スペクトルが検査中の分子のフィンガープリントを提供するような特異的相互作用が起こることが多い。

電磁ＴＨｚ放射のこうした特徴のために、これは例えば、赤外線分光法などの他の既知の手段によって検出されるには低過ぎる共鳴周波数を有する化学的及び生物学的分子及び物質の分光法を実行するために有利に使用されることができる。ＴＨｚ周波数範囲分光法は、薬学的応用に関して、及び爆発物の検出などの安全性応用に関して興味深い側面を提供することが既に報告されている。

しかしながら、電磁ＴＨｚ周波数範囲を有利に利用することができる多くの興味深い応用があるものの、ＴＨｚ周波数を利用するほんのわずかの方法と装置しかこれまでに実現されていない。部分的に、これはＴＨｚ周波数における検出が、例えばＴＨｚ分光装置が便利で小型に実現されることができる前に対処されなければならない新たな問題を提起するという事実に起因する。ＴＨｚ分光法に関して起こる１つの問題は、既知の卓上ＴＨｚ源が比較的低出力を提供することである。これは既知の装置の限られた感度をもたらす。従って、新規の応用のためにＴＨｚ周波数範囲によって提供される有望な特徴を利用するために、かかる周波数に関して高い検出感度と選択性を提供する装置が開発されなければならない。

電磁周波数スペクトルの他の周波数範囲における応用に関して、特に光周波数範囲について、プラズモン共鳴を利用するアンテナが開発されている。例えば、適切なプラズモン共鳴構造は金属構造によって作られることができることが示されている。研究が実行されており、この種のアンテナは入射場との相互作用の増強を示し、光周波数範囲における検出目的でのかかるアンテナの理論的適合性が実証されている。１０μｍの波長に関して、金属ナノロッドを用いる検出が既に実証されており、そのプラズモン共鳴は検出する材料の振動共鳴に結合することができる。しかしながら、ＴＨｚ周波数において金属は大きな誘電率の値を持ち（実数部及び虚数部の両方で）、従って既知の概念はＴＨｚ周波数範囲アンテナを提供するには適さない。

本発明の目的は、高い感度と選択性の両方を提供することができる、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ、かかるアンテナを持つ電子システム、及びＴＨｚ信号と背景雑音を区別するためのシステムを提供することである。さらに、装置はその動作周波数に関して同調可能であるものとする。

この目的は請求項１に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナによって解決される。ＴＨｚ周波数範囲アンテナはＴＨｚ周波数範囲において表面プラズモンを示すように構成される表面を持つ半導体膜を有する。半導体膜の表面はＴＨｚ周波数範囲における局在表面プラズモン共鳴をサポートするように構成されるアンテナ構造を形成するように構造化される。ＴＨｚ周波数範囲アンテナは半導体膜を有するので、材料中のキャリア濃度及び／又はキャリア移動度が、例えば温度、印加電圧、光励起などにおける変化によって、容易に変更されることができる。このように、表面プラズモンの共鳴周波数は好都合に調節／同調されることができる。プラズモン共鳴はアンテナの誘電率とその誘電環境に強く依存する。さらに、アンテナ構造はリソグラフィ並びにドライ及び／又はウェットエッチングなどの従来の半導体加工技術を用いて半導体膜の表面の上若しくは中に好都合に構造化されることができる。さらに、光周波数における金属の誘電率の値に対応する誘電率の値をＴＨｚ周波数において持つ適切な半導体材料が存在する。ＴＨｚ周波数範囲においてプラズマ共鳴を持つ半導体材料から製造されるＴＨｚ周波数範囲アンテナは増強された検出感度を提供することができることがわかっている。アンテナ構造の適切な設計により、局在表面プラズモン共鳴の電場が局所的に増強されることができ、これはセンサ応用においてＴＨｚ放射と検出対象との間の増加した相互作用を誘導する。結果として、向上した感度が期待される。さらに、かかるＴＨｚ周波数範囲アンテナにより、電場増強が調整されることができ、共鳴がシフトされることができる。ＴＨｚ周波数範囲アンテナは圧電基板又は圧電中間層を有する。例えば、半導体膜はかかる圧電構造上に形成されることができる。この場合、アンテナ構造の寸法及び／又は形状は圧電素子の圧電特性を利用して変更されることができる。結果として、アンテナの特性の調節が特に好都合な方法で達成される。

好適にはアンテナ構造は、半導体膜の表面の中若しくは上に構造化され、間隙によって半導体膜の表面に平行な方向に互いに間隔をあけた、少なくとも２つの素子を有する。かかる構造はＴＨｚ領域におけるプラズモン共鳴のために数桁の局在電場増強を生じることができることが示されている。さらに、得られる電場の増強はアンテナ構造の形状と間隙サイズに依存する。従って、電場増強はこれらのパラメータを変化させることによって好都合に同調されることができる。間隙は表面プラズモンの励起の方向に沿って配置されるべきである。

好適には、間隙は１０ｎｍ乃至１０μｍ、好適には５０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲の幅を持つ。かかる間隙の幅は適切な電場増強を提供することがわかっている。

アンテナ構造が半導体膜と同じ材料から成る場合、アンテナ構造は既知の半導体加工技術によって半導体膜の表面に好都合に構造化されることができる。

好適には、アンテナ構造は半導体膜の表面に平行な方向に１０μｍ乃至１０００μｍのオーダーの寸法と、半導体膜の表面に垂直な方向に０．５μｍ乃至１００μｍのオーダーの寸法を持つ。これらの寸法を有するアンテナ構造は所望の電場増強と表面プラズモン共鳴の局在化を達成するために特に適していることがわかっている。

一態様によれば、所定分子を付着するように構成される機能化表面が設けられる。機能化表面は好適にはアンテナ構造周辺領域及び／又は間隙の領域に設けられることができる。この場合、所定分子を有する化学化合物が際立った信頼性で検出されることができる。

好適には、半導体膜は０．５μｍ乃至３００μｍの範囲の厚さを持つ。こうした数μｍの厚さを持つ半導体膜は利用された表面プラズモン共鳴を示すために特に適していることがわかっている。

好適には、半導体膜はＴＨｚ周波数範囲における電磁放射に対して透明な基板上に配置される。特に適した基板は石英である。この場合、ＴＨｚ周波数範囲における表面プラズモン共鳴が確実に生成されることができる。

ＴＨｚ周波数範囲アンテナがＴＨｚ周波数発生器とＴＨｚ周波数検出器の間に挿入されるように構成される場合、ＴＨｚ周波数表面プラズモンは半導体表面上に確実に生成されることができ、アンテナの領域における相互作用はＴＨｚ周波数検出器によって検出されることができる。

好適には、半導体膜は基材としてＩｎＳｂ又はＩｎＡｓ（又は任意の高移動度半導体材料）を有する。これらの半導体材料は、その低バンドギャップ、低電子有効質量、及び高電子移動度のために特に応用に適している。これは鋭くはっきりした共鳴を可能にする。しかしながら、他のIII‐Ｖ半導体材料の使用も可能であることが留意されるべきである（低性能が予想される）。"基材"という語は、半導体膜が必ずしも純物質を有する必要がなく、ドーピング（半導体に関して一般的に実施される）又は他の変更も可能である（さらに望ましい）ことを明らかにするために使用される。

好適には、アンテナ構造は表面プラズモン共鳴の電場がアンテナ構造の領域内で局所的に増強されるように配置される。この場合、増加した感度が得られる。かかる増強は例えば表面プラズモンの励起の方向に沿って間隙によって隔てられる２つの部分を有するアンテナ構造によって得られることができる。増強はさらに少なくとも１つの急な角を有するアンテナ構造によって得られることができる。

好適には、複数のアンテナの応答を合成することによってアンテナ応答の強度を増加するためにアンテナはアレイに（周期的又は非周期的に）配置される。

目的はまた、かかるＴＨｚ周波数範囲アンテナを有するＴＨｚ周波数範囲において作動する（光）電子システムによっても解決される。電子システムはＴＨｚ周波数範囲アンテナに関して上述した利点を実現する。好適には、システムは検出システム、通信システム、イメージングシステム、信号処理システム、及び光変調システムのうちの１つである。

目的はまた、請求項１乃至１１のいずれか一項にかかるＴＨｚ周波数範囲アンテナを有する変調器を有する、ＴＨｚ信号と背景雑音を区別するためのシステムによっても解決され、変調器はＴＨｚ周波数範囲アンテナの領域における表面プラズモンの共鳴が所定変調速度で同調されるように構成され、システムはさらに、所定変調速度によって制御される検出器を有する。この場合、検出器はＴＨｚ周波数範囲アンテナに与えられる変調にロックオンされる。従って、高選択性で高感度の検出が達成される。

目的はまた、請求項１５にかかるＴＨｚ周波数範囲アンテナの応答を同調させるための方法によっても解決される。方法は、アンテナ構造の形状を変えることによって、又は半導体膜の材料特性を変えることによって応答を同調させるステップを有する。アンテナ構造の形状は例えば圧電構造を利用することによって操作中に変えられることができる。変更可能な半導体膜の材料特性は例えばキャリア濃度、キャリア移動度などを有する。

本発明のさらなる特徴と利点は同封の図面を参照して実施形態の詳細な説明から生じる。

ＴＨｚ周波数発生器とＴＨｚ周波数検出器とともにＴＨｚ周波数範囲アンテナを側面図で概略的に示す。 第１の態様のＴＨｚ周波数範囲アンテナのアンテナ構造の領域を上面図で概略的に示す。 第２の態様のＴＨｚ周波数範囲アンテナのアンテナ構造の領域を上面図で概略的に示す。 図２ａと同様のアンテナ構造に対する表面プラズモン共鳴の電場強度を図示する。 図２ｂと同様のアンテナ構造に対する表面プラズモン共鳴の電場強度を図示する。 アンテナ構造の異なる寸法に対して図２ａと同様のアンテナ構造に対する間隙領域において達成される電場強度の増強を図示する。 異なる間隙幅に対する電子濃度に依存する間隙内の電場の増強を図示する。 異なる電荷キャリア密度に対する周波数に依存する正規化散乱断面積を図示する。

図面を参照して一実施形態が説明される。実施形態にかかるＴＨｚ周波数範囲アンテナ１が図１に概略的に示される。ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１は半導体薄膜３が上に被着した基板２を有する。基板２はＴＨｚ周波数範囲内の周波数を持つ電磁放射に対して透明な材料、例えば石英又は他のかかる材料から作られる。半導体膜３は数μｍ、例えば０．５μｍ乃至１００μｍ、場合により３００μｍまでの厚さｄを持つ（図１において垂直方向に、すなわち基板がのびる面に垂直な方向に）。実施形態によれば、半導体膜３は基材としてＩｎＳｂ（インジウム／アンチモン）を有する。しかしながら、半導体膜３は純粋なＩｎＳｂに制限されず、ドープ材料も可能であり、下記から明らかになるようにむしろ好ましい可能性がある。半導体膜３は、スパッタリング、蒸発、蒸着などの当該技術分野で既知の複数の方法で基板２に被着することができる。さらに、半導体膜３は半導体材料特性の微調整のために当該技術分野で既知の通りアニールされることができる。

上記ＩｎＳｂの代案として、半導体膜３は基材としてＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）によって、又は別の適切な半導体材料によっても形成されることができる。しかしながら、ＩｎＳｂ及びＩｎＡｓはその低バンドギャップ、低電子有効質量、及び高電子移動度のために好適な基材であることが留意されるべきである。下記から明らかになる通り、これらの特徴は鋭くはっきりした表面プラズモン共鳴を可能にする。半導体膜３は材料のＴＨｚ周波数範囲における誘電率が界面における電子の集団運動（表面プラズモンポラリトン）を引き起こすために適切であるという理由で選ばれる。従って、この点において材料は光周波数における金属の特性と同様の特性をＴＨｚ周波数において示す。

半導体膜３の表面はアンテナ構造４で加工される。アンテナ構造４は、光リソグラフィ並びにドライ及び／又はウェットエッチングなどの既知の半導体加工技術によって半導体膜３に設けられる。アンテナ構造４は半導体膜３と同じ材料から成り、各々その表面の中又は上に構造化される。好適には半導体膜は完全にエッチングされ／切り込まれ、アンテナは誘電体によって互いに分離され、アンテナは表面から突出する。アンテナ構造４は薄膜設備において利用可能な既知の微細加工技術によって製造されることができる。

一実施形態によれば、アンテナ構造４は半導体膜３の表面に沿った方向に小さな間隙ｇによって互いに間隔をあけて位置する２つの素子４ａ及び４ｂを有する。素子４ａ及び４ｂは、図２ａ及び２ｂを参照して記載される通り、半導体膜３の表面の上から見たときに多くの異なる形状を有し得る。アンテナ構造４の形状に対する２つの実施例が各々図２ａ及び２ｂに概略的に示される。しかしながら図２ａ及び２ｂに示される形状は例示に過ぎず本開示の範囲を限定する意図ではないことが留意されるべきである。多くの他の形状が可能である。２つの素子４ａ及び４ｂは、間隙ｇが半導体膜３における表面プラズモンの励起の方向に沿って配向するように配置される。

図２ａはアンテナ構造４の素子４ａと４ｂが各々矩形形状を持つ実施例を示し、一方図２ｂはアンテナ構造４の素子４ａと４ｂが各々三角形状（各三角形の端が互いを指し間隙ｇを囲んでいる）を持つ実施例を示す。アンテナ構造４は間隙ｇによって隔てられる素子４ａ及び４ｂを有するので、これはダイポールアンテナを形成する。素子４ａと４ｂの急な角（図２ｂの場合など）は、以下に記載する通り、急な角が間隙領域に有利に増強された電場をもたらすという事実のために好ましいことが留意されるべきである。

アンテナ構造４の素子４ａ及び４ｂは半導体膜３の表面に平行な方向に１０μｍ乃至１０００μｍの寸法を有する。半導体膜３の表面に垂直な方向に、アンテナ構造４は０．５μｍ乃至１００μｍ、場合により３００μｍまでの寸法を有する。間隙ｇは１０ｎｍ乃至１０μｍの幅Δ（素子４ａから素子４ｂまで）を持つ。

例えば、図１に概略的に描かれる通り、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１はＴＨｚ周波数発生器５とＴＨｚ周波数検出器６の間に配置されることができる。ＴＨｚ周波数発生器５とＴＨｚ周波数検出器６は図１に概略的に示されるに過ぎないことが留意されるべきである。ＴＨｚ周波数発生器５は構造化された半導体膜３上にＴＨｚ周波数範囲において表面プラズモンを生じる。ＴＨｚ周波数範囲検出器６はＴＨｚ周波数表面プラズモンを検出するのに適している。ＴＨｚ周波数範囲発生器５とＴＨｚ周波数範囲検出器６によって形成されるＴＨｚ経路は例えばフェムト秒レーザ及び非線形結晶を利用するか、又は小型の全電子版に統合されることができる。

上記のアンテナ構造４はアンテナ構造に近い電場を局所的に増強することができることがわかっている。さらに、かかるアンテナ構造４により、素子４ａと４ｂの間の間隙において電場を集中させ、入射場の強度の１０３倍のオーダーで巨大な電場増強を実現することができる。これらの効果はＴＨｚ周波数範囲におけるプラズモン共鳴の発生によるものである。電場の集中と電場増強はアンテナの領域に置かれる材料と電磁ＴＨｚ放射の相互作用の増強を誘導する。この効果は化学化合物検出応用において向上した感度を得るために利用されることができる（例えばＴＨｚ周波数範囲アンテナは検出応用で使用される）。得られるアンテナのプラズモン共鳴は散乱断面積におけるスペクトル共鳴によって特徴づけられる。従って実施形態によれば、ＴＨｚ周波数範囲におけるプラズモン共鳴をサポートする、半導体材料から作られるＴＨｚ周波数範囲アンテナが提供される。検出応用に関して、ＴＨｚ周波数範囲における操作は、ＴＨｚ周波数範囲における分子の特定スペクトル特徴によるセンサの固有選択性のために非常に有利である。

上記ＴＨｚ周波数範囲アンテナは遠距離場スペクトルにおいて特徴的な共鳴特性を提示する。ＴＨｚ周波数範囲アンテナの減衰（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ）断面積は表面プラズモンの共鳴周波数周辺の増強をあらわす。これは例えば伝送実験において検出されることができる。減衰断面積の形状の変化は周辺環境との相互作用によってあらわれる。例えば、特に関心領域において強い吸収線を持つ気体の存在が上記ＴＨｚ周波数範囲アンテナで検出されることができる。

上記の間隙周辺に位置する電磁場の巨大な増強は強いＴＨｚ周波数場が必要とされる用途を持つ。例えば、電磁場とその領域に存在する物体との間のより強い相互作用の結果として非線形効果が増強される。従って、センサ応用に関して増加したセンサの感度が得られる。

かかるＴＨｚ周波数範囲アンテナの間隙ｇの領域において達成される電場増強の実施例が図２ａと２ｂを参照して与えられる。図３ａは矩形形状を持つＩｎＳｂアンテナに対して、１．６２ＴＨｚの周波数における電場の近距離場強度分布を対数目盛上に描く。水平軸は半導体膜３の表面に平行な第１の軸に対応し、垂直軸は誘電体との界面に垂直なアンテナの高さに対応する。表示された結果は電磁場ソルバを用いて２Ｄ計算から得られる。アンテナ断面積の２Ｄ計算は３Ｄ構造を適切に説明することが証明されている（Ｏ．Ｌ．Ｍｕｓｋｅｎｓ，Ｊ．Ｇｏｍｅｚ‐Ｒｉｖａｓ，Ｖ．Ｇｉａｎｎｉｎｉ，ａｎｄ Ｊ．Ａ．Ｓａｎｃｈｅｚ‐Ｇｉｌ，"Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ａｎｄ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｉｍｅｒ ｐｌａｓｍｏｎｉｃ ｎａｎｏａｎｔｅｎｎａｓ"Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．Ｖｏｌ．１５，ｐｐ．１７７３６‐１７７４６，Ｄｅｃ．２００７）。グレースケールは入射場強度に正規化された電場強度に対応する。素子４ａと４ｂ及び間隙ｇは図にはっきりと見ることができる。図３ａに見られる通り、間隙ｇの領域内で電場の巨大な増強が起こる。

図３ｂは２ＴＨｚの周波数における素子４ａ及び４ｂの三角形（ボウタイ）形状に対する対応図を示す。間隙ｇの領域において巨大な電場増強が起こるのがわかる。

従って、上記ＴＨｚ周波数範囲アンテナを用いて、プラズモン共鳴の励起はアンテナ構造４の間隙において桁違いの増強係数で強い電場を近距離場に誘導する。この増強は入射電場とアンテナ構造４の増加した相互作用のあらわれである。

提示されるＴＨｚ周波数範囲アンテナのさらなる特徴が以下に記載される。ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１は半導体材料から形成されるため、ＴＨｚ周波数範囲アンテナの特徴は複数の方法で容易に変更されることができる。

プラズモン共鳴はアンテナを作るために使用される材料の形状、サイズ及び誘電率、並びにその誘電環境に強く依存することがわかっている。特に、電場増強と減衰断面積の大きさはアンテナの形状に非常に依存する。共鳴条件はアンテナ構造の長さと幅、アンテナ構造の厚さ、及び間隙幅などの複数の幾何学的パラメータに依存する。既知の半導体加工技術で、アンテナ構造４の素子４ａ及び４ｂの形状、素子４ａ及び４ｂのサイズ、及び間隙ｇの幅は加工段階で好都合に規定されることができる。

図４を参照すると、達成される間隙ｇの領域内の電場の増強がいかにしてアンテナ構造４の寸法に依存するかが示される。図４は１．５ＴＨｚの周波数に対する長さＬ（ｘ軸上）と間隙幅Δ（ｙ軸上）の関数として矩形アンテナ構造４（図２ａと同様）に対して達成される間隙電場増強｜Ｅ｜２をグレースケールで描く。図４からわかる通り、パラメータＬとΔの変化はアンテナ構造４の間隙ｇにおける電場増強の強い変化を誘導する。特に、間隙ｇにおける電場の大きな増強は３０μｍ＜Ｌ＜５０μｍ及びΔ＜１．５μｍに対して得られる。３μｍから１μｍ未満までの間隙幅Ｄの変化は一桁分の間隙ｇにおける電場の増強の変化をもたらすことが留意されるべきである。原則として、間隙ｇの幅Δが減少するときに間隙ｇにおける電場の増大した増強が得られることがわかっている。さらに、間隙の領域内の電場の大きな増強は１００ｎｍ以下のオーダーの間隙幅で達成されることができる。

要約すると、間隙ｇの幅の減少は電場強度を増加し高感度をもたらすことがわかっている。同様に、アンテナ構造４における１つ以上の急な角も電場強度を増強し、従って感度を増強する（図３ｂ参照）。

半導体加工技術を利用して、ＴＨｚ周波数範囲アンテナは操作中に変更可能な間隙幅を備えることができる。この場合、ＴＨｚ周波数範囲アンテナは調節可能な幅Δを持つ間隙ｇを有する。例えば、これは（静）電場の印加によって間隙の幅を変えることを可能にする圧電材料を用いて達成されることができる。例えば圧電材料は基板として使用されることができ、又は圧電材料１０の中間層が例えば基板２と半導体膜３の間に設けられることができる。後者の場合が図１に点線で概略的に示される。これらの場合、アンテナ構造４の間隙ｇは電気的に制御される。

さらに、間隙ｇの幅Δが減少するとき、表面プラズモン共鳴の中心波長がシフトする。従ってこの中心波長の位置は間隙幅Δを変えることによって同調されることができる。

代替的に又は付加的に、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１の特性は半導体膜３及び／又はアンテナ構造４におけるキャリア濃度若しくはキャリア移動度を変えることによって変更されることができる。図５は間隙ｇの異なる幅Δに対する電子濃度（ｘ軸上）の関数として間隙における電場の増強（ｙ軸上）の依存性を図示する。図５は半導体材料としてＩｎＳｂに対し、１．５ＴＨｚの周波数に対するこの依存性を示す。プラズモンＴＨｚ周波数範囲アンテナ１の挙動は半導体材料の電子特性に強く依存することがわかる。従って、実際に起こっている間隙ｇにおける電場の増強はキャリア濃度を変えることによって制御されることができる。さらに、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１の共鳴周波数の位置はキャリア濃度を変えることによって変えることができる。これは、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１がキャリア濃度を変えることによって同調されることができることを意味する。これは共鳴の、従って検出される分光特性との重なりのスペクトル位置を調節する可能性をもたらす。

キャリア濃度を変えることは、例えば温度変化（遅い変調／遅い変化を可能にする）によって、光励起（速い変調／速い変化を可能にする）によって、キャリア注入を介して電気的に（速い変調／速い変化を可能にする）などといった方法で実現されることができる。

さらに、キャリア濃度を変えることによって、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１の散乱断面積が、図６に見られるように変更されることができる。図６は矩形素子４ａ及び４ｂを持つアンテナ構造４を有するＩｎＳｂベースのＴＨｚ周波数範囲アンテナに対する正規化散乱断面積を図示する。図６は異なるキャリア濃度（異なる記号）に対して周波数（ｘ軸上）の関数として散乱断面積（ｙ軸上）の依存性を示す。値は１μｍの間隙幅Δ、４０μｍの素子４ａ及び４ｂの長さ、５μｍのアンテナ構造の高さを持つアンテナ構造に対応する。

キャリア濃度を変えることによるＴＨｚ周波数範囲アンテナ１の同調に関して記載したのと同様に、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１の特性は半導体材料のキャリア移動度を変えることによって調節されることができる。

結果として、能動的に共鳴を変更する／同調させる、従って増強と散乱断面積の両方を同調させる可能性を提供するＴＨｚ周波数範囲アンテナ１が提供される。かかるＴＨｚ周波数範囲アンテナ１は多くの応用に適する。

例えば、能動的に共鳴を変更する可能性は、特定周波数における電場の増強を同調させるために使用されることができる。この特徴は、既知の変調速度でアンテナ構造４の領域内の共鳴を同調させ、この同調信号に検出器をロックオンすることによって、感度増強のために特定ＴＨｚ周波数における信号と背景雑音を区別するために使用されることができる。

他方で、能動的に共鳴を変更する可能性は分光特性を通してスキャンするために電場増強が起こる周波数を変更するために使用されることができる。これらの特徴は能動的センサ及び変調器において好都合に利用されることができる。

一態様によれば、これから述べる通り同調ＴＨｚ送信器が実現されることができる。まず、ある動作範囲に対してＴＨｚ周波数範囲アンテナ１が設計される（上記概説の製造工程の可能性を利用することによって）。遠距離場における共鳴の典型的な線幅は約１ＴＨｚである。アンテナの中心波長はアンテナ構造４の長さ、幅、又は厚さを変えることによって設計されることができる。そして、製造後に"操作中"同調が、上記で説明した通り間隙幅Δを変えることによって達成されることができる。これは例えば圧電材料を用いて達成されることができる。間隙ｇの幅Δが減少すると表面プラズモン共鳴の中心波長がシフトする。言い換えれば、共鳴から離れると電場増強の大きさが減少する。このように、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１の能動的操作が可能になる。さらに、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１は上記した通りキャリア濃度及び／又はキャリア移動度を変えることによって同調されることができる。

従って、スペクトルスキャン及び変調のために電場増強（感度）と共鳴の位置の両方の能動的制御を可能にする、半導体材料に基づく新規の電磁ＴＨｚ周波数範囲アンテナが提供される。

ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１が検出応用のために使用されるとき、検出対象を電場が巨大に増強されるアンテナ間隙ｇに集中させることができる。従って、間隙ｇの領域は検出素子として機能化されることができる。

増加した感度によって益を得る、ＴＨｚ分光装置などの検出システムへの応用に加えて、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１は、通信システム、イメージングシステム、信号処理システム、光変調システムなどの多くの他の応用においても使用されることができる。ＴＨｚ周波数範囲アンテナ１は例えば化学的（気体）検出及び／又は生物学的検出のためのセンサにおいて、ポリマー及び小分子などの有機物質の検査のため、有機物質若しくは電子材料の非破壊検査のための検査具において、イメージングシステムにおいて、医療システム（生物材料の検査のためなど）において、通信装置のための変調器において、生物医学診断装置（例えば呼気分析用）などにおいて使用されることができる。

提案されるアンテナ構造４の小さな間隙によって達成される、ＴＨｚ放射のサブ波長ボリュームへの局在化は、ＴＨｚ周波数範囲における電磁放射に応答する材料の局所検査への道を開く。結果として、増強された感度と、１μｍのオーダーに至るまでのサブ波長検査が利用可能になる。

Claims (15)

1. ＴＨｚ周波数範囲アンテナであって、
   前記ＴＨｚ周波数範囲において表面プラズモンを示す表面を持つ半導体膜を有し、
   前記半導体膜の表面が前記ＴＨｚ周波数範囲において局在表面プラズモン共鳴をサポートするように構成されるアンテナ構造を形成するように構造化され、
   前記半導体膜が圧電材料の上に設けられる、ＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
2. 前記アンテナ構造が、間隙によって前記半導体膜の表面に平行な方向に互いに間隔をあけて、前記半導体膜の表面の中若しくは上に構造化される少なくとも２つの素子を有する、請求項１に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
3. 前記間隙が１０ｎｍ乃至１０μｍ、好適には５０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲の幅を持つ、請求項２に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
4. 前記アンテナ構造が前記半導体膜と同じ材料から成る、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
5. 所定分子を付着するように構成される機能化表面が設けられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
6. 前記半導体膜が０．５μｍ乃至３００μｍ、好適には０．５μｍ乃至１００μｍの範囲の厚さを持つ、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
7. 前記半導体膜がＴＨｚ周波数範囲における電磁放射に対して透明な基板上に配置される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
8. ＴＨｚ周波数発生器とＴＨｚ周波数検出器の間に挿入されるのに適した、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
9. 前記圧電材料が圧電基板として使用されるか、若しくは前記半導体膜と前記基板の間の圧電中間層として設けられる、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
10. 前記半導体膜がＩｎＳｂ若しくはＩｎＡｓを基材として有する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
11. 前記アンテナ構造が、前記表面プラズモン共鳴の電場が前記アンテナ構造の領域内で局所的に増強されるように構成される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナ。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナを有する、ＴＨｚ周波数範囲において作動する電子システム。
13. 前記システムが、検出システム、通信システム、イメージングシステム、信号処理システム、及び光変調システムのうちの１つである、請求項１２に記載の電子システム。
14. ＴＨｚ信号と背景雑音を区別するためのシステムであって、
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナを有する変調器であって、前記ＴＨｚ周波数範囲アンテナの領域における表面プラズモンの共鳴が所定変調速度でオンオフに同調されるように構成される変調器と、
    前記所定変調速度によって制御される検出器とを有する、システム。
15. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のＴＨｚ周波数範囲アンテナの応答を同調させるための方法であって、
    前記アンテナ構造の形状を変えることによって、又は前記半導体膜の材料特性を変えることによって前記応答を同調させるステップを有する、方法。

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