JP5717336B2 - 発振器 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波を発生させる共鳴トンネルダイオードを含み構成される発振器に関する。

３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数帯域の電磁波（本明細書では、テラヘルツ波とも言う。）を発生する電流注入型のテラヘルツ波発振器として、主に共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ、以下ＲＴＤと記す）がある。これは、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利得を利用して、室温でのテラヘルツ波の発振を実現させるものである。

２重障壁型のＲＴＤからなる活性層と平面上のスロットアンテナ共振器を半導体基板上に集積したテラヘルツ波発振器が、特許文献１に開示されている。前記発振器は、ＲＴＤの電流―電圧（Ｉ−Ｖ）特性に現れる微分負性抵抗の領域において、誘導放出により電磁波を発生する。

ＲＴＤを用いたテラヘルツ発振器は、電源を含むバイアス回路に起因した寄生発振を生じることが知られている。寄生発振とは、テラヘルツ波の周波数帯における所望の（共振器の構造で決まる）共振周波数以外の周波数で発振してしまう現象である。このため、所望の共振周波数の発振出力を低下させる原因となる。

そこで、非特許文献１は、バイアス電源とＲＴＤとの間に安定化回路を配置する手法を開示している。安定化回路は、ＲＴＤと並列に配置された抵抗と容量から構成され、共振周波数以外の全ての周波数で共振回路を低インピーダンスにする。前記抵抗は、ＲＴＤからλ／４以内（λはテラヘルツ帯の周波数領域における所望の共振周波数の波長）の位置に配置される。

また、特許文献１は、安定化回路と、ビスマス抵抗体の構造からなる並列抵抗を開示している。また、容量（キャパシタ）として金属／絶縁体／金属（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）の積層構造からなる並列容量を設けている。これらとＲＴＤ及びスロットアンテナ共振器とを同一基板上に集積し、テラヘルツ波の周波数帯における発振動作を実現している。

さらに、特許文献２は、ＲＴＤとマイクロストリップ共振器（２つの導体で誘電体を挟み構成される共振器）とを同一基板上に集積したテラヘルツ波の発振器を開示している。

特開２００７−１２４２５０号公報 特開２００６−１０１４９５号公報

ＩＥＥＥ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＡＮＤ ＧＵＩＤＥＤ ＷＡＶＥＬＥＴＥＲＳ，ＶＯＬ．５，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ １９９５ ｐｐ２１９−２２１

特許文献２に開示されているテラヘルツ波の発振器においても、寄生発振を抑制するために、非特許文献１に開示されているような並列抵抗を含み構成される安定化回路を配置することが望ましい。

しかしながら、特許文献２の構成では、ＲＴＤからλ／４以内の位置に安定化回路を直接配置すると、共振器の構造が変化するため、発振出力を低下させてしまう可能性がある。また、放射電磁波のパターンが乱される可能性もある。

本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ＲＴＤとマイクロストリップ共振器とを集積した発振器において、テラヘルツ帯の周波数領域で安定して発振動作可能なテラヘルツ発振器の実現である。

本発明の一側面としての発振器は、電磁波を発振する発振器であって、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されている第１の誘電体と、前記第１の電極及び前記第２の電極と電気的に接続している負性抵抗素子と、を含み、前記電磁波を共振する共振部と、第３の電極と、第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極との間に配置されている第２の誘電体と、を含む容量部と、前記第１の電極及び前記第３の電極と電気的に接続している線路と、前記第３の電極及び前記第４の電極と電気的に接続している抵抗と、を備え、前記線路は、前記第１の電極の第１の位置と前記第３の電極の第２の位置とを接続しており、前記第１の位置と前記第２の位置とは、前記電磁波の波長より長い波長領域の少なくとも一部において電気的に略等価であることを特徴とする。

また、本発明の別の一側面としての発振器は、電磁波を発振する発振器であって、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されている第１の誘電体と、前記第１の電極及び前記第２の電極と電気的に接続しており且つサブバンド間でのキャリアの遷移により前記電磁波を発生させる活性層と、を含み、前記電磁波を共振する共振部と、第３の電極と、第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極との間に配置されている第２の誘電体と、を含む容量部と、前記第１の電極及び前記第３の電極と電気的に接続している線路と、前記第３の電極及び前記第４の電極と電気的に接続している抵抗と、を備え、前記線路は、前記第１の電極の第１の位置と前記第３の電極の第２の位置とを接続しており、前記第１の位置と前記第２の位置とは、前記電磁波の波長より長い波長領域の少なくとも一部において電気的に略等価であることを特徴とする。

上述したように、本発明に係る発振器は、共振部１２の第１の位置３１と容量部１９の第２の位置３２とが線路部１３を介して接続される。このとき、前記接続は、前記共振部を共振する電磁波の波長より長い波長領域において電気的に略等価となるように行われる。

このような構成においては、安定化回路を共振部に直接配置したことと略等価と見なせる。これにより、共振波長より長い波長領域（共振周波数より低い周波数領域）における寄生発振が抑制されるため、テラヘルツ帯の周波数の発振出力を安定して得ることが出来る。

本実施形態に係る発振器の構成を説明するための模式図 実施例１に係る発振器の構成を説明するための模式図 アドミタンスの解析例を示すグラフ 実施例１に係る発振器の変形例の構成を説明するための模式図 実施例２に係る発振器を説明するための模式図 実施例１に係る発振器の変形例の構成を説明するための模式図

本実施形態に係る発振器について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る発振器の断面図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係る発振器の等価な回路を示す模式図である。図１（ｃ）は、本実施形態に係る発振器の構成を説明するための模式図である。なお、本発明に係る発振器（あるいは発振素子）は、以下の構成に限らない。 １２は共振部である。前記共振部１２は以下のように構成される。まず、共振部１２は、電磁波を発生させるための共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）１１を備える。もちろん、本発明は、電磁波（特に、テラヘルツ波）を発生させる活性層として、ＲＴＤの他にも、ガンダイオードなどの負性抵抗素子を適用することができる。また、本発明は、電磁波（特に、テラヘルツ波）を発生させる活性層として、サブバンド間でのキャリアの遷移により電磁波を発生させる活性層（例えば、量子カスケードレーザ）を適用することもできる。次に、共振部１２は、前記共鳴トンネルダイオード１１に接する誘電体１４を備える。また、共振部１２は、第１の導体１６と第２の導体１７とにより前記誘電体１４を挟み構成される。そして、前記第１及び第２の導体１６、１７と共鳴トンネルダイオード１１とを電気的に接続し構成される。ここで、前記共振部１２は、第１の誘電体１０８を第１の電極１０６と第２の電極１０７とで挟み構成されることが好ましい（図１（ｃ）の説明で詳述）。

このとき、ＲＴＤ１１は、電流−電圧特性における微分負性抵抗を有する。また、前記第１及び第２の導体１６、１７で挟まれる前記誘電体１４は、導体間の距離や断面積によって決まる容量Ｃを有する。また、前記第１及び第２の導体１６、１７の長さに応じたインダクタンスＬを有する。前記ＲＴＤ１１と前記共振部１２とは電気的に並列に接続されている。このとき、前記ＲＴＤ１１と前記容量Ｃと前記インダクタンスＬとにより、共振回路が構成されている。

ここで、前記電磁波は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数帯域の電磁波（本明細書では、テラヘルツ波とも言う。）であることが好ましい。

１９は容量部である。前記容量部１９は、前記第１及び第２の導体１６、１７により前記誘電体１４を挟み構成される。このとき、前記第１及び第２の導体１６、１７で挟まれる前記誘電体１４は、導体間の距離や断面積によって決まる容量を有する。ここで、前記容量部１９は、第２の誘電体１１８を第３の電極１１１と第４の電極１１２とで挟み構成されることが好ましい（図１（ｃ）の説明で詳述）。

１３は線路部である。前記線路部は、前記共振部１２と前記容量部１９とを電気的に並列に接続するように構成される。

また、上記容量部１９と電気的に並列になるように、抵抗部２４を設ける。前記抵抗部２４は、前記第１の導体１６と前記第２の導体１７とに電気的に接続される。

そして、前記共振部１２の第１の位置３１（ポート１）と前記容量部１９の第２の位置３２（ポート２）とが前記線路部１３を介して接続される。このとき、前記接続は、前記共振部１２を共振する電磁波（すなわち定在波）の波長より長い波長領域において電気的に略等価となるように行われる。このような構成においては、安定化回路を共振部に直接配置したことと略等価と見なせる。

これにより、共振波長より長い波長領域（共振周波数より低い周波数領域）における寄生発振が抑制されるため、テラヘルツ帯の周波数の発振出力を安定して得ることが出来る。また、本発明の発振器は、線路部１３の長さと容量部１９の容量を調整することで、発振可能な周波数帯を調整することも出来る。

ここで、前記共振部１２の前記第１の電極１０６における前記第１の位置３１と、前記容量部１９の前記第３の電極１１１における前記第２の位置３２とが、前記線路部１３を介して接続されることが好ましい（図１（ｃ）の説明で詳述）。

また、前記線路部１３は、λ／４線路であることが好ましい。ここで、λ／４線路とは、前記線路部１３の長さが略λ／４である線路のことである。また、λは、前記共振部１２を共振する電磁波（すなわち定在波）の波長であり、好ましくは所望の発振周波数の波長である。λ／４線路であれば、共振部１０２の任意の位置に線路部１３を接続することも出来る。また、前記第１の位置３１（ポート１）は、共振部１２内を共振する定在波の節の位置であることが好ましい。このとき、線路部１３の線路長は任意であってよい。

なお、図１（ｃ）を用いて説明される以下の実施形態のように、第１の導体１６は、異なる導体（第１の電極１０６、第３の電極１１１、線路１０３）で構成しても良い。このように、前記第１の導体１６は、前記共振部１２と前記容量部１９と前記線路部１３とで、電気的に略等価であれば良い。このとき、前記抵抗部２４は、前記容量部１９における前記第３の電極１１１の外周部に配置されることが好ましい。また、前記容量部１９における前記第３の電極１１１が、前記共振部１２の面内方向に関して、前記共振部１２における前記第１の電極１０６の周囲を囲むように構成されることが好ましい。また、前記線路部１３を複数有し、前記複数の線路部１３を前記共振部１２に対して対称に配置することが好ましい。さらに、前記ＲＴＤ１１に電圧を印加するための電源２５と、前記第２の位置３２と前記電源２５とを電気的に接続するための給電線１１４と、を備えることが好ましい。さらに、前記共振部１２が、パッチアンテナを含み構成されることが好ましい。なお、これらについては、以下で図１（ｃ）を用いて詳述する。もちろん、本発明に係る発振器は、電磁波を空間中に放射する以外にも、電磁波を高周波の信号として発生するように構成させることもできる。

次に、別の本実施形態に係る発振器１００について、図１（ｃ）を用いて説明する。発振器１００は、主に、ＲＴＤ１０１、共振器１０２、線路１０３、安定化回路１０４、バイアス電源１０５より構成される。

本実施形態に係る発振器は、２つの電極で誘電体を挟む共振器１０２内で共振する定在波が節となる位置において、線路１０３を介して、共振器１０２の第１電極１０６と、容量部１０９の第３電極１１１を接続して構成している。これにより、共振波長λより長い波長領域において、第１電極１０６上のｐｏｒｔ１と電気的に等価となるようなｐｏｒｔ２が第３電極１１１上に出現する。このｐｏｒｔ２に並列抵抗部１１０を接続することで、実質、ｐｏｒｔ１に安定化回路１０４を挿入したことと等価となる。さらに、線路１０３があることで、上記の安定化回路１０４が共振器１０２内で共振する定在波に対して損失とならない構成である。まず、共振器１０２（共振部１２）について説明する。前記共振器１０２は、第１電極１０６、第２電極１０７、第１誘電体１０８から構成される。第１誘電体１０８は、第１電極１０６と第２電極１０７の２電極に挟まれており、電極に挟まれた誘電体中を電磁波が定在する。ＲＴＤ１０１は、例えば、第１誘電体１０８の内部に配置されており、第１電極１０６及び第２電極１０７と電気的に接続されることでバイアスが供給される。電極は、望ましくは導体板（良導体）を用いて構成し、より望ましくは金属板を用いて構成する。

また、安定化回路１０４は、容量部１０９（容量部１９）と並列抵抗部１１０（抵抗部）より構成される。容量部１０９は、第３電極１１１、第４電極１１２、第２誘電体１１３から構成される。第２誘電体１１３は、第３電極１１１と第４電極１１２の２電極に挟まれており、容量部１０９は、金属／誘電体／金属の順に積層されたＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）キャパシタ構造となっている。容量部１０９におけるキャパシタンスは、典型的には大きいほうがよく、したがって、第２誘電体１１３は誘電率が高い材料がよく、膜厚は薄いことが望まれる。第２電極１０７と第４電極１１２は同じ静電電位を有しており、本実施形態では接地されている。並列抵抗部１１０は、電流−電圧特性において線形又は非線形の抵抗特性をもつような抵抗体であり、一端は第３電極１１１に接続され、他端は接地されている。バイアス電源１０５（電源２５）は、給電線１１４を介して第３電極１１１と接続されており、他端は接地されている。

ここで、ＲＴＤ１０１にバイアスを供給するために、共振器１０２の第１電極１０６にバイアス電源１０５を接続する必要がある。この際、共振器１０２内の共振電磁界の損失とはならないこと、放射電磁波パターンと干渉しないことが求められる。ここで、ＲＴＤ１０１とバイアス電源との間に、容量部１０９と並列抵抗部１１０とを配置することにより、安定化回路を構成することが、非特許文献１（ＩＥＥＥ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＡＮＤ ＧＵＩＤＥＤ ＷＡＶＥ ＬＥＴＥＲＳ，ＶＯＬ．５，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ １９９５ ｐｐ２１９−２２１）に開示されている。

本実施形態に係る発振器は、この点に関して、線路１０３を介して共振器１０２と容量部１０９を電気的に接続することで、上述した要請を満たす。すなわち、線路１０３の一端は、第１電極１０６上の、共振器１０２内で共振する電磁界の定在波が節となるｐｏｒｔ１で、第１電極１０６と接続される。また、線路１０３の他端は、容量部１０９の第３電極１１１上のｐｏｒｔ２で接続される。

ここで、線路１０３の長さＬは、λ／４（λ／４線路）が好適である。これにより、アンテナ共振器からの高周波の漏れがより効果的に低減される。また、ＲＴＤへの直列抵抗成分が低減される。

これは、ｐｏｒｔ１のアドミタンスＹ_１１、
Ｙ_１１＝Ｙ_１０３（Ｙ_２２＋ｊＹ_１０３ｔａｎ（βＬ））／（Ｙ_１０３＋ｊＹ_２２ｔａｎ（βＬ）） （式１）
を参照すると理解できる。ここで、βは２π／λである。Ｙ_１０３は線路１０３の特性アドミタンスを示す。ｐｏｒｔ２のアドミッタンスＹ_２２は、容量部１０９と並列抵抗部１１０の合成アドミッタンスで求められる。この式１を解くと、共振波長より長い波長領域においてｐｏｒｔ１とｐｏｒｔ２は電気的にほぼ等価となり、実質、ｐｏｒｔ１に安定化回路１０４を接続したことと等価になる。ここで、図３（ａ）の解析例からも明らかなように、線路１０３の長さＬは、例えばλ／４丁度のとき、Ｙ_１１は極小となり、安定化回路１０４は共振器１０２内の共振電磁界の損失とはならなくなる。なお、この場合、損失のレベルは一定以下であればよいので、線路１０３の長さＬはλ／４近傍であればよい。また、λ／４の他、３λ／４、５λ／４等といったλ／４の（２ｍ−１）倍であっても良い（ｍ：自然数）。さらに、ｐｏｒｔ１が共振器１０２内で共振する電磁界の定在波の節であれば、線路１０３の長さは任意であってもよい。例えば、線路長をλ_２／２近傍にして高い周波数（λ_２）の寄生発振を抑制することも出来る。ここで、λは定在波の波長であり、λ_２はλ_２＜λを満たす共振部１０２内を共振する電磁波の波長であって、共振部１０２の高次共振点や高調波などが該当する。また、λ_２／２の他、λ_２、３λ_２／２等といったλ_２／２のｎ倍であっても良い（ｎ：自然数）。また、線路１０３の幅は、線路１０３の特性インピーダンスが高くなり、且つ、ＲＴＤ１０１に対して大きな直列抵抗とならないような幅に適宜設計する。

共振波長（λ）より長い波長領域において、ｐｏｒｔ２は、容量部１０９により第３電極１１１上の全面に拡張される。従って、例えば、本実施形態では、第３電極１１１上の任意の位置で並列抵抗部１１０及び給電線１１４を第３電極１１１と接続することが出来る。第３電極の所望の位置に並列抵抗部１１０や給電線１１４を自由に配置出来れば、発振器１００に安定化回路１０４やバイアス電源１０５からのリード線を配置することが容易になる。

非特許文献１（ＩＥＥＥ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＡＮＤ ＧＵＩＤＥＤ ＷＡＶＥ ＬＥＴＥＲＳ，ＶＯＬ．５，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ １９９５ ｐｐ２１９−２２１）によれば、並列抵抗部１１０の抵抗値は微分負性抵抗の絶対値と同じか、少し小さいくらいが良いとされており、その値は概ね数Ωから数１０Ωの間となる。このような抵抗値を、金属や合金などの比較的安定な抵抗体で得るためには、形状が数１０〜数１００μｍのオーダーとなる。つまり並列抵抗部１１０の大きさが、共振器１０２の形状（１００μｍオーダー）と同程度の大きさとなり、ＲＴＤの近くに配置すると、部材が放射電磁波パターンと干渉する可能性が高い。また、並列抵抗は比較的低抵抗なので、発振動作時の抵抗体を流れる電流に伴って並列抵抗は発熱する。このためＲＴＤの近くに並列抵抗を配置すると、熱によりＲＴＤの特性が変化する可能性がある。また、バイアス給電のためのリード線に関しても、部材のスケールの問題から、共振器内の共振電磁界の損失を最小限にしながら、リード線を共振器に直接接続することは実際上難しい。一方、バイアス電源から発振源となるＲＴＤにバイアスを供給することは、発振動作には必要不可欠である。

本実施形態に係る発振器は、共振器１０２と容量部１０９とを、線路１０３を介して接続することで、並列抵抗部１１０、給電線１１４を接続する位置を第３電極１１１上の全面に拡張することが出来る。このため、放射電磁波パターンに干渉することなく、自由にレイアウトして配置することが可能となる。例えば、比較的形状が大きく、且つ、低抵抗な並列抵抗部１１０であっても、ＲＴＤ１０１から遠い第３電極１１１の外周部に配置することが出来る。その結果、ＲＴＤへの熱の影響を気にすることなく、寄生発振を抑制して素子の安定な発振動作を実現することが可能となる。

このように、本実施形態に係る発振器１００の構成は、２電極と誘電体で構成する共振器の場合でも、共振電磁界の損失、放射電磁波パターンとの干渉などを最小限にしつつ、安定化回路１０４を挿入することが可能となる。従って、バイアス電源１０５から共振器１０２内のＲＴＤ１０１にバイアスが供給され、且つ、安定化回路１０４により寄生発振が抑制されることで、本発明の発振器１００はテラヘルツ帯での発振動作を実現する。

なお、共振器１０２の形状を、第３電極１１１が第１電極１０６の周囲を囲むような構成することが好ましい。あるいは、前記容量部１９における前記第１の導体１６が、前記共振部１２の面内方向に関して、前記共振部１２における前記第１の導体１６の周囲を囲むように構成されることが好ましい。これにより、整形した電磁波パターンが共振器より放射されることが期待される。

また、線路１０３（線路部１３）を複数有し、該複数の線路を共振器１０２に対して左右対称に２つ以上配置してもよい。また、共振器１０２は、２電極で誘電体を挟んだ構成であれば何でも良く、マイクロストリップ共振器やパッチアンテナが考えられる。

以下に本発明の具体的な実施例について詳細を説明する。

（実施例１）
本実施例に係る発振器について、図２〜図４を用いて説明する。図２（ａ）は本実施例を説明するための外観図であり、図２（ｂ）は本実施例を説明するための断面図である。図３は本実施例に係る発振器のアドミタンス解析例である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は本実施例の変形例を説明するための外観図である。

本実施例に係る発振器２００の構成について説明する。本実施例のテラヘルツ発振器２００は、基板２３０上に形成されており、主にＲＴＤ２０１、パッチアンテナ共振器２０２、線路２０３ａ及び２０３ｂ、ＭＩＭ構造２０９、ビスマス抵抗体２１０などから構成される。

ＲＴＤ２０１は、以下の構成の３重障壁量子井戸構造を用いた。
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に格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓである（不図示）。また、第一障壁層、第三障壁層は、ＩｎＰ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。この３重障壁量子井戸構造を、ノンドープＩｎＧａＡｓからなるスペーサ層（不図示）、ｎ＋ＩｎＧａＡｓから構成される電気接点層（不図示）で上下から挟む構成となっている。さらに高濃度にドーピングしたｎ＋＋ＩｎＧａＡｓから構成されるコンタクト層２２０ａ及び２２０ｂで先の構成を上下から挟むことでＲＴＤが構成される。ＲＴＤ２０１は、直径が約２μｍΦのメサ構造をしており、塩素系ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥ法により形成される。またＲＴＤ２０１は、上電極層２２１の一部である第１電極２０６と、コンタクト層２２０ｂに接続されたＧＮＤ電極２０７とで上下から電気的に接続されており、発振動作に必要なバイアスが供給される構成となっている。本実施例で用いたＲＴＤ２０１では、フォトンアシストトンネル現象により、電流密度がＪ_ｐ＝２８０ｋＡ／ｃｍ^２、ピークバレイ比が約３、微分負性抵抗が約−２２Ωの電流電圧特性が得られる。

本実施例のパッチアンテナ共振器２０２は、テラヘルツ波を効率よく空間に取り出すことが可能で、且つ、アレイ化や高出力化に有利な共振器構造である。パッチアンテナ共振器２０２は、誘電体材料の種類と厚さ、パッチアンテナの辺の長さ、ＲＴＤの大きさや位置などの材料や構造パラメータが発振周波数を決めるファクタとなる。パッチアンテナ共振器２０２は、第１電極２０６とＧＮＤ電極２０７と誘電体層２０８とから構成される。第１電極２０６とＧＮＤ電極２０７の間に誘電体層２０８がサンドイッチされた構造であり、第１電極２０６−ＧＮＤ電極２０７間の誘電体中を電磁波が定在する。第１電極２０６は上電極層２２１の一部であり、１５０μｍ×１５０μｍの正方形パターンの導体パッチが形成されている。ＲＴＤ２０１は、誘電体層２０８内に埋め込まれ、上下に配置された第１電極２０６とＧＮＤ電極２０７とでサンドイッチされたような構成となっている。また、ＲＴＤ２０１を第１電極２０６の中心からＡ’Ａ方向に４０μｍ程ずらした位置に配置することで、パッチアンテナ共振器２０２とＲＴＤ２０１とがインピーダンスマッチするように設計されている。

上電極層２２１は、リフトオフで形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）からなる金属層で、高濃度にドーピングしたｎ＋＋ＩｎＧａＡｓへの低抵抗オーミック電極として知られている。本実施例では、第１電極２０６、第３電極２１１、層２２３ａ及び層２２３ｂを上電極層２２１で一体形成している。

誘電体層２０８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２０８の層厚は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。また誘電体層２０８は上電極層２２１とＧＮＤ電極２０７をＤＣ的に絶縁する役割も果たす。本実施例では、図１（ｃ）の共振器１０２を構成する第１誘電体１０８、容量を構成する第２誘電体１１３、及び線路１０３を構成する誘電体（不図示）を誘電体層２０８で一体形成した。ＧＮＤ電極層２０７はリフトオフで形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｔｉ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ／２０ｎｍ）からなる金属層を用いた。ＧＮＤ電極層２０７は、図１（ｃ）の同電位をもつ第２電極１０７と第４電極１１２に対応しており、接地されている。ＧＮＤ電極層２０７は、ワイヤーボンディングで形成したＧＮＤ給電線２２５を介してプリント基板２２７などの上に配置されたＧＮＤ配線２２６に接続される。

こうした本実施例の発振素子２００において、λ／２パッチであるパッチアンテナ共振器２０２における発振周波数は約０．４ＴＨｚとなる。線路２０３ａと２０３ｂは、上電極層２２１にパターン形成された層２２３ａ及び２２３ｂとＧＮＤ電極層２０７とで誘電体層２０８を挟んだマイクロストリップライン型の線路である。層２２３ａ及び２２３ｂは１２μｍ×７５μｍの矩形パターンであり、マイクロストリップラインである線路２０３ａと２０３ｂが０．４ＴＨｚの発振周波数に対してλ／４線路となるような形状に設計されている。本実施例の場合、層２２３ａ及び２２３ｂが、第１電極の略中心に接続されることで、線路２０３ａ及び２０３ｂが、共振電磁界の定在波が節となる位置に配置されることになる。また、線路２０３ａ及び２０３ｂの２つをパッチアンテナ共振器２０２に対して左右対称に配置することで、配線抵抗の低抵抗化をしている。

ＭＩＭ構造２０９は図１（ｃ）の容量部１０９に対応し、第３電極２１１とＧＮＤ電極２０７と誘電体層２０８とから構成され、第３電極２１１とＧＮＤ電極２０７の間に誘電体層２０８がサンドイッチされた構造である。第３電極２１１は上電極層２２１の一部であり、本実施例においては、数ｐＦの容量を得るために１２００μｍ×２０００μｍの矩形パターンから３００×３００μｍの正方形をくり抜いたパターン形状をしている。第３電極２１１の形状は、ＭＩＭ構造２０９の容量やパッチアンテナ共振器２０２のアンテナ形状により適宜設計される。本実施例のように、第３電極２１１をパッチアンテナ共振器２０２に対して左右対称に、また、周囲を覆うように配置すれば、パッチアンテナからの放射電磁波パターンが、構成部材に偏って干渉されることが低減され、より整形されることが期待される。

本実施例では、図１（ｃ）の並列抵抗部１１０となる並列抵抗体２１０は、第３電極２１１の外周部に接続され、その他端はＧＮＤ電極層２０７と接続される。ここで、並列抵抗体２１０には半金属であるビスマスを使用し、抵抗として２０Ωを得るために２００μｍ×２００μｍ×１μｍ厚のビスマス膜をリフトオフ法で形成した。なお並列抵抗体は、ニッケルクロムなどの金属や導電性樹脂などを用いた線形抵抗体や、半導体を用いた非線形抵抗体であってもよい。ワイヤーボンディングで形成した給電線２１４は、第３電極２１１上の適当な位置が接続され、その他端はプリント基板２２７上の信号配線２２４に接続される。

図３には、これまで説明してきた本実施例の構成において、ｐｏｒｔ１とｐｏｒｔ２のアドミタンスＹ_１１とＹ_２２について解析した結果を示した。まず、図３（ａ）で示したように、ｐｏｒｔ１とｐｏｒｔ２は２０ＧＨｚ以下において電気的にほぼ等価となる。つまり、２０ＧＨｚ以下においては、実質、ｐｏｒｔ１に安定化回路２０４を接続したことになる。また、線路２０３の長さＬがλ／４であるので、発振周波数０．４ＴＨｚ近傍ではアドミタンスＹ_１１の大きさは極小となりほぼ無視することできる。また、本実施例のように線路２０３の長さＬと容量部２０９の容量を調整することで、寄生発振が抑制される周波数帯は０．１ＴＨｚ以下となる。これは、図３（ｂ）に示したように、アドミタンスＹ_１１とＲＴＤ２０１の並列共振回路において寄生発振が抑制される条件（寄生発振の抑制条件）、
Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_１１］＞０ （式２）
を満たす周波数帯が０．１ＴＨｚ以下となるからである。ここでＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］はＲＴＤのアドミタンスの実部のことで、本実施例では負性抵抗の逆数１／−２２Ω^−１となる。式１をより、容量が大きいほど寄生発振の抑制条件を満たす最高周波数は低くなる。また、線路の長さＬも長いほど寄生発振の抑制条件を満たす最高周波数は低くなるが、長くてもλ／２が限度である。このように、本発明の発振器は、発振可能な周波数帯と、発振を抑制したい周波数帯とを調整することも可能となる。

図２のような発振器２００は、バイアス電源２０５から、信号配線２２４⇒給電線２１４⇒第３電極２１１⇒線路２０３ａ及び２０３ｂ⇒第１電極２０６順に接続されてＲＴＤ２０１にバイアスが供給される。この際、給電に必要な部材とパッチアンテナ共振器２０２内の共振電磁界の損失は最小限に抑えられる。また、安定化回路２０４により、ＲＴＤ２０１及びパッチアンテナ共振器２０２からなる共振回路の寄生発振が抑制される。

このように、本実施例の発振器２００は、ＲＴＤとパッチアンテナ共振器に、共振電磁界の損失を最小限にしながら、安定化回路を集積することが出来る構成となっている。このため、本実施例の発振器２００は、寄生発振が抑制され、テラヘルツ帯での発振動作を実現することが出来る。

なお、本実施例の変形例としては、図４（ａ）に示したように、パッチアンテナ共振器３０２ａの周囲をＭＩＭ構造２０９が覆わない構成であってもよい。また、図４（ｂ）に示したように、パッチアンテナ共振器３０２ｂに１つの線路３０３を接続した構成であってもよい。

また、図６（ａ）に示したように、線路５０３をλ／４線路とし、共振器１０２の任意の位置に接続する構成であってもよい。この場合、図３（ａ）のアドミッタンス解析例にも表れているように、（２ｍ−１）λ／４の周期でアドミッタンスが極小となるので、安定化回路が共振器内の定在波の損失とはならなくなる（ｍは自然数）。また、図６（ｂ）に示したように、共振器１０２内を共振する電磁界の定在波（波長λ）の節に、線路長がλ_２／２近傍の線路６０７を配置しても良い。ここで、典型例としては、λ_２（あるいはλ´）は、共振部１０２を共振する電磁波のうち、高次共振点の波長である。また、λ（あるいはλ_１）は、共振部１０２を共振する電磁波のうち、基本共振点の波長に相当し、λ_２＜λを満たす。この場合、発振器６００は、図３のアドミッタンス解析例にも表れるように、λより高い周波数（λ_２）においてもｎλ_２／２の周期でアドミッタンスが大きくなり式２を満たすため、共振器１０２に特有の高次の発振が抑制される（ｎは自然数）。

また、２電極で誘電体を挟む共振器のその他の例として、本実施例に係る発振器を高周波化する上で好適な構造であるスロットアンテナ共振器を用いても良い。さらに、本発明の発振器を、同一基板上に複数個アレイ状に配置すれば、より高出力なテラヘルツ電磁波を発生可能な発振器が実現される。なお、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。

本実施例では、ＲＴＤ２０１として、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半導体素子を提供することができる。例えば、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。これら構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すれば良い。なお、本発明ではキャリアが電子である場合を想定して説明をしているが、これに限定されるものではなく、正孔（ホール）を用いたものであっても良い。また、基板２３０の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン基板、ガリウムヒ素基板、インジウムヒ素基板、ガリウムリン基板などの半導体基板や、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。

（実施例２：共振器が導波路構造）
実施例２について、図５を用いて説明する。本実施例は、共振器にプラズモン導波路構造を用いて構成される発振器である。プラズモン導波路構造は、２電極４０６と４０７で誘電体層４０８を挟み込んだ共振器の内部にＲＴＤ４０１が配置された構造であり、本実施例に係る発振器をより高出力化する上で好適な構造となっている。なお、４１４は、給電線である。

ここで、ＲＴＤ４０１は紙面鉛直方向に連続に配置されても良い。（不図示）、また、図５のように、複数のＲＴＤ４０１を共振器内に周期的に配置しても良い。この場合、本実施例の発振器は、共振する電磁界の定在波が節となる複数のｐｏｒｔ１に複数の線路（例えば４０３ａと４０３ｂ）を接続するような構成にすることも出来る。ここで、典型例としては、複数の線路が、基本共振する電磁波の波長λよりも長い波長領域の電磁波を抑制するための第１の線路部と、波長λ´（λ´はλよりも短い波長。）で高次共振する電磁波を抑制するための第２の線路部（第１の線路部とは別の線路部）とから構成されることが好ましい。このとき、第１の線路部の線路長が（２ｍ−１）λ／４（ｍ：自然数）近傍のであり、第２の線路部の線路長がｎλ´／２（ｎ：自然数）近傍である。なお、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。

１１ 共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）
１２ 共振部
１３ 線路部
１４ 第１の誘電体
１５ 第２の誘電体
１６ 第１の導体
１７ 第２の導体
１８ 第３の導体
１９ 容量部

Claims (20)

1. 電磁波を発振する発振器であって、
   第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されている第１の誘電体と、前記第１の電極及び前記第２の電極と電気的に接続している負性抵抗素子と、を含み、前記電磁波を共振する共振部と、
   第３の電極と、第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極との間に配置されている第２の誘電体と、を含む容量部と、
   前記第１の電極及び前記第３の電極と電気的に接続している線路と、
   前記第３の電極及び前記第４の電極と電気的に接続している抵抗と、を備え、
   前記線路は、前記第１の電極の第１の位置と前記第３の電極の第２の位置とを接続しており、
   前記第１の位置と前記第２の位置とは、前記電磁波の波長より長い波長領域の少なくとも一部において電気的に略等価である
   ことを特徴とする発振器。
2. 前記負性抵抗素子のアドミタンスの実部をＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］、前記共振部のアドミタンスの実部をＲｅ［Ｙ_１１］とすると、前記電磁波の波長より長い波長領域において下記式を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
   Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_１１］＞０
3. 前記第１の位置のアドミタンスと前記第２の位置のアドミタンスとは、前記電磁波の波長より長い波長領域の少なくとも一部において、略等しい
   ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
4. 前記第１の位置は、前記第１の電極上における、前記共振部で共振する定在波の節となる位置である
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発振器。
5. 前記共振部を共振する電磁波の波長をλとするとき、前記線路の長さが、（２ｍ−１）λ／４（ｍ：自然数）近傍である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発振器。
6. 前記共振部を共振する電磁波の波長より短い波長をλ´とするとき、前記線路の長さが、ｎλ´／２（ｎ：自然数）近傍である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発振器。
7. 前記抵抗は、前記第３の電極の外周部に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発振器。
8. 前記第３の電極は、前記第１の電極の周囲を囲むように配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発振器。
9. 複数の前記線路を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の発振器。
10. 前記複数の前記線路は、前記共振部に対して対称に配置されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の発振器。
11. 前記負性抵抗素子に電圧を印加する電源と、
    前記第３の電極と前記電源とを電気的に接続する給電線と、を更に備える
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の発振器。
12. 前記電磁波は、テラヘルツ波である
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の発振器。
13. 前記共振部は、パッチアンテナを含む
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の発振器。
14. 前記容量部は、前記負性抵抗素子に対して電気的に並列に接続している
    ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の発振器。
15. 前記抵抗は、前記負性抵抗素子に対して電気的に並列に接続している
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の発振器。
16. 前記負性抵抗素子は、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乃至１５のいずれか１項に記載の発振器。
17. 前記第１の電極と前記第３の電極とは、同じ導体で構成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の発振器。
18. 前記第２の電極と前記第４の電極とは、同じ導体で構成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の発振器。
19. 前記第１の誘電体と前記第２の誘電体とは、同じ誘電体で構成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の発振器。
20. 電磁波を発振する発振器であって、
    第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されている第１の誘電体と、前記第１の電極及び前記第２の電極と電気的に接続しており且つサブバンド間でのキャリアの遷移により前記電磁波を発生させる活性層と、を含み、前記電磁波を共振する共振部と、
    第３の電極と、第４の電極と、前記第３の電極と前記第４の電極との間に配置されている第２の誘電体と、を含む容量部と、
    前記第１の電極及び前記第３の電極と電気的に接続している線路と、
    前記第３の電極及び前記第４の電極と電気的に接続している抵抗と、を備え、
    前記線路は、前記第１の電極の第１の位置と前記第３の電極の第２の位置とを接続しており、
    前記第１の位置と前記第２の位置とは、前記電磁波の波長より長い波長領域の少なくとも一部において電気的に略等価である
    ことを特徴とする発振器。

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