JP6099114B2 - 無線伝送装置 - Google Patents

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Description

本発明は、無線伝送装置に関し、特に、共鳴トンネルダイオードを用いて、単一の素子でテラヘルツ発振素子としても、テラヘルツ検出素子としても機能するテラヘルツ発振検出素子を用いた無線伝送装置に関する。
近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる新しい現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。
一方、そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる、周波数が０．１ＴＨｚ（１０11Ｈｚ）〜１０ＴＨｚの周波数領域を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されることが期待されている。
テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振する素子としては、トランジスタやダイオードなどの能動デバイスに微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
また、アンテナ両端のスロット線路上に金属と絶縁体層を付加して高周波的に短絡した構造を持つ素子が開示されている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。この発振素子は、作製が簡単であって、微細化に適するなどの特徴を有している。
図３６は、ＲＴＤ（Resonant Tunneling Diode：共鳴トンネルダイオード）とスロットアンテナを組み合わせて作製した発振素子の模式的鳥瞰図である。スロットアンテナ１００の中央付近にＲＴＤからなる能動素子１０９が配置され、スロットアンテナ１００の両端には、金属と絶縁体が積層され、絶縁体を上下の電極金属によって挟み込んだＭＩＭ（Metal Insulator Metal）構造が形成されている。ここで、ＭＩＭ構造は、第２の電極１０４／絶縁層１０３／第１の電極１０２からなり、高周波的に短絡されるようになっている。
第２の電極１０４は、第１の電極１０２と絶縁層１０３を介して重なっている部分の中央部に２箇所の凹部１０５、１０６が形成されており、この２つの凹部１０５、１０６に挟まれた状態で凸部１０７が形成されている。そして、第２の電極１０４の凸部１０７の略中央部には突起部１０８が形成され、この突起部１０８の下側に第１の電極１０２と挟まれるようにして能動素子１０９が配置されている。なお、第２の電極１０４と第１の電極１０２には直流電源１１５が接続されるとともに、寄生発振を防止するために、ビスマス（Ｂｉ）などの材料で形成された寄生発振抑圧抵抗１１４が接続されている。
半導体基板１０１の構成材料としては、半絶縁性（ＳＩ：Semi-Insulating）のＩｎＰが用いられる。ＲＴＤの両側に作られるスロットアンテナ１００は、共振器と電磁波の放射アンテナとを兼ねている。この発振素子においては、半導体基板１０１に対して上方向と下方向の２方向に電磁波が放射される構造になっている。このため、例えば、図３７に示すように、上下垂直方向に放射する電磁波（ｈν）を集光するためのシリコン半球レンズ１２０を新たに設ける必要がある。
図３６に示す従来のテラヘルツ発振素子は、絶縁層１０３と同じ平面上に配置されるトランジスタやダイオードなどの能動素子１０９をスロットアンテナ１００の中央部に配置し、スロット線路の両端を直角に曲げ、この部分を金属／絶縁体／金属の層構造で覆うようにしている。このため、金属／絶縁体／金属の層構造で覆った部分は、ＲＦ反射部１５０ａ,１５０ｂを構成し、高周波的に短絡になり、スロットアンテナ１００が構成される。このスロットアンテナ１００は、直流的には開放状態になっているため、能動素子１０９に直流を供給することができる。
図３６および図３７において、スロットアンテナ１００の上方は空気であるため、比誘電率εair＝１である。スロットアンテナ１００の下方は、半導体基板１０１として、ＩｎＰ基板を使用するため、比誘電率εInP＝１２．０１である。ここで、全体の発振出力に対するスロットアンテナ１００の下方への発振出力の割合は、εInP 3/2／（εair 3/2＋εInP 3/2）＝０．９７で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約９７％は、ＩｎＰ基板側に放射されている。
この構造の発振素子によって、室温でテラヘルツ帯１．０２ＴＨｚ（１０１２Ｈｚ）の発振が実現されている。すなわち、試作された素子によれば、基本波の発振周波数を３４２ＧＨｚとし、出力が２３μＷであった。そして、基本波の第３高調波として１．０２ＴＨｚの電磁波が同時に出力され、この第３高調波の出力は０．５９μＷであったと報告されている（非特許文献３を参照。）。また最近では、室温でテラヘルツ帯１．０４ＴＨｚの基本波発振が実現されている（非特許文献４を参照）。
しかしながら、これら非特許文献１、２、３で提案した発振素子は、高周波短絡構造が不十分なため、高周波電磁波が発振する方向とは直角のＲＦ反射部１５０ａ,１５０ｂ方向に漏れてしまい、その分が損失となり、高出力が得られないという問題があった。
また、図３６に示すような構造のテラヘルツ発振素子では、横方向に発振される電磁波の電力が相対的に小さいため、基板上に集積化する上で実用に供されるものではなかった。
一方、周波数可変の発振素子から発振される比較的広い帯域幅を持った周波数帯の電磁波であっても、その発振周波数全域にわたりスロット線路からの漏れを無くして高効率かつ高出力の電磁波を発振することができるテラヘルツ発振素子についても開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、ＲＴＤなどで構成される能動デバイスを備えた微細スロットアンテナの両端部に多段のスタブを設け、この多段スタブから比較的広い帯域幅を持った電磁波の周波数帯を反射させ、この多段スタブ回路を設けたことにより、能動素子から発振される電磁波の漏れが反射されて能動素子に戻るため、帯域の広い高出力の発振出力が得られ、発振素子に用いる能動素子が周波数可変の場合にも、それに対応して発振出力が得られる。
しかしながら、非特許文献３および特許文献１に開示された発振素子は、基板に対して垂直な方向に電磁波を放射するため、図３７に示すように、上下垂直方向に放射する電磁波（ｈν）を集光するためのシリコン半球レンズ１２０を新たに設ける必要があり、基板上に集積化する上で問題点があった。
また、従来のテラヘルツ発振素子は、基板として、相対的に高い誘電率を有するＩｎＰ基板からなる半導体基板を用いるため、全体の発振出力の内、約９７％は、ＩｎＰ基板側に放射され、目的の横方向への発振出力は、相対的に小さく、極めて指向性が低かった。
一方、３００ＧＨｚ無線通信方式では、１６ＧＨｚ発振器と複数の逓倍器を用いて、約２０ｃｍ角程度のユニットにより、３００ＧＨｚ電磁波を発生させているものがある（例えば、非特許文献５参照）。また、２個の１５５０ｎｍ帯半導体レーザを用いて、光変調技術を応用したものがある（例えば、非特許文献６参照）。しかしながら、いずれも小型とは言えず、変調方式も電気的直接変調方式ではない。
また、テラヘルツ検出素子としては、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）によるものが知られているが、ＳＢＤは検出素子としてしか使えない。
従来は、送信機には送信用専用の発振器があり、該発振器からのキャリア周波数の信号を変調して送信し、受信機ではダイオード等の検波器で直接検波を行う、あるいは別途発振器を用意してヘテロダイン検波を行っていた。すなわち、送信と受信の機能は、個別の部品によって実現されていた。
特開２００７−１２４２５０号公報
N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: "Millimeter and Submillimeter Oscillators Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with Stacked-Layer Slot Antenna," Jpn.J.Appl.Phys. vol.67, L1309 (2004). N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: "Millimeter and Submillimeter Oscillator Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with a novel RF short structure," Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves (IRMMW2004), （赤外とミリ波国際会議）Karlsruhe (Germany), M5.3 (Sept. 2004) pp.121-122. N. Orihashi, S. Suzuki, and M. Asada:"HarmonicGeneration of 1THz in Sub-THz Oscillating Resonant Tunneling Diode," [IRMMW2005／TＨz2005（The Joint 30th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 13th Infrared Conference on Terahertz Electronics）2005.9.19-23] S. Suzuki, A. Teranishi, M. Asada, H. Sugiyama, and H. Yokoyama, "Increase of fundamental oscillation frequency in resonant tunneling diode with thin barrier and grated emitter structures," Int. Conf. Infrared, Millimeter, and Teraherz waves, Tu-C1.2, Rome, Sept.7, 2010 C.Jastrow, S. Priebe, B. Spitschan, J. Hartmann, M. Jacob, T. Kurner, T. Schrader, and T. Kleine-Ostmann, "Wireless digital data transmission at 300GHz,"Elecron. Lett., vol. 46, pp.661-663, 2010. T. Nagatsuma, H.- J. Song, Y. Fujimoto, K. Miyake, A. Hirata, K. Ajito, A. Wakatuski, T. Furuta, N. Kukutsu, and Y. Kado, "Giga-bit wireless link using 300-400 GHz bands," Tech. Dig. IEEE International Topical Meeting on Microwave Photonics, Th.2.3, 2009
本発明の目的は、共鳴トンネルダイオードと呼ばれるデバイスを用い、ひとつだけで送信素子と受信素子を兼ねた機能を実現し、送受信器の小型化を可能とする無線伝送装置を提供することにある。
本発明の目的は、共鳴トンネルダイオードを用いて、単一の素子でテラヘルツ発振素子としても、テラヘルツ検出素子としても機能するテラヘルツ発振検出素子を用い、単純な振幅遷移変調によるテラヘルツ信号の送受信が可能な無線伝送装置を提供することにある。
本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された第２の電極と、前記第２の電極と電気的に接続されて前記基板上に配置され、テラヘルツ波を発振および検出可能な共振器と、前記共振器と電気的に接続されて前記基板上に配置された第１の電極と、を備えた無線伝送装置であって、前記共振器は、前記共振器に印加されるバイアス電圧とそれによって発生する電流との関係が非対称の順方向および逆方向電流電圧特性を有して、負性微分抵抗を示す第１動作点で発振素子として動作し、負性抵抗領域ではない非線形特性を示し且つ前記バイアス電圧によって発生する電流の変化の極大点又は極小点であると共に、電流−電圧特性上の動作点が非発振状態にあり、且つ微分抵抗の変化率を最大化して検出感度を極大とする第２動作点で検出素子として動作し、所定のオフセット電圧をオフレベルとして前記非発振状態である前記第２の動作点に設定し、前記オフセット電圧のバイアスレベルから入力電圧をパルス状に変化させて、前記入力電圧の印加されるレベルをオンレベルとして、発振状態である前記第１の動作点に設定する無線伝送装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、第１テラヘルツ発振検出素子を備えるテラヘルツ送信器と、第２テラヘルツ発振検出素子を備えるテラヘルツ受信器とを備え、前記第１テラヘルツ発振検出素子は、前記第１テラヘルツ発振検出素子に印加されるバイアス電圧とそれによって発生する電流との関係が非対称の順方向および逆方向電流電圧特性を有して、負性微分抵抗を示す領域に第１動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波を発生すると共に、前記第２テラヘルツ発振検出素子は、負性抵抗特性ではない非線形性を示し且つ前記バイアス電圧によって発生する電流の変化の極大点又は極小点であると共に、電流−電圧特性上の動作点が非発振状態にあり、且つ微分抵抗の変化率を最大化して検出感度を極大とする領域に第２動作点を有することによって、前記第１テラヘルツ発振検出素子から発生されたテラヘルツ電磁波を検出し、所定のオフセット電圧をオフレベルとして前記非発振状態である前記第２の動作点に設定し、前記オフセット電圧のバイアスレベルから入力電圧をパルス状に変化させて、前記入力電圧の印加されるレベルをオンレベルとして、発振状態である前記第１の動作点に設定する無線伝送装置が提供される。
本発明によれば、共鳴トンネルダイオードと呼ばれるデバイスを用い、ひとつだけで送信素子と受信素子を兼ねた機能を実現し、送受信器の小型化を可能とする無線伝送装置を提供することができる。
本発明によれば、共鳴トンネルダイオードを用いて、単一の素子でテラヘルツ発振素子としても、テラヘルツ検出素子としても機能するテラヘルツ発振検出素子を用い、単純な振幅遷移変調によるテラヘルツ信号の送受信が可能な無線伝送装置を提供することができる。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の模式的鳥瞰図。 （ａ）図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。 （ａ）実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるＲＴＤの模式的断面構造図、（ｂ）図３（ａ）の変形例の模式的断面構造図。 （ａ）実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の発振素子としての模式的回路構成図、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ発振検出素子の発振素子としての簡易等価回路構成図。 （ａ）実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の発振素子としてのアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図、（ｂ）図５（ａ）のＲＴＤの等価回路構成図。 （ａ）実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子としての模式的回路構成図、（ｂ）実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子としての簡易等価回路構成図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子としてのアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の順方向および逆方向の電流−電圧特性例。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の発振素子動作において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例を示す図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子動作において、送信側ＰＤの光電流と受信感度との関係の一例を示す図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子動作において、送信側ＰＤの光電流とビットエラーレートＢＥＲとの関係の一例を示す図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子動作特性の測定系の一例を示す模式的ブロック構成図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の順方向の電流−電圧特性の一例を示す図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の発振素子動作において、共振器長Ｌ１をパラメータとする発振周波数ｆとピーク電流Ｉpの関係の一例を示す図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の発振素子動作において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例を示す図。 テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置の動作説明であって、テラヘルツ発振検出素子の電流−電圧特性上におけるバイアス点と、入力電圧ＶAC、オフセット電圧Ｖoffsetの関係を示す図。 テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置において、３００ＧＨｚ発振条件を得る上で最適なバイアス条件を決定するためのオフセット電圧Ｖoffsetと入力電圧ＶACの関係を示す図。 テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置において、入力電圧ＶACをパラメータとして得られた規格化電力とオフセット電圧Ｖoffsetの関係を示す図。 テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置の模式的ブロック構成図。 テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置によって得られたアイパターン例。 テラヘルツ検出素子として適用可能な比較例に係るショットキーバリアダイオードの電流−電圧特性の模式図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の電流−電圧特性の模式図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の電流−電圧特性例であって、室温動作時、テラヘルツ波の照射時（Ａ）と、テラヘルツ波の非照射時（Ｂ）の特性例。 テラヘルツ発振検出素子を発振素子および検出素子として適用する実施の形態に係る無線伝送装置の模式的ブロック構成図。 テラヘルツ発振検出素子を発振素子および検出素子として適用する実施の形態に係る無線伝送装置の模式的平面パターン構成図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用される変形例１に係るテラヘルツ発振検出素子の模式的鳥瞰図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用される変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子の模式的鳥瞰図。 図２７に対応した第１の電極４、第２の電極２ａおよび半導体層９１ａのパターン構造の模式的平面図。 （ａ）図２７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図２７のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図。 変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子において、絶縁体基板をサンプル表面に貼付け、半導体基板を除去した様子を示す模式的鳥瞰図。 図３０の裏面から見た様子を示す模式的鳥瞰図。 変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子の電磁界シミュレーション結果。 （ａ）実施の形態に係る無線伝送装置に適用される変形例３に係るテラヘルツ発振検出素子の電極パターン構造の模式的平面図、（ｂ）実施の形態に係る無線伝送装置に適用される変形例４に係るテラヘルツ発振検出素子の電極パターン構造の模式的平面図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用される変形例５に係るテラヘルツ発振検出素子の模式的平面図。 実施の形態に係る無線伝送装置に適用される変形例６に係るテラヘルツ発振検出素子の模式的平面図。 従来のテラヘルツ発振素子の構造を示す模式的鳥瞰図。 シリコン半球レンズ上に配置した従来のテラヘルツ発振素子の構造を示す模式的鳥瞰図。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
[実施の形態]
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の模式的鳥瞰構造は、図１に示すように表され、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図２（ａ）に示すように表され、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図２（ｂ）に示すように表される。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子は、非対称の順方向および逆方向電流電圧特性を有する能動素子９０を備え、負性微分抵抗を示す第１動作点で発振素子として動作し、負性抵抗領域ではない非線形特性を示す第２動作点で検出素子として動作する。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の模式的鳥瞰構造は、図１〜図２に示すように、半導体基板１と、半導体基板１上に配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された絶縁層３と、第２の電極２に対して絶縁層３を介して配置され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備え、能動素子９０は、共振器６０の略中央部に配置される。
能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能である。その他の能動素子としては、例えば、タンネット（ＴＵＮＮＥＴＴ：Tunnel Transit Time）ダイオード、インパット（ＩＭＰＡＴＴ：Impact Ionization Avalanche Transit Time）ダイオード、ＧａＡｓ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＧａＮ系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ:Heterojunction Bipolar Transistor）などを適用することもできる。
ホーン開口部８０は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、電磁波（ｈν）の放射方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に取り出すために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を空気中に効率よく取り出すことができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
共振器６０には、２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれて、凸部７が形成されている。そして、第１の電極４の凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に第２の電極２と挟まれるように、能動素子９０が配置される。
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１の電極４と第２の電極２との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。能動素子９０の詳細構造については後述する。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
また、図１に示すように、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、狭い。
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第１の電極４と第２の電極２は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、後述する半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４ａ，４ｂ，４ｃおよび第２の電極２，２ａの各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４、第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
さらに詳細には、第１の電極４ａおよび第１の電極４ｃは、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第１の電極４ｂは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第２の電極２ａは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。
尚、第１の電極４ｂの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ（図示省略）によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第２の電極２ａの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ（図示省略）によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。
絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。絶縁層３は、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
―共鳴トンネルダイオード―
実施の形態に係る無線伝送装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造は、図３（ａ）に示すように表され、その変形例の模式的断面構造は、図３（ｂ）に示すように表される。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用される能動素子９０としてＲＴＤの構成例は、図３（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上に配置され,ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａと、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎＩｎＧａＡｓ層９２ａと、ｎＩｎＧａＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂと、ＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置されたアンドープのＡｌＡｓ層９４ａ／アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５／アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂと、アンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎＩｎＧａＡｓ層９２ｂと、ｎＩｎＧａＡｓ層９２ｂ上に配置され,ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｂと、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｂ上に配置された第１の電極４ａと、ｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２とを備える。
変形例では、図３（ｂ）に示すように、ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に更にｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｃを配置し、第１の電極４ａとのコンタクトを良好にしている。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ＲＴＤ部は、アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５をアンドープのＡｌＡｓ層９４ａ、９４ｂで挟んで形成されている。このように積層されたＲＴＤ部は、スペーサとして用いられるアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ａ、９３ｂを介在させてｎＩｎＧａＡｓ層９２ａ、９２ｂ、及びｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂ、若しくは９１ｃを介して、第２の電極２と第１の電極４にオーミックに接続される構造となっている。
尚、図３（ａ）および図３（ｂ）の構造において、さらに半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上にアンドープのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層をｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａとの間に介在させても良い。
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂ・９１ｃの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ・８ｎｍ程度である。ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａおよび９２ｂの厚さは、略等しく、例えば、約２５ｎｍ程度である。アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａ・９３ｂの厚さは、例えば、約２ｎｍ・２０ｎｍ程度である。アンドープＡｌＡｓ層９４ａ・９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．１ｎｍ程度である。アンドープＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造においては、アンドープのＡｌＡｓ層９４ａ／アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５／アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部を挟むアンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａの厚さを約２ｎｍ、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ｂの厚さを約２０ｎｍと非対称に設定することによって、後述する図８に示すように、順方向―逆方向のＩ−Ｖ特性を非対称にすることができる。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造においては、エピタキシャル構造を非対称にすることで、順方向と逆方向のＩ−Ｖ特性が非対称となり、印加電圧を変えることによって、発振素子、検出素子を使い分けることが可能となる。
またダイオードによる検出には、Ｉ−Ｖ特性の非線形性が大きい方が感度が良いが、ＲＴＤは負性抵抗を示すので、非線形性が大きく、高感度な検出が可能である。
ここで、ＩｎxＧａ1-xＡｓからなる各層のＩｎ組成比ｘは、例えば以下の通りである。
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂにおいてはｘ＝０．５３、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｃにおいてはｘ＝０．７、ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂにおいてはｘ＝０．５３、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ｂにおいてはｘ＝０．５３、アンドープＧａＩｎＡｓ層９５においてはｘ＝０．８である。
ここで、各層のドーピングレベルは、例えば以下の通りである。
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂのドーピングレベルは、約２．００Ｅ＋１９（ｃｍ-3）、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｃのドーピングレベルは、約２．００Ｅ＋１９（ｃｍ-3）、ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂのドーピングレベルは、約３．００Ｅ＋１８（ｃｍ-3）であり、いずれもドーパントは、例えば、シリコン（Ｓｉ）を適用可能である。
なお、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
能動素子９０を構成するＲＴＤの寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度以下である。例えば、室温で観測した発振周波数は、約３００ＧＨｚ程度である。また、例えば、発振時における素子の電流密度Ｊｐは、約７ｍＡ／μｍ2程度である。
―回路構成―
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の発振素子としての模式的回路構成は、図４（ａ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤと、ＭＩＭリフレクタ５０を構成するキャパシタＣＭの並列回路によって表される。第１の電極４にはＲＴＤのカソードが接続され、第２の電極２には、ＲＴＤのアノードが接続され、第１の電極４にはマイナスの電圧、第２の電極２にはプラスの電圧が印加される。発振状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向に電磁波（ｈν）が指向性良く伝播される。
図４（ａ）に対応する簡易等価回路構成は、図４（ｂ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤは、キャパシタＣ０１とインダクタＬ０１の並列回路で表わすことができ、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタＣＭがさらに並列に接続されるため、テラヘルツ電磁波（ｈν）の発振周波数ｆは、ｆ＝１／[２π（Ｌ０１（Ｃ０１＋ＣＭ）1/2）で表される。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の発振素子としてのアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図５（ａ）に示すように、ダイオード（ＲＴＤ）系を表す能動素子９０・キャパシタＣＭの並列回路に対して、アンテナ（ＡＮＴ）系を表すアンテナインダクタＬ・アンテナキャパシタＣＡ・アンテナ放射抵抗ＧANTの並列回路が並列に接続される。
図５（ａ）の能動素子９０を構成するＲＴＤの等価回路構成は、図５（ｂ）に示すように、コンタクト抵抗Ｒc・コンタクトキャパシタＣcからなるコンタクト部分の並列回路と、外部ダイオードキャパシタＣＤ・内部ダイオードキャパシタＣｄ・ダイオード負性抵抗（−Ｇｄ）からなるダイオード部分の並列回路と、インダクタＬＭ・抵抗ＲＭからなるメサ部分の直列回路が直列接続された構成を備える。
ここで、実施の形態に係るテラヘルツ発振検出素子のアンテナ系も含めた等価回路全体のアドミッタンスＹは、
Ｙ＝Ｙｄ＋Ｙｃ・Ｙａ・Ｙｍ／（Ｙｃ・Ｙａ＋Ｙａ・Ｙｍ＋Ｙｃ・Ｙｍ）
で表される。ここで、Ｙｄ＝−Ｇｄ＋ｊωＣｄ、Ｙｃ＝１／Ｒｃ＋ｊωＣｃ、Ｙｍ＝１／（Ｒｍ＋ｊωＬｍ）であり、Ｙａはアンテナ系のアドミッタンス、ωは発振角周波数を表す。各パラメータは、能動素子９０を構成するダイオード（ＲＴＤ）の物性値から求めることができる。また、発振条件Ｒｅ（Ｙ）≦０，Ｉｍ（Ｙ）＝０を解くことによって、発振周波数、発振出力が得られる。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子としての模式的回路構成は、図６（ａ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤと、ＭＩＭリフレクタ５０を構成するキャパシタＣＭの並列回路によって表される。第１の電極４にはＲＴＤのアノードが接続され、第２の電極２には、ＲＴＤのカソードが接続され、第１の電極４にはマイナスの電圧、第２の電極２にはプラスの電圧が印加される。検出状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向からの電磁波（ｈν）が指向性良く検出される。
図６（ａ）に対応する簡易等価回路構成は、図６（ｂ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤは、キャパシタＣ０１とインダクタＬ０１の並列回路で表わすことができ、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタＣＭがさらに並列に接続される。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図７に示すように、ダイオード（ＲＴＤ）系を表す能動素子９０・キャパシタＣＭの並列回路に対して、アンテナ（ＡＮＴ）系を表すアンテナインダクタＬ・アンテナキャパシタＣＡ・アンテナ放射抵抗ＧANTの並列回路が並列に接続される。
図７の能動素子９０を構成するＲＴＤの等価回路構成は、図５（ｂ）と同様に表される。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の順方向および逆方向の電流−電圧特性例は、図８に示すように表される。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造においては、図３（ａ）および図３（ｂ）において説明したように、エピタキシャル構造を非対称にすることで、図８に示すように、順方向と逆方向のＩ−Ｖ特性が非対称となる。したがって、印加電圧を変えることによって、発振素子、検出素子を使い分けることが可能となる。すなわち、例えば、図８において、順方向特性上の動作点ＤＥにおいては、非線形特性を示すため、検出素子として動作可能であり、しかも検出時のＳ／Ｎ比を高めることができる。一方、図８において、逆方向特性上の動作点ＯＳにおいては、負性微分抵抗特性を示すため、発振素子として動作可能である。
尚、ここで順方向―逆方向の名称は便宜的なものであり、どちらか一方を順方向と決定すれば、他方は逆方向となる。その理由は、ＲＴＤは非対称のエピタキシャル成長層の構成を有するが、２端子構造であって、順方向―逆方向電流電圧特性のいずれにも負性抵抗領域を有することから、どちらか一方のＮＤＲ領域に発振素子としての動作点ＯＳを決めると、他方の電流電圧特性上の負性抵抗特性ではない非線形特性領域に検出素子としての動作点ＤＥを決めることができるからである。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の発振素子動作において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例は、図９に示すように表される。図９の例では、発振周波数ｆは、約２８０ＧＨｚである。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子動作において、送信側フォトダイオード（ＰＤ）の光電流と受信感度との関係の一例は、図１０に示すように表される。受信感度は、ピークツーピークの電圧振幅ＶP-P（ｍＶ）で表されている。図１０中には比較のためにテラヘルツ電磁波の検出素子としてショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を用いた例も示されている。図１０から明らかなように、実施の形態に係るテラヘルツ発振検出素子の検出素子動作においては、ＳＢＤに比較して、送信側フォトダイオード（ＰＤ）の光電流が低い領域に対応する低電力側において、より高感度な特性が得られている。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子動作において、送信側ＰＤの光電流とビットエラーレートＢＥＲとの関係の一例は、図１１に示すように表される。図１１から明らかなように、実施の形態に係るテラヘルツ発振検出素子の検出素子動作においては、送信側フォトダイオード（ＰＤ）の光電流が低い領域に対応する低電力側において、ＳＢＤと同程度のビットエラーレートＢＥＲ特性が得られている。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の検出素子動作特性の測定系の模式的ブロック構成は、図１２に示すように、テラヘルツ発振検出素子３８と、テラヘルツ発振検出素子３８に接続されたバイアスＴ回路３４と、バイアスＴ回路３４に接続されたＤＣ電源６２およびプリアンプ４６と、プリアンプ４６に接続されたリミッティング増幅器４８と、リミッティング増幅器４８に接続されたオシロスコープ５２およびエラー検出器５４を備える。
―テラヘルツ無線伝送装置―
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の電流−電圧特性の一例は、図１３に示すように表され、約０．７５Ｖにおいて、ピーク電流Ｉpの値は、約１２ｍＡが得られている。また、０．７Ｖ〜１．０Ｖの範囲において、負性微分抵抗（ＮＤＲ：Negative Differential resistance）得られている。峰谷比（peak-to-valley ratio）は、約３である。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子において、共振器長Ｌ１をパラメータとする発振周波数ｆとピーク電流Ｉpの関係の一例は、図１４に示すように表される。共振器長Ｌ１＝８０μｍでは、約２５０〜３００ＧＨｚ、Ｌ１＝６０μｍでは、約３００〜３２０ＧＨｚ、Ｌ１＝４０μｍでは、約３５０〜３７０ＧＨｚ、Ｌ１＝２０μｍでは、約３８０〜４００ＧＨｚの発振周波数ｆが得られている。ピーク電流Ｉpの値は、約４〜１０ｍＡである。共振器長Ｌ１が短くなると、発振周波数ｆは増加する傾向にある。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例は、図１５に示すように表される。室温で、約３００ＧＨｚの発振周波数ｆが得られている。この発振周波数ｆの値は、図３に示される各層の構造、メサ領域の寸法、アンテナ構造などを調整することによって、変更可能である。
テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置の動作説明であって、テラヘルツ発振検出素子の電流−電圧特性上におけるバイアス点と、バイアス入力電圧ＶAC、オフセット電圧Ｖoffsetの関係は、図１６に示すように表される。
テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置では、単純な振幅偏移変調若しくは振幅シフトキーイング（ＡＳＫ：Amplitude Shift Keying）と呼ばれる変調方式を用いている。送信データのビット列に対応して搬送波の振幅を変化させることで送信データを送る方式である。
図１６に示すように、電流−電圧特性上の動作点Ｐでは、非発振状態にあり、動作点ＱではＮＤＲ領域であることから、発振状態にある。したがって、電流−電圧特性上の動作点を非発振状態と発振状態間で、ダイナミックに変化させることによって、振幅シフトキーイング（ＡＳＫ）変調方式を実現することができる。図１６では、オフセット電圧Ｖoffsetをオフ（off）レベルとして動作点Ｐ（非発振状態）に設定している。また、オフセット電圧Ｖoffsetのバイアスレベルから入力電圧ＶACをパルス状に変化させて、入力電圧ＶACの印加されるレベルをオン（on）レベルとして、動作点Ｑ（発振状態）に設定している。
テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置において、３００ＧＨｚ発振条件を得る上で最適なバイアス条件を決定するためのオフセット電圧Ｖoffsetと入力電圧ＶACの関係は、図１７に示すように表される。
テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置において、入力電圧ＶACをパラメータとして得られた規格化電力とオフセット電圧Ｖoffsetの関係は、図１８に示すように表される。図１８から明らかなように、規格化電力の最大値を得るためには、各々の入力電圧ＶACに対して、最適なオフセット電圧Ｖoffsetが存在する。また、オフセット電圧Ｖoffsetの値が増加して、ＮＤＲ領域内に入ると、規格化電力の２番目のピークが得られる。すなわち、図１７において、ＶAC＝０．３６Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝０．９４Ｖ〜１．１２Ｖの範囲、ＶAC＝０．４８Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝１．０１Ｖ〜１．０８Ｖの範囲、ＶAC＝０．６０Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝１．０５Ｖ〜１．３Ｖの範囲、およびＶAC＝０．７２Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝１．１２Ｖ〜１．２４Ｖの範囲は規格化電力の２番目のピークが得られる範囲である。
これに対して、図１７において、ＶAC＝０．１２Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝０．６９Ｖ〜０．９９Ｖの範囲、ＶAC＝０．２４Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝０．６５Ｖ〜１．０４Ｖの範囲、ＶAC＝０．３６Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝０．５８Ｖ〜０．８０Ｖの範囲、ＶAC＝０．４８Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝０．５２Ｖ〜０．７５Ｖの範囲、ＶAC＝０．６０Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝０．４４Ｖ〜０．６８Ｖの範囲、およびＶAC＝０．７２Ｖにおけるオフセット電圧Ｖoffset＝０．４０Ｖ〜０．６４Ｖの範囲は規格化電力の１番目のピークが得られる範囲である。
テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置の模式的ブロック構成は、図１９に示すように表される。
テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置は、図１９に示すように、テラヘルツ発振検出素子３８を備えるテラヘルツ送信器１００と、テラヘルツ発振検出素子４４を備えるテラヘルツ受信器２００とを備える。ここで、テラヘルツ発振検出素子３８は、負性微分抵抗領域（ＮＤＲ）に動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波を発生すると共に、テラヘルツ発振検出素子４４は、テラヘルツ発振検出素子３８から発生されたテラヘルツ電磁波を検出する。
また、テラヘルツ送信器１００は、図１９に示すように、搬送波信号を発生するパルスパターン発生器３０と、パルスパターン発生器３０に接続され、搬送波信号を増幅して入力電圧ＶACを出力する増幅器３２と、所定のオフセット電圧Ｖoffsetを出力する直流バイアス回路３６と、増幅器３２および直流バイアス回路３６に接続され、入力電圧ＶACが重畳されたオフセット電圧Ｖoffsetを出力するバイアスＴ回路３４とを備える。ここで、テラヘルツ発振検出素子３８は、バイアスＴ回路３４に接続され、入力電圧ＶACが重畳されたオフセット電圧Ｖoffsetを受信する。
一方、図１９に示すように、テラヘルツ受信器２００は、テラヘルツ送信器１００から発生されたテラヘルツ電磁波を受信するテラヘルツ発振検出素子４４と、テラヘルツ発振検出素子４４に接続されたプリアンプ４６と、プリアンプ４６に接続されたリミッティング増幅器４８とを備える。
また、図１９に示すように、テラヘルツ発振検出素子４４は、テラヘルツ電磁波を受信するためのホーンアンテナ４０を備えていても良い。
また、図１９に示すように、テラヘルツ受信器２００は、リミッティング増幅器４８に接続されたオシロスコープ５２およびエラー検出器５４を備えていても良い。
また、実施の形態に係る無線伝送装置においては、テラヘルツ発振検出素子は、アンテナ集積型の共鳴トンネルダイオードで構成されていても良い。
また、実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子においては、テラヘルツ発振検出素子３８・４４は、高速で変調・復調するために、テフロン（登録商標）基板上に配置され、かつＳＭＡコネクタで給電しても良い。
テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置によって得られたアイパターン例は、図２０に示すように表される。図２０の例では、搬送波周波数は３００ＧＨｚであり、１．５Gbit/sのアイダイヤグラムが得られている。室温動作において、エラービットの無い非圧縮のＨＤＴＶ（High Definition TeleVision）信号のワイヤレス伝送を確認している。
テラヘルツ発振検出素子を適用した本実施の形態に係る無線伝送装置によれば、ＲＴＤ単体で発振するので、発振器が、従来技術よりも飛躍的に小さくなり、なおかつ単純な振幅シフトキーイング（ＡＳＫ変調によるテラヘルツディジタルデータ信号の送受信が可能となる。
テラヘルツ検出素子として適用可能な比較例に係るショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）の電流−電圧特性は、模式的に図２１に示すように表される。
一方、実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）の電流−電圧特性は、模式的に図２２に示すように表される。実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）は、負性抵抗を有するため、ＳＢＤに比べて非線形性の大きい領域が存在し、検出素子としての動作時、検出感度が高くなる。
ＳＢＤにおいては、ショットキーバリアを越えて流れる電子の数は、温度と共に上昇するため、温度が上がると、熱雑音が増大し、検出時のＳ／Ｎ比が低下する。一方、実施の形態に係るテラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）においては、トンネル電流に寄与する電子は、フェルミエネルギーレベルよりも低い電子である。このため、トンネル電流の温度依存性は小さい。したがって、実施の形態に係るテラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）においては、負性抵抗の前後では、非線形性が大きいので、検出素子としての動作時のＳ／Ｎ比が向上する。
図２２に示すように、電流−電圧特性上の動作点ＱではＮＤＲ領域であることから、発振状態にある。したがって、実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子においては、電流−電圧特性上の動作点を非発振状態とする必要がある。
一方、実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子において検出感度を増大するためには、電流−電圧特性上の動作点を非発振状態とするとともに、微分抵抗の変化率を最大化することが望ましい。このような動作点は、実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の電流−電圧特性上の動作点Ｐおよび動作点Ｑに相当する。すなわち、電流−電圧特性上の動作点Ｐおよび動作点Ｒでは、非発振状態にあり、しかも検出感度が極大値を取る。
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）の電流−電圧特性例であって、室温動作において、テラヘルツ波の照射時（Ａ）と、テラヘルツ波の非照射時（Ｂ）の特性変化は、図２３に示すように表される。図２３に示すように、バイアス電圧を例えば、０．５Ｖと設定することによって、テラヘルツ電磁波を良好な感度で、室温動作で検出可能である。
テラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）を発振素子および検出素子として適用する実施の形態に係る無線伝送装置の模式的ブロック構成は、図２４に示す示すように、テラヘルツ発振検出素子３８を備えるテラヘルツ送信器１００と、テラヘルツ発振検出素子４４を備えるテラヘルツ受信器２００とを備える。ここで、テラヘルツ発振検出素子３８およびテラヘルツ発振検出素子４４には、実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）を適用可能である。ここで、テラヘルツ発振検出素子３８は、例えば、負性微分抵抗領域（ＮＤＲ）に動作点ＯＳを有し、テラヘルツ電磁波を効率よく発生すると共に、テラヘルツ発振検出素子４４は、電流−電圧特性上、非発振状態とするとともに、微分抵抗の変化率を最大化する動作点ＤＥを有し、テラヘルツ発振検出素子３８から発生されたテラヘルツ電磁波を効率よく検出することができる。
テラヘルツ発振検出素子を発振素子および検出素子として適用する実施の形態に係る無線伝送装置の模式的平面パターン構成は、図２５に示すように表される。図２５においては、図１に示された実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）と同一構成のテラヘルツ発振検出素子（ＲＴＤ）を、テラヘルツ発振検出素子３８およびテラヘルツ発振検出素子４４に利用している。このため、同一工程で製造したテラヘルツ発振検出素子を発振素子もしくは検出素子として利用することによって、送信器および検出器の構成が単純化され、かつ飛躍的に小型化され、高感度、低雑音でテラヘルツ電磁波の送受信が実現可能な無線伝送装置を提供することができる。
テラヘルツ発振検出素子を適用した実施の形態に係る無線伝送装置は、第１テラヘルツ発振検出素子３８を備えるテラヘルツ送信器１００と、第２テラヘルツ発振検出素子４４を備えるテラヘルツ受信器２００とを備え、第１テラヘルツ発振検出素子３８は、負性微分抵抗領域に第１動作点ＯＳを有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波（ｈν）を発生すると共に、第２テラヘルツ発振検出素子４４は、負性抵抗特性ではない非線形性領域に第２動作点ＤＥを有することによって、第１テラヘルツ発振検出素子３８から発生されたテラヘルツ電磁波を検出することができる。
―変形例１―
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の変形例１の模式的鳥瞰構造は、図２６に示すように表される。
変形例１においては、図２６に示すように、半導体基板１は、共振器６０,導波路７０,およびホーン開口部８０を形成する第１の電極２および第２の電極４の配置される領域において薄層化されている。さらに、図２６に示すように、第１の電極２と第２の電極４間の導波路７０,およびホーン開口部８０の半導体基板１ａは、完全に除去されていても良い。その他の構成は、図１の構成と同様であるため、各部の説明は省略する。
図２６において、薄層化された半導体基板１ａの厚さは、例えば、約２０μｍ程度である。また、導波路７０の長さは、例えば、約７００μｍ程度以下であり、ホーン開口部８０の長さも例えば、約７００μｍ程度以下である。ＭＩＭリフレクタ５０を含む変形例１に係るテラヘルツ発振検出素子の全体の長さは、例えば、約１６００μｍ程度以下である。
変形例１に係るテラヘルツ発振検出素子の発振素子としての動作時の電磁界シミュレーション結果によれば、薄層化された半導体基板１ａ上のＹ軸方向に延伸する電極パターンに沿って、Ｙ軸方向に一定の間隔で電界パターンが発生し、半導体基板１ａに垂直方向（−Ｚ軸方向）の電界の漏れはほとんどない。また、ＸＹＺ軸方向における３次元の電磁界シミュレーション結果によれば、Ｙ軸方向の指向性が顕著に良好となる。
図２６に示す変形例１に係るテラヘルツ発振検出素子の発振素子としての動作時のＹ軸方向放射強度と発振周波数との関係からは高調波成分が抑制され、指向性が向上する結果も得られている。薄層化された半導体基板１ａを形成する技術としては、メムス（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）素子の形成技術を適用することができる。
変形例１に係るテラヘルツ発振検出素子によれば、半導体基板を薄層化することによって、基板の影響を抑制することが可能となり、指向性を向上させ、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に、テラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
変形例１に係るテラヘルツ発振検出素子によれば、半導体基板を薄層化することによって、基板の影響を抑制することが可能となり、基板に水平な方向に指向性を向上させ、効率良く、テラヘルツ電磁波を発振および検出することが可能となる。
―変形例２―
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の変形例２の模式的鳥瞰構造は、図２７に示すように表される。また、図２７に対応した第１の電極４、第２の電極２ａおよび半導体層９１ａのパターン構造の模式的平面図は、図２８に示すように表される。また、図２８のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図２９（ａ）に示すように表され、図２８のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図２９（ｂ）に示すように表される。
変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子は、図２７〜図２９に示すように、絶縁体基板１０と、絶縁体基板１０上に配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、第１の電極４ａ上に配置された絶縁層３と、絶縁体基板１０上に配置された層間絶縁膜９と、層間絶縁膜９上に配置され、かつ第１の電極４ａに対して絶縁層３を介して第１の電極４に対向して配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された半導体層９１ａと、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備える。
ホーン開口部８０は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、電磁波（ｈν）の放射および検出方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に放射および空気中から検出するために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を効率よく空気中に放射および空気中から検出することができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
共振器６０には、２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれて、凸部７が形成されている。そして、半導体層９１ａの凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に第１の電極４ａと挟まれるように、能動素子９０が配置される。
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１の電極４と第２の電極２との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
また、図２７に示すように、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、狭い。
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第１の電極４と第２の電極２は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、絶縁体基板１０との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４ａ，４ｂ，４ｃおよび第２の電極２，２ａの各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、図２９（ａ）および図２９（ｂ）に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４、第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
さらに詳細には、第１の電極４ａおよび第１の電極４ｃは、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第１の電極４ｂは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第２の電極２ａは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。
尚、第１の電極４ｂの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ１２ｂによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第２の電極２ａの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ１２ａによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。
絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。絶縁層３は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
同様に、層間絶縁膜９は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。層間絶縁膜９の厚さは、図２９（ａ）に示すように、第２の電極２ａと層間絶縁膜９の全体の厚さが、第１の電極４の厚さと略同程度となるように設定されている。層間絶縁膜９は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、電波を効率良く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。絶縁体基板１０の厚さは、例えば、２００μｍ程度である。
変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子において、上方は空気であるため、比誘電率εair＝１である。絶縁体基板１０として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、ポリイミド樹脂の比誘電率εpoly＝３．５であるため、発振素子として動作時、全体の発振出力に対する絶縁体基板１０の下方への発振出力の割合は、εpoly 3/2／（εair 3/2＋εpoly 3/2）＝０．８７で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約８７％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。また、検出素子として動作時も、同様に、ホーン開口部８０から横方向に効率よくテラヘルツ電磁波を検出可能である。
さらに、絶縁体基板１０として、テフロン（登録商標）樹脂基板を使用すると、テフロン（登録商標）の比誘電率εtef＝２．１であるため、発振素子として動作時、全体の発振出力に対する絶縁体基板１０の下方への発振出力の割合は、εtef 3/2／（εair 3/2＋εtef 3/2）＝０．７５で表される。すなわち、発振素子として動作時、全体の発振出力の内、約７５％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。また、検出素子として動作時も、同様に、ホーン開口部８０から横方向に効率よくテラヘルツ電磁波を検出可能である。
ＭＩＭリフレクタ５０は、図２９（ａ）に示すように、第１の電極４ａと第２の電極２間に絶縁層３を介在させた構造から形成されている。また、図２９（ｂ）から明らかなように、ＲＴＤからなる能動素子９０は、絶縁体基板１０上に第１の電極４ａを介して、配置されている。第１の電極４ａは、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂに接触して配置されている。第２の電極２は、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａに接触して配置されている。さらに、第１の電極４（４ｂ，４ｃ）は、絶縁体基板１０上に延在して配置されている。
このように、第１の電極４が、絶縁体基板１０上に延在して配置されていることから、第１の電極４と第２の電極２は、互いに短絡されることがなく、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａとｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ間に所定の直流バイアス電圧を印加することができる。
なお、第１の電極４には、ボンディングワイヤ１２ｂが接続され、第２の電極２ａには、ボンディングワイヤ１２ａが接続されて、第１の電極４と第２の電極２ａ間には、直流電源１５が接続されている。また、第１の電極４と第２の電極２ａ間には、寄生発振を防止するための抵抗（図示省略）が接続されている。
変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子の構造において、第１の電極４上に直接、また第２の電極２上に層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０を貼付け、半導体基板１をエッチングで除去した後の上下反転した構造は、図２９（ａ）および図２９（ｂ）に示すように表される。図２９（ａ）および図２９（ｂ）に示すように、変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子においては、第２の電極２上には半導体層９１ａが配置されが、第２の電極２ａも露出するため、第２の電極２ａに対して、ワイヤボンディングなどの電極取り出し工程を容易に行うことができる。
変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子の製造方法においては、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、半導体基板１上に半導体層９１ａを形成後、パターニングによって、半導体層９１ａの幅を狭く形成し、半導体層９１ａ上に形成される第２の電極２のパターン幅を狭く形成する。残りの部分には、第２の電極２に接続し、所定の幅を有し、相対的に厚い第２の電極２ａを形成する。結果として、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、第２の電極２ａが、半導体基板１に接触する構造を得る。
次に、図２９（ａ）および図２９（ｂ）に示すように、第１の電極４上に直接、また第２の電極２上に層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０を貼付け、半導体基板１をエッチングで除去した後の上下反転した構造を得る。
次に、図２７に示すように、第１の電極４にボンディングワイヤ１２ｂを接続し、第２の電極２ａに、ボンディングワイヤ１２ａを接続することで電極取り出しを実施する。
半導体基板１は、例えば、半絶縁性のＩｎＰ基板によって形成され、厚さは、例えば、約６００μｍ程度である。ＩｎＰ基板のエッチング液としては、例えば、塩酸系のエッチング液を適用することができる。
変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子において、厚さｄを有する絶縁体基板１０をサンプル表面に貼付け、半導体基板をエッチングにより除去する工程後の模式的鳥瞰構造は、図３０に示すように表され、図３０の裏面から見た模式的鳥瞰構造は、図３１に示すように表される。図３０から明らかなように、第１の電極４は、直接絶縁体基板１０に貼り付けられている。また、第２の電極２，２ａは、図３０では図示を省略しているが、図２９（ａ）および図２９（ｂ）に示すように、層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０に貼り付けられている。図３１の詳細構造は、図２７に対応している。
変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子として、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造は、図３（ａ）と同様に表される。また、その変形例の模式的断面構造は、図３（ｂ）と同様に表される。
図３（ａ）は、半導体基板１上に配置された構造例であるが、その後の工程によって、第１の電極４ａに絶縁体基板１０を貼り付けた後、半導体基板１は、エッチングによって除去される。したがって、図３（ａ）は、絶縁体基板１０を貼り付け工程前における能動素子９０近傍の模式的断面構造に相当している。
前述と同様に、能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどを適用することもできる。
変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子の発振素子としての動作時のＸＹＺ軸方向における３次元の電磁界シミュレーション結果の一例は、図３２に示すように表される。Ｙ軸方向が、電波の出力方向であり、極めて良好な指向性が得られていることがわかる。図３２の例は、図３０および図３１に示す変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子において、絶縁体基板１０を、厚さｄ＝２００ｎｍのポリイミド基板によって形成し、発振周波数ｆ＝０．５ＴＨｚとした結果である。
変形例２に係るテラヘルツ発振検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易となる。
―変形例３・変形例４―
変形例３に係るテラヘルツ発振検出素子の電極パターン構造は、図３３（ａ）に示すように表され、変形例４に係るテラヘルツ発振検出素子の電極パターン構造は、図３３（ｂ）に示すように表される。
変形例３に係るテラヘルツ発振検出素子の電極パターン構造は、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する第２の電極２にスタブ構造を備える例であり、変形例４に係るテラヘルツ発振検出素子の電極パターン構造は、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する第１の電極４にスタブ構造を備える例である。図２９（ａ）から明らかなように、第２の電極２上には、半導体層９１ａが配置されているため、図３３（ａ）および図３３（ｂ）では、半導体層９１ａが表示されているが、半導体層９１ａの下には、第２の電極２のパターンが同一のパターン形状で配置されている。
すなわち、図３３（ａ）に示すように、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、複数のスタブ１３Ａを備える。
また、図３３（ｂ）に示すように、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第１の電極４は、複数のスタブ１３Ｂを備える。
複数のスタブ１３Ａまたは１３Ｂは、共振器６０に面して等間隔に配置されていてもよく、或いは、その間隔が変化するように配置されていてもよい。
上記の変形例３・変形例４を組み合わせて、第２の電極２と第１の電極４の両方に複数のスタブを備えていてもよい。
電磁波の伝送線路の一部に電磁波の波長の４分の１の長さのスタブを設けて、その中に電磁波を引き込み、それを反射させて伝送線路に戻すことにより共振回路が形成されることが分かっている。これは、伝送線路に入射した電磁波のうち、スタブの長さの４倍の波長を持つ電磁波のみが、スタブの位置で等価的に短絡され、これによって当該電磁波が反射されるため、その電磁波の伝送線路からの漏れが少なくなるという現象である。この方法によれば、入力される電磁波の波長に対してスタブの長さが４分の１波長と決まっているために、電磁波の波長がスタブの長さの４倍になる電磁波に対しては強く共振して反射させることができるが、帯域幅の広い電磁波についてはその反射効果は少ない。
変形例３のスタブ１３Ａの長さは、帯域を持った入射電磁波の中心部分の電磁波の４分の１波長としないで、４分の１からずれた長さにする。例えば、反射させたい周波数幅があったときその周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波を一部反射させるための２波長〜３波長以上の長さのスタブ１３Ａを多く設けることにより、反射させたい周波数幅の電磁波を幅広い範囲で反射させることが可能である。
当然のことながら、電磁波の反射率は４分の１波長のときと比べると小さくなるのであるが、それでもスタブがない場合と比較するとかなりの反射が起こる。そして、共振条件がゆるい分だけ、ある帯域を持った周波数（ある波長の幅を持った電磁波）に対して、満遍なく反射する効果がある。また、多段スタブの間隔は、反射させたい電磁波の周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波に対して、波長の半分程度の長さとすることにより各スタブからの反射の間に強め合う干渉（ブラッグ反射）が起こり、反射波が重ねあわされて、反射率がほぼ１００％の大きな値になる。スタブの長さ、数、間隔によって、反射する周波数幅、中心周波数は総合的に決定される。
所定の帯域幅を有する電磁波の中心波長をλ０として、スタブの間隔をλ０／２とすると、反射率が１００％に近い電磁波の波長範囲Δλを得ることができる。このとき、スタブの長さは、２〜３λ０以上に設計するのがよい。また、スタブの幅がスタブの間隔の半分のとき、スタブ数５〜１０個程度の少ない数で１００％に近い大きな反射率となる。スタブ幅がそれ以外のときは大きな反射率を得るためにはスタブ数を増やす必要があり、また、周波数幅も狭くなる。しかしながら、これらの長さは限定されるものではなく反射する帯域幅との関係で設計的に規定されるものである。
なお、変形例３では、スタブ１３ＡおよびＭＩＭリフレクタにより、閉口部側に伝送する漏れ電磁波が反射され、開口側に戻される。そして、反射された電磁波が出力として放射されるために、能動素子９０から発振される電磁波は高出力となる。
変形例４においてもスタブ１３Ｂの動作は、スタブ１３Ａと同様であるため、重複する説明は省略する。
なお、第２の電極２と第１の電極４の両方に多段のスタブを設けることにより、片方だけの場合に比べ約半分のスタブ数で同等の大きな反射率を得ることができる。また、周波数幅や中心周波数を決める際の設計の自由度を上げることができるので、設計上極めて有効である。なお、第２の電極２と第１の電極４の双方に付けるスタブの長さ、数、間隔は必ずしも等しい必要はなく、設計上自由に変更することができる。
変形例３および変形例４に係るテラヘルツ発振検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易となる。
変形例３および変形例４に係るテラヘルツ発振検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、ＭＩＭレフレクタを構成する電極にスタブ構造を組み合わせることによって、基板に水平な方向にさらに効率良く、指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することが可能となる。
―変形例５―
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の変形例５に係るテラヘルツ発振検出素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図３４に示すように表される。
変形例５に係るテラヘルツ発振検出素子においても、第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）、第２の電極２，２ａ、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０の構成は、変形例２と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。
変形例５に係るテラヘルツ発振検出素子は、図３４に示すように、絶縁体基板１０と、絶縁体基板１０上に配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、第１の電極４ａ（図２９）上に配置された絶縁層３（図２９）と、絶縁体基板１０上に配置された層間絶縁膜９（図２９）と、層間絶縁膜９上に配置され、かつ第１の電極４ａに対して絶縁層３を介して第１の電極４に対向して配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された半導体層９１ａと、絶縁体基板１０上に第１の電極４に隣接し、かつ第２の電極２ａとは反対側に第１の電極４に対向して配置された第１スロットライン電極４１と、絶縁体基板１０上に第２の電極２ａに隣接し、かつ第１の電極４とは反対側に第２の電極２ａに対向して配置された第２スロットライン電極２１と、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された第１導波路７０と、第１導波路７０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された第１ホーン開口部８０と、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第１スロットライン電極４１間に配置された第２導波路７１と、第２導波路７１に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第１スロットライン電極４１間に配置された第２ホーン開口部８１と、絶縁体基板１０上に対向する第２の電極２ａと第２スロットライン電極２１間に配置された第３導波路７２と、第３導波路７２に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第２の電極２ａと第２スロットライン電極２１間に配置された第３ホーン開口部８２とを備える。
変形例２と同様に、能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどを適用することもできる。
ホーン開口部８０〜８２は、開口ホーンアンテナを構成する。
変形例５に係るテラヘルツ発振検出素子においては、図３４に示すように、出力端におけるスロットライン電極２１および４１の幅Ｗ４は、例えば、１６０μｍ程度である。また、図３４に示すように、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２０およびホーン開口部８１および８２の幅Ｄ１０、および、スロットライン電極２１および４１の幅Ｗ４は、適宜変更可能である。
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置される。
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置される。
ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、図３３（ａ）に示された変形例３と同様の複数のスタブを備えていても良い。同様に、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、図３３（ｂ）に示された変形例４と同様の複数のスタブを備えていても良い。
また、上記において、複数のスタブは、共振器６０に面して等間隔に配置されていても良く、また、間隔が変化するように配置されていても良い。
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。
絶縁体基板１０として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、全体の発振出力の内、約８７％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点は、変形例２と同様である。
また、絶縁体基板１０として、テフロン（登録商標）樹脂基板を使用すると、変形例２と同様に、全体の発振出力の内、約７５％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点も、変形例２と同様である。
変形例５に係るテラヘルツ発振検出素子においては、能動素子９０に接続された第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、同じ形状をしたテーパ形状の１対のスロットライン電極４１、２１を配置することで、変形例２に比べ、指向性がさらに向上する。
変形例５に係るテラヘルツ発振検出素子によれば、第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、テーパ形状の１対のスロットライン電極４１、２１を並列化配置することで、絶縁体基板１０上にテーパスロットアンテナを集積化しても、絶縁体基板１０の影響を抑制し、充分な指向性を得ることができる。
中央部の第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナから広がった電界が、両サイドに設けた１対のスロットライン電極４１、２１に引き込まれて、スロットライン電極４１、２１の端面で反射され、中央部の第１の電極４および第２の電極２に戻ってくる。このとき、中央部の第１の電極４および第２の電極２およびスロットライン電極４１、２１内には、定在波が形成され、反射してきた電界によって、外部に電磁波が放射される。中央部の第１の電極４および第２の電極２および１対のスロットライン電極４１、２１からの放射電磁界が、干渉し合うことによって、指向性が向上する。
変形例５に係るテラヘルツ発振検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
―変形例６―
実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子の変形例６に係るテラヘルツ発振検出素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図３５に示すように表される。
変形例６に係るテラヘルツ発振検出素子においても、第１の電極４、第２の電極２、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０、第１のスロットライン電極４１、第２のスロットライン電極２１の構成は、第２の実施の形態と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。
変形例６に係るテラヘルツ発振検出素子は、図３５に示すように、図３４に示した変形例５の電極パターン構成に対して、さらに、１対のスロットライン電極２２,４２を並列化配置している。すなわち、絶縁体基板１０上に第１スロットライン電極４１に隣接し、かつ第１の電極４とは反対側に第１スロットライン電極４１に対向して配置された第３スロットライン電極４２と、絶縁体基板１０上に第２スロットライン電極２１に隣接し、かつ第２の電極２ａとは反対側に第２スロットライン電極２１に対向して配置された第４スロットライン電極２２と、絶縁体基板１０上に対向する第１スロットライン電極４１と第３スロットライン電極４２間に配置された第４導波路７４と、第４導波路７４に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１スロットライン電極４１と第３スロットライン電極４２間に配置された第４ホーン開口部８４と、絶縁体基板１０上に対向する第２スロットライン電極２１と第４スロットライン電極２２間に配置された第５導波路７３と、第５導波路７３に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第２スロットライン電極２１と第４スロットライン電極２２間に配置された第５ホーン開口部８３とを備える。
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。
図３５の構成において、スロットライン電極２１,４１の外側に１対のスロットライン電極２２,４２をさらに並列化配置することによって、指向性がさらに向上する。
変形例６に係るテラヘルツ発振検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつ２対のスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
本実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子によれば、単一素子のＲＴＤを使用して、バイアス条件を変えることによって、発振素子としても検出素子としても動作することができる。
本実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子によれば、ＲＴＤの負性抵抗により発振素子として機能し、非線形性を利用して、検出素子として機能する。
本実施の形態に係る無線伝送装置に適用されるテラヘルツ発振検出素子によれば、共鳴トンネルダイオードという電子デバイス単体で発振素子としても検出素子としても動作するので、発振器および検出器が、飛躍的に小さくなり、なおかつ単純な振幅遷移変調によるテラヘルツディジタルデータ信号の送受信が可能となる。
本実施の形態によれば、上記のテラヘルツ発振検出素子を適用し、単純な振幅遷移変調によるテラヘルツ信号の送受信が可能な無線伝送装置を提供することができる。
もちろん、ひとつの素子で送信と受信を同時に行うことはできないが、送受信を交互に行うＨａｌｆ−Ｄｕｐｌｅｘ方式の通信システムにおいては、このような機能の素子を用いれば送受信器の構成が簡素化できる。
本実施の形態によれば、共鳴トンネルダイオードと呼ばれるデバイスを用い、ひとつだけで送信素子と受信素子を兼ねた機能を実現し、送受信器の小型化を可能とする無線伝送装置を提供することができる。
本実施の形態によれば、共鳴トンネルダイオードを用いて、単一の素子でテラヘルツ発振素子としても、テラヘルツ検出素子としても機能するテラヘルツ発振検出素子を用い、単純な振幅遷移変調によるテラヘルツ信号の送受信が可能な無線伝送装置を提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態に係る無線伝送装置について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
本発明の無線伝送装置は、テラヘルツ帯の周波数領域で動作する発振検出素子を適用することで、テラヘルツイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測、セキュリティー分野など、幅広い分野に適用することができる。
１…半導体基板
２、２ａ…第２の電極
３…絶縁層
４、４ａ、４ｂ、４ｃ…第１の電極
５,６…凹部
７…凸部
８…突起部
９…層間絶縁膜
１０…絶縁体基板
１３Ａ,１３Ｂ…スタブ
１５…直流電源
２１,２２,４１,４２…スロットライン電極
３０…パルスパターン発生器
３２…増幅器
３４…バイアスＴ回路
３６…直流バイアス回路
３８，４４…テラヘルツ発振検出素子
４０…ホーンアンテナ
４６…プリアンプ
４８…リミッティング増幅器
５０…ＭＩＭリフレクタ
５２…オシロスコープ
５４…エラー検出器
６０…共振器
６２…ＤＣ電源
７０,７１,７２,７３,７４…導波路
８０,８１,８２,８３,８４…ホーン開口部
９０…能動素子
９１ａ…半導体層
１００…テラヘルツ送信器
２００…テラヘルツ受信器

Claims (21)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置された第２の電極と、
    前記第２の電極と電気的に接続されて前記基板上に配置され、テラヘルツ波を発振および検出可能な共振器と、
    前記共振器と電気的に接続されて前記基板上に配置された第１の電極と、
    を備えた無線伝送装置であって、
    前記共振器は、
    前記共振器に印加されるバイアス電圧とそれによって発生する電流との関係が非対称の順方向および逆方向電流電圧特性を有して、負性微分抵抗を示す第１動作点で発振素子として動作し、負性抵抗領域ではない非線形特性を示し且つ前記バイアス電圧によって発生する電流の変化の極大点又は極小点であると共に、電流−電圧特性上の動作点が非発振状態にあり、且つ微分抵抗の変化率を最大化して検出感度を極大とする第２動作点で検出素子として動作し、
    所定のオフセット電圧をオフレベルとして前記非発振状態である前記第２の動作点に設定し、前記オフセット電圧のバイアスレベルから入力電圧をパルス状に変化させて、前記入力電圧の印加されるレベルをオンレベルとして、発振状態である前記第１の動作点に設定することを特徴とする無線伝送装置。
  2. 前記第２の電極と前記第１の電極との間に配置された絶縁層と、
    前記絶縁層を挟み且つ前記共振器に隣接して前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
    前記共振器に隣接して、前記基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された第１導波路と、
    前記第１導波路に隣接して、前記基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された第１ホーン開口部と
    を備えたことを特徴とする請求項１に記載の無線伝送装置。
  3. 前記基板は、半導体基板であることを特徴とする請求項２に記載の無線伝送装置。
  4. 前記半導体基板は、前記共振器,前記第１導波路,および前記第１ホーン開口部を形成する前記第１の電極および前記第２の電極の配置される領域において、薄層化されていることを特徴とする請求項３に記載の無線伝送装置。
  5. 前記基板は絶縁体基板であり、
    前記絶縁体基板上に前記第１の電極に隣接し、かつ前記第２の電極とは反対側に前記第１の電極に対向して配置された第１スロットライン電極と、
    前記絶縁体基板上に前記第２の電極に隣接し、かつ前記第１の電極とは反対側に前記第２の電極に対向して配置された第２スロットライン電極と、
    前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第１スロットライン電極間に配置された第２導波路と、
    前記第２導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第１スロットライン電極間に配置された第２ホーン開口部と、
    前記絶縁体基板上に対向する前記第２の電極と前記第２スロットライン電極間に配置された第３導波路と、
    前記第３導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第２の電極と前記第２スロットライン電極間に配置された第３ホーン開口部と、
    を備えることを特徴とする請求項２に記載の無線伝送装置。
  6. 前記絶縁体基板上に第１スロットライン電極に隣接し、かつ前記第１の電極とは反対側に前記第１スロットライン電極に対向して配置された第３スロットライン電極と、
    前記絶縁体基板上に第２スロットライン電極に隣接し、かつ前記第２の電極とは反対側に前記第２スロットライン電極に対向して配置された第４スロットライン電極と、
    前記絶縁体基板上に対向する前記第１スロットライン電極と前記第３スロットライン電極間に配置された第４導波路と、
    前記第４導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１スロットライン電極と前記第３スロットライン電極間に配置された第４ホーン開口部と、
    前記絶縁体基板上に対向する前記第２スロットライン電極と前記第４スロットライン電極間に配置された第５導波路と、
    前記第５導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第２スロットライン電極と前記第４スロットライン電極間に配置された第５ホーン開口部と
    を備えることを特徴とする請求項５に記載の無線伝送装置。
  7. 前記共振器は、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１〜６のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
  8. 前記第１ホーン開口部は、開口ホーンアンテナを構成することを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
  9. 前記第１導波路は、前記共振器の開口部に配置されたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
  10. 前記ＭＩＭリフレクタは前記共振器の開口部と反対側の閉口部に配置されたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
  11. 前記ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、前記第２の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
  12. 前記ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、前記第１の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
  13. 前記複数のスタブは、前記共振器に面して等間隔に配置されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の無線伝送装置。
  14. 前記複数のスタブは、前記共振器に面してその間隔が変化するように配置されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の無線伝送装置。
  15. 第１テラヘルツ発振検出素子を備えるテラヘルツ送信器と、
    第２テラヘルツ発振検出素子を備えるテラヘルツ受信器と
    を備え、前記第１テラヘルツ発振検出素子は、負性微分抵抗領域に前記第１動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波を発生すると共に、前記第２テラヘルツ発振検出素子は、負性抵抗特性ではない非線形性領域に前記第２動作点を有することによって、前記第１テラヘルツ発振検出素子から発生されたテラヘルツ電磁波を検出する請求項１〜１４のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
  16. 第１テラヘルツ発振検出素子を備えるテラヘルツ送信器と、
    第２テラヘルツ発振検出素子を備えるテラヘルツ受信器と
    を備え、前記第１テラヘルツ発振検出素子は、前記第１テラヘルツ発振検出素子に印加されるバイアス電圧とそれによって発生する電流との関係が非対称の順方向および逆方向電流電圧特性を有して、負性微分抵抗を示す領域に第１動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波を発生すると共に、前記第２テラヘルツ発振検出素子は、負性抵抗特性ではない非線形性を示し且つ前記バイアス電圧によって発生する電流の変化の極大点又は極小点であると共に、電流−電圧特性上の動作点が非発振状態にあり、且つ微分抵抗の変化率を最大化して検出感度を極大とする領域に第２動作点を有することによって、前記第１テラヘルツ発振検出素子から発生されたテラヘルツ電磁波を検出し、
    所定のオフセット電圧をオフレベルとして前記非発振状態である前記第２の動作点に設定し、前記オフセット電圧のバイアスレベルから入力電圧をパルス状に変化させて、前記入力電圧の印加されるレベルをオンレベルとして、発振状態である前記第１の動作点に設定することを特徴とする無線伝送装置。
  17. 前記テラヘルツ受信器は、
    前記テラヘルツ送信器から発生されたテラヘルツ電磁波を受信する前記第２テラヘルツ発振検出素子と、
    前記第２テラヘルツ発振検出素子に接続されたプリアンプと、
    前記プリアンプに接続されたリミッティング増幅器と
    を備えることを特徴とする請求項１６に記載の無線伝送装置。
  18. 前記第２テラヘルツ発振検出素子は、前記テラヘルツ電磁波を受信するためのホーンアンテナを備えることを特徴とする請求項１７に記載の無線伝送装置。
  19. 前記リミッティング増幅器に接続されたオシロスコープおよびエラー検出器を備えることを特徴とする請求項１８に記載の無線伝送装置。
  20. 前記第１テラヘルツ発振検出素子および前記第２テラヘルツ発振検出素子は、共鳴トンネルダイオードを備えることを特徴とする請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
  21. 前記第１テラヘルツ発振検出素子および前記第２テラヘルツ発振検出素子は、テフロン（登録商標）基板上に配置されたことを特徴とする請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の無線伝送装置。
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