JP6141027B2 - 検出素子、検出器及びこれを用いた撮像装置 - Google Patents

検出素子、検出器及びこれを用いた撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、電磁波を検出する検出素子、検出器及びこれを用いた撮像装置に関する。
ミリ波帯（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）からテラヘルツ帯（３００ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）の電磁波を検出する検出素子として、熱型検出素子や量子型検出素子が知られている。
熱型検出素子としては、ａ−Ｓｉ、ＶＯｘなどの材料を用いたマイクロボロメータ、ＬｉＴａＯ３、ＴＧＳなどの材料を用いた焦電素子、ゴーレイセルなどがある。
こうした熱型検出素子は、電磁波のエネルギーを熱エネルギーに変換し、熱起電力の変化として検出することができる素子である。
熱型検出素子は冷却を必ずしも必要としない一方、熱交換を利用するために応答が比較的遅い。
量子型検出素子としては、アクセプターやドープされていない半導体を用いた真性半導体素子（ＭＣＴ、光伝導素子など）や、アクセプターやドープされた半導体を用いた不純物半導体素子などがある。
こうした量子型検出素子は、電磁波をフォトンとして捕らえ、バンドギャップの小さい半導体による光起電力或いは抵抗変化を検出する素子である。応答が比較的速い一方、室温の熱エネルギーは無視できないため冷却を必要とする。
そこで、最近では、応答が比較的速く冷却の不要な検出素子として、アンテナと半導体整流素子を利用したミリ波帯からテラヘルツ帯の電磁波を検出する検出素子が用いられてきている。
この検出素子は、電磁波を高周波信号として捕らえ、アンテナなどによって受信した高周波信号をショットキーバリアダイオード等の半導体整流素子によって整流して、そのときに流れる電流を検出するものである。
このようなアンテナとショットキーバリアダイオード等の半導体整流素子を用いる検出素子では、ショットキー障壁における接合容量Ｃｊと直列抵抗ＲｓによるＲＣローパスフィルタの機能を形成する。つまり、ＲＣローパスフィルタの機能により信号の高周波成分が遮断され、検出素子で検出できなくなる。
そのため、検出素子により検出できる周波数帯域の上限となるカットオフ周波数を、検出する電磁波の周波数帯域よりも高くする必要がある。
ここでＲＣローパスフィルタを構成する接合容量Ｃｊは、半導体整流素子の接合面積であるショットキー電極の接合面積に比例するため、検出素子におけるカットオフ周波数ｆｃ（＝（２π×ＲｓＣｊ）−１）を高める手法として、半導体整流素子の接合面積を小さくすることが考えられる。
例えば、ショットキーバリアダイオードとカットオフ周波数について単純計算を行えば、ショットキー電極の接合面積を１μｍ２まで微細加工すると、およそ３００ＧＨｚ前後がｆｃとなる。
ショットキー電極の接合面積をその十分の一の０．１μｍ２（直径換算で約０．３μｍ）まで微細加工すると、およそ３ＴＨｚ前後がｆｃとなる。さらに、その十分の一の０．０１μｍ２（直径換算で約０．１μｍ）まで微細加工すると、およそ３０ＴＨｚ前後がｆｃとなると見積もられる。
特許文献１には、このようにして高周波の電磁波を検出する検出素子が開示されている。
特許文献１では、高周波の電磁波を検出するにあたって、半導体整流素子であるショットキーバリアダイオードの接合面積を０．０００７μｍ２に微細加工して、ＣＯ２レーザによる約２８ＴＨｚ（波長１０．６μｍ）の電磁波を検出している。
特開平０９−１６２４２４号公報
このように、従来のアンテナと半導体整流素子を用いて電磁波を検出する検出素子では、検出できる周波数帯域の上限となる周波数であるカットオフ周波数を高めるために、半導体整流素子の接合面積を微細化していた。
しかしながら、半導体整流素子の接合面積が小さくなったことにより、半導体整流素子を流れる電流が制限され、半導体整流素子の素子抵抗は、大きくなってしまっていた。特に、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数帯域の電磁波を検出する検出素子の場合には、最低でも素子の抵抗が数千Ωとなってしまっていた。
そこで本発明は、電磁波を検出する検出素子の素子抵抗を低下させることで、検出素子の感度を向上させた検出素子を提供することを目的とする。
本発明により提供される検出素子は、電磁波を検出する検出素子において、２つの導体を有するアンテナと、前記アンテナと直列に接続しており、かつ極性が同じ向きになるよう互いに並列に接続されている第１の半導体整流素子及び第２の半導体整流素子と、を有し、前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、前記アンテナから前記第１の半導体整流素子に伝搬される電磁波と前記アンテナから前記第２の半導体整流素子に伝播される電磁波との位相差が、０以上π／１６以下となる位置に配置されていることを特徴とする。
本発明は、検出器と撮像装置を包含する。
本発明の検出器は、電磁波を検出する検出器であって、本発明の検出素子と、前記アンテナにおける電場を計測する計測ユニットと、を有することを特徴とする。
本発明の撮像装置は、電磁波を用いて測定物を撮像する撮像装置であって、３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの一部を含む周波数帯域の電磁波を発振する発振器と、前記電磁波を検出する請求項２０に記載の検出器と、前記検出器が検出した電磁波に関する情報に基づいて前記測定物に関する像を構築する像構築部と、を有することを特徴とする。
本発明の検出素子によると、検出素子全体としての素子抵抗が低下し、それにより電磁波を検出する電力効率が増大することで、検出素子の感度が、向上する。
（ａ）実施形態１に係る検出素子の概略構成を示す斜視図。（ｂ）実施形態１に係る検出素子の断面を示す図。（ｃ）実施形態１に係る検出素子の電磁波の同位相面に対して平行な断面を示した図。 実施形態１に係る検出素子の等価回路を説明するための図。 実施形態１に係る半導体整流素子の配置について説明するための図。 （ａ）実施形態２に係る検出素子の構成を示す図。（ｂ）実施形態２に係る検出素子の断面を示す図。 （ａ）実施例１に係る検出器の構成を示す図。（ｂ）実施例１に係る検出素子の中央部を拡大した図。（ｃ）実施例１に係る検出素子の断面を示した図。 実施例１に係るアンテナのインピーダンスを示す図。 実施例１に係るアンテナの変形例を示す図。 （ａ）実施例２に係る検出素子の概略構成を示す斜視図。（ｂ）実施例２に係る検出素子と半導体チップとを分解した斜視図。 実施例２に係る検出素子を平面アンテナに適用した図。 実施例１に係る検出素子の電磁波の位相を説明するための図。 比較例と本発明を比較した図。 その他実施例に係る撮像装置の概略構成を示した概略図。
本発明の検出素子は、電磁波を受信用のアンテナで受信し、ショットキーバリアダイオード等の半導体整流素子を用いてアンテナを伝播する電磁波（振動電場）を検出する検出素子に係る。
電磁波を検出する検出素子においては、半導体整流素子における素子の素子抵抗は自ずと大きくなる。そこで、本発明では、アンテナに対して電気的に並列でかつ極性が同じ向きに接続される半導体整流素子を複数配置して、後述する直列抵抗Ｒｓを並列に接続する構成とすることが好ましい。
即ち、本発明の検出素子は、電磁波を受信するアンテナと、前記アンテナに直列に接続され、かつ極性が同じ向きになるよう互いに並列に接続された、前記アンテナから伝播される電磁波を受ける複数の半導体整流素子と、を有する。
そして、複数の半導体整流素子は、前記アンテナから伝播される電磁波（振動電場）の位相が互いに実質的に同位相となる位置にそれぞれ配置されている。
これにより、検出素子全体としての合成抵抗を低下させ、検出素子の感度を向上させる。
尚、本発明における半導体整流素子を同位相に配置するとは、アンテナから伝播される電磁波の位相が互いに実質的に同位相となる位置に半導体整流素子をそれぞれ配置するということを意味する。
これは、複数の半導体整流素子のそれぞれが配置される位置が、伝播される電磁波の位相差の絶対値が０となる位置に限られず、所定の範囲の位相差を有する位置にまで許容される。
本実施形態の検出素子では、伝播される電磁波の位相差が０以上π／１６以下となる位置を含めて同位相としている。半導体整流素子の配置については、詳しくは後述する。
ここで、半導体整流素子としては、ショットキーバリアダイオード、プレーナドープバリアダイオード（ＰＤＢＤ）、やＰＮ（ＰＩＮ）ダイオード、モットダイオード（Ｍｏｔｔ ｄｉｏｄｅｓ）、バックワードダイオード（ｂａｃｋｗａｒｄ ｄｉｏｄｅｓ）、セルフスイッチングダイオード（ｓｅｌｆ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ）等が挙げられる。また、トランジスタにおけるベース−エミッタ構造や、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）におけるゲート−ソース構造として半導体整流素子として用いてもよい。
一方、アンテナとしては、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、カゼクレインアンテナ、パラボラアンテナ等が挙がられる。また、平面アンテナに限らず立体型のアンテナであっても良い。
以下、図を用いて本発明について説明する。
（実施形態１）
本実施形態に係る検出素子について、図１を用いて説明する。
［検出素子の構造］
図１（ａ）は、本実施形態に係る検出素子の一部を拡大した概略構成を示す図である。図１（ｂ）は本実施形態に係る検出素子の電磁波の同位相面に対して垂直な断面を示した図である。図１（ｃ）は本実施形態に係る検出素子の電磁波の同位相面に対して平行な断面を示した図である。
本実施形態の検出素子３は、２つの半導体整流素子１０１と、電磁波を伝播するアンテナとしてＡｌから成る導体であるストリップ導体１０３、１０４とを有している。
また、基板１、誘電体２、半導体層１０２を有している。つまり、アンテナを構成する少なくとも一つの導体と半導体整流素子とが、半導体層を介して電気的に直列に接続されている。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、共に半導体整流素子１０１とストリップ導体１０３、１０４の接触する接触部を拡大して図示してある。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の検出素子３は、半導体整流素子１０１を二つ独立して有し、アンテナであるストリップ導体１０３、１０４に極性が同じ向きとなるように電気的に並列に接続される。
また、二つの半導体素子１０１は、アンテナあるストリップ導体１０３、１０４から伝播される電磁波に対して同位相となるように配置されている。これは、複数の半導体整流素子は、アンテナから伝播される電磁波の位相が互いに実質的に同位相となる位置にそれぞれ配置されていることに相当する。
また、図１（ｂ）、（ｃ）に示す通り、半導体整流素子１０１は、アンテナの一部であるストリップ導体１０３と接触している。つまり、アンテナは一対の導体で構成され、該一対のうちの一方の導体に接触して複数の半導体整流素子が並置されている。
本実施形態の半導体整流素子１０１の形状としては一様な円柱であり、半導体整流素子１０１の周囲は誘電体２で囲まれた構造となっている。複数の半導体整流素子は、半導体整流素子を構成する接合部が周囲を誘電体で囲まれた円柱状をなしている。
そして、複数の半導体整流素子は、半導体整流素子を構成する接合部の電流が流れる方向に垂直な断面の面積が互いに等しく構成されている。
この誘電体２は伝播される電磁波に対して半導体整流素子１０１に比べて抵抗がかなり高くなっている。また、半導体整流素子１０１は、半導体層１０２とも接触している。これにより、二つのストリップ導体１０３、１０４は半導体整流素子１０１と半導体層１０２を介して電気的にオーミック接続されている。
検出素子３は、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数帯域の電磁波を検出するために、半導体整流素子１０１の接合部の面積を１０μｍ２以下の微小な面積としてある。
ここで言う接合部の面積とは、上記の通りであるが、ストリップ導体１０３と半導体整流素子１０１とが接合する接合面積Ａと捉えることも可能である。
また、ＰＤＢＤやトランジスタを用いる半導体整流素子であれば、メサにおける接合面積のことを指す。
半導体整流素子の接合面積Ａとしては、半導体整流素子の材料がシリコンを用いたものであれば１μｍ２以下とするのが好適である。
また、比較的易動度の高い化合物系半導体材料のうちＧａＡｓなどＩＩＩ−Ｖ族系半導体材料を用いたものであれば、１０μｍ２以下とするのが好適である。
というのも、半導体整流素子１０１のひとつであるショットキーバリアダイオードにおける典型的な接合厚さは１０〜１００ｎｍ程度であること、比誘電率が１０程度であることから半導体整流素子１０１の接合容量Ｃｊは決まるからである。
また、半導体整流素子１０１における直列抵抗Ｒｓは材料の易動度によるものの、前述した微小な面積では１００Ω程度に下げることは難しいからである。
ここで、これらの半導体整流素子の接合面積はステッパやアライナなどのフォトリソグラフィの限界精度に近い。そのため、半導体整流素子１０１とストリップ導体１０４の間には製造上の限界精度に相当するギャップ１０５が生ずることとなる。
そこで、本実施形態では、半導体整流素子１０１とストリップ導体１０４の間に、必要に応じてストリップ導体１０４より電気伝導率が低い半導体層１０２を介すことで、前述したギャップ１０５を埋めている。
これにより、半導体整流素子１０１とストリップ導体１０４は、この半導体層１０２を介して電気的にオーミック接続される。
また、半導体整流素子１０１からストリップ導体１０４に至るまでの抵抗成分である直列抵抗Ｒｓの主要因は、この半導体層１０２の抵抗となる。
以下、半導体整流素子１０１とストリップ導体１０３とのショットキー接合における接合面積をＡとして、図１で上述した構成の検出素子３の等価回路について説明する。
［検出素子の等価回路］
図２は、本実施形態に係る検出素子の等価回路について示した図である。ただし、ここでは、単純化するために、半導体整流素子１０１と半導体層１０２等を合成した抵抗である直列抵抗Ｒｓ、半導体整流素子の接合容量Ｃｊ、のみで構成されている回路と仮定している。即ち、ショットキーバリアダイオード１０１の接合容量Ｃｊと、直列抵抗Ｒｓから成るＲＣ回路、即ちＲＣローパスフィルタを構成しているものと見なせる。
検出素子の検出できる周波数帯域の上限となる周波数であるカットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝（２π×ＲｓＣｊ）−１として求められる。
ここで、ショットキーバリアダイオード１０１とストリップ導体１０４との間の直列抵抗Ｒｓは、半導体層１０２の抵抗と略同じと見なすことができ、ショットキーバリアダイオード１０１とストリップ導体１０３との接合面積Ａのとき、√Ａに逆比例することが知られている。
一方で、ショットキーバリアダイオード１０１が持つと見なせる接合容量Ｃｊは、理想的にはＡに比例する。
つまり、接合面積Ａの１つの半導体整流素子１０１を用いて、ＲＣ回路を構成した場合、ＲｓＣｊ∝√Ａのためにカットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝（２π×ＲｓＣｊ）−１∝１／√Ａという関係が成り立つ。
ここで、検出素子の合成インピーダンスを低下させ検出感度を向上させるには、直列抵抗Ｒｓを小さくする必要があり、考えられる手法として、半導体整流素子１０１の接合面積Ａを大きくすることが挙げられる。
しかしながら、半導体整流素子１０１の１つの接合面積Ａを例えば２倍に大きくすると、前述したカットオフ周波数ｆｃ：ｆｃ＝（２π×ＲｓＣｊ）−１は、１／√２となり、小さくなってしまう。つまり、検出できる電磁波の周波数帯域が低下するという不都合が生ずる。
そこで、本実施形態の検出素子３は接合面積Ａの互いに独立する半導体整流素子１０１を二つ有することで、周波数帯域の低下を抑制するとともに検出素子の合成インピーダンスを低下させることができる。
つまり、検出する検出感度を、１つの半導体整流素子１０１を用いる従来の検出素子に比べて、向上させることができる。以下、さらに詳しく説明する。
本実施形態の検出素子３は、半導体整流素子１０１を二つ有し、半導体整流素子１０１に伝播（伝送）される電磁波の位相が同位相で、かつ二つの半導体整流素子１０１は伝播される電磁波に対して、電気的に並列でかつ極性が同方向となるように配置される。
このような検出素子３では、図２からも分かる通り、二つの直列抵抗Ｒｓも並列に接続されて分配されるため、検出素子全体として抵抗を合成した場合にはＲｓ／２となる。また、半導体整流素子１０１は極性が同方向となるように配置されるため、全体としての接合面積は２Ａと見なせ、全体としての接合容量は２Ｃｊとなる。
したがって、本実施形態の検出素子全体としては、１つの半導体整流素子１０１を用いる従来の検出素子に比べて、直列抵抗Ｒｓが１／２倍、接合容量Ｃｊが２倍となる。
そのため、本実施形態の検出素子を、カットオフ周波数ｆｃの式に当てはめると、ｆｃ＝（２π×（Ｒｓ／２）２Ｃｊ）−１となり、半導体整流素子を１つだけ有する従来の検出素子と比べてカットオフ周波数は低下しない。
ここで、電磁波は図に示す左のストリップ導体１０３あるいは右のストリップ導体１０４から中央に位置する半導体整流素子１０１に伝播される。
したがって、ストリップ導体を伝播される電磁波に対して半導体整流素子１０１を同位相の位置とするため、電磁波の同波面に対して平行となるように二つの半導体整流素子１０１を配置している。
即ち、図１において示すように、二つの半導体整流素子１０１のそれぞれで整流する電磁波が、同一の波面（ｗａｖｅ ｆｒｏｎｔ）即ち位相差＝０となるように、電磁波の同位相面に対して平行となるようにアンテナに二つの半導体整流素子１０１を接続して配置している。
上述した構成とすることで、検出素子３のカットオフ周波数が低下するのを抑制し、また、検出する電磁波に対して検出素子全体における素子抵抗（合成抵抗）を半分に下げることができる。このように検出素子全体の素子抵抗を低下させることで、抵抗の値が比較的小さいアンテナとの抵抗のミスマッチを低減することが可能である。
ところで、半導体整流素子１０１として用いる２つのショットキーバリアダイオードの配置に関して、伝播される電磁波に対して“同位相の位置”としてあるが、厳密に位相差０とはならない位置であっても、本発明の検出感度を向上させるという効果を得ることが出来る。
そのため、本実施形態における同位相の位置とは、複数の半導体整流素子それぞれに伝播される電磁波の位相差が０となる配置に限られず、所定の範囲の位相差を有する配置にまで広げて許容されることとする。ここで、同位相の位置とは、前述の通り、アンテナから伝播される電磁波の位相が互いに実質的に同位相となる位置のことである。そして、本発明では、これらの位置に半導体整流素子をそれぞれ配置している。
以下、二つのショットキーバリアダイオードの配置関係について説明する。
図３は、ショットキーバリアダイオードの配置関係について説明する図である。
図では、検出する電磁波の周波帯域に対する、検出素子の素子抵抗（合成抵抗）［Ω］、二つのショットキーバリアダイオードを伝播する電磁波の位相角Ｍａｇ［Ｚｉｎ］を示している。
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）の順に、ショットキーバリアダイオード一個の場合（実線）に対して、二個の場合（破線）の配置として電磁波に対する位相差が０、π／６４、π／３２、π／１６、π／８、π／４、としてシュミレーションしている。
ここで、ストリップ導体として特性インピーダンスは３００Ωと仮定している。
また、他の数値例としては、Ｃｊ＝１ｆＦ，直列抵抗Ｒｓ＝１０００Ωのショットキーバリアダイオードを用いている。また、検出素子の抵抗をすべて含むロールオフ周波数ｆｒ＝√（１＋（Ｒｓ／Ｒｄ））（２π×√（ＲｓＲｄ）Ｃｊ）−１として１．６ＴＨｚ以下の周波数帯域において計算している。
ここで、二つのショットキーバリアダイオードを用い、位相差がπ／４、π／８のときでは、二つのショットキーバリアダイオードを伝播する電磁波の位相角Ａｒｇ［Ｚｉｎ］が離れてしまっている。
一方、π／３２、π／６４のときでは位相角Ａｒｇ［Ｚｉｎ］が徐々に一致し始め、π／６４では概ね一致していると考えてよい。
そのため、位相角も重要となる通信用のＴＨｚ検出器等では、二つの半導体整流素子の配置は伝送される電磁波（振動電場）の位相差の絶対値が０以上π／３２以下となるように配置されることが望ましい。
また、π／１６、π／３２、π／６４ではインピーダンスＭａｇ［Ｚｉｎ］は、１つのショットキーバリアダイオードを用いるときの半分であり、略理想的な値である。
そのため、位相角を気にしなくて良い撮像装置用等に用いる場合であれば、二個のショットキーバリアダイオードは、伝送される電磁波が０以上π／１６以下の位相差となるように配置されるのがより望ましい。
即ち、検出素子の使用状況に応じて合成インピーダンス、位相角の観点から同位相の範囲は決まることとなる。
ここで、最適な検出波長は、その接合面積の平方根の概ね３２〜（π／１６）／２π倍以上である。
ゆえに、本実施形態の検出器は、π／１６以下となるように配置するのが容易な、波長１０μｍ以上であるミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数帯域を検出するのに好ましい。
また、ストリップ導体１０３、１０４における電磁波の位相、波面（例えば、等電位面）が定義できるように、ショットキーバリアダイオード１０１と接しているストリップ導体の一部が平坦であるのが望ましい。
また、同じ接合面積Ａのショットキーバリアダイオードを用いているが、これに限定されずにそれぞれ別々の接合面積のショットキーバリアダイオードを用いても良い。
また、同一の半導体整流素子を用いて検出素子を構成するのに限定されず、半導体整流素子の種類や寸法を異ならせたものを用いても良い。
（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１で示した半導体整流素子が二つであったのに対し、ショットキーバリアダイオード等の半導体整流素子をｎ（ｎ≧３）並べて配置する形態である。その他の構成については実施形態１と同じであるため、同様の構成についての説明は省く。
以下、本実施形態に係る検出素子３について説明する。
図４（ａ）は本実施形態に係る検出素子を示した概略図である。図４（ｂ）は本実施形態に係る検出素子の同位相面に対して垂直な断面を示した図である。
尚、本実施形態では半導体整流素子１０１が３つの場合を例示してあるが、これには限定されない。半導体整流素子１０１は３つでもよいし、４、５・・・ｎ個に拡張することもできる。
即ち、本実施形態の検出素子は、複数個の半導体整流素子を有していれば良く、また、少なくとも３以上の半導体整流素子が電磁波に対して同位相となるように配置されていても良い。
ここで、半導体整流素子をｎ個有するときは、検出素子抵抗は理想的には１個のときに比べて１／ｎ倍低抵抗化することが出来る。
ただし、半導体整流素子を複数個並べる際には、本実施形態の用に抵抗の並列化効率を考慮する必要がある。ここでの並列化効率とは、半導体整流素子ｎ個を並列に接続したときの抵抗の低下分に相当し、検出素子全体の合成抵抗が１個のときに比べて略１／ｎ倍となるのが理想の並列化効率となる。
しかし、半導体整流素子の配置によっては、この理想の並列化効率を満たさないような場合が存在する。
例えば、実施形態１において半導体整流素子１０１が図１（ａ）に示すように上下方向でストリップ導体１０４に囲まれて接続されている状態で、三つ目の素子をこの二つの半導体整流素子の間に追加する場合を仮定する。
このような並べ方では、追加した半導体整流素子の抵抗が大きくなってしまうことで検出素子全体の並列化効率を低下させてしまう。
この並列化効率の低下を抑制するには、ストリップ導体１０４に凸部１０６を設けると良い。即ち、ストリップ導体１０４の半導体整流素子側に位置する端部に、半導体整流素子間に位置するように形成された凸状の凸部１０６を設けると良い。
その理由としては、ストリップ導体１０４とすべての半導体整流素子１０１との最短距離を等しくすることで、半導体層１０２の距離を短い状態として直列抵抗Ｒｓを大きくすることなく、並列化効率の低下を抑制できるためである。
尚、凸部１０６の形状としては、矩形に限られず、三角形や半円等、種々の形状を採用することができる。半導体整流素子１０１の素子数が三つ、四つと増える場合、半導体層１０２より電気伝導度の高い材料のストリップ導体１０４の凸部１０６を半導体整流素子１０１の素子間に配置すると効果的である。
尚、本実施形態の凸部１０６は、半導体整流素子間の位相差が十分に小さいようなアレイ状の素子配列においても重要になる。その際、凸部はメッシュ状に配置されてもよい。
また、本実施形態では、アンテナに複数の半導体整流素子を接続する構成としているが、アンテナに電磁波を伝送する伝送線路を接続し、伝送線路を介してアンテナから電磁波を半導体整流素子に伝送させる構成としても良い。
（実施例１）
さらに具体的な検出素子３、検出素子３を有する検出器４の構成について、以下で説明する。
［検出器の全体の構成］
本実施例に係る検出器４について、図５を用いて説明する。
半導体整流素子としてショットキーバリアダイオード１０１を用いた。図５（ａ）は、本実施例に係る検出器の斜視図である。図５（ｂ）は、本実施例に係る検出器の中央部を拡大した図である。図５（ｃ）は、本実施例に係る検出器の断面を示した図である。
図５（ａ）に示すように、検出器は電磁波を受信して伝送するアンテナ１００として、対数周期アンテナを有している。対数周期アンテナの受信する帯域は広帯域であり、一つのアンテナでさまざまな周波数の電磁波を受信できる。
本実施例のアンテナ１００は、０．２ＴＨｚから２．５ＴＨｚの周波数帯域の電磁波を受信する。
ここで、アンテナ１００は、基板上に配置された非接触の二つの導体であるストリップ導体１０３、１０４から成る。アンテナ１００の寸法としては、図に示すショットキーバリアダイオードが配置されている中央部から最も外側までの半径（外径）が２５０μｍ、もっとも内側までの半径（内径）が１０μｍ、対数周期０．７の櫛歯の数が９本、櫛歯の角度が４５ｄｅｇのものを用いた。
図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、ストリップ導体１０３、１０４の中央部に、本実施例ではメサ型のショットキーバリアダイオードを二つ、電磁波の同位相面に並べて配置している。
ショットキーバリアダイオード１０１は酸化膜などで埋め込み、ショットキー電極に相当するストリップ導体１０３と接続されるように構成した。
またショットキーバリアダイオード１０１は高濃度キャリア層である半導体層１０２を介してオーミック電極に相当するストリップ導体１０４とも接続されるように構成した。
このような検出素子３の構造は、まず、Ｆｚ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｚｏｎｅ）法により、Ｓｉ基板上にキヤリア濃度が１０１９ｃｍ−３のｎ＋型層と１０１８ｃｍ−３のｎ型層を、エピタキシャル成長法を用いて形成した。
次にエピタキシャル層のエッチングを行い、その後エピタキシャル層にショットキーメタルを蒸着してショットキー電極を形成することで、ショットキーバリアダイオード１０１を形成した。エッチングにはドライ又は、ウェットエッチングを併用してもよい。
続いて、Ａｌから成るストリップ導体１０４を成膜し、ＳｉＯ２の誘電体２によるパッシベーション（チップ表面を水分，可動イオン（固定されずに，自由に動きまわれるイオン）などの汚染から保護して，デバイスの信頼性を高めるための保護膜形成工程．材質は窒化膜，リン・ガラス（ＰＳＧ）が一般的。）を行う。
さらに、ＳｉＯ２の頭出しを行い、ショットキーバリアダイオード１０１を露出させる。最後にＡｌから成るストリップ導体１０３の成膜を行い、本実施例の検出素子を製造した。
この様に、本実施例の検出素子３は、周知の半導体プロセス技術を用いて容易に作製できる。
本実施例の検出素子３の構造としては、ＲＣローパスフィルタのカットオフ周波数が約３ＴＨｚとなるように、ストリップ導体１０３とショットキーバリアダイオード１０１との接触部側の直径は０．６μｍ、ショットキーバリアダイオード１０１とストリップ導体１０４との間の距離は１μｍとした。また、２つのショットキーバリアダイオード１０１の間隔は２μｍとした。
これを確かめるために、０．７ＴＨｚの電磁界分布のシミュレーションを行った結果を図１０に示す。図１０はアンテナの同位相面をシュミレーションした結果であり、中央付近において、等間隔にほぼ一様な電磁波の波面（同位相面）が形成されていることが理解される。
ここで、本実施例における１つのショットキーバリアダイオードを用いる場合の直列抵抗Ｒｓは、１０００Ωである。そのため、２つのショットキーバリアダイオード１０１を並列に接続した本実施例の検出素子の合成抵抗は略５００Ωである。
また、ショットキーバリアダイオードからの反射を見積もると、反射係数Γ＝（Ｒａ−Ｒｄ）／（Ｒａ＋Ｒｄ）で求められる。ここで、Ｒａはアンテナの抵抗、Ｒｄはショットキーバリアダイオードの素子抵抗である。
本実施例におけるＲｄは、二つのショットキーバリアダイオードの素子抵抗となる。また、この反射係数から電力効率も求めることができ、電力効率は１−Γ２で求められる。そのため、前述の式から、１つのショットキーバリアダイオードを用いた場合と、本実施例のように２つのショットキーバリアダイオードを用いた場合とで電力効率を比較することができる。
図１１は、本発明とショットキーバリアダイオードを一つ用いた構成とを比較した図である。
電力効率は、ショットキーバリアダイオード１つの場合２８％であったのに対し、本実施例では４８％と上昇した。
また、カットオフ周波数については、比較例、本発明共に２ＴＨｚとなった。この図から、本実施例の構成では、カットオフ周波数については比較例の構成と変わらないものの、電力効率が高い、即ち、検出器４で得られる電磁波（振動電場）の電場強度に関する信号強度を大きくすることができるために、ＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ／Ｎｏｉｓｅ）比を比較例に比べて高めることが出来た。
また、本実施例の検出器４では、読み出し線２００を介して、ミキサー部２０２、高周波電源２０１、電流計測手段である電流計測部（計測ユニット）２０３と接続されている。
アンテナ１００で受信する電磁波（振動電場）により検出素子３には高周波電流が流れ、その高周波電流と高周波電源２０１から印加する高周波電流とをミキサー部２０２で重ね合わせて、電流計測部（計測ユニット）２０３にて重ねあわされた電流を測定する構成とした。
尚、ミキサー部や高周波電源２０１を設けずに読みだし線と電流計測部２０３とを直接接続しても良い。また、不図示の電圧印加手段などによって読み出し線２００にバイアス電圧を印加し、ダイオード素子の動作点電圧を設定してもよい。
例えば、本実施例のショットキーバリアダイオードを用いる構成では、０Ｖ付近のバイアス電圧を印加しておくと高感度である。また、最適なバイアス電圧はストリップ導体１０３の電極材などにも依存するため、ＴｉやＡｌのように比較的仕事関数の低い電極材では０から０．１Ｖ付近、ＰｔやＰｄのように比較的仕事関数の高い電極材では０．３から０．５Ｖ付近の順バイアスが最適となる。
図６は、高周波全電磁界シミュレータＨＦＳＳ ｖ１２（ａｎｓｏｆｔ社製）でシミュレーションして得たアンテナ１００のインピーダンス特性の結果を示した図である。本実施例のアンテナ１００は、自己補対アンテナ（ｓｅｌｆ−ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ａｎｔｅｎｎａｓ）であり、インピーダンスは１８８Ωである。
さらに、Ｓｉ基板の誘電率εｒの影響を受けるため、１８８Ω／√（１＋εｒ）／２〜８０Ωとなり、比較的低インピーダンスのものとなる。
尚、これまで説明してきたアンテナに限定されずに、本実施例ではさまざまな種類のアンテナを用いることが可能である。
図７は、本実施例に適用可能な受信用のアンテナについて示した図である。図７に示すように、対数周期アンテナやスパイラルアンテナは極めて広い周波数帯の電磁波の検出が可能な検出素子に対して有効である。
共鳴的な周波数特性を持つダイポールアンテナやスロットアンテナは、受信したい周波数帯を制限する検出素子として有効である。もちろん平衡型には限られず、共振型のパッチアンテナなどでもよい。
（実施例２）
本実施例に係る検出器は、立体型のアンテナと導波路を用いることを特徴としている。それ以外の構成については実施例１と略同様であるため、それらの説明については省略する。
図８（ａ）は、本実施例に係る検出素子を示す斜視図である。図８（ｂ）は、本実施例に係る検出素子と半導体チップとを分解した図である。
本実施例では半導体整流素子としてプレーナドープバリアダイオード１０１（以下、ＰＤＢＤ）を用いる。
また、ホーンアンテナ１００と伝送線路としてのダブルリッジ導波路４０５とを有する。さらに、本実施例の検出素子３は半導体チップ４１にＰＤＢＤを備えさせて、これにより立体アンテナにＰＤＢＤを実装することとしている。
ホーンアンテナ１００は広帯域特性に優れ、また、指向性も鋭いメリットがある。その際、半導体チップへ電磁波を導波するためにダブルリッジ導波路４０５を用いる。
本実施例の進行波型アンテナ１００は、３０ＧＨｚから０．１ＴＨｚを受信するためのもので、ダブルリッジ導波路は最も狭い同図の手前側で３．５ｍｍ×７．０ｍｍ、最も広い奥行き側で一辺がその４倍の開口を有する。
ダブルリッジ導波路４０５におけるリッジ４０６、４０７は同図の上下方向から伸びており、このリッジ４０６、４０７に半導体チップ４１がはんだ付け等で実装されている。
図８（ｂ）は、検出素子の実装前のそれぞれの部品を示す図である。本実施例では、ＧａＡｓ基板１上にＧａＡｓによるｎ型層／ｐ型層／ｎ型層を備えてプレーナバリアを形成し、直径５μｍのメサ１０１を二つ備える。
ＰＤＢＤの二電極であるオーミック電極４０３、４０４は、リッジ４０６、４０７に電気的に接続されている。
このような、ダブルリッジ導波路４０５の端部のＰＤＢＤにおいて、進行波型アンテナ１００からの電磁波の位相は時間的には異なるものになるが、二つのＰＤＢＤの間で位相差が生じるわけではないため、二つのＰＤＢＤ１０１は同位相の位置となる。
尚、平面アンテナと伝送線路とを一体にして構成しても良い。図９は、本実施例の構成を平面アンテナに適用した場合の検出素子の構成を示した図である。
検出素子３は、テーパードスロットアンテナ１００と、伝送線路としてのスロット線路４０５（４０３、４０４）と、を有する構成である。
（その他実施例）
図１２は、撮像装置の概略構成を示した図である。
図に示す通り、本実施例に係る撮像装置１０は、測定物に関する像を撮像する。
撮像装置１０は、３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの一部を含む周波数帯域の電磁波を測定物に発振する発振器１１と、これまで説明してきた各実施例の検出素子３をアレイ状に二つ配置し、複数の検出素子が各々検出する測定物を透過、反射した電磁波に関する情報に基づいて、測定物の像を構築する像構築部である撮像部１２と、を有する撮像装置１０である。また、発振器１１に電圧を印加する電源１３も有している。
撮像装置１０は、発振器１１から発振されたテラヘルツ波を測定物へと照射し、照射後の透過波、あるいは反射波を検出素子３で検出する。
この際、検出素子３で検出されるテラヘルツ波の電場強度（電界分布）に関する信号から、測定物の吸収スペクトルや屈折率等の物性情報を取得する。また、この取得した物性情報から測定物の像を構築することで、測定物の物性情報を可視化することができる。
尚、この際にアンテナ長が異なる検出素子を配置することによって、異なる周波数に対応する撮像装置とすること可能である。アンテナの方向が異なる検出素子を配置することによって、異なる偏波に対応する撮像装置とすることも可能となる。
また、従来から用いられるトモグラフィ装置に本発明を適用しても良い。
１ 基板
２ 誘電体
３ 検出素子
４ 検出器
４１ 半導体チップ
１００ アンテナ
１０１ ショットキーバリアダイオード（半導体整流素子）
１０２ 半導体層
１０３ ストリップ導体
１０４ ストリップ導体
４０５ ダブルリッジ導波路（伝送線路）

Claims (20)

  1. 電磁波を検出する検出素子において、
    ２つの導体を有するアンテナと、前記アンテナと直列に接続しており、かつ極性が同じ向きになるよう互いに並列に接続されている第１の半導体整流素子及び第２の半導体整流素子と、を有し、
    前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、前記アンテナから前記第１の半導体整流素子に伝播される電磁波と前記アンテナから前記第２の半導体整流素子に伝播される電磁波との位相差の絶対値が、０以上π／１６以下となる位置に配置されていることを特徴とする検出素子。
  2. 前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、前記アンテナから伝播される電磁波の波面に対して平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の検出素子。
  3. 前記２つの導体の少なくとも一方と前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれとは、半導体層を介して電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の検出素子。
  4. 前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、前記２つの導体の一方と接触して並置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検出素子。
  5. 前記アンテナは凸部を有し、前記複数の半導体整流素子の間に前記凸部が位置するように配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の検出素子。
  6. 前記アンテナと電気的に接続されて電磁波を伝送する伝送線路を有し、
    前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、前記伝送線路を介して前記アンテナと接続していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検出素子。
  7. 前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、前記アンテナから前記第１の半導体整流素子に伝播される電磁波と前記アンテナから前記第２の半導体整流素子に伝播される電磁波との位相差の絶対値が、０以上π／３２以下となる位置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項に記載の検出素子。
  8. 前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれを構成する接合部の電流が流れる方向に垂直な断面の面積は、互いに等しいことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の検出素子。
  9. 前記接合部の前記面積は、１０μｍ２以下であることを特徴とする請求項８に記載の検出素子。
  10. 前記接合部は、周囲を誘電体で囲まれた円柱状をなすことを特徴とする請求項８または９に記載の検出素子。
  11. 前記２つの導体は、基板上に配置されており、互いに非接触であることを特徴とする請求項４に記載の検出素子。
  12. 前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、シリコンを含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の検出素子。
  13. 前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、化合物系半導体材料を含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の検出素子。
  14. 前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、ＩＩＩ−Ｖ族系半導体材料を含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の検出素子。
  15. 前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子のそれぞれは、ショットキーバリアダイオードまたはプレーナドープバリアダイオードを含むことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の検出素子。
  16. ３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの一部を含む周波数帯域の電磁波を検出することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の検出素子。
  17. 第３の半導体整流素子を有し、
    前記第３の半導体整流素子は、前記アンテナから前記第３の半導体整流素子に伝播される電磁波と前記アンテナから前記第１の半導体整流素子に伝播される電磁波との位相差の絶対値が、０以上π／１６以下となる位置に配置されることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の検出素子。
  18. 電磁波を検出する検出器であって、
    請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の検出素子と、
    前記アンテナにおける電場を計測する計測ユニットと、を有することを特徴とする検出器。
  19. 電磁波を用いて測定物を撮像する撮像装置であって、
    ３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの一部を含む周波数帯域の電磁波を発振する発振器と、
    前記電磁波を検出する請求項１８に記載の検出器と、
    前記検出器が検出した電磁波に関する情報に基づいて前記測定物に関する像を構築する像構築部と、を有することを特徴とする撮像装置。
  20. 基板と、
    前記基板上に配置されている半導体層と、第１の導体と、前記半導体層上に配置されている第２の導体と、前記半導体層と前記第１の導体との間に配置されている第１の半導体整流素子及び第２の半導体整流素子と、を有し、
    前記第１の導体と前記第２の導体とは、接触しておらず、
    前記第１の半導体整流素子及び前記第２の半導体整流素子は、前記第１の導体及び前記第２の導体のそれぞれに対して、極性が同じ向きになるよう互いに並列に接続されており、
    前記第１の導体及び前記第２の導体から伝搬された電磁波における前記第１の半導体整流素子が配置されている位置の位相と前記電磁波における前記第２の半導体整流素子が配置されている位置の位相との位相差の絶対値が、０以上π／１６以下であることを特徴とする検出素子。
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