JP6282041B2

JP6282041B2 - 発振器

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Inventors: 泰史小山; 亮太関口
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Description

本発明は、負性抵抗素子を用いた発振器に関し、特には、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下、以下同様な意味で用いる）の周波数領域内の周波数帯における電磁波の発振器に関する。

テラヘルツ波の周波数領域には、生体材料・医薬品・電子材料などの多くの有機分子について、構造や状態に由来した吸収ピークが存在する。また、テラヘルツ波は、紙・セラミック・樹脂・布といった材料に対して高い透過性を有する。近年、この様なテラヘルツ波の特徴を活かしたイメージング技術やセンシング技術の研究開発が行われている。例えば、Ｘ線装置に代わる透視検査装置や、製造工程におけるインラインの非破壊検査装置などへの応用が期待されている。

この周波数領域の電磁波を発生する電流注入型の光源として、負性抵抗素子に共振器を集積した発振器が良く知られている。特許文献１は、２重障壁型の共鳴トンネルダイオード（以下ＲＴＤと記す）である負性抵抗素子と、スロットアンテナである共振器を半導体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。当該発振器は、ＲＴＤの半導体量子井戸構造内の電子のサブバンド間遷移に基づく微分負性抵抗を利用し室温でテラヘルツ波を発振する。特許文献２は、ＲＴＤとマイクロストリップ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が開示されている。

負性抵抗素子を用いた発振器は、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整するための電源と配線と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。寄生発振は、所望の周波数とは異なる低周波側の周波数帯における寄生的な発振のことを指し、所望の周波数における発振出力を低下させる。寄生発振の抑制には、発振器の発振波長をλ_ｏｓｃ、発振周波数をｆ_ｏｓｃとすると、ＤＣ以上ｆ_ｏｓｃ未満の周波数領域においてバイアス回路側のインピーダンスを低くすることが必要である。この対策として、ＲＴＤから見て電源側に向かってλ_ｏｓｃ／４以内の位置に低インピーダンス回路を配置する方法が提案されている。

例えば、非特許文献１では図７のように、低インピーダンス回路として、Ｓ−ＲＴＤ１１から見て電源１６側に向かってλ_ｏｓｃ／４以内の位置に整流ダイオード１５を集積している。１７は、電源１６の内部抵抗及び接続線が持つ抵抗を合計したものである。特許文献１では、ビスマスの薄膜抵抗構造からなる並列抵抗と、金属／絶縁体／金属（ＭＩＭ）からなる並列容量を設けた低インピーダンス回路をＲＴＤ及びスロットアンテナと同一基板上に集積して、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。

特開２００７−１２４２５０号公報特開２００６−１０１４９５号公報

ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ１８，２１８（１９９７）

特許文献２に開示されるパッチアンテナなどのマイクロストリップ型共振器を用いた発振器においても、テラヘルツ波の発振を得るためには、低インピーダンス回路を集積して寄生発振を抑制することが必要である。しかしながら、特許文献１や非特許文献１の手法は、あくまでスロット型共振器の為の構成を述べているため、マイクロストリップ型共振器にこれを適用することは容易ではなかった。具体的には、例えばパッチアンテナであれば、負性抵抗素子から見てバイアス回路側に向かってλ_ｏｓｃ／４以内の領域は、共振器であるパッチアンテナそのもの、或いはパッチアンテナに近接する周辺部材のある領域となる。したがって、マイクロストリップ型共振器では、共振器と干渉せずに低インピーダンス回路を配置することは困難であった。また、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整する為に必要な配線構造が共振器に近接するため、構造に起因した比較的高い周波数の寄生発振を抑制する必要があった。

本発明の目的は、パッチアンテナなどのマイクロストリップ共振器において、ＤＣ以上ｆ_ｏｓｃ未満の周波数領域において寄生発振を抑制し、所望のテラヘルツ帯の発振周波数ｆ_ｏｓｃで安定して発振動作可能な発振器を提供することである。

本発明の一側面としての発振器は、二つの導体、前記二つの導体の間に配置されている負性抵抗素子、及び前記二つの導体の間に配置されている誘電体、を有する共振器と、前記二つの導体の間に前記負性抵抗素子と並列に設けられた抵抗素子と、を備え、前記抵抗素子は、自然対数の底をｅとすると、発振されるテラヘルツ波の周波数ｆ_ｏｓｃにおいて前記共振器内を定在する電界の強度が最大電界強度の１／ｅ^２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、負性抵抗素子が集積されたパッチアンテナなどのマイクロストリップ共振器において、共振器を定在するテラヘルツ帯の発振周波数ｆ_ｏｓｃの電界の実質的な節に並列抵抗を配置する構成を開示するものである。こうした構成により、テラヘルツ帯における所望の発振周波数ｆ_ｏｓｃ付近は高インピーダンスとなり、且つ、寄生発振の周波数ｆ_ｓｐ（ｆ_ｓｐ＜ｆ_ｏｓｃ）付近は低インピーダンスとなるような発振回路が実現される。従って、マイクロストリップ型共振器を用いた発振器においても、配線構造に起因した寄生発振を抑制し、共振器により規定される所望のテラヘルツ帯の発振周波数ｆ_ｏｓｃを安定して得ることができる。

本発明に係る発振器の構成を説明する図本発明に係る発振器の共振電界を説明する図本発明に係る発振器のアドミタンス特性を説明する図実施例１の発振器２００の構成を説明する図本発明に係る発振器の変形例を説明する図実施例２の発振器３００の構成を説明する図従来技術を説明する図

本実施形態に係る発振器１００について、図１〜６を用いて説明する。図１（ａ）は本発明に係る発振器１００の外観を示す斜視図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。図２は、発振周波数ｆ_ｏｓｃ（＝１ＴＨｚ）におけるパッチアンテナ内（共振器内）に定在する電界の解析例である。図３は、本発明にかかる発振器のアドミタンス特性の一例である。図４は、本発明の実施例１に開示した発振器２００の外観を説明する図であり、（ａ）斜視図、（ｂ）Ａ−Ａ’断面図、（Ｃ）変形例を示す。図５及び図６は、本実施形態で開示した発振器の変形例を示した。

先ず、発振器１００の構成について説明する。負性抵抗素子１０１は、電流電圧特性において、電圧の増加に伴って電流が減少する領域、すなわち負の抵抗をもつ領域が現れる素子である。負性抵抗素子１０１は、典型的には、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）やエサキダイオード、ガンダイオード、一端子を終端したトランジスタなどの高周波素子が好適である。例えば、タンネットダイオード、インパットダイオード、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、化合物半導体系電ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などを用いても良い。また、超伝導体を用いたジョセフソン素子の負性抵抗を用いても良い。以下では、テラヘルツ帯で動作する代表的な負性抵抗素子であるＲＴＤを負性抵抗素子１０１に用いた場合を例にして説明を進める。

パッチアンテナ１０２は、テラヘルツ帯の共振器であり、有限な長さのマイクロストリップラインなどを用いたマイクロストリップ型共振器である。パッチアンテナ１０２は、パッチ導体１０８と接地導体１０９の二導体で負性抵抗素子１０１と誘電体１０７を挟むように構成される。ここで、誘電体とは、導電性よりも誘電性が優位な物質で、直流電圧に対しては電気を通さない絶縁体或いは高抵抗体としてふるまう材料である。典型的には抵抗率が１ｋΩｍ以上の材料が好適である。具体例としては、プラスティック、セラミック、酸化シリコン、窒化シリコンなどがある。

パッチアンテナ１０２は、パッチ導体１０８のＡ−Ａ’方向の幅がλ／２共振器となるように設定される。パッチアンテナ１０２は、負性抵抗素子１０１が集積されたアクティブアンテナである。従って、発振器１００のパッチアンテナ１０２によって規定される発振周波数ｆ_ｏｓｃは、パッチアンテナ１０２と負性抵抗素子１０１のリアクタンスを組み合わせた全並列共振回路の共振周波数として決定される。具体的には、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６（２００８）に開示されたＲＴＤ発振器の等価回路から、ＲＴＤとアンテナのアドミタンス（Ｙ_ＲＴＤ及びＹ_ＡＮＴ）を組み合わせた共振回路について、
振幅条件Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］＜＝０式１
位相条件Ｉｍ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｉｍ［Ｙ_ＡＮＴ］＝０式２
の二つの条件を満たす周波数が発振周波数ｆ_ｏｓｃとして決定される。ここで、Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は負性抵抗素子のアドミタンスであり負の値を有す。

負性抵抗素子１０１のバイアス電圧を調整するためのバイアス回路は、電源１０５と配線１０６から構成される。配線は、寄生的なインダクタンス成分を必ず伴うため、図１上ではインダクタンス１０６として表示した。電源１０５は、負性抵抗素子１０１の駆動に必要な電流を供給し、バイアス電圧を調整する。バイアス電圧は、典型的には、負性抵抗素子１０１の負性抵抗領域から選択される。ストリップ導体１０３１は、バイアス回路１０５、１０６から負性抵抗素子１０１にバイアスを供給する役割を持つ。ストリップ導体１０３１は、発振周波数ｆ_ｏｓｃより低周波の周波数領域においてはインダクタンスＬとして作用する。

抵抗１０４とこれと並列に接続された容量１０３２は低インピーダンス回路である。これは、電源１０５や配線１０６などのバイアス回路に起因した比較的低周波数の共振ｆ_ｓｐ１（ｆ_ｓｐ１＜ｆ_ｏｓｃ、典型的にはＤＣから１０ＧＨｚの周波数帯）の寄生的な発振を抑制している。抵抗１０４の値は、負性抵抗素子１０１の負性抵抗領域における負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値が選択される。容量１０３２も抵抗１０４と同様に、負性抵抗素子１０１の負性抵抗の絶対値より素子のインピーダンスが低くなるように設定する。一般的には、容量１０３２は大きいほうが好ましく、本実施形態では数ｐＦ程度としている。容量１０３２はストリップ導体１０３１と直結されたデカップリング容量となっており、例えば、パッチと基板を共にしたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造を利用してもよい。

一方、ストリップ導体１０３１のインダクタンスとパッチアンテナ１０２のキャパシタンスは、周波数ｆ_ｓｐ２（ｆ_ｓｐ２＜ｆ_ｏｓｃ）のＬＣ共振を形成する。ｆ_ｓｐ２は、ストリップ導体１０３１の長さやパッチアンテナ１０２の面積で決まり、典型的には１０〜５００ＧＨｚの範囲となる。マイクロストリップ共振器の構造上、配線構造であるストリップ導体１０３１とパッチアンテナ１０２は近接する。したがって、前述の抵抗１０４と容量１０３２からなる低インピーダンス回路をｆ_ｏｓｃの共振電界と干渉せずパッチアンテナ１０２に接続することは容易ではなかった。このため、従来は、この寄生的なｆ_ｓｐ２の発振を抑制することは困難であった。

本発明の発振器１００は、負性抵抗素子１０１と並列に配置された並列抵抗である抵抗素子１１０をパッチアンテナ１０２の中に備える。抵抗素子１１０は、ｆ_ｓｐ２を含むｆ_ｏｓｃ未満の低周波数領域ではＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］＞０を、ｆ_ｏｓｃの周波数領域ではＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］＜＝０を満たすように抵抗値Ｒ、位置、構造が設定される。ここで、Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は負の値を有し、ＤＣでは、負性抵抗素子１０１の負性抵抗の逆数に漸近する。

抵抗値Ｒの値は０Ωより大きい有限な値を有する。０Ωの場合、一般的なショートと同様にパッチアンテナ１０２の共振特性が変化するので、ｆ_ｏｓｃ以外のモードが励振されてしまう。このため、本発明の目的には適さない。また、抵抗値Ｒを高抵抗化すると、ＤＣからｆ_ｓｐ２を含む低周波数領域において、Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］がＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］の絶対値より相対的に大きくなり、低周波数領域における効果的な損失とならなくなる。このように、抵抗素子１１０の抵抗値Ｒには最適な範囲があり、共振器の構造や材料、並びに負性抵抗素子の負性抵抗の大きさにより設定される。抵抗値Ｒは、使用するマイクロストリップ共振器の特性インピーダンスに近い値に設定することが好適であり、典型的には特性インピーダンスの１／１０〜１０倍の範囲が最適な範囲である。特性インピーダンスは、近似的には共振器の寸法や、誘電体の材料及び厚みにより決まるので、共振器の構造と材料により抵抗値Ｒの最適な範囲は変化する。ミリ波〜テラヘルツ波の周波数領域（真空中の波長で１０ｍｍから１０μｍ）におけるマイクロストリップ共振器の特性インピーダンスの１／１０〜１０倍の範囲は、大凡０．１〜１０００Ωの範囲となる。また、抵抗値Ｒは、ＤＣにおけるＲＴＤの負性抵抗の絶対値（すなわち−１／Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］）より小さい値に設定することが好ましい。従って、抵抗値Ｒの値は、負性抵抗素子１００の負性抵抗の大きさや電流密度によっても設定される。

抵抗素子１１０の材料は、コンスタンタン・ニッケルクロム・ビスマスなどの高抵抗の金属、金属薄膜からなる構造抵抗、導電性樹脂、ドーピングを調整した半導体などが好適である。また、半導体と金属の界面のコンタクト抵抗、半導体と金属の界面に生じるショットキーバリアダイオードや３端子トランジスタのソース―ドレイン間やエミッターコレクタ間などで形成される非線形抵抗体を用いる構成であっても良い。いずれも材料や構成も抵抗素子１１０の構造を調整して抵抗値Ｒを前述の範囲内に設定する。

抵抗素子１１０は、パッチアンテナ１０２と負性抵抗素子１０１により規定されるテラヘルツ帯の発振周波数ｆ_ｏｓｃでパッチアンテナ内を定在する高周波電界の実質的に節となる位置に配置される。ここで、実質的に節となる位置とは、パッチアンテナ内を定在する発振周波数ｆ_ｏｓｃの電界強度が１桁程度低下する位置、典型的には最大電界強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）以下となる位置が好適である。

図２は、実施例１に開示したＲＴＤを集積した発振器２００の構成について、アンソフト社の高周波シミュレータＨＦＳＳを用いて発振周波数ｆ_ｏｓｃ（＝０．９５ＴＨｚ）におけるパッチアンテナ２０２内に定在する電界を解析した結果である。図２の斜線領域は、定在する電界が最大電界強度の１／１０となる領域で、上述した抵抗素子を配置するのに好適となる実質的に節となる位置の典型例を示している。抵抗素子１１０の構造及び寸法は、抵抗値Ｒの値にもよるが、パッチアンテナ２０２内に定在する電界と干渉しないように、斜線の実質的に節となる領域の中に収まる程度の大きさが好ましい。典型的には、寸法が共振器長Ｌの１／５以下、又は発振波長λ_ｏｓｃの１／１０以下であることが好適である。

テラヘルツ帯で動作するアクティブアンテナは、負性抵抗素子のリアクタンスによる周波数シフトが大きくなるので、図２のように、パッチアンテナ２０２内に定在する発振周波数ｆ_ｏｓｃの電界は必ずしも対称な分布にはならない。従って、ｆ_ｏｓｃの電界の節はパッチアンテナの中心以外の領域に分布する場合も生じる。その場合は、抵抗素子を共振器の中心より負性抵抗素子１０１に近い位置に配置すれば良い。

図３は、実施例１に開示したＲＴＤを集積した発振器２００のアドミタンス特性の解析結果である。図３（ａ）は、ＲＴＤのアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］とパッチアンテナ２０２のアドミタンスの実部Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］をプロットしたグラフである。また、図３（ｂ）は、ＲＴＤのアドミタンスの虚部Ｉｍ［Ｙ_ＲＴＤ］とパッチアンテナ２０２のアドミタンスの虚部Ｉｍ［Ｙ_ＡＮＴ］をプロットしたグラフである。各グラフには、本発明で開示した抵抗素子２１０を備えたパッチアンテナと従来の抵抗素子の無いパッチアンテナのアドミタンスＲｅ［Ｙ_ＡＮＴ］とＩｍ［Ｙ_ＡＮＴ］を示した。図３（ｂ）から、式２を満たす発振周波数はｆ_ｏｓｃ＝０．９５ＴＨｚである。また、ＬＣ共振の周波数は、抵抗素子２１０有りの場合はｆ_ｓｐ２＝０．３０ＴＨｚ、従来の抵抗無の場合はｆ_ｓｐ２＝０．２５ＴＨｚと見積られる。抵抗素子２１０により、ｆ_ｓｐ２は共振特性が変わり周波数シフトが生じるが、ｆ_ｏｓｃは実質的な節に配置されるので周波数は殆ど変化しない。図３（ａ）から、抵抗素子２１０の無い場合は、ｆ_ｏｓｃ及びｆ_ｓｐ２の両方が式１及び式２の発振条件を満たすため、ＬＣ共振を含む寄生発振が生じる可能性がある。一方、抵抗素子２１０を備えた場合は、ｆ_ｏｓｃは発振条件を満たすが、ｆ_ｓｐ２含むＤＣ〜ｆ_ｏｓｃ未満の低周波数の領域では低インピーダンスとなり式１の発振条件を満たさないので、ＬＣ共振を含む寄生発振は抑制されることが分かる。

このように、本発明で開示した発振器は、テラヘルツ帯における所望の発振周波数ｆ_ｏｓｃ付近は高インピーダンスとなり、且つ、ｆ_ｓｐ２含むＤＣ〜ｆ_ｏｓｃ未満の寄生発振の周波数領域は低インピーダンスとなるような発振回路が実現される。このような構成であれば、アンテナ構造及び抵抗素子の大きさと配置を任意に設計することで、テラヘルツの発振周波数ｆ_ｏｓｃにおける損失を最小化とし、寄生発振の周波数における損失を最大化することも可能となる。従って、本発明の構成により、マイクロストリップ型共振器を用いた発振器においても、バイアス回路や給電構造に起因した低周波の寄生発振を抑制し、共振器により規定される所望のテラヘルツ帯の発振周波数ｆ_ｏｓｃのみを安定して発振することが可能となる。

図５には、本発明の発振器の変形例を示した。ここで、発振器１００と同じ構成部材については説明は省略する。発振器４００は、２つの負性抵抗素子４０１ａ及び４０１ｂをパッチアンテナを定在する電界が共振する方向について、パッチの中心を軸にして対称に配置したプッシュ・プル型の発振器の構成を開示している。このような場合、アンテナ内を定在する電界は、アンテナの中心を軸として共振する方向に対称となり、電界の節の位置はアンテナの中心付近に分布する。従って、抵抗素子４１０ａ及び４１０ｂはパッチの中心付近に配置すれば良い。また、発振器５００のように、抵抗素子５１０をストリップ導体１０３１と接地導体１０９との間に配置するような構成であっても寄生発振の抑制効果が期待される。

さらに具体的な発振器については、以下の実施例において説明する。

本実施例に係る発振器２００について、図４を用いて説明する。発振器２００は、発振周波数ｆ_ｏｓｃ＝０．９５ＴＨｚを発振させるための発振器である。本実施例では負性抵抗素子２０１として共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いている。本実施例で用いたＲＴＤは、例えば、ＩｎＰ基板２３０上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造とｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層を伴って構成される。多重量子井戸構造としては、例えば三重障壁構造を用いる。より具体的には、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ）／ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ）／ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）の半導体多層膜構造で構成する。このうち、ＩｎＧａＡｓは井戸層、格子整合するＩｎＡｌＡｓや非整合のＡｌＡｓは障壁層である。これらの層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。この様な多重量子井戸構造は、電子濃度が２×１０^１８ｃｍ^−３のｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層に挟まれる。こうした電気的接点層間の構造の電流電圧Ｉ（Ｖ）特性において、ピーク電流密度は２８０ｋＡ／ｃｍ^２であり、約０．７Ｖから約０．９Ｖまでが負性抵抗領域となる。ＲＴＤが約２μｍΦのメサ構造の場合、ピーク電流１０ｍＡ、負性抵抗−２０Ωが得られる。

パッチアンテナ２０２は、パッチ導体２０８の一辺が６０μｍの正方形パッチで、パッチ導体２０８と接地導体２０９の間には誘電体２０７として３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、ε_ｒ＝２．４）を配置した。パッチ導体２０８と接地導体２０９の間には直径２μｍのＲＴＤ２０１が接続され、ＲＴＤ２０１は、パッチ導体２０８の中心から共振方向に２４μｍシフトした位置に配置される。パッチアンテナ２０２の単独の共振周波数は、約１．５ＴＨｚであるが、負性抵抗素子２０１であるＲＴＤのリアクタンスを考慮すると、発振器２００の発振周波数ｆ_ｏｓｃは約０．９５ＴＨｚとなる。

パッチ導体２０８は幅５μｍ・長さ１５μｍの２本のマイクロストリップライン２０３１を介してＭＩＭ容量２０３２と接続される。ＭＩＭ容量２０３２の容量の大きさは本実施例では１０ｐＦとした。ＭＩＭ容量２０３２には、ワイヤーボンディングを含む配線２０６が接続され、電源２０５により負性抵抗素子２０１のバイアス電圧が調整される。マイクロストリップライン２０３１のインダクタンスとパッチアンテナの容量とで形成されるＬＣ共振の周波数ｆ_ｓｐ２は約０．３０ＴＨｚとなる。

抵抗素子２１０は、負性抵抗素子２０１と並列に配置された並列抵抗で、直径２μｍ、高さ３μｍの円柱状に形成されたコンスタンタン（Ｃｕ−Ｎｉ合金、５ｅ−５Ω・ｍ）より構成される。抵抗素子２１０は、パッチ導体２０８と接地導体２０９の間を２０Ωとなるように接続しており、パッチ導体２０８の中心から共振方向に１５μｍシフトした位置（図２の位置Ａ）の直下に配置される。この位置は、発振周波数ｆ_ｏｓｃ＝０．９５ＴＨｚにおいてパッチアンテナ２０２内を定在する高周波電界の節近傍であるため、抵抗素子２１０がｆ_ｏｓｃの共振電界と干渉することはない。この時、図３に示したアドミタンス解析の結果からも分かる通り、抵抗素子２１０を配置することで、ｆ_ｏｓｃは式１の発振条件を満たすが、ｆ_ｓｐ２を含むＤＣ〜ｆ_ｏｓｃ未満の低周波数の領域では低インピーダンスとなり式１の発振条件を満たさない。従って、発振器２００は、バイアス回路や給電構造に起因した低周波の寄生発振が抑制され、共振器であるパッチアンテナ２０２により規定される所望のテラヘルツ帯の発振周波数ｆ_ｏｓｃのみを安定して発振することが可能となる。

本実施例による発振器２００は、以下のように作製される。まず、ＩｎＰ基板２３０上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などによって、次の層をエピタキシャル成長する。すなわち、順に、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）をエピタキシャル成長する。ＩｎＰ基板２３０としてｎ型の導電性基板を選択する場合は、ｎ−ＩｎＧａＡｓからエピタキシャル成長すればよい。つぎに、共鳴トンネルダイオード２０１を直径が２μｍとなるような円弧形状のメサ状にエッチングを行う。エッチングにはＥＢ（電子線）リソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。フォトリソグラフィを用いてもよい。続いて、エッチングされた面に、リフトオフ法により接地導体２０９を形成する。共鳴トンネルダイオードにおける側壁の保護のためのパッシベーションを成膜してもよい。さらに、スピンコート法とドライエッチングを用いて誘電体２０７であるＢＣＢによる埋め込みを行い、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｄ／Ａｕのパッチ導体２０８、ストリップ導体２０３１、ＭＩＭ２０３２の上電極を形成する。次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより、抵抗素子２１０を形成する位置Ａの部分のパッチ導体２０８及び誘電体２０７を構成する材料を除去する。更に、リフトオフ法で抵抗素子２１０となる３μｍ厚のコンスタンタンをその除去した所に埋め込んでパッチ導体５０８と接地導体５０９とを接続する。最後に、リフトオフ法により、抵抗体２０４となる部分にＢｉパターンを形成し、接地導体とＭＩＭの上電極を接続して本実施例の発振器２００は完成する。

発振器２００への電力の供給はパッチ２０２の中央部に配したストリップ導体２０３１を介して適宜バイアス回路２０５、２０６から行えばよく、通常は負性抵抗領域におけるバイアス電圧を印加してバイアス電流を供給すると、発振器として動作する。なお、本実施例の変形例として、図４（ｃ）に示したように、ビアホールに成膜したＢｉなどの高抵抗金属の薄膜の構造抵抗を抵抗素子２１０に利用する構成であっても良い。

本実施例では、ＲＴＤ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、または、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓであっても良い。また、ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂであってもよい。また、ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂであってもよい。また、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅであっても良い。更に、それらの少なくとも一部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、基板や誘電体の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、ガリウムリンなどの半導体や、ガラス、セラミック、テフロン（登録商標）やポリエチレンテレフタラートなどの樹脂を用いても良い。

本実施例に係る発振器３００について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は発振器６００の斜視図であり、図６（ｂ）は、発振器３００のＡ−Ａ’断面図である。発振器３００は、発振周波数ｆ_ｏｓｃ＝０．６０ＴＨｚを発振させるための発振器であり、負性抵抗素子３０１として実施例１と同じ共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を、共振器としてパッチアンテナ３０２を使用した。その他、実施例１と同じ構造については説明を省略する。

発振器３００は、二つの抵抗素子３１０ａ及び３１０ｂをパッチアンテナ内を定在する高周波電界の節の位置に配置した。このように複数の並列抵抗を図２に示したような電界分布に従って配置するような構成であっても良い。パッチアンテナ３０２は一辺（Ｌ）が１５０μｍの正方形パッチであり、パッチ導体３０８は幅５μｍ・長さ３８μｍの１本のマイクロストリップライン３０３１を介して電源（不図示）と接続される。

パッチ導体３０８と接地導体３０９の間には誘電体３０７として３μｍ厚のＢＣＢを配置した。パッチ導体３０８と接地導体３０９の間には直径２μｍの負性抵抗素子３０１であるＲＴＤが接続され、負性抵抗素子３０１は、パッチ導体３０８の中心から共振方向に６０μｍシフトした位置に配置される。パッチアンテナ３０２の単独の共振周波数は、約０．８ＴＨｚであるが、負性抵抗素子３０１のリアクタンスを考慮すると、発振周波数ｆ_ｏｓｃは約０．６０ＴＨｚとなる。また、ストリップ導体３０３１のインダクタンスとパッチアンテナの容量とで形成されるＬＣ共振の周波数ｆ_ｓｐ２は約０．１ＴＨｚとなる。

二つの抵抗素子３１０ａ及び３１０ｂは、負性抵抗素子３０１と並列に配置された並列抵抗で、半導体と金属の接触抵抗から構成される。半導体は、直径５μｍ、高さ２，７μｍの円柱構造をしており、ちょうど負性抵抗素子３０１のＲＴＤ部分をエッチングで除去した構成である。半導体の表面は２×１０^１８ｃｍ^−３のｎ−ＩｎＧａＡｓで構成され、パッチ導体３０８であるＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ電極（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）と直径１μｍの面積で接しており、約５Ωのコンタクト抵抗を有する。抵抗素子３１０ａ及び３１０ｂは、それぞれパッチ導体３０８と接地導体３０９の間を５Ωとなるように接続しており、パッチ導体３０８の中心から共振方向に６０μｍ、Ａ−Ａ’方向に±６０μｍシフトした位置の直下に配置される。この位置は、発振周波数ｆ_ｏｓｃ＝０．６０ＴＨｚにおいてパッチアンテナ３０２内を定在する高周波電界の節の位置であるため、抵抗素子３１０ａ及び３１０ｂがｆ_ｏｓｃの共振電界と干渉することはない。この時、ｆ_ｏｓｃは発振条件を満たし、ｆ_ｓｐ２は低インピーダンスとなり発振条件を満たさない。従って、発振器３００は、バイアス回路や給電構造に起因した低周波の寄生発振が抑制され、共振器により規定される所望のテラヘルツ帯の発振周波数ｆ_ｏｓｃのみを安定して発振することが可能となる。

Claims

二つの導体、前記二つの導体の間に配置されている負性抵抗素子、及び前記二つの導体の間に配置されている誘電体、を有する共振器と、
前記二つの導体の間に前記負性抵抗素子と並列に設けられた抵抗素子と、を備え、
前記抵抗素子は、自然対数の底をｅとすると、発振されるテラヘルツ波の周波数ｆ_ｏｓｃにおいて前記共振器内を定在する電界の強度が最大電界強度の１／ｅ^２以下となる位置に配置されている
ことを特徴とする発振器。
前記共振器と電気的に接続している容量及び抵抗を更に有し、
前記二つの導体の一方の導体と前記容量とは、導体を介して電気的に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
二つの導体、前記二つの導体の間に配置されている負性抵抗素子、及び前記二つの導体の間に配置されている誘電体、を有する共振器と、
前記負性抵抗素子と電気的に並列に接続している容量と、
前記負性抵抗素子と電気的に並列に接続している抵抗と、
前記負性抵抗素子と電気的に並列に接続している抵抗素子と、を備え、
前記二つの導体の一方の導体と前記容量とは、導体を介して電気的に接続されており、
前記抵抗素子は、前記二つの導体の間、又は、前記二つの導体の他方の導体と前記一方の導体と前記容量とを接続する前記導体との間、に配置されており、自然対数の底をｅとすると、発振されるテラヘルツ波の周波数ｆ_ｏｓｃにおいて前記共振器内を定在する電界の強度が最大電界強度の１／ｅ^２以下となる位置に配置されている
ことを特徴とする発振器。
前記負性抵抗素子のバイアス電圧を供給するための電源及び配線を含むバイアス回路をさらに備え、
前記バイアス回路と前記共振器とが、前記一方の導体と前記容量とを接続する前記導体を介して接続されている
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の発振器。
前記共振器は、パッチアンテナを含む
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の発振器。
前記抵抗素子は、半導体と金属の接触抵抗を含む
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発振器。
前記抵抗素子は、非線形抵抗を含む
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の発振器。
前記抵抗素子は、ショットキーバリアダイオードを含む
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発振器。
前記抵抗素子の抵抗は、前記共振器の特性インピーダンスの１／１０以上１０倍以下の範囲である
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の発振器。
前記抵抗素子の抵抗は、０．１以上Ω１０００Ω以下の範囲である
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発振器。
前記抵抗素子の寸法は、前記共振器の共振器長の１／５以下である
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の発振器。
前記抵抗素子の寸法は、前記発振する電磁波の波長の１／１０以下である
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の発振器。
前記抵抗素子は、前記共振器の中心より前記負性抵抗素子に近い位置に配置されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の発振器。
前記抵抗素子は、発振されるテラヘルツ波の周波数ｆ_ｏｓｃ付近の周波数帯を高インピーダンスにし、且つ、寄生発振の周波数ｆ_ｏｓｃより低い周波数ｆ_ｓｐを含む周波数帯を低インピーダンスとするように設定される
ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の発振器。
前記抵抗素子は、発振されるテラヘルツ波の周波数ｆ_ｏｓｃ付近の周波数帯でＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］＜＝０を満たし、且つ、寄生発振の周波数ｆ_ｏｓｃより低い周波数ｆ_ｓｐを含む周波数帯でＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］＞０を満たすように設定されることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の発振器。ここで、Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は前記負性抵抗素子のアドミタンスの実部、Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］は前記共振器のアドミタンスの実部である。