JP6812172B2

JP6812172B2 - 電磁波検出装置

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Publication number: JP6812172B2
Application number: JP2016168065A
Authority: JP
Inventors: 富樫　孝宏; 孝宏富樫
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2021-01-13
Anticipated expiration: 2036-08-30
Also published as: JP2018036098A

Description

本発明は、電磁波を検出する電磁波検出装置の技術分野に関する。

この種の装置で用いられる検出素子の一例として、特許文献１には、ショットキーバリアダイオードを備える検出素子が開示されている。特許文献１には、該検出素子の動作例として、検出素子にバイアス電圧が印加された状態で、赤外光（波長１０．６μｍ）が照射されると、直流出力が得られることが開示されている。

特開平９−１６２４２４号公報

本願発明者らの研究によれば、このような電磁波検出を行う場合、入力電磁波の強度が不変であっても、動作温度の変化により、検出素子を流れる電流が変化し、この変化分が検出誤差となる。更に、或る動作温度で最適或いは好適なダイナミックレンジを与えるバイアス電流（以下単に「最適バイアス電流」と称する）を流すものとしてバイアス電圧を固定すると、動作温度の変化により、この固定されたバイアス電圧では、最適バイアス電流から外れたバイアス電流を流し得る。

しかしながら、特許文献１には、バイアス電圧をどのように設定するかは開示されていない。バイアス電圧を常に固定値としてしまうと、動作温度によっては、正しい検出結果を得られない可能性がある。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、温度変化の影響を抑制することができる電磁波検出装置を提供することを課題とする。

本発明の電磁波検出装置は、上記課題を解決するために、基準電圧及び電磁波の入力に基づき第１電流を出力する第１検出部と、前記第１検出部と電気的特性が等価であり少なくとも前記基準電圧の入力に基づき第２電流を出力する第２検出部と、前記第１及び第２検出部へ至る前記電磁波の進行路に配置され、当該電磁波の特定方向の偏波を透過する偏波手段と、前記第１及び第２電流に基づいて前記電磁波の強度を出力する出力部とを備え、前記第１検出部は、当該第１検出部の前記電磁波の検出方向が、前記偏波手段に係る前記特定方向と一致するように配置され、前記第２検出部は、当該第２検出部の前記電磁波の検出方向が、前記第１検出部に係る検出方向に対し７２度〜１０８度の角度をなすように配置される。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。

電圧電流特性の一例を、ショットキーバリアダイオードに入射するテラヘルツ波の強度毎に示す特性図である。ショットキーバリアダイオードの電圧電流特性の温度変化の一例を示す特性図である。ショットキーバリアダイオードを用いたテラヘルツ波の強度検出方法を示す概念的な特性図である。第１実施例に係るテラヘルツ波強度検出装置を含む、検出光学系の図式的な側面図である。第１実施例に係るテラヘルツ波強度検出装置の検出回路の要部の一例を示す回路図である。第１実施例に係る差電圧検出部の一例を示す回路図である。第１実施例で用いられるショットキーバリアダイオードの断面図である。第１実施例における、二つのショットキーバリアダイオードを示す図式的平面図（図８（ａ））及びそれらの回路図（図８（ｂ））である。第１実施例における、二つのアンテナ素子を示す図式的平面図である。第１実施例における、図８の二つのショットキーバリアダイオードと図９の二つのアンテナ素子とを重ねて示す図式的平面図である。第１実施例における、アンテナと偏光とのなす角度と、検出感度の関係とを示す特性図である。第２実施例に係るテラヘルツ波強度検出装置の検出回路の要部の一例を示す回路図である。

＜１＞
実施形態に係る電磁波検出装置は、基準電圧及び偏波された電磁波の入力に基づき第１電流を出力する第１検出部と、前記第１検出部と電気的特性が等価であり少なくとも前記基準電圧の入力に基づき第２電流を出力する第２検出部と、前記第１及び第２電流に基づいて前記電磁波の強度を出力する出力部とを備え、前記第２検出部は、前記第１電流のうち前記電磁波の入力に基づき出力される第１成分よりも、前記第２電流のうち前記電磁波の入力に基づき出力される第２成分の方が小さくなるように配置される。ここで、電磁波の一例としては、テラヘルツ波が挙げられる。第１検出部の一例及び第２検出部の一例としては夫々、ショットキーバリアダイオードを検出素子として用いたものが挙げられる。

本実施形態によれば、例えば最適バイアス電流を与えるバイアス電圧としての基準電圧が印加された状態にある第１検出部に電磁波が入射すると、基準電圧と該入射した電磁波の入力とに応じた第１電流が第１検出部から出力される。これと並行して又は相前後して、基準電圧が印加された状態にある第２検出部からは、少なくとも基準電圧に応じた第２電流が第２検出部から出力される。

ここで、例えばショットキーバリアダイオードを検出素子として用いてなる第１検出部でこのような電磁波検出を行う場合、電磁波の強度が同一であったとしても、動作温度が変わると、検出素子の抵抗値或いはインピーダンスが変わる。この結果、第１検出部から出力される電流も変化し、この変化分が検出誤差となってしまう。即ち、最適なバイアス電圧或いはバイアス電流を与えるだけでは、動作温度に寄らずに正しい検出結果を得ることは困難である。

更に、仮に或る温度で最適バイアス電流を与えるようにバイアス電圧を固定したとすると、動作温度によっては最適バイアス電流から外れたバイアス電流が流れる結果、最適或いは好適なダイナミックレンジでないレンジでの検出となり得る。即ち、仮に動作温度の変化による電流の変化に対する補正を、第１検出部から出力される電流に対して施したとしても、このような最適或いは好適なダイナミックレンジでないレンジでの検出となり、本質的に分解能が低く検出誤差が大きな検出しかできない可能性がある。

そこで先ず、本実施形態に係る「基準電圧」は、例えば何れの動作温度においても最適バイアス電流を与える基準電圧とされる。具体的には、「基準電圧」は、好ましくは動作温度に応じた可変値等とされ、理想的には最もダイナミックレンジが広く取れるバイアス電流を流す電圧に設定される。即ち、第１及び第２検出部に流れるバイアス電流が、最適バイアス電流になるように、基準電圧は、第１及び第２検出部に対し、バイアス電圧として印加される。

更に本実施形態では、最適バイアス電流が与えられる状況でも発生する動作温度の変化に起因した検出誤差を小さくするために、単一の検出部からの電流からだけではなく、以下詳述するように第１電流及び第２電流から、電磁波の強度を出力する。

即ち、電磁波検出の際に、第１検出部から基準電圧及び偏波された電磁波の入力に基づき第１電流が出力され、第１検出部と電気的特性が等価である第２検出部から少なくとも基準電圧の入力に基づき第２電流が出力されると、出力部は、例えば、第１電流から第２電流を差し引いての差分出力として或いは第１電流を第２電流で除しての比出力として、電磁波の強度（例えば、電磁波の強度を直流電流値で示す電気的信号）を出力する。ここに「電気的特性が等価」とは、電気的特性が全く等しい場合に限らず、出力部から出力される電磁波の強度を検出する上で、電気的特性が等しいと実践上みなせる程度に、電気的特性が互いに近い場合も含む概念である。

よって、動作温度が変化しても、第１検出部及び第２検出部を流れるバイアス電流も夫々、相互に同一或いは類似に変化することとなるので、これら二者からの出力電流である第１電流及び第２電流に基づいて、該動作温度の変化に起因した変化分が少なくとも部分的に相殺或いは軽減された形での出力が可能となる。

しかも、第２検出部は、第１電流のうち電磁波の入力に基づき出力される第１成分（より具体的には、第１成分の電流値）よりも、第２電流のうち電磁波の入力に基づき出力される第２成分（より具体的には、第２成分の電流値）の方が小さくなるように配置される。

ここに「第１成分」は、第１検出部が出力する検出対象である電磁波の強度の高低に応じて変化する、当該電磁波を検出する上での有効成分である。第１電流には、このように有効な第１成分と、基準電圧に対応するバイアス電流（即ち理想的には最適バイアス電流）に起因しており動作温度により変化する変動成分（以下適宜「第１変動成分」と称する）とが含まれている。該第１変動成分は、当該電磁波を検出する上では、不要な成分である。

他方で、「第２成分」は、第２検出部が意図せずとも多少なりとも出力してしまう又は出力してしまう可能性のある、検出対象である電磁波の強度の高低に応じて変化する、当該電磁波を検出する上では有効でない成分である。第２電流には、このように有効でない第２成分と、基準電圧に対応するバイアス電流（即ち理想的には最適バイアス電流）に起因しており動作温度により変化する変動成分（以下適宜「第２変動成分」と称する）とが含まれている。

よって、このような第２成分は、当該電磁波を検出する上では、小さければ小さいほど良いことになる。他方、このような第２変動成分は、第１変動成分と同等又は類似の電流値を有するので、動作温度の変動に応じて変動する第１変動成分（即ち、当該電磁波を検出する上では、不要な成分）を相殺或いは軽減するのに利用される。

典型的には、出力部が、第１電流と第２電流との差分から、電磁波の強度を出力する具体的構成を採れば、このような第２変動成分により、非常に簡単且つ確実に、第１変動成分を部分的に又は実質的に完全に相殺可能となる。或いは、出力部が、第１電流と第２電流との比から、電磁波の強度を出力する具体的構成を採れば、このような第２変動成分により、非常に簡単且つ確実に、第１変動成分を低減可能となる。

なお、第１成分及び第２成分については夫々、動作温度の変動に応じて変動するものとして捉えることもできるが、そのような変動成分は、動作温度の変動に応じて変動する第１変動成分の変動及び第２変動成分の変動と共に差分出力上或いは比出力上で相殺或いは低減される。或いは、第１成分が動作温度の変動に応じて変動する成分については、第１変動成分の一部として捉え、第２成分が動作温度の変動に応じて変動する成分については、第２変動成分の一部として捉えることもでき、その場合、第１変動成分の一部及び第２変動成分の一部として、差分出力上或いは比出力上で相殺或いは低減される。いずれの捉え方によっても、第１成分及び第２成分に関する、動作温度の変動に応じて変動する成分ついては、出力部による出力上では相殺若しくは低減される。

本実施形態では特に、電磁波は偏波されているので、偏波特性を利用することで、簡単な光学的配置の採用によって、このように第１成分よりも、第２成分の方が小さくなるような配置（理想的には、第２成分の方が極度に小さくなるような、より理想的には第２成分がゼロに近くなるような配置）を極めて容易にして実現できる。例えば、このような偏波特性を利用した光学的配置の採用によって、第２検出部は、第１成分よりも、第２成分の方が小さくなるように配置されるので、第２成分の第１成分に対する相対的な小ささに応じて、検出の精度を高めることが可能となる。

なお、「第２検出部」が「…のように配置される」とは、第２検出部の第１検出部に対する相対的な配置を意味しており、「第１及び第２検出部」が「…のように配置される」と言い換えてもよい。

以上の結果、第２検出部の配置によって、検出対象である電磁波の強度に応じて変化する成分については、第１成分よりも第２成分の方がより小さくなるので、第１電流と第２電流の差分、比等を採ることで、動作温度の変化に起因する検出誤差を低減或いは軽減することが可能となる。しかも、動作温度に応じて最適なバイアス電流を第１及び第２検出部に印加する構成を採ることが非常に容易となっており、最適或いは好適なダイナミックレンジでの検出が可能となり、本質的に分解能が高く検出誤差が小さな検出を実行可能となる。

これらの結果、温度変化の影響を抑制することができ、動作温度に寄らずに高精度の検出結果を得ることが可能となる。

＜２＞
本実施形態の一態様では、電磁波検出装置は、前記基準電圧を、前記第２電流のうち前記基準電圧の入力に基づき出力される電流成分を所定の電流値若しくは所定範囲内の電流値を有するバイアス電流として流すように、印加するバイアス電圧印加手段を更に備える。

この態様によれば、バイアス電圧印加手段によって、基準電圧により出力される電流成分を最適バイアス電流とするような当該基準電圧を、第１及び第２検出部に印加することで、動作温度の高低によらずに最適バイアス電流を第１及び第２検出部に流すことが可能となる。その結果、比較的容易な装置構成及び方法で、検出対象である電磁波に対して最適或いは好適なダイナミックレンジを使用することで検出精度を高められる。

本態様に係る「基準電圧」については、ダイナミックレンジを広く取れ、これに加えて又は代えて検出時のリニアリティを長く取ることができ、或いは検出ゲイン感度を高め、ＤＣオフセットを抑圧でき、温度特性による変化に基づく検出誤差を抑圧し、個体差による検出誤差を抑制し、総じて検出精度を高められるように、動作温度に応じて最適な値に設定するのが好ましい。このように基準電圧を設定し、第１及び第２電流から出力を得る構成を採ることで、検出部の個体差に起因した検出誤差をも容易にして低減可能となる。

バイアス電圧印加手段からこのようにバイアス電圧を印加することは、いずれの動作温度であっても、最適或いは好適なダイナミックレンジ又はそれになるべく近いレンジでの検出を可能ならしめるので、分解能を高め、検出誤差を小さくする目的からは、極めて有効である。

＜３＞
本実施形態の他の態様では、前記出力部は、前記第１及び第２電流の差分を、前記強度として出力する。

この態様によれば、電磁波検出の際に、出力部は、第１電流から第２電流を差し引いての差分出力として、電磁波の強度を出力する。ここで、動作温度が変化したことによる、第１及び第２検出部における電流の変化分は夫々、相互に同一或いは類似に変化するので、このように差分をとることで、該変化分が少なくとも部分的に相殺された形での出力が可能となる。これにより、温度変化の影響を簡単かつ確実に抑制することができる。また、上述の如く基準電圧を設定しつつ、このように差分を出力とする構成を採ることで、検出部の個体差に起因した検出誤差をも容易にして低減可能となる。

出力部でこのように差分を出力することは、動作温度の変化による検出誤差を簡易且つ効率的に相殺する目的からは、極めて有効である。

＜４＞
本実施形態の他の態様では、前記第１及び第２検出部は夫々、前記第１成分よりも前記第２成分の方が小さくなるように、前記電磁波の検出方向が相異ならしめられている。

この態様によれば、偏波特性を利用することで、簡単な光学的配置の採用によって、このように第１成分よりも、第２成分の方が小さくなるような配置を極めて容易にして実現できる。例えば、第２検出部は、第２成分が理想的にはゼロとされる或いはゼロに近くとされるまで小さくなるように配置される。

＜５＞
この態様では、前記第１及び第２検出部は、同一平面上で前記電磁波の検出方向が相互に７２度〜１０８度の角度をなすように配置されてよい。

このように構成すれば、検出感度については、ＣＯＳθ（但し、θは第１及び第２検出部の検出方向がなす角度）の二乗に比例するため、第２成分の感度が第１成分の感度に比べて、１０分の１以下となる。よって、出力部では、第１成分の１０分の１以下という小ささに抑えられた第２成分を含む第２電流を用いることで、第１電流及び第２電流から、実践的な意味で検出誤差が無視できる程度に小さく抑えられた電磁波の強度を出力し得る。

＜６＞
本実施形態の他の態様では、前記第１及び第２検出部は、同一基板上に、アノード同士又はカソード同士が一体的に接続された半導体素子を含んで構成されている。

この態様によれば、例えば半導体製造技術であるプレーナ技術によって、比較的製造が容易であると共に構造が比較的単純であり、しかも電気的特性が相互に等価である当該第１及び第２検出部（特に、その検出素子の部分）を構築できる。

＜７＞
この態様では、前記電磁波は、テラヘルツ波であり、前記半導体素子は、ショットキーバリアダイオードを有してもよい。

この態様によれば、ショットキーバリアダイオードの動作温度に寄らずに、テラヘルツ波を高精度で検出可能となる。特に最適バイアス電流を流しつつ第１及び第２電流から出力を得るので、非常に高精度の電磁波検出が可能となる。

＜８＞
本実施形態の他の態様では、電磁波検出装置は、前記第１及び第２検出部へ至る前記電磁波の進行路に配置された偏波手段を更に備える。

この態様によれば、例えば偏光子等の偏波手段によって電磁波は偏波されているので、偏波特性を利用することで、簡単な光学的配置の採用によって、上述の如く第１成分より第２成分の方が小さくなるような配置（理想的には、第２成分の方が極度に小さくなるような、より理想的には第２成分がゼロに近くなるような配置）を極めて容易にして実現できる。例えば、偏波特性を利用した第１及び第２検出部の相対的な光学的配置の採用によって、該第２成分の相対的な小ささに応じて、検出精度を高めることが可能となる。

本実施形態の作用及び他の利得は次に説明する実施例から明らかにされる。

本発明の電磁波検出装置に係る実施例を図面に基づいて説明する。以下の実施例では、本発明に係る「電磁波検出装置」の一例として「テラヘルツ波強度検出装置」を挙げる。本発明に係る「電磁波」の一例として「テラヘルツ波」を挙げる。

＜第１実施例＞
テラヘルツ波強度検出装置に係る第１実施例について、図１乃至図１１を参照して説明する。第１実施例に係るテラヘルツ波強度検出装置１では、テラヘルツ波の検出素子として、ショットキーバリアダイオードが用いられている。

（ショットキーバリアダイオード）
先ず、ショットキーバリアダイオードの特徴、及びショットキーバリアダイオードを用いたテラヘルツ波の強度検出方法各々の概要について図１乃至図３を参照して説明する。図１は、電圧電流特性の一例を、ショットキーバリアダイオードに入射するテラヘルツ波の強度毎に示す図である。図２は、ショットキーバリアダイオードの電圧電流特性の温度変化の一例を示す図である。図３は、ショットキーバリアダイオードを用いたテラヘルツ波の強度検出方法を示す概念図である。

図１に示すように、ショットキーバリアダイオードに入射するテラヘルツ波の強度が弱くなる程、該ショットキーバリアダイオードに発生する電流も小さくなる。特に、ショットキーバリアダイオードにバイアス電圧が印加されていない場合（図１において電圧０を示す破線参照）、入射するテラヘルツ波の強度が弱くなると、ショットキーバリアダイオードに発生する電流が０に近づき、テラヘルツ波の強度検出ができなくなる。

ショットキーバリアダイオードにバイアス電圧を印加すれば、該ショットキーバリアダイオードに入射するテラヘルツ波の強度が弱くても、検出可能な程度の電流をショットキーバリアダイオードに発生させることができる（図１において電圧Ｖを示す破線参照）。

しかしながら、図２に示すように、ショットキーバリアダイオードの電圧電流特性は、温度依存性を有している。このため、バイアス電圧を固定値としてしまうと、ショットキーバリアダイオードにテラヘルツ波が入射していなくても、温度変化に起因して、該ショットキーバリアダイオードに発生する電流が変化してしまう（電圧Ｖ並びに電流Ｉ１、Ｉ２及びＩ３参照）。

ここで、テラヘルツ波の強度検出方法について、図３を参照して説明する。ショットキーバリアダイオードにバイアス電圧として電圧Ｖｆが印加され、ショットキーバリアダイオードにテラヘルツ波が入射していない場合に該ショットキーバリアダイオードに発生する電流を電流Ｉｆとする。

ショットキーバリアダイオードにテラヘルツ波が入射した場合に該ショットキーバリアダイオードに発生する電流が電流Ｉｔｓであるとすると、電流Ｉｔｓと電流Ｉｆとの差分Ｉｓｉｇが、テラヘルツ波に起因して増加した電流となる。上述の如く、ショットキーバリアダイオードに入射するテラヘルツ波の強度に応じて、該ショットキーバリアダイオードに流れる電流も変化する。このため、電流Ｉｔｓと電流Ｉｆとの差分Ｉｓｉｇから、テラヘルツ波の強度を検出することができる。

特に、図１から図３から明らかなように、バイアス電圧Ｖを印加しておいた方が、バイアス電圧を０とした場合よりも、テラヘルツ波の強度の高低に応じて電流の増減が大きくなっている。即ち、検出におけるダイナミックレンジが大きくなっている。

また特に、図２から明らかなように、ショットキーバリアダイオードに発生する電流が、温度変化に起因して変化してしまうと、仮に単純に一つのショットキーバリアダイオードを流れる電流値だけからでは、テラヘルツ波の強度を正しく検出することができなくなる。そのため、本実施例では、後に詳述するように二つのショットキーバリアダイオードからの電流の差分を、電磁波強度を示す電流値として採用している。

加えて、図３に示した、本実施例に係る「電圧Ｖｆ」は、或る動作温度若しくは動作温度範囲で最適或いは好適なダイナミックレンジを与える最適バイアス電流を流すバイアス電圧を意味しており、基準電圧として二つのショットキーバリアダイオードに印加される。このようなバイアス電圧については、ダイナミックレンジを広く取れ、これに加えて又は代えて検出時のリニアリティを長く取ることができ、或いは検出ゲイン感度を高め、ＤＣオフセットを抑圧でき、温度特性による変化に基づく検出誤差を抑圧し、個体差による検出誤差を抑制し、総じて検出精度を高められるように、動作温度若しくは動作温度範囲に応じて最適な値に設定するのが好ましい。このような設定は、例えば、各個体（即ち個々のショットキーバリアダイオードを夫々含んでなる個々の検出部）に対して、上記の各種視点から検出精度を高められる最適バイアス電流値（又は該最適バイアス電流を流すバイアス電圧値）を、実験的、経験的、あるいはシミュレーションにより個別具体的に求め、このような最適バイアス電流を流す電圧（又は温度別に設定されたバイアス電圧）を、実際の検出時における基準電圧として採用すればよい。典型的には、動作温度に応じて可変となる電圧若しくは温度別に設定された電圧となる。また、このように基準電圧を設定し、第１及び第２電流から出力を得る構成を採ることで、本実施例では以下に詳述するように、検出部の個体差に起因した検出誤差をも容易にして低減可能となる。

（テラヘルツ波強度検出装置）
次に図４から図１１を参照して、テラヘルツ波強度検出装置の具体的構成について説明する。

図４において、実施例に係るテラヘルツ波強度検出装置を構成するショットキーバリアダイオードと、本発明に係る「偏波手段」の一例としての偏光子とを含んでなる検出光学系は、テラヘルツ発信器１０１、コリメートレンズ１０２及び対物レンズ１０３を備え、テラヘルツ発信器１０１からコリメートレンズ１０２及び対物レンズ１０３をこの順に介してテラヘルツ波１００を測定試２００に対して照射するように構成されている。検出光学系は更に、対物レンズ１０４、偏光子１０５、コリメートレンズ１０６及びショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２を備え、測定試２００からのテラヘルツ波１００を対物レンズ１０４、偏光子１０５及びコリメートレンズ１０６をこの順に介してショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２に対して照射するように構成されている。偏光子１０５は、特定一方向に偏光されたテラヘルツ波を、透過又は反射により出射するように構成されている。

ショットキーバリアダイオードＤ１は、本発明に係る「第１検出部」が有する検出素子の一例を構成しており、ショットキーバリアダイオードＤ２は、本発明に係る「第２検出部」が有する検出素子の一例を構成している。後で詳述するように、ショットキーバリアダイオードＤ１は、偏光子１０５による偏光方向と検出方向とが平行になっており、ショットキーバリアダイオードＤ２は、偏光子１０５による偏光方向と検出方向とが直交する。ここに「平行」とは、本実施例でテラヘルツ波１００を検出する際の精度上で平行からのずれが実践上無視できる検出誤差を発生させる程度に平行であれば足りる趣旨であり、理想的には完全に平行であるが、実践的な意味で平行であれば足りる。他方「直交」とは、本実施例でテラヘルツ波１００を検出する際の精度上で直交からのずれが実践上無視できる検出誤差を発生させる程度に直交であれば足りる趣旨であり、理想的には完全に直交であるが、実践的な意味で直交であれば足りる（これらについては図１１等を参照して後述する）。

図４に示したショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２を有するテラヘルツ波強度検出装置１は、図５に示す回路を有している。

図５において、 “ＯＡ１”はオペアンプの一例を示している。ショットキーバリアダイオードＤ２は、偏光されたテラヘルツ波に対してその検出方向が直交している。ショットキーバリアダイオードＤ１は、偏光されたテラヘルツ波に対してその検出方向が平行とされている。本発明に係る「出力部」の一例を構成する差電圧検出部５０によって、これらのショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２を流れる電流の差分をとることで、本実施例に係るテラヘルツ波強度検出装置１は、テラヘルツ波の入射の有無や強弱に拘わらず、検出結果が受ける動作温度の変化による悪影響が、低減されるように構成されている。

即ち本実施例では、ショットキーバリアダイオードＤ１の電気的特性と、ショットキーバリアダイオードＤ２の電気的特性とは等価である。加えて、ショットキーバリアダイオードＤ１は、ショットキーバリアダイオードＤ２が置かれた熱的環境と近い熱的環境に置かれる。これらは、後述のようにショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２が一基板上に近接して作り込まれる（好ましくはカソード同士或いはアノード同士が共通で作り込まれる）ことで、容易に達成され得る。

図５に示した差電圧検出部５０は、例えば、図６に示した回路を有する。

図５において、テラヘルツ波強度検出装置１では、テラヘルツ波（ＴＨｚ波）の測定中に、ショットキーバリアダイオードＤ２に所定電流値Ｉｆが発生するようにバイアス電圧として電圧Ｖｆが印加される。具体的には、直流電源の正極とオペアンプＯＡ１のプラスの入力端子間の抵抗値を“Ｒ１”として、直流電源の正極の電位が“Ｖ１＝Ｉｆ×Ｒ１＋Ｖｆ”に設定される。差電圧検出部５０のマイナスの入力端子の電位は“Ｖ１”である。

ショットキーバリアダイオードＤ１にテラヘルツ波（ＴＨｚ波）が入射したときに該ショットキーバリアダイオードＤ１に発生する電流を“Ｉｔｓ”、オペアンプＯＡ１の出力端子とオペアンプＯＡ１のマイナスの入力端子との間の抵抗値を“Ｒ１”とする。オペアンプＯＡ１の出力端子の電位Ｖ２は、“Ｖ２＝Ｉｔｓ×Ｒ１＋Ｖｆ”と表せる。差電圧検出部５０のプラスの入力端子の電位は“Ｖ２”であり、差電圧検出部５０のマイナスの入力端子の電位は“Ｖ１”である。そして、差電圧検出部５０からは、“Ｖ２−Ｖ１＝Ｉｔｓ×Ｒ１＋Ｖｆ−（Ｉｆ×Ｒ１＋Ｖｆ）＝Ｉｔｓ×Ｒ１−Ｉｆ×Ｒ１＝Ｉｓｉｇ×Ｒ１”を示す信号が出力される。抵抗値Ｒ１は既知であるので、差電圧検出部５０の出力から、ショットキーバリアダイオードＤ１に入射したテラヘルツ波の強度が検出されることとなる。この際、バイアス電圧Ｖｆの高低は、差電圧検出部５０からの差分出力に関係してこない。

このように第１実施例では、本発明に係る「バイアス電圧印加手段」の一例がＶ１を与える直流電源と、オペアンプＯＡ１とを含んで構成されており、本発明に係る「出力部」の一例が、差電圧検出部５０を含んで構成されている。

次に、図７及び図８を参照して、ショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２の具体的な素子構造の一例について説明する。

図７に示すように、ショットキーバリアダイオードＤ１（又はＤ２）を含む半導体素子では、半導体基板１０上に、高濃度ドープｎ型半導体１１、ｎ型半導体１２、ショットキー電極１３、オーミック電極１４が、この順に積層されてなる。半導体は、例えばエピタキシャル成長により成膜される。

半導体基板１０は、例えばＩｎＰから構成される半導体ウエハである。高濃度ドープｎ型半導体１１は、例えばエピタキシャル成長により主にＩｎＧａＡｓから構成され、Ｉｎ組成は５３％であり、ドーパントはＳｉで、そのドープ量は２×１０^１８［原子／Ｃｍ^３］以上とされる。ｎ型半導体１２は、例えばエピタキシャル成長により主にＩｎＧａＡｓから構成され、Ｉｎ組成は５３％であり、ドーパントはＳｉで、そのドープ量は１×１０^１６〜１×１０^１８［原子／Ｃｍ^３］とされる。ショットキー電極１３は、例えば、主にＡｌ又はＴｉから構成される。オーミック電極１４は、例えば主にＡｕＧｅＮｉ合金から構成される。

更に各層が、図８の平面図に示した如く、図７のショットキー電極１３がショットキーバリアダイオードＤ１及びＤ２に夫々設けられ、ショットキーバリアダイオードＤ１のカソード１６及びアノード１７、並びにショットキーバリアダイオードＤ２のアノード１７及びカソード１８が設けられるようにパターンニングされる（図８（ａ）参照）。これにより、図５に示した如き、ショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２の回路部分が、同一基板上に構築されている（図８（ａ）に対応する図８（ｂ）を参照のこと）。特に、二つのショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２のアノード同士は、一体的に接続されている（言い換えれば、両者のアノードは共通である）。二つのショットキー電極１３の形状は同じとなるように構成されている。

次に、図９及び図１０を参照して、ショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２の検出方向をそれぞれ規定するアンテナの構造について説明を加える。

図１０に示すように、同一平面上で、アンテナＡＮ１は、その検出方向がＸ方向に沿って配置され、アンテナＡＮ２は、その検出方向がＹ方向に沿って配置される。即ち、アンテナＡＮ１及びアンテナＡＮ２は、検出方向が同一平面内で相互に直交するように配置されたダイポールアンテナとして構築されている。

更に、このようなアンテナ１及び２が、ショットキーバリアダイオードＤ１（又はＤ２）のオーミック電極（図７及び図８参照）の上に、重ねて配置される。これらの結果、ショットキーバリアダイオードＤ１の検出方向と、ショットキーバリアダイオードＤ２の検出方向とは、同一平面内で相互に直交する配置となる。このため、図４に示した偏光子１０５を介してＸ方向に偏光されたテラヘルツ波は、ショットキーバリアダイオードＤ１では、１００％に近い検出感度で検出され、ショットキーバリアダイオードＤ２では、０％に近い検出感度で検出されることになる。即ち、Ｙ方向をその検出方向とするショットキーバリアダイオードＤ２では、図４に示したテラヘルツ波１００は殆ど検出されないことになる。例えば、理論上は、仮にアンテナＡＮ２の“幅”（図９参照）がゼロであるならば、図１０に示したショットキーバリアダイオードＤ２では、Ｘ方向に偏波されたテラヘルツ波は全く検出されない。

図８及び１０に示したように、回路としてアノード同士が接続されて利用される状況（図５参照）の下で、本実施例によれば、製造当初からアノード同士が一体的に連続して形成されるので、図７に示した如き半導体基板上に各層を製造する際の製造効率は非常に高い。或いは、本実施例で利用する半導体素子の特性を逆転させてカソード同士が一体的に連続して形成される回路構成を採用しても、同様に各層を製造する際の効率は高くなる。

加えて、図８及び１０に示したように、二つのショットキーバリアダイオードＤ１及びＤ２が近接配置されるので、これらの電気的特性を等価にすることが容易となる。特に図７に示した如き半導体基板上に各層を製造する際には、半導体基板を構成する半導体ウエハの面内位置に応じて、半導体の特性は大なり小なり相異なるので、このように近接配置することは、係る電気的特性の差異を小さくする上で非常に役立つ。更に、このように近接配置することで、図１０に示した如き装置をアレイ状或いはマトリクス状に高密度で複数配列する用途においても、非常に有利となる。

図１１に示すように、ショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２の検出感度は、各ショットキーバリアダイオードＤ１，Ｄ２の検出方向となるアンテナＡＮ１，ＡＮ２と、偏光子１０５による偏光方向とのなす角度θに依存している。なお、本実施例では図８から図１０等を参照して説明した通り、この角度θは、二つのショットキーバリアダイオードのＤ１，Ｄ２の検出方向のなす角度θに一致している。ここで、より具体的には、検出感度は、図１１から明らかなように、ＣＯＳθの二乗に比例するため、θ＝７２度〜１０８度の範囲にあれば、ショットキーバリアダイオードＤ２でテラヘルツ波による電流が検出される際の感度が、ショットキーバリアダイオードＤ１でテラヘルツ波による電流が検出される際の感度に比べて、１０分の１以下となる。

よって、差電圧検出部５０（図５及び図６参照）で二つのショットキーバリアダイオードのＤ１，Ｄ２からの検出電流の差分を出力することから、二つのショットキーバリアダイオードのＤ１，Ｄ２の検出方向は、（理想上は、相互に９０度の角度をなすものの）実践上は、７２度〜１０８度に入っていれば、十分な検出精度が得られる次第である。

（技術的効果）
第１実施例では特に、偏光子１０５（図４参照）の作用によってテラヘルツ波が殆ど入射していないときにショットキーバリアダイオードＤ２に発生する電流を、常に所定電流値Ｉｆとすることができる。従って、当該テラヘルツ波強度検出装置１の検出結果に対する温度変化の影響を抑制することができる。

実施例に係る「ショットキーバリアダイオードＤ１」は、本発明に係る「第１検出部」を構成する検出素子の一例である。実施例に係る「ショットキーバリアダイオードＤ２」は、本発明に係る「第２検出部」を構成する検出素子の一例である。

＜第２実施例＞
次に第２実施例に係るテラヘルツ波強度検出装置について、図１２を参照して説明する。第２実施例では、テラヘルツ波強度検出装置の構成の一部が異なっている以外は、上述した第１実施例と同様である。よって、第２実施例について、第１実施例と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ図１２を参照して説明する。図１２は、第２実施例に係るテラヘルツ波強度検出装置の検出回路の要部の一例を示す図である。

（テラヘルツ波強度検出装置）
テラヘルツ波強度検出装置２は、図１２に示す回路を有している。図１２において、“ＯＡ３”及び“ＯＡ４”はオペアンプである。当該テラヘルツ波強度検出装置２では、直流電源の正極とオペアンプＯＡ４のマイナスの入力端子との間の抵抗値を“Ｒ２”として、直流電源の正極の電位が“Ｖ３＝Ｉｆ×Ｒ２”に設定される。

図１２に示すように、オペアンプＯＡ４のマイナスの入力端子とオペアンプＯＡ４の出力端子とがショットキーバリアダイオードＤ２を介して電気的に接続されているので、オペアンプＯＡ４のマイナスの入力端子の電位Ｖ−と、オペアンプＯＡ４のプラスの入力端子の電位Ｖ＋とが同電位（ここでは、グランド電位）となる。

図１２に示すように、オペアンプＯＡ４のマイナスの入力端子とオペアンプＯＡ４の出力端子との間に配置されたショットキーバリアダイオードＤ２には、所定電流値Ｉｆが流れる。従って、ショットキーバリアダイオードＤ２には、所定電流値Ｉｆが発生する電圧Ｖｆがバイアス電圧として印加していることとなる。

上述の如く、オペアンプＯＡ４のマイナスの入力端子の電位Ｖ−（即ち、ショットキーバリアダイオードＤ２のアノード側の電位）は、グランド電位であるので、オペアンプＯＡ４の出力端子の電位Ｖ４（言い換えれば、ショットキーバリアダイオードＤ２のカソード側の電位）は、“−Ｖｆ”となる。従って、ショットキーバリアダイオードＤ１のカソード側の電位も“−Ｖｆ”となる。

図１２に示すように、オペアンプＯＡ３のマイナスの入力端子とオペアンプＯＡ３の出力端子とが電気的に接続されているので、オペアンプＯＡ３のマイナスの入力端子の電位Ｖ−と、オペアンプＯＡ３のプラスの入力端子の電位Ｖ＋とが同電位となる。ここで、オペアンプＯＡ３のプラスの入力端子の電位Ｖ＋は、ショットキーバリアダイオードＤ２のアノード側の電位と等しいので、グランド電位である。この結果、オペアンプＯＡ３のマイナスの入力端子の電位Ｖ−、言い換えれば、ショットキーバリアダイオードＤ１のアノード側の電位もグランド電位となる。つまり、ショットキーバリアダイオードＤ１には、電圧Ｖｆがバイアス電圧として印加されている。

ショットキーバリアダイオードＤ１にテラヘルツ波が入射すると、ショットキーバリアダイオードＤ１には電流Ｉｔｓ（Ｉｔｓ＞Ｉｆ）が発生する。このとき、オペアンプＯＡ３のマイナスの入力端子とオペアンプＯＡ３の出力端子との間の抵抗（抵抗値Ｒ３）に流れる電流は、キルヒホッフの法則により、“Ｉｔｓ−Ｉｆ”となり、図１２に示す回路の出力電圧は“（Ｉｔｓ−Ｉｆ）×Ｒ３＝Ｉｓｉｇ×Ｒ３”となる。抵抗値Ｒ３は既知であるので、オペアンプＯＡ３の出力から、ショットキーバリアダイオードＤ１に入射したテラヘルツ波の強度が検出されることとなる。この際、バイアス電圧Ｖｆの高低は、オペアンプＯＡ３からの差分出力に関係してこない。

このように第２実施例では、本発明に係る「バイアス電圧印加手段」の一例がＶ３を与える直流電源と、オペアンプＯＡ４とを含んで構成されており、本発明に係る「出力部」の一例がオペアンプＯＡ３を含んで構成されている。

本発明は、上述した実施形態或いは実施例に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電磁波検出装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１、２…テラヘルツ波強度検出装置、Ｄ１，Ｄ２…ショットキーバリアダイオード、ＯＡ１，ＯＡ３，ＯＡ４…オペアンプ、５０…差電圧検出部、１０５…偏光子

Claims

基準電圧及び電磁波の入力に基づき第１電流を出力する第１検出部と、
前記第１検出部と電気的特性が等価であり少なくとも前記基準電圧の入力に基づき第２電流を出力する第２検出部と、
前記第１及び第２検出部へ至る前記電磁波の進行路に配置され、当該電磁波の特定方向の偏波を透過する偏波手段と、
前記第１及び第２電流に基づいて前記電磁波の強度を出力する出力部と
を備え、
前記第１検出部は、当該第１検出部の前記電磁波の検出方向が、前記偏波手段に係る前記特定方向と一致するように配置され、
前記第２検出部は、当該第２検出部の前記電磁波の検出方向が、前記第１検出部に係る検出方向に対し７２度〜１０８度の角度をなすように配置されることを特徴とする電磁波検出装置。
前記第１及び第２検出部は、同一基板上に、アノード同士又はカソード同士が一体的に接続された半導体素子を含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出装置。
前記電磁波は、テラヘルツ波であり、
前記半導体素子は、ショットキーバリアダイオードを有する
ことを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出装置。
前記第１及び第２検出部は、第１及び第２アンテナ素子を夫々含み、
前記第１及び第２アンテナ素子は、前記ショットキーバリアダイオードのオーミック電極の上に重ねて配置されると共に、相互に前記電磁波の検出方向が同一平面内で直交するように配置されることを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出装置。