JP6921482B2 - 素子、これを有する発振器及び情報取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、活性層を含むマイクロストリップ構造を有する素子、この素子を有する発振器及び情報取得装置に関する。

概略０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚの周波数範囲のテラヘルツ帯の電磁波（以下、テラヘルツ波とも称する）には多くの応用分野がある。例えば、多くの分子や分子錯体はこの周波数帯で共鳴現象を示す。従って、光領域の周波数の電磁波に対しては透明ではないがテラヘルツ波に対しては透明な種々のガスや物質の同定などに、テラヘルツ波のスペクトル分析が利用できる。よって、テラヘルツイメージングが、セキュリティチェック、製造工程における品質管理などの目的に利用できる。さらに、テラヘルツ波は、超高速無線通信などにも利用できる。

上述した応用に対しては、コンパクトで、効率が良く、室温で動作するテラヘルツ光源が要望される。近年、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を有する素子を用いたテラヘルツ波発振器が、有望なテラヘルツ光源の候補として注目されている。今日、ＲＴＤは、略１．８ＴＨｚまでのテラヘルツ波を出すことができる。ＲＴＤは、非常にコンパクトで、効率が十分良く、実用的応用に適している。また、室温で動作する。これらの特性は、ＲＴＤの実用的応用を非常に魅力あるものとしているが、ＲＴＤの出力パワーは比較的小さく、現在の所、多くの応用にとって十分なものではない。

上記課題に関して、特許文献１は次の技術を開示する。すなわち、マイクロストリップ導波路をアンテナに接続して該導波路からのテラヘルツ波を放射する幾つかの方法を示している。また、０．２ＴＨｚ程度の電磁波を発振する様に設計されたＲＴＤ付き導波路のパラメータについても記載している。

特許文献２は次のアクティブ導波路の技術を開示する。すなわち、ＲＴＤを備える導波路のコアの側部にパッシブな金属−誘電体−金属の導波路を設けた構成を開示している。

特開２０１３−２３６３２６号公報 特開２００７−３２４２５７号公報

しかしながら、コアにＲＴＤを有する発振器では、共振部における電磁波の伝搬損失は大きい。従って、２ＴＨｚ付近までの周波数帯において、共振部における損失を補償するためにＲＴＤによる利得を十分より大きくすることが求められる。

本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、０．１ＴＨｚ以上２ＴＨｚ以下の周波数領域の少なくとも一部において、ＲＴＤによる利得をより大きくして、損失を補償できる素子を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明の一側面としての素子は、電磁波を放射することができる活性層を有する素子であって、第１の方向に延びる第１の導電体層と、前記第１の方向に延びる第２の導電体層と、前記第１の導電体層と前記第２の導電体層との間に配置されている半導体、とを有し、前記半導体は、前記第１の導電体層と接触している第１の半導体層と、前記第２の導電体層と接触している第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に配置されている前記活性層と、を有し、前記第１の半導体層、前記活性層及び前記第２の半導体層が積層されている方向を第２の方向とすると、前記半導体は、前記第１の方向及び前記第２の方向と交差する方向における幅が０．５μｍ以上５μｍ以下であり、且つ、前記第２の方向における厚さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、前記活性層は、２つの障壁層を有する２重障壁共鳴トンネルダイオードであり、前記２重障壁共鳴トンネルダイオードの前記２つの障壁層のそれぞれは、前記第２の方向における厚さが０．７ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明の一側面としての素子によれば、０．１ＴＨｚ以上２ＴＨｚ以下の周波数領域の少なくとも一部において、ＲＴＤによる利得をより大きくして、損失を補償できる。

第１実施形態の素子の構成の一例を説明する模式図。 第１実施形態の素子の他の構成の例を説明する模式図。 第１実施形態の素子の他の構成の一例を説明する模式図。 ２重障壁共鳴トンネルダイオードのバンド構造を説明する模式図。 第１実施形態の素子の積層構造を説明する表の図。 素子の具体的設計値と動作周波数との関係の演算結果を示す図。 第２実施形態の素子の構成の一例を説明する模式図。 第３実施形態の素子の構成の例を説明する模式図。 第４実施形態の素子の構成の一例を説明する模式図。 第４実施形態の利得部のアドミタンスと半導体の幅Ｗとの関係の解析結果を示す図。 第４実施形態の利得部のアドミタンスと活性層の障壁層厚さｄ_ｂａｒとの関係の解析結果を示す図。 第５実施形態の情報取得装置の構成を一例を説明する模式図。

ＲＴＤを用いた素子は、容量を低減させるためにＲＴＤの寸法を小さくする必要がある。そうでないと、発振器の動作周波数を制限することになる。一方、テラヘルツ帯では、ＲＴＤの寸法は通常サブミクロン領域であり、このように小さい寸法では、ＲＴＤの出力パワーは制限されてしまう。このため、２ＴＨｚ付近までの周波数帯における高出力化を達成する為には、微細化による容量の低減と電磁波利得の確保を両立するために、ＲＴＤを含む素子の構造最適化が必要となる。

以下の実施形態は、導波路の発振器の活性層として好適な２重障壁共鳴トンネルダイオード（２重障壁ＲＴＤ）を有する。この２重障壁ＲＴＤの場合で利得が導波路の損失を上回り発振に至る構成を提示するものである。なお、本発明は以下の実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態は、マイクロストリップ構造（以下、「マイクロストリップ」と呼ぶ）を有する素子に係わる。マイクロストリップの伸長方向である第１の方向に垂直な面における素子１００の断面は、図１に示す通りである。素子１００は、上部導電体層（第１の導電体層）１０２と、下部導電体層（第２の導電体層）１０１と、半導体１１０と、を有するマイクロストリップを有する。半導体１１０は、活性層１０５と、活性層１０５を挟むキャリアドープされた第１の半導体層１０３及び第２の半導体層１０４とを有する。

活性層１０５は、マイクロストリップの半導体１１０内の任意位置に配置することができる。例えば、図１に示すようにマイクロストリップの厚さ方向である第２の方向の中央部近くに配置することができる。或いは、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、上部導電体層１０２または下部導電体層１９１側にずらすこともできる。

第１の半導体層１０３は上部導電体層１０２と接触しており、第２の半導体層１０４は下部導電体層１０１と接触している。下部導電体層１０１、上部導電体層１０２は、それぞれ金属ストライプである。下部導体層１０１は、図１と図２に示す様に広い金属板にしたり、図３に示す様に、その上の第２の半導体層１０４の幅（第１及び第２の方向と交差（典型的には、直交）する方向の幅）と同等の幅をもつ狭い金属ストライプにしたりすることができる。図３では下部導電体層１０１は基板１０６上に設けられている。下部導電体層１０１、上部導電体層１０２として用いられる典型的な金属としては、例えば、Ａｕ、Ｍｏ、Ｃｕなどがある。

活性層１０５は、２重障壁ＲＴＤ（以下、単に「ＲＴＤ」と呼ぶことがある）を用いている。このＲＴＤは、２つのトンネル障壁層に挟まれた井戸層（ＱＷ）を有する。各障壁層は、例えば、広いバンドギャップを有する半導体層である。井戸層は、典型的には、１以上の狭いバンドギャップの半導体層である。ＲＴＤ１０５のバンド構造、各部のフェルミレベルの値、ＱＷや障壁層のギャップの値が図４に示されている。図５は、半導体１１０に含まれる半導体層の積層構造を説明している。各層の組成、キャリア（ｎ）ドーピング濃度、厚さが記載されている。ＡｌＡｓが障壁層で、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓが井戸層（ＱＷ）である。ＲＴＤ１０５は、キャリアドープされた第１の半導体層１０３及び第２の半導体層１０４で挟まれ、これにより、電子がＲＴＤ１０５に供給され、ＲＴＤ１０５を通り、そして取り出される。

本実施形態ではＲＴＤを進行波型にする構成、すなわち、コアにＲＴＤを有する導波路ないし伝送路の形態を用いた。この場合、ＲＴＤの負性微分コンダクタンス（ＮＤＣ、負性微分抵抗の逆数）が導波路に増幅（利得）を付与する必要がある。この利得が導波路における損失より大きければ、導波路は発振器として利用できる。このために、例えば、導波路の端面を開放端とする。そうすると、導波モードの半波長の整数倍に略等しい長さの導波路は、開放端での反射により共振器を構成する。導波路での利得が損失より大きければ、こうした共振器は共振周波数で発振する。

素子１００の電磁波の伝搬特性や減衰／利得を分析するために、通常の伝送路のモデルを用いて説明する。議論を簡単にする為に、半導体１１０の幅Ｗは、下部導電体層１０１と上部導電体層１０２との間隔ｄ_ＭＭ（下部導電体層１０１に垂直な“ｚ”方向（第２の方向）における半導体１１０の厚さ）より遥かに大きいとする。この場合、マイクロストリップ中の電流と電磁界は、“ｘ”方向（幅の方向）において均質的であり、半導体１１０と上部導電体層１０１及び下部導電体層１０２の中に局在化していると見なせる。伝送路モデルで、“ｘ−ｙ”面の単位面積において垂直方向（“ｚ”方向）に流れる電流（図１参照）に対する導波路のアドミッタンスＹは次の式で表すことができる。
１／Ｙ＝１／（Ｇ_ＲＴＤ＋ｉωＣ_ＲＴＤ）＋Ｒ_ｎ＋Ｒ_{ｃｏｎｔ１}／（１＋ｉωＲ_{ｃｏｎｔ１}Ｃ_{ｃｏｎｔ１}）＋Ｒ_{ｃｏｎｔ２}／（１＋ｉωＲ_{ｃｏｎｔ２}Ｃ_{ｃｏｎｔ２}） （１）

ここで、ωは角周波数、Ｇ_ＲＴＤとＣ_ＲＴＤはそれぞれＲＴＤ１０５のコンダクタンスと容量、Ｒ_ｎはｎキャリアドープされた第１の半導体層１０３、第２の半導体層１０４の抵抗である。Ｒ_{ｃｏｎｔ１}とＣ_{ｃｏｎｔ１}は、オーム接触する下部金属層（下部導電体層）１０１とｎドープ層（第２の半導体層）１０４との間の抵抗と容量である。また、Ｒ_{ｃｏｎｔ２}とＣ_{ｃｏｎｔ２}は、オーム接触する上部金属層（上部導電体層）１０２とｎドープ層（第１の半導体層）１０３との間の抵抗と容量である。

“ｙ”方向の単位長さ及び“ｘ”方向の単位長幅における金属ストライプに沿ったインピーダンスＺは次の式で表される。
Ｚ＝ｉωＬ_ＭＭ＋Ｚ_ｓｋ （２）
ここで、Ｌ_ＭＭ＝４π・ｄ_ＭＭ／ｃ^２（ＣＧＳ単位系）はマイクロストリップのインダクタンスで、Ｚ_ｓｋは下部導電体層１０３の表皮効果を考慮したインピーダンス（ストライプの単位長さ及び単位長幅あたり）で、ｃは自由空間での光速である。ＲＴＤ付き導波路の伝搬定数γ（“ｙ”方向）は次の式で表される。
γ＝√−ＹＺ （３）

マイクロストリップの特性を分析する為に、ＲＴＤ１０５の構造の各パラメータを特定する。代表例として、次のパラメータのＲＴＤ１０５を用いる。図４と図５に示す様に、このＲＴＤ１０５は次の構成を有する。ＡｌＡｓの各障壁層は厚さｄ_ｂａｒを有する。障壁層間のＱＷはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓの３層を含み、ＱＷのＩｎＧａＡｓはＩｎＰに格子整合した組成を有する。ＱＷの各層は１．２ｎｍの厚さを有し、ＱＷ全体の厚さは３．６ｎｍである。障壁層とＱＷは意図的にはドープしていない。障壁層に隣接する層は、ＩｎＰと格子整合したＩｎＧａＡｓであり、ｎドーピング濃度は略１．５×１．０^１８ｃｍ^−３である。障壁層から数十ｎｍの距離で、第１及び第２の半導体層１０３、１０４のドーピング濃度は典型的には１．５×１．０^１９ｃｍ^−３に上昇する。こうしたパラメータと障壁層厚さ（略４ｎｍ（歪み障壁層の臨界厚さ）から１ｎｍ以下までの広い範囲に亘る）のＲＴＤ１０５は実際に作製することができる。

次に、ＲＴＤ１０５のＧ_ＲＴＤとＣ_ＲＴＤを計算する。そして、このＧ_ＲＴＤとＣ_ＲＴＤを用いて、式（１）、（２）、（３）に基づきマイクロストリップの伝搬定数を計算する。演算結果が図６の細い方の実線で示されている。ＲＴＤ１０５の障壁層の厚さｄ_ｂａｒは、１．０ｎｍ以上１．８ｎｍ以下である。接触抵抗は５Ωμｍ^２とする。マイクロストリップのパワーの吸収係数はα＝−２・Ｉｍ（γ）で定義される。αの正の値は、導波路損失が利得より大きく、こうしたパラメータや周波数では発振不可能であることを示す。反対にαが負の値の場合、利得が損失より大きくマイクロストリップが発振器として動作することを示す。αが負の値の周波数領域はマイクロストリップの動作周波数である。

図６はマイクロストリップの高い方の動作周波数を示す。この動作周波数は、広いストライプ幅（Ｗ＞＞ｄ_ＭＭ）の構成において、ｄ_ｂａｒ＝１．８ｎｍで略０．２ＴＨｚであり、ｄ_ｂａｒ＝１．０ｎｍで略０．８ＴＨｚである。図６には、この間の範囲が示されている。ここで下部導電体層１０１と上部導電体層１０２との間隔ｄ_ＭＭ＝０．５μｍ、第１、第２の半導体層１０３、１０４のｎドーピング濃度が５×１．０^１９ｃｍ^−３、Ｒ_{ｃｏｎｔ１}＝Ｒ_{ｃｏｎｔ２}＝Ｒ_ｃｏｎｔ＝５Ωμｍ^２である。

接触抵抗がＲ_{ｃｏｎｔ１}＝Ｒ_{ｃｏｎｔ２}＝Ｒ_ｃｏｎｔ＝２Ωμｍ^２に低下するとき、図６の太い実線で示すように、マイクロストリップの動作周波数が上昇する。このとき、上記のパラメータとｄ_ｂａｒ＝１．０ｎｍで、高い方の動作周波は略１．４ＴＨｚまで上昇する。接触抵抗Ｒ_ｃｏｎｔを略１Ωμｍ^２まで下げると、マイクロストリップの動作周波数は２ＴＨｚに近づく。接触抵抗は１ないし２Ωμｍ^２まで下げることが可能である。

また、図６において、ＲＴＤ１０５の障壁層厚さｄ_ｂａｒが薄くなるに従って、素子１００の動作周波数は高周波数であるほど顕著に高くなることが分かる。そこで演算結果を、より薄い障壁層（ｄ_ｂａｒが略０．７ｎｍ）まで外挿するとき、素子１００の動作周波数は２ＴＨｚ近くになる。

また、幅Ｗの動作周波数への影響を解析するために、市販の有限要素法のシミュレーションソフトを用いてマイクロストリップのモード特性を検討した。幅Ｗを狭くした場合（Ｗ＝ｄ_ＭＭ＝０．５μｍ）の演算結果は図６の破線で示した。マイクロストリップの幅を低下させてｄ_ＭＭと等しくなる程度まで下げるとき、利得と損失が低下することが分かる。この理由は次の通りである。すなわち、マイクロストリップ周りの空中に電磁界が広がり、電磁界が半導体層内に局在しなくなるからである。しかし、高周波数側では、図６の太い実線と破線との差が小さく、幅Ｗによる変化はあまり大きくない。なぜなら、マイクロストリップにおける損失と利得は主に半導体層と活性層の中に存在するからである。マイクロストリップが狭くなるに従い、マイクロストリップの周りの電磁界の外縁部は、半導体層のモードとの重なりが減少する。しかし、空中のモード部分は、損失や利得への係わりが小さい。このように損失と利得の間のバランスは半導体層と活性層により決まるので、モードの空中へのはみ出し（外縁部の電磁場）は、高周波数側では余り影響を与えない。

ＲＴＤの障壁層厚さの更なる２ｎｍまでへの増大化及び／又はＲ_ｃｏｎｔの略１０Ωμｍ^２への増大化により、図６のデータから外挿する計算から得られる様に、マイクロストリップの動作周波数は０．１ＴＨｚ近辺まで下がる。

以上、上記シミュレーションは、周波数領域０．１〜２ＴＨｚ（０．１ＴＨｚ以上２．０ＴＨｚ以下）をカバーするためにはＲＴＤとマイクロストリップのパラメータは次の範囲内にある必要があることを示す。すなわち、ｄ_ｂａｒ＝０．７〜２．０ｎｍ（０．７ｎｍ以上２．０ｎｍ以下）、Ｒ_{ｃｏｎｔ１}とＲ_{ｃｏｎｔ２}は略１〜１０Ωμｍ^２（１Ωμｍ^２以上１０Ωμｍ^２以下）。Ｗ＝０．５〜５μｍ（０．５μｍ以上５μｍ以下）、ｄ_ＭＭ＝０．１〜１．０μｍ（０．１μｍ以上１．０μｍ以下）。より好ましくは、ｄ_ＭＭ＝０．２〜１．０μｍ（０．２μｍ以上１．０μｍ以下）である。これに加えて、ＲＴＤの構造パラメータの更なる最適化を行うことも可能である。例えば、ＱＷのパラメータや組成の変更、ＲＴＤ周りの半導体層のドーピング濃度の変更、障壁層の組成の変更などで、更に高い動作周波数が達成可能である。さらに、マイクロストリップの幾何形状や寸法の最適化によってもマイクロストリップの動作周波数の増大が可能である。

上述の議論から、マイクロストリップの幅Ｗは、マイクロストリップのシングルモードの動作に対応するものに制限される。更に、マイクロストリップの発振器で消費される全電流を減少させるために、マイクロストリップは比較的狭いものが好適である。従って、Ｗの値は略５μｍ以下に制限される。

上記分析はマイクロストリップに対する単純な伝送路モデルに基づくので、ＲＴＤの活性層を上部または下部導電体層１０１に近づけてもマイクロストリップのモードの伝搬特性には余り影響しない。よって、上記分析と結論は、図２（ａ）、（ｂ）に示す形態のマイクロストリップにも同様に適用できる。

上記議論から以下のことも分かる。マイクロストリップの外縁部の電磁場は動作周波数の範囲に対して僅かな影響を持つに過ぎない。従って、下部導電体層１０１の幅を変えても（例えば、図３に示すように変更）、ＲＴＤ付きマイクロストリップの動作周波数に大した影響を与えない。更に、上部導電体層１０２及び下部導電体層１０１の幅を半導体１１０の幅からずらすこともできる。上部、下部導電体層１０２、１０１の幅は半導体１１０の幅より狭くてもよいし、広くてもよく、その形状は、図１〜図３に示す単純なストライプ形状の他に、より複雑な幾何形状であってもよい。上部導電体層１０２及び下部導電体層１０１それぞれの幅が半導体１１０の幅程度に止まる限り、上部導電体層１０２及び下部導電体層１０１の幅は接触抵抗を余り変化させない。そのとき、上記議論はそのまま、変形タイプのマイクロストリップにも適用できる。適用の数値的限界は以下の如きものである。

まず、上部導電体層１０２及び下部導電体層１０１の幅の変化による第１、第２の半導体層１０３、１０４のそれぞれとの接触抵抗の変化が３０％以下であることである。これを換言すると、接触面積が、活性層の面積の７０％以上１００％以下にある（７０％を下回らない）ことである。また、図１に示すような単純な構造の素子１００と比べて、上部導電体層１０２及び下部導電体層１０１それぞれの幅と形状の変化が、マイクロストリップの伝搬定数Ｒｅ（γ）の５０％以下の変化（５０％を上回らない変化）しかもたらさないことである。

素子１００を用いて発振器を実現するためには、マイクロストリップの伝搬方向（第１の方向）の長さを決める必要がある。このとき、長さがマイクロストリップのモードの半波長の整数倍の長さであれば、定在波を伴う共振が起こる。ＲＴＤ１０５の活性層の厚さはｄ_ＭＭより遥かに小さいので、マイクロストリップのモードの実効誘電率は高く、空間（誘電率１）との界面であるマイクロストリップの開放端での反射は非常に強く、反射係数は１に近い。よって、開放端における放射損失は少なく、開放端を有するマイクロストリップの発振器の発振周波数は動作周波数の全領域（α＜０で規定される領域）に亘る。

マイクロストリップから外部のアンテナへの電磁波の伝播を向上させるために整合素子を用いるとき、放射電磁波によるマイクロストリップ共振器の損失が大きくなる。この損失は、マイクロストリップ共振器の発振周波数の上限を低く制限する。この場合も、発振周波数の上限はα＜０で規定される。

本実施形態によれば、０．１ＴＨｚ以上２ＴＨｚ以下の周波数領域の少なくとも一部において、ＲＴＤによる利得をより大きくして、導波路における損失を補償できる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、０．３ＴＨｚと１．４ＴＨｚの周波数で動作する素子７００に関する。本実施形態では、上部導電体層１０２の形状が第１実施形態と異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様である。なお、第１実施形態と同様の構成には、図７に同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。０．３ＴＨｚの例に対しては、比較的大きいが容易に作製できる１０Ωμｍ^２の接触抵抗を有する構造を用いる。活性層１０５としては、比較的大きい障壁層厚さ（ｄ_ｂａｒ＝１．４ｎｍ）のＲＴＤを採用する。ＲＴＤ（活性層）１０５の他のパラメータは図５で規定され、そのバンド構造は図４に示す。半導体１１０の幅Ｗと厚さｄ_ＭＭは、それぞれ、Ｗ＝１μｍでｄ_ＭＭ＝０．５μｍである。

上述した通り、本実施形態では、断面の面積を増大するために上部導電体層１０２上に配置されている第３の導電体層３０１を有する点が第１実施形態と異なる。これは、ＲＴＤ１０５に比較的大きい電流を供給するためである。図７は、素子７００の構成を説明する断面図である。本実施形態では、幅が広い金属ストライプ（第３の導電体層）３０１を上部金属ストライプ（上部導電体層）１０２上に載せる。このような構成にすることより、半導体１１０の上部には、Ｔ字形状の金属ストライプ３０１が配置されたことになり、これは短いゲート長のＨＥＭＴのＴゲートの通常の形状に似ている。ＨＥＭＴでも素子１００でも、Ｔ字状形態は同目的を有する。半導体１１０の上部に配置されている金属ストライプの断面積を大きくして大きな電流を受け入れ、抵抗を減らすためである。

一方、寄生容量は最小化するようにする。０．３ＴＨｚの動作周波数に対しては、以下の寸法を採用する。Ｔ字状の金属ストライプについて、第１の半導体層１０３と接触する狭い底部の部分１０２の断面は約１μｍ×約１μｍの四角形、底部の反対側の広い第３の導電体層３０１の断面形状は約１μｍ×約６μｍの長方形とする。素子７００の伝搬定数の計算には市販のソフトウエアを用いる。０．３ＴＨｚでの共振における半波長は、マイクロストリップの５２μｍの長さに対応する。

他の例として、１．４ＴＨｚの素子の共振器のパラメータを説明する。この場合、接触抵抗は２Ωμｍ^２に減らし、障壁層厚さ（ｄ_ｂａｒ＝１．０ｎｍ）のＲＴＤを採用する。ＲＴＤ（活性層）の他のパラメータは図５と図４に示すものと同じである。更に、半導体層の幅をＷ＝０．５μｍに低下させ、厚さはｄ_ＭＭ＝０．５μｍのままとする。マイクロストリップの上部の金属ストライプはＴ字状のものを用いるが、その寸法は小さくする。部分１０２の断面形状は約０．５μｍ×約０．５μｍの四角形、第３の導電体層３０１の断面形状は約１μｍ×約３μｍの長方形とする。下部金属ストライプ１０１には、金属膜が表面に形成された基板を用いる。マイクロストリップのモードの伝搬定数の計算には市販の数値ソフトウエアを用いる。１．４ＴＨｚでの共振における半波長は、マイクロストリップの約１４μｍの長さに対応する。

上記例から、サブＴＨｚの周波数の素子とＴＨｚオーダーの周波数の素子とが同じように実現できることが分かる。ＲＴＤ１０５の構造パラメータに基づく例を示したが、パラメータは素子の設計のガイドラインを示すに過ぎない。実際の発振器の設計では、使用技術、個々のパラメータ、採用されるＲＴＤの特性に応じて、調整される必要がある。

本実施形態によれば、０．１ＴＨｚ以上２ＴＨｚ以下の周波数領域の少なくとも一部において、ＲＴＤによる利得をより大きくして、導波路における損失を補償できる。

（第３実施形態）
第３実施形態の素子８００は、バイアス線５０１を有する点が第１実施形態と異なる。バイアス線５０１は、素子８００にバイアス電圧をかけるための配線である。ここでは、導波路の発振への影響を最小化するようなバイアス線５０１とマイクロストリップ構造との接続法を示す。図８（ａ）、図８（ｂ）は、素子８００の構成の一例を説明する図である。

共振周波数において、マイクロストリップの導波路に定在波が現れる。最も単純な場合、半波長の共振であり、これは、マイクロストリップの第１の方向の長さが半波長に等しいときに起こる。導波路に沿った電圧分布が図８（ａ）の上部に示されている。図８（ａ）に示すように、定在波の節の箇所（マイクロストリップの伸長方向の中央）でバイアス線５０１がマイクロストリップ（具体的には、上部導電体層１０２）に接続されるとき、バイアス線５０１は素子８００の発振モードに影響を与えない。

より複雑なケースは、マイクロストリップの長さが共振周波数の半波長の複数倍であるときである。このとき、図８（ｂ）に示すように、１以上のバイアス線５０１は定在波の１以上の節でマイクロストリップに接続される。図８（ｂ）の上部にマイクロストリップに沿う電圧分布が示され、その下部に、共振定在波の全ての節でバイアス線５０１がマイクロストリップに接続されることが示されている。

マイクロストリップがその端部でアンテナ或いは適当な整合回路に接続されるとき、マイクロストリップのモードの端部における反射係数が変化する。その結果、開放端のマイクロストリップの位置から、定在波の節の位置がシフトする。定在波の共振の節の位置に合うように、バイアス線５０１のマイクロストリップへの接続点もシフトする必要がある。一般に、バイアス線５０１は定在波の節でマイクロストリップに接続する必要があるが、節の位置は、マイクロストリップの特性だけではなく、端部の反射状態（これは、例えば、接続されるアンテナや整合回路により影響を受ける）によっても影響される。

（第４実施形態）
本実施形態に係る発振器２００について、図９を用いて説明する。図９（ａ）は本実施形態に係る発振器２００の外観を示す斜視図であり、図９（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図、である。

発振器２００は、アンテナ２０２と、活性層としてのＲＴＤ１００５を含む利得部２０１と、が集積されたアクティブアンテナである。従って、発振器２００の発振周波数ｆ_ＴＨｚは、アンテナ２０２のリアクタンスと利得部２０１のリアクタンスと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発振周波数ｆ_ＴＨｚが決定される。具体的には、以下の（４）式で表わされる振幅条件と、（５）式で表わされる位相条件と、を満たす周波数が発振周波数ｆ_ＴＨｚとして決定される。ここで、Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は、微分負性抵抗素子のアドミタンスであり負の値を有す。
Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ＡＮＴ］≦０ （４）
Ｉｍ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｉｍ［Ｙ_ＡＮＴ］＝０ （５）

発振器２００は、アンテナ２０２、線路２０８、及びバイアス回路２２０、を有する。アンテナ２０２は、利得部２０１と、パッチ導体２０３と、接地導体２０４と、誘電体２０５ａと、を有する。利得部２０１は、第１実施形態で開示された構造を備える。すなわち、利得部２０１は、活性層としてのＲＴＤ１００５と、ＲＴＤ１００５を挟むキャリアドープされた半導体層１００３、１００４と、導電体層１００１、１００２と、有する。第１の半導体層１００３は、第１の導電体層１００２と接続されており、第２の半導体層１００４は、第２の導電体層１００１と接続されている。第２の導電体層１００１は接地導体２０４と、第１の導電体層１００２はパッチ導体２０３と、それぞれ電気的かつ機械的に接続されている。

導電体層１００１、１００２で用いる材料は、抵抗率が１×１０^−６Ω・ｍ以上の導電体が用いられる。例えば、一般的な金属および金属化合物（Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＡｕＩｎ合金、ＴｉＮなど）や、高濃度に不純物をドーピングされてキャリアが活性化された半導体等が好適に用いられる。半導体は、具体的には、ドナー又はアクセプターのドーピング濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以上の半導体が好適に用いられる。

本実施形態では、第２の導電体層１００１は、第２の半導体層１００４と同じく高濃度にキャリアドーピングされた半導体であるｎ−ＩｎＧａＡｓを用いた。ドーパントはＳｉで、キャリア濃度は５×１．０^１９ｃｍ^−３であり、高濃度にドーピングしているため、金属に近い導電性を有する。第２の導電体層１００１として金属に近い導電性を有する半導体層を用いる場合、直列抵抗による損失の観点から、第２の導電体層１００１のｘ方向の幅は、幅Ｗより大きい方が好ましい。その場合、第２の導電体層１００１と第２の半導体層１００４とは、ｘ方向の幅の違いから判別できる。また、第１実施形態と同様に第２の導電体層１００１にＡｕやＭｏなどの金属を用いる構成であっても良い。第１の導電体層１００２には、高濃度にキャリアドープしたＩｎＧａＡｓと低オーミック抵抗で接触可能なＭｏを用いた。

第４実施形態における半導体１１０は、ＲＴＤ１００５と、第１の半導体層１００３と、第２の半導体層１００４と、を含む。半導体１１０を構成するＲＴＤ１００５、第１の半導体層１００３、及び第２の半導体層１００４は、図４及び図５で開示した構成を用いた。直列抵抗による損失の観点から、半導体１１０の厚さ（すなわち、ＲＴＤ１００５と第１の半導体層１００３と第２の半導体層１００４との総厚）は、０．１〜１μｍ（０．１μｍ以上５μｍ以下）の範囲で設定される。より好ましくは、０．２〜１μｍ（０．２μｍ以上５μｍ以下）の範囲で設定すると良い。

本実施形態の発振器２００に用いるＲＴＤ１００５を含む利得部２０１は、ｘ方向の幅Ｗとｙ方向の長さが同じとなるメサ構造を備える。ここで、メサ構造を用いる場合は、ｚ方向から見たメサ構造の形は、正方形であっても良いし、円であって良い。また、必ずしもｘ方向の幅Ｗとｙ方向の長さが一致する必要は無い。本実施形態では、円形メサ構造を用いた場合について説明する。

図１０は、本実施形態で用いたＲＴＤ１００５を含む利得部２０１のアドミタンス（Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］及びＩｍ［Ｙ_ＲＴＤ］）のＷ依存性について解析した結果である。ここで、直線はＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］を、点線はＩｍ［Ｙ_ＲＴＤ］を示す。また、ＲＴＤ１００５の障壁層厚はｄ_ｂａｒ＝１．０ｎｍ、コンタクト抵抗は４Ωμｍ^２とした。ｘ方向の幅Ｗが増えるに従って利得は増加するか、リアクタンスも増加する為、高周波化に限界がある。

本解析結果から、Ｗ＝０．５〜５μｍ（０．５μｍ以上５μｍ以下）が０．１ＴＨｚ以上２ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を発振するのに最適な幅Ｗとなる。ここで、Ｗの下限は、微細化による利得低下に伴って式（４）の発振条件を満たさなくなることから決定される。また、上限は、容量増加による発振周波数の低周波化とアンテナの放射効率の低下から決定される。

図１１は、本実施形態で用いたＲＴＤ１００５を含む利得部２０１のアドミタンス（Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］及びＩｍ［Ｙ_ＲＴＤ］）のｄ_ｂａｒ依存性について解析した結果である。ここで、直線はＲｅ［Ｙ_ＲＴＤ］を、点線はＩｍ［Ｙ_ＲＴＤ］を示す。また、ＲＴＤ１００５の幅Ｗは１．２μｍ、コンタクト抵抗は４Ωμｍ^２とした。ＲＴＤ１００５の障壁層厚さｄ_ｂａｒが薄くなるに従って、高い動作周波数においても利得が顕著に高くなることが分かる。

本解析結果から、ｄ_ｂａｒ＝０．７〜２．０ｎｍ（０．７ｎｍ以上２．０ｎｍ以下）が０．１ＴＨｚから２ＴＨｚの発振を得るのに最適な障壁層厚ｄ_ｂａｒとなる。ここで、障壁層厚ｄ_ｂａｒの上限は、ｄ_ｂａｒが２．０ｎｍより大きくなると利得低下に伴って式（４）の発振条件を満たさなくなることから決定される。また、障壁層厚ｄ_ｂａｒの下限は、エピタキシャル成長技術により実用的に制御できる膜厚で規定される。また、ｄ_ｂａｒ＝１ｎｍにおいて、コンタクト抵抗を１Ωμｍ^２とした場合は、図１１の破線のように高周波域における利得の増加が見込める。第１実施形態と同様にコンタクト抵抗は、損失の観点から、略１〜１０Ωμｍ^２（１Ωμｍ^２以上１０Ωμｍ^２以下）が最適である。

パッチ導体２０３と接地導体２０４との二導体で誘電体２０５ａを挟む構成は、テラヘルツ波の共振器であり、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共振器である。本実施形態では、テラヘルツ波の共振器としてパッチアンテナを用いている。

パッチアンテナは、パッチ導体２０３と接地導体２０４との二導体で誘電体２０５ａとを挟むように構成されており、パッチ導体２０３のＡ−Ａ’方向の幅がλ／２共振器となるように設定される。また、パッチ導体２０３と接地導体２０４との間には、利得部２０１が配置されている。

ＲＴＤ２０５を含む利得部２０１にバイアス電圧を供給するためのバイアス回路は、利得部２０１と並列に接続された抵抗２１０、抵抗２１０と並列に接続された容量２０９、電源２１２、配線２１１を含む。電源２１２は、利得部２０１のＲＴＤ１０５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、ＲＴＤ２０５の微分負性抵抗領域から選択される。

線路２０８は、分布定数線路であり、バイアス回路２２０からのバイアス電圧は、線路２０８を介してＲＴＤ１００５に供給される。線路２０８は、マイクロストリップラインであり、ストリップ導体２０６と接地導体とで誘電体２０５ｂを挟んだ構成である。ストリップ導体２０６とパッチ導体２０３とは、導体２０７を介して接続されている。ここで、導体２０７は、パッチ導体２０３とストリップ導体２０６との間の段差（高低差）をつなぐためのプラグの役割がある。

導体２０７および線路２０８は、アンテナ２０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に接続される。ここで、「アンテナ２０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節」は、アンテナ２０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の実質的な節となる領域のことである。すなわち、テラヘルツ波の共振器であるパッチアンテナ内に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の実質的な節となる領域であるとも言える。具体的には、アンテナ２０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が、共振部に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の最大電界強度より１桁程度低い領域のことである。望ましくは、発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が、アンテナ２０２に定在する発振周波数ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の最大電界強度の１／ｅ^２（ｅは自然対数の底）以下となる位置が好適である。

バイアス回路２２０の抵抗２１０及び容量２０９は、バイアス回路２２０に起因したＤＣから１０ＧＨｚの周波数帯の寄生発振を抑制している。抵抗２１０の値は、ＲＴＤ１０５の微分負性抵抗領域における微分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ことが好ましい。容量２０９も抵抗２１０と同様に、ＲＴＤ１００５の微分負性抵抗の絶対値と素子のインピーダンスが等しいか、少し低くなるように設定されることが好ましく、本実施形態では数十ｐＦ程度としている。

本実施形態に係る発振器２００は、発振周波数ｆ_ＴＨｚ＝０．５０ＴＨｚを発振させる発振器として設計されており、アンテナ２０２は、パッチ導体２０３の一辺が１５０μｍの正方形のパッチアンテナである。パッチ導体２０３と接地導体２０４との間には、誘電体２０５ａ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）及び０．１μｍ厚の窒化シリコンを配置した。

パッチ導体２０３と接地導体２０４との間には、直径１．２μｍのＲＴＤ１００５を含む利得部２０１が接続される。利得部２０１は、パッチ導体２０３の重心から共振方向に１５μｍシフトした位置に配置した。パッチアンテナの単独の共振周波数は、約０．５５ＴＨｚであるが、利得部２０１のＲＴＤ１００５のリアクタンスを考慮すると、発振器２００の発振周波数ｆ_ＴＨｚは約０．５０ＴＨｚとなる。
マイクロストリップライン２０８は、ストリップ導体２０６と接地導体２０４との間に０．１μｍの窒化シリコンからなる誘電体２０５ｂを配置した構造である。マイクロストリップライン２０８の具体的な寸法は、アンテナ２０２との接続部から、幅６μｍ、長さ１００μｍの線路が伸びており、さらに幅２０μｍ、全長６００μｍの線路が伸びている。幅２０μｍ、全長６００μｍの線路は、ＭＩＭ容量２０９と接続されている。

なお、上述の実施形態では、テラヘルツ波の共振器として正方形パッチを用いているが、共振器の形状はこれに限られたものではなく、例えば、矩形及び三角形等の多角形、円形、楕円形等のパッチ導体を用いた構造の共振器等を用いてもよい。また、アンテナ２０２としてスロットアンテナやボウタイアンテナを用いてもよい。

本実施形態によれば、０．１ＴＨｚ以上２ＴＨｚ以下の周波数領域の少なくとも一部において、ＲＴＤによる利得をより大きくして、損失を補償できる。

（第５実施形態）
これまで説明してきた素子を用い、被検体の状態などの情報を取得する情報取得装置を提供することができる。図１２に、情報取得装置の構成の一例を示す。例えば、上述の各実施形態の素子を発振器として用い、発振器の端部に被検体を配置する。被検体は導波路から射出される電磁波と相互作用するため、射出された電磁波は何らかの影響をうける。被検体に照射された電磁波は反射したり透過したりするため、それを検出器で検出する。その後、パソコン等の演算部で、検出した信号から被検体の情報（状態など）を取得する。具体的には、薬の状態などを検査する産業用検査装置などの応用が想定される。

以上の様にして、素子から出射した電磁波で照射された被検体からの電磁波を検出器で検出する情報取得装置を構成することができる。表示部は、演算部からの信号に基づいて被検体の画像を表示することができる。補正部は、演算部からの信号に基づいて発振器の発振状態（出力パワー、発振周波数など）を制御することができる。

本実施形態によれば、０．１ＴＨｚ以上２ＴＨｚ以下の周波数領域の少なくとも一部において、ＲＴＤによる利得をより大きくして、導波路における損失を補償できる。また、導波路における損失を補償できる素子を用いて情報取得装置を構成することにより、より精度の高い測定が可能となる。その結果、検出した信号等の測定結果から取得した被検体の情報の信頼性が向上することが期待できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、活性層１０５と第１、第２半導体層１０３、１０４との間に別の半導体層を設けてもよい。

１００ 素子
１０１ 第２の導電体層
１０２ 第１の導電体層
１０３ 第１の半導体層
１０４ 第２の半導体層
１０５ ２重障壁共鳴トンネルダイオード（活性層、ＲＴＤ）
１１０ 半導体

Claims (12)

1. 電磁波を放射することができる活性層を有する素子であって、
   第１の方向に延びる第１の導電体層と、前記第１の方向に延びる第２の導電体層と、前記第１の導電体層と前記第２の導電体層との間に配置されている半導体、とを有し、
   前記半導体は、前記第１の導電体層と接触している第１の半導体層と、前記第２の導電体層と接触している第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に配置されている前記活性層と、を有し、
   前記第１の半導体層、前記活性層及び前記第２の半導体層が積層されている方向を第２の方向とすると、
   前記半導体は、前記第１の方向及び前記第２の方向と交差する方向における幅が０．５μｍ以上５μｍ以下であり、且つ、前記第２の方向における厚さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、
   前記活性層は、２つの障壁層を有する２重障壁共鳴トンネルダイオードであり、
   前記２重障壁共鳴トンネルダイオードの前記２つの障壁層のそれぞれは、前記第２の方向における厚さが０．７ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であり、
   金属である前記第１の導電体層と前記半導体との間の接触抵抗、及び、金属である前記第２の導電体層と前記半導体との間の接触抵抗は、それぞれ、１Ωμｍ^２以上１０Ωμｍ^２以下の範囲にあり、
   前記第１の導電体層と前記半導体が同じ形状を有する場合と比べて、前記形状の異なりによる当該素子の伝搬定数の変化は、５０％以下であることを特徴とする素子。
2. 電磁波を放射することができる活性層を有する素子であって、
   第１の方向に延びる第１の導電体層と、前記第１の方向に延びる第２の導電体層と、前記第１の導電体層と前記第２の導電体層との間に配置されている半導体、とを有し、
   前記半導体は、前記第１の導電体層と接触している第１の半導体層と、前記第２の導電体層と接触している第２の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に配置されている前記活性層と、を有し、
   前記第１の半導体層、前記活性層及び前記第２の半導体層が積層されている方向を第２の方向とすると、
   前記半導体は、前記第１の方向及び前記第２の方向と交差する方向における幅が０．５μｍ以上５μｍ以下であり、且つ、前記第２の方向における厚さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下であり、
   前記活性層は、２つの障壁層を有する２重障壁共鳴トンネルダイオードであり、
   前記２重障壁共鳴トンネルダイオードの前記２つの障壁層のそれぞれは、前記第２の方向における厚さが０．７ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であり、
   前記第１の導電体層と前記半導体との間の接触面積は、前記２重障壁共鳴トンネルダイオードの前記面における面積の７０％以上１００％未満であり、
   前記第１の導電体層と前記半導体が同じ形状を有する場合と比べて、前記形状の異なりによる当該素子の伝搬定数の変化は、５０％以下であることを特徴とする素子。
3. 前記第１の導電体層はＭｏであることを特徴とする請求項１に記載の素子。
4. 前記半導体は、前記第２の方向における厚さが０．２μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の素子。
5. 前記第１の導電体層と前記半導体との間の接触抵抗及び前記第２の導電体層と前記半導体との間の接触抵抗は、それぞれ、１Ωμｍ^２以上１０Ωμｍ^２以下の範囲にあることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の素子。
6. ０．１ＴＨｚ以上２．０ＴＨｚ以下の範囲の周波数において、前記２重障壁共鳴トンネルダイオードにより付与される利得が当該素子における損失より大きいことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の素子。
7. 前記第１の導電体層と前記第２の導電体層の少なくとも一方は、金属板、或いは金属膜が表面に形成された基板であることを特徴とする請求項２に記載の素子。
8. 前記第１の導電体層と前記第２の導電体層のうちの少なくとも一方は、前記第１の方向と交差する面における断面がＴ字形状であり、
   前記Ｔ字形状の断面は、前記半導体と接触している狭い底部と該底部の反対側の広い上部とを持つことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の素子。
9. バイアス電圧をかけるための配線を更に有し、
   前記配線と前記第１の導電体層とは、前記第１の導電体層と前記第２の導電体層と前記半導体とを有するマイクロストリップの共振定在波の節で接続されていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の素子。
10. 請求項１から９の何れか１項に記載の素子を含み、０．１ＴＨｚ以上２．０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を発振することを特徴とする発振器。
11. ０．１ＴＨｚ以上２．０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波を発振する発振器であって、
    請求項１から９の何れか１項に記載の素子を含む利得部と、電磁波を共振するアンテナと、を含むことを特徴とする発振器。
12. 被検体の情報を取得する情報取得装置であって、
    前記被検体に電磁波を射出する発振器と、前記被検体からの電磁波を検出する検出器と、を有し、
    前記発振器が、請求項１０又は１１に記載の発振器であることを特徴とする情報取得装置。
    

Images