JP7076937B2 - 半導体素子 - Google Patents

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Description

本発明は、共鳴トンネルダイオードを用いたテラヘルツ波を発振又は検出する半導体素子に関する。
３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の電磁波（以下、「テラヘルツ波」とよぶ）を発生する電流注入型の光源として、テラヘルツ波帯の周波数領域における利得を有する素子と共振器とを集積した半導体素子を用いる発振器がある。なかでも、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）と共振器とを集積した発振器がある。ＲＴＤを用いた発振器は、１ＴＨｚ近傍の周波数領域で室温動作する素子として期待されている。
非特許文献１には、半導体基板上に平面状に形成したスロットアンテナ共振器とＲＴＤとを集積したテラヘルツ波の発振器が開示されている。非特許文献１では、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長された、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＡｌＡｓトンネル障壁層とからなる２重障壁型のＲＴＤを用いている。このようなＲＴＤを用いた発振器では、電圧―電流（Ｖ－Ｉ）特性で微分負性抵抗が得られる領域近傍においてテラヘルツ波の発振が室温で実現される。また、特許文献１には、２重障壁の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。
特開２００６－１０１４９５号公報
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６（２００８）、ｐｐ．４３７５－４３８４
ＲＴＤを含む半導体層の構造に起因した直列抵抗Ｒｍは、電磁波の損失及びＲＣ遅延の原因となる。一方、パッチアンテナ等のマイクロストリップ型共振器を用いた発振器は、誘電体を厚くすることで放射効率を改善することができる。そのため、従来のマイクロストリップ型共振器は、誘電体の厚さと半導体の厚さとの間にトレードオフがあり、放射効率の改善が制限されていた。このような課題を解決するための手段として、特許文献１には、共振器の誘電体として基板を利用する構成が記載されている。しかしながら、基板として利用可能な誘電体材料が限定されており、また、テラヘルツ波帯では基板厚が薄くなり歩留まりが低下することがあった。
本発明は上記課題に鑑み、ＲＴＤのようなテラヘルツ波の周波数領域に利得を有する素子を用いたテラヘルツ波の発振器における電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる半導体素子を提供することを目的とする。
本発明の一側面としての半導体素子は、テラヘルツ波を発生又は検出する半導体素子であって、共鳴トンネルダイオードを有する半導体層と、前記半導体層と接続されている第１の電極と、前記半導体層に対して前記第１の電極が配置されている側の反対側に配置されており、前記半導体層と電気的に接続されている第２の電極と、前記第２の電極と電気的に接続されている第３の電極と、前記半導体層及び前記第２の電極の周囲で且つ前記第１の電極と前記第３の電極との間に配置されており、前記半導体層の厚さより厚い誘電体層と、を備え、前記誘電体層は、前記第２の電極と前記第３の電極とを電気的に接続する導体を含む領域を有し、前記領域は、前記導体が充填されている領域であり、前記テラヘルツ波の共振方向である第１の方向において、前記領域の幅は前記第３の電極の幅よりも小さく、前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記領域の幅は前記第３の電極の幅よりも小さく、前記第１の方向および前記第２の方向において、前記領域の幅は前記第２の電極の幅よりも大きいことを特徴とする。
本発明の別の一側面としての半導体素子は、テラヘルツ波を発生又は検出する半導体素子であって、共鳴トンネルダイオードを有する半導体層と、前記半導体層と接続されている第１の電極と、前記半導体層に対して前記第１の電極が配置されている側の反対側に配置されており、前記半導体層と電気的に接続されている第２の電極と、前記第２の電極と電気的に接続されている第３の電極と、前記半導体層及び前記第２の電極の周囲で且つ前記第１の電極と前記第３の電極との間に配置されており、前記半導体層の厚さより厚い誘電体層と、を備え、前記誘電体層は、前記第２の電極と前記第３の電極とを電気的に接続する導体を含む領域を有し、前記テラヘルツ波の共振方向である第１の方向において、前記領域の幅は前記第３の電極の幅よりも小さく、前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記領域の幅は前記第３の電極の幅よりも小さく、前記第１の方向および前記第２の方向において、前記領域の幅は前記第２の電極の幅よりも大きく、
前記領域は、以下の式を満たすことを特徴とする。
ｔａｎθ＝２ｈ／（ｄ２－ｄ１ ）
４５°＜θ＜１３５°
ｄ １ ：前記領域の前記第２の電極側の面の幅
ｄ ２ ：前記領域の前記第３の電極側の面の幅
ｈ：前記領域の厚さ
本発明の一側面としての半導体素子によれば、テラヘルツ波の周波数領域に利得を有する素子を用いたテラヘルツ波の発振器における電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。
第１の実施形態の半導体素子の構成を説明する図。 実施例の半導体素子の解析例を説明する図。 第２の実施形態の半導体素子の構成を説明する図。 第２の実施形態の半導体素子の構成を説明する図。 実施例１の半導体素子の構成を説明する図。 実施例１の半導体素子の構成を説明する図。
（第１の実施形態）
本実施形態に係る半導体素子１００（以下、「素子１００」と呼ぶ）について、図１を用いて説明する。素子１００は、周波数（共振周波数）ｆＴＨｚのテラヘルツ波を発振又は検出する素子である。図１（ａ）は素子１００の外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）はそのＡ－Ａ断面図、図１（ｃ）は半導体層と領域とを説明する図である。なお、以降の説明では、素子１００を発振器として用いた例について説明する。
まず、素子１００の構成について説明する。素子１００は、テラヘルツ波帯の電磁波を共振するための共振器（共振部）１１４と、バイアス回路１２０と、を有する。共振器１１４は、第１の電極１０４、半導体層１０２、第２の電極１０７、誘電体層１０５、及び第３の電極１０３を有する。誘電体層１０５は、導体１３０を含む領域１０６、を有する。半導体層１０２は、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）１０１を含む。なお、以降の説明では、電極１０３、１０４、１０７、半導体層１０２の積層方向における各構成の長さを厚さ又は高さと呼び、積層方向と直交する面における共振器１１４を電磁波が共振する方向（共振方向）における各構成の長さを幅と呼ぶ。
共振器１１４は、テラヘルツ波の共振器であり、第１の電極１０４、半導体層１０２、第２の電極１０７、導体１３０、第３の電極１０３の順に積層されている。共振器１１４は、第３の電極１０３と第１の電極１０４の二つの導体で誘電体層１０５を挟む構成となっている。このような構成は、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として良く知られている。
第１の電極１０４は、基板１０８の上に配置される。ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２は、第１の電極１０４の上に配置されており、第１の電極１０４と接続されている。
ＲＴＤ１０１は、複数のトンネル障壁層を含み構成される共鳴トンネル構造層を有し、複数のトンネル障壁の間に量子井戸層が設けられる。すなわち、ＲＴＤ１０１は、キャリアのサブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する多重量子井戸構造を備え、テラヘルツ波の周波数領域における電磁波利得を有している。ここで、テラヘルツ波は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域内の電磁波を指す。ＲＴＤ１０１は、微分負性抵抗領域において、フォトンアシストトンネル現象に基づくテラヘルツ波の周波数領域の利得を有する。また、テラヘルツ波の周波数領域の利得を有する構造体として、数百から数千層の半導体多層構造を持つ量子カスケード構造（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ）を用いても良い。その場合、半導体層１０２はＱＣＬを含む半導体層となる。
第２の電極１０７は、半導体層１０２に対して第１の電極１０４が配置されている側の反対側に配置されている。第２の電極１０７は、半導体層１０２と電気的に接続されている。本実施形態の第２の電極１０７は、半導体層１０２とオーム性接続されているオーミック電極で、後述の直列抵抗を低減に好適である。以下、第２の電極１０７をオーミック電極１０７と呼ぶことがある。
オーミック電極１０７は、上述の構成に限らず、第１の電極１０４の一部、すなわち第１の電極１０４の半導体層１０２と接触する領域にオーミック電極を用いるような構成であっても良い。第２の電極１０７としては、例えば、Ｍｏ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、ＴｉＷ、ＥｒＡｓなどが好適に用いられる。また、半導体層１０２の第２の電極１０７と接する領域が高濃度に不純物がドーピングされた半導体であれば、より接触抵抗が低くなり、高出力化と高周波化に好適である。また、第２の電極１０７は、ショットキー接続のように半導体層１０２と整流性を示す接続をされた構成であってもよい。以下、本実施形態では、第２の電極１０７がオーミック電極である例について説明する。
誘電体層１０５は、半導体層１０２と第２の電極１０７の周囲に配置されている層であり、半導体層１０２と第２の電極１０７とは、誘電体層１０５によって周囲を埋め込まれている。誘電体層１０５の厚さｔは、少なくとも半導体層１０２より厚く形成される。誘電体層１０５として用いる誘電体は、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１ｋΩ・ｍ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。
第３の電極１０３は、誘電体層１０５を介して第１の電極１０４と対向するように配置されており、領域１０６を経由してオーミック電極１０７と電気的に接続される。
領域１０６は、オーミック電極１０７と第３の電極１０３とを電気的に接続する構造で、導体１３０を含む領域である。一般的には、領域１０６のように上下の層間を電気的に接続する構造は、ビアと呼ばれる。このような構成にすることにより、第１の電極１０４及び第３の電極１０３のそれぞれは、ＲＴＤ１０１に電流を注入するための電極を兼ねることになる。
領域１０６は、誘電体層１０５に形成された孔（ビアホール）１３１に含まれる領域である。具体的には、領域１０６は、導体１３０が充填されている領域、は導体１３０によって誘電体層１０５又は孔１３１の内部に形成された任意の層の表面を被覆している導体１３０を含む領域である。これにより、誘電体層１０５の厚み方向に形成された複数の電極層の層間に電気的な導通を付与するビアが形成される。例えば、本実施形態の領域１０６は、領域１０６内に配置されている導体１３０を介して、オーミック電極１０７と第３の電極１０３との間に電気的な導通を付与する。
導体１３０は、抵抗率が１×１０－６Ω・ｍ以下の材料で、具体的にはＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＡｕＩｎ合金、ＴｉＮ等の金属および金属化合物が好適に用いられる。
本実施形態では、共振器１１４として、代表的なテラヘルツ波の共振器であるパッチアンテナを用いている。共振器１１４は、パッチ導体である第３の電極１０３のＡ－Ａ方向（共振方向）の幅がλ／２共振器となるように設定されている。また、接地導体である第１の電極１０４は接地されている。ここで、λは、共振器１１４で共振するテラヘルツ波の誘電体層１０５における実効波長であり、テラヘルツ波の真空中の波長をλ０、誘電体層１０５の比誘電率をεｒとするとλ＝λ０×εｒ －１／２で表わされる。
共振器１１４は、ＲＴＤ１０１を有するパッチアンテナが集積されたアクティブアンテナである。したがって、素子１００から発振されるテラヘルツ波の周波数ｆＴＨｚは、共振器１１４のリアクタンスと半導体層１０２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、非特許文献１に記載された発振器の等価回路から、ＲＴＤとアンテナのアドミタンス（ＹＲＴＤ及びＹＡＮＴ）を組み合わせた共振回路について、（１）式の振幅条件と（２）式の位相条件とを満たす周波数が発振周波数ｆＴＨｚとして決定される。
Ｒｅ［ＹＲＴＤ］＋Ｒｅ［ＹＡＮＴ］≦０ （１）
Ｉｍ［ＹＲＴＤ］＋Ｉｍ［ＹＡＮＴ］＝０ （２）
ここで、Ｒｅ［ＹＲＴＤ］は、半導体層１０２のアドミタンスであり、負の値を有す。
共振器１１４とバイアス回路１２０とは、線路１０９を経由して接続されている。バイアス回路１２０は、ＲＴＤ１０１にバイアス電圧を供給するための回路である。線路１０９は、共振器１１４内の共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、例えば実効波長λの１／１０以下（λ／１０以下）が好適である。また、線路１０９は、共振器１１４に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に配置することが好ましい。この時、線路１０９は、発振周波数ｆＴＨｚ付近の周波数帯においてＲＴＤ１０１の微分負性抵抗の絶対値よりインピーダンスが高い構成となり、共振器１１４内の発振周波数ｆＴＨｚの電界との干渉が抑制される。
ここで、「共振器に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節」は、共振器に定在する発振周波数ｆＴＨｚ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。具体的には、共振器１１４に定在する発振周波数ｆＴＨｚ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ｆＴＨｚ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ｆＴＨｚ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ｆＴＨｚのテラヘルツ波の最大電界強度の１／ｅ２（ｅは自然対数の底）以下となる位置が好適である。
ＲＴＤ１０１にバイアス電圧を供給するためのバイアス回路１２０は、ＲＴＤ１０１と並列に接続された抵抗１１１、抵抗１１１と並列に接続された容量１１０、電源１１３、配線１１２を含む。配線１１２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として表示した。電源１１３は、ＲＴＤ１０１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、ＲＴＤ１０１の微分負性抵抗領域から選択される。バイアス回路１２０からのバイアス電圧は、線路１０９を介して素子１００に供給される。
バイアス回路１２０の抵抗１１１及び容量１１０は、バイアス回路１２０に起因した比較的低周波な共振周波数（典型的にはＤＣから１００ＧＨｚの周波数帯）の寄生発振を抑制する。抵抗１１１の値は、ＲＴＤ１０１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１１０は、抵抗１１１と同様に、ＲＴＤ１０１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い。一般的には、容量１１０は上述の範囲内で大きい方が好ましく、本実施形態では数十ｐＦ程度としている。容量１１０はデカップリング容量となっており、例えば、パッチアンテナである共振器１１４と基板を共にしたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）構造を利用してもよい。
パッチアンテナ等のマイクロストリップ型の共振器は、誘電体層を厚くすることで導体ロスが低減され放射効率が改善されることが一般的に知られる。一方、ＲＴＤを含む半導体層の構造に起因した直列抵抗Ｒｍが電磁波の損失及びＲＣ遅延等の原因となる。このため、従来のマイクロストリップ型の共振器では、誘電体層と半導体層の厚さにトレードオフがあり放射効率の向上が制限されていた。
本実施形態では、共振器１１４は、第１の電極１０４、ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２、第２の電極１０７、領域１０６に充填されている導体１３０、第３の電極１０３の順に積層された構成を含む。そして、素子１００は、ビアとなる領域１０６の高さｈを調整することで、共振器１１４の誘電体層１０５の厚さｔを変化させて放射効率を調整することが可能な構成となっている。領域１０６の高さｈは、主に誘電体層１０５に形成された孔１３１の高さを変えることで調整できる。この際、素子１００は、抵抗率の低い導体１３０を含む領域１０６を用いることにより、直列抵抗を比較的低く抑えられるので、上述の放射効率に関する誘電体層１０５と半導体層１０２の厚さのトレードオフの課題の制限が緩和される。
図２（ａ）は、後述の実施例に開示した発振周波数０．４５ＴＨｚの素子１００の構成において、半導体層１０２の構造に起因した直列抵抗Ｒｍ、共振器１１４の寄生容量Ｃｍ、放射効率Ｒｅｆｆの構造依存性を解析した例である。解析に用いた素子１００の構成については、後述の実施例で説明する。
図２（ａ）は、素子１００の直列抵抗Ｒｍおよび放射効率Ｒｅｆｆの誘電体厚依存性の解析結果である。具体的には、図２（ａ）は、抵抗率が１０－８Ω・ｍオーダーの導体１３０を含む領域１０６を有する素子１００について、領域１０６の高さｈ及び幅ｄを変更して誘電体層厚を調整する場合の直列抵抗Ｒｍと放射効率Ｒｅｆｆに関する解析結果である。放射効率Ｒｅｆｆについては領域１０６の幅（ｄ）の依存性（ｄ＝５μｍ、１０μｍ、２０μｍ）についても記した。図２（ａ）の実線は直列抵抗Ｒｍを表し、点線は放射効率Ｒｅｆｆを表している。ここで、直列抵抗Ｒｍは、主に半導体層１０２および周辺の各電極１０３、１０４、１０７の構造に起因する抵抗であり、主に表皮深さ及び広がり抵抗（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）などから見積られる。なお、図２（ａ）では、従来例として、抵抗率が１０－６Ω・ｍオーダーの半導体で構成されたメサ状の半導体層の高さと幅を変更して誘電体層厚を調整する場合の直列抵抗Ｒｍも示した。
ここで、テラヘルツ波帯で用いられるＲＴＤ１０１の利得を示す負性抵抗の絶対値は概ね１～１００Ωのオーダーであるため、電磁波の損失はその１％以下に抑える必要がある。したがって、直列抵抗Ｒｍは、目安として少なくとも１Ω以下に抑制する必要がある。また、テラヘルツ波帯で動作するためには、半導体層１０２の幅（≒オーミック電極１０７の幅）は典型値として０．１～５μｍ程度となる。このため、直列抵抗のもう一つの要因であるコンタクト抵抗（Ｒｃ）は、コンタクト抵抗率を１０Ω・μｍ２以下にして０．１～数Ωの範囲に抑制する必要がある。この点からも、直列抵抗Ｒｍは目安として１Ω以下に抑制されるべきである。
図２（ａ）から、従来の発振器では、半導体層１０２を伸縮して誘電体層１０５の厚さｔを調整した場合、誘電体厚が３μｍ以上になると直列抵抗Ｒｍが１Ωを超える。そのため、直列抵抗Ｒｍによる損失や遅延が無視出来なくなり、放射効率を向上することが容易でなかった。一方、本実施形態の領域１０６を有する素子１００であれば、誘電体層１０５の厚さｔの増加に伴う直列抵抗Ｒｍの増加を０．１Ωのオーダーに抑制できる。したがって、共振器１１４の誘電体層１０５の厚さｔを増やして、１０％程度であった放射効率Ｒｅｆｆを約５０％以上にまで改善することが出来る。なお、誘電体層１０５の厚さｔは、厚いほど放射効率は上がるが、厚すぎると多モードの共振が生じることがあるため、半導体層１０２の厚さ以上λ／１０以下の範囲で設計することが好ましい。
ここで、半導体層１０２の高さは誘電体層１０５の厚さｔに比べて十分に薄い。したがって、領域１０６の高さｈは、誘電体層１０５の厚さｔと同様に、λ／１０以下の範囲で設計することが好ましい。また、領域１０６の高さｈの下限としては、第３の電極１０３の厚さ以上であることが好ましく、より好ましくは半導体層１０２の厚さ以上である。
図２（ｂ）は、実施例の素子１００において、誘電体層１０５の厚さｔを１０μｍに固定した場合の、直列抵抗Ｒｍと寄生容量Ｃｍそれぞれの、領域１０６の幅に対する依存性を解析した例である。ここで、直列抵抗Ｒｍを減らすために、半導体層１０２の厚さは１００ｎｍで設計されている。したがって、領域１０６の高さｈは誘電体層１０５の厚さｔと略同じと考えて良い。
図２（ｂ）から、領域１０６の幅ｄの増加により直列抵抗Ｒｍは低減されるが、第一の電極１０４と領域１０６とに挟まれた部分に寄生的に生じる寄生容量Ｃｍ（図１（ｃ）参照）が増加する。寄生容量Ｃｍは、ＲＣ遅延（ＲＣ時定数）の要因となるため素子１００の高出力化と高周波化を阻害する。そのため、ＲＣ遅延は、共振される電磁波の周期よりも短くするようにする必要がある。一般的にテラヘルツ波帯で用いるＲＴＤ１０１の容量Ｃｄは１００ｆＦ前後であるから、寄生容量Ｃｍは少なくともその１割以下に抑制することが求められる。
直列抵抗Ｒｍを低減するためには領域１０６の幅ｄを大きくする必要があるが、領域１０６の幅ｄが大きくなると導体ロスが増加するため放射効率が低下する。したがって、寄生容量Ｃｍ及び放射効率Ｒｅｆｆを考慮して幅ｄを大きくしすぎないようにする必要がある。よって、領域１０６の幅ｄは、共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、典型的には、λ／１０以下が好適である。素子１００は、領域１０６の幅ｄを極端に増やさなくても直列抵抗Ｒｍが抑制できるので、領域１０６の幅ｄによる寄生容量Ｃｍの増加及び放射効率Ｒｅｆｆの減少による直列抵抗Ｒｍの低減効果は小さくてもよい。
また、領域１０６の幅ｄは、直列抵抗を増やさない程度に小さくすることが可能で、目安としては表皮深さの２倍程度まで縮小できる。よって、直列抵抗Ｒｍが１Ωを超えない程度まで幅ｄを小さくすることができ、その範囲内であれば領域１０６の幅ｄを半導体層１０２の幅より小さくすることもできる。この場合、素子１００の構造及び発振周波数により変わるが、放射効率・直列抵抗・寄生容量の点で、領域１０６の幅ｄは典型的には０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲が目安となる。
また、共振器１１４であれば、誘電体層１０５の厚さｔと材料を調整することで共振器１１４の特性インピーダンスを調整することが出来る。マイクロストリップ型の共振器の特性インピーダンスは、誘電体層１０５の厚さｔが厚いほど特性インピーダンスが上がり、薄いほど特性インピーダンスが下がることが知られており、典型的には電磁波の波長よりも十分に薄く設計される。また、誘電体層１０５の材料の誘電率が小さいほど特性インピーダンスが上がり、大きいほど特性インピーダンスが下がることが知られている。本実施形態の共振器１１４は、ＲＴＤ１０１とインピーダンス整合するように、誘電体層１０５の材料や厚さの選択が可能な構成となっている。
なお、これまで、素子１００を主に発振器として用いた例について説明してきた。他の例として、素子１００は、ＲＴＤ１０１の電流電圧特性において電圧変化に伴い電流の非線形性が生じる領域を用いてテラヘルツ波の検出器として動作させることも出来る。
このように、本実施形態によれば、誘電体厚を調整して導体ロスの低減及びインピーダンスマッチングを行うことで放射効率を改善することができる。そのため、ＲＴＤを集積したテラヘルツ波の共振器における電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる半導体素子を提供できる。
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態の素子１００の変形例として、複数の半導体素子について図３及び図４を参照して説明する。なお、本実施形態のそれぞれの半導体素子は、テラヘルツ波を発生する発振器又はテラヘルツ波を検出する検出器として用いることができる。
図３（ａ）～（ｃ）は、それぞれ、素子１００の変形例である半導体素子２００、３００、４００の構成を説明する断面図である。図３（ａ）～（ｃ）のそれぞれは、素子１００のＡ－Ａ断面と対応する断面を示している。ここで、素子１００と同じ構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図３（ａ）に示した半導体素子２００は、第１の電極１０４として、金属層２０４ａおよび不純物を高濃度にドーピングされた半導体層２０４ｂを用いる。その他の構成は上述の実施形態と同様で、半導体層１０２は基板１０８上でエピタキシャル成長して形成される。このような半導体素子２００によれば、電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。また、半導体素子２００は、ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２をエピタキシャル成長された半導体基板を基板１０８として用いることができるので、より実用的な構成となっている。
図３（ｂ）に示した半導体素子３００は、領域１０６として、誘電体層１０５に形成された逆テーパー構造の孔３３１の内部を金属で充填した領域３０６を用いる。このような構成にすることにより、直列抵抗Ｒｍと寄生容量Ｃｍとをより低減できる。この場合、領域３０６の第３の電極１０３側の面の幅ｄ２は、放射効率の点で共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、例えば、λ／１０以下が好適である。また、前述の通り誘電体層１０５の厚さｔはλ／１０以下の範囲で設計されるので、領域３０６の高さｈもそれと同じような範囲で設計される。
領域３０６の幅ｄ２の増加は放射効率の点で問題となるため、領域３０６の高さｈの増加に伴う幅ｄ２の増加を抑制する為、テーパー形状の角度θはθ≧４５°となるように設計すると良い。ここで、テーパー角θは、領域３０６の第２の電極側（第２の電極１０７側）の面の幅をｄ１とすると、ｔａｎθ＝２ｈ／（ｄ２－ｄ１）で定義される。なお、θ≧６０°であれば領域３０６のアスペクトがより高くなる。そのため、誘電体層１０５を厚くしても、領域３０６の幅の増加が抑えられるため、より好ましい構成となる。また、領域３０６のアスペクトの点から、領域３０６の第３の電極１０３側の面の幅ｄ２は、領域３０６のオーミック電極１０７側の面の幅ｄ１の少なくとも２０倍以下が好適であり、より好ましくは１０倍以下に設定される。
また、領域３０６の形状は、幅ｄ２の方が幅ｄ１より狭いテーパー形状であってもよく、前述の寄生容量Ｃｍや導体ロスの観点からテーパー角θは１３５°程度まで許容される。しかし、領域３０６の幅が小さいと抵抗が高くなるため、テーパー角θは９０°以上、すなわち幅ｄ２が幅ｄ１以上であることが望ましい。なお、領域３０６の形状に関わらず、領域３０６の最も幅が大きい部分において、領域３０６の幅が上述のλ／１０以下となるようにすればよい。
このような半導体素子３００によれば、電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。
図３（ｃ）には、半導体素子４００の構成を示す。半導体素子４００は、領域１０６として、角度θでテーパー加工された孔４３１の表面を導体１３０の薄膜で被覆した中空の電極構造を用いた領域４０６を有する半導体素子である。このように、領域４０６は、誘電体層１０５に形成された孔４３１の表面が導体１３０で被覆されていれば形成することが可能で、領域４０６内に導体１３０が完全に充填されておらず一部空洞を有している構成であっても良い。この場合、直列抵抗の観点から、導体１３０の厚さは表皮深さの２倍以上が好ましい。このような構成は、金属の埋め込み工程が不要なため、歩留まりがよく、製造コストも低減できる。
このような構成であっても、領域４０６の最も幅が大きい部分において、領域４０６の幅が上述のλ／１０以下となるようにすればよい。領域４０６は、上述の半導体素子３００と同様の範囲でテーパー角などを決定すればよい。
このような半導体素子４００によれば、電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。
図４（ａ）～（ｃ）は、それぞれ素子１００の別の変形例である半導体素子５００、６００、７００の構成を説明する断面図である。図４（ａ）～（ｃ）のそれぞれは、素子１００のＡ－Ａ断面と対応する断面を示している。ここで、素子１００と同じ構成については、図面に同様の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図４（ａ）は、素子１００の変形例の１つである半導体素子５００の構成を説明する図である。半導体素子５００は、第３の電極５０３、孔５３１に充填された導体１３０を含む領域５０６、第１のオーミック電極５０７ｂ、ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２、第２のオーミック電極５０７ａ、第１の電極５０４の順に積層された構成の共振器を含む。
素子１００では、第１の電極１０４の方が第３の電極１０３より基板１０８側に配置されており、領域１０６は半導体層１０２の基板１０８と反対側に設けられていた。それに対し、半導体素子５００では、第３の電極５０３の方が第１の電極５０４より基板１０８側に配置されており、領域５０６が半導体層１０２の基板１０８側に設けられている。なお、領域５０６は領域１０６と同様の構成で、オーミック電極５０７ａ、５０７ｂはオーミック電極１０７と同様のものを用いることができる。
このような半導体素子５００によれば、電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。なお、領域５０６と半導体層１０２との間に、さらに第１のオーミック電極５０７ｂを配置すれば、直列抵抗がより低減されるので好適である。
図４（ｂ）は、素子１００の変形例の１つである半導体素子６００の構成を説明する図である。半導体素子６００は、基板１０８上に、第１の電極１０４、領域６０６ｂ、オーミック電極６０７ｂ、半導体層１０２、オーミック電極６０７ａ、孔６３１ａに充填されている導体１３０を含む領域６０６ａ、第３の電極１０３の順に積層されている。領域６０６ｂは、孔６３１ｂに充填されている導体１３０を含む。領域６０６ａ、６０６ｂ、半導体層１０２及びオーミック電極６０７ａ、６０７ｂそれぞれの構成は、素子１００と同様のものを用いることができる。また、領域６０６ｂの大きさや形状は、上述の幅ｄ１をオーミック電極６０７ｂ側の領域６０６ｂの幅ｄ３、幅ｄ２を第１の電極１０４側の領域６０６ｂの幅ｄ４として、上述の関係を満たす構成とすることが望ましい。このような半導体素子６００によれば、電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。
図４（ｃ）は、素子１００の変形例の１つである半導体素子７００の構成を説明する図である。半導体素子７００は、半導体素子２００における半導体層１０２およびオーミック電極１０７を窒化シリコンなどの絶縁層７１５で被覆している。また、領域１０６とオーミック電極１０７とが、半導体層１０２の幅より細い１μｍ以下のコンタクトホール７１６を介して接続されている。このような半導体素子７００によれば、電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。
このように、本実施形態に記載の半導体素子によれば、誘電体厚を調整して導体ロス低減やインピーダンスマッチングを行うことができる。そのため、ＲＴＤを集積したテラヘルツ波の共振器を有する発振器における電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。
（実施例１）
本実施例に係るテラヘルツ波を発振する素子１００の構成について、図１を用いて説明する。素子１００は、発振周波数ｆＴＨｚ＝０．４５ＴＨｚを発振させる素子である。本実施例で用いたＲＴＤ１０１は、例えば、ＩｎＰ基板１０８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）の半導体多層構造を含む。このうち、ＩｎＧａＡｓは井戸層で、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層としておく。
この様な多重量子井戸構造は、電子濃度が２×１０１８ｃｍ－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／ｃｍ２であり、約０．７Ｖから約０．９Ｖまでが微分負性抵抗領域となる。ＲＴＤ１０１が約２μｍΦのメサ構造の場合、ピーク電流１０ｍＡ、微分負性抵抗－２０Ωが得られる。
共振器１１４は、パッチ導体である第３の電極１０３、接地導体である第１の電極１０４及び誘電体層１０５と、ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２とを有する。共振器１１４は、第３の電極１０３の一辺が２００μｍの正方形のパッチアンテナを含む。第３の電極１０３と第１の電極１０４との間には、誘電体層１０５として３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ＝２．４）が配置されている。
第１の電極１０４は、電子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以上のｎ＋－ＩｎＧａＡｓ層（２００ｎｍ）とＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０／２０／１００ｎｍ）を用いる。共振器１１４は、第１の電極１０４、直径２μｍのＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２、Ｍｏ／Ａｕ（＝５０／２００ｎｍ）を含むオーミック電極１０７、Ｃｕを含む導体１３０、Ｔｉ／Ａｕ（＝５／１００ｎｍ）を含む第３の電極１０３の順に接続されている。ＲＴＤ１０１は、パッチ導体である第３の電極１０３の重心から共振方向に８０μｍシフトした位置に配置されている。
パッチアンテナの単独の共振周波数は、約０．４８ＴＨｚであるが、ＲＴＤ１０１のリアクタンスを考慮すると、素子１００の発振周波数（共振周波数）ｆＴＨｚは約０．４５ＴＨｚとなる。ここで、領域１０６の幅ｄは１０μｍ、高さｈは１０μｍとし、半導体層１０２の高さは０．１μｍとした。本実施例における直列抵抗Ｒｍは約０．２Ωである。
第３の電極１０３は、線路１０９を介して、バイアス回路１２０と、接続される。第３の電極１０３は、発振周波数ｆＴＨｚ（＝０．４５ＴＨｚ）で共振器１１４に定在する高周波電界の節で線路１０９と接続されており、線路１０９と発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の共振電界との干渉を抑制している。容量１１０はＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）容量であり、容量の大きさは、本実施例では１００ｐＦとした。容量１１０には、ワイヤーボンディングを含む配線１１２が接続され、電源１１３によりＲＴＤ１０１のバイアス電圧が調整される。
本実施例による素子１００は、以下の工程で作製できる。まず、ＩｎＰ基板１０８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、半導体層１０２となる以下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ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２をエピタキシャル成長する。ＩｎＰ基板１０８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。
次に、ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２の上にオーミック電極１０７となるＭｏ／Ａｕ（＝５０／２００ｎｍ）をスパッタリング法により成膜する。次に、オーミック電極１０７およびＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２を直径２μｍの円形のメサ形状に成形する。ここで、メサ形状の形成にはＥＢ（電子線）リソグラフィ又はフォトリソグラフィと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。続いて、エッチングされた面に、リフトオフ法により第１の電極１０４を形成する。さらに、スピンコート法とドライエッチング法を用いて誘電体層１０５となるＢＣＢによる埋め込み及び平坦化をおこなう。
次に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより領域１０６を形成する部分のＢＣＢを除去して、孔１３１を形成する。その後、オーミック電極１０７の一部を露出する。この際、グレースケール露光を含むフォトリソグラフィを用いれば、誘電体層１０５に形成する孔１３１のテーパー角度を任意に制御することも出来る。したがって、領域１０６のテーパー角度を任意に制御することができる。続いて、スパッタリング法、電気めっき法、化学的機械研磨法を用いてオーミック電極１０７と接するように導体１３０としてのＣｕで孔（ビアホール）１３１を埋め込み、平坦化することにより領域１０６を形成する。続いて、リフトオフ法によりＴｉ／Ａｕの第３の電極１０３を形成する。
最後に、抵抗１１１となるシャント抵抗やワイヤーボンディングなどで配線１１２及び電源１１３と接続することで素子１００は完成する。素子１００への電力の供給はバイアス回路１２０から行われ、通常は微分負性抵抗領域とな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。
本実施例の半導体素子によれば、ＲＴＤを集積したテラヘルツ波の共振器を有する発振器における電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。
（実施例２）
本実施例では、半導体素子８００（以下、「素子８００」と呼ぶ）について、図５、図６を参照して説明する。素子８００は、テラヘルツ波を発振する発振器である。図５は、素子８００の構成を説明する図である。図６（ａ）は図５におけるＶＩＡ－ＶＩＡ断面図、図６（ｂ）は図５におけるＶＩＢ－ＶＩＢ断面図、図６（ｃ）は図５のＶＩＣ－ＶＩＣ断面図について説明する図である。
素子８００は、第一の実施形態及び第二の実施形態で説明した各半導体素子を、２０ＧＨｚで高速変調するための構造を有する。
素子８００は、共振器８１４と、導体８０９と、シャント抵抗８１１と、絶縁体８１５と、変換部８１７と、コプレーナ線路８１８と、導体８１９と、基板８２０と、を有する
素子８００は、発振周波数ｆＴＨｚ＝０．４５ＴＨｚを発振させる素子である。共振器８１４は、パッチ導体である第３の電極８０３（以下、「パッチ導体８０３」と呼ぶ）、接地導体である第１の電極８０４ａ（以下、「接地導体８０４ａ」と呼ぶ）及び誘電体層８０５と、ＲＴＤ８０１を含む半導体層８０２とを有する。共振器８１４は、一辺が２００μｍの正方形のパッチ導体８０３と接地導体８０４ａとの間に、約１０μｍ厚のＢＣＢからなる誘電体層８０５が挟まれたパッチアンテナの構造を有する。以降の説明では、共振器８１４を、パッチアンテナ８１４と呼ぶ。
パッチアンテナ８１４は、半導体層８０４ｂ、ＲＴＤ８０１、Ｍｏ／Ａｕ（＝５０／２００ｎｍ）を含むオーミック電極８０７、Ｃｕを含む導体８３０、Ｔｉ／Ａｕ（＝５／２００ｎｍ）を含むパッチ導体８０３の順に接続されている。また、パッチアンテナ８１４は、半導体層８０４ｂ上に、接地導体８０４ａが配置されている。半導体層８０２は、直径２μｍのＲＴＤ８０１を含む。接地導体８０４ａは、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０／２０／２００ｎｍ）からなり、電子濃度が２×１０１８ｃｍ－３以上のｎ＋－ＩｎＧａＡｓ層（２００ｎｍ）からなる半導体層８０４ｂと接続される。
本実施例のＲＴＤ８０１は、実施例１で説明したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の３重障壁ＲＴＤを用いており、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを半絶縁性のリン化インジウム（比誘電率～１２）からなる基板８２０上にエピタキシャル成長した半導体層である。ＲＴＤ１０１は、パッチ導体８０３の重心から共振方向に８０μｍシフトした位置に配置されている。
本実施例の素子８００は、導体８３０が埋め込まれた幅１０μｍ、高さ１０μｍの領域８０６を有する。領域８０６は、オーミック電極８０７とパッチ導体８０３とを電気的に接続する構造である。半導体層８０２の高さは約０．１μｍとした。
パッチ導体８０３は、Ｔｉ／Ａｕ（＝５／２００ｎｍ）を含む第５の導体であるプラグ８１６と導体８０９とを介して、変換部８１７、コプレーナ線路８１８と接続される。本実施例では、プラグ８１６は幅６ｕｍ高さ１０ｕｍであり、導体８０９は幅６ｕｍ長さ１５０ｕｍとする。
導体８０９、接地導体８０４ａ、半導体層８０４ｂ及び絶縁体８１５で構成されるマイクロストリップ線路は、数ＧＨｚ以上１００ＧＨｚ未満の範囲で損失性の線路であり、導体８０９のインダクタンスに起因する寄生発振を抑制する構造となっている。このようなマイクロストリップラインにおける絶縁体８１５は、１００ｎｍ厚の窒化シリコン層を用いた。２０ＧＨｚの高周波伝送のため、パッチアンテナ８１４とマイクロストリップラインの容量は０．３ｐＦ以下となるように設計される。
導体８０９は、シャント抵抗８１１を介して、接地導体８０４ａと接続される。シャント抵抗８１１は、典型的な構造が幅５ｕｍ、長さ５ｕｍ、厚さ０．３ｕｍの２×１０１８ｃｍ－３以上のｎ＋－ＩｎＧａＡｓ層を含む半導体層８０４ｂと、導体８０９と半導体層８０４ｂとの接触抵抗から構成され、５～１０ｏｈｍとなるように設計される。シャント抵抗８１１と導体８１９は、絶縁体８１５で絶縁されている。
コプレーナ線路８１８は、信号線である導体８１９（Ｔｉ／Ａｕ＝５／２００ｎｍ）と、グランド線である導体８０４ｃ及び８０４ｄ（Ｔｉ／Ａｕ＝５／２００ｎｍ）と、基板８２０とを有する。コプレーナ線路８１８は、基板８２０の厚さｔＳを０．５ｍｍとすると、ギャップ幅ｗが１０ｕｍ、導体８１９の幅ｓが５０ｕｍであり、変調する搬送波の周波数２０ＧＨｚに対して５０Ωとなるように設計されている。
変換部８１７は、導体８０９、接地導体８０４ａ、半導体層８０４ｂ及び絶縁体８１５を有するマイクロストリップ線路とコプレーナ線路８１８とを５０Ωのインピーダンスで変換する変換器である。コプレーナ線路８１８の後段には、ワイヤーボンディングを含む配線と高周波電源（いずれも不図示）が接続されており、ＲＴＤ８０１へ、２０ＧＨｚで変調されたバイアス電圧の搬送波が伝送される。
本実施例の半導体素子によれば、ＲＴＤを集積したテラヘルツ波の共振器を有する発振器における電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振又は検出できる。
また、本実施例の半導体素子は、パッチアンテナ８１４から、ベースバンド０．４５ＴＨｚにおいて２０ＧＨｚの搬送波を送信することが可能となる。また、ＲＴＤ８０１の非線形光応答性を利用して、本実施例の構成をテラヘルツ波の検出器として用いることも出来る。この場合、素子８００は、０．４５ＴＨｚにおいて２０ＧＨｚの搬送波を受信可能な検出素子として動作する。
本実施例の半導体素子によれば、導体８３０を含む領域８０６有している。このような構成であれば、パッチアンテナ８１４の誘電体を厚くすることができるので、ギガヘルツ帯（ＧＨｚ帯）の搬送波の遅延に対するパッチアンテナ８１４の容量の影響を低減することができる。このため、本実施例の素子８００によれば、ＲＴＤ８０１のような負性抵抗素子を集積したパッチアンテナ８１４の送受信機を高速大容量通信に用いる場合に、好適に利用することが出来る。
以上、本発明の好ましい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、ＲＴＤの構成は、上述の各実施形態及び実施例に記載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重障壁構造を有する２重量子井戸構造を有するＲＴＤや、４重以上の多重障壁構造を有する多重量子井戸を有するＲＴＤを用いてもよい。
また、ＲＴＤの材料としては、以下の組み合わせのそれぞれを用いてもよい。
・ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／及びＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
・ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ
・ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ及びＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ
・Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅ
上述の構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すればよい。
また、上述の実施形態及び実施例では、キャリアが電子である場合を想定して説明しているが、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よい。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）、リエチレンテレフタラートなどの樹脂を用いることができる。
さらに、上述の実施形態及び実施例では、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。
半導体素子に集積する微分負性抵抗素子の数は、１つに限るものではなく、微分負性抵抗素子を複数有する共振器としてもよい。線路の数も１つに限定されず、複数の線路を設ける構成でもよい。
上述の実施形態と実施例で記載した半導体素子は、各構成を組み合わせることも可能である。たとえば、半導体素子５００の半導体層１０２及びオーミック電極５０７ａ、５０７ｂを、図４（ｃ）の絶縁層７１５で被膜してもよい。また、半導体素子６００の領域６０６ａ、６０６ｂの形状を第二の実施形態のようにテーパー構造にしたり等の組み合わせが考えられるが、これらに限らず、適宜組み合わせることができる。
また、上述の実施形態及び実施例では、誘電体層１０５に形成された孔（ビアホール）に導体を充填又は孔の表面を導体で被覆していたが、孔の表面に導体と異なる材料で被覆層を設けてもよい。例えば、実施例の素子１００を例にとると、孔１３１の表面に導体１３０と異なる材料で被覆層を形成する。被覆層を配置した後に形成されている孔に導体１３０を充填する、又は、被覆層を配置した後に形成されている孔の表面を導体１３０で被覆することにより、領域１０６が形成できる。
上述の実施形態及び実施例に記載の半導体素子を用いて、テラヘルツ波の発振及び検出を行うこともできる。
１０２ 半導体層
１０３ 第３の電極
１０４ 第１の電極
１０５ 誘電体層
１０６ 領域
１０７ 第２の電極
１３０ 導体

Claims (20)

  1. テラヘルツ波を発生又は検出する半導体素子であって、
    共鳴トンネルダイオードを有する半導体層と、
    前記半導体層と接続されている第１の電極と、
    前記半導体層に対して前記第１の電極が配置されている側の反対側に配置されており、前記半導体層と電気的に接続されている第２の電極と、
    前記第２の電極と電気的に接続されている第３の電極と、
    前記半導体層及び前記第２の電極の周囲で且つ前記第１の電極と前記第３の電極との間に配置されており、前記半導体層の厚さより厚い誘電体層と、を備え、
    前記誘電体層は、前記第２の電極と前記第３の電極とを電気的に接続する導体を含む領域を有し、
    前記領域は、前記導体が充填されている領域であり、
    前記テラヘルツ波の共振方向である第１の方向において、前記領域の幅は前記第３の電極の幅よりも小さく、
    前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記領域の幅は前記第３の電極の幅よりも小さく、
    前記第１の方向および前記第２の方向において、前記領域の幅は前記第２の電極の幅よりも大きい
    ことを特徴とする半導体素子。
  2. テラヘルツ波を発生又は検出する半導体素子であって、
    共鳴トンネルダイオードを有する半導体層と、
    前記半導体層と接続されている第１の電極と、
    前記半導体層に対して前記第１の電極が配置されている側の反対側に配置されており、前記半導体層と電気的に接続されている第２の電極と、
    前記第２の電極と電気的に接続されている第３の電極と、
    前記半導体層及び前記第２の電極の周囲で且つ前記第１の電極と前記第３の電極との間に配置されており、前記半導体層の厚さより厚い誘電体層と、を備え、
    前記誘電体層は、前記第２の電極と前記第３の電極とを電気的に接続する導体を含む領域を有し、
    前記テラヘルツ波の共振方向である第１の方向において、前記領域の幅は前記第３の電極の幅よりも小さく、
    前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記領域の幅は前記第３の電極の幅よりも小さく、
    前記第１の方向および前記第２の方向において、前記領域の幅は前記第２の電極の幅よりも大きく、
    前記領域は、以下の式を満たす
    ことを特徴とする半導体素子。
    ｔａｎθ＝２ｈ／（ｄ２－ｄ１ ）
    ４５°＜θ＜１３５°
    ｄ１：前記領域の前記第２の電極側の面の幅
    ｄ２：前記領域の前記第３の電極側の面の幅
    ｈ：前記領域の厚さ
  3. 前記半導体層と、前記第１の電極と、前記第３の電極と、前記第２の電極と、前記誘電体層と、は、共振器を形成しており、
    前記領域の最も長い幅は、前記共振器で共振するテラヘルツ波の前記誘電体層における実効波長λの１／１０以下である
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子。
  4. 前記導体は、抵抗率が１×１０－６Ω・ｍ以下の材料を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体素子。
  5. 前記導体は、抵抗率が１×１０－６Ω・ｍ以下の金属を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体素子。
  6. 前記領域の前記第３の電極側の面の幅ｄ２が、前記領域の前記第２の電極側の面の幅ｄ１の２０倍以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体素子。
  7. 前記領域の前記第３の電極側の面の幅ｄ２が、前記領域の前記第２の電極側の面の幅ｄ１の１０倍以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体素子。
  8. 前記領域の前記第３の電極側の面の幅ｄ２は、前記領域の前記第２の電極側の面の幅ｄ１以上である
    ことを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体素子。
  9. 前記領域の厚さは、前記第３の電極の厚さより厚く、且つ共振するテラヘルツ波の前記誘電体層における実効波長λの１／１０以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体素子。
  10. 前記領域の厚さは、前記半導体層の厚さより厚い
    ことを特徴とする請求項９のいずれか一項に記載の半導体素子。
  11. 前記誘電体層の厚さｈは、前記半導体層の厚さより厚く、共振するテラヘルツ波の前記誘電体層における実効波長λの１／１０以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体素子。
  12. 前記半導体層と前記第２の電極とは、オーム性接続されている
    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半導体素子。
  13. 前記半導体層に対して前記第１の電極が配置されている側に配置されており、前記半導体層と電気的に接続されている第４の電極を有し、
    前記誘電体層は、前記第１の電極と前記第４の電極と電気的に接続する前記導体と異なる導体を含む第２の領域を有する
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の半導体素子。
  14. 前記第２の領域は、以下の式を満たす
    ことを特徴とする請求項１３に記載の半導体素子。
    ｔａｎθ＝２ｈ／（ｄ４－ｄ３ ）
    ４５°＜θ＜１３５°
    ｄ３：前記第２の領域の前記第４の電極側の面の幅
    ｄ４：前記第２の領域の前記第１の電極側の面の幅
    ｈ：前記第２の領域の厚さ
  15. 前記半導体層と前記第４の電極とは、オーム性接続されている
    ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の半導体素子。
  16. 前記半導体層は、共鳴トンネルダイオードを含む
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の半導体素子。
  17. 前記半導体層と、前記第１の電極と、前記第３の電極と、前記第２の電極と、前記誘電体層と、は、共振器を形成しており、
    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乃至１６のいずれか一項に記載の半導体素子。
  18. 前記半導体層にバイアス電圧を供給する電源と、
    前記共振器と前記電源とを接続するバイアス回路と、を有し、
    前記バイアス回路は、ストリップ線路と、前記ストリップ線路と前記共振器とを接続するためのプラグと、前記ストリップ線路と接続しており前記半導体層と並列に接続しているデカップリング容量及びシャント抵抗と、前記電源と接続しているコプレーナ線路と、前記ストリップ線路のインピーダンスと前記コプレーナ線路のインピーダンスとを変換する変換器と、を備える
    ことを特徴とする請求項１７に記載の半導体素子。
  19. 前記プラグは、前記共振器に定在するテラヘルツ波の電界の節に配置されている
    ことを特徴とする請求項１８に記載の半導体素子。
  20. 前記電界の節は、前記共振器に定在するテラヘルツ波の周波数における電界強度が、前記共振器に定在するテラヘルツ波の最大電界強度の１／ｅ２（ｅは自然対数の底）以下となる位置である
    ことを特徴とする請求項１９に記載の半導体素子。
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