JP7088549B2 - 高出力テラヘルツ発振器 - Google Patents
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Description
特許法第３０条第２項適用 刊行物名：ＰＩＥＲＳ ２０１８ Ｔｏｙａｍａ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（提出物件目録の物件▲１▼に対応） 発行日：２０１８年８月１日 発行所：Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＰＩＥＲＳ ２０１８ Ｔｏｙａｍａ） 集会名：Ｐｒｏｇｒｅｓｓ Ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（ＰＩＥＲＳ ２０１８ Ｔｏｙａｍａ）（提出物件目録の物件▲２▼に対応） 開催日：２０１８年８月３日 開催場所：富山国際会議場 刊行物名：２０１８年第７９回応用物理学会秋季学術講演会予稿（提出物件目録の物件▲３▼に対応） 発行日：２０１８年９月５日 発行者：公益社団法人応用物理学会 集会名：２０１８年第７９回応用物理学会秋季学術講演会（提出物件目録の物件▲４▼に対応） 開催日：２０１８年９月２０日 開催場所：名古屋国際会議場
本発明は、電波と光波の中間に位置するテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数帯（約０．１ＴＨｚ～１０ＴＨｚ）の周波数を発振すると共に、発振周波数を室温で安定的に高出力することが可能なテラヘルツ発振器に関し、特に半導体ナノ構造による共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ(Resonant Tunneling Diode)）素子に、２つの空洞を有する空洞共振器と、２枚の導体片で成るボウタイアンテナとを集積した高出力可能なテラヘルツ発振器に関するものである。
電波と光波の中間に位置するテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数帯（約０．１ＴＨｚ～１０ＴＨｚ）は未開発の周波数帯であるが、実用化されればイメージングや高速通信など様々な応用が期待されている。そのためには、小型のテラヘルツ発振器の開発が必要不可欠となる。その１つとして、半導体ナノ構造による共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）素子を用いたテラヘルツ発振器が研究されてきた。このテラヘルツ発振器は、現在、単体でも室温で１～２ＴＨｚの周波数を発振できる唯一の電子デバイスである。しかしながら、このテラヘルツ発振器は出力が１０μＷ程度と非常に小さいことが問題となっており、そのため応用が狭い範囲に制限されている。
図１は従来のテラヘルツ発振器を示しており、約１ｍｍ四方のＩｎＰ基板３の上部に下部電極４が層設され、下部電極４のほぼ中央部に長形状（１０～２０μｍ）の凹部で成るスロットアンテナ２が配設されている。また、ＩｎＰ基板３上には上部電極５及び安定化抵抗６が配設され、上部電極５の先端部にＭＩＭ（Metal Insulator Metal）キャパシタ７を経て、図３に示すような負性のＶ（電圧）－Ｉ（電流）特性を有する共鳴トンネルダイード（ＲＴＤ）１が配設されている。安定化抵抗６は下部電極４及び上部電極５の間に発振動作安定化のために接続され、安定化抵抗６は例えばInGaAsシートで構成されている。共鳴トンネルダイード１はＤＣバイアスでバイアス電圧を印加すると、井戸内の量子準位を介して電子がトンネルし、トンネル電流が流れ、さらにバイアス電圧を印加していくと、井戸内の量子準位がエミッタの伝導帯の底よりも下になったところで、電子がトンネルすることが出来なくなって電流が減少するため、図３に示すようなＶ－Ｉ特性となる。電流の減少する微分負性抵抗特性“－ＧＲＴＤ”を用いることによって、電磁波を発振・増幅させることが出来る。また、共鳴トンネルダイオード１は微分負性抵抗“－ＧＲＴＤ”と並列に寄生容量ＣＲＴＤを持っており、図２に示すように、電界の定在波に対して垂直方向に放射される。出力はスロットアンテナ２の放射抵抗により決まる。スロットアンテナ２はＬＣの共振回路と放射損失Ｇａｎｔで表されるため、この発振器の等価回路は図４に示す等価回路となる。発振開始条件は、下記数１に示すように微分負性抵抗特性の正値ＧＲＴＤが放射損失Ｇａｎｔ以上になったときであり、また、下記数２で示される周波数ｆＯＳＣで発振する。
スロットアンテナ２のインダクタンスが大きいために、発振周波数ｆＯＳＣをテラヘルツ帯まで高くするには、ＲＴＤ１のキャパシタンスを小さくする必要があり、そのためにはＲＴＤ１のメサ面積（上表面の面積）を小さくする必要があった。このため、ＲＴＤ１を流れる電流が減少し、周波数が高いほど出力が減少してしまうというトレードオフの問題がある。スロットアンテナ２をできるだけ短くして、インダクタンスを小さくすれば発振周波数は高くなるが、この場合はスロットアンテナ２の放射抵抗が大きくなり、これによって、やはり出力が低下してしまうというトレードオフの問題が生じる。
M. Asada, S. Suzuki, and N. Kishimoto, "Resonant tunneling diodes for sub-terahertz and terahertz oscillators", Japanese Journal of Applied Physics, vol. 47, no. 6, pp. 4375-4384, 2008.
M. Asada and S. Suzuki,, "Room-temperature oscillation of resonant tunneling diodes close to ２THz and their functions for various applications", Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, vol. 37, pp. 1185-1198, 2016.
また、特開２００６－２１０５８５号公報（特許文献２）に示されるように、超電導層と絶縁層との固有ジョセフソン接合を用いたテラヘルツ発振器が提案されており、この超伝導素子を用いた発振器では周波数の可変が可能である。しかしながら、特許文献２のテラヘルツ発振器では極低温でのみ動作が限定されると共に、超電導層を極低温で保持し、管理しなければならない問題があり、室温においても高出力が可能なテラヘルツ発振器の出現が望まれている。
更に、ＷＯ２０１５／１７０４２５（特許文献３）ではＲＴＤにバラクタダイオードを並設し、別々にＤＣ電圧を印加して発振させる構造のテラヘルツ発振器を提案している。このテラヘルツ発振器によれば、常温で連続的にテラヘルツ周波数を可変できるが、出力は０．３～１０μＷ程度と小さく、高出力が可能なテラヘルツ発振器の出現が望まれている。
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、小型であり、室温においてもテラヘルツ周波数帯での発振が安定的に可能な高出力テラヘルツ発振器を提供することにある。
本発明は高出力テラヘルツ発振器に関し、本発明の上記目的は、第１の導体片及び第２の導体片で成るボウタイアンテナが基板上に配置され、前記ボウタイアンテナの共振部に２つの空洞を有する空洞共振器が配設され、前記空洞を区画する壁部材の底部に沿って長形状の共鳴トンネルダイオードが配設された構造であり、前記ボウタイアンテナの前記第１の導体片と前記空洞共振器とが一体的に構成されており、前記ボウタイアンテナの前記第２の導体片と、前記第１の導体片に連接された前記空洞共振器の側面若しくは上面との間にバイアスをかけることにより、前記共鳴トンネルダイオード、前記ボウタイアンテナ及び前記空洞共振器によりテラヘルツ周波数帯で発振することにより達成される。
また本発明の上記目的は、前記共鳴トンネルダイオードの底面が前記第２の導体片の上面に接していることにより、或いは前記ボウタイアンテナの前記第１の導体片及び前記第２の導体片、前記空洞共振器が良導体であり、前記基板が半絶縁性であることにより、或いは前記ボウタイアンテナの前記第１の導体片及び前記第２の導体片の間、前記空洞共振器の底部と前記第２の導体片との間に絶縁体薄膜が配設されていることにより、或いは前記ボウタイアンテナの前記第２の導体片に凹部が形成され、前記空洞共振器から延びた導体橋が前記凹部内の前記基板の上面に接続されると共に、前記導体橋と前記第２の導体片の側面との間に安定化抵抗が接続されていることにより、より効果的に達成される。
従来のスロットアンテナ集積型ＲＴＤ発振器では、発振周波数１ＴＨｚ前後において、出力が10μＷ程度であったのが、本発明による高出力テラヘルツ発振器によれば、発振周波数１ＴＨｚ前後において７ｍＷ程度となり、約７００倍の出力の改善が得られた。しかも、室温において、安定して発振する。
本発明は、半導体ナノ構造による共鳴トンネルダイオード素子（以下、単に「ＲＴＤ」とする）を用いたテラヘルツ発振器において、従来のスロットアンテナ集積型ＲＴＤ発振器の小出力の原因を究明し、小出力の原因を解決する手法として、２つの長形状の空洞を有する空洞共振器と、２枚の導体片で成るボウタイアンテナ（ボウタイ角θ）とをＲＴＤに集積した小型（１ｍｍ四方程度、高さ数μｍ程度）で、新規な構造のテラヘルツ発振器を提案する。即ち、従来のスロットアンテナに代えて、発振周波数を決定するボウタイアンテナの共振部に、断面矩形若しくは台形の長形状の２つの空洞を有する空洞共振器を配置する。空洞共振器の２つの空洞は、天井から垂下する壁部材で区画されている。また、発振器出力の放射は、空洞共振器と空間的に分離されたボウタイアンテナで行う構造としており、空洞共振器の壁部材の底面部とボウタイアンテナの導体片との間に、断面が矩形で長形状のＲＴＤが配置され、ＲＴＤは空洞共振器に連なる上部電極と、ボウタイアンテナの導体片に連なる下部電極とでバイアスされる。つまり、ＲＴＤの上部電極が壁部材の底面部となり、ボウタイアンテナの上面がＲＴＤの下部電極となる。また、ボウタイアンテナの一方（一方の導体片）と、これに対向する他方の導体片に連なる空洞共振器の一部（側面若しくは上面）と、が給電部となっている。
空洞共振器は天井、壁部材を含めて全て金（Ａｕ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），プラチナ（Ｐｔ）などの良導体で成っており、ボウタイアンテナ（２枚の導体片）も金（Ａｕ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），プラチナ（Ｐｔ）などの良導体で成っている。
空洞共振器は高周波電流の流れる面を広くすることができるので、インダクタンスをスロットアンテナに比べて大幅に低減することができ、ＲＴＤのキャパシタンスを小さくすることなく、発振周波数を高くすることができる。また、ＲＴＤのメサ面積を大きくすることにより、微分負性抵抗を大きくすることができるので、高出力化が可能になる。
このような本発明の発振器構造により、室温のテラヘルツ周波数帯の１ＴＨｚにおいて、従来構造のものと比較して、２桁以上も大きな出力（２～７ｍＷ）が得られることをシミュレーションで確認した。
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図５は、本発明に係る高出力テラヘルツ発振器１０の外観斜視図であり、ＩｎＰで成る半絶縁性(Semi-Insulating:SI)の基板１１（１ｍｍ四方程度、高さ数μｍ程度）の上面に、金（Ａｕ）等の良導体で成り、ボウタイ角θの導体片２１及び２２で構成されるボウタイアンテナ２０が配設される。ボウタイアンテナ２０の導体片２１及び２２は線対称形であり、全体的に矩形状であり、対向する共振部に、両側に向かってそれぞれ傾斜が付けられており、導体片２１及び２２両者の傾斜角でボウタイ角θを形成している。また、導体片２１及び２２は金（Ａｕ）等の良導体で成っている。
ボウタイアンテナ２０の２枚の導体片２１及び２２が対向する共振部には、ＲＴＤ４０と空洞共振器３０とが配設されており、その詳細な斜視図は図６に示され、図６のＹ－Ｙ’断面は図７に、Ｚ－Ｚ’断面は図８に、Ｘ－Ｘ’断面は図９（Ａ）にそれぞれ示されている。空洞共振器３０も金（Ａｕ）等の良導体で成っている。なお、図７及び図８では、ボウタイアンテナ２０の導体片２１と空洞共振器３０とは、ボウタイアンテナ２０の導体片２１と空洞共振器３０とを分かり易く識別できるように別体となっているが、実際には金（Ａｕ）等の良導体の一体構造である。いずれも同じ良導体なので、別体で接触した構造であっても良い。
図５～図８に示すように、ＩｎＰで成る半絶縁性（ＳＩ）の基板１１の上面に、ボウタイアンテナ２０を構成する２枚の導体片２１及び２２がボウタイ角θで配設され、ボウタイアンテナ２０の２枚の導体片２１及び２２の各面上に、断面矩形で長形状の２つの空洞３１及び３２を有する空洞共振器３０が配設されている。ボウタイアンテナ２０の導体片２２の一部がバイアス（ＤＣ電圧）印加のための給電部２２Ａとなり、これに対向する空洞共振器３０の一部（側面若しくは上面）がバイアス（ＤＣ電圧）印加のための給電部３３となる。
図６～図８に示すように、空洞共振器３０の２つの空洞３１及び３２は、天井の中央部から垂下する板状の壁部材３４で区画されており、空洞３１及び３２の前面及び裏面は、本例では図９（Ａ）に示すように両方共に開放（開口）された構造になっている。空洞共振器３０の壁部材３４の底部と、ボウタイアンテナ２０の導体片２２の上面との間には、断面矩形で長形状のＲＴＤ４０が配設されており、ＲＴＤ４０は図９（Ａ）に示すように空洞３１及び３２の前面（開放）から裏面（開放）まで延びている。また、空洞共振器３０の底面と、ボウタイアンテナ２０の導体片２２とは、ＲＴＤ４０と同一の厚さ（２μｍ程度）の絶縁体薄膜１２により分離されている。絶縁体薄膜１２は空洞３１の外側まで延びており、下方に屈曲して導体片２１及び２２を電気的に絶縁している。なお、断面Ｌ字状の絶縁体薄膜１２は、SiO2などの絶縁材である。
図６及び図８に示すように、例えばボウタイアンテナ２０の導体片２２の空洞共振器３０に近い部分には、矩形状の凹部２２Ｂが設けられており、この凹部２２Ｂ内に空洞共振器３０の側面から延びたＬ字状の導体橋３５が設けられている。導体橋３５には、凹部２２Ｂの底部に配置された、例えばInGaAsで成る安定化抵抗５０（抵抗値＝Ｒｓ）が接続され、安定化抵抗５０は導体片２２の対向する側面に接続されている。安定化抵抗５０は、数ギガヘルツの寄生発振を抑圧し、安定なテラヘルツ発振を起こさせるためのものであり、導体橋３５はインダクタンス（Ｌｓ）の機能を有している。この構造では、空洞共振器３０の開口面と安定化抵抗５０は結合して損失を生ずることはなく、このことによる出力の制限もない。
なお、凹部２２Ｂの形状は矩形に限定されるものではなく、楕円や円形であっても良い。
バイアスが印加される給電部の１つ（２２Ａ）はボウタイアンテナ２０の導体片２２に印加され、導体片２２を通じてＲＴＤ４０の下部電極４０ＥＤとなり、他の給電部（３３）は空洞共振器３０の側面若しくは上面に印加され、空洞共振器３０の壁部材３４を通じてＲＴＤ４０の上部電極４０ＥＵとなる。発振回路からの出力は、側面と底面の間の絶縁体薄膜１２を通って、ボウタイアンテナ２０の電極（導体片２１及び２２）間から放射される。絶縁体薄膜１２が十分薄い（２μｍ程度）ので、空洞共振器３０とボウタイアンテナ２０の結合が小さいため、ボウタイアンテナ２０の放射抵抗Ｒａは空洞共振器３０の影響を殆ど受けない。
このような構造によって、空洞共振器３０とＲＴＤ４０で発振回路が構成される。発振周波数は空洞共振器３０のインダクタンスとＲＴＤ４０のキャパシタンスで決まるが、空洞共振器３０のインダクタンスが小さいため、キャパシタンスの大きなメサ面積のＲＴＤを用いることができ、メサ面積の大きなＲＴＤ４０を用いることによって高出力を実現できる。
ＲＴＤ４０の構成例は図１０であり、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、チタン（Ｔｉ）の３層構造（Au/Pd/Ti）で成る２つの上部電極４０ＥＵ及び下部電極４０ＥＤの間にn+-GaInAs(50nm)、n-GaInAs(50nm)、u-GaInAs(5nm)、AlAs(1.5nm)、GaInAs(4.5nm)、AlAs(1.5nm)、u-GaInAs(5nm)、n-GaInAs(50nm)、n+-GaInAs(400nm)が配設された構造である。図７及び図８に示すように、上部電極４０ＥＵは空洞共振器３０の壁部材３４の底部に相当し、下部電極４０ＥＤはボウタイアンテナ２０の導体片２２の上面に相当している。図１０の最下層は、半絶縁性の基板１１（ＳＩ－ＩｎＰ）である。
図１１は本発明のテラヘルツ発振器１０の等価回路を示しており、ボウタイアンテナ２０の放射抵抗Ｒａと空洞共振器３０のインダクタンスＬｒとは独立となり、テラヘルツ発振器の発振周波数と出力のトレードオフの関係を解消することができる。 これにより、空洞共振器３０はインダクタンスＬｒをスロットアンテナに比べて大幅に低減することができ、ＲＴＤ４０のキャパシタンスを小さくすることなく、発振周波数を高くすることができ、従ってメサ面積の大きな大面積ＲＴＤ素子により、高出力化が可能になる。また、ボウタイアンテナ２０の放射抵抗Ｒａは空洞共振器のインダクタンスＬｒとは無関係になる。
実際の構造と材料を、ＲＴＤ４０をＩｎＰ基板１１上のGaInAs/AlAsとし、電極をＡｕ、絶縁体薄膜をSiO2と想定し、ＲＴＤ４０のメサ面積を可変したときの本発明のテラヘルツ発振器１０のシミュレーション特性は図１２であり、本例では空洞共振器３０の横幅Ｗ及び奥行きＬは３２μｍで、高さＨは２μｍとなっている。このシミュレーション結果からも明らかなように、周波数帯域は1.0～2.0ＴＨｚであり、出力パワーは最大８ｍＷ程度が可能となっている。ボウタイアンテナ２０はボウタイ角度θにより放射インピーダンスを変化させることができ、ＲＴＤ４０とのマッチングにより出力最大化が可能である。
上述の例では、空洞共振器３０の空洞３１及び３２の両端が開放（短絡）であるが、図９（Ｂ）の例では、空洞共振器３０の一方が塞がれている（短絡）構造である。これにより、空洞共振器３０の内部には、塞いだ側（短絡側）で電界が０となる定在波が分布し、両端開放の空洞共振器（図９（Ａ））よりも高い周波数で共振し、発振周波数が高くなる。
また、図９（Ｃ）に示すように、空洞共振器３０の両端とも開放されていない両端が塞がれた（短絡）構造でも良い。この場合には、空洞共振器３０の内部では、両端部で電界が０となる定在波が分布し、一方のみを塞いだ場合（図９（Ｂ））よりも一層高い周波数で共振し、発振周波数が一層高くなる。
また、上述では空洞共振器３０の空洞３１及び３２の断面形状を矩形としているが、図１３に示すような台形状としても良い。
更に上述ではボウタイアンテナ２０のボウタイ角θに対して並行に、即ち導体片２１及び２２に平行に空洞共振器３０の空洞３１及び３２を配置しているが、図１４に示すように空洞共振器３０の空洞３１及び３２を導体片２１及び２２の共振部に対して直角方向に配置しても良い。両端が開口になっている空洞共振器３０の内部に、開口面と垂直に、空洞共振器３０の中央部に長形状のＲＴＤ４０を、一方の開口面から他方の開口面まで配置する。ＲＴＤ４０の上部と下部は空洞共振器３０の上面内側及び底面内側にそれぞれ接続され、空洞共振器３０の底面とそれ以外は、底面と側面の間に挿入された絶縁体薄膜により分離されている。
図１４の構造において、電磁界シミュレータ（ＨＦＳＳ，Ａｎｓｙｓ）により空洞共振器３０とボウタイアンテナ２０のアドミタンスを求め、ＲＴＤ４０の特性と併せて発振特性を解析した結果、図１５のような特性を得た。図１５では、ボウタイ角［ｄｅｇ］とＲＴＤメサ面積をパラメータとして出力パワー［ｍＷ］を得ており、ボウタイ角の最適化により、発振周波数１．５ＴＨｚにおいて２ｍＷ以上の出力パワーを期待できる。
本発明の大出力テラヘルツ発振器を用いれば、テラヘルツ周波数帯に存在する物質の吸収スペクトルを測定するコンパクトなチップが実現可能になり、化学・医療におけるイメージングや分析の分野、及びテラヘルツ波による大容量無線通信の分野の一層の発展を促すことが出来ると考えられる。
１ 共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）
２ スロットアンテナ
３ 基板
４ 下部電極
５ 上部電極
６ 安定化抵抗
１０ 高出力テラヘルツ発振器
１１ 基板（ＩｎＰ）
１２ 絶縁体薄膜
２０ ボウタイアンテナ
２１，２２ 導体片
３０ 空洞共振器
３１，３２ 空洞
３４ 壁部材
３５ 導体橋
４０ 共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）
５０ 安定化抵抗
２ スロットアンテナ
３ 基板
４ 下部電極
５ 上部電極
６ 安定化抵抗
１０ 高出力テラヘルツ発振器
１１ 基板（ＩｎＰ）
１２ 絶縁体薄膜
２０ ボウタイアンテナ
２１，２２ 導体片
３０ 空洞共振器
３１，３２ 空洞
３４ 壁部材
３５ 導体橋
４０ 共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）
５０ 安定化抵抗
Claims (5)
- 第１の導体片及び第２の導体片で成るボウタイアンテナが基板上に配置され、前記ボウタイアンテナの共振部に２つの空洞を有する空洞共振器が配設され、前記空洞を区画する壁部材の底部に沿って長形状の共鳴トンネルダイオードが配設された構造であり、
前記ボウタイアンテナの前記第１の導体片と前記空洞共振器とが一体的に構成されており、
前記ボウタイアンテナの前記第２の導体片と、前記第１の導体片に連接された前記空洞共振器の側面若しくは上面との間にバイアスをかけることにより、前記共鳴トンネルダイオード、前記ボウタイアンテナ及び前記空洞共振器によりテラヘルツ周波数帯で発振することを特徴とする高出力テラヘルツ発振器。 - 前記共鳴トンネルダイオードの底面が前記第２の導体片の上面に接している請求項１に記載の高出力テラヘルツ発振器。
- 前記ボウタイアンテナの前記第１の導体片及び前記第２の導体片、前記空洞共振器が良導体であり、前記基板が半絶縁性である請求項１又は２に記載の高出力テラヘルツ発振器。
- 前記ボウタイアンテナの前記第１の導体片及び前記第２の導体片の間、前記空洞共振器の底部と前記第２の導体片との間に絶縁体薄膜が配設されている請求項１乃至３のいずれかに記載の高出力テラヘルツ発振器。
- 前記ボウタイアンテナの前記第２の導体片に凹部が形成され、前記空洞共振器から延びた導体橋が前記凹部内の前記基板の上面に接続されると共に、前記導体橋と前記第２の導体片の側面との間に安定化抵抗が接続されている請求項１乃至４のいずれかに記載の高出力テラヘルツ発振器。
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