JP7284585B2 - terahertz element - Google Patents
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Description
本開示は、テラヘルツ素子に関する。 The present disclosure relates to terahertz devices.
近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、電子デバイスの大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる周波数領域(0.1THz~10THzの周波数帯)を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波との両方の特性を兼ね備えており、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、先述のイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されうる。 2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization of electronic devices such as transistors has progressed, and the size of electronic devices has become nano-sized, so a phenomenon called a quantum effect has been observed. Developments are underway with the aim of realizing ultrahigh-speed devices and devices with new functions that utilize this quantum effect. In such an environment, attempts are being made to perform high-capacity communication, information processing, imaging, measurement, etc., using a frequency region called the terahertz band (0.1 THz to 10 THz frequency band). . This frequency range has the characteristics of both light and radio waves, and if a device that operates in this frequency band is realized, in addition to the aforementioned imaging, large-capacity communication and information processing, physical properties, astronomy, biology, etc. It can be used for many purposes such as measurement in various fields of
特許文献1には、テラヘルツ波を用いた計測装置が開示されている。特許文献1に記載の計測装置は、テラヘルツ波を発生する発生手段およびテラヘルツ波を検出する検出手段を備えている。発生手段は、テラヘルツ波発生素子を有し、検出手段は、テラヘルツ波検出素子を有している。この計測装置によれば、テラヘルツ波発生素子において発生されたテラヘルツ波を計測対象物に照射するとともに、計測対象物で反射または透過したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子において検出することで、計測対象物に関する計測(たとえば、イメージングや特性分析等)が行われる。このような計測装置において、計測精度の向上のためには、たとえばテラヘルツ波検出素子によるテラヘルツ波の検出精度の向上が求められる。
本開示は、テラヘルツ波の検出精度の向上を図ったテラヘルツ素子を提供することをその主たる課題とする。 A main object of the present disclosure is to provide a terahertz element with improved detection accuracy of terahertz waves.
本開示のテラヘルツ素子は、テラヘルツ波を検出する検出部を備えており、前記検出部は、半導体基板と、前記半導体基板の上に配置された第1半導体層、前記第1半導体層の上に配置された第1量子井戸層、および、前記第1量子井戸層の上に配置された第2半導体層を含む第1能動素子と、前記半導体基板の上に形成され、かつ、前記第1半導体層に接続された第1の電極と、前記半導体基板の上に形成され、かつ、前記第2半導体層に接続された第2の電極と、を備えており、前記第2の電極は、前記第1量子井戸層を介する導通経路でのみ、前記第1の電極に導通しており、前記検出部は、非線形の電流-電圧特性を有しており、前記電流-電圧特性において、前記第1能動素子に順方向電圧が印加されているとき、前記順方向電圧の電圧値が大きいほど、前記第1能動素子に流れる電流値が大きくなることを特徴とする。 A terahertz device of the present disclosure includes a detection unit that detects terahertz waves, and the detection unit includes a semiconductor substrate, a first semiconductor layer arranged on the semiconductor substrate, and a semiconductor layer on the first semiconductor layer. a first active device comprising a first quantum well layer disposed thereon and a second semiconductor layer disposed over said first quantum well layer; and a first semiconductor formed on said semiconductor substrate and said first active device a first electrode connected to a layer; and a second electrode formed on the semiconductor substrate and connected to the second semiconductor layer, the second electrode being connected to the It is electrically connected to the first electrode only through a conduction path through the first quantum well layer, the detection unit has a nonlinear current-voltage characteristic, and the current-voltage characteristic is such that the first When a forward voltage is applied to the active element, the larger the voltage value of the forward voltage, the larger the current value flowing through the first active element.
本開示のテラヘルツ素子によれば、テラヘルツ波の検出精度を向上させることができる。 According to the terahertz element of the present disclosure, detection accuracy of terahertz waves can be improved.
本開示のテラヘルツ素子の好ましい実施の形態について、図面を参照して、以下に説明する。なお、本開示における「第1」、「第2」等の用語は、単にラベルとして用いたものであり、必ずしもそれらの対象物に順列を付することを意図していない。 Preferred embodiments of the terahertz device of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the terms "first", "second", etc. in this disclosure are merely used as labels and are not necessarily intended to impose a permutation on those objects.
本開示において、「ある物Aがある物Bに形成されている」および「ある物Aがある物B上に形成されている」とは、特段の断りのない限り、「ある物Aがある物Bに直接形成されていること」、および、「ある物Aとある物Bとの間に他の物を介在させつつ、ある物Aがある物Bに形成されていること」を含む。同様に、「ある物Aがある物Bに配置されている」および「ある物Aがある物B上に配置されている」とは、特段の断りのない限り、「ある物Aがある物Bに直接配置されていること」、および、「ある物Aとある物Bとの間に他の物を介在させつつ、ある物Aがある物Bに配置されていること」を含む。同様に、「ある物Aがある物B上に位置している」とは、特段の断りのない限り、「ある物Aがある物Bに接して、ある物Aがある物B上に位置していること」、および、「ある物Aとある物Bとの間に他の物が介在しつつ、ある物Aがある物B上に位置していること」を含む。同様に、「ある物Aがある物Bに積層されている」および「ある物Aがある物B上に積層されている」とは、特段の断りのない限り、「ある物Aがある物Bに直接積層されていること」、および、「ある物Aとある物Bとの間に他の物を介在させつつ、ある物Aがある物Bに積層されていること」を含む。 In the present disclosure, unless otherwise specified, the terms “a certain entity A is formed on a certain entity B” and “a certain entity A is formed on a certain entity B” mean “a certain entity A is formed on a certain entity B”. It includes "being directly formed in entity B" and "being formed in entity B while another entity is interposed between entity A and entity B". Similarly, unless otherwise specified, ``an entity A is placed on an entity B'' and ``an entity A is located on an entity B'' mean ``an entity A is located on an entity B.'' It includes "directly placed on B" and "some entity A is placed on an entity B while another entity is interposed between an entity A and an entity B." Similarly, unless otherwise specified, ``an object A is located on an object B'' means ``an object A is adjacent to an object B and an object A is positioned on an object B. and "the thing A is positioned on the thing B while another thing is interposed between the thing A and the thing B". Similarly, unless otherwise specified, ``an object A is laminated on an object B'' and ``an object A is laminated on an object B'' means ``an object A is laminated on an object B.'' It includes "directly laminated on B" and "a thing A is laminated on a certain thing B while another thing is interposed between the thing A and the thing B".
図1~図4は、本開示の第1実施形態にかかるテラヘルツ素子を示している。第1実施形態のテラヘルツ素子A1は、テラヘルツ波の検出を行う検出部1を備えている。検出部1は、半導体基板11、能動素子12、第1の電極13、第2の電極14および絶縁層15を備えている。
1 to 4 show a terahertz device according to a first embodiment of the present disclosure. The terahertz element A1 of the first embodiment includes a
図1は、テラヘルツ素子A1の平面パターンの模式図の一例である。図2は、図1の領域IIを拡大した要部拡大図である。図3は、図2のIII-III線に沿う断面であって、テラヘルツ素子A1の断面の模式図の一例である。図4は、図3の一部を拡大した要部拡大断面図である。なお、図1、図2および図4においては、絶縁層15を省略している。なお、図1~図4に示すテラヘルツ素子A1の構成は、一例である。
FIG. 1 is an example of a schematic diagram of a planar pattern of the terahertz element A1. FIG. 2 is an enlarged view of a main part of area II in FIG. FIG. 3 is a cross section taken along line III-III in FIG. 2 and is an example of a schematic cross-sectional view of the terahertz element A1. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a part of FIG. 3 . 1, 2 and 4, the
半導体基板11は、半導体材料からなる半絶縁性基板である。半導体基板11の構成材料は、たとえばInP(リン化インジウム)である。
The
能動素子12は、典型的には共鳴トンネルダイオード(RTD:Resonant Tunneling Diode)である。能動素子12は、RTD以外のダイオードや、トランジスタによって構成されていてもよい。このようなダイオードやトランジスタとしては、たとえば、タンネット(TUNNETT:Tunnel Transit Time)ダイオード、インパット(IMPATT:Impact Ionization Avalanche Transit Time)ダイオード、GaAs系電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)、GaN系FET、高電子移動度トランジスタ(HEMT:High Electron Mobility Transistor)、あるいは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)などがある。能動素子12は、半導体基板11の上に形成されている。能動素子12は、第1の電極13および第2の電極14に導通している。
能動素子12を実現するための一例を、図4を用いて説明する。能動素子12は、複数の半導体層が積層されている。図4に示すように、半導体基板11の上には、InGaAs層121aが配置されている。InGaAs層121aには、n型不純物が高濃度にドープされている。InGaAs層121aの上には、InGaAs層122aが配置されている。InGaAs層122aには、n型不純物がドープされている。InGaAs層122aの上には、InGaAs層123aが配置されている。InGaAs層123aは、不純物がドープされていない。InGaAs層123aの上には、AlAs層124aが配置され、AlAs層124aの上には、InGaAs層125が配置され、InGaAs層125の上には、AlAs層124bが配置されている。AlAs層124bの上には、InGaAs層123bが配置されている。InGaAs層123bには、不純物がドープされていない。InGaAs層123bの上には、InGaAs層122bが配置されている。InGaAs層122bには、n型不純物がドープされている。InGaAs層122bの上には、InGaAs層121bが配置されている。InGaAs層121bには、n型不純物が高濃度にドープされている。InGaAs層121bの上には、第2の電極14が配置されている。
An example for realizing the
AlAs層124aとInGaAs層125とAlAs層124bとは、能動素子12のRTD部を構成する。InGaAs層125は、量子井戸層であり、AlAs層124aおよびAlAs層124bはそれぞれ、トンネルバリア層である。InGaAs層125は、AlAs層124a,124bよりも相対的に厚い。InGaAs層125におけるインジウムの含有量は、他のインジウムを含む層(InGaAs層121a~123a,121b~123b)におけるインジウムの含有量よりも相対的に多い。
The AlAs
図示は省略するが、図4とは異なり、n型不純物を高濃度にドープされたInGaAs層が、InGaAs層121bと第2の電極14との間に介在していてもよい。これにより、第2の電極14とInGaAs層121bとのコンタクトが良好になりうる。また、不純物がドープされていないInGaAs層が、InGaAs層121aと半導体基板11との間に介在していてもよい。
Although not shown, unlike FIG. 4, an InGaAs layer heavily doped with n-type impurities may be interposed between the
図示は省略するが、図3および図4とは異なり、半導体基板11の能動素子12が配置された側の面と反対側の面に、裏面反射体金属層を配置してもよい。
Although not shown, unlike FIGS. 3 and 4, a back reflector metal layer may be disposed on the surface of the
本実施形態において、能動素子12は、特許請求の範囲に記載の「第1能動素子」の一例である。また、InGaAs層121a、InGaAs層125およびInGaAs層121bは、特許請求の範囲に記載の「第1半導体層」、「第1量子井戸層」、「第2半導体層」それぞれの一例である。
In this embodiment, the
第1の電極13および第2の電極14は、テラヘルツ素子A1の端子である。第1の電極13は、半導体基板11の上に形成されつつ、一部がInGaAs層121aの上に配置されている。第2の電極14は、半導体基板11の上に形成されつつ、一部がInGaAs層121bの上に配置されている。第2の電極14は、図3に示すように、InGaAs層121aには接しておらず、InGaAs層121aとの間に絶縁層15が介在している。第1の電極13と第2の電極14とは、互いに離間して配置されている。
The
第1の電極13および第2の電極14はそれぞれ、金属の積層構造を有する。第1の電極13および第2の電極14の各々の積層構造は、たとえば、Au(金)、Pd(パラジウム)およびTi(チタン)が積層された構造である。あるいは、第1の電極13および第2の電極14の各々の積層構造は、AuおよびTiが積層された構造である。第1の電極13および第2の電極14はいずれも、真空蒸着法あるいはスパッタリング法などによって形成されうる。
The
第1の電極13は、アンテナ部131、フィーダ部132およびパッド電極部133を含んでいる。第2の電極14は、アンテナ部141、フィーダ部142およびパッド電極部143を含んでいる。テラヘルツ素子A1は、アンテナ部131およびアンテナ部141によって構成されたアンテナ構造が集積化されている。図1に示す例においては、アンテナ部131およびアンテナ部141は、ダイポールアンテナを構成する。なお、アンテナ部131およびアンテナ部141が構成するアンテナは、ダイポールアンテナに限定されず、スロットアンテナ、ボータイアンテナあるいはリングアンテナなどの他のアンテナであってもよい。フィーダ部132は、アンテナ部131(ダイポールアンテナ)およびパッド電極部133に接続され、フィーダ部142は、アンテナ部141(ダイポールアンテナ)およびパッド電極部143に接続されている。なお、第1の電極13は、フィーダ部132およびパッド電極部133を備えていなくてもよい。また、第2の電極14は、フィーダ部142およびパッド電極部143を備えていなくてもよい。
The
絶縁層15は、たとえばSiO2膜、Si3N4膜、SiON膜、HfO2膜、あるいは、Al2O3膜など、もしくはこれらの多層膜から形成されている。絶縁層15は、図4に示す積層構造(能動素子12)の側壁部を覆っている。絶縁層15は、InGaAs層121aと第2の電極14との間に介在し、これらを絶縁している。絶縁層15は、化学的気相堆積(CVD)法、あるいは、スパッタリング法などによって形成されうる。
The insulating
図5は、検出部1の電流-電圧特性を示している。図5においては、横軸は、能動素子12に順方向電圧が印加されているときの、第1の電極13と第2の電極14との間に印加される電圧VRTDを、縦軸は、能動素子12に順方向電圧が印加されているときの、第1の電極13と第2の電極14との間に流れる電流IRTDを示している。なお、本実施形態においては、能動素子12に順方向電圧が印加されているとき、第1の電極13が高電位側であり、第2の電極14が低電位側である。なお、反対に、能動素子12に順方向電圧が印加されているとき、第2の電極14が高電位側であり、第1の電極13が低電位側であってもよい。
FIG. 5 shows the current-voltage characteristics of the
図5において、特性線L1(実線で示す)は、能動素子12に順方向電圧が印加されているときの、検出部1の電流-電圧特性を示している。特性線L1が示すように、検出部1の電流-電圧特性は、能動素子12に順方向電圧が印加されているとき、次のような特徴を有する。それは、非線形である。また、能動素子12に印加される電圧VRTDの値が大きいほど、能動素子12に流れる電流IRTDの値が大きい。つまり、電圧VRTDの値の増加によって、電流IRTDの値が単調増加している。さらに、負性抵抗領域がない。負性抵抗領域は、電圧VRTDの値の増加に伴い、電流IRTDの値が減少する領域である。なお、能動素子12に逆方向電圧が印加されているときの、検出部1の電流-電圧特性においては、負性抵抗領域があってもよいし、なくてもよい。
In FIG. 5, a characteristic line L1 (indicated by a solid line) indicates current-voltage characteristics of the
特性線L1は、第1曲線部L11と第2曲線部L12とを含んでいる。第1曲線部L11においては、順方向電圧の電圧VRTDの値が大きいほど特性線L1の微分係数が小さい。第2曲線部L12においては、順方向電圧の電圧VRTDの値が大きいほど特性線L1の微分係数が大きい。検出部1の電流-電圧特性においては、第1曲線部L11と第2曲線部L12とが切り替わる境界点P1がある。第2曲線部L12における電圧値は、第1曲線部L11における電圧値よりも大きい。第1曲線部L11と第2曲線部L12とは境界点P1を介して連続している。よって、図5の特性線L1においては、能動素子12に順方向電圧が印加されている状態において、境界点P1を境に、電圧VRTDの値の小さい範囲のとき第1曲線部L11となり、電圧VRTDの値の大きい範囲のとき第2曲線部L12となる。つまり、境界点P1における電圧VRTDの値をV1とすると、順方向電圧が0以上V1未満であるときに第1曲線部L11に示す電流-電圧特性となり、順方向電圧がV1より大きいときに第2曲線部L12に示す電流-電圧特性となる。
The characteristic line L1 includes a first curved portion L11 and a second curved portion L12. In the first curved portion L11, the larger the value of the forward voltage VRTD , the smaller the differential coefficient of the characteristic line L1. In the second curve portion L12, the larger the value of the forward voltage VRTD , the larger the differential coefficient of the characteristic line L1. In the current-voltage characteristics of the
次に、第1実施形態にかかるテラヘルツ素子A1の作用効果について説明する。 Next, the effects of the terahertz element A1 according to the first embodiment will be described.
テラヘルツ素子A1によれば、図5の特性線L1で示す電流-電圧特性を有する検出部1を備えている。検出部1の電流-電圧特性は、非線形であって、能動素子12に順方向電圧が印加されているとき、電圧値が大きいほど電流値が大きい。本開示とは異なるテラヘルツ素子であって、図5の特性線L2で示す電流-電圧特性を有するテラヘルツ素子においては、負性抵抗領域(電圧値V2~V3の範囲に相当する領域)を用いて、テラヘルツ波を発振させている。なお、負性抵抗領域におけるΔVおよびΔI(図5参照)が大きいほどテラヘルツ波の発振にとって有利である。しかしながら、負性抵抗領域において動作させたとき、外部回路との間に寄生発振が生じてしまう。この寄生発振は、テラヘルツ波の検出時のノイズの原因であり、検出動作を不安定にする可能性がある。一方、テラヘルツ素子A1は、電流-電圧特性において、能動素子12に順方向電圧が印加されているとき、電圧値が大きいほど電流値が大きいので、先述の負性抵抗領域がない。よって、先述の寄生発振を抑制することができる。したがって、テラヘルツ素子A1は、テラヘルツ波の検出動作が不安定になることを抑制できるので、テラヘルツ波の検出精度を向上させることができる。
The terahertz element A1 includes the
テラヘルツ素子A1によれば、第1の電極13と第2の電極14とが、能動素子12のInGaAs層125(量子井戸層)を介した導通経路でのみ、導通している。本願発明者は、本開示とは異なる先述のテラヘルツ素子であって、図5の特性線L2で示す電流-電圧特性を有するテラヘルツ素子において、寄生発振を抑制する手法として、能動素子12に対して並列に抵抗素子(自図示略)を配置することを考えついた。しかしながら、このような手法では、第1の電極13と第2の電極14との導通において、能動素子12のInGaAs層125(量子井戸層)を介した経路の他、先述の抵抗素子を介した経路が形成される。この抵抗素子を介した導通経路においては、抵抗素子に電流が流れるため、電力損失の原因となる。また、抵抗素子を用いて寄生発振を抑制する手法では、用いる抵抗素子の抵抗値のバラつきにより、検出動作を不安定にさせる可能性があった。一方、テラヘルツ素子A1は、抵抗素子を介した導通経路がないため、先述の電力損失を抑制することができる。また、テラヘルツ素子A1は、抵抗素子を用いていないため、抵抗素子の抵抗値のバラつきによる検出動作の不安定性を、抑制することができる。
According to the terahertz element A1, the
図6~図8は、本開示の第2実施形態にかかるテラヘルツ素子を示している。第2実施形態のテラヘルツ素子B1は、テラヘルツ波の検出動作およびテラヘルツ波の発振動作を行う。テラヘルツ素子B1は、検出部1、発振部2および支持基板3を備えている。
6 to 8 show a terahertz device according to a second embodiment of the present disclosure. The terahertz element B1 of the second embodiment performs a terahertz wave detection operation and a terahertz wave oscillation operation. A terahertz device B1 includes a
図6は、テラヘルツ素子B1の平面パターンの模式図の一例である。図7は、テラヘルツ素子B1の発振部2の断面の模式図の一例である。図8は、テラヘルツ素子B1の断面の模式図の一例であって、図4の要部拡大断面図に対応する。
FIG. 6 is an example of a schematic diagram of a planar pattern of the terahertz element B1. FIG. 7 is an example of a schematic diagram of a cross section of the
発振部2は、テラヘルツ波を発振する。発振部2は、図7に示すように、半導体基板21、能動素子22、第1の電極23、第2の電極24および絶縁層25を備えている。半導体基板21は、半導体基板11と同様に構成されうる。能動素子22は、能動素子12と同様に構成されうる。第1の電極23および第2の電極24は、第1の電極13および第2の電極14とそれぞれ同様に構成されうる。よって、第1の電極23は、アンテナ部231、フィーダ部232およびパッド電極部233を含んでおり、第2の電極24は、アンテナ部241、フィーダ部242およびパッド電極部243を含んでいる。アンテナ部231,241は、アンテナ部131,141とそれぞれ同様に構成されうる。フィーダ部232,242は、フィーダ部132,142とそれぞれ同様に構成されうる。パッド電極部233,243は、パッド電極部133,143とそれぞれ同様に構成されうる。絶縁層25は、絶縁層15と同様に構成されうる。なお、図6および図8において、絶縁層25は省略している。
The
能動素子22は、能動素子12と同様に、典型的にはRTDである。能動素子22は、RTD以外のダイオードや、トランジスタによって構成されていてもよい。このようなダイオードやトランジスタとしては、たとえば、タンネットダイオード、インパットダイオード、GaAs系FET、GaN系FET、高電子移動度トランジスタ、あるいは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどがある。能動素子22は、半導体基板21の上に形成されている。能動素子22は、第1の電極23および第2の電極24に導通している。
能動素子22は、能動素子12と同様に、複数の半導体層が積層されている。図8に示すように、半導体基板21の上には、InGaAs層221aが配置されている。InGaAs層221aには、n型不純物が高濃度にドープされている。InGaAs層221aの上には、InGaAs層222aが配置されている。InGaAs層222aには、n型不純物がドープされている。InGaAs層222aの上には、InGaAs層223aが配置されている。InGaAs層223aは、不純物がドープされていない。InGaAs層223aの上には、AlAs層224aが配置され、AlAs層224aの上には、InGaAs層225が配置され、InGaAs層225の上には、AlAs層224bが配置されている。AlAs層224aとInGaAs層225とAlAs層224bとは、RTD部を構成する。InGaAs層225は、量子井戸層であり、AlAs層224aおよびAlAs層224bはともに、トンネルバリア層である。AlAs層224bの上には、InGaAs層223bが配置されている。InGaAs層223bには、不純物がドープされていない。InGaAs層223bの上には、InGaAs層222bが配置されている。InGaAs層222bには、n型不純物がドープされている。InGaAs層222bの上には、InGaAs層221bが配置されている。InGaAs層221bには、n型不純物が高濃度にドープされている。InGaAs層221bの上には、第2の電極24が配置されている。
As with the
AlAs層224aとInGaAs層225とAlAs層224bとは、能動素子22のRTD部を構成する。InGaAs層225は、量子井戸層であり、AlAs層224aおよびAlAs層224bはそれぞれ、トンネルバリア層である。InGaAs層225は、AlAs層224a,224bよりも相対的に厚い。InGaAs層225におけるインジウムの含有量は、他のインジウムを含む層(InGaAs層221a~223a,221b~223b)におけるインジウムの含有量よりも相対的に多い。
The AlAs
InGaAs層125は、InGaAs層225よりも厚く形成されている。つまり、能動素子12の量子井戸層は、能動素子22の量子井戸層よりも厚い。たとえば、InGaAs層125の厚さは、InGaAs層225の厚さの110%以上、かつ、InGaAs層125の臨界膜厚以下程度である。
The
InGaAs層125は、InGaAs層225よりも、インジウムの含有量が多く形成されている。つまり、能動素子12の量子井戸層におけるインジウムの含有量は、能動素子22の量子井戸層におけるインジウムの含有量よりも多い。たとえば、InGaAs層125におけるインジウムの含有量は、InGaAs層225におけるインジウムの含有量の105~117%程度である。
The
本実施形態において、能動素子22は、特許請求の範囲に記載の「第2能動素子」の一例である。また、InGaAs層225は、特許請求の範囲に記載の「第2量子井戸層」の一例である。
In this embodiment, the
発振部2は、たとえば図5の特性線L2で示す電流-電圧特性を有する。したがって、発振部2の電流-電圧特性においては、負性抵抗領域がある。発振部2は、第1の電極23と第2の電極24とに、負性抵抗領域における電圧値のバイアス電圧が印加されている。
支持基板3は、検出部1および発振部2を支持する。支持基板3の上には、各半導体基板11,21が配置されている。支持基板3は、たとえばSi(シリコン)から構成される。つまり、支持基板3は、Si基板である。支持基板3は、たとえばFe(鉄)がドープされていてもよい。
A
テラヘルツ素子B1によれば、テラヘルツ素子A1と同様に、検出部1を備えている。検出部1は、先述のとおり、図5の特性線L1で示す電流-電圧特性を有する。したがって、テラヘルツ素子B1は、テラヘルツ素子A1と同様に、テラヘルツ波の検出動作が不安定になることを抑制できるので、テラヘルツ波の検出精度を向上させることができる。
The terahertz element B1 includes the
テラヘルツ素子B1によれば、テラヘルツ波を検出する検出部1およびテラヘルツ波を発振する発振部2を備えている。したがって、テラヘルツ素子B1は、テラヘルツ波の検出デバイスとしても、テラヘルツ波の発振デバイスとしても機能する。
The terahertz element B1 includes a
図9および図10は、本開示の第3実施形態にかかるテラヘルツ素子を示している。第3実施形態のテラヘルツ素子C1は、テラヘルツ素子B1と比較して、支持基板3を備えておらず、かつ、検出部1および発振部2の構造が異なる。
9 and 10 show a terahertz device according to a third embodiment of the present disclosure. The terahertz element C1 of the third embodiment does not include the
図9は、テラヘルツ素子C1の平面パターンの模式図である。図10は、テラヘルツ素子C1の要部拡大断面図である。図10に示す断面の模式図は、図4および図8に対応する。 FIG. 9 is a schematic diagram of a planar pattern of the terahertz element C1. FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the terahertz element C1. The schematic diagram of the cross section shown in FIG. 10 corresponds to FIGS. 4 and 8. FIG.
テラヘルツ素子C1は、先述のとおり、支持基板3を備えていない。テラヘルツ素子C1は、検出部1の半導体基板11および発振部2の半導体基板21の代わりに、半導体基板4を備えている。
The terahertz element C1 does not have the
半導体基板4は、半導体基板11,21と同様に、半導体材料からなる半絶縁性基板である。半導体基板4の構成材料は、たとえばInPである。半導体基板4の上には、検出部1のInGaAs層121aおよび発振部2のInGaAs層221aが配置されている。InGaAs層121aおよびInGaAs層221aは、半導体基板4の上で、互いに離間している。つまり、InGaAs層121aを除く検出部1およびInGaAs層221aを除く発振部2は、半導体基板4の上に配置され、かつ、互いに離間している。半導体基板4は、検出部1の半導体基板11と発振部2の半導体基板21とが一体的に形成されたものである。
The
テラヘルツ素子C1によれば、テラヘルツ素子A1と同様に、検出部1を備えている。検出部1は、先述のとおり、図5の特性線L1で示す電流-電圧特性を有する。したがって、テラヘルツ素子C1は、テラヘルツ素子A1と同様に、テラヘルツ波の検出動作が不安定になることを抑制できるので、テラヘルツ波の検出精度を向上させることができる。
The terahertz element C1 includes the
テラヘルツ素子C1によれば、テラヘルツ素子B1と同様に、検出部1および発振部2を備えている。したがって、テラヘルツ素子C1は、テラヘルツ素子B1と同様に、テラヘルツ波の検出デバイスとしても、テラヘルツ波の発振デバイスとしても機能する。
Like the terahertz element B1, the terahertz element C1 includes a
本開示にかかるテラヘルツ素子は、先述の実施形態に限定されるものではない。本開示のテラヘルツ素子の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。 The terahertz device according to the present disclosure is not limited to the above-described embodiments. The specific configuration of each part of the terahertz device of the present disclosure can be changed in various ways.
本開示にかかるテラヘルツ素子は、以下の付記に関する実施形態を含む。
[付記1]
テラヘルツ波を検出する検出部を備えており、
前記検出部は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置された第1半導体層、前記第1半導体層の上に配置された第1量子井戸層、および、前記第1量子井戸層の上に配置された第2半導体層を含む第1能動素子と、
前記半導体基板の上に形成され、かつ、前記第1半導体層に接続された第1の電極と、
前記半導体基板の上に形成され、かつ、前記第2半導体層に接続された第2の電極と、
を備えており、
前記第2の電極は、前記第1量子井戸層を介する導通経路でのみ、前記第1の電極に導通しており、
前記検出部は、非線形の電流-電圧特性を有しており、
前記電流-電圧特性において、前記第1能動素子に順方向電圧が印加されているとき、前記順方向電圧の電圧値が大きいほど、前記第1能動素子に流れる電流値が大きくなる、ことを特徴とするテラヘルツ素子。
[付記2]
前記電流-電圧特性の特性線において、前記順方向電圧の電圧値が大きいほど前記特性線の微分係数が小さくなる第1曲線部と、前記順方向電圧の電圧値が大きいほど前記特性線の微分係数が大きくなる第2曲線部とを含んでいる、付記1に記載のテラヘルツ素子。
[付記3]
前記電流-電圧特性において、前記第1曲線部と前記第2曲線部とが切り替わる境界点がある、付記2に記載のテラヘルツ素子。
[付記4]
前記第2曲線部における電圧値は、前記第1曲線部における電圧値よりも大きい、付記2または付記3に記載のテラヘルツ素子。
[付記5]
前記第1の電極および前記第2の電極は、テラヘルツ波を検出するアンテナ構造を有する、付記1ないし付記4のいずれか一項に記載のテラヘルツ素子。
[付記6]
前記第1能動素子は、共鳴トンネルダイオード、タンネットダイオード、インパットダイオード、GaAs系電界効果トランジスタ、GaN系電界効果トランジスタ、高電子移動度トランジスタ、あるいは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのいずれかである、付記1ないし付記5のいずれかに記載のテラヘルツ素子。
[付記7]
テラヘルツ波を発振する発振部をさらに備えており、
前記発振部は、前記第1能動素子と異なる第2能動素子を備えており、
前記第2能動素子は、前記第1量子井戸層と異なる第2量子井戸層を含んでいる、付記1ないし付記6のいずれかに記載のテラヘルツ素子。
[付記8]
前記第1量子井戸層は、前記第2量子井戸層よりも厚い、付記7に記載のテラヘルツ素子。
[付記9]
前記第1量子井戸層の厚さは、前記第2量子井戸層の厚さの110%以上、かつ、前記第1量子井戸層の臨界膜厚以下である、付記8に記載のテラヘルツ素子。
[付記10]
前記第1量子井戸層および前記第2量子井戸層はともに、インジウムを含んでおり、
前記第1量子井戸層におけるインジウムの含有量は、前記第2量子井戸層におけるインジウムの含有量よりも多い、付記7ないし付記9のいずれかに記載のテラヘルツ素子。
[付記11]
前記第1量子井戸層におけるインジウムの含有量は、前記第2量子井戸層におけるインジウムの含有量の105~117%である、付記10に記載のテラヘルツ素子。
[付記12]
前記第2能動素子は、共鳴トンネルダイオード、タンネットダイオード、インパットダイオード、GaAs系電界効果トランジスタ、GaN系電界効果トランジスタ、高電子移動度トランジスタ、あるいは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのいずれかである、付記7ないし付記11のいずれかに記載のテラヘルツ素子。
The terahertz device according to the present disclosure includes embodiments related to the following notes.
[Appendix 1]
Equipped with a detection unit that detects terahertz waves,
The detection unit is
a semiconductor substrate;
a first semiconductor layer overlying the semiconductor substrate, a first quantum well layer overlying the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer overlying the first quantum well layer; a first active device comprising;
a first electrode formed on the semiconductor substrate and connected to the first semiconductor layer;
a second electrode formed on the semiconductor substrate and connected to the second semiconductor layer;
and
the second electrode is conductive to the first electrode only through a conductive path through the first quantum well layer;
The detection unit has a nonlinear current-voltage characteristic,
In the current-voltage characteristics, when a forward voltage is applied to the first active element, the larger the voltage value of the forward voltage, the larger the current flowing through the first active element. terahertz element.
[Appendix 2]
In the characteristic line of the current-voltage characteristic, a first curve portion in which the differential coefficient of the characteristic line decreases as the voltage value of the forward voltage increases, and the differentiation of the characteristic line increases as the voltage value of the forward voltage increases. 2. The terahertz device according to
[Appendix 3]
The terahertz device according to
[Appendix 4]
The terahertz device according to
[Appendix 5]
The terahertz element according to any one of
[Appendix 6]
The first active element is any one of a resonant tunneling diode, a tannet diode, an impatt diode, a GaAs-based field effect transistor, a GaN-based field effect transistor, a high electron mobility transistor, or a heterojunction bipolar transistor. 6. The terahertz device according to any one of 1 to Supplementary Note 5.
[Appendix 7]
It is further equipped with an oscillator that oscillates terahertz waves,
The oscillation unit includes a second active element different from the first active element,
7. The terahertz device according to any one of
[Appendix 8]
8. The terahertz device according to appendix 7, wherein the first quantum well layer is thicker than the second quantum well layer.
[Appendix 9]
9. The terahertz device according to appendix 8, wherein the thickness of the first quantum well layer is 110% or more of the thickness of the second quantum well layer, and the critical film thickness of the first quantum well layer or less.
[Appendix 10]
both the first quantum well layer and the second quantum well layer contain indium;
The terahertz device according to any one of appendices 7 to 9, wherein the indium content in the first quantum well layer is higher than the indium content in the second quantum well layer.
[Appendix 11]
11. The terahertz device according to appendix 10, wherein the indium content in the first quantum well layer is 105 to 117% of the indium content in the second quantum well layer.
[Appendix 12]
The second active element is any one of a resonant tunneling diode, a tannet diode, an impatt diode, a GaAs-based field effect transistor, a GaN-based field effect transistor, a high electron mobility transistor, or a heterojunction bipolar transistor. 12. The terahertz device according to any one of items 7 to 11.
A1,B1,C1:テラヘルツ素子
1 :検出部
11 :半導体基板
12 :能動素子
121a~123a,121b~123b:InGaAs層
124a,124b:AlAs層
125 :InGaAs層
13 :第1の電極
131 :アンテナ部
132 :フィーダ部
133 :パッド電極部
14 :第2の電極
141 :アンテナ部
142 :フィーダ部
143 :パッド電極部
15 :絶縁層
2 :発振部
21 :半導体基板
22 :能動素子
221a~223a,221b~223b:InGaAs層
224a,224b:AlAs層
225 :InGaAs層
23 :第1の電極
24 :第2の電極
25 :絶縁層
3 :支持基板
4 :半導体基板
L1 :特性線
L11 :第1曲線部
L12 :第2曲線部
L2 :特性線
P1 :境界点
A1, B1, C1: terahertz element 1: detection unit 11: semiconductor substrate 12:
Claims (13)
前記検出部は、
半導体基板と、
前記半導体基板の上に配置された第1半導体層、前記第1半導体層の上に配置された第1量子井戸層、および、前記第1量子井戸層の上に配置された第2半導体層を含む第1能動素子と、
前記半導体基板の上に形成され、かつ、前記第1半導体層に接続された第1の電極と、
前記半導体基板の上に形成され、かつ、前記第2半導体層に接続された第2の電極と、を備えており、
前記第2の電極は、前記第1量子井戸層を介する導通経路でのみ、前記第1の電極に導通しており、
前記検出部は、非線形の電流-電圧特性を有しており、
前記検出部の前記電流-電圧特性において、前記第1能動素子に順方向電圧が印加されているとき、当該順方向電圧の電圧値の増加に伴い前記第1能動素子に流れる電流値が減少する負性抵抗領域がなく、前記順方向電圧の電圧値が大きいほど、前記第1能動素子に流れる電流値が大きくなる、ことを特徴とするテラヘルツ素子。 Equipped with a detection unit that detects terahertz waves,
The detection unit is
a semiconductor substrate;
a first semiconductor layer overlying the semiconductor substrate, a first quantum well layer overlying the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer overlying the first quantum well layer; a first active device comprising;
a first electrode formed on the semiconductor substrate and connected to the first semiconductor layer;
a second electrode formed on the semiconductor substrate and connected to the second semiconductor layer;
the second electrode is conductive to the first electrode only through a conductive path through the first quantum well layer;
The detection unit has a nonlinear current-voltage characteristic,
In the current-voltage characteristics of the detection unit , when a forward voltage is applied to the first active element, the current value flowing through the first active element decreases as the voltage value of the forward voltage increases. A terahertz device , wherein there is no negative resistance region, and the current value flowing through the first active device increases as the voltage value of the forward voltage increases.
請求項1に記載のテラヘルツ素子。 In the characteristic line of the current-voltage characteristic of the detection unit , a first curve portion in which the differential coefficient of the characteristic line decreases as the voltage value of the forward voltage increases, and the and a second curve portion where the derivative of the characteristic line increases,
The terahertz device according to claim 1.
請求項2に記載のテラヘルツ素子。 In the current-voltage characteristic of the detection unit , there is a boundary point at which the first curve portion and the second curve portion switch,
The terahertz device according to claim 2.
請求項2または請求項3に記載のテラヘルツ素子。 the voltage value at the second curve portion is greater than the voltage value at the first curve portion;
The terahertz device according to claim 2 or 3.
請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のテラヘルツ素子。 The first electrode and the second electrode have an antenna structure for detecting terahertz waves,
The terahertz device according to any one of claims 1 to 4.
請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載のテラヘルツ素子。 The first active element is either a resonant tunneling diode, a tannet diode, an impatt diode, a GaAs-based field effect transistor, a GaN-based field effect transistor, a high electron mobility transistor, or a heterojunction bipolar transistor.
The terahertz device according to any one of claims 1 to 5.
前記発振部は、第2量子井戸層を含む第2能動素子を備えている、
請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載のテラヘルツ素子。 It is further equipped with an oscillator that oscillates terahertz waves,
The oscillator includes a second active element including a second quantum well layer ,
The terahertz device according to any one of claims 1 to 6.
請求項7に記載のテラヘルツ素子。The terahertz device according to claim 7.
請求項7または請求項8に記載のテラヘルツ素子。 the first quantum well layer is thicker than the second quantum well layer;
The terahertz device according to claim 7 or 8 .
請求項9に記載のテラヘルツ素子。 The thickness of the first quantum well layer is 110% or more of the thickness of the second quantum well layer and the critical thickness of the first quantum well layer or less.
The terahertz device according to claim 9 .
前記第1量子井戸層におけるインジウムの含有量は、前記第2量子井戸層におけるインジウムの含有量よりも多い、
請求項7ないし請求項10のいずれか一項に記載のテラヘルツ素子。 both the first quantum well layer and the second quantum well layer contain indium;
The indium content in the first quantum well layer is higher than the indium content in the second quantum well layer,
The terahertz device according to any one of claims 7 to 10 .
請求項11に記載のテラヘルツ素子。 The indium content in the first quantum well layer is 105 to 117% of the indium content in the second quantum well layer.
The terahertz device according to claim 11 .
請求項7ないし請求項12のいずれか一項に記載のテラヘルツ素子。 The second active element is either a resonant tunneling diode, a tannet diode, an impatt diode, a GaAs-based field effect transistor, a GaN-based field effect transistor, a high electron mobility transistor, or a heterojunction bipolar transistor.
The terahertz device according to any one of claims 7 to 12 .
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