JPWO2015170425A1 - 周波数可変テラヘルツ発振器及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

［課題］小型で、室温においても連続的に大きな周波数掃引幅を持つ周波数可変テラヘルツ発振器を提供する。［解決手段］スロットアンテナが配置され、スロットアンテナに沿って共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードが並列に配設され、共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードに別々に直流電圧を印加することによりテラヘルツ周波数帯で発振する。

Description

本発明は、電波と光波の中間に位置するテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数帯の周波数を発振すると共に、発振周波数を室温で連続的に可変可能な周波数可変テラヘルツ発振器及びその製造方法に関し、特に小型で、２重障壁型共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）及びバラクタダイオード（ＶＤ）を用いた分布定数的な構成の周波数可変テラヘルツ発振器及びその製造方法に関するものである。
近年、無線通信のデジタル高速化が進行している。それに伴い、テラヘルツ周波数帯域での通信や応用分野での需要が増加しており、テラヘルツ周波数帯域の特徴を利用した分光分析、イメージングが期待され研究が進められている。テラヘルツ周波数帯には物質固有の吸収スペクトルが多く存在するため、この吸収スペクトルを測定することによって非破壊・非接触で物質の特定が可能になる。しかしながら、従来は卓上に置くような大型の計測システムが必要であった。
従来のマイクロ波帯の発振器では、バラクタダイオードを単純な抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、キャパシタＣで構成される集中定数回路としてみなし、設計を行うことが出来た。しかしながら、テラヘルツ周波数帯では波長がマイクロ波帯よりも短くなり、バラクタダイオードのサイズが波長に対して無視できない大きさとなるため、バラクタダイオードのインピーダンスが単純なＲＬＣだけで表すことが出来ず、周波数によって複雑にインピーダンスの変化する分布定数的な特性を持ってしまう。
特開２０１３−１７１９６６号公報（特許文献１）に示されるような従来の共鳴トンネルダイオードとスロットアンテナによるテラヘルツ発振器では、共鳴トンネルダイオードの面積とスロットアンテナのサイズによって周波数が決定されるため、周波数可変を行うことは出来ない。
図１は従来のテラヘルツ発振器を示しており、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、基板３上には上部電極５が層設され、上部電極５の先端部にＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）キャパシタ６を経て、図２に示すようなＶ−Ｉ特性を有する共鳴トンネルダイード１が配設されている。共鳴トンネルダイード１はバイアスを印加すると、井戸内の量子準位を介して電子がトンネルし電流が流れ、さらにバイアスを印加していくと、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り電流が減少するため、図２に示すような電流電圧特性となる。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、電磁波を増幅・発振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を持っている。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３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。
数２から分かるように、従来のテラヘルツ発振器では、周波数ｆＯＳＣは全て固定値で表されるため、周波数ｆＯＳＣを可変することができない。そのため、周波数可変のテラヘルツ発振器の開発が要請されている。
特開２０１３−１７１９６６号公報 特開２００６−２１０５８５号公報
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、周波数の変化も連続でないなどの問題がある。また、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、室温で、しかも連続的に周波数が可変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、室温においても連続的に大きな周波数掃引幅を持つ周波数可変テラヘルツ発振器及びその製造方法を提供することにある。
本発明は周波数可変テラヘルツ発振器に関し、本発明の上記目的は、スロットアンテナが配置され、前記スロットアンテナに沿って共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードが並列に配設され、前記共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードに別々に直流電圧を印加することによ、或いはＩｎＰ基板上に共鳴トンネルダイオードを構成する半導体多層膜１が配置され、前記半導体多層膜１上にバラクタダイオードを構成する半導体多層膜２が配置されており、前記半導体多層膜１と前記半導体多層膜２の間に、高濃度にドープされたＩｎＰ層が配置されることにより達成される。
本発明は周波数可変テラヘルツ発振器に関し、本発明の上記目的は、スロットアンテナが配置され、前記スロットアンテナに沿ってＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓの２重障壁型共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードが並列に配設され、前記共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードのそれぞれに前記スロットアンテナを横切るように給電ラインが配置されてＭＩＭキャパシタが形成され、前記給電ラインにより、前記共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードに別々に直流電圧を印加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側の上部電極及び前記ＭＩＭキャパシタの間にｎ型半導体の抵抗体が配置されるこよにより、或いは前記共鳴トンネルダイオードが、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，１００ｎｍ）／ｓｐａｃｅｒ ＩｎＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，１２ｎｍ）／ｂａｒｒｉｅｒ ＡｌＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，０．９ｎｍ）／ｗｅｌｌ ＩｎＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，３ｎｍ）／ｂａｒｒｉｅｒ ＡｌＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，０．９ｎｍ）／ｓｐａｃｅｒ ＩｎＡｌＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，２ｎｍ）／ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ（３×１０１８ｃｍ−３，２５ｎｍ）／ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，４００ｎｍ）の各層で構成されていることにより、或いは前記バラクタダイオードが、ｐ＋ＩｎＧａＡｓ（１×１０２０ｃｍ−３，１００ｎｍ）／ｎ−ＩｎＧａＡｓ（６×１０１６ｃｍ−３，４００ｎｍ）／ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，１００ｎｍ）の３層で構成されていることにより、或いは前記ＭＩＭキャパシタが、直流で開放、テラヘルツ帯で短絡するようになっていることにより、或いは前記バラクタダイオード及び前記共鳴トンネルダイオードの間に、ｎ＋ＩｎＰによるエッチストッパ層が導入されていることにより、より効果的に達成される。
更に、本発明は周波数可変テラヘルツ発振器の製造方法に関し、本発明の上記目的は、バラクタダイオード電極を蒸着した後、硫酸系のエッチャントを用いたウェットエッチングにより、バラクタダイオードメサを形成し、バラクタダイオード層の下にあるｎ＋ＩｎＰ層は硫酸系エッチャントではエッチングされず、前記ウェットエッチングは自動的に前記ｎ＋ＩｎＰ層で止まり、
ＲＴＤ電極を蒸着した後に、硫酸系エッチャントによるウェットエッチングによりＲＴＤメサを作製し、上部電極及び下部電極を形成すると共に、スロットアンテナを形成し
ＣＶＤ法によりＳｉＯ２を全面に堆積し、コンタクトホールを空け、更に前記上部電極とＲＴＤ，ＶＤとを接続処理することにより達成される。
本発明によれば、２重障壁型共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）及びバラクタダイオード（ＶＤ）に別々に直流電圧を印加することによって、テラヘルツ周波数帯の発振が得られる。この時、バラクタダイオードの印加電圧を変化することによって、発振周波数を広い周波数範囲で連続掃引することが可能になる。本発明では連続的に周波数可変ができ、しかも常温で動作する利点がある。
本発明によれば、テラヘルツ周波数の可変範囲が、バラクタダイオードのドーピング濃度に依存し、共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードのメサ面積に依存し、また、スロットアンテナ長に依存しているので、容易に可変範囲を調整できる。
バラクタダイオードドーピング濃度依存性では、ピーク電流密度１８ｍＡ／μｍ２、ピークバレー比２、単位面積当たりの容量６ｆＦ／μｍ２、面積１μｍ２の共鳴トンネルダイオード、長さ２０μｍ、幅４μｍのスロットアンテナ及び面積１６μｍ２のバラクタダイオードを用いたとき、周波数可変範囲はバラクタダイオードのドーピング濃度が６×１０１６ｃｍ−３の時に最大化され、そのとき可変範囲１７０ＧＨｚが得られる。
また、共鳴トンネルダイオードメサ面積依存性では、ピーク電流密度１８ｍＡ／μｍ２、ピークバレー比２、単位面積当たりの容量６ｆＦ／μｍ２の共鳴トンネルダイオード、長さ２０μｍ、幅４μｍのスロットアンテナ及び面積１６μｍ２、ドーピング濃度が６×１０１６ｃｍ−３のバラクタダイオードを用いたとき、周波数可変範囲は共鳴トンネルダイオードのメサ面積が１μｍ２以上の時にほぼ最大化され、可変範囲２４０ＧＨｚが得られる。
可変範囲の共鳴トンネルダイオード面積依存性では、ピーク電流密度１８ｍＡ／μｍ２、ピークバレー比２、単位面積当たりの容量６ｆＦ／μｍ２、面積１μｍ２の共鳴トンネルダイオード、幅４μｍのスロットアンテナ及び面積１６μｍ２、ドーピング濃度が６×１０１６ｃｍ−３のバラクタダイオードを用いたとき、可変範囲の中心周波数はアンテナの長さが短くなるに従って高周波化し、アンテナ長３０μｍのとき中心周波数４６０ＧＨｚ（可変範囲２４０ＧＨｚ）、アンテナ長２０μｍのとき中心周波数５６０ＧＨｚ（可変範囲２４０ＧＨｚ）、アンテナ長１５μｍのとき中心周波数９６０ＧＨｚ（可変範囲１２０ＧＨｚ）となる。
従って、本発明に係る周波数可変テラヘルツ発振器によれば、３００ＧＨｚ〜３ＴＨｚのテラヘルツ周波数帯域において、外部光源や干渉系を用いることなく、かつ、冷却不要で、様々な有機分子のテラヘルツ特有の吸収スペクトルを簡易に測定できる発振器を提供できる。
従来のＲＴＤを用いたテラヘルツ発振器の一例を示す斜視構造図である。 ＲＴＤの特性例を示す特性図である。 従来のＲＴＤを用いたテラヘルツ発振器の等価回路図である。 本発明に係るテラヘルツ発振器の構成例を示す斜視図及び詳細図である。 本発明に係るテラヘルツ発振器の断面構造図である。 本発明に係るテラヘルツ発振器の等価回路図である。 バラクタダイオードの層構造の一例を示す断面図である。 図７の等価回路図である． バラクタ集積ＲＴＤ発振器の層構造の一例を示す断面図である。 バイアス電圧に対する強度の関係を示す特性図である． バイアス電圧に対する発振周波数の関係を示す特性図である． 発振周波数と出力電力との関係を示す特性図である． バラクタダイオードへのバイアス電圧に対する発振周波数の変化例を示す特性図である。 アンテナ長固定で、ＲＴＤメサ面積の依存性を示す特性図である。 ＲＴＤメサ面積固定で、周波数掃引範囲の特性を示す特性図である。 バラクタメサ面積の依存性を説明するための特性図である。 発振周波数に対する出力の変化例を示す特性図である。 本発明に係るテラヘルツ発振器の作製プロセスの一部を示す平面図及び断面図である。 本発明に係るテラヘルツ発振器の作製プロセスの一部を示す平面図及び断面図である。 本発明に係るテラヘルツ発振器の作製プロセスの一部を示す平面図及び断面図である。 本発明に係るテラヘルツ発振器の作製プロセスの一部を示す平面図及び断面図である。 本発明に係るテラヘルツ発振器の他の構成例を示す平面図である。 本発明の応用例を説明するための図である。
本発明では、２重障壁型共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いたテラヘルツ発振器に、印加電圧により容量が可変できるバラクタダイオード（ＶＤ）を集積し、室温において、発振周波数の大幅掃引を可能とするテラヘルツ発振器構造を提案する。従来テラヘルツ周波数帯における固体の発振器には、物質固有の吸収スペクトル測定に用いることが可能な、大幅な周波数可変性を有する室温発振器は存在しなかった。
室温（例えば０〜３０°Ｃ程度）において、５００ＧＨｚ以上の発振が可能な固体電子デバイスは共鳴トンネルダイオードしかなく、本発明では、スロットアンテナを集積した共鳴トンネルダイオードテラヘルツ発振器に、容量可変のバラクタダイオードを更に集積することによって、テラヘルツ周波数帯での周波数可変を実現している。バラクタダイオードのドーピング濃度、共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードの各メサ面積、スロットアンテナの長さを調節することにより大幅な周波数掃引を可能としている。また、テラヘルツ帯のような非常に高い周波数帯になると、ミリ波よりもさらに波長が短くなり、バラクタダイオードのメササイズに近づくため、バラクタダイオードのインピーダンスは単純な抵抗とキャパシタで表されなくなり、抵抗とインダクタ及びキャパシタが複雑に接続された分布定数的な特性となる。そのため、実験を正しくシミュレーションするには、電磁界シミュレータにバラクタダイオードのメサのモデルを詳細に組み込むことによって、テラヘルツ帯での分布定数的特性を考慮したバラクタダイオードの容量可変特性を含んで計算することが必要となる。
本発明では、電極内のほぼ中央部にスロットアンテナを配置し、スロットアンテナの中に、共鳴トンネルダイオードメサとバラクタダイオードメサが並列に（対向して若しくは同方向に）集積されているテラヘルツ発振器を構成する。バラクタダイオードへの印加電圧により容量が変化するため、発振周波数の変化が可能となる。バラクタダイオードの容量変化は、電磁界シミュレータにバラクタダイオードの詳細なモデルを組み込むことにより、分布定数的なインピーダンスの変化を計算することが出来る（等価回路では周波数可変の原理を分かりやすく簡単に示すため、バラクタダイオードは単純化した抵抗と容量だけのモデルで表わしている）。
本発明では、スロットアンテナが配置され、スロットアンテナに沿って共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードが並列に配設され、共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードに別々に直流電圧を印加することによりテラヘルツ周波数帯で発振する。また、ＩｎＰ基板上に共鳴トンネルダイオードを構成する半導体多層膜１が配置され、半導体多層膜１上にバラクタダイオードを構成する半導体多層膜２が配置されており、半導体多層膜１と半導体多層膜２の間に、高濃度にドープされたＩｎＰ層が配置されている。
テラヘルツ発振周波数の可変範囲（掃引範囲）はバラクタダイオードのドーピング濃度によって変化し、可変範囲を最大化するドーピング濃度が存在する。また、共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードにおいても各周波数可変範囲を最大化するメサ面積が存在し、また、スロットアンテナの長さを短くすることによって、周波数可変の中心周波数を高周波側にシフトさせることが可能となる。スロットアンテナの長さを変えることによって、発振周波数を可変できる。
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図４は本発明に係るテラヘルツ発振器の斜視図であり、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＸ１−Ｘ１断面構造図であり、図５（Ｃ）は図５（Ａ）のＸ２−Ｘ２断面構造図である。
ほぼ中央部に長形状のスロットアンテナ２０が配置され、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓの２重障壁ＲＴＤ（共鳴トンネルダイオード）１０とバラクタダイオード（ＶＤ）４０が並列にスロットアンテナ２０に沿って配置されている。ＲＴＤ１０は上から下に、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，１００ｎｍ）／ｓｐａｃｅｒ ＩｎＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，１２ｎｍ）／ｂａｒｒｉｅｒ ＡｌＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，０．９ｎｍ）／ｗｅｌｌ ＩｎＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，３ｎｍ）／ｂａｒｒｉｅｒ ＡｌＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，０．９ｎｍ）／ｓｐａｃｅｒ ＩｎＡｌＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，２ｎｍ）／ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ（３×１０１８ｃｍ−３，２５ｎｍ）／ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，４００ｎｍ）の各層で構成されるような２重障壁構造を用いている。ＲＴＤ１０のピーク電流密度は１８ｍＡ／μｍ２、ピークバレー比は２である。
また、バラクタダイオード４０は上から下に、ｐ＋ＩｎＧａＡｓ（１×１０２０ｃｍ−３，１００ｎｍ）／ｎ−ＩｎＧａＡｓ（６×１０１６ｃｍ−３，４００ｎｍ）／ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，１００ｎｍ）の３層で構成され、逆方向電圧（ｐ＋ＩｎＧａＡｓに対してｎ＋ＩｎＧａＡｓのポテンシャルが下がる向き）を印加すると、真ん中のｎ−ＩｎＧａＡｓに空乏層が広がり、電圧による容量可変が出来る。上述までのバラクタダイオード４０のドーピング濃度は、このｎ−ＩｎＧａＡｓ層を指す。ｐ＋ＩｎＧａＡｓのドーピング濃度が高いため、空乏層はｎ−ＩｎＧａＡｓにしか広がらない。ＲＴＤ１０の面積は１．１μｍ２、バラクタダイオード４０の面積は６μｍ２、スロットアンテナ２０は長さ２０μｍ、幅４μｍである。
ＲＴＤ１０とバラクタダイオード４０のそれぞれにスロットアンテナ２０を横切るような給電ライン（上部電極３２，３５）を配置し、直流で開放となり、高周波（ＴＨｚ）で短絡する金属（Ｍｅｔａｌ）／絶縁体（Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）／金属（Ｍｅｔａｌ）（ＭＩＭ）キャパシタを形成している。即ち、ＲＴＤ１０では、上部電極３２と下部電極との間にＳｉＯ２等で成る絶縁体３３を配設し、バラクタダイオード４０では、上部電極３５と下部電極との間にＳｉＯ２等で成る絶縁体３４を配設し、この構造により、ＲＴＤ１０とバラクタダイオード４０に別々に直流電圧を印加することができ、また、テラヘルツ周波数帯ではＭＩＭキャパシタが短絡するため、スロットアンテナ２０内に電磁界を閉じ込め、共振器を形成することが出来る。ＲＴＤ１０の負性抵抗と外部電源回路による寄生発振を抑制するため、ＲＴＤ１０側の上部電極３２とＭＩＭキャパシタの間にｎ型半導体で出来た抵抗体３３Ａを配置している。外部の電源回路から見ると、この抵抗体３３ＡはＲＴＤ１０と並列に接続されており、負性抵抗が打ち消されて外部回路からは負性抵抗が見えなくなるので、外部回路による不要な寄生発振を抑制することが出来る。
本発明のテラヘルツ発振器の等価回路は、バイアスなどを無視して図６に示すようになる。バラクタダイオード４０は、図７に示すように可変容量Ｃｖと可変の直列抵抗Ｒｖで表される。電圧をかけると空乏層が広がるため、可変容量Ｃｖは小さくなる。直列抵抗Ｒｖは空乏層にならずに残ったｎ−ＩｎＧａＡｓ層の抵抗であり、電圧をかけると減少する。この直列接続の直列抵抗Ｒｖと可変容量Ｃｖは図８に示すように、コンダクタンスＧｖとキャパシタンスＣｖの並列接続に変換できる。このときのアドミッタンスＹは数３の中辺のように表される。
さらに、発振周波数帯においては分母の“ωＣｖＲｖ”が小さいため、右辺のように簡単化される。このとき、図８の並列接続された等価回路では、コンダクタンスＧｖは数４のように表される。ＲＴＤ１０の微分負性コンダクタンスＧＲＴＤがアンテナ損失Ｇａｎｔとバラクタダイオード４０の抵抗分による損失Ｇｖの合計を打ち消すことによって発振し、回路全体のアドミッタンスＹが０となる点で発振周波数ｆＯＳＣが決定される。発振周波数ｆＯＳＣは、アンテナ２０のインダクタンスをＬａｎｔ、アンテナの容量をＣａｎｔ、ＲＴＤ１０の容量をＣＲＴＤ、バラクタダイオード４０の容量をＣｖとすると、発振開始条件を下記数５とし、発振周波数ｆＯＳＣは下記数６で表される。
図７に示すように、バラクタダイオード４０へのバイアス電圧の変化によって空乏層容量Ｃｖが変化するので、発振周波数ｆＯＳＣも可変である。一般的にドープ濃度が低下すると耐電圧は上昇し容量可変幅が大きくなるが、低ドープ濃度では抵抗Ｒｖが大きくなるためコンダクタンスＧｖが大きくなり、数５の発振開始条件を満たしにくくなる。そのため、ドープ濃度には最適値が存在する。
図９にバラクタ集積ＲＴＤ発振器の層構造の例を示す。バラクタダイオード４０は上から下に、ｐ＋ＩｎＧａＡｓ（１×１０２０ｃｍ−３，１００ｎｍ）／ｎ−ＩｎＧａＡｓ（６×１０１６ｃｍ−３，４００ｎｍ）／ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，１００ｎｍ）の３層で構成され、逆方向電圧（ｐ＋ＩｎＧａＡｓに対してｎ＋ＩｎＧａＡｓのポテンシャルが下がる向き）を印加すると、真ん中のｎ−ＩｎＧａＡｓに空乏層が広がり、電圧による容量可変が出来る。ｐ＋ＩｎＧａＡｓのドーピング濃度が高いため、空乏層はｎ−ＩｎＧａＡｓにしか広がらない。また、ＲＴＤ１０は上から下に、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，１００ｎｍ）／ｓｐａｃｅｒ ＩｎＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，１２ｎｍ）／ｂａｒｒｉｅｒ ＡｌＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，０．９ｎｍ）／ｗｅｌｌ ＩｎＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，３ｎｍ）／ｂａｒｒｉｅｒ ＡｌＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，０．９ｎｍ）／ｓｐａｃｅｒ ＩｎＡｌＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，２ｎｍ）／ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ（３×１０１８ｃｍ−３，２５ｎｍ）／ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，４００ｎｍ）の各層で構成されるような２重障壁構造を用いている。ＲＴＤ１０のピーク電流密度は１８ｍＡ／μｍ２、ピークバレー比は２である。
発振スペクトルのバラクタダイオード電圧に対する変化を示すと図１０に示すようになり、発振周波数のバラクタダイオード電圧依存性を示すと図１１となる。ＲＴＤ１０への電圧印加を約１Ｖで固定し、バイアス電圧を０．５Ｖから−４．０Ｖに変えることで、図１０及び図１１から分かるように６２０ＧＨｚから６９０ＧＨｚまでの７０ＧＨｚの掃引幅が得られ、バラクタ面積６μｍ２では理論値とほぼ一致している。ＲＴＤ１０の面積は１．１μｍ２である。面積が大きい（１６μｍ２）バラクタダイオードを用いることによって掃引幅の拡大を実現できる。また、図１２は発振周波数と出力電力との関係を示しており、発振周波数が高くなるに従って出力電力も大きくなる。
次に、バラクタドーピング濃度依存性について説明する。
図１３はバラクタダイオードへのバイアス電圧に対する発振周波数の変化例を示しており、バイアス電圧に対して周波数が変化すると共に、ドーピング濃度によっても変化する。ドーピング濃度（ｃｍ−３）に対する耐電圧（Ｖ）、最大空乏層厚（ｎｍ）は下記表１に示す通りであり、導電率（Ｓ／ｍ）、最大抵抗値（Ωμｍ）及び周波数掃引範囲（ＧＨｚ）は表２の通りである。
図１４はＲＴＤメサ面積の依存性を示す特性図であり、ＲＴＤメサ面積の大きさに応じて発振周波数が可変となっている。ＲＴＤメサ面積が小さいと高周波から発振可能であるが、微分負性コンダクタンスが小さいため、周波数掃引範囲は狭くなる。一方で、ＲＴＤメサ面積が大きいときはＲＴＤ容量が大きいので、最大発振周波数が小さい。そのため、最大発振周波数と下限周波数の差である周波数掃引範囲が最大になるＲＴＤメサ面積が存在する。アンテナ長２０μｍ、バラクタメサ面積１６μｍ２のＲＴＤ発振器がとりうる最大の掃引範囲は、ＲＴＤメサ面積が１．３μｍ２のとき、５００ＧＨｚから７４０ＧＨｚまでの２４０ＧＨｚである。
図１５はアンテナ長に対する周波数掃引範囲のＲＴＤ面積依存性を示す特性図であり、アンテナ長によって周波数帯が変化するが、変化幅に大きな差異はない。アンテナ長を短くすることにより、スロットアンテナ２０のインダクタンスＬａｎｔ、キャパシタンスＣａｎｔを削減できるので、高い周波数での発振が可能になるが、下限周波数も同時に上昇する。一方でアンテナ長が長くなるとインダクタンスＬａｎｔ及びキャパシタンスＣａｎｔが増加するので、最大発振周波数が低下するが、下限周波数も同時に減少する。また、アンテナ長が短いほど発振可能なＲＴＤメサ面積は大きくなっているが、これはアンテナ長の短縮によってアンテナの損失が増えるので、発振条件を満たすために大きな微分負性コンダクタンスが必要になるからである。
図１４及び図１５は同じ形式の特性図であるが、アンテナ長の違いにより可変範囲の中心周波数が相違している。図１５は、メサ面積を１．１μｍ２に固定したときに、可変範囲がどのように変化するかを示している。よって、特性の形式は同じですが、図１４はアンテナ固定で、メサ面積を変えたときの特性を示しており、図１５はメサ固定で、アンテナ長を変えたときの特性を示している。
また、図１６はバラクタメサ面積依存性を示しており、バラクタメサ面積の縮小により高周波での可変幅が増加している。バラクタ容量の可変幅が面積によってスケーリングされるため、周波数掃引範囲が変化する。バラクタメサ面積縮小によりバラクタ容量が減少するため、高い周波数で発振可能であるが、容量の最大値が小さくなるために、下限周波数も同時に上昇する。一方で、バラクタメサ面積が大きいとバラクタ容量が増加し、最大発振周波数は低下するが、容量の最大値が大きくなるので低周波まで発振可能である。
高周波での周波数掃引にはＲＴＤメサ面積を小さく、アンテナ長を短く、バラクタメサ面積を小さくすればよい。低周波での周波数掃引にはＲＴＤメサ面積を大きく、アンテナ長を長く、バラクタメサ面積を大きくすればよい。
図１７は発振周波数に対する出力の変化例を示しており、アンテナ長が長くＲＴＤメサ面積が広くなるに従って出力は増加する。アンテナ長、ＲＴＤメサ面積、バラクタ面積が異なる複数の発振器を１チップに集積し、それぞれを独立に動作させることにより、大きな周波数掃引幅を持つ発振器が得られる。アンテナ長が長いほど放射コンダクタンスが大きいため、出力が大きい。アンテナ長が同じ場合は、メサ面積が大きいほど微分負性コンダクタンスが大きいので、出力が大きい。ＲＴＤメサ面積、アンテナ長、バラクタメサ面積が異なる発振器を１チップに集積し、それぞれを別々のバイアスで動作させることによって、大きな周波数掃引範囲が得られる。例えば５個の発振器を集積することで、１００ＧＨｚから１．２ＴＨｚまでの９００ＧＨｚの周波数掃引が可能である。
図１８〜図２１は本発明に係るテラヘルツ発振器の作製プロセスを示しており、先ず図１８（Ａ）及び（Ｂ）に示すようにバラクタダイオード電極を蒸着した後、硫酸系のエッチャントを用いたウェットエッチングにより、バラクタダイオードメサを形成する。バラクタダイオード層の下にあるｎ＋ＩｎＰ層は硫酸系エッチャントではエッチングされないため、ウェットエッチングは自動的にこの層で止まり作製を容易にできる。
次に、図１９（Ａ）及び（Ｂ）に示すようにＲＴＤ電極を蒸着した後に、硫酸系エッチャントによるウェットエッチングによりＲＴＤメサを作製する。その後、図２０（Ａ）に示すように上部電極及び下部電極を形成すると共に、スロットアンテナを形成し、次に、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２を全面に堆積する。ＳｉＯ２は図２０（Ｂ）に示すように、上部電極、下部電極、ＲＴＤ、ＶＤ及びｎ＋ＩｎＧａＡＳを用いた抵抗体となる部分だけを残し除去し、それをマスクとして、下に残っているｎ＋ＩｎＧａＡｓ層をエッチングする素子分離プロセスを行う。これにより図２０（Ｃ）に示す構成が得られる。図２０（Ｃ）の左側はＲＴＤ部分の断面図であり、図２０（Ｃ）の右側はＶＤ部分の断面図である。ＲＴＤ部分の断面図において、上部電極と下部電極の間にあるｎ＋ＩｎＧａＡＳ層がＲＴＤと並列に接続される抵抗体となっている。
その後、図２１（Ａ）に示すように、ＲＴＤ、ＶＤの頭頂部及び上部電極、下部電極の電極パッドとなる部分にコンタクトホールを空け、更に図２１（Ｂ）に示すように上部電極とＲＴＤ，ＶＤとを接続処理することにより図２１（Ｃ）に示す完成品が得られる。図２１（Ｃ）の左側はＲＴＤ部分の断面図であり、図２１（Ｃ）の右側はＶＤ部分の断面図である。
なお、上述の実施形態では、ＲＴＤとＶＤとを対向させるように配置しているが、図２２に示すように同方向に並列的に配置しても良い。
なお、本発明は上述の発明を実施するための形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成を採り得ることは勿論である。
本発明の大幅に周波数可変が可能な微細デバイスを用いれば、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・医療分野の一層の発展を促すことが出来ると考えられる。図２３は、本発明を分光分析チップとして利用する場合の例を示しており、誘電体膜上に置かれた対象溶液に対して、周波数掃引可能なテラヘルツ発振器よりＴＨｚを照射し、その透過出力をＴＨｚ検出器で検出することによって、溶液の分光分析を行うことができる。
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
１０ 共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）
２０ スロットアンテナ
４０ バラクタダイオード（ＶＤ）

Claims (9)

  1. スロットアンテナが配置され、前記スロットアンテナに沿って共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードが並列に配設され、前記共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードに別々に直流電圧を印加すること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周波数可変テラヘルツ発振器。
  2. ＩｎＰ基板上に共鳴トンネルダイオードを構成する半導体多層膜１が配置され、前記半導体多層膜１上にバラクタダイオードを構成する半導体多層膜２が配置されており、前記半導体多層膜１と前記半導体多層膜２の間に、高濃度にドープされたＩｎＰ層が配置されたことを特徴とする周波数可変テラヘルツ発振器。
  3. スロットアンテナが配置され、前記スロットアンテナに沿ってＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓの２重障壁型共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードが並列に配設され、
    前記共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードのそれぞれに前記スロットアンテナを横切るように給電ラインが配置されてＭＩＭキャパシタが形成され、
    前記給電ラインにより、前記共鳴トンネルダイオード及びバラクタダイオードに別々に直流電圧を印加することによりテラヘルツ周波数帯で発振するようになっている請求項１又は２に記載の周波数可変テラヘルツ発振器。
  4. 前記共鳴トンネルダイオード側の上部電極及び前記ＭＩＭキャパシタの間にｎ型半導体の抵抗体が配置されている請求項１乃至３のいずれかに記載の周波数可変テラヘルツ発振器。
  5. 前記共鳴トンネルダイオードが、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，１００ｎｍ）／ｓｐａｃｅｒ ＩｎＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，１２ｎｍ）／ｂａｒｒｉｅｒ ＡｌＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，０．９ｎｍ）／ｗｅｌｌ ＩｎＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，３ｎｍ）／ｂａｒｒｉｅｒ ＡｌＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，０．９ｎｍ）／ｓｐａｃｅｒ ＩｎＡｌＧａＡｓ（ｕｎｄｏｐｅｄ，２ｎｍ）／ｎ−ＩｎＡｌＧａＡｓ（３×１０１８ｃｍ−３，２５ｎｍ）／ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，４００ｎｍ）の各層で構成されている請求項１乃至４のいずれかに記載の周波数可変テラヘルツ発振器。
  6. 前記バラクタダイオードが、ｐ＋ＩｎＧａＡｓ（１×１０２０ｃｍ−３，１００ｎｍ）／ｎ−ＩｎＧａＡｓ（６×１０１６ｃｍ−３，４００ｎｍ）／ｎ＋ＩｎＧａＡｓ（５×１０１９ｃｍ−３，１００ｎｍ）の３層で構成されている請求項１乃至５のいずれかに記載の周波数可変テラヘルツ発振器。
  7. 前記ＭＩＭキャパシタが、直流で開放、テラヘルツ帯で短絡するようになっている請求項１乃至６のいずれかに記載の周波数可変テラヘルツ発振器。
  8. 前記バラクタダイオード及び前記共鳴トンネルダイオードの間に、ｎ＋ＩｎＰによるエッチストッパ層が導入されている請求項１乃至７のいずれかに記載の周波数可変テラヘルツ発振器。
  9. バラクタダイオード電極を蒸着した後、硫酸系のエッチャントを用いたウェットエッチングにより、バラクタダイオードメサを形成し、
    バラクタダイオード層の下にあるｎ＋ＩｎＰ層は硫酸系エッチャントではエッチングされず、前記ウェットエッチングは自動的に前記ｎ＋ＩｎＰ層で止まり、ＲＴＤ電極を蒸着した後に、硫酸系エッチャントによるウェットエッチングによりＲＴＤメサを作製し、
    上部電極及び下部電極を形成すると共に、スロットアンテナを形成しＣＶＤ法によりＳｉＯ２を全面に堆積し、コンタクトホールを空け、更に前記上部電極とＲＴＤ，ＶＤとを接続処理することを特徴とする周波数可変テラヘルツ発振器の製造方法。
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