WO2006030608A1 - テラヘルツ電磁波放射素子及びその製造方法 - Google Patents

テラヘルツ電磁波放射素子及びその製造方法 Download PDF

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    • H01S2302/02—THz - lasers, i.e. lasers with emission in the wavelength range of typically 0.1 mm to 1 mm

Definitions

  • the present invention relates to a terahertz electromagnetic wave radiation element that inputs two coherent light waves, mixes them, and radiates and outputs a terahertz electromagnetic wave corresponding to the difference frequency, and a manufacturing method thereof.
  • a two-dimensional electronic system is coherently polarized and excited by an optical phonon corresponding to intersubband energy. This vibrational quantum is called two-dimensional electron plasmon.
  • This vibrational quantum is called two-dimensional electron plasmon.
  • the two-dimensional electron plasmon reaches the terahertz band in the micron to submicron wavelength region.
  • Has the potential as a mechanism that realizes functions such as electromagnetic wave oscillation detection in the terahertz band, frequency mixing and multiplication, etc.
  • Research on the physical properties of 2D electronic plasmons started in the early 1970s. Research on application to terahertz devices began in the 1990s, and the history has not yet reached the level of practical device development.
  • plasmon resonance in the terahertz band can be induced by modulating the concentration of the two-dimensional electron by the difference frequency terahertz component of the photoconductive electrons excited between the bands by two photons (Non-patent document 2, Non-patent document 2).
  • This two-dimensional electron plasmon resonance wave is a non-radiation mode and cannot perform external radiation, but it is not radiated by arranging a metal diffraction grating (grating) or an antenna structure in the vicinity of the two-dimensional plasmon.
  • Mo It is possible to convert the terahertz band 2D electron plasmon oscillation of the card into radiation mode electromagnetic waves (see Non-Patent Documents 3 and 4). By force, a terahertz band photomixer using 2D electronic plasmons can be realized.
  • a grating coupler has been introduced as a mode change mechanism from a two-dimensional electron plasmon resonance wave in a non-radiation mode to a radiation mode electromagnetic wave. It is well known as the so-called Smith-Purcel effect.
  • Non-Patent Document 5 RJ Wilkinson et al., In Non-Patent Document 5, formed a gate electrode nested in a double diffraction grating pattern to periodically modulate the two-dimensional electron concentration and transmit far-infrared light in that case. The reflection characteristics were observed. He asserted that the diffraction grating structure by two-dimensional electron concentration modulation functions as an optical coupler that absorbs far-infrared light efficiently, and that the plasma resonance frequency can be controlled by modulating the two-dimensional electron concentration.
  • SA Mikhailov uses the structural parameters of this grating structure in Non-Patent Document 4 and the electromagnetic properties of the material, which are composed of two-dimensional electron concentration, electron concentration at the grating site, electron drift velocity, and scattering relaxation time. The propagation characteristics are clarified. If the plasma frequency determined by the periodic density modulation of the two-dimensional electrons by the grating and the plasma frequency of the grating itself are equal, if the electron scattering is small, the transmission coefficient force of the electromagnetic wave is reduced near the low frequency range of the plasma frequency. It was shown that amplification gain can be obtained. As a specific measure, a structure was introduced in which quantum wires were introduced instead of metal gratings, which had a conductivity as low as that of two-dimensional electron plasmons.
  • Non-Patent Document 6 formed two-dimensional electron layers, periodically modulated the two-dimensional electron concentration in the upper layer with a single diffraction grating type gate, and irradiated with terahertz electromagnetic waves. The optical response characteristics of the two-dimensional electron layer were observed. Resonance characteristics that are determined by periodic concentration modulation and the plasma frequency gives to the optical response characteristics are increased by the two-dimensional electron layer. It was shown to be strengthened.
  • Non-Patent Document 1 M. Dyakonov and M. Shur, Phys. Rev. Lett., 71 (15), 2465 (1993)
  • Non-Patent Document 2 T. Otsuji, Y. Kanamaru, et. Al., Dig. The 59th Annual Dev. Res. Conf., Ul Dame, IN, 97 (2001)
  • Non-Patent Document 3 V. Ryzhii, I. Khmyrova, and M. Shur, J. Appl. Phys., Vol. 91, No. 4, 1875 (2002)
  • Non-Patent Document 4 SA Mikhailov, Phys. Rev. B, Vol. 58, pp. 1517-1532, 1998
  • Non-Patent Document 5 RJ Wilkinson, et. AL, Journal of Applied Physics, Vol. 71, No. 12, p p. 6049-6061, 1992.
  • Non-Patent Document 6 X.G.Peralta, et.AL, Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 9, pp. 16 27-1629, 2002.
  • plasmon resonance antennas have been used as a photomixer with poor conversion efficiency to terahertz electromagnetic radiation. Has high barriers.
  • the periodicity of the diffraction grating inevitably causes frequency selectivity, and it is essentially impossible to achieve wideband mode conversion.
  • An object of the present invention is to overcome the above-described problems of the prior art, improve the efficiency of conversion to non-radiated two-dimensional electronic plasmon wave force radiated electromagnetic waves, and realize broadband characteristics. .
  • the terahertz electromagnetic wave radiation element of the present invention inputs two coherent light waves, mixes them, and radiates and outputs a terahertz electromagnetic wave corresponding to the difference frequency.
  • This terahertz electromagnetic wave radiation element includes a semi-insulating semiconductor barrier layer, a two-dimensional electronic layer formed by a semiconductor heterojunction structure immediately above the semiconductor barrier layer, and a 1 Electricity on the side Connected source electrode, drain electrode connected to the other side of the two-dimensional electron layer facing the source electrode, and parallel to the two-dimensional electron layer in the vicinity of the upper surface of the two-dimensional electron layer
  • the double gate electrode grid that can alternately set two different DC bias potentials, and the Terahertz band formed in contact with the lower surface of the semiconductor Balta layer function as a reflector, and transparent in the light wave band It is made up of transparent metal mirrors. Two light waves are incident from the lower surface of the transparent metal mirror, and two different dc bias potentials are alternately applied to the double gate electrode grid, corresponding to the configuration
  • the method for manufacturing a terahertz electromagnetic wave emitting device of the present invention includes a two-dimensional electron layer formed by a semiconductor heterojunction structure immediately above a substrate serving as a semiconductor barrier layer, and 1 of the two-dimensional electron layer.
  • a source electrode electrically connected to the side and a drain electrode connected to the other side of the two-dimensional electron layer opposite to the source electrode near the upper surface of the two-dimensional electron layer
  • a double gate electrode lattice capable of alternately setting two different DC bias potentials is formed, and is reflected in the terahertz band formed in a film shape in contact with the lower surface of the semiconductor barrier layer. It is characterized by forming a transparent metal mirror that functions as a mirror and is transparent in the light wave band.
  • FIG. 1 is a structural cross-sectional view showing a first example of a terahertz electromagnetic wave radiation element embodying the present invention.
  • FIG. 2 is a structural cross-sectional view showing a second example of a terahertz electromagnetic wave radiating element embodying the present invention, showing an example in which a gate electrode is formed of quantum wires.
  • FIG. 3 is a bird's-eye view showing a simple structure corresponding to FIG. 1 for numerical analysis.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the structure shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a semi-insulating GaAs Balta for the Terahertz electromagnetic wave radiation element of the first example. It is a figure which shows the spectral intensity distribution of the electric field x-axis component of the point 0.4 micron down from a two-dimensional electronic layer in the x-axis center in a layer.
  • Fig. 6 shows the spectral intensity distribution of the electric field X-axis component of the terahertz electromagnetic wave emitting element of the first example at the point at the center of the X-axis in the air layer above the two-dimensional electron layer force 0.4 microns. It is.
  • Fig. 7 shows the Terahertz electromagnetic wave radiation device of the second example.
  • Fig. 8 shows the spectral intensity distribution of the electric field X-axis component at the point above the 2-dimensional electron layer force 0.4 microns at the center of the X-axis in the air layer for the terahertz electromagnetic radiation element of the second example. It is.
  • FIG. 1 is a structural sectional view showing a first example of a terahertz electromagnetic wave radiating element embodying the present invention.
  • a semiconductor heterojunction structure is formed on the substrate constituting the semi-insulating Balta layer in the figure.
  • the semiconductor heterojunction structure consists of a wide band gap buffer layer, a narrow band gap intrinsic semiconductor channel layer, and a wide band gap electron supply layer (carrier supply layer) doped two-dimensionally with a donor.
  • a noffer layer, a channel layer, and an electron supply layer form a pair, and electrons are confined two-dimensionally at the channel side interface between the channel layer and the electron supply layer to form a two-dimensional electron layer.
  • a semiconductor n-doped semiconductor epitaxial layer is deposited on the top of the electron supply layer as an ohmic layer, and metal electrodes are formed on both ends of the channel to form a metal electrode and a channel layer. With the ohmic connection, a source electrode and a drain electrode are formed, respectively.
  • a gate electrode is formed. Up to this point, standard prod- ucts used in the manufacture of HEMT devices. Seth itself.
  • gate grids A and B Etching the gate electrode into a comb shape, connecting odd-numbered combs on the outside of the channel, and connecting even-numbered combs on the outside of the channel.
  • a double gate electrode grid (referred to as gate grids A and B for convenience) is formed.
  • the double grating gate should be formed of a quasi-metallic material having low conductivity such as molybdenum! This is because the plasma frequency of the double grating gate can approach that of the two-dimensional electron layer, which makes it possible to increase the radiation efficiency of terahertz electromagnetic waves. In addition, it is important to improve the emissivity to make the gate electrode as thin as possible (less than the distance between the gate electrode and the two-dimensional electron layer).
  • a double-grating-type gate electrode is formed, for example, by etching a second two-dimensional electron layer formed by laminating the two-dimensional electron layer in a semiconductor heterojunction structure.
  • the thickness of the electrode can be made extremely thin, and the conductivity of the electrode can be reduced to the same extent as that of the two-dimensional electron layer, so that the plasma frequency of the double grating gate can be reduced to that of the two-dimensional electron layer.
  • the plasma frequency can be approached and radiation efficiency can be improved.
  • the conductivity of the second two-dimensional electron layer can be controlled by the gate bias potential, the plasma frequency of the double diffraction grating gate can be variably controlled. Therefore, it is possible to further improve the radiation efficiency according to the electromagnetic wave frequency to be radiated.
  • the semi-insulating barrier layer (substrate) is selectively etched or polished from the back surface, and is filled (filled) with a low dielectric material clad material.
  • This clad material covers the front side and the back side in the figure only on the left and right sides shown in FIG. 1 so as to cover the periphery of the semi-insulating butter layer.
  • the side surface of the semi-insulating butter layer is covered with a cladding layer having a lower dielectric constant than that, the confinement of electromagnetic waves into the vertical resonator is strengthened, radiation loss can be reduced, and conversion efficiency can be further improved. Can be improved.
  • visible power such as ITO (indium oxide tin) is transparent to near-infrared light and has metal-like conductivity on the lower surface of the semi-insulating barrier layer.
  • Ruth A transparent metal film showing reflective properties is deposited on the electromagnetic wave. This allows the lightwave input to be transmitted.
  • the Terahertz electromagnetic wave can form a transparent metal mirror that functions as a mirror.
  • the photoexcited electrons are accelerated by the self-tilt of the conduction band potential and injected into the two-dimensional plasmon region with a difference frequency component ⁇ ⁇ .
  • This photoexcited electron difference frequency component ⁇ 1 ”component excites the two-dimensional plasmon.
  • the plasmon resonance force S in the two-dimensional electron region discretized corresponding to the double gate lattice S this difference frequency component ⁇ It is excited by fC.Plasmon resonance in a single two-dimensional electron region becomes an excitation source, which is coherently excited discretely in a two-dimensional plane.This periodic structure itself converts to a radiated electromagnetic wave mode.
  • this two-dimensional electron layer has reflection characteristics, a resonator is formed in the vertical direction between the two-dimensional electron layer and a newly installed transparent metal mirror for the radiated electromagnetic wave.
  • the frequency of the radiated electromagnetic wave matches the standing wave condition of this resonator, that is, the resonator length matches (2n + 1) Z4 times the wavelength of the radiated electromagnetic wave (terahertz band), where n is an integer. Then, the electromagnetic wave component in the resonator is superimposed by the reflected component of the radiated electromagnetic wave.
  • the conduction band of a two-dimensional plasmon is divided into subbands, so that the reflected terahertz electromagnetic wave reaching the plasmon region can directly excite the two-dimensional plasmon by intersubband absorption. .
  • the resonator length of the vertical resonator formed between the two-dimensional electron layer and the transparent metal mirror is fixed by the thickness of the semi-insulating butter layer, in the frequency region where the dielectric constant is constant.
  • the resonance frequency is fixed.
  • the Q value of the resonator (determined by the reflectivity of the transparent electrode mirror and the reflectivity of the two-dimensional electron layer) is not high. The effect of enhancing the radiated electromagnetic wave can be obtained in a relatively wide range near the plasma frequency.
  • the double diffraction grating gate electrode itself has periodic electrode regions with high conductivity, so that the plasma frequency is specified. If the frequency is about the same as the plasma frequency of the two-dimensional electron layer, the energy of the electromagnetic wave passing through this region is amplified in response to the energy supply from the two-dimensional electron plasmon near the low frequency range of the plasma frequency. (SA Mikhailov's theory).
  • the two-dimensional electrons in the two-dimensional electron layer can be caused to travel in DC drift uniformly.
  • FIG. 2 is a structural sectional view showing a second example of the terahertz electromagnetic wave radiation element embodying the present invention, and shows an example in which the gate electrode is formed of a quantum wire.
  • the illustrated structure differs from the first example only in the configuration of the gate electrode.
  • the amount of electron supply from the electron supply layer formed on the quantum wire can be adjusted, so that the electron concentration in the quantum wire can be controlled and the conductivity ( (Proportional to the electron concentration).
  • the frequency at which electromagnetic wave radiation efficiency is maximized changes according to the plasma frequency of the double-grating-type gate electrode, so that the conductivity of the electrode can be controlled by forming the gate electrode with quantum wires. By doing so, it is possible to achieve a wider bandwidth.
  • FIG. 1 A more specific configuration example of the terahertz electromagnetic wave radiation element illustrated in FIG. 1 is illustrated.
  • Semi-insulating GaAs gallium arsenide
  • Si N silicon nitride
  • BCB benzocyclobutene
  • polyimide which have a lower dielectric constant than GaAs
  • a buffer layer is formed with a narrow band gap intrinsic GaAs or the like on a semiconductor barrier layer, and an electron transit layer (channel) is formed thereon with a narrow band gap intrinsic InGaAs. Then, an n-type InGaP layer with a wide band gap is formed. This n-type InGaP layer is an n-type semiconductor having excess electrons and plays a role of supplying electrons to the electron transit layer. This is the same mechanism as a normal HEMT (High Electron Mobility Transistor).
  • HEMT High Electron Mobility Transistor
  • ohmic junction non-diode junction
  • metal-semiconductor junction to form source electrode (metal) and drain electrode (metal), so strong n-type n + GaAs Deposit layers, etc., and then deposit metal (eg Au or Pt) electrodes to make ohmic junctions. Since the gate electrode part above the channel requires an insulating layer, this n + GaAs layer is recess-etched and a gate electrode made of Ti-Pt-Au or molybdenum is deposited.
  • the grating width of the first diffraction grating gate electrode of the double diffraction grating gate electrode is set to a submicron order
  • the second diffraction grating gate electrode adjacent to the first diffraction grating gate electrode Is set to a submicron or less
  • the grating width of the second diffraction grating gate electrode is set to the order of microns to submicrons.
  • the noise potential of the first diffraction grating gate electrode of the double diffraction grating gate electrode the electron concentration of the two-dimensional electron layer immediately below the first diffraction grating gate electrode is increased to the power of 10 11.
  • the electron concentration of the two-dimensional electron layer can be set very high quasi-metallicly or semi-insulatingly very low.
  • FIG. 1 A configuration example different from the first embodiment of the terahertz electromagnetic wave radiation element illustrated in FIG. 1 is illustrated.
  • the semiconductor heterojunction structure is changed to an InP-based heterojunction structure, the semiconductor barrier layer is made of semi-insulating InP (indium phosphorus), and the cladding layer is made of Si N (silicon nitride) having a lower dielectric constant than InP.
  • InP indium phosphorus
  • Si N silicon nitride
  • the semiconductor heterojunction structure has a wide band gap intrinsic InA on the semiconductor barrier layer.
  • a buffer layer is formed with lAs, etc., and an electron transit layer (channel) is formed with intrinsic InGaAs with a narrow band gap thereon, and then ⁇ -doped (only in a limited region in the thickness direction) using Si as a donor.
  • a wide band gap InAlAs layer is formed.
  • This Si- ⁇ -doped InAlAs layer is a ⁇ -type semiconductor with excess electrons and serves to supply electrons to the electron transit layer. This is the same mechanism as a normal moth (high electron mobility transistor).
  • ohmic junction non-diode junction
  • metal-semiconductor junction to form source electrode (metal) and drain electrode (metal), so strong ⁇ -type n + InGaAs Deposit layers, etc., and further deposit metal (eg Au or Pt) electrodes to make ohmic junctions. Since the gate electrode portion above the channel requires an insulating layer, this n + Ga As layer is recess-etched, and a gate electrode made of P-Pt-Au or molybdenum is deposited.
  • a threshold gate bias at which electrons are induced in the channel of the electron transit layer is defined as Vth.
  • Vth the threshold gate bias at which electrons are induced in the channel of the electron transit layer.
  • the gate lattice A is set to Vth + 0.3 V, for example, and the gate lattice B is set to a higher value, for example Vth + 1.0 V, the channel directly under the gate lattice A is set.
  • the channel immediately below the gate lattice B can be set to a semi-insulating low electron concentration of 10 9 cnf 2 or less.
  • the electron plasma is resonantly excited at a frequency specific to the electron concentration and dimensions of the region: the gate length (the distance to the different electron concentration regions on both sides).
  • the gate length the distance to the different electron concentration regions on both sides.
  • the plasma resonance frequency reaches the terahertz band.
  • plasma resonance can be excited in the difference frequency terahertz band by irradiating two light waves and setting the frequency difference between the two waves to the plasma resonance frequency. This is the source of vibration. In this state, plasma resonance is excited individually in the region immediately below the flying lattice.
  • this plasma resonance does not lead to electromagnetic radiation. This is because the wavelength of the plasma resonance wave is on the order of the gate length (submicron), which is a power that is an order of magnitude different from the wavelength of the terahertz electromagnetic wave propagating in space (several tens of microns).
  • the plasma resonance is excited in a region where the plasma is skipped. Due to this periodic structure, in other words, a structure like a diffraction grating in which the electron concentration is modulated by the period of the gate grating, the electron plasma resonates even at a wavelength corresponding to this period. Up to this point, the plasma resonance waves in the jumping region are coupled to each other, resulting in a large vibration that is synchronized as a whole. If this region is as wide as the wavelength of electromagnetic waves propagating in space, electromagnetic radiation is generated in a direction perpendicular to the plasma oscillation. In other words, the non-radiation mode plasma oscillation is converted into the radiation mode electromagnetic wave.
  • the plasma frequency in the electron concentration region directly below the lattice ⁇ and the plasma frequency in the electron concentration region directly below the lattice ⁇ ⁇ ⁇ are naturally different, the plasma frequency directly below the lattice A is in the terahertz region, and the plasma frequency directly below the lattice B is in the terahertz.
  • the period of the gratings A and B is determined so that the plasma frequency can be set within a desired range.
  • the relationship between plasma frequency, periodicity, and electron concentration is described in Non-Patent Document 4.
  • FIG. 3 is a bird's-eye view showing a simplified structure corresponding to FIG. 1 for numerical analysis
  • FIG. 4 is a cross-sectional view thereof.
  • the noffer layer and the electron supply layer are approximated as the same properties (dielectric constant and conductivity) as the semi-insulating Balta layer, and the numerical scales shown at the bottom of the figure are numerically analyzed. This is a coordinate value in units of the number of meshes obtained by dividing the region into meshes.
  • 9 laps alternately
  • a gate electrode equivalent to that of a medium-concentration two-dimensional electron layer is periodically formed with a thickness of 0.1 microns on the upper part, and the upper part is an air layer, and the lower part of the two-dimensional electron layer is semi-insulating
  • a Ga As Balta layer is assumed, and an electrical perfect reflection condition is assumed as a metal mirror on the lower surface.
  • the plasma frequency in the medium concentration two-dimensional electron region is approximately 3.4 THz by S.A. Mikhailov's theory (see Non-Patent Document 4).
  • the relative dielectric constant of GaAs is set to 13.1, and the resonator length of the vertical resonator formed in the gap between the two-dimensional electron layer and the metal mirror is set to 1/4 wavelength of this plasma frequency of 3.4 THz.
  • the electrode conductivity is set according to S.A. Mikhailov's theory (see Non-Patent Document 4) so that the plasma frequency of the double-grating-type gate electrode also matches 3.4 THz.
  • the plasma resonance wave When plasma resonance is excited in the periodic medium concentration two-dimensional electron region, the plasma resonance wave is converted into a radiation mode electromagnetic wave, and the electromagnetic wave radiated power to the air region on the upper surface of the element is numerically analyzed.
  • the analysis determines the frequency spectrum intensity distribution of the electric field component at a specific coordinate point in the semi-insulating Balta layer and the air region generated by exciting this periodic medium concentration two-dimensional electron region with an impulse current source.
  • the drain electrode direction is taken as the X axis and the vertical direction from the metal mirror surface to the upper surface is taken as the z axis. Since the plasma resonance wave is a longitudinal oscillation wave in the X-axis direction, and the radiated electromagnetic wave is a plane wave of the traveling force axis with the electric field force axis component, the X component of the electric field is obtained.
  • Fig. 5 shows the spectral intensity distribution of the electric field X-axis component at the point below the two-dimensional electron layer force 0.4 microns at the center of the X-axis in the semi-insulating GaAs Balta layer.
  • Analysis result a is the same as the metal mirror on the back Structure with the double-grating-type gate electrode removed
  • analysis result b shows the structure with the rear-side metal mirror installed, and double-grating-type gate electrode removed
  • analysis result c shows the double-sided metal mirror with the double-sided metal mirror
  • FIG. 6 shows the spectral intensity distribution of the electric field X-axis component at a point 0.4 microns above the two-dimensional electron layer at the center of the X-axis in the air layer.
  • the medium concentration region with a width of 0.1 micron with an electron concentration of 10 12 cnf 2 in the two-dimensional electron layer and an electron concentration of 10 7 cm- 2 Nine low-density regions with a width of 1.9 microns, which are as low as the insulating GaAs Balta layer, are configured for nine periods alternately, and a gate electrode with a conductivity equivalent to that of a medium-density two-dimensional electron layer is periodically formed on top of it at a thickness of 0.1 microns.
  • the upper part is an air layer
  • the lower part of the two-dimensional electron layer is a semi-insulating GaAs nano layer
  • the lower surface is a metal mirror and assumes an electrical reflection condition.
  • the plasma frequency in the medium concentration two-dimensional electron region is approximately 3.4 THz.
  • the relative dielectric constant of GaAs is set to 13.1, and the resonator length of the vertical resonator formed in the gap between the two-dimensional electron layer and the metal mirror is set to be 1/4 wavelength of this plasma frequency of 3.4 THz.
  • the electrode conductivity is set according to SA Mikhailov's theory so that the plasma frequency of the double-grating-type gate electrode also matches 3.4 THz.
  • the plasma resonance wave When plasma resonance is excited in the periodic medium concentration two-dimensional electron region, the plasma resonance wave is converted into a radiation mode electromagnetic wave, and the electromagnetic wave radiated power to the air region on the upper surface of the element is numerically analyzed.
  • the analysis determines the frequency spectrum intensity distribution of the electric field component at a specific coordinate point in the semi-insulating Balta layer and the air region generated by exciting this periodic medium concentration two-dimensional electron region with an impulse current source. .
  • the drain electrode direction is taken as the X axis
  • the vertical direction from the metal mirror surface to the upper surface is taken as the z axis. Since the plasma resonance wave is a longitudinal oscillation wave in the X-axis direction, and the radiated electromagnetic wave is a plane wave of the traveling force axis with the electric field force axis component, the X component of the electric field is obtained.
  • the outer periphery of this structure is all set for electromagnetic wave absorption boundary conditions, the time domain finite difference method is used to numerically analyze the time evolution of the propagation state of the electromagnetic wave, and the frequency spectrum is obtained by Fourier transforming the time response waveform.
  • the calculated results are shown in Figs.
  • the broad peak of the electric field component in the high-frequency region above ⁇ is an error in numerical analysis (convergence error of the vibrational solution) and is ignored. .
  • FIG. 7 shows the spectral intensity distribution of the electric field X-axis component at the point below the 2-dimensional electron layer force 0.4 microns at the center of the X-axis in the semi-insulating GaAs Balta layer.
  • the symbol c shown in the legend in the figure corresponds to the analysis result c in FIG. 5, and is a structure according to the present invention in which a metal mirror on the back surface and a double diffraction grating gate electrode are installed. It can be seen that a resonant effect with a fundamental wave of 3.4 THz occurs due to the installation of the metal mirror. In addition, by installing a double-grating-type gate electrode, it is possible to see the effect of increasing the electric field component in the wide and low frequency range of the plasma frequency around 3.4 THz.
  • FIG. 8 shows the spectral intensity distribution of the electric field X-axis component at a point 0.4 microns above the two-dimensional electron layer at the center of the X-axis in the air layer.
  • the electron concentration in the periodic region with a width of 1.9 microns in the periodic two-dimensional electron layer is set to 10 7 cm- 2, which is as low as the semi-insulating GaAs Balta layer.
  • the plasma frequency in this region exists in the low frequency range of 0. OlTHz or less, and it is set to a quasimetallic high electron concentration (therefore, the plasma frequency in this region exists in the high frequency range above ⁇ ).
  • Lower frequency than example 6 The effect of increasing the electric field component can be obtained up to the region.

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Abstract

　本発明は、非放射２次元電子プラズモン波から放射電磁波への変換効率を向上させ、かつ広帯域な特性を実現する。本発明は、半絶縁性の半導体バルク層と、その直上に半導体ヘテロ接合構造によって形成される２次元電子層と、該２次元電子層の対向する２片に電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極と、該２次元電子層の上面近傍にそれと平行に、２つの異なる直流バイアス電位を交互に設定できる２重ゲート電極格子と、該半導体バルク層の下面に接して膜状に形成されたテラヘルツ帯では反射鏡として機能し、かつ光波帯では透明な透明金属ミラーとによって構成される。２つの光波を該透明金属ミラーの下面より入射させ、かつ、２重ゲート電極格子に２つの異なる直流バイアス電位を交互に与え、該2重ゲート電極格子の配位に対応して２次元電子層の電子濃度を周期的に変調せしめる。

Description

明 細 書
テラへルツ電磁波放射素子及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、 2つのコヒーレントな光波を入力し、混合してその差周波数に対応したテ ラヘルツ電磁波を放射出力するテラへルツ電磁波放射素子及びその製造方法に関 する。
背景技術
[0002] 2次元電子システムは、サブバンド間エネルギーに相当する光学フオノンゃフオトン によって、コヒーレントに分極振動励起される。この振動量子を 2次元電子プラズモン と称する。一般的な 2次元電子濃度（10u〜1012 cm"2)において、 2次元電子ブラズモ ンはミクロン乃至サブミクロンの波長領域で基本モード周波数がテラへルツ帯に到達 する。そのため 2次元電子プラズモンは、テラへルツ帯での電磁波発振'検出、周波 数混合'遁倍等の機能を実現する機構としての可能性を秘めている。 2次元電子ブラ ズモンの物性研究は 1970年代初頭に開始された。テラへルツデバイスへの応用研究 は 1990年代に始まり、歴史はまだ浅ぐ実用的な素子開発には至っていない。
[0003] 高電子移動度トランジスタ (HEMT)構造における 2次元電子プラズモンのテラヘル ッ帯応用は M. Dyakonovと M. Shurによって提案された (非特許文献 1参照)。プラズ モン共鳴周波数を決定する電子濃度は、ゲートバイアスで制御できるため、実用上 重要な周波数可変特性を実現できる。ゲート'ソース間容量とゲート'ドレイン間容量 のバイアス依存性の別により、ソース、ドレインの境界条件を非対称ィ匕することができ る。ドレイン開放端において、放射モード電磁波の取り出しが可能である。ドレイン端 力 は奇数次高調波成分が、チャネル中央付近力 は偶数次高調波成分が取り出 せる。そこで、フオトン 2光波でバンド間励起された光伝導電子の持つ差周波テラへ ルツ成分によって 2次元電子の濃度を変調すれば、テラへルツ帯のプラズモン共鳴 を誘起できる（非特許文献 2,非特許文献 3参照)。この 2次元電子プラズモン共鳴波 は、非放射モードであって外部放射は果たせないが、 2次元プラズモンの近傍に金 属回折格子 (グレーティング)を配したり、アンテナ構造を配することにより、非放射モ ードのテラへルツ帯 2次元電子プラズモン振動を放射モード電磁波へ変換することが 可能である (非特許文献 3, 4参照)。力べして、 2次元電子プラズモンを利用したテラ ヘルツ帯フォトミキサーが実現できるわけである。
[0004] フォトミキサーを構成する場合に重要なのは以下の 2点である。
(1)光波から 2次元電子プラズモン共鳴への変換効率
(2) 2次元電子プラズモン共鳴カゝら放射電磁波への変換効率
このうち本発明が対象とする（2) 2次元電子プラズモン共鳴から放射電磁波への変 換効率につ ヽて従来技術の推移を述べる。
[0005] 非放射モードの 2次元電子プラズモン共鳴波から放射モード電磁波へのモード変 棚構としてグレーティングカップラが導入されて 、る。 、わゆる Smith-Purcel効果と してよく知られている。
[0006] R.J. Wilkinsonらは非特許文献 5において、ゲート電極を入れ子状に 2重回折格子 型に形成して 2次元電子濃度を周期的に変調し、その場合の遠赤外光の透過'反射 特性を観測した。 2次元電子濃度変調による回折格子構造が遠赤外光を効率よく吸 収する光カップラとして機能することと、 2次元電子濃度の変調によりプラズマ共鳴周 波数が制御可能であることを主張した。
[0007] S.A. Mikhailovは非特許文献 4においてこのグレーティング構造が持つ構造パラメ ータと、 2次元電子濃度、グレーティング部位の電子濃度、電子のドリフト速度、散乱 緩和時間からなる材料物性パラメータを用いて電磁波伝搬特性を明らかにした。 2次 元電子がグレーティングによって周期的濃度変調を受けることによって定まるプラズ マ周波数と、グレーティング自身のプラズマ周波数が等しくなると、電子の散乱が小さ ければプラズマ周波数の低域近傍で電磁波の透過係数力 を越えて増幅利得が得 られることを示した。この具体策として金属グレーティングの代わりに導電率が 2次元 電子プラズモンと同程度に低い量子細線を導入する構造が提案された。
[0008] X.G. Peraltaらは、非特許文献 6において、 2次元電子層を 2層形成し、 1重回折格 子型ゲートで上層の 2次元電子濃度を周期変調し、テラへルツ電磁波照射による 2 次元電子層の光応答特性を観測した。周期的濃度変調を受けることによって定まる プラズマ周波数が光応答特性に与える共鳴特性が 2次元電子層の 2層化によって増 強されることを示した。
[0009] モード変換のためのグレーティング構造の導入はこのほか、 V. Ryzhiiらが非特許文 献 3にお 、て、スパイラルアンテナ構造の導入を提案した例がある。
非特許文献 1 : M. Dyakonov and M. Shur, Phys. Rev. Lett., 71 (15), 2465 (1993) 非特許文献 2 : T. Otsuji, Y. Kanamaru, et. al., Dig. the 59th Annual Dev. Res. Conf. , Notre Dame, IN, 97 (2001)
非特許文献 3 : V. Ryzhii, I. Khmyrova, and M. Shur, J. Appl. Phys., Vol. 91, No. 4, 1875 (2002)
非特許文献 4 : S.A. Mikhailov, Phys. Rev. B, Vol. 58, pp. 1517-1532, 1998 非特許文献 5 : R.J. Wilkinson, et. AL, Journal of Applied Physics, Vol. 71, No. 12, p p. 6049-6061, 1992.
非特許文献 6 : X.G. Peralta, et. AL, Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 9, pp. 16 27-1629, 2002.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 以上のようにグレーティング結合した 2次元電子プラズモンのプラズモン共鳴の研 究例はあるが、プラズモン共鳴カゝらテラへルツ電磁波放射への変換効率は乏しぐフ オトミキサーとしての実用化には障壁が高い。また、回折格子の周期性は周波数選 択性を必然的に生じさせ、広帯域なモード変換を果たすことには本質的な無理があ る。
[0011] 本発明は、以上の従来技術が抱える問題点を克服し、非放射 2次元電子ブラズモ ン波力 放射電磁波への変換効率を向上させ、かつ広帯域な特性を実現することを 目的としている。
課題を解決するための手段
[0012] 本発明のテラへルツ電磁波放射素子は、 2つのコヒーレントな光波を入力し、混合 してその差周波数に対応したテラへルツ電磁波を放射出力する。このテラへルツ電 磁波放射素子は、半絶縁性の半導体バルタ層と、該半導体バルタ層の直上に半導 体へテロ接合構造によって形成される 2次元電子層と、該 2次元電子層の 1辺に電気 的に接続されたソース電極と、該ソース電極に対向する該 2次元電子層の他の 1辺に 接続されたドレイン電極と、該 2次元電子層の上面近傍に該 2次元電子層と平行に、 2つの異なる直流バイアス電位を交互に設定できる 2重ゲート電極格子と、該半導体 バルタ層の下面に接して膜状に形成されたテラへルツ帯では反射鏡として機能し、 かつ光波帯では透明な、透明金属ミラーと、〖こよって構成される。 2つの光波を該透 明金属ミラーの下面より入射させ、かつ、 2重ゲート電極格子に 2つの異なる直流バイ ァス電位を交互に与え、該 2重ゲート電極格子の配位に対応して 2次元電子層の電 子濃度を周期的に変調せしめる。
[0013] また、本発明のテラへルツ電磁波放射素子の製造方法は、半導体バルタ層となる 基板の直上に半導体へテロ接合構造によって形成される 2次元電子層と、該 2次元 電子層の 1辺に電気的に接続されたソース電極と、該ソース電極に対向する該 2次 元電子層の他の 1辺に接続されたドレイン電極と、を形成し、該 2次元電子層の上面 近傍に該 2次元電子層と平行に、 2つの異なる直流バイアス電位を交互に設定できる 2重ゲート電極格子を形成し、該半導体バルタ層の下面に接して膜状に形成された テラへルツ帯では反射鏡として機能し、かつ光波帯では透明な、透明金属ミラーを形 成することを特徴としている。
発明の効果
[0014] 本発明によれば、非放射 2次元電子プラズモン波から放射電磁波への変換効率を 向上させ、かつ、より広帯域性を実現することができる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1は本発明を具体化するテラへルツ電磁波放射素子の第一の例を示す構造 断面図である。
[図 2]図 2は本発明を具体化するテラへルツ電磁波放射素子の第二の例を示す構造 断面図であり、ゲート電極を量子細線で形成した例を示して 、る。
[図 3]図 3は数値解析するために、図 1に対応して単純ィ匕した構造を示す鳥瞰図であ る。
[図 4]図 4は図 3に示す構造の断面図である。
[図 5]図 5は第一の例のテラへルツ電磁波放射素子について、半絶縁性 GaAsバルタ 層内の x軸中央で 2次元電子層から 0.4ミクロン下方の点の電界 x軸成分のスペクトル 強度分布を示す図である。
[図 6]図 6は第一の例のテラへルツ電磁波放射素子について、空気層内の X軸中央 で 2次元電子層力 0.4ミクロン上方の点の電界 X軸成分のスペクトル強度分布を示す 図である。
[図 7]図 7は第二の例のテラへルツ電磁波放射素子について、半絶縁性 GaAsバルタ 層内の X軸中央で 2次元電子層から 0.4ミクロン下方の点の電界 X軸成分のスペクトル 強度分布を示す図である。
[図 8]図 8は第二の例のテラへルツ電磁波放射素子について、空気層内の X軸中央 で 2次元電子層力 0.4ミクロン上方の点の電界 X軸成分のスペクトル強度分布を示す 図である。
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、例示に基づき本発明を説明する。図 1は、本発明を具体化するテラへルツ電 磁波放射素子の第一の例を示す構造断面図である。図中の半絶縁性バルタ層を構 成する基板の上に、半導体へテロ接合構造を形成する。半導体へテロ接合構造は、 ワイドバンドギャップのバッファ層、ナローバンドギャップの真性半導体によるチャネル 層、ドナーを 2次元的にドープしたワイドバンドギャップの電子供給層（キャリア供給層 )から構成され、その形成は、化合物トランジスタで量産 ·実用化されている、分子線 エピタキシー（MBE)や金属有機気相エピタキシー（MOVPE)の技術によって、半絶 縁性バルタ層に半導体へテロ接合構造をナノメータ精度でェピタキシャル成長させる ことができる。
[0017] ノッファ層、チャネル層、電子供給層が 1組となって、チャネル層と電子供給層との チャネル側界面に 2次元的に電子が閉じ込められて 2次元電子層が形成される。電 子供給層の上部に更に強く n型にドープした半導体ェピタキシャル層をォーミック層 として堆積して、チャネルの両端部分には、更に金属電極を成膜することで、金属電 極とチャネル層がォーミック接続され、それぞれソース電極、ドレイン電極が形成され る。一方チャネル上部の該ォーミック層はリセスエッチングによって除去した後に、ゲ ート電極を形成する。ここまでは HEMT素子の製造に用いられて 、る標準的なプロ セスそのものである。
[0018] ゲート電極を櫛状にエッチングし、奇数番の櫛どおしをチャネルの外側で接続し、 偶数番の櫛どおしをチャネルの外側で接続して、入れ子型 2重回折格子状の複ゲー ト電極格子 (便宜上、ゲート格子 A, Bと称する）を形成する。ゲート格子 Aと Bのバイ ァス電位を別にすることにより、ゲート格子直下の 2次元電子層の電子濃度をゲート 格子の周期で変調することができる。
[0019] 2重回折格子ゲートは、モリブデン等の導電率の低い準金属材料で形成するのが よ!、。 2重回折格子ゲートのプラズマ周波数を 2次元電子層のそれに接近できるから であり、これにより、テラへルツ電磁波放射効率の増大が可能となる。また、ゲート電 極の厚みはできる限り薄く（ゲート電極と 2次元電子層との間隔以下に)形成すること が放射率の向上には重要である。
[0020] 2重回折格子型ゲート電極を、例えば、半導体へテロ接合構造内に該 2次元電子 層の上部に積層してなる第 2の 2次元電子層をエッチング加ェすることによって形成 すれば、電極の厚みは極限的に薄くでき、かつ、電極の導電率も 2次元電子層のそ れと同程度に低減できるので、 2重回折格子型ゲートのプラズマ周波数を 2次元電子 層のプラズマ周波数に接近でき、放射効率の向上が果たせる。更には、該第 2の 2次 元電子層の導電率がゲートバイアス電位によって制御できることから、 2重回折格子 型ゲートのプラズマ周波数を可変制御することも可能である。従って、放射したい電 磁波周波数に応じて放射効率をより向上させることが可能である。
[0021] このようにして、素子本体が作成された後に、半絶縁性バルタ層（基板)を裏面から 選択的にエッチングもしくは研磨し、低誘電材料のクラッド材を充填 (埋める）する。こ のクラッド材は、半絶縁性バルタ層の周囲を被覆するように、図 1に図示した左右両 側だけでなぐ図中の手前側と奥側も被覆する。このように、半絶縁性バルタ層の側 面をそれよりも誘電率の低いクラッド層で覆うと、縦型共振器内への電磁波の閉じ込 めが強まり、放射損を低減でき、より変換効率の向上が図れる。
[0022] 最後の工程として、半絶縁性バルタ層の下面に、 ITO (酸化インジウム.スズ)などの 可視力も近赤外光に対しては透明で金属並みの導電率を有する、従ってテラへルツ 電磁波には反射特性を示す透明金属を成膜する。これによつて、光波入力は透過し 、テラへルツ電磁波にはミラーとして機能する透明金属ミラーを形成できる。
[0023] 次に、このようにして完成したテラへルツ電磁波放射素子の動作を説明する。周波 数がテラへルツ程度に接近した 2つのコヒーレントな直線偏光 (電界ベクトルの向きを 図 1では Eで表示）の光波を、透明金属ミラーの下面より種光として入射させる。図 1で は 2つの光波の波数ベクトルを kl, k2で、周波数を ίΌ, 1Ό+ ΔΠ?示している。例えば、 該 2光波のフオトンエネルギーが 2次元プラズモンを構成する電子走行層のバンドギ ヤップエネルギーよりも大きぐかつ他の半導体ェピタキシャル層および半導体基板 のバンドギャップエネルギーよりも小さい光波を用いることにより、光励起電子を生成 することができる。当該光励起電子は、伝導帯ポテンシャルの自己傾斜によって加速 され、差周波成分 Δ减分を伴って 2次元プラズモン領域に注入される。この光励起 電子の差周波数成分 Δ1"成分によって 2次元プラズモンが励起される。力べして、 2重 ゲート格子に対応して離散化された 2次元電子領域内ではプラズモン共鳴力 Sこの差 周波数成分 Δ fC励起される。単一 2次元電子領域におけるプラズモン共鳴が励振 源となり、これが 2次元平面内に離散周期的にコヒーレントに励振される。この周期構 造自体が放射電磁波モードへの変換を果たすことになるが、この周期的 2次元電子 層の周期性と電子濃度できまるプラズマ周波数近傍では、この 2次元電子層の透過' 反射特性が極を持ち、多くは透過率の低下をもたらすことが知られている。
[0024] 一方、この 2次元電子層が反射特性を有することから、放射電磁波にとっては、 2次 元電子層と新たに設置する透明金属ミラーの間で縦方向に共振器が形成される。こ の共振器の定在波条件に放射電磁波周波数が合致する、すなわち、共振器長が放 射させる（テラへルツ帯)電磁波の波長の（2n+ 1) Z4倍 (但し nは整数）に一致する と、放射電磁波の反射成分によって共振器内の電磁波成分が重畳される。ところで、 2次元プラズモンの伝導帯はサブバンドに分裂して 、るから、プラズモン領域に到達 した当該反射テラへルツ電磁波は、サブバンド間吸収によって 2次元プラズモンを直 接的に励起することができる。これが更なるプラズマ共鳴の励起につながり、プラズマ 共鳴→電磁波放射の正帰還に至る。
[0025] 2次元電子層と透明金属ミラーの間で構成される縦型共振器の共振器長は半絶縁 性バルタ層の厚みによって固定ィ匕されるため、誘電率が一定値の周波数領域では 共振周波数は固定化される。しかし、 2次元電子層の反射率が十分に高くはないた めに、共振器の Q値 (透明電極ミラーの反射率と 2次元電子層の反射率によって定ま る）は高くないことから、プラズマ周波数の近傍の比較的広い範囲で放射電磁波の増 強効果が得られる。
[0026] そこへ、 2重回折格子型ゲート電極の存在により、 2重回折格子型ゲート電極自身 も導電率の高い電極領域が周期的に存在することからプラズマ周波数が特定され、 このプラズマ周波数が 2次元電子層のプラズマ周波数と同程度になれば、プラズマ 周波数の低域近傍において、この領域を通過する電磁波のエネルギーは 2次元電 子プラズモンからのエネルギー供給を受けて増幅されることになる（S.A. Mikhailovの 理論)。
[0027] 縦型共振器の共振周波数と 2次元電子層ならびに 2重回折格子型ゲートのプラズ マ周波数をおおよそ一致もしくは接近させることによって、プラズマ周波数を挟む比 較的広い周波数領域に渡り、高い電磁波放射効率を実現することができる。放射電 磁波の波数ベクトルは図 1では Δ kで示している。
[0028] また、ソース電極とドレイン電極の間に一定の直流ノ ィァス電位を与えることにより、 該 2次元電子層内の 2次元電子を一様に直流ドリフト走行せしめることができる。
[0029] 図 2は、本発明を具体化するテラへルツ電磁波放射素子の第二の例を示す構造断 面図であり、ゲート電極を量子細線で形成した例を示している。図示の構造は、先の 第一の例とはゲート電極の構成においてのみ相違する。 G1或いは G2と表示した量 子細線にバイアスを印加することによって、その上部に形成した電子供給層からの電 子供給量を調整できるため、量子細線中の電子濃度を制御でき、よって導電率 (電 子濃度に比例する）を制御できる。 2重回折格子型ゲート電極のプラズマ周波数に応 じて、電磁波放射効率が最大となる周波数は変移するため、当該ゲート電極を量子 細線で形成するなどして電極の導電率を制御できるようにすることで、更なる広帯域 化を果たすことができる。
実施例 1
[0030] 図 1に示したテラへルツ電磁波放射素子のさらに具体的な構成例を例示する。半 導体バルタ層としては、半絶縁性 GaAs (ガリウム砒素）を、そして、クラッド層としては、 GaAsよりも誘電率の低い Si N (窒化シリコン）、 BCB (ベンゾシクロブテン）、ポリイミドな
3 4
どの誘電体を用いることができる。半導体へテロ接合構造は、半導体バルタ層上にヮ イドバンドギャップの真性 GaAsなどでバッファ層を形成し、その上にナローバンドギヤ ップの真性 InGaAsで電子走行層（チャネル）を形成し、その上にワイドバンドギャップ の n型 InGaP層を形成する。この n型 InGaP層は過剰な電子を有する n型半導体であり 、電子走行層に電子を供給する役割を果たす。これは通常の HEMT (高電子移動度 トランジスタ）と同じ機構である。この電子供給層の上部には、ソース電極 (金属）、ドレ イン電極 (金属）を形成するために金属 ·半導体接合でォーミック接合 (非ダイオード 接合)を作る必要から、強い n型の n+GaAs層などを堆積し、更に金属（例えば Auや Pt )電極を堆積してォーミック接合を作る。チャネル上部のゲート電極部は絶縁ィ匕が必 要なので、この n+GaAs層はリセスエッチングし、 Ti-Pt-Au或いはモリブデンなどによ るゲート電極を堆積する。
[0031] 2重回折格子型ゲート電極の第 1の回折格子ゲート電極の格子幅がサブミクロンォ ーダに設定され、かつ、該第 1の回折格子ゲート電極と近隣の第 2の回折格子ゲート 電極との間隔がサブミクロン以下に設定され、かつ、該第 2の回折格子ゲート電極の 格子幅がミクロンないしサブミクロンオーダに設定される。また、 2重回折格子型ゲー ト電極の第 1の回折格子ゲート電極のノィァス電位を制御することによって、該第 1の 回折格子ゲート電極直下の 2次元電子層の電子濃度を 10の 11乗毎平方センチメー トル乃至 10の 13乗毎平方センチメートルに設定し、 2重回折格子型ゲート電極の第 2の回折格子ゲート電極のノィァス電位を制御することによって、該第 2の回折格子 ゲート電極直下の 2次元電子層の電子濃度を準金属的に極めて高く設定するか、或 いは半絶縁的に極めて低く設定することができる。
実施例 2
[0032] 図 1に示したテラへルツ電磁波放射素子の実施例 1とは別の構成例を例示する。半 導体へテロ接合構造を、 InP系へテロ接合構造にして、半導体バルタ層を、半絶縁性 InP (インジウム燐）によって、また、クラッド層を、 InPよりも誘電率の低い Si N (窒化シリ
3 4 コン）、 BCB (ベンゾシクロブテン）、ポリイミドなどの誘電体によって形成することがで きる。半導体へテロ接合構造は、半導体バルタ層上にワイドバンドギャップの真性 InA lAsなどでバッファ層を形成し、その上にナローバンドギャップの真性 InGaAsで電子 走行層（チャネル)を形成し、その上に Siをドナーとして δドープ (厚み方向にごく限ら れた領域のみにドープする意）したワイドバンドギャップの InAlAs層を形成する。この S i- δドープ InAlAs層は過剰な電子を有する η型半導体であり、電子走行層に電子を 供給する役割を果たす。これは通常の ΗΕΜΤ (高電子移動度トランジスタ)と同じ機構 である。この電子供給層の上部には、ソース電極 (金属）、ドレイン電極 (金属）を形成 するために金属 ·半導体接合でォーミック接合 (非ダイオード接合)を作る必要から、 強 ヽ η型の n+InGaAs層などを堆積し、更に金属（例えば Auや Pt)電極を堆積してォ 一ミック接合を作る。チャネル上部のゲート電極部は絶縁ィ匕が必要なので、この n+Ga As層はリセスエッチングし、 Ή-Pt-Au或いはモリブデンなどによるゲート電極を堆積 する。
実施例 3
[0033] ゲート格子直下の 2次元電子層の電子濃度をゲート格子の周期で変調した結果に ついて、説明する。
[0034] 電子走行層のチャネルに電子が誘起される閾値ゲートバイアスを Vthとする。例え ば InP系デバイス（実施例 2参照）の場合、ゲート格子 Aには例えば Vth + 0.3 V、ゲー ト格子 Bはそれより高く例えば Vth + 1.0 Vに設定すると、ゲート格子 Aの直下のチヤ ネルには 1011ないし 1012cm— 2の 2次元電子濃度に、ゲート格子 Bの直下のチャネルに は 1014cnf 2以上の準金属的高電子濃度に設定できる。一方、ゲート格子 Bのバイァ スを格子 Aのそれより低く例えば Vth -0.2 Vに設定すると、ゲート格子 Bの直下のチヤ ネルには 109cnf2以下の半絶縁的低電子濃度に設定できる。
[0035] まず、単独の格子 A直下の 2次元電子領域では、その領域の電子濃度と寸法：ゲ ート長（両側の異なる電子濃度領域までの間隔）に固有の周波数で電子プラズマが 共鳴励振する。半導体へテロ接合材料系でゲート長をサブミクロン、電子濃度を 1012c nf2程度の場合、プラズマ共鳴周波数はテラへルツ帯に達する。フォトミキサーの場合 は光波 2波を照射し、この 2波の周波数差をプラズマ共鳴周波数に設定しておくと、差 周波テラへルツ帯でプラズマ共鳴を励起できる。これが振動の源となる。この状態は 、飛び飛びの格子 Α直下の領域で個々にプラズマ共鳴が励起されている。ちなみに 単一の領域だけでは、このプラズマ共鳴は電磁波放射には至らない。なぜならブラ ズマ共鳴波の波長はゲート長オーダ (サブミクロン)であり、空間伝播するテラへルツ 電磁波の波長 (数 10ミクロン）とは桁違 、である力もである。
[0036] 格子 Aと Bが交互に繰り返し存在することから、プラズマ共鳴が飛び飛びの領域で 励起される。この周期構造、言い換えれば、電子濃度がゲート格子の周期で変調さ れた回折格子のような構造によって、この周期に対応した波長でも電子プラズマが共 鳴することとなる。ここに至っては、飛び飛びの領域のプラズマ共鳴波が互いに結合 しあい、全体として同期した大きな振動となる。この領域が空間伝播する電磁波の波 長と同程度まで広いと、このプラズマ振動と垂直方向に電磁波放射が生じる。つまり 非放射モードのプラズマ振動が放射モード電磁波へと変換が果たされることになる。 この周期構造によって決まるプラズマ周波数 Φは、この周期 (格子 Aと Bの 1組の距離 )を波長 λの整数倍とし、電子濃度に依存した位相速度例によって = νρ/ λで決定 される。格子 Α直下の電子濃度領域のプラズマ周波数と格子 Β直下の電子濃度領域 のプラズマ周波数は当然ながら異なり、格子 A直下のプラズマ周波数をテラへルツ領 域に、格子 B直下のプラズマ周波数をテラへルッカ 大きく外すように設定することに よって、格子 A直下のプラズマ共鳴が種となってその周波数の電磁波放射が得られ ることになる。格子 A、 Bの周期はプラズマ周波数を所望の範囲に設定できるように決 定される。ちなみにプラズマ周波数と周期性、電子濃度との関係は、非特許文献 4に 記されている。
実施例 4
[0037] 以下、具体的な構造'材料を仮定して、図 1に例示のテラへルツ電磁波放射素子の テラへルツ帯電磁波変換効率'放射効率の改善効果を示す。図 3は、数値解析する ために、図 1に対応して単純ィ匕した構造を示す鳥瞰図であり、図 4は、その断面図で ある。ここで、ノ ッファ層や電子供給層は、半絶縁性バルタ層と同一の性質 (誘電率と 導電率)として近似しており、また、図中の下部に示した数値目盛は、数値解析する 領域をメッシュ状に分割したメッシュ数を単位とする座標値である。
[0038] 図示したような 2次元電子層の電子濃度を 1012cnf2とする幅 0.1ミクロンの中濃度領 域と電子濃度が 1018cnf2と金属並みに高い幅 1.9ミクロンの高濃度領域を交互に 9周 期分構成し、その上部に導電率が中濃度 2次元電子層と同等のゲート電極を厚さ 0.1 ミクロンで周期的に形成し、その上部は空気層、 2次元電子層の下部は半絶縁性 Ga Asバルタ層とし、その下面には金属ミラーとして電気的完全反射条件を仮定する。こ の周期数は実施例 3で示したような条件を満たすように選ぶ必要があり、本来は数 10 〜数 100周期とするべきである力 例示のように、格子 A力 ¾領域、格子 Bが 10領域で 構成しても、電磁波放射特性の解析結果は構造依存性を示すため十分有効である
[0039] 中濃度 2次元電子領域のプラズマ周波数は、 S.A. Mikhailovの理論 (非特許文献 4 参照）により、ほぼ 3.4THzとなる。 GaAsの比誘電率を 13.1として、 2次元電子層と金属 ミラーとの間隙に形成される縦型共振器の共振器長がこのプラズマ周波数 3.4THzの 1/4波長となるように設定する。また、 2重回折格子型ゲート電極のプラズマ周波数も 3.4THzに一致するように、 S.A. Mikhailovの理論 (非特許文献 4参照）によって電極導 電率を設定する。
[0040] この周期的中濃度 2次元電子領域にプラズマ共鳴が励起された場合の、プラズマ 共鳴波から放射モード電磁波への変換、さらには素子上面の空気領域への電磁波 放射電力を数値解析する。解析は、この周期的中濃度 2次元電子領域をインパルス 電流源で励振し、それによつて生じた半絶縁性バルタ層内、及び空気領域の特定の 座標点における電界成分の周波数スペクトル強度分布を求める。ソース力もドレイン 電極方向を X軸に、金属ミラー面から上面への縦方向を z軸にとる。プラズマ共鳴波は 、 X軸方向の縦波振動波であり、放射電磁波は、電界力 軸成分で進行方向力 軸の 平面波となるので、電界の X成分を求める。
[0041] この構造の外周はすべて電磁波吸収境界条件を設定して時間領域有限差分法を 用いて電磁波の伝播姿態の時間発展を数値解析し、その時間応答波形をフーリエ 変換することによって周波数スペクトルを算出した結果を図 5、図 6に示す。なお、図 中 ΙΟΤΗζ以上の高周波域でのブロードで大きい電界成分のピークは数値解析上の 誤差 (振動的な解の収束誤差)であるので、無視することにする。
[0042] 図 5は、半絶縁性 GaAsバルタ層内の X軸中央で 2次元電子層力 0.4ミクロン下方の 点の電界 X軸成分のスペクトル強度分布を示す。解析結果 aは、裏面の金属ミラーと 2 重回折格子型ゲート電極を除去した構造、解析結果 bは、裏面の金属ミラーは設置し 、 2重回折格子型ゲート電極を除去した構造、解析結果 cは、裏面の金属ミラーと 2重 回折格子型ゲート電極を設置した本発明による構造である。金属ミラーの設置により 、 3.4THzを基本波とする共振効果が生じていることがわかる。更に、 2重回折格子型 ゲート電極の設置により、プラズマ周波数の 3.4THz近辺にて電界成分の増大効果が 見て取れる。
[0043] 図 6は、空気層内の X軸中央で 2次元電子層から 0.4ミクロン上方の点の電界 X軸成 分のスペクトル強度分布を示す。図 5の傾向と同様であるが、特に、 2重回折格子型 ゲート電極の設置により、プラズマ周波数の 3.4THzの低域側の広い周波数範囲にお V、て電界成分の増大効果が見て取れる。
[0044] 周波数 5THz付近より低 、周波数領域では半絶縁性 GaAsバルタ層内も空気層内も 電界成分の増大が得られており、電磁波放射利得が得られていることがわかる。利得 が得られること自体は、 S.A. Mikhailovの理論 (非特許文献 4参照）によって明らかで あるが、本発明は、縦型共振器構造を導入することによって、従前にない高い利得と 、より広い周波数特性を得ることができるのである。
実施例 5
[0045] 次に、図 2に例示の第二の例のテラへルツ電磁波放射素子について、テラへルツ 帯電磁波変換効率'放射効率の改善効果を示す。第二の例によれば、図 3,図 4に 示すような 2次元電子層の電子濃度を 1012cnf 2とする幅 0.1ミクロンの中濃度領域と電 子濃度が 107cm— 2と半絶縁性 GaAsバルタ層並みに低い幅 1.9ミクロンの低濃度領域を 交互に 9周期分構成し、その上部に導電率が中濃度 2次元電子層と同等のゲート電 極を厚さ 0.1ミクロンで周期的に形成し、その上部は空気層、 2次元電子層の下部は 半絶縁性 GaAsノ レク層とし、その下面には金属ミラーとして電気的完全反射条件を 仮定する。中濃度 2次元電子領域のプラズマ周波数は、 S.A. Mikhailovの理論により 、ほぼ 3.4THzとなる。 GaAsの比誘電率を 13.1として、 2次元電子層と金属ミラーとの 間隙に形成される縦型共振器の共振器長がこのプラズマ周波数 3.4THzの 1/4波長と なるよう〖こ設定する。また、 2重回折格子型ゲート電極のプラズマ周波数も 3.4THzに 一致するように、 S.A. Mikhailovの理論によって電極導電率を設定する。 [0046] この周期的中濃度 2次元電子領域にプラズマ共鳴が励起された場合の、プラズマ 共鳴波から放射モード電磁波への変換、さらには素子上面の空気領域への電磁波 放射電力を数値解析する。解析は、この周期的中濃度 2次元電子領域をインパルス 電流源で励振し、それによつて生じた半絶縁性バルタ層内、及び空気領域の特定の 座標点における電界成分の周波数スペクトル強度分布を求める。ソース力もドレイン 電極方向を X軸に、金属ミラー面から上面への縦方向を z軸にとる。プラズマ共鳴波は 、 X軸方向の縦波振動波であり、放射電磁波は、電界力 軸成分で進行方向力 軸の 平面波となるので、電界の X成分を求める。
[0047] この構造の外周はすべて電磁波吸収境界条件を設定して時間領域有限差分法を 用いて電磁波の伝播姿態の時間発展を数値解析し、その時間応答波形をフーリエ 変換することによって周波数スペクトルを算出した結果を図 7,図 8に示す。なお、図 5、図 6と同様、図中 ΙΟΤΗζ以上の高周波域でのブロードで大きい電界成分のピーク は数値解析上の誤差 (振動的な解の収束誤差)であるので、無視することにする。
[0048] 図 7は、半絶縁性 GaAsバルタ層内の X軸中央で 2次元電子層力 0.4ミクロン下方の 点の電界 X軸成分のスペクトル強度分布を示す。図中の凡例に示す記号 cは図 5の解 析結果 cに対応しており、裏面の金属ミラーと 2重回折格子型ゲート電極を設置した 本発明による構造である。金属ミラーの設置により、 3.4THzを基本波とする共振効果 が生じていることがわかる。更に、 2重回折格子型ゲート電極の設置により、プラズマ 周波数の 3.4THz近辺力も低域の広 、周波数領域にお!、て電界成分の増大効果が 見て取れる。
[0049] 図 8は、空気層内の X軸中央で 2次元電子層から 0.4ミクロン上方の点の電界 X軸成 分のスペクトル強度分布を示す。図 6の傾向と同様であるが、特に、 2重回折格子型 ゲート電極の設置により、プラズマ周波数 3.4THzの低域側の広い周波数範囲におい て電界成分の増大効果が見て取れる。特に、図 6の例と比較すると、周期的 2次元電 子層の幅 1.9ミクロンの周期的領域の電子濃度を 107cm— 2と半絶縁性 GaAsバルタ層並 みに低く設定したことにより、この領域のプラズマ周波数が 0. OlTHz以下の低周波 域に存在することになり、準金属的な高電子濃度に設定した (従ってこの領域のブラ ズマ周波数が ΙΟΤΗζ以上の高周波域に存在する）図 6の例よりも、より低い周波領 域にまで電界成分の増大効果が得られる。
本発明によれば、縦型共振器構造を導入することによって、従前にない高い利得と 、より広い周波数特性を得ることができるのである。

Claims

請求の範囲
[1] 2つのコヒーレントな光波を入力し、混合してその差周波数に対応したテラへルツ電 磁波を放射出力するテラへルツ電磁波放射素子において、
半絶縁性の半導体バルタ層と、
該半導体バルタ層の直上に半導体へテロ接合構造によって形成される 2次元電子 層と、
該 2次元電子層の 1辺に電気的に接続されたソース電極と、
該ソース電極に対向する該 2次元電子層の他の 1辺に接続されたドレイン電極と、 該 2次元電子層の上面近傍に該 2次元電子層と平行に、 2つの異なる直流バイアス 電位を交互に設定できる 2重ゲート電極格子と、
該半導体バルタ層の下面に接して膜状に形成されたテラへルツ帯では反射鏡とし て機能し、かつ光波帯では透明な、透明金属ミラーと、
によって構成され、
2つの光波を該透明金属ミラーの下面より入射させ、かつ、 2重ゲート電極格子に 2 つの異なる直流ノ ィァス電位を交互に与え、該 2重ゲート電極格子の配位に対応し て 2次元電子層の電子濃度を周期的に変調せしめたこと、
を特徴とするテラへルツ電磁波放射素子。
[2] 前記 2重ゲート電極格子は、入れ子型に 2重の回折格子状に形成された請求項 1〖こ 記載のテラへルツ電磁波放射素子。
[3] 前記半導体バルタ層の側面が該半導体バルタ層よりは低 、比誘電率を有する低誘 電材料で被覆されたことを特徴とする請求項 1又は 2に記載のテラへルツ電磁波放 射素子。
[4] 前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に一定の直流バイアス電位を与え、該 2次元 電子層内の 2次元電子を一様に直流ドリフト走行せしめたことを特徴とする請求項 1 〜3の 、ずれかに記載のテラへルツ電磁波放射素子。
[5] 前記 2重ゲート電極格子の第 1の回折格子ゲート電極の格子幅がサブミクロンオーダ に設定され、かつ、該第 1の回折格子ゲート電極と近隣の第 2の回折格子ゲート電極 との間隔がサブミクロン以下に設定され、かつ、該第 2の回折格子ゲート電極の格子 幅がミクロンな 、しサブミクロンオーダに設定され、
前記 2重ゲート電極格子の第 1の回折格子ゲート電極のバイアス電位を制御するこ とによって、該第 1の回折格子ゲート電極直下の 2次元電子層の電子濃度を 10の 11 乗毎平方センチメートル乃至 10の 13乗毎平方センチメートルに設定し、 2重ゲート 電極格子の第 2の回折格子ゲート電極のバイアス電位を制御することによって、該第 2の回折格子ゲート電極直下の 2次元電子層の電子濃度を準金属的に極めて高く設 定するか、或いは半絶縁的に極めて低く設定したこと、
を特徴とする請求項 1〜4のいずれか〖こ記載のテラへルツ電磁波放射素子。
[6] 前記 2重ゲート電極格子が、該第 1の回折格子ゲート電極直下の 2次元電子層内と 同程度の導電率を有する材料によって形成されたことを特徴とする請求項 5に記載 のテラへルツ電磁波放射素子。
[7] 前記 2重ゲート電極格子の厚みが、該 2重ゲート電極格子と該 2次元電子層との間隔 よりも薄いことを特徴とする請求項 6に記載のテラへルツ電磁波放射素子。
[8] 前記 2重ゲート電極格子が、半導体へテロ接合構造内に該 2次元電子層の上部に積 層してなる第 2の 2次元電子層をエッチング加工することによって形成され、かつ該第 2の 2次元電子層の導電率がゲートバイアス電位によって制御できることを特徴とする 請求項 7に記載のテラへルツ電磁波放射素子。
[9] 2次元電子層と透明金属ミラーの距離を、放射させる (テラへルツ帯)電磁波の波長 の（2n+ l) Z4倍 (但し nは整数）に設定したことを特徴とする請求項 6〜8のいずれ かに記載のテラへルツ電磁波放射素子。
[10] 2つのコヒーレントな光波を入力し、混合してその差周波数に対応したテラへルツ電 磁波を放射出力するテラへルツ電磁波放射素子の製造方法において、
半導体バルタ層となる基板の直上に半導体へテロ接合構造によって形成される 2 次元電子層と、該 2次元電子層の 1辺に電気的に接続されたソース電極と、該ソース 電極に対向する該 2次元電子層の他の 1辺に接続されたドレイン電極と、を形成し、 該 2次元電子層の上面近傍に該 2次元電子層と平行に、 2つの異なる直流バイアス 電位を交互に設定できる 2重ゲート電極格子を形成し、
該半導体バルタ層の下面に接して膜状に形成されたテラへルツ帯では反射鏡とし て機能し、かつ光波帯では透明な、透明金属ミラーを形成すること、
を特徴とするテラへルツ電磁波放射素子の製造方法。
前記半導体バルタ層の側面を、該半導体バルタ層よりは低 1ヽ比誘電率を有する低誘 電材料で被覆したことを特徴とする請求項 10に記載のテラへルツ電磁波放射素子 の製造方法。
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