(57)【要約】【課題】テラヘルツ波を発振または検出する半導体素子であって、放射効率または受信効率を向上させるために誘電体層を厚くする場合における寄生容量を抑制できる半導体素子を提供する。【解決手段】テラヘルツ波を発振または検出する半導体素子は、基板に対して垂直な方向に基板側から、第１電極と、テラヘルツ波の利得を有する半導体層と、半導体層と接続されており、半導体層とともにメサ構造を構成する第２電極と、半導体層と電気的に接続される第３電極と、第３電極と接続される第４電極と、が積層されており、第３電極と接触し、メサ構造を取り囲う第１誘電体層と、第１電極と第４電極との間に配置され、第３電極を取り囲う、第１誘電体層と素材の異なる第２誘電体層と、を有し、半導体素子において基板に対して平行な方向を面内方向と定義する場合に、所定の式を満たす。【選択図】図１
2020057739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を発振または検出する半導体素子であって、
基板に対して垂直な方向に基板側から、
第１電極と、
前記テラヘルツ波の利得を有する半導体層と、
前記半導体層と接続されており、前記半導体層とともにメサ構造を構成する第２電極と、
前記半導体層と電気的に接続される第３電極と、
前記第３電極と接続される第４電極と、
が積層されており、
前記第３電極と接触し、前記メサ構造を取り囲う第１誘電体層と、
前記第１電極と前記第４電極との間に配置され、前記第３電極を取り囲う、前記第１誘電体層と素材の異なる第２誘電体層と、
を有し、
前記半導体素子において前記基板に対して平行な方向を面内方向と定義する場合に、以下の式を満たす、
ことを特徴とする半導体素子。
ｄ０≦ｄ２≦ｄ１
ｄ０：前記半導体層の前記面内方向の長さ
ｄ１：前記第１誘電体層における前記第３電極と接触する面の前記面内方向の長さ
ｄ２：前記第３電極における前記第１誘電体層と接触する面の前記面内方向の長さ
【請求項２】
前記第１電極と前記第３電極との距離は、前記メサ構造における前記基板に対して垂直な方向の長さよりも長い、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記メサ構造と前記基板との間に、前記メサ構造と接続される、半導体または金属で構成される層であるポスト構造を有し、
前記ポスト構造と前記第３電極との距離は、前記メサ構造における前記基板に対して垂直な方向の長さよりも長い、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記第２誘電体層における前記基板に対して垂直な方向の長さは、前記第１電極と前記第３電極との距離よりも長い、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１誘電体層は、前記基板に対して垂直な方向に前記基板側から、
前記半導体層と、
前記第２電極と、
前記第２電極と前記第３電極との間に配置され、前記第３電極と前記第２電極とに接続する第５電極と、
が順に積層されたものを取り囲んでいる、
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第５電極と前記第２電極との接続部の前記面内方向の長さは、前記半導体層の前記面内方向の長さよりも短い、
ことを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第２電極は、前記半導体層とオーム性接続される電極である、
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項８】
前記第２誘電体層は、前記第１誘電体層より比誘電率が低い、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第１誘電体層は、無機材料によって構成されている、
ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記第２誘電体層は、有機材料によって構成されている、
ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記半導体層は、共鳴トンネルダイオードを含む、
ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記半導体素子は、パッチアンテナを含む、
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項１３】
テラヘルツ波を発振または検出する、第１電極と第４電極との間に形成される半導体層を有する半導体素子の製造方法であって、
前記テラヘルツ波の利得を有する前記半導体層と前記第１電極の一部である第２半導体層を基板上に形成するステップと、
前記半導体層上に第２電極を形成するステップと、
前記第２半導体層上に金属層を形成することによって前記第１電極を形成するステップと、
前記半導体層および前記第２電極から構成されるメサ構造を取り囲む第１誘電体層を形成するステップと、
前記第２電極と前記第４電極とを電気的に接続するために前記第１誘電体層にビアホールを形成して、当該ビアホールに、前記第２電極と接続する第５電極を形成するステップと、
前記メサ構造と前記第５電極と前記第１誘電体層とを取り囲む、前記第１誘電体層とは異なる素材によって構成される第２誘電体層を形成するステップと、
前記第２電極と前記第４電極とを電気的に接続するために前記第２誘電体層にビアホールを形成して、当該ビアホールに、前記第５電極と接続する第３電極を形成するステップと、
前記第２誘電体層を前記第１電極とによって挟む、前記第３電極と接続する前記第４電極を形成するステップと、
を有することを特徴とする製造方法。
【請求項１４】
前記半導体素子において前記基板に対して平行な方向を面内方向と定義すると、
前記第５電極を形成するステップでは、
前記第５電極と前記第２電極との接続部の前記面内方向の長さが、前記第１電極と前記半導体層との接続部の前記面内方向の長さよりも短い、前記第５電極を形成し、
前記第３電極を形成するステップでは、
前記第３電極における前記第１誘電体層と接触する面の前記面内方向の長さが、前記第１電極と前記半導体層との接続部の前記面内方向の長さ以上、かつ、前記第１誘電体層における前記第３電極と接触する面の前記面内方向の長さ以下である、前記第３電極を形成する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の電磁波（以下、「テラヘルツ波」とよぶ）を発生する電流注入型の光源として、テラヘルツ波の電磁波利得を有する素子を集積した発振器（半導体素子）が知られる。なかでも、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）を有するアンテナを集積した発振器は、１ＴＨｚ近傍の周波数領域で室温動作するとして期待されている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、ＲＴＤを有するスロットアンテナ共振器を半導体基板上に集積したテラヘルツ波の発振器が開示されている。非特許文献１では、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＡｌＡｓトンネル障壁層とからなる２重障壁型のＲＴＤを用いている。このようなＲＴＤを用いた発振器では、電圧―電流（Ｖ−Ｉ）特性で微分負性抵抗が得られる領域においてテラヘルツ波の発振が室温で実現できる。また、特許文献１には、ＲＴＤを有するパッチアンテナを基板上に集積したテラヘルツ波の発振器が開示されている。
【０００４】
また、パッチアンテナ等のマイクロストリップ型の共振器を用いた発振器では、発振器の表面に形成される電極と接地導体である電極との間に形成される誘電体層を厚くすることによって放射効率が改善することが知られている。これは、受信器においても同様であり、当該誘電体層を厚くすることによって受信効率が改善される。特許文献１においても、十分な誘電体層の厚さを有する発振器（半導体素子）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−５６９０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６（２００８）、ｐｐ．４３７５−４３８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、特許文献１などが示す発振器（半導体素子）では、誘電体層が厚いために、表面に形成される電極とＲＴＤとを電気的に接続する電極などが形成されており、誘電体層の薄い部分を２つの電極が挟む素子構造を有していた。そのため、当該素子構造によって寄生抵抗や寄生容量が増加していた（生じていた）。このように、従来は、発振器（半導体素子）の放射効率（受信効率）を向上させるために、誘電体層を厚くする構造にすると、当該構造によって寄生容量が増加していた。
【０００８】
本発明は上記を鑑み、テラヘルツ波を発振または検出する半導体素子であって、放射効率または受信効率を向上させるために誘電体層を厚くする場合における寄生容量を抑制できる半導体素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、
テラヘルツ波を発振または検出する半導体素子であって、
基板に対して垂直な方向に基板側から、
第１電極と、
前記テラヘルツ波の利得を有する半導体層と、
前記半導体層と接続されており、前記半導体層とともにメサ構造を構成する第２電極と、
前記半導体層と電気的に接続される第３電極と、
前記第３電極と接続される第４電極と、
が積層されており、
前記第３電極と接触し、前記メサ構造を取り囲う第１誘電体層と、
前記第１電極と前記第４電極との間に配置され、前記第３電極を取り囲う、前記第１誘電体層と素材の異なる第２誘電体層と、
を有し、
前記半導体素子において前記基板に対して平行な方向を面内方向と定義する場合に、以下の式を満たす、
ことを特徴とする半導体素子である。
ｄ０≦ｄ２≦ｄ１
ｄ０：前記半導体層の前記面内方向の長さ
ｄ１：前記第１誘電体層における前記第３電極と接触する面の前記面内方向の長さ
ｄ２：前記第３電極における前記第１誘電体層と接触する面の前記面内方向の長さ
【００１０】
本発明の第２の態様は、
テラヘルツ波を発振または検出する、第１電極と第４電極との間に形成される半導体層を有する半導体素子の製造方法であって、
前記テラヘルツ波の利得を有する前記半導体層と前記第１電極の一部である第２半導体層を基板上に形成するステップと、
前記半導体層上に第２電極を形成するステップと、
前記第２半導体層上に金属層を形成することによって前記第１電極を形成するステップと、
前記半導体層および前記第２電極から構成されるメサ構造を取り囲む第１誘電体層を形成するステップと、
前記第２電極と前記第４電極とを電気的に接続するために前記第１誘電体層にビアホールを形成して、当該ビアホールに、前記第２電極と接続する第５電極を形成するステップと、
前記メサ構造と前記第５電極と前記第１誘電体層とを取り囲む、前記第１誘電体層とは異なる素材によって構成される第２誘電体層を形成するステップと、
前記第２電極と前記第４電極とを電気的に接続するために前記第２誘電体層にビアホールを形成して、当該ビアホールに、前記第５電極と接続する第３電極を形成するステップと、
前記第２誘電体層を前記第１電極とによって挟む、前記第３電極と接続する前記第４電極を形成するステップと、
を有することを特徴とする製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、テラヘルツ波を発振または検出する半導体素子において、放射効率または受信効率を向上させるために誘電体層を厚くする場合における寄生容量を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１に係る半導体素子の構成を説明する図
【図２】変形例１に係る半導体素子の構成を説明する図
【図３】変形例１に係る半導体素子の解析例を説明する図
【図４】変形例１に係る半導体素子の解析例を説明する図
【図５】変形例２に係る半導体素子の構成を説明する図
【図６】変形例２に係る半導体素子の構成を説明する図
【図７】実施形態１に係る半導体素子の作製方法を示すフローチャート
【図８】実施形態１に係る半導体素子の作製方法の各工程の半導体素子を示す図
【図９】比較例を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜実施形態１＞
［素子の構成について］
本実施形態に係る半導体素子である素子１００について図１（Ａ）および図１（Ｂ）を用いて説明する。素子１００は、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を発振または検出する半導体素子である。
【００１４】
図１（Ａ）は素子１００の外観を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）が示す直線ＡＡ’によって、素子１００を切断した断面図である。ここで、テラヘルツ波とは、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域内の電磁波を示す。なお、直線ＡＡ’は、素子１００（共振器１１４）において、発振または検出するテラヘルツ波が共振する方向と平行であり、共振器１１４の重心（中心）を通るような直線である。
【００１５】
まず、素子１００の構成について説明する。素子１００は、主な構成要素として、テラヘルツ波を発振または検出するための共振器１１４と、バイアス回路１２０を有する。なお、以降の説明では、素子１００をテラヘルツ波の発振器として用いた例について説明する。しかし、他の例として、素子１００は、活性層（ＲＴＤ）の電流電圧特性において電圧変化に伴い電流の非線形性が生じる領域を用いてテラヘルツ波の検出器として動作させることもできる。
【００１６】
（共振器について）
共振器１１４は、半導体層１０２、第２電極１０３、第１電極１０４、第１誘電体層１０５、第５電極１０６、第３電極１０７、第４電極１０８、第２誘電体層１０９を有する。また、半導体層１０２は、ＲＴＤ１０１を含む。半導体層１０２、第２電極１０３は、メサ構造１１０を構成する。なお、以降、半導体層１０２、第２電極１０３、第１誘電体層１０５、第５電極１０６、第３電極１０７を構成する部分を、半導体部位１１９と称する。また、以降の説明では、各電極や半導体層１０２の積層方向、つまり基板１１１と垂直な方向における各構成の長さを「厚さ」または「高さ」と呼ぶ。各電極や半導体層１０２の、積層方向と直交するような、共振器１１４（素子１００）においてテラヘルツ波が共振する方向（共振方向；ＡＡ’方向）の長さを「幅」と呼ぶ。また、「高さ」方向において、第２誘電体層１０９に対して第４電極１０８が配置されている側を「上」と呼び、第２誘電体層１０９に対して第１電極１０４が配置されている側を「下」と呼ぶ。なお、各電極や各誘電体層は、本実施形態では円柱状や円筒状に形成されているため、「幅」は、基板１１１に対して平行な方向である面内方向の各構成の長さ（直径）であるともいえる。つまり、本実施形態における以降の説明では、「幅」は各構成の共振方向の長さに限らず、基板１１１に対して平行な方向（面内方向）の各構成の長さであればよい。
【００１７】
また、共振器１１４は、第１電極１０４と第４電極１０８の２つの導体で第２誘電体層１０９を挟むような構成である。このような構成は、有限な長さのマイクロストリップラインなどを用いたマイクロストリップ型の共振器として知られている。本実施形態では、代表的なマイクロストリップ型の共振器であるパッチアンテナを用いた例について説明す
る。なお、以降は、共振器１１４は、パッチアンテナ１１４として説明をする。
【００１８】
パッチアンテナ１１４では、基板１１１側（基板側）から、第１電極１０４、半導体層１０２、第２電極１０３、第５電極１０６、第３電極１０７、第４電極１０８の順に積層されている。また、半導体層１０２と第２電極１０３から構成されるメサ構造１１０と第５電極１０６とが第１誘電体層１０５に取り囲われている。従って、パッチアンテナ１１４では、基板１１１側から、第１電極１０４、第１誘電体層１０５、第３電極１０７、第４電極１０８が順に積層されているとも言える。なお、本実施形態では、第３電極１０７とメサ構造１１０と第５電極１０６と第１誘電体層１０５とが構成する半導体部位１１９が、第２誘電体層１０９に埋め込まれた構成となっている。ここで、本実施形態では、半導体部位１１９を構成する各電極およびメサ構造１１０は、円柱形状である。つまり、上述した「幅」は当該円柱の切断面である円の「直径」であるともいえる。なお、基板１１１は好適にはＩｎＰ基板である。
【００１９】
半導体層１０２は、半導体であるＲＴＤ１０１を内部に有する。ここで、ＲＴＤ（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ；共鳴トンネルダイオード）は、テラヘルツ波の周波数帯において電磁波利得（利得）を有する。
【００２０】
ＲＴＤ１０１は、複数のトンネル障壁層を含む共鳴トンネル構造層を有し、複数のトンネル障壁の間に量子井戸層が設けられており、キャリアのサブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する多重量子井戸構造を備える活性層である。ＲＴＤ１０１は、電流電圧特性の微分負性抵抗領域において、フォトンアシストトンネリング現象に基づくテラヘルツ波の周波数領域の電磁波利得を有しており、微分負性抵抗領域において自励発振する。
【００２１】
なお、ＲＴＤ１０１ではなく、数百から数千層の半導体多層構造を持つ量子カスケード構造（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ）を用いてもよい。この場合、半導体層１０２はＱＣＬ構造を含む半導体層となる。また、ＲＴＤ１０１ではなく、ミリ波帯でよく用いられるガンダイオードやインパットダイオードのような負性抵抗素子を用いてもよい。また、ＲＴＤ１０１ではなく、一端子を終端したトランジスタなどの高周波素子を用いてもよく、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、化合物半導体系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）なども好適である。また、ＲＴＤ１０１ではなく、超伝導体を用いたジョセフソン素子の微分負性抵抗を用いてもよい。
【００２２】
第１電極１０４は、基板１１１上に形成されており、半導体層１０２が上に配置されている。また、半導体層１０２と第１電極１０４とは電気的に接続されている。なお、オーム性損失を低減するため、半導体層１０２と第１電極１０４は低抵抗で接続されることが好ましい。なお、半導体層１０２において第１電極１０４が配置されている側と反対側には第２電極１０３が配置されており、第２電極１０３と半導体層１０２とが電気的に接続されている。また、接地導体である第１電極１０４は接地される。
【００２３】
第２電極１０３は、半導体層１０２とオーム性接続（オーム性接触）された電極（オーミック電極）であり、直列抵抗に起因したオーム性損失やＲＣ遅延の低減に好適である。このように、第２電極１０３をオーミック電極として用いる場合、材料としては、例えば、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、ＴｉＷ、Ｍｏ、ＥｒＡｓなどが好適に用いられる。また、第２電極１０３と接する半導体層１０２の領域が高濃度に不純物がドーピングされた半導体であれば、より接触抵抗が低くなり、高出力化と高周波化に好適である。なお、テラヘルツ波帯で用いられるＲＴＤ１０１の利得の大きさを示す負性抵抗の絶対値は概ね１〜１００Ωのオーダーであるため、電磁波の損失はその１％以下に抑える必要がある。したがって、オーミック電極におけるコンタクト抵抗は目安として１Ω以下に抑制する必要がある。また、テラヘルツ波帯で動作するために、半導体
層１０２の幅（≒第２電極１０３の幅）は典型値として０．１〜５μｍ程度である。このため、第２電極１０３では、抵抗率を１０Ω・μｍ２以下にして、コンタクト抵抗を０．１〜数Ωの範囲に抑制する必要がある。
【００２４】
なお、第２電極１０３は、オーム性ではなくショットキー接続するような金属を用いた構成であってもよい。この場合、第２電極１０３と半導体層１０２との接触界面は整流性を示すため、素子１００はテラヘルツ波の検出器として好適な構成となる。
【００２５】
第５電極１０６は、第１誘電体層１０５の内部に形成されており、第２電極１０３と接続している。また、第５電極１０６は、第２電極１０３と第３電極１０７とを電気的に接続する。なお、第２電極１０３の高さを十分に高くすることが可能である場合には、本実施形態において、第５電極１０６は必須ではない。つまり、第２電極１０３と第３電極１０７とが直接接続していてもよい。
【００２６】
第３電極１０７は、第２誘電体層１０９の内部に形成されており、第５電極１０６と接続している。なお、第３電極１０７は、第５電極１０６を取り囲む第１誘電体層１０５と接触している。第３電極１０７は、第１誘電体層１０５を介して第１電極１０４と対向するように配置されており、第５電極１０６を介して第２電極１０３と電気的に接続される。
【００２７】
第４電極１０８は、第３電極１０７と接続されており、第２誘電体層１０９を介して第１電極１０４と対向するように配置されている。また、第４電極１０８は、第３電極１０７および第５電極１０６を介してして第２電極１０３と電気的に接続される。
【００２８】
このように、第５電極１０６および第３電極１０７のように、上下の層間を電気的に接続する構造はビアと呼ばれる。第１電極１０４および第４電極１０８のそれぞれは、このようなビアを用いることによって、ＲＴＤ１０１に電流を注入するための電極としての役割を有することもできる。なお、ビアである第５電極１０６および第３電極１０７は、抵抗率が１×１０−６Ω・ｍ以下の材料によって構成されることが好ましい。具体的にはＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＡｕＩｎ合金、ＴｉＮ等の金属および金属化合物が好適に用いられる。
【００２９】
メサ構造１１０は、半導体層１０２および第２電極１０３とから構成される。メサ構造１１０は、第１誘電体層１０５によって周囲を被覆されており、第１誘電体層１０５に埋め込まれているような構成である。なお、メサ構造とは、高さ方向における当該構造の断面が台形や長方形などを形成するような構造である。
【００３０】
メサ構造１１０の高さｈ０は、半導体層１０２の高さと第２電極１０３の厚さの和に等しい。より詳細には、メサ構造１１０の高さｈ０は、第２電極１０３の厚さの最大値と半導体層１０２の高さとの和に等しい。
【００３１】
第１誘電体層１０５は、メサ構造１１０と第５電極１０６を取り囲んでいる（覆っている）。第１誘電体層１０５には、酸化シリコン（εｒ１＝４）、窒化シリコン（εｒ１＝７）、酸化アルミ、窒化アルミなどの無機材料（無機の絶縁体材料）が好適に用いられる。なお、εｒ１は第１誘電体層１０５の比誘電率である。これは、第１誘電体層１０５には、直流電圧に対して電気を通さない絶縁体・高抵抗体としてふるまう絶縁性、電極に用いる金属材料の拡散防止をするバリア性、サブミクロンの精度で加工が可能な加工性を有する素材が求められるからである。つまり、このような素材を用いる第１誘電体層１０５によれば、ＲＴＤ１０１（ダイオード）の微細化と高電流密度化ができるため素子１００（発振器）の高周波化と高出力化ができる。さらに、第１誘電体層１０５によれば、ダイ
オードの絶縁構造に対するリーク電流抑制やマイグレーション対策もできる。ここで、第１誘電体層１０５の厚さｈ１は、メサ構造１１０の高さｈ０より厚い。なお、本実施形態では、第１誘電体層１０５の厚さｈ１は、第３電極１０７と第１電極１０４との距離（最短距離）である。
【００３２】
第２誘電体層１０９は、第１電極１０４と第４電極１０８との間に配置され、第３電極１０７と第１誘電体層１０５を取り囲んでいる。第２誘電体層１０９には、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ２＝２）やテフロン（登録商標）、ポリイミドなどの有機材料（有機の誘電体材料）が好適に用いられる。なお、εｒ２は第２誘電体層１０９の比誘電率である。これは、第２誘電体層１０９には、３μｍ以上の厚膜が形成可能であり、テラヘルツ帯において低損失・低誘電率であり、加工性（平坦性やエッチングなど）がよい素材が求められるからである。このような素材によって構成される第２誘電体層１０９によれば、第２誘電体層１０９を厚くすることができるため、パッチアンテナ１１４の放射効率が上がり、素子１００の高出力化に繋がる。つまり、パッチアンテナ１１４における誘電体層が厚いことによって、テラヘルツ波の導体でのロスが低減され放射効率（受信効率）が改善される。なお、第２誘電体層１０９には、比較的厚膜が形成可能で誘電率が低いＴＥＯＳ酸化膜やスピンオングラスなどの無機の誘電体材料を用いてもよい。
【００３３】
なお、第２誘電体層１０９の厚さｈ２は厚いほど、パッチアンテナ１１４の放射効率は上がるが、厚すぎると多モードの共振が生じることがあるため、第１誘電体層１０５の厚さｈ１以上λ／１０以下の範囲で設計することが好ましい。ここで、λは、共振器１１４で共振するテラヘルツ波の第２誘電体層１０９における波長（実効波長）であり、テラヘルツ波の真空中の波長をλ０、第２誘電体層１０９の比誘電率をεｒ２とするとλ＝λ０×εｒ２−１／２で表わされる。なお、アンテナと空間（空気）のインピーダンス整合という観点からは、アンテナと空気の誘電率差は少ないほうが好ましい。従って、第２誘電体層１０９には、第１誘電体層１０５と異なる材料であり、εｒ１＞εｒ２が成立するような比誘電率が低い材料を用いることが好ましい。なお、パッチアンテナ１１４は、パッチ導体である第４電極１０８のＡＡ’方向（共振方向）の幅がλ／２共振器となるように設定されている。
【００３４】
なお、素子１００は、ＲＴＤ１０１を有するパッチアンテナ１１４が集積されたアクティブアンテナである。したがって、素子１００から発振されるテラヘルツ波の周波数ｆＴＨｚは、パッチアンテナ１１４と半導体層１０２のリアクタンスとを組み合わせた全並列共振回路の共振周波数として決定できる。具体的には、非特許文献１における発振器の等価回路に関する記載から、ＲＴＤとアンテナのアドミタンスを組み合わせた共振回路について、（１）式の振幅条件と（２）式の位相条件とを満たす周波数が発振周波数ｆＴＨｚとして決定できる。ここで、Ｒｅ［ＹＲＴＤ］は、半導体層１０２（ＲＴＤ１０１）のアドミタンス実部であり、負の値を有する。また、Ｒｅ［ＹＡＮＴ］はパッチアンテナ１１４のアドミタンス実部を示し、Ｉｍ［ＹＲＴＤ］とＩｍ［ＹＡＮＴ］とはそれぞれ、半導体層１０２とパッチアンテナ１１４のアドミタンス虚部を示している。
Ｒｅ［ＹＲＴＤ］＋Ｒｅ［ＹＡＮＴ］≦０  （１）
Ｉｍ［ＹＲＴＤ］＋Ｉｍ［ＹＡＮＴ］＝０  （２）
【００３５】
（バイアス回路について）
次に、線路１２５を経由してパッチアンテナ１１４と接続されているバイアス回路１２０について説明する。バイアス回路１２０は、ＲＴＤ１０１にバイアス電圧を供給するための回路である。
【００３６】
なお、線路１２５は、パッチアンテナ１１４内の共振電界に干渉しない程度の寸法が好
ましく、例えば、線路１２５の太さは実効波長λの１／１０以下（λ／１０以下）が好適である。ここで、線路１２５は、パッチアンテナ１１４などに影響を与えないように、ＡＡ’方向（共振方向）と垂直な方向に伸びていることが望ましい。また、線路１２５は、パッチアンテナ１１４に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に配置することが好ましい。このとき、線路１２５は、発振周波数ｆＴＨｚ付近の周波数帯においてＲＴＤ１０１の微分負性抵抗の絶対値よりインピーダンスが高い構成とされ、パッチアンテナ１１４内を定在する発振周波数ｆＴＨｚの電界との干渉が抑制されている。
【００３７】
バイアス回路１２０は、配線１２２、電源１２３、ＲＴＤ１０１と並列に接続されるシャント抵抗１２１、シャント抵抗１２１と並列に接続される容量１２４を含む。
【００３８】
配線１２２は、電源１２３と線路１２５を電気的に接続しており、寄生的なインダクタンス成分を必ず伴う。そこで、図１では、配線１２２をインダクタンスとして表示している。
【００３９】
電源１２３は、ＲＴＤ１０１の駆動に必要な電流を供給し、バイアス電圧を調整する。バイアス電圧は、典型的には、ＲＴＤ１０１の微分負性抵抗領域から選択される。バイアス回路１２０からのバイアス電圧は、線路１２５を介して素子１００に供給される。
【００４０】
シャント抵抗１２１および容量１２４（コンデンサ）は、バイアス回路１２０に起因する比較的低い共振周波数の寄生発振を抑制する。ここで共振周波数は、典型的には直流電流（ＤＣ）における１００ＧＨｚの周波数帯である。シャント抵抗１２１の抵抗値は、ＲＴＤ１０１の微分負性抵抗領域における微分負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値が選択される。容量１２４は、シャント抵抗１２１と同様に、ＲＴＤ１０１の微分負性抵抗の絶対値と素子のインピーダンスが等しいか、少し低く設定される。一般的には、容量１２１は、上述の抵抗値の範囲内で大きい方が好ましく、本実施形態では数十ｐＦ程度としている。容量１２４はデカップリング容量であり、例えば、パッチアンテナ１１４と基板を共にしたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造を利用してもよい。
【００４１】
［比較例の半導体素子の特徴］
図９（Ａ）および図９（Ｂ）には、本実施形態と比較する半導体素子を共振方向で切断した断面図を示す。ここで、素子１００と同じ構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４２】
図９（Ａ）が示す半導体素子において、第３電極１００７は、第２電極１０３に接続される幅の広い第６電極１０１３と、第４電極１０８に接続される幅の狭い第７電極１０１４とから構成されている。ここで、第３電極１００７と第１電極１０４との距離ｈ１がメサ構造１１０の高さｈ０より短いため、第１電極１０４と第６電極１０１３とが第１誘電体層１０５を挟むような構造に起因して、素子の寄生容量Ｃｍが増加する。また、半導体層１０２を含むメサ構造１１０の微細化（典型的には３μｍ以下）に伴い、ビアである第５電極１０６や第３電極１００７はサブミクロン（０．１μｍ）のオーダー（単位）の加工精度が要求される。
【００４３】
図９（Ｂ）には、第１誘電体層１０５における第３電極２００７と接触する面の幅ｄ１が、第３電極２００７における第１誘電体層１０５と接触する面の幅ｄ２より狭い構造（ｄ１＜ｄ２）の半導体素子を示した。このような図９（Ｂ）が示す半導体素子を製造しようとする場合、製造ばらつきに起因して、図９（Ｂ’）のように、第３電極２００７の片落ち（位置ずれ）などが生じてしてしまう可能性がある。この片落ちによっては、寄生容量Ｃｍの増大のリスクがある。このため、図９（Ｂ）が示す半導体素子は、製造誤差にロ
バストな構造ではないといえる。ここで、寄生容量Ｃｍは、ＲＣ遅延（ＲＣ時定数）の要因であり半導体素子の高出力化と高周波化を阻害するため、ＲＣ遅延は、共振する電磁波の周期よりも短く設計する必要がある。特に、テラヘルツ波の帯域では、配線や絶縁構造に起因する寄生容量も無視できないため、ダイオードの微細化に伴い、デバイスの製造誤差に起因した寄生容量に対してよりロバストな構造が求められる。一般的に、テラヘルツ波帯で用いるＲＴＤ１０１の容量ＣＲＴＤは１００ｆＦ以下であるから、寄生容量Ｃｍは少なくともその１割以下に抑制することが求められる。また、寄生容量Ｃｍの増加は、ＲＴＤとアンテナのインピーダンス不整合が生じさせるため、この点に関しても、半導体素子の高出力化を阻害する要因になり得る。
【００４４】
［本実施形態に係る素子の特徴］
上述の比較例に対して、本実施形態に係る素子１００では、第５電極１０６と第２電極１０３との接続部の幅ｄ３は、半導体層１０２と第１電極１０４との接続部の幅ｄ０より小さい。第３電極１０７における第１誘電体層１０５と接触する面の幅ｄ２は、幅ｄ０以上である。また、第１誘電体層１０５における第３電極１０７と接触する面の幅ｄ１は、幅ｄ２以上である。つまり、図１が示す本実施形態の素子１００は、下記の条件を満たす構造を備えている。
ｈ０＜ｈ１＜ｈ２
ｄ３＜ｄ０≦ｄ２≦ｄ１
ｈ０：メサ構造１１０の高さ
ｈ１：第１誘電体層１０５の厚さ
ｈ２：第２誘電体層１０９の厚さ
ｄ０：半導体層１０２と第１電極１０４との接続部の幅
ｄ１：第１誘電体層１０５における第３電極１０７と接触する面の幅
ｄ２：第３電極１０７における第１誘電体層１０５と接触する面の幅
ｄ３：第５電極１０６と第２電極１０３との接続部の幅
【００４５】
なお、幅ｄ０は、半導体層１０２と第２電極１０３との接続部の幅でもあり、半導体層１０２の幅でもあり、第２電極１０３の幅でもある。また、幅ｄ１は、第１誘電体層１０５において高さｈ０より厚さｈ１が厚い領域（ｈ０＜ｈ１）の幅でもある。
【００４６】
なお、幅ｄ２は、本実施形態では、第３電極１０７における第５電極１０６と接続する面の幅でもある。また、幅ｄ２は大きすぎると、共振電界に干渉してしまい、パッチアンテナ１１４の共振特性の劣化と寄生容量Ｃｍによる放射効率（受信効率）の低下が生じる。従って、幅ｄ２は、共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、典型的には、λ／１０以下が好適である。また、幅ｄ２は、直列抵抗を増やさない程度に小さくすることが可能であり、目安としては表皮深さの２倍程度まで縮小できる。よって、直列抵抗が１Ωを超えない程度まで小さくすることを考えると、幅ｄ２は典型的には０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲が目安である。
【００４７】
なお、上述のように素子１００が第５電極１０６を有さない場合には、ｄ３が存在せず、メサ構造１１０の高さｈ０＝ｈ１であるため、ｄ３＜ｄ０およびｈ０＜ｈ１の条件を満たす必要はない。なお、半導体層１０２と第２電極１０３と第５電極１０６と第３電極１０７とのそれぞれの重心は、一直線上に存在し、当該直線は基板１１１と垂直であることが望ましい。また、ｄ０≦ｄ２≦ｄ１ではなく、ｄ０＜ｄ２やｄ２＜ｄ１であると、さらに、位置ズレなどが生じにくい構造という観点では、効果がある。
【００４８】
このように、メサ構造１１０と各電極の幅の大小関係ｄ３＜ｄ０≦ｄ２を設定し、第１誘電体層１０５における第３電極１０７と接触する面の幅ｄ１を、第３電極１０７における第１誘電体層１０５と接触する面の幅ｄ２以上にさせている。つまり、素子１００は、
オーバーエッチングによる膜減りや位置ズレによる片落ちなどの製造誤差に起因した寄生容量が生じにくい構造、すなわち、製造誤差によりロバストな構造である。また、素子１００は、第１誘電体層１０５の厚さｈ１が、メサ構造１１０の高さｈ０より厚いので、第１電極１０４と第３電極１０７とで第１誘電体層１０５を挟むようなＭＩＭ構造に起因する寄生容量Ｃｍを低減することができる。また、バリア性・絶縁性・サブミクロン加工が求められる第１誘電体層１０５には無機の絶縁体膜である窒化シリコン層を用いている。パッチアンテナ１１４の放射効率（受信効率）を上げるため厚さが必要な第２誘電体層１０９には有機の誘電体膜であるＢＣＢを用いる。これにより、素子１００の高周波化と高出力化が実現できる。
【００４９】
［変形例１］
実施形態１では、１つのＲＴＤ１０１を有する素子１００について説明した。本変形例では、テラヘルツ波の電磁波利得を有するＲＴＤ１０１を２つ備えた素子２００を、図２を用いて説明する。ここで、ＲＴＤ１０１の数が増加すると、アンテナとＲＴＤ１０１のインピーダンス整合が容易ではなくなるが、一方でアンテナにおける電流が増加するという効果がある。
【００５０】
図２（Ａ）は素子２００の外観を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）が示す共振方向に延びる直線ＡＡ’によって、素子２００を切断した断面図である。素子２００は、パッチアンテナ２１４とバイアス回路１２０を有し、パッチアンテナ２１４は第１電極１０４と第４電極１０８と第２誘電体層１０９と２つの半導体部位１１９とを有する。ここで、この２つの半導体部位１１９は、それぞれ半導体部位１１９ａ、半導体部位１１９ｂと呼び、これらに含まれる各電極部などの構成要素についても”〜ａ”と”〜ｂ”と呼ぶものとする。つまり、本変形例に係る素子２００の構成要素のうち、”ａ”または”ｂ”以外が実施形態１に係る構成要素の符号と同一のものは、実施形態１に係る構成要素と同一であるため、説明は省略する。
【００５１】
ここで、半導体部位１１９ａおよび半導体部位１１９ｂのそれぞれの構成は、実施形態１に係る半導体部位１１９と同様であるが、配置される位置が異なる。具体的には、半導体部位１１９ａは、第４電極１０８の重心から共振方向（すなわちＡＡ‘方向）に３４μｍシフトした位置に配置されている。また、半導体部位１１９ｂは、第４電極１０８の重心から共振方向（すなわちＡＡ‘方向）に‐３４μｍシフトした位置に配置されている。すなわち、半導体部位１１９ａと半導体部位１１９ｂとは、第４電極１０８の重心を通りかつ、共振方向および積層方向と垂直な直線（中心線）を軸として線対称となる位置に配置される。この場合、ＲＴＤ１０１ａとＲＴＤ１０１ｂは、互いに位相が反転した状態（逆位相）で相互注入同期して発振する。
【００５２】
（ｈ０とｈ１との大小関係について）
以下では、第１電極１０４と第３電極１０７ａとの距離ｈ１（第１誘電体層１０５の厚さｈ１）と、メサ構造１１０ａの厚さｈ０との大小関係（比）が与える、素子２００への影響について、図３および図４を用いて説明する。また、以下の図３および図４を用いた説明では、説明を簡略化するために、半導体部位１１９ｂについての説明を省略するが、特別な記載がない限り、半導体部位１１９ｂは半導体部位１１９ａと同様の構成（条件）を有している（満たしている）ものとする。
【００５３】
ここで、本変形例では、上部から見た場合、第４電極１０８（パッチアンテナ２１４）は、一辺が１７０μｍの正方形である。また、第４電極１０８と第１電極１０４との間には、第２誘電体層１０９として厚さｈ２が５μｍのＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ１＝２）が配置されている。
【００５４】
メサ構造１１０ａは、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層１０２ａと第２電極１０３ａとから構成されており、円形のメサ状構造体（メサ構造）として形成される。従って、幅ｄ０は円状のメサ構造１１０ａの直径に相当し、幅ｄ０＝２μｍ、高さｈ０＝０．２５μｍである。また、幅ｄ３＝０．９μｍであり、幅ｄ２＝５μｍである。また、第１誘電体層１０５ａには窒化シリコン（εｒ２＝７）を用いるものとする。
【００５５】
図３は、パッチアンテナ２１４のアドミタンスの解析例である。具体的には、図３は、厚さｈ１に複数の値を適用した場合における、テラヘルツ波の周波数とパッチアンテナ２１４のアドミタンスとの関係を示している。なお、このアドミタンス解析には、ＡＮＳＹＳ社製の３次元電磁界解析ソフトウェアであるＨＦＳＳを用いている。
【００５６】
上述のような条件の下、第１誘電体層１０５ａの厚さｈ１を１．５μｍ，０．５μｍ，０．２μｍの３つの水準で変化させる。この３つの水準において、第１電極１０４と第３電極１０７ａとで第１誘電体層１０５ａとを挟んだ構造による寄生容量Ｃｍはそれぞれ、２ｆＦ，６ｆＦ，１５ｆＦと算出できる。つまり、第１誘電体層１０５ａの厚さｈ１が大きいほど、寄生容量Ｃｍは小さい。なお、ｈ０＝０．２５μｍであるから、ｈ１＝１．５μｍおよび０．５μｍの場合はｈ０＜ｈ１であり、ｈ１＝０．２μｍの場合はｈ０＞ｈ１である。
【００５７】
また、Ｉｍ［ＹＡＮＴ］＝０である周波数がパッチアンテナ２１４の共振周波数であるため、図３から、パッチアンテナ２１４の共振周波数は、ｈ０＞ｈ１の場合では０．４７ＴＨｚであることが分かる。これに対し、ｈ０＜ｈ１の場合では、パッチアンテナ２１４の共振周波数は、０．５１〜０．５３ＴＨｚの高周波にシフトすることが分かる。従って、ｈ０＜ｈ１を満たすような本変形例に係る素子２００であれば、寄生容量Ｃｍ低減による共振周波数の高周波シフトにより、共振周波数におけるパッチアンテナ２１４のインピーダンスがＲＴＤ１０１のインピーダンスと整合する方向にシフトする。このため、パッチアンテナ２１４の放射効率の向上が期待される。なお、図３が示すように、寄生容量Ｃｍが変化しても、Ｒｅ［ＹＡＮＴ］はほぼ変化していない。
【００５８】
図４は、ＲＴＤ１０１ａの直径が２μｍである素子２００の発振周波数および発振パワーの構造依存性の解析結果である。つまり、図４では、ｈ０に対するｈ１の比に応じた、素子２００の発振周波数および発振パワーを示している。発振周波数（共振周波数）ｆＴＨｚはパッチアンテナ２１４とＲＴＤ１０１ａおよびＲＴＤ１０１ｂのリアクタンスを考慮して見積もられている。なお、発振出力の解析には、ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｓｅｌ．  Ｔｏｐ．  Ｑｕａｎｔμｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  １９  （２０１３）  ８５００１０８．に開示された解析方法が用いている。
【００５９】
ここで、ｈ１／ｈ０の値が大きいほど、第１電極１０４と第３電極１０７とで第１誘電体層１０５ａを挟んだ構造の寄生容量Ｃｍが抑制されている。このため、図４が示すように、ｈ１＞ｈ０であれば、素子２００において、０．４５〜０．５０ＴＨｚの周波数帯で０．１〜０．２ｍＷのパワーの発振が得られる。
【００６０】
従って、ｈ１＞ｈ０である構造であれば、寄生容量Ｃｍが低減されるため、ＲＴＤ１０１ａおよびＲＴＤ１０１ｂのリアクタンスを考慮した素子２００の発振周波数は高周波化し、パッチアンテナ２１４の放射効率の向上による発振パワーの増加が見込める。
【００６１】
なお、本変形例では、ＲＴＤ１０１ａおよびＲＴＤ１０１ｂとして、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる２重障壁ＲＴＤについて説明した。しかし、これらの構造や材料系に限られることなく、他の構造や材料の組み合わせであっても本変形例の半導体素子を提供することができる。例えば、３重障壁量子井戸構造を有するＲＴＤや
、４重以上の多重障壁量子井戸を有するＲＴＤを用いてもよい。
【００６２】
また、ＲＴＤの材料としては、以下の組み合わせのそれぞれを用いてもよい。ここで、構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すればよい。
・ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／およびＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
・ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ
・ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ
・Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅ
【００６３】
このように、本変形例の素子構成は、ＲＴＤの微細化に伴う寄生容量を抑制し、また、製造ばらつきに対してもロバストな構成である。したがって、寄生容量が抑制による高周波化と高出力化が実現できるので、テラヘルツ波をより高効率に発振または検出できる半導体素子（アンテナ）を提供できる。
【００６４】
［変形例２］
次に、素子１００の他の変形例について図５および図６を参照して説明する。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、それぞれ、素子１００の変形例である素子３００、素子４００、素子５００の構成を説明する図である。また、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、それぞれ、素子１００の変形例である素子６００、素子７００、素子８００の構成を説明する図である。ここで、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）および図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、図１（Ｂ）や図２（Ｂ）と同様にパッチアンテナにおけるテラヘルツ波の共振方向で半導体素子を切断する断面図を示している。ここで、素子１００と同じ構成については、実施形態１と同じ符号を付しているため、当該構成の詳細な説明を省略する。
【００６５】
図５（Ａ）が示す素子３００は、実施形態１に係る第３電極１０７がテーパー構造化した第３電極３０７と、第５電極１０６がテーパー構造化した第５電極３０６を有する。テーパー構造とは、ＡＡ’方向に切断した断面図において台形を形成するような構造であり、ここでは、第４電極１０８と接続される第３電極３０７の面の幅ｄ５が、第５電極３０６と接続される第３電極３０７の面の幅ｄ２より大きい構造である。なお、テーパー構造は、必ずしも当該断面図において台形を形成する必要はなく、当該断面図において一方の底辺から他方の底辺にかけて幅が徐々に狭くなるもしくは広くなるような構造であってもよい。また、第５電極３０６と接続される第５電極３０６の面の幅が、第２電極１０３と接続される第５電極３０６の面の幅ｄ３より小さい構造でもある。なお、幅ｄ５は、放射効率の点で共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、例えば、λ／１０以下が好適であり、テーパー形状の角度Θは４５°以上であるように設計するとよい。ここで、角度Θは、ｔａｎΘ＝（（ｄ５−ｄ２）／２）／（ｈ２−ｈ１）である角度を示している。半導体プロセスで形成される実際の半導体素子の形状は本実施例のような構造が多く、より現実的な構造であると言える。
【００６６】
図５（Ｂ）が示す素子４００のように、第１誘電体層４０５を幅広くとって、第１誘電体層４０５と第２誘電体層１０９の２層でパッチアンテナを形成するような構造であってもよい。この場合、少なくとも第４電極１０８より広い領域を第２誘電体層１０９が取り囲むため、素子４００は、製造誤差に起因した寄生容量に対してロバストな構造である。
【００６７】
図５（Ｃ）が示す素子５００のように、第２誘電体層１０９に形成したビアホールの壁面に形成した薄膜電極が第３電極５０７である構造であってもよい。このような構造は、半導体プロセスで形成しやすい構造であり少ない工数で形成可能なため、より実用的である。とくに、金属の埋め込み工程が不要なため、歩留まりおよびコストの面でより実用的
である。
【００６８】
図６（Ａ）が示す素子６００は、メサ構造１１０と基板１１１との間に、メサ構造１１０と接続されるポスト構造６１２を有する。具体的には、素子６００は、メサ構造１１０の下に半導体や金属で構成される層であるポスト構造６１２を配置して、ポスト構造６１２を介してメサ構造１１０と第１電極１０４を電気的に接続する構造である。ここで、直列抵抗抑制のために、ポスト構造６１２は、高濃度にドーピングされた導電性の半導体で構成されることが好ましい。なお、導電性の高い半導体は、抵抗率が１×１０−５Ω・ｍ以下であることが好ましく、さらにｎ型のＩｎ５３Ｇａ４７ＡｓやＩｎＰであれば、ドナーのドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。このような構成によれば、第２誘電体層１０９の厚さｈ２をより厚くできるため、素子６００は、テラヘルツ波の放射効率が向上して高出力化が可能である。また、素子６００は、ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２をエピタキシャル成長した半導体基板を基板１１１として用いることができるので、より実用的な構造となっている。なお、素子６００は、第３電極４０７と導電性の高い半導体や金属で構成されるポスト構造６１２とで第１誘電体層１０５を挟んだ構造であるため、寄生容量を削減できる。素子６００においては、第１誘電体層１０５の厚さｈ１は、第３電極４０７とポスト構造６１２の距離である。
【００６９】
図６（Ｂ）が示す素子７００は、図５（Ｃ）が示す素子５００と同様に、第３電極５０７の内部を充填せずに、第２誘電体層１０９に形成したビアホールの壁面に薄膜電極を形成した構造である。このような構造によれば、図５（Ｃ）と同様に、半導体プロセスで形成しやすい構造であるため少ない工数で形成可能であり、より実用的である。
【００７０】
図６（Ｃ）が示す素子８００の構造は、半導体の形成プロセスにおいて実際に形成される構造により近い構造である。この場合、各層の重ね合わせ精度を緩くして製造誤差のマージンを確保するため、第３電極８０７は、第２電極１０３と接続された幅の広い第６電極８１３と、第４電極１０８と接続された幅の狭い第７電極８１４とから構成される。このような構造においても、厚さの条件であるｈ０＜ｈ１と幅の条件であるｄ２≦ｄ１を満たしているため、素子８００は、製造誤差のマージンを確保しながら寄生容量が低減することができる。なお、図６（Ｃ）のように、共振方向に第１誘電体層８０５の厚さ分布がある場合は、第６電極８１３とポスト構造６１２とで挟さんだ第１誘電体層の厚さの最小値をｈ１として定義できる。つまり、厚さｈ１は、ポスト構造６１２と第３電極８０７（第６電極８１３）との最短距離であるとも言える。
【００７１】
＜実施例１＞
本実施例では、変形例１に係るテラヘルツ波を発振する素子２００のより詳細な構成について、図２を用いて説明する。ここでは、変形例１に係る素子２００の特徴的な部分について説明し、その他の部分の説明については省略する。
【００７２】
素子２００は、パッチアンテナ２１４を有し、０．４５〜０．５０ＴＨｚの周波数帯域で単一モード発振が可能な半導体デバイスである。
【００７３】
パッチアンテナ２１４は、第１電極１０４、メサ構造１１０ａ、第２電極１０３ａ、第５電極１０６ａ、第３電極１０７ａ、第４電極１０８ａ、第１誘電体層１０５ａ、第２誘電体層１０９とを有する。なお、パッチアンテナ２１４は、メサ構造１１０ｂ、第２電極１０３ｂ、第５電極１０６ｂ、第３電極１０７ｂ、第４電極１０８ｂ、第１誘電体層１０５ｂも有するが以下の説明については省略する。つまり、以下では、説明を簡略化するために、半導体部位１１９ｂが有する構成についての説明を省略するが、特別な記載がない限り、半導体部位１１９ｂは半導体部位１１９ａと同様の構成を有しているものとする。
【００７４】
パッチアンテナ２１４では、基板１１１側から、第１電極１０４、半導体層１０２ａ、第２電極１０３ａ、第５電極１０６ａ、第３電極１０７ａ、第４電極１０８が積層されており、それぞれの構成が電気的に接続されている。パッチアンテナ２１４は、第４電極１０８の一辺が１７０μｍの正方形パッチアンテナであり、アンテナの共振器長Ｌは１７０μｍである。
【００７５】
第１電極１０４は、Ｔｉ層（２０ｎｍ）／Ｐｄ層（２０ｎｍ）／Ａｕ層（２００ｎｍ）からなる金属と電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上のｎ＋−ＩｎＧａＡｓ層（１００ｎｍ）からなる半導体とから構成されている。また、金属と半導体は、低抵抗なオーミック接触により接続される。
【００７６】
メサ構造１１０ａは、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層１０２ａと第２電極１０３ａとから構成され、メサ状の構造体（メサ構造）として形成される。例えば、本実施例で用いる直径２μｍの円状のメサ構造１１０ａであれば、ＲＴＤ１０１ａの微分負性抵抗の大きさはダイオード１個当たり約−３０Ωである。この場合、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層１０２ａの微分負性コンダクタンス（ＧＲＴＤ）は３０ｍＳ、ＲＴＤ１０１ａのダイオード容量（ＣＲＴＤ）は１０ｆＦと見積もられる。
【００７７】
ＲＴＤ１０１ａは、格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造から構成される、二重障壁構造のＲＴＤである。当該ＲＴＤの半導体ヘテロ構造は、Ｊ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｍｉｌｌｉ  Ｔｅｒａｈｚ  Ｗａｖｅｓ  （２０１４）  ３５：４２５−４３１に開示された構造である。ＲＴＤ１０１ａの電流電圧特性は、測定値でピーク電流密度は９ｍＡ／μｍ２、単位面積当たりの微分負性コンダクタンスは１０ｍＳ／μｍ２である。
【００７８】
ＲＴＤ１０１ａおよびＲＴＤ１０１ｂは、第４電極１０８の重心から共振方向（ＡＡ‘方向）に距離３４μｍおよび−３４μｍだけシフトした位置に配置されている。なお、ＲＴＤの位置は、パッチアンテナ２１４にＲＴＤから高周波を給電する際の入力インピーダンスに影響する。ＲＴＤ１０１ａとＲＴＤ１０１ｂは、互いに位相が反転した状態（逆位相）で相互注入同期して発振する。
【００７９】
第２電極１０３ａは、Ｔｉ層（２０ｎｍ）／Ｐｄ層（２０ｎｍ）／Ａｕ層（２００ｎｍ）からなるオーミック電極である。第２電極１０３ａは、半導体層１０２ａに形成された電子濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上のｎ＋−ＩｎＧａＡｓ層（１００ｎｍ）からなる半導体と低抵抗なオーミック接触で接続されている。
【００８０】
第５電極１０６ａおよび第３電極１０７ａは、Ｃｕを含む導体で構成されている。
【００８１】
第４電極１０８は、抵抗率の低いＡｕ薄膜を主体とした金属層を用いられている。具体的には、第４電極１０８は、Ｔｉ（５ｎｍ）／Ａｕ（３００ｎｍ）を含む金属で構成されている。第４電極１０８と第１電極１０４との間には、第２誘電体層１０９として５μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ２＝２）が配置されている。
【００８２】
また、第４電極１０８は、線路１２５を介して、バイアス回路１２０と接続される。第４電極１０８は、発振周波数ｆＴＨｚでパッチアンテナ２１４に定在する高周波電界の節で線路１２５と接続されており、線路１２５と発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の共振電界との干渉を抑制している。容量１２４はＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）容量である。容量１２４の大きさは、本実施例では１００ｐＦである。容量１２４には、ワイヤーボンディングを含む配線１２２が接続され、電源１２３によりＲＴＤ１０１ａのバイアス電圧が調整される。
【００８３】
＜作製方法＞
以下では、実施形態１に係る素子１００の作製方法（製造方法）を、図７が示すフローチャートを用いて説明する。なお、以下に示す作製方法（製造方法）は、人である作製者がおこなってもよいし、これに限らず形成装置などの機械（装置）によっておこなわれてもよい。
【００８４】
Ｓ１００１において、図８（Ａ）が示すように、基板１１１上に、ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２および高濃度にドーピングされた導電性の高い第２半導体層１０４１が形成される。ここで、半導体層１０２および第２半導体層１０４１は、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法などによって、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ系の半導体多層膜構造をエピタキシャル成長させて形成される。なお、第２半導体層１０４１は、抵抗率が１×１０−５Ω・ｍ以下であることが好ましく、さらにｎ型のＩｎ５３Ｇａ４７ＡｓやＩｎＰであれば、ドナーのドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３以上であることが好ましい。
【００８５】
Ｓ１００２において、図８（Ｂ）が示すように、ＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２の上（半導体層上）にＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０／２０／２００ｎｍ）がスパッタリング法により成膜されることで、オーミック電極である第２電極１０３が形成される。
【００８６】
Ｓ１００３において、図８（Ｃ）が示すように、第２電極１０３およびＲＴＤ１０１を含む半導体層１０２が直径２μｍの円形のメサ形状に成形され、メサ構造１１０が形成される。ここで、メサ形状の形成にはフォトリソグラフィーとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いられる。
【００８７】
Ｓ１００４において、図８（Ｄ）が示すように、エッチングされた面にリフトオフ法により、Ｔｉ層（２０ｎｍ）／Ｐｄ層（２０ｎｍ）／Ａｕ層（２００ｎｍ）からなる金属層１０４２が形成される。なお、第１電極１０４は、金属層１０４２と第２半導体層１０４１とから構成されている。つまり、Ｓ１００１において、基板上に第１電極１０４の一部が形成されて、Ｓ１００４において第１電極１０４の他の部分が形成されることによって、第１電極１０４が形成される。
【００８８】
Ｓ１００５において、図８（Ｅ）が示すように、プラズマＣＶＤ法により厚さｈ１が０．５μｍの窒化シリコンが成膜され、メサ構造１１０を取り囲むように第１誘電体層１０５が形成される。
【００８９】
Ｓ１００６において、図８（Ｆ）が示すように、第１誘電体層１０５における第５電極１０６を形成する場所に、フォトリソグラフィーとドライエッチングを用いて幅が１．５μｍのビアホールが形成される。そして、ビアホール内にＣｕを含む導体でビアである第５電極１０６が形成される。従って、ビアホールの幅である１．５μｍは、幅ｄ３と等しい長さである。ここで、Ｓ１００６では、幅ｄ３が幅ｄ０よりも短いように、第５電極１０６が形成される。
【００９０】
Ｓ１００７において、図８（Ｇ）が示すように、スピンコート法とドライエッチング法とによって、厚さｈ２が５μｍのＢＣＢを用いて、埋め込みおよび平坦化をおこなうことにより、第２誘電体層１０９が形成される。ここで、第２誘電体層１０９は、メサ構造１１０と第５電極１０６と第１誘電体層１０５とを取り囲むように形成される。
【００９１】
Ｓ１００８において、図８（Ｈ）が示すように、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法により第３電極１０７を形成する部分のＢＣＢが除去され、ビアホールが形成され
る。この際、グレースケール露光を含むフォトリソグラフィを用いることによって、第２誘電体層１０９に形成するビアホールのテーパー角度を任意に制御することもできる。そして、ビアホール内にＣｕを含む導体でビアである第３電極１０７が形成される。ここで、スパッタリング法、電気めっき法、化学的機械研磨法を用いて、第５電極１０６と接するようにＣｕでビアホールが埋め込まれ、平坦化される。なお、幅ｄ２が、幅ｄ０以上かつ幅ｄ１以下であるように、第３電極１０７が形成される。
【００９２】
Ｓ１００９において、図１（Ｂ）が示すように、Ｔｉ／Ａｕから構成される、第１電極１０４とによって第２誘電体層１０９を挟むような第４電極１０８がリフトオフ法により形成される。以上により、パッチアンテナ１１４が作製（生成）できる。
【００９３】
Ｓ１０１０において、作製者は、シャント抵抗１２１やＭＩＭ容量１２４を形成して、ワイヤーボンディングなどで配線１２２および電源１２３と接続する。そして、作製者が、電源１２３などとパッチアンテナ１１４とを線路１２５を介して接続することにより素子１００は完成する。
【００９４】
このように作製される素子１００への電力の供給は、バイアス回路１２０から行われ、通常は微分負性抵抗領域となるバイアス電圧を印加してバイアス電流が供給されると、素子１００は発振器として動作する。
【００９５】
なお、上述したように、実施例１（変形例１）に係る半導体部位１１９ａおよび半導体部位１１９ｂは、実施形態１に係る半導体部位１１９と同様の構成である。そのため、上述した作成方法によって、実施例１に係る素子２００を形成することも可能である。
【００９６】
このように素子１００は、誘電体層の厚さが十分にあるように、かつ、各電極の幅が所定の条件を満たすように作製される。従って、素子１００によれば、パッチアンテナ１１４の放射効率が向上し、かつ、寄生容量の発生を抑制できる。
【００９７】
［その他の変形例］
以上、本発明の好ましい実施形態および変形例について説明したが、本発明はこれらの実施形態および変形例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、上述の素子の作製方法を形成装置やコンピュータが実行するためのプログラムにも本発明は適用可能である。
【００９８】
また、例えば、上述の実施形態および変形例では、キャリアが電子である場合を想定して説明しているが、これに限定されるものではなく、正孔（ホール）を用いたものであってもよい。また、基板や誘電体の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、ガリウムリンなどの半導体や、ガラス、セラミック、テフロン（登録商標）、リエチレンテレフタラートなどの樹脂を用いることができる。
【００９９】
さらに、上述の実施形態および変形例では、テラヘルツ波の共振器として正方形パッチアンテナを用いているが、共振器の形状はこれに限られたものではない。例えば、矩形および三角形等の多角形、円形、楕円形等のパッチ導体を用いた構造の共振器等を用いてもよい。
【０１００】
また、半導体素子に集積する微分負性抵抗素子の数は、１つに限るものではなく、微分負性抵抗素子を複数有する共振器としてもよい。線路の数も１つに限定されず、複数の線路を設ける構成でもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１００：素子、１０２：半導体層、１０３：第２電極、１０４：第１電極
１０５：第１誘電体層、１０７：第３電極、１０８：第４電極
１０９：第２誘電体層、１１０：メサ構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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