(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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、検出部は、半導体基板と、半導体基板の上に配置された第１半導体層、第１半導体層の上に配置された第１量子井戸層、および、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、半導体基板の上に形成され、かつ、第１半導体層に接続された第１の電極と、半導体基板の上に形成され、かつ、第２半導体層に接続された第２の電極と、を備えており、第２の電極は、第１量子井戸層を介する導通経路でのみ、第１の電極に導通しており、検出部は、非線形の電流−電圧特性（特性線Ｌ１）を有しており、電流−電圧特性（特性線Ｌ１）において、第１能動素子に順方向電圧が印加されているとき、順方向電圧の電圧値が大きいほど、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。【選択図】図５
2020115500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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、
請求項１に記載のテラヘルツ素子。
【請求項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、
請求項２に記載のテラヘルツ素子。
【請求項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、
請求項２または請求項３に記載のテラヘルツ素子。
【請求項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、
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。
【請求項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、
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。
【請求項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、
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。
【請求項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、
請求項７に記載のテラヘルツ素子。
【請求項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、
請求項８に記載のテラヘルツ素子。
【請求項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、
請求項７ないし請求項９のいずれか一項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項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、
請求項１０に記載のテラヘルツ素子。
【請求項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、
請求項７ないし請求項１１のいずれか一項に記載のテラヘルツ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、テラヘルツ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−８７１５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【発明の効果】
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態にかかるテラヘルツ素子の平面パターンの模式図である。
【図２】図１の領域ＩＩを拡大した要部拡大図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面であって、第１実施形態にかかるテラヘルツ素子の断面の模式図である。
【図４】図３の一部を拡大した要部拡大断面図である。
【図５】検出部の電流−電圧特性を示す図である。
【図６】第２実施形態にかかるテラヘルツ素子の平面パターンの模式図である。
【図７】発振部の断面の模式図である。
【図８】図７の一部を拡大した要部拡大断面図である。
【図９】第３実施形態にかかるテラヘルツ素子の平面パターンの模式図である。
【図１０】第３実施形態にかかるテラヘルツ素子の要部拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【符号の説明】
【００５１】
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
【図１】
2020115500.tif 000003
【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】
2020115500.tif 000009
【図８】
2020115500.tif 000010
【図９】
2020115500.tif 000011
【図１０】
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