(57)【要約】【課題】高出力のテラヘルツ波放射素子を提供する。【解決手段】本発明のテラヘルツ波放射素子１０は、Ｓｉ基板１０１と、Ｓｉ基板１０１上に形成されたアンドープＧａＮ層１０３と、アンドープＧａＮ層１０３上に形成された、アンドープＧａＮ層１０３とバンドギャップが異なるアンドープＡｌＧａＮ層１０４と、アンドープＡｌＧａＮ層１０４上に形成されたゲート電極１０６と、アンドープＧａＮ層１０３と電気的に接続されたソース電極１０５及びドレイン電極１０７とを備え、ソース電極１０５とドレイン電極１０７との間に電流を流すことによりゲート電極１０６下方でテラヘルツ電磁波が発生し、発生したテラヘルツ電磁波がＳｉ基板１０１の下面から放射される。【選択図】図１
2010225808.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に形成された、前記第１の窒化物半導体層とバンドギャップが異なる第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に形成されたゲート電極と、
前記第１の窒化物半導体層と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極とを備え、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電流を流すことにより前記ゲート電極下方でテラヘルツ電磁波が発生し、発生したテラヘルツ電磁波が前記Ｓｉ基板の下面から放射される
テラヘルツ波放射素子。
【請求項２】
前記Ｓｉ基板が高抵抗Ｓｉ基板である
請求項１に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項３】
前記ソース電極、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極の少なくとも１つは、Ａｇ、Ａｕ及びＡｌのいずれかを含む
請求項１又は２に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項４】
前記テラヘルツ波放射素子は、さらに、前記Ｓｉ基板と前記第１の窒化物半導体層との間に形成された、前記第１の窒化物半導体とＳｉ基板との格子不整合を緩和する中間層を備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項５】
前記第１の窒化物半導体層がアンドープＧａＮ層であり、
前記第２の窒化物半導体層がアンドープＡｌＧａＮ層であり、
前記中間層がＡｌＮ単層膜、あるいはＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層の２層からなる
請求項４に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項６】
前記テラヘルツ波放射素子は、さらに、前記Ｓｉ基板の下面に形成された、テラヘルツ電磁波を集光する集光部を備える
請求項１〜５のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項７】
前記集光部は、マイクロレンズ、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート及び分布屈折率型レンズのいずれかである
請求項６に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項８】
前記集光部がＳｉ基板の下面に形成されたグレーティングにより構成されるグレーティングレンズである
請求項６に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項９】
前記グレーティングが同心円状に配置された複数の溝を有する
請求項８に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項１０】
Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に形成された、前記第１の窒化物半導体とバンドギャップが異なる第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に形成された第１のゲート電極と、
前記第１の窒化物半導体層と電気的に接続された第１のソース電極及び第１のドレイン電極と、
前記Ｓｉ基板上に形成された第３の窒化物半導体層と、
前記第３の窒化物半導体層上に形成された、前記第３の窒化物半導体とバンドギャップが異なる第４の窒化物半導体層と、
前記第４の窒化物半導体層上に形成された第２のゲート電極と、
前記第３の窒化物半導体層と電気的に接続された第２のソース電極及び第２のドレイン電極とを備え、
前記第１のソース電極と前記第１のドレイン電極との間に電流を流すことにより前記第１のゲート電極下方でテラヘルツ電磁波が発生し、かつ前記第２のソース電極と前記第２のドレイン電極との間に電流を流すことにより前記第２のゲート電極下方でテラヘルツ電磁波が発生し、発生したテラヘルツ電磁波が前記Ｓｉ基板の下面から放射される
テラヘルツ波放射素子アレイ。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射素子によりテラヘルツ電磁波を発生させる
テラヘルツ波の発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚのテラヘルツ帯の電磁波を放射する半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ帯の電磁波は、電波の有する透過性と、光の有する広帯域性、可干渉性及び集光性とを有し、セキュリティ、バイオ、環境及び通信などの様々な分野での応用が期待されている。テラヘルツ電磁波を放射する装置として光伝導素子、テラヘルツパラメトリック発生器、量子カスケードレーザ、炭酸ガスレーザ及び後進波管などが用いられている。しかしこれらの装置では、大規模で高価なフェムト秒レーザ又はピコ秒レーザが必要であることや、極低温に冷却させて動作させる必要があることなどから、装置の小型化及び低価格化が困難となっている。
【０００３】
小型かつ安価で冷却不要なテラヘルツ放射装置の実現に向け、半導体中の電子プラズマを利用したデバイスの研究開発が精力的に進められている。これは、短ゲート長の電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor;FET）における２次元電子ガスからテラヘルツ電磁波が放射されるというものである。プラズマ波の速度は１０8ｃｍ／ｓ台と単一の電子の速度に比べて１桁以上高く、通常の電子デバイスでは困難なテラヘルツ帯の動作が可能となる。放射の動作原理自体は１９９３年にDyakonovらによって提唱されている（非特許文献１）。
【０００４】
図１０は非特許文献１中の図１に示されたテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。
【０００５】
このテラヘルツ波放射素子は、半導体層１１０、ゲート絶縁膜１１１、２次元電子ガスが存在する２次元電子ガス領域１０３ａ、ソース電極１０５、ゲート電極１０６及びドレイン電極１０７から構成されている。同テラヘルツ波放射素子では、ソース電極１０５とドレイン電極１０７とにバイアス電圧を印加して直流電流を流すと、電流の担い手である２次元電子ガスが、２次元電子ガス領域１０３ａにおけるソース電極１０５端及びドレイン電極１０７端での反射により不安定な状態となる。この不安定性がテラヘルツ周波数でのプラズマ振動を誘起し、テラヘルツ電磁波の放射を引き起こす。
【０００６】
近年になって同技術の急速な進展が見られ、２００６年には室温においてテラヘルツ電磁波の放射が実験的に実証された（非特許文献２）。非特許文献２によればＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料系の高電子移動度トランジスタ（High Electron Mobility Transistor;HEMT）から０．１μＷ程度のテラヘルツ電磁波出力が得られている。
【非特許文献１】Physical Review Letters, Vol.71, No.15, pp2465-2468 (1993)
【非特許文献２】Applied Physics Letters, 88, 141906 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように半導体中の電子プラズマを利用して、室温でテラヘルツ電磁波を放射できるデバイスの実験的実証が進んでいる。しかしながら、放射されるテラヘルツ電磁波の強度は１μＷ以下と微弱であり、このことが実用化に向けて最大の課題となっている。
【０００８】
発明者らは出力が小さい原因を熟慮した結果、プラズマ振動が生成するテラヘルツ電磁波を放射状として効率よく外部に取り出せていないものと考えるに至った。具体的にはゲート、ソース及びドレインとして形成されている電極での反射、吸収損失が大きいと考えられる。
【０００９】
電極に用いられる一般的な金属では、テラヘルツ周波数帯での複素屈折率が数百のオーダーと非常に大きい。金属材料と半導体材料との屈折率差が非常に大きいことから、半導体と金属との界面で電磁波がほぼ全反射されることになる。さらに屈折率の虚数部が大きいため、金属中を伝播する間にテラヘルツ電磁波が吸収され減衰してしまう。
【００１０】
このような反射と吸収を考慮すると、金属電極の透過率は０．１％以下と見積もることができる。従って、従来のデバイスではテラヘルツ電磁波はゲート電極とソース電極との間隙や、ソース電極とドレイン電極との間隙といった、電極が形成されていない領域からのみ出射しているといえる。電極の間隙部分は電極に比べて面積が非常に小さいため、高い出力の放射波を得ることは困難である。
【００１１】
非特許文献１及び２では、テラヘルツ電磁波の発生原理には言及しているものの、上記に示した外部への放射効率や反射及び吸収損失といった点は考慮されていない。
【００１２】
そこで本発明は、かかる問題点に鑑み、高出力のテラヘルツ波放射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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明のテラヘルツ波放射素子は、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成された、前記第１の窒化物半導体層とバンドギャップが異なる第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に形成されたゲート電極と、前記第１の窒化物半導体層と電気的に接続されたソース電極及びドレイン電極とを備え、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に電流を流すことにより前記ゲート電極下方でテラヘルツ電磁波が発生し、発生したテラヘルツ電磁波が前記Ｓｉ基板の下面から放射されることを特徴とする。
【００１４】
これにより、基板の下面側からテラヘルツ電磁波が放射されるため、従来のように基板の上面側に形成されているゲート電極、ソース電極及びドレイン電極でのテラヘルツ電磁波の反射や吸収による放射損失を回避することができる。基板材料にはテラヘルツ帯で低損失のＳｉが用いられているため、発生したテラヘルツ電磁波を減衰させることなく外部に放射することが可能である。
【００１５】
ここで、前記Ｓｉ基板が高抵抗Ｓｉ基板であることが好ましい。
高抵抗Ｓｉ基板はテラヘルツ帯で極めて低損失であるため、テラヘルツ電磁波が基板中を伝播する際の減衰を大幅に抑制し、高い出力のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。
【００１６】
また、前記ソース電極、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極の少なくとも１つは、Ａｇ、Ａｕ及びＡｌのいずれかを含むことが好ましい。
【００１７】
Ａｇ、Ａｕ及びＡｌはテラヘルツ帯の電磁波に対し特に反射率の高い材料であるため、基板の上方に放射されるテラヘルツ電磁波を下方に反射し、基板の下面からのテラヘルツ電磁波の出力を増やすことができる。
【００１８】
また、前記テラヘルツ波放射素子は、さらに、前記Ｓｉ基板と前記第１の窒化物半導体層との間に形成された、前記第１の窒化物半導体とＳｉ基板との格子不整合を緩和する中間層を備えることが好ましい。
【００１９】
一般的にＳｉ基板と半導体層とで格子定数及び熱膨張係数の差が大きい場合、良好な結晶成長が困難で半導体層へのストレスによりクラックが発生しやすい。発生したクラックはテラヘルツ電磁波を散乱し、出力を大きく低減する原因となりうる。Ｓｉ基板上にストレス緩和のための中間層を形成することで、半導体層のクラックが抑制され、電磁波散乱による損失が抑制された高出力のテラヘルツ波放射素子を得ることができる。
【００２０】
具体的に、前記第１の窒化物半導体層がアンドープＧａＮ層であり、前記第２の窒化物半導体層がアンドープＡｌＧａＮ層であり、前記中間層がＡｌＮ単層膜、あるいはＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層の２層からなることが好ましい。
【００２１】
中間層としてはストレス緩和のために多層膜や周期構造が用いられることが多い。ところが多層膜や周期構造中のヘテロ界面はキャリアを生成し、キャリアはテラヘルツ帯の電磁波の吸収損失の原因となりうる。従って、界面数の少ないＡｌＮ単層膜の、あるいはＡｌＮ／ＡｌＧａＮの２層構造の中間層を用いることで、テラヘルツ電磁波の吸収損失を抑制しつつクラックを抑制することができる。
【００２２】
また、前記テラヘルツ波放射素子は、さらに、前記Ｓｉ基板の下面に形成された、テラヘルツ電磁波を集光する集光部を備えることが好ましい。
【００２３】
これにより、等方的に放射するテラヘルツ電磁波を集光することができるので、テラヘルツ電磁波の利用効率を高めるとともに、指向性の高いテラヘルツ電磁波の放射が可能となる。
【００２４】
また、前記集光部がＳｉ基板の下面に形成されたグレーティングにより構成されるグレーティングレンズであることが好ましい。
【００２５】
グレーティング構造はＳｉ基板のウェハプロセスにより簡易に作製でき、別途レンズを付加するのに比べ低コストで集光部を形成できる。また、高精度に位置決めして集光部を形成できるため、高い結合効率を実現できる。
【００２６】
具体的に、前記グレーティングが同心円状に配置された複数の溝を有することが好ましい。
【００２７】
これにより、テラヘルツ電磁波の集光機能が実現される。
また、本発明は、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上に形成された第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成された、前記第１の窒化物半導体とバンドギャップが異なる第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に形成された第１のゲート電極と、前記第１の窒化物半導体層と電気的に接続された第１のソース電極及び第１のドレイン電極と、前記Ｓｉ基板上に形成された第３の窒化物半導体層と、前記第３の窒化物半導体層上に形成された、前記第３の窒化物半導体とバンドギャップが異なる第４の窒化物半導体層と、前記第４の窒化物半導体層上に形成された第２のゲート電極と、前記第３の窒化物半導体層と電気的に接続された第２のソース電極及び第２のドレイン電極とを備え、前記第１のソース電極と前記第１のドレイン電極との間に電流を流すことにより前記第１のゲート電極下方でテラヘルツ電磁波が発生し、かつ前記第２のソース電極と前記第２のドレイン電極との間に電流を流すことにより前記第２のゲート電極下方でテラヘルツ電磁波が発生し、発生したテラヘルツ電磁波が前記Ｓｉ基板の下面から放射されることを特徴とするテラヘルツ波放射素子アレイとすることもできる。
【００２８】
これにより、テラヘルツ電磁波の出力をテラヘルツ波放射素子の数だけ倍増させることが可能となる。特に高い熱伝導率のＳｉ基板が用いられるため、テラヘルツ波放射素子の間で熱分布が均一となり、ばらつきが抑制された放射特性を実現できる。また、各テラヘルツ波放射素子に集光構造を形成し放射をコリメート化することが可能であるため、空間的に均一なテラヘルツ電磁波を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
以上のように本発明によれば、放射損失の抑制された、高出力のテラヘルツ波放射素子を得ることができる。本発明のテラヘルツ波放射素子は、高出力、小型及び室温動作といったこれまでのテラヘルツ波放射素子に無い特長を有することから、セキュリティ、バイオ、環境及び通信などテラヘルツ電磁波を用いた応用分野の進展に大きく貢献することが期待できる。また、本発明のテラヘルツ波放射素子は、既存の半導体プロセスを使用して安価に作製できるため、アプリケーションの実用化及び普及を大いに促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態におけるテラヘルツ波放射素子及びテラヘルツ波放射素子アレイについて図面を参照しながら説明する。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は本実施形態のテラヘルツ波放射素子１０の構造を示す断面図である。
【００３２】
このテラヘルツ波放射素子１０では、図１に示すように、Ｓｉ基板１０１上に、ＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層の２層からなる中間層１０２、アンドープＧａＮ層１０３、並びにアンドープＡｌＧａＮ層１０４が順次積層されている。
【００３３】
Ｓｉ基板１０１は、抵抗率が１０００Ω／ｃｍ以上、特に１０ｋΩ／ｃｍ以上の高抵抗Ｓｉ基板である。
【００３４】
中間層１０２は、Ｓｉ基板１０１とアンドープＧａＮ層１０３との間に形成され、Ｓｉ基板１０１とアンドープＧａＮ層１０３との格子不整合を緩和する。
【００３５】
アンドープＧａＮ層１０３は、本発明の第１及び第３の窒化物半導体層の一例であり、中間層１０２を介してＳｉ基板１０１の上に形成されている。アンドープＡｌＧａＮ層１０４は、本発明の第２及び第４の窒化物半導体層の一例であり、アンドープＧａＮ層１０３の上に形成された、アンドープＧａＮ層１０３とバンドギャップが異なる半導体層である。アンドープＧａＮ層１０３の上部にはＡｌＧａＮ及びＧａＮのへテロ界面での分極効果により、高キャリア密度の２次元電子ガスが存在する２次元電子ガス領域１０３ａが形成されている。従って、テラヘルツ波放射素子１０には２次元電子ガスをチャネルとするＦＥＴが形成されている。
【００３６】
アンドープＡｌＧａＮ層１０４上には、ソース電極１０５、ゲート電極１０６及びドレイン電極１０７が形成されている。ソース電極１０５及びドレイン電極１０７はアンドープＧａＮ層１０３及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４と電気的に接続されている。ソース電極１０５及びドレイン電極１０７はそれぞれＧａＮ層に対してオーミック性の電極であり、Ｔｉ及びＡｌから構成される。ゲート電極１０６はＧａＮ層に対してショットキー性の電極であり、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ及びＴｉから構成される。
【００３７】
上記構造を有するテラヘルツ波放射素子１０は、エピタキシャル成長により、Ｓｉ基板１０１上に中間層１０２、アンドープＧａＮ層１０３、及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４を順次積層した後、アンドープＡｌＧａＮ層１０４上に金属材料を堆積・パターニングしてソース電極１０５、ゲート電極１０６及びドレイン電極１０７を形成することで製造される。
【００３８】
以下、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０の動作原理を説明する。
ソース電極１０５とドレイン電極１０７との間に電圧を印加すると、２次元電子ガスをキャリアとした電流が流れる。この２次元電子ガスが２次元電子ガス領域１０３ａにおけるゲート電極１０６下方の領域の端部で反射し不安定な状態となる。この不安定性に起因してテラヘルツ周波数でのプラズマ振動が誘起され、テラヘルツ電磁波の放射が生じる。従って、ソース電極１０５とドレイン電極１０７との間に電流を流すことにより、つまりアンドープＧａＮ層１０３に形成された２次元電子ガスによりゲート電極１０６下方でテラヘルツ電磁波が発生する。テラヘルツ電磁波を効率よく発生させるためには、ソース電極１０５及びゲート電極１０６を短絡させた状態で、テラヘルツ波放射素子１０を構成するＦＥＴを飽和領域で動作させるとよい。なお、ゲート電極１０６の電圧を調整することでテラヘルツ電磁波の周波数を所望の値に設定することができる。発生したテラヘルツ電磁波はアンドープＧａＮ層１０３、中間層１０２及びＳｉ基板１０１を順に伝播した後、Ｓｉ基板１０１の下面（裏面）からテラヘルツ波放射素子１０外部に放射される。
【００３９】
次に、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０におけるテラヘルツ波の取り出し効率について述べる。取り出し効率は電磁界シミュレーションにより行った。計算に用いたデバイス寸法を以下に説明する。ゲート長は１５０ｎｍ、ゲートソース間隔及びゲートドレイン間隔はともに３μｍ、ソース電極及びドレイン電極長はいずれも１０μｍとした。ゲート電極の膜厚は０．５μｍ、ソース、ドレイン電極の膜厚は１μｍとした。
【００４０】
電磁界シミュレーションは、１ＴＨｚのテラヘルツ電磁波をデバイス内部のアンドープＧａＮ層１０３から電極に向かって入射させ、電極部分を透過して外部へ出射するテラヘルツ電磁波の強度を有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法：Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）で計算することにより行った。
【００４１】
上記の計算の結果、テラヘルツ電磁波のデバイス表面（電極が形成された面）への透過率として５％という値が得られ、デバイス表面からのテラヘルツ電磁波の取出し効率が低いことがわかった。一方、電極による反射によりデバイス裏面に向かって進行するテラヘルツ電磁波の強度は、入射光強度に対して５５％という結果になった。以上のことから、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０のように低損失基板を用いて裏面からテラヘルツ電磁波を出射させる構造とすることで、表面から出射させる構造のものと比べてテラヘルツ電磁波の出力を１０倍以上に向上することができる。
【００４２】
以上のように本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０によれば、Ｓｉ基板１０１の下面側からテラヘルツ電磁波を放射させるため、ゲート電極１０６、ソース電極１０５及びドレイン電極１０７での反射や吸収によるテラヘルツ電磁波出力の損失を回避することができる。その結果、生成したテラヘルツ電磁波を効率よくテラヘルツ波放射素子１０外部に取り出すことが可能となり、高出力のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。
【００４３】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０によれば、テラヘルツ周波数帯で低損失のＳｉから構成されるＳｉ基板１０１が用いられる。従って、基板中をテラヘルツ電磁波が伝播する際の吸収損失が抑制されるので、発生したテラヘルツ電磁波の減衰を抑制しながら効率よくテラヘルツ波放射素子１０外部に放射させることが可能となる。
【００４４】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０によれば、抵抗率が１０００Ω／ｃｍ以上、特に１０ｋΩ／ｃｍ以上の高抵抗のＳｉ基板１０１が用いられる。従って、テラヘルツ電磁波の吸収損失を極めて小さくすることが可能となり、テラヘルツ電磁波の吸収損失が小さく出力の大きいテラヘルツ波放射素子が実現できる。その結果、従来のＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓ系テラヘルツ波放射素子を裏面放射型とした場合に比べても、大きなテラヘルツ電磁波出力が期待できる。
【００４５】
ここで、高抵抗のＳｉ基板１０１によるテラヘルツ電磁波の吸収は小さいことについて述べる。
【００４６】
図２は代表的な基板材料の吸収係数を１ＴＨｚの周波数で比較したものである。
サファイアはＧａＮ系材料のエピタキシャル成長に一般的に用いられる基板材料である。しかし、サファイアのテラヘルツ吸収係数は高く、サファイア基板を用いてテラヘルツ波放射素子を形成した場合、テラヘルツ電磁波が基板を伝播する際の吸収損失により充分な出力が得られないことになる。これに対し、高抵抗Ｓｉのテラヘルツ吸収係数は、サファイアに比べ１桁以上も小さい値であり、また化合物半導体の結晶成長用基板としてのＧａＡｓと比較しても１桁程度小さなテラヘルツ吸収係数である。従って、高抵抗のＳｉ基板１０１は、サファイア基板及びＧａＡｓ基板などの他の基板と比較してテラヘルツ電磁波の吸収が小さい。
【００４７】
図３は、Ｓｉ基板１０１の抵抗率と、Ｓｉ基板１０１のテラへルツ電磁波の吸収係数との関係を示す図である。なお、テラヘルツ電磁波としては代表的な１ＴＨｚの周波数のものが選択されている。また、比較のために高抵抗（半絶縁性、１０ＭΩ／ｃｍ以上）のＧａＡｓ基板及びサファイア基板のテラへルツ電磁波の吸収係数も破線により示されている。
【００４８】
図３から、Ｓｉ基板１０１の抵抗率が１０００Ω／ｃｍ以上において高抵抗ＧａＡｓ基板及びサファイア基板よりも吸収係数が小さいことがわかる。すなわち、テラヘルツ電磁波の透過という観点から、１０００Ω／ｃｍ以上の抵抗率を有するＳｉ基板１０１は、高抵抗基板の代表格である高抵抗ＧａＡｓ基板及びサファイア基板よりも優れていることがわかる。
【００４９】
図４は、Ｓｉ基板１０１の抵抗率と、Ｓｉ基板１０１のテラへルツ電磁波の吸収率との関係を示す図である。なお、テラヘルツ電磁波としては代表的な１ＴＨｚの周波数のものが選択されている。また、図４において、異なる厚さ（１０００μｍ、５００μｍ及び１００μｍ）のＳｉ基板１０１について抵抗率と吸収率との関係が示されている。
【００５０】
図４から、Ｓｉ基板１０１の抵抗率が１０００Ω／ｃｍ以上においては１０００μｍという厚いＳｉ基板１０１であっても吸収損失が５％以下と小さいことがわかる。このように、１０００Ω／ｃｍ以上の抵抗率を有するＳｉ基板１０１はテラヘルツ電磁波の透過という観点から優れていることがわかる。
【００５１】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０によれば、ゲート電極１０６がＡｕを含む材料で構成されており、ソース電極１０５及びドレイン電極１０７はＡｌを含む材料で構成されている。ＡｕやＡｌはテラヘルツ帯の電磁波に対して高反射率の材料であり、Ｓｉ基板１０１の上方（Ｓｉ基板１０１の上面側）に放射されるテラヘルツ電磁波を下方（Ｓｉ基板１０１の下面側）に反射して、Ｓｉ基板１０１の下面からのテラヘルツ電磁波の出力効率を高くすることができる。
【００５２】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０によれば、Ｓｉ基板１０１上にストレス緩和のための中間層１０２が形成される。一般的にＳｉ基板１０１とＡｌＧａＮ系材料とは格子定数及び熱膨張係数の差が大きいため、ＡｌＧａＮ系の半導体層を結晶成長させる時、半導体層にクラックが発生しやすい。発生したクラックはテラヘルツ電磁波を散乱し、テラヘルツ電磁波の出力を大きく低減する原因となる。本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０では、中間層１０２によりアンドープＧａＮ層１０３やアンドープＡｌＧａＮ層１０４のクラック生成が抑制されるので、テラヘルツ電磁波の散乱損失が抑制された高出力のテラヘルツ波放射素子を得ることができる。
【００５３】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０によれば、中間層１０２がＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層の２層からなる。中間層１０２にはクラック低減のためにＡｌＧａＮ材料系の半導体層が３層以上積層された多層膜や周期構造を用いることができる。ところが、多層膜や周期構造の界面には分極によるキャリアが生成され、テラヘルツ帯の電磁波の吸収損失の原因となりうる。これに対し、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子１０のように界面数の少ないＡｌＮ層及びＡｌＧａＮ層の２層からなる中間層１０２に用いれば、吸収損失を抑制しつつクラックを抑制することができる。
【００５４】
（実施の形態２）
図５は本実施の形態のテラヘルツ波放射素子２０の構造を示す断面図である。図６はテラヘルツ波放射素子２０の下面図（同テラヘルツ波放射素子２０をＳｉ基板１０１の下面側から眺めたときの平面図）である。
【００５５】
このテラヘルツ波放射素子２０は、基本的な構造については実施の形態１のテラヘルツ波放射素子１０と同じであるが、Ｓｉ基板１０１の下面がグレーティング状に加工されており、Ｓｉ基板１０１の下面にグレーティングレンズ１０８が設けられているという点で実施の形態１のテラヘルツ波放射素子１０と異なる。
【００５６】
グレーティングレンズ１０８は、Ｓｉ基板１０１の下面に形成された、Ｓｉ基板１０１の下面から放射されるテラヘルツ電磁波を集光する集光部である。グレーティングレンズ１０８を構成するグレーティングは、図５及び図６に示すように、同心円状に配置された複数の溝で構成されている。このグレーティングレンズ１０８は、Ｓｉ基板１０１の下面に形成されたサブ波長サイズの凹凸（段差）によって、一般的なレンズの屈折率の連続的な変化を近似した構造を有する。
【００５７】
上記構造を有するテラヘルツ波放射素子１０は、エピタキシャル成長により、Ｓｉ基板１０１上に中間層１０２、アンドープＧａＮ層１０３、及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４を順次積層した後、Ｓｉ基板１０１の下面に対しマスクを用いたエッチングを行うことで製造される。
【００５８】
以上のように、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子２０によれば、Ｓｉ基板１０１の下面にグレーティングレンズ１０８が形成される。従って、テラヘルツ波放射素子２０は光学素子としての機能を有し、Ｓｉ基板１０１の下面から放射されるテラヘルツ電磁波を集光することができる。その結果、高効率で指向性の高いテラヘルツ電磁波の放射が可能となる。
【００５９】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子２０によれば、テラヘルツ電磁波の集光部としてグレーティングレンズ１０８を利用する。グレーティング構造は既存の半導体リソグラフィー技術といった、Ｓｉ基板のウェハプロセスにより簡易に作製でき、レンズを裏面に別途付加するのに比べ低コストで集光機能を付加できる。また、高精度に位置決めして集光部を形成できるため、高いレンズ結合効率を実現できる。
【００６０】
（実施の形態３）
図７は本実施の形態のテラヘルツ波放射素子３０の構造を示す断面図である。
【００６１】
このテラヘルツ波放射素子３０は、基本的な構造については実施の形態２のテラヘルツ波放射素子２０と同じであるが、グレーティングレンズ１０８に代わり基板の下面にレンズ１０９が集光部として設けられているという点で実施の形態２のテラヘルツ波放射素子２０と異なる。
【００６２】
レンズ１０９は、マイクロレンズ、フレネルレンズ、フレネルゾーンプレート及び分布屈折率型レンズなどである。
【００６３】
上記構造を有するテラヘルツ波放射素子１０は、エピタキシャル成長により、Ｓｉ基板１０１上に中間層１０２、アンドープＧａＮ層１０３、及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４を順次積層し、金属材料を堆積・パターニングしてソース電極１０５、ゲート電極１０６及びドレイン電極１０７を形成した後、Ｓｉ基板１０１の下面にレンズ１０９を付加することで製造される。
【００６４】
以上のように、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子３０によれば、Ｓｉ基板１０１の下面にレンズ１０９が形成される。従って、Ｓｉ基板１０１の下面から放射されたテラヘルツ電磁波を集光することができるので、電磁波の利用効率を高めるとともに、指向性の高いテラヘルツ電磁波の放射が可能となる。
【００６５】
（実施の形態４）
図８は本実施の形態のテラヘルツ波放射素子アレイ４０の構造を示す断面図である。なお、図８において、煩雑さを避けるために一部符号を省略している。
【００６６】
このテラヘルツ波放射素子アレイ４０は、実施の形態２のテラヘルツ波放射素子２０が、共通のＳｉ基板１０１上に３個形成された構造を有する。Ｓｉ基板１０１の下面には、それぞれのテラヘルツ波放射素子２０が形成された位置に合わせてグレーティングレンズ１０８が形成されている。
【００６７】
以上のように、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子アレイ４０によれば、３個のテラヘルツ波放射素子２０を有するので、１つのテラヘルツ波放射素子２０のみを有するものに比べて３倍のテラヘルツ電磁波の出力を得ることができる。
【００６８】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子アレイ４０によれば、各テラヘルツ波放射素子２０にグレーティングレンズ１０８からなる集光構造が形成されているので、放射電磁波がコリメート化され空間的に均一なテラヘルツ電磁波の出力が得られる。
【００６９】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子アレイ４０によれば、基板材料として熱伝導率の高いＳｉが用いられるため、熱分布が均一で各テラヘルツ波放射素子２０の間での特性ばらつきは小さい。
【００７０】
（実施の形態５）
図９は本発明の形態のテラヘルツ波放射素子アレイ４０の構造を示す断面図である。なお、図９において、煩雑さを避けるために一部符号を省略している。
【００７１】
このテラヘルツ波放射素子アレイ４０は、共通のＳｉ基板１０１上に、中間層１０２、アンドープＧａＮ層１０３、及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４を共通に有し、素子分離絶縁膜１１２がテラヘルツ波放射素子２０間に設けられた構成である。ソース電極１０５、ゲート電極１０６及びドレイン電極１０７については、実施の形態３に記載されたテラヘルツ波放射素子と同じ構成である。
【００７２】
素子分離絶縁膜１１２は、アンドープＧａＮ層１０３、及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４（必要に応じ中間層１０２を含む）の所定領域に対しイオン注入をすることによって得ることができるし、アンドープＧａＮ層１０３、及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４（必要に応じ中間層１０２を含む）の所定領域に対し熱酸化を施しても得ることができる。また、アンドープＧａＮ層１０３及びアンドープＡｌＧａＮ層１０４（必要に応じ中間層１０２を含む）に対しエッチングを施して溝を形成し、そこにＳｉＯ2等の絶縁膜を形成しても素子分離絶縁膜１１２を得ることができる。
【００７３】
本実施の形態のテラヘルツ波放射素子アレイ４０によれば、３個のテラヘルツ波放射素子２０を有するので、１つのテラヘルツ波放射素子２０のみを有するものに比べて３倍のテラヘルツ電磁波の出力を得ることができる。
【００７４】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子アレイ４０によれば、各テラヘルツ波放射素子２０にグレーティングレンズ１０８からなる集光構造が形成されているので、放射電磁波がコリメート化され空間的に均一なテラヘルツ電磁波の出力が得られる。
【００７５】
また、本実施の形態のテラヘルツ波放射素子アレイ４０によれば、基板材料として熱伝導率の高いＳｉが用いられるため、熱分布が均一で各テラヘルツ波放射素子２０の間での特性ばらつきは小さい。
【００７６】
以上、本発明のテラヘルツ波放射素子及びテラヘルツ波放射素子アレイについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００７７】
例えば、上記実施の形態において、ソース電極１０５及びドレイン電極１０７はそれぞれＴｉ及びＡｌから構成され、ゲート電極１０６はＮｉ、Ｐｔ、Ａｕ及びＴｉから構成されるとした。しかし、ソース電極１０５、ゲート電極１０６及びドレイン電極１０７の少なくとも１つがＡｇ、Ａｕ及びＡｌのいずれかを含む電極であればこれに限られない。ＡｇはＡｕ及びＡｌと比較して高反射率の材料であるため、電極材料としてＡｇを含む材料を用いることで、より一層出力の大きいテラヘルツ波放射素子を実現できる。
【００７８】
また、実施の形態４において、テラヘルツ波放射素子アレイ４０は３つのテラヘルツ波放射素子２０を有するとしたが、これに限られず更に多くのテラヘルツ波放射素子２０を有しても構わない。テラヘルツ波放射素子２０の個数を多くすれば、その分だけテラヘルツ波放射素子アレイ４０全体としてのテラヘルツ電磁波の出力を大きくすることができる。
【００７９】
また、実施の形態４において、テラヘルツ波放射素子２０が直線状に配置されるとしたが、これに限られず２次元状に配置されてもよい。
【００８０】
また、上記実施の形態において、中間層としてはＡｌＮ１層の単層膜でもよく、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ２層膜でも、ＡｌＮ／ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）多層膜でもよい。ここで、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮについては、Ｓｉ基板側がＡｌＮに、ＧａＮ層側がＡｌＧａＮとすることが好ましく、ＡｌＮ／ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ多層膜についてはＳｉ基板側よりＡｌＮ、ＡｌxＧａ1-xＮ、及びＡｌyＧａ1-yＮ（但し、ｙ＜ｘ）の順に配置するのが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、テラヘルツ波放射素子に利用でき、特にイメージング装置、非破壊検査装置及び大容量通信装置などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の実施の形態１のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。
【図２】テラヘルツ電磁波の吸収係数を代表的な基板材料で比較したものである。
【図３】Ｓｉ基板の抵抗率とＳｉ基板のテラへルツ電磁波の吸収係数との関係を示す図である。
【図４】Ｓｉ基板の抵抗率とＳｉ基板のテラへルツ電磁波の吸収率との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２のテラヘルツ波放射素子の下面図である。
【図７】本発明の実施の形態３のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４のテラヘルツ波放射素子アレイの構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態５のテラヘルツ波放射素子アレイの構造を示す断面図である。
【図１０】従来のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０    テラヘルツ波放射素子
１０１    Ｓｉ基板
１０２    中間層
１０３    アンドープＧａＮ層
１０３ａ    ２次元電子ガス領域
１０４    アンドープＡｌＧａＮ層
１０５    ソース電極
１０６    ゲート電極
１０７    ドレイン電極
１０８    グレーティングレンズ
１０９    レンズ
１１０    半導体層
１１１    ゲート絶縁膜
１１２    素子分離絶縁膜
【図１】
2010225808.tif 000003
【図２】
2010225808.tif 000004
【図３】
2010225808.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010225808.tif 000009
【図８】
2010225808.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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