(57)【要約】【課題】設計自由度が高く、並列化および周波数限定が容易でテラヘルツ電磁波を高効率で受信するテラヘルツ受信素子を提供する。【解決手段】本発明のテラヘルツ受信素子は、半導体基板と、前記半導体基板の第１の主面上に形成され、ヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層を含む２つ以上の半導体層と、前記２次元電子チャネル層とともに電界効果トランジスタを形成するゲート電極、ドレイン電極およびソース電極と、前記ゲート電極に電気的に接続され、テラヘルツ波を受信するアンテナが形成されたアンテナ層と、前記ゲート電極に直流バイアス電圧を与えるためのゲートパッドとを備える。【選択図】図１Ａ
2010135520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の第１の主面上に形成され、ヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層を含む２つ以上の半導体層と、
前記２次元電子チャネル層とともに電界効果トランジスタを形成するゲート電極、ドレイン電極およびソース電極と、
前記ゲート電極に電気的に結合され、テラヘルツ波を受信するアンテナ層と、
前記ゲート電極に直流バイアス電圧を与えるためのゲートパッドと
を備えるテラヘルツ受信素子。
【請求項２】
前記ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極は、前記アンテナ層と同じ層に形成される
請求項１に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項３】
前記アンテナ層に形成されるアンテナは前記ゲート電極の一端に接続され、
前記ゲートパッドは前記ゲート電極の他端に接続される
請求項２に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項４】
前記アンテナ層に形成されるアンテナと前記ゲート電極間の距離は、前記ゲート電極と前記ゲートパッド間の距離よりも短い
請求項３に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項５】
前記アンテナ層は、パッチアンテナ、スロットアンテナおよびスパイラルアンテナの何れかを含む
請求項１から４の何れか１項に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項６】
前記アンテナ層は矩形状のパッチアンテナを含む
請求項１から４の何れか１項に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項７】
前記アンテナ層は円形状のパッチアンテナを含む
請求項１から４の何れか１項に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項８】
前記テラヘルツ受信素子は、さらに、前記２つ以上の半導体層の上方でかつ前記アンテナ層の下方に形成されたグランド層を備え、
前記ソース電極は前記グランド層に接続される
請求項１から７の何れか１項に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項９】
前記テラヘルツ受信素子は、さらに、
前記ドレイン電極の少なくとも一部、前記ソース電極の少なくとも一部および前記ゲート電極の上、かつ前記アンテナ層の下に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の内部に形成されたグランド層と、
前記グランド層と絶縁された状態で前記絶縁膜を貫通し、前記アンテナ層に形成されるアンテナと前記ゲート電極とを接続するコンタクトとを備える
請求項１に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項１０】
前記テラヘルツ受信素子は、さらに、
前記ドレイン電極の少なくとも一部、前記ソース電極の少なくとも一部および前記ゲート電極の上、かつ前記アンテナ層の下に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の内部に形成されたグランド層とを備え、
前記絶縁膜内の前記グランド層を貫通し、前記絶縁膜と同じ材料で形成され、前記アンテナ層に形成されるアンテナと前記ゲート電極とを電気的に結合させる開口結合部とを備える
請求項１に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項１１】
前記半導体基板の第２の主面にグランド層が形成されている
請求項１から７の何れか１項に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項１２】
前記２次元電子チャネル層は、前記電界効果トランジスタを構成する第１の２次元電子チャネル層と、前記アンテナに対応するグランド層として機能する第２の２次元電子チャネル層に分離されている
請求項１から７の何れか１項に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項１３】
前記テラヘルツ受信素子は、さらに、
前記ゲート電極と前記ゲートパッドの接続点に、直流バイアス電圧を透過し、前記アンテナが受信したテラヘルツ電磁波を反射するインピーダンスを有する配線または素子を備える
請求項３に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項１４】
前記配線または素子において反射したテラヘルツ電磁波と、前記アンテナが受信したテラヘルツ電磁波が位相整合するように、前記配線のインピーダンスと配線の長さが設計されている
請求項１３に記載のテラヘルツ受信素子。
【請求項１５】
前記２つ以上の半導体層はIII−Ｖ族化合物半導体である
請求項１から１４の何れか１項に記載のテラヘルツ受信素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯の電磁波を室温にて効率よく受信するテラヘルツ受信素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ電磁波は近年注目されている新しい電磁波領域であり、多岐にわたる応用の可能性が提案されている。現在、テラヘルツ電磁波の室温受信は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いることによりテラヘルツ電磁波の高感度受信を行うことが一般的である。
【０００３】
しかし、このテラヘルツ時間領域分光法は、高精度な光学系の調整を必要とするだけでなく大規模な設備構成にならざるを得ず、現状では様々な分野への技術応用、商品展開は困難である。設備を小型化し、簡便で高感度なテラヘルツ受信技術として、電子デバイスを用いたテラヘルツ電磁波の受信が新たに検討されており、電界効果トランジスタを用いチャネル電子のプラズマ共鳴を利用したテラヘルツ電磁波の室温受信が報告されている。これは、１０8ｃｍ／ｓオーダの群速度を持つプラズマ波を利用することにより、室温でのテラヘルツ受信を可能とするものである。
【０００４】
中でも２次元電子システムを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）において、２次元電子プラズモン共鳴を利用したデバイスをＭ．Ｓｈｕｒらが提案している（非特許文献１、２）。この共鳴周波数はゲートに印加される電圧によって定まる電子濃度の平方根に比例するため、ゲート電圧により周波数可変なテラヘルツ受信素子、或いは広帯域なテラヘルツ受信素子の実現が期待できる。
【０００５】
このように、トランジスタを用いてテラヘルツ帯の電磁波を検波することが可能であることから、トランジスタを２次元並列化することによってイメージングが可能となりテラヘルツイメージングシステム等の小型化、低コスト化が可能となるなどのメリットがある。
【０００６】
また、ＴａｕｋらはＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても、テラヘルツ電磁波の受信が可能であることを報告している（非特許文献３）が、この報告ではテラヘルツ電磁波はゲートワイヤにて受信されるとしており、ゲートワイヤで受信したテラヘルツ帯の変調信号をゲートワイヤと通じてゲート直下のチャネルへ伝送され、プラズマ共鳴にてテラヘルツ光を室温受信していることになる。その構造を図１０に示す。同図のテラヘルツ受信素子では、電界効果トランジスタに接続されたゲートバイアス給電用のワイヤを線状アンテナとして利用している。このように電界効果トランジスタにおいて、線状アンテナを用いることによりテラヘルツ帯の電磁波を受信することが可能である。
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，７１，２４６５（１９９３）
【非特許文献２】ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳ．ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．４３，ＮＯ．３，ｐｐ．３８０（１９９６）
【非特許文献３】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，８９，２５３５１１（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のテラヘルツ受信素子には下記のような課題がある。
（１）設計自由度が小さい。すなわち、従来のテラヘルツ受信素子では電界効果トランジスタに接続されたゲートバイアス給電用のワイヤを線状アンテナとして利用している。このような構成のため、テラヘルツ電磁波の受信に不必要な配線部および接続部がワイヤ周辺に存在するため、受信感度および伝送効率を高めることは困難である。また、ワイヤのような線状アンテナは、指向性および受信感度が悪く、テラヘルツ受信素子に本来は適していない。その上、偏波および指向性の制御性が無く、用途に応じた設計の変更は非常に困難である。
【０００８】
（２）並列化が困難である。すなわち、従来のテラヘルツ受信素子ではワイヤをアンテナとして利用するため、２次元並列化が困難であり、テラヘルツ電磁波の応用として期待されている検査装置、イメージング装置などへの応用は困難である。
【０００９】
（３）周波数限定が困難である。すなわち、従来のテラヘルツ受信素子では配線の一部がアンテナとして機能するため、不確定な要素が多く、テラヘルツ電磁波を含めて様々な周波数帯の電磁波を受信し、それらを明確に分離することが困難であった。
【００１０】
（４）損失が大きい。すなわち、テラヘルツ電磁波の特徴として、金属内を伝搬するときの導体損が非常に大きい。そのため、従来の構成では伝送線路が長くなり、損失の増大が避けられない。
【００１１】
本発明は、設計自由度が高く、並列化および周波数限定が容易でテラヘルツ電磁波を高効率で受信することができるテラヘルツ受信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】
【００１２】
上記課題を解決するために本発明のテラヘルツ受信素子は、半導体基板と、前記半導体基板の第１の主面上に形成され、ヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層を含む２つ以上の半導体層と、前記２次元電子チャネル層とともに電界効果トランジスタを形成するゲート電極、ドレイン電極およびソース電極と、前記ゲート電極に電気的に結合され、テラヘルツ波を受信するアンテナ層と、前記ゲート電極に直流バイアス電圧を与えるためのゲートパッドとを備える。この構成によれば、次の効果がある。
【００１３】
（１）設計自由度が高い。すなわち、本テラヘルツ受信素子の受信特性（アンテナの指向性、各種偏波への対応、受信周波数、受信帯域幅、および受信感度など）は、アンテナ層に形成されたアンテナのサイズ、形状、ゲート電極のサイズ等に大きく依存する。したがって、所望の受信特性を得るための設計パラメータは、アンテナのサイズ、形状およびゲート電極のサイズ等を含み、従来技術と比較して設計の自由度を高くすることができる。また、用途に応じた設計変更も容易にすることができる。
【００１４】
（２）並列化が容易である。すなわち、複数個のテラヘルツ受信素子を二次元に並列化することが容易であり、しかも各テラヘルツ受信素子の特性を揃えることができるので、容易にイメージング装置に応用でき、正確なイメージングを可能にする。
【００１５】
（３）周波数限定を容易にできる。すなわち、アンテナ層に形成されたアンテナのサイズおよび形状とゲート電極のサイズの設計によって、受信周波数および受信帯域幅を制御することできる。
【００１６】
（４）損失を小さくできる。すなわち、アンテナ層にアンテナを形成しているので、従来のワイヤによる線状アンテナの構成と比べて、テラヘルツ電磁波の受信に不必要な配線部および接続部がワイヤ周辺に存在しないため、受信感度および伝送効率を高めることができる。また、アンテナと電界効果トランジスタを動作させるために必要な直流バイアスは、アンテナから供給されるのではなくゲートパッドからゲート電極に供給されるので、従来よりも効率的にテラヘルツ電磁波を受信することが可能なテラヘルツ受信素子を実現することができる。
【００１７】
ここで、前記ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極は、前記アンテナ層と同じ層に形成されるようにしてもよい。
【００１８】
この構成によれば、前記ゲート電極、ドレイン電極およびソース電極と同じ半導体製造プロセスによってアンテナを形成することができ、アンテナの形状およびサイズの精度を向上させることができる。
【００１９】
ここで、前記アンテナ層に形成されるアンテナは前記ゲート電極の一端に接続され、前記ゲートパッドは前記ゲート電極の他端に接続されるようにしてもよい。
【００２０】
このような構成とすることにより、テラヘルツ電磁波を受信するために必要となるアンテナと電界効果トランジスタを動作させるために必要な直流バイアスを印加するゲートパッドがそれぞれ独立に構成される。その結果、直流ゲートバイアスは、アンテナ経由ではなくゲートパッドからゲート電極に与えられるので、効率的にテラヘルツ電磁波を受信することが可能となる。つまり、従来のアンテナ機能とバイアス印加機能を共用としていたテラヘルツ受信素子と比較して設計の自由度を飛躍的に向上させることができる。
【００２１】
ここで、前記アンテナ層に形成されるアンテナと前記ゲート電極間の距離は、前記ゲート電極と前記ゲートパッド間の距離よりも短いようにしてもよい。
【００２２】
このような構成とすることにより、アンテナとゲート電極間で生じる伝送損失を低減することができる。
【００２３】
ここで、前記アンテナ層は、パッチアンテナ、スロットアンテナおよびスパイラルアンテナの何れかを含むようにしてもよい。
【００２４】
ここで、前記アンテナ層は矩形状のパッチアンテナを含むようにしてもよい。
ここで、前記アンテナ層は円形状のパッチアンテナを含むようにしてもよい。
【００２５】
このような構成とすることにより、高い指向性と高い利得を両立させたテラヘルツ電磁波を受信可能な受信素子を実現することができる。
【００２６】
ここで、前記テラヘルツ受信素子は、さらに、前記２つ以上の半導体層の上方でかつ前記アンテナ層の下方に形成されたグランド層を備え、前記ソース電極は前記グランド層に接続されるようにしてもよい。
【００２７】
このような構成とすることにより、パッチアンテナの利得が大幅に向上し、高感度にテラヘルツ電磁波を受信可能な受信素子を実現することができる。さらに、アンテナと対になるグランド層とアンテナとの距離を比較的短くすることができ、受信帯域幅の狭帯域化に適している。
【００２８】
ここで、前記テラヘルツ受信素子は、さらに、前記ドレイン電極の少なくとも一部、前記ソース電極の少なくとも一部および前記ゲート電極の上、かつ前記アンテナ層の下に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の内部に形成されたグランド層と、前記グランド層と絶縁された状態で前記絶縁膜を貫通し、前記アンテナ層に形成されるアンテナと前記ゲート電極とを接続するコンタクトとを備えるようにしてもよい。
【００２９】
ここで、前記テラヘルツ受信素子は、さらに、前記ドレイン電極の少なくとも一部、前記ソース電極の少なくとも一部および前記ゲート電極の上、かつ前記アンテナ層の下に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の内部に形成されたグランド層とを備え、前記絶縁膜内の前記グランド層を貫通し、前記絶縁膜と同じ材料で形成され、前記アンテナ層に形成されるアンテナと前記ゲート電極とを電気的に結合させる開口結合部とを備えるようにしてもよい。
【００３０】
この構成によれば、アンテナ層の下方に電界効果とトランジスタを埋め込むので、テラヘルツ波受信素子の面積をより小さくすることができる。その結果、テラヘルツ素子を二次元状に並列化することによりイメージング装置を構成する場合に、イメージングの解像度を向上させることができる。
【００３１】
ここで、前記半導体基板の第２の主面にグランド層が形成されているようにしてもよい。
【００３２】
このような構成とすることにより、グランド面を大面積で構成することが可能となり、高感度にテラヘルツ電磁波を受信可能な受信素子を実現することができる。さらに、アンテナと対になるグランド層とアンテナとの距離を比較的長くすることができ、受信帯域幅の広帯域化に適している。
【００３３】
ここで、前記２次元電子チャネル層は、前記電界効果トランジスタを構成する第１の２次元電子チャネル層と、前記アンテナに対応するグランド層として機能する第２の２次元電子チャネル層に分離されているようにしてもよい。
【００３４】
このような構成とすることにより、パッチアンテナの利得が大幅に向上し、高感度にテラヘルツ電磁波を受信可能な受信素子を実現することができる。さらに、アンテナに対になるグランド層が上記２つの半導体層の上にある場合と比べて、受信帯域幅を広帯域化し、上記のグランド層が上記半導体基板の第２の主面（第１の主面の裏側）にある場合と比べて、受信帯域幅を狭帯域化することができる。
【００３５】
ここで、前記テラヘルツ受信素子は、さらに、前記ゲート電極と前記ゲートパッドの接続点に、直流バイアス電圧を透過し、前記アンテナが受信したテラヘルツ電磁波を反射するインピーダンスを有する配線または素子を備えるようにしてもよい。
【００３６】
このような構成とすることにより、アンテナで受信したテラヘルツ電磁波が直流バイアスを印加する電源部に無駄に伝達することを抑制し、テラヘルツ電磁波を効率よくゲート電極下部の２次元電子チャネル層に伝達する構造を実現することができる。
【００３７】
ここで、前記配線または素子において反射したテラヘルツ電磁波と、前記アンテナが受信したテラヘルツ電磁波が位相整合するように、前記配線のインピーダンスと配線の長さが設計されているようにしてもよい。
【００３８】
このような構成とすることにより、高い電子移動度を有する２次元電子チャネル層を構成することが可能となり、幅広いテラヘルツ電磁波周波数帯に対応した、高感度にテラヘルツ電磁波を受信可能な受信素子を実現することができる。
【００３９】
ここで、前記２つ以上の半導体層はIII−Ｖ族化合物半導体であるようにしてもよい。
このような構成とすることにより、アンテナから配線部に定在波が発生し受信した電磁波と反射してきた電磁波が干渉して打ち消しあうことを抑制し、テラヘルツ電磁波を効率よくゲート電極下部の２次元電子チャネル層に伝達する構造を実現することができる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明のテラヘルツ受信素子は上記構成を有し、高効率なテラヘルツ受信を実現可能とする。すなわち本発明によるテラヘルツ受信素子はアンテナがゲート電極に隣接して配置されるために、受信したテラヘルツ電磁波の信号を効率よくゲート電極下の２次元電子チャネル層に伝送することができる。さらに、直流バイアスを印加するためのゲートパッドとテラヘルツ電磁波を伝送するアンテナとを分離することにより、受信したテラヘルツ電磁波を効率よくゲート電極に伝送することが可能となる。本発明により、テラヘルツ電磁波を用いたセンシング、或いはイメージングに必要なテラヘルツ電磁波に対して感度があり、高感度でテラヘルツ信号を検出することが可能なテラヘルツ受信素子を提供することが可能になることで、従来にはないテラヘルツ電磁波を室温動作でリアルタイムにイメージングが可能なイメージセンサの実現が可能となり、実用的価値は極めて高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。図面の説明において、同一要素に関しては重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致しない。
【００４２】
（第１の実施の形態）
本実施の形態では、テラヘルツ帯に感度を有するアンテナが形成されたアンテナ層を電界効果トランジスタのゲート電極に隣接して配置することにより、伝送等による損失を大幅に低減すると共に、効率よくゲート下の２次元電子チャネルを励振させることが可能となり、アンテナ部、電界効果トランジスタ部および直流給電回路部をそれぞれ独自に効率化することが可能となり、結果として高効率なテラヘルツ波の受信を可能とするテラヘルツ受信素子を実現できる。
【００４３】
図１Ａは、第１の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
このテラヘルツ受信素子は主に電界効果トランジスタとアンテナにより構成される。第１の実施の形態で用いた電界効果トランジスタは高電子移動度トランジスタであり、高抵抗基板１０１上にバッファ層１０２、２次元電子チャネル層１０３、電子供給層１０４が形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板１０１としてサファイア基板、バッファ層１０２としてＧａＮ（例えば２μｍ）、電子供給層１０４としてＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎ（例えば２５ｎｍ）を用いることにより、バッファ層１０２と電子供給層１０４の界面に２次元電子チャネル層１０３が形成される。また、２次元電子チャネル層１０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性することにより、電界効果トランジスタ部のみに存在する状態になっている。
【００４４】
詳細は後述するが、ドレイン電極１０６およびゲート電極１０７が電子供給層１０４の上に形成されている。また、ソース電極は、後述するグランド面１１１を介して電子供給層１０４上に形成されている。
【００４５】
また、グランド面１１１は、電子供給層１０４の上の、電界効果トランジスタのソース電極１０５、ドレイン電極１０６およびゲート電極１０７とは異なる位置の上に設けられている。このグランド面を覆うように、例えばＳｉＯ2よりなる絶縁膜１０８（膜厚：約１μｍ）が形成されている。
【００４６】
また、グランド面１１１上かつ絶縁膜１０８上にパッチアンテナ１１０が形成されている。パッチアンテナ１１０の材料として、例えばＡｌを用いる。
【００４７】
なお、図１Ａにおいて、煩雑さを避けるために、ソース電極１０５、ドレイン電極１０６およびゲート電極１０７のうち絶縁膜１０８に囲まれている部分を実線で記し、グランド面１１１は実線で記している。
【００４８】
電界効果トランジスタ部の断面図を図１Ｂに示す。ソース電極１０５、ドレイン電極１０６間にゲート電極１０７が形成されている。ソース電極１０５およびドレイン電極１０６はＴｉ／Ａｌを形成後、水素雰囲気中で熱処理を行いオーミック接合を形成している。ゲート電極１０７はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成し、ショットキー接合を形成している。ゲート電極１０７は後述のテラヘルツ電磁波帯でプラズマ共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。ゲート電極１０７にはゲートパッド１０９を介して直流バイアス電圧が印加される。なお、ここでＴｉ／Ａｌとは、Ｔｉ層を形成した後Ａｌ層を形成することを表す。Ｎｉ／Ｐｔ／Ａｕとは、Ｎｉ層、Ｐｔ層、Ａｕ層を順次形成することを表す。
【００４９】
アンテナ部の断面図を図１Ｃに示す。グランド面１１１上に絶縁膜１０８を形成し、さらにその上にパッチアンテナ１１０が形成されている。第１の実施の形態においてはグランド面１１１とソース電極１０５を共通としている。
【００５０】
なお、ここでパッチアンテナ１１０とゲート電極１０７とを接続する配線は、図示しない絶縁膜（例えばＳｉＯ2よりなる）によりグランド面１１１に接することがないように設けられている。
【００５１】
パッチアンテナ１１０にテラヘルツ電磁波が入射すると、その信号がゲート電極１０７に伝送され、ゲート電極１０７直下に存在する２次元電子チャネル層１０３の電子濃度が変調を受ける。そのときの電子濃度は以下の関係で与えられる。２次元電子濃度ｎ、ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃ、電子供給層の誘電率ε、膜厚ｄ、電子の素電荷をｅとすると、ｎ＝ε（Ｕｇｃ）／ｅｄで与えられる。ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃはゲート−ソース間電圧Ｕｇｓと、閾値電圧Ｖｔｈの差で与えられる。ここで、パッチアンテナ１１０とゲート電極１０７が隣接して形成されていることにより、伝送時の損失が低減され、高効率に信号を伝送することができる。
【００５２】
上記の２次元電子チャネルの電子濃度ｎはゲート−チャネル間に実効的に印加される電位差Ｕｇｃに比例する。つまり、Ｕｇｃはゲート−ソース間電圧Ｕｇｓから２次元電子チャネルのｏｎ／ｏｆｆの境界値となる閾値電圧Ｖｔｈを引いた値で決定される。ここまでの理論が定常状態での説明である。ゲート部にテラヘルツ電磁波が照射されると、電磁波のテラヘルツ周波数でゲート−チャネル間電圧Ｕｇｃが微小に振動するのでそれに応じてプラズマ波が発生し、２次元電子チャネルの電子濃度ｎがテラヘルツ波で変調される。
【００５３】
さらにテラヘルツ電磁波の受信感度向上のためには、アンテナのサイズと電界効果トランジスタのプラズマ共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。まず、テラヘルツ受信アンテナとして作用するパッチアンテナ１１０であるが、矩形パッチアンテナの共振周波数ｆは以下の関係で与えられる。すなわち、光の速度をｃ、アンテナの１辺の長さをａ、パッチアンテナ１１０とグランド面１１１間の材料の比誘電率をεrとすると、ｆ＝ｃ／（２ａεr1/2）で与えられる。たとえば、１ＴＨｚのテラヘルツ電磁波に対して受信感度が高い（指向性利得が大きい）設計とするには６０×６０μｍの矩形形状を選択する。プラズマ共鳴周波数はゲート長によって決定される。ここでゲート長は、ドレイン電極、ゲート電極およびソース電極の並び方向におけるゲートの長さである。ゲート長の一例として図２にＧａＮ系材料により構成される電界効果トランジスタにおけるプラズマ共鳴周波数と電界効果トランジスタのゲート長の関係の計算結果を示す（ゲート電極１０７に−３．５Ｖを印加、しきい値電圧は−４．０Ｖ）。電界効果トランジスタのゲート長によりプラズマ共鳴周波数が変化することがわかる。プラズマ共鳴周波数が１ＴＨｚとなるようにゲート長を０．３μｍに選択する。これにより、高効率なテラヘルツ受信が実現されることになる。
【００５４】
第１の実施の形態の素子の特性の一例を図３Ａ、図３Ｂに示す。図３Ａにドレイン−ソース電流ＩDS対ドレイン−ソース電圧ＶDS特性（ＤＣ特性）、図３Ｂにテラヘルツ電磁波を受信した特性の一例を示す。入射したテラヘルツ電磁波の電界方向と、パッチアンテナが受信可能な電界方向が一致した時にのみ受信信号が得られた。このことからパッチアンテナ部によってテラヘルツ電磁波が受信できていることを明確に実証した。
【００５５】
第１の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造としてＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【００５６】
以上説明してきたように、第１の実施の形態におけるテラヘルツ受信素子は、半導体基板と、前記半導体基板の第１の主面上に形成され、ヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層を含む２つ以上の半導体層と、前記２次元電子チャネル層とともに電界効果トランジスタを形成するゲート電極、ドレイン電極およびソース電極と、前記ゲート電極に電気的に結合され、テラヘルツ波を受信するアンテナが形成されたアンテナ層と、前記ゲート電極に直流バイアス電圧を与えるためのゲートパッドとを備える。このような構成とすることにより、テラヘルツ電磁波を受信するために必要となるアンテナと電界効果トランジスタを動作させるために必要な直流バイアスを印加するゲートパッドがそれぞれ独立に構成され、効率的にテラヘルツ電磁波を受信することが可能なテラヘルツ受信素子を実現することができる。
【００５７】
なお、第１の実施の形態においては、テラヘルツ受信のアンテナとしてパッチアンテナを取り上げたが、半波長ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、スパイラルアンテナ、あるいはフェルミアンテナにおいても同様の効果が得られる。図４Ａはスロットアンテナを採用した変形例を示す。図４Ｂはスパイラルアンテナを採用した変形例を示す。また、パッチアンテナ１１０の形状として、矩形を選択したが、多角形、円形の形状を選択しても問題は無い。また、パッチアンテナ１１０は直線偏波を検出する構造を例として示したが、給電点の配置や数および形状を制御することにより、円偏波の検出および直交する偏波の差分検出など様々な構成が可能である。電界効果トランジスタにおいても、所望のプラズマ共鳴周波数に応じた設計が可能であり、第１の実施の形態ではその一例を示したのみである。また、アンテナと電界効果トランジスタを接続する方法として金属配線を用いた例を示したが、開口結合型アンテナに代表される電磁波結合を用いた接続方法を利用しても問題ない。また、アンテナの一部がゲート電極として機能するような一体型構造を利用しても問題ない。
【００５８】
以上、本発明のテラヘルツ受信素子について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施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。
【００５９】
（第２の実施の形態）
図５Ａは、第２の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【００６０】
このテラヘルツ受信素子は主に電界効果トランジスタとアンテナにより構成される。第２の実施の形態で用いた電界効果トランジスタは高電子移動度トランジスタであり、高抵抗基板２０１上にバッファ層２０２、２次元電子チャネル層２０３、電子供給層２０４が形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板２０１としてサファイア基板、バッファ層２０２としてＧａＮ、電子供給層２０４としてＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎを用いることにより、バッファ層２０２と電子供給層２０４の界面に２次元電子チャネル層２０３が形成される。また、２次元電子チャネル層２０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性することにより、電界効果トランジスタ部のみに存在する状態になっている。電界効果トランジスタ部は電子供給層２０４に接してソース電極２０５、ドレイン電極２０６間にゲート電極２０７が形成されている。ソース電極２０５およびドレイン電極２０６はＴｉ／Ａｌを形成後、水素雰囲気中で熱処理を行いオーミック接合を形成している。ゲート電極２０７はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成し、ショットキー接合を形成している。ゲート電極２０７は後述のテラヘルツ電磁波帯でプラズマ共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。ゲート電極２０７に直流バイアスを給電するために、ゲートパッド２０９が接続されている。また、電子供給層２０４の上に例えばＳｉＯ2よりなる絶縁膜２０８が形成されている。
【００６１】
なお、図５Ａにおいて、煩雑さを避けるために、ソース電極２０５、ドレイン電極２０６およびゲート電極２０７のうち絶縁膜２０８に囲まれている部分を実線で記している。
【００６２】
アンテナ部の断面図を図５Ｂに示す。グランド面２１１上に絶縁膜２０８を形成し、さらにその上にパッチアンテナ２１０が形成されている。
【００６３】
第２の実施の形態においてはグランド面２１１が高抵抗基板２０１の裏面に形成されている。
【００６４】
パッチアンテナ２１０にテラヘルツ電磁波が入射すると、その信号がゲート電極２０７に伝送され、ゲート電極２０７直下に存在する２次元電子チャネル層２０３の電子濃度が変調を受ける。そのときの電子濃度は以下の関係で与えられる。２次元電子濃度ｎ、ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃ、電子供給層の誘電率ε、膜厚ｄ、電子の素電荷をｅとすると、ｎ＝ε（Ｕｇｃ）／ｅｄで与えられる。ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃはゲート−ソース間電圧Ｕｇｓと、閾値電圧Ｖｔｈの差で与えられる。ここで、パッチアンテナ２１０とゲート電極２０７が隣接して形成されていることにより、伝送時の損失が低減され、高効率に信号を伝送することができる。また、２次元電子濃度ｎがテラヘルツ波で変調される原理は、既に第１の実施の形態で説明したのと同様である。
【００６５】
さらにテラヘルツ電磁波の受信感度向上のためには、アンテナのサイズと電界効果トランジスタのプラズマ共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。まず、テラヘルツ受信アンテナとして作用するパッチアンテナ２１０であるが、矩形パッチアンテナの共振周波数ｆは以下の関係で与えられる。光の速度をｃ、アンテナの１辺の長さをａ、パッチアンテナ１１０とグランド面１１１間の材料の比誘電率をεrとすると、ｆ＝ｃ／（２ａεr1/2）で与えられる。１ＴＨｚのテラヘルツ電磁波に対して受信感度が高い（指向性利得が大きい）設計となるように６０×６０μｍの矩形形状を選択する。プラズマ共鳴周波数はゲート長によって決定される。
【００６６】
第２の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造としてＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【００６７】
第２の実施の形態においては、テラヘルツ受信のアンテナとしてパッチアンテナを取り上げたが、半波長ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、スパイラルアンテナ、あるいはフェルミアンテナにおいても同様の効果が得られる。また、パッチアンテナ２１０の形状として、矩形を選択したが、多角形、円形の形状を選択しても問題は無い。また、パッチアンテナ２１０は直線偏波を検出する構造を例として示したが、給電点の配置や数および形状を制御することにより、円偏波の検出および直交する偏波の差分検出など様々な構成が可能である。電界効果トランジスタにおいても、所望のプラズマ共鳴周波数に応じた設計が可能であり、第２の実施の形態ではその一例を示したのみである。
【００６８】
以上、本発明のテラヘルツ受信素子について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施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。
【００６９】
（第３の実施の形態）
図６Ａは、第３の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【００７０】
このテラヘルツ受信素子は主に電界効果トランジスタとアンテナにより構成される。第３の実施の形態で用いた電界効果トランジスタは高電子移動度トランジスタであり、高抵抗基板３０１上にバッファ層３０２、２次元電子チャネル層３０３、電子供給層３０４が形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板３０１としてサファイア基板、バッファ層３０２としてＧａＮ、電子供給層３０４としてＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎを用いることにより、バッファ層３０２と電子供給層３０４の界面に２次元電子チャネル層３０３が形成される。また、２次元電子チャネル層３０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性することにより、電界効果トランジスタ部のみに存在する状態になっている。電界効果トランジスタ部は電子供給層３０４に接するようにソース電極３０５、ドレイン電極３０６間にゲート電極３０７が形成されている。ソース電極３０５およびドレイン電極３０６はＴｉ／Ａｌを形成後、水素雰囲気中で熱処理を行いオーミック接合を形成している。ゲート電極３０７はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成し、ショットキー接合を形成している。ゲート電極３０７は後述のテラヘルツ電磁波帯でプラズマ共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。ゲート電極３０７に直流バイアスを給電するために、ゲートパッド３０９が接続されている。また、電子供給層３０４の上に、例えばＳｉＯ2よりなる絶縁膜３０８が形成されている。
【００７１】
なお、図６Ａにおいて、煩雑さを避けるために、ソース電極３０５、ドレイン電極３０６およびゲート電極３０７のうち絶縁膜３０８に囲まれている部分を実線で記している。
【００７２】
アンテナ部の断面図を図６Ｂに示す。第３の実施の形態においては、グランド引出し電極３１２が接続された２次元電子チャネル層により形成されるグランド面３１１上にパッチアンテナ３１０が形成されている。また、グランド面３１１を形成する２次元電子チャネル層は、電界効果トランジスタ部の２次元電子チャネル層３０３とはイオン注入等の処理によって分離されている。
【００７３】
パッチアンテナ３１０にテラヘルツ電磁波が入射すると、その信号がゲート電極３０７に伝送され、ゲート電極３０７直下に存在する２次元電子チャネル層３０３の電子濃度が変調を受ける。そのときの電子濃度は以下の関係で与えられる。２次元電子濃度ｎ、ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃ、電子供給層の誘電率ε、膜厚ｄ、電子の素電荷をｅとすると、ｎ＝ε（Ｕｇｃ）／ｅｄで与えられる。ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃはゲート−ソース間電圧Ｕｇｓと、閾値電圧Ｖｔｈの差で与えられる。ここで、パッチアンテナ３１０とゲート電極３０７が隣接して形成されていることにより、伝送時の損失が低減され、高効率に信号を伝送することができる。また、２次元電子濃度ｎがテラヘルツ波で変調される原理は、既に第１の実施の形態で説明したのと同様である。
【００７４】
さらにテラヘルツ電磁波の受信感度向上のためには、アンテナのサイズと電界効果トランジスタのプラズマ共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。まず、テラヘルツ受信アンテナとして作用するパッチアンテナ３１０であるが、矩形パッチアンテナの共振周波数ｆは以下の関係で与えられる。光の速度をｃ、アンテナの１辺の長さをａ、パッチアンテナ１１０とグランド面１１１間の材料の比誘電率をεrとすると、ｆ＝ｃ／（２ａεr1/2）で与えられる。１ＴＨｚのテラヘルツ電磁波に対して受信感度が高い（指向性利得が大きい）設計となるように６０×６０μｍの矩形形状を選択する。プラズマ共鳴周波数はゲート長によって決定される。
【００７５】
第３の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造としてＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【００７６】
第３の実施の形態においては、テラヘルツ受信のアンテナとしてパッチアンテナを取り上げたが、半波長ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、スパイラルアンテナ、あるいはフェルミアンテナにおいても同様の効果が得られる。また、パッチアンテナ３１０の形状として、矩形を選択したが、多角形、円形の形状を選択しても問題は無い。また、パッチアンテナ３１０は直線偏波を検出する構造を例として示したが、給電点の配置や数および形状を制御することにより、円偏波の検出および直交する偏波の差分検出など様々な構成が可能である。電界効果トランジスタにおいても、所望のプラズマ共鳴周波数に応じた設計が可能であり、第３の実施の形態ではその一例を示したのみである。
【００７７】
以上、本発明のテラヘルツ受信素子について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施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。
【００７８】
（第４の実施の形態）
図７は、第４の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【００７９】
このテラヘルツ受信素子は主に電界効果トランジスタとアンテナにより構成される。第４の実施の形態で用いた電界効果トランジスタは高電子移動度トランジスタであり、高抵抗基板４０１上にバッファ層４０２、２次元電子チャネル層４０３、電子供給層４０４が形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板４０１としてサファイア基板、バッファ層４０２としてＧａＮ、電子供給層４０４としてＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎを用いることにより、バッファ層４０２と電子供給層４０４の界面に２次元電子チャネル層４０３が形成される。また、２次元電子チャネル層４０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性することにより、電界効果トランジスタ部のみに存在する状態になっている。電界効果トランジスタ部は電子供給層４０４に接してソース電極４０５、ドレイン電極４０６間にゲート電極４０７が形成されている。ソース電極４０５およびドレイン電極４０６はＴｉ／Ａｌを形成後、水素雰囲気中で熱処理を行いオーミック接合を形成している。ゲート電極４０７はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成し、ショットキー接合を形成している。ゲート電極４０７は後述のテラヘルツ電磁波帯でプラズマ共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。ゲート電極４０７に直流バイアスを給電するために、ゲートパッド４０９がインダクタ４１３を介して接続されている。また、例えばＳｉＯ2よりなる絶縁膜４０８が電子供給層４０４の上に形成されている。
【００８０】
パッチアンテナ４１０はグランド面４１１上に絶縁膜４０８を介して形成されている。第４の実施の形態においてはグランド面４１１とソース電極４０５を共通としている。
【００８１】
なお、ここでパッチアンテナ４１０とゲート電極４０７とを接続する配線は、図示しない絶縁膜（例えばＳｉＯ2よりなる）によりグランド面１１１に接することがないように設けられている。
【００８２】
なお、図７において、煩雑さを避けるために、ソース電極４０５、ドレイン電極４０６およびゲート電極４０７のうち絶縁膜４０８に囲まれている部分を実線で記し、グランド面４１１は実線で記している。
【００８３】
パッチアンテナ４１０にテラヘルツ電磁波が入射すると、その信号がゲート電極４０７に伝送され、ゲート電極４０７直下に存在する２次元電子チャネル層４０３の電子濃度が変調を受ける。そのときの電子濃度は以下の関係で与えられる。２次元電子濃度ｎ、ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃ、電子供給層の誘電率ε、膜厚ｄ、電子の素電荷をｅとすると、ｎ＝ε（Ｕｇｃ）／ｅｄで与えられる。ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃはゲート−ソース間電圧Ｕｇｓと、閾値電圧Ｖｔｈの差で与えられる。ここで、パッチアンテナ４１０とゲート電極４０７が隣接して形成されていることにより、伝送時の損失が低減され、高効率に信号を伝送することができる。また、ゲート電極４０７とゲートパッド４０９の間にインダクタ４１３が形成されていることにより受信したテラヘルツ電磁波がゲートパッド側に漏洩することなく、テラヘルツ電磁波を高効率に２次元電子チャネル層に伝送することが可能となる。２次元電子濃度ｎがテラヘルツ波で変調される原理は、既に第１の実施の形態で説明したのと同様である。
【００８４】
さらにテラヘルツ電磁波の受信感度向上のためには、アンテナのサイズと電界効果トランジスタのプラズマ共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。まず、テラヘルツ受信アンテナとして作用するパッチアンテナ４１０であるが、矩形パッチアンテナの共振周波数ｆは以下の関係で与えられる。光の速度をｃ、アンテナの１辺の長さをａ、パッチアンテナ１１０とグランド面１１１間の材料の比誘電率をεrとすると、ｆ＝ｃ／（２ａεr1/2）で与えられる。１ＴＨｚのテラヘルツ電磁波に対して受信感度が高い（指向性利得が大きい）設計となるように６０×６０μｍの矩形形状を選択する。プラズマ共鳴周波数はゲート長によって決定される。
【００８５】
第４の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造としてＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【００８６】
第４の実施の形態においては、テラヘルツ受信のアンテナとしてパッチアンテナを取り上げたが、半波長ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、スパイラルアンテナ、あるいはフェルミアンテナにおいても同様の効果が得られる。また、パッチアンテナ４１０の形状として、矩形を選択したが、多角形、円形の形状を選択しても問題は無い。また、パッチアンテナ４１０は直線偏波を検出する構造を例として示したが、給電点の配置や数および形状を制御することにより、円偏波の検出および直交する偏波の差分検出など様々な構成が可能である。電界効果トランジスタにおいても、所望のプラズマ共鳴周波数に応じた設計が可能であり、第４の実施の形態ではその一例を示したのみである。
【００８７】
以上、本発明のテラヘルツ受信素子について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施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。
【００８８】
（第５の実施の形態）
図８Ａは、第５の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。このテラヘルツ受信素子は主に電界効果トランジスタとアンテナにより構成される。第５の実施の形態で用いたトランジスタは高電子移動度トランジスタであり、高抵抗基板５０１上にバッファ層５０２、２次元電子チャネル層５０３、電子供給層５０４が形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板５０１としてサファイア基板、バッファ層５０２としてＧａＮ、電子供給層５０４としてＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎを用いることにより、バッファ層５０２と電子供給層５０４の界面に２次元電子チャネル層５０３が形成される。また、２次元電子チャネル層５０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性することにより、電界効果トランジスタ部のみに存在する状態になっている。電界効果トランジスタ部はソース電極５０５、ドレイン電極５０６間にゲート電極５０７が形成されている。ソース電極５０５およびドレイン電極５０６はＴｉ／Ａｌを形成後、水素雰囲気中で熱処理を行いオーミック接合を形成している。ゲート電極５０７はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成し、ショットキー接合を形成している。ゲート電極５０７は後述のテラヘルツ電磁波帯でプラズマ共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。ゲート電極５０７に直流バイアスを給電するために、ゲートパッド５０９が接続されている。また、例えばＳｉＯ2よりなる絶縁膜５０８が電子供給層５０４の上に形成されている。なお、図８Ａにおいて、後述する層間絶縁膜５１５は、煩雑さを避けるため記載を省略している。
【００８９】
素子の断面図を図８Ｂおよび図８Ｃに示す。この図８Ｂ、図８Ｃと図８Ａとを併用してアンテナ部分について説明する。パッチアンテナ５１０は、ソース電極５０５と接続されたグランド面５１１上に層間絶縁膜５１５を介して形成され、ストリップライン５１４によってゲート電極５０７と接続されている。
【００９０】
パッチアンテナ５１０にテラヘルツ電磁波が入射すると、その信号がゲート電極５０７に伝送され、ゲート電極５０７直下に存在する２次元電子チャネル層５０３の電子濃度が変調を受ける。そのときの電子濃度は以下の関係で与えられる。２次元電子濃度ｎ、ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃ、電子供給層の誘電率ε、膜厚ｄ、電子の素電荷をｅとすると、ｎ＝ε（Ｕｇｃ）／ｅｄで与えられる。ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃはゲート−ソース間電圧Ｕｇｓと、閾値電圧Ｖｔｈの差で与えられる。ここで、パッチアンテナ５１０とゲート電極５０７がストリップライン５１４を介して形成されていることにより、パッチアンテナ５１０の給電点を任意の位置に設計することが可能となる。このような構成とすることにより、パッチアンテナ５１０とストリップライン５１４のインピーダンス整合をとることが容易となり、テラヘルツ電磁波の伝送損失が低減され、高効率に信号を伝送することができる。また、２次元電子濃度ｎがテラヘルツ波で変調される原理は、既に第１の実施の形態で説明したのと同様である。
【００９１】
さらにテラヘルツ電磁波の受信感度向上のためには、アンテナのサイズと電界効果トランジスタのプラズマ共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。まず、テラヘルツ受信アンテナとして作用するパッチアンテナ５１０であるが、矩形パッチアンテナの共振周波数ｆは以下の関係で与えられる。光の速度をｃ、アンテナの１辺の長さをａ、パッチアンテナ１１０とグランド面１１１間の材料の比誘電率をεrとすると、ｆ＝ｃ／（２ａεr1/2）で与えられる。１ＴＨｚのテラヘルツ電磁波に対して受信感度が高い（指向性利得が大きい）設計となるように６０×６０μｍの矩形形状を選択する。プラズマ共鳴周波数はゲート長によって決定される。
【００９２】
第５の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造としてＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【００９３】
第５の実施の形態においては、テラヘルツ受信のアンテナとしてパッチアンテナを取り上げたが、半波長ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、スパイラルアンテナ、あるいはフェルミアンテナにおいても同様の効果が得られる。また、パッチアンテナ５１０の形状として、矩形を選択したが、多角形、円形の形状を選択しても問題は無い。また、パッチアンテナ５１０は直線偏波を検出する構造を例として示したが、給電点の配置や数および形状を制御することにより、円偏波の検出および直交する偏波の差分検出など様々な構成が可能である。電界効果トランジスタにおいても、所望のプラズマ共鳴周波数に応じた設計が可能であり、第５の実施の形態ではその一例を示したのみである。
【００９４】
以上、本発明のテラヘルツ受信素子について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施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。
【００９５】
（第６の実施の形態）
図９Ａは、第６の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【００９６】
このテラヘルツ受信素子は主に電界効果トランジスタとアンテナにより構成される。第６の実施の形態で用いたトランジスタは高電子移動度トランジスタであり、高抵抗基板６０１上にバッファ層６０２、２次元電子チャネル層６０３、電子供給層６０４が形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板６０１としてサファイア基板、バッファ層６０２としてＧａＮ、電子供給層６０４としてＡｌ0.26Ｇａ0.74Ｎを用いることにより、バッファ層６０２と電子供給層６０４の界面に２次元電子チャネル層６０３が形成される。また、２次元電子チャネル層６０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性することにより、電界効果トランジスタ部のみに存在する状態になっている。電界効果トランジスタ部はソース電極６０５、ドレイン電極６０６間にゲート電極６０７が形成されている。ソース電極６０５およびドレイン電極６０６はＴｉ／Ａｌを形成後、水素雰囲気中で熱処理を行いオーミック接合を形成している。ゲート電極６０７はＮｉ／Ｐｔ／Ａｕを形成し、ショットキー接合を形成している。ゲート電極６０７は後述のテラヘルツ電磁波帯でプラズマ共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。ゲート電極６０７に直流バイアスを給電するために、ゲートパッド６０９が接続されている。また、例えばＳｉＯ2よりなる絶縁膜６０８が電子供給層６０４の上に形成されている。なお、図９Ａにおいて、後述する層間絶縁膜６１５は、煩雑さを避けるため記載を省略している。
【００９７】
素子の断面図を図９Ｂおよび図９Ｃに示す。この図９Ｂ、図９Ｃと図９Ａとを併用してアンテナ部分について説明する。パッチアンテナ６１０は、ソース電極６０５と接続されたグランド面６１１上に例えばＳｉＯ2よりなる層間絶縁膜６１５を介して形成され、開口結合部６１４によってゲート電極６０７と接続されている。
【００９８】
パッチアンテナ６１０にテラヘルツ電磁波が入射すると、その信号がゲート電極６０７に伝送され、ゲート電極６０７直下に存在する２次元電子チャネル層６０３の電子濃度が変調を受ける。そのときの電子濃度は以下の関係で与えられる。２次元電子濃度ｎ、ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃ、電子供給層の誘電率ε、膜厚ｄ、電子の素電荷をｅとすると、ｎ＝ε（Ｕｇｃ）／ｅｄで与えられる。ゲート−チャネル間の電位差Ｕｇｃはゲート−ソース間電圧Ｕｇｓと、閾値電圧Ｖｔｈの差で与えられる。ここで、パッチアンテナ６１０とゲート電極６０７が開口結合部６１４を介して形成されていることにより、パッチアンテナ６１０の給電点を任意の位置に設計することが可能となる。このような構成とすることにより、パッチアンテナ６１０とゲート電極５０７間を空間的に電磁波が結合され、テラヘルツ周波数における線路の損失やインピーダンスの設計が不要となり、テラヘルツ電磁波の伝送損失が低減され、高効率に信号を伝送することができる。また、２次元電子濃度ｎがテラヘルツ波で変調される原理は、既に第１の実施の形態で説明したのと同様である。
【００９９】
さらにテラヘルツ電磁波の受信感度向上のためには、アンテナのサイズと電界効果トランジスタのプラズマ共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。まず、テラヘルツ受信アンテナとして作用するパッチアンテナ６１０であるが、矩形パッチアンテナの共振周波数ｆは以下の関係で与えられる。光の速度をｃ、アンテナの１辺の長さをａ、パッチアンテナ１１０とグランド面１１１間の材料の比誘電率をεrとすると、ｆ＝ｃ／（２ａεr1/2）で与えられる。１ＴＨｚのテラヘルツ電磁波に対して受信感度が高い（指向性利得が大きい）設計となるように６０×６０μｍの矩形形状を選択する。プラズマ共鳴周波数はゲート長によって決定される。
【０１００】
第６の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造としてＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【０１０１】
第６の実施の形態においては、テラヘルツ受信のアンテナとしてパッチアンテナを取り上げたが、半波長ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、スパイラルアンテナ、あるいはフェルミアンテナにおいても同様の効果が得られる。また、パッチアンテナ６１０の形状として、矩形を選択したが、多角形、円形の形状を選択しても問題は無い。また、パッチアンテナ６１０は直線偏波を検出する構造を例として示したが、給電点の配置や数および形状を制御することにより、円偏波の検出および直交する偏波の差分検出など様々な構成が可能である。電界効果トランジスタにおいても、所望のプラズマ共鳴周波数に応じた設計が可能であり、第６の実施の形態ではその一例を示したのみである。
【０１０２】
以上、本発明のテラヘルツ受信素子について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施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。
【０１０３】
なお、上記各実施の形態におけるアンテナの受信帯域は、テラヘルツ波を受信できればよく、例えば、０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚまでの範囲内の帯域を有していればよい。
【０１０４】
上記各実施の形態において、電子供給層としてＡｌxＧａ(1-x)Ｎ、ｘ＝０．２６を例示したが組成比率ｘはこれに限らない。
【０１０５】
また、上記各実施の形態において、絶縁膜１０８、２０８、３０８、４０８、５０８、６０８および層間絶縁膜５１５、６１５、ならびにパッチアンテナ１１０、または４１０とゲート電極１０７、または４０７とを接続する配線とグランド面１１１または４１１とを隔てる図示しない絶縁膜としてＳｉＯ2を用いたが、それに限らずＳｉＮやベンゾシクロブテン等の絶縁性材料を用いることができ、さらに絶縁膜の特性に応じて複数種類の材料の絶縁膜を使い分けることもできる。
【０１０６】
また、絶縁膜１０８の膜厚は、最適な特性を得るためであれば約１μｍに限らない。また、絶縁膜２０８、３０８、４０８、５０８、６０８および層間絶縁膜５１５、６１５の膜厚もまたデバイスの特性に応じ適宜選択可能である。
【０１０７】
また、パッチアンテナ１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０の材料としてＡｌ以外にＡｕ等の金属を選択しても同様の効果が得られる。
【０１０８】
また、第２〜第６の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造としてＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明を用いると、高効率にテラヘルツ受信が可能な装置を実現することができ、特に非破壊検査装置、イメージング装置、通信装置などに利用可能で、産業上の利用価値は高い。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１Ａ】第１の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【図１Ｂ】テラヘルツ受信素子における電界効果トランジスタ部の断面図である。
【図１Ｃ】テラヘルツ受信素子におけるアンテナ部の断面図である。
【図２】テラヘルツ受信素子の受信周波数特性の計算結果を示す図である。
【図３Ａ】ドレイン−ソース電流ＩDS対ドレイン−ソース電圧ＶDS特性（ＤＣ特性）を示す図である。
【図３Ｂ】テラヘルツ電磁波を受信した特性の一例を示す図である。
【図４Ａ】アンテナ部の変形例を示す図である。
【図４Ｂ】アンテナ部の変形例を示す図である。
【図５Ａ】第２の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【図５Ｂ】テラヘルツ受信素子のアンテナ部の構成を示す図である。
【図６Ａ】第３の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【図６Ｂ】テラヘルツ受信素子のアンテナ部の断面を示す図である。
【図７】第４の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【図８Ａ】第５の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【図８Ｂ】テラヘルツ受信素子におけるトランジスタ部の断面を示す図である。
【図８Ｃ】テラヘルツ受信素子におけるトランジスタ部の断面を示す図である。
【図９Ａ】第６の実施の形態に係るテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【図９Ｂ】電界効果トランジスタ部のソース、ゲート、ドレイン方向の断面図である。
【図９Ｃ】電界効果トランジスタ部のゲート方向の断面図である。
【図１０】従来のテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１００、２００、３００、４００、５００、６００  テラヘルツ受信素子
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１  高抵抗基板
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２、６０２  バッファ層
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３、６０３  ２次元電子チャネル層
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４、６０４  電子供給層
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５  ソース電極
１０６、２０６、３０６、４０６、５０６、６０６  ドレイン電極
１０７、２０７、３０７、４０７、５０７、６０７  ゲート電極
１０８、２０８、３０８、４０８、５０８、６０８  絶縁膜
１０９、２０９、３０９、４０９、５０９、６０９  ゲートパッド
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０  パッチアンテナ
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１  グランド面
３１２  グランド引出し電極
４１３  インダクタ
５１４  ストリップライン
５１５、６１５  層間絶縁膜
６１４  開口結合部
８００  テラヘルツ受信素子
８０１  ソース電極
８０２  ドレイン電極
８０３  ゲート電極
８０４  ゲートワイヤ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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