(57)【要約】【課題】外部電源からの直接変調によって高速な変調を行うこと等を可能とした電磁波発生素子などのテラヘルツ波帯の素子を提供する。【解決手段】電磁波発生素子１は、共鳴トンネルダイオード構造を含むテラヘルツ波発振部１１，１２，１４，１５と、半導体ヘテロ接合構造１８，１９，６０により形成された２次元電子層２と、トランジスタ部と、を備えた基板３を有する。トランジスタ部は、２次元電子層の端部に設けられたソース電極４，８及びドレイン電極５，９と、２次元電子層上部に設けられたゲート電極６，７と、を含む。テラヘルツ波発振部のテラヘルツ波出力が、２次元電子層の電子の分布状態を変化させる。【選択図】図１
2014158254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴トンネルダイオード構造を含むテラヘルツ波発振部と、
半導体ヘテロ接合構造により形成された２次元電子層と、
前記２次元電子層の端部に設けられたソース電極及びドレイン電極と、前記２次元電子層上部に設けられたゲート電極と、を含むトランジスタ部と、
を備えた基板を有し、
前記テラヘルツ波発振部のテラヘルツ波出力が、前記２次元電子層の電子の分布状態を変化させる電磁波発生素子。
【請求項２】
前記テラヘルツ波発振部は、そのテラヘルツ波発振部からのテラヘルツ波が前記２次元電子層に入射するように配置されている請求項１に記載の電磁波発生素子。
【請求項３】
前記テラヘルツ波発振部及び前記トランジスタ部のそれぞれは、前記基板の異なる２つの面の対向した位置に配置されている請求項１または２に記載の電磁波発生素子。
【請求項４】
前記テラヘルツ波発振部は、共振器を有し、
前記トランジスタ部は、前記共振器と交流的に接続されている請求項１または２に記載の電磁波発生素子。
【請求項５】
前記テラヘルツ波発振部からのテラヘルツ波が伝搬する電気配線が、前記トランジスタ部と交流的に接続されている請求項１または２に記載の電磁波発生素子。
【請求項６】
前記テラヘルツ波発振部からのテラヘルツ波は、前記基板の内部を伝搬する請求項３に記載の電磁波発生素子。
【請求項７】
前記テラヘルツ波発振部と前記トランジスタ部とは、該テラヘルツ波発振部で発振しているテラヘルツ波の周波数帯域では導通し、直流的には分離されている請求項４または５に記載の電磁波発生素子。
【請求項８】
前記トランジスタ部に変調信号が印加されることで、テラヘルツ波の変調信号を出力する請求項１に記載の電磁波発生素子。
【請求項９】
共鳴トンネルダイオード構造を含むテラヘルツ波発振部と、
半導体ヘテロ接合構造により形成された２次元電子層と、
前記２次元電子層の端部に設けられたソース電極及びドレイン電極と、前記２次元電子層上部に設けられたゲート電極と、を含むトランジスタ部と、
を備えた基板を有し、
前記トランジスタ部は、該電磁波検出素子に外部からテラヘルツ波が照射されたときに、そのテラヘルツ波の強さに応じた信号を出力する電磁波検出素子。
【請求項１０】
前記テラヘルツ波発振部からのテラヘルツ波を前記２次元電子層に入射させることで、前記トランジスタ部が出力する前記信号を、前記テラヘルツ波発振部からのテラヘルツ波の発振周波数とのミキシング信号とする請求項９に記載の電磁波検出素子。
【請求項１１】
請求項１に記載の電磁波発生素子と、
前記電磁波発生素子を駆動する電源と、を有するテラヘルツ波信号の伝送を行う装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の電磁波検出素子と、
前記電磁波検出素子を駆動する電源と、を有するテラヘルツ波信号の伝送を行う装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波帯における半導体による発振素子、検出素子等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ（THz）波帯の電磁波（概ね３０GHz〜３０THzの周波数）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。この周波数帯の電磁波の応用分野として、X線に代わる安全な透視検査装置としてイメージングを行う技術が開発されている。また、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キャリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術などが開発されている。さらに、THz波を無線通信の搬送波として用いて、広帯域な無線通信を開発する活動がIEEE802.15THz  Interest Groupにおいて行われている。
【０００３】
このようなTHz波の光源として従来からレーザ励起による非線形現象を用いたものや、半導体の光伝導特性を用いたものが開発されている。また、マイクロ波帯の発振器から逓倍波を発生させるものが利用されている。しかしながら、いずれもTHz波発生効率を高くすることが難しく、構成が複雑であるため、電気的に駆動が可能な半導体チップが望まれている。そのような発振器の１つに共鳴トンネルダイオード（RTD：Resonant tunneling diode）型素子がある（非特許文献１参照）。RTDの持つ負性抵抗による電磁波利得と電磁波放射器も兼ねた共振器の集積化を用いて、電圧印加することにより室温でテラヘルツ波帯の発振出力が得られている。
【０００４】
さらにこのような負性抵抗を持つ素子とトランジスタ素子を集積化させて、発振出力を増幅したり、ミキシングさせたりすることで、高周波電磁波による空間伝送の性能を向上させることが試みられている（特許文献２）。一方、高速トランジスタの１つとして、HEMT（High electron mobility transistor）素子に格子電極ゲートを設けた素子が開示されている（特許文献１参照）。ここでは、２次元電子ガス領域に発生するプラズモンの周波数を格子電極ゲートで調整し、外部から２つの波長の光を入射させてそのビートの周波数をプラズモンの共鳴周波数に同調させてTHz波を発生させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９-２２４４６７号公報
【特許文献２】特開２００５-１４２４７６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】IEEE Microwave and Guided wave letters, vol.5, p.219, 1995.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
RTD発振器においては、所望の発振周波数で発振させるために、RTD素子近傍にシャント抵抗やMIMコンデンサを集積する必要がある。そこで、発振器に必要な共振器の構造によっては、次の様な問題点が発生する。すなわち、集積型のシャント抵抗として必要な抵抗値を得るための構造上のサイズの制限や、寄生発振防止に必要なMIMコンデンサの存在のために、外部電源から変調信号を印加するときに概ね数１０GHzが上限となる問題点があった。ただし、３dbダウンの変調帯域、MIM容量１０pF、配線抵抗１Ω弱として計算した。これに特許文献２のようなトランジスタを集積化させて増幅機能をもたせることで、そのトランジスタで変調機能をもたせて上記問題点を改善できると考えられる。しかし、実際にはテラヘルツ領域では集積回路として作製するには高精度の形状制御が必要となり、歩留まりの高いものを得ることは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の電磁波発生素子は、
共鳴トンネルダイオード構造を含むテラヘルツ波発振部と、
半導体ヘテロ接合構造により形成された２次元電子層と、
前記２次元電子層の端部に設けられたソース電極及びドレイン電極と、前記２次元電子層上部に設けられたゲート電極と、を含むトランジスタ部と、
を備えた基板を有する。
そして、テラヘルツ波発振部のテラヘルツ波出力が、２次元電子層の電子の分布状態を変化させる。
【０００９】
また上記課題に鑑み、本発明の電磁波検出素子は、
共鳴トンネルダイオード構造を含むテラヘルツ波発振部と、
半導体ヘテロ接合構造により形成された２次元電子層と、
前記２次元電子層の端部に設けられたソース電極及びドレイン電極と、前記２次元電子層上部に設けられたゲート電極と、を含むトランジスタ部と、
を備えた基板を有する。
そして、前記トランジスタ部は、該電磁波検出素子に外部からテラヘルツ波が照射されたときに、そのテラヘルツ波の強さに応じた信号を出力する。
【００１０】
前記電磁波発生素子のトランジスタ部に変調信号が印加されることで、テラヘルツ波の変調信号を出力することができる。また、前記電磁波発生素子と、前記電磁波発生素子を駆動する電源と、を有するテラヘルツ波信号の伝送を行う装置を提供できる。さらに、前記電磁波検出素子と、前記電磁波検出素子を駆動する電源と、を有するテラヘルツ波信号の伝送を行う装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、テラヘルツ領域における電磁波発生素子を含む発振器において、外部電源からの直接変調によって高速な変調を行うことができる。これにより、例えば、これを通信用光源として用いる場合には伝送容量を増大させることができる。また、電磁波検出素子として構成することで、テラヘルツ波を検出することもできる。さらに、これらの素子の生産の歩留まりが高い素子構成を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による実施形態１の電磁波発生素子の構成図。
【図２】本発明による実施形態２の電磁波発生素子の構成図。
【図３】本発明による実施形態３の電磁波発生素子の構成図。
【図４】本発明による電磁波発生素子を用いた信号伝送を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態では、安定的に発振する発振器の出力を高速変調可能な発振器と相互作用させることで高速信号変調等を実現する。具体的には、電磁波発生素子では、共鳴トンネルダイオード発振器に負性抵抗領域に相当する一定電圧を印加して発振させ、その出力をHEMT素子の２次元電子層に入射させてHEMT素子の印加電圧によってHEMT素子での発振の有無を調整する。このことで、HEMT素子は高速変調可能なので比較的簡単な構成で高速変調を行うことができる。この動作等を可能とするために、本実施形態の素子は、次の基板を有する。該基板は、共鳴トンネルダイオード構造を含むテラヘルツ波発振部と、HEMT素子を構成するための半導体ヘテロ接合構造で形成された２次元電子層と、ソース電極とドレイン電極とゲート電極を含むトランジスタ部と、を備える。電磁波発生素子の場合、テラヘルツ波発振部のテラヘルツ波出力が、２次元電子層の電子の分布状態を変化させる。テラヘルツ波発振部を、そのテラヘルツ波出力が２次元電子層に入射するように配置することで、２次元電子層の電子の分布状態を変化させることができる。
【００１４】
（実施形態１）
本発明による第１の実施形態は、図１のようにRTD発振器（図１（ｃ））とHEMT素子（図１（ａ））が１つの基板のそれぞれの面に備えられた電磁波発生素子ないし発振素子１である。すなわち、図１（ａ）と図１（ｃ）の平面図に示された構造が同一基板３に集積されて、その断面構造が、図中の一点鎖線に沿う断面図の図１（ｂ）の構造になっている。HEMT素子は、格子状のゲート電極６，７を設けて、半導体ヘテロ接合構造により形成された２次元電子層２に発生するプラズモンの周波数を調整できるようになっている。一方、共鳴トンネルダイオード構造を含むテラヘルツ波発振部であるRTD発振器は、共振器及び放射器として備えられたアンテナ１５の長さＬで決まる周波数で発振することができるように構成されている。その出力は、基板３内を符号１６で示すように伝搬して、前記HEMT素子の２次元電子層のゲート電極の下部領域に入射し、そこで発生しているプラズモンと相互作用できる。このプラズモン周波数とRTD発振器の発振周波数がロックレンジ内で同調できたときは、上記特許文献１と同じ原理でHEMT素子がRTD発振器の発振周波数で発振し、符号１７のようにHEMT素子から発振出力を外部の空間に取り出すことができる。このようにRTD発振器から基板内に放射された電磁波で直接的にHEMT素子と相互作用させるため、集積化の位置合わせ精度の問題は軽減される。
【００１５】
各素子について説明する。RTD発振器は２つの電極１１，１２及びRTD部１４から主に構成されている。本素子は、２つの電極１１，１２が直流的には両電極の重なり部分に設けた絶縁膜１３等で分離されているが、発振器の発振周波数では導通して、図１（ｃ）の符号１５のような長方形の非電極部を持つスロットアンテナとして機能するようになっている。電極１２の一部は、突起状に前記非電極部に張り出し、RTD部１４の表面と電気的にコンタクトしている。RTD部の基板３側の層は高濃度ドーピング層（不図示）を介して電極１１と電気的にコンタクトするようになっている。RTD部は、例えば基板３がInP（半絶縁性）の場合に、InGaAs井戸層、InAlAsトンネル障壁層（InAsの場合もあり得る）からなる２重障壁型もしくは３重障壁型の構成になっている。スロットアンテナの長辺の長さLが主に発振周波数を決めるが、RTD部１４のメサの断面積や電極１２の前記突起部の長辺上での位置（中心から短辺までの間の位置であって、図１（ｃ）では中心にある）によっても変化する。その構成は、非特許文献である「Applied Physics Express, vol. 4, p. 064101」に記載されているように、RTD発振器としては当業者に周知のものである。
【００１６】
電極１１，１２に直流電圧を印加すると、テラヘルツ領域の発振が得られ、その発振出力は誘電率の高い基板３側に主に放射される。その結果、HEMT素子の２次元電子層２に入射して上記相互作用が発生する。この際、図１（ｂ）のようにスロットアンテナで短辺方向に発生した電界Eが、HEMT素子の格子状ゲート電極の格子と直交する方向に入射することが重要である。
【００１７】
次にHEMT素子について説明する。RTD部と同じ半絶縁性InP基板３に、InAlAsバッファ層１９、InGaAsチャネル層６０、InAlAsキャリア供給層１８が構成され、その表面には格子状のゲート電極６，７が形成されている。これらのヘテロエピタキシャル層は基本的にはノンドープ層であるが、キャリア供給層１８のチャネル層６０との界面近傍には、Siによるデルタドープをすることで、これら２つの層の界面近傍に２次元電子層２が形成されている。このゲート電極に相当する領域以外には、２次元電子層の端部にソース電極４とドレイン電極５が形成され、その下部は、ハイドープn+InGaAs層もしくはイオン注入層８，９などによりオーミックコンタクトが得られるようになっている。n+InGaAs層で電極コンタクトを得る場合には、ゲート領域と同じ半導体層構成の上にさらにn+InGaAs層がエピタキシャル成長されており、ゲート領域ではこの層のみを選択エッチングにより除去している。電極材としては、例えばTi/Pt/Au、Ti/Pd/Auや、これらよりはプラズマ周波数が低いMo、TiW、ポリシリコンなどが好適である。以上は一般的なHEMT素子の構造である。さらに本実施形態では、ゲート電極６，７がインターデジタル構造であり、隣り合う格子電極間の電位差を調整できる構成となっている。この様にして、２次元電子層の端部に設けられたソース電極及びドレイン電極と２次元電子層上部に設けられたゲート電極とを含むトランジスタ部が構成されている。以上の構成において、テラヘルツ波発振部のテラヘルツ波が基板の内部を伝搬して、２次元電子層の電子の分布状態を変化させることができる様になっている。
【００１８】
これら２つの素子は、同一InP基板３上に、それぞれエピタキシャル成長及び両面アライナーによる位置合わせパターニングを行って、テラヘルツ電磁波が相互作用するように集積化することができる。以上の構成では、テラヘルツ波発振部とトランジスタ部は、それぞれ、基板３の異なる２つの面の対向した位置に配置されているが、次の様にしても良い。すなわち、それぞれ別個の基板にRTD発振器とHEMT素子を作製してから、基板同士を電磁波透過性のある接着剤、もしくは直接基板接合、または電磁波相互領域を避けるように形成したAu等の金属間の接合を用いて、ハイブリット集積を行っても良い。いずれにおいても、トランジスタ部は、テラヘルツ波発振部の出力と相互作用するように配置されている。
【００１９】
次に素子の動作について説明する。まず、HEMT素子からのテラヘルツ波放射であるが、基本的には特許文献１に記載の放射原理と同様である。すなわち、ソース・ドレイン間に電圧を印加すれば２次元電子層の２次元電子によってドリフト電流が生じる。そして、その２次元電子が格子状ゲート電極によって周期的密度変調を受けて起こり得るプラズモン振動の周波数と、ゲート格子の幅（ゲート長）とが所定の関係になると増幅利得が得られる。２次元電子は、２次元電子層内の一般的なキャリア濃度１０１１〜１０１２cm-２において、テラヘルツ帯のフォトンによってコヒーレントな分極振動としてプラズモンを励起し得る。ソース・ドレイン間電圧とゲート電圧により、これら２次元電子のキャリア濃度、格子部位の電子濃度、電子のドリフト速度などを調整し、RTD発振器からのテラヘルツ電磁波の周波数で増幅利得を持たせる。このようにすれば、発振周波数がRTD発振器で固定され、出力が増幅された電磁波を外部に放射させることができる。
【００２０】
そのとき、ゲート電圧の変化によりキャリア濃度を変化させれば、増幅可能な周波数から離調せしめ、外部に電磁波が放射されないような状態に遷移させることができる。したがって、HEMT素子のゲート電極への変調信号の印加により、on-off変調されたテラヘルツ電磁波として外部に取り出すことができる。その際、素子の寄生インピーダンスによる変調信号の印加に対するロールオフ周波数は、一般的なHEMT素子のようにゲート長にもよるが、数１００GHz以上にすることが可能である。このように、RTD発振器単体に変調信号を印加する場合と比較して、格段に広帯域な変調を行うことができる。典型的には、InPの場合に、電極６に０.３V、電極７に１V印加したとき、それぞれの電極下には１０１２cm-２程度、１０１４cm-２程度の濃度のキャリアが誘起される。例えば、１０１２cm-２の領域に対して、RTD発振器の発振周波数とプラズマ周波数が一致するように調整することで、格子電極の格子ピッチの周期でもって電極６の部分のみにプラズマ共鳴が励起される。これが、格子状ゲート電極全体から電磁波として外部に放射される。
【００２１】
一方、電極７の電圧を０Vとすれば電極６の領域よりもキャリア濃度が低下し、プラズマ共鳴の濃淡（強弱幅）が小さくなることで電磁波が放射されない。したがって、例えば、電極７に０〜１Vの矩形波変調信号を印加することで、テラヘルツ電磁波の強度変調ができる。このとき、発振周波数が例えば１THzの場合、プラズマ共鳴を励起する電極のゲート長（格子の幅）はサブミクロン程度となる。例えば、次の様な構造が一実施例となりうる。ここでは、１つの電極が１００nmのゲート長を有し、もう１つの電極が１８００nmのゲート長を有し、１周期のピッチが２μmである構造が４０周期設けられ、ソース・ドレイン間の距離が約８０μmである。
【００２２】
これらの具体的な数値は一設計例であり、材料やキャリア濃度、格子電極サイズ（ゲート長、２つのゲート長の比率、ピッチ）によって、発振周波数や駆動条件などを設定し得る。これらの設計のための指針は、非特許文献である「Physical Review B, vol. 58, p. 1517」などに記されている。また、上記特許文献１のようにゲート長をソースからドレインに向かって段階的に変化させれば、より効率的な放射が期待できる。
【００２３】
ところで、ここまでの記述では、HEMT素子からの電磁波放射はソース・ドレイン間におけるプラズモン共鳴の増幅によるものだけで説明してきた。ここで、放射されたテラヘルツ電磁波をさらに基板共振器で閉じ込めることで、Q値を向上させて周波数安定度と発振出力をさらに強めることも可能である。すなわち、基板３が半絶縁性である場合にはテラヘルツ波の減衰は極めて小さく、基板３の厚さを例えば発振波長のλ/２の整数倍にしておけば、RTD発振器の電極１１、１２及びHEMT素子側の電極４〜７を反射ミラーとした縦形共振器となり得る。１THz発振の場合には、InPの屈折率はおよそ３．５であるため、１THzの実効波長８５μｍに対して基板３の厚さを５１０μmとすれば、６λ共振器として機能することができる。発振波長を変える場合には、適宜、基板厚を選択するか基板を研磨することで構造を調整する。
【００２４】
以上の実施形態において示した具体例は一例であり、例えば用いる半導体はInP系以外にも、GaAs（AlGaAs、InGaAs、InGaP）系、GaN（InGaN, AlGaN）系などを用いることができる。また、RTD発振器とHEMT素子がハイブリッド集積型である場合には、それぞれの素子に対して異なる結晶系、例えばInP系とGaAs系を組み合わせることもできる。
【００２５】
本実施形態による発振器を用いたテラヘルツ波信号の伝送の例を図４に示す。本実施形態による電磁波発生素子を含む電磁波発生器６４に、RTD発振器駆動用の直流電源６７とHEMT素子駆動用の電源６２を接続し、さらに変調電源６３によってHEMT素子のゲート電極に変調信号を重畳させる。一例として、RTD発振器には０.８V、HEMT素子のソース・ドレイン間には２.８V、ソースと２つのゲート間にはそれぞれ０.３Vと１Vを印加して０.８THzで発振させる。そして、後者のゲート電極に０〜１Vの変調信号を与えた場合に、３dBダウンの変調帯域としておよそ３０GHzが得られる。ここで、検出部としては、例えばショットキーバリアダイオード６５とローノイズアンプ６６を用いることができる。このような構成により、１０Gbpsの8B10B符号による高速無線伝送の確認ができる。HEMT素子のゲート長などの設計によっては更なる高周波化も可能である。
【００２６】
（実施形態２）
実施形態１は、基板の２面を使ってRTD発振器とHEMT素子の相互作用を起こさせるものであったが、本実施形態は基板２０の同一面上に２つの素子を集積させた素子である。図２（ａ）にその平面図を、図２（ｂ）にA-A’断面図を、図２（ｃ）にB-B'断面図を示している。
【００２７】
RTD発振器の構造は図２（ｂ）の断面図に典型的に示されているが、実施形態１と同様にメサ構造のRTD部２５が２つの電極２１，２４に絶縁体２９を含んで挟まれた構成になっている。本実施形態では、共振器と放射器を兼ねたアンテナがパッチアンテナとなっており、バイアス供給ライン２３をnull点としたアンテナ長で決まる発振周波数で発振する。パッド２２を介して電極２１，２４に電源から直流電圧を印加すると、RTD発振器が所定の周波数で発振する。発振したときの定在波は、図２（ａ）の電極２４の左端と右端に腹があるように発生する。そのテラヘルツ波電界は、図２（ｃ）のHEMT素子部の断面図で示すソース電極３０とドレイン電極３１に印加されることになる。RTD発振器のパッチアンテナの電極２４は、絶縁体２９と繋がった絶縁膜３２でソース及びドレイン電極３０，３１と絶縁されており、発振したテラヘルツ波としての交流成分のみがHEMT素子の電極３０，３１に印加される。グランド電極になっている電極２１は、図２（ｃ）に示すようにソース及びドレインの半導体領域３３の下部にはない構造となっている。したがって、RTD発振器とHEMT素子の信号の結合効率は直流的に接続されている場合に比べて小さく設定でき、設計の自由度が増す。また、発振器のアンテナの一部にHEMT素子が入り込む構造であり、マイクロストリップ線路等の高周波配線が必要ないので、配線による伝搬損失や歩留まり低下の問題もない。
【００２８】
HEMT素子の構造（半導体領域３３の層構成、及びゲート電極２８、ソース電極３０、ドレイン電極３１の電極配置等）は実施形態１と同様である。ゲート電圧をプラズモン共鳴する電圧に設定した場合、パッチアンテナからの電磁波放射は増幅され、RTD発振器単独の出力より大きくなる。これを利用すれば、テラヘルツ電磁波の強度変調を行うことができる。または、RTD発振器の出力と分離するために、HEMT素子からのテラヘルツ波出力は基板２０の素子形成された面とは反対側の面から符号３４のように取り出しても良い。その場合に、必要に応じて無反射コーティングや半球レンズ等（不図示）を基板２０の素子の形成されていない面に備えてもよい。
【００２９】
また、ゲート電極２８はキャリア濃度調整するために単電極構造になっているが、実施形態１のように格子状ゲート電極としてもよい。また、ゲート電極下部のキャリア供給層に、格子電極の代わりに、実施形態１で示したようなキャリア濃度の異なる領域がサブミクロンで交互に並ぶような量子細線構造を備えて、単電極２８とすることもできる。
【００３０】
以上の様に、本実施形態では、テラヘルツ波発振部からのテラヘルツ波出力が伝搬する電気配線（ここではアンテナ）が、トランジスタ部とAC的（交流的）に接続されている。すなわち、テラヘルツ波発振部からトランジスタ部への接続は、発振しているテラヘルツ波の周波数帯域では導通し、直流的には分離されている。本実施形態では、基板両面のプロセスやアライメントにおける困難性が軽減されるメリットがある。
【００３１】
（実施形態３）
図３は、実施形態２のような同一平面上への２素子集積構造の変形例となる実施形態３の発振素子４０の平面図である。実施形態２ではRTD発振器とHEMT素子が一体となった構造のため、RTD発振器における発振出力とHEMT素子からの出力の分離が難しかった。本実施形態では、図３に示すように、RTD発振器の出力はアンテナから積極的に外部に放射させずに、伝送線４４によって発振出力をHEMT素子の電極４９，５０に印加するものである。
【００３２】
RTD発振器４３は、実施形態１，２と同様のRTD部４５が電極４２，４３に不図示の絶縁膜を含み挟まれている。電極４３はRTD発振器の共振器を構成しており、さらに共振器のQ値を高めるために円形の誘電体部５３を近傍に備えても良い。誘電体部５３の高さは、電極４３や伝送線４４のあるレベル程度までの高さである。
【００３３】
一方、RTD発振器の発振出力は、４４と４２で構成される伝送線で電極４８，４７に伝えられ、それぞれHEMT素子のソース電極４９とドレイン電極５０に交流電界が印加される。電極４８と電極４９、及び電極４７と電極５０が直流的に短絡しない構造にしていることは、実施形態２で説明した断面構造（図２（ｃ））と同様である。また、格子状ゲート電極５１、５２については実施形態１と同様である。４１はパッドであり、４６はRTD発振器へのバイアス供給ラインである。
【００３４】
本実施形態では、２つの素子を同一平面状に集積した発振器において、HEMT素子からの変調されたテラヘルツ波を効率的に取り出すことができる。
【００３５】
（実施形態４）
これまでの実施形態では発振器としての動作を行うものであったが、以上の実施形態の素子を検出素子として用いることも可能である。その場合、外部から素子に照射されるテラヘルツ波の検出信号は、ドレイン電圧、ドレイン電流として取り出すことができる。これらは、ゲート電圧がしきい値電圧の近傍の前（電圧の場合）または後（電流の場合）で大きくなる。そこで、検出すべきテラヘルツ電磁波の周波数にHEMT素子の２次元電子層で励起されるプラズモン周波数が一致するゲート電極の電圧が、前記しきい値電圧近傍になるようにする。そのためには、予め変調ドーピング等で２次元電子層のキャリア濃度を調整すればよい。集積されたRTD発振器からのテラヘルツ波がさらに印加された場合には、その発振周波数とのミキシング信号を検出できることになり、SN比に優れた検出を行うことが可能である。
【００３６】
以上の様に、電磁波検出素子として構成された本実施形態も、共鳴トンネルダイオード構造を含むテラヘルツ波発振部と、半導体ヘテロ接合構造により形成された２次元電子層と、トランジスタ部と、を備えた基板を有する。トランジスタ部は、２次元電子層の端部に設けられたソース電極及びドレイン電極と２次元電子層上部に設けられたゲート電極とを含み、トランジスタ部に外部からテラヘルツ波が照射されるときに、その電磁波の強さに応じた出力をトランジスタ部で取り出す。そして、テラヘルツ波発振部からのテラヘルツ波出力を２次元電子層に入射させて、トランジスタ部で取り出す出力を、テラヘルツ波発振部からのテラヘルツ波の発振周波数とのミキシング信号とすることができる。この電磁波検出素子を含む電磁波検出器を図４の検出器６５として用いることもできる。
【符号の説明】
【００３７】
１‥素子（電磁波発生素子）、２‥２次元電子層、３‥基板、４，５，６，７，１１，１
２‥電極、１４‥共鳴トンネルダイオード、１５‥アンテナ、８，９，１８，１９，６０
‥半導体層、１６‥テラヘルツ波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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