(57)【要約】【課題】電磁波を効率的に利用できる発振素子、電磁波検出素子、電磁波増幅素子などに用いることの出来る導波路素子を提供する。【解決手段】導波路素子１００は、導波路１０７と、共振型アンテナ１０８と、インピーダンス整合部１０９と、を有する。共振型アンテナは、電磁波が出・入射する導波路１０７の部分に配置されている、電磁波が出射又は入射する為の部分である。インピーダンス整合部は、導波路のインピーダンスと共振型アンテナのインピーダンスとを整合させることにより、導波路と共振型アンテナとを結合する為の部分である。導波路１０７は、電磁波に対する誘電率実部が負である第一及び第二の導体層１０３、１０４と、第一及び第二の導体層の間に配置されているコア層１０２と、を有し、コア層は、電磁波の利得、又は、電磁波に対してキャリアの非線形性、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波が導波する導波路と、
前記電磁波が出射又は入射する前記導波路の部分に配置されている、前記電磁波が出射又は入射する為の共振型アンテナと、
前記導波路のインピーダンスと前記共振型アンテナのインピーダンスとを整合させることにより、前記導波路と前記共振型アンテナとを結合する為のインピーダンス整合部と、
を有し、
前記導波路は、前記電磁波に対する誘電率実部が負である第一及び第二の導体層と、前記第一及び第二の導体層の間に配置されているコア層と、を有し、
前記コア層は、前記電磁波の利得、又は、前記電磁波に対してキャリアの非線形性、を有する、
導波路素子。
【請求項２】
前記コア層は、前記第一及び第二の導体層に接し且つ半導体を含む積層構造を有する、
請求項１に記載の導波路素子。
【請求項３】
前記導波路の前記部分は、前記導波路の端部である請求項１又は２に記載の導波路素子。
【請求項４】
前記インピーダンス整合部は、オフセット給電、λ／４整合回路、結合給電のいずれかにより入出力インピーダンスを調整する構造を有する、
請求項１から３の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項５】
前記共振型アンテナが前記インピーダンス整合部を兼ねる、
請求項１から４の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項６】
前記共振型アンテナはマイクロストリップアンテナ又はパッチアンテナである、
請求項１から５の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項７】
前記共振型アンテナは、前記導波路を伝搬する前記電磁波の伝搬方向に対して鉛直上ないし下方向に前記電磁波を出射又は入射する構造を有する、
請求項１から６の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項８】
前記コア層は、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含む、
請求項１から７の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項９】
前記電磁波の真空中の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎｅとして、λｇ＝λ／ｎｅと表すとき、前記第一の導体層と前記第二の導体層は、導波モードないし発振モードの管内波長（λg）以下の距離に近接する、
請求項１から８の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項１０】
前記コア層は、前記電磁波の利得を有し、
前記共振型アンテナは、前記電磁波が出射する前記導波路の部分に配置されており、
前記電磁波は、前記共振型アンテナから出射する、
請求項１から９の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項１１】
前記コア層は、前記電磁波に対してキャリアの非線形性を有し、
前記共振型アンテナは、前記電磁波が入射する前記導波路の部分に配置されており、
前記電磁波は、前記共振型アンテナから入射する、
請求項１から９の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項１２】
前記導波路は該導波路内で前記電磁波が共振する構造を有する、
請求項１から１１の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項１３】
前記導波路と前記インピーダンス整合部との界面においてインピーダンス不整合がある、
請求項１から１２の何れか１項に記載の導波路素子。
【請求項１４】
前記インピーダンス整合部がマイクロストリップラインで形成され、且つ該マイクロストリップラインの線幅と、該マイクロストリップラインと接地導体に挟まれた誘電体層の膜厚と、により前記インピーダンス整合部のインピーダンスを調整する構造を有する、
請求項１から３及び６から１３の何れか１項に記載の導波路素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を導波する導波路を含む素子である導波路素子に関する。特には、例えば、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０ＧＨｚから３０ＴＨｚ）までの周波数領域の電磁波（以下、テラヘルツ波とも記す）に係る素子、発振素子、検出素子等に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波の周波数領域には、生体材料・医薬品・電子材料などの多くの有機分子について、構造や状態に由来した吸収ピークが存在する。また、テラヘルツ波は、紙・セラミック・樹脂・布といった材料に対して高い透過性を有する。近年、この様なテラヘルツ波の特徴を活かしたイメージング技術やセンシング技術の研究開発が行われている。例えば、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置や、製造工程におけるインラインの非破壊検査装置などへの応用が期待されている。
【０００３】
電流注入型のテラヘルツ波光源として、半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づいた電磁波利得を利用する構造が検討されている。非特許文献１には、低損失の導波路として知られるＤｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅ−Ｍｅｔａｌ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ（以下、ＤＭＷとも記す）を共振器として集積したテラヘルツ波帯の量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）が提案されている。ＱＣＬはＱｕａｎｔｕｍ−Ｃａｓｃａｄｅ−Ｌａｓｅｒの略である。本素子は、１０μｍ程度の薄さの半導体薄膜からなる利得媒質の上下に金属を配置した共振器構造に、誘導放出されたテラヘルツ波を表面プラズモンモードで導波させることで、高い光閉じ込めと低損失伝搬により３ＴＨｚ近傍のレーザ発振を達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５１０７０３号公報
【特許文献２】米国特許公開ＵＳ−Ａ１−２００３０２０６７０８
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８３，  ２１２４  （２００３）
【非特許文献２】ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，  ＶＯＬ．３２，  ＩＳＳＵＥ  １９，  ＰＰ．２８４０−２８４２（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＤＭＷは、導波路と空間とのインピーダンス不整合に起因した端面反射の増加やビームパターンの発散が生じるため、応用の観点から、ビームの効率的な利用と取り廻しが課題となっている。これについて、非特許文献２には、導波路の端にシリコンレンズを配置して取り出し効率や指向性を改善する方法が提案されているが、物理機械的に不安定であったり、追加の部材が必要となったりするなどの実用上の点が指摘される。そこで、特許文献１には、ホーンアンテナを集積した例が開示されている。しかしながら、構成上、物理機械的な安定性が充分とは言い難い上に、電磁波の指向が導波路の光軸からチルトされる可能性があり、周波数安定性や電磁波の取り廻しの点で改善の余地がある。また、特許文献２は、広帯域のボウタイアンテナを導波路に配置した例が開示されているが、アンテナと導波路のインピーダンス不整合や出・入射する電磁波の指向性の課題について解決するには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑みて、本発明の導波路素子は、電磁波が導波する導波路と、前記電磁波が出射又は入射する前記導波路の部分に配置されている、前記電磁波が出射又は入射する為の共振型アンテナと、前記導波路のインピーダンスと前記共振型アンテナのインピーダンスとを整合させることにより、前記導波路と前記共振型アンテナとを結合する為のインピーダンス整合部と、を有する。前記導波路は、前記電磁波に対する誘電率実部が負である第一及び第二の導体層と、前記第一及び第二の導体層の間に配置されているコア層と、を有し、前記コア層は、前記電磁波の利得、又は、前記電磁波に対してキャリアの非線形性、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電磁波が出射又は入射する導波路の部分に、共振型アンテナ及び導波路と共振型アンテナを結合するインピーダンス整合部を設けた。これにより、導波路とアンテナのインピーダンスの整合を調整できるため、導波路から放射されたり、導波路に入射したりする電磁波の放射効率又は入射効率が改善される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の素子の一実施形態を説明する図。
【図２】本発明の素子の他の例を説明する図。
【図３】本発明の素子の特性の例を説明する図。
【図４】本発明の素子の他の例を説明する図。
【図５】本発明の素子の他の例を説明する図。
【図６】本発明の素子の他の例を説明する図。
【図７】本発明の素子の他の例を説明する図。
【図８−１】本発明の素子の他の例を説明する図。
【図８−２】本発明の素子の他の例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明では、誘電率実部が負である第一の導体層と第二の導体層の間を電磁波が導波する導波路のインピーダンスと、電磁波が出・入射する共振型アンテナのインピーダンスを整合させて導波路と共振型アンテナを結合するインピーダンス整合部が設けられる。インピーダンス整合部は、導波路と共振型アンテナの入出力のインピーダンスを近づけたり、導波路と共振型アンテナの間に両者の間のインピーダンスを有する部材もしくは構造を介在させたり等することができる。こうしたことを、本発明では、導波路のインピーダンスと共振型アンテナのインピーダンスを整合させると言い、こうして導波路と共振型アンテナは良好に結合させられる。これにより、例えば、特性インピーダンスが約377Ωの空間と特性インピーダンスが0.1〜数十Ωオーダーとなるプラズモン導波路とが直接的に接続される場合に比べて、より小さなインピーダンス差で外部と導波路とが接続されることになる。
【００１１】
以下、図を用いて、本発明による素子の実施形態及び実施例を説明する。
（実施形態）
素子１００の一実施形態について、図１から図４を用いて説明する。図１は、素子１００の外観を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ’断面図である。図２は、本実施形態の素子の変形例を説明する図であり、（ａ）は素子２００、（ｂ）は素子３００、（ｃ）は素子４００の斜視図である。図３は、本発明の素子の特性の例を説明する図であり、図４は、本実施形態の更なる変形例である素子５００を説明する図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）及び（ｃ）はＡ−Ａ’断面図である。
【００１２】
本実施形態の素子１００は、電磁波利得を有する活性層１０１、第一の導体層１０３、第二の導体層１０４から構成される導波路１０７を共振器とした発振素子である。導波路１０７は、基板１０５上に集積されている。導波路１０７は、第一の導体層１０３と第二の導体層１０４とをクラッドとして、この近接した二枚の導体板で、コアとなる活性層１０１を挟んだＤＭＷと呼ばれる光導波路である。すなわち、導波路は、第一及び第二の導体層と、第一及び第二の導体層に接し且つ第一及び第二の導体層の間に配置された半導体を含む積層構造のコア層と、で規定される。第一の導体層１０３と第二の導体層１０４は、発振モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質で構成される。第一の導体層１０３と第二の導体層１０４の距離は、発振又は検出する電磁波の導波路１０７の管内波長をλｇとすると、管内波長（λg）以下、好ましくはλg／２以下、更に好ましくはλg／１０程度まで近接されている。この際、導波路の端部において出射又は入射するテラヘルツ波の周波数領域の電磁波は、導波路１０７内を回折限界が存在しないプラズモンモードで伝搬する。ここで、導波モードないし発振モードの管内波長（λg）は、真空中の電磁波の波長をλ、導波路１０７の等価屈折率をｎｅとすると、λｇ＝λ／ｎｅで表される。また、管内波長がλgの共振及び発振を得るには、半導体レーザ技術でよく知られるように、電磁波の伝播方向である導波路１０７の長手方向（即ちＡ−Ａ’方向）の長さＬをλg／２の整数倍となるように設定する。
【００１３】
活性層１０１は、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の半導体１０２を含んでおり、テラヘルツ波の周波数領域における電磁波利得を有している。半導体１０２は、例えば、数十層の半導体多層膜からなる共鳴トンネル構造や、数百から数千層の半導体多層膜からなる量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）構造が好適である。本実施形態では、活性層１０１の半導体１０２として、共鳴トンネルダイオード（以下、ＲＴＤとも記す）、又は、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）構造を用いた場合で説明する。ＲＴＤは、微分負性抵抗領域においてフォトンアシストトンネル現象に基づくミリ波からテラヘルツ波の周波数領域の電磁波利得を有する。ＱＣＬは、キャリアの共鳴トンネル現象と非発光高速遷移現象による実効的な反転分布に基づいたテラヘルツ波の周波数領域における電磁波利得を有する。
【００１４】
なお、半導体１０２として、エサキダイオード、ガン（ＧＵＮＮ）ダイオード、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良い。また、タンネットダイオード、インパットダイオード、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ:Heterojunction-Bipolar-Transistor）も好適である。さらに、化合物半導体系ＦＥＴ（Field-Effect-Transistor）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High-Electron-Mobility-Transistor）なども好適である。また、超伝導体を用いたジョセフソン素子を用いても良い。また、半導体１０２は、テラヘルツ波の周波数領域においてキャリアの非線形性を有する半導体であっても良く、この場合、素子１００は検出素子として動作する。
【００１５】
活性層１０１は、多重量子井戸構造を含む半導体１０２と第一の導体層１０３及び第二の導体層１０４とを接続するために高濃度にドーピングした半導体層１１１、１１７を備えてもよい。活性層１０１と第一の導体層１０３及び第二の導体層１０４とは、機械的かつ電気的に互いに接している。導波路１０７は、第一の導体層１０３と第二の導体層１０４との間に外部電源からバイアスを印加することで、活性層１０１に含まれるＲＴＤやＱＣＬなどの半導体１０２にバイアスが印加される構成となっている。ここで、第一の導体層１０３と第二の導体層１０４は、金属（Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｕＩｎ合金など）、半金属（Ｂｉ、Ｓｂ、ＩＴＯ、ＥｒＡｓなど）、高濃度にドーピングされた半導体などを好適に用いることが出来る。
【００１６】
本実施形態の素子１００は、導波路１０７の電磁波が出射又は入射する部分、例えば導波路１０７の端に電磁波が出・入射する為の共振型アンテナ１０８を備える。また、導波路１０７と共振型アンテナ１０８の間には、導波路１０７と共振型アンテナ１０８間のインピーダンスを整合する為のインピーダンス整合部１０９を備える。共振型アンテナ１０８は、アンテナ内で生じる電流又は磁流の共振現象を利用したアンテナであり、定在波アンテナとも呼ばれ、アンテナの共振器長が半波長の整数倍となる共振周波数を中心として、比較的狭い帯域の動作周波数の電磁波を強く放射又は受信する。共振型アンテナとしては、例えばパッチアンテナ、マイクロストリップアンテナ、スロットアンテナ、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、折返しダイポールアンテナなどがある。本実施形態では、共振型アンテナ１０８としてパッチアンテナ１０８を用いた例を中心に説明する。
【００１７】
パッチアンテナ１０８は、パッチ導体１１２と接地導体１１３の二つの導体で誘電体１１４を挟むように構成された構造を有し、パッチ導体１１２のＡ−Ａ’方向の長さ（＝共振器長Ｌ）がλ／２となるように設定される。共振器長Ｌによって規定される共振周波数fの電磁界がパッチ導体１１２と接地導体１１３の間に定在化して、共振周波数fを中心とした比較的狭い帯域の電磁波を放射又は受信する。この際、電磁波は、導波路１０７を伝搬する電磁波の伝搬方向（Ａ−Ａ’方向）に対してほぼ鉛直上ないし下方向側、言い換えると半導体１０２の積層方向側、に沿ってパッチアンテナ１０８を介して出射又は入射される。本実施形態では、パッチアンテナ１０８を構成するパッチ導体１１２と接地導体１１３を、第一の導体層１０３及び第二の導体層１０４とそれぞれ兼用しているが、これは必ずしも必要ではなく、異なる導体を用いて別々に配置しても良い。
【００１８】
インピーダンス整合部１０９は、導波路１０７と共振型アンテナ１０８のインピーダンス整合を調整する為の構造である。本実施形態のインピーダンス整合部１０９の一例は、導波路１０７と共振型アンテナ１０８の入出力のインピーダンスを近づけることで、両者間の電磁波の反射や位相ずれを抑制してスムースな電磁波伝送を可能にする部材もしくは構造である。言い換えると、インピーダンス整合部は、インピーダンス整合部の特性インピーダンスを調整することで、導波路と共振型アンテナの入出力インピーダンスの整合の程度を調整する部材や構造である。本実施形態においては、簡易的には、導波路１０７及び共振型アンテナ１０８の特性インピーダンスを調整することで両者のインピーダンス整合を行い、電磁波の出・入射の効率を調整している。例えば、素子１００を発振素子として用いた場合、導波路１０７と共振型アンテナ１０８の特性インピーダンスを略一致（発振を起こす為には完全に一致する必要はない）させればインピーダンス整合により発振出力を増加させることが出来る。また、特性インピーダンスを少しずらせば、発振に寄与する注入エネルギーの利用効率が少し高くなるので、発振の閾値電流を抑制することも可能である。また、導波路はレーザ共振器であり、電磁波を導波路内部に定在化させる役割があるため、導波路の両端面で一定以上の電磁波を反射させる必要がある。このため、導波路とインピーダンス整合部との界面では完全にはインピーダンス整合させないように設計すれば、発振出力の電力を最大化することも可能である。
【００１９】
導波路１０７のようなプラズモン導波路の特性インピーダンスは、活性層１０１内の半導体１０２の厚さや導波路１０７の幅と言った構造や構成材料に依存するが、典型的には０．１〜１００Ωの範囲となり、比較的低インピーダンスの構造である。活性層１０１に、後述の実施例１に記載した膜構成のＲＴＤを用いた場合、例えば、活性層１０１内の半導体１０２の厚さは約３０ｎｍ、導波路１０７の幅は５μｍであり、導波路１０７の特性インピーダンスは約２Ωと簡易的には見積られる。また、ＱＣＬでよく用いられる構造で、半導体１０２が１μｍ厚で導波路１０７が１０μｍ幅であれば特性インピーダンスは約１０Ωと見積られ、半導体１０２が１０μｍ厚で導波路１０７が１５０μｍ幅であれば特性インピーダンスは約７Ωと見積られる。このように、プラズモン導波路は、大気の特性インピーダンス（３７７Ω）と比較して低インピーダンスであるため、これまでは導波路と空間とのインピーダンス不整合に起因した反射や位相ずれにより、ビームの入射及び出射が効率良く行われていなかった。
【００２０】
本実施形態の素子１００は、端面に共振型アンテナ１０８を備える。共振型アンテナの特性インピーダンスは、例えばパッチアンテナであれば５０〜３００Ω、スロットアンテナであれば５０〜１０００Ωの範囲である。よって、適切なアンテナ構造及び寸法を選択することで、特性インピーダンスの大きさをプラズモン導波路の特性インピーダンスに近づけることが可能である。さらに、本実施形態の素子１００の例は、導波路１０７と共振型アンテナ１０８の間にインピーダンス整合部１０９を備える。インピーダンス整合部１０９により、導波路１０７と共振型アンテナ１０８の間の入出力インピーダンスを調整することが可能となり、プラズモン導波路と共振型アンテナ１０８のインピーダンス整合を調整することが出来る。インピーダンス整合部１０９には、共振型アンテナで広く用いられるオフセット給電の構造（図２（ａ）、図２（ｂ）、図４（ａ））、λg／４整合回路（図２（ｃ））、結合給電の構造（図４（ｃ））などが好適に用いられる。また、図１（ａ）に記載した例のように、共振型アンテナ１０８の構造を適切に設定してアンテナが低インピーダンスとなるように設計することで、アンテナ自身がインピーダンス整合部１０９の役割を兼ねることも出来る。
【００２１】
図３は、本発明の素子１００の特性の例を説明する図であり、（ａ）はインピーダンスの周波数特性、（ｂ）は放射効率の周波数特性を表している。図３は、後述の実施例１に開示した素子１００の構造についてアンソフト社の高周波シミュレータＨＦＳＳを用いて解析した結果である。すなわち、パッチアンテナの入力インピーダンス（Ｚpatch）、導波路１０７の特性インピーダンス（ＺMMW）、放射効率の周波数特性を解析した結果である。図３（ａ）から、特性インピーダンスＺMMWが約２Ωの導波路１０７の端に、実施例１の入力インピーダンスＺpatch（x/L=0）のパッチアンテナを接続した場合、放射効率が向上することが分かる。すなわち、パッチの共振周波数５００ＧＨｚ付近で導波路１０７とアンテナ１０８のインピーダンスが整合するため、図３（ｂ）のように、導波路１０７単独の場合と比べて、放射効率がおよそ二桁向上する。この場合は、共振型アンテナ１０８が低インピーダンスになるようにアンテナの構造を設計しているため、アンテナ自身がインピーダンス整合部１０９の役割を兼ねることでインピーダンス整合を実現している。具体的には、パッチアンテナの特性インピーダンスＺｃが近似的にはＺｃ＝３７７×ｔ×ｗ-1×εｒ-1/2となるので、Ｚｃが低インピーダンスとなるように、パッチ幅が広く、誘電体厚が薄い５００ＧＨｚ用のλ/2パッチアンテナを設計する。このことで、上記構造が実現される。ここで、ｔは誘電体１１４の厚さ、ｗはパッチアンテナ１０８の幅、εｒは誘電体１１４の比誘電率である。
【００２２】
特性インピーダンスＺMMWが約２Ωの導波路１０７の端を実施例１のパッチアンテナ１０８の端からｘ＝５０μｍ内側に接続した場合の入力インピーダンスＺpatch（x/L=0.25）は、５００ＧＨｚ付近を更に低インピーダンス化できる。このため、図３（ｂ）のように放射効率は、x/L=0の時よりも約１割向上する。これは、オフセット給電の効果により、パッチアンテナの入力インピーダンスＺｉｎ（ｘ）が端で最大（Ｚｉｎ（０））になり、パッチの中心では約０Ωとなることからも理解される（Ｚｉｎ（ｘ）＝Ｚｉｎ（０）ｃｏｓ２（π・x/L））。このように、導波路１０７の給電位置を共振型アンテナ１０８の中心から端に移動していくことで、必ずどこかにインピーダンス整合する給電位置がある。
【００２３】
パッチアンテナにおけるオフセット給電は、例えば図２（ａ）の素子２００のようにパッチ導体２１２に切り込みを入れて、ここに導波路２０７の両側をパッチ導体から隔てて導波路２０７を接続する方法がある。図２（ａ）において、図１の部分との対応部分は、下二桁が同じ２百番台の数字で示す。また、図２（ｂ）の素子３００のように、パッチアンテナ３０８の内部に導波路３０７の一部を埋め込むように接続する方法を用いれば、比較的低損失にインピーダンス整合が調整可能である。ここで、導波路３０７の第一の導体層はパッチ導体と接続されている。図２（ｂ）において、図１の部分との対応部分は、下二桁が同じ３百番台の数字で示す。また、図４（ｂ）のようにプラグ５１５を用いて導波路５０７とアンテナ５０８を接続すれば、誘電体５１４１及び誘電体５１４２の厚さを任意に調整することで導波路５０７とアンテナ５０８のインピーダンス整合が調整可能である。図４において、図１の部分との対応部分は、下二桁が同じ５百番台の数字で示す。また、図２（ｃ）の素子４００のように、インピーダンス整合部４０９にλg／４整合回路を用いて導波路４０７とアンテナ４０９のインピーダンス整合を行う構成を用いることも出来る。λg／４整合回路は、λg／４の導波方向長を持ち導波路４０７のインピーダンスとアンテナ４０９のインピーダンスとの間のインピーダンスを有する。図２（ｃ）において、図１の部分との対応部分は、下二桁が同じ４百番台の数字で示す。
【００２４】
なお、導波路とアンテナのカップリングは、上述のＤＣ結合のような構成である必要はない。例えば、図４（ｃ）に示す素子５００のように、導波路５０７とアンテナ５０８をＡＣ結合するような結合給電の構成であってもよい。この場合、アンテナ５０８の挿入位置を調整することで導波路５０７とアンテナ５０８とのインピーダンス整合を行うことが出来る。また、アンテナは、テラヘルツ波帯で動作する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アンテナ型共振器であっても良い。誘電体は、導電性よりも誘電性が優位な物質で、直流電圧に対しては電気を通さない絶縁体或いは高抵抗体としてふるまう材料である。典型的には抵抗率が１ｋΩｍ以上の材料が好適である。具体例としては、プラスティック、セラミック、酸化シリコン、窒化シリコンなどがある。
【００２５】
共振型アンテナの他の例として、図５（ａ）及び（ｂ）に、導波路７０７と半波長スロットアンテナ７０８をインピーダンス整合部７０９を介して結合した構成の素子７００を示した。導波路７０７は、第一の導体層７０３と第二の導体層７０４の二枚のクラッドで活性層７０１を挟んだプラズモン導波路であり、端面には二枚の金属板７１２、７１３からなり孔７１５を備えるスロットアンテナ７０８が配置されている。導波路７０７は、スロットアンテナ７０８の中心からオフセットした位置から給電されており、この構造がインピーダンス整合部７０９となっている。また、図６（ａ）及び（ｂ）には、導波路８０７と半波長ダイポールアンテナ８０８をインピーダンス整合部８０９を介して結合した素子８００を示した。導波路８０７の端面に半波長ダイポールアンテナ８０８が配置され、導体層８０３、８０４は金属板８１２、８１３と接続される。この場合は、ダイポールアンテナ８０８の中心から導波路８０７がオフセット給電される構造がインピーダンス整合部８０９となっている。また、図７（ａ）のように、導波路９０７と１波長ループアンテナ９０８をインピーダンス整合部９０９を介して結合する構成の素子９００もある。さらに、図７（ｂ）のように、導波路１００７と半波長折返しダイポールアンテナ１００８をインピーダンス整合部１００９を介して結合する構成の素子１０００もある。
【００２６】
この様に、本実施形態によれば、プラズモン導波路の電磁波が出射又は入射する部分に、インピーダンス整合部を設けた。これにより、導波路とアンテナのインピーダンスを整合させることが出来るので、導波路から放射又は導波路に入射する電磁波の放射効率又は入射効率が著しく改善される。また、電磁波の指向パターンを、導波路内を伝搬する電磁波の光軸方向に対してほぼ鉛直上ないし下方向に向けることが出来るので、放射又は入射される電磁波の指向性が改善されるとともに、電磁波の取り廻しの点における改善が期待される。従って、本実施形態により、電磁波を効率的に利用出来る素子の実現が期待される。
【００２７】
さらには、本構成は、従来は、プラズモン導波路の端面から広い放射角で放射されていた電磁波を、パッチアンテナなどの共振型アンテナを用いることで電磁波の伝搬方向に対して略鉛直上方に取り出すことが出来、また指向性を改善することが可能となる。このため、電磁波の指向パターンを光軸方向に安定させることも可能となり、電磁波の取り廻しが容易となる。また、プラズモン導波路にアンテナを平面集積することで、従来のシリコンレンズや３次元アンテナの集積による物理機械的な不安定性に起因した電磁波のチルトや周波数特性の不安定性の低減も期待される。従って、物理機械的な安定性や加工精度の向上が見込まれる上に、レンズなどの光学部品の点数削減によるコストダウンの効果も期待される。こうして、本実施形態により、電磁波を効率的に利用出来る小型で堅牢な素子、及び、それを用いた発振素子や検出素子などの半導体素子ないし導波路素子が実現できる。
【００２８】
以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
本発明の素子の具体的な実施例１について、図１〜図４を用いて説明する。ここで、本発明による素子１００は、単純な電磁波の導波路として用いることもできるが、コア層に電磁波利得や非線形性を持たせることで発振素子、電磁波検出素子、電磁波増幅素子などの半導体素子を構成することができる。以下では、その一例として、本発明の素子を発振素子に用いた例について説明する。ここでは、コア層は電磁波利得を有し、第一及び第二の導体層は、発振モードの電磁波に対する誘電率実部が負であって、発振素子として構成される。
【００２９】
本実施例では、半導体１０２として、サブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する半導体多重量子井戸構造である、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）構造を用いた。ＲＴＤ構造は、上から、次の順に積層された半導体多層構造である。ｎ-ＩｎＧａＡｓ（５０ｎｍ、Ｓｉ、１×１０１８ｃｍ−３）。ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）。ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）。ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ）。ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）。ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ）。ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）。ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）。ｎ-ＩｎＧａＡｓ（５０ｎｍ、Ｓｉ、１×１０１８ｃｍ−３）。ここで、下線部のＩｎＧａＡｓ層が量子井戸層、下線の無いＩｎＡｌＡｓ系の材料がポテンシャル障壁層となり、３重障壁共鳴トンネル構造を構成している。ＩｎＰに格子整合していないＡｌＡｓは、臨界薄膜よりは薄く、エネルギーの高い障壁となっている。また、高濃度キャリアでドーピングされた上下のｎ−ＩｎＧａＡｓ層は、共鳴トンネル構造への電子の注入と抽出を行うエミッタ／コレクタ層である。エミッタ／コレクタ層とポテンシャル障壁層の間に配置されたＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）は、ドーピング材料であるＳｉの拡散防止層である。
【００３０】
活性層１０１は、ＲＴＤ構造を有する半導体１０２と、その上下に配置され高濃度にキャリアドープしたｎ−ＩｎＧａＡｓ（１×１０１９ｃｍ−３）からなる半導体層１１１及び半導体層１１７から構成され、活性層１０１の厚さは合計約３μｍである。このドーピングされた半導体層により、半導体１０２のＲＴＤと第二の導体層１０４及び第一の導体層１０３とを比較的低抵抗で接続する。第一の導体層１０３と第二の導体層１０４は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの積層膜で構成される。第一の導体層１０３がＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ）である。第二の導体層１０４がＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ）である。基板１０５は、高抵抗シリコン基板であり、第二の導体層１０４と機械的に接続されている。誘電体１１４は、テラヘルツ波帯で低損失な絶縁材料（例えばＢＣＢなどの樹脂やＳｉＯ２などの無機材料）が好適であり、本実施例ではＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を用いている。素子１００は、第二の導体層１０４と第一の導体層１０３間に接続された電源により、駆動用のバイアス電圧が活性層１０１に供給される。
【００３１】
導波路１０７は、ファブリペロー型の共振器構造であり、電磁波の伝播方向において少なくとも二つの端面を備えている。この端面からの反射を利用して電磁波を定在化するので、伝播方向（導波路１０７の長手方向）の長さが発振波長を決める要素となる。本実施例では、導波路１０７の長さをλｇの２０倍となる０．６ｍｍ、幅を０．００５ｍｍとした。従って、第一の導体層１０３及び第二の導体層１０４はそれぞれ１ｍｍ×０．００５ｍｍの矩形パターンとなっている。また、第一の導体層１０３と第二の導体層１０４との距離は、約３μｍと近接されている。導波路１０７は、発振周波数を０．５ＴＨｚ、管内波長λｇを３０μｍとして設計されている（導波路の等価屈折率を約２０とした）。電磁波は、導波路１０７内をプラズモンモードで伝搬し、導波路１０７の端面が開放端となり、端面からλｇ／４の位置が共振電界の節となる。素子１００は、微分負性抵抗領域におけるフォトンアシストトンネル現象に基づいて発生した０．５ＴＨｚの電磁波を、導波路１０７の端に配置されたパッチアンテナ１０８から放射する。
【００３２】
パッチアンテナ１０８は、パッチ導体１１２の一辺がＬ＝２００μｍの正方形パッチ（Ｌ（導波路１０７の長手方向と平行な方向の長さ）＝ｗ（Ｌの方向と直角な方向の幅）＝２００μｍ）である。パッチ導体１１２と接地導体１１３の間には誘電体１１４として厚さｔが３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ＝２．４）を配置した。パッチアンテナ１０８は、導波路１０７の片側の端に配置されており、パッチ導体１１２と第一の導体層１０３とが接続され、接地導体１１３と第二の導体層１０４とが接続されている。従って、導波路１０７のオフセット量ｘ（パッチ導体１１２の導波路側の端と接続部との距離）は０μｍなのでx/L＝0となる。この場合、図３（ａ）から、導波路１０７の特性インピーダンスＺMMWは約２Ωで、導波路１０７の端に接続したパッチアンテナ１０８の５００ＧＨｚ付近における入力インピーダンスＺpatch（x/L=0）は約７Ωとなる。従って、アンテナ１０８の共振周波数５００ＧＨｚ付近で、導波路１０７とアンテナ１０８のインピーダンスは近づくため、図３（ｂ）のように、導波路１０７単独の場合と比べて、放射効率がおよそ二桁向上する。この場合、共振型アンテナ１０８自身がインピーダンス整合部１０９の役割を兼ねることでインピーダンス整合を実現している。
【００３３】
また、図２（ａ）に記載したように、パッチ導体２１２に１５μｍ幅で５０μｍ長さの切り込みを入れることもできる。そして、特性インピーダンスＺMMWが約２Ωの導波路２０７の端をパッチアンテナ２０８の端からｘ＝５０μｍ内側にシフトした位置に接続してオフセット給電する（x/L=50/200=0.25）。この場合、アンテナ２０８の入力インピーダンスＺpatch（x/L=0.25）は５００ＧＨｚ付近で約３Ωとなり、図３（ｂ）のように更なる放射効率の改善が可能である。
【００３４】
本実施例の素子１００は、以下のような製造方法で作製することができる。
シリコンからなる第一の基板１０５を準備し、第一の基板１０５の上面に金属層Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を形成する。活性層１０１を含む半導体層をエピタキシャル成長したＩｎＰ基板を準備する。半導体層の上面に金属層Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を形成する。ＩｎＰ基板と第一の基板１０５の上面を対向させて、Ａｕの熱圧着法で２枚の基板を接合する。ここで、圧着接合により形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ）が第二の導体層１０４及び接地導体１１３となる。研磨及び塩酸エッチングにより、接合で一体化した基板からＩｎＰ基板を除去して、半導体層を第一の基板１０５に転写する。フォトリソグラフィーとドライエッチング法により、半導体層を整形し活性層１０１を整形する。スピンコート法によりＢＣＢで活性層１０１を埋め込み、ドライエッチング法で平坦化して誘電体１１４を形成する。次に、真空蒸着法とリフトオフ法を用いて、素子１００が完成する。すなわち、誘電体１１４及び活性層１０１の上にＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（各部の厚さ＝２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）からなる第一の導体層１０３及びパッチ導体１１２を形成して導波路１０７及びパッチアンテナ１０８の構造を整形する。
【００３５】
本発明は、上記構成に限定されるものでない。例えば、本実施例では、活性層１０１として、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明した。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発明に係る素子を実現することができる。例えば、２重障壁量子井戸構造を有する共鳴トンネルダイオード、４重以上の多重障壁量子井戸を有する共鳴トンネルダイオード、量子カスケードレーザで知られるカスケード接続された多重量子井戸構造を用いてもよい。また、ショットキーバリアダイオード等の整流素子、ガンダイオードなどの負性抵抗素子を用いてもよい。これらは何れも、発振素子、検出素子、増幅素子として好適である。また材料系としては、ＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂの組み合わせであってもよい。また、ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、Ｓｉ基板上のＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせ等であってもよい。これら構造と材料は、所望される周波数などに応じて適宜選定すればよい。また、基板の材料は用途に応じて選定すればよい。シリコン基板、ガリウムヒ素基板、インジウムヒ素基板、ガリウムリン基板などの半導体基板や、ガラス基板、セラミック基板、樹脂基板などを用いてもよい。
【００３６】
また、誘電体１１４には、ＳｉＯ２、ポリシリコン、ＳｉＮｘ、ＡｌＮ、ＴｉＯ２などの無機材料や、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、ＳＵ−８、ポリイミドなどの有機材料が好適に用いられる。更に、低導電性の真性半導体を再成長したものを用いてもよい。また、本発明の素子の製造方法は、上記方法に限定されるものではない。例えば、フェムト秒レーザや超音波などを用いた微細加工や、従来のＮＣ機械加工などを用いてもよい。
【００３７】
（実施例２）
本発明の実施例２である素子４００について、図２（ｃ）を用いて説明する。活性層４０１の半導体４０２は、「Appl. Phys. Lett. 91, 131122 2007」に開示された量子カスケードレーザ構造のｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｓを８とした構成を用いた。活性層４０１は約１μｍ厚の半導体多層膜からなる半導体４０２と、約１μｍ厚の高濃度にキャリアドープしたｎ−ＩｎＧａＡｓ（１×１０１９ｃｍ−３）からなる半導体層４１１及び半導体層４１７から構成される。活性層４０１の厚さは合計約３μｍである。
【００３８】
導波路４０７は、活性層４０１が第一の導体層と第二の導体層で挟まれたＤＭＷの構成となっている。その他の構成・材料は、実施例１と同じ構成・材料を用いており、ほぼ同じ製法で作製している。導波路４０７は、幅３０μｍ×長さ１．４ｍｍの矩形状のプラズモン導波路であり、導波路４０７の特性インピーダンスは約４Ωと見積られ、約１．２ＴＨｚの発振が得られる設計となっている。本実施例の素子４００は、導波路４０７の端にインピーダンス整合部であるλ／４整合回路４０９を介してパッチアンテナ４０８が配置されている。パッチアンテナ４０８は共振器長Ｌ＝８０μｍで幅ｗ＝６０μｍの長方形パッチであり、パッチ導体４１２と接地導体４１３の間には誘電体４１４として厚さ３μｍのＢＣＢが配置されている。
【００３９】
本構造におけるパッチアンテナ４０８の特性インピーダンスは約１２Ωと見積られる。λ／４整合回路４０９は、特性インピーダンスが（４×１２）１／２＝７Ωとなるように設計されており、本実施例では、導波路４０７の端を幅１５μｍ×長さ１７μｍとなるように加工して延長した構造を用いた。このように、インピーダンス整合部４０９にλg／４整合回路を用いて導波路４０７とアンテナ４０８のインピーダンス整合を行う構成を用いることで、素子４００の１．２ＴＨｚの電磁波の出・入射が導波路４０７単独の時と比べて１桁程度高効率化する。また、素子４００から出・入射される電磁波の指向パターンを、導波路内を伝搬する電磁波の光軸方向に対してほぼ鉛直上ないし下方向に向けることが出来るので、放射又は入射される電磁波の指向性が改善される。
【００４０】
（実施例３）
本発明の実施例３である素子６００について、図８−１（ａ）、（ｂ）及び図８−２（ｃ）、（ｄ）を用いて説明する。図８−１（ａ）は素子６００の斜視図、図８−１（ｂ）は導波路６０７とλ／４整合回路６０９の界面での反射特性の解析結果を示す。また、図８−２（ｃ）はλ／４整合部の特性インピーダンスとマイクロストリップライン線幅との依存性、図８−２（ｄ）は観測した電磁波の出力特性を示す。活性層６０１、第一の導体層６０３、及び第二の導体層６０４は実施例１と同じ構成とした。また、その他の構成材料も実施例１と同じ構成とした。ただし、活性層６０１の厚さは合計約１μｍ、パッチアンテナ６０８の大きさは３００μｍ×３００μｍ、パッチアンテナ６０８と接地導体６１３の距離は５μｍである。導波路６０７は第一の導体層と第二の導体層で活性層を挟んだＤＭＷ構造で、その大きさは幅５μｍ×長さ５０μｍの矩形（発振周波数は０．３０ＴＨｚ）とした。導波路６０７の端にマイクロストリップラインにて形成したλ／４整合回路６０９を介してパッチアンテナ６０８を配置した。導波路６０７の入力インピーダンスは６．４Ω、パッチアンテナ６０８の入力インピーダンスは２３．６Ωとなる。そして、λ／４整合回路６０９の特性インピーダンスを（６．４×２３．６）１／２＝１２．３Ωとすると導波路６０７とパッチアンテナ６０８のインピーダンスはほぼ整合する。
【００４１】
しかし、導波路６０７はファブリペロー型の共振器であり、電磁波を導波路６０７内部で定在化させるために導波路６０７の両端面では一定以上電磁波を反射させる必要がある。このため、導波路６０７とλ／４整合回路６０９との界面では完全にはインピーダンス整合させない、すなわちインピーダンス不整合がある設計が好適である。本実施例の場合、図８−１（ｂ）に示す点線以上の反射率、具体的には反射率が０．３４以上であれば導波路内で共振を起こす。そのため、λ／４整合回路６０９であるマイクロストリップラインの特性インピーダンスを約７Ω以下、若しくは約２４Ω以上とすることが望ましい。
【００４２】
ここで図８−１（ｂ）の実線は、導波路６０７とλ／４整合回路６０９の界面における電磁波の反射特性の解析結果を示し、一般的なインピーダンス不整合による電磁波の反射をモデルとして計算した。また導波路６０７とλ／４整合回路６０９の界面における電磁波の反射率が図８−１（ｂ）の点線以上となる領域で「活性層６０１の利得＞（導波路６０７の導波路損失＋導波路端の反射損失）」となり、導波路６０７の内部で電磁波が共振、定在化することを示す。そこで本実施例ではλ／４整合回路６０９であるマイクロストリップラインの長さ（１５０μｍ）、線幅（５０μｍ）及びマイクロストリップラインと接地導体に挟まれた誘電体層の厚さ（約１μｍ）を調整した。こうして、λ／４整合回路６０９の特性インピーダンスを５Ωとした。この時の導波路６０７からλ／４整合回路６０９を見た時の反射率は約０．５となる。
【００４３】
ここで、図８−２（ｃ）に示す通り、λ／４整合回路６０９であるマイクロストリップラインの線幅、マイクロストリップラインと接地導体に挟まれた誘電体層（ＢＣＢ）の膜厚を変更することで特性インピーダンスを調整できることを示す。このようなインピーダンス整合部６０９を構成することにより、図８−２（ｄ）に示す通り、導波路６０７単独の場合と比較して約８０倍の電磁波出力が室温で観測された。このときの導波路単独素子及び導波路端にλ／４整合回路とパッチアンテナを集積した素子の発振周波数を測定すると、共に０．３０ＴＨｚである。導波路６０７の内部で共振している電磁波が、導波路端にλ／４整合回路とパッチアンテナを集積することによって高効率で外部に取り出されていることを示す。本実施例に示す通り、導波路から放射される電磁波の放射効率を改善することができた。
【符号の説明】
【００４４】
１００・・素子、１０２・・コア層、１０３・・第一の導体層、１０４・・第二の導体層、１０７・・導波路、１０８・・共振型アンテナ、１０９・・インピーダンス整合部
導波路
【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８−１】
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【図８−２】
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