(57)【要約】【課題】共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）発振素子上に液体や細胞を接触させることで、テラヘルツ波（ｈν）を用いてテラヘルツ発振素子の出力変化を検出可能な溶液検査装置を提供する。【解決手段】テラヘルツ波Ｉsを放射するテラヘルツ発振素子３８と、テラヘルツ波Ｉsを受信するテラヘルツ検出素子４４と、テラヘルツ発振素子上に配置される検査対象としての溶液１２とを備え、溶液１２の比誘電率に応じて変化するテラヘルツ波の出力特性に基いて、溶液を検査する溶液検査装置３０。【選択図】図９
2014102175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を放射するテラヘルツ発振素子と、
前記テラヘルツ波を受信するテラヘルツ検出素子と、
前記テラヘルツ発振素子上に配置される検査対象としての溶液と
を備え、
前記溶液の比誘電率に応じて変化する前記テラヘルツ波の出力特性に基いて、前記溶液を検査することを特徴とする溶液検査装置。
【請求項２】
前記テラヘルツ波の出力特性は、前記テラヘルツ波の放射パターンであることを特徴とする請求項１に記載の溶液検査装置。
【請求項３】
前記テラヘルツ発振素子上にオーバーレイ絶縁膜を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の溶液検査装置。
【請求項４】
前記溶液は、前記オーバーレイ絶縁膜上に配置されることを特徴とする請求項３に記載の溶液検査装置。
【請求項５】
前記オーバーレイ絶縁膜は、厚さ０．１μｍ〜１０μｍのＳｉＯ2膜で構成されることを特徴とする請求項３または４に記載の溶液検査装置。
【請求項６】
前記オーバーレイ絶縁膜の上方に配置されるガラス板を備え、
前記溶液は、前記テラヘルツ発振素子上に前記ガラス板を介して配置されることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項７】
前記ガラス板の表面には、前記溶液を収容する複数の窪みが形成されていることを特徴とする請求項６に記載の溶液検査装置。
【請求項８】
前記窪みが、前記オーバーレイ絶縁膜の上方に位置するように、前記ガラス板または前記溶液検査装置自体を水平方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の溶液検査装置。
【請求項９】
前記テラヘルツ発振素子から発振されたテラヘルツ波を反射する反射板を備え、
前記テラヘルツ検出素子は、前記反射板を介して前記テラヘルツ波を受信することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１０】
前記テラヘルツ発振素子は、前記テラヘルツ発振素子全体を封止する樹脂層を備えることを特徴とする請求項３〜９のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１１】
各種溶液に対応したテラヘルツ波の放射パターンを基準放射パターンとして予め取得して記録し、
前記溶液によって得られる前記放射パターンと前記基準放射パターンとを照合して、前記溶液の特定を行うことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１２】
前記テラヘルツ発振素子は、共鳴トンネルダイオードを備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１３】
前記テラヘルツ検出素子は、ショットキーバリアダイオードを備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１４】
前記テラヘルツ検出素子は、共鳴トンネルダイオードを備えることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１５】
前記テラヘルツ検出素子は、前記共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗を示す動作点における電流量の変化を検出して、前記溶液の比誘電率に応じて放射される前記テラヘルツ波の放射パターンを検出することを特徴とする請求項１４に記載の溶液検査装置。
【請求項１６】
前記溶液は、
所定の溶媒と、
前記所定の溶媒に拡散させた所定の細胞と
を備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１７】
前記テラヘルツ発振素子は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された電極間絶縁層と、
前記第２の電極に対して前記電極間絶縁層を介して配置され、かつ前記半導体基板上に前記第１の電極に対向して配置された第１の電極と、
前記電極間絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１８】
前記テラヘルツ発振素子は、
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極上に配置された電極間絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第１の電極に対して前記電極間絶縁層を介して前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された半導体層と、
前記電極間絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項１９】
前記テラヘルツ発振素子は、
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極上に配置された電極間絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第１の電極に対して前記電極間絶縁層を介して前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁体基板上に前記第１の電極に隣接し、かつ前記第２の電極とは反対側に前記第１の電極に対向して配置された第１スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に前記第２の電極に隣接し、かつ前記第１の電極とは反対側に前記第２の電極に対向して配置された第２スロットライン電極と、
前記電極間絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された第１導波路と、
前記第１導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された第１ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第１スロットライン電極間に配置された第２導波路と、
前記第２導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第１スロットライン電極間に配置された第２ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第２の電極と前記第２スロットライン電極間に配置された第３導波路と、
前記第３導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第２の電極と前記第２スロットライン電極間に配置された第３ホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項２０】
前記テラヘルツ検出素子は、前記テラヘルツ発振素子と同一構造を有することを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項２１】
前記ホーン開口部は、開口ホーンアンテナを構成することを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項２２】
前記導波路は、前記共振器の開口部に配置されたことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項２３】
前記ＭＩＭリフレクタは、前記共振器の開口部と反対側の閉口部に配置されたことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項２４】
前記ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、前記第２の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項２５】
前記ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、前記第１の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項２６】
前記オーバーレイ絶縁膜は、前記能動素子、前記第１の電極および前記第２の電極上に配置されることを特徴とする請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【請求項２７】
前記テラヘルツ検出素子を複数配置し、テラヘルツイメージセンサを構成したことを特徴とする請求項１〜２６のいずれか１項に記載の溶液検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶液検査装置に関し、特に、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）発振素子上に液体や細胞を接触させることで、テラヘルツ波（ｈν）を用いてテラヘルツ発振素子の出力変化を検出可能な溶液検査装置に関する。
【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、そ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新しい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。
【０００３】
一方、そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる、周波数が０．１ＴＨｚ（１０11Ｈｚ）〜１０ＴＨｚの周波数領域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、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、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ることが期待されている。
【０００４】
テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振する素子としては、トランジスタやダイオードなどの能動デバイスに微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
一方、周波数可変の発振素子から発振される比較的広い帯域幅を持った周波数帯の電磁波であっても、その発振周波数全域にわたりスロット線路からの漏れを無くして高効率かつ高出力の電磁波を発振することができるテラヘルツ発振素子についても開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
ところで、従来において、液体や細胞などを検査するセンサとしては、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）を利用した表面プラズモンセンサが知られている。
【０００７】
表面プラズモンセンサは、表面プラズモン現象を用いて金属薄膜上の液体や細胞などの物質の誘電率を測定するものであり、溶液の濃度測定、蛋白質・高分子の検出等に広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１２４２５０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillators Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with Stacked-Layer Slot Antenna,” Jpn.J.Appl.Phys. vol.67, L1309 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、表面プラズモンセンサは、電場のしみ出し領域が狭いので、試料としての細胞等の表面の情報しか得られないという難点があった。
【００１１】
そこで、波長が長く電場のしみ出し領域が比較的広いテラヘルツ波（ｈν）を用いた液体や細胞等の検査装置が開発されつつある。
【００１２】
ところが、従来におけるテラヘルツ波（ｈν）を用いた検査装置は、フェムト秒レーザ等を光源として用いる必要があったため、大型で高価な装置であり、一般的な検査用途への適用が難しいという課題があった。
【００１３】
本発明の目的は、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）発振素子上に液体や細胞を接触させることで、テラヘルツ波（ｈν）を用いてテラヘルツ発振素子の出力変化を検出可能でかつ小型軽量化された溶液検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様によれば、テラヘルツ波を放射するテラヘルツ発振素子と、前記テラヘルツ波を受信するテラヘルツ検出素子と、前記テラヘルツ発振素子上に配置される検査対象としての溶液とを備え、前記溶液の比誘電率に応じて変化する前記テラヘルツ波の出力特性に基いて、前記溶液を検査する溶液検査装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）発振素子上に液体や細胞を接触させることで、テラヘルツ波（ｈν）を用いてテラヘルツ発振素子の出力変化を検出可能でかつ小型軽量化された溶液検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施の形態に係る溶液検査装置の模式的鳥瞰構造図。
【図２】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用可能なテラヘルツ発振素子の模式的断面構造図。
【図３】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用可能なテラヘルツ発振素子上に溶液を接触した状態の模式的断面構造図。
【図４】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用可能なテラヘルツ発振素子において、全面にオーバーレイ絶縁膜を形成した状態の模式的断面構造図。
【図５】図４の構造において、テラヘルツ発振素子上に溶液を接触した状態の模式的断面構造図。
【図６】図４の構造において、テラヘルツ発振素子上にガラス板を介して溶液を接触した状態の模式的断面構造図。
【図７】（ａ）第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用可能な複数の溶液を搭載可能な治具の模式的平面パターン構成図、（ｂ）図７（ａ）のＩ―Ｉ線に沿う模式的断面構造図。
【図８】第１の実施の形態に係る溶液検査装置であって、（ａ）テラヘルツ発振素子上に溶液を接触しない状態の溶液検査装置の模式的ブロック構成図、（ｂ）テラヘルツ発振素子上に溶液を接触した状態の溶液検査装置の模式的ブロック構成図。
【図９】第１の実施の形態に係る溶液検査装置の模式的平面パターン構成図。
【図１０】テラヘルツ発振素子から出力されたテラヘルツ波Ｉiをガラス基板上に配置された反射板に入力し、反射板で反射されたテラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子で検出する様子を説明する模式図。
【図１１】図１０の具体的な模式図。
【図１２】第１の実施の形態に係る溶液検査装置を樹脂層でモールドし、細胞を含む溶液に接触させた例を説明する模式図。
【図１３】第１の実施の形態に係る溶液検査装置を細胞を含む溶液中に浸漬させた例を説明する模式図。
【図１４】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ検出素子のテラヘルツ波の照射前後での順方向電流電圧特性の変化を説明する図。
【図１５】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ検出素子のテラヘルツ波の照射前後での順方向および逆方向電流電圧特性の変化を説明する図。
【図１６】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図。
【図１７】（ａ）図１６のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図１６のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１８】（ａ）第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるＲＴＤの模式的断面構造図、（ｂ）図１８（ａ）の変形例の模式的断面構造図。
【図１９】（ａ）第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的回路構成図、（ｂ）第１の実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の簡易等価回路構成図。
【図２０】（ａ）第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図、（ｂ）図２０（ａ）のＲＴＤの等価回路構成図。
【図２１】（ａ）第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ検出素子の模式的回路構成図、（ｂ）第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ検出素子の簡易等価回路構成図。
【図２２】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ検出素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図。
【図２３】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子動作において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例を示す図。
【図２４】（ａ）表面にオーバーレイ絶縁膜を設けない場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰構造図、（ｂ）図２４（ａ）に示すテラヘルツ発振素子によりテラヘルツ波を放射した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果。
【図２５】図２４（ａ）に示すテラヘルツ発振素子によりテラヘルツ波（ｈν）を放射した場合の電磁界シミュレーション結果であって、（ａ）Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターン図、（ｂ）Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図、（ｃ）Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターン図、（ｄ）Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図。
【図２６】（ａ）表面にオーバーレイ絶縁膜を設けない場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子に水を接触した状態を示す模式的鳥瞰構造図、（ｂ）図２６（ａ）に示すテラヘルツ発振素子により水を検査した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果。
【図２７】図２６（ａ）に示すテラヘルツ発振素子により水を検査した場合の電磁界シミュレーション結果であって、（ａ）Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターン図、（ｂ）Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図、（ｃ）Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターン図、（ｄ）Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図。
【図２８】（ａ）表面に厚さ０．６μｍのオーバーレイ絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成した場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子を示す模式的鳥瞰構造図、（ｂ）図２８（ａ）に示すテラヘルツ発振素子によりテラヘルツ波（ｈν）を放射した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果。
【図２９】図２８（ａ）に示すテラヘルツ発振素子によりテラヘルツ波を放射した場合の電磁界シミュレーション結果であって、（ａ）Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターン図、（ｂ）Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図、（ｃ）Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターン図、（ｄ）Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図。
【図３０】（ａ）表面に厚さ０．６μｍのオーバーレイ絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成した場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子に水を接触した状態を示す模式的鳥瞰構造図、（ｂ）図３０（ａ）に示すテラヘルツ発振素子により水を検査した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果。
【図３１】図３０（ａ）に示すテラヘルツ発振素子により水を検査した場合の電磁界シミュレーション結果であって、（ａ）Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターン図、（ｂ）Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図、（ｃ）Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターン図、（ｄ）Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図。
【図３２】表面に厚さ５μｍのオーバーレイ絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成した場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子によりテラヘルツ波（ｈν）を放射した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果。
【図３３】図３２に示すテラヘルツ発振素子によりテラヘルツ波を放射した場合の電磁界シミュレーション結果であって、（ａ）Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターン図、（ｂ）Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図、（ｃ）Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターン図、（ｄ）Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図。
【図３４】表面に厚さ５μｍのオーバーレイ絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成した場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子により水を検査した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果。
【図３５】図３４に示すテラヘルツ発振素子により水を検査した場合の電磁界シミュレーション結果であって、（ａ）Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターン図、（ｂ）Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図、（ｃ）Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターン図、（ｄ）Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターン図。
【図３６】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子において、動作周波数３００ＧＨｚにおけるアドミッタンス（Ｒｅ（Ｙ）、ＩＭ（Ｙ））と比誘電率εとの関係を示すグラフ。
【図３７】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子において、動作周波数２００ＧＨｚにおけるアドミッタンス（Ｒｅ（Ｙ）、ＩＭ（Ｙ））と比誘電率εとの関係を示すグラフ。
【図３８】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子において、動作周波数１００ＧＨｚにおけるアドミッタンス（Ｒｅ（Ｙ）、ＩＭ（Ｙ））と比誘電率εとの関係を示すグラフ。
【図３９】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用可能な変形例１に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図。
【図４０】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用可能な変形例２に係るテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図。
【図４１】図４０に対応した第１の電極４、第２の電極２ａおよび半導体層９１ａの放射パターン構造の模式的平面図。
【図４２】（ａ）図４０のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図４０のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造図。
【図４３】変形例２に係るテラヘルツ発振素子において、絶縁体基板をサンプル表面に貼付け、半導体基板を除去した様子を示す模式的鳥瞰図。
【図４４】図４３の裏面から見た様子を示す模式的鳥瞰図。
【図４５】（ａ）第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用される変形例３に係るテラヘルツ発振素子の電極放射パターン構造の模式的平面図、（ｂ）第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用される変形例４に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造の模式的平面図。
【図４６】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用される変形例５に係るテラヘルツ発振素子の模式的平面図。
【図４７】第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用される変形例６に係るテラヘルツ発振素子の模式的平面図。
【図４８】第２の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図。
【図４９】シリコン半球レンズ上に配置した第２の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的鳥瞰図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１８】
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１９】
[第１の実施の形態]
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０の模式的鳥瞰構造は、図１に示すように表される。また、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用可能なテラヘルツ発振素子３８の模式的断面構造は、図２に示すように表される。
【００２０】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用可能なテラヘルツ発振素子３８上に溶液を接触した状態の模式的断面構造は、図３に示すように表される。
【００２１】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置は、図１〜図３に示すように、テラヘルツ波（ｈν）を放射するテラヘルツ発振素子３８と、テラヘルツ波（ｈν）を受信するテラヘルツ検出素子４４と、テラヘルツ発振素子３８上に配置される検査対象としての溶液１２とを備える。ここで、溶液１２の比誘電率εに応じて変化するテラヘルツ波（ｈν）の出力特性に基いて、溶液１２を検査することができる。また、テラヘルツ波（ｈν）の出力特性は、テラヘルツ波の放射パターンである。
【００２２】
テラヘルツ発振素子３８は、図１〜図３に示すように、絶縁体基板１１と、絶縁体基板１１上に配置された半導体基板１と、半導体基板１上に配置された第２の電極２，２ａと、半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４と、第１の電極４と第２の電極２との間に配置される能動素子９０と、テラヘルツ波（ｈν）の放射方向と反対側の能動素子９０に隣接して配置され、第１の電極４と第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０とを備える。尚、テラヘルツ発振素子３８の詳細構造は、図１６に示される。
【００２３】
図３に示すように、第２の電極２の一部および能動素子９０、第１の電極４を直接覆うように、検査対象としての溶液１２を接触領域１４において接触させる。
【００２４】
これにより、検査対象としての溶液１２の比誘電率εに応じてテラヘルツ波（ｈν）の放射パターンが変化する（放射パターンの変化の具体例については後述する）。
【００２５】
そして、その変化態様を比較等することにより、溶液の成分等の変化などを検査することができる。
【００２６】
テラヘルツ発振素子３８は、テラヘルツ波（ｈν）を放射するが、このとき、テラヘルツ発振素子３８の半導体基板１の表面側の能動素子９０、第１の電極４および第２の電極２上に液体１２を接触させることで、テラヘルツ発振素子３８の放射パターンが変化する。これを利用して、溶液の分析を行うことができる。
【００２７】
能動素子９０は、負性微分抵抗を示す第１動作点で発振素子として動作する。また、負性抵抗領域ではない非線形特性を示す第２動作点で検出素子として動作可能である。
【００２８】
能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能である。その他の能動素子としては、例えば、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）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ:Heterojunction Bipolar Transistor）などを適用することもできる。
【００２９】
このような構成のテラヘルツ発振素子は、負性微分抵抗領域に第１動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ波（ｈν）を発生する。
【００３０】
なお、図３に示すようにテラヘルツ発振素子３８に溶液１２を直接接触させる態様では、溶液の成分によっては、能動素子９０や第１の電極４および第２の電極２が侵食等される場合がある。
【００３１】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用可能なテラヘルツ発振素子３８において、テラヘルツ発振素子３８の全面にオーバーレイ絶縁膜１８を形成した状態の模式的断面構造は、図４に示すように表される。
【００３２】
すなわち、能動素子９０、第１の電極４および前記第２の電極２上には、図４に示すように、オーバーレイ絶縁膜１８が配置されていても良い。オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ０．１μｍ〜１０μｍのＳｉＯ2膜で構成されていても良い。
【００３３】
ここで、接触領域１４は、オーバーレイ絶縁膜１８で被覆された能動素子９０、第１の電極４および第２の電極２が存在する位置を含む。
【００３４】
さらに、図４の構造において、テラヘルツ発振素子３８上に溶液１２を接触した状態の模式的断面構造は、図５に示すように表される。
【００３５】
すなわち、図５に示すように、能動素子９０、第１の電極４および第２の電極２が存在する位置を覆うオーバーレイ絶縁膜１８上に検査対象としての溶液１２を接触させる。
【００３６】
これにより、図３の場合と同様に、テラヘルツ波（ｈν）の放射パターンの変化態様を比較等することにより、溶液の成分等の変化などを検査することができる。
【００３７】
第１の実施の形態においては、半導体基板１の表面側の能動素子９０、第１の電極４および第２の電極２上にオーバーレイ絶縁膜１８を形成することで、テラヘルツ発振素子３８の放射パターンの変化の度合が大きくなり、感度の向上を図ることができる。
【００３８】
第１の実施の形態においては、テラヘルツ発振素子３８の能動素子９０にＲＴＤを用いるため、小型軽量化された簡易な溶液検査装置３０を提供することが可能となる。
【００３９】
また、能動素子９０、第１の電極４および第２の電極２がオーバーレイ絶縁膜１８によって保護されているため、溶液の成分によって能動素子９０や第１の電極４および第２の電極２が侵食等される事態を回避することができ、テラヘルツ発振素子３８の耐久性を向上可能である。
【００４０】
さらに、テラヘルツ発振素子３８上にガラス板（スライドガラス）４０を介して溶液１２を接触した状態の模式的断面構造は、図６に示すように表される。
【００４１】
すなわち、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０においては、図６に示すように、オーバーレイ絶縁膜１８の上方に設けられるガラス板４０を備え、溶液１２は、テラヘルツ発振素子３８上にガラス板４０を介して配置されていても良い。ここで、溶液１２は、ガラス板４０上に接触領域１４ａにおいて配置されている。
【００４２】
これにより、図３の場合と同様に、テラヘルツ波の放射パターンの変化態様を比較等することにより、溶液の成分等の変化などを検査することができる。
【００４３】
また、図６の構成では、テラヘルツ発振素子３８は、オーバーレイ絶縁膜１８とガラス板４０で保護されることから、例えば、検査対象としての溶液１２が強酸性や強アルカリ性などの反応性が高い液体であっても能動素子９０や第１の電極４および第２の電極２を侵食等されることなく検査することができる。
【００４４】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用可能な複数の溶液１２1、１２2、１２3、…、１２nを搭載可能な治具３００の模式的平面パターン構成は、図７（ａ）に示すように表され、図７（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図７（ｂ）に示すように表される。
【００４５】
すなわち、第１の実施の形態に係る溶液検査装置においては、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、治具３００の表面側には、検査対象としての溶液１２1、１２2、１２3、…、１２nを収容する複数の窪みが形成されていても良い。ここで、複数の窪みは、図７（ｂ）に示すように、接触領域１４ａを有する。
【００４６】
ここで、接触領域１４ａを有する各窪みが、オーバーレイ絶縁膜１８の上方に位置するように、治具３００または溶液検査装置３０自体を水平方向に移動させる移動手段を備えていても良い。
【００４７】
治具３００は、スライドグラスやポリプロピレン板などで構成可能である。このような治具３００を適用することによって、検査対象としての溶液１２1、１２2、１２3、…、１２nをテラヘルツ発振素子３８上に直接接触させること無く分析を行うことができる。
【００４８】
なお、図７（ｂ）に示すように、治具３００をＴ１方向に移動させたり、溶液検査装置をＴ２方向に移動させる移動手段を設けることにより、各溶液１２1、１２2、１２3、…、１２nを順次検査することができる。
【００４９】
テラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４を適用する第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０であって、溶液を接触しない状態の溶液検査装置３０の模式的ブロック構成は、図８（ａ）に示すように表され、テラヘルツ発振素子３８上に溶液１２を接触した状態の溶液検査装置３０の模式的ブロック構成は、図８（ｂ）に示すように表される。
【００５０】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０においては、テラヘルツ検出素子４４は、ショットキーバリアダイオードを備えていても良い。
【００５１】
また、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０においては、テラヘルツ検出素子４４は、共鳴トンネルダイオードを備えていても良い。ここで、テラヘルツ検出素子４４は、共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗を示す動作点における電流量の変化を検出して、溶液の比誘電率に応じて放射されるテラヘルツ波の放射パターンを検出することも可能である。
【００５２】
また、テラヘルツ検出素子４４は、テラヘルツ発振素子３８と同一構造を有していても良い。
【００５３】
テラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４を適用する第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０の模式的平面パターン構成は、図９に示すように表される。
【００５４】
図９においては、図１６に示されるテラヘルツ発振素子（ＲＴＤ）と同一構成のテラヘルツ検出素子（ＲＴＤ）を、テラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４に利用している。このため、同一工程で製造したテラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４を利用することができる。
【００５５】
これにより、テラヘルツ送信器１００およびテラヘルツ受信器２００の構成が単純化され、高感度、低雑音でテラヘルツ電磁波の発振・検出が実現可能な溶液検査装置３０を提供することができる。
【００５６】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０は、テラヘルツ発振素子３８を備えるテラヘルツ送信器１００と、テラヘルツ検出素子４４を備えるテラヘルツ受信器２００とを備え、テラヘルツ発振素子３８は、負性微分抵抗領域に第１動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ波Ｉsを発生すると共に、テラヘルツ検出素子４４は、負性抵抗特性ではない非線形性領域に第２動作点を有することによって、テラヘルツ発振素子３８から発生されたテラヘルツ波Ｉsを検出する。
【００５７】
なお、テラヘルツ送信器１００およびテラヘルツ受信器２００の能動素子９０に隣接してホーン開口部８０が配置されている。
【００５８】
また、テラヘルツ送信器１００側の能動素子９０を覆うように、検査対象としての溶液１２が接触される。
【００５９】
これにより、検査対象としての溶液１２の比誘電率εに応じてテラヘルツ波Ｉsの放射パターンが変化するので、その変化態様を比較等することにより、溶液の成分等の変化などを検査することができる。
【００６０】
すなわち、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０においては、各種溶液１２に対応したテラヘルツ波Ｉsの放射パターンを基準放射パターンとして予め取得して記録し、溶液１２によって得られる放射パターンと基準放射パターンとを照合して、溶液１２の特定を行うことができる。
【００６１】
テラヘルツ発振素子３８から出力されたテラヘルツ波Ｉiをガラス基板４６上に配置された反射板１６に入力し、反射板１６で反射されたテラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４で検出する様子は、模式的に図１０に示すように表される。また、その具体的な構成は、図１１に示すように表される。
【００６２】
すなわち、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０においては、図１０および図１１に示すように、テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを反射する反射板１６を備え、テラヘルツ検出素子４４は、反射板１６を介してテラヘルツ波Ｉrを受信する構成を備えていても良い。
【００６３】
これにより、テラヘルツ送信器１００とテラヘルツ受信器２００を対向させて配置する必要がなくなり、溶液検査の利便性を向上させることができる。
【００６４】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置を樹脂層でモールドし、細胞を含む溶液に接触させた例を説明する模式図は、図１２に示すように表される。
【００６５】
すなわち、第１の実施の形態に係る溶液検査装置においては、テラヘルツ発振素子３８は、テラヘルツ発振素子３８全体を封止する樹脂層３６を備えていても良い。
【００６６】
また、溶液１２は、所定の溶媒と、所定の溶媒に拡散させた所定の細胞１２ａとを備えていても良い。
【００６７】
図１２に示すように、例えば、能動素子９０等が設けられた側を所定の細胞１２ａを拡散させた溶液１２に接触させて用いる。
【００６８】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置によれば、テラヘルツ波を用いることによって、細胞のサイズが、例えば、幅約３０μｍ〜約５０μｍ、高さ約２μｍ〜約３μｍの情報を得ることができる。
【００６９】
また、第１の実施の形態に係る溶液検査装置を細胞１２ａを含む溶液１２中に浸漬させた例を説明する模式図は、図１３に示すように表される。。
【００７０】
これにより、検査対象としての細胞１２ａを拡散させた溶液１２の比誘電率εに応じてテラヘルツ波の放射パターンが変化するので、その変化態様を比較等することにより、溶液１２中の細胞１２ａの変化などを検査することができる。
【００７１】
なお、図１３に示す例に関連して、溶液検査装置を例えば外径約１ｃｍ、全長約２ｃｍ程度のカプセルに封入した場合には、カプセル内視鏡のように人体内に経口投入して、胃・小腸・大腸等の消化管内の状態をテラヘルツ波により検査することもできる。また、マイクロカプセルなどの医療用として使用する場合、ＴＨｚ波の検出系もセットにしても良い。例えば、水では、ＴＨｚ波の透過距離は、約２００μｍ程度であるため、２００μｍ程度の範囲内にＴＨｚ波の検出系も配置すると良い。また、液体がエタノールの場合には、ＴＨｚ波の透過が可能であるため、図１３に示すような使用法を採用可能である。
【００７２】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ検出素子のテラヘルツ波の照射前後での順方向電流電圧特性の変化を説明する図は、図１４に示すように表される。
【００７３】
即ち、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ検出素子（ＲＴＤ）４４の電流−電圧特性例であって、室温動作において、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）と、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）の特性変化は、図１４に示すように表される。
【００７４】
図１４に示すように、バイアス電圧を例えば、０．５Ｖと設定することによって、テラヘルツ電磁波を良好な感度で、室温動作で検出可能である。バイアス電圧を例えば、０．５Ｖと設定した場合、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）では、ｐ点にバイアスされるが、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）では、大きく電流が変化し、電流変化量ΔＩは、約０．４ｍＡ程度である。
【００７５】
また、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ検出素子４４の室温動作において、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）と、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）の順方向および逆方向電流電圧特性の変化は、図１５に示すように模式的に表される。
【００７６】
順方向―逆方向の名称は便宜的なものであり、どちらか一方を順方向と決定すれば、他方は逆方向となる。その理由は、ＲＴＤは２端子構造であって、順方向―逆方向電流電圧特性のいずれにも負性抵抗領域を有するからである。
【００７７】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の模式的鳥瞰構造は、図１６に示すように表され、図１６のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１７（ａ）に示すように表され、図１６のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１７（ｂ）に示すように表される。
【００７８】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８は、非対称の順方向および逆方向電流電圧特性を有する能動素子９０を備え、負性微分抵抗を示す第１動作点で発振素子として動作し、負性抵抗領域ではない非線形特性を示す第２動作点で検出素子として動作可能である。
【００７９】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の模式的鳥瞰構造は、図１６、図１７に示すように、半導体基板１と、半導体基板１上に配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された電極間絶縁層３と、第２の電極２に対して電極間絶縁層３を介して配置され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、電極間絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備え、能動素子９０は、共振器６０の略中央部に配置される。
【００８０】
第１の電極４（４ａ、４ｂ、４ｃ）および第２の電極２、２ａ上には、図１６および図１７に示すように、オーバーレイ絶縁膜１８が形成される。例えば、オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ約０．１μｍ〜約１０μｍのＳｉＯ2膜で構成される。オーバーレイ絶縁膜１８の厚さは、望ましくは、約０．６μｍ〜約５μｍに形成される。
【００８１】
ホーン開口部８０は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、テラヘルツ波（ｈν）の放射方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
【００８２】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
【００８３】
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、テラヘルツ波（ｈν）を空気中に取り出すために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良くテラヘルツ波（ｈν）を空気中に効率よく取り出すことができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
【００８４】
共振器６０には、２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれて、凸部７が形成されている。そして、第１の電極４の凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に第２の電極２と挟まれるように、能動素子９０が配置される。
【００８５】
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１の電極４と第２の電極２との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。能動素子９０の詳細構造については後述する。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、放射されるテラヘルツ波（ｈν）の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
【００８６】
また、図１６に示すように、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、狭い。
【００８７】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第１の電極４と第２の電極２は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
【００８８】
第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、後述する半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａの各部の厚さは、例えば、数１００ｎｍ程度であり、全体として、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００８９】
さらに詳細には、第１の電極４ａおよび第１の電極４ｃは、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第１の電極４ｂは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第２の電極２ａは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。
【００９０】
尚、第１の電極４ｂの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ（図示省略）によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第２の電極２ａの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ（図示省略）によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。
【００９１】
電極間絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。
【００９２】
なお、電極間絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。電極間絶縁層３は、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００９３】
第２の電極２上に配置された電極間絶縁層３と、第２の電極２に対して電極間絶縁層３を介して配置され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、電極間絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備え、能動素子９０は、共振器６０の略中央部に配置される。
【００９４】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるＲＴＤの模式的断面構造は、図１８（ａ）に示すように表され、その変形例の模式的断面構造は、図１８（ｂ）に示すように表される。
【００９５】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用される能動素子９０としてＲＴＤの構成例は、図１８（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上に配置され,ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａと、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎＩｎＧａＡｓ層９２ａと、ｎＩｎＧａＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂと、ＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置されたアンドープのＡｌＡｓ層９４ａ／アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５／アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂと、アンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎＩｎＧａＡｓ層９２ｂと、ｎＩｎＧａＡｓ層９２ｂ上に配置され,ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｂと、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｂ上に配置された第１の電極４ａと、ｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２とを備える。
【００９６】
変形例では、図１８（ｂ）に示すように、ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に更にｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｃを配置し、第１の電極４ａとのコンタクトを良好にしている。
【００９７】
図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、ＲＴＤ部は、アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５をアンドープのＡｌＡｓ層９４ａ、９４ｂで挟んで形成されている。このように積層されたＲＴＤ部は、スペーサとして用いられるアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ａ、９３ｂを介在させてｎＩｎＧａＡｓ層９２ａ、９２ｂ、及びｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂ、若しくは９１ｃを介して、第２の電極２と第１の電極４にオーミックに接続される構造となっている。
【００９８】
尚、図１８（ａ）および図１９（ｂ）の構造において、さらに半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上にアンドープのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層をｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａとの間に介在させても良い。
【００９９】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【０１００】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂ・９１ｃの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ・８ｎｍ程度である。ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａおよび９２ｂの厚さは、略等しく、例えば、約２５ｎｍ程度である。アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａ・９３ｂの厚さは、例えば、約２ｎｍ・２０ｎｍ程度である。アンドープＡｌＡｓ層９４ａ・９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．１ｎｍ程度である。アンドープＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
【０１０１】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるＲＴＤの模式的断面構造においては、アンドープのＡｌＡｓ層９４ａ／アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５／アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部を挟むアンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａの厚さを約２ｎｍ、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ｂの厚さを約２０ｎｍと非対称に設定することによって、順方向―逆方向のＩ−Ｖ特性を非対称にすることができる。
【０１０２】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるＲＴＤの模式的断面構造においては、エピタキシャル構造を非対称にすることで、順方向と逆方向のＩ−Ｖ特性が非対称となり、印加電圧を変えることによって、発振素子、検出素子を使い分けることが可能となる。
【０１０３】
テラヘルツ検出素子４４として、ダイオードによる検出には、Ｉ−Ｖ特性の非線形性が大きい方が感度が良いが、ＲＴＤは負性抵抗を示すので、非線形性が大きく、高感度な検出が可能である。
【０１０４】
ここで、ＩｎxＧａ1-xＡｓからなる各層のＩｎ組成比ｘは、例えば以下の通りである。
【０１０５】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂにおいてはｘ＝０．５３、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｃにおいてはｘ＝０．７、ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂにおいてはｘ＝０．５３、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ｂにおいてはｘ＝０．５３、アンドープＧａＩｎＡｓ層９５においてはｘ＝０．８である。
【０１０６】
ここで、各層のドーピングレベルは、例えば以下の通りである。
【０１０７】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂのドーピングレベルは、約２．００Ｅ＋１９（ｃｍ-3）、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｃのドーピングレベルは、約２．００Ｅ＋１９（ｃｍ-3）、ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂのドーピングレベルは、約３．００Ｅ＋１８（ｃｍ-3）であり、いずれもドーパントは、例えば、シリコン（Ｓｉ）を適用可能である。
【０１０８】
なお、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示す積層構造においては、第１の電極４ａ、第２の電極２上には、オーバーレイ絶縁膜１８が形成されている。なお、オーバーレイ絶縁膜１８をＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜で形成し、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示す積層構造の側壁部に堆積することもできる。
【０１０９】
電極間絶縁層３は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１１０】
能動素子９０を構成するＲＴＤの寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度以下である。例えば、室温で観測した発振周波数は、約３００ＧＨｚ程度である。また、例えば、発振時における素子の電流密度Ｊｐは、約７ｍＡ／μｍ2程度である。
【０１１１】
―回路構成―
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の模式的回路構成は、図１９（ａ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤと、ＭＩＭリフレクタ５０を構成するキャパシタＣＭの並列回路によって表される。第１の電極４にはＲＴＤのカソードが接続され、第２の電極２には、ＲＴＤのアノードが接続され、第１の電極４にはマイナスの電圧、第２の電極２にはプラスの電圧が印加される。発振状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向にテラヘルツ波（ｈν）が指向性良く伝播される。
【０１１２】
図１９（ａ）に対応する簡易等価回路構成は、図１９（ｂ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤは、キャパシタＣ０１とインダクタＬ０１の並列回路で表わすことができ、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタＣＭがさらに並列に接続されるため、テラヘルツ波（ｈν）の発振周波数ｆは、ｆ＝１／[２π（Ｌ０１（Ｃ０１＋ＣＭ）1/2）で表される。
【０１１３】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図２０（ａ）に示すように、ダイオード（ＲＴＤ）系を表す能動素子９０・キャパシタＣＭの並列回路に対して、アンテナ（ＡＮＴ）系を表すアンテナインダクタＬ・アンテナキャパシタＣＡ・アンテナ放射抵抗ＧANTの並列回路が並列に接続される。
【０１１４】
図２０（ａ）の能動素子９０を構成するＲＴＤの等価回路構成は、図２０（ｂ）に示すように、コンタクト抵抗Ｒc・コンタクトキャパシタＣcからなるコンタクト部分の並列回路と、外部ダイオードキャパシタＣＤ・内部ダイオードキャパシタＣｄ・ダイオード負性抵抗（−Ｇｄ）からなるダイオード部分の並列回路と、インダクタＬＭ・抵抗ＲＭからなるメサ部分の直列回路が直列接続された構成を備える。
【０１１５】
ここで、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８のアンテナ系も含めた等価回路全体のアドミッタンスＹは、
Ｙ＝Ｙｄ＋Ｙｃ・Ｙａ・Ｙｍ／（Ｙｃ・Ｙａ＋Ｙａ・Ｙｍ＋Ｙｃ・Ｙｍ）
で表される。ここで、Ｙｄ＝−Ｇｄ＋ｊωＣｄ、Ｙｃ＝１／Ｒｃ＋ｊωＣｃ、Ｙｍ＝１／（Ｒｍ＋ｊωＬｍ）であり、Ｙａはアンテナ系のアドミッタンス、ωは発振角周波数を表す。各パラメータは、能動素子９０を構成するダイオード（ＲＴＤ）の物性値から求めることができる。また、発振条件Ｒｅ（Ｙ）≦０，Ｉｍ（Ｙ）＝０を解くことによって、発振周波数、発振出力が得られる。
【０１１６】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ検出素子４４の模式的回路構成は、図２１（ａ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤと、ＭＩＭリフレクタ５０を構成するキャパシタＣＭの並列回路によって表される。第１の電極４にはＲＴＤのアノードが接続され、第２の電極２には、ＲＴＤのカソードが接続され、第１の電極４にはマイナスの電圧、第２の電極２にはプラスの電圧が印加される。検出状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向からの電磁波（ｈν）が指向性良く検出される。
【０１１７】
図２１（ａ）に対応する簡易等価回路構成は、図２１（ｂ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤは、キャパシタＣ０１とインダクタＬ０１の並列回路で表わすことができ、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタＣＭがさらに並列に接続される。
【０１１８】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ検出素子４４のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図２２に示すように、ダイオード（ＲＴＤ）系を表す能動素子９０・キャパシタＣＭの並列回路に対して、アンテナ（ＡＮＴ）系を表すアンテナインダクタＬ・アンテナキャパシタＣＡ・アンテナ放射抵抗ＧANTの並列回路が並列に接続される。
【０１１９】
図２２の能動素子９０を構成するＲＴＤの等価回路構成は、図２０（ｂ）と同様に表される。
【０１２０】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例は、図２３に示すように表される。室温で、約３００ＧＨｚの発振周波数ｆが得られている。この発振周波数ｆの値は、図１８に示される各層の構造、メサ領域の寸法、アンテナ構造などを調整することによって、変更可能である。
【０１２１】
（放射パターンのシミュレーション結果）
シミュレーションにおいて接触される溶液１２は水である。なお、水の比誘電率εは７９．８７（２０℃）である。
【０１２２】
表面にオーバーレイ絶縁膜１８を設けない場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の模式的鳥瞰構造は、図２４（ａ）に示すように表され、図２４（ａ）に示すテラヘルツ発振素子３８によりテラヘルツ波を放射した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果は、図２４（ｂ）に示すように表される。
【０１２３】
図２４（ｂ）に示すように、テラヘルツ発振素子３８から放射されたテラヘルツ波は、特にＹ方向に、絶縁体基板１１を介在して比較的強くテラヘルツ波が伝播される。
【０１２４】
また、図２４（ａ）に示すテラヘルツ発振素子３８によりテラヘルツ波を放射した場合の電磁界シミュレーション結果であって、Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターンは、図２５（ａ）に示すように表され、Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図２５（ｂ）に示すように表され、Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターンは、図２５（ｃ）に示すように表され、Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図２５（ｄ）に示すように表される。
【０１２５】
図２５（ａ）〜図２５（ｄ）に示すように、Ｙ方向に比較的強くテラヘルツ波（ｈν）が放出される放射パターンとなっている。
【０１２６】
表面にオーバーレイ絶縁膜１８を設けない場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８に水１２を接触した状態を示す模式的鳥瞰構造は、図２６（ａ）に示すように表され、図２６（ａ）に示すテラヘルツ発振素子３８により水１２を検査した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果は、図２６（ｂ）に示すように表される。ここで、水滴の直径は、約１ｍｍである。また、ＩｎＰ基板（半導体基板１）の厚さは、６００μｍ、テフロン（登録商標）基板１１の厚さは、５００μｍである。
【０１２７】
図２６（ｂ）に示すように、テラヘルツ発振素子３８から放射されたテラヘルツ波（ｈν）は、特にＹ方向に、絶縁体基板１１を介在して比較的強くテラヘルツ波が伝播されており、図２４（ｂ）のシミュレーション結果と比較すると、より強くテラヘルツ波が放射されている。
【０１２８】
また、図２６（ａ）に示すテラヘルツ発振素子３８により水を検査した場合の電磁界シミュレーション結果であって、Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターンは、図２７（ａ）に示すように表され、Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図２７（ｂ）に示すように表され、Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターンは、図２７（ｃ）に示すように表され、Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図２７（ｄ）に示すように表される。
【０１２９】
図２７（ａ）〜図２７（ｄ）に示すように、Ｙ方向に比較的強くテラヘルツ波が放出される放射パターンとなっている。
【０１３０】
そして、図２６（ｂ）示すような電界放射パターンや図２７（ａ）〜図２７（ｄ）に示すような電磁界放射パターンを予め取得しておき、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０によって得られる電界放射パターンや電磁界放射パターンと照合（パターンマッチング）を行うことにより、検査対象が「水」であることを確定することができる。
【０１３１】
即ち、検査対象によって比誘電率εが変わり、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０によれば、その比誘電率εに応じて決定される電界放射パターンや電磁界放射パターンが出力されるので、それらの電界放射パターンを予め取得して記憶装置に記憶しておくことにより、電界放射パターンの照合（パターンマッチング）により検査対象がどのような溶液であるのかを特定することが可能となる。
【０１３２】
（シミュレーション結果）
表面に厚さ０．６μｍのオーバーレイ絶縁膜（ＳｉＯ2膜）１８を形成した場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の模式的鳥瞰構造は、図２８（ａ）に示すように表され、図２８（ａ）に示すテラヘルツ発振素子３８によりテラヘルツ波を放射した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果は、図２８（ｂ）に示すように表される。
【０１３３】
また、図２８（ａ）に示すテラヘルツ発振素子３８によりテラヘルツ波を放射した場合の電磁界シミュレーション結果であって、Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターンは、図２９（ａ）に示すように表され、Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図２９（ｂ）に示すように表され、Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターンは、図２９（ｃ）に示すように表され、Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図２９（ｄ）に示すように表される。
【０１３４】
図２８（ｂ）に示すように、テラヘルツ発振素子３８から放射されたテラヘルツ波は、特にＹ方向に、絶縁体基板１１を介在して比較的強くテラヘルツ波が伝播している。
【０１３５】
ＳｉＯ2膜を設けない場合の図２４（ｂ）のシミュレーション結果と比較すると、その放射パターンは略同じである。
【０１３６】
図２９（ａ）〜図２９（ｄ）に示すように、Ｙ方向に比較的強くテラヘルツ波が放出される放射パターンとなっている。なお、ＳｉＯ2膜を設けない場合の図２５（ａ）〜図２５（ｄ）の電磁界シミュレーション結果と比較すると、その放射パターンは略同じである。
【０１３７】
表面に厚さ０．６μｍのオーバーレイ絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成した場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８に水を接触した状態を示す模式的鳥瞰構造は、図３０（ａ）に示すように表され、図３０（ａ）に示すテラヘルツ発振素子３８により水を検査した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果は、図３０（ｂ）に示すように表される。
【０１３８】
図３０（ｂ）に示すように、テラヘルツ発振素子３８から放射されたテラヘルツ波（ｈν）は、特にＹ方向に、絶縁体基板１１を介在して比較的強くテラヘルツ波が伝播している。
【０１３９】
ＳｉＯ2膜を設けない場合の図２６（ｂ）のシミュレーション結果と比較すると、より強くテラヘルツ波が伝播されている。
【０１４０】
図３０（ａ）に示すテラヘルツ発振素子３８により水を検査した場合の電磁界シミュレーション結果であって、Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターンは、図３１（ａ）に示すように表され、Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図３１（ｂ）に示すように表され、Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターンは、図３１（ｃ）に示すように表され、Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図３１（ｄ）に示すように表される。
【０１４１】
図３１（ａ）〜図３１（ｄ）に示すように、Ｙ方向に比較的強くテラヘルツ波が放出されている。
【０１４２】
そして、水１２を接触させない状態の図２５（ａ）〜図２５（ｄ）の電磁界シミュレーション結果と比較すると、大きく放射パターンが変化している。
【０１４３】
また、表面にオーバーレイ絶縁膜を設けない場合の放射パターンの変化（図２５および図２７）に比べて、表面に厚さ０．６μｍのＳｉＯ2膜１８を設けた場合の放射パターンの変化（図２９および図３１）の方が大きい。
【０１４４】
このように、表面に厚さ０．６μｍのＳｉＯ2膜を設けた場合の方が、溶液を接触の有無に対応するテラヘルツ波の変化パターンが大きく現れるので、検査結果をより明確に把握することが可能となり、検査精度を向上させることができる。
【０１４５】
表面に厚さ５μｍのオーバーレイ絶縁膜（ＳｉＯ2膜）を形成した場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８によりテラヘルツ波（ｈν）を放射した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果は、図３２に示すように表される。
【０１４６】
図３２に示すように、テラヘルツ発振素子３８から放射されたテラヘルツ波は、特にＹ方向に、絶縁体基板１１を介在して比較的強くテラヘルツ波が伝播している。
【０１４７】
図３２に示すテラヘルツ発振素子３８によりテラヘルツ波を放射した場合の電磁界シミュレーション結果であって、Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターンは、図３３（ａ）に示すように表され、Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図３３（ｂ）に示すように表され、Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターンは、図３３（ｃ）に示すように表され、Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図３３（ｄ）に示すように表される。
【０１４８】
図３３（ａ）〜図３３（ｄ）に示すように、特にＹ方向に比較的強くテラヘルツ波（ｈν）が放出される放射パターンとなっている。
【０１４９】
表面に厚さ５μｍのオーバーレイ絶縁膜（ＳｉＯ2膜）１８を形成した場合の第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８により水１２を検査した場合のＹ−Ｚ平面上における電界放射パターンのシミュレーション結果は、図３４示すように表される。
【０１５０】
図３４に示すように、テラヘルツ発振素子３８から放射されたテラヘルツ波は、特にＹ方向に、絶縁体基板１１を介在して比較的強くテラヘルツ波が伝播している。
【０１５１】
また、検査対象としての水１２を接触させない状態の電界放射パターンのシミュレーション結果（図３２）と比較すると、電界放射パターンが大きく変化している。
【０１５２】
図３４に示すテラヘルツ発振素子３８により水１２を検査した場合の電磁界シミュレーション結果であって、Ｘ−Ｙ−Ｚ上の３次元放射パターンは、図３５（ａ）に示すように表され、Ｙ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図３５（ｂ）に示すように表され、Ｘ−Ｙ平面上の２次元放射パターンは、図３５（ｃ）に示すように表され、Ｘ−Ｚ平面上の２次元放射パターンは、図３５（ｄ）に示すように表される。
【０１５３】
図３５（ａ）〜図３５（ｄ）に示すように、Ｙ方向に比較的強くテラヘルツ波（ｈν）が放出されている。
【０１５４】
そして、水１２を接触させない状態の図３３（ａ）〜図３３（ｄ）の電磁界シミュレーション結果と比較すると、大きく放射パターンが変化している。
【０１５５】
また、表面に厚さ０．６μｍのＳｉＯ2膜１８を設けた場合の放射パターンの変化（図２９および図３１参照）に比べて、表面に厚さ５μｍのＳｉＯ2膜１８を設けた場合の放射パターンの変化（図３３および図３５参照）の方が大きい。
【０１５６】
このように、表面に厚さ５μｍのＳｉＯ2膜を設けた場合の方が、溶液を接触の有無に対応するテラヘルツ波の変化パターンがより大きく現れるので、検査結果をより明確に把握することが可能となり、検査精度をさらに向上させることができる。
【０１５７】
更に説明を補足すると、第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８において、水１２を接触させない状態では、オーバーレイ絶縁膜１８の有無、厚さに関係なく、最大放射方向はほぼ同じ（例えばθ＝２５０deg、φ＝−１１０deg）であり、また放射割合もほぼ同じであった。これに対して、水１２を接触させた状態では、オーバーレイ絶縁膜１８が存在しない場合には、最大放射方向への放射割合は約０．８４であり、変化率は１６％程度であるが、オーバーレイ絶縁膜１８が存在する場合には、最大放射方向への放射割合は、約０．３１（０．６μｍ）、約０．３３（５．０μｍ）であり、約７０％と大きく変化していた。
【０１５８】
（アンテナ特性の変化）
第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子において、動作周波数３００ＧＨｚにおけるアドミッタンス（Ｒｅ（Ｙ）、ＩＭ（Ｙ））と比誘電率εとの関係は、図３６に示すように表される。
【０１５９】
また、第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子において、動作周波数２００ＧＨｚにおけるアドミッタンス（Ｒｅ（Ｙ）、ＩＭ（Ｙ））と比誘電率εとの関係は、図３７に示すように表される。
【０１６０】
また、第１の実施の形態に係る溶液検査装置に適用されるテラヘルツ発振素子において、動作周波数１００ＧＨｚにおけるアドミッタンス（Ｒｅ（Ｙ）、ＩＭ（Ｙ））と比誘電率εとの関係は、図３８に示すように表される。
【０１６１】
なお、図３６〜図図３８において、Ｒｅ（Ｙ）はテラヘルツ発振素子のアドミッタンスＹの実部、Ｉｍ（Ｙ）はアドミッタンスＹの虚部を示す。ここで、アドミッタンスＹの実部Ｒｅ（Ｙ）、虚部Ｉｍ（Ｙ）の単位は、任意単位で示されている。
【０１６２】
図３６に示すように、３００ＧＨｚにおいては、比誘電率εが高くなるほど、アドミッタンスＹの虚部Ｉｍ（Ｙ）および実部Ｒｅ（Ｙ）が上昇する傾向がみられる。特に、比誘電率εが８１．５近辺からの上昇が著しい。
【０１６３】
図３７に示すように、２００ＧＨｚにおいては、比誘電率εが高くなるほど、アドミッタンスＹの実部Ｒｅ（Ｙ）が上昇する傾向がみられる。特に、比誘電率εが８１近辺からの上昇が著しい。
【０１６４】
一方、アドミッタンスＹの虚部Ｉｍ（Ｙ）は、比誘電率εが８０〜８１で一旦減少するが、その後上昇する傾向を示す。
【０１６５】
図３８に示すように、１００ＧＨｚにおいては、比誘電率εが高くなるほど、アドミッタンスＹの実部Ｒｅ（Ｙ）は逓減した後、ほぼ一定となる傾向がみられる。
【０１６６】
一方、アドミッタンスの虚部Ｉｍ（Ｙ）は、徐々に上昇する傾向を示す。
【０１６７】
このように、１００〜３００ＧＨｚの何れにおいても検査対象の溶液１２の比誘電率εに応じてアドミタンスが変化し、出力特性が溶液１２の比誘電率εに応じて変化する。
【０１６８】
―変形例１―
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の変形例１の模式的鳥瞰構造は、図３９に示すように表される。
【０１６９】
変形例１においては、図３９に示すように、半導体基板１は、共振器６０・導波路７０・ホーン開口部８０を形成する第１の電極４および第２の電極２の配置領域において薄層化されている。さらに、図３９に示すように、第１の電極４と第２の電極２間の導波路７０・ホーン開口部８０の半導体基板１ａは、完全に除去されていても良い。
【０１７０】
能動素子９０、第１の電極４および第２の電極２上には、オーバーレイ絶縁膜１８が形成されていても良い。例えば、オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ約０．１μｍ〜約１０μｍのＳｉＯ2膜で構成される。オーバーレイ絶縁膜１８の厚さは、望ましくは、約０．６μｍ〜約５μｍに形成される。その他の構成は、図１６の構成と同様であるため、各部の説明は省略する。
【０１７１】
図３９において、薄層化された半導体基板１ａの厚さは、例えば、約２０μｍ程度である。また、導波路７０の長さは、例えば、約７００μｍ程度以下であり、ホーン開口部８０の長さも例えば、約７００μｍ程度以下である。ＭＩＭリフレクタ５０を含む変形例１に係るテラヘルツ発振素子の全体の長さは、例えば、約１６００μｍ程度以下である。
【０１７２】
変形例１に係るテラヘルツ発振素子３８によれば、半導体基板１を薄層化することによって、半導体基板１の影響を抑制することが可能となり、指向性を向上させ、高効率かつ高出力に、半導体基板１に対して横方向に、テラヘルツ波を放射することができ、しかも集積化が容易である。
【０１７３】
―変形例２―
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の変形例２の模式的鳥瞰構造は、図４０に示すように表される。また、図４０に対応した第１の電極４、第２の電極２ａおよび半導体層９１ａのパターン構造の模式的平面図は、図４１に示すように表される。また、図４１のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図４２（ａ）に示すように表され、図４１のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造は、図４２（ｂ）に示すように表される。
【０１７４】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子３８は、図４０〜図４２に示すように、絶縁体基板１０と、絶縁体基板１０上に配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、第１の電極４ａ上に配置された電極間絶縁層３と、絶縁体基板１０上に配置された層間絶縁膜９と、層間絶縁膜９上に配置され、かつ第１の電極４ａに対して電極間絶縁層３を介して第１の電極４に対向して配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された半導体層９１ａと、電極間絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備える。
【０１７５】
第１の電極４（４ａ、４ｂ、４ｃ）、第２の電極２、２ａおよび半導体層９１ａ上には、図４０、図４２（ａ）および図４２（ｂ）に示すように、オーバーレイ絶縁膜１８が形成されていても良い。例えば、オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ約０．１μｍ〜約１０μｍのＳｉＯ2膜で構成される。オーバーレイ絶縁膜１８の厚さは、望ましくは、約０．６μｍ〜約５μｍに形成される。
【０１７６】
ホーン開口部８０は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、電磁波（ｈν）の放射方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
【０１７７】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
【０１７８】
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に放射するために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を効率よく空気中に放射することができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
【０１７９】
共振器６０には、２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれて、凸部７が形成されている。そして、半導体層９１ａの凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に第１の電極４ａと挟まれるように、能動素子９０が配置される。
【０１８０】
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１の電極４と第２の電極２との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
【０１８１】
また、図４０に示すように、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、狭い。
【０１８２】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第１の電極４と第２の電極２は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
【０１８３】
第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、絶縁体基板１０との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４ａ，４ｂ，４ｃおよび第２の電極２，２ａの各部の厚さは、例えば、数１００ｎｍ程度であり、全体として、図４２（ａ）および図４２（ｂ）に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４、第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１８４】
さらに詳細には、第１の電極４ａおよび第１の電極４ｃは、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第１の電極４ｂは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第２の電極２ａは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。
【０１８５】
尚、第１の電極４ｂの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ１５ｂによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第２の電極２ａの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ１５ａによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。
【０１８６】
電極間絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、電極間絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。電極間絶縁層３は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１８７】
同様に、層間絶縁膜９は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。層間絶縁膜９の厚さは、図４２（ａ）に示すように、第２の電極２ａと層間絶縁膜９の全体の厚さが、第１の電極４の厚さと略同程度となるように設定されている。層間絶縁膜９は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１８８】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、電波を効率良く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。絶縁体基板１０の厚さは、例えば、２００μｍ程度である。
【０１８９】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子において、上方は空気であるため、比誘電率εεair＝１である。絶縁体基板１０として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、ポリイミド樹脂の比誘電率εεpoly＝３．５であるため、発振素子として動作時、全体の発振出力に対する絶縁体基板１０の下方への発振出力の割合は、εpoly3/2／（εair3/2＋εpoly3/2）＝０．８７で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約８７％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。また、検出素子として動作時も、同様に、ホーン開口部８０から横方向に効率よくテラヘルツ波を検出可能である。
【０１９０】
さらに、絶縁体基板１０として、テフロン（登録商標）樹脂基板を使用すると、テフロン（登録商標）の比誘電率εεtef＝２．１であるため、発振素子として動作時、全体の発振出力に対する絶縁体基板１０の下方への発振出力の割合は、εtef3/2／（εair3/2＋εtef3/2）＝０．７５で表される。すなわち、発振素子として動作時、全体の発振出力の内、約７５％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。また、検出素子として動作時も、同様に、ホーン開口部８０から横方向に効率よくテラヘルツ波を検出可能である。
【０１９１】
ＭＩＭリフレクタ５０は、図４２（ａ）に示すように、第１の電極４ａと第２の電極２間に電極間絶縁層３を介在させた構造から形成されている。また、図４２（ｂ）から明らかなように、ＲＴＤからなる能動素子９０は、絶縁体基板１０上に第１の電極４ａを介して、配置されている。第１の電極４ａは、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂに接触して配置されている。第２の電極２は、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａに接触して配置されている。さらに、第１の電極４（４ｂ，４ｃ）は、絶縁体基板１０上に延在して配置されている。
【０１９２】
このように、第１の電極４が、絶縁体基板１０上に延在して配置されていることから、第１の電極４と第２の電極２は、互いに短絡されることがなく、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａとｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ間に所定の直流バイアス電圧を印加することができる。
【０１９３】
なお、第１の電極４には、ボンディングワイヤ１５ｂが接続され、第２の電極２ａには、ボンディングワイヤ１５ａが接続されて、第１の電極４と第２の電極２ａ間には、直流電源１５が接続されている。また、第１の電極４と第２の電極２ａ間には、寄生発振を防止するための抵抗（図示省略）が接続されている。
【０１９４】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子の構造において、第１の電極４上に直接、また第２の電極２上に層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０を貼付け、半導体基板１をエッチングで除去した後の上下反転した構造は、図４２（ａ）および図４２（ｂ）に示すように表される。図４２（ａ）および図４２（ｂ）に示すように、変形例２に係るテラヘルツ発振素子においては、第２の電極２上には半導体層９１ａが配置されが、第２の電極２ａも露出するため、第２の電極２ａに対して、ワイヤボンディングなどの電極取り出し工程を容易に行うことができる。
【０１９５】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子の製造方法においては、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、半導体基板１上に半導体層９１ａを形成後、パターニングによって、半導体層９１ａの幅を狭く形成し、半導体層９１ａ上に形成される第２の電極２のパターン幅を狭く形成する。残りの部分には、第２の電極２に接続し、所定の幅を有し、相対的に厚い第２の電極２ａを形成する。結果として、図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、第２の電極２ａが、半導体基板１に接触する構造を得る。
【０１９６】
次に、図４２（ａ）および図４２（ｂ）に示すように、第１の電極４上に直接、また第２の電極２上に層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０を貼付け、半導体基板１をエッチングで除去した後の上下反転した構造を得る。
【０１９７】
次に、図４０に示すように、第１の電極４にボンディングワイヤ１５ｂを接続し、第２の電極２ａに、ボンディングワイヤ１５ａを接続することで電極取り出しを実施する。
【０１９８】
半導体基板１は、例えば、半絶縁性のＩｎＰ基板によって形成され、厚さは、例えば、約６００μｍ程度である。ＩｎＰ基板のエッチング液としては、例えば、塩酸系のエッチング液を適用することができる。
【０１９９】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子３８において、厚さｄを有する絶縁体基板１０をサンプル表面に貼付け、半導体基板１をエッチングにより除去する工程後の模式的鳥瞰構造は、図４３に示すように表され、図４３の裏面から見た模式的鳥瞰構造は、図４４に示すように表される。図４３から明らかなように、第１の電極４は、直接絶縁体基板１０に貼り付けられている。また、第２の電極２，２ａは、図４３では図示を省略しているが、図４２（ａ）および図４２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０に貼り付けられている。図４４の詳細構造は、図４０に対応している。
【０２００】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子３８として、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造は、図１８（ａ）と同様に表される。また、その変形例の模式的断面構造は、図１８（ｂ）と同様に表される。
【０２０１】
図１８（ａ）は、半導体基板１上に配置された構造例であるが、その後の工程によって、第１の電極４ａに絶縁体基板１０を貼り付けた後、半導体基板１は、エッチングによって除去される。したがって、図１８（ａ）は、絶縁体基板１０を貼り付け工程前における能動素子９０近傍の模式的断面構造に相当している。
【０２０２】
前述と同様に、能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどを適用することもできる。
【０２０３】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子によれば、低誘電率の絶縁体基板１０を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ波を発振することができ、しかも集積化が容易となる。
【０２０４】
図４０〜図４４において、オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ約０．１μｍ〜約１０μｍのＳｉＯ2膜で構成される。望ましくは、約０．６μｍ〜約５μｍに形成される。このオーバーレイ絶縁膜１８を形成する場合には、溶液を接触させた場合のテラヘルツ波の放射パターンの変化の度合いを大きくすることができる。
【０２０５】
―変形例３・変形例４―
変形例３に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図４５（ａ）に示すように表され、変形例４に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、図４５（ｂ）に示すように表される。
【０２０６】
変形例３に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する第２の電極２にスタブ構造を備える例であり、変形例４に係るテラヘルツ発振素子の電極パターン構造は、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する第１の電極４にスタブ構造を備える例である。図４２（ａ）から明らかなように、第２の電極２上には、半導体層９１ａが配置されているため、図４５（ａ）および図４５（ｂ）では、半導体層９１ａが表示されているが、半導体層９１ａの下には、第２の電極２のパターンが同一のパターン形状で配置されている。
【０２０７】
すなわち、図４５（ａ）に示すように、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、複数のスタブ１３Ａを備える。
【０２０８】
また、図４５（ｂ）に示すように、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第１の電極４は、複数のスタブ１３Ｂを備える。
【０２０９】
複数のスタブ１３Ａまたは１３Ｂは、共振器６０に面して等間隔に配置されていてもよく、或いは、その間隔が変化するように配置されていてもよい。
【０２１０】
上記の変形例３・変形例４を組み合わせて、第２の電極２と第１の電極４の両方に複数のスタブを備えていてもよい。
【０２１１】
なお、変形例３では、スタブ１３ＡおよびＭＩＭリフレクタにより、閉口部側に伝送する漏れ電磁波が反射され、開口側に戻される。そして、反射された電磁波が出力として放射されるために、能動素子９０から発振される電磁波は高出力となる。
【０２１２】
変形例４においてもスタブ１３Ｂの動作は、スタブ１３Ａと同様であるため、重複する説明は省略する。
【０２１３】
なお、第２の電極２と第１の電極４の両方に多段のスタブを設けることにより、片方だけの場合に比べ約半分のスタブ数で同等の大きな反射率を得ることができる。また、周波数幅や中心周波数を決める際の設計の自由度を上げることができるので、設計上極めて有効である。なお、第２の電極２と第１の電極４の双方に付けるスタブの長さ、数、間隔は必ずしも等しい必要はなく、設計上自由に変更することができる。
【０２１４】
変形例３および変形例４に係るテラヘルツ発振素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易となる。
【０２１５】
変形例３および変形例４に係るテラヘルツ発振素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、ＭＩＭレフレクタを構成する電極にスタブ構造を組み合わせることによって、基板に水平な方向にさらに効率良く、指向性高くテラヘルツ波を発振および検出することが可能となる。
【０２１６】
図４５において、オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ約０．１μｍ〜約１０μｍのＳｉＯ2膜で構成される。望ましくは、約０．６μｍ〜約５μｍに形成される。このオーバーレイ絶縁膜１８を形成する場合には、溶液を接触させた場合のテラヘルツ波の放射パターンの変化の度合いを大きくすることができる。
【０２１７】
―変形例５―
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用される変形例５に係るテラヘルツ発振素子３８の電極パターン構造の模式的平面構成は、図４６に示すように表される。
【０２１８】
変形例５に係る係るテラヘルツ発振素子３８においても、第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）、第２の電極２，２ａ、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０の構成は、変形例２と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。
【０２１９】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子は、図４６に示すように、絶縁体基板１０と、絶縁体基板１０上に配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、第１の電極４ａ（図４２）上に配置された電極間絶縁層３（図４２）と、絶縁体基板１０上に配置された層間絶縁膜９（図４２）と、層間絶縁膜９上に配置され、かつ第１の電極４ａに対して電極間絶縁層３を介して第１の電極４に対向して配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された半導体層９１ａと、絶縁体基板１０上に第１の電極４に隣接し、かつ第２の電極２ａとは反対側に第１の電極４に対向して配置された第１スロットライン電極４１と、絶縁体基板１０上に第２の電極２ａに隣接し、かつ第１の電極４とは反対側に第２の電極２ａに対向して配置された第２スロットライン電極２１と、電極間絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された第１導波路７０と、第１導波路７０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された第１ホーン開口部８０と、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第１スロットライン電極４１間に配置された第２導波路７１と、第２導波路７１に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第１スロットライン電極４１間に配置された第２ホーン開口部８１と、絶縁体基板１０上に対向する第２の電極２ａと第２スロットライン電極２１間に配置された第３導波路７２と、第３導波路７２に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第２の電極２ａと第２スロットライン電極２１間に配置された第３ホーン開口部８２とを備える。
【０２２０】
変形例２と同様に、能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどを適用することもできる。
【０２２１】
ホーン開口部８０〜８２は、開口ホーンアンテナを構成する。
【０２２２】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においては、図４６に示すように、出力端におけるスロットライン電極２１および４１の幅Ｗ４は、例えば、１６０μｍ程度である。また、図４６に示すように、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２０およびホーン開口部８１および８２の幅Ｄ１０、および、スロットライン電極２１および４１の幅Ｗ４は、適宜変更可能である。
【０２２３】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置される。
【０２２４】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置される。
【０２２５】
ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、図４５（ａ）に示された変形例３と同様の複数のスタブを備えていても良い。同様に、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、図４５（ｂ）に示された変形例４と同様の複数のスタブを備えていても良い。
【０２２６】
また、上記において、複数のスタブは、共振器６０に面して等間隔に配置されていても良く、また、間隔が変化するように配置されていても良い。
【０２２７】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。
【０２２８】
絶縁体基板１０として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、全体の発振出力の内、約８７％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点は、変形例２と同様である。
【０２２９】
また、絶縁体基板１０として、テフロン（登録商標）樹脂基板を使用すると、変形例２と同様に、全体の発振出力の内、約７５％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点も、変形例２と同様である。
【０２３０】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子においては、能動素子９０に接続された第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、同じ形状をしたテーパ形状の１対のスロットライン電極４１、２１を配置することで、変形例２に比べ、指向性がさらに向上する。
【０２３１】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子によれば、第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、テーパ形状の１対のスロットライン電極４１、２１を並列化配置することで、絶縁体基板１０上にテーパスロットアンテナを集積化しても、絶縁体基板１０の影響を抑制し、充分な指向性を得ることができる。
【０２３２】
中央部の第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナから広がった電界が、両サイドに設けた１対のスロットライン電極４１、２１に引き込まれて、スロットライン電極４１、２１の端面で反射され、中央部の第１の電極４および第２の電極２に戻ってくる。このとき、中央部の第１の電極４および第２の電極２およびスロットライン電極４１、２１内には、定在波が形成され、反射してきた電界によって、外部に電磁波が放射される。中央部の第１の電極４および第２の電極２および１対のスロットライン電極４１、２１からの放射電磁界が、干渉し合うことによって、指向性が向上する。
【０２３３】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ波を発振することができ、しかも集積化が容易である。
【０２３４】
図４６において、オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ約０．１μｍ〜約１０μｍのＳｉＯ2膜で構成される。望ましくは、約０．６μｍ〜約５μｍに形成される。このオーバーレイ絶縁膜１８を形成する場合には、溶液を接触させた場合のテラヘルツ波の放射パターンの変化の度合いを大きくすることができる。
【０２３５】
―変形例６―
第１の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用される変形例６に係るテラヘルツ発振素子３８の電極パターン構造の模式的平面構成は、図４７に示すように表される。
【０２３６】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子３８においても、第１の電極４、第２の電極２、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０、第１のスロットライン電極４１、第２のスロットライン電極２１の構成は、第１の実施の形態と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。
【０２３７】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子３８は、図４７に示すように、図４６に示した変形例５の電極パターン構成に対して、さらに、１対のスロットライン電極２２,４２を並列化配置している。すなわち、絶縁体基板１０上に第１スロットライン電極４１に隣接し、かつ第１の電極４とは反対側に第１スロットライン電極４１に対向して配置された第３スロットライン電極４２と、絶縁体基板１０上に第２スロットライン電極２１に隣接し、かつ第２の電極２ａとは反対側に第２スロットライン電極２１に対向して配置された第４スロットライン電極２２と、絶縁体基板１０上に対向する第１スロットライン電極４１と第３スロットライン電極４２間に配置された第４導波路７４と、第４導波路７４に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１スロットライン電極４１と第３スロットライン電極４２間に配置された第４ホーン開口部８４と、絶縁体基板１０上に対向する第２スロットライン電極２１と第４スロットライン電極２２間に配置された第５導波路７３と、第５導波路７３に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第２スロットライン電極２１と第４スロットライン電極２２間に配置された第５ホーン開口部８３とを備える。
【０２３８】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。
【０２３９】
図４７の構成において、スロットライン電極２１,４１の外側に１対のスロットライン電極２２,４２をさらに並列化配置することによって、指向性がさらに向上する。
【０２４０】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子３８によれば、低誘電率の絶縁体基板１０を用いることで横方向の指向性を改善し、かつ２対のスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ波を発振することができ、しかも集積化が容易である。
【０２４１】
図４７において、オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ約０．１μｍ〜約１０μｍのＳｉＯ2膜で構成される。望ましくは、約０．６μｍ〜約５μｍに形成される。このオーバーレイ絶縁膜１８を形成する場合には、溶液を接触させた場合のテラヘルツ波の放射パターンの変化の度合いを大きくすることができる。
【０２４２】
第１の実施の形態によれば、検査対象としての溶液の比誘電率εに応じたテラヘルツ波の放射パターンの変化により溶液の成分等を検査可能な溶液検査装置を提供することができる。
【０２４３】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置によれば、溶液の比誘電率εに応じたテラヘルツ波の放射パターンの変化により溶液の成分等を検査可能であるため、この装置を利用して、細胞のセンシングや抗原抗体反応などのセンシングが可能となる。
【０２４４】
第１の実施の形態に係る溶液検査装置によれば、テラヘルツ波（ｈν）を用いることにって、細胞のサイズが、例えば、幅約３０μｍ〜約５０μｍ、高さ約２μｍ〜約３μｍのものの情報を得ることができる。
【０２４５】
第１の実施の形態によれば、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）発振素子上に液体や細胞を接触させることで、テラヘルツ波（ｈν）を用いてテラヘルツ発振素子の出力変化を検出可能でかつ小型軽量化された溶液検査装置を提供することができる。
【０２４６】
尚、上記の第１の実施の形態の変形例１〜６においては、テラヘルツ発振素子について説明したが、このテラヘルツ発振素子と同一構造のデバイスをテラヘルツ検出素子としても適用可能である。
【０２４７】
[第２の実施の形態]
第２の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の模式的鳥瞰構成は、図４８に示すように表される。また、シリコン半球レンズ１２０上に配置した第２の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８の模式的鳥瞰構成は、図４９に示すように表される。
【０２４８】
すなわち、図４８に示すように、スロットアンテナ１１０の中央付近にＲＴＤからなる能動素子１０９が配置され、スロットアンテナ１１０の両端には、金属と絶縁体が積層された層が形成されている。ここで、金属層は第２の電極１０４を構成し、電極間絶縁層１０３を介在させて金属からなる第１の電極１０２と高周波的に短絡されるようになっている。
【０２４９】
第２の電極１０４は、第１の電極１０２と電極間絶縁層１０３を介して重なっている部分の中央部に２箇所の凹部１０５、１０６が形成されており、この２つの凹部１０５、１０６に挟まれた状態で凸部１０７が形成されている。そして、第２の電極１０４の凸部１０７の略中央部には突起部１０８が形成され、この突起部１０８の下側に第１の電極１０２と挟まれるようにして能動素子１０９が配置されている。なお、第２の電極１０４と第１の電極１０２には直流電源１１５が接続されるとともに、寄生発振を防止するために、ビスマス（Ｂｉ）などの材料で形成された寄生発振抑圧抵抗１１４が接続される。
【０２５０】
半導体基板１０１には、例えば、半絶縁性（ＳＩ：Semi-Insulating）のＩｎＰが用いられる。能動素子１０９の両側に作られるスロットアンテナ１１０は、共振器と電磁波の放射アンテナとを兼ねている。このテラヘルツ発振素子３８においては、半導体基板１０１に対して上方向と下方向の２方向に電磁波が放射される構造になっている。このため、例えば、図４９に示すように、上下垂直方向に放射する電磁波（ｈν）を集光するためのシリコン半球レンズ１２０を新たに設ける必要がある。
【０２５１】
第２の実施の形態に係る溶液検査装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子３８は、図４８に示すように、電極間絶縁層１０３と同じ平面上に配置されるトランジスタやダイオードなどの能動素子１０９をスロットアンテナ１１０の中央部に配置し、スロット線路の両端を直角に曲げ、この部分を金属／絶縁体／金属の層構造で覆うようにしている。このため、金属／絶縁体／金属の層構造で覆った部分は、ＲＦ反射部１５０ａ,１５０ｂを構成し、高周波的に短絡状態になり、スロットアンテナ１１０が構成される。このスロットアンテナ１１０は、直流的には開放状態になっているため、能動素子１０９に直流を供給することができる。
【０２５２】
図４８および図４９において、オーバーレイ絶縁膜１８は、厚さ約０．１μｍ〜約１０μｍのＳｉＯ2膜で構成される。望ましくは、約０．６μｍ〜約５μｍに形成される。このオーバーレイ絶縁膜１８を形成する場合には、溶液を接触させた場合のテラヘルツ波の放射パターンの変化の度合いを大きくすることができる。
【０２５３】
第２の実施の形態に係る溶液検査装置３０においてもテラヘルツ発振素子３８とテラヘルツ検出素子４４を同一構造のデバイスを適用可能である。このため、第１の実施の形態と同様に、同一工程で製造したテラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４を利用することができる。
【０２５４】
、第２の実施の形態によれば、検査対象としての溶液の比誘電率εに応じたテラヘルツ波の放射パターンの変化により溶液の成分等を検査可能な溶液検査装置を提供することができる。
【０２５５】
さらに、第２の実施の形態に係る溶液検査装置によれば、溶液の比誘電率εに応じたテラヘルツ波の放射パターンの変化により溶液の成分等を検査可能であるため、この装置を利用して、細胞のセンシングや抗原抗体反応などのセンシングが可能となる。
【０２５６】
第２の実施の形態に係る溶液検査装置によれば、テラヘルツ波（ｈν）を用いることによって、細胞のサイズが、例えば、幅約３０μｍ〜約５０μｍ、高さ約２μｍ〜約３μｍのものの情報を得ることができる。
【０２５７】
以上説明したように、本発明によれば、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）発振素子上に液体や細胞を接触させることで、テラヘルツ波（ｈν）を用いてテラヘルツ発振素子の出力変化を検出可能でかつ小型軽量化された溶液検査装置を提供することができる。
【０２５８】
上記の実施の形態においては、テラヘルツ発振素子とテラヘルツ検出素子を同一構造のデバイスを適用可能である。また、テラヘルツ検出素子としては、他のデバイス構造として、例えば、ショットキーバリアダイオードなども適用可能である。
【０２５９】
また、上記の実施の形態において、テラヘルツ検出素子を複数配置し、テラヘルツ波の放射パターンを２次元若しくは３次元的に把握可能なテラヘルツイメージセンサを構成しても良い。
【０２６０】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態に係る溶液検査装置について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０２６１】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０２６２】
本発明の溶液検査装置は、テラヘルツ帯の周波数領域で動作する発振素子および検出素子を適用することで、食品検査、細胞分析（細胞の変化による環境モニタリング、薬剤の高速スクリーニング）など、幅広い分野に適用することができる。
【符号の説明】
【０２６３】
１、１０１…半導体基板
２、２ａ、１０４…第２の電極
３、１０３…電極間絶縁層
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、１０２…第１の電極
５,６…凹部
７…凸部
８…突起部
９…層間絶縁膜
１０、１１…絶縁体基板
１２、１２1、１２2、１２3、…、１２n…溶液（水）
１２ａ…細胞
１３Ａ,１３Ｂ…スタブ
１４、１４ａ…接触領域
１５…直流電源
１５ａ、１５ｂ…ボンディングワイヤ
１６…反射板（アルミニウム）
１８…オーバーレイ絶縁膜
２０…外気
２１,２２,４１,４２…スロットライン電極
３０…溶液検査装置
３６…樹脂層
３８…テラヘルツ発振素子
４０、４６…ガラス板
４４…テラヘルツ検出素子
５０…ＭＩＭリフレクタ
６０…共振器
７０,７１,７２,７３,７４…導波路
８０,８１,８２,８３,８４…ホーン開口部
９０、１０９…能動素子
９１ａ…半導体層
１００…テラヘルツ送信器
１０５、１０６…凹部
１０８…突起部
１０７…凸部
１１０…スロットアンテナ
１１４…寄生発振抑圧抵抗
１２０…シリコン半球レンズ
１５０ａ、１５０ｂ…ＲＦ反射部
２００…テラヘルツ受信器
３００…治具
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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