(57)【要約】【課題】高出力で高効率なテラヘルツ波放射素子を提供する。【解決手段】基板と、基板上に、窒化物半導体からなる層と、前記窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる層とが積層されたヘテロ接合構造体が少なくとも２つ積層されている積層構造体と、前記積層構造体とショットキー接続されるショットキー電極と、前記積層構造体とオーミック接続されるオーミック電極とを備え、前記ショットキー電極は、前記積層構造体で生じるテラヘルツ周波数帯の電子プラズマ振動を、テラヘルツ周波数帯の電磁波に変換する放射場変換機能を有する。【選択図】図１
2011077396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に、窒化物半導体からなる層と、前記窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる層とが積層されたヘテロ接合構造体が少なくとも２つ積層されている積層構造体と、
前記積層構造体とショットキー接続されるショットキー電極と、
前記積層構造体とオーミック接続されるオーミック電極とを備え、
前記ショットキー電極は、前記積層構造体で生じるテラヘルツ周波数帯の電子プラズマ振動を、テラヘルツ周波数帯の電磁波に変換する放射場変換機能を有する
テラヘルツ波放射素子。
【請求項２】
前記ショットキー電極は、金属のグレーティング状に形成されている
請求項１に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項３】
前記積層構造体は、
前記基板上に形成された第１のＧａＮ層、及び、前記第１のＧａＮ層上に形成され前記第１のＧａＮ層よりバンドギャップが大きい第１のＡｌxＧａ1-xＮ層からなる第１ヘテロ接合構造体と、
前記第１のＡｌxＧａ1-xＮ層上に形成された第２のＧａＮ層、及び、前記第２のＧａＮ層上に形成され前記第２のＧａＮ層よりバンドギャップが大きい第２のＡｌyＧａ1-yＮ層からなる第２ヘテロ接合構造体と、
前記第２のＡｌyＧａ1-yＮ層上に形成された第３のＧａＮ層、及び、前記第３のＧａＮ層上に形成され前記第３のＧａＮ層よりバンドギャップが大きい第３のＡｌzＧａ1-zＮ層からなる第３ヘテロ接合構造体とが積層されてなる
請求項１または２に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項４】
前記第２のＧａＮ層、前記第３のＧａＮ層及び前記第２のＡｌyＧａ1-yＮ層の膜厚は、それぞれ１０ｎｍ以下である
請求項３に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項５】
前記第１のＡｌxＧａ1-xＮ層、前記第２のＡｌyＧａ1-yＮ層及び前記第３のＡｌzＧａ1-zＮ層におけるＡｌ組成ｘ、ｙ及びｚの間には、ｘ＞ｙ及びｙ＜ｚの関係がある
請求項３に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項６】
前記オーミック電極は、前記積層構造体の側面に形成されている
請求項１から５のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射素子。
【請求項７】
前記基板は、高抵抗Ｓｉ基板からなる
請求項１から６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波放射素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波放射素子に関し、テラヘルツ周波数帯の電磁波を放射することのできる半導体素子から構成される、テラヘルツ波放射素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ帯の電磁波は、電波の有する透過性と、光の有する広帯域性、可干渉性及び集光性とを有しており、セキュリティ、バイオ、環境及び通信などの様々な分野への応用が期待されている。
【０００３】
テラヘルツ電磁波を放射する装置として、例えば光伝導素子、テラヘルツパラメトリック発生器、量子カスケードレーザ、炭酸ガスレーザ及び後進波管などが用いられている。しかし、これらの装置では、大規模で高価なフェムト秒レーザやピコ秒レーザが必要であったり、極低温に冷却して動作させる必要があったりする。そのため、これらの装置の小型化または低価格化が困難という課題がある。
【０００４】
この課題を克服するため、すなわち、小型かつ安価で冷却不要なテラヘルツ波放射装置の実現に向け、半導体中に存在する電子プラズマを利用したデバイスの研究開発が精力的に進められている。ここでは、半導体中の電子プラズマとして、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；  ＦＥＴ）構造や高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；  ＨＥＭＴ）中の二次元電子ガス（２−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ；  ２ＤＥＧ）が用いられる（例えば、非特許文献１）。電子の集団的振動である２ＤＥＧプラズマ波の速度は、１０8ｃｍ／ｓ台となっており、単一の電子の速度に比べて１桁以上高く、単一の電子を利用した一般的な電子デバイスに比べて、より高周波なテラヘルツ周波数帯での動作が可能となる。以下にこのデバイスの動作原理を説明する。
【０００５】
図６は、非特許文献１中の図１に示されたテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。このテラヘルツ波放射素子９００は、ソース電極９０８、ゲート電極９０９、ドレイン電極９１０、半導体層９１１、二次元電子ガス領域９１２及びゲート絶縁膜９１３から構成されている。
【０００６】
このテラヘルツ波放射素子９００では、ソース電極９０８とドレイン電極９１０とにバイアス電圧を印加すると二次元電子ガス流が生じる。二次元電子ガス流はソース電極９０８端及びドレイン電極９１０端での反射により不安定な状態となる。この不安定性がテラヘルツ周波数帯の電子プラズマ振動を誘起して、テラヘルツ電磁波の放射を引き起こす。
【０００７】
さらに、近年になって上記技術の進展が見られ、２００６年には室温においてテラヘルツ電磁波の放射が確認されるに至った（例えば、非特許文献２）。この非特許文献２には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料系のＨＥＭＴから０．１μＷ程度のテラヘルツ電磁波出力が得られる技術が開示されている。
【０００８】
このように、電子プラズマを利用して、室温でテラヘルツ波を放射できる半導体デバイスの研究開発が進んできた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、  Ｖｏｌ．７１、  Ｎｏ．１５、  ｐｐ２４６５−２４６８（１９９３）
【非特許文献２】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、  ８８、  １４１９０６（２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のテラヘルツ波を放射できる半導体デバイスすなわちテラヘルツ波放射素子では、放射可能なテラヘルツ電磁波の強度は未だ１μＷ以下と微弱であり、各種の応用には出力が不十分である。また、従来のテラヘルツ波放射素子では、電力変換効率も１×１０-7と非常に小さく、０．１μＷの出力を得るために約１０００ｍＷもの入力電力が必要となっている。
【００１１】
したがって、テラヘルツ放射可能な半導体素子であるテラヘルツ波放射素子を実用化するためには、出力及び効率の向上が不可欠である。
【００１２】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツ波放射素子は、基板と、前記基板上に、窒化物半導体からなる層と、前記窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる層とが積層されたヘテロ接合構造体が少なくとも２つ積層されている積層構造体と、前記積層構造体とショットキー接続されるショットキー電極と、前記積層構造体とオーミック接続されるオーミック電極とを備え、前記ショットキー電極は、前記積層構造体で生じるテラヘルツ周波数帯の電子プラズマ振動を、テラヘルツ周波数帯の電磁波に変換する放射場変換機能を有する。
【００１４】
この構成により、テラヘルツ波の発生源である二次元電子ガスの流量を、ヘテロ接合構造体の数だけ増加できるので、テラヘルツ波出力の向上が可能となる。
【００１５】
それにより、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。
【００１６】
ここで、好ましくは、前記ショットキー電極は、金属のグレーティング状に形成されている。
【００１７】
この構成により、テラヘルツ帯で生じる二次元電子ガスのプラズマ振動（プラズモン）を、デバイス外部に出射可能な放射電磁場に効率よく変換することができる。
【００１８】
また、好ましくは、前記積層構造体は、前記基板上に形成された第１のＧａＮ層、及び、前記第１のＧａＮ層上に形成され前記第１のＧａＮ層よりバンドギャップが大きい第１のＡｌxＧａ1-xＮ層からなる第１ヘテロ接合構造体と、前記第１のＡｌxＧａ1-xＮ層上に形成された第２のＧａＮ層、及び、前記第２のＧａＮ層上に形成され前記第２のＧａＮ層よりバンドギャップが大きい第２のＡｌyＧａ1-yＮ層からなる第２ヘテロ接合構造体と、前記第２のＡｌyＧａ1-yＮ層上に形成された第３のＧａＮ層、及び、前記第３のＧａＮ層上に形成され前記第３のＧａＮ層よりバンドギャップが大きい第３のＡｌzＧａ1-zＮ層からなる第３ヘテロ接合構造体が積層されてなる。
【００１９】
この構成によれば、ＡｌＧａＮ層にｎ型不純物をドープしなくても、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面には分極によって二次元電子ガスが誘起される。そして、第２のＧａＮ層と第２のＡｌyＧａ1-yＮ層の界面、及び第３のＧａＮ層と第３のＡｌzＧａ1-zＮ層との界面にそれぞれ二次元電子ガスが誘起されるので、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を２倍に高めることができる。
【００２０】
また、第２のＧａＮ層及び第３のＧａＮ層は両側をＡｌＧａＮ層に挟まれたダブルヘテロ構造となっているため、誘起された二次元電子ガスがＧａＮ層に効率よく閉じ込められる。このため、高密度の二次元電子ガス流を発生させることが可能となり、さらにテラヘルツ波の出力を向上することができる。
【００２１】
また、好ましくは、前記第２のＧａＮ層、前記第３のＧａＮ層及び前記第２のＡｌyＧａ1-yＮ層の膜厚は、それぞれ１０ｎｍ以下である。
【００２２】
これにより、前記第２のＧａＮ層及び前記第３のＧａＮ層が量子井戸となり、より高密度の二次元電子ガス流を得ることができる。
【００２３】
また、好ましくは、前記第１のＡｌxＧａ1-xＮ層、前記第２のＡｌyＧａ1-yＮ層及び前記第３のＡｌzＧａ1-zＮ層におけるＡｌ組成ｘ、ｙ及びｚの間には、ｘ＞ｙ及びｙ＜ｚの関係がある。
【００２４】
この構成により、量子井戸間のバリア層である第２のＡｌyＧａ1-yＮ層が低Ａｌ組成のため、第２のＧａＮ層及び第３のＧａＮ層中の二次元電子ガス流の相互作用が強くなる。この相互作用により、プラズマの不安定性が増強されるので、高効率にテラヘルツ波を生成することができる。
【００２５】
また、好ましくは、前記オーミック電極は、前記積層構造体の側面に形成されている。
【００２６】
この構成により、ヘテロ接合構造体に直接オーミック電極が形成されるので、電極と二次元電子ガスとの接合を低抵抗化することができる。したがって、損失が少なく高効率なテラヘルツ波放射装置が実現できる。
【００２７】
また、好ましくは、前記基板は、高抵抗Ｓｉ基板からなる。
【００２８】
この構成によれば、高抵抗のＳｉ基板はテラヘルツ波に対して吸収係数が小さいため、発生したテラヘルツ波を減衰させることなくデバイスから出射させることができる。また、吸収係数が小さいので、基板側から出射させることも可能である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。
【００３０】
具体的には、本発明のテラヘルツ波放射素子は、小型、低価格で冷却不要といった、従来のテラヘルツ波放射素子にない特長を有するため、セキュリティ、バイオ、環境及び通信などテラヘルツ電磁波を用いた応用分野の進展に大きく貢献することが期待できる。また、本発明のテラヘルツ波放射素子は、既存の半導体プロセスを使用して安価に作製できるため、アプリケーションの実用化及び普及を大いに促進することができる。このように、本発明の実用的価値は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態におけるテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるテラヘルツ波放射素子のバンドラインナップを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるテラヘルツ波放射素子の製造方法を説明するための図である。
【図４】本発明の実施の形態における変形例のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態における変形例のテラヘルツ波放射素子のバンドラインナップを示す図である。
【図６】従来のテラヘルツ波放射素子の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図１は、本実施形態のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。図１に示すテラヘルツ波放射素子１００では、基板１１上に、積層構造体１２が積層されており、積層構造体１２にソース電極１０８、ゲート電極１０９及びドレイン電極１１０が形成されている。
【００３４】
基板１１は、例えばＳｉ基板であり、好ましくは高抵抗のＳｉである。
【００３５】
積層構造体１２は、窒化物半導体からなる層と、その窒化物半導体よりもバンドギャップが大きい窒化物半導体からなる層とが積層されたヘテロ接合構造体を複数備え、それらのヘテロ接合構造体は積層されている。具体的には、積層構造体１２では、第１のＧａＮ層１０２と、第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３と、第２のＧａＮ層１０４と第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５と、第３のＧａＮ層１０６と第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７とが順に積層されている。
【００３６】
第１のＧａＮ層１０２は、基板１１上に形成されている。
【００３７】
第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３は、第１のＧａＮ層１０２よりバンドギャップが大きい窒化物半導体層であり、第１のＧａＮ層１０２上に形成されている。第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３は、第１のＧａＮ層１０２とヘテロ接合構造体を形成する。
【００３８】
第２のＧａＮ層１０４は、第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３上に形成されている。また、第２のＧａＮ層１０４の膜厚は、例えば１０ｎｍ以下である。第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５は、第２のＧａＮ層１０４よりバンドギャップが大きい窒化物半導体層であり、第２のＧａＮ層１０４上に形成されている。第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５は、第２のＧａＮ層１０４とヘテロ接合構造体を形成する。また、第２のＧａＮ層１０４は、上下をＡｌＧａＮ層で挟まれたダブルヘテロ構造となっている。なお、第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５のＡｌ組成については、ｘ＞ｙの関係がある。
【００３９】
第３のＧａＮ層１０６は、第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５上に形成されている。また、第３のＧａＮ層１０６の膜厚は、例えば１０ｎｍ以下である。
【００４０】
第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７は、第３のＧａＮ層１０６よりバンドギャップが大きい窒化物半導体層であり、第３のＧａＮ層１０６上に形成されている。第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７は、第３のＧａＮ層１０６とヘテロ接合構造体を形成する。また、第３のＧａＮ層１０６は、上下をＡｌＧａＮ層で挟まれたダブルヘテロ構造となっている。なお、第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７のＡｌ組成については、ｙ＜ｚの関係がある。
【００４１】
ゲート電極１０９は、積層構造体１２上に形成され、放射場変換機能を備える。具体的には、ゲート電極１０９は、第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７上に形成されている。ゲート電極１０９は、ＡｌＧａＮ層に対してショットキー性の電極であり、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ及びＴｉから構成されている。また、ゲート電極１０９は、二次元電子ガスのプラズマ振動を放射電磁場に変換する放射場変換機能として、図１に示すような周期的な開口を有するグレーティング状に形成されている。すなわち、放射場変換機能は、ゲート電極１０９が周期的な開口を有する金属のグレーティングからなることにより形成される。
【００４２】
ソース電極１０８及びドレイン電極１１０は、積層構造体１２に形成されている。具体的には、ソース電極１０８及びドレイン電極１１０は、それぞれ第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７上のゲート電極１０９のない領域から積層構造体１２の側面にかけて（積層構造体１２の端部に）形成されている。ソース電極１０８及びドレイン電極１１０は、それぞれ積層構造体１２が有するＧａＮ層（第１のＧａＮ層１０２、第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６）に対してオーミック性の電極（オーミック電極）であり、Ｔｉ及びＡｌから構成される。
【００４３】
以上のように、テラヘルツ波放射素子１００は構成される。
【００４４】
図２は、本実施形態のテラヘルツ波放射素子のバンドラインナップを示す図である。
【００４５】
図２に示すように、第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６には、ＡｌＧａＮ層とＧａＮ層のヘテロ界面での分極効果により二次元電子ガスが形成される。つまり、上記のようにテラヘルツ波放射素子１００が構成されることにより、ＡｌＧａＮ層にｎ型不純物をドープしなくても、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ接合界面には分極によって二次元電子ガスが誘起される。
【００４６】
また、第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６は、上述したように、両側（層の上下）をＡｌＧａＮ層に挟まれたダブルヘテロ構造となっている。そのため、第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６は、二次元電子ガスをＧａＮ層に効率良く（強く）閉じ込めることができる。
【００４７】
このように、テラヘルツ波放射素子１００には、第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６中の二次元電子ガスをチャネルとした、２つ以上のチャネルのＦＥＴすなわちマルチチャネルのＦＥＴが形成されている。つまり、少なくとも第２のＧａＮ層１０４と第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５の界面、及び第３のＧａＮ層１０６と第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７の界面にそれぞれ二次元電子ガスが誘起されるので、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を少なくとも２倍に高めることができる。
【００４８】
次に、上記のように構成されたテラヘルツ波放射素子１００の動作原理を説明する。
【００４９】
ソース電極１０８とドレイン電極１１０との間に電圧を印加すると、第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６中の二次元電子ガスをキャリアとした電流が流れる。そして、この二次元電子ガス流は、ゲート電極１０９下方の領域の両端部での反射により、不安定な状態を誘発する（プラズマ不安定性）。
【００５０】
そして、テラヘルツ波放射素子１００に形成されているＦＥＴのゲートが短ゲート長の場合には、このプラズマ不安定性に起因してテラヘルツ周波数でのプラズマ振動（プラズモン）が誘起される。ここで、誘起されたプラズモンは、チャネルを伝搬する縦波（非放射場）である。しかし、この誘起されたプラズモンは、ゲート電極１０９の金属グレーティングと結合することにより、テラヘルツ電磁波（放射場）として外部に放射される。
【００５１】
このように、ソース電極１０８とドレイン電極１１０との間に電流を流すことにより、つまり第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６に形成された二次元電子ガスをキャリアとした電流を流すことによりゲート電極１０９の下方でテラヘルツ電磁波が発生する。
【００５２】
なお、テラヘルツ電磁波を、より効率よく発生させるために、ソース電極１０８及びゲート電極１０９を短絡させた状態で、テラヘルツ波放射素子１００を構成するＦＥＴを飽和領域で動作させるとよい。
【００５３】
また、ゲート電極１０９の電圧を調整することでテラヘルツ電磁波の周波数を所望の値に設定することができる。
【００５４】
次に、上記のように構成された構造を有するテラヘルツ波放射素子１００の製造方法について説明する。
【００５５】
図３は、本発明の実施の形態におけるテラヘルツ波放射素子の製造方法を説明するための図である。
【００５６】
まず、エピタキシャル成長により、基板１１上に、第１のＧａＮ層１０２、第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３、第２のＧａＮ層１０４、第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５、第３のＧａＮ層１０６及び第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７を順次積層する。すなわち、エピタキシャル成長により、基板１１上に、積層構造体１２を積層する（図３（ａ））。
【００５７】
次に、積層構造体１２のエピタキシャル層の周辺部を所定の深さまでエッチング除去する（図３（ｂ））。
【００５８】
次に、第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７上及びエッチングにより露出したエピタキシャル層の周辺部に金属材料を堆積し、パターニングしてソース電極１０８、ゲート電極１０９及びドレイン電極１１０を形成する（図３（ｃ））。
【００５９】
以上のようにして、テラヘルツ波放射素子１００を製造する。
【００６０】
以上のように、本発明におけるテラヘルツ波放射素子１００では、第２のＧａＮ層１０４と第３のＧａＮ層１０６に少なくとも２つのチャネルを有するため、チャネルが一つである従来の素子と比べて、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を少なくとも２倍に高めることができる。このことにより、高出力のテラヘルツ波放射素子１００を実現することが可能である。
【００６１】
また、本発明におけるテラヘルツ波放射素子１００では、ゲート電極１０９が周期的な開口を有するグレーティング状に形成されているため、プラズモンが効率よく放射場に変換される。これにより、高効率なテラヘルツ波放射素子１００を実現することができる。
【００６２】
また、本発明におけるテラヘルツ波放射素子１００では、第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６は、その両側（層の上下）をＡｌＧａＮ層に挟まれたダブルヘテロ構造となっているため、誘起された二次元電子ガスがＧａＮ層に強く閉じ込められる。したがって、高密度の二次元電子ガス流が形成され、高出力のテラヘルツ波放射素子１００を得ることができる。
【００６３】
特に、第２のＧａＮ層１０４、第３のＧａＮ層１０６及び第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５の膜厚を、それぞれ１０ｎｍ以下とすれば、第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６が量子井戸となるので、より高密度の二次元電子ガス流を得ることができる。
【００６４】
この場合において、さらに、第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３、第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５、及び第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７のＡｌ組成ｘ、ｙ、及びｚについて、ｘ＞ｙ、及びｙ＜ｚの関係を持つように設定する。すなわち、量子井戸間のバリア層である第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５のＡｌ組成が小さくなるようにすると、バリア層を越えて第２のＧａＮ層１０４及び第３のＧａＮ層１０６中の電子が互いに行き来しやすくなる。つまり、二次元電子ガス流の相互作用が強くなる。このことは、プラズマの不安定性が増強されることにつながるので、その結果、高効率にテラヘルツ波を生成することが可能となる。
【００６５】
また、本発明におけるテラヘルツ波放射素子１００では、図１に示すように、デバイスの側面すなわちテラヘルツ波放射素子１００の側面において、オーミック電極が２つのチャネルに対して直接形成されているので、電極と二次元電子ガスとの接合を低抵抗化することができる。したがって、入力電力の損失が少なく高効率なテラヘルツ波放射素子１００を実現することができる。
【００６６】
以上、本発明によれば、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。
【００６７】
なお、基板の材料は、テラヘルツ帯において吸収係数の小さいものであることが好ましい。吸収係数の小さい基板として例えば、高抵抗Ｓｉ基板を用いることができる。これにより、発生したテラヘルツ波を減衰させることなくデバイスから出射させることができる。吸収係数が小さい基板を用いると、テラヘルツ電磁波を基板側から出射させることも可能である。
【００６８】
また、本発明ではゲート電極１０９がグレーティング状に形成されている場合について説明したが、これに限らず、例えば単一のゲート電極として形成されていてもよい。また、例えば単一のゲート電極の横に、互いに電気的に接続されていない金属をグレーティング状に並べて形成してもよい。
【００６９】
なお、本発明におけるテラヘルツ波放射素子１００では、第２のＧａＮ層１０４と第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５との界面、及び、第３のＧａＮ層１０６と第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７との界面にそれぞれ二次元電子ガスが誘起されることを説明した。さらに、テラヘルツ波放射素子１００では、第１のＧａＮ層１０２と第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３との界面にも分極によって二次元電子ガスが誘起されチャネルが形成される。この第１のＧａＮ層１０２と第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３との界面に誘起されるチャネルも、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を高め、テラヘルツ波の出力を向上するのに寄与する。したがって、この第１のＧａＮ層１０２と第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３との界面に誘起されチャネルを利用して、テラヘルツ波の出力を向上する次に説明する変形例のような構造にしてもよい。
【００７０】
（変形例）
図４は、本発明の実施の形態における変形例のテラヘルツ波放射素子の構造を示す断面図である。図５は、本発明の実施の形態における変形例のテラヘルツ波放射素子のバンドラインナップを示す図である。なお、図１及び図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００７１】
図４に示すテラヘルツ波放射素子２００は、図１に示すテラヘルツ波放射素子１００に比べて、第３のＧａＮ層１０６と第３のＡｌzＧａ1-zＮ層１０７とを備えていない点が異なる。
【００７２】
テラヘルツ波放射素子２００は、図５に示すように第２のＧａＮ層１０４と第２のＡｌyＧａ1-yＮ層１０５との界面だけでなく、第１のＧａＮ層１０２と第１のＡｌxＧａ1-xＮ層１０３との界面にも分極によって二次元電子ガスが誘起されてチャネルが形成される。それにより、テラヘルツ波放射素子２００では、テラヘルツ波の発生源となる二次元電子ガスの流量を２倍に高めることができ、テラヘルツ波の出力を向上することができる。
【００７３】
以上のように、本発明によれば、高出力で高効率のテラヘルツ波放射素子を実現することができる。
【００７４】
以上、本発明のテラヘルツ波放射素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、当業者が思いつく構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、テラヘルツ波放射素子に利用でき、特にイメージング装置、非破壊検査装置及び大容量通信装置などに用いられるテラヘルツ波放射素子に利用することができる。
【符号の説明】
【００７６】
１１  基板
１２、２２  積層構造体
１００、２００、９００  テラヘルツ波放射素子
１０２  第１のＧａＮ層
１０３  第１のＡｌxＧａ1-xＮ層
１０４  第２のＧａＮ層
１０５  第２のＡｌyＧａ1-yＮ層
１０６  第３のＧａＮ層
１０７  第３のＡｌzＧａ1-zＮ層
１０８、９０８  ソース電極
１０９、９０９  ゲート電極
１１０、９１０  ドレイン電極
９１１  半導体層
９１２  二次元電子ガス領域
９１３  ゲート絶縁膜
【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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