(57)【要約】【課題】  発振するテラヘルツ波の損失を低減できる発振器を提供することを目的とする。【解決手段】  発振器は、テラヘルツ波を発振する発振器であって、負性抵抗素子１０１と、第１の導体１０８、及び第２の導体１０９、誘電体１０７、を含む共振器１０２と、負性抵抗素子にバイアス電圧を供給する線路１０３１と、を有し、負性抵抗素子及び誘電体は、第１の導体と第２の導体との間に配置されており、第１の導体と線路とは、共振器に定在するテラヘルツ波の電界の節で接続している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波を発振する発振器であって、
負性抵抗素子と、
第１の導体、及び第２の導体、誘電体、を含む共振器と、
前記負性抵抗素子にバイアス電圧を供給する線路と、を有し、
前記負性抵抗素子及び前記誘電体は、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されており、
前記第１の導体と前記線路とは、前記共振器に定在する前記テラヘルツ波の電界の節で接続している
ことを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記テラヘルツ波の電界の節は、前記共振器に定在する前記テラヘルツ波の電界の強度が最大電界強度の１／ｅ２以下となる領域である
ことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記テラヘルツ波の周波数における前記線路及び前記バイアス回路は、高インピーダンスである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発振器。
【請求項４】
前記負性抵抗素子は、前記第１の導体の重心からシフトした位置に配置されており、
前記第１の導体と前記線路は、前記第１の導体の重心と前記負性抵抗素子とを結ぶ直線と直交し且つ前記重心を通る直線から前記負性抵抗素子に近づく又は遠ざかる位置で接続している
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発振器。
【請求項５】
前記負性抵抗素子は、容量性リアクタンスを有し、
前記第１の導体と前記線路は、前記第１の導体の重心と前記負性抵抗素子とを結ぶ直線と直交し且つ前記重心を通る直線から前記負性抵抗素子に近づく位置で接続している
ことを特徴とする請求項４に記載の発振器。
【請求項６】
前記負性抵抗素子は、誘導性リアクタンスを有し、
前記第１の導体と前記線路は、前記第１の導体の重心と前記負性抵抗素子とを結ぶ直線と直交し且つ前記重心を通る直線から前記負性抵抗素子に遠ざかる位置で接続している
ことを特徴とする請求項４に記載の発振器。
【請求項７】
複数の前記負性抵抗素子を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発振器。
【請求項８】
複数の前記負性抵抗素子は、前記第１の導体の重心と前記負性抵抗素子とを結ぶ直線と直交し且つ前記重心を通る直線を軸に線対称となるように配置されている
ことを特徴とする請求項７に記載の発振器。
【請求項９】
前記テラヘルツ波の周波数は、前記共振器の共振周波数と異なる周波数である
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発振器。
【請求項１０】
複数の前記線路を有する
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の発振器。
【請求項１１】
複数の前記線路は、前記第１の導体の重心と前記負性抵抗素子とを結ぶ直線に対して対称に配置されている
ことを特徴とする請求項１０に記載の発振器。
【請求項１２】
前記線路と前記バイアス回路との間に、前記負性抵抗素子と並列に接続された容量及び抵抗を有する
ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の発振器。
【請求項１３】
前記共振器は、パッチアンテナを含む
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の発振器。
【請求項１４】
前記テラヘルツ波の波長をλｏｓｃとすると、前記線路の長さが（２ｍ−１）λｏｓｃ／４（ｍ：自然数）である
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の発振器。
【請求項１５】
前記負性抵抗素子は、共鳴トンネルダイオードを含む
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負性抵抗素子を用いた発振器に関し、特には、ミリ波帯からテラヘルツ波帯まで（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下）のうちの任意の周波数帯域を有する高周波電磁波（本明細書では、テラヘルツ波と呼ぶ）の発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波の周波数領域には、生体材料及び医薬品、電子材料等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、紙及びセラミック、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等への応用が期待されている。
【０００３】
この周波数領域の電磁波を発生する電流注入型の光源として、負性抵抗素子に共振器を集積した発振器が良く知られている。特許文献１は、２重障壁型の共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）からなる負性抵抗素子と、スロットアンテナからなる共振器とを半導体基板上に集積したテラヘルツ波の発振器を開示している。当該発振器は、ＲＴＤの半導体量子井戸構造内の電子のサブバンド間遷移に基づく微分負性抵抗を利用し室温でテラヘルツ波を発振する。
【０００４】
特許文献２は、ＲＴＤとマイクロストリップ共振器とを同一基板上に集積したテラヘルツ波の発振器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２４２５０号公報
【特許文献２】特開２００６−１０１４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されているように、これらの負性抵抗素子を用いた発振器は、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整するためのバイアス回路が必要となる。また、このバイアス回路に起因した低周波の寄生発振を抑制するための、ＤＣ以上ｆｏｓｃ未満の周波数領域においてバイアス回路側を低インピーダンスにする構造が必要である。ここで、ｆｏｓｃは発振器が発振するテラヘルツ波の周波数（発振周波数）であり、寄生発振とは、発振器の所望の発振周波数ｆｏｓｃとは異なる低周波側の周波数帯における寄生的な発振である。
【０００７】
一方、これらのバイアス回路及び寄生発振を抑制する構造を接続することで、共振器内における発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波が漏れて損失となり、発振出力が低下するという問題がある。例えば、特許文献１は、スロットアンテナの両端部にスタブ線路を配置してこのような損失を低減する方法を提案している。特許文献２に開示されたマイクロストリップ型共振器を用いた発振器においても、同様の低損失構造が望まれている。
【０００８】
本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、テラヘルツ波の損失を低減できる発振器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】
【０００９】
本発明の一側面として発振器は、テラヘルツ波を発振する発振器であって、負性抵抗素子と、第１の導体、及び第２の導体、誘電体、を含む共振器と、前記負性抵抗素子にバイアス電圧を供給する線路と、を有し、前記負性抵抗素子及び前記誘電体は、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されており、前記第１の導体と前記線路とは、前記共振器に定在する前記テラヘルツ波の電界の節で接続していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一側面としての発振器によれば、テラヘルツ波の損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の発振器の構成を説明する図。
【図２】実施例１の発振器の構成を説明する図。
【図３】実施例１の発振器の共振電界を説明する図。
【図４】実施例１の発振器のアドミタンス特性を説明する図。
【図５】実施形態の発振器の変形例の構成を説明する図。
【図６】実施形態の発振器の変形例の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態に係る発振器１００について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は本実施形態の発振器１００の外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面図である。
【００１３】
まず、発振器１００の構成について説明する。発振器１００は、負性抵抗素子１０１、共振器としてのパッチアンテナ１０２、線路としてのストリップ導体１０３１、容量１０３２及び抵抗１０４を含む低インピーダンス回路、電源１０５及び配線１０６を含むバイアス回路、を有する。
【００１４】
負性抵抗素子１０１は、電流電圧特性において、電圧の増加に伴って電流が減少する領域、すなわち負性抵抗領域が現れる素子である。負性抵抗素子１０１は、典型的には、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）又はエサキダイオード、ガン（ＧＵＮＮ）ダイオード、一端子を終端したトランジスタ等の高周波素子が好適である。
【００１５】
例えば、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）等が挙げられる。また、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）等を用いてもよい。
【００１６】
更に、超伝導体を用いたジョセフソン素子の負性抵抗を用いてもよい。以下では、テラヘルツ波帯で動作する代表的な負性抵抗素子であるＲＴＤを負性抵抗素子１０１に用いた場合を例にして説明を進める。
【００１７】
パッチアンテナ１０２は、テラヘルツ波帯の共振器であり、有限な長さのマイクロストリップライン等を用いたマイクロストリップ型共振器である。パッチアンテナ１０２は、誘電体１０７と、パッチ導体（第１の導体）１０８と、接地導体（第２の導体）１０９と、を含み、パッチ導体１０８と接地導体１０９との間に誘電体１０７を挟んだ構造である。
【００１８】
パッチアンテナ１０２の内部には、テラヘルツ波の励振源となる負性抵抗素子１０１が埋め込まれている。負性抵抗素子１０１と誘電体１０７は並列に配置されており、負性抵抗素子１０１は、パッチ導体１０８及び接地導体１０９と電気的に接続されている。線路であるストリップ導体１０３１とパッチ導体１０８とは、パッチアンテナ１０２に定在するテラヘルツ波の電界の節で接続している。
【００１９】
ここで、誘電体１０７とは、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。テラヘルツ波帯における具体例としては、プラスティック、セラミック、酸化シリコン、窒化シリコン等がある。
【００２０】
パッチアンテナ１０２は、パッチ導体１０８のＡ−Ａ’方向の幅が、任意の共振周波数ｆ０のテラヘルツ波に対する半波長共振器となるように概ね設定される。パッチアンテナ１０２は、テラヘルツ波の励起源となる負性抵抗素子１０１が集積されたアクティブアンテナである。したがって、発振器１００のパッチアンテナ１０２によって規定される発振周波数ｆｏｓｃは、パッチアンテナ１０２及び負性抵抗素子１０１のリアクタンスを組み合わせた並列共振回路の共振周波数として決定される。
【００２１】
具体的には、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６（２００８）に開示されたＲＴＤ発振器の等価回路から次のように求めることができる。すなわち、負性抵抗素子（ＲＴＤ）１０１のアドミタンスＹＲＴＤとパッチアンテナ１０２のアドミタンスＹＡＮＴとを組み合わせた並列共振回路について、
振幅条件  Ｒｅ［ＹＲＴＤ］＋Ｒｅ［ＹＡＮＴ］≦０    （１）
位相条件  Ｉｍ［ＹＲＴＤ］＋Ｉｍ［ＹＡＮＴ］＝０    （２）
の二つの条件を満たす周波数が発振周波数ｆｏｓｃとして決定される。ここで、Ｒｅ［ＹＲＴＤ］は負性抵抗素子のアドミタンスであり負の値を有す。なお、発振周波数ｆｏｓｃは、ＲＴＤ以外の負性抵抗素子を用いた場合でも、同様の振幅条件及び位相条件を用いて求めることができる。
【００２２】
したがって、発振器の設計によっては、発振器１００の発振周波数ｆｏｓｃは、負性抵抗素子１０１のＩｍ［ＹＲＴＤ］の効果により、主にＩｍ［ＹＡＮＴ］で決まるパッチアンテナ１０２の共振周波数ｆ０とは異なることがある。
【００２３】
負性抵抗素子１０１のバイアス電圧を調整するためのバイアス回路は、電源１０５と配線１０６とを含む。配線１０６は、寄生的なインダクタンス成分を必ず伴うため、図１ではインダクタンスとして表示した。電源１０５は、負性抵抗素子１０１の駆動に必要な電流を供給し、バイアス電圧を調整する。バイアス電圧は、典型的には、負性抵抗素子１０１の負性抵抗領域から選択される。
【００２４】
ストリップ導体１０３１は、電源１０５及び配線１０６を含むバイアス回路から負性抵抗素子１０１にバイアス電圧を供給する役割を持つ線路で、パッチ導体１０８と接続されている。
【００２５】
抵抗１０４及びこれと並列に接続された容量１０３２は低インピーダンス回路である。これは、電源１０５及び配線１０６を含むバイアス回路に起因した比較的低周波数の共振による寄生的な発振を抑制している。
【００２６】
抵抗１０４の値は、負性抵抗素子１０１の負性抵抗領域における負性抵抗の絶対値と等しいか、その絶対値より少し低い値が選択される。容量１０３２も抵抗１０４と同様に、マイクロ波の周波数帯において、容量１０３２のインピーダンスが負性抵抗素子１０１の負性抵抗の絶対値と等しいか、その絶対値より低くなるように設定する。容量１０３２は大きいほうが好ましく、本実施形態では数ｐＦ程度としている。
【００２７】
容量１０３２はストリップ導体１０３１と直結されたデカップリング容量となっており、例えば、容量を同一基板に集積するために、パッチアンテナ１０２と基板とを共にしたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造を利用してもよい。
【００２８】
本実施形態の発振器１００のストリップ導体１０３１は、パッチアンテナ１０２と負性抵抗素子１０１により規定されるテラヘルツ波帯の発振周波数ｆｏｓｃで、パッチアンテナ１０２に定在するテラヘルツ波の電界の節に配置される。すなわち、パッチ導体１０８とストリップ導体１０３１とは、共振器としてのパッチアンテナ１０２に定在するテラヘルツ波の電界の節で接続している。
【００２９】
ここで、本明細書における「共振器に定在するテラヘルツ波の電界の節」は、共振器に定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の実質的な節となる領域のことである。具体的には、共振器に定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界強度が、共振器に定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の最大電界強度より１桁程度低い領域のことである。望ましくは、発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界強度が、共振器に定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の最大電界強度の１／ｅ２以下（ｅは自然対数の底）となる領域のことである。
【００３０】
前述したように、本実施形態の発振器１００のような負性抵抗素子と共振型のアンテナであるパッチアンテナを集積した発振器は、設計によっては、発振器の発振周波数ｆｏｓｃが、共振器であるパッチアンテナの共振周波数ｆ０と異なることがある。これは、（２）式におけるＩｍ［ＹＲＴＤ］の効果である。
【００３１】
具体的には、Ｉｍ［ＹＲＴＤ］は、負性抵抗素子の容量Ｃ及びインダクタンスＬと角周波数ωの積である容量性リアクタンスωＣ及び誘導性リアクタンス１／ωＬの成分を含む。このため、テラヘルツ波のように高い周波数の電磁波になるほど、（２）式におけるＩｍ［ＹＲＴＤ］の効果は顕著になる。このような発振器において、パッチアンテナの共振周波数ｆ０と発振周波数ｆｏｓｃとの違いが、共振器に定在するテラヘルツ波の電界の分布にも影響することを発明者は見出した。
【００３２】
具体的には、発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波が共振器に定在する場合の電界の分布は、共振周波数ｆ０のテラヘルツ波が共振器に定在する場合の電界の分布と異なる場合がある。すなわち、共振器であるパッチアンテナに定在するテラヘルツ波の電界の節に着目すると、共振周波数ｆ０のテラヘルツ波の電界の節はパッチアンテナの中心線上に位置する。それに対し、発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の節は、パッチアンテナの中心線を除く別の領域に位置することがある。
【００３３】
なお、共振器（パッチアンテナ）の中心線は、テラヘルツ波の共振方向と直交し且つ第１の導体としてのパッチ導体の重心を通る直線のことである。
【００３４】
そのため、パッチアンテナの共振周波数であるｆ０のテラヘルツ波の電界の節ではなく、発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の節に線路を配置すれば、テラヘルツ波の損失を低減することができる。
【００３５】
なぜなら、このような構成にすることで、発振周波数ｆｏｓｃにおいて、線路１０３１及びそれに接続されたバイアス回路は、負性抵抗素子から見て高インピーダンスとなるからである。よって、発振周波数ｆｏｓｃ付近のテラヘルツ波の共振器からの漏れや外部との干渉による損失が低減されるので、発振器の高出力化及び周波数安定化が実現される。これについては、後述の実施例１において、より具体的な例を示して説明する。
【００３６】
なお、本明細書における「高インピーダンス」は、典型的には、負性抵抗素子の微分負性抵抗の絶対値よりインピーダンスが高くなることである。発振周波数ｆｏｓｃにおけるインピーダンスが高ければ高いほど、線路及び線路より外側のバイアス回路からの影響が低減される。
【００３７】
そこで、本実施形態の発振器１００は、パッチ導体１０８と線路１０３１とを、共振器１０２に定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の節で接続している。
【００３８】
これによって、本実施形態の構成は、従来までのパッチアンテナ１０２に定在する共振周波数ｆ０のテラヘルツ波の電界の節に線路１０３１を接続した場合よりも、パッチアンテナ１０２のインピーダンスが高くなる。言い換えると、パッチアンテナ１０２のインピーダンスの逆数であるＲｅ［ＹＡＮＴ］が小さくなるため、線路１０３１及びバイアス回路に起因したテラヘルツ波の損失が低減される。
【００３９】
したがって、パッチアンテナのようなマイクロストリップ型の共振器を用いた発振器においても、共振器により規定される所望の発振周波数ｆｏｓｃの給電構造に起因したテラヘルツ波の損失を低減できる。その結果、テラヘルツ波をより高出力で得ることができる。
【００４０】
図５には、本実施形態の発振器１００の変形例を示した。ここで、発振器１００と同じ構成部材については説明を省略する。
【００４１】
発振器３００は、ストリップ導体３０３１をλｏｓｃ／４線路とした構成である。ここで、λｏｓｃ／４線路とは、ストリップ導体３０３１の長さが略λｏｓｃ／４である線路のことであり、λｏｓｃは、パッチアンテナ３０２と負性抵抗素子３０１により規定される発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の波長で、以下、発振波長λｏｓｃと呼ぶ。
【００４２】
短絡終端のλｏｓｃ／４線路は、発振波長λｏｓｃにおいてストリップ導体３０３１はショートスタブして扱うことが出来るので、パッチアンテナ３０２から見て高インピーダンスとなる。そのため、パッチアンテナ３０２に定在するテラヘルツ波の電界の節で、パッチ導体３０８とストリップ導体３０３１とを接続しても、テラヘルツ波の損失は低減される。
【００４３】
なお、この場合、損失のレベルは一定以下であればよいので、ストリップ導体３０３１の長さＬはλｏｓｃ／４近傍であればよい。また、λｏｓｃ／４の他、３λｏｓｃ／４、５λｏｓｃ／４等といったλｏｓｃ／４の（２ｍ−１）倍であってもよい（ｍ：自然数）。
【００４４】
また、パッチアンテナの形状は正方形パッチに限られたものではなく、例えば矩形及び三角形等の多角形、図５（ｂ）の発振器４００のような円形、楕円形等のパッチ導体を用いた構造であっても、本発明を適用することができる。
【００４５】
これらの場合も同様に、パッチ導体４０８と線路４０３１とが、パッチアンテナに定在するテラヘルツ波の電界の節で接続している構成にすることで、テラヘルツ波の損失を低減できる。パッチアンテナの幾何学的な構造で決まるパッチ導体の重心に対して、負性抵抗素子の方向に近づく又は遠ざかる位置に線路を配置してもよい。
【００４６】
図５（ｃ）には、複数の負性抵抗素子を有する発振器の一例を示した。発振器５００は、２つの負性抵抗素子５０１ａ及び５０１ｂを、パッチアンテナ５０２に定在するテラヘルツ波の電界の共振方向について、パッチアンテナ５０２の中心線を軸にして線対称に配置したプッシュ・プル型の発振器の構成を開示している。
【００４７】
このような場合、パッチアンテナ５０２に定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界は、パッチアンテナ５０２の中心線を軸として線対称となり、発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の節の位置はパッチアンテナ５０２の中心線付近に分布する。したがって、この場合は、ストリップ線路５０３１は、パッチアンテナ５０２の中心線付近に配置すればよい。
【００４８】
図６には、本実施形態の発振器１００の別の変形例を示した。発振器６００は、負性抵抗素子としてのＲＴＤ６０１のバイアス電圧を調整するためのバイアス回路に接続された線路として、基板６３０の板厚方向に伸びた貫通電極６１０を備えている。
【００４９】
貫通電極６１０は、パッチアンテナ６０２に定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の節の位置に配置される。貫通電極６１０を配置する位置は、典型的には、発振周波数ｆｏｓｃでパッチアンテナ６０２に定在するテラヘルツ波の電界の電界強度が最大電界強度より１桁程度低い位置が好適で、図３に示された電界分布の斜線領域内であればどこでも配置することができる。
【００５０】
このように基板６３０の板厚方向に伸びる貫通電極６１０で給電する方法は、線路の構造寸法に起因するインダクタンスの抑制や、素子の小型化、素子のアレイ配置等に有効である。
【００５１】
本発明は、負性抵抗素子が集積されたマイクロストリップ共振器において、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整するバイアス回路に接続された線路を共振器に定在するテラヘルツ帯の発振周波数ｆｏｓｃの電界の節に配置する構成を開示するものである。こうした構成により、テラヘルツ帯における所望の発振周波数ｆｏｓｃ付近は、線路及び線路と接続されたバイアス回路が高インピーダンスとなるため、漏れによる損失が低減される。従って、マイクロストリップ型共振器を用いた発振器においても、給電構造に起因した損失が低減されるので、共振器により規定される所望のテラヘルツ帯の発振周波数ｆｏｓｃを高出力で得ることができる。
【００５２】
（実施例１）
本実施例に係る発振器２００について、図２を用いて説明する。図２は、本実施例の発振器２００の構成を説明する図である。発振器２００は、発振周波数ｆｏｓｃ＝０．９５ＴＨｚを発振させるための発振器である。上述の実施形態と同じ構成で説明が重複する場合は、説明を省略する。
【００５３】
本実施例では負性抵抗素子２０１として共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いている。本実施例で用いたＲＴＤは、例えば、ＩｎＰ基板２３０上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造とｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層を伴って構成される。
【００５４】
多重量子井戸構造としては、例えば三重障壁構造を用いる。より具体的には、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ）／ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ）／ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）の半導体多層膜構造で構成する。このうち、ＩｎＧａＡｓは井戸層、格子整合するＩｎＡｌＡｓや非整合のＡｌＡｓは障壁層である。これらの層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープとしておく。
【００５５】
このような多重量子井戸構造は、電子濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層に挟まれる。こうした電気的接点層間の構造の電流電圧Ｉ（Ｖ）特性において、ピーク電流密度は２８０ｋＡ／ｃｍ２であり、約０．７Ｖから約０．９Ｖまでが負性抵抗領域となる。ＲＴＤが約２μｍΦのメサ構造の場合、ピーク電流１０ｍＡ、負性抵抗−２０Ωが得られる。
【００５６】
パッチアンテナ２０２は、パッチ導体２０８の一辺が６０μｍの正方形パッチで、パッチ導体２０８と接地導体２０９との間には誘電体２０７として３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、比誘電率εｒ＝２．４）を配置した。また、パッチ導体２０８と接地導体２０９との間には直径２μｍのＲＴＤ２０１が接続され、ＲＴＤ２０１は、パッチ導体２０８の重心から共振方向に２４μｍシフトした位置に配置される。
【００５７】
パッチアンテナ２０２の共振周波数ｆ０は、負性抵抗素子２０１を除いたパッシブ構造で決まり、約１．５ＴＨｚである。それに対し、負性抵抗素子２０１であるＲＴＤのリアクタンスを考慮すると、発振器２００の発振周波数ｆｏｓｃは約０．９５ＴＨｚとなる。
【００５８】
パッチ導体２０８は幅５μｍ、長さ１５μｍの２本のストリップ導体２０３１を介して容量としてのＭＩＭ容量２０３２と接続される。ＭＩＭ容量２０３２の容量の大きさは、本実施例では１０ｐＦとした。ＭＩＭ容量２０３２には、ワイヤーボンディングを含む配線２０６が接続され、電源２０５により負性抵抗素子２０１のバイアス電圧が調整される。
【００５９】
抵抗としての抵抗体２０４は、負性抵抗素子２０１と並列に配置された並列抵抗で、ＭＩＭ容量２０３２の上部の導体（上導体）と接地導体２０９との間を２０Ωで接続している。抵抗体２０４には半金属であるビスマスを使用し、抵抗として２０Ωを得るために２００μｍ×２００μｍ×１μｍ厚のビスマス膜をリフトオフ法で形成した。
【００６０】
なお、抵抗体２０４は、ニッケルクロム等の金属や導電性樹脂等を用いた線形抵抗体、又は、半導体を用いた非線形抵抗体等であってもよい。ワイヤーボンディングで形成した配線２０６の一端は、ＭＩＭ容量２０３２の上導体の適当な位置が接続され、その他端は電源２０５に接続される。
【００６１】
ストリップ導体２０３１は、パッチ導体２０８の重心を通るパッチアンテナ２０２の中心線から共振方向に２０μｍシフトした位置に配置される（ａ＝２０μｍ）。この位置は、発振周波数ｆｏｓｃ＝０．９５ＴＨｚにおいてパッチアンテナ２０２に定在するテラヘルツ波の電界の節であるため、ストリップ導体２０３１が発振周波数ｆｏｓｃでパッチアンテナ２０２内を共振する電界と干渉することはない。
【００６２】
本実施例による発振器２００は、以下のように作製される。まず、ＩｎＰ基板２３０上に、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）法や有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法等によって、次の層をエピタキシャル成長する。すなわち、順に、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）をエピタキシャル成長する。ＩｎＰ基板２３０としてｎ型の導電性基板を選択する場合は、ｎ−ＩｎＧａＡｓからエピタキシャル成長すればよい。
【００６３】
つぎに、ＲＴＤ２０１を直径が２μｍとなるような円弧形状のメサ状にエッチングを行う。エッチングにはＥＢ（電子線）リソグラフィとＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングを用いる。ホトリソグラフィを用いてもよい。続いて、エッチングされた面に、リフトオフ法により接地導体２０９を形成する。共鳴トンネルダイオードにおける側壁の保護のためのパッシベーション膜を成膜してもよい。
【００６４】
さらに、スピンコート法とドライエッチングを用いて誘電体２０７であるＢＣＢによる埋め込みを行い、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｄ／Ａｕのパッチ導体２０８、ストリップ導体２０３１、ＭＩＭ容量２０３２の上電極を形成する。最後に、リフトオフ法により、抵抗体２０４となる部分にＢｉパターンを形成し、接地導体２０９とＭＩＭ容量２０３２の上電極とを接続して、本実施例の発振器２００は完成する。
【００６５】
発振器２００へのバイアス電圧の供給は、パッチアンテナ２０２に定在するテラヘルツ波の電界の節に配したストリップ導体２０３１を介して適宜電源２０５及び配線２０６を含むバイアス回路から行えばよい。通常は、ＲＴＤの負性抵抗領域におけるバイアス電圧を印加してバイアス電流を供給すると、発振器として動作する。
【００６６】
ここで、本実施例の発振器２００において、パッチ導体２０８と線路２０３１とが、共振器２０２に定在するテラヘルツ波の電界の節で接続していることによって得られる効果について、図３及び図４を参照して説明する。
【００６７】
図３は、実施例１に開示した発振器２００について、ＡＮＳＹＳ社の高周波シミュレータＨＦＳＳを用いて発振周波数ｆｏｓｃ（＝０．９５ＴＨｚ）における正方形パッチアンテナであるパッチアンテナ２０２に定在するテラヘルツ波の電界の解析結果である。なお、ここでは、説明を簡略化するため、ストリップ導体２０３１を１つ有する構成について説明する。
【００６８】
図３の斜線領域は、定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界強度が最大電界強度より１桁程度低い領域であり、詳細には、発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界強度が最大電界強度の１／ｅ２以下となる領域である。斜線領域は、パッチ導体２０８とストリップ導体２０３１とを接続するのに好適な、共振器に定在するテラヘルツ波の電界の節となる領域の典型例を示している。
【００６９】
ストリップ導体２０３１の構造及び寸法は、パッチアンテナ２０２に定在するテラヘルツ波の電界と干渉しないように、斜線の実質的にテラヘルツ波の電界の節となる領域の中に収まる程度の幅が好ましい。典型的には、幅が共振器長Ｌの１／５以下、又は発振波長λｏｓｃの１／１０以下であることが好適である。また、この場合、ストリップ導体２０３１の長さは任意であってよい。
【００７０】
テラヘルツ帯で動作するアクティブアンテナは、負性抵抗素子２０１のリアクタンスによる周波数シフトが大きくなるので、図３のように、パッチアンテナ２０２に定在する発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界は必ずしも対称な分布にはならない。
【００７１】
例えば、正方形パッチアンテナであるパッチアンテナ２０２の場合、発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の節は、パッチアンテナ２０２の中心線、言い換えると、図３におけるａ＝０の軸以外の領域に分布する場合も生じる。特に負性抵抗素子２０１が容量性リアクタンスの場合、電界分布は、共振方向（ｘ方向）においてパッチアンテナ２０２の中心線（ａ＝０）から負性抵抗素子２０１が配置された側へ偏る。その場合は、ストリップ導体２０３１をパッチアンテナ２０２の中心線より負性抵抗素子２０１に近い位置に配置すればよい。
【００７２】
誘導性リアクタンスによる電界分布の偏りに対応するためには、パッチアンテナ２０２の中心線より負性抵抗素子２０１から遠ざかる位置にストリップ導体２０３１を配置すればよい。
【００７３】
ここで、図３のａは、パッチアンテナの非放射端への中心線からの距離であり、ストリップ導体２０３１等の線路をパッチアンテナ２０２へ接続する位置を示すパラメータである。
【００７４】
図４は、実施例１に開示したＲＴＤを集積した発振器２００のアドミタンス特性の解析結果である。図４（ａ）は、ＲＴＤ２０１のアドミタンスの実部Ｒｅ［ＹＲＴＤ］とパッチアンテナ２０２のアドミタンスの実部Ｒｅ［ＹＡＮＴ］とをプロットしたグラフである。また、図４（ｂ）は、ＲＴＤ２０１のアドミタンスの虚部Ｉｍ［ＹＲＴＤ］とパッチアンテナ２０２のアドミタンスの虚部Ｉｍ［ＹＡＮＴ］とをプロットしたグラフである。
【００７５】
各グラフには、発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の節（ａ＝２０μｍ）にストリップ導体２０３１を備えた発振器と、従来のパッチアンテナの共振周波数ｆ０の電界の節（ａ＝０μｍ）にストリップ導体２０３１を配置した発振器について示した。
【００７６】
図４（ｂ）から、パッチアンテナ２０２のみの構造で決まる共振周波数ｆ０はｆ０＝１．５ＴＨｚであり、（２）式を満たす発振周波数ｆｏｓｃはｆｏｓｃ＝０．９５ＴＨｚである。図４（ａ）から、発振周波数ｆｏｓｃにおけるＲｅ［ＹＡＮＴ］が従来の素子（ａ＝０μｍ）は９ｍＳであるのに対し、本実施例で開示した発振周波数ｆｏｓｃのテラヘルツ波の電界の節にストリップ導体２０３１を配置した素子（ａ＝２０μｍ）は４ｍＳとなる。
【００７７】
これは、本実施例の負性抵抗素子２０１は、発振周波数ｆｏｓｃ付近の周波数帯において高インピーダンスとなるため、パッチアンテナ２０２内のテラヘルツ波の電界がストリップ導体２０３１を介して漏れるのが抑制されたためと考えることができる。
【００７８】
このように、発振器２００は、テラヘルツ波帯における所望の発振周波数ｆｏｓｃ付近の周波数では、負性抵抗素子２０１から見てパッチアンテナ２０２より外、すなわち線路２０３１及びそれと接続されたバイアス回路は高インピーダンスな構造とみなせる。このため、発振周波数ｆｏｓｃ付近の周波数のテラヘルツ波が、パッチアンテナ２０２から漏れることによって生じる損失が低減されるので、発振出力の低下の抑制につながる。
【００７９】
このような構成であれば、パッチアンテナの構造及びストリップ導体の大きさと配置を任意に設計し、テラヘルツ波の発振周波数ｆｏｓｃにおける損失を最小化した構成にすることで発振器２００の高出力化が実現される。
【００８０】
本実施例では、ＲＴＤとして、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ及び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てきた。しかし、これらの構造に限られることなく、他の構造及び材料の組み合わせであっても本発明の半導体素子を提供できる。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や、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を用いてもよい。
【００８１】
また、その材料としては、以下の組み合わせのそれぞれを用いてもよい。
・ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／及びＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
・ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ
・ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ及びＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ
・Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅ
上述の構造と材料は、所望の周波数等に応じて適宜選定すればよい。
【００８２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００８３】
例えば、上述の実施形態及び実施例では、テラヘルツ波を空間中に放射する構成としていたが、それ以外にも、テラヘルツ波を高周波の信号として発生するように構成させることもできる。
【００８４】
また、上述の実施形態及び実施例では、パッチ導体を第１の導体、接地導体を第２の導体として、パッチ導体と線路とを接続していたが、接地導体を第１の導体、パッチ導体を第２の導体として、接地導体と線路とを接続する構成にしてもよい。この場合も、接地導体と線路とが、共振器に定在するテラヘルツ波の電界の節で接続する構成にすることで、テラヘルツ波の損失を低減できる。
【００８５】
更に、上述の実施形態及び実施例では、キャリアが電子である場合を想定して説明をしているが、これに限定されるものではなく、正孔（ホール）を用いたものであってもよい。
【００８６】
また、基板や誘電体の材料は用途に応じて選定すれば良く、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、ガリウムリン等の半導体、又は、ガラス、セラミック、テフロン（登録商標）やポリエチレンテレフタラート等の樹脂を用いることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１０１  負性抵抗素子
１０２  共振器
１０７  誘電体
１０８  パッチ導体（第１の導体）
１０９  接地導体（第２の導体）
１０３１  線路
【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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