(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に積層化形成された能動素子と、
前記第１の半導体層に接続されて前記能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記半導体基板上に配置された第２の電極と、
前記能動素子の主電極の他方に接続され、かつ前記半導体基板上に前記第２の電極に対向して配置された第１の電極と、
前記第１の半導体層に対向する前記半導体基板の裏面に配置された裏面反射体金属層と
を備え、
前記能動素子は、前記第２の電極と前記第１の電極間において共振器を形成し、電磁波は、前記裏面反射体金属層に反射されて、前記半導体基板に対して垂直方向の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有することを特徴とするテラヘルツ素子。
【請求項２】
前記能動素子と前記半導体基板に接する前記裏面反射体金属層の表面との距離は、波長λの１／４倍であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ素子。
【請求項３】
前記第１の電極および前記第２の電極は、ダイポールアンテナを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツ素子。
【請求項４】
前記ダイポールアンテナに接続された第１フィード線および第２フィード線と、
前記第１フィード線および前記第２フィード線に接続された第１パッド電極および第２パッド電極と
を備えることを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ素子。
【請求項５】
前記第１パッド電極と前記第２パッド電極との間に接続されたＭＩＭリフレクタを備えることを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ素子。
【請求項６】
前記第１の電極と前記第２の電極間に接続された抵抗素子を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項７】
前記抵抗素子は、金属配線を備えることを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ素子。
【請求項８】
前記金属配線は、ビスマス、ニッケル、チタン、白金を備えることを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ素子。
【請求項９】
前記能動素子は、マルチチップ化して配置されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１０】
前記能動素子は、セルアレイ化して配置されたことを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１１】
前記能動素子は、共鳴トンネルダイオード、タンネットダイオード、インパットダイオード、ＧａＡｓ系電界効果トランジスタ、ＧａＮ系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのいずれかであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１２】
半導体基板と、  前記半導体基板上に配置された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層をパターニングして形成された第１カソード領域および第２カソード領域と、
前記第１カソード領域に第１カソードが接続され、第１アノードが前記第２カソード領域と接続された第１共鳴トンネルダイオードと、
前記第２カソード領域に第２カソードが接続され、第２アノードが前記第１カソード領域と接続された第２共鳴トンネルダイオードと、
前記第１の半導体層に対向する前記半導体基板の裏面に配置された裏面反射体金属層と
を備え、前記第１共鳴トンネルダイオードが負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、前記第２共鳴トンネルダイオードは抵抗状態にバイアスされ、
電磁波は、前記裏面反射体金属層に反射されて、前記半導体基板に対して垂直方向の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有することを特徴とするテラヘルツ素子。
【請求項１３】
前記第１カソード領域上に配置された第１カソード電極と、
前記第２カソード領域上に配置された第２カソード電極と、
前記第１アノードに接続された第１アノード電極と、
前記第２アノードに接続された第２アノード電極と
を備え、
前記第１カソード電極は、前記第２アノード電極と共通接続され、前記第２カソード電極は、前記第１アノード電極と共通接続されることを特徴とする請求項１２に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１４】
前記第１共鳴トンネルダイオードおよび前記第２共鳴トンネルダイオードは、
量子井戸層と、
前記量子井戸層を挟むトンネルバリア層を介してアノード側に配置された第２スペーサ層と、カソード側に配置された第１スペーサ層とを備え、
前記第１スペーサ層と前記第２スペーサ層の厚さは互いに異なることを特徴とする請求項１２または１３に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１５】
前記第１共鳴トンネルダイオードおよび前記第２共鳴トンネルダイオードは、それぞれの前記第１スペーサ層の厚さが互いに異なることを特徴とする請求項１４に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１６】
前記第１共鳴トンネルダイオードおよび前記第２共鳴トンネルダイオードは、それぞれの前記第２スペーサ層の厚さが互いに異なることを特徴とする請求項１４に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１７】
前記第１カソードおよび前記第２カソードに接続されたダイポールアンテナを備えることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１８】
前記ダイポールアンテナに接続されたフィード線と、前記フィード線に接続されたパッド電極を備えることを特徴とする請求項１７に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１９】
前記第１カソードと前記第２カソードとの間に接続されたＭＩＭリフレクタを備えることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項２０】
半導体基板上に第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層をパターニングして第１カソード領域および第２カソード領域を形成する工程と、
前記第１カソード領域に第１カソードが接続され、第１アノードが前記第２カソード領域と接続される第１共鳴トンネルダイオードを形成する工程と、
前記第２カソード領域に第２カソードが接続され、第２アノードが前記第１カソード領域と接続された第２共鳴トンネルダイオードを形成する工程と、
前記第１カソード領域上に第２アノード電極と共通接続される第１カソード電極を形成する工程と、
前記第２カソード領域上に第１アノード電極と共通接続される第２カソード電極を形成する工程と、
前記第１の半導体層に対向する前記半導体基板の裏面に裏面反射体金属層を形成する工程と
を有することを特徴とするテラヘルツ素子の製造方法。
【請求項２１】
前記第１共鳴トンネルダイオードおよび前記第２共鳴トンネルダイオードを形成する工程は、
前記第１の半導体層上に第１スペーサ層を形成する工程と、
前記第１スペーサ層上に第１トンネルバリア層を形成する工程と、
前記第１トンネルバリア層上に量子井戸層を形成する工程と、
前記量子井戸層上に第２トンネルバリア層を形成する工程と、
前記第２トンネルバリア層上に前記第１スペーサ層と厚さの異なる第２スペーサ層を形成する工程とを有することを特徴とする請求項２０に記載のテラヘルツ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施の形態は、テラヘルツ素子およびその製造方法に関する。
【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。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、天文、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。
【０００３】
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、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）と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。また、スロットアンテナの両端には、金属と絶縁体が積層され、絶縁体を上下の電極金属によって挟み込み、高周波的に短絡したＭＩＭ（Metal Insulator Metal）構造を持つ素子が開示されている。
【０００４】
一方、テラヘルツ検出素子としては、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）が良く知られているが、これはテラヘルツ発振素子としては使えない。
【０００５】
一方、ＲＴＤは、発振素子としても検出素子としても利用できるが、テラヘルツ発振素子として用いる場合には、寄生発振を抑制するためにＢｉなどの抵抗体をアノード・カソード間に接続する。
【０００６】
また、共鳴トンネルダイオードとＳＢＤを集積化した低雑音のテラヘルツ発振検出素子も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２４２５０号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１７１０７号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】T.Wei and S.Stapleton, “Equivalent circuit and capacitance of double barrier resonant tunneling diode”, J.Appl.Phys. 73(2), 15 January 1993, pp.829-834.
【非特許文献２】C.Bayram, Z.Vashaei, and M. Razeghi, “Reliability in room-temperature negative differential resistansce characteristics of low-aluminum content AlGaN/GaN doble-barrier resonant tunneling diodes”, Appl. Phys. Lett. 97, 181109(2010).
【非特許文献３】Lin’ an Yang, Hanbing He, Wei Mao, and Yue Hao, “Quantitative analysis of the trapping effect on terahertz AlGaN/GaN resonant tunneling diode”, Appl. Phys. Lett. 99, 153501(2011).
【非特許文献４】Z. Suet, D.J.Paul, J. Zhang and S.G.Turner, “Si/SiGe n-type resonant tunneling diodes fabricated using in situ hydrogen cleaning”, Appl. Phys. Lett. 90, 203501(2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本実施の形態は、面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有するテラヘルツ素子およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本実施の形態の一態様によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に配置された第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に積層化形成された能動素子と、前記第１の半導体層に接続されて前記能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記半導体基板上に配置された第２の電極と、前記能動素子の主電極の他方に接続され、かつ前記半導体基板上に前記第２の電極に対向して配置された第１の電極と、前記第１の半導体層に対向する前記半導体基板の裏面に配置された裏面反射体金属層とを備え、前記能動素子は、前記第２の電極と前記第１の電極間において共振器を形成し、電磁波は、前記裏面反射体金属層に反射されて、前記半導体基板に対して垂直方向の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有するテラヘルツ素子が提供される。
【００１１】
本実施の形態の他の態様によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に配置された第１の半導体層と、前記第１の半導体層をパターニングして形成された第１カソード領域および第２カソード領域と、前記第１カソード領域に第１カソードが接続され、第１アノードが前記第２カソード領域と接続された第１共鳴トンネルダイオードと、前記第２カソード領域に第２カソードが接続され、第２アノードが前記第１カソード領域と接続された第２共鳴トンネルダイオードと、前記第１の半導体層に対向する前記半導体基板の裏面に配置された裏面反射体金属層とを備え、前記第１共鳴トンネルダイオードが負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、前記第２共鳴トンネルダイオードは抵抗状態にバイアスされ、電磁波は、前記裏面反射体金属層に反射されて、前記半導体基板に対して垂直方向の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有するテラヘルツ素子が提供される。
【００１２】
本実施の形態の他の態様によれば、半導体基板上に第１の半導体層を形成する工程と、前記第１の半導体層をパターニングして第１カソード領域および第２カソード領域を形成する工程と、前記第１カソード領域に第１カソードが接続され、第１アノードが前記第２カソード領域と接続される第１共鳴トンネルダイオードを形成する工程と、前記第２カソード領域に第２カソードが接続され、第２アノードが前記第１カソード領域と接続された第２共鳴トンネルダイオードを形成する工程と、前記第１カソード領域上に第２アノード電極と共通接続される第１カソード電極を形成する工程と、前記第２カソード領域上に第１アノード電極と共通接続される第２カソード電極を形成する工程と、前記第１の半導体層に対向する前記半導体基板の裏面に裏面反射体金属層を形成する工程とを有するテラヘルツ素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本実施の形態によれば、面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有するテラヘルツ素子およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の模式的平面パターン構成図。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。
【図３】（ａ）第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能な能動素子の模式的断面構造図、（ｂ）第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能な能動素子の別の模式的断面構造図。
【図４】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の詳細な平面パターン構成図。
【図５】図４における寄生素子パラメータの説明図。
【図６】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の等価回路構成図。
【図７】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子のデバイス表面顕微鏡写真例。
【図８】図７の拡大されたデバイス表面顕微鏡写真例。
【図９】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の発振周波数特性。
【図１０】（ａ）ダイポールアンテナ計算モデルに用いた第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の模式的鳥瞰図、（ｂ）フィード線およびパッド電極を含むダイポールアンテナ計算モデルに用いた第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の模式的鳥瞰図。
【図１１】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の放射パターンであって、（ａ）発振周波数３００ＧＨｚにおけるシミュレーション結果、（ｂ）発振周波数３２０ＧＨｚにおけるシミュレーション結果。
【図１２】第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能なＲＴＤ１の非対称電流電圧特性例。
【図１３】第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子の等価回路構成図。
【図１４】第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能なＲＴＤ１の非対称電流電圧特性例。
【図１５】第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能なＲＴＤ２の非対称電流電圧特性例。
【図１６】第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ＲＴＤ１とＲＴＤ２の合成抵抗から見積もった電流電圧特性例。
【図１７】第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子の配線構造の模式的平面構成図。
【図１８】図１７のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１９】図１７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図２０】図１７のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図。
【図２１】第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能なＲＴＤ１・ＲＴＤ２の同時工程で形成可能な模式的断面構造図。
【図２２】ダイポールアンテナを備える第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子の模式的平面パターン構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、図面を参照して、本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。
【００１６】
以下に示す実施の形態は、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、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。
【００１７】
[第１の実施の形態]
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の模式的平面パターン構成は、図１に示すように表され、図１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図２に示すように表される。
【００１８】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な能動素子９０の模式的断面構造は、図３（ａ）に示すように表され、別の模式的断面構造は、図３（ｂ）に示すように表される。能動素子９０の詳細については後述する。
【００１９】
（テラヘルツ発振素子）
テラヘルツ発振素子として動作可能な第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１〜図２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１の半導体層９１ａと、第１の半導体層９１ａ上に積層化形成された能動素子９０と、第１の半導体層９１ａに接続されて能動素子９０の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板１上に配置された第２の電極２と、能動素子９０の主電極の他方に接続され、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と、第１の半導体層９１ａに対向する半導体基板１の裏面に配置された裏面反射体金属層８８とを備える。ここで、能動素子９０は、第２の電極２と第１の電極４間において共振器を形成し、放射された電磁波は、裏面反射体金属層８８に反射されて、半導体基板１に対して垂直方向の面発光放射パターンを有する。
【００２０】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、能動素子９０と半導体基板１に接する裏面反射体金属層８８表面との距離Ｄ（図２に示す）は、発振波長λの１／４倍であることが望ましい。半導体基板１に対して垂直方向の良好な面発光放射パターンを効率的に得るためである。
【００２１】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１に示すように、第１の電極４および第２の電極２は、ダイポールアンテナを備える。
【００２２】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の詳細な平面パターン構成は、図４に示すように表され、図４における寄生素子パラメータの説明は、図５に示すように表される。
【００２３】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の等価回路構成は、図６に示すように表される。
【００２４】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図４・図５に示すように、ダイポールアンテナに接続された第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆと、第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆに接続された第１パッド電極４０Ｐおよび第２パッド電極２０Ｐとを備えていても良い。
【００２５】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図４・図５に示すように、第１パッド電極４０Ｐと第２パッド電極２０Ｐとの間に接続されたＭＩＭリフレクタ５０を備えていても良い。パッド電極２０Ｐ・４０Ｐの一部分を絶縁層を介して積層化することで、ＭＩＭリフレクタ５０が形成可能である。
【００２６】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１・図４・図５に示すように、第１の電極４と第２の電極２間に接続された抵抗素子１１４を備えていてもい良い。ここで、抵抗素子１１４は、金属配線を備えていても良い。例えば、金属配線は、ビスマス（Ｂｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、若しくは白金（Ｐｔ）を備えていても良い。
【００２７】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、能動素子９０は、マルチチップ化して配置されていても良い。
【００２８】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、能動素子９０は、セルアレイ化して配置されていても良い。
【００２９】
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、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。
【００３０】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、能動素子９０として、ＲＴＤの負性抵抗を用いたテラヘルツ発振素子若しくはテラヘルツ検出素子を構成可能である。
【００３１】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、ダイポール型のアンテナ部を構成する第１の電極４および第２の電極２と、伝送線部を構成するパッド電極４０Ｐ・２０Ｐと、接続部を構成するフィード線４０Ｆ・２０Ｆと、裏面反射体金属面を形成する裏面反射体金属層８８を備えている。
【００３２】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、素子の放射パターンを改善し、面発光型の放射パターンを得ることができる。
【００３３】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、裏面に金属がない場合、これを例えばテフロン（登録商標）基板上に実装した場合、テフロン（登録商標）の誘電率、厚さ、配置位置の影響を受けて、放射パターンが変化する。第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、半導体基板１の裏面に金属面を設けることで、放射パターンを改善すると同時に、実装する場所による放射パターンへの影響を低減することができる。
【００３４】
反射面を形成する裏面反射体金属層８８を備えることで、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０を検出素子として動作させる場合にも同様の効果がある。すなわち、半導体基板１の裏面に金属面を設けることで、受信波パターンを改善すると同時に、実装する場所による受信波パターンへの影響を低減することができる。
【００３５】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、実用化上でＣＡＮパッケージ（金属）内に封止する場合においても素子の裏面に金属を形成しておくことで、放射パターンの変化を抑えることができる。
【００３６】
さらに詳細には、第１の電極４・第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ若しくはＡｕ／Ｔｉを備えていても良い。
【００３７】
また、裏面反射体金属層８８にも、例えば、Ａｕ／Ｔｉ若しくはＡｕ／Ｐｄ／Ｔｉを適用可能である。
【００３８】
（テラヘルツ検出素子）
テラヘルツ検出素子として動作可能な第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１〜図２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１の半導体層９１ａと、第１の半導体層９１ａ上に積層化形成された能動素子９０と、第１の半導体層９１ａに接続されて能動素子９０の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板１上に配置された第２の電極２と、能動素子９０の主電極の他方に接続され、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と、第１の半導体層９１ａに対向する半導体基板１の裏面に配置された裏面反射体金属層８８とを備える。ここで、能動素子９０は、第２の電極２と第１の電極４間において共振器を形成し、受信した電磁波は、裏面反射体金属層８８に反射されて、半導体基板１に対して垂直方向の面受光パターンを有する。
【００３９】
また、能動素子９０と半導体基板１に接する裏面反射体金属層８８表面との距離Ｄ（図２に示す）は、波長λの１／４倍であることが望ましい。半導体基板１に対して垂直方向の良好な面受光パターンを効率的に得るためである。テラヘルツ検出素子のその他の構成は、テラヘルツ発振素子と同様である。
【００４０】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、素子の受信波パターンを改善し、面受信型の受信波パターンを得ることもできる。
【００４１】
（並列抵抗）
能動素子９０としてＲＴＤを有するテラヘルツ素子３０は、ＲＴＤの負性抵抗に起因する外部回路との寄生発振によって、テラヘルツ帯での本発振を規制される。寄生発振を抑制する方法として、図１・図４・図５に示すように、ＲＴＤに対して並列にビスマスからなる抵抗素子１１４を配置し、外部回路に対して負性抵抗が見えないようにすることができる。
【００４２】
ＲＴＤの抵抗ＲRTDに対して、抵抗素子１１４の抵抗ＲBiは、ＲＴＤのアノード・カソード間に並列に接続される。結果として、ＲＴＤのアノードＡ・カソードＫ間の合成抵抗Ｒtは、ＲＴＤの抵抗ＲRTDとビスマスからなる抵抗素子１１４の抵抗ＲBiの並列接続された抵抗ＲRTD・ＲBi／（ＲRTD＋ＲBi）で表される。ビスマスからなる抵抗素子１１４の抵抗ＲBiは、図５における並列抵抗Ｒpに相当している。
【００４３】
ＲＴＤの抵抗ＲRTDに対して、ビスマスからなる抵抗素子１１４の抵抗ＲBiを並列に配置することによって、負性抵抗（−ΔＶ／ΔＩ）の発生が、相対的に大きな電圧および相対的に大きな電流側にシフトし、寄生発振の抑制効果がある。
【００４４】
負性抵抗領域において外部回路との間に寄生発振が生じてしまうため、ＲＴＤに並列に抵抗を配置することで、外部回路から負性抵抗を見えにくくする。こうすると、本発振以外の寄生発振を抑えることができる。
【００４５】
そのための要求条件は、合成抵抗Ｒt＞＝０より、
ＲBi＜＝ΔＶ／ΔＩ（＝ＲRTD）                              （１）
で表される。
【００４６】
抵抗値の比較的高いＢｉや半導体プロセスでも一般的に使われるＮｉ、Ｔｉ、Ｐｔ等のメタルで配線を行い、寄生発振を抑制して本発振を得ている。
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、寄生発振を抑制するための抵抗配線をダイポールアンテナ部に直接接続している。
【００４７】
（等価回路構成）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、並列抵抗Ｒpが有る場合の簡易的な等価回路構成は、図６に示すように表される。図６において、Ｌ１・Ｌ２は、フィード線４０Ｆ・２０Ｆに相当する部分のインダクタンスに相当している。また、Ｃpは、ＲＴＤ部の寄生容量を示す。また、ＲＴＤ部のＲＴＤは、ダイオード表示で示されている。また、アンテナ部は、アンテナインダクタンスＬＡとアンテナ抵抗ＲＡの並列回路で表されている。また、ＣMは、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタに対応している。また、アノードＡ・カソードＫ間には、コネクタや駆動回路等の外部回路が接続される。
【００４８】
（外部回路との寄生発振）
ＲＴＤを用いてテラヘルツ波の発振器を作製しようとした場合、ＲＴＤから見て回路的に外部に当たる部分との間で寄生発振が発生する。外部回路に対して、ＲＴＤの負性抵抗が見えていると、ＲＦ基本発振する共振回路よりも、外部と低周波で発振する方がＱ値が高く、発振しやすい条件となる。そのため、外部回路との寄生発振が顕著に生じる。
【００４９】
（並列抵抗）
一般的に寄生発振を抑える方法として、図１・図４・図５・図６に示すように、ＲＴＤに対して並列抵抗Ｒpを配置してやることで、寄生発振のＱ値を低下させて発振を抑制し、効率よく本発振側へ電力をまわしてやるといった工夫がなされる。
【００５０】
並列抵抗Ｒpを配置して、外部から負性抵抗が見えなくなると、外部と低周波で発振する寄生発振のＱが低くなり、ＲＦ基本発振よりも発振しにくくなる。そのため、本来のＲＦ基本発振がおきる。
【００５１】
（Ｑ値）
Ｑ値を簡単に説明すると、発振状態がどれだけ安定して存在しているかを示す指標である。並列共振回路を考えたときのＱ値を示す式を以下に記す。
【００５２】
Ｑ＝１／Ｒt・√（ＬＡ／Ｃp）                              （２）
並列抵抗Ｒpを配置することは、合成抵抗Ｒtを大きくすることに相当する。
【００５３】
仮にこの（２）式から、上に示すような寄生発振のＱ値を考えると、並列抵抗Ｒpを配置することは、Ｒtを大きくすることに相当し、結果としてＱ値の減少が得られる。並列抵抗Ｒpを配置することによって、寄生発振を抑制可能であることがわかる。
【００５４】
（ＲＴＤのデバイス表面顕微鏡写真例）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０のデバイス表面顕微鏡写真例は、図７に示すように表され、図７の拡大されたデバイス表面顕微鏡写真例は、図８に示すように表される。図７・図８の例は、図４の第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の詳細な平面パターン構成例に対応している。尚、図７・図８では、ＭＩＭリフレクタ５０が形成されていない例が示されているが、図４と同様に、パッド電極２０Ｐ・４０Ｐの一部分を絶縁層を介して積層化することで、ＭＩＭリフレクタ５０が形成可能である。
【００５５】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、相対的に抵抗値の高いＢｉや半導体プロセスで一般的に使用されるＴｉ、Ｐｔ，Ｎｉ等のメタルを用いて並列抵抗Ｒpを作製可能である。デバイスの構造上、段差のある部分も、斜め蒸着などうまく覆膜性を改良し、デバイスの動作実証を達成可能である。
【００５６】
（発振周波数特性）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の発振周波数特性例は、図９に示すように表される。図９に示す例では、約０．２７ＴＨｚにおいて、発振強度（任意単位）のピークが得られている。
【００５７】
（シミュレーション結果）
ダイポールアンテナ計算モデルに用いた第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の模式的鳥瞰図は、図１０（ａ）に示すように表され、フィード線４０Ｆ・２０Ｆおよびパッド電極４０Ｐ・２０Ｐを含むダイポールアンテナ計算モデルに用いた第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の模式的鳥瞰図は、図１０（ｂ）に示すように表される。いずれも裏面反射体金属層８８を備えるものとして計算している。
【００５８】
ここで、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐは、伝送線路を構成している。パッド電極４０Ｐ・２０Ｐの幅（伝送線路の幅）は、例えば７５μｍとし、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐ間の間隔（伝送線路の間隔）は、例えば５μｍとし、パッド電極４０Ｐ・２Ｐの長さ（伝送線路の長さ）は、例えば３００μｍとした。
【００５９】
また、フィード線４０Ｆ・２０Ｆは、ダイポールアンテナ（２・４）と、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐとの間の接続部を構成しており、その長さは、例えば、２０μｍ〜１００μｍとし、その幅は、例えば、１μｍ〜１０μｍとした。
【００６０】
また、ダイポールアンテナ（２・４）のアンテナ長ＤＡ（図４参照）は、例えば３２０μｍとした。
【００６１】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の放射パターンであって、発振周波数３００ＧＨｚにおけるシミュレーション結果は、図１１（ａ）に示すように表され、発振周波数３２０ＧＨｚにおけるシミュレーション結果は、図１１（ｂ）に示すように表される。図１１（ａ）・図１１（ｂ）のシミュレーション結果は、図１０（ｂ）に示すフィード線４０Ｆ・２０Ｆおよびパッド電極４０Ｐ・２０Ｐを含むダイポールアンテナ計算モデルに基づき計算した結果である。
【００６２】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、シミュレーション結果より、例えば約３３０ＧＨｚ以下において、良好な面発光型の放射パターンのが得られている。
【００６３】
比較例として、テーパースロットアンテナを備えるテラヘルツ素子のチップ面積（１．５ｍｍ×３．０ｍｍ）と比較すると、ダイポールアンテナを備える第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０のチップ面積は、例えば約０．５ｍｍ×０．５ｍｍであり、比較例に比べて、約１／１８に微細化可能である。さらに、チップサイズは、約０．５ｍｍ×０．５ｍｍ以下にも微細化可能である。
【００６４】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、半導体基板１の裏面全面に裏面反射体金属層８８を配置し、この裏面反射体金属層８８による反射を用いて、半導体基板表面側にテラヘルツ波を面発光放射することができる。アンテナ長ＤＡを変化することによって、発振周波数を制御することができる。また、接続部を構成するフィード線４０Ｆ・２０Ｆの長さ・幅・配置位置を調整することによってアンテナ効率を制御することも可能である。
【００６５】
―ＲＴＤ―
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの構成例は、図３（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ＧａＩｎＡｓ層９１ａと、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ａと、ＧａＩｎＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ａと、ＧａＩｎＡｓ層９３ａ上に配置されたＡｌＡｓ層９４ａ／ＩｎＧａＡｓ層９５／ＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、ＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９３ｂ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９２ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置された第１の電極４と、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２とを備える。
【００６６】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの別の構成例は、図３（ｂ）に示すように、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｃを備え、第１の電極４は、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃ上に配置される。このように、第１の電極４とＧａＩｎＡｓ層９１ｂとのコンタクトをさらに良好にするために、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃを形成しても良い。
【００６７】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【００６８】
ｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａ、９１ｂ・９１ｃの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ・８ｎｍ程度である。ｎ型のＧａＩｎＡｓ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ＧａＩｎＡｓ層９３ａ・９３ｂの厚さは、例えば、上述の非対称性を実現可能とする厚さであって、約２ｎｍ・２０ｎｍ程度である。ＡｌＡｓ層９４ａおよび９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．１ｎｍ程度である。ＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
【００６９】
なお、図３（ａ）および図３（ｂ）に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、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。
【００７０】
ＭＩＭリフレクタ５０は金属／絶縁体／金属からなる積層構造により、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐ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。
【００７１】
第１の電極４・第２の電極２は、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／ＴｉやＡｕ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、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・第２の電極２の各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、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。
【００７２】
ＭＩＭリフレクタの絶縁層は、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、絶縁層の厚さは、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。絶縁層は、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。
【００７３】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓの構成を有する例が示されているが、このような材料系に限定されるものではない。例えば、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの構成を有する例であっても良い。また、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの構成を有する例であっても良い。また、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＳｉＧｅ／Ｓｉ／ＳｉＧｅの構成を有する例であっても良い。
【００７４】
第１の実施の形態によれば、面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有するテラヘルツ素子を提供することができる。
【００７５】
[第２の実施の形態]
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の抵抗素子１１４の代わりに、第１ＲＴＤ１に逆並列接続された第２ＲＴＤ２を備える。
【００７６】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２の模式的断面構造は、図２１に示すように表される。図２１では、同一の半導体基板１上に集積化された例を示す。また、第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２は、個別素子として形成されていても良い。
【００７７】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０と同様に、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の半導体基板１の裏面には、裏面反射体金属層８８が配置されている。図２１において、矢印で示される方向が、順方向電流が流れる向きである。デバイス構造の詳細については後述する。
【００７８】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第１ＲＴＤ１の非対称電流−電圧特性例は、図１２に示すように表される。
【００７９】
また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の等価回路構成は、図１３に示すように表される。
【００８０】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１３に示すように、第１アノードＡ１と第１カソードＫ１とを備える第１ＲＴＤ１と、第２アノードＡ２と第２カソードＫ２とを備える第２ＲＴＤ２とを備える。ここで、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２は、逆並列に接続されると共に、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２の内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされる。
【００８１】
例えば、図１２おいて、順方向の電圧値が＋２００ｍＶのバイアス状態では、第１ＲＴＤ１は、純抵抗と見なすことができるが、順方向の電圧値が−２００ｍＶのバイアス状態では、負性抵抗状態と見なすことができる。ここで、図１２に示すように、第１ＲＴＤ１は、非対称の電流電圧特性を有する。同様に、第２ＲＴＤ２も、非対称の電流電圧特性を有する。
【００８２】
また、図１３に示すように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、第１アノードＡ１と第２カソードＫ２が接続され、第１カソードＫ１と第２アノードＡ２が接続される。
【００８３】
（非対称電流電圧特性）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第１ＲＴＤ１の非対称電流電圧特性例であって、順方向の電圧値が−４００ｍＶ〜＋４００ｍＶの範囲内の拡大図は、図１４に示すように表される。また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第２ＲＴＤ２の非対称電流電圧特性例であって、順方向の電圧値が−４００ｍＶ〜＋４００ｍＶの範囲内の拡大図は、図１５に示すように表される。
【００８４】
さらに、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、図１４・図１５の特性に基づいて、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２の合成抵抗から見積もった電流電圧特性例は、図１６に示すように表される。この計算結果によると、２つのＲＴＤを極性を反転させて並列に接続することは、十分に寄生発振を抑制する効果があるとわかる。
【００８５】
図１４・図１５に示される電流電圧特性を持つＲＴＤを２つ用いて、極性を反転させて構成すると、図１３に示すような等価回路になる。このとき一方のＲＴＤのマイナス側の負性抵抗領域を用いて、ＲＦ（ＴＨｚ帯）発振を試みているとする。仮に、＋２００ｍＶを印加したとき、一方のＲＴＤには−２００ｍＶかかるので、負性抵抗領域にバイアスが掛かり駆動電圧となる。この時、他方のＲＴＤには＋２００ｍＶの電圧が印加され純粋な抵抗体として振舞う。
【００８６】
例えば、第１ＲＴＤ１の非対称電流電圧特性例（図１４）おいて、順方向の電圧値が＋２００ｍＶのバイアス状態では、第１ＲＴＤ１は純抵抗、順方向の電圧値が−２００ｍＶのバイアス状態では負性抵抗状態となるが、第２ＲＴＤ２の非対称電流電圧特性例（図１５）おいて、順方向の電圧値が＋２００ｍＶのバイアス状態では、第２ＲＴＤ２は負性抵抗状態、順方向の電圧値が−２００ｍＶのバイアス状態では純抵抗状態となる。
【００８７】
したがって、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２は逆並列に接続されるため、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２の内、いずれか一方を負性抵抗発振状態にバイアスするとき他方は抵抗状態にバイアスすることが可能である。
【００８８】
図１２・図１４に示す第１ＲＴＤ１の電流電圧特性と、図１６に示す合成抵抗から見積もった電流電圧特性を比較すると明らかなように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２は逆並列に接続されるため、第１ＲＴＤ１を負性抵抗発振状態にバイアスするとき第２ＲＴＤ２は抵抗状態にバイアスすることが可能である。これにより、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子によれば，メタル配線無しでＲＴＤと外部回路の寄生発振を抑えることができる。
【００８９】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、第１ＲＴＤ１の寄生発振を抑えるデバイス構造について、外部回路との寄生発振を抑制する第２ＲＴＤ２を用いたテラヘルツ発振器を提供可能である。
【００９０】
なお本手法は、テラヘルツ波帯に限らず、ＲＴＤとその外部回路における寄生発振を抑制する手法として一般化可能な基盤技術である。具体的には、プラス側とマイナス側で非対称な電流電圧特性を有する二つのＲＴＤを、極性を反転させて並列に配置することで、実現させるという方法である。
【００９１】
ＲＴＤは負性抵抗を示す電圧範囲よりも低い電圧領域では、純粋な抵抗体であるかのような振る舞いをする。極性を反転させるというのは、一方のＲＴＤが負性抵抗に差し掛かっている時他方のＲＴＤは抵抗体として振る舞うということである。
【００９２】
これにより、後述するように、同一エピ基板で、かつ同一プロセスで寄生発振を抑えるデバイス構造を作製できる。
【００９３】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、メタル配線をする分の工程数を減らし、デバイスの信頼性向上にも貢献できる。また、同一エピ基板を用いているため新たなエピ膜や工程を追加する必要は無い。マスクの変更のみで実現でき、最終的な製造コストの抑制にも貢献できる。また、メタル配線部分のインダクタンスを除去できるため、高速変調の特性も向上可能である。
【００９４】
（デバイス構造）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の配線構造の模式的平面構成は、図１７に示すように表され、図１７のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１８に示すように表され、図１７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１９に示すように表され、図１７のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図２０に示すように表される。
【００９５】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、半導体基板１を備え、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２は、半導体基板１上に配置されていても良い。ここで、半導体基板１は、例えば半絶縁性のＩｎＰ基板などを適用可能である。
【００９６】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０と同様に、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の半導体基板１の裏面には、裏面反射体金属層８８が配置されている。
【００９７】
また、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２は、図１７〜図２０に示すように、半導体基板１上に集積化されていても良い。
【００９８】
（集積化テラヘルツ発振素子）
集積化テラヘルツ発振素子として動作可能な第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１７〜図２０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１の半導体層９１ａと、第１の半導体層９１ａをパターニングして形成された第１カソード領域および第２カソード領域と、第１カソード領域に第１カソードＫ１が接続され、第１アノードＡ１が第２カソード領域と接続された第１ＲＴＤ１と、第２カソード領域に第２カソードＫ２が接続され、第２アノードＡ２が第１カソード領域と接続された第２ＲＴＤ２と、第１の半導体層９１ａに対向する半導体基板１の裏面に配置された裏面反射体金属層８８とを備える。ここで、第１ＲＴＤ１が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、第２ＲＴＤ２は抵抗状態にバイアスされ、第１ＲＴＤ１から放射された電磁波は、裏面反射体金属層８８に反射されて、半導体基板１に対して垂直方向の面発光放射パターンを有する。
【００９９】
また、第１ＲＴＤ１および第２ＲＴＤ２は、非対称の電流電圧特性を有する。
【０１００】
また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１７〜図２０に示すように、第１カソード領域上に配置された第１カソード電極２1と、第２カソード領域上に配置された第２カソード電極２2と、第１アノードＡ１に接続された第１アノード電極４1と、第２アノードＡ２に接続された第２アノード電極４2とを備え、第１カソード電極２1は、第２アノード電極４2と共通接続され、第２カソード電極２2は、第１アノード電極４1と共通接続される。
【０１０１】
尚、電気的に絶縁が必要な場所には、図１８に示すように、層間絶縁膜９を形成している。層間絶縁膜９は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。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。
【０１０２】
（集積化テラヘルツ検出素子）
集積化テラヘルツ発振素子として動作可能な第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、上述のテラヘルツ発振素子と同様の構成を備え、第１ＲＴＤ１が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、第２ＲＴＤ２は抵抗状態にバイアスされ、第１ＲＴＤ１により受信した電磁波は、裏面反射体金属層８８に反射されて、半導体基板１に対して垂直方向の面受光パターンを有する。
【０１０３】
（詳細構造）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２の構成例は、図２１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ＧａＩｎＡｓ層９１ａと、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ａと、ＧａＩｎＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ａと、ＧａＩｎＡｓ層９３ａ上に配置されたＡｌＡｓ層９４ａ／ＩｎＧａＡｓ層９５／ＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、ＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９３ｂ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９２ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｃと、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃ上に配置された第１の電極４1と、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２1とを備える。
【０１０４】
図２１に示すように、第１ＲＴＤ１の量子井戸構造ＱＷ１は、ＧａＩｎＡｓ層９５を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量子井戸構造ＱＷ１は、スペーサ層ＳＰ１１・ＳＰ１２として用いられるアンドープＧａＩｎＡｓ層９３ａ・９３ｂを介在させてｎ型のＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂ、及びｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａ・９１ｂ若しくは９１ｃを介して、第２の電極２1・第１の電極４1にオーミックに接続される。
【０１０５】
同様に、図２１に示すように、第２ＲＴＤ２の量子井戸構造ＱＷ２は、ＧａＩｎＡｓ層９５を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量子井戸構造ＱＷ２は、スペーサ層ＳＰ２１・ＳＰ２２として用いられるアンドープＧａＩｎＡｓ層９３ａ・９３ｂを介在させてｎ型のＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂ、及びｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａ・９１ｂ若しくは９１ｃを介して、第２の電極２1・第１の電極４1にオーミックに接続される。
【０１０６】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２は、図２１に示すように、量子井戸層９５と、量子井戸層９５を挟むトンネルバリア層９４ａ・９４ｂを介してカソードＫ側に配置された第１スペーサ層ＳＰ１１（９３ａ）・ＳＰ２１（９３ａ）と、アノードＡ側に配置された第２スペーサ層ＳＰ１２（９３ｂ）・ＳＰ２２（９３ｂ）とを備え、第１スペーサ層ＳＰ１１と第２スペーサ層ＳＰ１２の厚さは互いに異なるように構成されていても良い。
【０１０７】
また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２は、それぞれの第１スペーサ層ＳＰ１１・ＳＰ２１の厚さが互いに異なるように構成されていても良い。
【０１０８】
また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２は、それぞれの第２スペーサ層ＳＰ１２・ＳＰ２２の厚さが互いに異なるように構成されていても良い。
【０１０９】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２においては、共鳴トンネル効果を発現する量子井戸構造ＱＷ１・ＱＷ２と、これを挟む形で、上下に配置されるスペーサ層ＳＰ１１・ＳＰ１２およびＳＰ２１・ＳＰ２２の厚さを異ならせることによって、プラス側とマイナス側で非対称な電流電圧特性を持つようになる。これは、スペーサ層ＳＰ２１・ＳＰ２２およびＳＰ２１・ＳＰ２２の厚さによって量子井戸構造ＱＷ１・ＱＷ２の量子井戸層９５に注入されるキャリアの数がバイアスの方向によって異なることに起因している。スペーサ層ＳＰ２１・ＳＰ２２およびＳＰ２１・ＳＰ２２の厚さを異ならせることによる非対称性の導入が、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０を実現可能なものとしている。
【０１１０】
また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２の量子井戸構造ＱＷ１・ＱＷ２と半導体基板１に接する裏面反射体金属層８８表面との距離Ｄは、波長λの１／４倍であることが望ましい。半導体基板１に対して垂直方向の良好な面発光放射パターン若しくは面受光パターンを効率的に得るためである。
【０１１１】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第１ＲＴＤ１において、スペーサ層ＳＰ１１・ＳＰ１２の厚さを例えば、２０ｎｍ・２ｎｍといったように非対称にすることで、図１２若しくは図１４に示すような非対称の電流電圧特性を得ることができる。
【０１１２】
同様に、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第２ＲＴＤ２において、スペーサ層ＳＰ２１・ＳＰ２２の厚さを例えば、２ｎｍ・２０ｎｍといったように非対称にすることで、図１５に示すような非対称の電流電圧特性を得ることができる。
【０１１３】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【０１１４】
ｎ+型のＧａＩｎＡｓ層９１ａ、９１ｂ・９１ｃの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ・８ｎｍ程度である。ｎ型のＧａＩｎＡｓ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ＧａＩｎＡｓ層９３ａ・９３ｂの厚さは、例えば、上述の非対称性を実現可能とする厚さであって、約２ｎｍ・２０ｎｍ程度である。ＡｌＡｓ層９４ａおよび９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．１ｎｍ程度である。ＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
【０１１５】
なお、図２１に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、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。
【０１１６】
ダイポールアンテナを備える第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子の模式的平面パターン構成は、図２２に示すように表される。
【０１１７】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図２２に示すように、カソード電極２2・２1に接続されたダイポールアンテナ４０Ｄ・２０Ｄを備える。
【０１１８】
また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図２２に示すように、ダイポールアンテナ４０Ｄ・２０Ｄに接続されたフィード線４０Ｆ・２０Ｆと、フィード線４０Ｆ・２０Ｆに接続されたパッド電極４０Ｐ・２０Ｐを備えていても良い。
【０１１９】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐ間に接続されたＭＩＭリフレクタ（図示省略）を備えていても良い。
【０１２０】
ＭＩＭリフレクタは金属／絶縁体／金属からなる積層構造により、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐ間は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタは、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。
【０１２１】
ダイポールアンテナ４０Ｄ・２０Ｄは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／ＴｉやＡｕ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、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。ダイポールアンテナ４０Ｄ・２０Ｄの各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、図２２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、ダイポールアンテナ４０Ｄ・２０Ｄ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。
【０１２２】
（製造方法）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子の製造方法は、半導体基板１上に第１の半導体層９１ａを形成する工程と、第１の半導体層９１ａをパターニングして第１カソード領域および第２カソード領域を形成する工程と、第１カソード領域に第１カソードＫ１が接続され、第１アノードＡ１が第２カソード領域と接続される第１ＲＴＤ１を形成する工程と、第２カソード領域に第２カソードＫ２が接続され、第２アノードＡ２が前記第１カソード領域と接続された第２ＲＴＤ２を形成する工程と、第１カソード領域上に第２アノード電極４2と共通接続される第１カソード電極２1を形成する工程と、第２カソード領域上に第１アノード電極４1と共通接続される第２カソード電極２2を形成する工程とを有する。
【０１２３】
また、第１ＲＴＤ１および第２ＲＴＤ２を形成する工程は、第１の半導体層９１ａ上に第１スペーサ層ＳＰ１１（９３ａ）・ＳＰ２１（９３ａ）を形成する工程と、第１スペーサ層ＳＰ１１（９３ａ）・ＳＰ２１（９３ａ）上に第１トンネルバリア層９４ａ・９４ａを形成する工程と、第１トンネルバリア層９４ａ・９４ａ上に量子井戸層９５・９５を形成する工程と、量子井戸層９５・９５上に第２トンネルバリア層９４ｂ・９４ｂを形成する工程と、第２トンネルバリア層９４ｂ・９４ｂ上に第１スペーサ層ＳＰ１１（９３ａ）・ＳＰ２１（９３ａ）と厚さの異なる第２スペーサ層ＳＰ１２（９３ｂ）・ＳＰ２２（９３ｂ）を形成する工程とを有する。
【０１２４】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２の構造は、同一の製造工程で形成可能である。
【０１２５】
同一工程で製造された第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２の模式的断面構造であって、集積化された第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２部分の模式的断面構造は、図２１に示すように表される。各層の構成は、図３（ａ）・図３（ｂ）と同様であるため、重複説明は省略する。
【０１２６】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、第１ＲＴＤ１のスペーサ層ＳＰ１１・ＳＰ１２の厚さを例えば、２０ｎｍ・２ｎｍとし、第２ＲＴＤ２のスペーサ層ＳＰ２１・ＳＰ２２の厚さを例えば、２ｎｍ・２０ｎｍとする場合には、共通にエピタキシャル成長する工程と、第２ＲＴＤ２側にマスクをかけて第１ＲＴＤ１側のみをエピタキシャル成長する工程と、逆に第１ＲＴＤ１側にマスクをかけて第２ＲＴＤ２側のみをエピタキシャル成長する工程とを使い分ける必要がある。それ以外の各層の製造工程は、第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２の共通プロセスで形成可能である。
【０１２７】
例えば、同一工程で製造された第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２において、室温で観測した発振周波数は、いずれも約３００ＧＨｚ程度である。
【０１２８】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子の製造方法によれば，メタル配線無しでＲＴＤと外部回路の寄生発振を抑えることができ、メタル配線の製造工程が不要となるため、プロセスの工程数を減少させることができる。
【０１２９】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ素子は、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＡｌＡｓの構成を有する例が示されているが、このような材料系に限定されるものではない。例えば、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの構成を有する例であっても良い。また、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮの構成を有する例であっても良い。また、第１トンネルバリア層／量子井戸層／第２トンネルバリア層が、ＳｉＧｅ／Ｓｉ／ＳｉＧｅの構成を有する例であっても良い。
【０１３０】
いずれの構成においても、第１トンネルバリア層に接して第１スペーサ層が配置され、第２トンネルバリア層に接して第２スペーサ層が配置され、かつ第１スペーサ層と第２スペーサ層の厚さが異なることによって、非対称の電流電圧特性を備え、このような非対称の電流電圧特性を有する第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２を逆並列に接続すると共に、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２の内、いずれか一方が負性抵抗発振状態にバイアスされるとき、他方は抵抗状態にバイアスされる点は同様である。
【０１３１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有するテラヘルツ素子およびその製造方法を提供することができる。
【０１３２】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態に係るテラヘルツ素子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、この実施の形態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。
【０１３３】
このように、本実施の形態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】
【０１３４】
本実施の形態のテラヘルツ素子は、デバイスベースでは、テラヘルツ発振器、テラヘルツ検出器、高周波共振回路、信号増幅器等に適用可能であり、応用ベースでは、テラヘルツ波イメージング装置、センシング装置、高速無線通信器等の大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測、セキュリティー分野など、幅広い分野に適用することができる。
【符号の説明】
【０１３５】
１…半導体基板
２、２1、２2…第２の電極（カソード電極）
４、４1、４2……第１の電極（アノード電極）
９…層間絶縁膜
２０Ｄ、４０Ｄ…ダイポールアンテナ（アンテナ電極）
２０Ｆ、４０Ｆ…フィード線
２０Ｐ、４０Ｐ…パッド電極
３０…テラヘルツ素子
５０…ＭＩＭリフレクタ
８８…裏面反射体金属層
９０…能動素子
９１ａ…第１の半導体層（ＧａＩｎＡｓ層）
９４ａ、９４ｂ…トンネルバリア層
９５…量子井戸層
１１４…抵抗素子
Ａ、Ａ１、Ａ２…アノード
Ｋ、Ｋ１、Ｋ２…カソード
ＳＰ１１、ＳＰ１２．ＳＰ２１、ＳＰ２２…スペーサ層
ＱＷ１、ＱＷ２…量子井戸構造
【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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