(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第１伝送線路と、
主電極がそれぞれ前記第１伝送線路に接続された能動素子と、
前記能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第２伝送線路と、
前記第２伝送線路に接続されたパッド電極と、
前記パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する低域通過フィルタと、
前記パッド電極に接続され、前記能動素子に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部と
を備え、
前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ素子。
【請求項２】
前記低域通過フィルタは、ＭＩＭリフレクタを備え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】
前記パッド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または２に記載のテラヘルツ素子。
【請求項４】
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３に記載のテラヘルツ素子。
【請求項５】
前記金属配線は、ビスマス、ニッケル、チタン、若しくは白金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】
前記抵抗素子は、半導体層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７】
前記アンテナは、ボータイアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、リングアンテナ若しくは八木宇田アンテナを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項８】
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前記能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記第１の半導体層に接続され、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
を備え、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記第１伝送線路に接続されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項９】
自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第１伝送線路とを有するアンテナ部と、
前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な能動素子と、
前記能動素子に接続され、前記能動素子に給電するための第２伝送線路と、前記第２伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する低域通過フィルタとを有する共振部と、
前記共振部に接続され、前記能動素子に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部と
を備え、
前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ素子。
【請求項１０】
少なくとも前記第２伝送線路と前記テラヘルツ波とにより共振部を構成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、若しくはＣＭＯＳＦＥＴのいずれかを備え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】
分岐部をさらに備え、
複数の前記能動素子および前記共振部を前記分岐部を介して、前記アンテナ部に接続したことを特徴とする請求項９または１０に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１３】
自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナ電極と、
前記アンテナ電極に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第１伝送線路と、
前記第１伝送線路と接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第３伝送線路と、
前記第３伝送線路に接続された第２パッド電極と、
前記第２パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する第２低域通過フィルタと、
主電極がそれぞれ前記第３伝送線路に接続された第２能動素子と、
前記第２能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第４伝送線路と、
前記第４伝送線路上、前記第２能動素子と離隔して配置され、主電極がそれぞれ前記第４伝送線路に接続された第１能動素子と、
前記第１能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第２伝送線路と、
前記第２伝送線路に接続された第１パッド電極と、
前記第１パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタと
を備え、
前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナ電極と前記第１能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ集積回路。
【請求項１４】
前記第４伝送線路は、前記テラヘルツ波に対する高域通過フィルタを備えることを特徴とする請求項１３に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項１５】
前記第１低域通過フィルタおよび前記第２低域通過フィルタは、ＭＩＭリフレクタを備えることを特徴とする請求項１３または１４に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項１６】
前記第１パッド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１３〜１５のいずれか１項に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項１７】
前記アンテナ電極は、ボータイアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、若しくは八木宇田アンテナを備えることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項１８】
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前記第１能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記第１の半導体層に接続され、前記半導体基板上に配置された第２の電極と、
前記第１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
を備え、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記第２伝送線路および前記第４伝送線路と接続されることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれか１項に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項１９】
前記第１の半導体層上に積層化形成された前記第２能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記第１の半導体層に接続され、前記半導体基板上に配置された第４の電極と、
前記第２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４の電極に対向して配置された第３の電極と
を備え、前記第３の電極および前記第４の電極は、前記第３伝送線路および前記第４伝送線路と接続されることを特徴とする請求項１８に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項２０】
自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第１伝送線路とを有するアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続されたミキサ部と、
前記ミキサ部を介して前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第１能動素子と、
前記第１能動素子に接続され、前記第１能動素子に給電するための第２伝送線路と、前記第２伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタとを有する共振部と
を備え、
前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記第１能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ集積回路。
【請求項２１】
前記ミキサ部は、
前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第２能動素子と、
前記第２能動素子に接続され、前記第２能動素子に給電するための第３伝送線路と、
前記第３伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第２低域通過フィルタと、
前記第２能動素子に接続され、前記テラヘルツ波に対する高域通過フィルタと、
前記高域通過フィルタを介して前記第２能動素子に接続された第４伝送線路と
を備えることを特徴とする請求項２０に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項２２】
前記共振部に接続され、前記第１能動素子に対するバイアス電源を供給するバイアス電源供給部をさらに備えることを特徴とする請求項２１に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項２３】
前記ミキサ部に接続され、前記第２能動素子に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部をさらに備えることを特徴とする請求項２１または２２に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項２４】
第１分岐部をさらに備え、
前記第２能動素子および前記第３伝送線路は、前記第１分岐部を介して前記第１伝送線路に接続されることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか１項に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項２５】
第２分岐部をさらに備え、
複数の前記第１能動素子および前記共振部を前記第２分岐部を介して、前記ミキサ部に接続したことを特徴とする請求項２１〜２４のいずれか１項に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項２６】
自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第１伝送線路とを有するアンテナ部と、
前記アンテナ部に接続された第１ミキサ部および第２ミキサ部と、
前記第１ミキサ部を介して前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可
能な第１能動素子と、
前記第２ミキサ部と前記第１能動素子との間に配置された９０°位相変更器と、
前記第１能動素子に接続され、前記第１能動素子に給電するための第２伝送線路と、前記第２伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタとを有する共振部と
を備え、
前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記第１能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とするテラヘルツ集積回路。
【請求項２７】
前記第１ミキサ部は、
前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第２能動素子と、
前記第２能動素子に接続され、前記第２能動素子に給電するための第３伝送線路と、
前記第３伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第２低域通過フィルタと、
前記第２能動素子に接続され、前記テラヘルツ波に対する第１高域通過フィルタと、
前記第１高域通過フィルタを介して前記第２能動素子に接続された第４伝送線路と
を備え、
前記第２ミキサ部は、
前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第３能動素子と、
前記第３能動素子に接続され、前記第３能動素子に給電するための第５伝送線路と、
前記第５伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第３低域通過フィルタと、
前記第３能動素子に接続され、前記テラヘルツ波に対する第２高域通過フィルタと、
前記第２高域通過フィルタを介して前記第３能動素子に接続された第６伝送線路と
を備え、
前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記第２能動素子および前記第３能動素子との間をインピーダンス整合することを特徴とする請求項２６に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項２８】
前記共振部に接続され、前記第１能動素子に対するバイアス電源を供給するバイアス電源供給部をさらに備えることを特徴とする請求項２６または２７に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項２９】
前記第１ミキサ部に接続され、前記第２能動素子に対するバイアス電源およびＩ相データ信号を供給する第１バイアス電源・データ信号供給部と、
前記第２ミキサ部に接続され、前記第３能動素子に対するバイアス電源およびＱ相データ信号を供給する第２バイアス電源・データ信号供給部と
をさらに備えることを特徴とする請求項２７に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項３０】
第１分岐部および第２分岐部をさらに備え、
前記第２能動素子および前記第３伝送線路は、前記第１分岐部を介して前記第１伝送線路に接続され、
前記第３能動素子および前記第５伝送線路は、前記第２分岐部を介して前記第１伝送線路に接続されることを特徴とする請求項２７に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項３１】
第３高域通過フィルタをさらに備え、
前記第１ミキサ部および前記第２ミキサ部は、前記第３高域通過フィルタを介して、前記アンテナ部に接続されることを特徴とする請求項２６〜３０のいずれか１項に記載のテラヘルツ集積回路。
【請求項３２】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子を備えることを特徴とするテラヘルツ集積回路。
【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テラヘルツ集積回路に関する。
【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】
従来技術でのＲＴＤデバイスにおけるテラヘルツ信号変復調は、ＲＴＤの直接変調と直接検波方式がすでに開示されている。
【０００５】
テラヘルツ波デバイス・システムの小型集積化へ向けて、テラヘルツ波の送受信が可能なＲＴＤとして、これまでに、送受信器として２．５Ｇｂｐｓ、受信器として１７Ｇｂｐｓのリアルタイムエラーフリー無線通信が報告されている。
【０００６】
また、従来のテラヘルツ素子のアンテナとしては、スロットアンテナを使用した例や、ダイポールアンテナを使用した例が開示されている。スロットアンテナを使用した例では、スロットアンテナと共振部が一体化されている。また、ダイポールアンテナを使用した例では、ダイポールアンテナと共振部が接続されている。
【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２０１０−０５７１６１号公報
【特許文献３】特開２０１２−２１７１０７号公報
【特許文献４】特開２０１２−０８４８８８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Hiroki Sugiyama, Safumi Suzuki, and Masahiro Asada,“Room Temperature Resonant-tunneling-diode Terahertz Oscillator Based on Precisely Controlled Semiconductor Epitaxial Growth Technology”, NTT Tecnical Review, Vol. 9 No.10, 2011
【非特許文献２】Naoki ORIHASHI, Shinnosuke HATTORI, Safumi SUZUKI and Masahiro ASADA, “Experimental and Theoretical Characteristics of Sub-Terahertz and Terahertz Oscillations of Resonant Tunneling Diodes Integrated with Slot Antennas”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol.44, No.11, 2005, pp.7809-7815
【非特許文献３】Kenta Urayama, Satoshi Aoki, Safumi Suzuki, Masahiro Asada, Hiroki Sugiyama, and Haruki Yokoyama, “Sub-Terahertz Resonant Tunneling Diode Oscillators Integrated with Tapered Slot Antennas for Horizontal Radiation”, Applied Physics Express,2 (2009) 044501
【非特許文献４】中井駿佑、Sebastian Diebold、鶴田一魁、向井俊和、冨士田誠之、永妻忠夫、“ダイポールアンテナを集積化した共鳴トンネルダイオードの広帯域動作”、電子情報通信学会総合大会、Mar. 10、2015
【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、伝送線路のインピーダンス変換効果により、能動素子とアンテナとの高効率整合可能なテラヘルツ素子を提供する。
【００１０】
本実施の形態は、このテラヘルツ素子を適用し、局部発振器のテラヘルツ波とデータ信号を混合し、テラヘルツ信号の位相変調や同期検波、変復調における送受信効率の向上可能なテラヘルツ集積回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本実施の形態の一態様によれば、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第１伝送線路と、主電極がそれぞれ前記第１伝送線路に接続された能動素子と、前記能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第２伝送線路と、前記第２伝送線路に接続されたパッド電極と、前記パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する低域通過フィルタ（ＬＰＦ:Low-Pass Filter）と、前記パッド電極に接続され、前記能動素子に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部とを備え、前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記能動素子との間をインピーダンス整合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一態様によれば、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第１伝送線路とを有するアンテナ部と、前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な能動素子と、前記能動素子に接続され、前記能動素子に給電するための第２伝送線路と、前記第２伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する低域通過フィルタとを有する共振部と、前記共振部に接続され、前記能動素子に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部とを備え、前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記能動素子との間をインピーダンス整合するテラヘルツ素子が提供される。
【００１３】
本実施の形態の他の一態様によれば、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナ電極と、前記アンテナ電極に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第１伝送線路と、前記第１伝送線路と接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第３伝送線路と、前記第３伝送線路に接続された第２パッド電極と、前記第２パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する第２低域通過フィルタと、主電極がそれぞれ前記第３伝送線路に接続された第２能動素子と、前記第２能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第４伝送線路と、前記第４伝送線路上、前記第２能動素子と離隔して配置され、主電極がそれぞれ前記第４伝送線路に接続された第１能動素子と、前記第１能動素子に接続され、前記テラヘルツ波を伝送可能な第２伝送線路と、前記第２伝送線路に接続された第１パッド電極と、前記第１パッド電極に接続され、前記テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタとを備え、前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナ電極と前記第１能動素子との間をインピーダンス整合するテラヘルツ集積回路が提供される。
【００１４】
本実施の形態の他の一態様によれば、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第１伝送線路とを有するアンテナ部と、前記アンテナ部に接続されたミキサ部と、前記ミキサ部を介して前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第１能動素子と、前記第１能動素子に接続され、前記第１能動素子に給電するための第２伝送線路と、前記第２伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタとを有する共振部とを備え、前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記第１能動素子との間をインピーダンス整合するテラヘルツ集積回路が提供される。
【００１５】
本実施の形態の他の一態様によれば、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナと、前記アンテナに接続された第１伝送線路とを有するアンテナ部と、前記アンテナ部に接続された第１ミキサ部および第２ミキサ部と、前記第１ミキサ部を介して前記第１伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波を送受信可能な第１能動素子と、前記第２ミキサ部と前記第１能動素子との間に配置された９０°位相変更器と、前記第１能動素子に接続され、前記第１能動素子に給電するための第２伝送線路と、前記第２伝送線路に接続され、前記テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタとを有する共振部とを備え、前記第１伝送線路のインピーダンス変換により、前記アンテナと前記第１能動素子との間をインピーダンス整合するテラヘルツ集積回路が提供される。
【００１６】
本実施の形態の他の態様によれば、上記のテラヘルツ素子を備えるテラヘルツ集積回路が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本実施の形態によれば、伝送線路のインピーダンス変換効果により、能動素子とアンテナとの高効率整合可能なテラヘルツ素子を提供することができる。
【００１８】
本実施の形態によれば、このテラヘルツ素子を適用し、局部発振器のテラヘルツ波とデータ信号を混合し、テラヘルツ信号の位相変調や同期検波、変復調における送受信効率の向上可能なテラヘルツ集積回路を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】(ａ)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（ボータイアンテナの例）、（ｂ）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（ダイポールアンテナの例）。
【図２】（ａ）第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の模式的ブロック構成図、（ｂ）第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の模式的等価回路構成図。
【図３】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、共振部とＲＴＤ部とアンテナ部近傍の拡大された模式的平面パターン構成図（ボータイアンテナの例）。
【図４】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、図３に対応する部分の模式的等価回路構成図。
【図５】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ＲＴＤの電流−電圧特性例。
【図６】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、発振器、検出器としての規格化電力とアンテナ抵抗との関係のシミュレーション結果。
【図７】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ＲＴＤの電流−電圧特性例におけるアンテナ抵抗をパラメータとする発振器、検出器としてのバイアス条件の例。
【図８】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、発振器、検出器としての最適アンテナ抵抗とＲＴＤサイズの関係。
【図９】一般的な平面アンテナ（Ｒ）と伝送線路（Ｂ）の配置例。
【図１０】一般的な平面アンテナ（Ｒ）のスミスチャート、伝送線路（Ｂ）のスミスチャートおよび第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、伝送線路によるインピーダンス調整したアンテナ（Ｇ）のスミスチャート。
【図１１】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、インピーダンス調整したアンテナ（Ｇ）と伝送線路（Ｇ）の結合配置例。
【図１２】伝送線路によるインピーダンス調整の説明図であって、一般的な平面アンテナ（Ｒ）とインピーダンス調整したアンテナ（Ｇ）の抵抗と周波数の関係。
【図１３】(ａ)第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の具体的な構造寸法の例（ボータイアンテナの例）、（ｂ）第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の具体的な構造寸法の例（ダイポールアンテナの例）。
【図１４】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ボータイアンテナを伝送線路を使用してインピーダンス変換後の入力抵抗と伝送線路長の関係。
【図１５】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ボータイアンテナを伝送線路を使用してインピーダンス変換後のキャパシタンスと伝送線路長の関係。
【図１６】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、基本的な金属並列抵抗の実装例の模式的平面パターン構成図。
【図１７】（ａ）図１６において、Ｉ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図１６において、ＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１８】図１６において、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１９】図１８において、Ａ部分の拡大された模式的断面構造図。
【図２０】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、半導体層による並列抵抗の実装例の模式的平面パターン構成図。
【図２１】図２０において、ＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図。
【図２２】第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、作製されたデバイスの表面顕微鏡写真例。
【図２３】（ａ）第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路の模式的平面パターン構成図（ボータイアンテナの例）、（ｂ）図２３（ａ）のＢ部分近傍の拡大図。
【図２４】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路の模式的ブロック構成図。
【図２５】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、模式的平面パターン構成の構造寸法の説明図（ボータイアンテナの例）。
【図２６】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、作製されたデバイスの表面顕微鏡写真例。
【図２７】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、アンテナ利得の周波数特性例。
【図２８】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、３次元電磁界放射パターンのシミュレーション結果。
【図２９】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、作製されたデバイスの測定結果であって、アンテナから放射されたテラヘルツ波（ミキサ入力信号無し）の規格化発振電力と周波数との関係（スペクトル）。
【図３０】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、作製されたデバイスの測定結果であって、アンテナから放射されたテラヘルツ波（ミキサ入力信号有り）の規格化検出電力と周波数との関係（スペクトル）。
【図３１】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、構造の応用例として、共振部を複数配列し、複数の機能素子をアレイ化した例の模式的ブロック構成図。
【図３２】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、構造の応用例として、共振部を複数配列し、かつミキサ部に分岐結合して、複数の発振素子アレイで高出力化する例の模式的ブロック構成図。
【図３３】第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、構造の応用例として、Ｉ／Ｑ位相の発振器と結合したＩ／Ｑ位相のミキサ部を配列し、Ｉ／Ｑ変復調機能を実現した例の模式的ブロック構成図。
【図３４】（ａ）図３３の構成を簡易化した模式的ブロック構成図、（ｂ）Ｉ／Ｑ変復調機能の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
［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として、ボータイアンテナの例は、図１（ａ）に示すように表され、ダイポールアンテナの例は、図１（ｂ）に示すように表される。
【００２３】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１（ａ）若しくは図１（ｂ）に示すように、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナ電極４Ｂ・２Ｂと、アンテナ電極４Ｂ・２Ｂに接続され、テラヘルツ波を伝送可能な第１伝送線路４０Ｓ・２０Ｓと、主電極がそれぞれ第１伝送線路４０Ｓ・２０Ｓに接続された能動素子９０と、能動素子９０に接続され、テラヘルツ波を伝送可能な第２伝送線路４０Ｆ・２０Ｆと、第２伝送線路４０Ｆ・２０Ｆに接続されたパッド電極４０Ｐ・２０Ｐと、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐに接続され、テラヘルツ波に対する低域通過フィルタ５０とを備える。ここで、第１伝送線路４０Ｓ・２０Ｓのインピーダンス変換により、アンテナ電極４Ｂ・２Ｂと能動素子９０との間をインピーダンス整合することができる。パッド電極２０Ｐ・４０Ｐは、バイアス電源およびデータ信号供給用電極を構成可能である。
【００２４】
低域通過フィルタ５０は、ＭＩＭ(Metal-Insulator-Metal)リフレクタを備えていても良い。
【００２５】
また、パッド電極４０Ｐ・２０Ｐ間に接続された抵抗素子１１４を備えていても良い。
【００２６】
また、抵抗素子１１４は、金属配線を備えていても良い。
【００２７】
ここで、金属配線は、ビスマス、ニッケル、チタン、若しくは白金を備えていても良い。
【００２８】
また、図２０〜図２１に示すように、抵抗素子は、半導体層を備えていても良い。
【００２９】
アンテナとしては、ボータイアンテナ、ダイポールアンテナの例が図示されているが、他にスロットアンテナ、パッチアンテナ、リングアンテナ若しくは八木宇田アンテナを備えていても良い。
【００３０】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、半導体基板１上に形成可能である。
【００３１】
すなわち、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１９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の主電極の一方に接続され、かつ第１の半導体層９１ａに接続され、半導体基板１上に配置された第２の電極２０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２０に対向して配置された第１の電極４０とを備えていても良い。ここで、第１の電極４０および第２の電極２０は、第１伝送線路４０Ｓ・２０Ｓと接続される。
【００３２】
構造の寸法例は下記の通りである。すなわち、アンテナの長さは、約１／２波長(λ／２)である。アンテナの長さは、基本的に両者は同じもしくはボータイアンテナの方が、短く設計される。ボータイアンテナのアンテナ電極４Ｂ・２Ｂの間隔は、伝送線路間隔と実質的に等しい。ダイポールアンテナのアンテナ電極４Ｄ・２Ｄの間隔も、伝送線路間隔と実質的に等しい。ボータイアンテナのボータイエッジ幅は、広帯域のためには広幅設計が良く、例えば、１／４波長以下に設定すると良い。ボータイアンテナの伝送線路４０Ｓ・２０Ｓと接続するエッジ幅は、基本的に伝送線路４０Ｓ・２０Ｓの幅と実質的に等しく設定するが、損失を考慮して、設計を調整すると良い。例えば、伝送線路４０Ｓ・２０Ｓの幅は、例えば、約５μｍ〜約１０μｍにすると良い。
【００３３】
（ブロック構成）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の模式的ブロック構成は、図２（ａ）に示すように表される。
【００３４】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図２（ａ）に示すように、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナ１４０Ａと、アンテナ１４０Ａに接続された第１伝送線路１２０Ａとを有するアンテナ部１００Ａと、第１伝送線路１２０Ａに接続され、テラヘルツ波を送受信可能な能動素子９０と、能動素子９０に接続され、能動素子９０に給電するための第２伝送線路２２０Ｒと、第２伝送線路２２０Ｒに接続され、テラヘルツ波に対する低域通過フィルタ２４０Ｒとを有する共振部２００Ｒとを備える。ここで、第１伝送線路１２０Ａのインピーダンス変換により、アンテナ１４０Ａと能動素子９０との間をインピーダンス整合することができる。
【００３５】
また、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図２（ａ）に示すように、共振部２００Ｒに接続され、能動素子９０に対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部３００Ｒをさらに備えていても良い。
【００３６】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０によれば、共振部２００Ｒのパラメータを独立に調節可能である。
【００３７】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０によれば、レイアウトが自由になるため、回路性能の改善や機能追加が可能になる。
【００３８】
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１１４は、低周波数に対して損失を与え、寄生発振を抑制する効果を期待することができる。
【００３９】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０によれば、発振周波数３００ＧＨｚのＲＴＤ発振器の高出力化をＲＴＤとアンテナ間に整合回路を導入することで実現可能である。
【００４０】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の模式的等価回路構成は、図２（ｂ）に示すように表される。
【００４１】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図２（ｂ）に示すように、ＭＩＭ(Metal-Insulator-Metal)リフレクタ５０、伝送線路（スロット線路）４０Ｓ・４０Ｆ、２０Ｓ・２０Ｆ、ＲＴＤ９０とアンテナ（４Ｂ・２Ｂ）から構成される．また、発振周波数はスロット線路のインダクタンスＬSやキャパシタンスＣS、ＲＴＤのキャパシタンス、アンテナを含めたＲＬＣ共振周波数により決まる。アンテナ部のインピーダンスＺAは、次式（１）で表される。
【００４２】
ＺA＝ＲA＋ｊＸA                                              （１）
ここで、ＲAはアンテナ抵抗、ｊは虚数単位、ＸAはアンテナインピーダンスの虚数成分である。
【００４３】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、ストリップラインベースのＲＴＤ集積回路を構成している。すなわち、ＲＴＤ９０を中心にアンテナ部１００Ａと共振部２００Ｒを分離している。アンテナ部１００Ａはストリップライン構造のアンテナ部を備え、共振部２００Ｒはストリップライン構造の共振部を備える。アンテナ１４０Ａもストリップライン構造の平面アンテナ構造を備えている。
【００４４】
アンテナ１４０Ａは、半導体基板１上に形成された金属平面アンテナで構成可能である。テラヘルツ波の自由空間への入出力を可能とする。
【００４５】
伝送線路１２０Ａは、アンテナとＲＴＤ間をインピーダンス調整するための伝送線路であり、，アンテナとＲＴＤ間を空間的に分離する。
【００４６】
ＲＴＤ９０は、発振器およびミキサと検出器の動作のために負性抵抗および非線形性のある電流電圧特性を提供する。
【００４７】
伝送線路２２０Ｒは、インピーダンス整合、発振器の共振部として機能する。伝送線路２２０Ｒを伝播するテラヘルツ波がＬＰＦ２４０Ｒで反射されることで共振器して働く。
【００４８】
ＬＰＦ２４０Ｒは、テラヘルツ波を反射し，直流からミリ波を透過する機能を有する。その結果、ＲＴＤへ直流バイアス電圧を供給することを可能とするともに，データ信号のやりとりを可能とする。動作安定性のためにミリ波マイクロ波に損失を与える並列抵抗２６０Ｒの追加も可能である。
【００４９】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０によれば、２端子であるＲＴＤと平面伝送線路を利用するため、超高周波の集積回路構成が容易になる。
【００５０】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０によれば、アンテナと共振器部の物理的分離によって、発振器・ミキサ・検出器などの機能デバイスの組み合わせと配列化が可能になる。
【００５１】
（共振部・アンテナ部のパラメータ）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、共振部とＲＴＤ部とアンテナ部近傍の拡大された模式的平面パターン構成（ボータイアンテナの例）は、図３に示すように表される。
【００５２】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、図３に対応する部分の模式的等価回路構成は、図４に示すように表される。図４において、Ｌは、共振部のインダクタンス、Ｃは、ＲＴＤの静電容量、ＲAは、アンテナ抵抗、ＲNは、ＲＴＤの負性抵抗を表す。
【００５３】
ここで、共振条件は、次式（２）で表される。
【００５４】
１／ｊωＬ＋ｊωＣ＝０，ＲA || ＲN ＜＝０                  （２）
||は、並列合成抵抗を表す。
【００５５】
発振周波数ｆ0は、次式（３）で表される。
【００５６】
ｆ0＝１／２π√ＬＣ                                        （３）
基本的には，共振部を調整して、発振周波数ｆ0を決定する。
【００５７】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ＲＴＤの電流−電圧特性例は図５に示すように表される。
【００５８】
検出器としての検出動作（非発振）条件は、次式（４）で表される。
【００５９】
ＲA || ＲN＞０                                            （４）
発振器としての発振動作条件は、次式（５）で表される。
【００６０】
ＲA || ＲN ＜＝０                                          （５）
【００６１】
（アンテナ抵抗ＲAと発振検出効率のシミュレーション結果）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、能動素子として適用したＲＴＤの電流−電圧特性例は、図５に示すように表される。
【００６２】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、発振器、検出器としての規格化電力とアンテナ抵抗との関係のシミュレーション結果は、図６に示すように表される。
【００６３】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ＲＴＤの電流−電圧特性例におけるアンテナ抵抗をパラメータとする発振器、検出器としてのバイアス条件の例は、図７に示すように表される。
【００６４】
さらに、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、発振器、検出器としての最適アンテナ抵抗とＲＴＤサイズの関係は、図８に示すように表される。
【００６５】
図８に示すように、発振／検出効率に関して、ＲＴＤメサのサイズに応じたアンテナ抵抗には最適値が存在する。また、発振器としての最適アンテナ抵抗は、素子サイズに反比例する。また、検出器としての最適アンテナ抵抗は、例えば、約１５０Ωから約２００Ωの範囲である。テラヘルツ動作用のＲＴＤではメサのサイズＡは、例えば、約２．０μｍ2以下であることが望ましい。また、例えば、約５０Ω以上の高抵抗のアンテナが効率向上に有利である。
【００６６】
（伝送線路でのインピーダンス整合）
一般的な平面アンテナ（Ｒ）と伝送線路（Ｂ）の配置例は、図９に示すように表される。また、一般的な平面アンテナ（Ｒ）のスミスチャート、伝送線路（Ｂ）のスミスチャートおよび第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、伝送線路によるインピーダンス調整したアンテナ（Ｇ）のスミスチャートは、図１０に示すように表される。
【００６７】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、インピーダンス調整したアンテナ（Ｇ）と伝送線路（Ｇ）の結合配置例は、図１１にに示すように表される。
【００６８】
また、伝送線路によるインピーダンス調整の説明図であって、一般的な平面アンテナ（Ｒ）とインピーダンス調整したアンテナ（Ｇ）の抵抗と周波数の関係は、図１２にに示すように表される。
【００６９】
伝送線路を利用したインピーダンス変換は、次式（６）で表される。
【００７０】
ＺA＝Ｚ02／ＲA                                                  （６）
ここで、Ｚ0は、伝送線路の特性インピーダンスを表す。
【００７１】
（具体的な寸法の例―アンテナと伝送線路の関係）
このように得られた第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子（ＲＴＤ発振器）のレイアウト(整合回路とアンテナ部分の詳細)を以下に示す。すなわち、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の具体的な構造寸法例として、ボータイアンテナの例は、図１３（ａ）に示すように表され、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の具体的な構造寸法例として、ダイポールアンテナの例は、図１３（ｂ）に示すように表される。
【００７２】
アンテナ長ＢＡは、誘電率を考慮して、約1／２波長に設定する。すなわち、１／２波長でアンテナの放射効率が最大となる。１／２波長からアンテナ長ＢＡが変化した場合、伝送線路２０Ｓの長さを変化させて周波数の調整が可能である。但し、放射効率は低下する。したがって、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子のボータイアンテナの可能なアンテナ長ＢＡは１波長以下である。ダイポールアンテナの場合も同様であり、アンテナ長ＤＡは、誘電率を考慮して、約1／２波長に設定する。第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子のダイポールアンテナの可能なアンテナ長ＤＡは１波長以下である。
【００７３】
共振器長（２０Ｆの長さ）は、約１／８波長以下に設定する。設計周波数で共振するインダクタンスを持つ長さに設計すると良い。一般的に約１／８波長以上では急激に共振器のＱ値が低下するためである。共振器長（２０Ｆの長さ）は、共振周波数に最も敏感な要素であり、微調整が必要である。ダイポールアンテナの場合も同様である。
【００７４】
伝送線路２０Ｓの長さは、約１／４波長に設定する。すなわち、伝送線路２０Ｓの特性インピーダンスを調整することでアンテナ抵抗ＲAを目標抵抗値に変換可能である。例えば、４０Ωを２５０Ωに変換可能である。ここで、伝送線路２０Ｓの特性インピーダンスＺ0は、１００Ωである。伝送線路２０Ｓの長さに起因するアドミタンス成分は、共振部とＲＴＤ成分に比べて小さく、周波数への影響は少ない。ダイポールアンテナの場合も同様である。
【００７５】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ボータイアンテナを伝送線路２０Ｓを使用してインピーダンス変換後の入力抵抗と伝送線路長の関係は、図１４に示すように表される。ボータイアンテナ（元のアンテナ抵抗ＲA＝４０Ω)を伝送線路２０Ｓ(特性インピーダンスＺ0＝１００Ω)を使用し、インピーダンス変換後、入力抵抗値の計算結果が、図１４に示されている。伝送線路長の長さの２０％誤差による効率の低下は約３ｄＢ程度である。
【００７６】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、ボータイアンテナを伝送線路２０Ｓを使用してインピーダンス変換後のキャパシタンスと伝送線路長の関係は、図１５に示すように表される。ボータイアンテナ（元のアンテナ抵抗ＲA＝４０Ω)を伝送線路２０Ｓ(特性インピーダンスＺ0＝１００Ω)を使用し、インピーダンス変換後、キャパシタンスの計算結果が、図１５に示されている。ここで、ＲＴＤのキャパシタンス値は、約１０ｆＦ〜約３０ｆＦである。伝送線路長の長さの２０％誤差による周波数変化は、(１．５ｆＦ／１５ｆF)1/2であり、約５％である。
【００７７】
（デバイス構造）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、基本的な金属並列抵抗の実装例の模式的平面パターン構成は、図１６に示すように表される。
【００７８】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、デバイス（共振器、アンテナ、伝送路を含む）は、例えば、ＩｎＰ基板上にＲＴＤ用の半導体積層構造を成膜し、各部位の電極配線をパターニングすることでデバイスを作製することができる。
【００７９】
また、図１６において、Ｉ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図１７（ａ）に示すように表され、ＩＩ−ＩＩ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。更に、図１６において、ＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１８に示すように表される。また、図１８において、Ａ部分の拡大された模式的断面構造は、図１９に示すように表される。方向関係は以下の通りである。ＲＴＤ９０が配置されるデバイス平面パターンに対して鉛直方向がＺ方向、ＲＴＤ９０が配置される伝送線路に沿う延伸方向がＹ軸方向、Ｙ軸方向に対して垂直方向がＸ軸方向である。
【００８０】
（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ＲＴＤ９０の構成例は、図１９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ＩｎＧａＡｓ層９１ａと、ＩｎＧａＡｓ層９１ａ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＩｎＧａＡｓ層９２ａと、ＩｎＧａＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ａと、ＩｎＧａＡｓ層９３ａ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から構成された量子井戸構造ＱＷ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、ＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＩｎＧａＡｓ層９２ｂと、ＩｎＧａＡｓ層９２ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＩｎＧａＡｓ層９１ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置された第１の電極４０と、ＩｎＧａＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２０とを備える。
【００８１】
図１９に示すように、ＲＴＤ９０の量子井戸構造ＱＷは、ＩｎＧａＡｓ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ＱＷは、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａ・９３ｂを介在させてｎ型のＩｎＧａＡｓ層９２ａ・９２ｂ、及び高濃度ｎ型のＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂを介して、電極４０・２０にオーミックに接続される。
【００８２】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【００８３】
高濃度ｎ型のＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ程度である。ｎ型のＩｎＧａＡｓ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。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。ＩｎＧａＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
【００８４】
なお、図１９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層間絶縁膜１３０を堆積する。層間絶縁膜１３０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。
【００８５】
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。
【００８６】
第１の電極４０・第２の電極２０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４０・第２の電極２０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４０・第２の電極２０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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１９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の主電極の一方に接続され、かつ第１の半導体層９１ａに接続され、半導体基板１上に配置された第２の電極２０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２０に対向して配置された第１の電極４０とを備えていても良い。第１の電極４０および第２の電極２０は、第１伝送線路４０Ｓ・２０Ｓに接続される。
【００９０】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用される能動素子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）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）ＦＥＴなどを適用することもできる。
【００９１】
（アンテナ構造）
本実施の形態に係るテラヘルツ素子３０には、例えばボータイアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、八木宇田アンテナ等など、平面集積可能なアンテナであればいずれも適用可能である。
【００９２】
ＭＩＭリフレクタ５０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。
【００９３】
（製造方法）
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０のデバイス（共振器、アンテナ、伝送路を含む）の製造方法は、例えば、ＩｎＰ基板上に能動素子（ＲＴＤ）用の半導体積層構造を成膜し、各部位の電極配線をパターニングすることで作製することができる。
【００９４】
（半導体層による並列抵抗）
更に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、半導体層による並列抵抗１１４Ｓを形成する例の模式的平面パターン構成は、図２０に示すように表される。また、図２０において、ＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図２１に示すように表される。ここで、半導体層による並列抵抗１１４Ｓは、半絶縁性ＩｎＰ基板１上に配置された半導体層（ｎ＋ＩｎＧａＡｓ層９１ａ）をパターニングすることで形成可能である。
【００９５】
ｎ＋ＩｎＧａＡｓ層９１ａで並列抵抗１１４Ｓを形成する例では、このｎ＋ＩｎＧａＡｓ層９１ａは、電極４０Ｐ・２０Ｐの下側（基板側）に配置されるため、平面パターン上では、図２０に示されるように、破線で示されている。
【００９６】
また、この半導体層（ｎ＋ＩｎＧａＡｓ層９１ａ）の下地は半絶縁性ＩｎＰ基板１である。並列抵抗１１４Ｓは、半絶縁性ＩｎＰ基板１上に形成したｎ＋ＩｎＧａＡｓ層９１ａを使用する。抵抗値は、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ層９１ａの伝導特性（ドーピング濃度など）に依存している。ｎ＋ＩｎＧａＡｓ層９１ａの面抵抗値をもとに目標抵抗値になるように、幅・長さなどのトリミングにより、調整可能である。
【００９７】
第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子において、作製されたデバイスの表面顕微鏡写真例は、図２２に示すように表される。第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子は、ＲＴＤ発振器としても、ＲＴＤ検出器としても動作可能である。
【００９８】
第１の実施の形態によれば、伝送線路のインピーダンス変換効果により、能動素子とアンテナとの高効率整合可能なテラヘルツ素子を提供することができる。
【００９９】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２の模式的平面パターン構成図（ボータイアンテナの例）は、図２３（ａ）に示すように表され、図２３（ａ）のＢ部分近傍の拡大図は、図２３（ｂ）に示すように表される。
【０１００】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２は、図２３（ａ）および図２３（ｂ）に示すように、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナ電極４Ｂ・２Ｂと、アンテナ電極４Ｂ・２Ｂに接続され、テラヘルツ波を伝送可能な第１伝送線路１２０Ａと、第１伝送線路１２０Ａと接続され、テラヘルツ波を伝送可能な第３伝送線路２２０Ｄと、第３伝送線路２２０Ｄに接続された第２パッド電極４０Ｍ・２０Ｍと、第２パッド電極４０Ｍ・２０Ｍに接続され、テラヘルツ波に対する第２低域通過フィルタ２４０Ｄと、分岐部１５０Ｍを介して主電極がそれぞれ第３伝送線路２２０Ｄに接続された第２能動素子９０Ｍと、第２能動素子９０Ｍに接続され、テラヘルツ波を伝送可能な第４伝送線路４２０Ｍと、第４伝送線路４２０Ｍ上、第２能動素子９０Ｍと離隔して配置され、主電極がそれぞれ第４伝送線路４２０Ｍに接続された第１能動素子９０と、第１能動素子９０に接続され、テラヘルツ波を伝送可能な第２伝送線路２２０Ｒと、第２伝送線路２２０Ｒに接続された第１パッド電極４０Ｐ・２０Ｐと、第１パッド電極４０Ｐ・２０Ｐに接続され、テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタ２４０Ｒとを備える。ここで、第１伝送線路１２０Ａのインピーダンス変換により、アンテナ電極４Ｂ・２Ｂと能動素子９０・９０Ｍとの間をインピーダンス整合することができる。
【０１０１】
第４伝送線路４２０Ｍは、テラヘルツ波に対する高域通過フィルタ４４０Ｍを備えていても良い。
【０１０２】
また、第１低域通過フィルタ２４０Ｒおよび第２低域通過フィルタ２４０Ｄは、ＭＩＭリフレクタを備えていても良い。
【０１０３】
また、第１パッド電極４０Ｐ・２０Ｐ間に接続された並列抵抗２６０Ｒを備えていても良い。並列抵抗素子としては、金属抵抗、半導体層などを適用可能である点は、第１の実施の形態と同様である。
【０１０４】
また、アンテナ電極４Ｂ・２Ｂとしてはボータイアンテナの例が示されているが、他の例として、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、リングアンテナ若しくは八木宇田アンテナを備えていても良い点は、第１の実施の形態と同様である。
【０１０５】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０と同様に、半導体基板１上に形成可能である。
【０１０６】
すなわち、第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２は、図１９と同様に、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第１能動素子９０の主電極の一方に接続され、かつ第１の半導体層９１ａに接続され、半導体基板１上に配置された第２の電極２０と、第１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２０に対向して配置された第１の電極４０とを備えていても良い。ここで、第１の電極４０および第２の電極２０は、第２伝送線路２２０Ｒ・第４伝送線路４２０Ｍに接続される。
【０１０７】
また、第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２において、第２能動素子９０Ｍも第１能動素子９０と同様に構成可能である。第２能動素子９０Ｍの主電極は、第３伝送線路２２０Ｄ・第４伝送線路４２０Ｍに接続される。
【０１０８】
（ブロック構成）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２の模式的ブロック構成は、図２４に示すように表される。
【０１０９】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２は、図２４に示すように、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナ１４０Ａと、アンテナ１４０Ａに接続された第１伝送線路１２０Ａとを有するアンテナ部１００Ａと、アンテナ部１００Ａに接続されたミキサ部４００Ｍと、ミキサ部４００Ｍを介して第１伝送線路１２０Ａに接続され、テラヘルツ波を送受信可能な第１能動素子９０と、第１能動素子９０に接続され、第１能動素子９０に給電するための第２伝送線路２２０Ｒと、第２伝送線路２２０Ｒに接続され、テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタ２４０Ｒとを有する共振部２００Ｒとを備える。ここで、第１伝送線路１２０Ａのインピーダンス変換により、アンテナ１４０Ａと第１能動素子９０との間をインピーダンス整合することができる。
【０１１０】
また、ミキサ部４００Ｍは、第１伝送線路１２０Ａに接続され、テラヘルツ波を送受信可能な第２能動素子９０Ｍと、第２能動素子９０Ｍに接続され、第２能動素子９０Ｍに給電するための第３伝送線路２２０Ｄと、第３伝送線路２２０Ｄに接続され、テラヘルツ波に対する第２低域通過フィルタ２４０Ｄと、第２能動素子９０Ｍに接続され、テラヘルツ波に対する高域通過フィルタ４４０Ｍと、高域通過フィルタ４４０Ｍを介して第２能動素子９０Ｍに接続された第４伝送線路４２０Ｍとを備えていても良い。ここで、第１伝送線路１２０Ａのインピーダンス変換により、アンテナ１４０Ａと第２能動素子９０Ｍとの間をインピーダンス整合することができる。
【０１１１】
また、共振部２００Ｒに接続され、第１能動素子９０に対するバイアス電源を供給するバイアス電源供給部３００Ｂをさらに備えていても良い。
【０１１２】
また、ミキサ部４００Ｍに接続され、第２能動素子９０Ｍに対するバイアス電源およびデータ信号を供給するバイアス電源・データ信号供給部３００Ｄをさらに備えていても良い。
【０１１３】
さらに、第１分岐部１５０Ｍをさらに備え、第２能動素子９０Ｍおよび第３伝送線路２２０Ｄは、第１分岐部１５０Ｍを介して第１伝送線路１２０Ａに接続されていても良い。
【０１１４】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２において、ミキサ部４００Ｍは、第２能動素子９０Ｍの非線形性を利用した周波数変換器として機能し、共振部２００Ｒは、局部発振器として機能する。
【０１１５】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、共振部２００Ｒのテラヘルツ波と、データ信号を混合し、変復調を可能にする。
【０１１６】
（製造方法）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においも、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子と同様に、デバイス（共振器、ミキサ、アンテナ、伝送路を含む）の製造方法は、例えば、ＩｎＰ基板上に能動素子（ＲＴＤ）用の半導体積層構造を成膜し、各部位の電極配線をパターニングすることで作製することができる。
【０１１７】
（高次変調とヘテロダイン検波）
ヘテロダイン検波は、一般的に受信機方法の表現であるため、送信機に関しては高次変調、受信機はヘテロダインでそれぞれ表示する。
【０１１８】
高次変調は、直接振幅変調方式（例、ＡＭ変調(Amplitude Modulation)、振幅偏移変調振幅シフトキーイング(ＡＳＫ:Amplitude-Shift Keying）、若しくはオンオフ変調（ＯＯＫ：On-Off Keying）とは異なり、位相と振幅の両方を変調して、同じ周波数帯域幅で高い伝送効率を達成する通信技術上の送信機としての方式である。ＲＦ信号の効率的な高次変調のためには、データ信号パスとは別に発振信号源を備え、ミキサなどの変調器で、ＲＦ帯域発振信号の位相と振幅を変調する。第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、高次変調を高効率に実現可能である。
【０１１９】
ヘテロダイン検波は、振幅変調信号の包絡線検波方式と対比される通信技術上の受信機としての方式である。アンテナからの受信信号と独立して受信機自体の発振信号源を備えて、ミキサなどの復調器で、受信信号の周波数を希望帯域に変換し信号を検出する方法である。第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、ヘテロダイン検波も高効率に実現可能である。
【０１２０】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、高次変調とヘテロダイン検波の何れも実現可能である。
【０１２１】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、２つのＲＴＤ９０、９０Ｍにそれぞれ独立した電極ポートを設けることができる。この結果、２つのＲＴＤ９０、９０Ｍをローカル発振器用のＲＴＤ９０とミキサ用のＲＴＤ９０Ｍとして別々に駆動させることが可能である。
【０１２２】
共振器部分のＲＴＤ９０とミキサ部分のＲＴＤ９０Ｍは、層構造は共通であるが、チップのサイズは、異なるように作成しても良い。２つのＲＴＤ９０、９０Ｍは、同じ大きさである必要はなく、独立した設計が可能な構造である。ローカル発振器の信号源として高出力化を狙うために電流量を大きくしたい場合は、メサ面積を大きくして電流量を稼ぐと良い。その際、容量が大きくなり発振周波数が低下するので、その分はフィード線のインダクタンスをさげる方向で設計すれば、発振周波数を高周波側へチューニングすることが可能である。
【０１２３】
ミキサは感度が重要であるため、ノイズを低くすることが望まれる。その場合、電流量を小さくできればショットノイズは低減されるため、メサ面積は小さくすることで対応可能である。この場合、局部信号源側のＲＴＤ９０の大きさを考慮する必要はない。つまり、共振部２００ＲのＲＴＤ９０とミキサ部４００ＭのＲＴＤ９０Ｍは、別々に設計しても良い。ＲＴＤを１つだけ持つ構造では、精密なチューニングが難しいが、第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、２つのＲＴＤ９０、９０Ｍにそれぞれ独立した電極ポートを設けることができるため、それぞれの精密なチューニングが可能となる。
【０１２４】
したがって、第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、能動素子（ＲＴＤ）を複数個用いた複数の機能素子の集積化も可能である。
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、高次変調送信機とヘテロダイン検波受信機の実装も可能である。
【０１２５】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、模式的平面パターン構成の構造寸法の説明図（ボータイアンテナの例）は、図２５に示すように表される。
【０１２６】
アンテナ部分のボータイエッジ幅はＷBTで表される。ボータイエッジ幅ＷBTは広帯域のためには広幅設計が望ましく、例えば１／４波長以下である。
【０１２７】
伝送線路の間隔はＳで表され、伝送線路の幅はＷmetで表される。ＬＰＦ２４０Ｄから分岐までの伝送線路の距離はＬBBで表され、分岐からアンテナまでの伝送線路の距離はＬRFで表される。ＬＰＦ２４０ＲからＲＴＤ９０までの伝送線路の距離はＬresで表され、ＲＴＤ９０からＲＴＤ９０Ｍまでの伝送線路の距離はＬtrafoで表される。また、高域通過フィルタ（ＨＰＦ：High-Pass Filter）４４０Ｍ部分の伝送線路の距離はＬcserで表される。
【０１２８】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、作製されたデバイスの表面顕微鏡写真例は、図２６に示すように表される。図２６の写真例は、図２３若しくは図２５に示される平面パターン構成に対応している。
【０１２９】
（アンテナ利得）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、アンテナ利得の周波数特性例は、図２７に示すように表される。
【０１３０】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、図２７に示すように、約６５ＧＨｚ以上の広帯域特性が得られている。
【０１３１】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においてもＲＴＤとアンテナとの高効率整合を実現可能であることがわる。すなわち、伝送線路を適用してＲＴＤとアンテナや共振部までの距離を確保し、伝送線路のインピーダンス変換効果により、ＲＴＤとアンテナとの高効率整合を実現することで、約６５ＧＨｚ以上の広帯域特性が得られている。
【０１３２】
（電磁界シミュレーション）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、ＲＴＤ９０の３次元電磁界放射パターンのシミュレーション結果は、図２８に示すように表される。ＲＴＤ９０が配置されるデバイス平面パターンに対して鉛直方向がＺ方向、ＲＴＤ９０が配置される伝送線路に沿う延伸方向がＹ軸方向、Ｙ軸方向に対して垂直方向がＸ軸方向に対応している。図２８は、第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、ＲＴＤ９０として、３００ＧＨｚにおける指向性を裏面反射鏡無しのＲＴＤデバイス構造でシミュレーションした結果であり、特に裏面には、半球レンズを配置していない。第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路においては、図２８に示すように高い指向性 (アンテナ利得)が得られている。しかも、図２８に示すように、単峰的な放射パターンが得られている。
【０１３３】
（測定結果）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、作製されたデバイスの測定結果であって、アンテナから放射されたテラヘルツ波（ミキサ入力信号無し）の規格化発振電力と周波数との関係（スペクトル）は、図２９に示すように表される。
【０１３４】
発振器部分のＲＴＤバイアス電圧＝０．７Ｖとして、負性抵抗条件に設定している。
アンテナから放射されたテラヘルツ波（ミキサ入力信号なし）のスペクトル結果により、例えば、約３０１．６ＧＨｚ近傍において、規格化電力は、約３０ｄＢが得られている。
【０１３５】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路において、作製されたデバイスの測定結果であって、アンテナから放射されたテラヘルツ波（ミキサ入力信号有り）の規格化検出電力と周波数との関係（スペクトル）は、図３０に示すように表される。
【０１３６】
発振器部分のＲＴＤバイアス電圧＝０．７Ｖとして、負性抵抗条件を設定している。
【０１３７】
ミキサ部のＲＴＤバイアス電圧＝０．４Ｖとして、通常のインピーダンスとなる条件に設定している。図３０に示すような変調信号が得られ、変調周波数は、例えば、約３００ＭＨｚ、規格化電力は、約２０ｄＢが得られている。
【０１３８】
（応用例１）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２において、構造の応用例１として、共振部を複数配列し、複数の機能素子をアレイ化した例の模式的ブロック構成は、図３１に示すように表される。
【０１３９】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２は、図３１に示すように、分岐およびＨＰＦ機能を有する分岐回路・ＨＰＦ部１５０Ｈをさらに備え、複数の能動素子９０1・９０2・…・９０nを分岐回路・ＨＰＦ部１５０Ｈを介して、アンテナ部１００Ａに接続しても良い。
【０１４０】
複数の能動素子９０1・９０2・…・９０nには、それぞれ共振部２００Ｒ１・２００Ｒ２・…・２００Ｒｎが接続される。また、共振部２００Ｒ１・２００Ｒ２・…・２００Ｒｎには、バイアス電源の供給およびデータ信号を送受信するバイアス電源・データ信号送受信部３００Ｒ１・３００Ｒ２・…・３００Ｒｎが接続されていても良い。
【０１４１】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２において、構造の応用例１には、共振部２００Ｒ１・２００Ｒ２・…・２００Ｒｎが複数配置されているが、同じ共振部にするか異なる共振部にするかは使用目的に応じて選択可能である。一例は、同じ共振部を配列して，出力を合成して高める場合に相当する。別の例として、異なる共振部を配列し、複数の周波数の信号を多重化させることも可能である。いずれもモノリシックにワンチップかする場合と、複数のチップをハイブリッドで集積させる構成もあり得る。
【０１４２】
（応用例２）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２において、構造の応用例２として、共振部を複数配列し、かつミキサ部に分岐結合して、複数の発振素子アレイで高出力化する例の模式的ブロック構成は、図３２に示すように表される。
【０１４３】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２は、図３２に示すように、分岐およびＨＰＦ機能を有する分岐回路・ＨＰＦ部１５０Ｈをさらに備え、複数の能動素子９０1・９０2・…・９０nを分岐回路・ＨＰＦ部１５０Ｈを介して、ミキサ部４００Ｍに接続しても良い。
【０１４４】
複数の能動素子９０1・９０2・…・９０nには、それぞれ共振部２００Ｒ１・２００Ｒ２・…・２００Ｒｎが接続される。また、共振部２００Ｒ１・２００Ｒ２・…・２００Ｒｎには、バイアス電源を供給するバイアス電源供給部３００Ｂ１・３００Ｂ２・…・３００Ｂｎが接続されていても良い。
【０１４５】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２において、構造の応用例２には、共振部２００Ｒ１・２００Ｒ２・…・２００Ｒｎが複数配置されているが、同じ共振部にするか異なる共振部にするかは使用目的に応じて選択可能である。一例は、同じ共振部を配列して、出力を合成して高める場合に相当する。別の例として、異なる共振部を配列し、複数の周波数の信号を多重化させることも可能である。いずれもモノリシックにワンチップかする場合と、複数のチップをハイブリッドで集積させる構成もあり得る。
【０１４６】
（応用例３）
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２において、構造の応用例３として、Ｉ／Ｑ位相の発振器と結合したＩ／Ｑ位相のミキサ部を配列し、Ｉ／Ｑ変復調機能を実現した例の模式的ブロック構成は、図３３に示すように表される。
【０１４７】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ集積回路３２は、図３３に示すように、自由空間に対してテラヘルツ波を送受信可能なアンテナ１４０Ａと、アンテナ１４０Ａに接続された第１伝送線路１２０Ａとを有するアンテナ部１００Ａと、アンテナ部１００Ａに接続された第１ミキサ部４００Ｍ１および第２ミキサ部４００Ｍ２と、第１ミキサ部４００Ｍ１を介して第１伝送線路１２０Ａに接続され、テラヘルツ波を送受信可能な第１能動素子９０と、第２ミキサ部４００Ｍ２と第１能動素子９０との間に配置された９０°位相変更器５００と、第１能動素子９０に接続され、第１能動素子９０に給電するための第２伝送線路２２０Ｒと、第２伝送線路２２０Ｒに接続され、テラヘルツ波に対する第１低域通過フィルタ２４０Ｒとを有する共振部２００Ｒとを備えていても良い。ここで、第１伝送線路１２０Ａのインピーダンス変換により、アンテナ１４０Ａと能動素子９０との間をインピーダンス整合することができる。
【０１４８】
ここで、第１ミキサ部４００Ｍ１は、図３３に示すように、第１伝送線路１２０Ａに接続され、テラヘルツ波を送受信可能な第２能動素子９０Ｍ１と、第２能動素子９０Ｍ１に接続され、第２能動素子９０Ｍ１に給電するための第３伝送線路２２０Ｄ１と、第３伝送線路２２０Ｄ１に接続され、テラヘルツ波に対する第２低域通過フィルタ２４０Ｄ１と、第２能動素子９０Ｍ１に接続され、テラヘルツ波に対する第１高域通過フィルタ４４０Ｍ１と、第１高域通過フィルタ４４０Ｍ１を介して第２能動素子９０Ｍ１に接続された第４伝送線路４２０Ｍ１とを備えていても良い。
【０１４９】
同様に、第２ミキサ部４００Ｍ２は、図３３に示すように、第１伝送線路１２０Ａに接続され、テラヘルツ波を送受信可能な第３能動素子９０Ｍ２と、第３能動素子９０Ｍ２に接続され、第３能動素子９０Ｍ２に給電するための第５伝送線路２２０Ｄ２と、第５伝送線路２２０Ｄ２に接続され、テラヘルツ波に対する第３低域通過フィルタ２４０Ｄ２と、第３能動素子９０Ｍ２に接続され、テラヘルツ波に対する第２高域通過フィルタ４４０Ｍ２と、第２高域通過フィルタ４４０Ｍ２を介して第３能動素子９０Ｍ２に接続された第６伝送線路４２０Ｍ２とを備えていても良い。また、第１伝送線路１２０Ａのインピーダンス変換により、アンテナ１４０Ａと能動素子９０Ｍ１・９０Ｍ２との間をインピーダンス整合することができる。
【０１５０】
また、共振部２００Ｒに接続され、第１能動素子９０に対するバイアス電源を供給するバイアス電源供給部３００Ｂをさらに備えていても良い。
【０１５１】
また、第１ミキサ部４００Ｍ１に接続され、第２能動素子９０Ｍ１に対するバイアス電源およびＩ相データ信号を供給する第１バイアス電源・Ｉ-データ信号供給部３００ＤＩと、第２ミキサ部４００Ｍ２に接続され、第３能動素子９０Ｍ２に対するバイアス電源およびＱ相データ信号を供給する第２バイアス電源・Ｑ-データ信号供給部３００Ｄ２とをさらに備えていても良い。
【０１５２】
また、第１分岐部１５０１および第２分岐部１５０２をさらに備え、第２能動素子９０Ｍ１および第３伝送線路２２０Ｄ１は、第１分岐部１５０１を介して第１伝送線路１２０Ａに接続されていても良く、第３能動素子９０Ｍ２および第５伝送線路２２０Ｄ２は、第２分岐部１５０２を介して第１伝送線路１２０Ａに接続されていても良い。
【０１５３】
さらに、第３高域通過フィルタ１６０をさらに備え、第１ミキサ部４００Ｍ１および第２ミキサ部４００Ｍ２は、第３高域通過フィルタ１６０を介して、アンテナ部１００Ａに接続されていても良い。
【０１５４】
更に、図３３の構成を簡易化した模式的ブロック構成は、図３４（ａ）に示すように表され、図３４（ａ）において、Ｉ／Ｑ変復調機能の説明図は、図３４（ｂ）に示すように表される。
【０１５５】
Ｉ／Ｑ位相発振器３００ＩＱは、単一の局部発振器（共振部２００Ｒ）の出力を２つに分離し、その１つを９０°位相変更器５００へ入力して、位相差が９０°の局部発振信号を生成する。
【０１５６】
Ｉ／Ｑ変復調器は、２つのミキサ部４００Ｍ１・４００Ｍ２にＩ／Ｑ位相発振器３００ＩＱの信号を各々の局部発振器信号として入力する。
【０１５７】
変調動作の場合には各ミキサ部４００Ｍ１・４００Ｍ２にＩ相とＱ相に対応するベースバンド変調信号を入力する。
【０１５８】
ミキサ部４００Ｍ１・４００Ｍ２からの出力は、同一周波数で９０°位相差を有する直交信号の合成となるため、分配器１５０ＩＱを通過したアンテナ１００Ａからの出力は、図３４（ｂ）に示すように、４つ位相を持つＱＰＳＫ(quadrature phase shift keying)変調特性が得られる。
【０１５９】
復調動作の場合には、逆過程でアンテナ１００ＡからＱＰＳＫ変調された信号が復調され、Ｉ相とＱ相に対応するベースバンド信号出力が得られる。
【０１６０】
さらに、ベースバンド入力の振幅に対して、多段階として、多値の信号を割り当てると、ＱＡＭ(quadrature amplitude modulation)として動作も可能である。
【０１６１】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態に係るテラヘルツ素子を適用し、局部発振器のテラヘルツ波とデータ信号を混合し、テラヘルツ信号の位相変調や同期検波、変復調における送受信効率の向上可能なテラヘルツ集積回路を提供することができる。
【０１６２】
本実施の形態によれば、伝送線路のインピーダンス変換効果により、能動素子とアンテナとの高効率整合可能なテラヘルツ素子およびテラヘルツ集積回路を提供することができる。
【０１６３】
[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およびテラヘルツ集積回路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。
【０１６４】
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】
【０１６５】
本実施の形態のテラヘルツ素子およびテラヘルツ集積回路は、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】
【０１６６】
１…半導体基板
２Ｂ、４Ｂ…ボータイアンテナ（アンテナ電極）
２Ｄ、４Ｄ…ダイポールアンテナ（アンテナ電極）
９、１３０…層間絶縁膜
２０Ｐ、２０Ｍ…パッド電極（カソード電極）
４０Ｐ、４０Ｍ……パッド電極（アノード電極）
２０、４０…電極
２０Ｓ、４０Ｓ、２０Ｆ、４０Ｆ、１２０Ａ、２２０Ｒ、２２０Ｒ１、２２０Ｒ２、…、２２０Ｒｎ、２２０Ｄ１、２２０Ｄ２、４２０Ｍ、４２０Ｍ１、４２０Ｍ２…伝送線路
３０…テラヘルツ素子
３２…テラヘルツ集積回路
５０、５０Ｍ…ＭＩＭリフレクタ
９０、９０Ｍ、９０1、９０2、…、９０n…能動素子（ＲＴＤ）
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
１００Ａ…アンテナ部
１１４、１１４Ｓ、２６０Ｒ、２６０Ｒ１、２６０Ｒ２、…、２６０Ｒｎ…並列抵抗（抵抗素子）
１４０Ａ…アンテナ
１５０、１５０Ｂ、１５０１、１５０２…分岐部
１５０ＩＱ…分配器
１５０Ｈ…分岐回路・ＨＰＦ部
１６０、４４０Ｍ、４４０Ｍ１、４４０Ｍ２…高域通過フィルタ（ＨＰＦ）
２００Ｒ、２００Ｒ１、２００Ｒ２、…、２００Ｒｎ…共振器
２４０Ｒ、２４０Ｒ１、２４０Ｒ２、…、２４０Ｒｎ、２４０Ｄ１、２４０Ｄ２…低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
３００Ｂ、３００Ｂ１、３００Ｂ２、…、３００Ｂｎ…バイアス電源供給部
３００Ｄ、３００Ｒ、３００Ｒ１、３００Ｒ２、…、３００Ｒｎ…バイアス電源・データ信号供給部
３００Ｄ１…バイアス電源・Ｉ-データ信号供給部
３００Ｄ２…バイアス電源・Ｑ-データ信号供給部
３００ＩＱ…Ｉ／Ｑ位相発振器
４００Ｍ、４００Ｍ１、４００Ｍ２…ミキサ部
５００…９０°位相変更器
【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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