(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１アノードと第１カソードとを備える第１共鳴トンネルダイオードと、
第２アノードと第２カソードとを備える第２共鳴トンネルダイオードと
を備え、
前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードが逆並列に接続されると共に、前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードの内、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ことを特徴とする共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項２】
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、非対称の電流電圧特性を有することを特徴とする請求項１に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項３】
前記第１アノードと前記第２カソードが接続され、前記第１カソードと前記第２アノードが接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項４】
半導体基板を備え、
前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードは、前記半導体基板上に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項５】
前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードは、前記半導体基板上に集積化されることを特徴とする請求項４に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項６】
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
を備え、前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードの内、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ことを特徴とする共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項７】
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、非対称の電流電圧特性を有することを特徴とする請求項６に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項８】
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７に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項９】
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８に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１０】
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９に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１１】
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９に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１２】
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８〜１１のいずれか１項に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１３】
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１２に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１４】
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テーパースロットアンテナを備えることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか１項に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１５】
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８〜１４のいずれか１項に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１６】
前記テーパースロットアンテナは、前記半導体基板上に対向する前記第１カソード電極と前記第２カソード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カソード電極と前記第２カソード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１４に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１７】
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、前記共鳴トンネルダイオード型発振器の配置に対し、前記導波路と反対側に配置されたＭＩＭリフレクタを備えることを特徴とする請求項１６に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器。
【請求項１８】
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
を有し、
前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードの内、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ように、前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードとを逆並列に接続することを特徴とする共鳴トンネルダイオード型発振器の製造方法。
【請求項１９】
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１８に記載の共鳴トンネルダイオード型発振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施の形態は、共鳴トンネルダイオード型発振器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 double-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】
ＲＴＤを有するテラヘルツ波発振器は、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という問題が存在する。寄生発振を抑制する方法として、ダイオードに対して並列に抵抗を配置し、外部回路に対して負性抵抗が見えないようにするという手法が用いられる。これまでは、抵抗値の比較的高いビスマス(Ｂｉ)や半導体プロセスでも一般的に使われるニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、白金（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た。しかしながら、構造上、ＲＴＤとは別のメタル配線用の金属層が必要で工程数が増加する。また、メタル配線の信頼性もばらつきがあり不安定である。さらに、将来的に数１０Ｇｂｐｓを超える高速無線通信などの応用を見据えた場合、それだけの高速変調を実現しなければならないが、メタル配線では応答速度に限界がある。
【００１０】
本実施の形態は、メタル配線無しでＲＴＤと外部回路の寄生発振を抑え、かつプロセス工程数を増やすことなく高信頼性を有する共鳴トンネルダイオード型発振器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】
【００１１】
本実施の形態の一態様によれば、第１アノードと第１カソードとを備え、非対称の電流電圧特性を有する第１共鳴トンネルダイオードと、第２アノードと第２カソードとを備え、非対称の電流電圧特性を有する第２共鳴トンネルダイオードとを備え、前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードが逆並列に接続されると共に、前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードの内、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共鳴トンネルダイオード型発振器が提供される。
【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を備え、前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードの内、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共鳴トンネルダイオード型発振器が提供される。
【００１３】
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を有、前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードの内、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ように、前記第１共鳴トンネルダイオードと前記第２共鳴トンネルダイオードとを逆並列に接続する共鳴トンネルダイオード型発振器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本実施の形態によれば、メタル配線無しでＲＴＤと外部回路の寄生発振を抑え、かつプロセス工程数を増やすことなく高信頼性を有する共鳴トンネルダイオード型発振器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】
【００１５】
【図１】基本技術に係るＲＴＤの模式的鳥瞰構成図。
【図２】基本技術に係るＲＴＤの模式的回路表現。
【図３】基本技術に係るＲＴＤの電流−電圧特性。
【図４】並列抵抗が無い場合の基本技術に係るＲＴＤにおいて、（ａ）簡易的な等価回路図、（ｂ）外部回路との寄生発振の説明図。
【図５】並列抵抗が有る場合の基本技術に係るＲＴＤにおいて、（ａ）簡易的な等価回路図、（ｂ）外部回路との寄生発振が抑制されたＲＦ基本発振の説明図。
【図６】並列抵抗が有る場合の基本技術に係るＲＴＤのデバイス表面写真例。
【図７】並列抵抗が有る場合の基本技術に係るＲＴＤの別のデバイス表面写真例であって、（ａ）抵抗配線幅が３μｍの例、（ｂ）抵抗配線幅が５μｍの例、（ｃ）抵抗配線幅が１０μｍの例、（ｂ）抵抗配線幅が２０μｍの例。
【図８】（ａ）実施の形態に係るＲＴＤ型発振器に適用可能なＲＴＤ１の模式的断面構造図、（ｂ）実施の形態に係るＲＴＤ型発振器に適用可能なＲＴＤ２の模式的断面構造図。
【図９】実施の形態に係るＲＴＤ型発振器に適用可能なＲＴＤ１の非対称電流電圧特性例。
【図１０】実施の形態に係るＲＴＤ型発振器の等価回路構成図。
【図１１】実施の形態に係るＲＴＤ型発振器に適用可能なＲＴＤ１の非対称電流電圧特性例。
【図１２】実施の形態に係るＲＴＤ型発振器に適用可能なＲＴＤ２の非対称電流電圧特性例。
【図１３】実施の形態に係るＲＴＤ型発振器において、ＲＴＤ１とＲＴＤ２の合成抵抗から見積もった電流電圧特性例。
【図１４】実施の形態に係るＲＴＤ型発振器の配線構造の模式的平面構成図。
【図１５】図１４のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。
【図１６】図１４のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１７】図１４のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１８】実施の形態に係るＲＴＤ型発振器に適用可能なＲＴＤ１の変形例の模式的断面構造図。
【図１９】実施の形態に係るＲＴＤ型発振器に適用可能なＲＴＤ１・ＲＴＤ２の同時工程で形成可能な模式的断面構造図。
【図２０】ダイポールアンテナを備える実施の形態に係るＲＴＤ型発振器の模式的平面パターン構成図。
【図２１】テーパースロットアンテナを備える実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
[基本技術]
基本技術に係るＲＴＤの模式的鳥瞰構成は、図１に示すように表される。また、基本技術に係るＲＴＤの模式的回路表現は、図２に示すように表され、基本技術に係るＲＴＤの電流−電圧特性は、図３に示すように表される。
【００１８】
基本技術に係るＲＴＤは、図１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、絶縁層を挟み第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、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の略中央部に配置された能動素子９０と、能動素子９０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と、第１の電極４と第２の電極２間に接続されたビスマスからなる抵抗素子１１４とを備える。能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものである。
【００１９】
ＲＴＤを有するテラヘルツ波発振器は、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。
【００２０】
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は、図２に示すように、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。
【００２１】
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、図３に示すように、抵抗配線前に比べて、抵抗配線後では、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ており、寄生発振の抑制効果があることが確認される。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
これまでは、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。しかしながら、ＲＴＤとは別のレイヤーが必要で工程数が増加する。また、メタル配線の信頼性もばらつきがあり不安定である。さらに、将来的に数１０Ｇｂｐｓを超える高速無線通信などの応用を見据えた場合、それだけの高速変調を実現しなければならないが、メタル配線では応答速度に限界がある。確かに配線の薄膜化および形状の最適化を行うことで高速応答に対応可能であるが、その分、作製誤差や信頼性の低下が懸念される。
【００２５】
並列抵抗が無い場合の基本技術に係るＲＴＤにおいて、簡易的な等価回路構成は、図４（ａ）に示すように表され、外部回路との寄生発振の説明図は、図４（ｂ）に示すように表される。また、並列抵抗Ｒpが有る場合の基本技術に係るＲＴＤにおいて、簡易的な等価回路構成は、図５（ａ）に示すように表され、外部回路との寄生発振が抑制されたＲＦ基本発振の説明図は、図５（ｂ）に示すように表される。
【００２６】
図４・図５において、Ｌ１・Ｌ２は、ＲＴＤ部から見て回路的に外部に当たる部分のボンディングワイヤやリード線等の配線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、アノード端子Ａ・カソード端子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。
【００２７】
（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、図４（ｂ）の実線の矢印で示すように、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。図４（ｂ）において、破線は本発振が抑制される様子を示し、実線は寄生発振を発生する様子を示す。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。
【００２８】
（並列抵抗）
一般的に寄生発振を抑える方法として、図５（ａ）・図５（ｂ）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。図５（ｂ）において、破線は寄生発振のＱ値を低下させて発振を抑制している様子を示し、実線は効率よく本発振が行われる様子を示す。
【００２９】
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。
【００３０】
（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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。これにより、定性的に並列抵抗Ｒpが寄生発振を抑えることがわかる。
【００３３】
（ＲＴＤのデバイス表面顕微鏡写真）
並列抵抗が有る場合の基本技術に係るＲＴＤのデバイス表面顕微鏡写真例は、図６に示すように表される。図６は、図１の上面図に対応している。
【００３４】
また、並列抵抗が有る場合の基本技術に係るＲＴＤの別のデバイス表面顕微鏡写真例であって、抵抗配線幅が３μｍの例は図７（ａ）に示すように表され、抵抗配線幅が５μｍの例は図７（ｂ）に示すように表され、抵抗配線幅が１０μｍの例は図７（ｃ）に示すように表され、抵抗配線幅が２０μｍの例は図７（ｄ）に示すように表される。
【００３５】
基本技術に係るＲＴＤにおいては、これまでに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を作製してきた。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してきた。
【００３６】
しかしながら、メタル配線を行うためには、プロセスの工程数を増やす必要がある。また、通電試験などでＢｉ配線等の特性を解析したところ、動作環境温度に対して抵抗値の変化が見られた。これは金属材料の一般的な特性ではあるが、ただの配線ではなくＲＴＤとのマッチングを考慮した設計となっているため温度に対する抵抗値変化は、デバイスの安定動作に影響を及ぼす可能性がある。また、素子の故障モードとしてメタル配線が使用時に断線してしまう問題もある。
【００３７】
また、メタル配線はある程度のインピーダンスを持ち、高周波駆動においては損失要因となる。そのため、デバイスの高速動作に対してハンディキャップとなってしまう可能性がある。
【００３８】
[実施の形態]
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０に適用可能な第１ＲＴＤ１の模式的断面構造は、図８（ａ）に示すように表され、第２ＲＴＤ２の模式的断面構造は、図８（ｂ）に示すように表される。図８（ａ）・図８（ｂ）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。
【００３９】
また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０に適用可能な第１ＲＴＤ１の非対称電流−電圧特性例は、図９に示すように表される。
【００４０】
また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０の等価回路構成は、図１０中の参照番号３０で示される部分に示すように表される。
【００４１】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０は、図１０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。
【００４２】
例えば、図９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９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。
【００４３】
また、図１０に示すように、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００４４】
（非対称電流電圧特性）
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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１１に示すように表される。また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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１２に示すように表される。
【００４５】
さらに、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０において、図１１・図１２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１３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。
【００４６】
例えば、第１ＲＴＤ１の非対称電流電圧特性例（図１１）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１２）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。
【００４７】
したがって、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００４８】
図１１・図１２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１０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。
【００４９】
図９・図１１に示す第１ＲＴＤ１の電流電圧特性と、図１３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、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器によれば，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。
【００５０】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。余計な配線がない分、信頼性と高周波特性の向上も可能である。
【００５４】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。既存のデバイスから、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。
【００５５】
寄生発振の抑制のためにＳＢＤを適用する場合も考えられるが、寄生発振の抑制のためにＲＴＤを適用する実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０においては、さらに以下の効果がある。すなわち、
（Ａ）同じエピ基板を用いるＳＢＤであれば、ＲＴＤとは別にＳＢＤを構成するエピ層を形成させなければならない。エピ膜成長技術の開発が必要であり、成膜の技術的なハードルが上がる。それに比べて、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０においては、現状のエピ基板をそのまま使用することができる。同一のエピ基板を用いることが可能であるため、技術的なハードルは比較的低い。
【００５６】
（Ｂ）同一プロセスで集積化できる。現状のプロセスから、マスクの変更で対応ができるため、プロセスの工程数を増やさずに実現ができる。
【００５７】
（Ｃ）コストの削減効果がある。メタル配線を無くすことで、工程数が減少するため、製造コスト低減に寄与することができる。
【００５８】
（デバイス構造）
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０の配線構造の模式的平面構成は、図１４に示すように表され、図１４のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図１５に示すように表され、図１４のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１６に示すように表され、図１４のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１７に示すように表される。
【００５９】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００６０】
また、第１ＲＴＤ１と第２ＲＴＤ２は、図１４〜図１７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。
【００６１】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０は、図１４〜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が前記第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とを備える。ここで、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。
【００６２】
また、第１ＲＴＤ１および第２ＲＴＤ２は、非対称の電流電圧特性を有する。
【００６３】
また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０は、図１４〜図１７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。
【００６４】
尚、電気的に絶縁が必要な場所には、図１５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。
【００６５】
―ＲＴＤ―
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０に適用可能な第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２の構成例は、図８（ａ）・図８（ｂ）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、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４と、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２とを備える。
【００６６】
図８（ａ）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。
【００６７】
同様に、図８（ｂ）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。
【００６８】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０において、第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２は、図８（ａ）・図８（ｂ）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。
【００６９】
また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００７０】
また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００７１】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０を実現可能なものとしている。
【００７２】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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９若しくは図１１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。
【００７３】
同様に、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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１２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。
【００７４】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【００７５】
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。
【００７６】
なお、図８（ａ）および図８（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。
【００７７】
（変形例）
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０に適用可能な第１ＲＴＤ１の変形例の模式的断面構造は、図１８に示すように表される。図１８においては、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置されたｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｃの形成を省略している。第１の電極４とＧａＩｎＡｓ層９１ｂとのコンタクトが問題にならない場合には、図１８に示すように、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃの形成を省略しても良い。なお、この変形例の構造は、第２ＲＴＤ２においても同様に適用可能である。
【００７８】
（アンテナ構造）
本実施の形態に係る共鳴トンネルダイオード型発振器には、例えばスロットアンテナ、ボータイアンテナ、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。
【００７９】
ダイポールアンテナを備える実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００８０】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０は、図２０に示すように、第１カソードＫ１および第２カソードＫ２に接続されたダイポールアンテナ２０Ｄ・４０Ｄを備えていても良い。
【００８１】
また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０は、図２０に示すように、ダイポールアンテナ２０Ｄ・４０Ｄに接続されたフィード線２０Ｆ・４０Ｆと、フィード線２０Ｆ・４０Ｆに接続されたパッド電極２０Ｐ・４０Ｐを備えていても良い。
【００８２】
また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０は、第１カソードＫ１と第２カソードＫ２との間に接続されたＭＩＭリフレクタ（図示省略）を備えていても良い。
【００８３】
テーパースロットアンテナ２０Ｔ・４０Ｔを備える実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０の模式的平面パターン構成は、図２１に示すように表される。
【００８４】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０は、図２１に示すように、第１カソードＫ１および第２カソードＫ２に接続されたテーパースロットアンテナ２０Ｔ・４０Ｔを備えていても良い。
【００８５】
また、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０において、テーパースロットアンテナ２０Ｔ・４０Ｔは、図２１に示すように、半導体基板１上に対向する第１カソードＫ１と第２カソードＫ２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カソードＫ１と第２カソードＫ２間に配置されたホーン開口部８０とを備えていても良い。ここで、実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０において、第１カソードＫ１・第２カソードＫ２は、第２アノードＡ２・第１アノードＡ１に接続される。
【００８６】
また、テーパースロットアンテナ２０Ｔ・４０Ｔを備える実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０は、第１カソードＫ１と第２カソードＫ２との間に接続され、共鳴トンネルダイオード型発振器３０の共振器６０の配置に対し、導波路７０と反対側に配置されたＭＩＭリフレクタ５０を備えていても良い。
【００８７】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器は、図２１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のアンテナ電極２０Ｔと、第２のアンテナ電極２０Ｔに対して絶縁層を介して配置され、かつ半導体基板１上に第２のアンテナ電極２０Ｔに対向して配置された第１のアンテナ電極４０Ｔと、絶縁層を挟み第１のアンテナ電極４０Ｔと第２のアンテナ電極２０Ｔ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のアンテナ電極４０Ｔと第２のアンテナ電極２０Ｔ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第１ＲＴＤ１および第２ＲＴＤ２と、共振器６０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１のアンテナ電極４０Ｔと第２のアンテナ電極２０Ｔ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のアンテナ電極４０Ｔと第２のアンテナ電極２０Ｔ間に配置されたホーン開口部８０とを備える。
【００８８】
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１のアンテナ電極４０Ｔと第２のアンテナ電極２０Ｔとの間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。第１ＲＴＤ１および第２ＲＴＤ２の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、第１ＲＴＤ１および第２ＲＴＤ２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、テラヘルツ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。
【００８９】
また、図２１に示すように、導波路７０における第１のアンテナ電極４０Ｔと第２のアンテナ電極２０Ｔ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のアンテナ電極４０Ｔと第２のアンテナ電極２０Ｔ間の間隔は狭い。
【００９０】
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のアンテナ電極４０Ｔと第２のアンテナ電極２０Ｔ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。
【００９１】
第１のアンテナ電極４０Ｔおよび第２のアンテナ電極２０Ｔ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のアンテナ電極４０Ｔおよび第２のアンテナ電極２０Ｔの各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、図２１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のアンテナ電極４０Ｔおよび第２のアンテナ電極２０Ｔ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。
【００９２】
尚、第１のアンテナ電極４０Ｔ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のアンテナ電極２０Ｔ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。
【００９３】
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。
【００９４】
（製造方法）
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器の製造方法は、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。
【００９５】
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。
【００９６】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００９７】
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、集積化された実施の形態に係るＲＴＤ型発振器３０の第１ＲＴＤ１・第２ＲＴＤ２部分の模式的断面構造は、図１９に示すように表される。各層の構成は、図８（ａ）・図８（ｂ）と同様であるため、重複説明は省略する。
【００９８】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【００９９】
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。
【０１００】
実施の形態に係るＲＴＤ型発振器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。
【０１０１】
本実施の形態に係るＲＴＤ型発振器は、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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
本実施の形態によれば、メタル配線無しでＲＴＤと外部回路の寄生発振を抑え、かつプロセス工程数を増やすことなく高信頼性を有する共鳴トンネルダイオード型発振器およびその製造方法を提供することができる。
【０１０４】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態およびその変形例に係るＲＴＤ型発振器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。
【０１０５】
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】
【０１０６】
本実施の形態のＲＴＤ型発振器は、デバイスベースでは、テラヘルツ発振器、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】
【０１０７】
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）
５,６…凹部
９…層間絶縁膜
２０Ｄ、４０Ｄ…ダイポールアンテナ（アンテナ電極）
２０Ｔ、４０Ｔ…テーパースロットアンテナ（アンテナ電極）
２０Ｆ、４０Ｆ…フィード線
２０Ｐ、４０Ｐ…パッド電極
３０…ＲＴＤ型発振器
５０…ＭＩＭリフレクタ
６０…共振器
７０…導波路
８０…ホーン開口部
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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