(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数を有するテラヘルツ波を発振する発振素子において、
二つの導体を有し、前記テラヘルツ波が共振するアンテナと、
前記二つの導体の間に配置されており、互いに電気的に並列に接続されている少なくとも３つの負性抵抗素子と、を有し、
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれは、前記少なくとも３つの負性抵抗素子のリアクタンスを考慮して求められた前記アンテナで共振する前記テラヘルツ波の同位相面に対する位相差の絶対値がπ／８以下となる位置、に配置されており、
前記少なくとも３つの負性抵抗素子は、円弧状に配置されていることを特徴とする発振素子。
【請求項２】
前記位置は、前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれが発振するテラヘルツ波の周波数が等しくなる位置であることを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項３】
前記二つの導体の少なくとも一方と前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれとが、半導体層を介して電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発振素子。
【請求項４】
前記アンテナは、前記二つの導体及び前記二つの導体の間に配置されている誘電体を有するパッチアンテナであり、
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれは、前記二つの導体の少なくとも一方に接触して並置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項５】
前記同位相面は、前記アンテナで共振する前記テラヘルツ波の共振方向に平行な軸を境として線対称な円弧であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項６】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれの半導体活性層の電流が流れる方向に垂直な断面の面積は、互いに等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項７】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれが発振するテラヘルツ波のうち最も高い周波数との差が前記最も高い周波数の２％以内であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項８】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれは、前記同位相面に対する位相差の絶対値がπ／１６以下となる位置に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項９】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれの半導体活性層の電流が流れる方向に垂直な断面の面積が１０μｍ２以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項１０】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれは、シリコンを含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項１１】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれは、化合物系半導体材料を含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項１２】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれは、ＩＩＩ−Ｖ族系半導体材料を含むことを特徴とする請求項１１に記載の発振素子。
【請求項１３】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれの半導体活性層の電流が流れる方向に垂直な断面の面積が１μｍ２以下であることを特徴とする請求項１２に記載の発振素子。
【請求項１４】
前記少なくとも３つの負性抵抗素子は、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から１３のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項１５】
前記アンテナは凸部を有し、前記少なくとも３つの負性抵抗素子の間に前記凸部が配置されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項１６】
前記同位相面に対する位相差の絶対値が７π／８以上９π／８以下となる位置に配置されている負性抵抗素子を更に有することを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の発振素子。
【請求項１７】
電磁波を発振する発振器であって、請求項１から１６のいずれか一項に記載の発振素子と、前記発振素子に直流電圧を印加する電源ユニットと、を有することを特徴とする発振器。
【請求項１８】
電磁波を用いて測定物を撮像する撮像装置であって、
電磁波を測定物に発振する請求項１７に記載の発振器と、
前記測定物を透過または反射した電磁波を検出する検出器と、
前記検出器が検出した電磁波に関する情報から前記測定物に関する像を構築する像構築部と、を有することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を発振する発振素子、発振器及びこれを用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アンテナ（共振器）と共鳴トンネルダイオード等の負性抵抗素子を有する構造は、電磁波の発振素子として有用である。この共鳴トンネルダイオード等の負性抵抗素子とアンテナを用いて、ミリ波帯（３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）からテラヘルツ波帯まで（３００ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）の周波数帯域のうちの少なくとも一部の周波数成分を含む電磁波を発生させる発振素子や発振器が知られている。
【０００３】
こうした発振素子の発振出力は、発振する電磁波の発振周波数の高周波化にともない低下する傾向がみられ、例えば、１００ＧＨｚ前後ではｍＷ級の程度の出力が得られるが、１ＴＨｚ前後ではμＷ級まで出力が低下してしまう。発振出力が低下する原因のひとつとして、発振周波数の高周波化に伴う負性抵抗素子の接合面積の微細化に起因する。
【０００４】
一般に、共鳴トンネルダイオード等の負性抵抗素子は、接合容量Ｃｊと、負性抵抗素子から共振器までの抵抗に相当する直列抵抗ＲｓとによるＲＣローパスフィルタの機能を形成することが知られている。つまり、ＲＣローパスフィルタの機能により信号の高周波成分が遮断され、カットオフ周波数ｆｃ（＝（２π×ＲｓＣｊ）−１）よりも高い周波数帯域の電磁波については、発振が困難である。そのため、発振素子により発振する周波数帯域の上限となるカットオフ周波数を、発振する電磁波の周波数帯域よりも高くする必要がある。ここで、接合容量Ｃｊは負性抵抗素子の接合面積に比例するため、カットオフ周波数ｆｃ（＝（２π×ＲｓＣｊ）−１）を高める方法のひとつとして接合面積を小さくすればよい。一方で、負性抵抗素子に供給できる電源の電力も、負性抵抗素子の接合面積に比例する。ゆえに、発振周波数の高周波化にともなって、負性抵抗素子に供給できる電力も減少してしまい、発振出力が低下してしまっていた。
【０００５】
そこで、発振出力の低下を抑制するために、パッチアンテナ共振器に複数個の共鳴トンネルダイオードを有する発振素子の構成が開示されている。（特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，０４９，３０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、複数の負性抵抗素子を直線上に並べて配置している構成のために、すべての負性抵抗素子の発振する電磁波が同期する構成とはなっていなかった。即ち、アンテナ（共振器）の中央部に複数の負性抵抗素子が同一間隔で配置されているために、共振させ発振する電磁波の周波数、位相が互いに異なる負性抵抗素子が存在し、それによりいくつかの異なった周波数、位相の電磁波が混在する状態で発振してしまっていた。そのため、発振素子の発振出力が低下する要因となってしまっていた。
【０００８】
そこで本発明は、アンテナに配置したすべての負性抵抗素子が同期して、周波数と位相の揃った電磁波を発振させ、それにより、発振出力を向上させた発振素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により提供される発振素子は、３００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数を有するテラヘルツ波を発振する発振素子において、二つの導体を有し、前記テラヘルツ波が共振するアンテナと、前記二つの導体の間に配置されており互いに電気的に並列に接続されている少なくとも３つの負性抵抗素子と、を有し、前記少なくとも３つの負性抵抗素子のそれぞれは、前記少なくとも３つの負性抵抗素子のリアクタンスを考慮して求められた前記アンテナで共振する前記テラヘルツ波の同位相面に対する位相差の絶対値がπ／８以下となる位置、に配置されており、前記少なくとも３つの負性抵抗素子は、円弧状に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、発振器と撮像装置を包含する。
【００１１】
本発明の発振器は、電磁波を発振する発振器であって、本発明の発振素子と、前記発振素子に直流電圧を印加する電源ユニットと、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の撮像装置は、電磁波を用いて測定物を撮像する撮像装置であって、本発明の発振器と、前記測定物を透過または反射した電磁波を検出する検出器と、前記検出器が検出した電磁波に関する情報から前記測定物に関する像を構築する像構築部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
電磁波を発振する発振出力を高めた発振素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）実施形態１に係る発振素子の概略構成を示す図。（ｂ）実施形態１に係る発振素子の電磁波の同位相面に対して垂直な断面の一部を示す図。（ｃ）実施形態１に係る発振素子の電磁波の同位相面に対して平行な断面を示す図。
【図２】実施形態１に係る発振素子の等価回路を示す図。
【図３】実施形態１に係る二つの負性抵抗素子のテラヘルツ波の時間波形を示す図。
【図４】（ａ）実施形態２に係る発振素子の概略構成を示す図。（ｂ）実施形態２に係る発振素子の断面を示す図。
【図５】実施形態２に係る三つの負性抵抗素子のテラヘルツ波の時間波形を示す図。
【図６】（ａ）実施形態３に係る発振素子の上面を示す模式図。（ｂ）実施形態３に係る発振素子の断面の一部を示す模式図。
【図７】実施形態３に係る負性抵抗素子のテラヘルツ波の時間波形を示す図。
【図８】（ａ）実施例１に係る発振素子の概略構成を示す図。（ｂ）実施例１に係る発振素子の断面を示す図。
【図９】実施例１に係る発振素子のアドミタンスの虚数成分（サセプタンス）を示す図。
【図１０】（ａ）実施例２に係る発振器の概略構成を示す図。（ｂ）実施例２に係る発振器の断面を示す図。
【図１１】実施例２に係る発振素子のアドミタンスの虚数成分（サセプタンス）を示す図。
【図１２】実施例１に係る発振素子の変形例を示す図。
【図１３】（ａ）実施例３に係る発振素子の概略構成を示す図。（ｂ）実施例３に係る発振素子の半導体チップを取り外したときの概略構成を示す図。
【図１４】実施例３に係る発振素子を平面アンテナに適用した構成を示す図。
【図１５】その他実施形態に係る撮像装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の発振素子は、発振素子の発振出力を向上させるための構成を備える。
【００１６】
本発明の発振素子は、電磁波をガイドする単数または複数のアンテナと、前記アンテナに電気的に直列に接続され、かつ互いに並列に接続された複数の負性抵抗素子と、を有するものである。
【００１７】
そして、本発明の発振素子においては、複数の負性抵抗素子は、それぞれの負性抵抗素子が発振する電磁波の位相が互いに実質的に同位相となる位置または互いに実質的に逆位相となる位置にのみ配置されている。
【００１８】
それぞれの負性抵抗素子が発振する電磁波の位相が互いに実質的に同位相となる位置または互いに実質的に逆位相となる位置は、それぞれの負性抵抗素子の発振する発振周波数が等しくなる位置と捉えることも可能である。
【００１９】
本発明の発振素子によると、アンテナに配置するすべての負性抵抗素子が一つの発振周波数の電磁波を合成して同期させて電磁波を発振することが可能であるため、発振素子の発振出力を高めることができる。
【００２０】
尚、本発明において、負性抵抗素子を、負性抵抗素子が発振する電磁波の位相が互いに実質的に同位相となる位置または互いに実質的に逆位相となる位置に配置するとは、以下を包含する。
【００２１】
即ち、複数の負性抵抗素子それぞれにより、発振伝播される電磁波の位相差が０或いはπとなる配置に限られず、所定の範囲のを有する配置にまで広げて許容される。本実施形態の発振素子では、それぞれに発振伝播される電磁波に対して位相差の絶対値が０以上π／８以下についても同位相に含めている。負性抵抗素子の配置については、詳しくは後述する。
【００２２】
ここで、負性抵抗素子１０１としては、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）、共鳴インターバンド間トンネルダイオード（ＲＩＴＤ）、やガンダイオード、インパットダイオード、タンネットダイオードなどの負性抵抗素子であればよい。あるいはトランジスタにおけるベース−エミッタ構造や、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）におけるゲート−ソース構造として代用してもよい。
【００２３】
一方、アンテナとしては、ダイボールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、カゼクレインアンテナ、パラボラアンテナであれば良い。また、平面アンテナに限らず立体型のアンテナであっても良い。
【００２４】
以下、図面に基づき本発明の実施形態ないし実施例について詳しく説明する。尚、説明を簡単にするために実施形態では本発明の概念を示し、具体的な構成については実施例で示すこととする。
【００２５】
（実施形態１）
［発振素子の構成］
図１（ａ）は本実施形態に係る発振素子の一部を示す概略図である。（ｂ）は本実施形態に係る発振素子の電磁波の同位相面に対して垂直な断面の一部を示す図である。（ｃ）は本実施形態に係る発振素子の電磁波の同位相面に対して平行な断面を示す図である。
【００２６】
本実施形態に係る発振素子３は、ミリ波帯からテラヘルツ波帯まで、即ち３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数帯域の一部を含む電磁波（以下、テラヘルツ波と呼ぶ）を発振することが可能な素子である。
【００２７】
図に示すように発振素子３は、二つの負性抵抗素子１０１と、電磁波をガイドする発振用のアンテナであるストリップ導体１０３、１０４とを有する。二つの負性抵抗素子１０１はそれぞれ電磁波をガイドするストリップ導体１０３、１０４と電気的に接続されている。ここでは、アンテナは、一対の導体で構成され、該一対のうちの一方の導体に接触して複数の負性抵抗素子が並置されている。
【００２８】
また、発振素子３は、基板１、誘電体２を有する。
【００２９】
図１（ａ）に示すように、本実施形態の発振素子３は、電気的に並列に接続された負性抵抗素子１０１を二つ有し、負性抵抗素子１０１が発振する電磁波に対して同位相となるように配置されている。
【００３０】
負性抵抗素子１０１は、ミリ波帯からテラヘルツ帯、即ち３０ＧＨｚから３０ＴＨｚまでの周波数帯域の一部を含む電磁波を発振可能とするために、微細な接合面積とする必要がある。
【００３１】
ここで言う負性抵抗素子の接合面積とは、電流−電圧特性に負性抵抗をもたらす面積のことである。これは負性抵抗素子を構成する接合部（半導体活性層）の電流が流れる方向に垂直な断面の面積と捉えることができる。
【００３２】
そしてその寸法は、負性抵抗素子１０１を構成する材料としてシリコンを用いたものであれば１μｍ２以下である。また、比較的易動度の高い化合物系半導体材料のうち、ＧａＡｓなどＩＩＩ−Ｖ族系半導体材料であれば、１０μｍ２以下である。
【００３３】
そのため、本実施形態では、アンテナと接触する負性抵抗素子の接合面積を１０μｍ２以下とすることができる。
というのも、負性抵抗素子のひとつである共鳴トンネルダイオードにおける典型的な接合厚さが数１０ｎｍであること、比誘電率が１０程度であることから接合容量Ｃｊは接合面積に比例して決まる。
【００３４】
また、負性抵抗素子から金属等の共振器までの直列抵抗は半導体材料の易動度によるものの、１００Ω以下に下げることが難しい。そのため、負性抵抗素子を上述した接合面積とすることで、カットオフ周波数ｆｃ（＝（２π×ＲｓＣｊ）−１）を大きくする必要があるためである。
【００３５】
また、図１（ｂ）（ｃ）に示す通り、二つの負性抵抗素子１０１は、それぞれストリップ導体１０３と接触している。また、負性抵抗素子１０１は、半導体層１０２とも接触している。本実施形態の負性抵抗素子１０１の形状としては一様な円柱であり、負性抵抗素子１０１の周囲は誘電体２で囲まれた構造となっている。この誘電体２は伝播される電磁波に対して負性抵抗素子１０１に比べて抵抗がかなり高くなっている。また、負性抵抗素子１０１は、半導体層１０２とも接触している。
【００３６】
これにより、二つのストリップ導体１０３、１０４は負性抵抗素子１０１と半導体層１０２を介して電気的にオーミック接続されている。つまり、アンテナを構成する導体  のうちの少なくとも一つと負性抵抗素子とが、半導体層を介して電気的に直列に接続されている。
【００３７】
半導体層１０２を介しているのは、ステッパ、アライナなどのフォトリソグラフィの限界精度に近く、負性抵抗素子１０１とストリップ導体１０４の間には製造上の限界精度に相当するギャップ１０５が生じるためである。
【００３８】
このギャップ１０５を埋めるために、必要に応じてストリップ導体１０４より電気伝導率が低い半導体層１０２を介すことで前述したギャップ１０５を埋めている。これにより、負性抵抗素子１０１とストリップ導体１０４は、この半導体層１０２を介して電気的にオーミック接続される。
【００３９】
また、半導体層１０２が発振素子からストリップ導体に至るまでの発振素子の抵抗成分である直列抵抗Ｒｓの主要因となる。以下、負性抵抗素子１０１とストリップ導体１０３との接合面積をＡとして、発振素子３の等価回路について説明する。
【００４０】
［発振素子の等価回路］
図２は、本実施形態の発振素子の等価回路について示した図である。ただし、ここでは、単純化するために、負性抵抗素子と半導体層等を合成した抵抗である直列抵抗Ｒｓ、負性抵抗素子の接合容量Ｃｊ、のみで構成されている回路と仮定している。即ち、負性抵抗素子１０１の接合容量Ｃｊと、直列抵抗Ｒｓから成るＲＣ回路、即ちローパス回路を構成しているものと見なせる。
【００４１】
ここで、この発振素子で発振できる電磁波の周波数帯域の上限となる周波数であるカットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝（２π×ＲｓＣｊ）−１として求められる。負性抵抗素子１０１とストリップ導体１０４との間の直列抵抗Ｒｓは、半導体１０１の接合面積をＡとおくと√Ａに逆比例する。一方で、負性抵抗素子が持つと見なせる接合容量Ｃｊは、前述したように理想的には、負性抵抗素子の接合面積Ａに比例する。
【００４２】
発振素子の発振できる周波数帯域の上限となる周波数であるカットオフ周波数ｆｃは、ｆｃ＝（２π×ＲｓＣｊ）−１として求められる。ここで、共鳴トンネルダイオード１０１とストリップ導体１０４との間の直列抵抗Ｒｓは、半導体層１０２の抵抗と略同じと見なすことができ、ショットキーバリアダイオード１０１とストリップ導体１０３との接合面積Ａのとき、√Ａに逆比例することが知られている。一方で、共鳴トンネルダイオード１０１が持つと見なせる接合容量Ｃｊは、理想的にはＡに比例する。つまり、単独での負性抵抗素子１０１については、ＲｓＣｊ∝√Ａという関係が成り立つ。
ここで、発振素子の合成抵抗を低下させ発振出力を向上させるには、直列抵抗Ｒｓを小さくする必要があり、考えられる方法のひとつとして、負性抵抗素子１０１の接合面積Ａを大きくすることが挙げられる。
【００４３】
しかしながら、負性抵抗素子１０１の１つの接合面積Ａを例えば２倍に大きくすると、発振素子の発振できる電磁波の周波数の上限であるカットオフ周波数ｆｃ（＝（２π×ＲｓＣｊ）−１）は、１／√２に小さくなってしまう。つまり、発振できる電磁波の周波数帯域が低下してしまうという問題がある。
【００４４】
そこで、本実施形態の発振素子３は、接合面積Ａの互いに独立する負性抵抗素子１０１を二つ有することで、発振する電磁波の周波数帯域の低下を抑制するとともに発振素子の合成抵抗を低下させることができる。つまり、発振出力を１つの負性抵抗素子１０１を用いる従来の発振素子に比べて、向上させることができる。以下、さらに詳しく説明する。
【００４５】
本実施形態は、負性抵抗素子１０１を二つ備え、それぞれの負性抵抗素子１０１とストリップ導体１０４との間の直列抵抗Ｒｓは並列に接続されて、それぞれに分配されるため、発振素子全体として合成した合成抵抗は直列抵抗Ｒｓの１／２倍、Ｒｓ／２となる。また、接合面積は２Ａと見なせるため、素子全体として合成した並列容量は接合容量Ｃｊの２倍、２Ｃｊとなる。
【００４６】
したがって、本実施形態の発振素子全体としては、１つの負性抵抗素子を用いる従来の発振素子に比べて、直列抵抗Ｒｓが１／２倍、接合容量Ｃｊが２倍となる。そのため、本実施形態の発振素子を、カットオフ周波数ｆｃの式に当てはめると、ｆｃ＝（２π×（Ｒｓ／２）２Ｃｊ）−１となり、負性抵抗素子を１つだけ有する従来の発振素子と比べてカットオフ周波数は低下しない。
【００４７】
一方で、発振素子の発振出力は供給電力と変換効率の積によって決定され、発振素子の負性抵抗素子１０１の接合面積が２Ａと見なせる本実施形態の構成では、負性抵抗素子一つ備える場合に比べて、発振素子への供給電力は２倍となり、理想的には発振出力は２倍となる。
ここで発振素子３の変換効率を落とさずに理想的な発振出力を得るには、配列した二つの負性抵抗素子１０１が互いに発振周波数の近い電磁波を発振することで、同一の周波数で同位相の電磁波を発振する現象である注入同期が掛かるのが理想である。
【００４８】
そのため、発振素子３で発振（共振）する所定の周波数帯域の電磁波に対して、負性抵抗素子１０１の電磁波的な位置が等しくなるように、即ち同位相となるように配置する必要がある。本実施形態では、発振（共振）する電磁波は、左のストリップ導体１０３と右のストリップ導体１０４との間である中央部に位置する負性抵抗素子１０１を介して定在している。
【００４９】
したがって、ストリップ導体１０３を伝播する電磁波に対して、同位相の位置に二つの負性抵抗素子１０１を配置する必要があり、図１において示すように発振する電磁波の同じ波面（ｗａｖｅ  ｆｒｏｎｔ）の位置に二つの負性抵抗素子１０１が配置されている。ここで、ストリップ導体１０３、１０４は発振素子における平面アンテナであり、ストリップ導体１０３、１０４における電磁波の位相や、波面（例えば、等電位面など）が定義し易いように、負性抵抗素子１０１と接しているストリップ導体の部分は平坦な平坦部であることが望ましい。
【００５０】
以上が、負性抵抗素子が１つの場合には負性抵抗素子の接合面積により制限されていた発振出力を、負性抵抗素子を電磁波の同位相となる位置に２つ配置することにより、２倍に向上させる構造である。
【００５１】
図３は、電磁波の注入同期を説明するための図である。この図に示す数値計算は、ファンデルポール（ｖａｎ  ｄｅｒ  ｐｏｌ）非線形方程式を解析することによって理解される。式は次に示す通りであり、ｘ”（τ）−τ（１−ｘ２（τ））ｘ’（τ）＋ｘ（τ）＝λｉｎκｘｉｎ’（τ）である。
この式で示すｘは、負性抵抗素子１０１に印加される電圧に比例する量であり、ＬＣ周波数ω０＝１√ＬＣで規格化した時間τ＝ω０ｔの依存性を理解するためｘ（τ）と表してある。また、ｘ”（τ）、ｘ’（τ）はそれぞれ、ｘ（τ）の二階微分、一階微分を表す。
ｘｉｎ（τ）は、例えば、相互注入同期などによる外部より入力された負性抵抗素子１０１に掛かる電圧に比例する量で、κは二つの負性抵抗素子１０１の間にはたらく相互作用の強弱を示す結合定数である。パラメータλは、１／Ｑのディメンションを持ち、λは負性抵抗素子１０１の微分負性コンダクタンスの線形成分ｇ１＜０と平面アンテナ１０３、１０４の負荷Ｇを伴って、λ＝−（Ｇ＋ｇ１）√（Ｌ／Ｃ）である。λｉｎは平面アンテナ１０３、１０４の１／Ｑと等しく、λｉｎ＝Ｇ√（Ｌ／Ｃ）である。尚、式の右辺が０の場合は、負性抵抗素子１０１への電磁波の入力がない場合となる。
【００５２】
ファンデルポール非線形方程式は、典型的な場合、リミットサイクルと呼ばれる閉軌道上で解が周回する。そして、周回する周波数（発振周波数のこと）がω０の２％以内となるときのパラメータλは０＜λ≦０．５７とされている。λが０．５８より長くなるとき、解は強く歪むようになり、発振周波数はω０より大幅に低下する。そのため、数値計算におけるλ＝０．５７とする。また、平面アンテナ１０３，１０４のＱ値を１０と仮定し、以降ではλｉｎ＝０．１０とおく。ここで、二つの負性抵抗素子１０１で相互に注入同期が行うことが可能な場合を考えると、式は
ｘ”（τ）−λ（１−ｘ２（ｔ））ｘ’（τ）＋ｘ（τ）＝λｉｎκｘｙｙ’（τ）
ｙ”（τ）−λ（１−ｙ２（ｔ））ｙ’（τ）＋ｙ（τ）＝λｉｎκｙｘｘ’（τ）となる。
ただし、負性抵抗素子の間にはたらく相互作用の強弱を示す結合定数は相反性よりκｙｘ＝κｘｙ＝εｅｘｐ（ｉφ）とおく。εは隣接する二つの負性抵抗素子１０１の結合係数、φは隣接する二つの負性抵抗素子１０１の位相差を表す。
【００５３】
図は、εとφとをパラメータとしてｘ、ｙの実数成分（縦軸）をτが１０周期分（横軸）となるまで時間発展させる数値計算した結果である。図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）ではφ＝０のときのε依存性を表すもので、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）の順にε＝０．０、ε＝０．１、ε＝０．４と設定したときの結果を表す。この図より、ε＝０．０よりもε＝０．１、ε＝０．４とεで表される結合係数が大きくなるにしたがい、二つの負性抵抗素子１０１が発振する電磁波が同位相で重なるように次第に近づいて、最終的に同期し易くなっているのが分かる。ε＝０．４であれば、二つの負性抵抗素子１０１の位相差φが０、即ち同位相であれば発振する電磁波は同期する。
ここで本実施形態において、二つの負性抵抗素子１０１は、同一のアンテナ共振器内で同一のストリップ導体１０３、１０４に配置されているため、ε≧０．４が期待できる。ゆえに、ε≧０．４であるため、ふたつの負性抵抗素子１０１の位相差φがφ＝０の位置に配置されれば、それぞれの負性抵抗素子１０１が発振する電磁波は相互に注入同期するのが分かる。
【００５４】
図３（ｄ）、図３（ｅ）、図３（ｆ）は、ε＝０．４としたときの、電磁波のφ依存性を示した結果である。図３（ｄ）、図３（ｅ）、図３（ｆ）の順に二つの負性抵抗素子１０１の位相差φは、φ＝π／１６、φ＝π／８、φ＝π／４、と設定した。
【００５５】
図に示すようにε＝０．４であれば、位相差φ≦π／８までは、二つの負性抵抗素子１０１が発振する電磁波は相互に同期する。したがって、二つの負性抵抗素子１０１の配置としては、厳密に位相差φ＝０の位置である必要はなく、所定の範囲の位相差を有する配置にまで広げて許容されると言える。図３の発振素子であれば、それぞれに伝播される電磁波に対して位相差φの絶対値が０以上π／８以下の場合についても同位相に含めることとする。即ち、本実施形態の発振素子であれば、“同位相の位置”として、二つの負性抵抗素子の位相差φが０以上π／８以下となるように配置するのが好ましい。また、０以上π／１６以下となるように配置するのがより好ましい。
【００５６】
尚、二つの負性抵抗素子１０１におけるインダクタンス成分が異なる場合、すなわちＲＣ周波数ω０＝１√ＲＣが微妙に異なる場合であっても、位相差φが同位相であれば良い。即ち、二つの負性抵抗素子のＲＣ周波数ω０が異なる場合であっても、二つの負性抵抗素子１０１の位相差φが０以上π／８以下（波長でいうとλ０／１６、つまり〜±３％程度以下）であれば、相互の電磁波の注入同期が行われる。
【００５７】
（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１で示した負性抵抗素子が二つであったのに対し、共鳴トンネルダイオード等の負性抵抗素子をｎ個（ｎ≧３）並べて配置する形態である。
【００５８】
その他の構成については実施形態１と同じであるため、これら同様の構成についての説明は省く。以下、本実施形態に係る発振素子について説明する。
【００５９】
尚、本実施形態は、負性抵抗素子をｎ個並べてアンテナに配置するものであるが、三つの負性抵抗素子を並置する例について説明する。
【００６０】
図４（ａ）は、本実施形態に係る発振素子の一部を示す概略図である。図４（ｂ）は本実施形態に係る発振素子の一部を示す断面図である。
【００６１】
本実施形態のように、アンテナに負性抵抗素子１０１を三つ並べて配置する際には、直列抵抗Ｒｓの並列化効率を考慮する必要がある。ここで並列化効率とは、負性抵抗素子１０１を例えばｎ個を並列に接続したときの直列抵抗Ｒｓの低下分に相当し、発振素子全体の合成抵抗が１個のときに比べて略１／ｎ倍となるのが理想の並列化効率となる。しかし、複数の負性抵抗素子１０１の配置によっては、この理想の並列化効率を満たさないような場合が存在する。
【００６２】
例えば、二つの負性抵抗素子１０１が図１（ａ）に示すように上下方向でストリップ導体１０３、１０４に囲まれて電気的に接続されている状態で、三つ目の新たな負性抵抗素子を、二つの負性抵抗素子１０１の間に追加するものと仮定する。この三つの負性抵抗素子の配置の仕方では、追加した負性抵抗素子の直列抵抗Ｒｓが大きくなってしまい、発振素子全体の直列抵抗の低下に相当する並列化効率を低下させてしまう。
【００６３】
この並列化効率の低下を抑制するため、本実施形態では図に示すようにストリップ導体１０４の端部に凸部１０６を設けている。即ち、ストリップ導体１０４の負性抵抗素子側に位置する端部に、負性抵抗素子間に位置するように形成された凸状の凸部１０６を設けると良い。その理由として、ストリップ導体１０４と、三つの負性抵抗素子１０１との最短距離が等しくなるため、真ん中に配置した直列抵抗Ｒｓが大きくならず、発振素子の並列化効率の低下を抑制できる。尚、凸部の形状は短形には限られず、どんな形であってもよい。
【００６４】
このように負性抵抗素子１０１の素子数が三つ、四つ・・ｎ個と増える場合には、導体層１０２より電気伝導度の高い材料のストリップ導体１０４の凸部１０６を負性抵抗素子１０１の素子間に配置すると効果的である。尚、本実施形態の凸部１０６は、負性抵抗素子間の位相差が十分に小さいようなアレイ状の素子配列においても重要になる。その際、凸部はメッシュ状に配置されてもよい。
【００６５】
図５は、本実施形態における発振する電磁波の相互の注入同期を説明するための図である。本実施形態では、三つの負性抵抗素子の間で相互に注入同期を行う場合を考え、図３の連立方程式を拡張し、三つの負性抵抗素子がアンテナ上に並ぶ場合の式が次式となる。
ｘ”（τ）−λ（１−ｘ２（ｔ））ｘ’（τ）＋ｘ（τ）＝λｉｎεｙ’（τ）ｅｘｐ（ｉφｘｙ）＋λｉｎε２ｚ’（τ）ｅｘｐ（ｉ（φｘｙ＋φｙｚ））
ｙ”（τ）−λ（１−ｙ２（ｔ））ｙ’（τ）＋ｙ（τ）＝λｉｎε（ｚ’（τ）ｅｘｐ（ｉφｙｚ）＋ｘ’（τ）ｅｘｐ（ｉφｘｙ））
ｚ”（τ）−λ（１−ｚ２（ｔ））ｚ’（τ）＋ｚ（τ）＝λｉｎε２ｘ’（τ）ｅｘｐ（ｉ（φｘｙ＋φｙｚ））＋λｉｎεｙ’（τ）ｅｘｐ（ｉφｙｚ））
【００６６】
図５は、ε＝０．４のときの負性抵抗素子の位相差であるφ依存性を表すもので、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の順に、φ＝−φｘｙ＝φｙｚ  ＝π／１６、φ＝−φｘｙ＝φｙｚ  ＝π／８、φ＝−φｘｙ＝φｙｚ  ＝π／４と設定したときの、計算結果を示している。
【００６７】
図に示すように、三つの負性抵抗素子の位相差φをπ／１６としたとき（図５（ａ））、位相差φをπ／８としたとき（図５（ｂ））であれば、三つの負性抵抗素子１０１から発振される電磁波は同期する。このように、負性抵抗素子１０１の素子数が三つ、四つ、あるいは一般にｎ個を配置する場合を考えたとき、同位相の位置に、即ち、すべての負性抵抗素子の位相差が０以上π／８以下となる位置、に配置すればすべての負性抵抗素子が発振する電磁波は同期して同一の発振周波数で同位相となる。そのため、発振素子の発振出力を十分に高めることができる。尚、本実施形態の発振素子においては、位相差φ＝π／４の場合（図５（ｃ））にはそれぞれの負性抵抗素子が発振する電磁波が同期することはなかった。
【００６８】
また、本実施形態では負性抵抗素子１０１が三つを並置する例について説明したが、これに限定されずに一般に負性抵抗素子をｎ個配置する場合をも本発明は包含する。
【００６９】
ｎ個負性抵抗素子を配置する場合には、発振素子の発振出力はｎ倍になる。したがって、発振周波数１ＴＨｚ前後において、１０μＷの負性抵抗素子を１０個ないし１００個を並べることで、１０μＷ乃至１ｍＷ程度の発振出力が実現可能になる。
【００７０】
（実施形態３）
複数の負性抵抗素子の配置として、これまで同位相の位置として説明してきたが、逆位相の位置であっても電磁波を同期させることができる。
【００７１】
本実施形態では、逆位相となる位置に複数の負性抵抗素子を配置する形態について説明する。
【００７２】
本実施形態においても、同位相の場合と同様に逆位相、即ち逆位相の位置から位相差がπ／８以下となる７π／８以上９π／８以下の位相差であれば、十分に電磁波を同期させることができる。
【００７３】
本実施形態に係る発振素子について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は本発明に係る発振素子の一部を示す上面図である。図６（ｂ）は本発明に係る発振素子の一部を示す断面図である。
【００７４】
本実施形態は、第一の形態の変形例に相当する。
【００７５】
実施形態１では、負性抵抗素子（半導体素子）は同じ波面の位置に配置されていたが、本実施形態３では符号の異なる波面にも負性抵抗素子（半導体素子）１４０１を配置した構成例を示している。本構成例では、波面２（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ２）は波面１（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ１）と符号が異なり、その他はストリップ導体の形状が一部異なる構成としてある。
【００７６】
即ち、複数の負性抵抗素子が、負性抵抗素子が発振する電磁波の位相が互いに実質的に同位相となる位置と、互いに実質的に逆位相となる位置と、の双方に配置されている。
【００７７】
本構成例では、負性抵抗素子１４０１が、負性抵抗素子１０１と逆相で連動すれば、発振出力を３倍とすることも可能である。
【００７８】
図７は相互注入同期を説明するための数値計算例である。本実施形態でも、実施形態２と同様にして以下の式に基づき計算した。
ｘ”（τ）−λ（１−ｘ２（ｔ））ｘ’（τ）＋ｘ（τ）＝λｉｎεｙ’（τ）ｅｘｐ（ｉφｘｙ）＋λｉｎε２ｚ’（τ）ｅｘｐ（ｉ（φｘｙ＋φｙｚ））
ｙ”（τ）−λ（１−ｙ２（ｔ））ｙ’（τ）＋ｙ（τ）＝λｉｎε（ｚ’（τ）ｅｘｐ（ｉφｙｚ）＋ｘ’（τ）ｅｘｐ（ｉφｘｙ））
ｚ”（τ）−λ（１−ｚ２（ｔ））ｚ’（τ）＋ｚ（τ）＝λｉｎε２ｘ’（τ）ｅｘｐ（ｉ（φｘｙ＋φｙｚ））＋λｉｎεｙ’（τ）ｅｘｐ（ｉφｙｚ））
【００７９】
図７は、ε＝０．４のときの計算結果を表すもので、図７（ａ）はφｘｙ＝７π／８，φｙｚ＝９π／８、図７（ｂ）はφｘｙ＝９π／８，φｙｚ＝７π／８と設定したときの結果を表す。
【００８０】
計算結果では、素子ｙだけの符号を逆に表示しているが、これは本実施形態では、素子ｙが、素子ｘ、ｚの逆相で連動するのが理想的であるからである。
πが理想的であり、素子ｙは、位相差７π／８≦φ≦９π／８の範囲では相互注入同期が行われる。
負性抵抗素子１０４１の素子数が二つ、三つと増える場合、あるいは一般に複数個を考えたときでも、位相差がπに十分に近い逆位相の位置であれば逆相で連動する。
【００８１】
さらに、具体的な発振素子の構成については、以下の実施例において詳しく説明する。
【００８２】
（実施例１）
［発振器の構成］
本実施例に係る発振素子、及び発振器について説明する。
【００８３】
図８（ａ）は、本実施例に係る発振器を示す概略図である。図８（ｂ）は、本実施例の発振素子の断面を示した図である。
【００８４】
本実施例では、負性抵抗素子として負性抵抗素子である共鳴トンネルダイオード１０１を用いた。
【００８５】
発振素子３は、平面アンテナとしてパッチアンテナ１００を用い、パッチアンテナ１００に共鳴トンネルダイオード（以下、ＲＴＤとも呼ぶ）を配置した。
【００８６】
パッチアンテナアンテナとしたのは、多数のＲＴＤをアンテナに集積しやすく、一つのアンテナ内で発振出力を高出力化しやすいためである。パッチアンテナはおよそ０．５ＴＨｚを発振させるためのもので、パッチアンテナ１００を構成するそれぞれの導体パターン１０３、１０４は一辺が１５０μｍ、ＲＴＤの直径が２μｍのものを用いた。
【００８７】
発振素子３への電力の供給はパッチアンテナである導体パターン１０３の中央部に高インピーダンスの部材からなる高インピーダンス線１０５を介して行い、直流電圧を印加する電源ユニットであるＤＣ電源２０１からアンテナ１００にバイアス電圧を印加し、アンテナ１００に電力を供給する。
【００８８】
これにより、共鳴トンネルダイオード１０１に電場が形成され、発振素子３から電磁波が発振する。尚、発振素子では、寄生発振も考えられるために低インピーダンス回路を挿入してシャントしてもよい。
【００８９】
また、図に示すように、パッチアンテナ１００の中央を原点として、アンテナの表面上をｘｙ平面と仮定する。
【００９０】
このとき、発振素子が発振する電磁波に対して同位相となるように配置された五つの共鳴トンネルダイオード１０１の位置は、（ｘ，ｙ）＝（３０，−３０μｍ）、（３４，−２０μｍ）、（４２，０μｍ），（３４，２０μｍ），（３０，３０μｍ）となった。
即ち、複数の共鳴トンネルダイオード１０１は、アンテナにゆるやかな円弧状に並べて配置される構成となった。ここで、ｘ方向は、ダイオードによって生ずる電磁波の共振方向に相当する。よって、円弧は、電磁波の共振方向に平行な軸を境として線対称をなしていると捉えることができる。
【００９１】
図９は、本実施例の発振素子におけるアドミタンスの計算結果を示した図である。
【００９２】
高周波全電磁界シミュレータＨＦＳＳ  ｖ１２（ａｎｓｏｆｔ社製）で、発振素子の構造をシミュレーションし、アドミタンス特性を得た結果を示している。
【００９３】
尚、共鳴トンネルダイオードの位置の幾何学的な対称性から、（３０，−３０μｍ）、（３４，−２０μｍ）のデータは、それぞれ（３０，３０μｍ）、（３４，２０μｍ）の位置のデータと等しいため省略する。
【００９４】
アドミタンス特性には負性抵抗素子である共鳴トンネルダイオード１０１のリアクタンスも含まれており、パッチアンテナ１００の中央から外側に向かって、凸状のゆるやかな円弧状の波面がパッチアンテナ型共振器４における電磁波の同位相面となった。
【００９５】
発振素子が発振する電磁波の周波数は、図９の縦軸で示すサセプタンスがゼロと等しくなる点であって、本実施例では４９０ＧＨｚから５００ＧＨｚの間、すなわち２％以内に設計した。図８において、５つの共鳴トンネルダイオード１０１の配列が同位相面からわずかにずれているが、この範囲であれば５つの共鳴トンネルダイオード１０１の発振する電磁波を同期することのできる範囲といえる。
【００９６】
［発振素子の製造方法］
本実施例の発振素子は、以下の方法で製造した。
【００９７】
まず、ＩｎＰ基板１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）法などによって、順次複数の層をエピタキシャル成長させた。
すなわち、順に、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの層をエピタキシャル成長させた。その後、ＩｎＰ基板としてｎ型の導電性基板を用いるため、ｎ−ＩｎＧａＡｓをエピタキシャル成長させた。
【００９８】
また、その際に周知のエッチング、洗浄、不純物注入、露光等の各工程を行うことで、共鳴トンネルダイオード層、電気接点層を形成している。
【００９９】
さらに、共鳴トンネルダイオード層、電気接点層を、円柱のメサ状となるようにエッチングを行った。さらに、共鳴トンネルダイオード層１０１と電気接点層１０２については、断面積が２μｍ２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たが、フォトリソグラフィを用いてもよい。
【０１００】
続いて、電気接点層の表面に、リフトオフ法によりアルミニウムから成る接地金属を形成した。ここでは、共鳴トンネルダイオード層１０１における側壁の保護のためのパッシベーションを成膜すればよい。
【０１０１】
共振器となる部分には、スピンコート法とドライエッチングを用いて、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ３０２を露出させるようにＢＣＢ３２を膜厚約３μｍに形成した。最後に、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｄ／Ａｕを形成して、発振素子は完成する。
【０１０２】
［アンテナの変形例］
図１２は、本実施例が適用可能なアンテナの変形例を示した図である。
【０１０３】
図１２（ａ）、（ｂ）に示すダイポールアンテナやスロットアンテナを用いても良い。また、図１２（ｃ）に示すようにパッチアンテナを用いて、位相がπだけ異なる逆位相に負性抵抗素子を配置して、同位相の負性抵抗素子と逆位相の負性抵抗素子と同期させることも可能である。また、パッチアンテナ共振器における電界の符号が反転する位置に配置してもよい。即ち、複数個の負性抵抗素子を配置する際に、電磁波の“同位相、或いは逆位相の位置”に負性抵抗素子を配置すれば良い。
【０１０４】
また、アンテナ１００は平面アンテナには限らず、立体型のアンテナやカゼクレインアンテナ、パラボラアンテナの一次放射器に相当する部分であってもよい。
【０１０５】
また、導体パターン１０３、１０４における電磁波の位相、波面（例えば、電磁波の等電位面）が定義し易いように、共鳴トンネルダイオード１０１と接する導体パターンが平坦であるのが望ましい。
【０１０６】
また、同一の負性抵抗素子を用いて発振素子を構成するのに限定されず、負性抵抗素子の種類や寸法を異ならせたものを用いても良い。
【０１０７】
（実施例２）
本実施例に係る発振素子は、接合面積が異なりリアクタンスが異なる複数の共鳴トンネルダイオードを有することを特徴とする。本実施例に係る発振素子について、以下説明する。ただし、実施例１と同様な構成については説明を省略する。
【０１０８】
図１０は、本実施例に係る発振素子を示す図である。本実施例でも負性抵抗素子として、共鳴トンネルダイオードを用いる。図１０（ａ）は、共鳴トンネルダイオードを有する発振器の概略図、図１０（ｂ）は共鳴トンネルダイオードを有する発振器の断面図である。
【０１０９】
本実施例では、接合面積の異なる複数の共鳴トンネルダイオードを導体パターンに集積している。導体パターン１０３、１０４を備えるパッチアンテナ１００は、およそ０．５ＴＨｚを発振させるためのもので、それぞれの導体パターン１０３、１０４は一辺が１５０μｍである。
【０１１０】
本実施例の発振器は、パッチアンテナ１０３の中央を原点としたｘｙ平面を仮定すると、５つの共鳴トンネルダイオード１０１の位置は、（ｘ，ｙ）＝（４０，−４０μｍ）、（４０，−３０μｍ）、（４０，０μｍ）、（４０，３０μｍ）、（４０，４０μｍ）に配置している。
【０１１１】
本実施例は、それぞれのポイントに異なる接合面積の共鳴トンネルダイオード１０１を配置するもので、ｘの小さい方から順に共鳴トンネルダイオードの直径が１．８μｍ、１．９μｍ、２．０μｍ、１．９μｍ、１．８μｍである。また、共鳴トンネルダイオードの形状はいずれも円柱としてある。
【０１１２】
図１１は、本実施例の発振素子におけるアドミタンス特性の計算結果である。図９と同様の条件でシミュレーションした。
【０１１３】
複数の共鳴トンネルダイオード１０１のうち、パッチアンテナ１００の中央から外側に向かって、共鳴トンネルダイオード１０１の接合面積が小さくなるように配置している。
【０１１４】
このような接合面積が異なる共鳴トンネルダイオード１０１を配置する場合には、図に示す直線状の波面１０６がパッチアンテナ型共振器内における電磁波の位相差０の同位相面となる。そのため、本実施例の発振器では共鳴トンネルダイオード１０１はアンテナに直線状に配置される。
【０１１５】
本実施例では、５つの共鳴トンネルダイオード１０１が発振する電磁波の周波数帯域が４９０ＧＨｚから５００ＧＨｚの間、２％以内となるように設計した。
アンテナ１００に共振する電磁波における位相差０の同位相面は、共鳴トンネルダイオード１０１のリアクタンスに依存していることが理解される。
【０１１６】
したがって、共鳴トンネルダイオード１０１のリアクタンスについても考慮した上で、所望の発振周波数の電磁波の同位相面、あるいは位相差がπとなる逆位相面に、共鳴トンネルダイオード１０１を配置することで、複数の共鳴トンネルダイオード１０１が発振する電磁波を同期させ、周波数と位相を揃えることができる。
【０１１７】
（実施例３）
本実施例に係る発振素子は、立体アンテナに導波路と接続されて配置されることを特徴とする。本実施例に係る発振素子について、以下説明する。ただし、実施例１と同様な構成については説明を省略する。
【０１１８】
図１３（ａ）は、本実施例に係る発振素子を示す斜視図である。図１３（ｂ）は、エキサダイオードを備えた半導体チップと半導体チップを外した発振素子の斜視図である。
【０１１９】
本実施例では負性抵抗素子としてエサキダイオードを用いる。
【０１２０】
図では、電磁波用の進行波アンテナおよび導波路構造を示している。本実施例は、ホーンアンテナと共振器としてのダブルリッジ導波路を実装しており、またエサキダイオードを備える半導体チップ４１を実装する。本実施例は、アンテナと電気的に接続されて電磁波を伝送する導波路を有し、複数の負性抵抗素子が前記導波路に接続されている例である。
【０１２１】
ホーンアンテナは広帯域特性に優れ、指向性も鋭いという特徴がある。半導体チップからの電磁波を導波・共振させるために、ダブルリッジ導波路４０５を用いる。
【０１２２】
進行波型のアンテナは、３０ＧＨｚから０．１ＴＨｚを発振するため、ホーンアンテナ４０８は、最も狭い同図の手前側で３．５ｍｍ×７．０ｍｍ、最も広い奥行き側で一辺がその４倍の開口を有する。
【０１２３】
ダブルリッジ導波路４０５の長さは、この周波数帯に対応する長さで数ｍｍ程度とする。ダブルリッジ導波路４０５におけるリッジ４０６、４０７は、図の上下方向から伸びており、半導体チップ４１がはんだ付け等で実装されている。
【０１２４】
本実施例の半導体チップ４１の構造では、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓによるｐ型層／ｎ型層を備えてｐ−ｎ接合を形成し、直径５μｍのメサ型のエサキダイオード１０１を二つ備える。エサキダイオードの二電極であるオーミック電極４０３、４０４は、実際にはリッジ４０６、４０７に電気的に接続されている。
【０１２５】
ダブルリッジ導波路４０５の端部のエサキダイオードに、ダブルリッジ導波路４０５とアンテナ４０８の不連続点から反射された電磁波が定在している。そのため、半導体チップ内の二つのメサ型のエサキダイオード１０１を、発振する電磁波における同位相の位置に配置することができる。即ち、複数のエサキダイオード１０１は、ダブルリッジ導波路４０５を介してアンテナから発振される電磁波に対して同位相（または逆位相）となるように配置される。
【０１２６】
図１２は、発振素子を平面アンテナに適用した構成を示した図である。発振素子３は、テーパードスロットアンテナ１００と、伝送線路としてのスロット線路４０５（４０６、４０７）と、を有し、スロット線路４０６に共鳴トンネルダイオード１０１が二つ配置される構成となる。
【０１２７】
（その他実施形態）
本実施形態は、これまで説明してきた発振素子を用いた撮像装置である。
【０１２８】
図１５は本実施形態の撮像装置を示す概略図である。本実施形態に係る撮像装置１０は、測定物を電磁波により撮像する。また、電磁波としては、テラヘルツ波の電磁波的性質を利用して測定物の撮像をするため、周波数帯域０．５ＴＨｚと比較的、透過性のある電磁波とする。
【０１２９】
本実施形態では、これまで実施形態、実施例で説明してきた発振素子を有する発振器４と、テラヘルツ波を受信する二つの検出器５と、複数の検出素子が各々検出する測定物を透過、反射した電磁波に関する情報に基づいて、測定物の像を構築する像構築部１２と、を有する撮像装置１０であることを特徴とする。
【０１３０】
テラヘルツ波は、これまでに説明した発振素子３のアンテナから測定物６に向かって照射され、その後テラヘルツ波の測定物を透過した透過波は、検出器５によって検出される。また、測定物から反射され散乱されたテラヘルツ波についても検出器５によって検出される。
【０１３１】
この際、検出素子３で検出されるテラヘルツ波の電場強度に関する信号から、測定物の吸収スペクトルや屈折率等の物性情報を取得する。また、この取得した物性情報から測定物の像を構築することで、測定物の物性情報を可視化することができる。
【０１３２】
テラヘルツ波の透過波は、セキュリティなどの透視や、特異な吸収を有する物体の工程検査等に有効である。また、テラヘルツ波の散乱は、カメラなどと同じ原理で測定物を撮像する撮像装置等に有用である。したがって、検出素子を備えた検出器を複数用いれば、それぞれの検出素子の検出する電磁波に関する情報に基づいて、測定物６の物性に関する情報から像を構築する像構築部１２を備えた撮像装置１０を構成することが可能である。
【０１３３】
この際、アンテナ長が異なる発振素子３を配置することによって、異なる周波数帯域に対応する撮像装置とすることも可能である。また、アンテナの方向が異なる発振素子３を配置することによって、電磁波の異なる偏波に対応する撮像装置とすることも可能である。
【符号の説明】
【０１３４】
１  基板
２  誘電体
３  発振素子
４  発振器
１０１  負性抵抗素子（共鳴トンネルダイオード）
１０２  半導体層
１０３  アンテナ（導体パターン）
１０４  アンテナ（導体パターン）
１０５  ギャップ
１０６  凸部
２０１  ＤＣ電源（電源）
【図１】
0006296681.tif 000002
【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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