(57)【要約】【課題】製造プロセスなどに起因する歪や欠陥や、初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥を抑制して、特性の向上や安定化が期待される導波路及びその製造方法を提供する。【解決手段】導波路１０７は、導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の第一の導体層１０３と第二の導体層１０４と、２つの導体層１０３、１０４に接し且つ２つの導体層１０３、１０４の間に配置された半導体部１０１を含むコア層１０８と、を有する。半導体部１０１を含むコア層１０８は、面内方向に広がった特定の凹凸構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の第一の導体層と第二の導体層と、前記２つの導体層に接し且つ前記２つの導体層の間に配置された半導体部を含むコア層と、を有する導波路であって、
前記半導体部を含むコア層は、面内方向に広がった凹凸構造を有し、
前記導波モードの電磁波の伝播方向に対して垂直方向に前記凹凸構造を有し、凸部を複数有することを特徴とする導波路。
【請求項２】
導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の第一の導体層と第二の導体層と、前記２つの導体層に接し且つ前記２つの導体層の間に配置された半導体部を含むコア層と、を有する導波路であって、
前記半導体部を含むコア層は、面内方向に広がった凹凸構造を有し、
前記電磁波の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎｅとして、λｇ＝λ／ｎｅと表すときに、前記凹凸構造のピッチ長がλg／２未満であることを特徴とする導波路。
【請求項３】
導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の第一の導体層と第二の導体層と、前記２つの導体層に接し且つ前記２つの導体層の間に配置された半導体部を含むコア層と、を有する導波路であって、
前記半導体部を含むコア層は、面内方向に広がった凹凸構造を有し、
前記凹凸構造のピッチ長が１００μｍ未満であることを特徴とする導波路。
【請求項４】
前記凹凸構造の凹部は、前記コア層を厚さ方向に貫通して前記半導体部を島状に分離する溝で構成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の導波路。
導波路。
【請求項５】
前記凹部は、誘電体又は絶縁体のスペーサとして構成されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の導波路。
【請求項６】
前記電磁波の波長をλ、当該導波路の等価屈折率をｎｅとして、λｇ＝λ／ｎｅと表すとき、前記スペーサは、当該導波路の長手方向および短手方向の幅がλg／２以下であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の導波路。
【請求項７】
前記電磁波の波長をλ、当該導波路の等価屈折率をｎｅとして、λｇ＝λ／ｎｅと表すとき、前記半導体部は、当該導波路の長手方向および短手方向の幅がλg／２以下、或いはλg／１０以下であることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の導波路。
【請求項８】
前記半導体部は、少なくとも、前記発振モードにおける共振電界の腹となる位置に配置されることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の導波路。
【請求項９】
前記スペーサは、少なくとも、前記発振モードにおける共振電界の節となる位置に配置されることを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の導波路。
【請求項１０】
前記半導体部は、キャリアのサブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する多重量子井戸構造を含み構成されることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載の導波路。
【請求項１１】
前記凹凸構造の粗密が前記導波路の端面近傍で段階的に変化することを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の導波路。
【請求項１２】
電磁波を用いる装置であって、
請求項１から１１の何れか１項に記載の導波路と、
検体と相互作用した前記電磁波を検出し、検出した信号から検体の状態を算出する演算部と、を有することを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項１から１１の何れか１項に記載の導波路の製造方法であって、
半導体層に凹部を形成するステップと、
前記凹部に物質を充填してスペーサを配置するステップと、を含むことを特徴とする導波路の製造方法。
【請求項１４】
上面に前記半導体層を備えた第一の基板を準備するステップと、
第二の基板を準備するステップと、
前記第一の基板の前記半導体層を前記第二の基板の上面に第一の導体層を介して転写するステップと、
前記スペーサが配置された前記半導体層の上面に第二の導体層を形成するステップと、を含むことを特徴とする請求項１３に記載の導波路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波路、該導波路を用いた装置及び導波路の製造方法に関する。特に、ミリ波帯からテラヘルツ波帯（３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）までの周波数領域の電磁波（以下、テラヘルツ波とも記す）に係る導波路に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波の周波数領域には、生体材料・医薬品・電子材料などの多くの有機分子について、構造や状態に由来した吸収ピークが存在する。また、テラヘルツ波は、紙・セラミック・樹脂・布といった材料に対して高い透過性を有する。近年、この様なテラヘルツ波の特徴を活かしたイメージング技術やセンシング技術の研究開発が行われている。例えば、Ｘ線装置に代わる安全な透視検査装置や、製造工程におけるインラインの非破壊検査装置などへの応用が期待されている。
【０００３】
電流注入型のテラヘルツ波光源として、半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づいた電磁波利得を利用する構造が検討されている。非特許文献１には、低損失の導波路として知られるＤｏｕｂｌｅ−ｓｉｄｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ（以下、ＤＭＷとも記す）を共振器として集積したテラヘルツ波帯の量子カスケードレーザ（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ、以下、ＱＣＬとも記す）が提案されている。本素子は、１０μｍ程度の薄さの半導体薄膜からなる利得媒質の上下に金属を配置した共振器構造に、誘導放出されたテラヘルツ波を表面プラズモンモードで導波させることで、高い光閉じ込めと低損失伝搬により３ＴＨｚ近傍のレーザ発振を達成している。
【０００４】
一方、多重量子井戸構造は、歪による特性変化が知られており、非特許文献２には、歪による共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ、以下、ＲＴＤとも記す）の特性変化が報告されている。この非特許文献２では、１００ＭＰａ弱の応力で、約２倍の微分負性抵抗変化が観測されている。また、特許文献１に示すような導波路を伴ったレーザ素子について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許７６９３１９８号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ８３，  ２１２４  （２００３）
【非特許文献２】Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ、Ａ、１４３、（２００８）、２３０−２３６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１に開示されたＤＭＷは、１０μｍ程度の半導体層を２枚の金属層で挟んだ構造であり、金属接合技術などを用いて半導体薄膜を異なる基板に転写することで作製される。一方、格子定数や熱膨張係数の異なる薄膜材料を積層した構造は、製造プロセスに起因した残留応力が生じ易いことが一般的に知られている。従って、従来の構造は、製造プロセスなどに起因した歪や欠陥で利得媒質である半導体薄膜の特性が変化し、発振特性の劣化や不安定化が生じる可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の導波路は、導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の第一の導体層と第二の導体層と、前記２つの導体層に接し且つ前記２つの導体層の間に配置された半導体部を含むコア層と、を有する。そして、前記半導体部を含むコア層は、面内方向に広がった凹凸構造を有し、さらに次の構成要件のいずれか一つを少なくとも有する。
（１）前記導波モードの電磁波の伝播方向に対して垂直方向に前記凹凸構造を有し、凸部を複数有する。
（２）前記電磁波の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎｅとして、λｇ＝λ／ｎｅと表すときに、前記凹凸構造のピッチ長がλg／２未満である。
（３）前記凹凸構造のピッチ長が１００μｍ未満である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による導波路では、半導体部を含むコア層が面内方向に広がった凹凸構造を有する。よって、負誘電率媒質の第一の導体層／半導体部を含むコア層／負誘電率媒質の第二の導体層といった異種材料の積層構造でも、微細な凹凸構造による歪緩和の影響で、格子定数や熱膨張係数の差によって生じる歪が緩和される。具体的には、３つの場合がある。（１）前記導波モードの電磁波の伝播方向に対して垂直方向に前記凹凸構造凹凸構造を有し、凸部を複数有する場合がある。（２）前記電磁波の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎｅとして、λｇ＝λ／ｎｅと表すときに、前記凹凸構造のピッチ長がλg／２未満である場合がある。（３）前記凹凸構造のピッチ長が１００μｍ未満である場合がある。従って、製造プロセスなどに起因する歪や欠陥、初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥が抑制されるので、発振特性などの特性の向上や安定化が期待される。例えば、寸法的に作製が容易で、テラヘルツ波帯の周波数領域で安定して動作する半導体素子や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】
【００１０】
【図１】本発明の素子の実施形態及び実施例１を説明する図。
【図２】本発明の素子の実施例２を説明する図。
【図３】本発明の導波路の製造方法の例を説明する図。
【図４】本発明の素子の実施例３を説明する図。
【図５】本発明の素子の実施例３の構造における解析結果を説明する図。
【図６】本発明の素子の実施例３の変形例を説明する図。
【図７】本発明の素子を用いた応用例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特徴は、導波路を規定する負誘電率媒質の２つの導体層に接してこれらの間に配置された半導体部を含むコア層が、面内方向に広がった凹凸構造を有することである。さらに、凹凸構造は次のいずれか一つの要件を少なくとも有することを特徴としている。（１）前記導波モードの電磁波の伝播方向に対して垂直方向に前記凹凸構造を有し、凸部を複数有する。（２）前記電磁波の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎｅとして、λｇ＝λ／ｎｅと表すときに、前記凹凸構造のピッチ長がλg／２未満である。（３）前記凹凸構造のピッチ長が１００μｍ未満である。凹凸構造は、コア層を厚さ方向に貫通する分離溝、厚さ方向にコア層の途中まで掘り下げられた中途溝、コア層中に設けられた中空部などで構成することができる。半導体部が、後述する様な電磁波利得を有する活性層を含む場合、中途溝は、効果に鑑み、好ましくは活性層を貫いて掘り下げられるのがよいが、活性層の手前までしか掘り下げられなくても、一定の効果がある。また、溝や中空部で形成された凹部は、そのまま空間であってもよいが、そこに誘電体や絶縁体が充填されてスペーサとして構成されると、強度、その上に配置される導体層の形状安定性などの点で好ましい。本発明は、凹凸構造の端部におけるミスフィット転位などによる歪緩和の影響を利用するものであるので、こうした歪緩和を起こすのであれば、どの様な形態の凹凸構造をコア層に形成してもよい。本発明による導波路は、単純な電磁波の導波路として用いることもできるが、後述の実施形態や実施例で説明する様に、半導体部に電磁波利得部を持たせて、発振素子、電磁波検出素子、電磁波増幅素子などを構成することもできる。
【００１２】
以下、図を用いて、本発明による導波路、それを含む素子、その製造方法の実施形態及び実施例を説明する。
（実施形態）
導波路を含む発振素子１００の一実施形態について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。
【００１３】
発振素子１００は、電磁波利得を有し複数の島状に形成された半導体部１０１、スペーサ１０２、導波モードの電磁波に対する誘電率実部が負の負誘電率媒質の導体層である第一の金属層１０３と第二の金属層１０４から構成され、基板１０５上に集積される。本実施形態では、後述の活性層１０６とその上下の半導体とで半導体部１０１を構成し、該半導体部とスペーサ１０２とでコア層１０８を構成し、クラッドをなす２つの金属層１０３、１０４とコア層１０８とでＤＭＷと呼ばれる導波路１０７を構成する。厚さ方向の貫通溝で分離された半導体部１０１は複数の島状に形成されており、その大きさは、１０μｍからサブμｍのオーダーの範囲が好適である。こうした寸法を持つミリ波からテラヘルツ波の周波数領域用の素子では、半導体部１０１の大きさは、導波路１０７の長手方向及び短手方向の幅がλg／２以下、好ましくはλg／１０以下となる。ここで、λgは導波路１０７の発振モードにおける管内波長であり、電磁波の波長をλ、導波路の等価屈折率をｎｅとすると、λｇ＝λ／ｎｅで表される。２つの金属層１０３、１０４は、例えばλg以下の距離に近接して設けられる。
【００１４】
半導体部１０１は、キャリアのサブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する多重量子井戸構造からなる活性層１０６を含み、電磁波利得を有している。活性層１０６は、例えば、共鳴トンネル構造や、数百から数千層の半導体多層構造を持つ量子カスケードレーザ構造が好適である。本実施形態は、活性層１０６として、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いた場合で説明する。ＲＴＤは、微分負性抵抗領域において、フォトンアシストトンネル現象に基づくミリ波からテラヘルツ波の周波数領域の電磁波利得を有する。半導体部１０１は、ＲＴＤに電流注入するためのエミッタ／コレクタとして、活性層１０６の上下に、高濃度にドーピングされた層を備えることが好ましい。電磁波利得を有し活性層１０６を含む半導体部１０１は、２つの金属層１０３、１０４に接し且つ２つの金属層の間に配置される。
【００１５】
本実施形態では、凹凸構造に特に特徴を有している。具体的には、次の３つになる。（１）前記導波モードの電磁波の伝播方向に対して垂直方向に前記凹凸構造を有し、凸部を複数有する。（２）前記電磁波の波長をλ、前記導波路の等価屈折率をｎｅとして、λｇ＝λ／ｎｅと表すときに、前記凹凸構造のピッチ長がλg／２未満である。（３）前記凹凸構造のピッチ長が１００μｍ未満である。このような構成を設けることにより、導波モードの電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できる凹凸構造であるとみなされるからである。隣接する半導体部１０１の間には、面内方向に広がった凹凸構造をコア層１０８に持たせるスペーサ１０２が半導体部１０１と接して配置される。面内方向において、半導体部１０１が凹凸構造の凸部をなし、スペーサ１０２が凹凸構造の凹部をなす。スペーサ１０２は、半導体部１０１とは異なる誘電体や絶縁体などの材料が好適であり、好ましくは、発振する電磁波に対して低損失な材料であると良い。スペーサ１０２は、半導体部１０１と異なる格子定数の材料や、多結晶材料、非晶質材料であってもよく、半導体部１０１が島状、すなわち不連続膜となるような材料であることが好ましい。スペーサ１０２の大きさは、導波路１０７の長手方向及び短手方向の幅がλg／２以下、好ましくはλｇ／１０以下であると良い。これは、波長の１／１０以下のサイズの構造体は、一般的にその波長の電磁波に対して反射、散乱、屈折などの影響が無視できるとみなされるからである。
【００１６】
上述した様に、半導体部１０１及びスペーサ１０２の上下には、第二の金属層１０４と第一の金属層１０３とが配置されている。半導体部１０１と第一の金属層１０３及び第二の金属層１０４とは機械的かつ電気的に互いに接している。これにより、金属層１０３、１０４の間に電圧を印加して、活性層１０６であるＲＴＤを駆動する。また、スペーサ１０２は、金属層１０３、１０４と少なくとも機械的に接していることが好ましい。スペーサ１０２は、近接する第一の金属層１０３と第二の金属層１０４との間の距離を固定する役割があり、導波路１０７をリジッドで安定した構造にしている。
【００１７】
以上の様に、本実施形態の発振素子１００は、電磁波利得を有する半導体部１０１を含むコア層１０８と、近接した第一の金属層１０３と第二の金属層１０４から構成されるクラッドとよりなるＤＭＷ導波路１０７を備える。ここで、発振素子１００の発振モードの管内波長をλｇとした時、第一の金属層１０３と第二の金属層１０４の距離は、λg／２以下、好ましくはλg／１０以下まで近接される。この時、ミリ波からテラヘルツ波の周波数領域の電磁波は、導波路１０７を、回折限界が存在しない表面プラズモンモードで伝搬する。管内波長がλgの発振モードを得るには、半導体レーザ技術で知られるように、伝搬方向である導波路１０７の長手方向の長さＬをλg／２の整数倍となるように設定すればよい。
【００１８】
本実施形態の発振素子は、上記の如き導波路１０７を有する。金属／半導体部／金属のような格子定数や熱膨張係数が異なる薄膜材料を積層した構造は、製造プロセスなどに起因した歪が半導体部に生じる可能性がある。一般的に、半導体の成膜工程や素子の製造プロセスの熱履歴等で薄膜に生じる内部応力は、略±１ＧＰａの範囲であり、半導体部１０１や活性層１０６は、プロセスにより±０．１％〜±１％の歪が生じる可能性がある。ここで、＋は引張応力、−は圧縮応力を表す。また、従来のように異種基板を接合してＤＭＷ構造を製造する場合、熱膨張係数差による熱応力や、接合界面近傍の応力集中などにより半導体部に歪が生じる可能性がある。
【００１９】
これに対して、本素子は、導波路１０７の幅方向の大きさがλg／２からλg／１０以下（テラヘルツ波の周波数領域では１０μｍからサブμｍ）の島状に形成した活性層１０６を含む半導体部１０１と、その間に配置されたスペーサ１０２を備える。このように、利得媒質である半導体部を、従来の連続膜から、波長以下のサイズに微細化した島状構造にすることで、島構造の端におけるミスフィット転位に起因した歪緩和の影響で、半導体部に生じる歪を緩和することができる。本実施形態の素子は、テラヘルツ波の周波数領域における発振モードの管内波長λｇの大きさから、半導体部の厚さが数十μｍ〜０．１μｍ、幅が数十μｍ〜０．１μｍとなり、歪緩和には好適な構造となる。
【００２０】
また、本実施形態の素子は、誘電体や絶縁体のスペーサ１０２を隣り合う半導体部１０１の間に配置することで、ＤＭＷ構造をより安定化している。スペーサ１０２として、ミリ波からテラヘルツ波で低損失な材料を用いることで、自由電子吸収又は導体損失などによる導波ロスが低減される。さらに、導波路１０７における定在波を効率良く増幅するには、利得媒質である活性層１０６を含む半導体部１０１を、少なくとも、発振モードにおける共振電界の腹となる位置に配置することが望ましい。電磁波利得の増幅に寄与しないスペーサ１０２を、共振電界の節に配置するような構成であってもよい。
【００２１】
図３を参照して導波路の製造方法の一例を説明する。この製造方法は、半導体層に凹部を形成するステップと、凹部に物質を充填してスペーサを配置するステップを含む。より具体的には、本実施形態で述べた素子及び素子の共振器である導波路３０７は、次のような工程で製造することで、製造工程などに起因して初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥を低減することが出来る。導波路３０７は、管内波長λｇ以下の距離に近接した第一の導体層３０３と第二の導体層３０４からなるクラッドと、導体層３０３、３０４の間に配置されたコア層３０８とから構成される。コア層３０８は、複数の島状に形成された半導体部３０１とスペーサ３０２とから構成される。導波路３０７は次の（Ａ）〜（Ｆ）のステップを含む工程で製造される。
（Ａ）上面に半導体部３０１を備えた第一の基板３０９を準備するステップ
（Ｂ）第二の基板３０５を準備するステップ
（Ｃ）第一の基板３０９上の半導体部３０１を第二の基板３０５の上面に第一の導体層３０３を介して転写するステップ
（Ｄ）半導体部３０１を島状に分割するステップ
（Ｅ）島状に分割した半導体部３０１の間にスペーサ３０２を配置するステップ
（Ｆ）半導体部３０１の上面に第二の導体層３０４を形成するステップ
【００２２】
図３（ａ）との対応関係では、図３（１）がステップ（Ａ）に対応し、図３（２）がステップ（Ｂ）に対応し、図３（３ａ）、（４ａ）がステップ（Ｃ）に対応し、図３（５ａ）がステップ（Ｄ）と（Ｅ）に対応し、図３（６ａ）がステップ（Ｆ）に対応する。ここで、（Ａ）〜（Ｆ）は必ずしもこの順（図３（ａ））で実施される必要はない。例えば、図３の右側（図３（ｂ））の部分に示したように、（Ａ）（Ｂ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｃ）（Ｆ）の順であっても、転写時の応力を低減可能であり、歪低減の効果が期待される。また、半導体部３０１が電磁波利得を持つ活性層を含めば、導波路３０７を共振器として備えた発振素子１００が製造される。（Ｄ）と（Ｅ）のステップを含む製造方法であれば、初期や動作中に半導体が歪む可能性がある構造において、歪を抑制することが出来る。第一の導体層３０３と第二の導体層３０４が金属であれば、低損失で閉じ込め効率が高いダブルプラズモン導波路が実現される。第二の導体層３０４が半導体であれば、低損失なシングルプラズモン導波路を実現することができる。
【００２３】
以上に述べた如く、本実施形態は、金属（導体層）／半導体部／金属（導体層）といった異種薄膜材料の積層構造であっても、製造プロセスなどに起因して半導体に生じる歪や欠陥が抑制される構成の素子及びその製造方法を提供する。従って、本実施形態により、テラヘルツ波帯の周波数領域で安定して動作する発振素子などが実現される。
【００２４】
以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
本発明の素子の具体的な実施例１について、図１及び図３を用いて説明する。実施例１では、サブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する多重量子井戸構造からなる活性層１０６として、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系の共鳴トンネルダイオード構造のものを用いた。活性層１０６は、上から順に、ｎ−ＩｎＧａＡｓ（５０ｎｍ、１×１０１８ｃｍ−３）、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ、◎）、ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ、◎）、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）、ｎ−ＩｎＧａＡｓ（５０ｎｍ、１×１０１８ｃｍ−３）の順に積層された半導体多層構造である。ここで、厚さの後に◎を付したＩｎＧａＡｓ層が量子井戸層、◎を付していないＩｎＡｌＡＳ系の材料がポテンシャル障壁層となり、３重障壁共鳴トンネル構造を構成している。また、ＩｎＰに格子整合していないＡｌＡｓは、臨界薄膜よりは薄く、エネルギーの高い障壁となっている。また、上下の高濃度キャリアでドーピングされたｎ−ＩｎＧａＡｓ層は、共鳴トンネル構造への電子の注入と抽出を行うエミッタ／コレクタ層である。エミッタ／コレクタ層とポテンシャル障壁層の間に配置されたＩｎＧａＡｓ（５ｎｍ）は、ドーピング材料であるＳｉの拡散防止層である。
【００２５】
半導体部１０１は、上述の活性層１０６と、活性層１０６の上下に配置された高濃度にキャリアドープされたｎ−ＩｎＧａＡｓ（５００ｎｍ、１×１０１９ｃｍ−３）から構成される。このドーピング層により、半導体部１０１と、半導体部１０１の上下に配置した第一の金属層１０３及び第二の金属層１０４とを低抵抗で接続する。第一の金属層１０３と第二の金属層１０４は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕの積層膜で構成される。発振素子１００は、第一の金属層１０３と第二の金属層１０４を介して電源に接続され、駆動用のバイアス電圧が供給される。これらの構成により、発振素子１００は、微分負性抵抗領域で、フォトンアシストトンネル現象に基づいてミリ波からテラヘルツ波の周波数領域の電磁波を発生する。
【００２６】
導波路１０７は、ファブリペロー型の共振器構造であり、電磁波の伝搬方向において少なくとも二つの端面を備えており、この端面からの反射を利用して電磁波を定在化する。こうして、伝搬方向（導波路１０７の長手方向）の長さＬが発振波長を決める要素となる。本実施例では、導波路１０７の長さＬがλｇの５倍となる１ｍｍ、幅を０．０２ｍｍとしている。従って、第二の金属層１０４は１ｍｍ×０．０２ｍｍの矩形パターンである。
【００２７】
島状に分離して形成した半導体部１０１は、導波モードの電磁波の伝播方向に対して垂直方向に凹凸構造を有し、凸部を複数有する。半導体部は、幅が２μｍの正方形で、導波路１０７の長手方向にはピッチ長が１００μｍピッチ（λg／２）で９個、導波路１０７の短手方向にはピッチ長が５μｍピッチで３個配置される。このように、導波モードの電磁波の伝播方向に垂直な短手方向に凹凸構造が伸びるように設けられている。なお、図１において、ピッチ長とは、凹部と凸部とで一つのピッチ長としている。導波モードの電磁波の伝播方向と平行なピッチ長がＰＬ１で、伝播方向と面内において垂直方向のピッチ長がＰＬ２になる。半導体部１０１の数は構造の特徴を分かり易くする示すために省略して記載している。半導体部１０１は、導波路１０７の発振モードの共振電界の腹の位置に配置されている。本実施例の場合、導波路１０７の端面が開放端となり、少なくとも、端面からλｇ／２の位置が共振電界の腹の位置となる。また、隣接する半導体部１０１の間にはスペーサ１０２として、テラヘルツ波帯で低損失なＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を、半導体部１０１と接するように配置した。スペーサ１０２として、ミリ波からテラヘルツ波で低損失な材料を用いることで、自由電子吸収又は導体損失などによる導波ロスが低減される。第一の金属層１０３と第二の金属層１０４との距離は、半導体部１０１の層厚から分かる様に、約１μｍであり、スペーサ１０２も同じ厚さに設定した。本実施例では、導波路１０７のコア層１０８は、９割以上が、スペーサ１０２であるＢＣＢとなるので、発振周波数１ＴＨｚにおける等価屈折率を約１．５として、発振モードの管内波長λｇは２００μｍとなる。従って、半導体部１０１の大きさはλｇ／１００程度、ピッチはλｇ／２、スペーサ１０２の大きさはλｇ／２程度に対応している。なお、導波路１０７のコア層１０８において半導体部１０１の比率が多くなる場合は、後述の実施例２に説明する様に等価屈折率が増大し、比率が半々であれば、実施例１と実施例２の中間程度になると考えればよい。
【００２８】
本実施例の素子の導波路３０７ａの製造方法について図３の左側の部分を用いて説明する。第一の基板として、半導体部３０１を構成する多重量子井戸構造をエピタキシャル成長したＩｎＰ基板３０９を準備する（図３（１））。第二の基板として、ＧａＡｓ基板３０５を準備する（図３（２））。ＩｎＰ基板３０９の上面（半導体部３０１が配置された面）に真空蒸着法でＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を成膜する。ＧａＡｓ基板３０５の上面に真空蒸着法でＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を成膜する。ＩｎＰ基板３０９とＧａＡｓ基板３０５の上面を対向させてＡｕの熱圧着により両基板を接合する（図３（３ａ））。ここで、熱圧着により形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ）が第一の金属層３０３となる。研磨及び塩酸エッチングにより、一体化した基板から、ＩｎＰ基板３０９を除去し、半導体部３０１をＧａＡｓ基板３０５に転写する（図３（４ａ））。フォトリソグラフィーとドライエッチング法により、半導体部３０１を島状の半導体部３０１ａに分割する。スピンコート法及びドライエッチング法により、隣接する半導体部３０１ａの間にＢＣＢを埋め込んで、スペーサ３０２ａを形成し、コア層３０８ａを形成する（図３（５ａ））。真空蒸着法とリフトオフ法を用いて、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）からなる第二の金属層３０４を形成する（図３（６ａ））。
【００２９】
本実施例の素子では、金属／半導体／金属といった異種薄膜材料の積層構造であっても、格子定数や熱膨張係数の差によって生じる歪が緩和される。従って、製造プロセスなどに起因して初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥が抑制されるので、発振特性などの特性の向上や安定化が実現される。この際、スペーサ１０２を配置したことでリジッドな構造のプラズモン導波路となり、より安定な素子が実現される。また、電磁波利得を持つ半導体部１０１を、少なくとも導波路の発振モードにおける腹の位置に配置し、テラヘルツ波で低損失な材料のスペーサ１０２を発振モードの節の位置に配置しているので、低損失で高効率なプラズモン導波路が実現される。さらに、本発明の半導体素子は、電流が流れる半導体部１０１が凹凸構造や島状構造といった不連続の膜で構成される。このため、従来に比べて半導体の面積が低減されることで、素子に流れる電流が抑制される。具体的には、本実施例の場合、半導体層の構造と面積から概算した素子抵抗は、従来の約０．１Ωに対し本実施例は１００倍の１０Ω程度となる。このため、素子や周辺回路及び外部電源を含むシステム全体の低電流化が図れるので、微小な抵抗や容量などの寄生成分の影響が低減され、発振素子の歩留まり向上が期待される。また、大電流が不要となれば電源や周辺回路に標準的な電子部品や装置を使用することが出来るので、コスト削減といったより実用的な効果も期待される。
【００３０】
本発明は上記構成に限定されるものでなく、以下に示す様な変形例も可能である。例えば、本実施例では、活性層１０６として、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明してきた。しかし、これらの構造や材料系に限られることなく、他の構造や材料の組み合わせであっても半導体素子を提供することができる。例えば、２重障壁量子井戸構造を有する共鳴トンネルダイオードや、４重以上の多重障壁量子井戸構造を有する共鳴トンネルダイオード、量子カスケードレーザで知られるようなカスケード接続された多重量子井戸構造などを用いても良い。また材料系としては、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせ等であっても良い。これら構造と材料は、所望される周波数などに応じて適宜選定すれば良い。
【００３１】
また、本実施例では、キャリアが電子である場合を想定して説明をしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、正孔（ホール）を用いたものであっても良い。また、基板の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン基板、ガリウムヒ素基板、インジウムヒ素基板、ガリウムリン基板などの半導体基板や、ガラス基板、セラミック基板、樹脂基板などを用いても良い。また、第一の金属層１０３及び第二の金属層１０４には、金属（Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、ＡｕＩｎ合金など）及び半金属（Ｂｉ、Ｓｂ、ＩＴＯ、ＥｒＡｓなど）を好適に用いることが出来る。もちろん、高濃度にドーピングされた半導体を導電体として用いても良い。また、スペーサ１０２には、ＳｉＯ２、ＴＥＯＳ、ポリシリコン、ＳｉＮｘ、ＡｌＮ、ＴｉＯ２などの無機材料や、ＢＣＢ、ＳＵ−８、ポリイミドなどの有機材料が好適に用いられる。また、低導電性の真性半導体を再成長したものを用いても良い。これらの変形例は、他の実施形態や実施例でも同様に適用可能である。
【００３２】
（実施例２）
本発明の素子の実施例２について、図２及び図３を用いて説明する。活性層２０６は、実施例１と同じ共鳴トンネルダイオード構造を用いており、半導体部２０１の層構成も同じである。導波路２０７も、実施例１と同様、長さＬがλｇの２０倍となる１ｍｍ、幅が０．０５ｍｍで、第二の金属層２０４は１ｍｍ×０．０５ｍｍの矩形パターンとなるように形成される。その他、実施例１と同じ構造については説明を省略する。
【００３３】
本実施例における島状に形成した半導体部２０１は、幅が２４μｍの正方形で、導波路２０７の端から、長手方向及び短手方向にそれぞれ一ピッチ長が２５μｍピッチで、λg／８で配置した。図２において、ピッチ長とは、凹部と凸部とを一つの周期（一ピッチ長）としている。導波モードの電磁波の伝播方向と平行なピッチ長がＰＬ１で、伝播方向と面内において垂直方向のピッチ長がＰＬ２になる。半導体部２０１の数は構造体を分かりやすく示すため省略して記載している。隣接する半導体部２０１の間には、幅１μｍのスペーサ２０２が、導波路２０７の発振モードにおける共振電界の節にライン状に配置される。本実施例の場合、導波路２０７の端面が開放端となり、少なくとも端面からλｇ／４の位置が共振電界の節の位置となる。増幅に寄与しない電界の節に、利得媒質でないスペーサ２０２を配置することで、そこに半導体部２０１がある構造よりも、発振素子の利得低下を防止している。本実施例では、スペーサ２０２として、テラヘルツ波帯で低損失なＳｉＯ２を半導体部２０１と接するように配置した。
【００３４】
第一の金属層２０３と第二の金属層２０４との距離は、半導体部２０１の層厚から、約１μｍであり、スペーサ２０２も同じ厚さに設定した。本実施例では、導波路２０７のコア層２０８は、９割以上が半導体部２０１であり、電磁波は活性層２０６の薄い真性半導体層を表面プラズモンモードで伝搬する。本実施例では、発振周波数０．３ＴＨｚにおける導波路２０７の等価屈折率を約２０として、発振モードの管内波長λｇは５０μｍとなる。従って、半導体部２０１の大きさはλｇ／２程度、ピッチはλｇ／２程度、スペーサ２０２の大きさはλｇ／５０程度に対応している。
【００３５】
本実施例の素子の導波路３０７ｂの製造方法について図３の右側の部分を用いて説明する。本実施例の導波路３０７ｂは、次のように製造される。第一の基板として、分子線エピタキシーなどで半導体部３０１を構成する多重量子井戸構造をエピタキシャル成長したＩｎＰ基板３０９を準備する（図３（１））。第二の基板として、ＧａＡs基板３０５を準備する（図３（２））。フォトリソグラフィーとドライエッチング法により、半導体部３０１を島状の半導体部３０１ｂに分割する。プラズマＣＶＤ法とＣＭＰ法を用いて、隣接する半導体３０ｂの間にＳｉＯ２を埋め込みスペーサ３０２ｂを形成する（図３（３ｂ））。ＩｎＰ基板３０９の上面（半導体部３０１ｂが配置された面）に真空蒸着法でＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を成膜する。ＧａＡｓ基板３０５の上面に真空蒸着法でＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）を成膜する。ＩｎＰ基板３０９とＧａＡｓ基板３０５の上面を対向させてＡｕの熱圧着により基板を接合する（図３（４ｂ））。ここで、熱圧着により形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／４００ｎｍ／２０ｎｍ／２０ｎｍ）が第一の金属層３０３となる。研磨及び塩酸エッチングにより、一体化した基板から、ＩｎＰ基板３０９を除去し、半導体部３０１ｂをＧａＡｓ基板３０５に転写する。フォトリソグラフィーとドライエッチング法によりスペーサ３０２ｂを成形する（図３（５ｂ））。真空蒸着法とリフトオフ法を用いて、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）からなる第二の金属層３０４を形成する（図３（６ｂ））。
【００３６】
本実施例の素子においても、製造プロセスなどに起因して初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥が抑制されるので、発振特性などの特性の向上や安定化が実現される。
【００３７】
（実施例３）
本発明の実施例３について、図４から図６を用いて説明する。なお、図において、凹凸構造の数は省略して記載している。活性層４０６は、実施例１と同じ共鳴トンネルダイオード構造を用いており、半導体部４０１の層構成も同じである。導波路４０７は、長さＬがλｇの２０倍となる１ｍｍ、幅が０．００５ｍｍで、第二の金属層４０４は１ｍｍ×０．００５ｍｍの矩形パターンとなるように形成される。その他、実施例１と同じ構造については説明を省略する。
【００３８】
本実施例の発振素子４００は、導波路４０７の片側の端面付近に、面内方向に広がる凹凸構造である島状に形成された半導体部４０１とスペーサ４０２が配置された領域４１２を備える。ここで、スペーサ４０２は、実施例１と同様にＢＣＢで構成される。本実施例では、導波路４０７のコア４０８における半導体部４０１とスペーサ４０２の体積比が面内方向に分布している。言い換えると、導波路４０７のコア４０８の凹凸構造の粗密が導波路の端面近傍で段階的に変化する構成となっている。より具体的には、図５に示した表の通り、端面方向に向かって２０μｍピッチで、半導体部４０１の体積比が段階的に減少（従って、スペーサ４０２の体積比が段階的に増加）するように配置されており、領域４１２の長さＬ’は０．１４ｍｍである。
【００３９】
図５には、本実施例で示した導波路４０７の構造について、スペーサの体積比と３００ＧＨｚにおける等価屈折率との相関を高周波電磁界シミュレータ（アンシス社製ＨＦＳＳ）を用いて解析した結果を示した。導波路４０７を伝搬する電磁波の等価屈折率は、スリット４０２と半導体４０１の体積比に対して約２から２０の間で段階的に変化する。従って、本実施例にて開示した構造は、導波路４００の端部の領域４１２において、等価屈折率が端面方向に向かってグレーデッドに減少しながら約２に近づくので、導波路外部とのインピーダンスマッチングを比較的容易に達成することが可能となる。ここで、導波路の外部とは、自由空間、伝送線路、低誘電率の誘電体などが挙げられる。
【００４０】
図６は、本実施例の変形例となる導波路５００の説明図である。なお、図において、凹凸構造の数は構造の特徴を分かり易く示すために省略して記載している。また、図４に開示した発振素子４００と基本的な構造や材料は同じであるためそれらの説明は省略する。この変形例の発振素子５００のように、導波路５０７の両側の端面付近に、面内方向に広がる凹凸構造である島状に形成された半導体部５０１とスペーサ５０２が配置された領域５１２と領域５１３を備えるような構成であっても良い。導波路５０７の領域５１２と領域５１３には、２μｍ幅の半導体部５０１が、単位長さあたりの個数が端面方向に向かって段階的に減少するように配置されている。具体的には、２μｍ幅の半導体部５０１の長さ５０μｍにおける個数を２５個、１０個、５個、２個、１個と５０μｍピッチで段階的に減少するように配置される。この場合、Ｌ’＝２５０μｍである。このような方法で、端面付近の等価屈折率をグレーデッドに変化させる構成も外部とのインピーダンスマッチングに好適である。
【００４１】
また、本実施例の別の変形例として、導波路４０７のコア４０８の凹凸構造の粗密を部分的に変化することで、導波路の有効屈折率を部分的に変化させることも可能である。
【００４２】
本実施例の素子においても、製造プロセスなどに起因して初期又は動作中に半導体に生じる歪や欠陥が抑制されるので、発振特性などの特性の向上や安定化が実現される。また、ＤＭＷは、導波路と空間とのモードミスマッチに起因した端面反射の増加やビームパターンの発散が生じるため、応用の観点からビームの効率的な利用と取り回しが課題となっている。本実施例の構成であれば、導波路と外部とのインピーダンスマッチングが容易な高効率の導波路を提供することが可能となる。
【００４３】
また、これまで説明してきた導波路を用い、検体の状態などを算出する演算部などと組合せた図７に示す装置を提供することができる。例えば、導波路を発信器７００として用い、導波路の端部に検体７０１を配置する。検体７０１は導波路から発信される電磁波と相互作用するため、発信された電磁波は何らかの影響をうける。検体に照射された電磁波は反射や透過するため、それを検出器７０２で検出する。その後、パソコン等の演算部７０３で、検出した信号から検体７０１の状態を算出する。具体的には、薬の状態などを検査する産業用検査装置などの応用が想定される。演算部７０３で得られた検体７０１の状態は表示部７０４で表示することもできる。また、発信器７００からの情報を用いて、補正部により、演算部７０３で得られる検体７０１の状態に補正をかけてもよい。
【００４４】
以上、本発明の実施形態と実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態と実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１…半導体部、１０３…第一の導体層（第一の金属層）、１０４…第二の導体層（第二の金属層）、１０７…導波路、１０８…コア層
【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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