(57)【要約】【課題】高アンテナ利得で、単峰性の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有する広帯域のテラヘルツ素子を提供する。【解決手段】テラヘルツ素子３０は、半導体基板１と、半導体基板１上に配置された第１の半導体層９１ａと、第１の半導体層９１ａ上に積層化形成された能動素子９０と、第１の半導体層９１ａに接続されて能動素子９０のカソードＫに接続され、かつ半導体基板１上に配置された第２の電極２と、能動素子９０のアノードＡに接続され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４と、第１の半導体層９１ａに対向する半導体基板１の裏面に配置された半球レンズ１００とを備え、能動素子９０は、第２の電極２と第１の電極４間において共振器を形成し、電磁波は、半球レンズ１００を介して、半導体基板１に対して垂直方向の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有する。【選択図】図１９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に積層化形成された能動素子と、
前記第１の半導体層に接続されて前記能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記半導体基板上に配置された第２の電極と、
前記能動素子の主電極の他方に接続され、かつ前記半導体基板上に前記第２の電極に対向して配置された第１の電極と、
前記第１の半導体層に対向する前記半導体基板の裏面に配置された半球レンズと
を備え、
前記能動素子は、前記第２の電極と前記第１の電極間において共振器を形成し、電磁波は、前記半球レンズを介して、前記半導体基板に対して垂直方向の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有することを特徴とするテラヘルツ素子。
【請求項２】
前記第１の電極および前記第２の電極は、ダイポールアンテナを備えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ素子。
【請求項３】
前記ダイポールアンテナに接続された第１フィード線および第２フィード線と、
前記第１フィード線および前記第２フィード線に接続された第１パッド電極および第２パッド電極と
を備えることを特徴とする請求項２に記載のテラヘルツ素子。
【請求項４】
前記ダイポールアンテナの大きさは、波長／１０以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項５】
前記半球レンズの半径は、波長以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項６】
前記半球レンズは、前記半導体基板との間に配置されたオフセット部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項７】
前記オフセット部の厚さｔは、前記半球レンズの半径をｒ、前記オフセット部の屈折率をｎ2とすると、０．５（ｒ／ｎ2)＜ｔ＜１．３（ｒ／ｎ2)であることを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツ素子。
【請求項８】
前記オフセット部の厚さｔは、前記半球レンズの半径をｒ、前記オフセット部の屈折率をｎ2とすると、０．８（ｒ／ｎ2)＜ｔ＜１．２（ｒ／ｎ2)であることを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ素子。
【請求項９】
前記半球レンズは、シリコン（Ｓｉ）半球レンズを備え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１０】
前記半球レンズは、半導体、ポリマー、若しくは誘電体を備え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】
前記第１パッド電極と前記第２パッド電極との間に接続されたＭＩＭリフレクタを備えることを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１２】
前記第１の電極と前記第２の電極間に接続された抵抗素子を備えることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１３】
前記第１パッド電極と前記第２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１〜１１のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１４】
前記抵抗素子は、前記第１パッド電極と前記第２パッド電極間に外部接続されたことを特徴とする請求項１３に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１５】
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１２〜１４のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１６】
前記金属配線は、ビスマス、ニッケル、チタン、白金を備えることを特徴とする請求項１５に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１７】
前記能動素子は、マルチチップ化して配置されたことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１８】
前記能動素子は、セルアレイ化して配置されたことを特徴とする請求項１７に記載のテラヘルツ素子。
【請求項１９】
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１〜１８のいずれか１項に記載のテラヘルツ素子。
【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。
【０００７】
また、フェムト秒レーザパルス駆動によるテラヘルツ波の発生および検出のための集束レンズ一体型光伝導アンテナ素子も開示されている。
【０００８】
また、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１０Ｇｂｐｓ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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１２４２５０号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１７１０７号公報
【特許文献３】特開２０１２−０８４８８８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Tadao Nagatsuma, “Terahertz technologies: present and future”, IEICE Electronics Express, Vol.8, No.14, 1127-1142.
【非特許文献２】Takeshi Shiode, Masashi Kawamura, Toshikazu Mukai, and Tadao Nagatsuma, “Resonant-Tunneling Diode Transceiver for 300 GHz-Band Wireless Link”, Asia-Pacific Microw. Photon. Conf.(APMP 2012), WC-1, Kyoto, April 25, 2012.
【非特許文献３】Kazuisao Tsuruda, Ai Kaku, Daiki Tsuji, Toshikazu Mukai, Masayuki Fujita, and Tadao Nagatsuma, “10-Gbps Error-free Terahertz Wireless Communications Using Resonant Tunnneling Diode Receivers”, Global Symposium on Millimeter-Waves 2014 (GSMM 2014), TIB-3, 2014, 52-53.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
一方、ＩｎＰ基板上でＲＴＤと集積されたテーパースロットアンテナを備えるテラヘルツ素子の放射パターンは、周波数依存性が大きく、また、単峰性を得ることは難しい。
【００１２】
本実施の形態は、高アンテナ利得で、単峰性の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有する広帯域のテラヘルツ素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施の形態の一態様によれば、半導体基板と、前記半導体基板上に配置された第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に積層化形成された能動素子と、前記第１の半導体層に接続されて前記能動素子の主電極の一方に接続され、かつ前記半導体基板上に配置された第２の電極と、前記能動素子の主電極の他方に接続され、かつ前記半導体基板上に前記第２の電極に対向して配置された第１の電極と、前記第１の半導体層に対向する前記半導体基板の裏面に配置された半球レンズとを備え、前記能動素子は、前記第２の電極と前記第１の電極間において共振器を形成し、電磁波は、前記半球レンズを介して、前記半導体基板に対して垂直方向の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有するテラヘルツ素子が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本実施の形態によれば、高アンテナ利得で、単峰性の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有する広帯域のテラヘルツ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】基本技術に係るテラヘルツ素子の模式的平面パターン構成図。
【図２】基本技術に係るテラヘルツ素子の放射パターンのシミュレーション結果。
【図３】基本技術に係るテラヘルツ素子の規格化検出強度の周波数特性例。
【図４】基本技術に係るテラヘルツ素子の放射パターンの実験系の側面図。
【図５】基本技術に係るテラヘルツ素子の放射パターンの測定結果。
【図６】実施の形態に係るテラヘルツ素子の実験系の側面写真。
【図７】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ素子の実験系の上面写真、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ素子のＲＴＤチップの拡大写真。
【図８】比較例に係るテラヘルツ素子の放射パターンの電磁界シミュレーション結果。
【図９】実施の形態に係るテラヘルツ素子の放射パターンの電磁界シミュレーション結果。
【図１０】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ素子の放射パターンの測定系の側面写真、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ素子の放射パターンの測定結果。
【図１１】実施の形態に係るテラヘルツ素子において、最大値で規格化したアンテナ利得の周波数特性のシミュレーション結果。
【図１２】実施の形態に係るテラヘルツ素子において、規格化検出強度の搬送波周波数依存性の測定結果。
【図１３】実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能な半球レンズであって、（ａ）通常の半球レンズの模式的断面構成図、（ｂ）厚さｔのオフセット部を有する半球レンズの模式的断面構成図、（ｃ）厚さｔのオフセット部を有し、球を切り取った形状の半球レンズの模式的断面構成図。
【図１４】実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能な半球レンズにおいて、オフセット部の厚さｔをパラメータとする出射角の縮小割合φ1／θと出射角θとの関係図。
【図１５】実施の形態に係るテラヘルツ素子において、（ａ）厚さｔのオフセット部を有し、球を切り取った形状の半球レンズ上に半導体基板を配置した構成の模式的断面構造図、（ｂ）オフセット量ｔ’をパラメータとし、最大アンテナ利得の周波数特性のシミュレーション結果。
【図１６】実施の形態に係るテラヘルツ素子において、３ｄＢ帯域幅とオフセット量ｔ’との関係のシミュレーション結果。
【図１７】実施の形態に係るテラヘルツ素子において、最大アンテナ利得とオフセット量ｔ’との関係のシミュレーション結果。
【図１８】実施の形態に係るテラヘルツ素子の模式的平面パターン構成図。
【図１９】図１８のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。
【図２０】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能な能動素子の模式的断面構造図、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ素子に適用可能な能動素子の別の模式的断面構造図。
【図２１】実施の形態に係るテラヘルツ素子の詳細な平面パターン構成図。
【図２２】（ａ）実施の形態に係るテラヘルツ素子において、抵抗素子の別の配置例、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ素子において、抵抗素子の更に別の配置例。
【図２３】実施の形態に係るテラヘルツ素子のデバイス表面顕微鏡写真例。
【図２４】図２３の拡大されたデバイス表面顕微鏡写真例。
【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。
【００１８】
[基本技術]
基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａの模式的平面パターン構成は、図１に示すように表される。
【００１９】
基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａ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１の半導体層上に積層化形成された能動素子９０と、第１の半導体層に接続されて能動素子９０の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板１上に配置された第２の電極２と、能動素子９０の主電極の他方に接続され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４と、第１の半導体層に対向する半導体基板１の裏面に配置された裏面金属反射鏡とを備える。ここで、能動素子９０は、第２の電極２と第１の電極４間において共振器を形成し、放射された電磁波は、裏面金属反射鏡に反射されて、半導体基板１に対して垂直方向の面発光放射パターンを有する。
【００２０】
また、基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａにおいて、第１の電極４および第２の電極２は、図１に示すように、ダイポールアンテナを構成する。
【００２１】
また、基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａは、図１に示すように、ダイポールアンテナ（４・２）に接続された第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆと、第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆに接続された第１パッド電極４０Ｐおよび第２パッド電極２０Ｐとを備える。
【００２２】
基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａは、厚さ約２３０μｍのＩｎＰ基板１上に長さ約２０μｍ・幅約６μｍの２本の金属線の平面ダイポール構造をＲＴＤ９０の左右に備えている。更に、変復調信号を伝送するためのパッド電極２０Ｐ・４０Ｐをダイポールアンテナ（２・４）に接続している。
【００２３】
基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａの３００ＧＨｚにおける放射パターンのシミュレーション結果は、図２に示すように表される。
【００２４】
基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａは裏面金属反射鏡およびダイポール構造を備えることで、図２に示すように、半導体基板１の上面方向に単峰的な放射指向性を示す。ここで、アンテナ利得は、約８．３ｄＢｉである。
【００２５】
基本技術に係るテラヘルツ素子３０の規格化検出強度の周波数特性の実測例は、図３に示すように表される。図３に示すように、３ｄＢ帯域幅の実験値は、約１７ＧＨｚである。この結果、０．７×１７ＧＨｚより、基本技術に係るテラヘルツ素子３０を適用したＲＴＤ検出器は、約１１Ｇｂｐｓの通信を実現可能である。
【００２６】
基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａの放射パターンの実験系の側面写真は、図４に示すように表される。図４に示す実験系においては、ＲＴＤ９０の裏面金属反射鏡を取り除き、ＲＴＤ９０をシリコン基板１２４上に配置している。また、基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａは、ＳＭＡコネクタ１２０を介して外部に接続されている。
【００２７】
図４に示す実験系を用いて測定された基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａの放射パターンの測定結果は、図５に示すように表される。基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａの３００ＧＨｚでの放射パターンは、ダイポールアンテナを備えることで、図５に示すように、様々な方向へ等方的に放射している。
【００２８】
基本技術に係るテラヘルツ素子３０ＡのＲＴＤチップは、図１に示すように、ダイポールアンテナ（２・４）を有しており、テラヘルツ波の発振、受信の両方を実現可能である。この時、発振する周波数と受信できる周波数は、ダイポールアンテナ（２・４）の持つ周波数特性に依存して変化する。特に、受信動作の感度帯域には、ダイポールアンテナ（２・４）の周波数特性（ＲＦ帯域）が直接的に影響している。しかしながら、このようなコンパクトなダイポールアンテナでは、広い動作帯域を実現するのは難しい。また、図３に示すように、周波数の変化に対して、感度のバラツキが大きい。周期的に変化している様子から、アンテナの共振状態に依存する周波数特性であることがわかる。
【００２９】
どの程度の広帯域が必要なのかという点であるが、もちろんアプリケーションによって異なる。例えば、イメージングやセンサ応用を考えた場合、変調周波数は高くても１０ＭＨｚ程度と想定されるので、１０ＧＨｚも帯域があれば、全く問題にならない。もちろん帯域が広いことで、ダイナミックレンジが向上して信号特性が良くなれば、それは当然良い特性となる。
【００３０】
帯域がシビアに関連してくるのは、無線通信応用の場合である。高速無線通信では、１０Ｇｂｐｓや更には基幹系の光ファイバーに迫る３０Ｇｂｐｓ等の目標となるマイルストーンが存在する。２０Ｇｂｐｓ程度の通信速度を実現させたい場合、変調に必要な帯域は約３０ＧＨｚ程度（例えば、ダブルサイドバンドのＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）変調時）必要である。そうした時、ＲＴＤチップ上にあるアンテナだけでは、帯域が足りず目標とする特性に届かない。そこで、アンテナの周波数特性を改善する方法が必要である。アンテナの周波数特性が向上して、利得も改善されれば、通信だけでなく、あらゆる応用でプラスに働く。
【００３１】
[実施の形態]
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の模式的平面パターン構成は、図１と同様に表される。なお、詳細な構造については、図１８〜図２１を参照して詳述する。
【００３２】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、半導体基板１と、半導体基板１上に配置された第１の半導体層上に積層化形成された能動素子９０と、第１の半導体層に接続されて能動素子９０の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板１上に配置された第２の電極２と、能動素子９０の主電極の他方に接続され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４と、第１の半導体層に対向する半導体基板１の裏面に配置された半球レンズ１００とを備える。ここで、能動素子９０は、第２の電極２と第１の電極４間において共振器を形成し、放射された電磁波は、半球レンズ１００を介して、半導体基板１に対して垂直方向の面発光放射パターンを有する。
【００３３】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、第１の電極４および第２の電極２は、ダイポールアンテナを構成する。
【００３４】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、ダイポールアンテナに接続された第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆと、第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆに接続された第１パッド電極４０Ｐおよび第２パッド電極２０Ｐとを備える。
【００３５】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の実験系の側面写真は、図６に示すように表され、上面写真は、図７（ａ）に示すように表され、ＲＴＤチップ１２６の拡大写真は、図７（ｂ）に示すように表される。
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の実験系においては、図６に示すように、ＲＴＤチップ１２６が厚さ２００μｍのシリコン基板１２４を介して半球レンズ１００上に接着し配置されている。ＲＴＤチップ１２６は、ＩｎＰ基板１上に形成されたＲＴＤ９０を備える。ＲＴＤ９０にはダイポールアンテナ（２・４）が接続される。フィード線２０Ｆ・４０Ｆに接続されるパッド電極２０Ｐ・４０Ｐは、図７（ａ）・図７（ｂ）に示すように、ボンディングワイヤ２０Ｗ・４０Ｗを介してプリント基板１２２上に形成されたコプレーナ線路（ＣＰＷ：Coplanar Waveguide）に接続される。ここで、コプレーナ線路（ＣＰＷ）は、変復調信号伝送用のＳＭＡコネクタ１２０に接続されている。
【００３６】
このようにして、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、ＳＭＡコネクタ１２０を介した外部からの給電によって半球レンズ１００を介したテラヘルツ波の発振動作と、半球レンズ１００を介した外部からのテラヘルツ波の検出動作の両方を実現可能である。
【００３７】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、ダイポールアンテナ（２・４）を集積化し、ＲＴＤチップ１２６の直下に超半球レンズ１００を実装している。ＲＴＤチップ１２６のＲＴＤ９０を点光源として見なして良いため、実装位置は、出来る限り超半球レンズ１００の球の中心に来るようにする。実際は、ダイポールアンテナ（２・４）の形状も影響するため、多少のオフセット部を入れると、最適化可能である。
【００３８】
ダイポールアンテナ（２・４）の大きさが波長／１０以下と小さく、点光源と見なせ、半球レンズ１００の半径ｒが波長以上の大きさの場合には、波動光学ではなく，幾何光学的な振る舞いとなる。図１３・図１４を参照して後述するように、半球レンズ１００界面での屈折現象によって、出射角φ1が小さくなることで指向性（アンテナ利得）が高くなる。
【００３９】
また、周波数（波長）が変化した場合の指向性が変化しずらくなるため、結果として、広帯域動作が可能になる。
【００４０】
通信速度は動作帯域に比例する。単純な振幅変調では帯域Ｂ（ＧＨｚ）の約０．７倍、即ち、０．７Ｂ（Ｇｂｐｓ）までの通信が可能である。分光応用に対しても、周波数に強度が一定となるため、広帯域が望ましい。 高い指向性は通信可能な距離を長くすることができる。また、イメージング、分光の空間分解能を高くすることができる。
【００４１】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、微小なダイポールアンテナ（２・４）を備えるＲＴＤ９０に対して集光作用のある半球レンズ１００を実装することによって、高い指向性（高いアンテナ利得）と広帯域動作を実現している。
【００４２】
（半球レンズつきダイポールアンテナＲＴＤデバイスの構造例）
ここでは一例として、半球レンズ１００として、シリコン（Ｓｉ）半球レンズを使用しているが、その材料はシリコンに限らず、各種半導体、ポリマー、誘電体等を適用可能である。
【００４３】
上記の実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の実験系では半球レンズ１００の容易な再利用のためにシリコン基板１２４をＲＴＤチップ１２６と半球レンズ１００との間に挟んでいる。しかしながら、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の構成上は、シリコン基板１２４は、必須の構成部材ではない。
【００４４】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、ＲＴＤチップ１２６と半球レンズ１００との間にシリコン基板１２４を介在させることは、等価的にレンズのオフセット部の厚さｔ（図１３・図１４参照）を増やすことに相当する。
【００４５】
ＲＴＤ９０を構成する半導体基板１と半球レンズ１００の屈折率がそれぞれｎ1、ｎ2と異なる場合、半導体基板１と半球レンズ１００の間の反射をなくすため、屈折率がｎ1＞ｎ3＞ｎ2、特にはｎ3＝√ｎ1ｎ2で、厚さが波長／(４ｎ3)×Ｎ±波長／(８ｎ3）の中間層を挟むことが望ましい。ここで、Ｎは自然数である。
【００４６】
各層の間の接着剤の厚さは波長／１０以下であることが望ましい。
【００４７】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０をテラヘルツ波検出器として使用する場合には、ＲＴＤ９０の代わりにショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ：Schottky Barrier Diode）なども適用可能である。
【００４８】
また、半球レンズ１００の半径ｒの大きさは、波長よりも大きい必要がある。より望ましくは波長の３倍以上である。
【００４９】
（電磁界シミュレーション）
比較例に係るテラヘルツ素子３０Ｂの放射パターンの電磁界シミュレーション結果は、図８に示すように表される。図８は、比較例に係るテラヘルツ素子３０Ｂ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。
【００５０】
一方、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の３００ＧＨｚにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果は、図９に示すように表される。
【００５１】
図９は、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０として、半球レンズつきダイポールアンテナＲＴＤデバイスの放射指向性のシミュレーション結果を示している。特に、３００ＧＨｚでの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る。
【００５２】
比較例に係るテラヘルツ素子３０Ｂにおいては、レンズ無し構造のため、約６．３ｄＢｉの最大アンテナ利得が得られている。これに対して、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、約２３．４ｄＢｉという高い指向性 (アンテナ利得)が得られている。しかも、図９に示すように、単峰的な放射パターンが得られている。
【００５３】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、アンテナ利得を向上させるため、ダイポールアンテナ(２・４)を集積化したＩｎＰ基板１の底面に直径１２ｍｍ、オフセット部の厚さ１．５６ｍｍを有するシリコンからなる超半球レンズ１００を実装している。
【００５４】
レンズありの場合の電磁界シミュレーション結果（図９）により、屈折率の高いシリコン半球レンズ側への放射のみが強くなり、最大アンテナ利得が約６．３ｄＢｉから約２３．４ｄＢｉに向上している。
【００５５】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の放射パターンの測定系の側面写真は、図１０（ａ）に示すように表され、３００ＧＨｚにおける放射パターンの測定結果は、図１０（ｂ）に示すように表される。図１０（ｂ）は、レンズつきダイポールアンテナＲＴＤデバイスの実験的な放射パターンを示している。
【００５６】
基本技術に係るテラヘルツ素子の放射パターンの測定結果（図５）と比較して、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、図１０（ｂ）に示すように、放射指向性が改善されている。
【００５７】
（アンテナ利得の周波数特性：シミュレーション）
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、最大値で規格化したアンテナ利得の周波数特性のシミュレーション結果は、図１１に示すように表される。
【００５８】
図１１は、半球レンズつきダイポールアンテナＲＴＤデバイスのダイポールアンテナ帯域のシミュレーション結果を示している。
【００５９】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、図１１に示すように、３ｄＢ帯域が１４０ＧＨｚ（中心周波数の４７％）と非常に広帯域なアンテナ特性が得られている。
【００６０】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、規格化検出強度の搬送波周波数依存性の測定結果は、図１２に示すように表される。図１２は、半球レンズつきダイポールアンテナＲＴＤデバイスのダイポールアンテナ帯域の実験結果を示している。
【００６１】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、図１２に示すように、３ｄＢ帯域幅は４７ＧＨｚとレンズ無しの場合の１７ＧＨｚと比較して、広帯域化されている。
【００６２】
ここで、実験に適用したシリコン半球レンズ１００の半径ｒは６ｍｍである。また、ＲＴＤチップとシリコン基板１２４の厚さを含む半球レンズのオフセット量は１．９６ｍｍである。
【００６３】
図１２に示された実験結果と図１１に示されたシミュレーションの差は半球レンズ１００の容易な再利用のために挿入したシリコン基板１２４、半球レンズ１００に追加したオフセット量の理想値１．７７ｍｍからのズレ、および１ｍｍ(波長）以上となったレンズ中心位置からの実装の位置ズレの影響が原因である。
【００６４】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、アンテナの指向性が向上し、アンテナ利得が基本技術に係るテラヘルツ素子３０Ａの６．３ｄＢｉ程度から２３．４ｄＢｉに向上した。また、ＲＦ帯域が１７ＧＨｚ程度から、４７ＧＨｚ程度に向上した。この結果により、１０Ｇｂｐｓ程度の高速無線通信を達成可能な特性を有するテラヘルツ素子を提供することができる。
【００６５】
ＲＴＤデバイスを受信器として動作させ、磁界振動方向のＨ面に対する３００ＧＨｚでの放射パターンを測定した結果、図１０（ｂ）に示すように、半球レンズ１００の実装により、半球レンズの実装の無い場合に比較して、最大受信強度が１５ｄＢ向上している。
更に、相対検波強度の搬送波周波数依存性（図１２）に示すように、３ｄＢ帯域が４７ＧＨｚと見積もられた。これは、ＡＳＫ変調で３０Ｇｂｐｓ程度の通信が可能な帯域に相当する。
【００６６】
（半球レンズの効果）
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、ＲＴＤチップを半球レンズに直接実装する。半球レンズは、オフセット部を備えるレンズとすることで、中心周波数によって、その設計値を変更可能である。
【００６７】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な半球レンズ１００の説明であって、通常の半球レンズ１００の模式的断面構成は、図１３（ａ）に示すように表され、厚さｔのオフセット部１０２を有する半球レンズ１００の模式的断面構成は、図１３（ｂ）に示すように表され、厚さｔのオフセット部１０２を有し、球を切り取った形状の半球レンズ１００の模式的断面構成は、図１３（ｃ）に示すように表される。
【００６８】
図１３（ａ）のＯ点および図１３（ｂ）・図１３（ｃ）のＰ点は、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０が配置される位置を表す。実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、送信デバイスとしても或いは受信デバイスとしても機能する点は前述の通りである。
【００６９】
図１３（ｂ）・図１３（ｃ）において、半球レンズ１００のオフセット部１０２のＤＡ間・ＥＢ間の形状は任意でよい。例えば、図１３（ｃ）に示すように、球を切り取る形状なども適用可能である。
【００７０】
通常の半球レンズ１００を実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に付加した場合では、図１３（ａ）に示すように、レンズ出射点Ｃ点での入射角が０°のため、テラヘルツ素子３０から出射される角度θがそのままで、外部へ出射される（θ＝φ0）。
【００７１】
一方、厚さｔのオフセット部１０２を付加した半球レンズ１００では、図１３（ｂ）・図１３（ｃ）に示すように、レンズ出射点Ｆでの入射角がrｓｉｎφ1＝ｔｓｉｎθの関係を満たすように大きくなる。この結果、屈折の法則により、出射角がφ0からφ1へ変化する（φ1＜φ0）。
【００７２】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、オフセット部１０２の厚さｔが大きいほど、出射角φ1が小さくなり、指向性、すなわち、アンテナ利得が高くなる。
【００７３】
アンテナ利得とは、等方放射での強度を基準値として、指向性が高くなる（出射角φ1が小さくなる）結果、強度が何倍になるかを表した値である。
【００７４】
ただし，オフセット部１０２の厚さｔの値が大きすぎると、出射点Ｆにおいて全反射現象が生じてしまい、テラヘルツ素子３０から出射される角度θが大きい成分が取り出されなくなる。そのため、半球レンズの十分な指向性効果を得るためにはオフセット部１０２の厚さｔに関しては、半径ｒ／ｎ2（オフセット部１０２の屈折率）の０．５倍〜１．３倍、すなわち、０．５（ｒ／ｎ2)＜ｔ＜１．３（ｒ／ｎ2 )とすべきであり、特に０．８倍〜１．２倍、すなわち０．８（ｒ／ｎ2)＜ｔ＜１．２（ｒ／ｎ2)であることがが望ましい。
【００７５】
（出射角の縮小割合φ1／θと出射角θとの関係）
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な半球レンズ１００において、オフセット部１０２の厚さｔをパラメータとする出射角の縮小割合φ1／θと出射角θとの関係は、図１４に示すように表される。
【００７６】
図１４は、オフセット部１０２の厚さｔをパラメータとしたときの半球レンズ１００による出射角の縮小割合φ1／θの計算例である。縮小割合φ1／θが小さいほど、出射角φ1が小さくなり、半球レンズ１００の指向性効果が大きく望ましい。
【００７７】
ここで、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０のダイポールアンテナの動作帯域は出射角の周波数依存性で決定される。
【００７８】
オフセット部１０２の厚さｔを追加した半球レンズ１００では、出射角φ1が元々のデバイスよりも小さくなるため、その周波数依存性も小さくなる。
【００７９】
例えば、ｔ＝ｒ／ｎ1とした場合（ｎ1は半球レンズの屈折率）、sinφ1=(１／ｎ1)sinθの関係が成り立ち、アンテナ利得を決定するsinθおよびsinφ1の周波数ｆに対する依存性を比較すると、∂sinφ1／∂ｆ＝（１／ｎ1)∂sinθ／∂ｆとなり、周波数依存性の大きさが１／ｎ1になる。この結果、動作帯域を広げることができる。
【００８０】
以上の議論が成立するのは，波長に比べて、ダイポールアンテナの大きさが十分小さく、半球レンズ１００の半径ｒが十分に大きく、幾何光学的にみなせる場合である。
【００８１】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、周波数３００ＧＨｚ（波長１ｍｍ）に対して、ダイポールアンテナ（２・４）の大きさは長さ４０μｍ・幅６μｍと十分に小さく、半球レンズ１００の半径ｒは６ｍｍと十分に大きいため、上記の条件を満たしている。
【００８２】
（最大アンテナ利得の周波数特性）
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、厚さｔのオフセット部を有し、球を切り取った形状の半球レンズ１００上に半導体基板１を配置した構成の模式的断面構造は、図１５（ａ）に示すように表される。ここで、シリコンとＩｎＰの屈折率はほぼ等しいため、オフセット部の厚さｔとＩｎＰ基板の厚さＤとの和ｔ’＝ｔ＋Ｄが実効的なオフセット量に相当する。実効的なオフセット量ｔ’をパラメータとし、最大アンテナ利得（ｄＢｉ）の周波数特性のシミュレーション結果は、図１５（ｂ）に示すように表される。ここでは、半球レンズの半径ｒを３ｍｍとし、ＩｎＰ基板の厚さＤを０．２ｍｍとした場合である。
【００８３】
（３ｄＢ帯域幅および最大アンテナ利得と厚さｔとの関係）
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、３ｄＢ帯域幅とオフセット量ｔ’との関係のシミュレーション結果は図１６に示すように表される。
【００８４】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、最大アンテナ利得（ｄＢｉ）とオフセット量ｔ’との関係のシミュレーション結果は図１７に示すように表される。
オフセット量ｔ’は、３ｄＢ帯域幅および最大アンテナ利得（ｄＢｉ）の観点から，半球レンズの半径ｒの０．８倍から１．２倍が望ましい。
【００８５】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０の模式的平面パターン構成は、図１８に示すように表され、図１８のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図１９に示すように表される。
【００８６】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な能動素子９０の模式的断面構造は、図２０（ａ）に示すように表され、別の模式的断面構造は、図２０（ｂ）に示すように表される。
【００８７】
―ＲＴＤ―
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの構成例は、図２０（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ａと、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ａと、ＧａＩｎＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ａと、ＧａＩｎＡｓ層９３ａ上に配置されたＡｌＡｓ層９４ａ／ＩｎＧａＡｓ層９５／ＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、ＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＧａＩｎＡｓ層９３ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９３ｂ上に配置され、ｎ型不純物をドープされたＧａＩｎＡｓ層９２ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９２ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｂと、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置された第１の電極４と、ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２とを備える。
【００８８】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０に適用可能な能動素子９０として、ＲＴＤの別の構成例は、図２０（ｂ）に示すように、ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に配置され、ｎ型不純物を高濃度にドープされたＧａＩｎＡｓ層９１ｃを備え、第１の電極４は、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃ上に配置される。このように、第１の電極４とＧａＩｎＡｓ層９１ｂとのコンタクトをさらに良好にするために、ＧａＩｎＡｓ層９１ｃを形成しても良い。
【００８９】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【００９０】
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。
【００９１】
なお、図２０（ａ）および図２０（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。
【００９２】
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。
【００９３】
第１の電極４・第２の電極２は、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／ＴｉやＡｕ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４・第２の電極２の各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４・第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
（テラヘルツ発振素子）
テラヘルツ発振素子として動作可能な実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１８〜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と、第１の半導体層９１ａに接続されて能動素子９０の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板１上に配置された第２の電極２と、能動素子９０の主電極の他方に接続され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４と、第１の半導体層９１ａに対向する半導体基板１の裏面に配置された半球レンズ１００とを備える。ここで、能動素子９０は、第２の電極２と第１の電極４間において共振器を形成し、放射された電磁波は、半球レンズ１００を介して、半導体基板１に対して垂直方向の面発光放射パターンを有する。
【００９７】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１８に示すように、第１の電極４および第２の電極２からなるダイポールアンテナを備える。
【００９８】
実施の形態に係るテラヘルツ素子の詳細な平面パターン構成は、図２１に示すように表される。
【００９９】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図２１に示すように、ダイポールアンテナに接続された第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆと、第１フィード線４０Ｆおよび第２フィード線２０Ｆに接続された第１パッド電極４０Ｐおよび第２パッド電極２０Ｐとを備えていても良い。
【０１００】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図２１に示すように、第１パッド電極４０Ｐと第２パッド電極２０Ｐとの間に接続されたＭＩＭリフレクタ５０を備えていても良い。パッド電極２０Ｐ・４０Ｐの一部分を絶縁層を介して積層化することで、ＭＩＭリフレクタ５０が形成可能である。
【０１０１】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１８・図２１に示すように、第１の電極４と第２の電極２間に接続された抵抗素子１１４を備えていてもい良い。ここで、抵抗素子１１４は、金属配線を備えていても良い。例えば、金属配線は、ビスマス（Ｂｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、若しくは白金（Ｐｔ）を備えていても良い。
【０１０２】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、抵抗素子１１４の別の配置例は、図２２（ａ）に示すように表され、抵抗素子１１４の更に別の配置例は、図２２（ｂ）に示すように表される。抵抗素子１１４は、図２２（ａ）に示すように、第１パッド電極４０Ｐと第２パッド電極２０Ｐ間に外部接続されていても良い。或いは、図２２（ｂ）に示すように、第１パッド電極４０Ｐと第２パッド電極２０Ｐ間にＲＴＤチップ内で内部接続されていても良い。
【０１０３】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、能動素子９０は、マルチチップ化して配置されていても良い。
【０１０４】
また、実施の形態に係るテラヘルツ素子３０において、能動素子９０は、セルアレイ化して配置されていても良い。
【０１０５】
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。
【０１０６】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、能動素子９０として、ＲＴＤの負性抵抗を用いたテラヘルツ発振素子若しくはテラヘルツ検出素子を構成可能である。
【０１０７】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、ダイポール型のアンテナ部を構成する第１の電極４および第２の電極２と、伝送線部を構成するパッド電極４０Ｐ・２０Ｐと、接続部を構成するフィード線４０Ｆ・２０Ｆと、半導体基板１の裏面に配置される半球レンズ１００とを備えている。
【０１０８】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、素子の放射パターンを改善し、高アンテナ利得で、単峰性の面発光放射パターンを得ることができる。
【０１０９】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、半導体基板１の裏面に半球レンズ１００を設けることで、放射パターンを改善すると同時に、広帯域・高アンテナ利得を得ることができる。
【０１１０】
さらに詳細には、第１の電極４・第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉ若しくはＡｕ／Ｔｉを備えていても良い。
【０１１１】
（テラヘルツ検出素子）
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０を検出素子として動作させる場合にも同様の効果がある。すなわち、半導体基板１の裏面に半球レンズ１００を設けることで、受信波パターンを改善すると同時に、広帯域・高検出感度を得ることができる。
【０１１２】
テラヘルツ検出素子として動作可能な実施の形態に係るテラヘルツ素子３０は、図１８〜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と、第１の半導体層９１ａに接続されて能動素子９０の主電極の一方に接続され、かつ半導体基板１上に配置された第２の電極２と、能動素子９０の主電極の他方に接続され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４と、第１の半導体層９１ａに対向する半導体基板１の裏面に配置された半球レンズ１００とを備える。ここで、能動素子９０は、第２の電極２と第１の電極４間において共振器を形成し、半導体基板１の裏面に配置される半球レンズ１００を介して受信した電磁波は、半導体基板１に対して垂直方向の面受光パターンを有する。テラヘルツ検出素子のその他の構成は、テラヘルツ発振素子と同様である。
【０１１３】
本実施の形態によれば、素子の受信波パターンを改善し、高アンテナ利得で、単峰性の面受光パターンを有する広帯域のテラヘルツ素子を得ることができる。
【０１１４】
（並列抵抗）
能動素子９０としてＲＴＤを有するテラヘルツ素子３０は、ＲＴＤの負性抵抗に起因する外部回路との寄生発振によって、テラヘルツ帯での本発振を規制される。寄生発振を抑制する方法として、図１８・図２１に示すように、ＲＴＤに対して並列にビスマスからなる抵抗素子１１４を配置し、外部回路に対して負性抵抗が見えないようにすることができる。
【０１１５】
ＲＴＤの抵抗ＲRTDに対して、抵抗素子１１４の抵抗ＲBiは、ＲＴＤのアノード・カソード間に並列に接続される。結果として、ＲＴＤのアノードＡ・カソードＫ間の合成抵抗Ｒtは、ＲＴＤの抵抗ＲRTDと抵抗素子１１４の抵抗ＲBiの並列接続された抵抗ＲRTD・ＲBi／（ＲRTD＋ＲBi）で表される。
【０１１６】
ＲＴＤの抵抗ＲRTDに対して、抵抗素子１１４の抵抗ＲBiを並列に配置することによって、負性抵抗（−ΔＶ／ΔＩ）の発生が、相対的に大きな電圧および相対的に大きな電流側にシフトし、寄生発振の抑制効果がある。
【０１１７】
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。そのための要求条件は、合成抵抗Ｒt＞＝０より、ＲBi＜＝ΔＶ／ΔＩ（＝ＲRTD）で表される。
【０１１８】
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。
【０１１９】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、寄生発振を抑制するための抵抗配線をダイポールアンテナ部に直接接続している。
【０１２０】
（ＲＴＤのデバイス表面顕微鏡写真例）
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０のデバイス表面顕微鏡写真例は、図２３に示すように表され、図２３の拡大されたデバイス表面顕微鏡写真例は、図２４に示すように表される。図２３・図２４の例は、図２１の実施の形態に係るテラヘルツ素子の詳細な平面パターン構成例に対応している。尚、図２３・図２４では、ＭＩＭリフレクタ５０が形成されていない例が示されているが、図２１と同様に、パッド電極２０Ｐ・４０Ｐの一部分を絶縁層を介して積層化することで、ＭＩＭリフレクタ５０が形成可能である。
【０１２１】
実施の形態に係るテラヘルツ素子３０においては、相対的に抵抗値の高いＢｉや半導体プロセスで一般的に使用されるＴｉ、Ｐｔ，Ｎｉ等のメタルを用いて並列抵抗を作製可能である。デバイスの構造上、段差のある部分も、斜め蒸着などうまく覆膜性を改良し、デバイスの動作実証を達成可能である。
【０１２２】
実施の形態に係るテラヘルツ素子よれば、ダイポールアンテナを集積化し、超半球レンズを実装したＲＴＤデバイスにおいて、高いアンテナ利得をもつ単峰性の放射パターンが広帯域で実現可能である。
【０１２３】
実施の形態によれば、高アンテナ利得で、単峰性の面発光放射パターン若しくは面受光パターンを有する広帯域のテラヘルツ素子を提供することができる。
【０１２４】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態に係るテラヘルツ素子について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１２５】
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】
【０１２６】
本実施の形態のテラヘルツ素子は、デバイスベースでは、テラヘルツ発振器、テラヘルツ検出器、高周波共振回路、信号増幅器等に適用可能であり、応用ベースでは、テラヘルツ波イメージング装置、センシング装置、高速無線通信器等の大容量通信・情報処理のほか、物性、天文、生物などのさまざまな分野における計測、セキュリティー分野など、幅広い分野に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
１…半導体基板
２…第２の電極（カソード電極）
４……第１の電極（アノード電極）
２０Ｆ、４０Ｆ…フィード線
２０Ｐ、４０Ｐ…パッド電極
２０Ｗ、４０Ｗ…ボンディングワイヤ
３０、３０Ａ、３０Ｂ…テラヘルツ素子
５０…ＭＩＭリフレクタ
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
１００…半球レンズ
１０２…オフセット部
１１４…抵抗素子
１２０…ＳＭＡコネクタ
１２２…プリント基板
１２４…シリコン基板
１２６…ＲＴＤチップ
ｔ…オフセット部の厚さ
ｔ’…オフセット量
【図１】
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【図３】
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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２】
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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２３】
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【図２４】
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