(57)【要約】【課題】  寄生発振を低減できる素子を提供する。【解決手段】  テラヘルツ波の発振又は共振に用いる素子であって、第１の導体１０２と、第２の導体１０５と、第１の導体と第２の導体との間に配置されている誘電体１０４と、第１の導体と第２の導体との間に互いに並列に接続されている第１の負性抵抗素子１０１ａ及び第２の負性抵抗素子１０１ｂと、を有する共振部１０８と、第１の負性抵抗素子及び第２の負性抵抗素子のそれぞれにバイアス電圧を供給するバイアス回路１２０と、バイアス回路と共振部とを接続する線路１０３と、を有し、第１の負性抵抗素子と第２の負性抵抗素子との正位相の相互注入同期が不安定で、第１の負性抵抗素子と第２の負性抵抗素子との逆位相の相互注入同期が安定になるように構成されている。【選択図】  図１
2017201779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波の発振又は検出に用いる素子であって、
第１の導体と、第２の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されている誘電体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に互いに並列に接続されている第１の負性抵抗素子及び第２の負性抵抗素子と、を有する共振部と、
前記第１の負性抵抗素子及び前記第２の負性抵抗素子のそれぞれにバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
前記バイアス回路と前記共振部とを接続する線路と、を有し、
前記第１の負性抵抗素子と前記第２の負性抵抗素子との正位相の相互注入同期が不安定で、前記第１の負性抵抗素子と前記第２の負性抵抗素子との逆位相の相互注入同期が安定になるように構成されている
ことを特徴とする素子。
【請求項２】
テラヘルツ波の発振又は検出に用いる素子であって、
第１の導体と、第２の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されている誘電体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に互いに並列に接続されている第１の負性抵抗素子及び第２の負性抵抗素子と、を有する共振部と、
前記第１の負性抵抗素子及び前記第２の負性抵抗素子のそれぞれにバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
前記バイアス回路と前記共振部とを接続する線路と、を有し、
下記（１）式を満たすことを特徴とする素子。
【数１】
2017201779.tif 000004
Ｒｅ（Ｙ１２）は、前記第１の負性抵抗素子と前記第２の負性抵抗素子との間の相互アドミタンスの実部。
Ｇは、前記第１の負性抵抗素子又は前記第２の負性抵抗素子の利得。
Ｒｅ（Ｙ１１）は、前記第１の負性抵抗素子からみた前記アンテナを含む全構成のアドミタンスの実部。
【請求項３】
前記第２の負性抵抗素子は、前記第１の導体において、前記第１の導体の重心を通り且つ前記アンテナにおける電磁波の共振方向及び前記第１の導体層と前記第２の導体層との積層方向と垂直な直線を軸として前記第１の負性抵抗素子が配置されている位置と線対称の位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の素子。
【請求項４】
第１の負性抵抗素子を含む第１のアンテナ部、第２の負性抵抗素子を含む第２のアンテナ部、及び前記第１のアンテナ部と前記第２のアンテナ部とを強結合する結合部、を有し、テラへルツ波が共振する共振部と、
前記第１の負性抵抗素子及び前記第２の負性抵抗素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
前記バイアス回路と前記共振部とを接続する線路と、を有し、
前記共振部は、前記線路のインダクタンスと前記共振部の容量とによる共振の周波数における前記第１の負性抵抗素子と前記第２の負性抵抗素子との正位相の相互注入同期が不安定で、前記テラヘルツ波の周波数における逆位相の相互注入同期が安定になるように構成されている
ことを特徴とする素子。
【請求項５】
第１の負性抵抗素子を含む第１のアンテナ部、第２の負性抵抗素子を含む第２のアンテナ部、及び前記第１のアンテナ部と前記第２のアンテナ部とを強結合する結合部、を有し、テラへルツ波が共振する共振部と、
前記第１の負性抵抗素子及び前記第２の負性抵抗素子にバイアス電圧を供給するバイアス回路と、
前記バイアス回路と前記アンテナとを接続する線路と、を有し、
下記（１）式を満たす
ことを特徴とする素子。
【数２】
2017201779.tif 000005
Ｒｅ（Ｙ１２）は、前記第１の負性抵抗素子と前記第２の負性抵抗素子との間の相互アドミタンスの実部。
Ｇは、前記第１の負性抵抗素子又は前記第２の負性抵抗素子の利得。
Ｒｅ（Ｙ１１）は、前記第１の負性抵抗素子からみた前記アンテナを含む全構成のアドミタンスの実部。
【請求項６】
前記第１のアンテナ部は、第１の導体層、導体、前記第１の導体層と前記導体との間に配置されている誘電体、及び前記第１の導体層と前記導体との間に電気的に接続されている前記第１の負性抵抗素子、を有し、
前記第２のアンテナ部は、第２の導体層、前記導体、前記第２の導体層と前記導体との間に配置されている誘電体、及び前記第２の導体層と前記導体との間に電気的に接続されている前記第２の負性抵抗素子、を有する
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の素子。
【請求項７】
前記結合部は、前記第１の導体層と前記第２の導体層とを接続する接続部、前記導体、及び前記接続部と前記導体との間に配置されている前記誘電体、を有する
ことを特徴とする請求項６に記載の素子。
【請求項８】
前記第１の導体層と前記第２の導体層と前記接続部とは、１つの導体で形成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の素子。
【請求項９】
前記導体は、前記第１のアンテナ部に含まれる導体と、前記第２のアンテナ部に含まれる導体と、前記結合部に含まれる導体と、を有する
ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１０】
前記接続部は、前記共振器に定在する前記テラヘルツ波の電界の節となる位置に配置されている
ことを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１１】
前記結合部は、前記第１のアンテナ部と前記第２のアンテナ部とをＤＣ結合する
ことを特徴とする請求項４乃至１０のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１２】
前記第１のアンテナ部と前記第２のアンテナ部とは、前記結合部を軸に鏡像対称である
ことを特徴とする請求項４乃至１１のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１３】
前記第１の負性抵抗素子の利得と前記第２の負性抵抗素子の利得とが、等しい
ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１４】
前記線路は、前記アンテナの前記共振部に定在する前記テラヘルツ波の電界の節となる位置で前記共振部と接続している
ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１５】
前記アンテナは、パッチアンテナである
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１６】
前記第１の負性抵抗素子が発振する電磁波の周波数帯域は、前記第２の負性抵抗素子が発振する電磁波の周波数帯域と重なっている
ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波の発振又は検出に用いる素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下）の周波数領域の電磁波（以下、「テラヘルツ波」とよぶ）を発生する電流注入型の光源として、負性抵抗素子にアンテナを集積した発振器がある。具体的には、負性抵抗素子である２重障壁型の共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）とマイクロストリップアンテナとを同一基板上に集積したテラヘルツ波を発振可能な素子がある。
【０００３】
特許文献１には、複数の負性抵抗素子にアンテナを集積した発振器において、複数の負性抵抗素子を正位相又は逆位相で同期させることにより、テラヘルツ波の発振出力を向上することが記載されている。
【０００４】
負性抵抗素子を用いた素子は、負性抵抗素子のバイアス電圧を調整するための電源と配線とを含むバイアス回路に起因した寄生発振を生じることがある。寄生発振は、所望の周波数と異なる低周波側の周波数帯における寄生的な発振のことを指し、所望の周波数における発振出力を低下させる。
【０００５】
特許文献２には、負性抵抗素子から低インピーダンス回路を構成するシャント抵抗までの距離を、周波数ｆＬＣ＝１／２π√ＬＣの等価波長の１／４より大きくする構成が記載されている。なお、周波数ｆＬＣは、配線構造のストリップ導体のインダクタンスをＬ、マイクロストリップアンテナの容量をＣとする。特許文献２に記載の構成によれば、インダクタンスＬを大きくして共振周波数ｆＬＣを下げることで、周波数ｆＬＣにおける抵抗性損失を増大させて給電構造に起因した寄生発振を低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１６８９２８号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２の構成によれば、パッチアンテナ等のマイクロストリップアンテナを用いた発振器における寄生発振を低減できる。しかしながら、ストリップ線の外側に低インピーダンス回路を配置する構成であるため、配線構造に起因した比較的高周波帯（３ＧＨｚより大きい）の寄生発振が発生する恐れがある。また、特許文献１には、給電構造などに起因した寄生発振を抑制する方法については記載されていない。
【０００８】
本発明は上記課題に鑑み、従来よりも高周波帯の寄生発振を低減できる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】
本発明の一側面としての素子は、テラヘルツ波の発振又は検出に用いる素子であって、第１の導体と、第２の導体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に配置されている誘電体と、前記第１の導体と前記第２の導体との間に互いに並列に接続されている第１の負性抵抗素子及び第２の負性抵抗素子と、を有する共振部と、前記第１の負性抵抗素子及び第２の負性抵抗素子のそれぞれにバイアス電圧を供給するバイアス回路と、前記バイアス回路と前記共振部とを接続する線路と、を有し、前記第１の負性抵抗素子と前記第２の負性抵抗素子との正位相の相互注入同期が不安定で、前記第１の負性抵抗素子と前記第２の負性抵抗素子との逆位相の相互注入同期が安定になるように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一側面としての素子によれば、従来よりも高周波帯の寄生発振を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の素子の構成を説明する図。
【図２】実施形態の素子の構成を説明する図。
【図３】第１の実施例の素子のアドミタンス特性を説明する図。
【図４】第１の実施例の素子の特性を説明する図。
【図５】第１の実施例の素子の特性を説明する図。
【図６】第２の実施例の素子の構成を説明する図。
【図７】第３の実施例の素子の構成を説明する図。
【図８】第３の実施例の素子の特性を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態）
本実施形態に係る素子１００について、図１を用いて説明する。素子１００は、発振周波数ｆＴＨｚの電磁波を発振する発振素子（発振器）である。図１（ａ）は、本実施形態に係る素子１００の外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図の模式図である。なお、素子１００は、以降「発振器１００」と呼ぶ。
【００１３】
まず、発振器１００の構成について説明する。発振器１００は、共振部（アンテナ）１０８と、線路１０３と、バイアス回路１２０と、を有する。アンテナ１０８は、上導体（第１の導体）１０２、第２の導体１０５、上導体１０２と第２の導体１０５との間に配置されている誘電体１０４、及び上導体１０２及び第２の導体１０５との間に電気的に接続された２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂを有する。第２の導体１０５及び誘電体１０４は、アンテナ１０８の周囲の領域にも配置されている。２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの一方を第１の負性抵抗素子１０１ａとよび、他方を第２の負性抵抗素子１０１ｂと呼ぶ。
【００１４】
アンテナ１０８における上導体１０２と第２の導体１０５との二導体で誘電体１０４を挟む構成は、有限な長さのマイクロストリップラインなどを用いたマイクロストリップ共振器である。本実施形態では、テラヘルツ波の共振器としてマイクロストリップ共振器の一種であるパッチアンテナを用いている。
【００１５】
アンテナ１０８は、テラヘルツ波の電磁波利得を有する２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂとテラヘルツ波帯の共振器とが集積されたアクティブアンテナである。第１の負性抵抗素子１０１ａ及び第２の負性抵抗素子１０１ｂのそれぞれは、電流電圧特性において、電圧の増加に伴って電流が減少する領域、すなわち負の抵抗をもつ領域（微分負性抵抗領域）が現れる素子である。第１の負性抵抗素子１０１ａと第２の負性抵抗素子１０１ｂとは、互いに電気的に並列であり、上導体１０２と第２の導体１０５との間に電気的に接続されている。また、第１の負性抵抗素子１０１ａの利得と、第２の負性抵抗素子１０１ｂの利得とは、等しいことが望ましい。ここで、「利得が等しい」とは、第１の負性抵抗素子１０１ａの利得が、第２の負性抵抗素子１０１ｂの利得の０．５倍以上１．５倍以下の範囲にあればよく、例えば、半導体加工技術の加工精度で基準とされる±１０％の範囲であれば十分許容される。
【００１６】
第１の負性抵抗素子１０１ａ及び第２の負性抵抗素子１０１ｂとしては、具体的には、ＲＴＤやエサキダイオード、ガンダイオード、一端子を終端したトランジスタなどの高周波素子を用いるのが好適である。また、タンネットダイオード、インパットダイオード、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、化合物半導体系電ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などを用いてもよい。また、超伝導体を用いたジョセフソン素子の微分負性抵抗を用いてもよい。本実施形態では、テラヘルツ波帯で動作する代表的な微分負性抵抗素子である共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂに用いた場合を例にして説明する。なお、第１の負性抵抗素子１０１ａが発振する電磁波の周波数帯域は、第２の負性抵抗素子１０１ｂが発振する電磁波の周波数帯域と少なくとも一部が重なっていることが好ましく、より好ましくは一致している。
【００１７】
アンテナ１０８は、発生した電磁波が共振する共振部であり、共振器と放射器の役割を有する。そのため、誘電体中の電磁波の実効波長をλとすると、アンテナ１０８は、アンテナ１０８のパッチ導体である上導体１０２のＡ−Ａ方向（共振方向）の幅がλ／２共振器となるように設定される。ここで、本明細書における「誘電体」は、導電性よりも誘電性が優位な物質で、直流電圧に対しては電気を通さない絶縁体或いは高抵抗体としてふるまう材料である。典型的には抵抗率が１ｋΩ・ｍ以上の材料が好適である。具体例としては、樹脂、プラスティック、セラミック、酸化シリコン、窒化シリコンなどがある。
【００１８】
バイアス回路１２０は、２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれにバイアス電圧を供給する。バイアス回路１２０は、２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれと並列に接続されている抵抗１１０、抵抗１１０と並列に接続されている容量１０９、電源１１２、及び配線１１１を含む。配線１１１は、寄生的なインダクタンス成分を必ず伴うため、図１ではインダクタンスとして表示する。
【００１９】
電源１１２は、負性抵抗素子１０１ａと１０１ｂの駆動に必要な電流を供給し、バイアス電圧を調整する。バイアス電圧は、典型的には、２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれの微分負性抵抗領域から選択される。
【００２０】
バイアス回路１２０は、線路１０３を介してアンテナ１０８に接続され、負性抵抗素子１０１ａと１０１ｂに電力を供給する。本実施形態における線路１０３は、マイクロストリップラインである。すなわち、線路１０３は、２つの導体と、該２つの導体の間に配置されている誘電体１０４とを有する構成である。
【００２１】
バイアス回路１２０の抵抗１１０及び容量１０９は、バイアス回路１２０に起因した比較的低周波な共振周波数ｆｓｐ（ｆｓｐ＜ｆＬＣ＜ｆＴＨｚ、典型的にはＤＣから１０ＧＨｚの周波数帯）の寄生発振を抑制している。ここで、周波数ｆＬＣは、線路１０３のインダクタンスＬと、２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂを含むアンテナ１０８のキャパシタンスＣと、によるＬＣ共振の周波数である。これについての詳細は後述する。
【００２２】
抵抗１１０の値は、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれの微分負性抵抗領域における微分負性抵抗の合計の絶対値と等しいか少し小さい値が選択されることが好ましい。抵抗１１０は、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれから距離ｄ２離れた位置に配置されている。抵抗１１０より外側のバイアス回路は、４×ｄ２以上の波長帯において負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂからみて低インピーダンス、すなわち、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの微分負性抵抗の絶対値を基準として低インピーダンスとなることが好ましい。これを換言すると、抵抗１１０は、ｆＳＰ（ｆＳＰ＜ｆＬＣ＜ｆＴＨｚ）以下の周波数帯において、負性抵抗素子１０１ａと１０１ｂからみて低インピーダンスとなるように設定されることが好ましい。
【００２３】
容量１０９は、容量１０９のインピーダンスが、２つの負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれの微分負性抵抗の合計の絶対値と等しいか、少し小さい値が選択されることが好ましい。一般的には、容量１０９は容量が大きいほうが好ましく、本実施形態では数十ｐＦ程度としている。容量１０９は、線路１０３であるマイクロストリップラインと直結されたデカップリング容量となっており、例えば、アンテナ１０８と基板（不図示）とを共にしたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造を利用してもよい。
【００２４】
アンテナ１０８の構造上、抵抗１１０及び容量１０９を含むバイアス回路１２０を、発振周波数ｆＴＨｚの共振電界と干渉せずアンテナ１０８に直接接続することは容易ではない。このため、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれへバイアス電圧を給電するためには、バイアス回路１２０とアンテナ１０８とを、給電線である線路１０３を介して接続する必要がある。よって、線路１０３は、バイアス回路１２０よりも負性抵抗素子１０１ａと１０１ｂに近い位置に配置される。
【００２５】
そのため、従来の素子では、線路のインダクタンスＬと負性抵抗素子及びアンテナのキャパシタンスＣに起因した周波数ｆＬＣ（ｆＬＣ≒１／｛２π√（ＬＣ））、ｆＳＰ＜ｆＬＣ＜ｆＴＨｚ）のＬＣ共振による寄生発振が生じることがあった。特に、パッチアンテナなどのマイクロストリップアンテナは、２枚の導体で誘電体を挟んだ構造となり、構造上の容量Ｃが生じるため、このような寄生的な共振の低減が課題となる。
【００２６】
寄生発振の周波数ｆＬＣは、発振器１００では、主に負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂそれぞれの容量、線路１０３の長さと幅、アンテナ１０８の面積（例えば、上導体１０２の面積）、誘電体１０４の厚さ、線路１０３及び抵抗１１０の配置や構造等で決まる。典型的には、周波数ｆＬＣは数ＧＨｚ以上５００ＧＨｚ以下の範囲となる。例えば、線路１０３の長さをｄ１、負性抵抗素子１０１ａおよび１０１ｂと抵抗１１０までの距離をｄ２としたとき、周波数ｆＬＣ付近の周波数帯は、波長に換算すると４×ｄ１以上４×ｄ２以下の波長帯である。
【００２７】
線路１０３の幅は、アンテナ１０８内の共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、例えばλＴＨｚ／１０以下が好適である。
【００２８】
ここで、λＴＨｚは、発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の波長である。また、線路１０３は、アンテナ１０８に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節（ｎｏｄｅ）に配置し、該節の位置でアンテナ１０８と接続することが好ましい。このように配置すると、線路１０３は、発振周波数ｆＴＨｚ付近の周波数帯において、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれの微分負性抵抗の絶対値よりインピーダンスが高い構成となる。そのため、線路１０３が、アンテナ１０８内の発振周波数ｆＴＨｚの電界へ影響することが低減される。
【００２９】
ここで、「アンテナ１０８に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節」は、アンテナ１０８内に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の実質的な節となる領域のことである。具体的には、アンテナ１０８に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が、アンテナ１０８に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の最大電界強度より１桁程度低い領域のことである。より望ましくは、アンテナ１０８に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が、アンテナ１０８に定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の最大電界強度の１／ｅ２（ｅは自然対数の底）以下となる位置が好適である。
【００３０】
ここで、本実施形態の発振器１００の発振条件についてより詳細に説明する。一般的に、アンテナと微分負性抵抗素子が集積されたアクティブアンテナの発振周波数は、アンテナと微分負性抵抗素子のリアクタンスとを組み合わせた全並列共振回路の共振周波数として決定される。具体的には、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６，４３７５（２００８）（非特許文献２）に記載のＲＴＤ発振器の等価回路から、ＲＴＤとアンテナのアドミタンスを組み合わせた共振回路について、発振周波数ｆＴＨｚが決定される。具体的には、ＲＴＤとアンテナのアドミタンスを組み合わせた共振回路について、（２）式の振幅条件と（３）式の位相条件との二つの条件を満たす周波数が発振周波数ｆＴＨｚとして決定される。
【００３１】
なお、Ｙ１１は第１の負性抵抗素子１０１ａから見たアンテナ１０８を含む全構成のアドミタンス、ＹＲＴＤは微分負性抵抗素子である第１の負性抵抗素子１０１ａ又は第２の負性抵抗素子１０１ｂのアドミタンスである。ここで、全構成とは、アンテナ１０８、線路１０３、バイアス回路１２０など発振器１００を構成する全部材のことである。すなわち、Ｒｅ（Ｙ１１）は第１の負性抵抗素子１０１ａから見たアンテナ１０８を含む全構造のアドミタンスの実部、Ｉｍ（Ｙ１１）は第１の負性抵抗素子１０１ａから見たアンテナ１０８を含む全構造のアドミタンスの虚部である。また、Ｒｅ（ＹＲＴＤ）は第１の負性抵抗素子１０１ａ又は第２の負性抵抗素子１０１ｂのアドミタンスの実部、Ｉｍ（ＹＲＴＤ）は第１の負性抵抗素子１０１ａ又は第２の負性抵抗素子１０１ｂのアドミタンスの虚部である。Ｒｅ［ＹＲＴＤ］は負の値を有す。
Ｒｅ（ＹＲＴＤ）＋Ｒｅ（Ｙ１１）≦０  （２）
Ｉｍ（ＹＲＴＤ）＋Ｉｍ（Ｙ１１）＝０  （３）
【００３２】
本実施形態のアンテナ１０８は、第１の負性抵抗素子１０１ａと第２の負性抵抗素子１０１ｂとの少なくとも二つ以上の負性抵抗素子を含む集積アンテナである。このような場合、図２に示したように、アンテナ１０８を、第１の負性抵抗素子１０１ａが集積された第１のアンテナ部１０８ａと、第２の負性抵抗素子１０１ｂが集積された第２のアンテナ部１０８ｂとが、結合部１０７で結合されているとみなすことができる。この場合、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂと結合部１０７とは、アンテナ１０８におけるテラヘルツ波の共振方向に沿って並んで配置されている。
【００３３】
すなわち、アンテナ１０８を、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとが結合部１０７で結合されている集積アンテナとして捉えて、発振器１００の発振条件を考えることができる。具体的には、非特許文献３（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．１０３，１２４５１４（２００８））に開示された２つの個別のＲＴＤ発振器を結合した構成における相互の注入同期（相互注入同期）を考えることで発振周波数ｆＴＨｚを決定する。
【００３４】
ここで、相互注入同期とは、複数の自励発振器の全てが、相互作用により引き込み同期して発振することである。
【００３５】
ここで、近似のため、第１の負性抵抗素子１０１ａのアドミタンスと第２の負性抵抗素子１０１ｂのアドミタンスとは、等しいと仮定した。この時、正位相の相互注入同期と逆位相の相互注入同期との二つの発振モードが生じる。正位相の相互注入同期の発振モード（ｅｖｅｎモード）の発振条件は（４）式及び（５）式で表され、逆位相の相互注入同期の発振モード（ｏｄｄモード）の発振条件は（６）式及び（７）式で表される。
正位相（ｅｖｅｎモード）：周波数ｆ＝ｆｅｖｅｎ
Ｙｅｖｅｎ＝Ｙ１１＋Ｙ１２＋ＹＲＴＤＲｅ（Ｙｅｖｅｎ）≦０  （４）
Ｉｍ（Ｙｅｖｅｎ）＝０  （５）
逆位相（ｏｄｄモード）：ｆ＝ｆｏｄｄ
Ｙｏｄｄ＝Ｙ１１−Ｙ１２＋ＹＲＴＤＲｅ（Ｙｏｄｄ）≦０  （６）
Ｉｍ（Ｙｏｄｄ）＝０  （７）
【００３６】
ここで、Ｙ１２は負性抵抗素子１０１ａと負性抵抗素子１０１ｂとの間の相互アドミタンスである。
【００３７】
例えば、図１（ｂ）示したように、アンテナ１０８は、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとが、結合部１０７により強結合であるＤＣ結合で結合された構成とみなすことができる。第１のアンテナ部１０８ａ及び第２のアンテナ部１０８ｂは、パッチアンテナの構造を有する。
【００３８】
なお、本明細書における「強結合」とは、第１のアンテナ部と第２のアンテナ部との結合係数ｋの実部Ｒｅ（ｋ）で定義することができる。すなわち、本明細書における「強結合」とは、Ｒｅ（ｋ）の絶対値が１／３より大きくなることである。本実施形態では、Ｒｅ（ｋ）の絶対値が１／３より大きくなるように、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとが結合している。
【００３９】
具体的には、第１のアンテナ部１０８ａは、第１の導体層１０２ａ、第２の導体１０５、誘電体１０４、及び第１の導体層１０２ａと第２の導体１０５との間に接続される第１の負性抵抗素子１０１ａを有する。第１のアンテナ部１０８ａは、誘電体１０４が第１の導体層１０２ａと第２の導体１０５との間に配置されているパッチアンテナである。
【００４０】
また、第２のアンテナ部１０８ｂは、第２の導体層１０２ｂ、第２の導体１０５、誘電体１０４、及び第２の導体層１０２ｂと第２の導体１０５との間に接続される第２の負性抵抗素子１０１ｂを有する。第２のアンテナ部１０８ｂは、誘電体１０４が第２の導体層１０２ｂと第２の導体１０５との間に配置されているパッチアンテナである。
【００４１】
結合部１０７は、第３の導体層１０２ｃ、第２の導体１０５、及び第３の導体層１０２ｃと第２の導体１０５との間に配置された誘電体１０４、を有する。
【００４２】
上導体１０２は、第１の導体層１０２ａと第２の導体層１０２ｂとが、第３の導体層１０２ｃで接続されている。すなわち、第３の導体層１０２ｃは、第１の導体層１０２ａと第２の導体層１０２ｂとを接続する接続部である。第１の導体層１０２ａと第２の導体層１０２ｂとは、重なることなく、誘電体１０４上に並んで配置される。
【００４３】
ここで、第２の導体１０５は接地導体で、本実施形態では、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂと結合部１０７とで、共通の導体層を使用した。しかし、これに限らず、例えば、第２の導体１０５を、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂと結合部１０７とで異なる導体層を用いて構成してもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂと結合部１０７で共通の誘電体層として誘電体１０４を使用した。しかし、これに限らず、例えば、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂと結合部１０７とで異なる誘電体を用いて構成してもよい。本実施形態の構成では、上導体１０２は、第１の導体層１０２ａと第２の導体層１０２ｂとを、接続部である第３の導体層１０２ｃとで接続する構成となっている。
【００４５】
第２のアンテナ部１０８ｂは、結合部１０７を通り上導体１０２と第２の導体１０５の積層方向と垂直な面を基準として、鏡像対称の構造を有することが好ましい。すなわち、第２のアンテナ部は、第１のアンテナ部１０８ａを共振器とした場合、放射端の一方を軸１２３としたとき、軸１２３で反転した鏡像対称の構造を有することが好ましい。ここで、放射端とは、パッチアンテナの共振周波数の電磁界の共振方向におけるアンテナの両端である。放射端では、パッチアンテナの共振周波数における電磁界の電流が最小化し、電圧が最大化し、電波が放射される部分である。
【００４６】
なお、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとは、完全に鏡像対称である必要はなく、鏡像対称とみなせる範囲であればよい。例えば、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとが鏡像対称であるとして設計を行った場合、設計段階で予想した特性を示す範囲内であれば実際に作成したものも鏡像対称になっているとみなしてよい。
【００４７】
第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとが、軸１２３に配置された結合部１０７により、電気的に結合されてアンテナ１０８が構成される。この時、第１の負性抵抗素子１０１ａと第２の負性抵抗素子１０１ｂとは、互いに並列接続された構成となっている。
【００４８】
なお、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとを電気的に結合する方法として、ＤＣ結合又はＡＣ結合があり、本実施形態では、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとを結合部１０７でＤＣ結合している。この場合、第１のアンテナ部１０８ａの第１の導体層１０２ａと第２のアンテナ部１０８ｂの第２の導体層１０２ｂと、結合部１０７の第３の導体層（接続部）１０２ｃと、は、１枚の導体層として一体成型されている。
【００４９】
なお、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとを結合部１０７でＡＣ結合した場合については、後述する。
【００５０】
図１に開示した本実施形態の発振器１００の構成は、ＤＣ結合で、かつ、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂと結合部１０７とのそれぞれの、Ａ−Ａ方向と直交する水平方向における幅が同じである。すなわち、アンテナ部１０８ａ、１０８ｂを結合部１０７で電気的に結合したアンテナは、上導体１０２と第２の導体１０５とで誘電体１０４を挟んだパッチアンテナと負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂとを集積したアンテナ１０８と本質的に同じである。上導体１０２は、第１の導体層１０２ａ、第２の導体層１０２ｂ及び第３の導体層１０２ｃを含む。
【００５１】
上述の２つのＲＴＤ発振器を結合した構成において相互注入同期する条件を考えると、正位相と逆位相の二つの発振モードが生じる。図２（ａ）に正位相の相互注入同期の発振モード（以下、「正位相のモード」と呼ぶ）の概念図を示し、図２（ｂ）に逆位相の相互注入同期の発振モード（以下、「逆位相のモード」と呼ぶ）の概念図を示した。また、図３に発振器１００のアドミタンス特性を示した。
【００５２】
図２（ａ）に示したように、正位相のモードの場合、周波数ｆｅｖｅｎで素子内に定在する電磁波は、位相差が０又は２πで負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれに注入される。従って、第１の負性抵抗素子１０１ａの位相と第２の負性抵抗素子１０１ｂの位相との位相差は０又は２πとなり、共振周波数における電磁界の大きさ及び極性はほぼ同じとなる。図３の解析結果からも分かるように、アンテナ１０８の容量Ｃと線路１０３のインダクタンスＬに起因する周波数ｆＬＣのＬＣ共振で正位相の同期による発振条件が満たされるため、正位相のモードでは周波数ｆｅｖｅｎ＝ｆＬＣの寄生発振が生じる。この場合、ＬＣ共振の節（ｎｏｄｅ）は、線路１０３とバイアス回路１２０の接続部分付近に生じる。
【００５３】
一方、図２（ｂ）に示したように、逆位相のモードの場合、周波数ｆｏｄｄで素子内に定在する電磁波は、位相差がπで負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれに注入される。従って、共振周波数における第１の負性抵抗素子１０１ａの電磁界の極性と第２の負性抵抗素子１０１ｂの電磁界の極性とは、反転する。この電磁界分布は、アンテナ１０８から負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂを除いたパッチアンテナの共振周波数における電磁界分布とほぼ一致する。
【００５４】
なお、本明細書における「第１の負性抵抗素子１０１ａと第２の負性抵抗素子１０１ｂとが逆位相」とは、第１の負性抵抗素子１０１ａと第２の負性抵抗素子１０１ｂとの位相差が、完全に逆位相となる位相差πから±π／８以下の範囲である。すなわち、本明細書における「第１の負性抵抗素子１０１ａと第２の負性抵抗素子１０１ｂとが逆位相」とは、具体的には、第１の負性抵抗素子１０１ａと第２の負性抵抗素子１０１ｂとの位相差が、７π／８以上９π／８以下であると定義する。
【００５５】
図３のアドミタンス特性でも明らかなように、逆位相のモードの場合は、パッチアンテナのλ／２の共振周波数で規定される所望の周波数ｆＴＨｚで発振条件が満たされるため、ｆｏｄｄ＝ｆＴＨｚのテラヘルツ波の発振が生じる。定性的には、逆位相の場合は、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのそれぞれにおける電磁界の極性が反転するため、パッチアンテナの容量Ｃがキャンセルされ、ＬＣ共振点が生じないと考えることもできる。
【００５６】
この場合、λ／２の共振周波数で規定される所望の周波数ｆＴＨｚの電磁界の節（ｎｏｄｅ）は、第１の導体１０２において、アンテナ１０８の第１の導体１０２の重心を通る中心線付近となる。なお、本明細書における「中心線」とは、第１の導体１０２において、第１の導体１０２の重心を通り、且つ電磁波の共振方向及び第１の導体１０２と第２の導体１０５との積層方向と垂直な直線である。
【００５７】
本実施形態で説明した強結合のＤＣ結合の例であれば、結合部１０７を極限まで小さくした場合、軸１２３と周波数ｆＴＨｚの電磁界の節（ｎｏｄｅ）とが一致する。従って、第２のアンテナ部１０８ｂは、アンテナ１０８のλ／２の共振周波数の電磁波がアンテナ１０８に定在する場合の電磁界分布の節（ｎｏｄｅ）において、第１のアンテナ部１０８ａを反転した鏡像対称の構造であるともいえる。また、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとは、結合部１０７により電気的に結合されて、アンテナ１０８が構成される。結合部１０７は、アンテナ１０８に定在するアンテナ１０８のλ／２の共振周波数の電磁波の電磁界分布の節（ｎｏｄｅ）に配置される。
【００５８】
本実施形態は、複数の負性抵抗素子が電気的に接続されているアンテナを有する発振素子において、マイクロストリップアンテナに負性抵抗素子を集積した際の特有の課題である、線路のインダクタンスに起因する寄生発振の低減を目的とするものである。
【００５９】
従来技術では、アンテナと、アンテナと電気的に直列に且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発振器において、複数の負性抵抗素子のそれぞれを、各負性抵抗素子からの電磁波の位相が互いに正位相又は逆位相となる位置に配置している。しかし、このような構成の従来の発振器において、上述のようにアンテナ１０８を２つのアンテナ部を結合したアレイアンテナとして考えた場合、正位相と逆位相の二つの発振モードが生じる恐れがある。一般的には、低い周波数の方が安定化して発振しやすく、低周波側の正位相が安定化して同期すると、ＬＣ共振による低周波発振やマルチ発振が生じて発振出力が低下するおそれがあった。
【００６０】
ここで、逆位相の発振モードが安定であるとは、多数の共振点が存在する系において、逆位相の共振周波数におけるモード発振以外のモードによる発振が低減され、逆位相の共振周波数におけるモード発振がほぼ単一で得られることを意味する。具体的には、逆位相の発振モード以外のモードによって発振する電磁波の電界強度が、逆位相の共振周波数においてモード発振したテラヘルツ波の最大電界強度より１桁程度以下小さくなることである。望ましくは、逆位相の発振モード以外の発振モードによる電磁波の電界強度が、逆位相の発振周波数のテラヘルツ波の最大電界強度の１／ｅ２以下（ｅは自然対数の底）となる。
【００６１】
それに対し、本実施形態の発振器１００は、正位相のモードを不安定化して、逆位相のモードを安定化するように構成することにより、寄生発振による低周波数の電磁波の発振を低減している。
【００６２】
非特許文献３によれば、複数のＲＴＤ発振器を結合したアンテナアレイにおける相互注入同期において、正位相を不安定化する条件は、正位相の周波数ｆｅｖｅｎにおいて（８）式を満たすことである。
Ｒｅ（ｋ）＝−Ｒｅ（Ｙ１２）×［Ｇ−Ｒｅ（Ｙ１１）］−１＜−１／３    （８）
【００６３】
ここで、ｋは、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとの結合係数である。Ｇは負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの一方の利得で、Ｒｅ（ＹＲＴＤ）の絶対値（｜Ｒｅ（ＹＲＴＤ）｜）と一致する。
【００６４】
これを変換すると、発振器１００は、（１）式を満たすことが好ましい。（１）式を満たすことにより、正位相のモードを不安定化し、逆位相のモードを安定化することができる。
【００６５】
【数１】
2017201779.tif 000003
【００６６】
図４に、発振器１００について、結合係数ｋを解析した結果を示す。なお、発振器１００の詳細な構成は、実施例１にて説明する。
【００６７】
図４は、正位相のモードの場合（ｆ＝ｆｅｖｅｎ＝ｆＬＣで発振する場合）と逆位相のモードの場合（ｆ＝ｆｏｄｄ＝ｆＴＨｚで発振する場合）の結合係数Ｒｅ（ｋ）の周波数特性を解析例である。負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂであるＲＴＤのメサの直径（メサ径）を変更して解析しており、ｄ２メサ径が２μｍ、ｄ３はメサ径が３μｍ、ｄ４はメサ径が４μｍの場合の結果である。ここで、ＲＴＤのメサの面積（ダイオードの面積、又はヘテロ接合面の面積等）はメサ径に依存するため、メサ径は、注入電力とダイオード容量を制御する設計パラメータであり、利得Ｇと発振周波数ｆに寄与する。
【００６８】
図４から、メサ径を増やすとＧが大きくなるため、Ｒｅ（ｋ）＜−１／３を満たさなくなり、（１）式を満たさないため正位相が安定化する。そのため、ｆ＝ｆｅｖｅｎ＝ｆＬＣの電磁波が発振する。一方、メサ径を３μｍより小さくすると、Ｒｅ（ｋ）＜−１／３を満たし、（１）式を満たすため正位相が不安定化する。そのため、逆位相の周波数の高いｆ＝ｆｏｄｄ＝ｆＴＨｚでの発振が得られる。
【００６９】
このように、複数の負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂを備えたアンテナ１０８において、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂのメサ径を調整することにより、選択的に正位相（ｆｅｖｅｎ＝ｆＬＣ）を不安定化し、逆位相（ｆｏｄｄ＝ｆＴＨｚ）を安定化できる。
【００７０】
本実施形態で説明したように、ＲＴＤのメサ径で利得Ｇを制御するのは一つの有効な手段となる。
【００７１】
アンテナ１０８において、ｆ＝ｆｅｖｅｎ＝ｆＬＣにおける正位相の同期を選択的に不安定化する（すなわち（１）式を満たす）構成としては、以下が好適である。
【００７２】
まず、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとの二つのアンテナ部同士の結合係数Ｙ１２を大きくする。そのためには、本実施形態のように、強結合のＤＣ結合で結合することが好適である。である。ただし強結合の場合は、マルチモードが生じるリスクが高いため、その抑制のために、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとが、結合部１０７を通り積層方向と平行な面を基準とした鏡像対称の構造であることが好ましい。
【００７３】
なお、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとをＡＣ結合で結合してもよい。そのような場合でも、図６に示したように結合係数Ｙ１２が大きい比較的強結合で、かつ、マルチモードが抑制される鏡像対称の構造が好ましい。
【００７４】
正位相を不安定化する方法として、アンテナ１０８の負荷（すなわちＲｅ（Ｙ１１））を増やす構造も好適である。なお、この場合、逆位相で安定化するｆ＝ｆｏｄｄ＝ｆＴＨｚが発振条件を満たす様な構造であることも必要な条件である。
【００７５】
図５に、第１の負性抵抗素子１０１ａと第２の負性抵抗素子１０１ｂとのそれぞれの給電位置で入力インピーダンスを変えてアンテナ１０８の負荷の調整する場合の結合係数Ｒｅ（ｋ）の解析結果を示す。ここで、ｏｆｆは負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの給電位置を表し、ｘはアンテナ１０８の第１の導体１０２の重心から放射端までのＡ−Ａ方向（共振方向）における距離、Ｌはアンテナ１０８の共振器長とし、ｏｆｆ＝ｘ／Ｌである。なお、図５は、後述の実施例１の発振器１００においてＲＴＤのメサ径が３μｍの場合の結合係数Ｒｅ（ｋ）について解析した結果である。
【００７６】
実施例１の発振器１００は、Ｌ＝２００μｍなので、ｏｆｆ４０の場合はｘ＝８０μｍの位置に負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂが配置される。この場合、Ｒｅ（ｋ）＞−１／３となるため正位相が安定化し、ｆｅｖｅｎ＝ｆＬＣにおける正位相の同期によりＬＣ発振が生じる。一方、ｏｆｆ３０、ｏｆｆ２０となるに従い、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの位置はパッチアンテナの中心に近づき、Ｒｅ（ｋ）＜−１／３の条件を満たすため、正位相は不安定化し、逆位相の同期が生じてｆｏｄｄ＝ｆＴＨｚの発振が得られる。
【００７７】
このように、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂの入力インピーダンスを変えてアンテナ１０８の負荷を調整することで、Ｒｅ（ｋ）のＲｅ（Ｙ１１）を調整して安定化の選択をおこなうことができる。
【００７８】
また、アンテナ１０８より外の構造でＲｅ（Ｙ１１）を調整して安定化の選択を行うこともできる。例えば、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂからみた線路１０３のインピーダンスが低くなるように設計してｆｅｖｅｎ＝ｆＬＣにおけるＲｅ（Ｙ１１）を調整することで、（１）式を満たし、正位相のモードの不安定化を選択的に行うこともできる。この場合、線路１０３の低インピーダンス構造が、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂ及びアンテナ１０８に近いほど正位相のモードの不安定化に効果がある。具体的には、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂからλＴＨｚ以下の距離に配置されることが好ましい。なお、λＴＨｚは、発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の波長である。
【００７９】
アンテナ１０８としては、マイクロストリップアンテナのような容量性のＣと、アンテナ１０８と直接接続された給電線に起因した誘導性のＬに起因する周波数ｆＬＣの発振が発生し得る構造であれば本実施形態を適用することができる。例えば、アンテナ１０８としては、一般的な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、パラボラアンテナのような平面アンテナや立体型のアンテナを用いることができる。上述の各種アンテナであっても、集積化したアンテナの構造上生じる容量性のＣと、給電構造により生じる誘導性のＬに起因する発振が課題となる場合は、本実施形態を適用することができる。
【００８０】
本実施形態の発振器１００は、パッチアンテナなどを含むマイクロストリップ型共振器における課題であった、配線構造に起因した寄生発振を起こりにくくする。具体的には、負性抵抗素子を２つ以上備えたアンテナ１０８を有する発振器において、選択的に正位相を不安定化し、逆位相のモードの相互注入同期を安定化するように構成する。このような構成にすることにより、アンテナ１０８の容量とバイアス給電線のインダクタンスに起因するＬＣ共振を低減する。
【００８１】
これにより、本実施形態の発振器１００によれば、ＤＣ以上ｆＴＨｚ未満の周波数領域の比較的高周波の寄生発振を低減又は抑制することができる。その結果、発振器１００の所望の発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波をより安定して取得できる。
【００８２】
発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波が安定して得られることにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波がより高出力で得ることができる。具体的には、低周波発振やマルチ発振を抑制出来るので、所望の発振周波数ｆＴＨｚにおいて発振出力が一桁以上増加することが可能となる。
（実施例１）
本実施例では、実施形態の発振器１００の構成について説明する。本実施例の発振器１００は、発振周波数ｆＴＨｚ＝０．４２ＴＨｚを発振させる発振素子である。
【００８３】
本実施例では、負性抵抗素子１０１ａと１０１ｂとして共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いている。以下、第１の負性抵抗素子１０１ａを第１のＲＴＤ１０１ａ、第２の負性抵抗素子１０１ｂを第２のＲＴＤ１０１ｂと呼ぶことがある。本実施例で用いた第１のＲＴＤ１０１ａ及び第２のＲＴＤ１０１ｂは、ＩｎＰ基板（不図示）上のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造とｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層を伴って構成される。
【００８４】
多重量子井戸構造としては、例えば三重障壁構造を用いる。より具体的には、ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（７．６ｎｍ）／ＩｎＡｌＡｓ（２．６ｎｍ）／ＩｎＧａＡｓ（５．６ｎｍ）／ＡｌＡｓ（１．３ｎｍ）の半導体多層膜構造で構成する。このうち、ＩｎＧａＡｓは井戸層で、格子整合するＩｎＡｌＡｓや非整合のＡｌＡｓは障壁層である。これらの層は意図的にキャリアドープを行わないアンドープ層としておく。
【００８５】
この様な多重量子井戸構造は、電子濃度が２×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＩｎＧａＡｓによる電気的接点層に挟まれる。こうした電気的接点層間の構造の電流電圧Ｉ（Ｖ）特性において、ピーク電流密度は２８０ｋＡ／ｃｍ２であり、約０．７Ｖから約０．９Ｖまでが微分負性抵抗領域となる。例えば、第１のＲＴＤ１０１ａが約２μｍφのメサ構造の場合、ピーク電流１０ｍＡ、微分負性抵抗−２０Ωが得られる。
【００８６】
アンテナ１０８は、上導体（パッチ導体）１０２、接地導体である第２の導体１０５及び誘電体１０４を有するパッチアンテナと、第１のＲＴＤ１０１ａと、第２のＲＴＤ１０１ｂとを有する。アンテナ１０８は、上導体１０２の一辺が２００μｍの正方形のパッチアンテナを含む。上導体１０２と第２の導体１０５との間には、誘電体１０４として３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ＝２．４）及び０．１μｍ厚の窒化シリコンが配置されている。
【００８７】
上導体１０２と第２の導体１０５との間には、直径２μｍの第１のＲＴＤ１０１ａと第２のＲＴＤ１０１ｂとが接続される。第１のＲＴＤ１０１ａは、上導体１０２において、上導体１０２の重心から共振方向に８０μｍシフトした位置に配置されている。また、第２のＲＴＤ１０１ｂは、上導体１０２の重心から共振方向に−８０μｍシフトした位置に配置されている。すなわち、第１のＲＴＤ１０１ａと第２のＲＴＤ１０１ｂとは、上導体１０２の重心を通り且つ共振方向及び積層方向と垂直な直線（中心線）を軸として線対称となる位置に配置される。これを換言すると、第２のＲＴＤ１０１ｂは、上導体１０２において、中心線を軸に第１のＲＴＤ１０１ａが配置されている位置と線対称の位置に配置されている。
【００８８】
なお、第１のＲＴＤ１０１ａと第２のＲＴＤ１０１ｂとは、完全に線対称の位置に配置されていなくてもよく、線対称とみなせる範囲であればよい。例えば、第１のＲＴＤ１０１ａと第２のＲＴＤ１０１ｂとが線対称の位置に配置されているものとして設計を行った場合、設計段階で予想した特性を示す範囲内であれば線対称になっているとみなしてよい。
【００８９】
パッチアンテナの単独の共振周波数は、約０．４８ＴＨｚである。本実施例の発振器１００は、図２示したアドミタンス特性を有し、正位相のモードと逆位相のモードの二つの同期モードが存在する。負性抵抗素子である第１及び第２のＲＴＤ１０１ａ、１０１ｂのリアクタンスを考慮すると、逆位相で相互注入同期した場合の発振器１００の発振周波数（共振周波数）ｆＴＨｚは約０．４２ＴＨｚとなる。
【００９０】
なお、本実施例の構造の場合、図４にも示した通り、ＲＴＤ１０１ａ、１０１ｂのメサ径が２．５μｍ以下であれば、正位相が不安定化し、逆位相で相互注入同期する。また、本実施例の構造の場合、図５にも示した通り、ＲＴＤメサの直径が３μｍの場合、ｏｆｆ＝３０％以下（すなわち、ｘ＝６０μｍ以下）であれば、（１）式を満たし、正位相のモードが不安定化し、逆位相のモードが安定化して逆位相で相互注入同期する。
【００９１】
上導体１０２は、線路１０３であるマイクロストリップラインと接続されている。これにより、アンテナ１０８は、線路１０３を介して容量１０９と接続される。このような構成にすることにより、線路１０３は、バイアス回路１２０とアンテナ１０８とを接続する。線路１０３の幅（共振方向における長さ）は約６μｍ、共振方向及び積層方向と垂直方向における長さは約１００μｍとした。
【００９２】
容量１０９はＭＩＭ容量であり、その容量の大きさは、本実施例では１００ｐＦとした。抵抗１１０は、シャント抵抗であり、第１及び第２のＲＴＤ１０１ａ、１０１ｂの合成負性抵抗の絶対値より小さい値とするために、５Ωとなるようなビスマスの構造を集積した。容量１０９には、ワイヤーボンディングを含む配線１１１が接続され、電源１１２により第１及び第２のＲＴＤ１０１ａ、１０１ｂのバイアス電圧が調整される。本構造において、正位相のモードで発振する際の共振周波数は、線路１０３であるマイクロストリップラインのインダクタンスＬと集積アンテナ１０８の容量Ｃとで形成されるＬＣ共振の周波数ｆＬＣで、約０．０５ＴＨｚとなる。
【００９３】
上導体１０２は、発振周波数ｆＴＨｚ（＝０．４２ＴＨｚ）でアンテナ１０８に定在する高周波電界の節で線路１０３と接続されており、線路１０３と発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の共振電界との干渉を抑制している。
【００９４】
本実施例による発振器１００は、以下のように作製される。まず、ＩｎＰ基板上に、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、次の層をエピタキシャル成長する。すなわち、ＩｎＰ基板上に、順に、ｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによる共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）１０１ａ、１０１ｂをエピタキシャル成長する。ＩｎＰ基板としてｎ型の導電性基板を選択する場合は、ｎ−ＩｎＧａＡｓからエピタキシャル成長すればよい。
【００９５】
次に、第１のＲＴＤ１０１ａと第２のＲＴＤ１０１ｂとを、その直径が２ｕｍ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る。フォトリソグラフィを用いてもよい。続いて、エッチングされた面に、リフトオフ法により接地導体としての第２の導体１０５を形成する。ＲＴＤ１０１ａと１０１ｂの側壁保護膜として０．１μｍの窒化シリコン膜を全面に成膜する。
【００９６】
さらに、スピンコート法とドライエッチングを用いて誘電体１０４であるＢＣＢによる埋め込みを行い、リフトオフ法によりＴｉ／Ｐｄ／Ａｕの上導体１０２、線路１０３の上部導体層、及びＭＩＭ容量１０９の上部電極層を形成する。最後に、リフトオフ法により、抵抗１１０となる部分にＢｉパターンを形成し、第２の導体１０５と容量１０９との上部の電極を接続し、ワイヤーボンディングなどで配線１１１及び電源１１２と接続することで発振器１００が形成できる。発振器１００への電力の供給はバイアス回路１２０から行われ、微分負性抵抗領域となるバイアス電圧を印加してバイアス電流を供給すると、発振器として動作する。
【００９７】
本実施形態の発振器１００は、パッチアンテナなどを含むマイクロストリップ型共振器における課題であった、配線構造に起因した寄生発振を起こりにくくする。具体的には、負性抵抗素子を２つ以上備えたアンテナ１０８を有する発振器において、選択的に正位相を不安定化し、逆位相のモードの相互注入同期を安定化するように構成する。このような構成にすることにより、アンテナ１０８の容量とバイアス給電線のインダクタンスに起因するＬＣ共振を低減する。
【００９８】
これにより、本実施形態の発振器１００によれば、ＤＣ以上ｆＴＨｚ未満の周波数領域の比較的高周波の寄生発振を低減又は抑制することができる。その結果、発振器１００の所望の発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波をより安定して取得できる。
【００９９】
発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波が安定して得られることにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波がより高出力で得ることができる。具体的には、低周波発振やマルチ発振を抑制出来るので、所望の発振周波数ｆＴＨｚにおいて発振出力が一桁以上増加することが可能となる。
【０１００】
（実施例２）
本実施例の発振器２００について、図６を参照して説明する。図６（ａ）は、発振器２００の構成を説明する斜視図であり、図６（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。なお、実施形態及び実施例１と同じ構成については、図６において同じ符番を付し、詳細な説明は省略する。
【０１０１】
発振器２００は、発振周波数ｆＴＨｚ＝０．４２ＴＨｚを発振させる発振素子である。本実施例においても、負性抵抗素子１０１ａ、１０１ｂは、実施例１と同じで共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いており、以下、第１のＲＴＤ１０１ａと第２のＲＴＤ１０１ｂとして説明する。発振器２００は、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとを結合部２０７でＡＣ結合した構成のアンテナ（共振部）２０８を備えたテラヘルツ波の発振素子である。
【０１０２】
第１のアンテナ部１０８ａは、パッチアンテナであり、第１の導体層１０２ａと接地導体である第２の導体１０５とで誘電体１０４と第１のＲＴＤ１０１ａとを挟んだ構造を有する。第２のアンテナ部１０８ｂは、パッチアンテナであり、第２の導体層１０２ｂと接地導体である第２の導体１０５とで誘電体１０４と第２のＲＴＤ１０１ｂとを挟んだ構造を有する。
【０１０３】
第１のアンテナ部１０８ａは、第１の導体層１０２ａが２００μｍ×９８μｍの長方形パッチアンテナであり、第１の導体層１０２ａの長辺の端（すなわち放射端）から共振方向に２０μｍの位置に第１のＲＴＤ１０１ａが埋め込まれている。第２のアンテナ部１０８ｂは、第２の導体層１０２ｂが２００μｍ×９８μｍの長方形パッチアンテナであり、第２の導体１０２ｂの長辺の端（すなわち放射端）から共振方向に２０μｍの位置に第２のＲＴＤ１０１ｂが埋め込まれている。
【０１０４】
第２のアンテナ部１０８ｂは、結合部２０７を軸として反転した鏡像対称の構造を有している。結合部２０７は、中心線を含む位置に配置されており、結合部２０７の中心位置と中心線とが一致するように配置されている。すなわち、第２のアンテナ部１０８ｂは、アンテナ２０８の重心を通る中心線に対して、第１のアンテナ部１０８ａを反転した鏡像対称の構造を有している。従って、第１のＲＴＤ１０１ａは、アンテナ２０８の重心から共振方向に８０μｍシフトした位置に配置されている。また、第２のＲＴＤ１０１ｂは、アンテナ２０８の重心から共振方向に−８０μｍシフトした位置に配置されている。
【０１０５】
第１のアンテナ部１０８ａの第１の導体層１０２ａと第２のアンテナ部１０８ｂの第２の導体層１０２ｂとの間には、４μｍの間隔があり、電気的にＤＣでは直接接続されていない。誘電体１０４は、実施例１と同様に、３μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ＝２．４）を配置した。
【０１０６】
第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとは、結合部２０７でＡＣ結合されている。具体的には、アンテナ２０８の第１の導体（上導体）１０２は、第１の導体層１０２ａ、第２の導体層１０２ｂと、第１の導体層１０２ａと第２の導体層１０２ｂとを接続する接続部とを有する。本実施例では、接続部は結合部２０７である。
【０１０７】
結合部２０７は、Ｔｉ／Ａｕ＝５／１００ｎｍを含む上電極２１８と１００ｎｍの窒化シリコン膜を含む誘電体層２１７とを有する。誘電体層２１７及び上電極２１８は、第１の導体層１０２ａ及び第２の導体層１０２ｂの上に配置されている。結合部２０７は、上電極２１８と第１の導体層１０２ａ及び第２の導体層１０２ｂとで、誘電体層２１７を挟んだ容量構造であり、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとを強結合のＡＣ結合で結合し、アンテナ２０８を構成している。
【０１０８】
また、本実施例の発振器２００は、（１）式を満たすように構成されている。発振器２００も同様に、正位相と逆位相の二つの同期モードが存在する。第１のＲＴＤ１０１ａのリアクタンスと第２のＲＴＤ１０１ｂのリアクタンスとを考慮すると、逆位相で相互注入同期した場合の発振器２００の発振周波数（共振周波数）ｆＴＨｚは約０．４２ＴＨｚとなる。なお、本実施例の構造の場合においても、（１）式を満たす構成とすることにより、ＲＴＤのメサ径や配置により正位相が不安定化し、逆位相のモードで発振する、すなわち逆位相で相互注入同期することができる。
【０１０９】
第１の導体層１０２ａは、第１の線路２０３ａであるマイクロストリップラインと接続され、第２の導体１０２ｂは、第２の線路２０３ｂであるマイクロストリップラインと接続される。これにより、第１のアンテナ部１０８ａと第２のアンテナ部１０８ｂとは、バイアス回路２２０と接続される。第１の線路２０３ａ、第２の線路２０３ｂは、幅は約６μｍ、長さは約１００μｍであり、第１の線路２０３ａと第２の線路２０３ｂとの間の間隔は４μｍである。その他、バイアス回路２２０の構成は実施例１と同じである。
【０１１０】
本実施例の発振器２００によれば、複数の負性抵抗素子を配置されているアンテナを有する発振素子において、負性抵抗素子を逆位相における同期を安定化することで、給電構造により生じる比較的高周波の寄生発振を低減することができる。その結果、発振器２００の所望の発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波をより安定して取得できる。発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波が安定して得られることにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の発振出力を高めることができる。
（実施例３）
本実施例の発振器３００について、図７および図８を参照して説明する。図７（ａ）は、発振器３００の構成を説明する斜視図であり、図７（ｂ）はそのＣ−Ｃ断面図である。図８は、発振器３００の特性を説明する図である。発振器３００は、実施形態及び実施例１で説明した発振器１００を用いたテラヘルツ波光源を実現するために必要なより具体的な構成を提案するものである。上述の各実施形態及び各実施例と同じ構成、構造については、詳細な説明を省略する。
【０１１１】
発振器３００は、発振周波数ｆＴＨｚ＝０．５ＴＨｚを発振する半導体発振素子が集積化された半導体デバイスである。本実施例においても、負性抵抗素子には実施例１と同じく共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いている。以下、二つの負性抵抗素子を第１のＲＴＤ３０１ａと第２のＲＴＤ３０１ｂとして説明する。
【０１１２】
本実施例で用いた第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂは、ＩｎＰ基板上に成膜されたＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓなどからなる二重障壁構造のＲＴＤで構成される。第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤＲＴＤ３０１ｂの半導体ヘテロ構造の構成は、Ｊ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｍｉｌｌｉ  Ｔｅｒａｈｚ  Ｗａｖｅｓ，（２０１４），３５，ｐ．４２５〜４３１に開示された二重障壁ＲＴＤとほぼ同じ構成を用いている。第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂの電流電圧特性は、測定値でピーク電流密度は９ｍＡ／ｕｍ２、単位面積当たりの微分負性コンダクタンスは２６ｍＳ／ｕｍ２である。本実施例における第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂのメサ構造の直径は１μｍであり、微分負性抵抗の大きさはダイオード１個当たり約−５０Ωである。
【０１１３】
アンテナ３０８は、ＩｎＰ基板３１７の上側（表面側）に配置されたパッチ導体３０２、基板側に配置され且つ接地されている接地導体３０５、誘電体、第１のＲＴＤ３０１ａ、及び第２のＲＴＤ３０１ｂを有する。誘電体は、パッチ導体３０２と接地導体３０５との間に配置されている。パッチ導体３０２及び接地導体３０５は、抵抗率の低いＡｕ薄膜（３００ｎｍ厚）を用いた。アンテナ３０８は、パッチ導体３０２の一辺が１７０ｕｍの正方形のパッチアンテナであり、アンテナの共振器長（Ｌ）はＬ＝１７０ｕｍとなる。
【０１１４】
パッチ導体３０２と接地導体３０５との間には、誘電体として、５．５μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ＝２．４）からなる誘電体３０４と０．５μｍ厚の窒化シリコン層３１６（εｒ＝７）とが配置されている。第１のＲＴＤ３０１ａと第２のＲＴＤ３０１ｂのアノード側には、パッチ導体３０２が接続される。また、第１のＲＴＤ３０１ａと第２のＲＴＤ３０１ｂのカソード側は、それぞれｎ型にドーピングされたＩｎＰ（リン化インジウム）からなるポスト３１５ａ、３１５ｂを介して接地導体３０５に接続されている。
【０１１５】
第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂは、パッチ導体３０２の中心から共振方向に距離ｘ及び−ｘだけシフトした位置に配置されている。第１のＲＴＤ３０１ａ、第２のＲＴＤ３０１ｂのそれぞれの位置はｏｆｆｓｅｔ＝１００＊Ｘ／Ｌで表わされる。ＲＴＤからパッチアンテナに高周波を給電する際の入力インピーダンスを決定する。第１のＲＴＤ３０１ａと第２のＲＴＤ３０１ｂとは、パッチ導体３０２の中心を通り且つ共振方向及び積層方向と垂直な直線（中心線）を軸として線対称となる位置に配置される。
【０１１６】
パッチ導体３０２は、マイクロストリップライン３０３を介してＭＩＭ容量構造３０９（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ  Ｍｅｔａｌ）と接続される。マイクロストリップライン３０３は、パッチ導体３０２に接続された導体３０３と接地導体３０５とで、窒化シリコン層３１６を含む誘電体を挟んだ構造である。マイクロストリップライン３０３は、その幅（共振方向における長さ）を約６ｕｍ、共振方向及び積層方向に垂直な垂直方向における長さを約８５μｍとした。また、ＭＩＭ容量構造３０９は、導体３１８と接地導体３０５とで窒化シリコン層３１６を含む誘電体を挟んだ構造であり、２０ｐＦ以上の容量が確保される構成となっている。マイクロストリップライン３０３及びＭＩＭ容量構造３０９の導体３１８には抵抗率の低いＡｕ薄膜（１０００ｎｍ厚）を用いた。
【０１１７】
ＭＩＭ容量構造３０９は、ビスマス薄膜から構成されるシャント抵抗３１０を介してカソード電極３１９と接続されている。シャント抵抗は、第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂの合成負性抵抗の絶対値より小さい値とするために、約１５Ωとなるようなビスマス薄膜の抵抗構造（２００ｕｍ×１００ｕｍ×０．５ｕｍ厚）を基板３１７に集積した。カソード電極３１９は、接地導体３０５と接続され、接地導体と同電位となっている。
【０１１８】
基板３１７は、電源基板３２０にダイボンディングされている。カソード電極３１９の導体には抵抗率の低いＡｕ薄膜（１０００ｎｍ厚）を用いた。カソード電極３１９は、ワイヤーボンディングを含む配線３１１ｂで電源３１２の接地に接続される。また、ＭＩＭ容量構造３０９はアノード電極を兼ねており、ワイヤーボンディングを含む配線３１１ａを介しての導体３１８と電源３１２とが接続される。電源３１２により、所望の発振特性となるように第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂのバイアス電圧とバイアス電流が調整される。
【０１１９】
図８は、第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂのメサ直径が１ｕｍの発振器３００の発振周波数及び発振パワーのｏｆｆｓｅｔ依存性の解析結果である。本実施例におけるパッチアンテナ単独の共振周波数は、約０．５ＴＨｚであるが、前述した通り、第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂのリアクタンスによって、逆位相の同期モードおける発振周波数は約０．４〜０．５ＴＨｚとなる。また、正位相の同期モード（マイクロストリップ線路３０３のインダクタンスとアンテナ３０８のキャパシタンスによる共振）の発振周波数は、ｏｆｆｓｅｔ依存性はほとんど無く約０．１ＴＨｚと見積られる（不図示）。ここで、発振出力の解析には、ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｓｅｌ．  Ｔｏｐ．  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  １９  （２０１３）  ８５００１０８．に開示された解析方法を用いており、式（６）及び（７）に示した逆位相（ｏｄｄモード）の発振条件におけるアンテナとＲＴＤのアドミタンスから周波数とパワーを計算した。
【０１２０】
図８から、本実施例の構造の場合、ｏｆｆｓｅｔを１２％以上４０％以下の間で調整することで、逆位相でモード同期した発振が得られており、発振周波数０．４ＴＨｚ以上０．５ＴＨｚ以下、発振パワー０ｍＷ以上０．２ｍＷ以下の間で任意に調整可能である。なお、本実施例の構成であれば、第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０１ｂのメサ径が１．５μｍ以下であれば、ｏｆｆｓｅｔ＝１２％以上の構造で正位相が不安定化するため、図８に示したような特性が得られる。
【０１２１】
一方、第１のＲＴＤ３０１ａ及び第２のＲＴＤ３０２ｂのそれぞれのメサの直径が２μｍ以上にした場合は、正位相のモードが安定化するため、低周波発振（０．１ＴＨｚ）と多モード発振及び放射効率減によるパワー低下（＜０．０１ｍＷ）が生じる。このように、本実施例の発振器によれば、発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波が従来よりも安定して得られる。これにより、マイクロストリップ型共振器における所望の発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波がより高出力で得ることができる。具体的には、低周波発振やマルチ発振を低減することができるので、所望の発振周波数ｆＴＨｚにおいて発振出力が一桁以上増加することが可能となる。
【０１２２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【０１２３】
例えば、上述の各実施例では、第１のＲＴＤ１０１ａ及び第２のＲＴＤ１０１ｂとして、ＩｎＰ基板上に成長したｎ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓを含む共鳴トンネルダイオードについて説明した。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本発明の発振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を用いてもよいし、３重以上の多重障壁量子井戸を有する共鳴トンネルダイオードを用いてもよい。
【０１２４】
また、その材料としては、以下の組み合わせのそれぞれを用いてもよい。
・ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／及びＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
・ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ
・ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ及びＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ
・Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅ
上述の構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すればよい。
【０１２５】
また、上述の実施形態及び実施例では、キャリアが電子である場合を想定して説明しているが、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よい。また、基板や誘電体の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン、ガリウムヒ素、インジウムヒ素、ガリウムリンなどの半導体や、ガラス、セラミック、テフロン（登録商標）、リエチレンテレフタラートなどの樹脂を用いることができる。
【０１２６】
さらに、上述の実施形態及び実施例では、テラヘルツ波の共振器として正方形パッチを用いているが、共振器の形状はこれに限られたものではなく、例えば、矩形及び三角形等の多角形、円形、楕円形等のパッチ導体を用いた構造の共振器等を用いてもよい。
【０１２７】
また、発振器に集積する微分負性抵抗素子の数は、１つに限るものではなく、微分負性抵抗素子を複数有する共振器としてもよい。線路の数も１つに限定されず、複数の線路を設ける構成でもよい。
【０１２８】
上述の実施形態及び実施例で記載した発振素子は、テラヘルツ波を検出する検出素子として使用することも可能である。例えば、素子１００は、ＲＴＤ１０１ａ、１０１ｂの電流電圧特性において電圧変化に伴い電流の非線形性が生じる領域を用いてテラヘルツ波の検出器として動作させることも出来る。また、上述の実施形態及び実施例で記載した発振素子を用いて、テラヘルツ波の発振及び検出を行うこともできる。
【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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