(57)【要約】【課題】テラヘルツ帯を含む広い帯域の電磁波を直接かつ簡便に（少なくとも室温で）検出可能であり、なおかつ小型に実現可能な電磁波受信装置を提供する。【解決手段】半導体基板に入射する電磁波の電界に応じた電荷を得る電磁波受信装置であって、半導体基板１上に設けられ、第１の電荷濃度を有する第１の領域２と、第１の領域２上に絶縁領域７を介して覆設された導電領域４と、半導体基板１上において第１の領域２に隣接して設けられ、かつ前記第１の電荷濃度よりも低い第２の電荷濃度を有する第２の領域３とを備え、第２の領域３は、図外の電荷検出回路に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に入射する電磁波の電界に応じた電荷を得る電磁波受信装置であって、
前記半導体基板上に設けられ、第１の電荷濃度を有する第１の領域と、
前記第１の領域上に絶縁領域を介して覆設された導電領域と、
前記半導体基板上において前記第１の領域に隣接して設けられ、かつ前記第１の電荷濃度よりも低い第２の電荷濃度を有する第２の領域と
を備え、
前記第２の領域は、電荷検出回路に接続されている
ことを特徴とする電磁波受信装置。
【請求項２】
前記導電領域の厚みは、前記導電領域に入射する電磁波に対する表皮効果厚さよりも厚い
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波受信装置。
【請求項３】
前記第２の領域の内部に、前記第１の領域の電荷に対するポテンシャル井戸が形成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁波受信装置。
【請求項４】
前記第１の領域の電荷の極性は、前記第２の領域の多数キャリアの極性とは逆極性であり、
前記ポテンシャル井戸の多数キャリア極性は、前記第１の領域の電荷と同極性である
ことを特徴とする請求項３に記載の電磁波受信装置。
【請求項５】
前記導電領域は、可変電圧源に接続されている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁波受信装置。
【請求項６】
複数の前記第１の領域と複数の前記第２の領域とが交互に配置され、
前記導電領域がそれぞれの第１の領域上に配置され、
それぞれの第２の領域は、電荷検出回路に接続されている
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電磁波受信装置。
【請求項７】
前記第１の領域は、前記第２の領域との境界と直交する方向に、前記第１の領域内の電荷によって形成されるプラズモンの波長の１／２の幅を有する
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電磁波受信装置。
【請求項８】
前記第１の領域と前記第２の領域とは、互いに方向が異なる複数の境界線で隣接する
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電磁波受信装置。
【請求項９】
前記複数の境界線のうちの２つは直交している
ことを特徴とする請求項８に記載の電磁波受信装置。
【請求項１０】
アレイ状に配置された、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の複数の電磁波受信装置と、
それぞれの電磁波受信装置からの出力信号を順次読み出す読み出し手段と
を備えることを特徴とするイメージング装置。
【請求項１１】
半導体基板に入射する電磁波の電界に応じた電荷を得る電磁波受信装置であって、
前記半導体基板上の第１の領域に絶縁領域を介して覆設された導電領域を備え、
前記導電領域は、前記半導体基板に対して電圧を印加されており、
前記半導体基板上において前記第１の領域に隣接しかつ前記導電領域に覆われない第２の領域は電荷検出回路に接続されている
ことを特徴とする電磁波受信装置。
【請求項１２】
半導体基板に入射する電磁波の電界に応じた電荷を得る電磁波受信方法であって、
前記半導体基板上に設けられた導電領域に電磁波を入射することにより、前記導電領域の端部にフリンジ電界を発生させるステップと、
前記半導体基板上に電荷濃度に差を付けて設けられた２つの領域の間で、前記導電領域の端部に生じるフリンジ電界によって電荷を移動させるステップと、
前記移動した電荷を検出するステップと
を含むことを特徴とする電磁波受信方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波受信装置およびこれを用いたイメージング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁波はその波長（周波数）によって、物質に対する透過特性および反射特性が異なり、検出原理も波長に応じて異なる。以下に、各種の波長の電磁波を検出するための背景技術について説明する。
【０００３】
波長０．０１ｎｍから２μｍ程度までの電磁波はγ線から近赤外線に対応し、フォトンエネルギーは比較的高く、該電磁波の検出はそのフォトンエネルギーよりも小さいバンドギャップエネルギーを有する半導体または絶縁体に該電磁波を入射し、その際該半導体または絶縁体内に生成される電子または正孔によって発生する電圧または電流として検出する。このような電磁波検出装置は光検出素子と称される。
【０００４】
特にデジタルカメラにおいては、可視光に対して感度を有するフォトダイオードを二次元アレイ化し、各フォトダイオード内に一定時間内に入射した光によって発生した電荷を読み出し、画像信号として出力するイメージセンサーを用いる。前記イメージセンサーは、受光部および信号処理部が同一の微細半導体プロセスで形成されるため、集積化および小型化が容易である。
【０００５】
波長約２μｍから約１０μｍまでの長波長電磁波（赤外線）はフォトンエネルギーが小さく、物質固有のバンドギャップもしくは人工的に形成された準位間をバックグラウンドとなる熱によって電子―正孔対が励起されるため、前述の光検出素子では、検出の際に良好なＳ／Ｎ比を得ることが困難である。
【０００６】
そこで、該電磁波入射相応分の熱エネルギーから分極電荷が発生することによって生ずる電位差を検出することによって電磁波を受信する焦電センサー、および温度変化にともなって発生する抵抗変化によって生ずる電圧または電流を検出するボロメーター等が用いられる。
【０００７】
一般に、上記光検出素子、焦電センサー、ボロメーターに適する材料はそれぞれ異なる。例えば、光検出素子にはシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系材料などが適しており、焦電センサーには、イオウ化トリグリセリン（ＴＧＳ）、ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ3等が適しており、ボロメーターにはゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンが適している。
【０００８】
検出する電磁波の波長に応じて適する材料が違うことから、単一の材料で構成された単一の素子で、光検出機能と長波長電磁波検出機能とを実現することは技術的に困難である。
【０００９】
波長１ｍｍ以上の電磁波（ミリ波、マイクロ波、ラジオ波等、通常電波と称される）の受信においては、一般に電波受信機が用いられる。
【００１０】
図１９は、典型的な電波受信機の一例を示す構成図である。
図１９に示される電波受信機において、電磁波の高周波変動電磁界は、導体材料からなるアンテナ２０１で集められ、該導体内の同一周波数の電荷の運動に変換され、これにともなう電圧および電流の変化が後段の増幅回路２０２で増幅された後、検波回路２０３によって検出される。
【００１１】
検波回路２０３は、例えば交流信号の自乗積算によってＤＣ成分を発生し、後段の信号処理回路２０４で電磁波自体の周波数よりも低い周波数の信号に対して処理能力がある回路での検出を可能とする。
【００１２】
このような電波受信機は、通常のＡＭ／ＦＭラジオ、レーダー、携帯電話等の無線システムに用いられている。
【００１３】
無線システムでは通常受信電磁波の時間的な変調量を信号として受信および再生するのみであるが、例えば、非特許文献１に報告されるように、単一のミリ波帯の電波受信機を用いて、受信方向を操作することによって、該電磁波自体が担っている空間変調量を再生する、いわゆる電波イメージングを実現することも可能である。
【００１４】
従来の電波イメージング技術の課題は、アンテナが受信回路に比べて大きく、集積化が困難であり、可視光・赤外光で実現されているような小型イメージングデバイスの実現が困難であるという点である。
【００１５】
波長数十μｍから０．１ｍｍ程度のサブミリ波帯の電磁波は、周波数が約０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚの領域にあり、テラヘルツ波と称される。
【００１６】
テラヘルツ波は物質に対する高い透過性を有することから、セキュリティ検査、医療検査、食品検査、環境モニター等のイメージング装置への応用の研究開発が進められている（非特許文献２、特許文献１〜特許文献３）。
【００１７】
テラヘルツ波の検出とイメージングを実現するための最大の課題は、該テラヘルツ波を直接かつ簡便に検出できる素子が存在しないことである。
【００１８】
すなわち、テラヘルツ波をフォトンとして検出する場合、そのフォトンエネルギーは例えば典型的な周波数１ＴＨｚ（波長３００μｍ）では４ｍｅＶ、温度換算では５０Ｋ以下となり、常温（約３００Ｋ）では熱ノイズに完全に埋もれてしまう。
【００１９】
したがって、テラヘルツ波の光検出素子として報告されている、狭バンドギャップ材料（非特許文献３）、量子井戸応用デバイス（非特許文献４）、超伝導応用デバイス（非特許文献５）等は、そのいずれもが熱ノイズの十分抑圧された極低温で動作させる必要があり、取り扱いが煩雑である。
【００２０】
また、テラヘルツ波に対する電波受信機を構成することも、現状では非常に困難である。なぜならば、アンテナで受信されたテラヘルツ帯という高周波電磁波に追随する速度で動作する電子デバイスが実現されていないからである。
【００２１】
現状得られる電波受信機の最高周波数は、最も速度の速い高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を増幅回路部、検波回路に用いた場合でも、高々百ＧＨｚ（０．１ＴＨｚ）程度のサブミリ波帯にとどまる。
【００２２】
テラヘルツ波を焦電的に検出する可能性が報告されている唯一のデバイスは、赤外線検出用途として開発された酸化バナジウム材料（ＶＯx）からなる焦電センサーである。この焦電センサーがテラヘルツ帯においても感度を有することが発見され、これをテラヘルツ波用イメージセンサーとして転用することが、非特許文献６に報告されている。
【００２３】
しかし、前述したようにこのような焦電センサーは近赤外よりも短波長側には検出感度を有していないため、広帯域の電磁波の受信には適さない。
【００２４】
このように、テラヘルツ波の直接検出によるイメージングは困難であることから、従来報告されているテラヘルツ波の検出およびイメージングに用いられる最も一般的な技術は、時間領域テラヘルツ分光（Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＴＨｚ−ＴＤＳ）技術に立脚している。
【００２５】
ＴＨｚ−ＴＤＳとは、超短光パルス列を発生させるフェムト秒レーザー光源を励起源としてテラヘルツ波源を励起することによって発生させたテラヘルツ波パルス列を、同じフェムト秒レーザー光より分岐したプローブ光パルス列と同期させて、光導電素子や電界効果変調器に入射し、前記プローブ光の変調量を光検出器で検出する技術である。
【００２６】
図２０は、ＴＨｚ−ＴＤＳによるイメージング装置の基本構成の一例を示す構成図である。
【００２７】
フェムト秒レーザー光源２１１より発せられたパルス幅１００ｆｓ程度の超短光パルス列はビームスプリッター２１２によって、ポンプ光２１３とプローブ光２１４に分岐される。ポンプ光２１３は光遅延線２１５を経由後折り返しミラー２１６で反射された後、テラヘルツ波源である一定電圧でバイアスされた光伝導スイッチ２１７に入射され、入射面と反対側からテラヘルツ波が放射される。
【００２８】
発生したテラヘルツ波は被検査物２１８に照射され、その透過成分２１９は、ポリエチレンからなるレンズ２２０によって集光され、シリコン（Ｓｉ）からなるハーフミラー２２１を透過した後、電界変調器２２２に被検査物２１８の透過電磁波像として結像した状態で入射される。
【００２９】
一方、プローブ光２１４は折り返しミラー２２３によって光路変更された後、ビームエキスパンダー２２４によってビーム径を拡大されたプローブ光２２５として、ハーフミラー２２１で反射され、テラヘルツ波の透過成分２１９と同時に電界変調器２２２に入射される。
【００３０】
プローブ光２２５に対してテラヘルツ波は変調電界として作用し、その偏光成分を変調するので、テラヘルツ波の電界強度は偏光子２２６からのプローブ光２２５の透過光量の変調量として光検出器２２７によって検出される。
【００３１】
テラヘルツ波およびプローブ光は空間的に広がりを持っているため、光検出器に二次元フォトダイオードアレイからなるイメージセンサーを用いることによって被検査物２１８の２次元情報をイメージングすることが可能となる（非特許文献７）。
【００３２】
しかし、この従来技術はテラヘルツ波を直接受信できないだけではなく、フェムト秒レーザーを用いるＴＨｚ−ＴＤＳ技術に立脚していることから、装置が複雑、大規模、高額になる等、実用には多くの課題がある。
【００３３】
一方、テラヘルツ波を直接検出する可能性を示唆する報告もなされている。
非特許文献８には、ドリフト走行速度によって規定される限界動作周波数が１ＴＨｚ帯よりも低い従来のミリ波用電界効果トランジスタであっても、テラヘルツ波がチャネル電荷に結合することができれば、高周波電界によって該チャネル電荷にプラズマ振動を励起し、その減衰エネルギーをＤＣ電圧としてドレイン端子において検出可能であるという原理が報告されており、非特許文献９には、この原理に基づいたテラヘルツ波の直接受信の実験報告がなされている。
【００３４】
非特許文献８および非特許文献９の報告は、テラヘルツ波によって電界効果トランジスタゲート直下の電子濃度をゲート長方向に変調可能であることを示し、この電子濃度の変調量を、一例としてドレイン端の境界条件によるＤＣ電圧の変動として検出することで、テラヘルツ波を直接検出できることを証明している。
【００３５】
しかし、これらの報告は、ゲート直下のチャネル電荷をテラヘルツ帯の高周波電磁波で励起するための具体的な手段を開示していない。非特許文献９に報告された実験では、チャネル電荷のプラズモン励起は、ワイヤーボンドなどの寄生配線がアンテナとして作用し、入射するテラヘルツ電磁波とチャネル電荷とが低い効率で結合することによって実現された可能性が指摘されているのみである。
【００３６】
入射するテラヘルツ波とチャネル電荷との結合は、図１９に示す従来の電波受信機と同様の構成、すなわち、テラヘルツ波に受信感度を有するアンテナを、マッチング回路を介してゲートに接続する構成を用いて行うことは可能である。
【００３７】
しかし、この構成では、ミリ波帯の電波イメージング装置における場合と同様、検出素子である電界効果トランジスタと比べてアンテナサイズが非常に大きく、単一基板上への集積化が困難である。
【００３８】
この困難は、受信するテラヘルツ波の波長（１０μｍ〜１０００μｍ程度）と、受信機の共振器長を決めるプラズモン、より一般には電荷の空間濃度分布の典型的な長さ（〜０．５μｍ程度）とが、極端に異なるために生じる。
【００３９】
また、この構成では、通常の電波受信機と同様、アンテナと電界効果トランジスタが各々特定の周波数を中心とする帯域でのみ動作する共振器として作用するため、広い周波数帯域での動作は期待できず、特に異なる周波数帯に分類される電磁波の受信には適用困難である。
【００４０】
したがって、これらの２つの課題、すなわち、電磁波と電子濃度分布変調との効率よい結合、および動作周波数の広帯域化を解決することが、テラヘルツ帯を含む広帯域の電磁波の直接受信を実現するために有益である。
【００４１】
テラヘルツ波の発生装置（テラヘルツエミッタ）に関して言えば、前述の課題に関係する技術が、非特許文献１０に報告されている。
【００４２】
図２１は、非特許文献１０に開示されるテラヘルツエミッタを模式的に示す構成図である。
【００４３】
このエミッタは、基板２２０１上にソース２２０２、ドレイン２２０３を形成し、電子供給層２２０４上に、ゲート長の異なる２種類のゲート２２５１、２２５２、２２５３等と２２６１、２２６２、２２６３等をソース−ドレイン間に周期的に配置してなる。
【００４４】
このような構造によって、電子供給層２２０４の下側には二次元電子ガス２２０７が形成される。ここで、異なる種類のゲートに異なるＤＣバイアスを印加することで電子濃度を２種類のゲート下、および、ゲート間領域で変調する。
【００４５】
さらに、裏面よりレーザー光２２０８を照射し、電子正孔対を発生させ、発生した電子のみを上記ゲートバイアスによって電界変調された表面領域に注入すると、印加するＤＣバイアスの電界にしたがって、各ゲート下に異なる電子濃度分布に由来する異なる周波数のプラズモンが発生する。
【００４６】
これらのプラズモンに付随する電磁界は周期的に配置されたゲート周期との結合によって、放射電磁界となり、テラヘルツ波をゲート長方向に垂直方向に放射する。電子濃度分布が各ゲート下で異なることから発生するテラヘルツ波は異なる波長を含み広帯域である。
【００４７】
このように、テラヘルツエミッタとしては、ＤＣバイアスの電界によって与えられた電子濃度分布の変調と結合して、電子濃度分布の変調方向と垂直な方向に、異なる波長成分を含む電磁波が放射されることが周知となっている。
【特許文献１】特開２００２−５８２８号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５０４号公報
【特許文献３】特開２００５−３７２１３号公報
【非特許文献１】廣瀬他，ＩＥＩＣＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ，ＥＤ２００６−１９０（２００６−１２），社団法人  電子通信情報学会，（２００６）．
【非特許文献２】Ｗｉｔｈａｗａｔ  Ｗｉｔｈａｙａｃｈｕｍｎａｎｋｕｌ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．９５，Ｎｏ．８，ｐｐ．１５２８−１５５８，ＩＥＥＥ，（２００７）．
【非特許文献３】大森豊明監訳，廣瀬千秋訳，“翻訳  テラヘルツセンシングテクノロジー  Ｖｏｌ．１，電子デバイスおよび高度システム技術”，ｐ．２６，ｌｌ．１４−１５，株式会社エヌ・ティー・エス，（２００６）．
【非特許文献４】布施他，ＩＥＩＣＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ，ＥＤ２００６−１９２（２００６−１２），社団法人  電子通信情報学会，（２００６）．
【非特許文献５】田井野他，ＩＥＩＣＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ，ＥＤ２００６−１９３（２００６−１２），社団法人  電子通信情報学会，（２００６）．
【非特許文献６】Ａ．Ｗ．Ｍ．Ｌｅｅ  ａｎｄ  Ｑ．Ｈｕ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．１９，ｐｐ．２５６３−ｐｐ．２５６５，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，（２００５）．
【非特許文献７】Ｆ．Ｍｉｙａｍａｒｕ，Ｔ．Ｙｏｎｅｒａ，Ｍ．Ｔａｎｉ  ａｎｄ  Ｍ．Ｈａｎｇｙｏ，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．４Ａ，ｐｐ．Ｌ４８９−Ｌ４９１，Ｔｈｅ  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，（２００４）．
【非特許文献８】Ｍ．Ｄｙａｋｏｎｏｖ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓｈｕｒ，ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．３，ｐｐ．３８０−３８７，ＩＥＥＥ，（１９９６）．
【非特許文献９】Ｒ．Ｔａｕｋ，ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８９，２５３５１１，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，（２００６）．
【非特許文献１０】Ｔ．Ｏｔｓｕｊｉ，ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８９，２６３５０２，Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，（２００６）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４８】
しかしながら、テラヘルツ帯を含む広い帯域の電磁波を直接受信可能な電磁波受信装置に関して、入射する電磁波と電子濃度分布の変調との効率よい結合を達成し、かつ電子濃度分布の変調量を検出する好ましい構成は、未だ知られていない。
【００４９】
上記の従来の技術を用いて、広い周波数範囲の電磁波を、単一のデバイスで受信する、あるいは単一のデバイスでイメージングする上での課題は以下のとおりである。
【００５０】
（１）フォトンエネルギーがバンドギャップエネルギー以上と以下の双方の周波数帯に属する異なる種類の電磁波を単一デバイスで受信することができない。
【００５１】
（２）フォトンエネルギーがバンドギャップ以下で、周波数帯域がテラヘルツ帯の電磁波を直接かつ簡便に検出することができない。
【００５２】
（３）フォトンエネルギーがバンドギャップ以下の電磁波を電波として検波する場合、アンテナが個々のデバイスに比べてサイズが非常に大きく、小型なイメージング装置の実現が困難である。
【００５３】
本発明は、このような背景の下になされたものであり、テラヘルツ帯を含む広い帯域の電磁波を直接かつ簡便に（少なくとも室温で）検出可能であり、なおかつ小型に実現可能な電磁波受信装置、イメージング装置、および方法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】
【００５４】
上記の課題を解決するために、本発明の電磁波受信装置は、半導体基板に入射する電磁波の電界に応じた電荷を得る電磁波受信装置であって、前記半導体基板上に設けられ、第１の電荷濃度を有する第１の領域と、前記第１の領域上に絶縁領域を介して覆設された導電領域と、前記半導体基板上において前記第１の領域に隣接して設けられ、かつ前記第１の電荷濃度よりも低い第２の電荷濃度を有する第２の領域とを備え、前記第２の領域は、電荷検出回路に接続されていることを特徴とする。
【００５５】
このような構成とすることによって、電磁波が本電磁波受信装置に到達した場合、到達の直前に前記電磁波が有していた、前記半導体基板の主面内において前記第１の領域と前記第２の領域との境界に垂直な方向の電界成分によって、前記導電領域の外縁部にフリンジ電界が形成される。このとき形成されるフリンジ電界は前記半導体基板の主面に垂直方向の電界であり、前記第１の領域に高濃度で存在する電荷と結合して、電荷の空間濃度分布を形成せしめる。
【００５６】
このフリンジ電界によって前記第１の領域の電荷は前記第２の領域へ浸み出す。前記第１の領域から前記第２の領域へ浸み出した電荷は、電荷の濃度差のために第１の領域へはほとんど逆流しない。電荷は、前記第２の領域の表面のドリフト電界によって前記半導体基板の内部へと輸送され、前記第２の領域に接続された電荷検出回路にて検出される。
【００５７】
本電磁波受信装置では、入射する電磁波を上述したようにして検出するため、特にテラヘルツ波を検出する場合、テラヘルツ波をフォトンとして検出する場合とは異なり、装置を低温下に保持する必要がなく、装置の取り扱いの容易性が大幅に向上する。また、テラヘルツ波を電波として受信するアンテナを用いないために、電磁波受信装置の大きさは電荷の空間濃度分布の典型的な長さのみに依存することとなり、装置を小型に実現可能となる。それとともに、アンテナの長さに応じた感度の周波数依存性が排除される結果、広い周波数帯域での動作が可能となる。
【００５８】
また、前記導電領域の厚みは、前記導電領域に入射する電磁波に対する表皮効果厚さよりも厚いとしてもよい。
【００５９】
このような構成とすることによって、入射する電磁波が前記半導体基板の主面内の方向の電界成分を保ったまま前記導電領域を透過して前記第１の領域に到達することを防ぎ、高い効率で前記第１の領域の電荷と垂直方向のフリンジ電界とを結合させる。
【００６０】
また、前記第２の領域の内部に、前記第１の領域の電荷に対するポテンシャル井戸が形成されているとしてもよい。
【００６１】
このような構成とすることによって、前記第１の領域から前記第２の領域へ浸み出した電荷を、前記第２の領域のポテンシャル井戸に閉じ込めることによって、電荷を効率よく収集することが可能となり、より高いＳ／Ｎ比での電磁波受信が可能となる。
【００６２】
また、前記第１の領域の電荷の極性は、前記第２の領域の多数キャリアの極性とは逆極性であり、前記ポテンシャル井戸の多数キャリア極性は、前記第１の領域の電荷と同極性であるとしてもよい。
【００６３】
このような構成は、前記第２の領域の内部に、前記ポテンシャル井戸を形成するために好適である。また、電磁波が入射していないときは、前記第１領域と前記第２領域との界面に形成されるｐｎ接合によって、２つの領域を分離し、電荷の移動を制限するためにも役立つ。
【００６４】
また、前記導電領域は、可変電圧源に接続されているとしてもよい。
このような構成とすることによって、前記第１の領域の電荷濃度をより高い濃度に保つことが可能となり、その結果、より多くの電荷の浸み出しを発生させることで受信感度を向上することができる。
【００６５】
また、複数の前記第１の領域と複数の前記第２の領域とが交互に配置され、前記導電領域がそれぞれの第１の領域上に配置され、それぞれの第２の領域は、電荷検出回路に接続されているとしてもよい。
【００６６】
このような構成とすることによって、前記第１の領域と前記第２の領域との多数の境界から浸み出す電子を検出することで、電荷密度の濃度分布に対する散乱などの影響を軽減するとともに、信号の強度を増大させ、電磁波の受信において高いＳ／Ｎ比を実現する。
【００６７】
また、前記第１の領域は、前記第２の領域との境界と直交する方向に、前記第１の領域内の電荷によって形成されるプラズモンの波長の１／２の幅を有するとしてもよい。
【００６８】
このような構成とすることによって、前記第１の領域内に発生するプラズモンは定在波を形成し、したがって、前記第１の領域と前記導電領域裏面との間に発生する、前記半導体基板の主面に垂直な電界分布も定在波を形成する。前記導電領域の外縁部では、入射する電磁波がフリンジ電界を介して常に前記第１の領域内の電荷と結合している。すなわち、自由端境界条件を満たす。
【００６９】
したがって、前記導電領域の外縁部直下の電荷プラズモンも自由端となり、電荷プラズモンの変動量も最大となる。すなわち、前記第２の領域への電荷注入量も最大とすることが可能となり、より高いＳ／Ｎ比で電磁波を受信可能となる。
【００７０】
また、前記第１の領域と前記第２の領域とは、互いに方向が異なる複数の境界線で隣接していてもよい。
【００７１】
このような構成とすることによって、入射する電磁波が異なる複数の方向の偏波成分を含んでいる場合において、それぞれの偏波方向に垂直な境界線から、対応する方向の偏波成分によって前記第２の領域へ電荷を浸み出させることで、電磁波の検出を可能とする。
【００７２】
また、前記複数の境界線のうちの２つは直交しているとしてもよい。
このような構成とすることによって、任意の方向の偏波成分を含む電磁波の受信が可能となる。
【００７３】
なお、本発明は、このような電磁波受信装置として実現できるだけでなく、イメージング装置、および電磁波受信方法として実現することもできる。
【発明の効果】
【００７４】
本発明の電磁波受信装置によれば、半導体基板上に設けられた導電領域に電磁波を入射することにより、前記導電領域の端部にフリンジ電界を発生させ、前記半導体基板上に電荷濃度に差を付けて設けられた２つの領域の間で、前記導電領域の端部に生じるフリンジ電界によって電荷を移動させ、前記移動した電荷を検出する。
【００７５】
これにより、電磁波受信装置およびこれを応用したイメージング装置において従来技術に存在した上記３つの課題を同時に解決し、単一の装置でバンドギャップ以上のフォトンエネルギーを有する電磁波とバンドギャップ以下のエネルギーを有する電磁波の双方を受信可能とし、電磁波受信部と検出回路とが同一の半導体基板上に集積化された小型なイメージング装置が実現可能となる。
【００７６】
さらに、本発明のイメージング装置は、画素ごとに電磁波を受信する電磁波受信装置が極めて小さく、電磁波を電荷に結合する導電領域のサイズは受信機の回路要素と同程度である。したがって、集積化された小型の電磁波イメージング装置が実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７７】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における電磁波受信装置について、図１から図６（ａ）〜図６（ｃ）を参照しながら説明する。第１の実施形態では、本発明の特徴的かつ原理的な動作に必須の最小限の構成からなる電磁波受信装置について説明する。
【００７８】
図１は、第１の実施形態における電磁波受信装置の一例を模式的に示す構成図である。説明の便宜のために、図１にｘ、ｙ、およびｚの方向を定めている。
【００７９】
電磁波受信装置は、半導体基板１に、高電荷濃度領域２と低電荷濃度領域３とをｙ方向に延びる境界線で隣接して形成し、高電荷濃度領域２の上に絶縁領域７を介して導電領域４を形成してなる。ここで、電荷としては電子を仮定している。
【００８０】
高電荷濃度領域２および低電荷濃度領域３が、それぞれ本発明の第１の領域および第２の領域の一例である。
【００８１】
本発明は、高電荷濃度領域２および低電荷濃度領域３に濃度差を設ける方法を限定しないが、例えば、高電荷濃度領域２および低電荷濃度領域３のそれぞれの領域に注入する不純物濃度の差によって、２つの領域の電荷濃度の差を制御してもよい。
【００８２】
また、第２の実施形態で述べるように、高電荷濃度領域２および低電荷濃度領域３には通常では電荷の濃度差はなく、半導体基板１と導電領域４との間にバイアス電圧を印加することによって、低電荷濃度領域３と比べてより電荷が密集した領域を高電荷濃度領域２内に生成してもよい。
【００８３】
受信すべき電磁波は、ｚ方向に到来して導電領域４に入射する。到来する電磁波の電界の向きをｘの正の向きとし、伝播波数ベクトル成分をｙの正の向きとすると、導電領域４に入射した電磁波によって、電気力線５で示される電界が形成される。
【００８４】
電気力線５は、低電荷濃度領域３に到達した後、低電荷濃度領域３の外縁部より屈折し、高電荷濃度領域２と低電荷濃度領域３との境界では電磁波の伝播方向に平行、すなわち半導体基板１の主面に垂直方向を向き、高電荷濃度領域２の電荷６と結合する。
【００８５】
このようにして、ｘ方向の電界を持つ電磁波が電磁波受信装置に入射することにより導電領域４の外縁部にフリンジ電界が形成され、フリンジ電界が高電荷濃度領域２と低電荷濃度領域３との境界付近でｚ方向を向くことにより、入射した電磁波と高電荷濃度領域２に高い濃度で存在する電荷６とが結合する。
【００８６】
次に、電磁波の入射によるフリンジ電界および電荷の挙動について説明する。
図２（ａ）は、電磁波入射直後の時点での、フリンジ電界の強度のｚ成分のｘ方向の分布Ｅz（ｘ）を示すグラフである。図２（ａ）において、理解のため、高電荷濃度領域２および低電荷濃度領域３のｘ方向における位置を示している。
【００８７】
高電荷濃度領域２と低電荷濃度領域３との境界付近（ｘ1≦ｘ≦ｘ2）においては電界集中が発生しており、電界強度は最も強い。
【００８８】
図２（ｂ）は、このような電界強度の分布から生じる、電子のエネルギーレベルのｘ方向の分布Ｅc（ｘ）を示すグラフである。図２（ｂ）において、実線は電磁波入射直後、破線は電磁波入射前の、電子のエネルギーレベルの分布をそれぞれ示している。
【００８９】
電磁波入射直後には、電子のエネルギーレベルＥc（ｘ）は、図２（ａ）に示される電界強度Ｅz（ｘ）が最強となる高電荷濃度領域２と低電荷濃度領域３との境界で最も低くなり、この近傍（ｘ1≦ｘ≦ｘ2）において電磁波入射前の値よりも低くなる。
【００９０】
図２（ｃ）は、電子のエネルギーレベルの変化にともなう、電子濃度のｘ方向の分布ｎ（ｘ）を示すグラフである。図２（ｃ）において、実線は電磁波入射直後、破線は電磁波入射前の、電子濃度の分布をそれぞれ示している。
【００９１】
電磁波入射直後には、電子濃度ｎ（ｘ）は、図２（ｂ）に示される電子のエネルギーレベルＥc（ｘ）が低くなる高電荷濃度領域２と低電荷濃度領域３との境界近傍において、電磁波入射前と比べて高くなる。
【００９２】
したがって、電磁波入射にともない、導電領域４の外縁に発生するフリンジ電界が、高電荷濃度領域２内の電子と結合し、電子の濃度分布を変調する。さらに、このフリンジ電界は低電荷濃度領域３に浸み出しているので、高電荷濃度領域２の電子も境界付近で低電荷濃度領域３へ浸み出している。
【００９３】
本発明の電磁波受信装置は、このようにして高電荷濃度領域２から低電荷濃度領域３へ浸み出した電子を低電荷濃度領域３に接続される電荷検出装置（図１には示さず）で検出することによって、入射した電磁波を受信する。
【００９４】
ここで、電界強度は、入射する電磁波が高周波で振動しているので時間の経過とともに変動する。
【００９５】
以下、この時間の経過とともに浸み出した電荷がどのようにして検出されるかを説明する。
【００９６】
電磁波の入射直後から時間の経過とともに電磁波波面が次々に入射してくるため、フリンジ電界は導電領域４の裏面の電荷および高電荷濃度領域２の電荷６と結合しながら、絶縁領域７の間を高電荷濃度領域２と低電荷濃度領域３との境界から離れる方向（−ｘ方向）に伝播し、電界強度の分布Ｅz（ｘ）、電子のエネルギーレベルの分布Ｅc（ｘ）、および電子濃度の分布ｎ（ｘ）は時間変化する。
【００９７】
電磁波の入射直後の時刻をｔ＝０として、図２（ａ）〜図２（ｃ）は、時刻ｔ＝０において導電領域４の外縁における電界強度Ｅz（ｘ＝０）が正値最大となる状態でのＥz（ｘ）、Ｅc（ｘ）、ｎ（ｘ）に対応する。
【００９８】
以下、電磁波の周期をＴとして、図３（ａ）〜図３（ｃ）は、時刻ｔ＝Ｔ／８において、電界Ｅz（ｘ＝０）が正の中間値をとる状態でのＥz（ｘ）、Ｅc（ｘ）、ｎ（ｘ）を示している。
【００９９】
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、時刻Ｔ／４において、Ｅz（ｘ＝０）が０となる状態でのＥz（ｘ）、Ｅc（ｘ）、ｎ（ｘ）を示している。
【０１００】
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、時刻３Ｔ／８において、Ｅz（ｘ＝０）が負値中間値をとる状態でのＥz（ｘ）、Ｅc（ｘ）、ｎ（ｘ）を示している。
【０１０１】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、時刻Ｔ／２において、Ｅz（ｘ＝０）が負値最大となる状態でのＥz（ｘ）、Ｅc（ｘ）、ｎ（ｘ）を示している。
【０１０２】
図２（ａ）〜図２（ｃ）から明らかなように、外縁部の電界強度Ｅz（ｘ＝０）が正値最大の時、外縁部の電位は最も高く、したがって、電荷濃度ｎ（ｘ＝０）は最も高い。ここでは電荷濃度は電子濃度とする。
【０１０３】
フリンジ電界は、外縁部近傍では低電荷濃度領域３に浸みだし、これにともない電子も高電荷濃度領域２から低電荷濃度領域３へ浸み出す。低電荷濃度領域３の電荷濃度は高電荷濃度領域２と比べて低いため、高電荷濃度領域２から浸み出した電子は、より電荷濃度の低い低電荷濃度領域３へ向かって拡散電流となって流れる。
【０１０４】
また、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すように、外縁部の電界強度Ｅz（ｘ＝０）が負値最大の場合には、外縁部の電子のエネルギーレベルＥc（ｘ＝０）は最高となり、電子濃度も高電荷濃度領域２内で最小となる。低電荷濃度領域３は元々電子濃度が低いため、低電荷濃度領域３から高電荷濃度領域２への電子の逆方向拡散はほとんど無視できる。
【０１０５】
そのため、高電荷濃度領域２の電子が低電荷濃度領域３へ浸み出す過程は本質的に不可逆であり、拡散電流を時間平均化すれば低電荷濃度領域３から高電荷濃度領域２へ流れるＤＣ電流となる。
【０１０６】
その結果、低電荷濃度領域３に電荷検出装置を接続することによって、拡散電流によって流れる電荷を検出することが可能である。すなわち、電磁波の入射を、電荷として検出することが可能となる。
【０１０７】
以上説明したように、本発明の電磁波受信装置は、伝播方向に垂直な方向に振動する電磁波の電界によって、導電領域の外縁から電磁波の伝播方向に垂直な方向へフリンジ電界を発生させ、これを半導体基板内の電荷濃度分布に結合せしめ、濃度分布によって移動した電荷を検出する。電荷の検出は、例えば電荷電圧変換器（フローティングディフュージョンなどのキャパシタ）を用いて電圧の変化として検出するなど、周知の方法により行うことができる。
【０１０８】
これにより、テラヘルツ波をフォトンとして検出する場合とは異なり、装置を低温下に保持する必要がなく、装置の取り扱いの容易性が大幅に向上する。また、テラヘルツ波を電波として受信するアンテナを用いないために、電磁波受信装置の大きさは電荷の空間濃度分布の典型的な長さのみに依存することとなり、装置を小型に実現可能となる。それとともに、アンテナの長さに応じた感度の周波数依存性が排除される結果、広い周波数帯域での動作が可能となる。
【０１０９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における電磁波受信装置について、図７から図１３を参照しながら説明する。第２の実施形態では、本発明の電磁波受信装置が半導体基板上に実現される場合の構成について具体的に説明する。
【０１１０】
図７は、第２の実施形態における電磁波受信装置の半導体基板上のレイアウトの一例を示す上面図である。
【０１１１】
図７において、電磁波受信装置は、半導体基板上に形成された、高電荷濃度領域２、低電荷濃度領域３、導電領域４、バイアス電源４０２、転送ゲート４０３、フローティングディフュージョン（ＦＤ）４０４、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）４０５、転送信号発生回路４０９、およびリセット回路４１０からなる。見易さのため、高電荷濃度領域２および導電領域４を、それぞれのハッチングを付して示している。
【０１１２】
高電荷濃度領域２および低電荷濃度領域３は、半導体基板上に形成されたｐ型Ｓｉからなる領域（以下、ｐ型領域）にて実現される。ｐ型領域の高電荷濃度領域２となる部分には、絶縁領域を介して導電領域４が覆設される。
【０１１３】
バイアス電源４０２は、導電領域４にバイアス電圧を印加する。印加するバイアス電圧を、所定の正値しきい値以上とすることによって、導電領域４の下のｐ型領域に高濃度の電子からなる反転層が形成される。
【０１１４】
この反転層が、高電荷濃度領域２として機能する。ｐ型領域のうちバイアス電圧が印加されない部分、すなわち導電領域４が設けられていない部分が、低電荷濃度領域３として機能する。このような構成が、第１の実施形態で説明した原理的な電磁波受信装置の構成に対応する。
【０１１５】
転送ゲート４０３は、低電荷濃度領域３に蓄積される電荷をＦＤ４０４へ転送する。ＦＤ４０４は、ｐｎ接合よりなり、低電荷濃度領域３から転送される電荷を一時的に保持する。
【０１１６】
ＦＥＴ４０５は、ドレイン端子４０６が図外の電源に接続され、ＦＤ４０４の電荷に応じた出力電圧をゲート４０７に入力し、ドレイン電流の変動に応じた電圧をソース端子４０８から出力するソースフォロアとして動作する。
【０１１７】
転送信号発生回路４０９は、転送ゲート４０３の開閉を制御する信号を発生する。リセット回路４１０は、低電荷濃度領域３およびＦＤ４０４に蓄積されている電荷を初期化するリセットトランジスタを含む。
【０１１８】
図８は、図７に示される電磁波受信装置のＡＡ’断面を示す断面図である。
図８において、半導体基板１の上に、ｐ型領域５１がイオン注入によって形成されている。ｐ型領域５１内部にはＡｓをイオン注入することによってｎ型領域５２が形成されている。ｎ型領域５２の周囲は、ｐ型領域５１に維持されている。
【０１１９】
ｐ型領域５１上には、ＳｉＯ2からなる絶縁領域７が、熱酸化法によって形成されている。絶縁領域７は、導電領域４の下部では５ｎｍの厚さに形成され、その他の部分では１００ｎｍの厚さに形成される。
【０１２０】
導電領域４には、図７のバイアス電源４０２によってしきい値以上の正値電圧が印加されており、その結果、導電領域４の直下には高濃度電子からなる反転層が形成される。前述したように、この反転層が、高電荷濃度領域２として機能する。ｐ型領域５１のうち反転層にならない部分が、低電荷濃度領域３として機能する。
【０１２１】
次に、このように構成された電磁波受信装置の主要断面におけるエネルギーレベルについて説明する。
【０１２２】
図９は、図８のＢＢ’断面におけるバンド図である。
図９のバンド図には、導電領域４の占有準位６１、占有準位６１の最上位に位置するエネルギーレベルであるフェルミレベル６２、絶縁領域７によって形成されるポテンシャル障壁６３、ｐ型領域５１の伝導帯の底６４、ｐ型領域５１の価電子帯の最上位のエネルギーレベル６５、および反転層の電子のエネルギーレベル６６が示されている。
【０１２３】
図１０は、図８のＣＣ’断面におけるバンド図である。エネルギーレベルには図９と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１２４】
この断面には、ｐ型領域５１とその周囲に維持されるｎ型領域５２との界面にｐｎ接合が形成されることでｎ型領域５２内でエネルギーレベルが最低となるポテンシャル井戸が示される。ｐ型領域５１におけるエネルギーレベルはポテンシャル井戸から離れるにつれて高い側へ曲がる。
【０１２５】
図１１は、図８のＤＤ’断面、つまり絶縁領域７とｐ型領域５１との界面におけるバンド図である。エネルギーレベルには図９と同一の符号を付して説明を省略する。
【０１２６】
高電荷濃度領域２は、ｐ型領域５１に形成される反転層であり、低電荷濃度領域３は、ｐ型領域５１の反転層にならない部分である。
【０１２７】
次に、このように構成された電波受信装置に入射した電磁波が信号として検出される過程を説明する。
【０１２８】
図７に示す電磁波受信装置にｘ方向に振動する電界成分を有する電磁波が紙面の表側から裏側に向かって入射する場合の検出過程は次の３段階に分かれる。
【０１２９】
（第１段階）高電荷濃度領域２から低電荷濃度領域３へ電子が注入される。
第１の実施形態で説明した機構によって、導電領域４の端部において、ｚ方向に振動方向を変換された電磁波の電界と高電荷濃度領域２の電子とが結合する。これにより、高電荷濃度領域２内の電子はｘ方向に密度変調されるとともに、ｐ型領域５１の導電領域４が設けられていない部分へ浸み出し、低電荷濃度領域３に注入される。この過程を、図８の矢印５５で示す。
【０１３０】
（第２段階）低電荷濃度領域３へ浸み出した電子がｎ型領域５２に閉じ込められる。
一定期間電磁波が入射すると、高電荷濃度領域２から低電荷濃度領域３へ浸み出した電子は、低電荷濃度領域３内の電子濃度のより薄い領域に拡散する。この拡散による電流は、低電荷濃度領域３の表面のバンド曲がりによって、ドリフト電流として内部に向かって流れ、電子はポテンシャル井戸として作用するｎ型領域５２に閉じ込められる。この過程を、図８の矢印５６で示す。
【０１３１】
（第３段階）ｎ型領域５２に蓄積された電子を検出する。
ｎ型領域５２に蓄積された電子を、転送ゲート４０３を開くことによってＦＤ４０４に転送し、ソースフォロアとしてのＦＥＴ４０５を介して読み出す。
【０１３２】
ここで、矢印５５で示した電荷注入過程は、アンテナとして作用する導電領域４と高電荷濃度領域２、およびこれらに直列に接続されたｐｎ接合ダイオードの整流作用と等価である。
【０１３３】
注入された電子のｎ型領域５２における蓄積過程および後段の転送ゲート４０３、ＦＤ４０４を介しての読み出し過程は、通常のＭＯＳイメージセンサーの画素においてバンドギャップ以上の光が入射してフォトダイオードに電子を蓄積した後、後段の読み出し回路で読み出す過程と同一である。
【０１３４】
図１２は、本発明の電磁波受信装置の機能的な構成を、上述の従来技術との対比により表した等価回路図である。
【０１３５】
図１２において、アンテナ９１は、導電領域４で振動方向を変換された電磁波の電界と高電荷濃度領域２の電子濃度との結合によって、入射した電磁波を収集する機能を表している。
【０１３６】
ダイオード９２は、高電荷濃度領域２から低電荷濃度領域３へ電子が不可逆に移動することを表している。ダイオード９３は、ｐ型領域５１とｎ型領域５２との界面にできるｐｎ接合にるポテンシャル井戸を表している。
【０１３７】
転送ゲート４０３、ＦＤ４０４、ＦＥＴ４０５、転送信号発生回路４０９、およびリセット回路４１０は、対応する符号を付した回路記号で示している。ＦＥＴ４０５から出力された信号は、図外の信号処理回路にて処理される。
【０１３８】
図１３は、電磁波受信装置の、受信信号のＳ／Ｎ比の導電領域４に印加するバイアス電圧Ｖgに対する依存性を示すグラフである。
【０１３９】
図１３からわかるように、Ｖgが低い間はＳ／Ｎ比は非常に低いが、Ｖgの増加にしたがってＳ／Ｎ比は増加する。これはＶgの増加にともない高電荷濃度領域２の電子濃度が増加するために、入射する電磁波と高電荷濃度領域２の電子濃度との結合効率が増大すること、および低電荷濃度領域３への電荷注入量も増大することによる。
【０１４０】
また、高電荷濃度領域２が飽和電子濃度に達するＶg≧２．０Ｖの領域では、電子濃度の飽和にともなってＳ／Ｎ比も飽和傾向を示す。したがって、望ましくは、バイアス電源４０２を可変電圧源とし、高電荷濃度領域２がちょうど飽和電子濃度に達するバイアス電圧を、導電領域４に印加するとよい。
【０１４１】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における電磁波受信装置について、図１４を参照しながら説明する。第３の実施形態では、より高いＳ／Ｎ比が得られる電磁波受信装置の構成について説明する。
【０１４２】
図１４は、第３の実施形態における電磁波受信装置の半導体基板上のレイアウトの一例を示す上面図である。第２の実施形態で説明した構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する（図７を参照）。
【０１４３】
図１４の電磁波受信装置では、導電領域４とその直下に形成される高電荷濃度領域２の両側に、低電荷濃度領域３ａ、低電荷濃度領域３ｂが配置される。図１４には、電源１１０２および信号処理回路１１０１が明示的に示されている。また、図７のバイアス電源４０２に代えて、可変電圧源で構成されるバイアス電源４０２ａが示されている。
【０１４４】
低電荷濃度領域３ａ、低電荷濃度領域３ｂのそれぞれに蓄積された電子は、共通の転送ゲート４０３を介して、対応するＦＤ４０４ａ、ＦＤ４０４ｂに転送される。そして、ＦＥＴ４０５ａ、ＦＥＴ４０５ｂから、ＦＤ４０４ａ、ＦＤ４０４ｂに蓄積されている電荷量に応じた信号電圧が読み出される。
【０１４５】
ここで、導電領域４の長さを０．２μｍとしている。これは次に示す理由による。
第３の実施形態の電磁波受信装置においては、周波数１ＴＨｚを中心とした周波数帯を受信することを想定しており、また、導電領域４（ゲート）にしきい値よりも１Ｖ高い電圧を印加している。この場合の高電荷濃度領域２の電子による１ＴＨｚのプラズマの半波長の長さは、（式１）によって求めることができる（非特許文献８）。
【０１４６】
【数１】
2009259893.tif 000003
【０１４７】
（式１）において、ｆは受信する電磁波の周波数で１ＴＨｚ、ｅは電荷素量、Ｖgはゲート電圧、Ｖtはしきい値電圧で、Ｖg−Ｖt＝１．０Ｖ、ｍ*は電子の有効質量で０．２６×９．１×１０-31ｋｇとして、Ｌ＝０．２μｍと求まる。
【０１４８】
導電領域４の長さを、高電荷濃度領域２の電子による１ＴＨｚのプラズマの半波長の長さであるＬ＝０．２μｍと一致させることによって、高電荷濃度領域２には１ＴＨｚの周波数の電磁波との共振による電子のプラズモンの定在波が発生する。
【０１４９】
このとき、導電領域４の両側に位置する高電荷濃度領域２と低電荷濃度領域３との境界において、入射した電磁波がフリンジ電界を介して高電荷濃度領域２の電子と直接結合することから自由端境界条件を満たす。
【０１５０】
したがって、高電荷濃度領域２の電子のプラズモンは、２つの境界においてそれぞれが腹となる定在波を形成するので、プラズモンの変動量は最大となり、高電荷濃度領域２から低電荷濃度領域３への電荷の注入量は最大となる。
【０１５１】
このような構成とすることによって、第３の実施の形態における電磁波受信装置は、高電荷濃度領域２にプラズモンの定在波を発生させることで低電荷濃度領域３への電荷の注入量を最大化するとともに、２つの境界から注入される電荷から得られる出力信号を加算して用いるので、同一サイズの第２の実施形態における電磁波受信装置と比較して３倍のＳ／Ｎ比を実現できる。
【０１５２】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態における電磁波受信装置について、図１５を参照しながら説明する。第４の実施形態では、さらに高いＳ／Ｎ比が得られる電磁波受信装置の構成について説明する。
【０１５３】
図１５は、第３の実施形態における電磁波受信装置の半導体基板上のレイアウトの一例を示す上面図である。第２の実施形態、および第３の実施形態で説明した構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する（図７および図１４を参照）。
【０１５４】
図１５の電磁波受信装置では、低電荷濃度領域３ａ〜３ｇと、導電領域４ａ〜４ｆとが交互に配置される。導電領域４ａ〜４ｆのそれぞれの下部には、高電荷濃度領域２ａ〜２ｆが形成される。また低電荷濃度領域３ａ〜３ｇのそれぞれは、対応するＦＤ４０４ａ〜４０４ｇに、共通の転送ゲート４０３を介して接続されている。
【０１５５】
導電領域４ａ〜４ｆの間にある低電荷濃度領域３ｂ〜３ｆは、それぞれ、高電荷濃度領域２ａ〜２ｆのうちの両隣にある２つから注入される電子を受けて蓄積することが可能である。
【０１５６】
ＦＤ４０４ａ〜４０４ｇのそれぞれの出力は、対応するＦＥＴ４０５ａ〜４０５ｇによって独立に読み出された後、信号処理回路１１０３に入力され、加算される。このように多数の境界から注入された電子を検出することで、電荷密度の濃度分布に対する散乱などの影響を軽減するとともに、信号の強度を増大させ、電磁波の受信において高いＳ／Ｎ比を実現する。
【０１５７】
ここで、導電領域４ａ〜４ｆ、および低電荷濃度領域３ａ〜３ｇのそれぞれのｘ方向の長さＬをすべて０．２μｍとすることによって、第３の実施形態で説明したように、導電領域４ａ〜４ｆにしきい値よりも１Ｖ高いバイアス電圧を印加した状態で周波数が１ＴＨｚの電磁波を受信するために最適化されている。
【０１５８】
このような構成とすることによって、第４の実施形態における電磁波受信装置は、電子を浸み出させる境界の数の増大と、プラズマ共振の効果とを併せ、第１の実施形態における電磁波受信装置と比べて約１５倍高いＳ／Ｎ比を実現できる。
【０１５９】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態における電磁波受信装置について、図１６を参照しながら説明する。第５の実施形態では、入射する電磁波に含まれる、振動方向が異なる複数の電界成分を検出可能な電磁波受信装置の構成について説明する。
【０１６０】
図１６は、第５の実施形態における電磁波受信装置の半導体基板上のレイアウトの一例を示す上面図である。第３の実施形態で説明した構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する（図１４を参照）。
【０１６１】
図１６の電磁波受信装置では、導電領域４は正方形に設けられる。この正方形の導電領域４の直下に、正方形の高電荷濃度領域２が形成される。
【０１６２】
高電荷濃度領域２に、直交する２つの辺のそれぞれで隣接して、低電荷濃度領域３ａ、低電荷濃度領域３ｂが電気的に分離されて設けられる。低電荷濃度領域３ａ、低電荷濃度領域３ｂの内部には、それぞれ電子に対するポテンシャル井戸となるｎ型領域が形成されている（図示せず）。
【０１６３】
低電荷濃度領域３ａ、低電荷濃度領域３ｂに蓄積された電子は、それぞれ転送ゲート４０３ａ、転送ゲート４０３ｂを介して、ＦＤ４０４ａ、ＦＤ４０４ｂへと転送される。そして、ＦＥＴ４０５ａ、ＦＥＴ４０５ｂから、ＦＤ４０４ａ、ＦＤ４０４ｂに蓄積されている電荷量に応じた信号電圧が読み出され、信号処理回路１１０４に入力される。
【０１６４】
低電荷濃度領域３ａに蓄積される電荷はｘ方向に振動する電界成分によって高電荷濃度領域２より注入された電荷である。低電荷濃度領域３ｂに蓄積される電荷はｙ方向に振動する電界成分によって高電荷濃度領域より注入された電荷である。したがって、第５の実施形態の電磁波受信装置は、直交する二つの偏波を独立して受信することができる。
【０１６５】
信号処理回路１１０４においてＦＥＴ４０５ａ、ＦＥＴ４０５ｂからの信号電圧を加算することによって、一方向の振動成分のみ受信する場合よりも高いＳ／Ｎ比を実現することができる。
【０１６６】
また、信号処理回路１１０４においてＦＥＴ４０５ａ、ＦＥＴ４０５ｂの出力の差分をとることによって、入射した電磁波に含まれる直交する２つの電界成分の差を、電磁波の位相として検出することができる。
【０１６７】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態におけるイメージング装置について、図１７を参照しながら説明する。第６の実施形態におけるイメージング装置は、ここまでに説明した電磁波受信装置の１つを一画素として二次元アレイ状に複数配置して構成される。
【０１６８】
図１７は、第６の実施形態におけるイメージング装置の機能的な構成を示すブロック図である。各画素には、一例として、第２の実施形態で説明した電磁波受信装置を表す図１２の等価回路図を示している。
【０１６９】
図１７のイメージング装置は、垂直走査回路１４１、水平走査回路１４２、行選択線１４３１、１４３２、列信号線１４４１、１４４２、各画素に配置された行選択トランジスタ１４５１〜１４５４、各列に配置された列選択トランジスタ１４６１、１４６２、水平信号線１４７、出力段増幅器１４８から構成される読み出し回路によって、各画素における電波受信装置からの出力信号を、出力端子１４９に読み出す。
【０１７０】
このイメージング装置に一定期間電磁波が入射した後、各画素のポテンシャル井戸（ダイオード９３で表される）に閉じ込められた電子は、転送ゲート４０３を介してＦＤ４０４へ転送され、ＦＤ４０４に蓄積された電荷の量に応じた信号電圧がＦＥＴ４０５から出力される。
【０１７１】
垂直走査回路１４１は、各行を順次選択して、選択された行の行選択線に選択信号を出力する。例えば、行選択線１４３１に選択信号が出力された場合、対応する行の各画素に配置されている行選択トランジスタ１４５１、１４５２を導通状態とする。これによって、行選択線１４３１に対応する行の画素出力信号は、対応する列信号線１４４１、１４４２に出力され、水平信号線１４７に出力可能な状態となる。
【０１７２】
次に、水平走査回路１４２によって、各列の列選択トランジスタ１４６１、１４６２を順次選択することによって、対応する列の信号は順次出力段増幅器１４８で増幅され、時系列出力信号として出力端子１４９から出力される。
【０１７３】
このような構成とすることによって、このイメージング装置によって電磁波の二次元画像信号が得られる。
【０１７４】
図１８は、このイメージング装置の出力信号のＳ／Ｎ比の入射電磁波の波長依存性を示すグラフである。
【０１７５】
このイメージング装置は、第１の実施形態で説明した原理により電磁波に対する受信感度を有するが、導電領域４と高電荷濃度領域２という一般的な電磁界現象を利用しているため、広い波長領域の電磁波に対して受信感度を有する。
【０１７６】
また、ポテンシャル井戸としてのダイオード９３は通常のフォトダイオードと同一構造であるため、基板であるＳｉのバンドギャップ以上のエネルギーを有するフォトンの検出器としても動作し、このエネルギーに対応する波長領域においても感度を有する。したがって、本イメージング装置は単一のデバイスでありながら可視光から遠赤外、ＴＨｚ帯までの広い帯域の電磁波に感度を有する。
【０１７７】
以上、本発明の電磁波受信装置およびイメージング装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
本発明の電磁波受信装置、イメージング装置は、セキュリティ検査装置、食品検査装置、大気センサー、医療診断装置などに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】は、本発明の第１の実施形態における電磁波受信装置の構成の一例を模式的に示す構成図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、電磁波入射直後の時点での、フリンジ電界、電子のエネルギーレベル、および電子濃度の分布を示すグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、時刻ｔ＝Ｔ／８における、フリンジ電界、電子のエネルギーレベル、および電子濃度の分布を示すグラフである。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、時刻ｔ＝Ｔ／４における、フリンジ電界、電子のエネルギーレベル、および電子濃度の分布を示すグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、時刻ｔ＝３Ｔ／８における、フリンジ電界、電子のエネルギーレベル、および電子濃度の分布を示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、時刻ｔ＝Ｔ／２における、フリンジ電界、電子のエネルギーレベル、および電子濃度の分布を示すグラフである。
【図７】は、本発明の第２の実施形態における電磁波受信装置の半導体基板上のレイアウトの一例を示す上面図である。
【図８】は、電磁波受信装置のＡＡ’断面を示す断面図である。
【図９】は、電磁波受信装置のＢＢ’断面におけるバンド図である。
【図１０】は、電磁波受信装置のＣＣ’断面におけるバンド図である。
【図１１】は、電磁波受信装置のＤＤ’断面におけるバンド図である。
【図１２】は、電磁波受信装置の機能的な構成を従来技術との対比により表した等価回路図である。
【図１３】は、電磁波受信装置の受信信号のＳ／Ｎ比のバイアス電圧依存性を示すグラフである。
【図１４】は、本発明の第３の実施例における電磁波受信装置の半導体基板上のレイアウトの一例を示す上面図である。
【図１５】は、本発明の第４の実施例における電磁波受信装置の半導体基板上のレイアウトの一例を示す上面図である。
【図１６】は、本発明の第５の実施例における電磁波受信装置の半導体基板上のレイアウトの一例を示す上面図である。
【図１７】は、本発明の第６の実施形態におけるイメージング装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図１８】は、イメージング装置の出力信号のＳ／Ｎ比の入射電磁波の波長依存性を示すグラフである。
【図１９】は、従来の典型的な電波受信装置の一例を示す構成図である。
【図２０】は、従来のテラヘルツイメージング装置の一例を示す構成図である。
【図２１】は、従来のテラヘルツエミッタを模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
【０１８０】
１    半導体基板
２、２ａ〜２ｆ  高電荷濃度領域
３、３ａ〜３ｇ  低電荷濃度領域
４、４ａ〜４ｆ  導電領域
５    電気力線
６    電荷
７    絶縁領域
５１    ｐ型領域
５２    ｎ型領域
５５、５６  矢印
６１    占有準位
６２    フェルミレベル
６３    ポテンシャル障壁
６４    伝導帯の底
６５    価電子帯の最上位のエネルギーレベル
６６    反転層の電子のエネルギーレベル
９１    アンテナ
９２、９３  ダイオード
１４１    垂直走査回路
１４２    水平走査回路
１４７    水平信号線
１４８    出力段増幅器
１４９    出力端子
２０１    アンテナ
２０２    増幅回路
２０３    検波回路
２０４    信号処理回路
２１１    フェムト秒レーザー光源
２１２    ビームスプリッター
２１３    ポンプ光
２１４    プローブ光
２１５    光遅延線
２１６    ミラー
２１７    光伝導スイッチ
２１８    被検査物
２１９    テラヘルツ波の透過成分
２２０    レンズ
２２１    ハーフミラー
２２２    電界変調器
２２３    ミラー
２２４    ビームエキスパンダー
２２５    ビーム径を拡大されたプローブ光
２２６    偏光子
２２７    光検出器
４０２、４０２ａ  バイアス電源
４０３、４０３ａ、４０３ｂ  転送ゲート
４０４、４０４ａ〜４０４ｇ  ＦＤ
４０５、４０５ａ〜４０５ｇ  ＦＥＴ
４０６    ドレイン端子
４０７    ゲート
４０８    ソース端子
４０９    転送信号発生回路
４１０    リセット回路
１１０１、１１０３、１１０４  信号処理回路
１１０２    電源
１４３１、１４３２  行選択線
１４４１、１４４２  列信号線
１４５１〜１４５４  行選択トランジスタ
１４６１、１４６２  列選択トランジスタ
２２０１    基板
２２０２    ソース
２２０３    ドレイン
２２０４    電子供給層
２２０７    二次元電子ガス
２２０８    レーザー光
２２５１、２２５２、２２５３、２２６１、２２６２、２２６３  ゲート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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