(57)【要約】      不均一なドーピング分布の第１側部に隣接した陰極層およびスペーサ層の第２側部に隣接したアンチモン化合物ベースのトンネル障壁層の逆方向ダイオードのアレイが、各逆方向ダイオードに接合される一体となって集積化されたアンテナを有する。例えば、アンチモン化合物ベースのトンネル障壁は不均一なデルタドーピング分布でドーピングされることができる。撮像／検出装置が、逆方向ダイオードのアレイの２Ｄ焦点面アレイを含み、各逆方向ダイオードが、アンテナに一体となって接合され、そのアレイが、延長半球レンズの裏面に位置し、そして、アレイのいくつかが光学収差を補正するために傾けられる。このアンテナは、蝶ネクタイアンテナ、平面対数周期アンテナ、マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット、螺旋アンテナ、ヘリカルアンテナ、リングアンテナ、誘電体棒アンテナまたはコプレーナ導波管フィードアンテナを備えた二重スロットアンテナであることができる。【選択図】  図１
2012531070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不均一なドーピング分布の第１側部に隣接した陰極層およびスペーサ層の第２側部に隣接したアンチモン化合物ベースのトンネル障壁層の逆方向ダイオードのアレイであって、各前記逆方向ダイオードに接合される一体となって集積化されたアンテナを有する、アレイ。
【請求項２】
前記アンテナが、広帯域または単一バンドの１つ以上である、ことを特徴とする請求項１の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項３】
複数のより小さなアレイが、そこから切り取られる、ことを特徴とする請求項１の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項４】
前記アンチモン化合物ベースのトンネル障壁が、ドープされている、ことを特徴とする請求項１の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項５】
前記不均一性ドーピング分布が、デルタドーピング分布を更に備える、ことを特徴とする請求項１の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項６】
前記アンテナが、蝶ネクタイアンテナ構成、平面対数周期アンテナ構成、マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット構成、螺旋アンテナ構成、ヘリカルアンテナ構成、リングアンテナ構成、誘電体棒アンテナ構成、またはコプレーナ導波管フィードアンテナを備えた二重スロットアンテナ構成の１つ以上である、ことを特徴とする請求項１の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項７】
前記アンテナが、前記マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット構成を備える、ことを特徴とする請求項６の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項８】
撮像／検出装置であって、
不均一なドーピング分布の第１側部に隣接した陰極層およびスペーサ層の第２側部に隣接したアンチモン化合物ベースのトンネル障壁層の逆方向ダイオードの２Ｄ焦点面アレイであって、各前記逆方向ダイオードに接合される一体となって集積化されたアンテナを有する、アレイを備え、そのアレイが、延長半球レンズの裏面に位置する、装置。
【請求項９】
前記アレイのいくつかが、光学収差を補正するために傾けられる、ことを特徴とする請求項８の撮像／検出装置。
【請求項１０】
前記アンテナが、広帯域または単一バンドの１つ以上である、ことを特徴とする請求項８の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項１１】
前記アンチモン化合物ベースのトンネル障壁が、ドープされている、ことを特徴とする請求項８の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項１２】
前記不均一性ドーピング分布が、デルタドーピング分布を更に備える、ことを特徴とする請求項８の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項１３】
前記アンテナが、蝶ネクタイアンテナ構成、平面対数周期アンテナ構成、マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット構成、螺旋アンテナ構成、ヘリカルアンテナ構成、リングアンテナ構成、誘電体棒アンテナ構成、またはコプレーナ導波管フィードアンテナを備えた二重スロットアンテナ構成の１つ以上である、ことを特徴とする請求項８の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項１４】
前記アンテナが、前記マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット構成を備える、ことを特徴とする請求項１３の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項１５】
撮像／検出装置であって、
逆方向ダイオードのアレイの２Ｄ焦点面アレイ、を備え、各逆方向ダイオードが、アンテナに一体となって接合され、そのアレイが、延長半球レンズの裏面に位置し、そして、前記アレイのいくつかが、光学収差を補正するために傾けられる、ことを特徴とする装置。
【請求項１６】
前記アンテナが、広帯域または単一バンドの１つ以上である、ことを特徴とする請求項１５の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項１７】
前記アンチモン化合物ベースのトンネル障壁が、ドープされている、ことを特徴とする請求項１５の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項１８】
前記不均一性ドーピング分布が、デルタドーピング分布を更に備える、ことを特徴とする請求項１５の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項１９】
前記アンテナが、蝶ネクタイアンテナ構成、平面対数周期アンテナ構成、マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット構成、螺旋アンテナ構成、ヘリカルアンテナ構成、リングアンテナ構成、誘電体棒アンテナ構成、またはコプレーナ導波管フィードアンテナを備えた二重スロットアンテナ構成の１つ以上である、ことを特徴とする請求項１５の逆方向ダイオードのアレイ。
【請求項２０】
前記アンテナが、前記マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット構成を備える、ことを特徴とする請求項１９の逆方向ダイオードのアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、（特許文献１）の利益を主張し、その開示を、本願明細書に明白に引用したものとする。
（連邦後援研究に関する記載）
【０００２】
非適用。
【背景技術】
【０００３】
テラヘルツ（ＴＨｚ）放射線の非イオン化するおよび浸透する性質は、商業および防衛産業における種々の検出方法に対してそれを有望にする（非特許文献１）−（非特許文献２）。同様に、医療現場において、ＴＨｚ周波数領域の特定のバンドが悪性組織のマーカと確認されることができる。これらのマーカ周波数に同調して、ＴＨｚ放射線は満足な分解能、十分な浸入度およびＸ線技術とは対照的に非有害な放射線特性を呈する癌検出のための効果的ツールとして、最近提唱された。これは、５００および８００ＧＨｚの最近識別されたマーカ周波数による乳癌の場合に特にあてはまり、それにとって重要である。２００６年の米国癌学会調査研究によれば、８人の女性のうち１人が彼女らの生涯において乳癌を発症し、これらの内の９６％で早く検出されたならば根治できる。さらに、医療手術中に切除された組織の実時間観察および識別が、生検時間および追加の手術の回数を減少させるために非常に望ましい。
【０００４】
ＴＨｚ放射線を用いる医用画像は典型的には、対象物の機械式ラスタースキャンを通して生成される。しかしながら、この種のラスタースキャンと関連する長い画像収集時間は、主要なボトルネックを構成する。したがって、高感度検出器の大きなアレイに基づく急速ＴＨｚ撮像システムが、商業および科学コミュニティ内で最近検討されてきた。本願明細書に開示される研究において、低ノイズおよび非常に高感度のヘテロ接合検出ダイオードによる焦点面撮像アレイトポロジが、開発される。具体的には、延長半球レンズで構成されるＴＨｚ撮像アレイの分解能と関連する２つの主要な必要性を考慮する。これらの必要性は、以下から成る：
（１）しっかりと詰め込まれた２Ｄ焦点面撮像アレイ用の小型ＴＨｚ検出器レイアウト。例えば、二重スロットアンテナ内に一体となって集積化されるショットキーダイオードがヘテロダインＴＨｚ検出器設定で以前に使用された。これらの検出器が二重スロットアンテナ（それらの高いガウスビーム結合効率および回折制約パターンのため（非特許文献３））と共に魅力的であるとはいえ、局部発振器信号および相対的に大きなローパスＩＦフィルタセクションの必要性が、しっかりと詰め込まれたアレイ開発を可能にしない。
（２）高価で大きなレンズに頼ることのない多数のアンテナ／検出器素子（または同等に画素）。アレイ素子上の画像に焦点を合わせるために延長半球レンズが用いられる時、レンズ／空気境界での反射がレンズ軸から離れて配置される画素の結合効率を有意に減少させる。したがって、検出器素子の数はレンズ直径によって有意に限定されて±２０°を越えた走査角度に対する撮像をサポートすることができない（非特許文献４）。
【０００５】
これらの問題を軽減するために、この開示において、ＴＨｚ放射線の直接検出のためのゼロバイアス式Ｓｂ−ヘテロ構造逆方向ダイオードに集積化される二重スロットアンテナ素子（非特許文献５）を開示して検証する。加えて、高価で大きなシリコンレンズに頼ることなく検出器の数を増大するために傾斜放射パターンをサポートすることができる改善されたアンテナレイアウトを考慮する。
【０００６】
ＨＢＤ構造に関する一般的な議論が、（特許文献２）内に記載されている。この種のＨＢＤの改良版が、本開示で用いられる。特に、本開示で使用のＳｂ−ヘテロ構造逆方向ダイオードは、以下の参考文献にて開示したように、ｎ−ＩｎＡｓ陰極層の１×１０１２ｃｍ−２のシート濃度を備えたｐ型δ−ドーピング平面を有するＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ／ＧａＳｂ逆方向ダイオードである：（非特許文献５）、（非特許文献７）、（非特許文献８）、および（特許文献３）。これらの参考文献の全ての開示を、本願明細書に明白に引用したものとする。
【０００７】
すぐ上で参照されたこの種の好ましい逆方向ダイオードは、「不均一なドーピング分布の第１側部に隣接した陰極層およびそれに接合される一体となって集積化されたアンテナを有するスペーサ層の第２側部に隣接したアンチモン化合物ベースのトンネル障壁層」として記載されることができる。この種の逆方向ダイオードのアンチモン化合物ベースのトンネル障壁は、ドーピングされることができる。この種のドーピングは、不均一なデルタドーピング分布であることができる。このＨＢＤは、それで、考察の容易さのために「不均一なドーピング分布の第１側部に隣接した陰極層およびスペーサ層の第２側部に隣接したアンチモン化合物ベースのトンネル障壁層」として本願明細書に参照される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許仮出願第６１／１８１，８０９号、名称「高分解能焦点面ＴＨｚ撮像アレイ用のミニチュア位相補正アンテナ」、２００９年５月２８日出願、
【特許文献２】米国特許第６，６３５，９０７号、
【特許文献３】ＷＯ／２０１０／０６９６６、２０１０年２月２２日公開（ＰＣＴ／ＵＳ０９／４５２８８、２００９年５月２７日出願に対応）、
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｓ．  Ｍ．  Ｈａｎｈａｍ，  Ｔ．Ｖ．  Ｂｉｒｄ，  Ｂ．  Ｆ．  Ｊｏｈｎｓｔｏｎ，  Ｒ．Ａ．  Ｍｉｎａｓｉａｎ、「ＴＨｚアンテナアレイのための誘電体棒」、ＷＡＲＳ  ２００８、
【非特許文献２】Ｍ．  Ｃ．  Ｋｅｍｐその他、「テラヘルツ技術のセキュリティ応用」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ，  ｖｏｌ．  ５０７０，  ２００３、
【非特許文献３】Ｇ．  Ｐ．  Ｇａｕｔｈｉｅｒ，  Ｗ．  Ｙ．  Ａｌｉ−Ａｈｍａｄ，  Ｔ．  Ｐ．  Ｂｕｄｋａ，  Ｄ．  Ｆ．  ＦｉｌｉｐｏｖｉｃおよびＧ．  Ｍ．  Ｒｅｂｅｉｚ、「ユニプレーナ９０ＧＨｚショットキーダイオードミリメートル波レシーバ」ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，  ｖｏｌ．  ４３，  ｎｏ．  ７，  ｐｐ．  １６６９  −  １６７２，  Ｊｕｌｙ  １９９５、
【非特許文献４】Ｄ．  Ｆ．  Ｆｉｌｉｐｏｖｉｃ，  Ｇ．  Ｐ．  Ｇａｕｔｈｉｅｒ，  Ｓ．  ＲａｍａｎおよびＧ．  Ｍ．  Ｒｅｂｅｉｚ、「シリコンおよび石英誘電体レンズアンテナの軸外特性」ｖｏｌ．  ４５，  ｎｏ．  ５，  ｐｐ．  ７６０  −  ７６６，  Ｍａｙ  １９９７、
【非特許文献５】Ｎ．  Ｓｕ，  Ｒ．  Ｒａｊａｖｅｌ，  Ｐ．  Ｄｅｅｌｍａｎ，  Ｊ．  Ｎ．  ＳｃｈｕｌｍａｎおよびＰ．  Ｆａｙ「減少したキャパシタンスおよび雑音等価パワーを備えたＳｂ−ヘテロ構造ミリメートル波検出器」、ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．  ２９，  ｎｏ．  ６，  ｐｐ．  ５３６  −  ５３９，  Ｊｕｎｅ  ２００８）、
【非特許文献６】Ｄ．  Ｆ．  Ｆｉｌｉｐｏｖｉｃ，  Ｓ．  Ｓ．  ＧｅａｒｈｅａｒｔおよびＧ．  Ｍ．  Ｒｅｂｅｉｚ、「延長半球および楕円シリコン誘電レンズ上の二重スロットアンテナ」ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｔｈｅｏｒｙ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，  ｖｏｌ．  ４１  ，  ｐｐ．  １７３８  −  １７４９，  Ｏｃｔ．  １９９３、
【非特許文献７】Ｓｕ，  Ｚｈａｎｇ，  ＳｃｈｕｌｍａｎおよびＦａｙ「Ｓｂ−ヘテロ構造ミリメートル波検出器の高周波およびノイズ特性の温度依存性」、ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ２８，  Ｎｏ．  ５，  Ｍａｙ  ２００７）、
【非特許文献８】Ｆａｙ，  Ｓｃｈｕｌｍａｎ，  Ｔｈｏｍａｓ，  ＩＩＩ，  Ｃｈｏｗ，  ＢｏｅｇｅｍａｎおよびＨｏｌａｂｉｒｄ「ミリメートル波検出のための高性能アンチモン化合物ベースのヘテロ構造逆方向ダイオード」、ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．  ２３，  Ｎｏ．  １０，  Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００２）、
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
不均一なドーピング分布の第１側部に隣接した陰極層およびスペーサ層の第２側部に隣接したアンチモン化合物ベースのトンネル障壁層の逆方向ダイオードのアレイが、各逆方向ダイオードに接合される一体となって集積化されたアンテナを有する。アンチモン化合物ベースのトンネル障壁は、例えば、不均一なデルタドーピング分布によってドーピングされることができる。撮像／検出装置が、逆方向ダイオードのアレイの２Ｄ焦点面アレイを含み、各逆方向ダイオードが、アンテナに一体となって接合され、そのアレイが延長半球レンズの裏面に位置し、そして、アレイのいくつかが光学収差を補正するために傾けられる。アンテナは、蝶ネクタイアンテナ、平面対数周期アンテナ、マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット、螺旋アンテナ、ヘリカルアンテナ、リングアンテナ、誘電体棒アンテナまたはコプレーナ導波管フィードアンテナを備えた二重スロットアンテナであることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本装置の性質および利点のより完全な理解のために、参照が添付の図面と関連してなされる以下の詳細な説明に有されるべきであり、そこにおいて、
【００１２】
【図１】ＴＨｚ源照射、対物レンズ、ＴＨｚ検出器アレイおよびデジタル処理を例示する開示されたＴＨｚ撮像システムの概要である。
【図１Ａ】撮像される対象物の画像である。
【図１Ｂ】対象物のデジタル的に処理された画像の画像である。
【図２】１００ＧＨｚでの直接検出のために製作された二重スロットアンテナレシーバである。
【図２Ａ】図２の製作された二重スロットアンテナレシーバの拡大図である。
【図３】半空間シリコン基板に算出された放射線をグラフで示す。
【図４】算出されたレンズ放射パターンをグラフで示す。
【図５】図２の製作された二重スロットアンテナレシーバを用いる１００ＧＨｚ用の測定セットアップである。
【図６Ａ】延長半球レンズの裏面の２Ｄ焦点面アレイによる撮像／検出のレイトレーシング説明である。
【図６Ｂ】異なる主ビーム方向を呈する２つの異なるアンテナレイアウトに対するレンズ／空気表面での内面反射を例示し、傾斜ビームが、軸外検出に対してレンズ／空気境界で反射損を有意に減少させる。
【図７】二重スロット検出器レイアウト＃１である。
【図８】図７の二重スロット検出器レイアウトを用いて得られるパターンである。
【図９】改善された軸外検出のための２６°ビーム傾斜をサポートする変更されたレイアウトによる二重スロット検出器レイアウト＃２。
【図１０】図９の二重スロット検出器レイアウトを用いて得られるパターンである。
【図１１】図７および９の検出器がｙ軸に沿って１ｍｍの間隔でレンズ軸から均一に変位される時、算出されたｙ−ｚ平面レンズ放射パターンをグラフでプロットする。
【図１２】可能にされる画素の数を改善するために２つの異なるレイアウトによる撮像アレイを示す。
【図１３】レンズ軸から＞２５°傾けられた放射線ビームをサポートする複数小型アンテナからなる検出器である。
【図１４】パターン補正二重スロットアンテナＦＰＡの例示的なレイアウトである。
【図１５】変更されていない二重スロットアンテナレイアウトである。
【図１６】変更された図１５の二重スロットアンテナレイアウトである。
【図１７】変更されていない別のスロット螺旋アンテナレイアウトである。
【図１８】変更された図１７の別の二重スロットアンテナレイアウトである。
【図１９】ビーム傾斜スロット螺旋アンテナインピーダンスに対して周波数（ＧＨｚ）対インピーダンス（Ω）をグラフでプロットする。
【図２０】変更されていない幅広二重スロットアンテナレイアウトである。
【図２１】変更された幅広二重スロットアンテナレイアウト。
【図２２】幅広二重スロットインピーダンスに対する周波数（ＧＨｚ）対インピーダンス（Ω）をグラフでプロットする。
【図２３Ａ】種々の周波数での図２１の蝶アンテナに対する受信ビームを示す。
【図２３Ｂ】種々の周波数での図２１の蝶アンテナに対する受信ビームを示す。
【図２３Ｃ】種々の周波数での図２１の蝶アンテナに対する受信ビームを示す。
【図２４】５００／８００ＧＨｚ動作のための二重折り返しスロットアンテナ幾何学形状である。
【図２５】入力インピーダンスが１４０Ωにマッチする時、アンテナの｜Ｓ１１｜＜−１０ｄＢ帯域幅をグラフで示す。
【図２６】この開示の高周波ＨＢＤＳの断面図である。
【図２７】蝶ネクタイアンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【図２８】平面対数周期アンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【図２９】マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【図３０】螺旋アンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【図３１】ヘリカルアンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【図３２】リングアンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【図３３】誘電体棒アンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【図３４】コプレーナ導波管フィードアンテナを備えた二重スロットアンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【図３５】延長半球レンズの背後のＴＨｚアンテナ検出器である。
【図３６】図２−５の装置で役立つ５００ＧＨｚのプロトタイプアンテナ−ＨＢＤ構造である。
【図３７】図３６のプロトタイプの応答度をグラフで示す。
【図３８】図３６のプロトタイプの１００ＧＨｚに対するＮＥＰをグラフで示す。これらの図面が、下記に詳述される。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ＴＨｚ撮像システム概要
【００１４】
図１が、開示されたＴＨｚ撮像システムの概要を説明する。撮像されるべき対象物（例えば組織サンプル）１０が、均一なＴＨｚ放射線１２によって照射される。対象物の吸収特性に従って変更される振幅を有する透過波が、レンズ系１４を通して撮像アレイへ導かれる。アレイ素子が異なる入射角からの検出のために延長半球レンズ１６の裏面に取り付けられる。レンズは高電気抵抗率シリコンから作られ、その形状が高い利得およびガウスビーム結合効率を与える。各焦点面アレイ検出器は、スロットアンテナ構造（例えば二重スロット）およびそれの上に印刷されるＳｂ−ヘテロ構造ダイオードから成る。アンテナを通して受け取られた放射線は半波整流器として働くダイオード上で整流化される。整流の出力は、直流電圧およびより高い周波数調波である。直流成分の出力レベルは、受け取られた放射線の大きさに対応する。検出器は、その後Ａ／Ｄコンバータに接続され、それが、直流電圧を量子化して生成されたデジタル画像１８の画素コントラストを決定する。各アンテナ−ダイオード検出器が特定の方向からの放射線を集めるので、Ａ／Ｄコンバータ測定された電圧値がデジタル画像の画素を形成する（別名、検査中の組織の画像）。各検出器素子に対する決定的な設計態様は、アンテナとダイオードとの間のマッチング、高電気抵抗率シリコンレンズの吸収損およびアンテナ開口効率である。全てのこれらの損失およびミスマッチは、ダイオードへのＲＦ出力伝達に直接影響を及ぼし、したがってＴＨｚ検出器の全体的な応答度を減少させる。図１Ａは、撮像される実際の組織の画像であり、一方図１Ｂは撮像された組織の実際の表示の画像である。
ＴＨｚ放射線の直接検出のための二重スロットアンテナ素子
【００１５】
図２（ａ）は、それに印刷されたＳｂ−ヘテロ構造ダイオードを備えた二重スロットアンテナ（非特許文献５）と共に、製作された検出器１８の拡大図を表す。二重スロットダイポールは、長さ０．９４ｍｍ、幅０．０８ｍｍおよび０．５ｍｍ離れて１００ＧＨｚで共振するように設計されている。スロットは、シリコン半空間（５０Ωインピーダンス）で１０ＧＨｚの帯域幅に至る広さ０．１ｍｍのコプレーナ導波管（０．０６ｍｍの内側導体幅）で供給される。検出器は、＞１０ｋΩの高電気抵抗率を有する直径２５ｍｍの延長シリコンレンズ（εｒ＝１１．７）に取り付けられる。ダイオード領域は５０Ωにマッチするように調整され、５ｍｍの延長長が大きなガウス結合効率で回折制約された指向性に近い動作のために選択される（非特許文献６）。設計プロセス中に、シリコン半空間内への放射（図３）は、磁界積分方程式のモメントの方法（ＭｏＭ）解経由で評価される。その後、レンズ上の開口電流が、レイトレーシング技法から測定されて、そして次に、全体システムの放射パターンを算出するために積分される（非特許文献６）（図４）。
【００１６】
受け取られた放射線は、ゼロバイアスダイオードによって整流化されてワイヤボンドされたピグテールを通して測定される直流電圧に変換される。０．１ｍｍｘ０．２ｍｍのパッド２０が、５ｍｍのギャップでワイヤボンディングのために図２（ａ）にて図示するように、アンテナレイアウトに隣接して形成される。ギャップがスロット幅と比較して、非常に狭いとはいえ、その存在はｘ−ｚ平面放射パターンに有意に影響を及ぼす。図３に示すように、ｘ−ｚ平面半値出力ビーム幅（ＨＰＢＷ）はｙ−ｚ平面より８°広い。また、ｘ−ｚ平面パターンは−ｘに沿って８°傾き、および−１０ｄＢサイドローブが＋ｘに向かって観測される。このパターン広がりが、光学的に結合された撮像システムのガウス結合効率および関連づけられた検出器応答度を低下させると予想される。他方では、図４内の遠視野像は、２１ｍｍｘ２１ｍｍ有効口径面積（ｘ−ｚ平面の１°シフトだけで）の回折制約されたサイズになお非常に近い。図５は、直接検出およびＳｂ−ヘテロ接合ダイオード応答度を試験するための実験的なセットアップを表す。３４１Ｈｚの周波数で回転するチョッパー２２が、１０３．８ＧＨｚで放射する、後進波発振器２４のソースホーンの前に取り付けられた。鏡２６がビームをレンズ検出器２８に向け、読み出しがオシロスコープ３０によって与えられる。初期測定が、１０００Ｖ／Ｗのダイオード応答度に結びついた。下記で提示される新規な改善されたアンテナ設計が、１５０，０００Ｖ／Ｗを上回る実現された応答度を可能にする。
非対称で供給されたミニチュアスロットアンテナによって改善された軸外検出
【００１７】
延長半球シリコンレンズ３２の下に焦点面−撮像アレイを形成するために用いられる検出器３４の数は、レンズ面での内面反射によって限定される（非特許文献４）。これを例示するために、前の節で設計された二重スロットアンテナ素子の軸外放射特性を考慮する。スロットがｘおよびｙ方向にフィードのまわりに対称的に配置されるので、アンテナは１０．９ｄＢの指向性で、正ｚ（θ＝０°）軸３６に沿ってシリコン半空間内にペンシルビームを放射する。図６Ａ内に示されるレイ光学例証から、それらがレンズ軸でセンタ素子から遠くに離れて配置されるにつれて、アンテナが軸外方向に沿って放射する／検出することが観測されることができる。したがって、固定サイズの延長半球レンズによって高分解能ＴＨｚ画像（すなわち多数の検出器）を得ることは、より大きな入射角からの検出を意味する。レイ光学が任意の軸外検出が適切な素子位置によって簡単に可能なことを示すとはいえ、レンズ軸からより遠く離れて配置されるアンテナは、レンズ／空気境界で、反射４２に起因するより有意な出力損失を経験する。図６Ｂに示すように、レンズ面垂線と主ビーム方向との間の角度が増大すると、二重スロットアンテナ素子３８からの放射線の大部分が内部に４２反射される。
【００１８】
この根本的な制約を軽減して同じ周波数およびレンズサイズに対する許容アレイ素子の数を増大するために、本開示は、図６Ｂに示すように光学軸４４の方へ傾けられた放射パターンを備えたアンテナ構造４０を用いて内面反射を最小化することを提案する。二重スロットアンテナ構成４６では、この種のパターン傾斜は非対称供給または追加的な寄生スロット経由で容易に達成されることができる（図７を参照）。例えば、図８内に表されるアンテナレイアウトの半空間パターンは、ｙ−ｚ平面で＋ｙ方向の方へ２６°傾けられる。この傾斜は、単に−ｙ方向に沿って１５０ｕｍコプレーナ導波管フィードラインを移動することによって達成される。変更されたアンテナ素子は、１００ＧＨｚで−７ｄＢサイドローブレベルを備えたペンシルビームを有してフィード位置のまわりに加えられる誘導ローディングに起因して５５Ωの実入力インピーダンスを呈する（図１０を参照）。
【００１９】
図１１内の実線５０は、図７内の元の検出器レイアウトが１ｍｍ間隔で−ｙ方向に沿って軸外に変位される時、計算されたｙ−ｚ平面放射パターンを表す。これらのパターンは、光軸に位置するセンタ素子に対して正規化されている。２０°より大きな走査角度（軸外距離＞２ｍｍ）に対して、放射出力の有意な低下（＜−６ｄＢ）が観測されることが、観測される。したがって、２５ｍｍシリコンレンズは１００ＧＨｚで線形撮像アレイに対して５個の素子（−ｙに沿って２個、センタ素子、＋ｙに沿って２個）および矩形２Ｄ撮像アレイに対して１３個の素子（または同等に画素）をサポートすることができるだけである（ｄ＜＝２ｍｍ）。ここで、ｄはレンズ軸からの距離である。図１１内の破線５２は、図９内の検出器レイアウト４８が光軸から−２、−３および−４ｍｍ離れて配置される時の放射パターンを実証する。非常に減少した内面反射に起因し、素子はそれぞれ、１ｄＢ、３．１ｄＢおよび４．８ｄＢより多くの出力を受け取る。それゆえに、２５ｍｍシリコンレンズはここで、元の構成と比較して、線形アレイ構造に対して更に４個の素子および２Ｄ撮像アレイに対して更に３６個の素子（ｄ≦４ｍｍ）をサポートすることができる。
【００２０】
図１２は、変更された二重スロットアンテナ素子を利用する可能な２Ｄアレイの例証を表す。異なる素子配向性に起因し、偏光走査が最良の撮像性能のために必要である。他方では、ｘ／ｙ軸または寄生スロットに沿ったフィード位置シフトのような、異なるタイプの変更がアンテナ素子を変更することなく任意のカットで素子パターンを傾けるために組み合わせられることができる。
【００２１】
しかしながら、非対称で供給された二重スロットアンテナによってサポートされるビーム傾斜は、２５°までに限定されることがわかる。２５°を越えたビーム傾斜を可能にするために、検出器は図１３にて図示したように、複数アンテナから成らなければならない。加えて、検出器レイアウトの全体的なサイズは波長およびレンズ、エフ数によって決定される最高画素サイズより小さく保たれなければならない。それゆえに、図１３内に実証されるミニチュアアンテナレイアウトおよび検出器トポロジはこれらの課題を軽減して高価で大きなシリコンレンズ光学なしで働く高分解能ＴＨｚ焦点面撮像アレイを可能にする。
ＴＨｚ撮像のためのアンテナビーム補正による広帯域焦点面アレイ性能向上
【００２２】
図１４−１６に示すように焦点面アレイ（ＦＰＡ）内で優れた性能を達成することができるデザインに対して、二重スロットアンテナ構成は全く柔軟である。しかしながら、それらは狭い動作帯域幅を呈する。したがって、パターン補正技法（二重スロットアンテナに対して上で概説された）が、また、屈折および波面収差に起因する軸外素子性能の低下に対して補正するために広帯域アンテナに適用可能であることを示すことが避けられない。
スロット螺旋アンテナ
【００２３】
スロット螺旋アンテナは非常に小さいフットプリントを維持する一方、広帯域動作を特徴とする。それは、サイズが小型であり、したがって、高密度に詰め込まれたＦＰＡに容易に組み込まれることができる。それは、動作周波数バンドの全体にわたってかなり均一な放射パターンを呈する。図１７および１８内に、ボアサイト（図１７）および傾斜ビーム（図１８）受信のための螺旋アンテナレイアウトが、表される。アンテナの受信ビームを傾けるために、フィード（または検出器素子の位置）が幾何学的中心からシフトされ、水平スロットが引き延ばされた。また、ビーム傾斜螺旋素子の広帯域インピーダンス性能が、図１９内に示される。
【００２４】
螺旋設計に加えて、広帯域性能はさらに図２０および２１内に示されるもののような異なるアンテナトポロジによって達成されることもできる。このアンテナは、二重スロットアンテナの変更であってその外観に起因して「蝶アンテナ」と呼ばれる。蝶アンテナに加えられるビーム補正技法が、下記で概説される。
【００２５】
用途の広い二重スロットアンテナの狭帯域幅は、図２０および２１にて図示するように、アンテナスロットを変更することによって改善されることができる。この設計は、中心周波数のまわりに広帯域を適応させる。蝶アンテナの得られるインピーダンス性能が、図２２内に示され、５００ＧＨｚから１ＴＨｚ範囲をカバーする非常により幅広い帯域幅を示す。アンテナは、インピーダンスおよび放射パターンの両方に関して相対的に均一な挙動を有する。広帯域螺旋アンテナと対照的に、蝶アンテナレイアウトは動作周波数帯の全体にわたってビーム傾斜角度を制御する際の改善された柔軟性を特徴とする。図２２Ａ−２２Ｃに示すように、フィード（または検出器）５４は、（二重スロットアンテナの場合に）２つのスロット内の電流間の位相差に結びつく、２つのスロットの１つに中心５６からより近く置かれる。しかしながら、より低い周波数に対して、位相差は小さく、傾斜ビームの角度も小さいことを意味する。したがって、フィードラインに蛇行セクションを追加すること（図２２を参照）は、供給ラインの電気長、したがって、位相差を増大する。
【００２６】
５００ＧＨｚ−ＩＴＨｚバンドに対する達成可能なビーム傾斜が、図２３Ａ−２３Ｃ内に示される。
複数バンドＴＨｚ検出のためのミニチュアスロットアンテナ
【００２７】
前の節で示されたように、（延長半球レンズの裏面に置かれる）焦点面ＴＨｚ撮像アレイは感度、損失および分解能に関して最良の検出性能を供給するために小さくて指向性のスロットアンテナ構成を使用することができる。すなわち、パターンがレンズ軸に関して指向性で対称性であるとはいえ、アンテナサイズはレンズアパーチャの回折限度（１．２２λｆ／Ｄ）によって設定されるそれを上回ってはならない。アンテナ素子のサイズは、高周波領域で最良の可能な分解能を得るためにマルチバンド用途でさらにより決定的になる。
【００２８】
５００ＧＨｚおよび８００ＧＨｚの関心を引く周波数（乳癌検出）に対して、この開示は初期の設計として図２４内に示される二重折り返しスロットアンテナ構成を提唱する。折り返しスロット長が通常のスロットの約半分であるので、二重折り返しスロットアンテナの１１１ｕｍｘ９４ｕｍ分解能は８００ＧＨｚで最適の８５ｕｍｘ８５ｕｍに非常に近い。５００／８００ＧＨｚ放射パターンの両方とも、対称性で指向性であり、個々の放射体（すなわち内側および外側の折り返しスロット）が、互いを結合させずゆがめることなく励起されることができることを意味する。図２５は、５００／８００ＧＨｚ周波数でのアンテナ素子の｜Ｓ１１｜＜−１０ｄＢ帯域幅を実証する。具体的には、アンテナが１４０Ωにマッチされる時、１５％帯域幅が得られることができる。
【００２９】
明らかに、マルチバンド検出を使用する高分解能焦点面ＴＨｚ撮像アレイに対して、より小さなスロットアンテナ／検出器トポロジが非常に有益である。加えて、これらの多帯域アンテナに対してパターン傾斜を可能にすることは、上記で検討されたように、大きな分厚いレンズに頼ることなくより高い分解能に結びつく。
マッチしたアンテナによるＨＢＤ構造
【００３０】
デバイス構造（図２６を参照）が、２４０ｆＷ／Ｈｚ１／２の低さの雑音等価パワー（ＮＥＰ）を実証した。この感度は、極低温冷却または低雑音増幅器（ＬＮＡ）フロントエンドのいずれも必要とせずに、直接検出に基づいて受動撮像アレイを可能にするのに十分である。これは、これらの材料に基づくアレイに必要なコストだけでなく、フロントエンド工学技術も減少させる。改善されたノイズ特性は、改善されたシステム信号対雑音比ならびに減少した構成部品総数および複雑度に直接つながる。この検出アレイはさらに、各画素で直流チョークを伴う。このチョークが、オンチップの強度対ＤＣ出力から直接変換し、大きな損失に結びつき、かつ複数のテラヘルツ用途が歴史的に排除されてきた、ＴＨｚ信号を搬送する必要性を除去する。ＨＢＤＳ５８は、層：６２、Ｓ．Ｉ．ＧａＡｓ基板；６４、緩衝層；６６、ＧａＳｂ；６８、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｓｂ；７０、ＡｌＳｂ；７２、ＩｎＡｓ；および７４；ＩｎＡｓを含む。
【００３１】
カスタム成長構造を用いた他の人々による従来の研究が、極めて低い１／ｆノイズおよび熱電子装置（例えばショットキーダイオード、プレーナドープ障壁ダイオード）の理論上の限界を上回る固有感度を実証した。現在までのところ、これらの実証はＷ−バンド以下（＜１１０ＧＨｚ）に限定されている。この努力は、それらの周波数範囲をＴＨｚ領域に拡張するためのディープサブミクロン装置の積極的なスケーリングを視界にとらえる。これらのナノスケール装置が、１００ＧＨｚからＴＨｚ領域で動作する広帯域ＦＰＡアレイを形成するためにアンテナと集積化される。
【００３２】
本開示上の研究は、マッチしたアンテナ−ダイオード構造とモノリシック集積化されるスケーラブルな６ｘ１１ＦＰＡをすでに実証した1。いくつかの代替ＴＨｚアンテナアーキテクチャが図２７−３４内に示される。特に、図２７は蝶ネクタイ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。図２８は、平面対数周期的構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。図２９は、マイクロストリップフィードアンテナを備えた二重スロット構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。図３０は、螺旋アンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。図３１は、ヘリカルアンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。図３２は、リングアンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。図３３は、誘電体棒アンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。最後に、図３４はコプレーナ導波管フィードアンテナを備えた二重スロットアンテナ構成でのＨＢＤＳとの集積化のためのテラヘルツアンテナ素子である。
【００３３】
図２７−３４内に示されるいくつかの代替ＴＨｚアンテナアーキテクチャを考慮した後に、最適なアンテナ設計は高電気抵抗率シリコン基板上に印刷されて０．１ＴＨｚでＨＢＤのインピーダンスにマッチするように調整される二重スロットアンテナ素子（図３４）から成った。０．５ＴＨｚプロトタイプが、設計をスケーリングしてこの特定の周波数に対するインピーダンスマッチを再調整することによって実証された。図３５および３６内に示される、この単一素子プロトタイプ８０が、延長半球撮像レンズ８２の後に位置している。
【００３４】
集積化されたアンテナ−ダイオードが、単一素子検出器の計算された受信パターンとともに、図２および２Ａ（上記）内に示される。この第１のプロトタイプが、図５内に示される標準セットアップを用いて、首尾よく試験された。０．１ＴＨｚの設計周波数で、このマッチしたプロトタイプはＲ＝１００，０００Ｖ／Ｗの先例のない応答度およびＮＥＰ＝０．２ｘ１０−１２の雑音等価出力を達成した（図３７および３８）。０．５ＴＨｚにスケーリングされる時、設計はＮＥＰ＜１ｘ１０−１２で応答度＞２０，０００Ｖ／Ｗを維持する。相当なフォームファクタおよび液体ヘリウム極低温冷却要件なしでこの性能を提供する他のいかなる検出器オプションも存在しない。
【００３５】
検出器素子およびアンテナのこのモノリシック集積化は、設計者がアンテナトポロジを柔軟に変更することを可能にする。複素ダイオードインピーダンスへの完璧なマッチを達成するために、この変更はよくできたアンテナ設計ならびにマイクロ波マッチングおよびフィルタ理論技法に従って実行されることができる。アンテナおよび高周波（ＲＦ）工学技術のこの非常に有望な集積化は、高速非線形検出器への入射放射線の高効率結合を開発する新規な道をすでに開いている。例えば、類似のアプローチが赤外線（ＩＲ）および光学バンド（ナノアンテナを用いて）で検出器応答度および速度を改善するために追求されている。
要約
【００３６】
ＴＨｚ放射線の直接検出のためのゼロバイアスＳｂ−ヘテロ構造逆方向ダイオードと集積化される可変同調型主ビーム方向を備えた二重スロットアンテナが、本願明細書に開示されている。この種の検出器素子の小型レイアウトおよび高い応答度は、それらを、２Ｄ焦点面ＴＨｚ撮像アレイを設計するために適切にする。さらに、本開示は固定サイズシリコンレンズによってサポートされる検出器の数が光軸を照射する各画素の主放射線ビームを調整することによって有意に増大されることができることを提案して実証した。これは、フィード位置をシフトしておよび／または小型寄生スロットをアンテナ幾何学形状に導入することによって簡単に達成されることができる。加えて、本開示は二重折り返しスロットアンテナが乳癌の二重バンドＴＨｚ検出のための有望な候補であることを実証した。分解能を向上してマルチバンド検出を可能にすることは、ＴＨｚ撮像アレイにおける現在の課題であって、この開示内に概説されたようにより小型のアンテナ／検出器トポロジの開発によって対処されることができる。
【００３７】
開示された検出器システムの健康管理利用の他に、他のありそうな用途が、例えば、以下を含む：
１．生医学
ＴＨｚ撮像および診断
癌検出：胸部、口腔、皮膚、前立腺および頸部
歯科撮像
皮膚アセスメント：火傷診断および皮膚科学、美容整形診断および治療
（露出した骨の）整形外科撮像
切除：癌治療、整容手術、美容整形治療
揮発性有機化合物検出および分光学
医薬品化合物内の多形体および水素化物の同定
薬物および薬剤のカウンタ検出
２．非破壊試験
マイクロチップ検査
腐食識別
気体化合物検査および検出
薬剤品質管理
包装検査
ウインドブレード検査
ジェット推進検査
材料完全性および構造解析
燃料電池品質管理および診断
プロセス監視
汚染監視
天然ガスパイプラインの診断
積層材の分離の検出
壊れやすい芸術作品の３Ｄ検査のためのシステム
分子識別および蛋白質の折畳み
３．セキュリティスクリーニング
チェックポイントスクリーニング
隠匿密輸品検出
規制薬物検出
有害化合物識別
生物測定学（ゲート、手、歩行挙動）
霧を通しての撮像
農産品の評価（新鮮冷凍サンプルの撮像、湿気差異、その他）
４．遠隔通信／天文学／武器
見通し線高速デジタルおよびアナログ通信、＞１０Ｇｂｉｔｓ
高速用の軍事適用
広帯域光学ファイバの延長
高磁界用途
サブｍｍＷおよびｍｍＷ天文学
大気観測／監視（例えばオゾン層破壊）誘導およびＩＤシステム
反暴動予防
５．航空
改善された視界のための塵埃および霧の航空機侵入。
追加的な有用分野は例えば、ＲＦ／ＥＯ／光学撮像システム、ＲＦ／ＥＯ／光学フェーズドアレイ、ｍｍＷ撮像、ｍｍＷ通信ｍｍＷ適応アレイ、ｍｍＷスマートアンテナおよびＵＶ通信／ラジオを含む。
【００３８】
装置およびその使用が種々の実施態様を参照して記載されたとはいえ、当業者は、種々の変更がなされることができ、かつ同等物が本開示の有効範囲および本質から逸脱することなくそれの要素と置換されることができる、と理解するであろう。加えて、多くの変更がそれの不可欠な有効範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本開示の教示に適応するためになされることができる。したがって、意図されるのは、本開示が開示された特定の実施態様に限定されず、本開示が、添付の請求項の有効範囲内に含まれる全ての実施態様を含む、ということである。本出願では、別途明白に示唆されない限り、全ての単位はメートル法であり、全ての量およびパーセントは、重量による。また、本願明細書に参照される全ての引用文献を明白に本願明細書に引用したものとする。
【符号の説明】
【００３９】
１０  対象物
１２  ＴＨｚ放射線
１４  レンズ系
１６  延長半球レンズ
１８  デジタル画像  検出器
２０  パッド
２４  後進波発振器
２６  鏡
２８  レンズ検出器
３０  オシロスコープ
３２  延長半球シリコンレンズ
３４  検出器
３６  正ｚ（θ＝０°）軸
３８  アンテナ素子
４０  アンテナ構造
４２  内部に
４４  光学軸
４６  二重スロットアンテナ構成
４８  検出器レイアウト
５０  実線
５２  破線
５４  フィード（または検出器）
５６  中心
５８  ＨＢＤＳ
６２  Ｓ．Ｉ．ＧａＡｓ基板、
６４  緩衝層、
６６  ＧａＳｂ、
６８  Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｓｂ、
７０  ＡｌＳｂ、
７２  ＩｎＡｓ
７４  ＩｎＡｓ
【図１−１Ｂ】
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【図２−２Ａ】
2012531070.tif 000004
【図５】
2012531070.tif 000005
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2012531070.tif 000007
【図７】
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【図９】
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【図１２】
2012531070.tif 000010
【図１３】
2012531070.tif 000011
【図１４】
2012531070.tif 000012
【図１５】
2012531070.tif 000013
【図１６】
2012531070.tif 000014
【図１７】
2012531070.tif 000015
【図１８】
2012531070.tif 000016
【図２０】
2012531070.tif 000017
【図２１】
2012531070.tif 000018
【図２３Ａ】
2012531070.tif 000019
【図２３Ｂ】
2012531070.tif 000020
【図２３Ｃ】
2012531070.tif 000021
【図２４】
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【図２６】
2012531070.tif 000023
【図２７】
2012531070.tif 000024
【図２８】
2012531070.tif 000025
【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
2012531070.tif 000029
【図３３】
2012531070.tif 000030
【図３４】
2012531070.tif 000031
【図３５】
2012531070.tif 000032
【図３６】
2012531070.tif 000033
【図３】
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【図４】
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【図８】
2012531070.tif 000036
【図１０】
2012531070.tif 000037
【図１１】
2012531070.tif 000038
【図１９】
2012531070.tif 000039
【図２２】
2012531070.tif 000040
【図２５】
2012531070.tif 000041
【図３７】
2012531070.tif 000042
【図３８】
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【国際調査報告】
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