JP5268090B2

JP5268090B2 - 電磁波放射素子

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Publication number: JP5268090B2
Application number: JP2008065890A
Authority: JP
Inventors: 泰一尾辻
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: JP2009224467A

Description

本発明は、２つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子に関する。

電磁波を連続的に発生、放射させる技術として、トランジスタやダイオードによる発振回路を利用して電子を空間的に放射する電磁波放射素子（〜１００ＧＨｚ以下）があり、また、赤外から可視光以下の光領域では、半導体レーザや低温カスケードレーザを用いた光放射素子（〜１０ＴＨｚ以上）があるが、通信容量の拡大及び高速化の為、０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ領域で、常温で安定的に連続発振する固体放射素子の開発が望まれている。

高電子移動度トランジスタ（HEMT）構造における２次元電子プラズモンのテラヘルツ帯への応用はM．DyakonovとM．Shurによって提案された（非特許文献１参照）。プラズモン共鳴周波数を決定する電子濃度は、ゲートバイアスで制御できるため、実用上重要な周波数可変特性を実現できる．

一般的なプラズモン共鳴型のフォトミキサ（プラズモン共振器）の構造及び動作原理を図６に示す。まず、２つの波長（ｆ１、ｆ２）のレーザの混合光をＨＥＭＴ構造のフォトミキサに入射する。フォトン２光波でバンド間励起された光伝導電子の持つ差周波（テラヘルツ成分）に同調して、テラヘルツ帯のプラズモン共鳴が誘起される（非特許文献２、非特許文献３参照）。この２次元電子プラズモン共鳴波は、非放射モードであって外部放射は果たせないが、２次元プラズモンの近傍に金属回折格子（グレーティング）を配したり、アンテナ構造を配することにより、非放射モードのテラヘルツ帯２次元電子プラズモン振動を放射モード電磁波へ変換することが可能となる（非特許文献３、４参照）。

トランジスタによる発振回路をはじめとする電子が空間を走行する通常の電磁波放射素子に比較して、電子集団の分極振動量子（プラズモン）の振動波を動作源とする本放射素子は、より高い周波数での動作が可能であり、テラヘルツ電磁波放射素子として期待されている。

発明者らは、特許文献１において、図７に示すようなテラヘルツ電磁波放射素子を提案し、２つのコヒーレントな光波をプラズモン共鳴型フォトミキサに入力し、２重回折格子電極ゲートを用いて、その差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を効率的に放射出力することを示した。
しかしながら、ゲート電極格子が等間隔であった為、ドレインバイアス印加によって各ゲート電極格子下のプラズモン領域の電子濃度がソースからドレイン方向に単調に減少する分布となることから、次の問題を生じていた。すなわち、プラズマ周波数は、電子濃度の平方根に比例し、ゲート電極格子の寸法に反比例することから、各格子下のプラズマ周波数は一致せずにある周波数領域で分布することになる。

その結果、外部から入射されたレーザ２光波の差周波にプラズマ周波数が一致するごく限られたゲート電極格子領域のプラズモン共振器のみしかテラヘルツ電磁波放射に寄与できず、高効率な電磁波放射を得ることが困難であった。
国際公開ＷＯ２００６／０３０６０８号公報 Phys. Rev. Lett., 71 (15), 2465 (1993) ５９ｔｈAnnual Device Research Conference Digest,Notre Dame IN june 25-27,2001 J. Appl. Phys., Vol. 91, No.4, 1875 (2002) Phys. Rev. B, Vol. 58, pp. 1517-1532, 1998. Journal of Applied Physics, Vol. 71, No.12, pp. 6049-6061, 1992. Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 9, pp.1627-1629, 2002.

本発明は、上記の従来技術が抱える問題点を解決し、非放射２次元電子プラズモン波から放射電磁波への変換効率を向上させ、狭帯域でかつ高出力なテラヘルツ波を放射する電磁波放射素子を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段は、次のとおりである。
（１）半導体ヘテロ接合構造によって形成される２次元電子層と、該２次元電子層の両辺に電気的に接続され両者の間にバイアス電位が与えられたソース及びドレインと、該２次元電子層の上方に電子供給層を介して該２次元電子層と平行にかつ格子状に配置され、直流バイアス電位が与えられたゲート電極格子とを含み、該ゲート電極格子の配位に対応して２次元電子層の電子濃度を周期的に変調させるとともに、該２次元電子層に２つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子において、
ドレイン及びソース間の直流バイアス電位に依存するゲート電極格子下の電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、各ゲート電極格子の幅を定めることを特徴とする電磁波放射素子。
（２）半導体ヘテロ接合構造によって形成される２次元電子層と、該２次元電子層の両辺に電気的に接続され両者の間にバイアス電位が与えられたソース及びドレインと、該２次元電子層の上方に電子供給層を介して該２次元電子層と平行にかつ格子状に配置され、２つの異なる直流バイアス電位が交互に与えられる２重ゲート電極格子とを含み、該２重ゲート電極格子の配位に対応して２次元電子層の電子濃度を周期的に変調させるとともに、該２次元電子層に２つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子において、
ドレイン及びソース間の直流バイアス電位に依存する一方のゲート電極格子下の電子濃度の平方根と該一方のゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、該少なくとも一方のゲート電極格子の幅を定めることを特徴とする電磁波放射素子。
（３）上記ゲート電極格子の厚みは、上記ゲート電極格子と２次元電子層との間隔以下に設定されていることを特徴とする（１）又は（２）に記載の電磁波放射素子。

本発明によれば、非放射２次元電子プラズモン波から放射電磁波への変換効率が向上し、より狭帯域性でかつ高出力のテラヘルツ波を放射する電磁波放射素子を実現することができる。

以下、図面に基づき本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明を具体化する電磁波放射素子の第一の実施例を示す構造断面図である。図中の半絶縁性バルク層を構成する基板の上に、半導体へテロ接合構造を形成する。半導体ヘテロ接合構造は、ワイドバンドギャップのバッファ層、ナローバンドギャップの真性半導体によるチヤネル層、ドナーを２次元的にドープしたワイドバンドギャップの電子供給層（キャリア供給層）から構成される。
その形成は、化合物トランジスタで量産・実用化されている分子線エピタキシー（MBE）や金属有機気相エピタキシー（MOWE）の技術によって、半絶縁性バルク層に半導体へテロ接合構造をナノメータ精度でエピタキシヤル成長させることによりなされる。

バッファ層、チャネル層、電子供給層が１組となって、チャネル層と電子供給層とのチャネル側界面に２次元的に電子が閉じ込められて２次元電子層が形成される。電子供給層の上部に更に強くｎ型にドープした半導体エピタキシヤル層をオーミック層として堆積して、チャネルの両端部分には、更に金属電極を成膜することで、金属電極とチャネル層がオーミック接続され、それぞれソース電極、ドレイン電極が形成される。一方チャネル上部の該オーミック層はリセスエッチングによって除去した後に、ゲート電極を形成する。

ゲート電極回折格子は、電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定となるように、すなわち、電子濃度が高いソース電極近傍のゲート間隔の寸法を大きくし、ドレイン電極近傍のゲート電極の寸法を小さくするようにフオトリソグラフィー又は電子線リソグラフィー工程及びエッチング工程により加工する。

さらに、ゲート電極を櫛状にエッチングし、奇数番の櫛同士をチャネルの外側で接続し、偶数番の櫛同士をチヤネルの外側で接続して、入れ子型２重回折格子状の複ゲート電極格子（便宜上、ゲート格子Ａ、Ｂと称する。図１においては、それぞれＧ１、Ｇ２に対応する。）を形成する。ゲート格子ＡとＢのバイアス電位を別にすることにより、ゲート格子直下の２次元電子層の電子濃度をゲート格子の周期で変調することができる。

例えば、ゲート格子Ａのバイアス電位を高く、ゲート格子Ｂのバイアス電位を低く設定して、チャネル層内のゲート格子Ａの直下にテラヘルツ帯プラズモン共鳴が可能な高い電子濃度のプラズモン共振器が形成される。この場合、ゲート格子Ａに定めた、「電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定」の条件によって、ゲート格子Ａの櫛に対応して形成された全てのプラズモン共振器が同一のプラズマ周波数を有することとなり、従って、該全てのプラズモン共振器が単一周波数のテラヘルツ電磁波放射に寄与することができ、その結果、狭帯域かつ高出力高効率の電磁波放射が果たせる。

また、ゲート格子Ｂのバイアス電位を高く、ゲート格子Ａのバイアス電位を低く設定して、チャネル層内のゲート格子Ｂの直下にテラヘルツ帯プラズモン共鳴が可能な高い電子濃度のプラズモン共振器を形成することができる。この場合、ゲート格子Ｂに定めた、「電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定」の条件によって、ゲート格子Ｂの櫛に対応して形成された全てのプラズモン共振器が同一のプラズマ周波数を有することとなり、従って、該全てのプラズモン共振器が単一周波数のテラヘルツ電磁波放射に寄与することができ、その結果、狭帯域かつ高出力高効率の電磁波放射が果たせる。

したがって、例えば、ゲート格子Ａのバイアス電位をゲート格子Ｂのそれに比して常に高く設定し、常に、プラズモン共振器をゲート格子Ａの直下のチャネル層内に形成する場合には、少なくともゲート格子Ａのみが、「電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定」の条件を満たせばよく、ゲート格子Ｂが、「電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定」の条件を満たす必要はない。例えば、ゲート格子Ａのみが「電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定」の条件を満たし、ゲート格子Ｂは等間隔であってもよい。その逆もまたしかりである。要は、プラズモン共鳴に寄与する少なくとも１組のゲート格子が「電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定」の条件を満たせばよいのである。

２重回折格子ゲートは、モリブデン等の導電率の低い準金属材料で形成するのがよい。２重回折格子ゲートのプラズマ周波数を２次元電子層のそれに接近できるからであり、これにより、テラヘルツ電磁波放射効率の増大が可能となる。また、ゲート電極の厚みはできる限り薄く（ゲート電極と２次元電子層との間隔以下に）形成することが放射率の向上には重要である。

２重回折格子型ゲート電極を、例えば、半導体ヘテロ接合構造内に該２次元電子層の上部に積層してなる第２の２次元電子層をエッチング加工することによって形成すれば、電極の厚みは極限的に薄くでき、かつ、電極の導電率も２次元電子層のそれと同程度に低減できるので、２重回折格子型ゲートのプラズマ周波数を２次元電子層のプラズマ周波数に接近でき、放射効率の向上が果たせる。更には、該第２の２次元電子層の導電率がゲートバイアス電位によって制御できることから、２重回折格子型ゲートのプラズマ周波数を可変制御することも可能である。従って、放射したい電磁波周波数に応じて放射効率をより向上させることが可能である。

以上が、本発明の代表的な実施例であるが、さらに放射効率を向上するために、例えば、以下のように、素子の縦方向に共振器構造を形成することができる。すなわち、上記のようにして、素子本体が作成された後に、半絶縁性バルク層を裏面から選択的にエッチングもしくは研磨し、低誘電材料のクラッド材を充填する。このクラッド材は、半絶縁性バルク層の周囲を被覆するように、図１に図示した左右両側だけでなく、図１中の手前側と奥側も被覆する。このように、半絶縁性バルク層の側面をそれよりも誘電率の低いクラッド層で覆うと、縦型共振器内への電磁波の閉じ込めが強まり、放射損を低減でき、より変換効率の向上が図れる。

最後の工程として、半絶縁性バルク層の下面に、ITO（酸化インジウム・スズ）などの可視から近赤外光に対しては透明で金属並みの導電率を有し、テラヘルツ電磁波には反射特性を示す透明金属を成膜する。これによって、光波入力は透過し、テラヘルツ電磁波にはミラーとして機能する透明金属ミラーを形成できる。

次にゲート回折格子を１組しか有しない構造においても、該ゲート格子が「電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定」の条件を満たす場合には、従来の等間隔格子の場合に比して、第一の実施例と同様の効果が得られる。
図２は、ゲート回折格子を１組しか有しない本発明の第二の実施例を示す模式図である。
図２から分かるように、第二の実施例の構造断面図は図１と基本的に同じで、違いはゲート格子が１組しかないことのみである。

この場合、該チヤネル層とその上部の該電子供給層の厚みや不純物濃度分布さらにはゲート金属種を適切に設計選択して、ゲートバイアスが０Ｖのときに、チャネル層の２次元電子濃度がプラズモン共振器が動作する電子濃度と大きく異なる濃度に予め設計しておくことになる。そして、ゲート格子にバイアスを適当に印加し、ゲート格子直下の電子濃度を変調することによって、ゲート格子直下のチャネル層にプラズモン共振器が形成される。ゲート格子の寸法を「電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定」の条件を満たすように設定することによって、全てのプラズモン共振器が同一のプラズマ周波数を有することとなり、従って、該全てのプラズモン共振器が単一周波数のテラヘルツ電磁波放射に寄与することができ、その結果、狭帯域かつ高出力高効率の電磁波放射が果たせる。

図３は、従来技術と本発明の比較説明図である。図３の上図は、ゲート電極格子の幅が等しい従来構造の電磁波放射素子を示し、図３の下図は、上述した本発明の原理である、プラズマ共鳴周波数のスペクトルの幅が狭まると同時に強度が増大していることを説明するものである。

また図４は、従来の電磁波放射素子と本発明の電磁波放射素子との数値解析結果を示す図である。横軸は周波数（ＴＨｚ）、縦軸は電界強度である。そして従来の電磁波放射素子の結果を縦軸の右スケールで、また本発明の電磁波放射素子の結果を左スケールでそれぞれ示す。縦軸の右スケールは表示の便宜上、左スケールの１０倍に拡大して表示されている。
図４から分かるように、従来の電磁波放射素子では周波数の幅が広く電界強度も小さいのに対し、本発明の電磁波放射素子では周波数の幅が狭くかつ強度が大きくなっている。

図５は、従来の電磁波放射素子と本発明の電磁波放射素子の性能比較表である。非特許文献１、３〜６及び特許文献１に開示の素子と本発明の電磁波放射素子との性能を比較したものである。図中、◎〇△×はそれぞれ特性の評価に関し、優、良、可、不可を示す。
さらに特許文献１の電磁波放射素子との比較では詳細は次のようになる。

（１）放射電界強度について
放射電界強度は、出力パワーであり、図３ならびに図４から分かるように、特許文献１の電磁波放射素子では、回折格子のアンテナ効果はあるものの、電子濃度の分布広がりによりスペクトルはブロードになり、所望の周波数に放射エネルギーを集中させることができない。従って△とした。一方、本発明の電磁波放射素子では所望の単一周波数に放射電力が集中できるため、◎印となる。

（２）非放射−放射モード変換効率について
非放射−放射モード変換効率は、単位出力を得るのにどれだけ少ないエネルギーで済むか、という効率であるが、特許文献１の電磁波放射素子では、単一素子内部に、プラズモン共振器を回折格子の本数分だけ複数存在するために入射レーザー光を大面積で効率よく吸収できること、さらに、回折格子のアンテナ効果によって非放射プラズモン分極波を放射モード電磁波に効率よく変換できることから○印となる。一方、本発明の電磁波放射素子では放射電力を所望の周波数に集中させることができることから、◎印となる。

（３）周波数可変性について
周波数可変性は、基本的に電界効果型トランジスタ（HEMT）構造が基礎となる場合には、ゲートバイアス制御により電子濃度変調が果たせるため、プラズマ共鳴周波数を可変制御できる。特許文献１の電磁波放射素子では、単純なHEMT構造ではなく、縦型共振器と２重回折格子ゲートの相乗効果によって可動周波数帯域の拡大が図れることから◎印となる。本発明もその点に変わりはなく、特許文献１の電磁波放射素子と同じで◎印となる。
以上のとおり、本発明の電磁波放射素子は、放射電界強度、非放射−放射モード変換効率及び周波数可変性ともに、従来の電磁波放射素子よりも優れていることが分かる。

本発明によれば、ドレイン・ソース間直流バイアス電位に依存する各格子下の電子濃度に応じて、電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、ゲート電極回折格子の幅を定めることにより、高い利得と極めて狭帯域なスペクトルを持つテラヘルツの電磁波放射素子を実現できる為、従来よりも大容量で高速な通信システムへの適用が期待される。

本発明の第一の実施例の電磁波放射素子を示す模式図である。本発明の第二の実施例の電磁波放射素子を示す模式図である。従来技術と本発明の比較説明図である。従来技術と本発明との数値解析結果を示す図である。従来技術と本発明の性能比較表である。プラズモン共鳴型フォトミキサ（プラズモン共振器）の基本構造と動作原理の説明図である。特許文献１で提案した電磁波放射素子を示す模式図である。

Claims

半導体ヘテロ接合構造によって形成される２次元電子層と、該２次元電子層の両辺に電気的に接続され両者の間にバイアス電位が与えられたソース及びドレインと、該２次元電子層の上方に電子供給層を介して該２次元電子層と平行にかつ格子状に配置され、直流バイアス電位が与えられたゲート電極格子とを含み、該ゲート電極格子の配位に対応して２次元電子層の電子濃度を周期的に変調させるとともに、該２次元電子層に２つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子において、
ドレイン及びソース間の直流バイアス電位に依存するゲート電極格子下の電子濃度の平方根とゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、各ゲート電極格子の幅を定めることを特徴とする電磁波放射素子。
半導体ヘテロ接合構造によって形成される２次元電子層と、該２次元電子層の両辺に電気的に接続され両者の間にバイアス電位が与えられたソース及びドレインと、該２次元電子層の上方に電子供給層を介して該２次元電子層と平行にかつ格子状に配置され、２つの異なる直流バイアス電位が交互に与えられる２重ゲート電極格子とを含み、該２重ゲート電極格子の配位に対応して２次元電子層の電子濃度を周期的に変調させるとともに、該２次元電子層に２つのコヒーレントな光波を入力、混合してその差周波数に対応したテラヘルツ電磁波を放射出力する電磁波放射素子において、
ドレイン及びソース間の直流バイアス電位に依存する一方のゲート電極格子下の電子濃度の平方根と該一方のゲート電極格子の幅の比が一定値となるように、該少なくとも一方のゲート電極格子の幅を定めることを特徴とする電磁波放射素子。
上記ゲート電極格子の厚みは、上記ゲート電極格子と２次元電子層との間隔以下に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波放射素子。