JP5590879B2 - 発生素子及び半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波を発振させるための発振素子に関する。

テラヘルツ波（本明細書では３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数の電磁波である。）を発振させる発振素子の活性層には、主に、量子カスケードレーザと、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ、以下ＲＴＤと記す。）とが用いられる。これらは、半導体量子井戸構造における電子のサブバンド間遷移に基づく電磁波発振を実現させるものである。

特に、２重障壁型のＲＴＤを活性層として用いた発振素子は、室温で１ＴＨｚ近傍の周波数領域のテラヘルツ波を発振できるとして期待されている。ここで、２重障壁型のＲＴＤは、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＩｎＡｌＡｓトンネル障壁層とから構成されている。ＲＴＤは、電圧―電流（Ｖ−Ｉ）特性に現れる微分負性抵抗の範囲において、誘導放出により電磁波を発振する。

ここで、上述した発振素子を通信技術やイメージング技術の分野で応用するためには、小型であるとともに、発振するテラヘルツ波の周波数を変調可能な構成にすることが求められる。

上記微分負性抵抗において、駆動電圧を変化させることにより、発振するテラヘルツ波の周波数を変化させる発振素子が、非特許文献１に開示されている。このとき、中心周波数が４７０ＧＨｚで、周波数の可変幅が１８ＧＨｚである。ここで、上記駆動電圧は、もちろんＲＴＤへの電流注入として機能しており、周波数を変化させるために電圧を変えると、発振するテラヘルツ波のパワーも変化してしまうなど、制御性の観点から改善が求められる。

そこで、外部からＲＴＤに照射する光の強度を変化させ、ＲＴＤの微分負性抵抗及び寄生要素を変化させることにより、発振するテラヘルツ波の周波数を変化させる発振素子が、特許文献１に開示されている。

特開平８−１２５２１５号公報

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．１５ ８７２

ここで、特許文献１で開示された構成では、外部から光を照射するために、光入射用の窓構造を設ける必要がある。この窓構造は活性層の上部に設ける電極に穴をあけることで構成される。この窓構造により、電極と電極下部の層との接触面積が小さくなるため、上記寄生要素の１つである直列抵抗が増大する。このとき、ＲＣ時定数が大きくなり、カットオフ周波数の上限が低下するため、発振するテラヘルツ波の周波数帯域が狭くなってしまう。

本発明の目的は、発振するテラヘルツ波の周波数を制御性良く、広帯域において変化可能な発振素子の提供である。

本発明に係るテラヘルツ波を発生させるための発生素子は、テラヘルツ波を発生させるための発生素子であって、基板と、前記基板の上部に設けられ、サブバンド間でのキャリアの遷移により前記テラヘルツ波を発生させる多重量子井戸層を含む活性層と、前記活性層の上部に設けられる第１の電気接点層と、前記基板の上部に設けられ、バンド間でのキャリアの遷移により光を発生させる発光層と、前記基板の上部に設けられ、前記活性層の下部に設けられる第２の電気接点層と、を備え、前記発光層が、該発光層で発生した光を、前記活性層又は前記第２の電気接点層に照射可能な位置に配置されていることを特徴とする。

上述のように、本発明に係る発振素子は、基板の上部に発光層を設ける。また、発光層はバンド間でのキャリアの遷移により光を発生させる。そして、発光層は、発光層で発生した光を、活性層に照射可能な位置に配置される。これにより、発振するテラヘルツ波の周波数を制御性良く、広帯域において変化可能な発振素子を提供することができる。

本発明の実施例１を説明するための模式図である。 本発明の実施例１を説明するための模式図である。 本発明の実施例１に係る半導体素子のバンド構造を説明するためのグラフである。 本発明の実施例２を説明するための模式図である。 本発明の実施例１の変形例を説明するための模式図である。 本発明の実施例１の変形例を説明するための模式図である。 本発明の実施例２を説明するための模式図である。 本発明の実施例３を説明するための模式図である。 本発明の実施例４を説明するための模式図である。

本実施形態に係るテラヘルツ波を発振させるための発振素子について、図１を用いて説明する。

本実施形態に係る発振素子１００は、基板１２０の上部に設けられ、サブバンド間でのキャリアの遷移によりテラヘルツ波を発生させる活性層１０１を備える。ここで、活性層１０１は、発生するテラヘルツ波に対して利得を持つ媒質（利得媒質）であれば何でも良い。例えば、活性層１０１は、サブバンド間でキャリアを遷移するように構成された多重量子井戸層（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｕｔｕｍ Ｗｅｌｌ。以下、ＭＱＷ層と呼ぶ。）であることが好ましく、後述するように共鳴トンネル構造が好適に用いられる。

次に、発振素子１００は、活性層１０１の上部に設けられる第１の電気接点層１０２を備える。また、基板１２０の上部に設けられ、活性層１０１の下部に設けられる第２の電気接点層１０３を備える。第１及び第２の電気接点層１０２、１０３は、不純物をドーピングした半導体が好適に用いられる。

また、発振素子１００は、基板１２０の上部に設けられ、バンド間でのキャリアの遷移により光を発生させる発光層１０４を備える。ここで、発光層１０４は、ｐ型半導体１２５とｎ型半導体１２４との互いに接する界面（ｐｎ接合）で発光可能に構成されることが好ましい。

そして、上記発光層１０４が、発光層１０４で発生した光を、活性層１０１に照射可能な位置に配置される。これにより、発振するテラヘルツ波の周波数を制御性良く、広帯域において変化可能な発振素子を提供することができる。

ここで、上記発光層１０４は、以下のように構成することが好ましい。まず、発光層１０４は、第２の電気接点層１０３を構成する材料のバンドギャップエネルギー（あるいはバンド間のエネルギー）よりも大きいエネルギーの光を発生可能に構成される。すなわち、発光層１０４は、第２の電気接点層１０３を構成する材料のバンドギャップエネルギーをＥｇ、発光層１０４を構成する材料のバンドギャップエネルギーをｈνとするとき、ｈν＞Ｅｇとなるように構成されることが好ましい。そして、発光層１０４は、発光層１０４で発生した光を、第２の電気接点層１０３を介して活性層１０１に照射可能な位置に配置される。すなわち、第２の電気接点層１０３と活性層１０１との間の領域に、発光層１０４で発した光を結合させることが好ましい。これにより、発光層１０４で発した光を第２の電気接点層１０３に比較的吸収されることなく、活性層１０１に照射することができる。また、発光層１０４は、活性層１０１の下部に設けることが好ましい。これにより、発光層１０４で発した光を活性層１０１に照射する際、活性層１０１に対して比較的均一に照射することができる。以上の構成の詳細については、図１（ａ）や図５（ａ）などにより後述する。

また、上記発光層１０４は、図６（ｃ）で後述するように、基板１２０の上部に設けられ、活性層１０１と並列に配置されても良い。

なお、第１の電気接点層１０２に注入されたキャリアを、第２の電気接点層１０３から抽出されるように構成されることが好ましい。すなわち、コレクタ側である第２の電気接点層１０３に、発光層１０４で発生した光を照射する構成が好ましい。

ここで、発振素子１０１は、基板１２０の上部に設けられ、活性層１０１から発生したテラヘルツ波を共振させる共振部２１２を備えることが好ましい。なお、共振部２１２は、パッチアンテナであるが、スロットアンテナで構成しても良い。この場合、共振部２１２は、共振されたテラヘルツ波を放射するように構成されており、アンテナの機能も有する。

（その他の実施形態）
上記実施形態の発振素子は、半導体素子１００を論理回路に適用することも可能である。例えば、本実施形態に係る半導体素子１００を、ヘテロバイポーラトランジスタのベースに接続することで、デジタル論路回路として適用することができる。この場合はもちろん、上記実施形態のようにテラヘルツ波などの電磁波を発振させる必要はない。

まず、半導体素子１００は、基板１２０上に配置されたＭＱＷ層１０１、第１電気接点層１０２、第２電気接点層１０３、発光層１０４とから構成される。ＭＱＷ層１０１は、サブバンド間遷移が生じる多重量子井戸構造であり、共鳴トンネル構造が好適に用いられる。このとき、半導体素子１００は共鳴トンネルダイオード素子として動作する。また、第１電気接点層１０２、ＭＱＷ層１０１、第２電気接点層１０３は、この順に積層される。

また、少なくとも第２電気接点層１０３は、バンドギャップエネルギーがＥｇの材料で構成されている。発光層１０４は、化合物半導体のｐｎ接合を含み、バンド間遷移に伴ってエネルギーｈνの光を発生する。

ここで、光のエネルギーｈνは、前述のバンドギャップエネルギーＥｇ以上の大きさであることが、本実施形態に係る半導体素子の特徴の１つである。また、発光層１０４で発生した光の一部が、電気接点層１０２、１０３、及びＭＱＷ層１０１の一部に結合・吸収されるような位置に発光層１０４は配置されている。

この結果、光吸収により生成した電子―正孔対の影響で電界分布が変化し、付近のバンド構造が変化する。故に、ＭＱＷ層１０１におけるサブバンド構造が変化することになる。この量子閉じ込めシュタルク（ＱＣＳＥ）効果は、ＭＱＷ層１０１におけるサブバンド間遷移の特性を変化させ、半導体素子（例えば共鳴トンネルダイオード素子）のキャリアの振動周波数を変化させる。すなわち、半導体素子は、発光層１０４で発生する光の強度を変化させることで、素子のキャリアの振動周波数を調整することが可能な構成となっている。

（実施例１：共鳴トンネルダイオード）
実施例１の構成について、図１を用いて説明する。本実施例では、サブバンド間遷移が生じるＭＱＷ層１０１として共鳴トンネル構造を用いた。すなわち、第１電気接点層１０２、ＭＱＷ層１０１、第２電気接点層１０３を含む半導体積層構造により、共鳴トンネルダイオードＲＴＤ１３０（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が構成されている。ここで、第１電気接点層１０２はＭＱＷ層１０１に電子（本実施例におけるキャリア）を注入する為の層であり、第２電気接点層１０３はＭＱＷ層１０１から電子を抽出する為の層である。また、第１電気接点層１０２及び第２電気接点層１０３は、バンドギャップがＥｇの材料で構成される。

ＭＱＷ層１０１は、トンネル障壁層と量子井戸層とが交互に積層された半導体へテロ構造からなる３重障壁型の共鳴トンネル構造である。ＭＱＷ層１０１は、第１トンネル障壁層１１１と、第１量子井戸層１１４と、第２トンネル障壁層１１２と、第２量子井戸層１１５と、第３トンネル障壁層１１３がこの順に積層された共鳴トンネル構造層１０５を含み構成される。本実施例では、以下のような膜構成の３重障壁量子井戸構造層１０５を用いている。
第一障壁層 ＡｌＡｓ １．３ｎｍ
第一量子井戸層 ＩｎＧａＡｓ ７．６ｎｍ
第二障壁層 ＩｎＡｌＡｓ ２．６ｎｍ
第二量子井戸層 ＩｎＧａＡｓ ５．６ｎｍ
第三障壁層 ＡｌＡｓ １．３ｎｍ
ここで、第一量子井戸層１１４、第二障壁層１１２、第二量子井戸層１１５は面方位（１００）のＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓである。また、第一障壁層１１１、第三障壁層１１３は、ＩｎＰに格子整合していないＡｌＡｓで、臨界薄膜よりは薄く、エネルギーの高い障壁となっている。

また、ＭＱＷ１０１は、ノンドープＩｎＧａＡｓからなる第１スペーサ層１１８及び第２スペーサ層１１９を含み構成され、第１スペーサ層１１８、共鳴トンネル構造層１０５、第２スペーサ層１１９の順に積層されている。
第１電気接点層１０２及び第２電気接点層１０３は、ｎ＋ＩｎＧａＡｓから構成される。第１電気接点層１０２には第１コンタクト層１１６及び第１オーミック電極１２１が接続され、第２電気接点層１０３には第２コンタクト層１１７及び第２オーミック電極１２２が接続されている。ここで、第１コンタクト層１１６及び第２コンタクト層１１７は、ｎ＋＋ＩｎＧａＡｓから構成され、第１オーミック電極、第２オーミック電極はＴｉ／Ｐｄ／Ａｕから構成される。半導体素子１００は、第１オーミック電極１２１と第２オーミック電極１２２を介して電源１２３に接続され、駆動用のバイアス電圧が供給される。これらの構成により、半導体素子１００はサブバンド間遷移である共鳴トンネル効果により図２（ｂ）に示すような微分負性抵抗が電流―電圧特性に現れる。

発光層１０４は、バンド間遷移に伴いエネルギーｈνの光Ａを発生する層であり、本実施例では、直接遷移型の化合物半導体のｐｎ接合を用いている。発光層１０４は、ｎ型半導体層１２４、ｐ型半導体層１２５、ｐコンタクト層１２６より構成され、この順に積層されている。ｎ型半導体層１２４は、第２コンタクト層１１７を介して、第２オーミック電極１２２に接続されている。また、ｐコンタクト層１２６は、ｐ型オーミック電極１２７に接続されている。
ｎ型半導体層１２４は、ｐｎ接合に電子を注入する層であり、本実施例では、ドーピングされたｎ−ＩｎＧａＡｓ（厚さ５００ｎｍ、ドーパント：Ｓｉ、１ｅ＋１７ｃｍ^−３）を用いた。また、ｐ型半導体層１２５はｐｎ接合に正孔（ホール）を注入する層であり、本実施例では、ドーピングされたｐ−ＩｎＧａＡｓ（厚さ５００ｎｍ、ドーパント：Ｚｎ、１ｅ＋１７ｃｍ^−３）を用いた。本実施例で用いた発光層１０４では、ＩｎＧａＡｓのバンド間遷移に伴い波長１．６５μｍの光Ａが発生される。ｐ型半導体層１２５は、高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｓ（厚さ５００ｎｍ、ドーパント：Ｚｎ、５ｅ＋１８ｃｍ^−３）からなるｐコンタクト層１２６を介して、ｐ型オーミック電極１２７に接続される。ｐ型オーミック電極１２７はＴｉ／Ｐｄ／Ａｕからなる。第２オーミック電極１２２とｐ型オーミック電極１２７は電源１２８に接続されており、発光層１０４にバイアス電圧を印加して、発生する光の強度を調整可能な構成となっている。電源１２３と電源１２８は調整部１２９に接続され、調整部１２９により、半導体素子１００の動作条件を好適に調整可能な構成となっている。

ここで、発光層１０４は、発生した光が電気接点層１０２、１０３、及びＭＱＷ層１０１に結合・吸収されて、サブバンド遷移特性を調整出来るように、電気接点層１０２、１０３、及びＭＱＷ層１０１近傍に配置されていることが望ましい。より効果的にこれを生じさせるために、第２電気接点層１０３、及び前記第２接点層１０３と前記ＭＱＷ層１０１との間の領域において光Ａが吸収されるような位置に配置されることが望ましい。つまり、基板の板厚方向に対して第１電気接点層１０２、ＭＱＷ層１０１、第２電気接点層１０３、発光層１０４の順に配置されることが望ましい。

次に、本実施例１に係る半導体素子の動作について説明する。

本実施例においてＭＱＷ層１０１として用いた共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）は、特許文献１や、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６，２００８，ｐｐ．４３７５−４３８４などに開示されているように、図２（ａ）に示した等価回路で記述される。ここで、図２（ｂ）において、Ｒｃｏｎｔ、Ｃｃｏｎｔはオーミック電極とコンタクト層の接触抵抗成分、接触容量成分であり、ＲｐｏｓｔはＲＴＤに直列に接続されるメサ構造に起因する抵抗成分を表している。また、ＲａｃｔはＲＴＤの微分負性抵抗（＜０）である。また、ＣａｃｔはＲＴＤの容量成分であり、ＬａｃｔはＲＴＤのインダクタンス成分であり、トンネリング時間及び空乏層の走行時間を考慮したＲＴＤにおけるの電子の遅延時間を示している。このＲＴＤ内部の直列抵抗や静電容量から見積もられるＲＣ時定数により、ＲＴＤから外部に取り出すことの出来る電子の振動周波数の上限が決定される。ここで、半導体素子１００は、従来の光入射用の窓構造を無くした構成をとっている。このため、周波数の上限を決める大きな要因の１つであるＲｃｏｎｔを十分に小さくすることが出来るため、テラヘルツ帯の動作を得ることが可能な構成となっている。

発光層１０４で発生した光は、電気接点層１０２、１０３、及びＭＱＷ１０１に結合・吸収されて電子―正孔対が生成される。この際、第２電気接点層１０３がＭＱＷ１０１から電子を抽出するようにバイアスされていると第２電気接点層１０３とＭＱＷ１０１との間に空乏領域が生じるが、この領域において電子―正孔対が生成されやすい。電子−正孔対の影響により、共鳴トンネル構造１０５の電界分布が変化する。結果、ＲＴＤの容量成分Ｃａｃｔが変化する。また、共鳴トンネル構造層１０５の電界分布変化に伴うＱＣＳＥ効果によって、ＭＱＷ１０１におけるサブバンド構造が変化するので微分負性抵抗Ｒａｃｔも変化する。

図３には、本実施例で用いた膜構成において、発光層１０４で発生した光の吸収に伴う共鳴トンネル構造１０５内のバンド構造変化のシミュレーション結果の一例を示した。横軸は膜厚方向の距離であり、縦軸はエネルギーである。ここで、Ｖｏｆｆとは、電源１２３及び電源１２８より第１オーミック電極１２１、第２オーミック電極１２２、ｐ型オーミック電極１２７に０Ｖ、０．７Ｖ、０．７Ｖの駆動バイアス電圧を印加した状態である。また、Ｖｏｎとは、電源１２３及び電源１２９より第１オーミック電極１２１、第２オーミック電極１２２、ｐ型オーミック電極１２７に０Ｖ、０．７Ｖ、１．４Ｖの駆動バイアス電圧を印加した状態である。Ｖｏｎの状態において、光吸収に伴う電子−正孔対密度増加分は５ｅ＋１７ｃｍ^−３を仮定した。発光層１０４へのバイアス電圧のＯＮ／ＯＦＦで、ＭＱＷ層１０１のサブバンド構造が変化する。その結果、図２（ｂ）に示したように、半導体素子１００の電流―電圧特性は、発光層１０４へのバイアス電圧のＯＮ／ＯＦＦにより変化することになる。ここで、Ｖｏｎは、発光層１０４が発光するように電源１２８からのバイアス電圧をＯＮした状態であり、Ｖｏｆｆは、発光層１０４が発光しないように電源１２８からのバイアス電圧をＯＦＦした状態である。図２（ｂ）のように、Ｖｏｎの時は、Ｖｏｆｆの時に比べて、微分負性抵抗の領域が全体的により低電圧側にシフトし、ピーク点Ａは点Ａ’に、バレイは点Ｂは点Ｂ’にシフトし、微分負性抵抗Ｒａｃｔは減少する。また、調整部１２９を介して、電源１２８からのバイアス電圧により光Ａの強度を調整すれば、ＶｏｎとＶｏｆｆの間の所望の条件に調整することが可能である。

このように、本実施例に係る半導体素子は、同一基板上に配置した発光層からの光の強度を調整して、多重量子井戸構造のサブバンド間遷移の特性、キャリアの振動周波数をテラヘルツ帯において調整することが可能である。以上本実施例により、テラヘルツ帯で動作可能で、周波数可変及び周波数変調が制御性良く実現可能で、高速応答性に優れ、小型で、且つ、室温動作可能な、電流注入型の半導体素子が実現される。

なお、本実施例で説明した発光層のその他の例として、以下のような構成も考えられる。図５に開示した半導体素子１５０は、第２電気接点層１０３と発光層１０４の間にバリア層１５１を挿入して、生成した電子―正孔対が発光層側に流入することを防止した構成をとっている。ここで、バリア層１５１は５０ｎｍ厚のノンドープのＩｎＡｌＡｓであり、バンド構造は図５（ｂ）に示したようになる。この場合、ｎ型半導体層１２４は、ｎ型コンタクト層１５２及びｎ型オーミック電極１５３を介して電源１２８に接続されている。

また、図６（ａ）及び図６（ｂ）に開示した半導体素子１６０のように、ｎ型半導体層１６４としてＩｎＧａＡｓＰ（厚さ２００ｎｍ、波長１．３μｍ）を、ｐ型半導体層１２５としてＩｎＰ（厚さ５００ｎｍ、ドーパント：Ｚｎ、３ｅ＋１７ｃｍ^−３）のｐｎ接合を用いる構成であってもよい。また給電方法として、ｐ型半導体基板１６２を用いて基板裏面から裏面ｐ型オーミック電極１６１を介して発光層１０４に給電する構成であっても良い。また、図６（ｃ）の半導体素子１７０のように、発光層１０４の配置として、ＭＱＷ層１０１の横方向に端面発光型発光部１７１を配置する構成であっても良い。第２電気接点１０３及び前記第２電気接点層１０３と前記ＭＱＷ層１０１との間の領域に光が結合・吸収されるような位置に配置されことが好適である。本構成は、半導体結晶の埋め込み再成長技術を用いて作製される。

本実施例では、ＭＱＷ層として、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオードについて説明してきた。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半導体素子を提供することができる。例えば、ＭＱＷ層として、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や、４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、量子カスケードレーザでよく知られるようなカスケード接続された多重量子井戸構造などを用いても良い。また材料系としては、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＰ基板上の、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂや、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせであっても良い。これら構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すれば良い。なお、本実施例では、キャリアが電子である場合を想定して説明をしているが、本発明は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良い。また、基板の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン基板、ガリウムヒ素基板、インジウムヒ素基板、ガリウムリン基板などの半導体基板や、ガラス基板、セラミック基板、樹脂基板などを用いても良い。

（実施例２；テラヘルツ電磁波発生素子）
実施例２では、実施例１の半導体素子を活性層として用いたテラヘルツ電磁波発生素子について説明する。図４（ａ）と（ｂ）は、電磁波共振器としてパッチアンテナ構造を用いたテラヘルツ電磁波発生素子の模式図である。図７（ａ）は電磁波共振器としてマイクロストリップパッチアンテナ構造を、図７（ｂ）は、スロットアンテナ構造を用いたテラヘルツ電磁波発生素子の模式図である。

本実施例では、電磁波利得を持つ活性層となるＲＴＤ２１１に、実施例１で説明した共鳴トンネルダイオードを含む構成を用いている、また、ＭＱＷ層２０１は、実施例１で説明したＭＱＷ層１０１と同じ膜構成を含む。従って、実施例１と同様にＲＴＤ２１１を含むテラヘルツ電磁波発生素子２００の電流―電圧特性は、共鳴トンネル現象により図２（ｂ）に示したような微分負性抵抗が現れる。

パッチアンテナ２１２は、ＲＴＤ２１１、上電極層２２１、ＧＮＤ電極層２２２、誘電体層２１５から構成され、上電極層２２１とＧＮＤ電極層２２２に挟まれた領域にある誘電体層２１５内において電磁波が共振する。パッチアンテナ型の共振器は、テラヘルツ電磁波をより効率よく空間に取り出すことが可能で、アレイ化や高出力化に有利な共振器構造である。この共振器構造では、誘電体層２１５の誘電率と厚さ、パッチアンテナ２１２の辺の長さ、ＲＴＤ２１１の大きさと位置などの構造が発振周波数を決める上で重要なファクタとなる。本実施例で用いたパッチアンテナ２１２は、上電極層２２１の一部分であり、２００μｍ×２００μｍの正方形パターンである。また、アンテナ中心からＡ’Ａ方向に４０μｍずらした位置にＲＴＤ２１１が配置されている。ＲＴＤ２１１は、上電極層２２１とＧＮＤ電極層２２２とで上下から挟まれており、素子の駆動に必要なバイアス電圧が印加可能な構成となっている。ＲＴＤ２１１は、第１コンタクト層２１６、第１電気接点層２０２、ＭＱＷ層２０１、第２電気接点層２０３、第２コンタクト層２１７の順に積層されており、直径が約２μｍΦのメサ構造となっている。上電極層２２１は、パッチアンテナ２１２と、給電ライン２１８から構成され、給電ライン２１８を介して、ＲＴＤ電極２２３からＲＴＤ２１１の駆動に必要なバイアス電圧が供給される。上電極層２２１は、真空蒸着したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）をリフトオフすることで形成される。ここで、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層は高濃度にドーピングされたＩｎＧａＡｓの低抵抗コンタクトのオーミック電極として知られている。誘電体層２０７には、高周波電磁波に対して低損失材料として知られるＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を用いた。誘電体層２１５のＢＣＢ膜厚は３μｍであり、スピンコート法とドライエッチング法を用いて形成される。絶縁層２０７は、ＧＮＤ電極２２２とｐ型の半導体基板を絶縁する為の層であり、窒化シリコンをプラズマＣＶＤして、ＲＩＥすることで形成した。ＧＮＤ電極層２２２は共振器内の接地電極であり、真空蒸着法で形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｔｉ層（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ／２０ｎｍ）を用いる。

発光層２０４は、バンド間遷移に伴いエネルギーｈνの光Ａを発生する層であり、実施例１で開示した化合物半導体のｐｎ接合を用いた。具体的には、発光層２０４は、ｎ型半導体層２２４、ｐ型半導体層２２５より構成され、この順に積層されている。ｎ型半導体層２２４は、第２コンタクト層２１７を介して、ＧＮＤ電極層２２２に接続されている。また、ｐ型半導体層２２５は、ｐ型半導体基板２２０を介して、ｐ型オーミック電極２６１に接続されており、基板２２０の裏面から発光層２０４にバイアス電圧を印加する構成となっている。電源２２３と電源２２８は調整部２２９に接続されており、調整部２２９により本実施例のテラヘルツ電磁波発生素子２００は、発生する電磁波の周波数を好適に調整可能な構成となっている。

本実施例に係るテラヘルツ電磁波発生素子２００は、図２（ａ）に示した等価回路に、共振器の構造によって決まる負荷抵抗、容量成分、インダクタンス成分を接続した共振回路のＬＣの共振周波数によって基本発振が決定される。電磁波発生素子２００は、実施例１にて説明したように、電源２２８からのバイアス電圧のｏｎ／ｏｆｆに応じて、ＲＴＤ２１１からは少なくとも２種類の微分負性抵抗Ｒａｃｔ及び容量成分Ｃａｃｔが得られる。この結果、同じパッチアンテナ型共振器でも全体の共振回路の共振周波数が変化することになり、図４（ｃ）に示したように発生するテラヘルツ電磁波の周波数変化が生じる。また、電源２２８からのバイアス電圧により光の強度を調整すれば、発振周波数を好適な条件に調整することも可能である。また、電源２２８からのバイアス電圧を変調して、発光層２０４からの光Ａの強度を変調すれば、テラヘルツ波電磁波発生素子２００の発振周波数を変調することも可能となる。また、テラヘルツ電磁波発生素子２００を同一基板上に複数個アレイ状に配置すれば、１チップで複数の周波数のテラヘルツ電磁波を発生可能なテラヘルツ電磁波発生デバイスが実現される。

電磁波共振器構造のその他の例として、図７（ａ）に示したマイクロストリップ型パッチアンテナ構造の共振器を用いたテラヘルツ電磁波発生素子３００であっても良い。マイクロストリップパッチアンテナ３０２は、主に電磁波共振部と電磁波放射部の役割を果たすパッチ部と、主に電磁波共振部の役割を果たすマイクロストリップラインより構成される。誘電体層２１５の材料と厚さ、パッチ部の辺の長さ、マイクロストリップラインの長さ、ＲＴＤ２１１の大きさと位置などが基本発振周波数を決める上で重要なファクタとなる。本実施例の場合は、Ｌ×Ｌ／２の長方形パターンのパッチ部と、パッチ部の短辺の中心から線幅８μｍのマイクロストリップラインが伸びており、ＲＴＤ２１１の上でＴ字に交差するような配置となっている。ここで、Ｌ＝２８０μｍであり、ＲＴＤ２１１はマイクロストリップラインの共振する電磁波の腹になる部分に配置されている。マイクロストリップラインは、給電ライン２１８を介して、電源２２３に接続される。パッチアンテナ型と同様に、ＲＴＤ２１１は２μｍΦのメサ構造であり、上電極層２２１とＧＮＤ電極層２２２に上下から挟まれており、駆動に必要なバイアス電圧が印加可能な構成となっている。

また、図７（ｂ）に開示したようなスロットアンテナ構造の共振器を用いたテラヘルツ電磁波発生素子６３０であっても良い。スロットアンテナは電磁波発生素子を高周波化する上で好適な構造である。ここで、発生素子６３０は、ＩｎＰ基板６３６上に、電極Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層６３１と６３２とが、ＳｉＯ２絶縁層６３３を介して積層された構造となっている。電極６３１及び電極６３２の一部が除去された窓領域６３４がスロットアンテナ型共振器となっており、窓領域の長さが発振周波数を決めるファクタとなっている。本実施例では、スロットアンテナ６３７の窓幅は３０μｍとし、一辺２．３μｍのメサ６３５を配置した。メサ６３５はポスト状に形成されたＲＴＤ２１１である。電極Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層６３１や６３２はオーミック電極であり、電源２２３を介して調整部２２９に接続されている。また、電源２２８を介して発光層（不図示）にバイアス可能で、所望の周波数に応じてバイアスが選択される。

また、電磁波共振器としてＱ値の高い素子壁面や裏面も電極で覆った３次元構造の空洞導波管を採用しても、テラヘルツ電磁波発生素子を提供することも出来る。また、電磁波共振器に表面プラズモン導波路構造の共振器を用いれば、より高出力化に有利な構成を提供することが出来る。外部光入射用の窓構造が不要な本発明では、このように自在に電磁波共振器を選択することが可能である。なお、これらの構造は既存の半導体プロセスを用いて作製することが出来る。

このように、本実施例のテラヘルツ電磁波発生素子は、同一基板上に配置した発光層からの光の強度を調整して、多重量子井戸構造のサブバンド間遷移の特性を調整することで、発生するテラヘルツ電磁波の周波数が可変となる。周波数可変及び周波数変調が制御性良く実現可能で、高速応答性に優れ、小型な、電流注入型のテラヘルツ電磁波発生素子が実現される。ただし、本発明は上記構成に限定されるものでないことは言うまでもない。

（実施例３：検査装置）
実施例３について、図８を用いて説明する。

ここで本実施例は、実施例２のテラヘルツ電磁波発生素子を用いた物体の検査装置である。

図８（ａ）に示すように、本実施例の検査装置は、例えば上記の実施例の周波数可変が可能な電磁波発生素子７０ａ〜７０ｄを並べて配置し、ｆ１〜ｆ８までの複数の発振周波数の電磁波を発生させる。ここで周波数ｆ１〜ｆ８は、電磁波発生素子に応力信号を入力したり、スイッチを用いてバイアス電圧の極性を変化させるなどして、周波数を変化させたり、変調したりすることが出来る。また、それぞれの電磁波は放物面鏡７４で平行ビームとして伝播し、検体となる対象物体７２に照射され、透過光がレンズ７３で集光され検出器７１ａ〜７１ｄで受信される。ここで、本実施例では透過配置にしているが、反射配置で検査しても良い。

例えば、記憶装置に、予め検出器で受信すべき強弱の組み合わせパターンを記憶させておく。また、検査物質がｆ１〜ｆ８までの周波数のうち、いずれか１つまたは複数の特定な吸収スペクトルを有していたとする。このとき、検査物質の吸収スペクトルと、記憶させておいたパターンと比較することにより、検査したい物質が対象物体７２中に含まれているか否かを判別することができる。

図８（ｂ）は、検査物質の指紋スペクトルの例である。周波数ｆ１、ｆ６、ｆ７に吸収ピークを持つために、予め本物質の吸収パターンを記憶しておいて、ｆ１、ｆ６、ｆ７で検出器出力が弱く、その他の周波数における検出器出力が大きいという情報を照合すれば、本物質が含まれると判定することができる。

本実施例の検査装置は、例えば、空港での危険物・禁止物質検査、郵便・貨物等の物流品検査、工場における工業製品の検査等に利用することができる。この際、１つの検査装置でさらに多くの周波数での検査が可能となるため、より多くの種類の検査物質を検査することが可能となる。

（実施例４：ヘテロダイン検出器）
実施例４について、図９を用いて説明する。

本実施例は、例えば実施例２で説明した共鳴トンネルダイオードを備えた電磁波発生素子を局部発振器として用いたヘテロダイン検出器を提供する。

図９は、本実施例の検出器の模式図である。図９（ａ）は局部発振器としてスロットアンテナ型の電磁波共振器を用いた例である。また、図９（ｂ）は局部発振器としてマイクロストリップ型の電磁波共振器を用いた例である。

本実施例の検出器は局部発振器（ＬＯ）、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）、ＩＦ検出部、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）、ＬＯ−ｐｏｒｔ、ＲＦ―ｐｏｒｔ、ＩＦ−ｐｏｒｔなどから構成される。ここで、局部発振器（ＬＯ）としては上記実施例の電磁波発振器が用いられる。また、ミキサーはＲＦパワーを効率よくＩＦパワーに変換するデバイスであり、ショットキーダイオード、超伝導ＳＩＳミキサー、ホットエレクトロンボロメータ、ＨＢＴ／ＨＥＭＴミキサーなどが用いられる。また、ＩＦ検出部はミキシングで生成した中間周波数（ＩＦ）出力を検出する役割を果たし、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）は検出したい電磁波を受信する役割を果たす。また、ＬＯ−ｐｏｒｔ、ＲＦ―ｐｏｒｔは、それぞれ局発波、信号波のミキサー（Ｍｉｘｅｒ）への入力ポートを表しており、ＩＦ−ｐｏｒｔは中間周波数（ＩＦ）のＩＦ検出部への入力ポートを表している。ここで、特に図示はしていないが、アンテナ（Ａｎｔｅｎｎａ）、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）、局部発振器（ＬＯ１又はＬＯ２）の間に高周波フィルターやＲＦ増幅器等を配置すればより高感度な検出器が実現される。

まず、図９（ａ）を用いて、本実施例の検出器について詳細に説明する。検出器７００は、局部発振器（ＬＯ１）にスロットアンテナ６３７を有する電磁波発生素子６３０を用いたものである。電磁波発生素子６３０は、調整部２２９及び電源２２８により、発光層からの光の強度を調整して発生するテラヘルツ電磁波の周波数を変化及び変調することが可能である。従って、電磁波発生素子を局部発振器（ＬＯ１）にとして用いれば、１つの局部発振器から広い帯域幅の周波数を検出器に入力することが可能となる（例えばｆ_Ｌ１からｆ_Ｌ２）。また、検出器７００において、スロットアンテナ型共振器構造６３７は電磁波（ｆ_Ｓ１からｆ_Ｓ２）の受信用のアンテナとしての役割も果たしている。受信した電磁波と、電磁波発生素子６３０からの発振出力は、ＲＦ―ｐｏｒｔ及びＬＯ―ｐｏｒｔからミキサー（Ｍｉｘｅｒ）に入力され、周波数混合により差周波成分である中間周波数（ＩＦ）が生成される。生成された中間周波数（ＩＦ）はＩＦ−ｐｏｒｔを介してＩＦ検出部にて検出される。

検出器の動作について説明する。例えば、電源２２３からＲＴＤ駆動用のバイアスが電磁波発生素子６３０に入力された場合は、局部発振器（ＬＯ１）から周波数ｆ_Ｌ１が発振される。このとき、検出器７００はアンテナにて周波数ｆ_Ｓ１（＝｜ｆ_Ｌ１＋ｆ_ＩＦ｜）の信号波１を受信し、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）から出力される中間周波数ｆ_ＩＦをＩＦ検出部にて検出することで信号波１が検出される。また、電源２２８から光変調用のバイアスが電磁波発生素子６３０に入力された場合は、局部発振器（ＬＯ１）はから周波数ｆ_Ｌ２が発振される。このとき、検出器７００はアンテナにて周波数ｆ_Ｓ２（＝｜ｆ_Ｌ２＋ｆ_ＩＦ｜）の信号波２を受信し、ミキサー（Ｍｉｘｅｒ）から出力される中間周波数ｆ_ＩＦをＩＦ検出部にて検出することで信号波２が検出される。

また、図９（ｂ）のように、局部発振器として共鳴トンネルダイオードとマイクロストリップ型共振器とを備えた電磁波発生素子８３０を用いた例でも同様の検出を行なうことが可能である。ここで、検出器８０７の局部発振器ＬＯ２は、ＲＴＤ８０１、マイクロストリップライン８０２、λ／４スタブ８０３、局発波出力部８０６、基板８０５などから構成され、一般的なＭＭＩＣ技術で作製される。

いずれの構成においても、発光層からの光強度を調整してに局部発振器ＬＯ２から周波数ｆ_Ｌ１からｆ_Ｌ２まで連続可変すれば、ｆ_Ｓ１からｆ_Ｓ２までの電磁波をヘテロダイン検出することが可能である。

このように、共鳴トンネルダイオードを用いた発振器をヘテロダインミキシングにおける局部発振器として用いれば、１つの検出器で広い帯域幅のテラヘルツ電磁波の検出が可能な検出器が実現される。

また、本実施例の検出器により、１つの検出器で複数の周波数帯のテラヘルツ電磁波を検出することが可能であるため、検出器の小型化や高密度化が容易に達成される。さらに、本実施例の検出器をアレイ状に複数配置すれば、複数の周波数の高周波電磁波を高感度で検出可能な小型の検出器が実現される。

１００ 発振素子
１０１ 活性層
１０２ 第１の電気接点層
１０３ 第２の電気接点層
１０４ 発光層
１２０ 基板
１２５ ｐ型半導体
１２４ ｎ型半導体

Claims (7)

1. テラヘルツ波を発生させるための発生素子であって、
   基板と、
   前記基板の上部に設けられ、サブバンド間でのキャリアの遷移により前記テラヘルツ波を発生させる多重量子井戸層を含む活性層と、
   前記活性層の上部に設けられる第１の電気接点層と、
   前記基板の上部に設けられ、バンド間でのキャリアの遷移により光を発生させる発光層と、
   前記基板の上部に設けられ、前記活性層の下部に設けられる第２の電気接点層と、を備え、
   前記発光層が、該発光層で発生した光を、前記活性層又は前記第２の電気接点層に照射可能な位置に配置されていることを特徴とする発生素子。
2. 前記発光層が、前記活性層又は前記第２の電気接点層に含まれている層におけるバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーの光を発生可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発生素子。
3. 前記発光層は、該発光層で発生した光を前記第２の電気接点層を介して前記活性層に照射可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の発生素子。
4. 前記第１の電気接点層の上部に設けられ、該第１の電気接点層にキャリアを注入するための電極を備え、
   前記第１の電気接点層に注入されたキャリアを前記第２の電気接点層から抽出されるように構成されることを特徴とする請求項２又は３に記載の発生素子。
5. 前記基板の上部に設けられ、前記活性層から発生したテラヘルツ波を共振させる共振部を備え、
   前記共振されたテラヘルツ波を放射するように構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発生素子。
6. 前記発光層が、ｐ型半導体とｎ型半導体との互いに接する界面で発光可能に構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発生素子。
7. 基板と、
   前記基板の上部に設けられ、サブバンド間でのキャリアの遷移によりテラヘルツ波を発生させる多重量子井戸層と、
   前記多重量子井戸層の上部に設けられる第１の電気接点層と、
   前記基板の上部に設けられ、前記多重量子井戸層の下部に設けられる第２の電気接点層と、
   前記基板の上部に設けられ、バンド間でのキャリアの遷移により光を発生させる発光層と、を備え、
   前記発光層が、該発光層で発生した光を前記多重量子井戸層又は前記第２の電気接点層に照射可能な位置に配置され、且つ前記多重量子井戸層又は前記第２の電気接点層に含まれている層におけるバンドギャップエネルギーよりも大きいエネルギーの光を発生可能に構成されることを特徴とする半導体素子。

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