JP7718953B2 - 素子、素子を用いたテラヘルツカメラシステム - Google Patents

Description

本発明は、素子、素子を用いたテラヘルツカメラシステムに関する。

テラヘルツ波を発生する電流注入型の光源として、テラヘルツ波の電磁波利得を有する素子と共振器とを集積した発振器が知られる。このうち、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）とアンテナを集積した発振器は、１ＴＨｚ近傍の周波数領域で室温動作する素子として期待されている。

特許文献１には、ＲＴＤとアンテナを集積した発振器を、同一基板上に複数配置したテラヘルツ波のアンテナアレイが開示されている。特許文献１のアンテナアレイでは、複数の発振器を互いに同位相で同期させて発振させるための結合線であるマイクロストリップラインが開示されている。

特開２０１４－２０００６５号公報

Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６（２００８）、ｐｐ．４３７５－４３８４ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．１０３，１２４５１４（２００８）

特許文献１では、複数の発信器の間の位相整合条件などを満たすための検討が十分になされていなかった。

本発明は、上記課題に鑑み、好適なアンテナアレイ構造を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、第１の導体層と、前記第１の導体層と電気的に接続され、テラヘルツ波を発生または検出する半導体層と、前記半導体層と電気的に接続され、前記半導体層を介して前記第１の導体層と対向する第２の導体層と、前記第１の導体層と前記第２の導体層との間に位置する誘電体層と、を含むアンテナが複数配されているアンテナアレイを備えた素子であって、前記アンテナアレイは、第１のアンテナと、第２のアンテナと、第３のアンテナと、第４のアンテナと、第５のアンテナと、を含み、第１の方向において、前記第２のアンテナと、前記第１のアンテナと、前記第３のアンテナとがこの順に配され、前記第１の方向と交差する第２の方向で、前記第４のアンテナと、前記第１のアンテナと、第５のアンテナとがこの順に配され、前記第２のアンテナの前記第２の導体層は、前記第１のアンテナの前記第２の導体層と前記第１の方向に延びる第１の結合線を介して接続され、前記第１のアンテナの前記第２の導体層は、前記第３のアンテナの前記第２の導体層と前記第１の方向に延びる第２の結合線を介して接続され、前記第４のアンテナの前記第２の導体層は、前記第１のアンテナの前記第２の導体層と前記第２の方向に延びる第３の結合線を介して接続され、前記第１のアンテナの前記第２の導体層は、前記第５のアンテナの前記第２の導体層と前記第２の方向に延びる第４の結合線を介して接続される。

本発明によれば、好適なアンテナアレイ構造の提供が可能となる。

（ａ）実施形態１に係る素子１０を示す上面模式図である。（ｂ）実施形態１に係る素子１０の変形例を示す上面模式図である。 実施形態１に係る素子１０の構成を説明する模式図である。 （ａ）実施形態１に係る素子１０を説明する断面模式図である。（ｂ）実施形態１に係る素子１０を説明する断面模式図である。 実施形態１に係る素子１０が有する第２の導体層の平面図である。 実施形態１に係る素子１０の効果を説明する図である。 実施形態２に係る素子２０を示す図である。 実施形態２に係る素子２０を示す断面模式図である。 実施形態３に係る素子３０を示す図である。 実施形態４に係る素子４０を示す図である。 実施形態５に係るテラヘルツカメラシステムを示す図である。 （ａ）実施形態６に係る素子５０を示す上面模式図である。（ｂ）実施形態６に係る素子５０を示す上面模式図である。（ｃ）実施形態６に係る素子５０を拡大して示す上面模式図である。（ｄ）実施形態６に係る素子５０の変形例を示す上面模式図である。 （ａ）～（ｃ）実施形態６に係る素子５０を示す断面模式図である。 （ａ）実施形態７に係る素子６０を示す上面模式図である。（ｂ）実施形態７に係る素子７０を示す上面模式図である。 （ａ）、（ｂ）実施形態８に係る素子を示す上面模式図である。 （ａ）、（ｂ）実施形態８に係る素子を示す上面模式図である。 （ａ）、（ｂ）実施形態８に係る素子を示す上面模式図である。 （ａ）、（ｂ）実施形態８に係る素子を示す上面模式図である。 （ａ）、（ｂ）実施形態８に係る素子を示す上面模式図である。 （ａ）、（ｂ）実施形態８に係る素子を示す上面模式図である。 （ａ）、（ｂ）実施形態８に係る素子を示す上面模式図である。 実施形態８に係る素子を説明するための模式図である。

図面を参照しながら各実施形態について説明する。以降の説明では、素子１０を発振器として用いる場合について説明を行うが、素子１０は受信器として用いることも可能である。ここで、テラヘルツ波とは、１０ＧＨｚ以上１００ＴＨｚ以下、より好適には３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域内の電磁波を示す。

各実施形態の説明において、他の実施形態と同一の構成については説明を省略する場合がある。実施形態は、適宜変更、あるいは他の実施形態と適宜組み合わせることが可能である。

（実施形態１）
本実施形態に係る素子１０について、図１（ａ）、図２～図５を用いて説明する。素子１０の構成について、図１（ａ）、図２～図４を相互に参照して説明する。図１（ａ）は素子１０の上部から見た上面模式図である。図１（ａ）は上面視したときの素子１０を示していると言える。図１（ａ）には、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示している。Ｘ方向とＹ方向は交差すればよいが、図１（ａ）では直行するものとする。Ｘ方向とＹ方向は１つの面に含まれる。Ｚ方向はＸ方向とＹ方向に直行し、Ｚ方向は上向きとも称する。図２は素子１０の外観を模式的に示す斜視図である。図３（ａ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ’線における素子１０の断面模式図である。図３（ｂ）は、図１（ａ）のＢ－Ｂ’線における素子１０の断面模式図である。図４は素子１０の第２の導体層を示す平面模式図である。

図１（ａ）、図２～図４に示すように、素子１０が有する基板１１３、誘電体層１０４、半導体層１１５などの各構成の積層方向における各構成の長さを「厚さ」または「高さ」と呼ぶ。また、基板１１３に対して、誘電体層１０４や半導体層１１５が存在する方向を「上」と呼ぶ。

図１（ａ）を用いて素子１０について説明する。素子１０は、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を発振または検出する素子であり、半導体材料からなる。素子１０には、アンテナが複数配されている。本実施形態では、素子１０は、９つのアンテナ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ、１００ｉが３×３のマトリクス状に配置されたアンテナアレイを備える。

アンテナの構成について説明する。アンテナ１００ａ～アンテナ１００ｉのそれぞれは同様の構成を有する。以下の説明において、アンテナ１００ａの構成について詳細に説明し、他のアンテナ１００ｂ～１００ｉにおけるアンテナ１００ａと同様の構成部分については、詳細な説明を省略する。また、説明の中で、各アンテナ１００ａ～１００ｉが有する構成の符番の末尾に、各アンテナに対応するアルファベットを記載している。例えば、第２の導体層１０３のうち、アンテナ１００ａに有する構成は、第２の導体層１０３ａと対応付けて記載する。

アンテナ１００ａは、テラヘルツ波を共振する共振器と、テラヘルツ波を送信または受信する放射器を兼ねている。また、各アンテナは、検出または発生するテラヘルツ波の波長以下、または当該波長の整数倍のピッチで配置することができる。

図３（ａ）に示すように、基板１１３と、第１の導体層１０６と、第２の導体層１０３ａとがこの順に積層されている。第１の導体層１０６と第２の導体層１０３ａとの間には誘電体層１０４２と誘電体層１０４１とが第１の導体層１０６側からこの順に配されている。アンテナ１００ａ～アンテナ１００ｉと同様に、第２の導体層１０３ａ～１０３ｉのそれぞれは同様の構成を有する。第２の導体層１０３ａと第２の導体層１０３ｂとの間には、第３の導体層１１０ａｂが配されている。第３の導体層１１０ａｂは、アンテナ１００ａ～１００ｉと同様に、第３の導体層１１０ｂｃ、第３の導体層１１０ｃｆなどを含む。第２の導体層１０３ｂと第２の導体層１０３ｃとの間には、第３の導体層１１０ｂｃが配されている。以下の説明において、例えば、アンテナ１００ｘとアンテナ１００ｙの間を結ぶ導体層は、導体層１１０ｘｙあるいは導体層１１０ｙｘなどと示す。導体層に限らず、結合層などでも同様である。

アンテナ１００ａは、第１の導体層１０６と、第２の導体層１０３ａと、その間に配された半導体層１０１ａと、を少なくとも有する。半導体層１０１ａは、後に詳述するが共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）であり、ＲＴＤ１０１ａや活性層１０１ａとも称する。以下、ＲＴＤ１０１ａと称する場合もある。アンテナ１００ａは、更に、半導体層１１５ａや、オーミック接合するための電極１１６ａや、第２の導体層１０３ａとＲＴＤ１０１ａとの接続のための導体１１７ａとを含む。結合線１０９ａｂは、第３の導体層１１０ａｂを含む。第３の導体層１１０ａｂと第１の導体層１０６との間には、バイアスライン１１１ｘ２が配されている。バイアスライン１１１ｘ２は、誘電体層１０４２と誘電体層１０４１との間に位置する。

図３（ｂ）では、図３（ａ）で示されたバイアスライン１１１ｘ２と同じ層に、バイアスライン１１１ｙ２などが配されている。バイアスライン１１１ｙ２は、線路１０８ｇ１や１０８ｄ２を構成する。第２の導体層１０３ａは、導体１０７ｇ１と、線路１０８ｇ１と、線路１０８ｄ２と、導体１０７ｄ２と、を経由して、第２の導体層１０３ｂと接続する。バイアスライン１１１ｙ２の層は、図２に示すように、バイアス回路１２０と電気的に接続する。バイアス回路１２０は、電源回路とも称する。なお、第１の導体層１０６は、図２に示すように、接地される。図３（ａ）および図３（ｂ）に示される、第１の導体層１０６を含む層を第１配線層とし、バイアスライン１１１を含む層を第２配線層とし、第２の導体層１０３と第３の導体層１１０とを含む層を第３配線層と称することもできる。各配線層に含まれる導体は、同一高さに位置するともいえる。高さとは、基板１１３の表面からの高さを意味する。

図４は、第２の導体層１０３と第３の導体層１１０とを含む同一高さに位置するパターンを模式的に示したものである。ここで、複数のアンテナ１００を有する素子について説明する。

素子１０のアンテナ利得の増加を目的として、複数のアンテナ１００を配することが考えられている。それぞれのアンテナ１００には、上述のようにＲＴＤ１０１が配されており、それぞれのアンテナ１００において相互注入同期させることで、アンテナ利得が増大する。複数のアンテナ１００の間を同期するためには、隣接アンテナ間を結合する結合線が必要である。ここで、結合線はカップリングラインとも称する。

結合線は、これまで詳細な検討がなされていなかった。具体的には、隣接アンテナと結合線で接続する場合には、横方向（磁界方向・Ｈ方向）および縦方向（電界方向・Ｅ方向）の何れか或いは両方で位相整合条件を満たすことが困難であった。このため、アンテナ数の増加と共に縦方向、あるいは横方向のどちらかの注入同期が不十分となり利得の増加が低減されていた。また、指向性の向上が予想よりも減少していた。従って、アンテナアレイを用いることによる効率のよいテラヘルツ波の発生および検出ができなかった。

図４を用いて、複数のアンテナ１００を結合する結合線について説明を行う。まず、複数のアンテナ１００をＸ方向で結合する場合について説明する。アンテナ１００ｅは、アンテナ１００ｆと結合線１０９ｅｆによって結合されている。Ｘ方向におけるアンテナの結合を説明する。アンテナ１００ｅは、結合線１０９ｅｆを介してアンテナ１００ｆと結合され、結合線１０９ｄｅを介してアンテナ１００ｄと結合される。アンテナ１００ｈは、結合線１０９ｈｉを介してアンテナ１００ｉと結合され、結合線１０９ｇｈを介してアンテナ１００ｇと結合される。アンテナ１００ｂは、結合線１０９ｂｃを介してアンテナ１００ｃと結合され、結合線１０９ａｂを介してアンテナ１００ａと結合される。図４において、各アンテナは、各結合線と直接接続しているが、容量結合によって接続していてもよい。ここで、Ｘ方向は、上述の縦方向であり、電界の方向、すなわちＥ方向である。

次に、複数のアンテナ１００をＹ方向で結合する場合について説明する。アンテナ１００のＹ方向の結合は、結合線１０９ｆｉと、結合線１０９ｃｆと、結合線１０９１ｈｅと、結合線１０９１ｅｂと、結合線１０９２ｈｅと、結合線１０９２ｅｂと、結合線１０９ｄｇと、結合線１０９ａｄと、によってなされる。結合線１０９１ｈｅは結合線１０９ｈｉと結合線１０９ｅｆとを結合し、結合線１０９１ｅｂは結合線１０９ｅｆと結合線１０９ｂｃとを結合する。結合線１０９２ｈｅは結合線１０９ｇｈと結合線１０９ｄｅとを結合し、結合線１０９２ｅｂは結合線１０９ｄｅと結合線１０９ａｂとを結合する。

アンテナ１００ｅに着目すると、次のようになる。アンテナ１００ｅに対して、第１の方向（縦方向）でアンテナ１００ｅの両側に隣接したアンテナ１００ｆおよびアンテナ１００ｄが配置されている。アンテナ１００ｅは、第１の方向（縦方向）に延びる結合線１０９ｅｆおよび１０９ｅｄで、アンテナ１００ｆおよびアンテナ１００ｄとそれぞれ接続されている。同様に、第１の方向と交差する第２の方向（横方向）でアンテナ１００ｅの両側に隣接したアンテナ１００ｈおよびアンテナ１００ｂが配置されている。ここで、本実施形態で用いたパッチアンテナの場合は、第１の方向はテラヘルツ波の共振方向（共振電界の伝搬方向、電界方向、Ｅ方向）であり、第２の方向は第１の方向の直交方向（磁界方向、Ｈ方向）となる。なお、本発明は、上記のような水平・垂直偏波を放射するアンテナだけでなく円偏波を放射するアンテナにも適用される。

また、アンテナ１００ｅに着目すると、次のようになる。第１の方向（縦方向）で、アンテナ１００ｄと、アンテナ１００ｅと、アンテナ１００ｆはこの順に配されている。第１の方向と交差する第２の方向（横方向）で、アンテナ１００ｈと、アンテナ１００ｅと、アンテナ１００ｂはこの順に配されている。アンテナ１００ｅとアンテナ１００ｆは第１の方向に沿った結合線１０９ｅｆで結合され、アンテナ１００ｅとアンテナ１００ｄは第１の方向に沿った結合線１０９ｄｅで結合されている。アンテナ１００ｅとアンテナ１００ｂは第２の方向に沿った結合線１０９１ｅｂで結合され、アンテナ１００ｅとアンテナ１００ｈは第２の方向に沿った結合線１０９１ｈｅで結合されている。

ここで、第１のアンテナをアンテナ１００ｅとし、第２のアンテナをアンテナ１００ｆとし、第３のアンテナをアンテナ１００ｄとし、第４のアンテナをアンテナ１００ｈとし、第５のアンテナをアンテナ１００ｂとする。第１の方向としてＸ方向とし、第２の方向としてＹ方向とすると、次のように説明できる。第１の方向において、第２のアンテナと、第１のアンテナと、第３のアンテナとがこの順に配される。第２の方向において、第４のアンテナと、第１のアンテナと、第５のアンテナとがこの順に配される。第２のアンテナの第２の導体層は、第１のアンテナの第２の導体層と第１の方向に延びる第１の結合線を介して接続され、第１のアンテナの第２の導体層は、第３のアンテナの第２の導体層と第１の方向に延びる第２の結合線を介して接続される。第４のアンテナの第２の導体層は、第１のアンテナの第２の導体層と第２の方向に延びる第３の結合線を介して接続され、第１のアンテナの第２の導体層は、第５のアンテナの第２の導体層と第２の方向に延びる第４の結合線を介して接続される。ここで、第１の結合線は１０９ｅｆであり、第２の結合線は結合線１０９ｄｅである。第３の結合線は結合線１０９１ｈｅあるいは結合線１０９２ｈｅであり、第４の結合線は結合線１０９１ｅｂあるいは結合線１０９２ｅｂである。

図４に示したように、素子１０は、第１の方向（縦方向）と交差する第２の方向（横方向）に延びる結合線１０９１ｈｅ、１０９２ｈｅ、１０９１ｅｂ、１０９２ｅｂをさらに備える。そして、第２の方向に延びる結合線１０９１ｈｅ、１０９１ｅｂは、第１の方向に延びる結合線１０９ｈｉ、１０９ｅｆ、１０９ｂｃと接続されている。また、第２の方向に延びる結合線１０９２ｈｅ、１０９２ｅｂは、第１の方向に延びる結合線１０９ｇｈ、１０９ｄｅ、１０９ａｂと接続されている。このような接続によって、複数のアンテナ１００の結合を行うことができる。また、このような接続によって、アンテナの利得が増大する。なお、結合線同士が接続する場合には、結合線同士が連続して形成された導体、すなわち一体の導体からなっていてもよい。

結合線は、次のように接続されることが好ましい。隣接アンテナのＲＴＤ間の電気長が２πの整数倍となるような長さとすることが好ましい。例えば、第１の方向としてＸ方向を取った時に、Ｘ方向に延びる結合線１０９ｄｅは、ＲＴＤ１００ｅとＲＴＤ１００ｄの電気長が２πとなる長さである。また、第２の方向としてＹ方向を取った時に、Ｙ方向に延びる結合線１０９１ｅｂあるいは結合線１０９２ｅｂは、ＲＴＤ１００ｅと１００ｂの電気長が４πとなる長さである。ここで、電気長とは、結合線内を伝搬する高周波の伝搬速度を考慮した配線長である。各アンテナのＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉから正位相で相互注入同期することが容易となる。なお、長さの範囲の誤差は±１／４πである。

更に、結合について説明する。図５（ａ）および図５（ｂ）は、本実施形態の素子１０を説明するための模式図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、アンテナと結合線との関係を模式的に示した図である。図５（ｃ）はアンテナ数と電磁波の放射角の相関を示すグラフである。

図５（ａ）は、ＸＹ方向に結合した素子１０を、図５（ｂ）は、Ｘ方向のみを結合した素子１０’の構成を示している。ここで、図中の「＋」と「－」は、アンテナアレイを定在する周波数ｆＴＨｚの共振電界の腹とその極性を示しており、「×」は共振電界の節を示している。素子１０’は、中心のアンテナ１００ｅとＹ方向に隣接する２つのアンテナ１００ｈ、あるいはアンテナ１００ｂとを結合する結合線がないため、Ｙ方向におけるアンテナ間の同期は不十分であった。素子１０のアンテナ１００ｅは、Ｙ方向で隣接するアンテナ１００ｈおよびアンテナ１００ｂと結合線で接続されているため、Ｙ方向のアンテナ間の同期が十分に行われている。よって、アンテナの利得が増大する。

更に、アンテナ間の位相整合条件を満たすために、Ｘ方向で隣接するアンテナ間の対称軸からＸ方向にシフトした位置でＸ方向とＹ方向の結合線は接続される。言い換えると、Ｘ方向で隣接するアンテナ間の中心からＸ方向に沿ってシフトした位置でＸ方向とＹ方向の結合線は接続される。例えば、Ｘ方向に隣接するアンテナ１００ｅと１００ｄの場合については次のようになる。アンテナ１００ｅと１００ｄがＹ方向に延びる線分を基準に線対称となる場合、該線分がＸ方向と交差する点である対称点を取る。Ｘ方向の結合線１０９ｄｅとＹ方向の結合線１０９２ｈｅは、対称点からＸ方向にシフトした位置で接続されている。Ｘ方向の結合線１０９ｄｅとＹ方向の結合線１０９２ｅｂは、対称点からＸ方向にシフトした位置で接続されている。シフト量は例えば、３０ｕｍである。図１（ａ）において、Ｘ方向における２つのアンテナ１００間の距離を長さＬＸ１とし、Ｙ方向における２つのアンテナ１００間の距離を長さＬＹ１とする。ここで、結合線１０９ａｂと結合線１０９２ｅｂの接続は、長さＬＸ１の中心からアンテナ１００ａ側にシフトしている。ここで、シフトとは、オフセットともいう。

より好ましくは、Ｘ方向とＹ方向の結合線は、テラヘルツ波の周波数で結合線に定在する共振電界の節以外の位置で接続される。言い換えると、Ｘ方向で隣接するアンテナ間の、テラヘルツ波の周波数ｆＴＨｚにおける電気的な対称の中心からシフトした位置でＸ方向とＹ方向の結合線は接続されることが好ましい。これは、テラヘルツ波の周波数で結合線に定在する共振電界の節で両者を接続した場合、縦横のアンテナ間の位相整合条件が矛盾してしまうためである。よって、干渉による出力の弱め合いが生じうる。また、指向性に乱れが生じうる。

図５（ｃ）にアンテナ数と放射角の相関を示すグラフを示す。グラフ上で直線と破線は計算値（ＡＮＳＹＳ社ＨＦＳＳ使用）を示しており、各点は２×２、４×４、５×５、６×６アレイの実測データを表す。縦方向のみを結合した素子１０’の場合は、３×３以上のアンテナアレイで横方向の同期が不十分となることがわかる。そして、指向性の改善の効果が飽和することが分かる。また、縦横の２方向でアンテナを結合する素子１０の構成は、縦横両方向でアンテナ数増加に伴い指向性は改善され放射角は先鋭化することが計算・実測の両面で確認することが出来る。接続された横方向の結合線の効果で、アンテナ１００ｅのように隣接アンテナに周囲を囲まれたアンテナの数が増加する３×３以上のアンテナアレイであっても、アンテナ間の同期が縦横方向で十分にとれていることを示している。つまり、アンテナ間の位相整合条件が満たされている。従って、本実施形態の素子によれば、Ｍ×Ｎアレイ（ＭおよびＮは自然数）において周囲を隣接アンテナで囲まれたアンテナでも少なくとも縦方向、および縦横両方向における結合の強化と位相整合が両立する。よって、図５（ａ）に示した素子１０は、図５（ｂ）に示した縦方向のみを同期した素子１０’の場合と比べてアンテナの出力の強度の増強が見込まれる。また、指向性の改善が見込まれる。

なお、各アンテナ間に１本の結合線を縦横に配置する構成は、結合線の本数を最小限に抑えて結合に起因するテラヘルツ波に損失を低減した好適な構成であるが、これに限定されない。

以下、詳細なアンテナの構成について説明を行う。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、アンテナ１００ａは、第１の導体層１０６と、第２の導体層１０３ａと、誘電体層１０４とを有する。誘電体層１０４は、第１の導体層１０６と第２の導体層１０３ａの２つの導体層（配線層）の間に位置する。このようなアンテナ１００ａの構成は、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型のアンテナと呼ばれる。本実施形態では、マイクロストリップ型の共振器であるパッチアンテナを用いた例について説明する。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の導体層１０３ａは、誘電体層１０４（半導体層１１５ａ）を介して第１の導体層１０６と対向するように配置されている、アンテナ１００ａのパッチ導体である。第２の導体層１０３ａは、半導体層１１５ａと電気的に接続されている。アンテナ１００ａは、第２の導体層１０３ａのＡ－Ａ’方向（共振方向）の幅がλＴＨｚ／２である共振器として動作するように設定されている。第１の導体層１０６は、電気的に接地されている接地導体である。なお、λＴＨｚは、アンテナ１００ａで共振するテラヘルツ波の誘電体層１０４における実効波長であり、テラヘルツ波の真空中における波長をλ０として、誘電体層１０４の実効的な比誘電率をεｒとすると、λＴＨｚ＝λ０×εｒ－１／２として表される。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、アンテナ１００ａは、半導体構造体を有する。半導体構造体は、例えば、メサ型の構造体である。半導体構造体は、半導体層１１５ａと、半導体層１０１ａとを含む。更に、半導体構造体は、オーミック電極である第３の電極１１６ａを有する。半導体層１１５ａは、アンテナ１００ａの内部に位置し、テラヘルツ波の電磁波を発振または検出するための構成である。図１（ａ）においては、アンテナ１００ａは、半導体層１０１ａのみを示しているが、半導体層１１５ａも半導体層１０１ａと第２の導体層１０３ａとの間に配されている。

以下、半導体層１０１ａについて説明する。半導体層１０１ａは、テラヘルツ波に対する電磁波の利得または非線形性を有する半導体層から構成される。テラヘルツ波の周波数帯で電磁波利得を有する典型的な半導体層としては、共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）があり、活性層とも称する。本実施形態では、半導体層１０１ａとしてＲＴＤを用いた例について説明する。また、以降において、半導体層１０１ａをＲＴＤ１０１ａと呼ぶ場合もある。

ＲＴＤ１０１ａは、複数のトンネル障壁層を含み構成される共鳴トンネル構造層を有し、複数のトンネル障壁の間に量子井戸層が設けられており、キャリアのサブバンド間遷移によりテラヘルツ波を発生する多重量子井戸構造を備える。ＲＴＤ１０１ａは、電流電圧特性の微分負性抵抗領域において、フォトンアシストトンネリング現象に基づくテラヘルツ波の周波数領域の電磁波利得を有しており、微分負性抵抗領域において自励発振する。

アンテナ１００ａは、ＲＴＤ１０１ａと、半導体層１１５ａと、パッチアンテナが集積されたアクティブアンテナである。アンテナ１００ａ単体から発振されるテラヘルツ波の周波数ｆＴＨｚは、パッチアンテナと半導体層１１５ａ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によって決定される。具体的には、非特許文献１に記載された発振器の等価回路から、ＲＴＤとアンテナのアドミタンス（ＹＲＴＤおよびＹａａ）を組み合わせた共振回路について、（１）式の振幅条件と（２）式の位相条件とを満たす周波数が発振周波数ｆＴＨｚとして決定される。
Ｒｅ［ＹＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙａａ］≦０ （１）
Ｉｍ［ＹＲＴＤ］＋Ｉｍ［Ｙａａ］＝０ （２）

ここで、ＹＲＴＤは、半導体層１１５ａのアドミタンスであり、Ｒｅは実部、Ｉｍは虚部をそれぞれ示す。半導体層１１５ａは、負性抵抗素子であるＲＴＤ１０１ａを含むので、Ｒｅ［ＹＲＴＤ］は負の値を有する。また、Ｙａａは、半導体層１１５ａから見たパッチアンテナ１００ａの全構造のアドミタンスを示す。

なお、半導体層１０１ａとして、数百から数千層の半導体層多層構造を持つ量子カスケードレーザ構造（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃａｓｃａｄｅ Ｌａｓｅｒ：ＱＣＬ）を用いてもよい。この場合、半導体層１１５ａは、ＱＣＬ構造を含む半導体層である。また、半導体層１０１ａとして、ミリ波帯でよく用いられるガンダイオードやインパットダイオードのような負性抵抗素子を用いてもよい。また、半導体層１０１ａとして、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てもよく、トランジスタとしては、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、化合物半導体層系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などが好適である。また、半導体層１０１ａとして、超伝導体層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。

誘電体層１０４は、第１の誘電体層１０４１と第２の誘電体層１０４２の２層から構成される。パッチアンテナなどのマイクロストリップ型の共振器は、誘電体層１０４が厚いことによって、導体損失が低減され放射効率が改善される。誘電体層１０４は、厚膜が形成可能なこと（典型的には３μｍ以上）、テラヘルツ帯で低損失・低誘電率であること、かつ、微細加工性がよいこと（平坦化やエッチング）が求められる。ここで、誘電体層１０４の厚さは、厚いほど放射効率は上がるが、厚すぎると多モードの共振が生じることがある。このため、誘電体層１０４の厚さは、上限として、発振波長の１／１０以下の範囲で設計することが好ましい。一方、発振器の高周波化と高出力化にはダイオードの微細化と高電流密度化が必要であるため、誘電体層１０４は、ダイオードの絶縁構造体として、リーク電流抑制やマイグレーション対策も求められる。本実施形態では、上記の２つの目的を満たすために、第１の誘電体層１０４１と第２の誘電体層１０４２には、材料の異なる２種類の誘電体層を用いている。

第１の誘電体層１０４１には、材料の具体例として、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ１＝２）やポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドなどの有機誘電体材料が好適に用いられる。ここで、εｒ１は第１の誘電体層１０４１の比誘電率である。また、比較的厚膜を形成することが可能であり、かつ、誘電率が低いＴＥＯＳ酸化膜やスピンオングラスなどの無機の誘電体材料を、第１の誘電体層１０４１に用いてもよい。

また、第２の誘電体層１０４２には、絶縁性（直流電圧に対して電気を通さない絶縁体・高抵抗体としてふるまう性質）、バリア性（電極に用いる金属材料の拡散防止の性質）、加工性（サブミクロンの精度で加工が可能な性質）が求められる。これらを満たす材料の具体例としては、酸化シリコン（εｒ２＝４）、窒化シリコン（εｒ２＝７）、酸化アルミ、窒化アルミなどの無機の絶縁体材料が好適に用いられる。εｒ２は、第２の誘電体層１０４２の比誘電率である。

ここで、本実施形態のように誘電体層１０４が２層構成の場合、誘電体層１０４の比誘電率をεｒは、第１の誘電体層１０４１の厚さと比誘電率εｒ１および第２の誘電体層１０４２の厚さと比誘電率εｒ２から決定される実効的な比誘電率である。また、アンテナと空間のインピーダンス整合という観点からは、アンテナと空気の誘電率差は少ない方が好ましいので、第１の誘電体層１０４１は、第２の誘電体層１０４２とは異なる材料であり、比誘電率が低い（εｒ１＜εｒ２である）材料を用いるとよい。なお、素子１０において、誘電体層１０４は、２層構成である必要はなく、上述した材料のうちの１層のみによって構成された構造であってもよい。

半導体層１１５ａは、基板１１３の上に形成された第１の導体層１０６の上に配置される。半導体層１１５ａと第１の導体層１０６とは、電気的に接続されている。なお、オーム性損失を低減するため、半導体層１１５ａと第１の導体層１０６は、低抵抗で接続されることが好ましい。半導体層１１５ａに対して、第１の導体層１０６が配置されている側と反対側に電極１１６ａが配置されており、電極１１６ａと半導体層１１５ａとは電気的に接続されている。半導体層１１５ａおよび電極１１６ａは、第２の誘電体層１０４２に埋め込まれており、第２の誘電体層１０４２によって周囲を被覆されている。

電極１１６ａは、半導体層１１５ａとオーム性接続された導体であれば、直列抵抗に起因したオーム性損失やＲＣ遅延の低減に好適である。オーミック電極として電極１１６ａを用いる場合、材料としては、例えば、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、ＴｉＷ、Ｍｏ、ＥｒＡｓなどが好適に用いられる。また、半導体層１１５ａの電極１１６ａと接する領域が高濃度に不純物がドーピングされた半導体であれば、より接触抵抗が低くなり、高出力化と高周波化に好適である。テラヘルツ波帯で用いられるＲＴＤ１０１ａの利得の大きさを示す負性抵抗の絶対値は概ね１～１００Ωのオーダーであるため、電磁波の損失はその１％以下に抑えることが好適である。従って、オーミック電極におけるコンタクト抵抗は目安として１Ω以下に抑制するとよい。また、テラヘルツ波帯で動作するためには、半導体層１１５ａの幅（≒電極１１６ａ）は、典型値として０．１～５μｍ程度である。このため、コンタクト抵抗は、抵抗率を１０Ω・μｍ２以下にして０．００１～数Ωの範囲に抑制することが好適である。

また、電極１１６ａに対して、オーム性ではなくショットキー接続するような金属を用いた構成も考えられる。この場合、電極１１６ａと半導体層１１５ａとの接触界面は整流性を示し、アンテナ１００ａはテラヘルツ波の検出器として好適な構成である。以下、本実施形態では、電極１１６ａとしてオーミック電極を用いた構成について説明する。

ＲＴＤ１０１ａの上下に配置されるアンテナ１００ａの内部では、図３（ａ）に示すように、基板１１３、第１の導体層１０６、半導体層１１５ａ、電極１１６ａ、導体１１７ａ、第２の導体層１０３ａの順に積層される。

導体１１７ａは、誘電体層１０４の内部に形成されており、第２の導体層１０３ａと電極１１６ａとは導体１１７ａを介して電気的に接続されている。ここで、導体１１７ａの幅が大きすぎると、パッチアンテナ１００ａの共振特性の劣化と寄生容量増加による放射効率の低下が生じる。このため、導体１１７ａの幅は、共振電界に干渉しない程度の寸法が好ましく、典型的には、アンテナ１００ａに定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の実効波長λの１／１０以下が好適である。また、導体１１７ａの幅は、直列抵抗を増やさない程度に小さくてもよく、目安としては表皮深さの２倍程度まで縮小できる。直列抵抗が１Ωを超えない程度まで小さくすることを考えると、導体１１７ａの幅は典型的には０．１μｍ以上２０μｍ以下の範囲が目安である。

図１（ａ）において、第２の導体層１０３ａは、導体１０７ａ１および導体１０７ａ２を経由して、線路１０８ａ１および線路１０８ａ２と電気的に接続される。また、線路１０８ａ１、１０８ａ２は、チップ内に形成された共通配線であるバイアスライン１１１を経由してバイアス回路１２０に電気的に接続される引き出し線である。線路１０８は、アンテナのそれぞれから引き出されている。バイアス回路１２０は、アンテナ１００ａのＲＴＤ１０１ａにバイアス信号を供給するための電源である。従って、バイアスライン１１１と、隣り合うアンテナのそれぞれから引き出された線路１０８とが接続されることによって、各アンテナの半導体層１１５にバイアス信号が供給される。バイアスライン１１１が共通であることで十分な配線幅が確保出来るため、配線抵抗のばらつきに起因したアンテナ間の動作電圧ばらつきが低減できるため、アレイ数が増えても同期が安定化する。また、アンテナ周囲の構造を対称にすることが可能になり、放射パターンが崩れない。

導体１０７ａ１、１０７ａ２は、線路１０８ａ１、１０８ａ２を第２の導体層１０３ａに電気的かつ機械的に接続するための接続部である。導体１１７ａ、導体１０７ａ１、１０７ａ２のように、上下の層間を電気的に接続する構造はビアと呼ばれる。第１の導体層１０６および第２の導体層１０３ａは、パッチアンテナを構成する部材としての役割に加えて、これらのビアと接続されることによって、ＲＴＤ１０１ａに電流を注入するための電極も兼ねている。ビアである導体１１７ａや導体１０７ａ１、１０７ａ２としては、抵抗率が１×１０－６Ω・ｍ以下の材料が好ましい。具体的には、材料として、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、ＡｕＩｎ合金、ＴｉＮなどの金属および金属化合物が好適に用いられる。

導体１０７ａ１、１０７ａ２の幅は、第２の導体層１０３ａの幅より小さい。ここで示す幅とは、アンテナ１００ａ内の電磁波共振方向（＝Ａ－Ａ’方向）における幅である。また、導体１０７ａ１（導体１０７ａ２）と接続される線路１０８ａ１（線路１０８ａ２）の部分（接続部）の幅は、第２の導体層１０３ａ（アンテナ１００ａ）の幅より小さい（細い）。また、これらの幅は、アンテナ１００ａに定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の実効波長λの１／１０以下（λ／１０以下）が好適である。導体１０７ａ１、１０７ａ２と線路１０８ａ１、１０８ａ２は、アンテナ１００ａ内の共振電界に干渉しない程度の寸法および位置に配置することが、放射効率改善には好ましいためである。

また、導体１０７ａ１、１０７ａ２の位置は、アンテナ１００ａに定在する発振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に配置されていることが好ましい。このとき、導体１０７ａ１、１０７ａ２と線路１０８ａ１、１０８ａ２は、発振周波数ｆＴＨｚ付近の周波数帯においてＲＴＤ１０１ａの微分負性抵抗の絶対値よりインピーダンスが十分に高い構成である。言い換えると、線路１０８ａ１、１０８ａ２は、発振周波数ｆＴＨｚにおいてＲＴＤからみて高インピーダンスであるように、アンテナ１００ａ以外の他のアンテナと接続されている。この場合、他のアンテナとアンテナ１００ａとは、周波数ｆＴＨｚにおいて、バイアスライン１１１経由の経路ではアイソレーション（分離）されている。これにより、バイアスライン１１１およびバイアス回路１２０を経由して、各アンテナに誘起される発振周波数ｆＴＨｚの電流が、隣接するアンテナに影響することがない。また、アンテナ１００ａ内を定在する発振周波数ｆＴＨｚの電界とこれらの給電部材との干渉が抑制される。素子１０における他のアンテナ１００ｂ～１００ｉについても、アンテナ１００ａと同様である。

バイアスライン１１１は、アンテナ１００ａ～１００ｉの共通のバイアス配線（配線層）である。アンテナ１００ａ～１００ｉは、それぞれに接続された線路１０８ａ１、１０８ａ２～線路１０８ｉ１、１０８ｉ２を経由してバイアスライン１１１と接続される。バイアスライン１１１のうち、Ａ－Ａ’方向（共振方向）の配線は１１１ｘ１～１１１ｘ４として、Ｂ－Ｂ’方向の配線は１１１ｙ１～１１１ｙ４として、図３（ａ）、図３（ｂ）では図示している。なお、本説明においては、素子１０のバイアス共通配線の全体を表す場合はバイアスライン１１１と表記している。

図２において、バイアス回路１２０は、ＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉにバイアス信号を供給するために、チップより外に配置された電源である。バイアス回路１２０は、ＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉのそれぞれと並列に接続されたシャント抵抗１２１、配線１２２、電源１２３、シャント抵抗１２１と並列に接続された容量１２４を含む。

配線１２２は、寄生的なインダクタンス成分を必ず伴うため、図２ではインダクタンスとして示している。電源１２３は、ＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉそれぞれを駆動するために必要な電流を供給し、ＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉそれぞれにかかるバイアス電圧を調整する。バイアス電圧は、典型的には、ＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉに用いたＲＴＤの微分負性抵抗領域の電圧から選択される。バイアス回路１２０は、チップ内配線であるバイアスライン１１１と接続されている。アンテナ１００ａの場合、バイアス回路１２０からのバイアス電圧は、線路１０８ａ１および線路１０８ａ２を経由してアンテナ１００ａ内のＲＴＤ１０１ａに供給される。他のアンテナ１００ｂ～１００ｉについてもアンテナ１００ａと同様である。

シャント抵抗１２１および容量１２４は、バイアス回路１２０に起因した比較的低周波の共振周波数（典型的にはＤＣ（直流；Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）から１０ＧＨｚの周波数帯）の寄生発振を抑制する役割を有する。シャント抵抗１２１の値は、並列接続されたＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉの合成された微分負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値が選択される。容量１２４も、シャント抵抗１２１と同様に、並列接続されたＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉの合成された微分負性抵抗の絶対値と素子のインピーダンスが等しいか、少し低く設定される。すなわち、バイアス回路１２０は、これらのシャント構造により、ＤＣから１０ＧＨｚの周波数帯において利得に相当する合成した負性抵抗の絶対値より低インピーダンスであるように設定されている。一般的には、容量１２４は、上述の範囲内であれば大きい方が好ましく、本実施形態の例であれば、数十ｐＦ程度の容量である。容量１２４は、デカップリング容量であり、例えば、アンテナ１００ａと基板を共にしたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ－Ｍｅｔａｌ）構造を利用してもよい。

素子１０は、３×３のマトリクス配置された９つのアンテナ１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ、１００ｆ、１００ｇ、１００ｈ、１００ｉを有するアンテナアレイである。アンテナ１００ａ～１００ｉのそれぞれは、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を単体で発振する。隣接したアンテナ間は、結合線１０９によって相互に結合されており、テラヘルツ波の発振周波数ｆＴＨｚにおいて相互注入同期（相互に同期）されている。

ここで、相互注入同期とは、複数の自励発振器が、相互作用により引き込み同期して発振することである。例えば、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂとは、結合線１０９ａｂによって相互に結合されており、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｄとは結合線１０９ａｄによって相互に結合される。他の隣接するアンテナ間も同様である。なお、「相互に結合される」とは、あるアンテナに誘起された電流が他の隣接するアンテナに作用して、互いの送受信特性を変化させる現象のことである。相互に結合されたアンテナを同位相または逆位相において同期することで、相互注入同期現象により各アンテナ間における電磁界の強め合いまたは弱め合いを引き起こす。これによって、アンテナ利得の増減を調整することができる。なお、本説明においては、素子１０のアンテナ間を結合する結合線全体を表す場合は結合線１０９と表記する。また、結合線１０９を構成する各アンテナ間を結合する結合線については、各アンテナに対応するアルファベットを用いて表記している。例えば、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂとを結合する結合線は、結合線１０９ａｂと表記する。

素子１０の発振条件は、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．１０３，１２４５１４（２００８）（非特許文献２）に開示された２つ以上の個別のＲＴＤ発振器を結合した構成における相互注入同期の条件により決定される。具体的には、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂとが結合線１０９ａｂによって結合されているアンテナアレイの発振条件を考える。このとき、正位相の相互注入同期と逆位相の相互注入同期との２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）式および（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）式および（７）式で表される。
正位相（ｅｖｅｎモード）：周波数ｆ＝ｆｅｖｅｎ
Ｙｅｖｅｎ＝Ｙａａ＋Ｙａｂ＋ＹＲＴＤ
Ｒｅ（Ｙｅｖｅｎ）≦０ （４）
Ｉｍ（Ｙｅｖｅｎ）＝０ （５）
逆位相（ｏｄｄモード）：周波数ｆ＝ｆｏｄｄ
Ｙｏｄｄ＝Ｙａａ＋Ｙａｂ＋ＹＲＴＤ
Ｒｅ（Ｙｏｄｄ）≦０ （６）
Ｉｍ（Ｙｏｄｄ）＝０ （７）

ここで、Ｙａｂは、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂとの間の相互アドミタンスである。Ｙａｂは、アンテナ間の結合の強さを表す結合定数に比例し、理想的には－Ｙａｂの実部が大きく、虚部がゼロとなるのが好ましい。本実施形態の素子１０は正位相での相互注入同期する条件で結合されており、発振周波数ｆＴＨｚ≒ｆｅｖｅｎである。他のアンテナについても同様に、各アンテナ間は結合線１０９において上述の正位相の相互注入同期条件を満たすように結合されている。

結合線１０９は、第３の導体層１１０と第１の導体層１０６とによって誘電体層１０４を挟んだマイクロストリップラインである。例えば、図３（ａ）に示すように、結合線１０９ａｂは、第３の導体層１１０ａｂと第１の導体層１０６とによって誘電体層１０４を挟んだ構造である。同様に、結合線１０９ｂｃは第３の導体層１１０ｂｃによって、結合線１０９ａｄは第３の導体層１１０ａｄによって、結合線１０９ｃｆは第３の導体層１１０ｃｆによって、誘電体層１０４を第１の導体層１０６とで挟む。

図４において、素子１０の各アンテナ間はＤＣ結合によって結合されている。アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂとを結合する結合線１０９ａｂの上導体層である第３の導体層１１０ａｂは、第２の導体層１０３ａ、１０３ｂに直接接続されている。図３や図４に示したように、素子１０において、第３の導体層１１０ａｂと、第２の導体層１０３ａ、１０３ｂは同じ層に形成されている。同様に、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｅとを結合する結合線１０９ａｅの上導体層である第３の導体層１１０ａｅは、第２の導体層１０３ａ、１０３ｅに直接接続されている。第３の導体層１１０ａｅと、第２の導体層１０３ａ、１０３ｅは同じ層に形成されている。

本構造により、アンテナ１００ａに対してアンテナ１００ｂおよびアンテナ１００ｅは相互に結合されており、発振するテラヘルツ波の周波数ｆＴＨｚにおいて相互に同期して動作する。このようなＤＣ結合によって同期されたアンテナアレイは、隣接アンテナ間を強い結合で同期することができるため、引き込みによる同期動作がしやすく、各アンテナの周波数や位相のばらつきに強い。

なお、素子１０において、結合線１０９とバイアスライン１１１は異なる層に配置されている。例えば、図３（ａ）に示したように、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂを結合する結合線１０９ａｂを構成する第３の導体層１１０ａｂと、バイアスライン１１１を構成する第４の導体層１１１ｘ２とは異なる層に配置される。また、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｄを結合する結合線１０９ａｄを構成する第３の導体層１１０ａｄと、バイアスライン１１１を構成する第４の導体層１１１ｘ１は異なる層に配置される。言い換えると、結合線１０９が基板１１３の面内方向（積層方向と垂直な方向）に延在する部分を有する配線層と、バイアスライン１１１が基板１１３の面内方向に延在する部分を有する配線層とが、異なる層に配置されている。ここで、結合線１０９が面内方向に延在する部分を有する配線層とは、第３の導体層１１０と第１の導体層１０６である。一方、バイアスライン１１１が面内方向に延在する部分を有する配線層とは、第４の導体層１１１である。なお、本実施形態では、全てのアンテナにおける、全ての第３の導体層１１０と第１の導体層１０６は、第４の導体層１１１のいずれとも異なる層に配置されている。

このように、高い周波数（ｆＴＨｚ）を伝送する結合線１０９と低い周波数（ＤＣ～数十ＧＨｚ）を伝送するバイアスライン１１１とを異なる層に配置する。このことで、各レイヤー内で伝送線の幅、長さ、引き回しなどのレイアウトを自在に設定することができる。

また、素子１０では、基板１１３側から順に、基板１１３、第１の導体層１０６、第２の導体層１０３ａの順に積層されている。そして、結合線１０９とバイアスライン１１１の少なくともいずれかが、第１の導体層１０６と第２の導体層１０３との間の層に配置されている。例えば、図３（ａ）に示すように、第４の導体層１１１ｘ２、１１１ｘ１は、第１の導体層１０６と第２の導体層１０３との間の層に配置される。

さらに、図１（ａ）に示すように、上から見て（平面視において）、結合線１０９とバイアスライン１１１は互いに交差する。例えば、平面視において、第３の導体層１１０ａｂと第４の導体層１１１ｘ２は互いに交差し、第３の導体層１１０ａｄと第４の導体層１１１ｙ３は互いに交差している。図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、交差する導体層は異なる高さに位置する。

このように、結合線１０９とバイアスライン１１１を互いに交差させて線路を引くことよって、より省レイアウトな構成を実現することができる。従って、このような構成にすることで、ｍ×ｎ（ｍ≧２、ｎ≧２）のマトリクス状にアンテナを配置したようなアンテナアレイにおいても、配置するアンテナ数を増やすことができる。本実施形態によれば、アンテナ数を増やしても、アンテナ間の同期をとるための結合線（結合線１０９）と、それぞれのＲＴＤ１０１にバイアスを供給するための給電線（バイアスライン１１１）の物理的な干渉が抑制できる。従って、素子１０において、並べられるアンテナ数の上限の制限が抑制されて、アレイ数増加に伴う指向性や正面強度の大きな改善効果を期待することができる。

また、結合線１０９とバイアスライン１１１の少なくともいずれかを、アンテナを構成する２つの導体層間の層に配置することによって、省レイアウトの構成を実現できる。具体的には、結合線１０９、または／および、バイアスライン１１１を、アンテナ１００ａ～１００ｉを構成する誘電体層１０４のうちアンテナ以外の余剰領域に埋め込む。このことで、波長程度のピッチで配置された隣接アンテナ間の比較的小さいスペースに複数の伝送線を配置することができるので、アンテナ数増加に伴う線路数の増加にも十分対応することができる。

なお、テラヘルツ帯では表皮効果による抵抗が増大するため、アンテナ間の高周波伝送に伴う導体損失が無視できない。導体層間の電流密度の増加に伴い、単位長さあたりの導体損失（ｄＢ／ｍｍ）は増大する。マイクロストリップラインの場合は、単位長さあたりの導体損失（ｄＢ／ｍｍ）は、誘電体厚の２乗に反比例する。従って、アンテナアレイの放射効率を上げるためには、アンテナだけでなく結合線１０９を構成する誘電体を厚くして導体損失を低減することが好適である。これに対して、本実施形態に係る素子１０では、第１の誘電体層１０４１における第１の導体層１０６側にバイアスライン１１１を配し、周波数ｆＴＨｚの高周波が伝送される第３の導体層１１０を誘電体層１０４の上層に配する構成である。この構成であれば、テラヘルツ帯における導体損失に伴うアンテナアレイの放射効率の低下を抑制することができる。この場合、アンテナ１００ａにおいて、基板１１３側から順に、基板１１３、第１の導体層１０６、第４の導体層１１１ｘ１、１１１ｘ２、第２の導体層１０３ａおよび第３の導体層１１０ａｄ、１１０ａｂの順に積層される。他のアンテナの間を結合する結合線１０９とバイアスライン１１１の関係も同様である。

なお、導体損失の観点から、結合線１０９を構成する誘電体の厚さは１μｍ以上がよく、より好ましくは誘電体厚を２μｍ以上に設定すれば、テラヘルツ帯の導体損失によるロスは２割程度に抑制される。同様に、導体損失の観点から、結合線１０９を構成する第３の導体層１１０と第１の導体層１０６との厚さ方向の間隔は広い方が好ましい。また、結合線１０９を構成する第３の導体層１１０とバイアスライン１１１を構成する第４の導体層１１１との厚さ方向の間隔は、広い方が好ましい。バイアスライン１１１については、誘電体を２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下に設定することでギガヘルツ帯くらいまでの低インピーダンス線路として機能させることができる。また、誘電体を２μｍ以上に厚く設定した場合でも、素子３０のようにバイアスラインにシャント部品を接続する構成にすることによって低インピーダンス線路として機能させることができる。

また、本実施形態に係る素子１０では、隣接するアンテナは、アンテナ間に配置された共通のバイアスライン１１１によって給電される。例えば、図３（ｂ）に示すように、アンテナ１００ａは、導体１０７ａ２と線路１０８ａ２を経由してバイアスライン１１１ｙ３と接続され、アンテナ１００ｄは、導体１０７ｄ１と線路１０８ｄ１を経由してバイアスライン１１１ｙ３と接続されている。同様に、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂは、隣接しているため、両アンテナ間に配置された共通のバイアスライン１１１ｘ２と接続されることによってバイアス信号が給電される。他のアンテナ１００ｂ～１００ｉのバイアスライン１１１についても同様である。このように、チップ内の配線であるバイアスライン１１１を各アンテナ間で共通化することで、同一チャネルでの駆動が可能となり、駆動方式を単純化することができる。また、配線数が減り１本の配線を太くすることができるので、アレイ数増加に伴う配線抵抗増加と、それに伴うアンテナ間の動作点ズレが抑制される。これにより、アレイ数を増やしたことによって生じる各アンテナ間の周波数ズレおよび位相ズレが抑制されるので、アレイによる同期効果がより得やすい。

なお、バイアスライン１１１の共通化は、必須の構成ではない。例えば、多層化や微細化でバイアスライン１１１を各アンテナに複数用意して個別給電とする構成であってもよい。この場合、各アンテナ間のバイアスライン１１１経由のアイソレーションが強化されるので、低周波の寄生発振のリスクを低減できる。また、素子１０において、線路１０８ａ１、１０８ａ２～線路１０８ｉ１、１０８ｉ２とバイアスライン１１１は、発振周波数ｆＴＨｚより低い低周波数帯においてＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉの負性抵抗に比べて低インピーダンスであることが好ましい。さらに好ましくは、並列接続されたＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉの合成された微分負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値のインピーダンスであるとよい。これにより、低周波数のマルチモード発振を抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、アンテナアレイの同期により従来よりも高効率に発振または検出できる。

実施形態１に係るテラヘルツ波を発振する素子１０の具体的な構成について、図１（ａ）および図２を用いて説明する。素子１０は、０．４５～０．５０ＴＨｚの周波数帯域で単一モード発振が可能な半導体デバイスである。基板１１３は、ＩｎＰ基板である。ＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉは、基板１１３上に格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓによる多重量子井戸構造から構成され、本実施形態では、二重障壁構造のＲＴＤを用いている。これは、ＲＴＤの半導体層ヘテロ構造ともいう。

ＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉの電流電圧特性は、測定値で、ピーク電流密度が９ｍＡ／μｍ２であり、単位面積当たりの微分負性コンダクタンスが１０ｍＳ／μｍ２である。アンテナ１００ａでは、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層１１５ａと、オーミック電極である第３の電極１１６ａとから構成されるメサ構造が形成されている。メサ構造は、本実施形態では直径２μｍの円状である。このとき、ＲＴＤ１０１ａの微分負性抵抗の大きさはダイオード１個当たり約－３０Ωである。この場合、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層１１５ａの微分負性コンダクタンス（ＧＲＴＤ）は約３０ｍＳと見積もられ、ＲＴＤ１０１ａのダイオード容量（ＣＲＴＤ）は約１０ｆＦと見積もられる。

アンテナ１００ａは、パッチ導体である第２の導体層１０３ａと接地導体である第１の導体層１０６とによって、誘電体層１０４を挟んだ構造のパッチアンテナである。アンテナ１００ａの内部には、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層１１５ａが集積されている。アンテナ１００ａは、第２の導体層１０３ａの一辺が１５０μｍの正方形パッチアンテナであり、アンテナの共振器長（Ｌ）は１５０μｍである。

パッチ導体である第２の導体層１０３ａと接地導体である第１の導体層１０６には、抵抗率の低いＡｕ薄膜を主体とした金属層が用いられている。第２の導体層１０３ａは、Ｔｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）を含む金属により構成されている。第２の導体層１０３ａと第１の導体層１０６との間の層には、誘電体層１０４が配置されている。誘電体層１０４は、５μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ１＝２）からなる第１の誘電体層１０４１と、２μｍ厚のＳｉＯ２（プラズマＣＶＤ、εｒ２＝４）からなる第２の誘電体層１０４２の２層によって構成される。

第１の導体層１０６は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０／２０／２００ｎｍ）と、電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３以上のｎ＋－ＩｎＧａＡｓ層（１００ｎｍ）からなる半導体層とから構成されており、金属と半導体層は低抵抗なオーミック接触で接続されている。

電極１１６ａは、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０／２０／２００ｎｍ）からなるオーミック電極である。電極１１６ａは、半導体層１１５ａに形成された電子濃度が１×１０１８ｃｍ－３以上のｎ＋－ＩｎＧａＡｓ層（１００ｎｍ）からなる半導体層と低抵抗なオーミック接触で接続されている。

ＲＴＤ１０１ａの周囲では、基板１１３側から順に、基板１１３、第１の導体層１０６、半導体層１１５ａ、電極１１６ａ、Ｃｕを含む導体で構成された導体１１７ａ、第２の導体層１０３ａの順に積層されており、電気的に接続されている。ＲＴＤ１０１ａは、第２の導体層１０３ａの重心から共振方向（ＡＡ’方向）に、第２の導体層１０３ａの一辺の４０％（６０μｍ）シフトした位置に配置されている。ここで、アンテナ１００ａ内におけるＲＴＤ１０１ａの位置により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が決定される。第２の導体層１０３ａは、Ｃｕにより形成されたビアである導体１０７ａ１、１０７ａ２を経由して、下層に配置された線路１０８ａ１、１０８ａ２に接続される。

線路１０８ａ１、１０８ａ２は、第２の誘電体層１０４２上に積層されたＴｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）を含む金属層で形成されている。線路１０８ａ１、１０８ａ２は、チップ内に形成された共通配線であるバイアスライン１１１を経由してバイアス回路１２０に接続される。バイアスライン１１１は、第２の誘電体層１０４２上に積層されたＴｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）を含む金属層によって形成される。アンテナ１００ａは、ＲＴＤ１０１ａの負性抵抗領域にバイアスが設定されることにより、周波数ｆＴＨｚ＝０．５ＴＨｚにおいて０．２ｍＷのパワーでの発振が得られるように設計されている。

導体１０７ａ１、１０７ａ２は、直径１０μｍの円柱構造である。線路１０８ａ１、１０８ａ２は、共振方向（＝Ａ－Ａ’方向）における幅が１０μｍ、長さが７５μｍのＴｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）を含む金属層で形成されたパターンで構成される。導体１０７ａ１、１０７ａ２は、共振方向（＝Ａ－Ａ’方向）における中心であり、かつ、Ｂ－Ｂ’方向における端において第２の導体層１０３ａと接続されている。この接続位置は、アンテナ１００ａに定在するｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に相当する。

素子１０は、９つのアンテナ１００ａ～１００ｉが３×３のマトリクス配置されたアンテナアレイである。それぞれのアンテナは、単体で周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を発振する設計であり、Ａ－Ａ’方向およびＢ－Ｂ’方向ともに３４０μｍピッチ（間隔）で配置されている。隣接するアンテナ間は、Ｔｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）で構成された第３の導体層１１０を含む結合線１０９によって相互に結合されている。例えば、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂとは、結合線１０９ａｂによって相互に結合されている。また、中心のアンテナ１００ｅは、第１の方向（縦方向）に延びる結合線１０９ｅｆおよび１０９ｅｄで、アンテナ１００ｆおよびアンテナ１００ｄとそれぞれ接続されている。同様に、第２の方向（横方向）に延びる結合線１０９１ｈｅ、１０９２ｈｅ、１０９１ｅｂ、１０９２ｅｂにより、アンテナ１００ｅは隣接するアンテナ１００ｈおよびアンテナ１００ｂとそれぞれ接続されている。ここで、アンテナ１００ｅと１００ｄの場合は、縦方向の結合線１０９ｄｅと横方向の結合線１０９２ｈｅ、１０９２ｅｂは、アンテナ１００ｅと１００ｄの縦方向の対称の中心からＡ方向に３０ｕｍシフトした位置で接続されている。つまり、アンテナ１００ｅとアンテナ１００ｄとを結ぶ線分の中心以外で接続されている。第２の導体層１０３ａと第２の導体層１０３ｂとは、同層に形成された幅５μｍ、長さ１９０μｍの第３の導体層１１０ａｂによって直接接続されている。また、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｄとは、結合線１０９ａｄによって相互に結合されている。第２の導体層１０３ａと第２の導体層１０３ｄとは、これらと同じ層に形成された幅５μｍ、長さ４４０μｍの第３の導体層１１０ａｄによって直接接続されている。他のアンテナ間も同様である。アンテナ１００ａ～１００ｉは、発振周波数ｆＴＨｚ＝０．５ＴＨｚにおいて互いに位相がそろった状態（正位相）で相互注入同期されて発振する。

チップ内に形成された共通配線であるバイアスライン１１１は、各アンテナ共通のバイアス配線であり、各アンテナ１００ａ～１００ｉに接続された線路１０８ａ１、１０８ａ２～線路１０８ｉ１、１０８ｉ２と接続される。

素子１０では、結合線１０９ａｂの第３の導体層１１０ａｂとバイアスライン１１１の第４の導体層１１１ｘ１との関係のように、結合線１０９とバイアスライン１１１とが異なる層に配置されている。また、素子１０は、基板１１３側から、基板１１３、第１の導体層１０６、第２の導体層１０３ａの順に積層されている。また、第３の導体層１１０ａｂと第４の導体層１１１ｘ１のように、バイアスライン１１１が第１の導体層１０６と第２の導体層１０３との間の層に配置されている。また、結合線１０９とバイアスライン１１１は互いに交差する。他のアンテナ１００ｂ～１００ｉの間を結合する結合線１０９とバイアスライン１１１の関係も同様である。このような構成であることで、アンテナ間の同期をとるための結合線（結合線１０９）と、それぞれのＲＴＤ１０１にバイアスを供給するための給電線（バイアスライン１１１）との物理的な干渉が低減できる。従って、並べられるアンテナ数の上限が増えるので、アレイ数増加に伴う指向性や正面強度の大きな改善効果を期待できる。

（素子の製造方法について）
次に、本実施形態の素子１０の製造方法（作製方法）について説明する。

（１）まず、ＩｎＰで構成される基板１１３上に、ＲＴＤ１０１ａ～１０１ｉを含む半導体層１１５ａ～１１５ｉを構成するＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ系の半導体層多層膜構造がエピタキシャル成長によって形成される。これは、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）法などによって形成される。

（２）半導体層１１５ａ～１１５ｉの上にオーミック電極である電極１１６ａ～１１６ｉを構成するＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０／２０／２００ｎｍ）がスパッタリング法により成膜される。

（３）電極１１６ａ～１１６ｉおよび半導体層１１５ａ～１１５ｉが、直径２μｍの円形のメサ形状に成形されて、メサ構造が形成される。ここで、メサ形状の形成には、フォトリソグラフィ―とＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングが用いられる。

（４）エッチングされた面にリフトオフ法によって、基板１１３上に第１の導体層１０６が形成された後に、プラズマＣＶＤ法によって第２の誘電体層１０４２となる厚さが２μｍの酸化シリコンが成膜される。

（５）第２の誘電体層１０４２の上に線路１０８ａ１～ｉ２およびバイアスライン１１１を構成する第４の導体層１１１としてＴｉ／Ａｕ層（＝５／３００ｎｍ）が形成される。

（６）スピンコート法とドライエッチング法を用いて第１の誘電体層１０４１となる厚さ５μｍのＢＣＢによる埋め込みおよび平坦化が行われる。

（７）フォトリソグラフィ―とドライエッチングによりビアとなる導体１１７ａ～１１７ｉおよび導体１０７ａ１～１０７ｉ２を形成する部分のＢＣＢおよび酸化シリコンが除去されて、ビアホール（コンタクトホール）が形成される。この際、グレースケール露光を含むフォトリソグラフィを用いれば、第１の誘電体層１０４１および第２の誘電体層１０４２、結合線１０９を形成するためのビアホールのテーパー角度を任意に制御することもできる。

（８）ビアホール内にＣｕを含む導体によって、ビアである導体１１７ａ～１１７ｉおよび導体１０７ａ１～１０７ｉ２が形成される。導体１１７ａ～１１７ｉおよび導体１０７ａ１～１０７ｉ２の形成には、スパッタリング法、電気めっき法、化学的機械研磨法を用いて、Ｃｕによるビアホール埋め込みと平坦化が実施される。

（９）各アンテナの第２の導体層１０３ａ～１０３ｉおよび結合線１０９を構成する第３の導体層１１０となる電極Ｔｉ／Ａｕ層（＝５／３００ｎｍ）がスパッタリング法によって成膜される。

（１０）フォトリソグラフィ―とＩＣＰ（誘導性結合プラズマ）によるドライエッチングによって、第２の導体層１０３ａ～１０３ｉおよび結合線１０９を構成する第３の導体層１１０のパターニングが行われる。

（１１）最後に、シャント抵抗１２１や容量１２４が形成されて、これらがワイヤーボンディングなどで配線１２２および電源１２３と接続されることによって、素子１０が完成する。なお、容量１２４は、例えばＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）容量である。

なお、素子１０への電力の供給はバイアス回路１２０から行われ、通常は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、素子１０は発振器として動作する。

本実施形態の素子１０は好適なアンテナアレイを有する。よって、アンテナ利得の向上と指向性向上の少なくとも１つを達成したアンテナアレイの提供を可能としている。

なお、素子１０のアンテナ１００のそれぞれは、図１（ｂ）に示すような変形も可能である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の素子１０のアンテナ１００ａの変形例を示す上面模式図である。図１（ｂ）では、アンテナ１００ａは、少なくとも２つの半導体層、すなわち半導体層１０１ａ１と、半導体層１０１ａ２を有する。半導体層１０１ａ１と半導体層１０１ａ２は、半導体層１０１と同等の構成を有する。このような構成によって、よりアンテナの利得が向上する。

また、アンテナ１００ａは、正方形のパッチアンテナである。図１（ｂ）では、パッチアンテナの対向する二辺の中心を結ぶ線分を点線で示している。点線の交点がパッチアンテナの中心である。導体１０７ａ１と導体１０７ａ２のそれぞれは、Ｘ方向に沿って伸びるパッチアンテナの二辺の中心に位置する。半導体層１０１ａ１と半導体層１０１ａ２は、Ｙ方向に沿って伸びるパッチアンテナの二辺の中心を結ぶ点線上に位置する。また、半導体層１０１ａ１と半導体層１０１ａ２はパッチアンテナの中心から等距離に位置する。このような構成によって、アンテナの動作が安定する。

（実施形態２）
実施形態２に係る素子２０の構成および断面模式図を図６（ａ）、図６（ｂ）、図７（ａ）、図７（ｂ）に示す。なお、素子２０における下記以外の構成および構造は、実施形態１に係る素子１０の同名の構成と同様であるため詳細な説明を省略する。図６（ａ）は実施形態１の図４に対応し、図６（ｂ）は実施形態１の図５（ａ）に対応する図面であり、重複する説明は省略する。図６（ｂ）は図６（ａ）の構成における共振電界の節と腹の位置を説明するための模式図である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、実施形態１の図３（ａ）および図（ｂ）に対応する図面であり、重複する説明は省略する。

素子２０は、９つのアンテナ２００ａ～２００ｉが３×３のマトリクス状に配置されたアンテナアレイである。アンテナ２００ａは、実施形態１とは異なり、１つのアンテナの中にテラヘルツ波に対する電磁波の利得または非線形性を有する半導体層を２つ備える。具体的には、図７（ａ）に示すように、アンテナ２００ａは、ＲＴＤ２０１ａ１を含む半導体層２１５ａ１とＲＴＤ２０１ａ２を含む半導体層２１５ａ２とを備えている。

図７（ａ）において、半導体層２１５ａ１と半導体層２１５ａ２に対して、第１の導体層２０６が配置されている側と反対側には電極２１６ａ１と電極２１６ａ２が配置されている。第１の導体層２０６と電極２１６ａ１との間に半導体層２１５ａ１が配され、第１の導体層２０６と電極２１６ａ２との間に半導体層２１５ａ２が配されている。電極２１６ａ１と半導体層２１５ａ１は電気的に接続されており、電極２１６ａ２と半導体層２１５ａ２とは電気的に接続されている。また、電極２１６ａ１、２１６ａ２と第２の導体層２０３ａとの間に接続されたビアである導体２１７ａ１、導体２１７ａ２を経由して、バイアス回路１２０から２つのＲＴＤ２０１ａ１、２０１ａ２にバイアス信号が給電される。

図６（ａ）に示すように、ＲＴＤ２０１ａ１は、第２の導体層２０３ａの重心から共振方向（すなわちＡＡ’方向）に、第２の導体層２０３ａの一辺の長さの４０％シフトした位置に配置されている。一方、ＲＴＤ２０１ａ２は、第２の導体層２０３ａの重心から共振方向（すなわちＡＡ’方向）に第２の導体層２０３ａの一辺の長さの－４０％シフトした位置に配置されている。すなわち、ＲＴＤ２０１ａ１とＲＴＤ２０１ａ２とは、第２の導体層２０３ａの重心を通り、かつ、共振方向およ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。この場合、ＲＴＤ２０１ａ１とＲＴＤ２０１ａ２は、互いに位相が反転した状態（逆位相）で相互注入同期して発振する。このように、ＲＴＤをアンテナ内に左右上下対称に配置した構成は、アレイ数増加に伴う指向性や正面強度の改善効果がより得やすい構成である。

結合線２０９は、誘電体層２０４の上に積層された誘電体層２１８の上に積層された第５の導体層２１０と第１の導体層２０６とによって、誘電体層２０４および誘電体層２１８を挟んだマイクロストリップ線路から構成される。例えば、図７（ａ）に示したように、結合線２０９ａｂは、第５の導体層２１０ａｂと第１の導体層２０６とによって、誘電体層２０４および誘電体層２１８を挟んだ構造である。

同様に、結合線２０９ｂｃは第５の導体層２１０ｂｃを上導体層として、結合線２０９ａｄは第５の導体層２１０ａｄを上導体層として、第１の導体層２０６とで、誘電体層２０４および誘電体層２１８を挟んだ構造である。

素子２０は、各アンテナ間をＡＣ結合（容量結合）によって結合した構成のアンテナアレイである。例えば、アンテナ２００ａとアンテナ２００ｂとを結合する結合線２０９ａｂの上導体層である第５の導体層２１０ａｂは、平面視において、第２の導体層２０３ａ、２０３ｂと放射端付近で５μｍだけ重なっている。他のアンテナ２００ｂ～２００ｉのアンテナ間の結合についても同様である。

導体層が重なった部分では、第２の導体層２０３ａ、２０３ｂ、誘電体層２１８、第５の導体層２１０ａｂの順に積層されており、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）の容量構造を形成している。この際、第２の導体層２０３ａと第２の導体層２０３ｂとの間はＤＣにおいてオープンであり、ｆＴＨｚより下の低周波領域において、結合の大きさが小さいため素子間のアイソレーションが確保される。一方、発振周波数ｆＴＨｚの帯域において、アンテナ間の結合の大きさを容量で調整することができる。このような構造は、アンテナ間の結合を大幅に弱めることができるので、アンテナ間の伝送ロスの抑制にもつながり、アンテナアレイの放射効率向上が期待できる。

本実施形態の素子２０は、中心に配置されたアンテナ２００ｅと第２の方向（横方向）で隣接するアンテナの間に第２の方向（横方向）に延伸する結合線を２本配置した例である。具体的には、アンテナ２００ｅと２００ｆの間には、第２の方向（横方向）に延びる結合線２０９１ｈｅ、２０９２ｆｉ、２０９２ｃｆ、２０９１ｅｂが配置され、第１の方向に延びる結合線２０９ｅｆと接続されている。また、アンテナ２００ｅと２００ｄの間には、第２の方向（横方向）に延びる結合線２０９２ｈｅ、２０９１ｄｇ、２０９１ａｄ、２０９２ｅｂが配置され、第１の方向に延びる結合線２０９ｄｅと接続されている。

素子２０における結合線は、アンテナ２００ｉとアンテナ２００ｆとアンテナ２００ｃが配された行と、アンテナ２００ｈとアンテナ２００ｅとアンテナ２００ｂが配された行との間に、梯子状に設けられている。これらの行の間には、Ｘ方向に沿って、結合線２０９ｂｃと、結合線２０９ｈｉと、結合線２０９ｅｆとが配されている。また、これらの行の間には、Ｙ方向に沿って、結合線２０９２ｆｉと、結合線２０９２ｃｆと、結合線２０９１ｈｅと、結合線２０９１ｅｂが配されている。結合線２０９２ｆｉと結合線２０９２ｃｆは、結合線２０９ｂｃと結合線２０９ｈｉと接続する。結合線２０９２ｆｉと結合線２０９２ｃｆは、結合線２０９ｅｆにて接続する。結合線２０９１ｈｅと結合線２０９１ｅｂは、結合線２０９ｂｃと結合線２０９ｈｉと接続する。結合線２０９１ｈｅと結合線２０９１ｅｂは、結合線２０９ｅｆにて接続する。各結合線は一体の導電体から形成されていてもよい。なお、アンテナ２００と結合線とはＡＣ結合によって接続されている。

更に、アンテナ２００ｈとアンテナ２００ｅとアンテナ２００ｂが配された行と、アンテナ２００ｇとアンテナ２００ｄとアンテナ２００ａが配された行との間に、結合線は梯子状に設けられている。これらの行の間には、Ｘ方向に沿って、結合線２０９ｇｈと、結合線２０９ｄｅと、結合線２０９ａｂとが配されている。また、これらの行の間には、Ｙ方向に沿って、結合線２０９２ｈｅと、結合線２０９２ｅｂと、結合線２０９１ｄｇと、結合線２０９１ａｄが配されている。結合線２０９２ｈｅと結合線２０９２ｅｂは、結合線２０９ｇｈと結合線２０９ａｂと接続する。結合線２０９２ｈｅと結合線２０９２ｅｂは、結合線２０９ｄｅにて接続する。結合線２０９１ｄｇと結合線２０９１ａｄは、結合線２０９ｇｈと結合線２０９ａｄと接続する。結合線２０９１ｄｇと結合線２０９１ａｄは、結合線２０９ｄｅにて接続する。各結合線は一体の導電体から形成されていてもよい。なお、アンテナ２００と結合線とはＡＣ結合によって接続されている。

ここで、アンテナ間の位相整合条件を満たすために、第２の方向（横方向）に延びる結合線は、第１の方向で隣接するアンテナ間の対称の中心から第１の方向に所定の距離だけシフトした位置で第１の方向の結合線と接続されている。本実施形態の例であれば、第１の方向と第２の方向の結合線は、テラヘルツ波の周波数で結合線に定在する共振電界の節から上方向および下方向に３０ｕｍシフトした位置で接続されている。このように第２の方向の結合線を２本配置する構成であれば、横方向のアンテナ間の結合が強化されるので、より強い相互注入同期の効果が得られる。よって、アンテナの利得が向上する。また、１本の時と比べて結合線とアンテナの接続配置の対称性が良くなるので、放射パターンが整う効果が見込まれる。

（実施形態３）
図８（ａ）、図８（ｂ）は、本実施形態の素子３０の構成を説明する図を示す。素子３０は、９つのアンテナ３００ａ～３００ｉが３×３のマトリクス状に配置されたアンテナアレイである。アンテナ３００ａ～３００ｉのそれぞれは、実施形態１に係る素子１０と同じく、１つのアンテナの中にテラヘルツ波に対する電磁波の利得または非線形性を有する半導体層を１つ備える。図８（ａ）は実施形態１の図４に対応し、図８（ｂ）は実施形態１の図５（ａ）に対応する図面であり、重複する説明は省略する。

素子３０は、アレイ端に配置されたアンテナの結合線が外方向に延伸された構成である。例えば、４隅のアンテナ３００ａ、３００ｃ、３００ｇ、３００ｉは、横方向にライン３０９１ａ、３０９２ａ、３０９１ｃ、３０９２ｃ、３０９１ｇ、３０９２ｇ、３０９１ｉ、３０９２ｉが接続されて結合線が延伸されている。同様に、縦方向はライン３０９３ａ、３０９３ｃ、３０９３ｇ、３０９３ｉが接続されて結合線が延伸されている。また、アレイの端で且つ４隅以外のアンテナ３００ｂ、３００ｄ、３００ｆ、３００ｈは、縦方向に３０９３ｄ、３０９３ｆが、横方向に３０９１ｂ、３０９２ｂ、３０９１ｈ、３０９２ｈが接続されており、それぞれの結合線が延伸されている。このような構成にすることで、アレイの端の部分においても、アンテナと縦方向に配された結合線、および横方向に配された結合線の少なくともいずれかで同一の関係となる。つまり、アンテナ３００ｅと結合線との関係が、他のアンテナ３００と結合線との関係とレイアウトが均一となっている。よって、端の影響による不要な反射や位相不整合が低減されるため、位相同期の強化や、放射パターンが整う効果が見込まれる。加えて、単位アンテナ毎にアンテナと結合線が縦方向・横方向に対称な形状となっているため、アンテナアレイの設計が単純化されて容易になるメリットがある。本実施形態では、Ｘ方向の結合線とアンテナおよびＹ方向の結合線とアンテナとの対称性を担保したが、いずれか１つの対称性を向上させるたけでもよい。

なお、素子３０のような構成は、単アンテナやアレイ端の結合線を電気的に終端することで端の影響による不要な反射や位相不整合をさらに低減することが出来るので、位相同期の強化や放射パターンの調整により良い構成である。

（実施形態４）
図９（ａ）、図９（ｂ）は、本実施形態の素子４０の構成を説明する図を示す。図９（ａ）は実施形態１の図４に対応し、図９（ｂ）は実施形態１の図５（ａ）に対応する図面であり、重複する説明は省略する。

素子４０は、単位アンテナから縦方向および横方向にそれぞれ独立した結合線が引き出された構成である。例えば、アンテナ４００ｅからは縦方向に結合線４０９ｅｆ、４０９ｄｅが引き出され、アンテナ４００ｆ、４００ｄと接続される。また、横方向には結合線４０９１ｈｅ、４０９２ｈｅ、４０９１ｅｂ、４０９２ｅｂが引き出されて、４００ｈ、４００ｂと接続されている。結合線は、各アンテナの発振器であるＲＴＤ４０１ａ～４０１ｉを正位相で相互注入同期するために、隣接アンテナの発振器間の電気長が２πの整数倍となるような長さに調整される。すなわち、２つのアンテナの半導体層同士の電気長をＬ１としたときに、結合線の長さＬ２は、Ｌ１＝２π×ｋ（ｋは整数）を満たすように設定するとよい。第１の方向（縦方向）の結合線４０９ｄｅはＲＴＤ４０１ｅとＲＴＤ４０１ｄの電気長が２πとなるような長さで調整されている。また、第２の方向に延びる結合線４０９１ｅｂ、４０９２ｅｂは、ＲＴＤ４０１ｅと４０１ｂの電気長が４πとなる長さで調整される。この際、素子４０のような上右左の３方向に分岐された結合線の場合は、それぞれの結合線の長さを個別に調整してアンテナ間の電気長を調整することが出来る。このような構成は、縦横の結合線を個別設計出来るので設計の自由度が向上する。なお、素子４０のような構成は、単アンテナやアレイ端の結合線を電気的に終端することで端の影響による不要な反射や位相不整合をさらに低減することが出来るので、位相同期の強化や放射パターンの調整により良い構成である。

（実施形態５）
本実施形態では、実施形態１～４のいずれかの素子をテラヘルツカメラシステムに適用した場合について説明する。以下、図１０を参照して説明する。テラヘルツカメラシステム１１００は、テラヘルツ波を放射する発信部１１０１と、テラヘルツ波を検出する受信部１１０２とを有する。更に、テラヘルツカメラシステム１１００は、外部からの信号に基づき発信部１１０１や受信部１１０２の動作を制御し、検出したテラヘルツ波に基づく画像を処理、あるいは外部へ出力するための制御部１１０３を有する。各実施形態の素子は、発信部１１０１であってもよいし、受信部１１０２であってもよい。

発信部１１０１からのテラヘルツ波は被写体１１０５にて反射し、受信部１１０２にて検出される。このような発信部１１０１と受信部１１０２を有するカメラシステムをアクティブ型のカメラシステムとも称する。なお、発信部１１０１がないパッシブ型カメラシステムにおいて、各実施形態の素子を受信部として用いることができる。

よって、高いアンテナ利得を有する各実施形態の素子を用いたカメラシステムは高い検出感度や、高画質の画像を得ることが可能となる。

（実施形態６）
本実施形態の素子５０の構成を図１１（ａ）～図１２（ｃ）を用いて説明する。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は素子５０の上面模式図である。図１１（ｃ）は、素子５０の１つのアンテナの要部を拡大した上面模式図である。図１１（ｄ）は、素子５０の１つのアンテナの要部の変形例を示す。図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１２（ｃ）は、図１１（ａ）に対応する素子５０の断面を示す模式図である。素子５０における下記以外の構成および構造は、実施形態１に係る半導体素子１００の構成と同様であるため詳細な説明を省略する。

図１１（ａ）に示すように、素子５０は、９つのアンテナ５００ａ～５００ｉが３×３のマトリクス状に配置されたアンテナアレイである。素子５０は、アンテナ５００ａを単位アンテナとして、単位アンテナが０．６波長のピッチで並べられたアンテナアレイである。

素子５０は、Ｙ方向に沿って配された容量５３０を有する。素子５０では、容量５３０は１２個が示されている。Ｙ方向に沿って、２つのアンテナの間に配された容量５３０は、２つのアンテナの符号を用いて容量５３０ａｄなどと示し、図１１（ａ）では６つ示されている。Ｙ方向に沿って、アンテナアレイの外周に配された容量５３０は、隣接するアンテナの符号を用いて容量５３０ａなどと示し、図１１（ａ）では６つ示されている。

素子５０は、Ｘ方向に沿って配された容量５３１と容量５３２を有する。容量５３１はアンテナ５００ａ～アンテナ５００ｉの間に配され、容量５３２はアンテナ５００ａ～アンテナ５００ｉの周囲に配される。容量５３１は、２つのアンテナの間に位置し、２つのアンテナの符号を用いて、容量５３１ａｂなどと示す。素子５０において、容量５３１は６つが示されている。容量５２１は、アンテナアレイの外周に位置し、隣接するアンテナの符号を用いて、容量５３２ａなどと示す。素子５０において、容量５２１は、６つが示されている。

アンテナ５００ａは、発振周波数ｆＴＨｚにおいてＸ方向およびＹ方向の隣接アンテナ間で電力伝送を行うための伝送線である複数の結合線を備える。結合線は、カップリングラインとも称する。少なくとも１つのアンテナは、複数の結合線を備える。少なくとも１つのアンテナは、少なくとも３本以上の結合線と接続されている。少なくとも１つのアンテナは、少なくとも４つ以上の異なるアンテナと結合線を介して接続されている。ここで、結合線がアンテナと結合しているという場合には、アンテナと結合線が容量を介して電気的に接続している場合と、アンテナと結合線が直接接続している場合や、アンテナと結合線が１つの導電体で構成されている場合を含む。結合線は、マイクロストリップライン構造を有している。マイクロストリップライン構造は、１つの導体層と、誘電体と、他の導体層とを有する。以降の説明において、理解を容易にするため１つの導体層と結合線の符号を同一の符号を用いて説明する場合がある。

アンテナアレイの１行目には、アンテナ５００ｉ、アンテナ５００ｆ、アンテナ５００ｃがＹ方向に沿ってこの順に配されている。アンテナアレイの２行目にはアンテナ５００ｈ、アンテナ５００ｅ、アンテナ５００ｂがＹ方向に沿ってこの順に配されている。アンテナアレイの３行目にはアンテナ５００ｇ、アンテナ５００ｄ、アンテナ５００ａがＹ方向に沿ってこの順に配されている。Ｘ方向を上方向とすると、３行目の上に２行目、２行目の上に１行目のアンテナが配されている。

結合線について説明する。まず、図１１（ａ）に記載の複数の導体層５０９１、複数の導体層５０９、複数の導体層５０９２のそれぞれは、結合線として機能しうる。簡単のため２行目に着目すると、２行目のアンテナ５００ｈ、アンテナ５００ｅ、アンテナ５００ｂには、１行目のアンテナとの間に、導体層５０９１と、導体層５０９とが配されている。また、２行目のアンテナ５００ｈ、アンテナ５００ｅ、アンテナ５００ｂには、３行目のアンテナとの間に、導体層５０９２と、導体層５０９とが配されている。ここで２つのアンテナを結合する導体層には２つのアンテナの符号を付している。例えば、アンテナ５００ｅに着目する。アンテナ５００ｈとアンテナ５００ｅとの間は、導体層５０９１ｈｅと導体層５０９２ｈｅで結合されている。アンテナ５００ｅとアンテナ５００ｂとの間は、導体層５０９１ｅｂと導体層５０９２ｅｂで結合されている。アンテナ５００ｅとアンテナ５００ｆとの間は、導体層５０９ｅｆで結合されている。アンテナ５００ｅとアンテナ５００ｄとの間は、導体層５０９ｄｅで結合されている。

言い換えると、アンテナ５００ｈは、導体層５０９１ｈｅと結合し、導体層５０９２ｈｅと結合する。アンテナ５００ｅは、導体層５０９１ｈｅと結合し、導体層５０９２ｈｅと結合する。アンテナ５００ｅは、導体層５０９１ｈｅと導体層５０９２ｈｅを介してアンテナ５００ｈと結合する。アンテナ５００ｅは、導体層５０９１ｅｂと結合し、導体層５０９２ｅｂと結合する。アンテナ５００ｂは、導体層５０９１ｅｂと結合し、導体層５０９２ｅｂと結合する。アンテナ５００ｅは、導体層５０９１ｅｂと導体層５０９２ｅｂを介して、アンテナ５００ｂと結合する。アンテナ５００ｅは、導体層５０９ｅｆと結合する。アンテナ５００ｆは、導体層５０９ｅｆと結合する。アンテナ５００ｅは、導体層５０９ｅｆを介して、アンテナ５００ｆと結合する。アンテナ５００ｅは、導体層５０９ｄｅと結合する。アンテナ５００ｄは、導体層５０９ｄｅと結合する。アンテナ５００ｅは、導体層５０９ｄｅを介して、アンテナ５００ｄと結合する。

図１１（ａ）のアンテナの符号をｘｙとするとき、ｘ≠ｙ≠ｚでｘ、ｙ、ｚはａ～ｉである。導体層５０９１ｘｙはアンテナに対して上に位置し、Ｙ方向の結合を行う。導体層５０９２ｘｙはアンテナに対して下に位置し、Ｙ方向の結合を行う。また、導体層５０９１ｘｙと導体層５０９２ｘｙの間には５０９ｘｚが配される。ここで、上下とはＸ方向に沿った位置を意味し、図１１（ａ）の紙面の上下を意味する。

アンテナアレイの端部について説明する。図１１（ａ）に示すアンテナアレイのうち、端部のアンテナについては対象が表示されていないため、例えば５０９１ｈや５０９１ｉといった表記なっている。しかし、他のアンテナについても同様に導体層が配されていてもよい。また、例えば、アンテナ５００ｄに着目すると、アンテナ５００ｄに結合する導体層５０９３ｄは、他のアンテナと結合していない。導体層５０９３ｄは、容量５３２ｄに結合していてもよい。導体層５０９３ｄは終端しているともいえる。

このような導体層の配置の関係は、アンテナ５００ｅと同様である。すなわち、このような構成によって、アンテナアレイの端部に位置するアンテナと導体層との配置の関係と、アンテナアレイの内部に位置するアンテナと導体層との配置の関係が同等になる。つまり、単位セルとしてアンテナ５００ａが、アンテナ５００ｂ～アンテナ５００ｉに繰り返し配置されているともいえる。このような構成によって、アンテナアレイの対称性を高めることができる。

アンテナと容量の関係を説明する。容量５３０、容量５３１、容量５３２は、シャント素子として機能しうる。Ｘ方向に配された複数の容量５３１と複数の容量５３２は、結合線である導体層を介して、アンテナの上部の導体層と結合する。また、Ｙ方向に沿って配された複数の容量５３０は、アンテナの上部の導体層と結合する。このような構成にすることで、結合線における寄生発振を低減することができる。本明細書において結合は、容量結合の場合と直接接続の場合を含みうる。

容量５３１は、複数の導体層と結合することができる。つまり、１つの容量５３１を複数の導体層で共有することができる。例えば、容量５３１ａｂを用いて説明する。容量５３１ａｂには、導体層５０９ａｂと、導体層５０９１ａと、導体層５０９１ａｄと、導体層５０９２ｂと、導体層５０９２ｅｂとが結合する。容量５３２についても同様で、１つの容量５３１を複数の導体層で共有することができる。例えば、容量５３２ａには、導体層５０９２ａと、導体層５０９２ａｄと、結合線５０９３ａとが結合する。このような構成にすることで、素子の共有による素子面積の削減が可能である。また、容量５３０は、複数のアンテナと結合することができる。つまり、つまり、１つの容量５３０を複数のアンテナで共有することができる。例えば、容量５３０ａｄを用いて説明する。容量５３０ａｄには、アンテナ５００ａの導体層と、アンテナ５００ｄの導体層とが結合する。各アンテナに接続する容量を共有化することでき、素子面積の削減が可能となる。これら容量５３０～容量５３２と、導体層と容量の接続の構成については、後に、図１２（ａ）～図１２（ｃ）を用いて説明する。

アンテナ５００ａは、発振素子を構成するＲＴＤ５０１ａ１とＲＴＤ５０１ａ２を有する。アンテナ５００ｂは、ＲＴＤ５０１ｂ１とＲＴＤ５０１ｂ２を有する。アンテナ５００ｄは、ＲＴＤ５０１ｄ１とＲＴＤ５０１ｄ２を有する。他のアンテナにおいても同様である。

図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のアンテナアレイの単位アンテナであるアンテナ５００ａの上面図である。アンテナ５００ａは、パッチアンテナである。アンテナ５００ａは、少なくとも導体層５０３ａを有する。導体層５０３ａは、バイアスが供給され、Ｚ方向に沿った断面において上部に位置するため上部の導体層ともいえる。アンテナ５００ａは、内部にテラヘルツ波に対する電磁波の利得または非線形性を有する活性層を、少なくとも１つ以上備える。具体的には、アンテナ５００ａは、２つの活性層を有し、ＲＴＤ５０１ａ１を含む半導体層５１５ａ１と、ＲＴＤ５０１ａ２を含む半導体層５１５ａ２とを有する。アンテナ５００ａは、単体でも発振周波数ｆＴＨｚで発振する設計となっている。図１１（ｂ）において、ＲＴＤ５０１ａ１、ＲＴＤ５０１ａ２、導体層５０３ａ、バイアスライン５１１ａ、導体層５０９ａは、アンテナ５００ａの中心に対して左右上下に対称な構成となっていることが望ましい。ここで、左右上下とは、図１１（ａ）および図１１（ｂ）において、Ｘ方向（ＡＡ‘方向）およびＹ方向（ＢＢ’方向）を意味する。

容量５３０ａは、抵抗５２１２と、ＭＩＭ容量を構成する導体層５２２４と、線路５０８ａ２と、導体層５０７ａ２とを有する。容量５３０ａｄは、抵抗５２１１と、ＭＩＭ容量を構成する導体層５２２３と、線路５０８ａ１と、ビア５０７ａ１とを有する。また、開口５０５ａと開口５０５ａｄは、導体層に配された開口である。導体層は、バイアスライン５１１ａと、線路５０８ａ１と、線路５０８ａ２を含む。以下、線路、ビアは導体層ともいえる。

容量５３２ａは、導体層５２２１と、導体層５０７１と、抵抗５１９１と、抵抗５１９２と、導体層５０７２とを有する。容量５３１ａｂは、少なくとも導体層５２２２と、抵抗５１９３と、抵抗５１９４とを有する。ここで、導体層５０７１、導体層５０８２はビアともいえる。

図１１（ｂ）において、導体層５０９１ａｄは、一部が示されている。導体層５０９１ａｄは、抵抗５５１１と、抵抗５２３３とを有する。導体層５０９１ａｄは、他の部分を更に有する。他の部分は、図示された部分がアンテナ５００ｄ側に５５１１を基準として線対称に配された構成である。導体層５０９１ａは、抵抗５５１２と、抵抗５２３４とを有する。導体層５０９１ａｄは抵抗５２３３を介して容量５３１ａｂと、導体層５０９１ａは抵抗５２３４を介して容量５３１ａｂと結合する。

同様に、図１１（ｂ）において、導体層５０９２ａｄは、一部が示されている。導体層５０９２ａｄは、抵抗５５１３と、抵抗５２３１とを有する。導体層５０９２ａｄは、他の部分を更に有する。他の部分は、図示された部分がアンテナ５００ｄ側に抵抗５５１３を基準として線対称に配された構成である。導体層５０９２ａは、抵抗５５１４と、抵抗５２３２とを有する。導体層５０９２ａｄは抵抗５２３１を介して容量５３２ａと、導体層５０９２ａは抵抗５２３２を介して容量５３２ａと結合する。

図１１（ｂ）に示すように、アンテナ５００ａが有する素子の配置は対称性が高い配置となっている。また、アンテナ５００ａに結合される各素子の配置も対称性が高い。このような構成によって、放射パワーの低下を抑制することができる。

図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）に示すアンテナ５００ａの結合線と容量と部分の拡大図である。導体層５０９ａｂの一部と、導体層５０９１ａと、導体層５０９１ａｄの一部が示さされている。導体層５０９３ａと、導体層５０９２ａと、導体層５０９２ａｄの一部が示さされている。導体層５０９ａｂの一部の長さと導体層５０９３ａの長さを等しくし、導体層５０９１ａの長さと導体層５０９１ａｄの一部との長さを等しくし、導体層５０９２ａの長さと導体層５０９２ａｄの一部の長さを等しくする。また、導体層５０９１ａの長さと導体層５０９２ａの長さを等しくし、導体層５０９１ａｄの一部との長さと導体層５０９２ａｄの一部の長さを等しくする。このような構成によって、アンテナ５００ａの対称性を向上させることができる。

図１２（ａ）～図１２（ｃ）を用いて、図１１（ｂ）に対応した断面構造を説明する。図１２（ａ）は、図１１（ｂ）のＡ－Ａ’線に対応した断面模式図である。図１２（ｂ）は、図１１（ｂ）のＢ－Ｂ’線に対応した断面模式図である。図１２（ｃ）は、図１１（ｂ）のＣ－Ｃ’線に対応した断面模式図である。

図１２（ａ）に示すように、素子５０は、基板５１３、導体層５０６、導体層５２２２、導体層５２２１、導体層５０３ａ、導体層５０９ａｂ、導体層５０９３ａを有する。素子５０は、ＲＴＤ５０１ａ１を含む半導体層５１５ａ１、ＲＴＤ５０１ａ２を含む半導体層５１５ａ２、導体層５１６ａ１、導体層５１６ａ２、導体層５１７ａ１、導体層５１７ａ２、導体層５１４を有する。素子５０は、誘電体５０４３、誘電体５０４２、誘電体５０１、誘電体５０４４を有する。導体層５１７ａ１、導体層５１７ａ２、導体層５１４はビアあるいはプラグともいえる。導体層５０６は、例えばグランド、接地電圧を供給する。

導体層５０９ａｂは、導体層５０６と、導体層５０９ａｂと導体層５０６との間の誘電体とによって結合線を構成する。導体層５０９３ａは、導体層５０６と、導体層５０９３ａと導体層５０６との間の誘電体とによって結合線を構成する。導体層５０３ａは、導体層５０６と、導体層５０３ａと導体層５０６との間の誘電体と、ＲＴＤ５０１ａ１と、ＲＴＤ５０１ａ２によって共振器として機能する。導体層５２２２は、導体層５０６と、導体層５２２２と導体層５０６との間の誘電体とによって容量５３１ａｂを構成する。導体層５２２１は、導体層５０６と、導体層５２２１と導体層５０６との間の誘電体とによって容量５３２ａを構成する。導体層５０９ａｂと導体層５０３ａは、Ｚ方向に重なるように配され、重なり部分は長さＬ１となる。導体層５０９３ａと導体層５０３ａは、Ｚ方向に重なるように配され、重なり部分は長さＬ２となる。すなわち、２本の結合線と１つのアンテナが結合している。導体層５０９ａｂと容量５３１ａｂは接続し、導体層５０９３ａと容量５３２ａは接続する。

接続について、図１２（ｃ）を用いて説明する。図１２（ｃ）の構成について、図１２（ａ）と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。図１２（ｃ）に示すように、素子５０は、抵抗５１９１、抵抗５１９２、導体層５０７１、導体層５０７２、導体層５１４、導体層５０９３ａを有する。導体層５０９３ａは導体５１４を介して容量５３２ａに接続する。導体層５０９３ａは、導体層５１４、抵抗５１９１、導体５０７１、導体層５２２１と直列に接続する。導体層５０９３ａは、導体層５１４、抵抗５１９２、導体５０７２、導体層５２２１と直列に接続する。導体層５０７１、導体層５０７２、導体層５１４はビアやプラグなどとも称する。

図１２（ｂ）の構成について、図１２（ａ）および図１２（ｃ）と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。素子５０は、導体層５０７ａ１、導体層５０７ａ２、導体層５０８ａ１、導体層５０８ａ２、導体層５１１ａ、導体層５１２、導体層５２２３、導体層５２２４を有する。素子５０は、抵抗５２１１、抵抗５２１２を有する。導体層５０７ａ１、導体層５０７ａ２、導体層５１２は、ビアあるいはプラグとも称する。導体層５０３ａは、導体層５０７ａ１、導体層５０８ａ１、抵抗５２１１、導体層５１２を介して、導体層５２２３と接続する。つまり、導体層５０３ａは、容量５３０ａｄと接続する。また、導体層５０３ａは、導体層５０７ａ２、導体層５０８ａ２、抵抗５２１２、導体層５１２を介して、導体層５２２４と接続する。つまり、導体層５０３ａは、容量５３０ａと接続する。ここで、２つの場所において、導体層５１１は導体層５１２と離間して配されている。導体層５１１ａは、紙面手前および紙面奥の少なくとも一方において、導体層５０８ａ１および導体層５０８ａ２の少なくとも一方と接続している。紙面手前および紙面奥とは、Ｘ方向における位置である。言い換えると、Ｙ方向およびＺ方向を含む断面において、導体層５１１ａは、開口５０５ａｄと開口５０５ａを有する。

上述の複数の導体層は、基板５１３の上面からの距離が異なる構成となっている。例えば、図１２（ａ）～図１２（ｃ）の要部の構成においては次のようになっている。第１層は導体層５０６を含み、第２層は導体層５２２１、導体層５２２２、導体層５２２３、導体層５２２４を含み、第３層は導体層５１２、導体層５０７１、導体層５０７２を含む。第４層は導体層５０８ａ１、導体層５０８ａ２、導体層５１９１、導体層５１９２、導体層５１１ａを含む。第５層は導体層５０８ａ１、導体層５０８ａ２、導体層５１９１、導体層５１９２、導体層５１１ａを含む。第６層は導体層５０７ａ１と導体層５０７ａ２を含み、第７層は導体層５０３ａを含み、第８層は導体層５１４を含み、第８層は導体層５０９ａｂと導体層５０９３ａを含む。各構成の位置は、任意の製造方法を選択することで変更することも可能である。

図１２（ａ）～図１２（ｃ）において、導体層５０６は、容量や結合線などの各構成に対して共通に設けられている。導体層５０６は、素子５０の全面に渡り配された一体の導体層容量である。このような導体層５０６によって、供給する電圧の変動を低減することができる。

素子５０の構成について、図１１（ａ）～図１２（ｃ）を用いて、更に説明する。上述したように、複数の結合線は、マイクロストリップ構造を有する。結合線は、１の導体層と、誘電体と、他の導体層とからなる。例えば、導体層５０９ａ、導体層５０９ａｂ、導体層５０９３ａ、導体層５０９１ａｄ、導体層５０９１ａ、導体層５０９２ａｄ、導体層５０９２ａと、導体層５０６および導体層５１１ａで誘電体５０４、誘電体５０４４を挟んだ構造のマイクロストリップ線路である。導体層５１１ａは、ｆＴＨｚで接地導体として動作する、バイアスラインともいえる。アンテナ５００ａは、パッチアンテナとパッチアンテナに接続されたマイクロストリップ線路から構成されており、単一アンテナでも発振周波数ｆＴＨｚで発振する設計となっている。導体層５０６は第１の導体層ともいえる。

アンテナ５００ａのパッチアンテナは、導体層５０９ａとＡＣ結合（容量結合）によって結合される。例えば、図１１（ｂ）と図１２（ａ）に示したように、アンテナ５００ａの導体層５０３ａと導体層５０９ａｂの導体層は、平面視において、アンテナ５００ａの放射端付近で絶縁体を挟んで重なっている。重なり長さはＬ１である。長さＬ１は例えば、５μｍとする。導体層が重なった部分は、導体層５０３ａ、誘電体層５０４４、導体層５０９ａｂの順に積層された金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）の容量構造である。容量値は、例えば、２０ｆＦである。導体層５０３ａと導体層５０９ａｂはＤＣおよびｆＴＨｚより下の低周波領域（～１０ＧＨｚ）でオープンとなり、アンテナ間の分離が確保される。一方、発振周波数ｆＴＨｚの帯域では、容量でインピーダンスを調整してアンテナ間の結合の強弱を調整する。他の導体層５０９１ａｄ、導体層５０９１ａ、導体層５０９２ａｄ、導体層５０９２ａ、導体層５０９３ａについても同様である。

図１１（ｂ）に示したとおり、アンテナ５００ａは、各放射端で上右左の３方向にカップリングラインが分岐されており、各６本の導体層とそれぞれ独立に接続されている。６本の導体層は、導体層５０９１ａｄ、導体層５０９１ａ、導体層５０９２ａｄ、導体層５０９２ａ、導体層５０９ａｂ、導体層５０９３ａである。従って、２つのアンテナと１本のカップリングラインが２：１：１の関係で接続されている。このような構成は、２つのアンテナと１本のカップリングラインからなる組を個別に独立して長さや幅を調整することが可能となるため、アンテナアレイにおける各アンテナ間の電気長とインピーダンスを個別調整する際に好適である。従って、縦横のカップリングラインを個別に調整出来るので、設計の自由度が向上する。図１１（ｃ）に示したように、アンテナの放射端における導体層５０９ａの接続部が複数のカップリングラインが合流して１点で接続するような構成や、アンテナ内の接続部の面積を増やして結合量を増やす構成も考えられる。用途に応じて適宜選択することが出来る。

導体層５０９ａの幅は、マイクロストリップラインのインピーダンスの調整パラメータであり、アンテナ５００ａとの整合と伝送損失低減の観点で設計する。導体層５０９ａの長さは、隣接アンテナ内の同位置にあるＲＴＤとの電気長が２πの整数倍となるように設計することが好ましい。アンテナ５００ａの場合、Ｘ方向に延びる導体層５０９ａｂは、ＲＴＤ５０１ａ１とＲＴＤ５０１ｂ１の電気長が２πとなる長さとなる。従って、図１１（ｃ）に示される導体層５０９ａｂの一部は導体層５０９ａｂの半分（電気長π）となる長さに設定される。また、導体層５０９ａｂの一部と、導体層５０９３ａは同じ長さに設定される。同様に、Ｙ方向に延びる導体層５０９１ａｄの一部と、導体層５０９２ａｄは、ＲＴＤ５０１ａ１とＲＴＤ５０１ｄ１との間、およびＲＴＤ５０１ａ２とＲＴＤ５０１ｄ２との間の電気長の４πとなる長さの半分、すなわち電気長２πとなるような長さに設定される。また、導体層５０９１ａは、少なくとも導体層５０９１ａｄの１／２倍および導体層５０９２ａｄの１／２倍のいずれかの長さに設定されうる。また、導体層５０９２ａは、少なくとも導体層５０９１ａｄの１／２倍および導体層５０９２ａｄの１／２倍のいずれかの長さに設定されうる。

導体層５０９ａは、モード安定化のために発振周波数ｆＴＨｚの共振電界の節に接続したシャント部品を備える。図１１（ｃ）にあるように、導体層５０９ａとシャント部品はビア５１４を介して接続される。シャント部品は、抵抗と容量を有する。シャント部品は、例えば、スナバ回路である。抵抗５１９１、抵抗５１９２、抵抗５２３１、抵抗５２３２、容量５３２ａが直列接続される。抵抗５１９３、抵抗５１９４、抵抗５２３３、抵抗５２３４、容量５３１ａｂは直列接続される。抵抗は、例えば２０Ωであり、ＴｉＷなどの薄膜からなる。容量は、例えば２０ｐＦであり、ＭＩＭ容量である。容量５３２ａは、導体層５２２１と導体層５０６で誘電体５０４３を挟んだ容量構造である。容量５３１ａｂは、導体層５２２２と導体層５０６で誘電体５０４３を挟んだ容量構造である。これにより、発振周波数ｆＴＨｚ以外の高周波をＡＣショートし低インピーダンス化することで、アンテナアレイにおけるマルチモード発振を抑制することが出来る。また、導体層５０９ａは、発振周波数ｆＴＨｚの共振電界の腹の位置に抵抗５５１１、抵抗５５１２、抵抗５５１３、抵抗５５１４が接続されている。これら抵抗は、例えば、抵抗値２０Ωであり、ＴｉＷの薄膜からなる。これにより、発振周波数ｆＴＨｚ以外の周波数や位相ズレの成分を損失させてモード安定化をおこなう。

発振周波数ｆＴＨｚの共振電界の節および腹に配置したこれらの部品は、単位アンテナであるアンテナ５００ａの導体層５０９ａの端部における電気的な終端の役割も果たす。例えば、アンテナ５００ａの上下（Ｘ方向）にアンテナを接続しない場合について説明する。導体層５０９ａｂの導体層５０３ａと接続されない側の端は開放端となる。また、導体層５０９３ａの導体層５０３ａと接続されない側の端は開放端となる。解放端が存在する場合、共振特性に影響が生じることがある。アンテナ５０１ａのように、端をｆＴＨｚの共振電界の節に接続したシャント部品でＡＣショートして終端することで、不要な反射や位相不整合を低減して周波数ｆＴＨｚの共振が安定化する。また、左右（Ｙ方向）にアンテナを接続しない場合も同様である。導体層５０９１ａｄ、導体層５０９１ａ、導体層５０９２ａｄ、導体層５０９２ａの端に接続した抵抗がインピーダンスを調整する終端の役割を果たす。抵抗は、発振周波数ｆＴＨｚの共振電界の腹に位置する。本実施形態は、単アンテナやアレイ端のカップリングラインを電気的に終端して端の影響を低減することで、発振の安定化、位相同期の強化、および放射パターン調整のうち少なくとも１つに対して好適な構成でとなりうる。

次に、ＲＴＤ５０１ａ１とＲＴＤ５０１ａ２への電力供給のためのバイアスラインについて説明する。バイアスラインは導体層５１１である。アンテナ５０１ａは、バイアスラインもアンテナ５００ａの中心（重心）に対して紙面の上下左右に対称な構成としている。紙面の上下左右とは、Ｘ方向およびＹ方向であり、Ａ－Ａ’方向とＢ－Ｂ’方向ともいえる。導体層５０３ａのｆＴＨｚにおける共振電界の節で接続された導体層５０７ａ１と導体層５０７ａ２は、線路５０８ａ１および線路５０８ａ２を経由して共通配線である導体層５１１ａと接続される。線路５０８ａ１および線路５０８ａ２は、導体層５０７ａ１および導体層５０７ａ２との接続部における配線幅は細く、共通配線である導体層５１１ａに近づくにつれて線路５０８ａ１および５０８ａ２の配線幅が太くなるペンシル状の先細り形状とした。配線幅のうち細い部分は、λＴＨｚ／１０以下の長さである。導体層５０７ａ１と導体層５０７ａ２の接続幅が細いことで、バイアスラインとアンテナ内のｆＴＨｚの共振電界との干渉や損失が抑制される。また、徐々に配線幅が太くなることで、ＤＣから低周波数帯（＜１００ＭＨｚ）の配線抵抗は削減されるので各アンテナの動作電圧ばらつきが抑制される。このような配線構造は、低周波数帯の配線抵抗減による動作電圧ばらつき抑制と、ｆＴＨｚにおけるアンテナ内の干渉や損失の抑制が両立するため、アンテナアレイの相互注入同期の安定動作に好適な構成である。また、線路５０８ａ１および線路５０８ａ２は、スナバ回路と接続されている。スナバ回路は、抵抗５２１１、容量５３０ａの導体層５２２３を直列に接続した構成である。また、スナバ回路は、抵抗５２１２、容量５３０ａｄの導体層５２２４を直列に接続した構成である。抵抗５２１１、抵抗５２１２は、例えば１５Ωであり、ＴｉＷの薄膜である。導体層５２２３と、導体層５０６と、それらの間の誘電体５０４３で、容量５３０ａｄが構成される。導体層５２２４と、導体層５０６と、それらの間の誘電体５０４３で、容量５３０ａが構成される。容量５３０ａ、容量５３０ａｄの容量値は、例えば１０ｐＦである。スナバ回路により、ＲＴＤに近い導体層５１１ａ、線路５０８ａ１、線路５０８ａ２は、１００ＧＨｚ以下の周波数帯でＡＣショートされ、低インピーダンス化される。従って、バイアスラインのインダクタンスに起因した１００ＧＨｚ以下の寄生発振を低減することができる。

図１１（ｂ）は、単位アンテナであるアンテナ５００ａを０．６波長の等ピッチで３×３個配置し、隣接アンテナ間をカップリングラインで接続したアンテナアレイである。カップリングラインを接続することで、各アンテナのＲＴＤ５０１ａ１とＲＴＤ５０１ｉ２が正位相で相互注入同期される。また、導体層５１１ａも隣接間ですべて接続されて共通の導体層５１１、すなわち共通のバイアスラインとなる。共通のバイアスラインによって、共通電源から各アンテナのＲＴＤにバイアス信号を供給することができる。この際、隣接アンテナのスナバ回路が接続されて、対称性を維持することが好ましい。例えば、アンテナ５００ａとアンテナ５００ｄであればスナバ回路５３０ａｄが接続され、対称性を向上させることができる。スナバ回路５３０ａｄは、抵抗とＭＩＭ容量からなる。スナバ回路５３０ａｄは、アンテナごとに接続され、共通の導体層５１１に接続される。スナバ回路５３０ａｄは、隣接するアンテナ間に配置される。スナバ回路５３０ａｄのように部品レイアウト削減による集積度増のため、隣接アンテナ間で容量を共有しても良い。このスナバ回路５３０ａｄを含むアンテナごとに配置されたスナバ回路でアンテナアレイの共通の導体層５１１を１００ＧＨｚ以下の周波数帯でＡＣショートし低インピーダンス化し、これにより各アンテナ間の低周波発振を抑制する。つまり、複数のアンテナに対して、少なくとも１つのスナバ回路が接続されている。

アンテナ５００ｅは、上下左右に４つの異なるアンテナ５００ｆ、アンテナ５００ｄ、アンテナ５００ｈ、アンテナ５００ｂとカップリングラインを介して接合されている。また、アンテナ５００ｅと上下に並ぶアンテナ５００ｆとアンテナ５００ｄは、それぞれ１本の独立した結合線によって１：１で接続されている。また、アンテナ５００ｅと左右に並ぶアンテナ５００ｈとアンテナ５００ｂは、それぞれ２本の独立した結合線によって１：１で接続されている。つまり、アンテナ５００ｅは合計６本の結合線と接続されている。アンテナ５００ｅから伸びる一本の結合線５０９１ｅｂは枝分かれせずに、隣接する１つのアンテナ５００ｂに接続される。このように、アンテナ部品と結合線が対称配置された単位アンテナを規則的に並べるアンテナアレイであれば、単位アンテナのインピーダンスをベースとして、近似により大規模なＭ×Ｎアレイ（ＭとＮはアンテナ個数であり自然数である）を高精度且つ効率良く設計することが可能となる。また、縦方向（Ｘ方向）および横方向（Ｙ方向）の両方にカップリングラインを引き回すことが出来るので、隣接アンテナ間の相互注入同期が強化されて、アンテナアレイの同期による指向性制御が容易となる。

図１１（ｄ）は、本実施形態の変形例を示す平面模式図である。素子５１と素子５２は、図１１（ｂ）のアンテナ５００ａのＸ方向における上部を示している。つまり、導体層５０３ａと結合線５０９１ａｄと結合線５０９ａｂと結合線５０９１ａとの結合部を示している。図１１（ｂ）において３本の結合線の端部が離間して配されていたのに対して、素子５１では３本の結合線の端部は１体となっている。換言すると、アンテナ５００ａと結合する１つの結合線が２つ以上、例えば３つに分岐しているともいえる。また、素子５２では、素子５１に対して３又に分岐する部分が離間している。言い換えると、図１１（ｂ）における３本の結合線の端部をＹ方向に延びた別の導体層で接続しているともいえる。

素子５１および素子５２は、平面視において、結合するアンテナの外縁の内側において１本の結合線であり、外縁の外側において３本の結合線に分岐しているともいえる。また、素子５１および素子５２の構成は、例えば、アンテナと３本の結合線が１つの接続点で接続しているともいえる。また、図１１（ｂ）においては、平面視において、結合するアンテナの外縁の内側において３本の結合線であり、各結合線が離間して配されている。つまり、図１１（ｂ）では、アンテナと３本の結合線は、３つの接続点で接続しているともいえる。ここで、接続点は結合点であってもよく、接続は結合であってもよい。このような構成によって、３つの結合線の間の同期をとることができる。

図１１（ａ）のアンテナアレイの配列に関して、Ｍ×Ｎは３×３に限らず、４×４や５×５などのアンテナアレイに拡張することも可能である。

（実施形態７）
図１３（ａ）は、実施形態６の変形例である素子６０の上面図である。符号を振った構成以外は、図１１（ａ）に示す構成と同等である。

図１３（ａ）では、アンテナアレイの中心のアンテナ６００ｅは、接続出来る隣接アンテナが上下（Ｘ方向）に２つ以上、左右（Ｙ方向）に２つ以上あるため、左右上下に伸びた結合線６０９ｅで隣接アンテナと接続する。アンテナ６００ｅの構成は、図１１（ａ）に示すアンテナ５００ｅと同様である。一方、アレイ端にあるアンテナ６００ａ～６００ｄおよび６００ｆ～６００ｉは、隣に配されたアンテナが無い方向の結合線が設けられていない。素子６０の各結合線の長さおよびインピーダンスは、前述の節と腹に配置する結合線がなくても発振周波数ｆＴＨｚが安定して同期するように調整することができる。従って、各アンテナにおける結合線の本数を減らしても周波数ｆＴＨｚの共振特性の変動を低減することができる。素子６０は、例えば、アンテナの上端と下端においてにおいて、隣接する２つのアンテナと結合線が１：１：１の関係で接続し、別々に独立に接続する。アンテナの上端と下端とは、Ｘ方向におけるアンテナの端部である。よって、ｆＴＨｚの共振特性を変化させずに不要なカップリングラインを間引くことが可能である。素子６０は、例えば、アンテナの左端と右端において、隣接する２つのアンテナと結合線が１：２：１の関係で接続する。アンテナの右端と左端とはＹ方向におけるアンテナ端部である。

アンテナアレイの外周部に配されたアンテナにおいて、アンテナアレイの外周側に結合線を配さないことで、結合線の端部は９つのアンテナのいずれかと結合される。ＴＨｚ帯のマイクロストリップライン構造では、表皮効果による導体損失と、ｔａｎδ増による誘電体損が生じ、電力伝送に伴う損失が増加しうる。よって、結合のための電力伝送が増えるほど損失も増加するため、同期と損失にはトレードオフの関係が生じうる。本実施形態のような構成であれば、結合に寄与しない結合線を削減することができるため、損失を低減することができる。注入同期による指向性制御と伝送ロス減による正面利得増の両立が可能となる。また、カップリングラインの開放端を無くすことで、前述の終端部品の集積が不要となる。よって、製造誤差による特性ばらつきの低減や製造コストの低減が可能である。

図１３（ｂ）は、素子６０のアンテナアレイの配列を４×４アレイに拡張した素子７０の上面模式図である。図１３（ｂ）では、図１３（ａ）のアンテナを構成する導体層と結合線を構成する導体層のみを示す。図１３（ａ）のように対称性の高いアンテナと結合線からなる単位アンテナを用いることで、低次のアンテナアレイと同じ設計ルールで奇数・偶数よらずＭ×Ｎアレイ（Ｍ、Ｎは自然数）に拡張することが出来る。ここで、仮に、アンテナアレイの重心を点Ｏで示す。

図１３（ｂ）において、素子７０は、アンテナ７００ａ～アンテナ７００ｐを有する。素子７０において、複数のアンテナの間は、図１３（ａ）に示すように、結合線７０９、結合線７０９１、結合線７０９２によって結合されている。このような構成によっても、アンテナの同期をとりつつ、損失を低減することが可能となる。

（実施形態８）
本実施形態では、実施形態７の変形例である素子７０の変形例を示す。図１４（ａ）～図２０（ｂ）は、図１３（ｂ）に示した素子７０の結合線の変形例を示す。図１４（ａ）～図２０（ｂ）では、図１３（ｂ）と同様にアンテナを構成する導体層と結合線を構成する導体層のみを示す。

図１４（ａ）～図１５（ｂ）は、素子７０に対してＹ方向に沿って設けられた結合線の本数を変更した構成である。このような構成によって、アンテナ間の結合による注入同期と、伝送の損失を低減することできる。伝送の損失を低減は、放射パワーを増大させることができる。

図１４（ａ）は、素子７１を示す上面模式図である。素子７０に対して、Ｙ方向に延びた結合線が６本削減されている。具体的には、素子７０の結合線７０９２ｄｈ、結合線７０９２ｈｌ、結合線７０９２ｌｐ、結合線７０９１ａｅ、結合線７０９１ｅｉ、結合線７０９１ｉｍが、素子７１では配されていない。単位アレイが２×２アレイとすると、単位アレイＵＡ１は、アンテナ７００ｄ、アンテナ７００ｃ、アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｈを含む。アンテナ７００ｄ、アンテナ７００ｃ、アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｈが結合線７０９１ｄｈ、結合線７０９ｃｄ、結合線７０９２ｃｇ、結合線７０９ｇｈによって環状に結合される。更に、アンテナ７００ｃ、アンテナ７００ｇが結合線７０９１ｃｇによって環状に結合される。単位アレイＵＡ２は、アンテナ７００ａ、アンテナ７００ｂ、アンテナ７００ｅ、アンテナ７００ｆを含む。アンテナ７００ａ、アンテナ７００ｂ、アンテナ７００ｅ、アンテナ７００ｆが結合線７０９１ｂｆ、結合線７０９ａｂ、結合線７０９２ａｅ、結合線７０９ｅｆによって環状に結合される。更に、アンテナ７００ｆ、アンテナ７００ｂが結合線７０９２ｂｆよって環状に結合される。単位アレイＵＡ１と単位アレイＵＡ２のアンテナと結合線の配置はミラー対称の配置といえる。他の単位アレイについても同様であり、アンテナアレイとして高い対称性を有することができる。

図１４（ｂ）は、素子７２を示す上面模式図である。素子７１から更に、Ｙ方向に延びた結合線が６本削減されている。具体的には、素子７１の結合線７０９２ｂｆ、結合線７０９２ｆｊ、結合線７０９２ｊｎ、結合線７０９１ｃｇ、結合線７０９１ｇｋ、結合線７０９１ｋｏが、素子７２では配されていない。単位アレイが２×２アレイとすると、単位アレイＵＡ１は、アンテナ７００ｄ、アンテナ７００ｃ、アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｈを含む。アンテナ７００ｄ、アンテナ７００ｃ、アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｈが結合線によって環状に結合される。アンテナ７００ｈ、アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｋ、アンテナ７００ｌが結合線によって環状に結合される。アンテナ７００ｌ、アンテナ７００ｋ、アンテナ７００ｏ、アンテナ７００ｐが結合線によって環状に結合される。他の単位アレイについても同様であり、アンテナアレイとして高い対称性を有することができる。

図１５（ａ）は、素子７３を示す上面模式図である。素子７１から更に、Ｙ方向に延びた結合線が６本削減されている。具体的には、素子７１の結合線７０９２ｃｇ、結合線７０９２ｇｋ、結合線７０９２ｋｏ、結合線７０９１ｂｆ、結合線７０９１ｆｊ、結合線７０９１ｊｎが、素子７３では配されていない。単位アレイが２×２アレイとすると、単位アレイＵＡ１は、アンテナ７００ｄ、アンテナ７００ｃ、アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｈを含む。アンテナ７００ｄとアンテナ７００ｃは結合線７０９ｃｄで結合され、アンテナ７００ｇとアンテナ７００ｈは結合線７０９ｆｈで結合される。アンテナ７００ｃとアンテナ７００ｇは結合線７０９１ｃｇで結合され、アンテナ７００ｈとアンテナ７００ｄは結合線７０９１ｄｈで結合される。単位アレイＵＡ２は、アンテナ７００ａ、アンテナ７００ｂ、アンテナ７００ｅ、アンテナ７００ｆを含む。アンテナ７００ａとアンテナ７００ｂは結合線７０９ａｂで結合され、アンテナ７００ｅとアンテナ７００ｆは結合線７０９ｅｆで結合される。アンテナ７００ａとアンテナ７００ｅは結合線７０９２ａｅで結合され、アンテナ７００ｂとアンテナ７００ｆは結合線７０９２ｂｆで結合される。単位アレイＵＡ１と単位アレイＵＡ２のアンテナと結合線の配置はミラー対称の配置といえる。他の単位アレイについても同様であり、アンテナアレイとして高い対称性を有することができる。

図１５（ｂ）は、素子７４を示す上面模式図である。素子７３から更に、Ｙ方向に延びた結合線が６本削減されている。具体的には、素子７３の結合線７０９２ｂｆ、結合線７０９２ｆｊ、結合線７０９２ｊｎ、結合線７０９１ｃｇ、結合線７０９１ｇｋ、結合線７０９１ｋｏが、素子７４では配されていない。素子７４でも、他の例と同様に単位アレイを取ることができる。単位アレイＵＡ１と単位アレイＵＡ２のアンテナと結合線の配置はミラー対称の配置といえる。他の単位アレイについても同様であり、アンテナアレイとして高い対称性を有することができる。

例えば、図１５（ａ）は、Ｘ方向とＹ方向に１本ずつ同数のカップリングラインを配置し、且つ、アンテナアレイの端と中央のアンテナに接続されるカップリングラインの本数差が少なくすることで、同期と損失のバランスがとれた配置となっている。また、図１４（ａ）～図１５（ｂ）において、アンテナアレイの重心を取った時に、アンテナアレイと結合線の配置は対称となる構成とすることができる。

図１６（ａ）～図１８（ａ）は、更なる変形例である。単位アレイの設計ルールを、Ｍ×Ｎアレイ（Ｍ、Ｎともに偶数）に拡張することで実現が可能である。変形例の中には、例えば、図１６（ａ）、図１７（ａ）、図１８（ａ）など、単位アレイ同士の間の結合を１つのアンテナが担っている構成がある。このような構成によって、結合に寄与する結合線の本数を削減することができるため、アレイの端と中央での同期のばらつき低減が可能となる。

図１６（ａ）は、素子７５を示す上面模式図である。素子７０に対して、Ｘ方向およびＹ方向に延びた結合線が削減されている。素子７５は４つの単位アレイＵＡ１～単位アレイＵＡ４を含む。単位アレイＵＡ１は、アンテナ７００ｃ、アンテナ７００ｄ、アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｈを含む。単位アレイＵＡ２は、アンテナ７００ａ、アンテナ７００ｂ、アンテナ７００ｅ、アンテナ７００ｆを含む。単位アレイＵＡ３は、アンテナ７００ｉ、アンテナ７００ｊ、アンテナ７００ｍ、アンテナ７００ｎを含む。単位アレイＵＡ４は、アンテナ７００ｋ、アンテナ７００ｌ、アンテナ７００ｏ、アンテナ７００ｐを含む。単位アレイＵＡ１～単位アレイＵＡ４はそれぞれ、１本の結合線７０９１と、１本の結合線７０９２と、２本の結合線７０９を含む。例えば、単位アレイＵＡ１について説明する。アンテナ７００ｃとアンテナ７００ｄは結合線７０９ｃｄで結合され、アンテナ７００ｄとアンテナ７００ｈは結合線７０９１ｄｈで結合される。アンテナ７００ｈとアンテナ７００ｇは結合線７０９ｇｈで結合され、アンテナ７００ｇとアンテナ７００ｃは結合線７０９２ｃｇで結合される。つまり、４つのアンテナが環状に４本の結合線によって結合されている。他の単位アレイＵＡ２～単位アレイＵＡ４も同様である。そして、各単位アレイの１つのアンテナが環状に結合されている。具体的には、アンテナ７００ｇとアンテナ７００ｆは結合線７０９ｆｇで結合され、アンテナ７００ｆとアンテナ７００ｊは結合線７０９２ｆｊで結合される。アンテナ７００ｊとアンテナ７００ｋは結合線７０９ｊｋで結合され、アンテナ７００ｋとアンテナ７００ｇは結合線７０９１ｇｋで結合される。

図１６（ｂ）は、素子７６を示す上面模式図である。素子７０に対して、Ｘ方向およびＹ方向に延びた結合線が削減されている。具体的には、素子７０の結合線７０９１ｈｌ、結合線７０９２ｈｌ、結合線７０９１ｅｉ、結合線７０９１ｅｉが、素子７６では配されていない。素子７６では、単位アレイが１×２（１行２列）であり、２つのアンテナが環状に結合線によって結合されている。単位アレイＵＡ１はアンテナ７００ｄとアンテナ７００ｈを含む。アンテナ７００ｄとアンテナ７００ｈは、結合線７０９１ｄｈと結合線７０９２ｄｈで環状に結合されている。単位アレイＵＡ２はアンテナ７００ｃとアンテナ７００ｇを含む。アンテナ７００ｃとアンテナ７００ｇは、結合線７０９１ｃｇと結合線７０９２ｃｇで環状に結合されている。アンテナ７００ｄとアンテナ７００ｃは結合線７０９ｃｄで結合され、アンテナ７００ｇとアンテナ７００ｈは結合線７０９ｇｈで結合される。他の１×２の単位アレイの接続関係、および２×２の単位アレイの接続関係も同様である。図１６（ａ）と同様に、各単位アレイの１つのアンテナが環状に結合されている。具体的には、アンテナ７００ｇとアンテナ７００ｆは結合線７０９ｆｇで結合され、アンテナ７００ｆとアンテナ７００ｊは結合線７０９２ｆｊで結合される。アンテナ７００ｊとアンテナ７００ｋは結合線７０９ｊｋで結合され、アンテナ７００ｋとアンテナ７００ｇは結合線７０９１ｇｋで結合される。更に、結合線７０９２ｇｋによりアンテナ７００ｇとアンテナ７００ｋが結合され、結合線７０９１ｆｊによりアンテナ７００ｆとアンテナ７００ｊが結合される。このような構成によって、１×２の単位アレイの対称性を維持しつつ、各単位アレイを結合することができる。

図１７（ａ）は、素子７７を示す上面模式図である。素子７０に対して、Ｘ方向およびＹ方向に延びた結合線が削減されている。素子７７では、単位アレイが１×２であり、２つのアンテナが環状に結合線によって結合されている。単位アレイＵＡ１はアンテナ７００ｄとアンテナ７００ｈを含む。アンテナ７００ｄとアンテナ７００ｈは、結合線７０９１ｄｈと結合線７０９２ｄｈで環状に結合されている。単位アレイＵＡ２はアンテナ７００ｃとアンテナ７００ｇを含む。アンテナ７００ｃとアンテナ７００ｇは、結合線７０９１ｃｇと結合線７０９２ｃｇで環状に結合されている。アンテナ７００ｇとアンテナ７００ｈは結合線７０９ｇｈで結合されているが、アンテナ７００ｄとアンテナ７００ｃは結合線７０９ｃｄで結合されていない。他の１×２の単位アレイの接続関係、および２×２の単位アレイの接続関係も同様である。各単位アレイの１つのアンテナ同士が、環状に結合されている。具体的には、アンテナ７００ｇとアンテナ７００ｆは結合線７０９ｆｇで結合され、アンテナ７００ｆとアンテナ７００ｊは結合線７０９２ｆｊで結合される。アンテナ７００ｊとアンテナ７００ｋは結合線７０９ｊｋで結合され、アンテナ７００ｋとアンテナ７００ｇは結合線７０９１ｇｋで結合される。更に、結合線７０９２ｇｋによりアンテナ７００ｇとアンテナ７００ｋが結合され、結合線７０９１ｆｊによりアンテナ７００ｆとアンテナ７００ｊが結合される。アンテナアレイのアンテナと結合線の配置を、アンテナアレイの重心を基準に、点対称にすることができる。

図１７（ｂ）は、素子７８を示す上面模式図である。素子７８では、図１６（ａ）の素子７５と同様に単位アレイが２×２であり、４つのアンテナが環状に結合線によって結合されている。アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｆ、アンテナ７００ｊ、アンテナ７００ｋは、素子７５に示す結合線７０９１ｇｋ、結合線７０９ｆｇ、結合線７０９ｊｋ、結合線７０９２ｆｊで結合されている。更に、アンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｆ、アンテナ７００ｊ、アンテナ７００ｋは、結合線７０９２ｇｋ、結合線７０９１ｆｊで結合されている。

図１８（ａ）は、素子７９を示す上面模式図である。素子７９では、図１６（ａ）の素子７５と同様に単位アレイが２×２であり、４つのアンテナが環状に結合線によって結合される。また、素子７５と同様に各単位アレイのアンテナ７００ｇ、アンテナ７００ｆ、アンテナ７００ｊ、アンテナ７００ｋが結合線によって結合される。素子７５との違いは、単位アレイＵＡ１～単位アレイＵＡ４のそれぞれにおいて、結合線７０９１および結合線７０９２が入れ替わっている点である。具体的には、単位アレイＵＡ１において、アンテナｄとアンテナｈは結合線７０９２ｄｈで結合され、アンテナｃとアンテナｇは結合線７０９１ｃｇで結合される。アンテナ７００ｇとアンテナ７００ｋが結合線７０９２ｇｋで結合され、アンテナ７００ｊとアンテナ７００ｆが結合線７０９１ｆｊで結合される。このような形態でも、高い対称性を有するアンテナアレイを提供することができる。

ここで、図１７（ａ）、図１７（ｂ）では、端または中央に位置する任意の１つのアンテナに結合する結合線の本数を変えて、アンテナアレイの端と中央の結合のばらつきを低減することが可能である。

図１８（ｂ）～図２０（ｂ）は、更なる変形例を示す。発明者の検討により、以下の３つの条件が重要であることを見出した。１つは、Ｘ方向とＹ方向に接続される結合線の本数を同数に近づけることである。１つは、アンテナアレイの端と中央のアンテナに接続される結合線の本数の差を小さくすることである。１つは、アンテナ内の２放射端に接続される結合線の本数の差を小さくすることである。これらの構成によって、縦横の結合のバランスがとれ、且つ、アンテナアレイの端と中央で同期のばらつきを低減することができる。例えば、図１８（ｂ）、図１９（ａ）、図１９（ｂ）は指向性を整えるためにＸ方向・Ｙ方向の対称性を優先した構成であり、図２０（ａ）、図２０（ｂ）は、結合線の本数削減による損失低減を優先した構成である。

図１８（ｂ）は、素子８０を示す上面模式図である。素子８０では、単位アレイが１×２である。アンテナアレイは、単位アレイＵＡ１～単位アレイＵＡ１２を含む。素子８０では、単位アレイが含むアンテナは、隣接する単位アレイのアンテナを含み、複数の単位アレイが重畳するように配されている。単位アレイＵＡ１はアンテナ７００ｄとアンテナ７００ｈを含み、単位アレイＵＡ２はアンテナ７００ｃとアンテナ７００ｇを含み、単位アレイＵＡ３はアンテナ７００ｂとアンテナ７００ｆを含み、単位アレイＵＡ４はアンテナ７００ａとアンテナ７００ｅを含む。単位アレイＵＡ５はアンテナ７００ｈとアンテナ７００ｌを含み、単位アレイＵＡ６はアンテナ７００ｇとアンテナ７００ｋを含み、単位アレイＵＡ７はアンテナ７００ｆとアンテナ７００ｊを含み、単位アレイＵＡ８はアンテナ７００ｅとアンテナ７００ｉを含む。単位アレイＵＡ９はアンテナ７００ｌとアンテナ７００ｐを含み、単位アレイＵＡ１０はアンテナ７００ｋとアンテナ７００ｏを含む。単位アレイＵＡ１１はアンテナ７００ｊとアンテナ７００ｎを含み、単位アレイＵＡ１２はアンテナ７００ｉとアンテナ７００ｍを含む。単位アレイＵＡ２、単位アレイＵＡ３、単位アレイＵＡ６、単位アレイＵＡ７、単位アレイＵＡ１０、単位アレイＵＡ１１は、各アンテナの上下に結合された２本の結合線７０９と結合線７０９１と結合線７０９２によって結合されている。この構成は、図１３（ｂ）と同様である。しかし、単位アレイＵＡ１、単位アレイＵＡ５、単位アレイＵＡ９は、アンテナの下端に結合された１本の結合線７０９と、隣接するアンテナと結合された結合線７０９２とが結合される。単位アレイＵＡ４、単位アレイＵＡ８、単位アレイＵＡ１２は、アンテナの上端に結合された１本の結合線７０９と、隣接するアンテナと結合された結合線７０９１とが結合される。

図１９（ａ）は、素子８１を示す上面模式図である。素子８１では、図１８（ｂ）に示した素子８０と同様に、単位アレイが１×２である。アンテナアレイは、素子８０と同様な単位アレイＵＡ１～単位アレイＵＡ１２を含む。素子８１において、各アンテナは結合線７０９によってＸ方向に結合されている。そして、各アンテナのＹ方向の結合は、結合線７０９１あるいは結合線７０９２のいずれかによってなされている。つまり、Ｙ方向に隣接するアンテナの間には、結合線７０９１あるいは結合線７０９２のいずれかが配されている。このような構成によっても、対称性の高いアンテナアレイを提供することができる。

図１９（ｂ）は、素子８２を示す上面模式図である。素子８２では、図１９（ａ）の素子８１と同様に、単位アレイが１×２であり、各アンテナのＹ方向の結合は、結合線７０９１あるいは結合線７０９２のいずれかによってなされている。

図２０（ａ）は、素子８３を示す上面模式図である。素子８３では、図１９（ａ）の素子８１と同様に、単位アレイが１×２であり、各アンテナのＹ方向の結合は、結合線７０９１あるいは結合線７０９２のいずれかによってなされている。

図２０（ｂ）は、素子８４を示す上面模式図である。素子８４では、図１９（ａ）の素子８１と同様に、単位アレイが１×２であり、各アンテナのＹ方向の結合は、結合線７０９１あるいは結合線７０９２のいずれかによってなされている。しかし、Ｙ方向のアンテナを結合する結合線が間引かれている。例えば、単位アレイＵＡ２、単位アレイＵＡ４、単位アレイＵＡ５、単位アレイＵＡ７、単位アレイＵＡ１０、単位アレイＵＡ１２では、結合線７０９１あるいは結合線７０９２によってＹ方向に配された２つのアンテナを結合している。しかし、単位アレイＵＡ１、単位アレイＵＡ３、単位アレイＵＡ６、単位アレイＵＡ８、単位アレイＵＡ９、単位アレイＵＡ１１は、Ｙ方向に配された２つのアンテナは結合されていない。

図２１は、これまで説明した４×４のアンテナアレイについて、アンテナ間の同期の程度と１アンテナあたりの放射パワーとの相関を示す模式図である。横軸の「同期の程度」は、アンテナアレイの正面利得がアンテナ数の何乗倍で比例増加するかを表す。縦軸の「放射パワー／アンテナ」は１アンテナから全方位に放射される発振パワーの大きさを表す。例えば、無損失の結合線を有する理想アンテナアレイの場合は、無損失で相互注入同期が得られるので、１アンテナあたりの最大放射パワーと指向性先鋭化による正面利得増強（２乗則）が両立する。例えば、放射パワーは０．３ｍＷである。比較例２として示す。

現実には、マイクロストリップラインの電力伝送に伴う損失が生じ、ＴＨｚ帯では特に顕著になる。このため、接続例４、接続例５、接続例１のように結合線の本数の増やすと伝送損失が増える。そして、その損失分だけ１アンテナあたりの放射パワーは低下する傾向となる。一方、結合線の本数を増やすことでアンテナ間の結合が強くなるため、アンテナアレイの相互注入同期により指向性は先鋭化する。このため、結合線の本数を増やすことで、正面利得はアンテナ数の２乗則に比例して増強する傾向に近づけることができる。なお、結合線が無い場合を比較例１として示す。この場合には、結合線でアンテナ間を伝送される電力の損失がないため、１アンテナあたりの放射パワーは最大となる。しかし、アンテナ間の結合が弱く相互注入同期が生じないため、指向性の先鋭化は生じない。従って、正面利得の増加はアンテナ数倍に比例するので、「同期の程度」は１乗則となる。上記で説明したアンテナアレイは、Ｘ方向とＹ方向の結合線の本数を調整して設計することで、所望の放射パワー、指向性を両立することが可能となる。また、正面利得の増大が可能となる。ここで、接続例１は図１３（ａ）の構成であり、接続例４は図１５（ｂ）の構成であり、接続例５は図１５（ａ）の構成である。

（その他の実施形態）
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および変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では、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層や、ガラス、セラミック、ポリテトラフルオロエチレン、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。

さらに、上述の実施形態では、テラヘルツ波の共振器として正方形パッチアンテナを用いているが、共振器の形状はこれに限られたものではない。例えば、矩形および三角形などの多角形、円形、楕円形などのパッチ導体を用いた構造の共振器などを用いてもよい。

また、素子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、複数の線路を有する構成でもよい。上述の実施形態に記載の素子を用いて、テラヘルツ波の発振および検出が可能である。

また、上述のそれぞれの実施形態では、ＲＴＤとして、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる２重障壁ＲＴＤ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本発明の素子を提供することができる。例えば、３重障壁量子井戸構造を有するＲＴＤや、４重以上の多重障壁量子井戸を有するＲＴＤを用いてもよい。

また、ＲＴＤ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／およびＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
・ＩｎＰ基板上に形成したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ
・ＩｎＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂおよび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。

上述した本実施形態の構成は、アンテナアレイにおいて並べられるアンテナ数の上限が無くなり、アレイ数増加に伴う指向性や正面強度の大きな改善効果がある。従って、上述した実施形態の構成によって、より効率の良いテラヘルツ波の発生および検出が実現出来る好適な素子を提供することが出来る。

Claims (36)

1. 第１の導体層と、
   前記第１の導体層と電気的に接続され、テラヘルツ波を発生または検出する半導体層と、
   前記半導体層と電気的に接続され、前記半導体層を介して前記第１の導体層と対向する第２の導体層と、
   前記第１の導体層と前記第２の導体層との間に位置する誘電体層と、を含むアンテナが複数配されているアンテナアレイを備えた素子であって、
   前記アンテナアレイは、第１のアンテナと、第２のアンテナと、第３のアンテナと、第４のアンテナと、第５のアンテナと、を含み、
   第１の方向において、前記第２のアンテナと、前記第１のアンテナと、前記第３のアンテナとがこの順に配され、
   前記第１の方向と交差する第２の方向において、前記第４のアンテナと、前記第１のアンテナと、前記第５のアンテナとがこの順に配され、
   前記第２のアンテナの前記第２の導体層は、前記第１のアンテナの前記第２の導体層と前記第１の方向に延びる第１の結合線を介して接続され、
   前記第１のアンテナの前記第２の導体層は、前記第３のアンテナの前記第２の導体層と前記第１の方向に延びる第２の結合線を介して接続され、
   前記第４のアンテナの前記第２の導体層は、前記第１のアンテナの前記第２の導体層と前記第２の方向に延びる第３の結合線を介して接続され、
   前記第１のアンテナの前記第２の導体層は、前記第５のアンテナの前記第２の導体層と前記第２の方向に延びる第４の結合線を介して接続されることを特徴とする素子。
2. 前記第１の結合線と前記第３の結合線とは、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとを結ぶ線分の中心の位置からシフトした位置にて接続されることを特徴とする請求項１に記載の素子。
3. 前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間は、前記第１の結合線により前記テラヘルツ波の周波数で注入同期され、
   前記第１のアンテナと前記第４のアンテナとの間は、前記第３の結合線により前記テラヘルツ波の周波数で注入同期されることを特徴とする請求項１または２に記載の素子。
4. 前記第１の結合線と前記第３の結合線が一体の導体からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の素子。
5. 前記第１の結合線と前記第３の結合線は、前記テラヘルツ波の周波数で結合線に定在する共振電界の節以外の位置で接続されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の素子。
6. 前記第１の結合線と前記第３の結合線は、前記テラヘルツ波の周波数で隣接アンテナと位相整合条件を満たす位置で接続されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の素子。
7. 前記第１のアンテナと前記第４のアンテナとの間に、前記第３の結合線と、前記第２の方向に沿った第５の結合線とが配され、
   前記第１の結合線と前記第３の結合線とは、前記テラヘルツ波の周波数で定在する共振電界の節以外の位置で接続され、前記第１の結合線と前記第５の結合線とは、前記テラヘルツ波の周波数で定在する共振電界の節以外の位置で接続され、
   前記第１の結合線と前記第３の結合線とが接続する位置と、前記第１の結合線と前記第５の結合線とが接続する位置との間に、前記テラヘルツ波の周波数で定在する共振電界の節が位置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の素子。
8. 前記第１の方向は、前記テラヘルツ波の周波数で定在する共振電界の共振方向であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の素子。
9. 前記第２の方向は前記第１の方向に直交する方向であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の素子。
10. 前記第２の方向は前記テラヘルツ波の周波数で定在する共振電界で誘導される磁界方向であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の素子。
11. 前記アンテナは円偏波を放射することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の素子。
12. 前記半導体層にバイアス信号を供給するためのバイアス回路と、前記第２の導体層と、を接続するためのバイアスラインを備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の素子。
13. 前記バイアスラインは、前記第１の導体層と前記第２の導体層との間の層に配置されている、ことを特徴とする請求項１２に記載の素子。
14. 前記アンテナアレイは、基板の上に配されており、
    前記第１の結合線および前記第３の結合線は、第３の導体層により構成され、
    前記バイアスラインは、第４の導体層により構成され、
    前記第３の導体層と前記第４の導体層は、前記基板の表面から異なる層に配置されている、ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の素子。
15. 前記基板と、前記第１の導体層と、前記第４の導体層と、前記第３の導体層とは、この順に積層されていることを特徴とする請求項１４に記載の素子。
16. 前記基板と、前記第１の導体層と、前記第３の導体層と、前記第４の導体層とは、この順に積層されていることを特徴とする請求項１４に記載の素子。
17. 前記バイアスラインは、前記テラヘルツ波の周波数より低い周波数帯において、前記半導体層のインピーダンスと比較して低インピーダンスであることを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれか１項に記載の素子。
18. 前記アンテナアレイは、前記アンテナがｍ×ｎのマトリクス状に配置される（ｍ、ｎは整数、ｍ≧２、ｎ≧２）ことを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の素子。
19. 前記アンテナアレイのそれぞれのアンテナは、前記テラヘルツ波の波長以下のピッチで配置されることを特徴とする請求項１８に記載の素子。
20. 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１９のいずれか１項に記載の素子。
21. 前記半導体層は、負性抵抗素子を含むことを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の素子。
22. 前記負性抵抗素子は、共鳴トンネルダイオードであることを特徴とする請求項２１に記載の素子。
23. 前記第１のアンテナの半導体層と前記第２のアンテナの半導体層との電気長をＬ１とした時に、Ｌ１＝２π×ｋ（ｋ：整数）となることを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の素子。
24. 各アンテナは、前記半導体層と逆位相で動作する第２の半導体層を備えることを特徴とする請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の素子。
25. 請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の素子を有し、テラヘルツ波を放射する発信部と、
    前記テラヘルツ波を検出する受信部と、を有するテラヘルツカメラシステム。
26. 第１の導体層と、前記第１の導体層と電気的に接続され、テラヘルツ波を発生または検出する半導体層と、前記半導体層と電気的に接続され、前記半導体層を介して前記第１の導体層と対向する第２の導体層と、前記第１の導体層と前記第２の導体層との間に位置する誘電体層と、をそれぞれが含む複数のアンテナが設けられているアンテナアレイを備えた素子であって、
    前記アンテナアレイは、隣接するアンテナ間を接続し前記テラヘルツ波を伝送するための結合線を備え、
    前記アンテナアレイの少なくとも１つのアンテナは、少なくとも３本以上の前記結合線と接続することを特徴とする素子。
27. 前記３本以上の前記結合線は１つの接続部で前記アンテナと接続することを特徴とする請求項２６に記載の素子。
28. 前記３本以上の前記結合線はそれぞれ別の３つ以上の接続点でアンテナと接続することを特徴とする請求項２６に記載の素子。
29. 前記３本以上の前記結合線は、それぞれ個別の接続点でアンテナと接続することを特徴とする請求項２６に記載の素子。
30. 第１のアンテナと少なくとも２つのアンテナは前記結合線によって接続され、
    前記第１のアンテナと前記少なくとも２つのアンテナとの間は、それぞれ１本の独立した結合線によって接続されていることを特徴とする請求項２６に記載の素子。
31. 前記アンテナアレイの少なくとも１つのアンテナの各放射端には、２本以上の前記結合線が接続されることを特徴とする請求項２６に記載の素子。
32. 前記少なくとも３本以上の前記結合線は、平面視において、アンテナの外縁よりも内側において１本であり、前記外縁よりも外側で２本以上に分岐されることを特徴とする請求項２６に記載の素子。
33. 前記少なくとも３本以上の前記結合線は、平面視において、アンテナの外縁よりも外側では、離間して配されることを特徴とする請求項２６に記載の素子。
34. 結合線の端部はテラヘルツ波の周波数で電気的に終端されることを特徴とする請求項２６に記載の素子。
35. アンテナアレイの端のアンテナは、前記アンテナアレイの外縁側には結合線がないことを特徴とする請求項２６に記載の素子。
36. 前記結合線は前記アンテナとアンテナの重心を基準として対称に接続されることを特徴とする請求項２６に記載の素子。