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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-15
(45)【発行日】2024-11-25
(54)【発明の名称】半導体素子
(51)【国際特許分類】
   H01Q 23/00 20060101AFI20241118BHJP
   G01J 1/02 20060101ALI20241118BHJP
   H01Q 13/08 20060101ALI20241118BHJP
   H01Q 21/06 20060101ALI20241118BHJP
   H01Q 5/335 20150101ALI20241118BHJP
   H01P 7/08 20060101ALI20241118BHJP
   H03B 7/08 20060101ALI20241118BHJP
【ＦＩ】
H01Q23/00
G01J1/02 C
H01Q13/08
H01Q21/06
H01Q5/335
H01P7/08
H03B7/08
【請求項の数】 29
(21)【出願番号】P 2020126353
(22)【出願日】2020-07-27
(65)【公開番号】P2022023418
(43)【公開日】2022-02-08
【審査請求日】2023-07-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002860
【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小山 泰史
(72)【発明者】
【氏名】海部 紀之
【審査官】竹内 亨
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－００９７６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２０１７７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１７４２９１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｑ １／００－２５／０４
Ｈ０１Ｐ １／００－１１／００
Ｇ０１Ｊ １／０２
Ｈ０３Ｂ ７／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数における前記第１領域と前記第２領域の損失差が、前記アンテナアレイの共振周波数以外における前記第１領域と前記第２領域の損失差よりも小さい、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項2】
前記複数のアンテナのそれぞれは、
基板と、
前記基板上に積層された第１の導体層と、
前記第１の導体層と電気的に接続される前記半導体層と、
前記半導体層と電気的に接続され、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の導体層との間に形成された誘電体層と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項3】
第３の導体層をさらに有し、
前記カップリングラインは、前記第３の導体層と前記第１の導体層によって前記誘電体層を挟んだ構造を含む、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項4】
前記第２領域における前記第３の導体層の抵抗は、前記第１領域における前記第３の導体層の抵抗より高い、
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
【請求項5】
前記第２領域における前記第３の導体層の抵抗率は、前記第１領域における前記第３の導体層の抵抗率より高い、
ことを特徴とする請求項３または４に記載の半導体素子。
【請求項6】
前記第２領域における前記第３の導体層の幅は、前記第１領域における前記第３の導体層の幅より細い、
ことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項7】
前記第２領域における前記第３の導体層の厚さは、前記第１領域における前記第３の導体層の厚さより薄い、
ことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項8】
前記第２領域は、前記第１領域より容量が高い構造を含む、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項9】
前記第２領域は、前記第１領域より低インピーダンスの構造を含む、
ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項10】
前記誘電体層は、前記第２領域における第２の誘電体と、前記第１領域における第１の誘電体とを含み、
前記第２の誘電体は前記第１の誘電体と比べて高周波における損失が高い材料で構成される、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項11】
前記誘電体層は、前記第２領域における第２の誘電体と、前記第１領域における第１の誘電体を含み、
前記第２の誘電体の層厚は、前記第１の誘電体の層厚と比べて薄い、
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子。
【請求項12】
前記第２領域は、前記カップリングラインにおける前記テラヘルツ波の共振周波数の電界の腹に配置される、
ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項13】
前記アンテナアレイ及び前記カップリングラインは、同一基板上に形成される、
ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項14】
前記アンテナアレイは、前記アンテナがｍ×ｎのマトリクス状に形成されている（ｍ≧２，ｎ≧２）、
ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項15】
前記アンテナは、前記テラヘルツ波の波長の整数倍のピッチで形成されている、
ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項16】
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から１５のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項17】
前記カップリングラインは、マイクロストリップラインである、
ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項18】
前記半導体層は、負性抵抗半導体素子を含む、
ことを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項19】
前記負性抵抗半導体素子は、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１８に記載の半導体素子。
【請求項20】
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナの半導体層のそれぞれと並列に接続されたシャント素子と接続されており、
前記シャント素子は、前記カップリングラインにおける前記テラヘルツ波の共振周波数の電界の節に接続されている、
ことを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項21】
前記複数のアンテナのそれぞれは、半導体層にバイアス信号を供給する電源を含むバイアス回路に接続されている、
ことを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項22】
前記テラヘルツ波は、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の電磁波である、
ことを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項23】
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、前記第１領域より前記第２領域の損失が高く、
前記複数のアンテナのそれぞれは、
基板と、
前記基板上に積層された第１の導体層と、
前記第１の導体層と電気的に接続される前記半導体層と、
前記半導体層と電気的に接続され、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の導体層との間に形成された誘電体層と、
を含み、
第３の導体層をさらに有し、
前記カップリングラインは、前記第３の導体層と前記第１の導体層によって前記誘電体層を挟んだ構造を含み、
前記第２領域における前記第３の導体層の抵抗率は、前記第１領域における前記第３の導体層の抵抗率より高い、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項24】
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、前記第１領域より前記第２領域の損失が高く、
前記複数のアンテナのそれぞれは、
基板と、
前記基板上に積層された第１の導体層と、
前記第１の導体層と電気的に接続される前記半導体層と、
前記半導体層と電気的に接続され、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の導体層との間に形成された誘電体層と、
を含み、
第３の導体層をさらに有し、
前記カップリングラインは、前記第３の導体層と前記第１の導体層によって前記誘電体層を挟んだ構造を含み、
前記第２領域における前記第３の導体層の厚さは、前記第１領域における前記第３の導体層の厚さより薄い、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項25】
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、前記第１領域より前記第２領域の損失が高く、
前記第２領域は、前記第１領域より容量が高い構造を含む、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項26】
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、前記第１領域より前記第２領域の損失が高く、
前記複数のアンテナのそれぞれは、
基板と、
前記基板上に積層された第１の導体層と、
前記第１の導体層と電気的に接続される前記半導体層と、
前記半導体層と電気的に接続され、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の導体層との間に形成された誘電体層と、
を含み、
前記誘電体層は、前記第２領域における第２の誘電体と、前記第１領域における第１の誘電体とを含み、
前記第２の誘電体は前記第１の誘電体と比べて高周波における損失が高い材料で構成される、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項27】
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、前記第１領域より前記第２領域の損失が高く、
前記複数のアンテナのそれぞれは、
基板と、
前記基板上に積層された第１の導体層と、
前記第１の導体層と電気的に接続される前記半導体層と、
前記半導体層と電気的に接続され、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の導体層との間に形成された誘電体層と、
を含み、
前記誘電体層は、前記第２領域における第２の誘電体と、前記第１領域における第１の誘電体を含み、
前記第２の誘電体の層厚は、前記第１の誘電体の層厚と比べて薄い、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項28】
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、前記第１領域より前記第２領域の損失が高く、
前記第２領域は、前記カップリングラインにおける前記テラヘルツ波の共振周波数の電界の腹に配置される、
ことを特徴とする半導体素子。
【請求項29】
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、前記第１領域より前記第２領域の損失が高く、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナの半導体層のそれぞれと並列に接続されたシャント素子と接続されており、
前記シャント素子は、前記カップリングラインにおける前記テラヘルツ波の共振周波数の電界の節に接続されている、
ことを特徴とする半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、テラヘルツ波を発振または検出する半導体素子に関する。
【背景技術】
【0002】
３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の電磁波であ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半導体素子と共振器とを集積した発振器が知られている。なかでも、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半導体素子として期待されている。
【0003】
非特許文献１には、半導体基板上にＲＴＤとスロットアンテナ共振器とを集積したテラヘルツ波の発振器が記載されている。非特許文献１では、ＩｎＰ基板上にエピタキシャル成長されたＩｎＧａＡｓ量子井戸層とＡｌＡｓトンネル障壁層とからなる２重障壁型のＲＴＤを用いている。このようなＲＴＤを用いた発振器では、電圧－電流（Ｖ－Ｉ）特性で微分負性抵抗が得られる領域においてテラヘルツ波の発振が室温において実現できる。
【0004】
また、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記載されている。特許文献１に記載されたアンテナアレイは、隣接する各々のアンテナが相互に同期することによりアンテナ利得とパワーを増強することができる。非特許文献２には、隣接するアンテナ間をチップ抵抗によって接続して、モード安定化する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１４－２０００６５号公報
【非特許文献】
【0006】
【文献】Jpn.J.Appl.Phys., Vol.47, No.6(2008), pp.4375-4384
【文献】IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 42, NO. 4, APRIL 1994
【文献】J.Appl.Phys., Vol.103, 124514(2008)
【文献】J Infrared Milli Terahz Waves (2014) 35:425-431
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、アンテナアレイにおけるアンテナ数（負性抵抗素子数）の増加に従い同期するモード数（共振周波数帯の数）が増加するため、アンテナ数が増えるほど素子のテラヘルツ波の発生または検出の安定化が難しい。このため、複数のアンテナを備える素子において、同期するモード数が複数存在してしまうことによって、効率のよいテラヘルツ波の発生または検出が実現できないことがあった。
【0008】
そこで、本発明は、複数のアンテナを備える素子において、より効率のよいテラヘルツ波の発生または検出を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明の第１の態様は、
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたア
ンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナのそれぞれと接続される複数の第１領域と、前記複数の第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、前記第１領域より前記第２領域の損失が高い、
ことを特徴とする半導体素子である。
【0010】
本発明の第２の態様は、
テラヘルツ波に対する電磁波利得又はキャリアの非線形性を有する半導体層を備えたアンテナが複数設けられたアンテナアレイを備え、
前記アンテナアレイにおける隣接するアンテナを前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するカップリングラインを有し、
前記カップリングラインは、前記隣接するアンテナと接続される第１領域と、前記第１領域の間に設けられた第２領域とを有し、
前記第２領域と前記第１領域とは異なるインピーダンスを有し、
前記アンテナアレイの共振周波数における前記第１領域と前記第２領域の損失差が、前記アンテナアレイの共振周波数以外における前記第１領域と前記第２領域の損失差よりも小さい、
ことを特徴とする半導体素子である。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、複数のアンテナを備える素子において、より効率のよいテラヘルツ波の発生または検出を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実施形態１に係る半導体素子の回路を示す図である。
【図2】半導体素子１００の構成を説明する図である。
【図3】半導体素子１００の構成を説明する図である。
【図4】半導体素子１００の解析結果を説明する図である。
【図5】半導体素子２００の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
＜実施形態１＞
以下にて、実施形態１に係る半導体素子１００について説明する。半導体素子１００は、周波数（共振周波数；発振周波数）ｆＴＨｚのテラヘルツ波（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の電磁波）を発生（発振）または検出する。なお、以降の説明では、半導体素子１００を発振器として用いる例について説明する。また、半導体素子１００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。
【0014】
［半導体素子の回路構成に関する説明］
以下では、まず、半導体素子１００の回路構成について説明する。図１（ａ）は、半導体素子１００の等価回路を説明する図である。図１（ｄ）は、半導体素子１００が有するバイアス回路Ｖａ，Ｖｂの等価回路を説明する図である。
【0015】
半導体素子１００は、アンテナが複数設けられたアンテナアレイを有する。本実施形態では、半導体素子１００は、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂが隣接して設けられたアンテナアレイを有する。アンテナ１００ａは、テラヘルツ波を共振するための共振器と
、テラヘルツ波を送信または受信するための放射器を兼ねており、テラヘルツ波（電磁波）を発生または検出するための半導体１０２ａを内部に有する。アンテナ１００ｂも、アンテナ１００ａと同様の構成である。以下、アンテナ１００ａの構成について詳細に説明し、アンテナ１００ｂにおけるアンテナ１００ａと同じ構成要素については、詳細な説明は省略する。
【0016】
また、本実施形態では、アンテナが２つ設けられた半導体素子１００について説明するが、アンテナの数は３個以上であってもよい。例えば、３×３のマトリクス状に配置するアレイや、縦または横方向に３個のアンテナを線状に配置したリニアアレイのような形態であってもよい。半導体素子１００は、アンテナがｍ×ｎのマトリクス状（ｍ≧２，ｎ≧２）に配置されるアンテナアレイを有する構成であってもよい。また、これらのアンテナは、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の波長の整数倍のピッチで配置されるとよい。
【0017】
なお、以下では、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂに属する構成部材の符号の末尾において、対応するアンテナを示すアルファベットを付している。より詳細には、アンテナ１００ａが有する構成部材には符号の末尾に「ａ」を付し、アンテナ１００ｂが有する構成部材には符号の末尾に「ｂ」を付している。
【0018】
図１（ａ）に示すように、アンテナ１００ａでは、半導体１０２ａと、アンテナの放射および導体損失によって決まる抵抗Ｒａと、構造によって決まるＬＣ成分（容量ＣａおよびインダクタンスＬａ）とが並列に接続されている。また、半導体１０２ａにバイアス信号を給電するためのバイアス回路Ｖａが、半導体１０２ａと並列に接続されている。
【0019】
半導体１０２ａは、テラヘルツ波に対する電磁波の利得またはキャリアの非線形性（電流電圧特性における電圧変化に伴う電流の非線形性）を有する。本実施形態では、半導体１０２ａとして、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である共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）を用いている。半導体１０２ａは、ＲＴＤの微分負性抵抗とダイオード容量が並列接続された回路を含む（不図示）。
【0020】
なお、アンテナ１００ｂは、アンテナ１００ａと同様に、半導体１０２ｂ、抵抗Ｒｂ、ＬＣ成分（ＣｂおよびＬｂ）、バイアス回路Ｖｂとが並列に接続された回路によって構成される。各アンテナは、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を単体で送信または受信する。
【0021】
バイアス回路Ｖａ，Ｖｂは、アンテナ１００ａの半導体１０２ａおよびアンテナ１００ｂの半導体１０２ｂにバイアス信号を供給するための電源および安定化回路を有する。バイアス回路Ｖａ，Ｖｂはそれぞれ、図１（ｄ）に示すように、シャント抵抗１２１、配線１２２、電源１２３、容量１２４を含む。
【0022】
シャント抵抗１２１は、半導体１０２ａ，１０２ｂと並列に接続されている。容量１２４は、シャント抵抗１２１と並列に接続されている。電源１２３は、半導体１０２ａ，１０２ｂを駆動するために必要な電流を供給し、半導体１０２ａ，１０２ｂにかかるバイアス信号を調整する。半導体１０２ａ，１０２ｂにＲＴＤを用いている場合であれば、バイアス信号は、ＲＴＤの微分負性抵抗領域となる電圧から選択される。バイアス回路Ｖａ，Ｖｂのシャント抵抗１２１および容量１２４は、バイアス回路Ｖａ，Ｖｂに起因した比較的低周波の共振周波数（典型的にはＤＣから１０ＧＨｚの周波数帯）の寄生発振を抑制する。
【0023】
隣接するアンテナ１００ａとアンテナ１００ｂの間はカップリングライン１０９によって相互に結合されている。カップリングライン１０９によって、マルチモードを抑制し、
効率的なテラヘルツ波の発生または検出が実現される。以下、カップリングライン１０９の構成についてより詳細に説明する。
【0024】
［カップリングラインの構成に関する説明］
カップリングライン１０９は、隣接するアンテナのそれぞれに接続される複数の第１領域と、これら複数の第１領域の間に設けられる第２領域とを含む。より具体的には、カップリングライン１０９は、アンテナ１００ａに接続された第１領域１０９１ａ、アンテナ１００ｂに接続された第１領域１０９１ｂと、第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂとの間に設けられた第２領域１０９２とを含む。
【0025】
第２領域１０９２と第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂとはそれぞれ異なるインピーダンスを有しており、アンテナアレイの共振周波数以外の周波数において、第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂより第２領域１０９２の損失が高い構成となっている。
【0026】
また、アンテナアレイの共振周波数における第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂと第２領域１０９２の損失差が、アンテナアレイの共振周波数意外における第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂと第２領域１０９２の損失差よりも小さい構成となっている。アンテナアレイの共振周波数においては、第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂより第２領域１０９２の損失差が所定の閾値よりも小さい構成としてもよい。ここで、所定の閾値は、損失差が実質的に等しいと見なせる値を採用することができる。
【0027】
また、アンテナアレイの共振周波数において、隣接するアンテナ１００ａとアンテナ１００ｂの間を同期する電磁界の位相がずれた成分に対しては、第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂより第２領域１０９２の損失が高い構成となっている。
【0028】
このように、カップリングライン１０９が第１領域１０９１ａ，１０９１ｂと異なるインピーダンスをもつ第２領域１０９２を含むので、所望のテラヘルツ波の動作周波数ｆＴＨｚ以外の周波数や動作周波数ｆＴＨｚの位相ズレ成分のみが選択的に損失される。このため、複数の周波数帯での共振（マルチモード共振）の発生やアンテナ間の位相ズレによる非同期が抑制される。
【0029】
なお、アンテナの放射効率の観点では、第２領域１０９２は、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の腹に配置（接続）されることが好ましい。ここで、「カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電解の腹となる位置」とは、例えば、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が最大化する位置のことである。言い換えると、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電流強度が１桁程度低下する位置のことである。
【0030】
ここで、カップリングライン１０９の第２領域１０９２のインピーダンスは、接続された半導体１０２ａ及び１０２ｂの微分負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値から１００倍程度の大きさの値が選択される。テラヘルツ帯において用いるＲＴＤの負性抵抗の典型値は０．１～１０００Ωであることを考えると、第２領域１０９２のインピーダンスの値は０．１～１００ｋΩの範囲において設定される。
【0031】
図１（ｂ）は半導体素子１００の等価回路の変形例を示す。この例では、伝送線路である第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂの間に第２領域１０９２の上導体（上部導体）として薄膜の抵抗体Ｒｃが接続されている。ここで、抵抗Ｒｃは、接続された半導体１０２ａ及び１０２ｂの微分負性抵抗の絶対値と等しいか少し小さい値から１００倍程度の大きさの値が選択される。テラヘルツ帯において用いるＲＴＤの負性抵抗の典型値は０．１～１
０００Ωであることを考えると、抵抗Ｒｃの値は１～１００ｋΩの範囲において設定される。
【0032】
図１（ｃ）には本実施形態の変形例である半導体素子２００の等価回路を示した。半導体素子２００は、カップリングライン２０９によって相互に結合された、半導体２０２ａを有するアンテナ２００ａと半導体２０２ｂを有するアンテナ２００ｂとを有する。本変形例において、カップリングライン２０９は、第１領域２０９１ａ１、２０９１ａ２、２０９１ｂ１、２０９１ｂ２と、第１領域２０９１ａ２及び２０９１ｂ２との間に設けられた第２領域２０９２とから構成される。
【0033】
カップリングライン２０９は、半導体２０２ａ，２０２ｂのそれぞれと並列に接続されたシャント素子２３０ａ及び２３０ｂと接続される。このように、シャント素子２３０ａ及び２３０ｂが配置されていることによって、所望のテラヘルツ波の動作周波数ｆＴＨｚ以外の周波数において短絡されて、当該周波数において半導体素子２００が低インピーダンスにされる。本変形例のように、第１領域と異なるインピーダンスの第２領域２０９２に加えて、シャント素子を配置することで、複数の周波数帯での共振（マルチモード共振）の発生の抑制効果がより大きくなる。
【0034】
なお、アンテナの放射効率の観点では、シャント素子２３０ａ及び２３０ｂは、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に配置（接続）されることが好ましい。ここで、「カップリングライン２０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電解の節となる位置」とは、例えば、カップリングライン２０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が１桁程度低下する位置のことである。
【0035】
シャント素子２３０ａ及び２３０ｂは、図１（ｃ）に示すように、抵抗Ｒｄおよび容量Ｃｄが直列に接続されて構成される。ここで、抵抗Ｒｄは、並列接続された半導体２０２ａ，２０２ｂ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。また、容量Ｃｄは、並列接続された半導体２０２ａおよび半導体２０２ｂの合成された微分負性抵抗の絶対値とインピーダンスが等しいか、少し低くなるように設定される。すなわち、抵抗Ｒｄおよび容量Ｃｄの値のそれぞれは、半導体２０２ａおよび半導体２０２ｂの利得に相当する負性抵抗（インピーダンス）の絶対値より低インピーダンスをとるように設定されることが好ましい。テラヘルツ帯において用いるＲＴＤの負性抵抗の典型値は０．１～１０００Ωであることを考えると、抵抗Ｒｄの値は０．１～１０００Ωの範囲において設定される。また、１０ＧＨｚから１０００ＧＨｚの周波数範囲でのシャント効果を得るために、容量Ｃｄの値は、典型的には０．１～１０００ｐＦの範囲で設定される。なお、ＲＴＤの負性抵抗に対する抵抗Ｒｄと容量Ｃｄのインピーダンスの条件は、共振周波数ｆＴＨｚより低い周波数帯において満たされていればよい。
【0036】
図２（ａ）から図２（ｄ）は、実施形態１に係る半導体素子のカップリングライン１０９の具体的な構成を示す。カップリングライン１０９は、誘電体層１０４の上に積層された上導体（第３の導体層）とＧＮＤとなる第１の導体層１０６とによって誘電体層１０４を挟んだ構造のマイクロストリップラインから構成される。半導体素子１００において、隣接するアンテナ間を共振周波数ｆＴＨｚで相互に同期するために、各アンテナ間はＤＣ結合によって結合されている。すなわち、アンテナ１００ａ及び１００ｂを結合するカップリングライン１０９の上導体である第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂは、アンテナ１００ａ及び１００ｂのパッチ導体（図３における第２の導体層１０３ａ及び１０３ｂ）と直接接続されている。半導体素子１００において、第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂと、第２の導体層１０３ａ，１０３ｂは同じ層に形成されている。
【0037】
図２（ａ）はカップリングライン１０９の一構成例を示す。本例において、カップリングライン１０９における第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂは、マイクロストリップラインであり、第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂと第１の導体層１０６とによって誘電体層１０４を挟んだ構造を有する。また、第２領域１０９２は、ストリップラインであり、第３の導体層（抵抗層）１５１の上導体と第１の導体層１０６とで誘電体層１０４を挟んだ構造を有する。抵抗層１５１は第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂの間に配置されており、互いに電気的かつ物理的に接続されており、アンテナ１００ａ及び１００ｂを結合するカップリングライン（マイクロストリップライン）１０９が構成されている。
【0038】
第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂの上導体は低抵抗な導体層であり、第２領域１０９２の上導体は高抵抗な抵抗体であるので、第２領域１０９２は第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂよりもインピーダンスが高く高周波の損失が高い。典型的には、第２領域１０９２のインピーダンスは第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂのインピーダンスの２倍から１００倍程度になっていれば本開示の効果が得られる期待される。インピーダンスの値は、例えば、１～１００ｋΩの範囲において設定される。
【0039】
従来は、カップリングラインは特性インピーダンスが同じ線路で構成されており、周波数を選択する機能は有していなかった。一方、本開示に係る半導体素子１００は、線路の電界分布によって異なるインピーダンスの線路を配置させて特定の周波数及び位相以外は選択的に損失を与えるような構成となっている。
【0040】
図２（ｂ）はカップリングライン１０９の他の構成例を示す。本例において、第２領域の上導体は、第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂと同一材料であるが、層厚が薄く、幅が狭い導体層１５２である。導体層１５２は、第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂの間に配置されて、互いに電気的に接続される。この場合も、導体層１５２の抵抗が増加するため、第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂより第２領域１０９２のインピーダンスが高くなり、高周波の損失が高い構成となっている。なお、第２領域１０９２のインピーダンスが高ければよいので、導体層１５２は、第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂと比較して層厚が薄いか、幅が狭いかのいずれか一方のみを満たす構成であっても構わない。
【0041】
図２（ｃ）は、カップリングライン１０９のさらに他の構成例を示す。本例のカップリングライン１０９は、第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂでは高周波において低損失の誘電体１０４ａ及び１０４ｂを有し、第２領域１０９２では高周波において損失の高い誘電体１０４ｃを有する。具体的には、第２領域１０９２におえる誘電体１０４ｃは、第１領域１０９１ａ及び１０９２ｂの誘電体１０４ａ及び１０４ｂと比べて、高周波における損失が高い材料で構成されている。このような構成も第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂより第２領域１０９２のインピーダンスが高くなり、高周波の損失が高い構成となっている。
【0042】
図２（ｄ）は、カップリングライン１０９のさらに他の構成例を示す。本例のカップリングライン１０９は、第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂでは厚い誘電体１０４a及び１
０４ｂを有し、第２領域１０９２では薄い誘電体１０４ｃを有している。誘電体１０４a
及び１０４ｂの層厚は典型的には１～３０μｍの範囲が好ましい。誘電体１０４ｃの層厚は、誘電体１０４ａ及び１０４ｂの層厚と比べて薄く、典型的には０．０１～１μｍの範囲が好ましい。このように、第２領域１０９２は、導体１５３と第１の導体層１０６で薄い誘電体１０４ｃを挟んだ容量構造に起因した漏れ電界が生じる、低インピーダンスな構造の線路である。このような低インピーダンス線路を第２領域１０９２として用いることで、第１領域１０９１ａ及び１０９１ｂより第２領域１０９２の損失が高い構成を実現することも出来る。誘電体１０４ｃの厚さは典型的には０．０１～１μｍの範囲が好ましい。
【0043】
［半導体素子の構造に関する説明］
図３（ａ）から図３（ｃ）を参照して、半導体素子１００の具体的な構造について説明する。図３（ａ）は半導体素子１００の上面図である。図３（ｂ）は図３（ａ）における半導体素子１００のＡ－Ａ’断面図であり、図３（ｃ）は半導体素子１００の図３（ａ）におけるＢ－Ｂ’断面図である。
【0044】
アンテナ１００ａは、基板１１３、第１の導体層１０６、半導体層１１５ａ、電極１１６ａ、導体１１７ａ、誘電体層１０４、第２の導体層１０３ａを含む。アンテナ１００ａは、図３（ｂ）に示すように、第１の導体層１０６と第２の導体層１０３ａの二つの導体によって、第１の誘電体層１０４１と第２の誘電体層１０４２と第３の誘電体層１０４３の３層からなる誘電体層１０４を挟んだ構成である。このような構成は、マイクロストリップ型のアンテナとして知られている。本実施形態では、アンテナ１００ａ，１００ｂを、代表的なマイクロストリップ型の共振器であるパッチアンテナとして用いている例について説明する。
【0045】
第２の導体層１０３ａは、アンテナ１００ａのパッチ導体であり、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。第２の導体層１０３ａは、半導体層１１５ａと電気的に接続される。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の共振器になるように設定されている。また、第１の導体層１０６は、接地導体であり、電気的に接地されている。ここで、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、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で表わされる。
【0046】
半導体層１１５ａは、図１（ａ）に示す等価回路の半導体１０２ａに相当し、テラヘルツ波に対する電磁波の利得またはキャリアの非線形性を有する半導体から構成される活性層１０１ａを含む。本実施形態では、活性層１０１ａとしてＲＴＤを用いた例について説明する。以降は、活性層１０１ａをＲＴＤ１０１ａとして説明する。
【0047】
半導体層１１５ａは、基板１１３の上に積層された第１の導体層１０６の上に配置され、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、低抵抗な接続がされることが好ましい。
【0048】
ＲＴＤ１０１ａは、複数のトンネル障壁層を含む共鳴トンネル構造層を有する。ＲＴＤ１０１ａでは、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、微分負性抵抗領域において自励発振する。ＲＴＤ１０１ａは、第２の導体層１０３ａの重心から共振方向（すなわちＡ－Ａ’方向）に４０％シフトした位置に配置されている。
【0049】
アンテナ１００ａは、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層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として決定される。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共振周波数ｆＴＨｚとして決定される。
Ｒｅ［ＹＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙａａ］≦０ （１）
Ｉｍ［ＹＲＴＤ］＋Ｉｍ［Ｙａａ］＝０ （２）
【0050】
ここで、ＹＲＴＤは、半導体層１１５ａのアドミタンスであり、Ｒｅは実部を示し、Ｉｍは虚部をそれぞれ示す。半導体層１１５ａは、活性層として負性抵抗半導体素子である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から見たアンテナ１００ａの全体のアドミタンスを示す。従って、Ｙａａは、図１（ａ）の等価回路におけるアンテナの各成分Ｒａ、Ｃａ、Ｌａが主要な回路要素となり、ＹＲＴＤは、半導体１０２ａの微分負性抵抗およびダイオード容量が主要な回路要素となる。
【0051】
なお、活性層１０１ａの他の例として、数百から数千層の半導体多層構造を持つ量子カスケード構造（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、活性層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半導体素子を用いてもよい。また、活性層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、例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、化合物半導体系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などが好適である。また、活性層１０１ａとして、超伝導体を用いているジョセフソン素子の微分負性抵抗を用いてもよい。
【0052】
誘電体層１０４には、厚膜が形成可能なこと（典型的には３μｍ以上の厚膜）、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による加工性）が求められる。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を厚くすることによって導体ロスが低減され放射効率が改善できる。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。このため、誘電体層１０４の厚さは、発振波長の１／１０以下の範囲であることが好ましい。
【0053】
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求められる。このため、誘電体層１０４には、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、これらの目的を満たすために、誘電体層１０４は、第１の誘電体層１０４１と第２の誘電体層１０４２の材料の異なる２種類の誘電体層を含む。
【0054】
第１の誘電体層１０４１には、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。εｒ１は、第１の誘電体層１０４１の比誘電率である。また、第１の誘電体層１０４１には、比較的厚膜が形成可能であり、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用いてもよい。
【0055】
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。これらの性質を満たすように、第２の誘電体層１０４２には、酸化シリコン（εｒ２＝４）、窒化シリコン（εｒ２＝７）、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム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。
【0056】
また、アンテナと空気（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。このため、第１の誘電体層１０４１は、第２の誘電
体層１０４２と異なる材料であり、第２の誘電体層１０４２よりも比誘電率が低い材料を用いることが好ましい（εｒ１＜εｒ２）。
【0057】
電極１１６ａは、半導体層１１５ａにおける第１の導体層１０６が配置されている側と反対側に配置されている。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（第２の誘電体層１０４２と第３の誘電体層１０４３）に埋め込まれている。より詳細には、半導体層１１５ａおよび電極１１６ａは、第２の誘電体層１０４２（第２の誘電体層１０４２と第３の誘電体層１０４３）とによって周囲を被覆されている。
【0058】
電極１１６ａは、半導体層１１５ａとオーム性接続された導体層であれば、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。電極１１６ａをオーミック電極として用いる場合、電極１１６ａの材料として、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。
【0059】
また、半導体層１１５ａにおける電極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でき、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％以下に抑えるとよい。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。
【0060】
また、テラヘルツ波帯において動作するためには、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、抵抗率を１０Ω・μｍ２以下にして、コンタクト抵抗を０．００１～数Ωの範囲に抑制する。また、他の形態として、電極１１６ａには、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てもよい。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。なお、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る構成について説明する。
【0061】
ＲＴＤ１０１ａにおける積層方向では、図２（ｂ）に示すように、基板１１３側から、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。
【0062】
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、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、λ／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することが可能であり、目安として表皮深さの２倍程度まで縮小できる。よって、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。
【0063】
導体１１７ａ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、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。導体１１７ａの材料は、抵抗率が１×１０－６Ω・ｍ以下の材料が好ましい。具体的には、導体１１７ａの材料として、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。
【0064】
第２の導体層１０３ａは、線路１０８ａ１，１０８ａ２に接続されている。線路１０８ａ１，１０８ａ２は、バイアス回路Ｖａを含むバイアスラインに接続される引き出し線である。線路１０８ａ１，１０８ａ２の幅は、第２の導体層１０３ａの幅より細く設定される。ここで、幅とは、アンテナ１００ａ内の電磁波の共振方向（＝Ａ－Ａ’方向）における幅である。例えば、線路１０８ａ１，１０８ａ２の幅は、アンテナ１００ａに定在する共振周波数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。この理由は、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、放射効率の改善の観点から好ましいためである。
【0065】
また、線路１０８ａ１，１０８ａ２の位置は、アンテナ１００ａに定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に配置することが好ましい。このとき、線路１０８ａ１，１０８ａ２は、共振周波数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、共振周波数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と接続されている。この場合、半導体素子１００の各アンテナとアンテナ１００ａとは、周波数ｆＴＨｚにおいて、線路１０８ａ１と線路１０８ａ２およびバイアス回路Ｖａを含むバイアスライン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、バイアスラインを経由して、各アンテナに誘起される共振周波数ｆＴＨｚの電流が隣接する他のアンテナに作用（影響）することが抑制される。また、アンテナ１００ａ内を定在する共振周波数ｆＴＨｚの電界とこれらの給電部材との干渉が抑制された構成でもある。
【0066】
バイアス回路Ｖａ，Ｖｂはそれぞれ、シャント抵抗１２１、配線１２２、電源１２３、容量１２４を含む（図１（ｄ）参照）。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１（ｄ）ではインダクタとして表示している。電源１２３は、ＲＴＤ１０１ａとＲＴＤ１０１ｂを駆動するために必要なバイアス信号を供給する。バイアス信号の電圧は、典型的には、ＲＴＤ１０１ａ，１０１ｂに用いているＲＴＤの微分負性抵抗領域の電圧から選択される。アンテナ１００ａの場合、バイアス回路Ｖａ，Ｖｂからのバイアス電圧は、線路１０８ａ１，１０８ａ２を経由してアンテナ１００ａ内のＲＴＤ１０１ａに供給される。
【0067】
ここで、バイアス回路Ｖａ，Ｖｂのシャント抵抗１２１および容量１２４は、バイアス回路Ｖａ，Ｖｂに起因した比較的低周波の共振周波数（典型的にはＤＣ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，１０１ｂ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，１０１ｂの合成された微分負性抵抗の絶対値とインピーダンスが等しいか、少し低くなるように設定される。すなわち、バイアス回路１２０は、これらのシャント素子により、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、本実施形態では、数十ｐＦ程度の容量を使用している。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。
【0068】
［アンテナアレイに関する説明］
半導体素子１００は、２つのアンテナ１００ａ，１００ｂがＥ面結合（Ｅ－Ｐｌａｎｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ）したアンテナアレイを有する。各アンテナは、単体では周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を発振する。隣接したアンテナ間はカップリングライン１０９で相互に結合されており、テラヘルツ波の共振周波数ｆＴＨｚにおいて相互注入同期される。
【0069】
ここで、相互注入同期とは、複数の自励発振器の全てが、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、カップリングライン１０９によって相互に結合されている。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で同期することで、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し、アンテナ利得の増減を調整することができる。
【0070】
アンテナアレイを有する半導体素子１００の発振条件は、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．１０３，１２４５１４（２００８）（非特許文献３）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できる。具体的には、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂとがカップリングライン１０９で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二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）
【0071】
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、虚部がゼロであることが好ましい。本実施形態の半導体素子１００は正位相での相互注入同期する条件で結合されており、共振周波数ｆＴＨｚ≒ｆｅｖｅｎである。他のアンテナについても同様に、各アンテナ間はカップリングライン１０９で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。
【0072】
カップリングライン１０９は、誘電体層１０４の上に積層された第３の導体層１１０と第１の導体層１０６とによって誘電体層１０４を挟んだ構造のマイクロストリップラインによって構成される。半導体素子１００において、各アンテナ間はＤＣ結合によって結合されている。アンテナ間を共振周波数ｆＴＨｚで相互に同期するために、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂとを結合するカップリングライン１０９の上導体である第３の導体層１１０は、第２の導体層１０３ａと第２の導体層１０３ｂとに直接接続されている。半導体素子１００において、第３の導体層１１０と、第２の導体層１０３ａ，１０３ｂは同じ層に形成されている。
【0073】
このようなカップリングライン１０９を有する構造により、アンテナ１００ａと隣接するアンテナ１００ｂ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。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が発生しにくい。
【0074】
半導体素子１００では、アンテナアレイおよびカップリングライン１０９は同一基板上
に形成される。カップリングライン１０９は第３の導体層１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ及び導体層１５２ａ、１５２ｂとＧＮＤとなる第１の導体層１０６とによって誘電体層１０４を挟んだ構造のマイクロストリップラインから構成される。第３の導体層１１０ａ、導体層１５２ａ、第３の導体層１１０ｂ、導体層１５２ｂ、第３の導体層１１０ｃは同一材料（Ｔｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ））で同一の層に形成されており、この順で接続されている。第３の導体層１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは幅１０μｍ幅・長さ１５０μｍであり、特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップラインが構成される。また、導体層１５２ａ、１５２ｂは幅１μｍ・長さ３μｍであり、特性インピーダンスが１００Ωのマイクロストリップラインが構成されている。
【0075】
導体層１５２ａ、１５２ｂは、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の腹になるような位置に配置されている。第２領域１０９２に相当する導体層１５２ａ、１５２ｂを上導体としたマイクロストリップラインは、第１領域と比べてインピーダンスが高く、動作周波数ｆＴＨｚ以外の周波数と動作周波数ｆＴＨｚの位相ズレ成分のみが選択的に損失される構成となっている。
【0076】
半導体素子１００において、アンテナ間を共振周波数ｆＴＨｚで相互に同期するために、各アンテナ間はＤＣ結合によって結合されている。すなわち、アンテナ１００ａ及び１００ｂを結合するカップリングライン１０９の上導体である第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂは、アンテナ１００ａ及び１００ｂのパッチ導体である第２の導体層１０３ａ及び１０３ｂと直接接続されている。半導体素子１００において、第３の導体層１１０ａ及び１１０ｂと、第２の導体層１０３ａ，１０３ｂは同じ層に形成されている。
【0077】
ここで、「カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電解の腹となる位置」とは、例えば、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界強度が最大化する位置のことである。言い換えると、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電流強度が１桁程度低下する位置のことである。このため、ｆＴＨｚ以外の複数の周波数帯での共振（マルチモード共振）の発生やアンテナ間の位相ズレによる非同期が抑制される。ここで、導体層１５２ａ、１５２ｂの大きさが大きすぎると、カップリングラインを伝搬するｆＴＨｚの高周波電界の共振特性の劣化や導体ロスのよる放射効率の低下が生じる。このため、導体層１５２ａ、１５２ｂの幅及び長さは出来るだけ小さいほうが良く、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、λ／１０以下が好適である。
【0078】
［従来の半導体素子との比較に関する説明］
図４（ａ）は、本実施形態に係る半導体素子１００のインピーダンスと、カップリングラインに異なるインピーダンスの第２領域１５２ａ、１５２ｂを有しない従来の半導体素子のインピーダンスとの解析の結果の比較を示す。解析には、ＡＮＳＹＳ社製の有限要素法高周波電磁界ソルバーであるＨＦＳＳを用いている。ここで、インピーダンスＺは、アンテナ１００ａの全構造のアドミタンスであるＹａａの逆数に相当する。また、Ｚ（１００Ω）は、本実施形態のように異なるインピーダンスの第２領域１５２ａ、１５２ｂを有する場合のインピーダンスＺである。Ｚ（抵抗無）は、従来の場合のインピーダンスＺである。また、ＲｅおよびＩｍは、それぞれ実部および虚部を表し、虚部のインピーダンスが０である周波数において共振が生じる。
【0079】
図４（ａ）に示すように、従来構造のインピーダンスでは、マルチピークが発生しており、０．４２ＴＨｚ付近および０．５２ＴＨｚ付近の２つの周波数帯において共振モードが生じる可能性がある。一方で、本実施形態に係る半導体素子１００のインピーダンスは所望の共振周波数であるｆＴＨｚ＝０．４８ＴＨｚに単一のピークがあるのみで、マルチモードが抑制されている。また、本実施形態に係る半導体素子１００では、低い周波数帯
（０．３ＴＨｚ以下）における共振の発生の抑制効果もあることが分かる。
【0080】
図４（ｂ）は、本発明の半導体素子１００におけるアンテナ１００ａのＲＴＤ１０１ａとアンテナ１００ｂのＲＴＤ１０１ｂ間における相互注入同期の解析例である。横軸は１０周期分の時間を示し、縦軸はＲＴＤ１０１ａとＲＴＤ１０１ｂに入力される電圧の規格化振幅を示す。本発明の半導体素子１００であれば、多少の位相差があっても、時間ともに二つのＲＴＤが発振する電磁波が同位相で重なり相互注入同期が開始する様子が確認される。
【0081】
半導体素子１００では、カップリングライン１０９に異なるインピーダンスの第２領域１０９２が配置されていることによって、所望のテラヘルツ波の動作周波数ｆＴＨｚ以外の周波数や動作周波数ｆＴＨｚの位相ズレ成分のみが選択的に損失される。このことによって、比較的高い周波数（典型的には１０ＧＨｚから１０００ＧＨｚ）の周波数帯におけるマルチモード共振を抑制し、所望のテラヘルツ波の動作周波数ｆＴＨｚの共振のみを選択的に安定化させることができる。
【0082】
従って、本実施形態によれば、アンテナアレイにおけるアンテナ数を増加させても、テラヘルツ波の動作周波数ｆＴＨｚにおける単一モード動作を行うことができる。このため、並べられるアンテナ数の上限が多くでき、アレイ数の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。従って、本実施形態によれば、効率のよいテラヘルツ波の発生または検出が実現できる半導体素子を提供することができる。
【0083】
＜変形例１＞
図５（ａ）～図５（ｄ）を参照して、変形例１に係る半導体素子２００を説明する。図５（ａ）～図５（ｄ）は、変形例１に係る半導体素子２００を示す。図５（ａ）は半導体素子２００の上面図である。図５（ｂ）は半導体素子２００の図５（ａ）におけるＡ－Ａ’断面図であり、図５（ｃ）は半導体素子２００の図５（ａ）におけるＢ－Ｂ’断面図であり、図５（ｄ）は半導体素子２００の図５（ａ）におけるＣ－Ｃ’断面図である。
【0084】
半導体素子２００は、２つのアンテナ２００ａ，２００ｂがＨ面結合（Ｈ－Ｐｌａｎｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ）されたアンテナアレイを有する。半導体素子２００は、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を有する。アンテナ２００ａ，２００ｂの構成および構造において、半導体素子１００におけるアンテナ１００ａ，１００ｂと同様である部分については詳細な説明を省略する。
【0085】
図５（ｂ）に示すように、カップリングライン２０９は、第３の導体層２１０と第１の導体層２０６とによって、誘電体層２０４および第４の誘電体層２０４４を挟んだマイクロストリップラインから構成される。誘電体層２０４は、第１の誘電体層２０４１、第２の誘電体層２０４２、第３の誘電体層２０４３から構成される。第２の導体層２０３ａ，２０３ｂは、第３の導体層２１０と第１の導体層２０６の間の層に形成されている。アンテナ２００ａとアンテナ２００ｂとを結合するカップリングライン２０９の上導体である第３の導体層２１０は、積層方向から見ると（平面視において）、第２の導体層２０３ａ，２０３ｂと放射端付近で長さｘ＝５μｍだけ重なっている。この重なっている部分では、第２の導体層２０３ａ，２０３ｂ、第４の誘電体層２０４４、第３の導体層２１０の順に積層されている。このため、第２の導体層２０３ａ，２０３ｂと第３の導体層２１０が第４の誘電体層２０４４を挟む、金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）の容量構造が形成されている。ここで、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、共振周波数ｆＴＨｚより下の低周波領域において、結合の大きさは小さいので素子間アイソレーションが確保される。一方、共振周波数ｆＴＨｚの帯域における、アンテナ間の結合の大きさは容量によって調整することができる。
【0086】
半導体素子２００では、シャント素子２３０１，２３０２がカップリングライン２０９に接続されている。シャント素子２３０１，２３０２は、ビア２１４１，２１４２を介してカップリングライン２０９と接続されている。ビア２１４１，２１４２は、カップリングライン２０９を定在する共振周波数ｆＴＨｚの高周波電界の節において、第３の導体層２１０と接続される。これにより、テラヘルツ波の共振周波数ｆＴＨｚ以外の周波数において短絡できるので、マルチモード共振の発生が抑制される。
【0087】
カップリングライン２０９の第３の導体層２１０と、第１の誘電体層２０４１の上に積層された抵抗体層２１９１，２１９２とは、第４の誘電体層２０４４内に形成されたビア２１４１，２１４２を介して接続される。また、抵抗体層２１９１，２１９２は、第１の誘電体層２０４１内に形成されたビア２０７１，２０７２を介して、第３の誘電体層２０４３の上に積層された第４の導体層２１８１，２１８２と接続される。
【0088】
第４の導体層２１８１，２１８２と第１の導体層２０６とによって、第３の誘電体層２０４３を挟んだＭＩＭ容量構造が形成されている。このようなＡＣ結合の構造はアンテナ間の結合を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される。なお、比較的厚さのある第１の誘電体層２０４１の内部にビア２０７１，２０７２を形成するため、ビア２０７１，２０７２の幅が大きくされてしまうことがある。しかし、本変形例のように、カップリングライン２０９から離れた場所にビア２０７１，２０７２を配置する構成では、ビア２０７１，２０７２の幅が大きくても（典型的にはλ／１０以上）、アンテナの共振電界との干渉が抑制される。このため、アンテナ利得の改善が期待できる。
【0089】
図５（ａ）及び図５（ｄ）において、カップリングライン２０９における第１領域２０９１ａ及び２０９１ｂは、第３の導体層２１０ａ及び２１０ｂと第１の導体層２０６とで誘電体層２０４を挟んだ構造のマイクロストリップラインである。また、第２領域２０９２は、抵抗層２５１の上導体と第１の導体層２０６とで誘電体層２０４を挟んだ構造のマイクロストリップラインである。抵抗層２５１は第３の導体層２１０ａ及び２１０ｂの間に配置されており、互いに電気的かつ物理的に接続されており、カップリングライン（マイクロストリップライン）２０９が構成されている。Ｔｉ／Ａｕで構成された第３の導体層２１０ａ及び２１０ｂに対して、抵抗層２５１に抵抗率の高い材料（ＴｉＷ）を用いることで第１領域２０９１ａ及び２０９１ｂより第２領域２０９２は高インピーダンスで損失が高い構成となっている。
【0090】
＜実施例１＞
実施例１として、実施形態１に係る半導体素子１００の具体的な構成について、図３（ａ）～図３（ｃ）を用いて説明する。半導体素子１００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。
【0091】
ＲＴＤ１０１ａ，１０１ｂは、ＩｎＰからなる基板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、本実施例では、二重障壁構造のＲＴＤを用いている。当該ＲＴＤの半導体ヘテロ構造は、Ｊ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｍｉｌｌｉ
Ｔｅｒａｈｚ Ｗａｖｅｓ （２０１４） ３５：４２５－４３１（非特許文献４）に開示された構造である。ＲＴＤ１０１ａ，１０１ｂの電流電圧特性では、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。
【0092】
アンテナ１００ａには、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層１１５ａとオーミック電極である電極１１６ａとから構成されるメサ構造が形成されている。本実施例では、直径２μｍ
の円状のメサ構造が形成されている。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。
【0093】
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には、ＲＴＤ１０１ａを内部に含む半導体層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。第２の導体層１０３ａと第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を用いている。
【0094】
誘電体層１０４は、第２の導体層１０３ａと第１の導体層１０６との間に配置されている。誘電体層１０４は、第１の誘電体層１０４１と第２の誘電体層１０４２と第３の誘電体層１０４３との３層によって構成される。第１の誘電体層１０４１は、５μｍ厚のＢＣＢ（ベンゾシクロブテン、ダウケミカル社製、εｒ１＝２）から構成される。第２の誘電体層１０４２は、２μｍ厚のＳｉＯ２（プラズマＣＶＤ、εｒ２＝４）から構成される。第３の誘電体層１０４３は、０．１μｍ厚のＳｉＮｘ（プラズマＣＶＤ、εｒ３＝７）から構成される。つまり、本実施例では、誘電体層１０４が含む３つの誘電体層は、それぞれ異なる材料によって構成されている。
【0095】
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）からなる半導体とから構成されている。第１の導体層１０６において、金属と半導体は、低抵抗なオーミック接触で接続されている。
【0096】
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）からなる半導体と、低抵抗なオーミック接触で接続されている。
【0097】
ＲＴＤ１０１ａの周囲の積層方向の構造は、基板１１３側から順に、基板１１３、第１の導体層１０６、ＲＴＤ１０１ａを含む半導体層１１５ａ、電極１１６ａ、導体１１７ａ、第２の導体層１０３ａの順に積層されており、互いに電気的に接続されている。導体１１７ａは、Ｃｕ（銅）を含む導体から構成されている。
【0098】
ＲＴＤ１０１ａは、第２の導体層１０３ａの重心から共振方向（Ａ－Ａ’方向）に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、線路１０８ａ１，１０８ａ２に接続される。
【0099】
線路１０８ａ１，１０８ａ２は、第１の誘電体層１０４１上に積層されたＴｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）を含む金属層から形成されており、バイアス回路Ｖａ，Ｖｂに接続される。アンテナ１００ａは、ＲＴＤ１０１ａの負性抵抗領域にバイアスを設定することで、周波数ｆＴＨｚ＝０．４８ＴＨｚにおいて０．２ｍＷのパワーの発振が得られるように設計されている。線路１０８ａ１，１０８ａ２は、共振方向（＝Ａ－Ａ’方向）における長さが７５μｍであり幅が１０μｍであるＴｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）を含む金属層のパターンから構成される。線路１０８ａ１，１０８ａ２は、第２の導体層１０３ａの共振方向（＝Ａ－Ａ’方向）における中心でありＢ－Ｂ’方向における端にて、第２の導体
層１０３ａと接続されている。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。
【0100】
半導体素子１００は、２つのアンテナ１００ａとアンテナ１００ｂが、放射される電磁波の電界方向（＝Ｅ面方向）に並べられ、互いに結合したアンテナアレイを有する。各アンテナは、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を単体で発振する設計であり、Ａ－Ａ’方向に３４０μｍピッチで配置されている。隣接するアンテナ間は、Ｔｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）から構成された第３の導体層１１０を含むカップリングライン１０９によって相互に結合されている。より詳細には、第２の導体層１０３ａと第２の導体層１０３ｂとが、幅５μｍであり長さ１９０μｍである第３の導体層１１０によって接続されている。アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂは、共振周波数ｆＴＨｚ＝０．４８ＴＨｚ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。
【0101】
半導体素子１００では、カップリングライン１０９は第３の導体層１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ及び導体層１５２ａ、１５２ｂとＧＮＤとなる第１の導体層１０６とによって誘電体層１０４を挟んだ構造のマイクロストリップラインから構成される。第３の導体層１１０ａ、導体層１５２ａ、第３の導体層１１０ｂ、導体層１５２ｂ、第３の導体層１１０ｃは同一材料（Ｔｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ））で同一の層に形成されており、この順で接続されている。第３の導体層１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃは幅１０μｍ幅・長さ１５０μｍである。導体層１５２ａ、１５２ｂは幅１μｍ・長さ３μｍであり、特性インピーダンスが２０Ωのマイクロストリップラインが構成されている。
【0102】
導体層１５２ａ、１５２ｂは、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波の電界の腹になるような位置に配置されている。第２領域１０９２に相当する導体層１５２ａ、１５２ｂを上導体としたマイクロストリップラインは、第１領域と比べてインピーダンスが高く、動作周波数ｆＴＨｚ以外の周波数や動作周波数ｆＴＨｚの位相ズレ成分のみが選択的に損失される構成となっている。第３の誘電体層１０４３は、０．１μｍ厚の窒化シリコン（εｒ３＝７）から構成される。ここで、動作周波数ｆＴＨｚ以外の周波数や動作周波数ｆＴＨｚの位相ズレ成分のみが選択的に損失される周波数帯は、例えば１０ＧＨｚから１０００ＧＨｚである。
【0103】
半導体素子１００への電力の供給はバイアス回路Ｖａ，Ｖｂから行われ、通常は微分負性抵抗領域のバイアス電圧を印加してバイアス電流を供給する。本実施例で開示した半導体素子１００の場合、負性抵抗領域における発振動作により、周波数０．４８ＴＨｚにおいて、０．４ｍＷのテラヘルツ電磁波の放射が得られる。
【0104】
このように、本実施例によれば、電磁波の損失を従来よりも低減し、テラヘルツ波をより高効率に発振または検出できる。
【0105】
＜その他の実施例＞
以上、本発明の好ましい実施形態および実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態および実施例に限定されず、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、上述の実施形態および実施例では、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）を用いている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。なお、各実施形態および実施例における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。
【0106】
さらに、上述の実施形態および実施例では、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。しかし、共振器の形状はこれに限られたものではなく、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ている構造の共振器などを用いてもよい。
【0107】
また、半導体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、複数の線路を設ける構成でもよい。
【0108】
また、上記では、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よい。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構造を有するＲＴＤを用いてもよい。
【0109】
また、ＲＴＤの材料として、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
【符号の説明】
【0110】
１００，２００：半導体素子、 １００ａ，１００ｂ：アンテナ、 １０９，２０９：カップリングライン、 １０９１ａ，１０９１ｂ，２０９１ａ１，２０９１ａ２，２０９１ｂ１，２０９１ｂ２：第１領域、 第１０９２、２０９２：第２領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
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