ホーム > 特許ランキング > 国立大学法人東京科学大学
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】2025-04-16
(45)【発行日】2025-04-24
(54)【発明の名称】テラヘルツ発振器
(51)【国際特許分類】
H03B 7/14 20060101AFI20250417BHJP
H10D 8/70 20250101ALI20250417BHJP
【ＦＩ】
H03B7/14
H10D8/70 S
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021037550
(22)【出願日】2021-03-09
(65)【公開番号】P2022137856
(43)【公開日】2022-09-22
【審査請求日】2024-01-05
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和２年８月２６日付け発行の「第８１回応用物理学会秋季学術講演会」の予稿集において公開
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 令和２年９月１０日にオンライン開催された「第８１回応用物理学会秋季学術講演会」において発表
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２９年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業、探索加速型（本格研究ＡＣＣＥＬ型）、「半導体を基軸としたテラヘルツ光科学と応用展開」、「ＲＴＤテラヘルツ光源・検出デバイスの開発」委託研究、平成２７年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業、チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）、「素材・デバイス・システム融合による革新的ナノエレクトロニクスの創成」、「共鳴トンネルダイオードとフォトニック結晶の融合によるテラヘルツ集積基盤技術の創成」、「１ＴＨｚ帯デバイスの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京科学大学
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100103263
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 康
(74)【代理人】
【識別番号】100078776
【弁理士】
【氏名又は名称】安形 雄三
(72)【発明者】
【氏名】ユ ションビン
(72)【発明者】
【氏名】マイ ヴァン タ
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 雄成
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 左文
(72)【発明者】
【氏名】浅田 雅洋
【審査官】東 昌秋
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０２０／０３９８４８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／１７０４２５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】YU, Xiongbin，外４名，スプリットリング共振器を集積したテラヘルツ共鳴トンネルダイオード発振器の作製および評価（１７ａ－Ｚ０９－２），２０２１年第６８回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集，2021年02月26日
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０３Ｂ ７／００－７／１４
Ｈ１０Ｄ ８／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バイアス電圧を印加される第１のコプレーナストリップ線路及び第２のコプレーナストリップ線路の間にスプリットリング共振器が形成されると共に、前記スプリットリング共振器に隣接して前記第１のコプレーナストリップ線路及び前記第２のコプレーナストリップ線路の間に安定化抵抗が接続され、前記第２のコプレーナストリップ線路と、Sl-InP基板上のn+InGaAs層の上のエッチストッパのn+InP層との間に共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）が設けられ、前記第１のコプレーナストリップ線路と共鳴トンネルダイオードメサとの間に、前記Sl-InP基板の上にエアーブリッジを形成する導電片が懸架されており、前記導電片及び前記共鳴トンネルダイオードメサと、前記第２のコプレーナストリップ線路及び前記共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）との間に、共振空間部が平面的にコの字形状に形成されており、前記スプリットリング共振器が、
前記第１のコプレーナストリップ線路に設けられた凹部空間と、前記第２のコプレーナストリップ線路に設けられた２つの凹部空間とで、前記共振空間部を囲むように全体にコの字形状に形成されており、
前記共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）と、前記スプリットリング共振器と、前記安定化抵抗との共振により発振することを特徴とするテラヘルツ発振器。
【請求項2】
前記導電片の先端が矩形の導体部となっており、前記導体部が前記共鳴トンネルダイオードの前記メサの上に層設されている請求項１に記載のテラヘルツ発振器。
【請求項3】
前記第１のコプレーナストリップ線路及び前記第２のコプレーナストリップ線路が、それぞれバイアス通路を経て第１のバイアスパッド及び第２のバイアスパッドに接続されている請求項１又は２に記載のテラヘルツ発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電波と光波の中間に位置するテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数帯の周波数を発振するテラヘルツ発振器に関し、特にＭＩＭ（Metal Insulator Metal）キャパシタ構造を持たず、２重障壁型共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ：Resonant Tunneling Diode）とスプリットリング共振器（ＳＲＲ：Split-ring resonator）を用いたテラヘルツ発振器に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電波と光波の中間に位置するテラヘルツ（ＴＨｚ）周波数帯（約０．１ＴＨｚ～１０ＴＨｚ）は未開発の周波数帯であるが、実用化されればイメージングや高速通信など様々な応用が期待されている。そのためには、小型のテラヘルツ発振器の開発が必要不可欠となる。その１つとして、半導体ナノ構造による２重障壁型共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）素子を用いたテラヘルツ発振器が研究されてきた。このテラヘルツ発振器は、現在、単体でも室温で１～２ＴＨｚの周波数を発振できる唯一の電子デバイスである。しかしながら、このテラヘルツ発振器は出力が１０μＷ程度と非常に小さく、製造が煩雑で複雑であるという課題を有している。
【0003】
図１は従来のテラヘルツ発振器の構造例を示しており、約１ｍｍ四方のInP基板３の上部に下部電極４が層設され、下部電極４のほぼ中央部に長形状（１０～２０μｍ）の凹部で成るスロットアンテナ２が配設されている。また、InP基板３上には上部電極５及び安定化抵抗（抵抗値ＲＳ）６が配設され、上部電極５の先端部にＭＩＭ（Metal Insulator Metal）キャパシタ７を経て、図３に示すような負性のＶ（電圧）－Ｉ（電流）特性を有する共鳴トンネルダイード（ＲＴＤ）１が配設されている。安定化抵抗６は下部電極４及び上部電極５の間に発振動作安定化のために接続され、安定化抵抗６は例えばInGaAsシートで構成されている。上部電極５は接地され、下部電極４にはＤＣバイアス（バイアス電圧Ｖｂ）が印加される。共鳴トンネルダイード（ＲＴＤ）１はＤＣバイアスでバイアス電圧Ｖｂを印加すると、井戸内の量子準位を介して電子がトンネルし、トンネル電流が流れ、さらにバイアス電圧Ｖｂを印加していくと、井戸内の量子準位がエミッタの伝導帯の底よりも下になったところで、電子がトンネルすることができなくなって電流が減少するため、図３に示すようなＶ－Ｉ特性となる。電流の減少する微分負性抵抗特性“－ＧＲＴＤ”を用いることによって、電磁波を発振・増幅させることができる。また、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）１は微分負性抵抗“－ＧＲＴＤ”と並列に寄生容量ＣＲＴＤを持っており、図２に示すように、電界の定在波に対して垂直方向に放射される。出力はスロットアンテナ２の放射抵抗により決まる。
【0004】
このように従来のテラヘルツ発振器はＲＴＤ１とＭＩＭキャパシタ７の共振構造であり、ＭＩＭキャパシタ７が有するＭＩＭキャパシタンスＣＭＩＭとＲＴＤ１によりスロットアンテナ２を形成している。スロットアンテナ２はＬＣの共振回路と放射損失Ｇａｎｔで表わされるため、この発振器の等価回路は図４に示すような回路となる。発振開始条件は、下記数１に示すように微分負性抵抗特性の正値ＧＲＴＤが放射損失Ｇａｎｔ以上になったときであり、また、下記数２で示される周波数ｆＯＳＣで発振する。
【0005】
【数1】
【0006】
【数2】
また、バイアス回路（バイアス電圧Ｖｂ）を含む発振器の等価回路は図５に示すようになっており、ＭＩＭキャパシタ７のＭＩＭキャパシタンスＣＭＩＭと安定化抵抗６の抵抗値ＲＳとが並列接続され、ＲＴＤ１とＭＩＭキャパシタンスＣＭＩＭとの間にスロットアンテナ２のインダクタンスＬＳが存在し、バイアス回路と抵抗値ＲＳとの間に回線のインダクタンスＬＷが存在している。スロットアンテナ２の周辺には図１に示すような周回電流ｉが流れ、周回電流ｉに起因したインダクタンスＬＳが形成される。そして、図５の等価回路において、高周波ではＭＩＭキャパシタンスＣＭＩＭが短絡してインダクタンスＬＷが開放されるので、図６（Ａ）に示すようにＲＴＤ１とインダクタンスＬＳの共振回路となる。また、低周波ではインダクタンスＬＳ及びＬＷが無視され、抵抗値ＲＳがＲＴＤ１の微分負性抵抗“－ＧＲＴＤ”を打ち消すので、図６（Ｂ）に示すようにＲＴＤ１、バイアス電圧Ｖｂ及び安定化抵抗６の抵抗値ＲＳの共振回路となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２０１３－１７１９６６号公報
【文献】特開２００６－２１０５８５号公報
【文献】ＷＯ２０１５／１７０４２５
【文献】特許第６５７０１８７号公報
【非特許文献】
【0008】
【文献】M. Asada, S. Suzuki, and N. Kishimoto, “Resonant tunneling diodes for sub-terahertz and terahertz oscillators”, Japanese Journal of Applied Physics, vol. 47, no. 6, pp. 4375-4384, 2008.
【文献】M. Asada and S. Suzuki, “Room-temperature oscillation of resonant tunneling diodes close to ２THz and their functions for various applications”, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, vol. 37, pp. 1185-1198, 2016.
【文献】T. Van Mai, Y. Suzuki, X. Yu, S. Suzuki, and M. Asada, “Structure-Simplified Resonant-Tunneling-Diode Terahertz Oscillator Without Metal-Insulator-Metal Capacitors”, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, vol. 41, pp. 1498-1507, 2020.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上述したテラヘルツ発振器は、テラヘルツ発振回路とベースバンド回路を分離するためのＭＩＭキャパシタを有しているため、構造が複雑で製造が煩雑となる。そのため、ＭＩＭキャパシタを取り除いたテラヘルツ発振器も提案され（非特許文献３）、構造及び製作プロセスの大幅な簡素化を図っている。しかしながら、ＭＩＭキャパシタを具備しない発振器では損失が大きいため、ＭＩＭキャパシタを有する発振器では可能である１ＴＨｚを超える高周波での発振が難しく、構造の最適化が要請されている。
【0010】
そのため、ＭＩＭキャパシタを有さないスロットアンテナ型のテラヘルツ発振器が提案されている（ＰＣＴ／ＪＰ２０２１／００００６９）。以下、これをスロットアンテナ発振器若しくはスロット共振器として概略を説明する。
【0011】
図７はスロットアンテナ発振器１０の斜視図であり、安定化抵抗１３及び１４で囲まれたスロット部に面する電極板１５の端面が、スロットアンテナ１２（約１２μｍ）となっており、スロットアンテナ１２の中央部に長形状の導電部材１８が設けられている。導電部材１８の先端部にメサを介してＲＴＤ１１が接続され、導電部材１８の下方はスロットを形成するエアーブリッジ構造となっている。スロットアンテナ発振器１０はＭＩＭキャパシタ構造を持たず、接地されたバイアスパッド１５Ａに接続された電極板１５と、ＤＣバイアスＶｂを印加するためのバイアスパッド１６Ａに接続された方形状の電極板１６とを備え、電極板１５の端面と電極板１６の対向端面との間にスロットが設けられ、スロットに面する電極板１６の端面がスロットアンテナ１２になると共に、電極板１５と電極板１６は両側の２つの安定化抵抗１３及び１４で接続されている。電極板１５のスロットアンテナ１２に対向する部分には、平面的に方形状の凹部が設けられていると共に、その凹部内に共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）１１が設けられている。ＲＴＤ１１と電極板１６との間には導電部材１８が懸架され、スロットはエアーブリッジ構造となっている。
【0012】
スロットアンテナ発振器１０の等価回路は図８であり、バイアス回路１７からのバイアス電圧Ｖｂは、回線のインダクタンスＬＷ及びスロットアンテナ１２の周回電流のインダクタンスＬＳを経てＲＴＤ１１に印加され、安定化抵抗１３及び１４（両者の合計抵抗値ＲＳ）はＲＴＤ１１に並列接続されている。そして、低周波ではインダクタンスＬＷ及びＬＳは短絡とみなしてよく、安定化抵抗１３及び１４の抵抗値ＲＳがＲＴＤ１１の負性微分抵抗値（ＮＤＲ）を打ち消すので、その等価回路は図９（Ｂ）のようになる。一方、テラヘルツのような高周波では、インダクタンスＬＷのインピーダンスが大きくなりバイアス回路１７が切り離され、さらに、直列接続された安定化抵抗ＲＳとインダクタンスＬＳを並列接続に変換すると、図９（Ａ）に示すような等価回路になるが、安定化抵抗１３及び１４の抵抗値ＲＳの損失Ｇが小さくなるので、インダクタンスＬＳとＲＴＤ１１内のキャパシタンスとで共振して発振する。即ち、発振器の発振周波数をｆとすれば、角周波数ωはω＝２πｆとなり、抵抗値ＲＳの損失Ｇは下記数３で表わされる。
【0013】
【数3】
そして、抵抗値ＲＳは小さい値（数Ω）であるので、数３における“ＲＳ ２”は略ゼロとなる。従って、数３は下記数４で近似できる。
【0014】
【数4】
数４において、角周波数ωの２乗“ω２”は、テラヘルツ周波数では大きな値であるので数４は略ゼロとなり、抵抗値ＲＳの損失Ｇは無視できる。そのため、インダクタンスＬＳとＲＴＤ１１内のキャパシタンスとで共振して発振する。
【0015】
図１０はスロットアンテナ発振器１０の出力特性例を示しており、ＭＩＭキャパシタ構造を有する発振器では可能であった１ＴＨｚを超える高周波での発振が難しく、構造の最適化が要請されている。なお、図１０の特性は、ＲＴＤパラメータである電流密度Ｊｐ＝８ [ｍＡ/μｍ２]、ピーク点とバレー点の電圧差ΔＶ＝０．５[Ｖ]、ピーク点とバレー点の電流比ＰＶＣＲ＝３の場合である。
【0016】
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、構造が複雑で製造が煩雑となるＭＩＭキャパシタ構造を持たず、ＲＴＤ、スプリットリング共振器及び安定化抵抗の共振で、１ＴＨｚ以上の高周波でも発振する高出力のテラヘルツ発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明は共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を具備したテラヘルツ発振器に関し、本発明の上記目的は、バイアス電圧を印加される第１のコプレーナストリップ線路及び第２のコプレーナストリップ線路の間にスプリットリング共振器が形成されると共に、前記スプリットリング共振器に隣接して前記第１のコプレーナストリップ線路及び前記第２のコプレーナストリップ線路の間に安定化抵抗が接続され、前記第２のコプレーナストリップ線路と、Sl-InP基板上のn+InGaAs層の上のエッチストッパのn+InP層との間に共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）が設けられ、前記第１のコプレーナストリップ線路と共鳴トンネルダイオードメサとの間に、前記Sl-InP基板の上にエアーブリッジを形成する導電片が懸架されており、前記導電片及び前記共鳴トンネルダイオードメサと、前記第２のコプレーナストリップ線路及び前記共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）との間に、共振空間部が平面的にコの字形状に形成されており、前記スプリットリング共振器が、前記第１のコプレーナストリップ線路に設けられた凹部空間と、前記第２のコプレーナストリップ線路に設けられた２つの凹部空間とで、前記共振空間部を囲むように全体にコの字形状に形成されており、前記共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）と、前記スプリットリング共振器と、前記安定化抵抗との共振により発振することにより達成される。
【0018】
また、本発明の上記目的は、前記導電片の先端が矩形の導体部となっており、前記導体部が前記共鳴トンネルダイオードの前記メサの上に層設されていることにより、或いは前記第１のコプレーナストリップ線路及び前記第２のコプレーナストリップ線路が、それぞれバイアス通路を経て第１のバイアスパッド及び第２のバイアスパッドに接続されていることにより、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、金属（導電材）／絶縁体／金属（導電材）のＭＩＭキャパシタ構造を有しておらず、２重障壁型共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）、スプリットリング共振器及び安定化抵抗の共振により、スプリットリング中央に電界が集中し、閉じ込めが良くなるので、１ＴＨｚ以上のテラヘルツ周波数帯の発振が高出力で得られる。
【0020】
スプリットリング共振器外側の２つのコプレーナストリップ線路がダイポールアンテナの働きをし、コプレーナストリップ線路の寸法により調整することができ、ＲＴＤから最大の出力を取り出すマッチング条件を満たすことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】従来のＲＴＤを用いたテラヘルツ発振器の一例を示す斜視構造図である。
【図2】従来のＲＴＤを用いたテラヘルツ発振器の出力例を示す模式図である。
【図3】ＲＴＤの特性例を示す特性図である。
【図4】従来のＲＴＤを用いたテラヘルツ発振器の等価回路図である。
【図5】従来のＲＴＤを用いたテラヘルツ発振器の、バイアス回路を含む発振等価回路図である。
【図6】高周波と低周波の回路を示す等価回路図である。
【図7】従来のスロットアンテナ発振器の一例を示す斜視構造図である。
【図8】従来のスロットアンテナ発振器の等価回路図である。
【図9】スロットアンテナ発振器の高周波と低周波における等価回路図である。
【図10】スロットアンテナ発振器の出力特性図である。
【図11】本発明に係るテラヘルツ発振器の構造例を示す斜視構造図である。
【図12】本発明に係るテラヘルツ発振器の構造例を詳細に示す平面構造図である。
【図16】本発明に係るテラヘルツ発振器の平面構造及び等価回路図である。
【図17】本発明に係るテラヘルツ発振器の等価回路図である。
【図18】コンダクタンス及び損失を本発明と従来例について示す特性図である。
【図19】電界分布の計算結果の一例（本発明と従来例）を示す電界分布図である。
【図20】本発明の発振特性を従来例と比較して示す特性図である。
【図21】コプレーナストリップ線路の長さｄと放射効率の関係を示す特性図である。
【図22】ＲＴＤメサのサイズと発振周波数の特性例を、スロット共振器と比較して示す特性図である。
【図23】コンダクタンスの周波数特性を示す特性図である。
【図24】ＲＴＤメサと発振周波数の関係を示す特性図である。
【図25】放射効率の周波数特性を示す特性図である。
【図26】出力電力の周波数特性を示す特性図である。
【図27】作製した本発明に係るテラヘルツ発振器の平面図である。
【図28】出力周波数のＲＴＤメササイズを示す特性図（Ａ）と出力電力の周波数を示す特性図（Ｂ）である。
【図29】本発明に係るテラヘルツ発振器を多数接続した大規模アレイの接続例を示す結線図である。
【図30】大規模アレイを高速変調器として用いる場合の様子を示す模式図である。
【図31】大規模アレイを高感度センサとして用いる場合の様子を示す模式図である。
【図32】大規模アレイを高出力アレイ光源として用いる場合の様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本発明は２重障壁型共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）を用いたテラヘルツ発振器であり、金属（導体）／絶縁体／金属（導体）で構成されるＭＩＭ（Metal Insulator Metal）キャパシタ構造を持たない構造である。ＭＩＭキャパシタ構造を持たないため、構造が簡易であると共に、製造プロセスの工程を従来に比べ格段に減少させることができ、ＲＴＤ、スプリットリング共振器及び安定化抵抗の共振により１ＴＨｚ周波数帯の発振が得られる。また、スプリットリング共振器により、電界が中央に集中して閉じ込めが良くなるので、スロット共振器に比べ損失が小さくなり、高出力を得られる。
【0023】
本発明のテラヘルツ発振器によれば、スプリットリング共振器外側の２つのコプレーナストリップ線路がダイポールアンテナの働きをし、コプレーナストリップ線路の寸法により調整することができ、ＲＴＤから最大の出力を取り出すマッチング条件を満たすことが可能である。
【0024】
また、本発明のテラヘルツ発振器は、イメージングや高速通信等への応用が期待されると共に、大規模アレイにすることにより、高速変調器、高感度センサ、高出力アレイ光源などへの応用が可能である。
【0025】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0026】
本発明に係るテラヘルツ発振器１００は図１１（Ａ）及び図１２（Ａ）に示すような全体構造であり、バイアス電圧を印加するための矩形（１００μｍ×２００μｍ）のバイアスパッド１１０及び１１１を具備しており、バイアスパッド１１０及び１１１の間に配置される発振部１００Ａは図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）に示すような構造となっている。即ち、テラヘルツ発振器１００の全体はSl-InP基板１０１上に層設され、２枚の導電性材料で成るバイアスパッド１１０及び１１１の間の空間部（幅４５μｍ）に、図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）に示すような発振部１００Ａを形成している。発振部１００Ａの詳細は図１２（Ｃ）及び（Ｄ）の平面図と、図１３～図１５の断面図とに示されている。
【0027】
発振部１００Ａは、対向する２枚の導体板（間隔５μｍ）である矩形状のコプレーナストリップ線路（Coplanar Stripline）（幅１０μｍ×長さ７０μｍ、Ti/Pd/Au）１２０及び１２１を配設され、コプレーナストリップ線路１２０及び１２１はダイポールアンテナとして機能するので、以下では「ＣＰＳアンテナ」と称することもある。コプレーナストリップ線路１２０及び１２１の中央部は全体的にコの字状の空間部（リング）を形成され、後述するＲＴＤ１４０及び安定化抵抗１２２，１２３と協働してスプリットリング共振器１３０を形成している。コプレーナストリップ線路１２０は、バイアス通路１２０Ａを経てバイアスパッド１１０に接続され、コプレーナストリップ線路１２１は、バイアス通路１２１Ａを経てバイアスパッド１１１に接続されている。コプレーナストリップ線路１２０の中央部は、長形状の導体片１３１の両側に２つの凹部１２０－１及び１２０－２を形成され（リング）、コプレーナストリップ線路１２１の中央部は矩形状の凸部１２１－１を有し、凸部１２１－１の両側に２つの断面矩形状の凹部１２１－２及び１２０－３を形成され（ストリップ）、全体としてコの字状の空間部（ストリップリング）を形成している。導体片１３１は、エアーブリッジ構成となるように空間部（リング）に懸架されている。また、コプレーナストリップ線路１２０及び１２１は、スプリットリング共振器１３０の両端部に隣接して配設された安定化抵抗（幅２μｍ）１２２及び１２３で接続されている。安定化抵抗１２２及び１２３の合成抵抗値は“Ｒｓ”となっている。
【0028】
図１２（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、コプレーナストリップ線路１２０の導体片１３１の先端は矩形の導体部１３１Ａになっており、導体部１３１Ａはコプレーナストリップ線路１２１の凸部１２１－１の先端部に達しており、ＲＴＤ１４０が形成されると共に、ＲＴＤメサ１４２を形成している。コプレーナストリップ線路１２１の凸部１２１－１には、導体部１３１Ａの周囲を囲繞するコの字状の凹部である共振空間部１４１が形成されている。
【0029】
図１３は図１１のＸ－Ｘ’断面図であり、最下層のSl-InP基板１０１と、その上に層設された安定化抵抗１２２（１２３）を形成するn+InGaAs層１０２と、その上のエッチストッパのn+InP層１０３と、このn+InP層（エッチストッパ層）１０３の上に層設されたＲＴＤ１４０との層構造になっており、その上に層設されたTi/Pd/Auのコプレーナストリップ線路１２０及び１２１が、空間（間隔５μｍ）を挟んで形成されている。
【0030】
また、図１４は図１１のＹ－Ｙ’断面図であり、この位置では、層構造は図１３と同様であるが、n+InGaAs層１０２と、その上のエッチストッパのn+InP層１０３とが、隙間なく繋がって配設されている。これにより、安定化抵抗１２２が形成される。対称側の安定化抵抗１２３についても、同様な構造である。
【0031】
図１５は図１１のＺ－Ｚ’断面図であり、導体片１３１の下方のn+InGaAs層１０２、その上のn+InP層１０３、n+InP層１０３の上のＲＴＤ１４０がエアーブリッジを形成する空間となっており、導体部１３１Ａの下方のＲＴＤ１４０はＲＴＤメサ１４２となる。コプレーナストリップ線路１２１，ＲＴＤ１４０と、導体部１３１Ａ、ＲＴＤメサ１４２との間には、共振空間部１４１が形成されている。
【0032】
図１６はテラヘルツ発振器１００の平面構造及び等価回路図であり、図１７は発振状態の等価回路図である。即ち、テラヘルツ発振器１００の等価回路は図１６であり、バイアスパッド１１０及び１１１からのバイアス電圧Ｖｂは、回線のインダクタンスＬＷと、スプリットリング共振器１３０の周回電流のインダクタンスＬＳ、コプレーナストリップ線路１２１のインダクタンスＬｄ及びキャパシタンスＣｄを経てＲＴＤ１４０に印加され、安定化抵抗１２２及び１２３（両者の合計抵抗値ＲＳ）はＲＴＤ１４０に並列接続されている。テラヘルツ波は，放射コンダクタンスＧａｎｔを介して放射される。発振状態の等価回路では、インダクタンスＬＷのインピーダンスが大きくなり，バイアス回路が切り離される。また、発振周波数が主にスプリットリング共振器１３０で決まることで、コプレーナストリップ線路１２１のインダクタンスＬd及びキャパシタンスＣdは省略でき、図１７に示すような等価回路になる。即ち、発振器の発振周波数をｆＯＳＣとすれば、角周波数ωはω＝２πｆとなり、発振周波数は下記数５で表わされる。
【0033】
【数5】
ＲＴＤ１４０は例えばAlAs/InGaAsの２重障壁であり、上から下に、n+InGaAs (４×1019cm‐3,24nm)/spacer InGaAs (undoped,20nm)/barrier AlAs (undoped,1.2nm)/well InGaAs (undoped,3nm)/barrier AlAs (undoped,1.2nm)/spacer InAlGaAs (undoped,5nm) /n-InAlGaAs (3×1018cm‐3,20nm)/n+ InGaAs (４×1019cm‐3,5nm)/etch stopper n+InP (４×1019cm‐3,10nm)/ n+InGaAs (４×1019cm‐3,400nm)/の各層で構成されていても良い。
【0034】
なお、本例で示している寸法、サイズは例示であり、適宜変更可能である。
【0035】
本発明のテラヘルツ発振器１００は、スプリットリング共振器１３０の中央にＲＴＤ１４０を集積しており、スプリットリング共振器１３０の中央に電界が集中する。本発明のテラヘルツ発振器１００は閉じ込めが良いので、スロット発振器に比べて低損失である。図１８は、本発明のテラヘルツ発振器１００とスロット発振器を比較して、コンダクタンス及び損失の周波数特性を示しており、スプリットリング共振器１３０はほぼ全領域においてスロット発振器よりもコンダクタンスが小さくなっている。コンダクタンスと損失は正比例の関係にあり、コンダクタンスが大きいほど損失が大きいことになる。そして、発振の前提条件は数１の通りであり、ＲＴＤの負性コンダクタンスの絶対値が共振器のコンダクタンスより大きい時に、テラヘルツ波の発振ができることになる。
【0036】
【0037】
図２０は、本発明のテラヘルツ発振器１００を形成するスプリットリング共振器１３０の周波数特性を示しており、スロット共振器の場合と比較して、発振周波数が１ＴＨｚ以上となっている。０．５～０．９ＴＨｚ近辺で出力が低下するのは、コプレーナストリップ線路１２１の寸法により、ＲＴＤ１４０とのマッチングが不整合となるためである。
【0038】
図２１は、図１２（Ｂ）に示すコプレーナストリップ線路１２０及び１２１の長さｄに基づく放射効率（％）を示しており、発振周波数が１ＴＨｚにおいてｄ＝１５～２０μｍが最適であることが分かる。なお、長さｄは、コプレーナストリップ線路１２０及び１２１の端面から安定化抵抗１２２（若しくは反対側の端面から安定化抵抗１２３）までの長さであり、ｄ＝０を除いて、ｄの長さに応じたＣＰＳアンテナとなる。
【0039】
図２２はＲＴＤメサ１４２のサイズ[μｍ２]と発振周波数の関係を示しており、スプリットリング共振器１３０は損失が小さく、１．４ＴＨｚ近辺までの発振が可能である。これに対して、スロット共振器では約０．９ＴＨｚまでの発振となっている。図２２内のＪｐ，ΔＶ，ＰＶＣＲはＲＴＤパラメータであり、ＲＴＤ１４０の電圧電流特性から抽出できる。Ｊｐは電流密度(ピーク電流/メササイズ)であり、ΔＶはピーク点とバレー点の電圧差であり、ＰＶＣＲはピーク点とバレー点の電流比である。
【0040】
図２３～図２６はＣＰＳアンテナが有る場合（ｄ＝２６．５μｍ）と、ＣＰＳアンテナが無い場合（ｄ＝０）とを比較した各種特性例を示しており、図２３は周波数[ＴＨｚ]とコンダクタンス[Ｓ]との関係を示しており、図２４はＲＴＤメサ１４２のサイズ[μｍ２]と発振周波数[ＴＨｚ]との関係を示している。これから、０．８ＴＨｚ以上の周波数領域でＣＰＳアンテナの調整によって、バイアス電極による金属損失の減少が可能であることが分かる。つまり、０．８ＴＨｚ以上の周波数領域でＣＰＳ線路がアンテナの機能により、発生したテラヘルツ波をＣＰＳ線路を介して空間へ放射させる。従って、安定化抵抗の導体損失及びバイアスパッドの金属損失を減少することができる。
【0041】
また、ＣＰＳアンテナを設けることにより、ＲＴＤ発振周波数の限界が１．１ＴＨｚから１．４ＴＨｚまで上昇している。図２５は周波数[ＴＨｚ]と放射効率[％]の関係を示しており、図２６は発振周波数[ＴＨｚ]と出力電力[μＷ]との関係を示している。これから、０．８ＴＨｚ以上の周波数領域でＣＰＳアンテナの放射によって、バイアスパッドによる金属損失の減少が可能であることが分かる。安定化抵抗の導体損失とバイアスパッドの金属損失の減少により、放射効率を増加することができる。なお、放射効率は下記数６で定義される。
（数６）
放射効率＝放射電力／（放射電力＋損失電力）
また、図２６から、ＣＰＳアンテナを設けることにより、ＲＴＤの出力電力を増大できる。
（数６）
放射効率＝放射電力／（放射電力＋損失電力）
また、図２６から、ＣＰＳアンテナを設けることにより、ＲＴＤの出力電力を増大できる。
【0042】
図２７は、実際に作製したテラヘルツ発振器の平面図であるが、スプリットリング共振器１３０の内側にn+InGaAsの残留物が付着する。この残留物を除去した場合と、残留物が有る場合とで、ＲＴＤメサ１４２の発振周波数の関係は図２８のようになり、残留物（n+InGaAs）を除去することにより、発振周波数を高くすることができる。
【0043】
図２９は本発明のテラヘルツ発振器１００を多数個用いた大規模アレイ２００の接続例を示しており、両サイドに対向する２枚のＤＣ／ＡＣパッド２０１及び２０２が配設され、ＤＣ／ＡＣパッド２０１には、アーム片２０１－１，２０１－２，２０１－３が接続されており、ＤＣ／ＡＣパッド２０２には、アーム片２０２－１，２０２－２，２０３－３が接続されている。そして、アーム片２０１－１とアーム片２０２－１との間にはテラヘルツ発振器１００－１～１００－４が並列接続され、アーム片２０１－２とアーム片２０２－２との間にはテラヘルツ発振器１００－１１～１００－１４が並列接続され、アーム片２０１－３とアーム片２０２－３との間にはテラヘルツ発振器１００－２１～１００－２４が並列接続されている。図２９の例では、３段に１２個のテラヘルツ発振器１００を接続しているが、更に多くのテラヘルツ発振器１００を接続することができる。
【0044】
このような大規模アレイ２００は、高速変調器、好感度センサ、高出力アレイなどに応用できる。
【0045】
図３０は高速変調器の例を示しており、図３０（Ｂ）に示すように、ＤＣ／ＡＣパッド２０１及び２０２の間に変調源２１０を接続している。そして、図３０（Ａ）に示すような時間関数のテラヘルツ波をキャリア信号として大規模アレイ２００の表面に印加すると、裏面から、図２１（Ｃ）に示すような変調された信号が出力される。数百ＧＨｚのキャリア信号を数十ＧＨｚで変調すれば、５Ｇや６Ｇ世代の通信への応用が可能である。
【0046】
図３１は高感度センサの例を示しており、図３１（Ｂ）に示すように、ＤＣ／ＡＣパッド２０１及び２０２の間に直流電源２２０を接続している。そして、図３１（Ａ）に示すような周波数関数のテラヘルツ波を大規模アレイ２００の表面に印加すると、裏面から出力される信号に、被測定試料２２１に対して図３１（Ｃ）に示すような周波数のずれΔｆが生じる。周波数のずれΔｆの測定により、付着した被測定試料２２１の屈折率や厚さの分析を行うことができる。
【0047】
また、図３２（Ａ）は高出力アレイ光源の構成例を示しており、ＤＣ／ＡＣパッド２０１及び２０２の間に直流電源２２０が接続されており、単一の場合には図３２（Ｂ）に示す出力強度Ｗ１の小さな特性であるが、大規模アレイ２００の場合には図３２（Ｂ）に示す出力強度Ｗ２の大きな特性となる。
【産業上の利用分野】
【0048】
本発明の微細デバイスを用いれば、テラヘルツ周波数帯に存在する物質の吸収スペクトルを測定するコンパクトなチップやテラヘルツイメージング用光源チップの製造が容易となり、化学・医療・セキュリティ分野の一層の発展を促すことが出来ると考えられる。
【符号の説明】
【0049】
１ 共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）
２ スロットアンテナ
３ InP基板
４ 下部電極
５ 上部電極
６、１３，１４ 安定化抵抗
７ ＭＩＭキャパシタ
１０ スロットアンテナ発振器
１１ 共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）
１２ スロットアンテナ
１５，１６ 電極板
１７ バイアス回路
１８ 導電部材
１００ テラヘルツ発振器
１００Ａ 発振部
１０１ Sl-InP基板
１０２ n+InGaAs層
１０３ n+InP層（エッチストッパ）
１１０、１１１ バイアスパッド
１２０、１２１ コプレーナストリップ線路
１２０－１、１２０－２ 凹部
１２０Ａ、１２１Ａ バイアス通路
１２１－１ 凸部
１２１－１、１２１－２ 凹部
１２２，１２３ 安定化抵抗
１３０ スプリットリング共振器（ＳＲＲ）
１３１ 導体片
１３１Ａ 導体部
１４０ ＲＴＤ
１４１ 共振空間部
１４２ ＲＴＤメサ
２００ 大規模アレイ
２０１、２０２ ＤＣ／ＡＣパッド
２ スロットアンテナ
３ InP基板
４ 下部電極
５ 上部電極
６、１３，１４ 安定化抵抗
７ ＭＩＭキャパシタ
１０ スロットアンテナ発振器
１１ 共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）
１２ スロットアンテナ
１５，１６ 電極板
１７ バイアス回路
１８ 導電部材
１００ テラヘルツ発振器
１００Ａ 発振部
１０１ Sl-InP基板
１０２ n+InGaAs層
１０３ n+InP層（エッチストッパ）
１１０、１１１ バイアスパッド
１２０、１２１ コプレーナストリップ線路
１２０－１、１２０－２ 凹部
１２０Ａ、１２１Ａ バイアス通路
１２１－１ 凸部
１２１－１、１２１－２ 凹部
１２２，１２３ 安定化抵抗
１３０ スプリットリング共振器（ＳＲＲ）
１３１ 導体片
１３１Ａ 導体部
１４０ ＲＴＤ
１４１ 共振空間部
１４２ ＲＴＤメサ
２００ 大規模アレイ
２０１、２０２ ＤＣ／ＡＣパッド
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
