JP7317653B2 - 素子 - Google Patents

Description

本発明は、テラヘルツ波を発振または検出する素子に関する。

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素子として期待されている。

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。

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。

特開２０１４－２０００６５号公報

Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６（２００８）、ｐｐ．４３７５－４３８４ ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＴＨＥＯＲＹ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ， ＶＯＬ． ４２， ＮＯ． ４， ＡＰＲＩＬ １９９４ Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．１０３，１２４５１４（２００８） Ｊ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｍｉｌｌｉ Ｔｅｒａｈｚ Ｗａｖｅｓ （２０１４） ３５：４２５－４３１

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。

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。

本発明の第１の態様は、
テラヘルツ波の利得を有する半導体層を有する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いる、
ことを特徴とする素子である。

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。

実施形態１に係る半導体素子の等価回路を示す図である。 実施形態１に係る半導体素子の構成を示す図である。 実施形態１に係る半導体素子のインピーダンスを示す図である。 変形例１に係る半導体素子の構成を示す図である。 変形例２に係る半導体素子の構成を示す図である。

＜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）ｆ_ＴＨｚ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。

［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（ｃ）は、半導体素子１００が有するバイアス回路Ｖ_ａ，Ｖ_ｂの等価回路を説明する図である。

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層１１５ａ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。

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ｆ_ＴＨｚ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。

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。

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Ｒ_ａと、構造によって決まるＬＣ成分（容量Ｃ_ａおよびインダクタンスＬ_ａ）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Ｖ_ａが、半導体１０２ａと並列に接続されている。

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）。

なお、アンテナ１００ｂは、アンテナ１００ａと同様に、半導体１０２ｂ、抵抗Ｒ_ｂ、ＬＣ成分（Ｃ_ｂおよびＬ_ｂ）、バイアス回路Ｖ_ｂ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ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波を単体で送信または受信する。

バイアス回路Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ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Ｖ_ａ，Ｖ_ｂはそれぞれ、図１（ｃ）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。

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Ｖ_ａ，Ｖ_ｂのシャント抵抗１２１および容量１２４は、バイアス回路Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ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。

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は、半導体１０２ａ，１０２ｂのそれぞれと並列に接続されたシャント素子１３０に接続される。このように、シャント素子
１３０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ｆ_ＴＨｚ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１００が低インピーダンスにされる。このため、複数の周波数帯での共振（マルチモード共振）の発生が抑制される。なお、アンテナの放射効率の観点では、シャント素子１３０は、カップリングライン１０９において定在する共振周波数ｆ_ＴＨｚ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１０９において定在する共振周波数ｆ_ＴＨｚ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１０９において定在する共振周波数ｆ_ＴＨｚ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。

シャント素子１３０は、図１（ａ）に示すように、抵抗Ｒ_ｃおよび容量Ｃ_ｃが直列に接続されている。ここで、抵抗Ｒ_ｃは、並列接続された半導体１０２ａ，１０２ｂ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Ｃ_ｃは、並列接続された半導体１０２ａおよび半導体１０２ｂ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Ｒ_ｃおよび容量Ｃ_ｃの値のそれぞれは、半導体１０２ａおよび半導体１０２ｂ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Ｒ_ｃ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Ｃ_ｃ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Ｒ_ｃと容量Ｃ_ｃのインピーダンスの条件は、共振周波数ｆ_ＴＨｚより低い周波数帯において満たされていればよい。

［半導体素子の構造に関する説明］
続いて、半導体素子１００の具体的な構造について説明する。図２（ａ）は半導体素子１００の上面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）における半導体素子１００のＡ－Ａ’断面図であり、図２（ｃ）は半導体素子１００の図２（ａ）におけるＢ－Ｂ’断面図である。

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２（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。

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λ_ＴＨｚ／２である共振器にされ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、λ_ＴＨｚ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λ_０とし、誘電体層１０４の実効的な比誘電率をε_ｒとするとλ_ＴＨｚ＝λ_０×ε_ｒ ^－１／２で表わされる。

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を用いている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。

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、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。

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。

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ｆ_ＴＨｚ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（Ｙ_ＲＴＤおよびＹ_ａａ）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ｆ_ＴＨｚとして決定される。
Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｒｅ［Ｙ_ａａ］≦０ （１）
Ｉｍ［Ｙ_ＲＴＤ］＋Ｉｍ［Ｙ_ａａ］＝０ （２）

ここで、Ｙ_ＲＴＤは、半導体層１１５ａのアドミタンスであり、Ｒｅは実部を示し、Ｉｍは虚部を示す。半導体層１１５ａは、活性層として負性抵抗素子であるＲＴＤ１０１ａを含むので、Ｒｅ［Ｙ_ＲＴＤ］は負の値を有する。また、Ｙ_ａａ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、Ｙ_ａａは、図１（ａ）の等価回路におけるアンテナの各成分Ｒ_ａ、Ｃ_ａ、Ｌ_ａが主要な回路要素となり、Ｙ_ＲＴＤ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。

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。

誘電体層１０４は、第１の導体層１０６と第２の導体層１０３ａとの間に形成されている。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。

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。

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、ε_ｒ１＝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。ε_ｒ１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。

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（ε_ｒ２＝４）、窒化シリコン（ε_ｒ２＝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。ε_ｒ２は、第２の誘電体層１０４２の比誘電率である。

第３の誘電体層１０４３については後述する。なお、本実施形態のように誘電体層１０４が３層の構造の場合、誘電体層１０４の比誘電率をε_ｒは、第１の誘電体層１０４１～第３の誘電体層１０４３のそれぞれにおける厚さと比誘電率から決定される実効的な比誘電率である。また、半導体素子１００において、誘電体層１０４は３層構造である必要はなく、１層のみの構造であってもよい。

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（ε_ｒ１＜ε_ｒ２）。

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。

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。

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。

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・μｍ^２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。

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。

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。

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。

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Ｖ_ａ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ｆ_ＴＨｚ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。

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ｆ_ＴＨｚ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ｆ_ＴＨｚ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ｆ_ＴＨｚ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ｆ_ＴＨｚにおいて、線路１０８ａ１と線路１０８ａ２およびバイアス回路Ｖ_ａ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ｆ_ＴＨｚ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ｆ_ＴＨｚ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。

バイアス回路Ｖ_ａ，Ｖ_ｂはそれぞれ、シャント抵抗１２１、配線１２２、電源１２３、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１（ｃ）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Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ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。

ここで、バイアス回路Ｖ_ａ，Ｖ_ｂのシャント抵抗１２１および容量１２４は、バイアス回路Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ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。

［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ｆ_ＴＨｚ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ｆ_ＴＨｚにおいて相互注入同期される。

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。

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＝ｆ_ｅｖｅｎ
Ｙ_ｅｖｅｎ＝Ｙ_ａａ＋Ｙ_ａｂ＋Ｙ_ＲＴＤ
Ｒｅ（Ｙ_ｅｖｅｎ）≦０ （４）
Ｉｍ（Ｙ_ｅｖｅｎ）＝０ （５）

逆位相（ｏｄｄモード）：周波数ｆ＝ｆ_ｏｄｄ
Ｙ_ｏｄｄ＝Ｙ_ａａ＋Ｙ_ａｂ＋Ｙ_ＲＴＤ
Ｒｅ（Ｙ_ｏｄｄ）≦０ （６）
Ｉｍ（Ｙ_ｏｄｄ）＝０ （７）

ここで、Ｙ_ａｂ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。Ｙ_ａｂ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－Ｙ_ａｂ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ｆ_ＴＨｚ≒ｆ_ｅｖｅｎ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。

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から構成される。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ｆ_ＴＨｚ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。

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ｆ_ＴＨｚ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。

半導体素子１００では、カップリングライン１０９の中心にシャント素子１３０が配置（接続）されている。シャント素子１３０とカップリングライン１０９とは、ビア１１４を介して接続されている。具体的には、カップリングライン１０９の第３の導体層１１０と、シャント素子１３０と接続する導体層１１１とが、第１の誘電体層１０４１の内部に形成されたビア１１４を介して接続される。ここで、ビア１１４は、カップリングライン１０９を定在する共振周波数ｆ_ＴＨｚの高周波電界の節で第３の導体層１１０と接続される。つまり、シャント素子１３０は、カップリングライン１０９における定在する共振周波数ｆ_ＴＨｚの高周波電界の節でカップリングライン１０９と接続されているといえる。このように接続されたシャント素子１３０により、テラヘルツ波の共振周波数ｆ_ＴＨｚ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１００が低インピーダンスにされるため、マルチモードの共振の発生が抑制できる。

導体層１１１は、第２の誘電体層１０４２の上に積層された電極であり、第２の誘電体層１０４２の上に積層された抵抗体層１１９１，１１９２と接続される。図１（ａ）に示した等価回路におけるシャント素子１３０の抵抗Ｒ_ｃは、抵抗体層１１９１，１１９２により形成される。抵抗体層１１９１，１１９２は、第２の誘電体層１０４２の上に積層された導体層１１２１，１１２２と接続されている。導体層１１２１，１１２２は、ビア１０７１，１０７２を介して、第３の誘電体層１０４３の上に積層された第４の導体層１１８１，１１８２に接続される。第４の導体層１０８１，１１８２は、第１の導体層１０６と第２の導体層１０３ａ，１０３ｂとの間の層に形成されている。図１（ａ）に示した等価回路におけるシャント素子１３０の容量Ｃ_ｃは、第４の導体層１１８１，１１８２と第１の導体層１０６とで、誘電体層１０４の一部である第３の誘電体層１０４３を挟んだＭＩＭ容量構造により形成される。

また、抵抗Ｒ_ｃに対して、アンテナアレイの集積化のために微細化が求められている。このため、本実施形態では、抵抗体層１０９１，１０９２として、比較的抵抗率が高く、融点が高い抵抗率０．７Ω・μｍのＷ－Ｔｉ（０．２μｍ厚）薄膜を用いている。

半導体素子１００のシャント素子１３０は、２つのシャント素子を含む。１つは、抵抗体層１１９１からなる抵抗と、第４の導体層１１８１と第１の導体層１０６とで第３の誘電体層１０４３を挟んだ容量が直列に接続されたシャント素子である。もう１つは、抵抗体層１１９２からなる抵抗と、第４の導体層２１８２と第１の導体層１０６とで第３の誘電体層１０４３を挟んだ容量が直列に接続されたシャント素子である。なお、各シャント素子の材料や寸法・構造を適宜設計することによって、抵抗Ｒ_ｃと容量Ｃ_ｃの値が上述した範囲であるようにできる。また、導体１１７ａ，１１７ｂの幅と同様にビア１１４の幅が大きすぎると、カップリングラインを伝搬するｆ_ＴＨｚ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、ビア１１４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。

半導体素子１００では、第１の誘電体層１０４１、第２の誘電体層１０４２、第３の誘電体層１０４３の３層の誘電体層を、誘電体層１０４として用いている。第３の誘電体層１０４３は、シャント素子１３０の容量Ｃ_ｃの誘電体に用いられるので、ＭＩＭ容量構造の小型化のために比較的誘電率の高い窒化シリコン（ε_ｒ３＝７）が用いられている。ε_ｒ３は、第３の誘電体層１０４３の比誘電率である。本実施形態のように誘電体層１０４が３層構成の場合には、実効的な比誘電率は、第３の誘電体層１０４３の厚さと比誘電率も加味して決定される。

［従来の半導体素子との比較に関する説明］
図３は、本実施形態に係る半導体素子１００のインピーダンスと、シャント素子１３０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Ｙ_ａａの逆数に相当する。また、Ｚ＿ｗ／＿ｓｈｕｎｔは、本実施形態のようにシャント素子１３０を有する場合のインピーダンスＺである。Ｚ＿ｗ／ｏ＿ｓｈｕｎｔは、従来のようにシャント素子１３０を有しない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。

図３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ｆ_ＴＨｚ＝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、シャント素子１３０によって、図３に示すグラフの範囲外の低い周波数帯（０．１ＴＨｚ以下）における共振の発生の抑制効果がある。

半導体素子１００では、カップリングライン１０９に、ＲＴＤと並列なシャント素子１３０を配置している。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ｆ_ＴＨｚの共振のみを選択的に安定化させることができる。また、本実施形態に係る半導体素子１００では、アンテナ間を抵抗によって直列に接続する構成に比べて、構造由来のインピーダンス変化が発生しにくく、位相や周波数のばらつきが生じにくい。

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ｆ_ＴＨｚ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。

なお、シャント素子は、図１（ａ）に示す抵抗Ｒ_ｃと容量Ｃ_ｃを有するものには限られない。例えば、図１（ｂ）に示すように、シャント素子１３０を、半導体１０２ａ，１０２ｂと並列に接続された抵抗Ｒ_ｃのみから構成してもよい。

＜変形例１＞
以下にて、変形例１に係る半導体素子２００を説明する。図４（ａ）～図４（ｃ）は、変形例１に係る半導体素子２００を示す。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。

カップリングライン２０９は、図４（ｂ）に示すように、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ｆ_ＴＨｚ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ｆ_ＴＨｚ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。

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ｆ_ＴＨｚ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ｆ_ＴＨｚ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。

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。

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。

＜変形例２＞
以下にて、図１（ｂ）が示すシャント素子が抵抗のみから構成される具体例である、変形例２に係る半導体素子３００について説明する。図５（ａ）～図５（ｃ）は、変形例２に係る半導体素子３００を示す。半導体素子３００は、接地導体である第１の導体層３０６とパッチ導体である第２の導体層３０３ａ，３０３ｂとの間に配置したカップリングライン３０９（マイクロストリップライン）によって隣接するアンテナ間を接続したアンテナアレイを有する。アンテナ３００ａ，３００ｂ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。

カップリングライン３０９は、上導体である第３の導体層３１０と、接地導体である第１の導体層３０６とで、第２の誘電体層３０４２を挟んだ構造のマイクロストリップラインであり、共振器を兼ねている。アンテナ３００ａは、第１の導体層３０６と第２の導体層３０３ａとから構成されるパッチアンテナと、カップリングライン３０９のアンテナ３００ａ側の片側半分とから構成された複合共振器にＲＴＤ３０１ａが集積された構造である。カップリングライン３０９において、アンテナの共振方向に垂直な方向（すなわちＡ－Ａ’方向）が長手方向である。

カップリングライン３０９の長さとパッチアンテナのサイズが、アンテナ３００ａ，３００ｂのそれぞれが発振する電磁波の周波数を決定する重要なパラメータである。具体的には、アンテナ３００ａの共振周波数ｆ_ＴＨｚは、第２の導体層３０３ａの長さと、第３の導体層３１０のＡ－Ａ’方向における長さとから決定することができる。例えば、第３の導体層３１０のＡ－Ａ’方向における長さの半分を所望の共振周波数の実効波長の整数倍にし、第２の導体層３０３ａの長さを所望の共振周波数の実効波長の１／２にするとよい。

バイアス回路Ｖ_ａ，Ｖ_ｂは、第１の誘電体層３０４１の上に積層された導体層からなる線路３０８ａ，３０８ｂに接続されている。第３の導体層３１０は、ビア３１７ａと接続されている。ビア３１７ａは、第２の導体層３０３ａとＲＴＤ３０１ａの間を接続する。

隣接するアンテナ間は、カップリングライン３０９によりＤＣ結合で結合される。例えば、アンテナ３００ａとアンテナ３００ｂの場合、カップリングライン３０９の上導体である第３の導体層３１０によって直接接続される。各アンテナ間の同期による引き込みを強くするためには、カップリングラインに定在する電磁波（共振周波数ｆ_ＴＨｚ）の電界の最大点にＲＴＤ３０１ａ，３０１ｂを設置することが好ましい。

半導体素子３００には、カップリングライン３０９に４つのシャント素子３３０１～３３０４が配置されており、図１（ｂ）に示した抵抗Ｒ_ｃのみの等価回路の具体的な構成例である。例えば、図５（ｃ）に示したシャント素子３３０２の断面のように、カップリングライン３０９を構成する第３の導体層３１０は、抵抗体３１９ａ２を介して、第２の誘電体層３０４２の上に積層された導体層３１２ａ２に接続される。また、導体層３１２ａ２は、第２の誘電体層３０４２の内部に形成されたビア３０７ａ２を介して、接地導体で
ある第１の導体層３０６と接続される。本変形例では、容量構造の集積が必要ないシンプルな構造であるため、製造工数の削減ができる。

＜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２（ａ）～図２（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。

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／μｍ^２であり、単位面積当たりの微分負性コンダクタンスが１０ｍＳ／μｍ^２である。

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（Ｇ_ＲＴＤ）は約３０ｍＳと見積もられ、ＲＴＤ１０１ａのダイオード容量（Ｃ_ＲＴＤ）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。

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、ε_ｒ１＝２）から構成される。第２の誘電体層１０４２は、２μｍ厚のＳｉＯ_２（プラズマＣＶＤ、ε_ｒ２＝４）から構成される。第３の誘電体層１０４３は、０．１μｍ厚のＳｉＮ_ｘ（プラズマＣＶＤ、ε_ｒ３＝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。

第１の導体層１０６は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０／２０／２００ｎｍ）と、電子濃度が１×１０^１８ｃｍ^－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。

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１×１０^１８ｃｍ^－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。

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。

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。

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Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ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ｆ_ＴＨｚ＝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ｆ_ＴＨｚのテラヘルツ波の電界の節に相当する。

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ｆ_ＴＨｚ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ｆ_ＴＨｚ＝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。

半導体素子１００は、カップリングライン１０９の中心にシャント素子１３０が配置されている。シャント素子１３０とカップリングライン１０９とは、ビア１１４を介して接続されている。具体的には、カップリングライン１０９の第３の導体層１１０と、Ｔｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）から構成された導体層１１１とが、第１の誘電体層１０４１内にＣｕで形成されたビア１１４を介して接続される。

ビア１１４は、直径１０μｍであり、高さ５μｍの円柱構造である。導体層１１１は、抵抗率０．７Ω・μｍのＷ－Ｔｉ（０．２μｍ厚）で形成された抵抗体層１１９１，１１９２と接続される。このとき、抵抗体層１１９１，１１９２は、それぞれ２０Ωであるように設計されており、幅４μｍかつ長さ２０μｍのパターンに加工されている。

抵抗体層１１９１，１１９２は、導体層１１２１，１１２２とビア１０７１，１０７２とを介して、第４の導体層１１８１，１１８２に接続される。導体層１１２１，１１２２および第４の導体層１１８１，１１８２は、Ｔｉ／Ａｕ（＝５／３００ｎｍ）から構成されている。ビア１０７１，１０７２は、Ｃｕから形成されている。ビア１０７１，１０７２は、直径１０μｍφであり、高さ２μｍである円柱構造である。

第４の導体層１１８１，１１８２と第１の導体層１０６とによって第３の誘電体層１０４３を挟んだＭＩＭ容量構造と、抵抗体層１１９１，１１９２により、抵抗Ｒ_ｃと容量Ｃ
_ｃが直列接続されたシャント素子１３０が形成されている。

第３の誘電体層１０４３は、０．１μｍ厚の窒化シリコン（ε_ｒ３＝７）から構成される。第４の導体層１１８１，１１８２は、幅５０μｍであり長さ６０μｍである長方形パターンに加工されており、ＭＩＭ構造１つあたり２ｐＦの容量が形成されている。半導体素子１００のように、カップリングライン１０９にシャント素子１３０を接続することによって、比較的高い周波数の周波数帯におけるマルチモード共振が抑制され、所望のテラヘルツ波の動作周波数ｆ_ＴＨｚのみを安定的に選択することができる。ここで、比較的高い周波数の周波数帯とは、典型的には１０ＧＨｚから１０００ＧＨｚである。

半導体素子１００への電力の供給はバイアス回路Ｖ_ａ，Ｖ_ｂ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。

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。

［半導体素子の製造方法］
次に、本実施例の半導体素子１００の製造方法について説明する。半導体素子１００は、以下のように製造（作製）される。
（１）ＩｎＰの基板１１３上に、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ系の半導体多層膜構造がエピタキシャル成長されて、ＲＴＤ１０１ａ，１０１ｂを含む半導体層１１５ａ，１１５ｂが形成される。エピタキシャル成長には、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）法が用いられる。
（２）半導体層１１５ａ，１１５ｂの上に、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ層（２０／２０／２００ｎｍ）がスパッタリング法により成膜されることによって、電極１１６ａ，１１６ｂに形成される。
（３）電極１１６ａ，１１６ｂと半導体層１１５ａ，１１５ｂが、直径２μｍの円形のメサ形状に成形されることによっ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ーと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の電極１０６が形成された後に、プラズマＣＶＤ法により厚さ０．１μｍの窒化シリコンが成膜されることによって、第３の誘電体層１０４３が形成される。
（５）第３の誘電体層１０４３の上に、第４の導体層１１８１，１１８２を構成するＴｉ／Ａｕ層（＝５／３００ｎｍ）が形成される。これによって、第４の導体層１１８１，１１８２と、第１の導体層１０６とによって、第３の誘電体層１０４３を挟むような容量Ｃ_ｃが形成される。
（６）プラズマＣＶＤ法により、厚さ２μｍの酸化シリコンが成膜されることによって、第２の誘電体層１０４２が形成される。

（７）第２の誘電体層１０４２がドライエッチングされてビアホールが形成される。ビアホールが形成されると、スパッタリング法や電気めっき法や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て、ビア１０７１，１０７２が形成される。
（８）スパッタリング法およびドライエッチングを用いて、第２の誘電体層１０４２の上にＷ－Ｔｉ（０．２μｍ厚）の抵抗体層１１９１，１１９２が形成される。これによって、容量Ｃ_ｃと抵抗Ｒ_ｃが直列に接続されたシャント素子１３０が形成される。
（９）スパッタリング法およびドライエッチングを用いて、第２の誘電体層１０４２の上にＴｉ／Ａｕ層（＝５／３００ｎｍ）の導体層１１１，１１２１，１１２２が形成される。

（１０）スピンコート法とドライエッチング法を用いて、ＢＣＢによる埋め込みおよび平坦化が行われて、厚さ５μｍの第１の誘電体層１０４１が形成される。
（１１）フォトリソグラフィーとドライエッチングにより導体１１７ａ，１１７ｂ、ビア１１４を形成する部分のＢＣＢおよび酸化シリコンが除去されて、ビアホールが形成される。
（１２）ビアホール内にＣｕを含む導体が埋め込まれて、導体１１７ａ，１１７ｂ、ビア１１４が形成される。導体１１７ａ，１１７ｂ、ビア１１４の形成には、スパッタリング法、電気めっき法、化学的機械研磨法が用いられて、Ｃｕによるビアホール埋め込みと平坦化が実施される。

（１３）電極Ｔｉ／Ａｕ層（＝５／３００ｎｍ）がスパッタリング法により成膜されて、第２の導体層１０３ａ，１０３ｂと第３の導体層１１０が形成される。
（１４）フォトリソグラフィーと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，１０３ｂと第３の導体層１１０のパターニングが行われる。これによって、カップリングライン１０９が形成される。
（１５）チップ内にシャント抵抗１２１やＭＩＭ容量１２４が形成されて、シャント抵抗１２１やＭＩＭ容量１２４が、ワイヤーボンディングなどによって配線１２２および電源１２３と接続される。以上によって、半導体素子１００が完成する。

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、ポ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。

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。

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。

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。

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

１００：半導体素子、１００ａ，１００ｂ：アンテナ、１０９：カップリングライン
１１５ａ，１１５ｂ：半導体層、１３０：シャント素子

Claims (16)

1. テラヘルツ波の利得を有する半導体層を有する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いる、
   ことを特徴とする素子。
2. 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に記載の素子。
3. 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る、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または２に記載の素子。
4. 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である、
   ことを特徴とする請求項３に記載の素子。
5. 前記第２の導体層は、前記第３の導体層と前記第１の導体層の間の層に形成されており、
   前記第２の導体層と前記第３の導体層とが、前記誘電体層とは異なる他の誘電体層を挟むことによって容量を形成している、
   ことを特徴とする請求項４に記載の素子。
6. 前記複数のアンテナのそれぞれは、前記第１の導体層と前記第２の導体層の間の層に形成された第４の導体層をさらに含み、
   前記シャント素子は、前記第４の導体層と前記第１の導体層によって前記誘電体層の一部を挟んだ容量と、抵抗とが直列に接続されることによって構成されている、
   ことを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の素子。
7. 前記シャント素子は、抵抗と容量が直列に接続することによって構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の素子。
8. 前記シャント素子における抵抗と容量のぞれぞれは、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いインピーダンスであるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項７に記載の素子。
9. 前記シャント素子は、抵抗によって構成されている
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の素子。
10. 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９のいずれか１項に記載の素子。
11. 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１０のいずれか１項に記載の素子。
12. 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１１のいずれか１項に記載の素子。
13. 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１２のいずれか１項に記載の素子。
14. 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から１３のいずれか１項に記載の素子。
15. 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１４に記載の素子。
16. 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１５のいずれか１項に記載の素子。

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