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JP7395281B2 - 素子 - Google Patents

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Description

本発明は、素子に関する。
３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域の電磁波（以下、「テラヘルツ波」とよぶ）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。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。
特開２０１４－２０００６５号公報
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．６（２００８）、ｐｐ．４３７５－４３８４
特許文献１に開示されたアンテナアレイでは、アンテナ数を増やし、かつ、それぞれのアンテナを同期していることによりアンテナ利得の増加が期待できる。一方、それぞれの発振器を同期するための隣接アンテナ間を結合する結合線と、それぞれのＲＴＤにバイアス信号を供給するためのバイアス線が必要である。このため、アンテナ数の増加に伴い、各アンテナの結合線とバイアス線とが電気的かつ機械的に干渉するリスクが高まる。従って、並べられるアンテナ数に限界があり、アンテナアレイによるパワーと利得の増強効果が制限されるため、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。
本発明は、上記課題に鑑み、アンテナアレイ構造の素子において、効率のよいテラヘルツ波の発生または検出が実現できることを目的とする。
本発明の１つの態様は、
第１の導体層と、
前記第１の導体層と電気的に接続される、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の導体層との間に位置する誘電体層と、
を含むアンテナが複数設けられているアンテナアレイを備え、
前記複数のアンテナ間を前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するために、前記第２の導体層に接続されたカップリングラインと、
前記半導体層にバイアス信号を供給する電源と前記第２の導体層とを接続するバイアスラインと、
を有し、
前記カップリングラインが設けられている配線層と、前記バイアスラインが設けられている配線層は異なる層であり、
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、
ことを特徴とする素子である。

本発明の１つの態様は、
第１の導体層と、
前記第１の導体層と電気的に接続される、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の導体層との間に位置する誘電体層と、
を含むアンテナが複数設けられているアンテナアレイを備え、
前記複数のアンテナ間を前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するために、前記第２の導体層に接続されたカップリングラインと、
前記半導体層にバイアス信号を供給する電源と前記第２の導体層とを接続するバイアスラインと、
を有し、
前記カップリングラインが設けられている配線層と、前記バイアスラインが設けられている配線層は異なる層であり、
第３の導体層と第４の導体層とをさらに備え、
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の導体層とにより構成され、
前記バイアスラインは、前記第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の導体層とは異なる層に配置され、
前記第１の導体層、前記第３の導体層、前記第４の導体層、の順に積層されている
ことを特徴とする素子である。

本発明の１つの態様は、
第１の導体層と、
前記第１の導体層と電気的に接続される、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の導体層との間に位置する誘電体層と、
を含むアンテナが複数設けられているアンテナアレイを備え、
前記複数のアンテナ間を前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するために、前記第２の導体層に接続されたカップリングラインと、
前記半導体層にバイアス信号を供給する電源と前記第２の導体層とを接続するバイアスラインと、
を有し、
前記カップリングラインが設けられている配線層と、前記バイアスラインが設けられている配線層は異なる層であり、
前記アンテナアレイにおいて隣接するアンテナは、前記隣接するアンテナ間に配置された共通のバイアスラインに接続される、
ことを特徴とする素子である。
本発明によれば、アンテナアレイ構造の素子において、効率のよいテラヘルツ波の発生または検出が実現できる。
実施形態１に係る半導体素子を示す図である。 実施形態１に係る半導体素子の上面図である。 誘電体層厚と導体損失の関係を示すグラフである。 実施形態２に係る半導体素子を示す図である。 実施形態３に係る半導体素子を示す図である。 実施形態４に係る半導体素子を示す図である。 実施形態４に係る半導体素子を示す図である。 実施形態４に係る半導体素子を示す図である。 実施形態５に係る発振素子を示す図である。 実施例２に係る発振素子を示す図である。 実施例２に係る発振素子を示す図である。 第３の導体層と発振周波数との関係を示すグラフである。 発振素子の発振出力への影響を示すグラフである。 実施例２に係る発振素子と単アンテナの発振出力を示すグラフである。 実施例２に係る発振素子の製造方法を示すフローチャートである。 実施例２に係る発振素子の製造過程を示す図である。 実施例３，４に係る発振素子を示す図である。
＜実施形態１＞
本実施形態に係る半導体素子１００について、図１（ａ）～図２（ｃ）を用いて説明する。半導体素子１００は、周波数ｆＴＨｚのテラヘルツ波を発振または検出する半導体素子である。図１（ａ）は半導体素子１００の外観を示す斜視図であり、図１（ｂ）は半導体素子１００のＡ－Ａ’断面図であり、図１（ｃ）は半導体素子１００のＢ－Ｂ’断面図である。図２は、半導体素子の積層方向（上部）から見た半導体素子１００の上面図である。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。ここで、テラヘルツ波とは、３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数領域内の電磁波である。また、半導体素子１００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。
半導体素子１００には、アンテナが複数設けられている。本実施形態では、半導体素子１００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。アンテナ１００ａの内部には、テラヘルツ波の電磁波を発振または検出するための半導体層１１５ａを有する。他の８つのアンテナ１００ｂ～１００ｉについても、アンテナ１００ａと同様の構成を有する。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。
以下、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というように記載している。
［アンテナについて］
アンテナ１００ａ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）によって、誘電体層１０４を挟んだ構成となっている。このような構成は、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。
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。
半導体層１１５ａ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活性層１０１ａを含む。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）がある。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。また、以降は、活性層１０１ａをＲＴＤ１０１ａと呼ぶ。
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、活性層として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、活性層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、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、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、活性層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、半導体素子１００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１１５
ａ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１（ｂ）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。
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引き出し線である線路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が共通であることによれば、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。半導体素子１００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１（ｂ）、図１（ｃ）では図示している。なお、本説明においては、半導体素子１００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。
［［バイアス回路について］］
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１（ａ）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。
［アンテナアレイについて］
半導体素子１００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、カップリングライン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、カップリングライン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とはカップリングライン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、半導体素子１００のアンテナ間を結合する結合線全体を表す場合はカップリングライン１０９と表記する。また、カップリングライン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、カップリングライン１０９ａｂと表記する。
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とがカップリングライン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、発振周波数ｆＴＨｚ≒ｆｅｖｅｎである。他のアンテナについても同様に、各アンテナ間はカップリングライン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。
カップリングライン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１（ｂ）に示すように、カップリングライン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、カップリングライン１０９ｂｃは第３の導体層１１０ｂｃによって、カップリングライン１０９ａｄは第３の導体層１１０ａｄによって、カップリングライン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。
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１００ａとアンテナ１００ｂとを結合するカップリングライン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。半導体素子１００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とを結合するカップリングライン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、半導体素子１００において、カップリングライン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１（ｂ）に示したように、アンテナ１００ａとアンテナ１００ｂを結合するカップリングライン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を結合するカップリングライン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、カップリングライン１０９が基板１１３の面内方向（積層方向と垂直な方向）に延在する部分が設けられている配線層と、バイアスライン１１１が基板１１３の面内方向に延在する部分が設けられている配線層とが、異なる層に配置されている。ここで、カップリングライン１０９が面内方向に延在する部分が設けられている配線層とは、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が設けられている配線層とは、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）を伝送するカップリングライン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、半導体素子１００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、カップリングライン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１（ｂ）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２に示すように、上から見て（平面視において）、カップリングライン１０９とバイアスライン１１１は互いに交差する。例えば、図１（ｂ）、図１（ｃ）が示すように、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。
このように、カップリングライン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（カップリングライン１０９）と、各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、半導体素子１００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、カップリングライン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、カップリングライン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。図３に、本実施形態と近い構成のマイクロストリップラインの誘電体層厚と、０．５ＴＨｚにおける導体損失の相関について解析した結果を示している。解析に用いたマイクロストリップラインは、線幅１０μｍの上導体層（材料Ａｕ，１μｍ厚，導電率２×１０７Ｓ／ｍ）と接地導体（材料Ａｕ，１μｍ厚，導電率２×１０７Ｓ／ｍ）とで誘電体（ＳｉＯ２，εｒ＝４，ｔａｎδ＝０）を挟んだ構造である。導体損失の解析には、ＡＮＳＹＳ社製の有限要素法高周波電磁界ソルバーであるＨＦＳＳを用いた。
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。また、図３が示すように、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カップリングライン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、本実施形態に係る半導体素子１００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を設けて、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の上層に設ける構成である。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１
００ａ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カップリングライン１０９とバイアスライン１１１の関係も同様である。
このように、本実施形態に係る半導体素子１００は、放射効率のよい構成である。なお、図３に示した導体損失の観点から、カップリングライン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、カップリングライン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、カップリングライン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、半導体素子３００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、本実施形態に係る半導体素子１００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１（ｃ）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、半導体素子１００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。
このように、本実施形態によれば、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。
［実施例１］
実施形態１に係るテラヘルツ波を発振する半導体素子１００の具体的な構成について、実施例１として図１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～１０１
ｉは、ＩｎＰ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。ＲＴＤの半導体層ヘテロ構造は、Ｊ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｍｉｌｌｉ Ｔｅｒａｈｚ Ｗａｖｅｓ （２０１４） ３５：４２５－４３１（非特許文献３）に開示された構造である。
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、本実施例では直径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。
半導体素子１００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を含むカップリングライン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、カップリングライン１０９ａｂ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、カップリングライン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。
半導体素子１００では、カップリングライン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、カップリングライン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、半導体素子１００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、カップリングライン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の間を結合するカップリングライン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（カップリングライン１０９）と、各ＲＴＤ１００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。
（半導体素子の製造方法について）
次に、本実施例の半導体素子１００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、カップリングライン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およびカップリングライン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およびカップリングライン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ＭＩＭ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、半導体素子１００が完成する。
なお、半導体素子１００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、半導体素子１００は発振器として動作する。
＜実施形態２＞
図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、実施形態２に係る半導体素子２００を示す。なお、半導体素子２００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の同名の構成と同様であるため詳細な説明を省略する。また、本実施形態においても、実施形態１と同様に、カップリングライン２０９とバイアスライン２１１とは、異なる層に配置されている。
半導体素子２００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活性層を２つ備える。具体的には、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。
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。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３０３ａとの間に接続されたビアである導体層２１７ａ１，２１７ａ２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。
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。
カップリングライン２０９は、誘電体層２０４の上に積層された誘電体層２１７の上に積層された第４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２１７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４（ｂ）に示したように、カップリングライン２０９ａｂは、第４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２１７を挟んだ構造である。
同様に、カップリングライン２０９ｂｃは第４の導体層２１０ｂｃを上導体層として、カップリングライン２０９ａｄは第４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２１７を挟んだ構造である。
半導体素子２００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とを結合するカップリングライン２０９ａｂの上導体層である第４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２１７、第４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。
＜実施形態３＞
図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、実施形態３に係る半導体素子３００を示す。なお、半導体素子３００における下記以外の構成および構造は、実施形態２に係る半導体
素子２００の同名の構成と同様であるため詳細な説明を省略する。また、本実施形態においても、実施形態１と同様に、カップリングライン３０９とバイアスライン３１１とは、異なる層に配置されている。
半導体素子３００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２に係る半導体素子２００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活性層を２つ備える。また、半導体素子３００は、実施形態２に係る半導体素子２００とは異なり、発振周波数ｆＴＨｚより低い周波数帯の寄生発振を抑制するために、バイアスライン３１１にシャント構造を有する。シャント構造は、負性抵抗素子であるＲＴＤに対して並列に配置することでｆＴＨｚより低い周波数帯をショートして、寄生発振を抑制する構造である。また、シャント構造は、ＲＴＤに対して並列に抵抗素子、または抵抗と容量を直列に接続した素子を配置した構造である。シャント構造において、抵抗および容量の値は、近傍に配置された複数のＲＴＤ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、少し低い。
半導体素子３００は、誘電体層３０４として、第１の誘電体層３０４１と第２の誘電体層３０４２と第３の誘電体層３０４３との３層の誘電体層を有する。なお、第３の誘電体層３０４３は、シャント構造の容量の誘電体として用いるので、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（εｒ２＝７）を用いている。ここで、誘電体層３０４が３層構成の場合、実効的な比誘電率は、第３の誘電体層３０４３の厚さと比誘電率も加味して決定される。
また、第３の誘電体層３０４３の上には第５の導体層３１８が積層される。従って、基板３１３側から、第１の導体層３０６、第３の誘電体層３０４３、第５の導体層３１８の順に積層された金属－絶縁体－金属（ＭＩＭ）の容量構造が形成されており、この容量構造がバイアスライン３１１の下層に配置される。第５の導体層３１８は、第３の導体層３１０および第４の導体層３１１と、第１の導体層３０６との間の層に配置されている。
ここで、アンテナ３００ａ～３００ｉのそれぞれは、シャント構造のために抵抗と容量を有する。例えば、アンテナ３００ａであれば、バイアスライン３１１ｙ４に接続された抵抗体３１９ｙ４ａが抵抗に相当する。そして、抵抗体３１９ｙ４ａと接続された第５の導体層３１８ｙ４ａと第１の導体層３０６とによって第３の誘電体層３０４３を挟んだＭＩＭ容量構造が、容量に相当する。このように、本実施形態では、第１の導体層３０６とバイアスライン３１１とは、容量および抵抗を介して電気的に接続されている。なお、バイアスライン３１１や第３の導体層３１０の配置によっては、第１の導体層３０６と第３の導体層３１０とが抵抗を介して電気的に接続されていてもよい。
また、第５の導体層３１８ｙ３ａｄは、バイアスライン３１１ｙ３に接続された抵抗体３１９ｙ３ａｄと接続されている。第５の導体層３１８ｙ３ａｄと第１の導体層３０６とによって第３の誘電体層３０４３を挟んでおり、これがＭＩＭ容量構造である。なお、シャント構造をアンテナ３００ａ～３００ｉに定在する発振周波数ｆＴＨｚの高周波電界の節に配置する構成は、周波数ｆＴＨｚにおいて高インピーダンスであるので、周波数ｆＴＨｚの高周波のみを選択的に発振させるためにより好適な構成である。
しかし、アンテナアレイにおけるアレイ数の増加やバイアスラインの共通化に伴って予期しない低周波のマルチモード発振が生じるリスクがある。このため、半導体素子３００では、線路３０８ａ１，３０８ａ２～線路３０８ｉ１，３０８ｉ２やバイアスライン３１１を、発振周波数ｆＴＨｚより低い低周波数帯において負性抵抗素子（半導体層３１５）に比べて低インピーダンスに設定した構成である。これによれば、アンテナアレイのアレ
イ数が増加しても他モード発振を抑制し、テラヘルツ帯における安定した単一周波数の発振を得ることが可能である。
＜実施形態４＞
図６（ａ）～図６（ｃ）および図７、図８（ａ）～図８（ｃ）は、実施形態４に係る半導体素子４００および半導体素子５００を示す。半導体素子４００，５００は、９つのアンテナが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。ここでは、カップリングライン４０９，５０９が下層に配置されて、バイアスライン４１１，５１１が上層に配置された構成である。カップリングラインは、テラヘルツ帯における各アンテナ間の位相整合をとる必要があるので、アンテナの構成によっては形状が複雑になることがある。一方、バイアス給電用のバイアスラインは、比較的単純なパターンにすることができる。従って、本実施形態のようにバイアスラインを上層に配置して、カップリングラインを下層に配置する構成は、アンテナ以外の金属体と放射される電磁波との干渉が低減される構成である。
図６（ａ）～図６（ｃ）に示す半導体素子４００は、アンテナ４００ａ～４００ｉの９つのアンテナを備える。図６（ｂ）に示すように、第３の導体層４１０ａｂは、バイアスライン４１１を構成する、第１の誘電体層４０４１の上に積層された第４の導体層４１１ｘ２より下層に配置される。なお、第３の導体層４１０ａｂは、アンテナ４００ａに関係するカップリングライン４０９ａｂを構成する第１の誘電体層４０４１の上に積層されている。他のアンテナ４００ｂ～４００ｉについてもアンテナ４００ａと同様である。
従って、半導体素子４００では、基板４１３側から順に、基板４１３、アンテナの接地導体である第１の導体層４０６、第３の導体層４１０ａ、パッチ導体である第２の導体層４０３ａと第４の導体層４１１ｘ２の順に積層される。半導体素子４００の各アンテナ間はＤＣ結合で結合されている。例えば、アンテナ４００ａとアンテナ４００ｂとを結合するカップリングライン４０９ａｂの上導体層である第４の導体層４１０ａｂは、第２の導体層４０３ａ，４０３ｂとに直接接続されている。他のアンテナ間の結合も同様である。ここで、半導体素子４００において、第４の導体層４１０ａｂは、第１の誘電体層４０４１に覆われるように第２の導体層４０３ａ，４０３ｂの下層に形成されている。なお、本実施形態では、第２の導体層４０３と第４の導体層４１１は同じ層に配置されているが、これには限らず、第２の導体層４０３の下層に第４の導体層４１１が形成されていてもよい。
図７～図８（ｃ）に示す半導体素子５００は、アンテナ５００ａ～５００ｉの９つのアンテナを備える。半導体素子５００は、第３の導体層５１０を上導体層としたマイクロストリップラインであるカップリングライン５０９によって隣接するアンテナ間を接続するアンテナアレイである。なお、第３の導体層５１０は、接地導体である第１の導体層５０６と、パッチ導体である第２の導体層５０３ａ～５０３ｉとの間に配置されている。
アンテナ５００ａでは、第１の導体層５０６と第２の導体層５０３ａとから構成されるパッチアンテナと、第１の導体層５０６と第３の導体層５１０ａとから構成されるカップリングライン５０９ａとの複合共振器がＲＴＤ５０１ａに集積されている。
カップリングライン５０９ａは、第１の導体層５０６と第３の導体層５１０ａとによって第２の誘電体層５０４２を挟んだ構造であり、共振方向（すなわちＡＡ’方向）に対して垂直な方向（すなわちＣＣ’方向）が長手方向である。第３の導体層５１０ａは、第２の導体層５０３ａとＲＴＤ５０１ａを接続するビア５１７ａと接続されている。これにより、ＲＴＤ５０１ａは、第２の導体層５０３ａで決まるパッチアンテナと第３の導体層５１０ａで決まるカップリングライン５０９ａとの２つの共振器と結合される。従って、カ
ップリングライン５０９ａの長さとパッチアンテナのサイズは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。アンテナ５００ａの発振周波数ｆＴＨｚは、第２の導体層５０３ａのＡＡ’方向の長さと第３の導体層５１０ａのＣＣ’方向の長さによって決定することができる。具体的には、第３の導体層５１０ａのＣＣ’方向の長さを所望の発振波長の実効長の整数倍にして、第２の導体層５０３ａのＡＡ’方向の長さを所望の発振波長の実効長の１／２にするとよい。ここで、バイアスライン５１１は、第１の誘電体層５０４１の上に積層された第４の導体層５１１ｙ３で構成されており、第３の導体層５１０ａは第４の導体層５１１ｙ３より下層に配置される。他のアンテナ５００ｂ～５００ｉの構成部材についても同様である。なお、本実施形態では、第２の導体層５０３と第４の導体層５１１は同じ層に配置されているが、これには限らず、第２の導体層５０３の下層に第４の導体層５１１が形成されていてもよい。
隣接するアンテナ間は、カップリングライン５０９によりＤＣ結合で結合される。例えば、アンテナ５００ａとアンテナ５００ｂの結合では、カップリングライン５０９ａ，５０９ｂの上導体層である第３の導体層５１０ａ，５１０ｂの端部における第３の導体層５１０ａｂｄｅにより互いに直接接続される。また、アンテナ５００ａとアンテナ５００ｄとの結合では、カップリングライン５０９ａ，５０９ｄの上導体層である第３の導体層５１０ａ，５１０ｄの端部において互いに直接接続される。なお、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５０９に定在する電磁波（発振周波数ｆＴＨｚ）の電界の最大点にＲＴＤ５０１ａ～５０１ｉを設置することが好ましい。他のアンテナ間の結合も同様である。
このように、カップリングライン５０９の第３の導体層５１０が、パッチアンテナを構成する第２の導体層５０３と異なる層（レイヤー）にあることによって、アレイによる位相同期を行う際のデバイス設計の自由度が向上する。
＜実施形態５＞
実施形態５に係る半導体素子である発振素子１０００について、図９（ａ）、図９（ｂ）を用いて説明する。図９（ａ）は、２個×２個のアンテナを有する発振素子１０００の上面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）が示すＢ－Ｂ’間の断面図である。なお、本実施形態においても、カップリングラインとバイアスラインとは、異なる層に配置されている。
発振素子１０００は、基板１００１、第１の導体層１００２（グランドメタル（ＧＮＤ））、負性抵抗素子１００３、第２の誘電体層１００４、第３の導体層１００５（マイクロストリップライン（ＭＳＬ）結合線）を有する。また、発振素子１０００は、第１の誘電体層１００６、第２の導体層１００７を有する。
本実施形態では、第３の導体層１００５と第１の導体層１００２により第２の誘電体層１００４を挟むことによってカップリングラインが形成されている。
また、発振素子１０００は、シャント構造１００８（フィルター部）を有することもできるが、シャント構造１００８は必須の構成ではない。シャント構造１００８は、容量部１００９と抵抗部１０１０を有する。容量部１００９は、第１の導体層１００２が形成される際に同時に形成される導体層と導電性の基板１００１とによって、高誘電率層１０１１を挟んだＭＩＭ構造によって構成される。
本実施形態では、第２の導体層１００７と隣接するアンテナの位相を同期させるための第３の導体層１００５を第２の導体層１００７と異なる層（レイヤー）に形成することによって、設計の自由度を広げ、複数のアンテナをアレイ状に配置することができる。
基板１００１には、ｎ＋ＩｎＰ基板を用いている。基板１００１において、ＩｎＰ基板上にはテラヘルツ波を発生する半導体多層膜を含んでおり、テラヘルツ波の周波数領域における電磁波利得を有している。
負性抵抗素子１００３は、例えば、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）やガンダイオードが適用でき、本実施形態では、ＲＴＤによって構成されている。
基板１００１は、第１の導体層１００２とオーミック接触により接続されており、カソード側では、第１の導体層１００２から基板１００１を介して負性抵抗素子に接続する構造を用いている。アノード側では、バイアスラインを第２の導体層１００７に接続し、第２の導体層１００７は第３の導体層１００５を介して負性抵抗素子１００３に接続している。このため、本実施形態では、第２の導体層１００７と同じ層に、バイアスライン（第４の導体層）が形成されている。負性抵抗素子１００３にバイアスが印加されることにより、共振器として動作する第２の導体層１００７と負性抵抗素子１００３と第３の導体層１００５とによってテラヘルツ波の発振を得ることができる。
隣接するアンテナによって発振する電磁波の位相をコントロールするために、第３の導体層１００５（ＭＳＬ結合線）によって隣接するアンテナ間の負性抵抗素子１００３を接続する。ここで、第３の導体層１００５において定在している電磁波の電界の最大点に負性抵抗素子１００３（アンテナ）を設置することで、各アンテナにおいて発生する電磁波の位相が同期する。
また、第３の導体層１００５の長さと第２の導体層１００７のサイズは、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。第３の導体層１００５（ＭＳＬ結合線）の共振方向の長さは、所望の発振波長の実効波長λの整数倍であるとよく、第２の導体層１００７の共振方向の長さは所望の発振波長λの実効波長の１／２であるとよい。
図９（ａ）では、発振素子１０００においてアンテナが２行×２列に配置されている。ここでは、Ｌ１＝実効波長λであり、Ｌ２＝λ／２であるように、第３の導体層１００５が配線されており、負性抵抗素子１００３が第３の導体層１００５の遠端からλ／２の位置に設置されている。また、隣接するアンテナの負性抵抗素子１００３間は、上述のとおり定在している電磁波の電界の最大点、すなわちλの整数倍の距離に設置されている。つまり、発振素子１０００において、アンテナはλの整数倍のピッチで配置されている。
本実施形態では、低周波から２ＴＨｚ程度まで利得を持ったＲＴＤ素子を負性抵抗素子１００３に使用しているため、所望の周波数以外における発振（寄生発振）が発生する可能性がある。そこで、寄生発振を抑制するためにフィルターを形成するとよい。例えば、寄生発振を抑制するためには、第３の導体層１００５に定在している電磁波の電流の最小点に負性抵抗の絶対値以下の抵抗値を持った抵抗を挿入し、所望の周波数以外の電磁波に損失を与え、寄生発振を抑制する方法がある。本実施形態では、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、λ／４配線、ＭＩＭ容量および抵抗を使用したシャント構造１００８を設置している。第３の導体層１００５に定在している電磁波の電界の最小点にλ／４配線を接続し、負性抵抗の絶対値以下の抵抗値を持った抵抗部１０１０、および十分大きい容量を持った容量部１００９を介して第１の導体層１００２に接続する。シャント構造１００８の第３の導体層１００５と接する部分において、所望の発振周波数ではインピーダンスが高くなり、シャント構造１００８には電流が流れ込みにくい。しかし、所望の発振周波数以外ではインピーダンスが低くなりシャント構造に電流が流れ、抵抗部１０１０で損失を与え、寄生発振を抑制する。このように、フィルターを適切に設置することによって、安定した発振を得ることができる。
このように第１の導体層１００２と第２の導体層１００７との間に形成した第３の導体層１００５によって隣接するアンテナと接続することにより、アンテナをアレイ状に配置することができる。このため、アンテナを実効波長のピッチで配置することができ、電磁波の指向性を向上させることができる。
（実施例２）
実施形態５に係る発振素子１０００の具体的な実施例２について、図１０、図１１（ａ）および図１１（ｂ）を用いて説明する。図１０は、発振素子１０００が有する１個のアンテナの上面図である。図１１（ａ）は、図１０が示すＣ－Ｃ’部の断面図である。図１１（ｂ）は、アンテナを４×４のアレイ配置した上面図である。図１０および図１１（ｂ）では、簡略化のため、基板１００１および第１の導体層１００２を不図示としており、図１１（ｂ）では、シャント構造１００８を不図示としている。
本実施例では、実効波長λの間隔で、図１０が示す単個のアンテナをアレイ配置することによって、図１１（ｂ）が示す４×４のアンテナの発振素子１０００を実現している。なお、図１０が示すアンテナと同様に配置することによってｍ個×ｎ個（ｍ，ｎは整数）のアンテナを有する発振素子１０００を実現することができる。
まず、図１０に示す１つのアンテナについて説明する。ここで、発振素子の発振周波数を決めるうえで、重要なパラメータとして、各誘電体層の誘電率に加えて、第２の導体層１００７の共振方向の長さ、第３の導体層１００５の共振方向の長さなどがある。なお、本実施例では、第２の誘電体層１００４には、プラズマＣＶＤで形成した二酸化ケイ素を使用している。また、第１の誘電体層１００６には、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を使用している。
本実施例の発振周波数を見積もるために、ＡＮＳＹＳ社の電磁界シミュレータＨＦＳＳを使用して計算した結果、発振周波数５００ＧＨｚを得るための実効波長λは３２０μｍであった。このため、第２の導体層１００７の共振方向の長さを、実効波長λの１／２で１６０μｍとして、第３の導体層１００５の共振方向の長さを、実効波長λの３２０μｍとするとよい。
図１２に、第３の導体層１００５（ＭＳＬ）の共振方向の長さと実際の発振周波数との関係をプロットした図を示す。このときのパッチアンテナの共振方向の長さは、第３の導体層１００５の共振方向の長さの１／２としている。第３の導体層１００５の共振方向の長さが３２０μｍの場合の発振周波数は、４６０ＧＨｚ～４７９ＧＨｚであり、上述の５００ＧＨｚに近い結果が得られる。
また、発振素子の発振出力を決めるうえで、重要なパラメータとして、負性抵抗素子１００３の特性の他に、基板１００１および第１の導体層１００２と、第３の導体層１００５および第２の導体層１００７と、の間の寄生容量がある。また、第２の導体層１００７中での負性抵抗素子１００３の位置も重要なパラメータとしてあげられる。本実施例では、第３の導体層１００５の面積、および第２の誘電体層１００４の誘電率と膜厚の影響が非常に大きい。このため、寄生抵抗を小さくするためにＭＳＬ結合線の幅を可能な限り狭くして、第２の誘電体層１００４の膜厚を厚くする。
また、本実施例で使用している負性抵抗素子１００３のインピーダンスは、５０～６０Ωである。ここで、第２の導体層１００７と負性抵抗素子１００３とをインピーダンス整合をさせるために、第２の導体層１００７の給電点インピーダンスが負性抵抗素子１００３のインピーダンスと該一致している。
図１３（ａ）は、第２の誘電体層１００４を構成する二酸化ケイ素の膜厚による発振出力への影響を計算した図を示す。図１３（ｂ）は、第３の導体層１００５（ＭＳＬ）の幅による発振出力への影響を計算した図を示す。また、図１３（ｃ）は、負性抵抗素子１００３と第２の導体層１００７の中心との距離による発振出力への影響を計算した図を示す。本実施例では、二酸化ケイ素の膜厚を２μｍとし、第３の導体層１００５の幅を４μｍとし、負性抵抗素子１００３と第２の導体層１００７の中心からの距離を実効波長によって除算した値を１５％とした。
また、本実施例の発振素子１０００を実現するために、所望の発振周波数以外での寄生発振を抑える。そこで、シャント構造１００８は、所望の発振周波数で発振している状態で、電磁波に損失を与えないように、さらに所望の周波数以外では電磁波に損失を与えて発振させないように設置される。上述したとおり、寄生発振を抑えるために、本実施例では十分大きいＭＩＭ容量が、負性抵抗素子１００３の負性抵抗の絶対値５０Ω以下となる２０Ωの抵抗と、λ／４長の配線とを介して、第３の導体層１００５に接続されている。λ／４長の配線の第３の導体層１００５への設置位置は、所望の周波数で定在している電磁波の電界の節に接続する。すなわち本実施例では、第３の導体層１００５の遠端からλ／４となる位置に接続する。これにより寄生発振を抑え、所望の発振周波数の発振素子を得ることができる。
また、図１１（ａ）に示すように、積層方向における、導体１０１２の中心軸と、コンタクトホール１０１３の中心軸とをずらして形成している。導体１０１２は、負性抵抗素子１００３と第３の導体層１００５を電気的に接続する、負性抵抗素子１００３上の第２の誘電体層１００４を除去したコンタクトホールに形成された電極である。コンタクトホール１０１３は、第２の誘電体層１００４（第１の誘電体層１００６と第２の誘電体層１００４を合わせた誘電体層の一部）を積層方向に貫通するホールである。コンタクトホール１０１３の表面に第２の導体層１００７の一部が形成されることによって、第３の導体層１００５と第２の導体層１００７が接続する。なお、導体１０１２とコンタクトホール１０１３のそれぞれの中心軸を一致させてもよい。しかし、本実施例では、負性抵抗素子１００３を保護するために、負性抵抗素子１００３の（積層方向）上方が、保護膜である第１の誘電体層１００６によって覆われるように２つの中心軸をずらす構成とした。
このように各パラメータを設定することによって、本実施例の単アンテナにおいて４６０ＧＨｚ、５０μＷの出力を得た。
また、図１１（ｂ）に示すように、上述の１つのアンテナを実効波長のピッチでアレイ状に配置することで４×４のアンテナを有する発振素子１０００が実現できる。
図１４に、発振素子１０００に電圧印加したときの発振出力を示す。図１４において、破線が１つのアンテナにより得られた発振出力であり、実線が４×４（１６個）のアンテナにより得られた発振出力である。ここでは、４×４のアンテナによる発振出力は８３０μＷであり、発振周波数は４５８ＧＨｚであるため、単アンテナによって得られた出力の約１６倍である。このように基板１００１および第１の導体層１００２と第２の導体層１００７との間に形成した第３の導体層１００５によって、隣接するアンテナ間を接続し、アレイ状に配置することにより、各アンテナで発振する電磁波の位相を同期させることができる。
（製造方法）
次に本実施例に係る発振素子１０００の製造方法（作製方法）について、図１５の製造工程を示すフローチャートおよび図１６（ａ）～（ｈ）を用いて説明する。ここで図１６
（ａ）～（ｈ）はそれぞれ、各製造工程におけるアンテナ（発振素子１０００）の断面図であり、図１０のＣ－Ｃ’間の断面を示している。
Ｓ２００１において、図１６（ａ）に示すように、負性抵抗素子１００３が形成される。より詳細には、高濃度にドーパントをドープしたＩｎＰ基板にエピタキシャル成長によって形成された半導体多層膜とオーミックコンタクト用の電極がメサ状に加工される。負性抵抗素子１００３を構成する半導体多層膜は、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓなどによって形成される。コンタクト用の電極は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどの金属、それらの合金、同濃度にドープされた半導体、それらの積層膜などで形成される。以降の加工方法では、既知の半導体デバイス工程を使用する。本実施例ではエピタキシャル成長により形成された半導体多層膜上にスパッタリングによってＭｏ電極が形成され、フォトリソグラフィ工程により所望の形状のレジストが形成された後、塩素系ガスによりドライエッチングが行われている。
Ｓ２００２において、図１６（ｂ）が示すように、ＭＩＭ容量である高誘電率層１０１１が形成される。ＭＩＭ容量の面積を小さくするために、高誘電率層１０１１は窒化ケイ素、酸化アルミニウムなどの高誘電率材料によって構成されることが望ましい。本実施例では、プラズマＣＶＤにより窒化ケイ素膜が形成され、フォトリソグラフィ工程により所望の形状のレジストが形成された後、フッ素系ガスによりドライエッチングが行われている。
Ｓ２００３において、図１６（ｃ）が示すように、第１の導体層１００２が形成される。第１の導体層１００２は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどの金属、それらの合金、同濃度にドープされた半導体、それらの積層膜などによって形成される。このとき、第１の導体層１００２と同時にＭＩＭ容量の上部電極も形成される。第１の導体層１００２は、基板１００１とオーミック接触するように形成される。本実施例では、スパッタリングによりＭｏ電極が形成され、フォトリソグラフィ工程により所望の形状のレジストが形成された後、塩素系ガスによりドライエッチングが行われている。また、不図示であるが、Ｓ２００３のエッチング際に、Ｓ２００２において形成される高誘電率層によりメサ構造が保護される。
Ｓ２００４において、図１６（ｄ）が示すように、第２の誘電体層１００４が形成される。第２の誘電体層１００４は、基板１００１および第１の導体層１００２と、第３の導体層１００５との寄生容量を低減するために二酸化ケイ素、ＢＣＢ、アクリル樹脂、ポリイミドなどの低誘電率材料により構成されることが望ましい。本実施例では、プラズマＣＶＤにより二酸化ケイ素膜が形成され、フォトリソグラフィ工程により所望の形状のレジストが形成された後、フッ素系ガスによりドライエッチングが行われている。このドライエッチングにより、次の工程において導体１０１２を形成するためのコンタクトホールが形成される。
Ｓ２００５において、図１６（ｅ）が示すように、導体１０１２および第３の導体層１００５（ＭＳＬ）が形成される。第３の導体層１００５は、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどの金属、それらの合金、同濃度にドープされた半導体、それらの積層膜などによって形成される。本実施例では、スパッタリングによりＡｕ／Ｔｉ積層電極が形成され、フォトリソグラフィ工程により所望の形状のレジストが形成された後、ウエットエッチングが行われている。
Ｓ２００６において、図１６（ｆ）が示すように、抵抗部１０１０が形成される。抵抗部１０１０の抵抗は、上述のとおり、負性抵抗素子１００３の負性抵抗の絶対値以下とすることが好適である。本実施例では、抵抗部１０１０の抵抗を数Ω～数十Ωとするために
、抵抗部１０１０にはＷＴｉ合金を使用している。抵抗部１０１０に用いることのできる他の材料としては、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗなどの金属、それらの合金、同濃度にドープされた半導体、それらの積層膜などがある。本実施例では、ＷＴｉがスパッタリングにより形成され、フォトリソグラフィ工程により所望の形状のレジストが形成された後、フッ素系ガスによりドライエッチングが行われている。
Ｓ２００７において、図１６（ｇ）が示すように、第１の誘電体層１００６が形成される。第１の誘電体層１００６は、基板１００１および第１の導体層１００２と、第２の導体層１００７との寄生容量を低減するために二酸化ケイ素、ＢＣＢ、アクリル樹脂、ポリイミドなどの低誘電率材料によって構成されることが望ましい。また、このときコンタクトホール１０１３も形成されるが、積層方向における、コンタクトホール１０１３の中心軸と、導体１０１２の中心軸とが合致しないように形成される。つまり、導体１０１２の積層方向が、第１の誘電体層１００６によって覆われている状態が維持されるように、コンタクトホール１０１３が形成される。実施例では、感光性ＢＣＢが塗布により形成され、フォトリソグラフィ工程により、第１の誘電体層１００６の所望の形状が得られた。
Ｓ２００８において、図１６（ｈ）が示すように、第２の導体層１００７が形成される。第２の導体層１００７はＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどの金属、それらの合金、同濃度にドープされた半導体、それらの積層膜などで形成される。本実施例ではスパッタリングによりＡｕ／Ｔｉ積層電極が形成され、フォトリソグラフィ工程により所望の形状のレジストが形成された後、ウエットエッチングが行われている。
このようにアンテナを形成し、アレイ状に並べ、第３の導体層１００５（ＭＳＬ）によって各素子を結合することで、各アンテナで発生する電磁波の位相を同期させることができる。
（実施例３）
実施例２の変形例である実施例３について、図１７（ａ）を用いて説明する。図１７（ａ）では簡略化のため、基板１００１および第１の導体層１００２およびシャント構造１００８は不図示としている。また、本実施例の１つ１つのアンテナは、実施例２と同様の構成である。本実施例では、アンテナの接続方法を実施例２から変更した例を示す。
アンテナ間の接続において、行方向の接続は実施例２の図１１（ｂ）と同様である。一方、列方向の接続は、第３の導体層１００５によって接続せず、空間、もしくは絶縁膜を介して伝播する電磁波によって、実効波長λピッチで列方向に配置した隣接するアンテナ同士を結合する。このようにアンテナをアレイ状に並べ、第３の導体層１００５によって各素子を結合することで、各アンテナにおいて発生する電磁波の位相を同期させることができる。このため、アンテナを実効波長のピッチで配置することができ、電磁波の指向性を向上させることができる。
（実施例４）
実施例３の変形例である実施例４について、図１７（ｂ）を用いて説明する。図１７（ｂ）では、簡略化のため、基板１００１および第１の導体層１００２およびシャント構造１００８は不図示としている。本実施例では、１つのアンテナが、複数の負性抵抗素子を有する場合の接続方法の例を示す。本実施例では、実施例３と同様に列方向への接続は、第３の導体層１００５で接続せず、空間、もしくは絶縁膜を介して伝播する電磁波によって、実効波長λピッチで列方向に配置した隣接するアンテナ同士を結合する。本実施例では、１つのパッチアンテナ中に２個の負性抵抗素子が設置されており、それぞれ互いに位相が反転した状態で駆動する。
このように複数の負性抵抗素子を設置したアンテナをアレイ状に並べ、第３の導体層１００５によって各素子を結合することで、各アンテナで発生する電磁波の位相を同期させることができる。このため、アンテナを実効波長のピッチで配置することができ、電磁波の指向性を向上させることができる。
（その他の形態）
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、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。上述の実施形態および実施例に記載の半導体素子を用いて、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半導体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。
１００：半導体素子、１１３：基板、１０６：第１の導体層、１１５：半導体層、
１０３：第２の導体層、１０４：誘電体層、１０９：カップリングライン、
１１１：バイアスライン

Claims (17)

  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る、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の導体層との間に位置する誘電体層と、
    を含むアンテナが複数設けられているアンテナアレイを備え、
    前記複数のアンテナ間を前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するために、前記第２の導体層に接続されたカップリングラインと、
    前記半導体層にバイアス信号を供給する電源と前記第２の導体層とを接続するバイアスラインと、
    を有し、
    前記カップリングラインが設けられている配線層と、前記バイアスラインが設けられている配線層は異なる層であり、
    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、
    ことを特徴とする素子。
  2. 平面視において、前記カップリングラインと前記バイアスラインは交差する
    ことを特徴とする請求項１に記載の素子。
  3. 第３の導体層と第４の導体層とをさらに備え、
    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の導体層とにより構成され、
    前記バイアスラインは、前記第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の導体層とは異なる層に配置されている、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の素子。
  4. 平面視において、前記第３の導体層と前記第４の導体層は交差する、
    ことを特徴とする請求項３に記載の素子。
  5. 前記第３の導体層および前記第４の導体層と、前記第１の導体層との間の層に配置された第５の導体層をさらに備え、
    前記第１の導体層と前記第５の導体層とによって前記誘電体層を挟んだ容量構造を備える、
    ことを特徴とする請求項３または４に記載の素子。
  6. 前記第３の導体層または前記第４の導体層と、前記第５の導体層とが抵抗を介して電気的に接続されている、
    ことを特徴とする請求項５に記載の素子。
  7. 前記第１の導体層、前記第４の導体層、前記第３の導体層、の順に積層されている、
    ことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の素子。
  8. 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、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の導体層との間に位置する誘電体層と、
    を含むアンテナが複数設けられているアンテナアレイを備え、
    前記複数のアンテナ間を前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するために、前記第２の導体層に接続されたカップリングラインと、
    前記半導体層にバイアス信号を供給する電源と前記第２の導体層とを接続するバイアスラインと、
    を有し、
    前記カップリングラインが設けられている配線層と、前記バイアスラインが設けられている配線層は異なる層であり、
    第３の導体層と第４の導体層とをさらに備え、
    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の導体層とにより構成され、
    前記バイアスラインは、前記第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の導体層とは異なる層に配置され、
    前記第１の導体層、前記第３の導体層、前記第４の導体層、の順に積層されている
    ことを特徴とする素子。
  9. 前記誘電体層の一部を積層方向に貫通するコンタクトホールが形成されており、
    前記コンタクトホールの表面に前記第２の導体層の一部が形成されていることによって、前記第２の導体層と前記第３の導体層は接続しており、
    前記半導体層の積層方向は、前記誘電体層によって覆われている、
    ことを特徴とする請求項８に記載の素子。
  10. 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ように設定されている、
    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のマトリクス状に配置される（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. 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、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の導体層との間に位置する誘電体層と、
    を含むアンテナが複数設けられているアンテナアレイを備え、
    前記複数のアンテナ間を前記テラヘルツ波の周波数で相互に同期するために、前記第２の導体層に接続されたカップリングラインと、
    前記半導体層にバイアス信号を供給する電源と前記第２の導体層とを接続するバイアスラインと、
    を有し、
    前記カップリングラインが設けられている配線層と、前記バイアスラインが設けられている配線層は異なる層であり、
    前記アンテナアレイにおいて隣接するアンテナは、前記隣接するアンテナ間に配置された共通のバイアスラインに接続される、
    ことを特徴とする素子。
  17. 前記アンテナは、前記アンテナの幅より細い引き出し線を介して前記共通のバイアスラインに接続される
    ことを特徴とする請求項１６に記載の素子。
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