発振回路及び発振器
【課題】周波数などの発振特性を安定化しながら、出力変調が可能な負性抵抗素子を用いた発振回路、及びそれを用いた発振器を提供することである。
【解決手段】発振回路１００は、負性抵抗素子１０１と、負性抵抗素子１０１に接続した共振回路１０２と、負性抵抗素子１０１と並列に接続した寄生発振を抑制する為の安定化回路１０３と、を備える。安定化回路１０３は、可変なシャント抵抗１０４と、シャント抵抗１０４を調整する為の調整手段１０５とを備える。
【解決手段】発振回路１００は、負性抵抗素子１０１と、負性抵抗素子１０１に接続した共振回路１０２と、負性抵抗素子１０１と並列に接続した寄生発振を抑制する為の安定化回路１０３と、を備える。安定化回路１０３は、可変なシャント抵抗１０４と、シャント抵抗１０４を調整する為の調整手段１０５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を発生させる為の負性抵抗素子を有する発振回路及び、それを用いた発振器などに関する。特には、テラヘルツ帯（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数）の周波数領域における周波数成分を少なくとも一部に含む電磁波を発振する、共鳴トンネルダイオードなどの負性抵抗素子を用いた発振回路、及びそれを用いた発振器などに関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波の周波数帯で動作して発振する固体素子として共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）などの負性抵抗素子を用いた発振器が提案されている。特に、ＲＴＤを用いた発振器は、ＲＴＤの半導体量子井戸構造中の電子のサブバンド間遷移に基づく電磁波利得を利用しており、テラヘルツ帯における室温発振が報告されている。特許文献１及び非特許文献１は、２重障壁型ＲＴＤと平面状のスロットアンテナを半導体基板上に集積した発振器を開示している。該発振器は、ＲＴＤの電流−電圧特性で微分負性抵抗が現れるバイアス電圧においてテラヘルツ帯で室温発振する。
【０００３】
ＲＴＤなどの負性抵抗素子を用いた発振器は、電源を含むバイアス回路に起因した寄生的な低周波発振が生じることが知られている。寄生発振は、テラヘルツ波の周波数帯における所望の共振周波数の発振出力を低下させる原因となる。この課題に対して、非特許文献２は、バイアス電源とＲＴＤとの間に安定化回路を配置する手法を開示している。安定化回路は、ＲＴＤと並列に配置した抵抗と容量から構成され、共振周波数以外の全ての周波数において共振回路を低インピーダンスにする。また、安定化回路は、ＲＴＤからλ／４以内（λはテラヘルツ帯の周波数領域における所望の共振周波数の波長）の位置に配置される。これらの工夫により、寄生発振を抑制し、負性抵抗素子を用いた発振器でテラヘルツ帯の室温発振を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２４２５０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， Ｖｏｌ． ４７， Ｎｏ． ６ ，ｐｐ４３７５−４３８４，２００８
【非特許文献２】ＩＥＥＥ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＡＮＤ ＧＵＩＤＥＤ ＷＡＶＥ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．５，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ １９９５ ｐｐ２１９−２２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの発振器をテラヘルツ帯における通信やイメージングに応用するためには、発振出力の変調動作が必要となる。出力変調の方法には、従来の半導体レーザーと同様に、負性抵抗素子に印加するバイアスのスイッチングによる直接変調方法や、外部にメカニカルチョッパーや光学部品を設ける外部変調による方法がある。このうち、装置の小型化や高速化には直接変調による方法が有望である。一方、負性抵抗素子を用いた発振器は、バイアス電圧の変化によって発振周波数が変化することが知られている。非特許文献１のＲＴＤを用いた発振器では、約０．０５Ｖのバイアス変化で、発振周波数が７％程度変動し、それに伴い発振出力も変動している。このため、負性抵抗素子を用いた発振器は、バイアスのスイッチングによる直接変調時において、発振周波数などの発振特性が安定しない可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の発振回路及び、それを用いた発振器は、負性抵抗素子と、負性抵抗素子に接続した共振回路と、負性抵抗素子と並列に接続した寄生発振を抑制する為の安定化回路と、を備える。そして、安定化回路は、可変なシャント抵抗と、シャント抵抗を調整する為の調整手段とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の発振回路では、主に低周波の寄生発振を抑制する為の安定化回路に、抵抗が可変なシャント抵抗と、該シャント抵抗を調整する為の調整手段を設けた。シャント抵抗を調整することで、典型的には、負性抵抗素子を含む発振回路の低周波数帯域（ＤＣ〜数ＧＨｚ）におけるインピーダンスが変化する。これに応じて、発振回路の発振周波数帯は、所望の周波数帯（代表的にはテラヘルツ帯）と低周波数帯（ＤＣ〜数ＧＨｚ程度、寄生発振と呼ぶ）との間でスイッチされる。即ち、本発明の発振回路は、調整手段でシャント抵抗を変化させて寄生発振を調整することで、バイアス電圧を印加したまま、発振動作のスイッチングや発振出力の調整を行うことが可能な構成となっている。こうして、本発明の発振回路を用いれば、バイアス電圧を保持しながら、スイッチングや出力調整による変調動作が可能となる。従って、テラヘルツ帯においても、周波数などの発振特性を安定化しながら、出力変調が可能な発振回路及び、それを用いた発振器が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の発振回路の構成と動作を説明する図。
【図２】実施形態の変形例の構成を説明する図。
【図３】実施例の発振器の構成を説明する図。
【図４】実施例の変形例の構成を説明する図。
【図５】実施例の変形例の外観図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の発振回路において重要な点は、寄生発振を抑制する為の安定化回路に、可変なシャント抵抗を設けて、周波数などの発振特性を安定化しながら発振器の出力変調を可能とすることである。こうした考え方に基づき、本発明の発振回路の基本的な構成は、上述した様になっている。
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る発振回路について図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１（ａ）は本実施形態の発振回路を説明し、図１（ｂ）は本実施形態の発振回路の動作を説明する。本実施形態では、負性抵抗素子として共鳴トンネルダイオードを用いる。ただし、本発明の発振回路の範囲は以下の構成には限られず、上記基本的な構成を備えるものであれば、どの様なものでもよい。本実施形態の発振回路１００は、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）１０１、共振回路１０２、ＦＥＴ１０４と調整手段１０５を含む安定化回路１０３等から構成される。ＲＴＤ１０１は、高周波利得部であり、図１（ｂ）に示した電流電圧特性において微分負性抵抗を示す（ＩＢｉａｓ２）。共振回路１０２は、発振回路１００の共振周波数を決定する為の共振器の役割を持つ。発振回路１００は、ＲＴＤ１０１が持つ微分負性抵抗と、共振回路１０２の構造で決まる共振周波数の関係から決定される周波数で発振する。ここで、本実施形態において、前記周波数は、典型的には、テラヘルツ帯の周波数領域である。電源１０６は、ＲＴＤ１０１、共振回路１０２及び安定化回路１０３と並列に接続されており、発振回路１００にバイアスを印加する。
【００１２】
安定化回路１０３は、発振回路１００において低周波の寄生発振を抑制する回路であり、ＲＴＤ１０１に並列接続した容量Ｃstabとシャント抵抗である抵抗Ｒstabを少なくとも備える。安定化回路１０３は、電源１０６を含む外部回路等とＲＴＤ１０１とが共振しないように、ＲＴＤからλ／４以内（λはテラヘルツ帯の周波数領域における発振周波数の波長）の位置に配置することが好ましい。また、ＲＴＤ１０１と安定化回路１０３とが共振しないように、安定化回路１０３は、低周波帯の寄生発振の波長に比べて小さい構造であることが好ましい。また、安定化回路１０３は、共振回路１０２内の定在波に対して損失とならない位置に配置されることが好ましく、例えば、定在波の節の位置に配置すると良い。
【００１３】
本実施形態の発振回路１００には、安定化回路１０３のシャント抵抗として、Ｒｓｔａｂの他に、ＲＴＤ１０１と並列に接続したＦＥＴ１０４が設けられる。また、発振回路１００は、ＦＥＴ１０４の抵抗を調整する為の調整手段１０５を備える。本実施形態では、可変抵抗の一例として、三端子素子である電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）を用いている。例えば、ＦＥＴ１０４のドレイン電極はＲＴＤ１０１の正極側に接続され、ソース電極は接地される。ゲート電極は、調整手段１０５に接続され、調整手段１０５より適当なゲート電圧Ｖgが印加される。ゲート電圧Ｖgを調整することで、ＦＥＴ１０４のソース−ドレイン間の抵抗が可変となっている。
【００１４】
発振回路１００は、次の式１、式２の条件を同時に満たす時に、高周波（典型的にはテラヘルツ帯）で発振する。
振幅条件
Ｒｅ[ＹＲＴＤ]＋Ｒｅ[ＹＯＳＣ]≦０ 式１
位相条件
Ｉｍ[ＹＲＴＤ]＋Ｉｍ[ＹＯＳＣ]＝０ 式２
また、低周波の領域における寄生発振は、次の式３を満たす時に抑制される。これは、ＲＴＤ１０１は、端子ａａ’から電源１０６側の外部回路と共振する場合に、低周波帯（ＤＣ〜数ＧＨｚ）で寄生発振するためである。
寄生発振抑制条件
Ｒｅ[ＹＲＴＤ]＋Ｒｅ[Ｙａ]＞０ 式３
ここで、ＹＲＴＤはＲＴＤ１０１のアドミタンス、Ｙoscは共振回路１０２のアドミタンス、Ｙaは端子aa'から電源１０６側の回路（安定化回路１０３、電源１０６、その他外部回路などを含んだ回路）のアドミタンスである。また、Ｒｅ［ＹＲＴＤ］、Ｒｅ[Ｙａ]、Ｒｅ[ＹＯＳＣ]、は、アドミタンスＹＲＴＤ、Ｙａ、ＹＯＳＣの実部で、Ｉｍ[ＹＲＴＤ]、Ｉｍ[ＹＯＳＣ]は、アドミタンスＹＲＴＤ、ＹＯＳＣの虚部である。
【００１５】
この様に、寄生発振を抑制する為には、発振回路１００が式３を満たす必要があり、これを満たすためには、安定化回路１０３により、発振回路１００を、所望の発振周波数ωosc以外の全ての周波数において低インピーダンスにすればよい。このうち、ＤＣから数ＧＨｚまでの低周波の領域は、主に、ＲＴＤ１０１と並列に接続された抵抗であるシャント抵抗で低インピーダンスにする。そして、それより高い周波数領域（数ＧＨｚから発振周波数ωｏｓｃまで）は、主に、並列容量Ｃｓｔａｂで低インピーダンスにする。上記非特許文献２によれば、シャント抵抗は、ＲＴＤ１０１の微分負性抵抗の絶対値と同じか少し小さいくらいが良いとされる。本実施形態では、抵抗が固定の並列抵抗であるＲｓｔａｂと抵抗が可変な並列抵抗であるＦＥＴ１０４とがシャント抵抗の役割を果たす。
【００１６】
発振回路１００は、調整手段１０５によりＦＥＴ１０４のゲート電圧Ｖｇを変化させてソース−ドレイン間の抵抗を調整することで、上記シャント抵抗を任意の値に調整可能である。例えば、ＶｇをＶｇ１として、ＦＥＴ１０４とＲｓｔａｂの合成抵抗がＲＴＤ１０１の微分負性抵抗の絶対値と略同じとなるように設定した時、シャント抵抗と発振回路１００の電流電圧特性はそれぞれ図１（ｂ）のＩｓｔａｂ１、ＩＢｉａｓ１となる。この時、ＤＣから数ＧＨｚの周波数帯で上記式３の条件が満たされるので、低周波の寄生発振は抑制される。従って、発振回路１００は、ＲＴＤ１０１と共振回路１０２で決まるテラヘルツ帯の高周波において発振する（図１（ｂ）のＬｏｓｃ１）。
【００１７】
一方、ＦＥＴ１０４のＶｇをＶｇ２として、ＦＥＴ１０４とＲｓｔａｂの合成抵抗を微分負性抵抗の絶対値より大きくすれば、シャント抵抗と発振回路１００の電流電圧特性は図１（ｂ）のＩｓｔａｂ２、ＩＢｉａｓ２のようになる。この時、寄生発振の抑制条件（上記式３）が満たされなくなる為、発振回路１００は、例えば数ＧＨｚの低周波において発振し、テラヘルツ帯の高周波では、発振出力が弱まる（図１（ｂ）のＬｏｓｃ２）。このように、発振回路１００は、バイアス電圧（ＶＢｉａｓ）を印加したまま、調整手段１０５とＦＥＴ１０４とでシャント抵抗の値を調整して、発振のスイッチングや発振出力の調整を行うことができる。また、シャント抵抗を調整することで、発振回路１００の出力変調を行うことが可能となる。
【００１８】
以上の様に、安定化回路１０４に配置した、抵抗が可変なシャント抵抗を調整して、発振回路１００の低周波におけるインピーダンスを調整することで、発振回路１００の出力調整やスイッチングが可能となる。これを利用することで、従来の懸案であったＲＴＤ発振回路の出力変調時における発振周波数などの発振特性の不安定性の問題が解決されることになる。
【００１９】
更に、本実施形態の構成であれば、トランジスタなどの変調手段をＲＴＤの近傍に小型に集積することができる。このため、バイアスによる直接変調に比べて、電源などの外部回路に起因する遅延が回避され、より高速な変調動作が期待される。また、バイアス以外の調整手段１０５で変調ができるため、従来の直接変調に比べて制御の自由度が向上する。また、変調の際にバイアス切替を行う必要が無いため、過渡現象に起因したサージ電流などにより素子が故障するリスクも低減される。
【００２０】
尚、以上の本実施形態において、負性抵抗素子として、エサキダイオードや、ガンダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＴＵＮＮＥＴＴダイオードなどを用いても良い。また、抵抗が可変なシャント抵抗としては、本実施形態にあげたトランジスタ以外に、フォトレジスタ、サーミスタ、磁気抵抗や歪抵抗のように、それぞれ、光、熱、磁気や応力で抵抗変化する材料を用いても良い。この場合、発振回路３００は図２（ａ）に示したようになり、例えば、光照射手段３０５によってフォトレジスタ素子３０４を調整してもよいし、応力印加手段３０５で歪抵抗素子３０４を調整してもよい。いずれの場合も、可変抵抗は寄生発振の波長より小さい構造であることが好ましい。また、図２（ｂ）に示した発振回路４００のように、調整手段４０５により、スイッチ４０４を調整してシャント抵抗を切り替えることで、発振出力のスイッチングや調整を行っても良い。この際、調整手段４０５は、ＲＴＤ１０１と共振回路１０２に対して干渉しないように選択される。スイッチ４０４は、寄生発振の波長より小さい構造であることが好ましい。
【００２１】
また、共振回路１０２として、空洞導波管、マイクロストリップ共振器、パッチアンテナ共振器、スロットアンテナ共振器などを用いれば、発振回路１００から効率良く高周波を電磁波として外部に取り出すことが可能となる。また、共振回路として、後述する図５に示したプラズモン導波路を用いれば、より高出力な発振回路が実現される。
【００２２】
以下、本発明のより具体的な実施例について詳細を説明する。
（実施例）
本実施例に係る発振回路について、図３から図５を用いて説明する。図３（ａ）は本実施例の外観図であり、図３（ｂ）は本実施例の断面図である。図４（ａ）、図４（ｂ）、及び図５は本実施例の変形例を説明する図である。
【００２３】
本実施例の発振回路２００は、基板２３０上に形成され、主にＲＴＤ２０１、パッチアンテナ２０２、ＦＥＴ２０４、調整手段２０５、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造２０９、抵抗体２１０から構成される。ＲＴＤ２０１は、以下の構成の３重障壁量子井戸構造を用いている。
第一障壁層 ＡｌＡｓ １．３ｎｍ
第一量子井戸層 ＩｎＧａＡｓ ７．６ｎｍ
第二障壁層 ＩｎＡｌＡｓ ２．６ｎｍ
第二量子井戸層 ＩｎＧａＡｓ ５．６ｎｍ
第三障壁層 ＡｌＡｓ １．３ｎｍ
ここで、第一量子井戸層、第二障壁層、第二量子井戸層は面方位（１００）のＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓである。第一障壁層、第三障壁層は、ＩｎＰに格子整合していないＡｌＡｓで、臨界薄膜より薄く、エネルギーの高い障壁となっている。３重障壁量子井戸構造を、ノンドープＩｎＧａＡｓからなるスペーサ層、ｎ＋ＩｎＧａＡｓから構成される電気接点層で上下から挟み共鳴トンネルダイオードが構成される。また、ＲＴＤ２０１の上下には、高濃度にドーピングしたｎ＋＋ＩｎＧａＡｓのコンタクト層２２０ａ、２２０ｂを配置する。
【００２４】
ＲＴＤ２０１は、直径約２μｍΦのメサ構造で、塩素系ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓａｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により形成する。ＲＴＤ２０１は、コンタクト層２２０ａに接続した第１電極２１１と、コンタクト層２２０ｂに接続したＧＮＤ電極２１２ａとで上下から挟まれている。本実施例で用いたＲＴＤ２０１では、電流密度がＪｐ＝２８０ｋＡ／ｃｍ２、ピークバレイ比が約３、微分負性抵抗が約−２２Ωの電流電圧特性が得られる。
【００２５】
パッチアンテナ２０２は、２枚の金属層で誘電体を挟んだ構造のアンテナであり、図１の回路図では共振回路１０２にあたる。発振周波数は、誘電体材料の種類と厚さ、パッチアンテナ２０２の辺の長さ、ＲＴＤ２０１の大きさや位置などで決定される。パッチアンテナ２０２は、第１電極２１１とＧＮＤ電極２１２ａの間に誘電体層２０８がサンドイッチされた構造であり、第１電極２１１とＧＮＤ電極２１２ａ間の誘電体中を電磁波が定在する。第１電極２１１は、１５０μｍ×１５０μｍの正方形状のλ／２パッチであり、発振周波数は約０．５ＴＨｚである。ＲＴＤ２０１は、第１電極２１１の中心からＡ’Ａ方向に４０μｍ程ずらした位置に配置することで、パッチアンテナ２０２とＲＴＤ２０１とがインピーダンスマッチするように設計している。λ／２パッチには、λ／４マイクロストリップ線路２２４が接続され、ＭＩＭ構造２０９の第２電極２２１とＦＥＴ２０４の第３電極２２２とに接続する。マイクロストリップ線路は、パッチアンテナ２０２の共振電磁界の定在波が節となる位置に配置する。
【００２６】
第１電極２１１は、リフトオフで形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）からなる金属層であり、高濃度にドーピングしたｎ＋＋ＩｎＧａＡｓへの低抵抗オーミック電極として知られている。本実施例では、第１電極２１１、第２電極２２１、第３電極２２２は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）層で一体形成する。誘電体層２０８は、高周波電磁波の低損失材料として知られるＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を用いる。誘電体層２０８の層厚は約３μｍであり、スピンコート法とドライエッチング法を用いて形成する。誘電体層２０８は第１電極２１１とＧＮＤ電極２１２ａをＤＣ的に絶縁する役割も持つ。ＧＮＤ電極層２１２ａはリフトオフで形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｔｉ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ／２０ｎｍ）からなる金属層を用いる。ＧＮＤ電極層２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃは接地している。
【００２７】
安定化回路１０３は、並列容量ＣｓｔａｂであるＭＩＭ構造２０９と、可変抵抗のＦＥＴ２０４と固定抵抗の並列抵抗体２１０とからなるシャント抵抗と、調整手段１０５となる電源２０５より構成される。並列容量Ｃｓｔａｂは、第２電極２２１とＧＮＤ電極２１２ｂとで誘電体層２０８をサンドイッチしたＭＩＭ構造２０９を用いる。本実施例では、数ＧＨｚから発振周波数ωｏｓｃまでの高い周波数領域でショートするように、容量が数ｐＦとなるように設計されている。
【００２８】
並列抵抗体２１０は、第２電極２２１とＧＮＤ電極層２１２ｂとの間に接続され、両者間を低周波で低インピーダンスにするシャント抵抗の一部となる。並列抵抗体２１０には半金属であるビスマスを使用し、約５０Ωとなるように２００μｍ×８０μｍ×１μｍ厚のビスマス膜をリフトオフ法で形成する。ＦＥＴ２０４は、ＩｎＰ系のＲＴＤと集積する為に、ＩｎＰ系のＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いる。同一のＩｎＰ基板上に、ＨＥＭＴ、ＲＴＤの順にエピタキシャル成長し、ＲＴＤを含む多層膜の一部をウェットエッチングで除去することで、ＨＥＭＴ構造を形成する。例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ，４２，２３６７（２００３）に開示された構造を利用する。その主な構成は、ＩｎＡｌＡｓキャリア供給層２３５、ＩｎＧａＡｓチャネル層２３６、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓキャップ層２３４、ＩｎＡｌＡｓバッファ層２３７、ゲート長０．１μｍである。ゲート幅は、所望の抵抗値を得るために３００μｍとした。ドレイン電極２３１、ソース電極２３２、ゲート電極２３３は、ｎ＋ＩｎＧａＡｓにはオーミック接触、且つ、ＩｎＡｌＡｓにはショットキー接触となるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いる。ドレイン電極２３１、ソース電極２３２、ゲート電極２３３は、それぞれＡｕで形成したスルーホール２３８ａ、２３８ｂ、２３８ｃで誘電体層の上面に引き出され、第３電極２２２、第４電極２２５、第５電極２２６と接続する。第３電極２２２は、マイクロストリップ線路２２４を介してパッチアンテナ２０２と接続され、ＭＩＭ構造２０９の第２電極２２１と実質的には一致する。また、第４電極２２５はＧＮＤ電極２１２ｃと接続して接地される。第５電極２２６は、調整手段１０５となる電源２０５に接続される。
【００２９】
ＲＴＤ２０１は、Ｖｂｉａｓ＝０．７Ｖで約−２２Ωの微分負性抵抗を持つ。本実施例のＨＥＭＴであれば、Ｖｇ＝０．３Ｖにおいて、ソース−ドレイン間の微分抵抗は約３０Ωとなり、ＲｓｔａｂとＦＥＴ２０４からなるシャント抵抗の合成抵抗は約２０Ωとなる。発振回路２００は、低周波においてショートされ、寄生発振は抑制されるため、テラヘルツ帯の０．４ＴＨｚにおいて発振する。一方、Ｖｇ＝−０．３Ｖにおいて、ソース−ドレイン間の微分抵抗は約５００Ωとなり、ＲｓｔａｂとＦＥＴ２０４からなるシャント抵抗の合成抵抗は約４５Ωとなる。このため、発振回路２００は、低周波では十分にショートされず寄生発振が生じ、その結果、テラヘルツ帯における発振出力は弱まる。
【００３０】
このように、本実施例の発振回路２００は、安定化回路に設置したＦＥＴ２０４のソース−ドレイン間の抵抗を調整手段で調整して、発振回路の発振出力のスイッチングや調整が可能となる。本実施例により、従来の懸案であったＲＴＤ発振回路の出力変調時の周波数などの発振特性の不安定性の問題が解決される。本実施例の変形例として、図４（ａ）のように、電流源５０５を含む安定化回路５０３の可変抵抗にＨＢＴ５０４を用い、共振回路の構造としてプラズモン導波路を用いた構成がある。プラズモン導波路は、図５に示した通り、２つ電極５１１、５１２でＲＴＤ５０１と誘電体層５０８をサンドイッチした共振構造で、本実施例の発振回路５００を高出力化する上で好適な構造である。また、複数のＲＴＤ５０１を共振構造内に周期的に配置しても良い。このような構造では、ＲＴＤ５０１を含む層とＨＢＴ５０４を含む層は、金属接合により基板５３０に転写される。ここで、電極５２２、電極５２５、電極５２６（電流源５０５に接続）はそれぞれＨＢＴ５０４のコレクタ電極、エミッタ電極、ベース電極（不図示）から引き出された電極であり、ＨＢＴ５０４はエミッタ接地である。
【００３１】
このような構成であれば、高出力で、且つ、出力の調整やスイッチングが容易な発振回路５００が実現される。また、本実施例の他の変形例として、図４（ｂ）のようにシャント抵抗として、可変抵抗のＦＥＴ６０４（ベースは電圧源６０５に接続）と、非線形素子であるショットキーバリアダイオード６０６を並列に配置した構成であって良い。この場合は、より低消費電力な発振回路６００が実現される。可変抵抗は、例えば三端子素子であれば、ＨＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＩＧＢＴなどがある。また、抵抗変化の生じる材料としては、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）のような不揮発性記録能力を利用した材料や、電気パルスで抵抗変化が生じるペロブスカイト材料や、歪で抵抗が変化する歪抵抗効果を有する材料を用いた可変抵抗であっても良い。抵抗体に電気信号や光や熱を入力することで抵抗を調整できる可変抵抗であれば何でも良く、図２（ａ）に示したように、調整手段からの入力信号で抵抗を調整する。また、図２（ｂ）のように、複数のシャント抵抗とスイッチとを備える場合は、静電引力で動作するアクチュエータを利用したＭＥＭＳスイッチや、ＦＥＴやダイオードを組み合わせたスイッチング回路がある。
【００３２】
本実施例では、ＲＴＤ２０１として、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオード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実施例の半導体素子を提供できる。例えば、２重障壁量子井戸構造を有する共鳴トンネルダイオードや、４重以上の多重障壁量子井戸を有する共鳴トンネルダイオードを用いても良い。また、材料系としては、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＰ基板上の、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂや、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせであっても良い。これら構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すれば良い。尚、本発明ではキャリアが電子である場合を想定して説明をしているが、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良い。ただし、この場合、回路素子の極性を入れ替える必要がある。また、基板２３０、５３０の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン基板、ガリウムヒ素基板、インジウムヒ素基板、ガリウムリン基板、窒化ガリウム基板などの半導体基板や、ガラス基板、セラミック基板、樹脂基板などを用いても良い。上述した構造は既存の半導体プロセスを用いて作製することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１００…発振器、１０１…負性抵抗素子（ＲＴＤ）、１０２…共振回路、１０３…安定化回路、１０４…シャント抵抗（トランジスタ）、１０５…調整手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波を発生させる為の負性抵抗素子を有する発振回路及び、それを用いた発振器などに関する。特には、テラヘルツ帯（３０ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数）の周波数領域における周波数成分を少なくとも一部に含む電磁波を発振する、共鳴トンネルダイオードなどの負性抵抗素子を用いた発振回路、及びそれを用いた発振器などに関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波の周波数帯で動作して発振する固体素子として共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）などの負性抵抗素子を用いた発振器が提案されている。特に、ＲＴＤを用いた発振器は、ＲＴＤの半導体量子井戸構造中の電子のサブバンド間遷移に基づく電磁波利得を利用しており、テラヘルツ帯における室温発振が報告されている。特許文献１及び非特許文献１は、２重障壁型ＲＴＤと平面状のスロットアンテナを半導体基板上に集積した発振器を開示している。該発振器は、ＲＴＤの電流−電圧特性で微分負性抵抗が現れるバイアス電圧においてテラヘルツ帯で室温発振する。
【０００３】
ＲＴＤなどの負性抵抗素子を用いた発振器は、電源を含むバイアス回路に起因した寄生的な低周波発振が生じることが知られている。寄生発振は、テラヘルツ波の周波数帯における所望の共振周波数の発振出力を低下させる原因となる。この課題に対して、非特許文献２は、バイアス電源とＲＴＤとの間に安定化回路を配置する手法を開示している。安定化回路は、ＲＴＤと並列に配置した抵抗と容量から構成され、共振周波数以外の全ての周波数において共振回路を低インピーダンスにする。また、安定化回路は、ＲＴＤからλ／４以内（λはテラヘルツ帯の周波数領域における所望の共振周波数の波長）の位置に配置される。これらの工夫により、寄生発振を抑制し、負性抵抗素子を用いた発振器でテラヘルツ帯の室温発振を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２４２５０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， Ｖｏｌ． ４７， Ｎｏ． ６ ，ｐｐ４３７５−４３８４，２００８
【非特許文献２】ＩＥＥＥ ＭＩＣＲＯＷＡＶＥ ＡＮＤ ＧＵＩＤＥＤ ＷＡＶＥ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．５，ＮＯ．７，ＪＵＬＹ １９９５ ｐｐ２１９−２２１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの発振器をテラヘルツ帯における通信やイメージングに応用するためには、発振出力の変調動作が必要となる。出力変調の方法には、従来の半導体レーザーと同様に、負性抵抗素子に印加するバイアスのスイッチングによる直接変調方法や、外部にメカニカルチョッパーや光学部品を設ける外部変調による方法がある。このうち、装置の小型化や高速化には直接変調による方法が有望である。一方、負性抵抗素子を用いた発振器は、バイアス電圧の変化によって発振周波数が変化することが知られている。非特許文献１のＲＴＤを用いた発振器では、約０．０５Ｖのバイアス変化で、発振周波数が７％程度変動し、それに伴い発振出力も変動している。このため、負性抵抗素子を用いた発振器は、バイアスのスイッチングによる直接変調時において、発振周波数などの発振特性が安定しない可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の発振回路及び、それを用いた発振器は、負性抵抗素子と、負性抵抗素子に接続した共振回路と、負性抵抗素子と並列に接続した寄生発振を抑制する為の安定化回路と、を備える。そして、安定化回路は、可変なシャント抵抗と、シャント抵抗を調整する為の調整手段とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の発振回路では、主に低周波の寄生発振を抑制する為の安定化回路に、抵抗が可変なシャント抵抗と、該シャント抵抗を調整する為の調整手段を設けた。シャント抵抗を調整することで、典型的には、負性抵抗素子を含む発振回路の低周波数帯域（ＤＣ〜数ＧＨｚ）におけるインピーダンスが変化する。これに応じて、発振回路の発振周波数帯は、所望の周波数帯（代表的にはテラヘルツ帯）と低周波数帯（ＤＣ〜数ＧＨｚ程度、寄生発振と呼ぶ）との間でスイッチされる。即ち、本発明の発振回路は、調整手段でシャント抵抗を変化させて寄生発振を調整することで、バイアス電圧を印加したまま、発振動作のスイッチングや発振出力の調整を行うことが可能な構成となっている。こうして、本発明の発振回路を用いれば、バイアス電圧を保持しながら、スイッチングや出力調整による変調動作が可能となる。従って、テラヘルツ帯においても、周波数などの発振特性を安定化しながら、出力変調が可能な発振回路及び、それを用いた発振器が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の発振回路の構成と動作を説明する図。
【図２】実施形態の変形例の構成を説明する図。
【図３】実施例の発振器の構成を説明する図。
【図４】実施例の変形例の構成を説明する図。
【図５】実施例の変形例の外観図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の発振回路において重要な点は、寄生発振を抑制する為の安定化回路に、可変なシャント抵抗を設けて、周波数などの発振特性を安定化しながら発振器の出力変調を可能とすることである。こうした考え方に基づき、本発明の発振回路の基本的な構成は、上述した様になっている。
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る発振回路について図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。図１（ａ）は本実施形態の発振回路を説明し、図１（ｂ）は本実施形態の発振回路の動作を説明する。本実施形態では、負性抵抗素子として共鳴トンネルダイオードを用いる。ただし、本発明の発振回路の範囲は以下の構成には限られず、上記基本的な構成を備えるものであれば、どの様なものでもよい。本実施形態の発振回路１００は、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）１０１、共振回路１０２、ＦＥＴ１０４と調整手段１０５を含む安定化回路１０３等から構成される。ＲＴＤ１０１は、高周波利得部であり、図１（ｂ）に示した電流電圧特性において微分負性抵抗を示す（ＩＢｉａｓ２）。共振回路１０２は、発振回路１００の共振周波数を決定する為の共振器の役割を持つ。発振回路１００は、ＲＴＤ１０１が持つ微分負性抵抗と、共振回路１０２の構造で決まる共振周波数の関係から決定される周波数で発振する。ここで、本実施形態において、前記周波数は、典型的には、テラヘルツ帯の周波数領域である。電源１０６は、ＲＴＤ１０１、共振回路１０２及び安定化回路１０３と並列に接続されており、発振回路１００にバイアスを印加する。
【００１２】
安定化回路１０３は、発振回路１００において低周波の寄生発振を抑制する回路であり、ＲＴＤ１０１に並列接続した容量Ｃstabとシャント抵抗である抵抗Ｒstabを少なくとも備える。安定化回路１０３は、電源１０６を含む外部回路等とＲＴＤ１０１とが共振しないように、ＲＴＤからλ／４以内（λはテラヘルツ帯の周波数領域における発振周波数の波長）の位置に配置することが好ましい。また、ＲＴＤ１０１と安定化回路１０３とが共振しないように、安定化回路１０３は、低周波帯の寄生発振の波長に比べて小さい構造であることが好ましい。また、安定化回路１０３は、共振回路１０２内の定在波に対して損失とならない位置に配置されることが好ましく、例えば、定在波の節の位置に配置すると良い。
【００１３】
本実施形態の発振回路１００には、安定化回路１０３のシャント抵抗として、Ｒｓｔａｂの他に、ＲＴＤ１０１と並列に接続したＦＥＴ１０４が設けられる。また、発振回路１００は、ＦＥＴ１０４の抵抗を調整する為の調整手段１０５を備える。本実施形態では、可変抵抗の一例として、三端子素子である電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、ＦＥＴ）を用いている。例えば、ＦＥＴ１０４のドレイン電極はＲＴＤ１０１の正極側に接続され、ソース電極は接地される。ゲート電極は、調整手段１０５に接続され、調整手段１０５より適当なゲート電圧Ｖgが印加される。ゲート電圧Ｖgを調整することで、ＦＥＴ１０４のソース−ドレイン間の抵抗が可変となっている。
【００１４】
発振回路１００は、次の式１、式２の条件を同時に満たす時に、高周波（典型的にはテラヘルツ帯）で発振する。
振幅条件
Ｒｅ[ＹＲＴＤ]＋Ｒｅ[ＹＯＳＣ]≦０ 式１
位相条件
Ｉｍ[ＹＲＴＤ]＋Ｉｍ[ＹＯＳＣ]＝０ 式２
また、低周波の領域における寄生発振は、次の式３を満たす時に抑制される。これは、ＲＴＤ１０１は、端子ａａ’から電源１０６側の外部回路と共振する場合に、低周波帯（ＤＣ〜数ＧＨｚ）で寄生発振するためである。
寄生発振抑制条件
Ｒｅ[ＹＲＴＤ]＋Ｒｅ[Ｙａ]＞０ 式３
ここで、ＹＲＴＤはＲＴＤ１０１のアドミタンス、Ｙoscは共振回路１０２のアドミタンス、Ｙaは端子aa'から電源１０６側の回路（安定化回路１０３、電源１０６、その他外部回路などを含んだ回路）のアドミタンスである。また、Ｒｅ［ＹＲＴＤ］、Ｒｅ[Ｙａ]、Ｒｅ[ＹＯＳＣ]、は、アドミタンスＹＲＴＤ、Ｙａ、ＹＯＳＣの実部で、Ｉｍ[ＹＲＴＤ]、Ｉｍ[ＹＯＳＣ]は、アドミタンスＹＲＴＤ、ＹＯＳＣの虚部である。
【００１５】
この様に、寄生発振を抑制する為には、発振回路１００が式３を満たす必要があり、これを満たすためには、安定化回路１０３により、発振回路１００を、所望の発振周波数ωosc以外の全ての周波数において低インピーダンスにすればよい。このうち、ＤＣから数ＧＨｚまでの低周波の領域は、主に、ＲＴＤ１０１と並列に接続された抵抗であるシャント抵抗で低インピーダンスにする。そして、それより高い周波数領域（数ＧＨｚから発振周波数ωｏｓｃまで）は、主に、並列容量Ｃｓｔａｂで低インピーダンスにする。上記非特許文献２によれば、シャント抵抗は、ＲＴＤ１０１の微分負性抵抗の絶対値と同じか少し小さいくらいが良いとされる。本実施形態では、抵抗が固定の並列抵抗であるＲｓｔａｂと抵抗が可変な並列抵抗であるＦＥＴ１０４とがシャント抵抗の役割を果たす。
【００１６】
発振回路１００は、調整手段１０５によりＦＥＴ１０４のゲート電圧Ｖｇを変化させてソース−ドレイン間の抵抗を調整することで、上記シャント抵抗を任意の値に調整可能である。例えば、ＶｇをＶｇ１として、ＦＥＴ１０４とＲｓｔａｂの合成抵抗がＲＴＤ１０１の微分負性抵抗の絶対値と略同じとなるように設定した時、シャント抵抗と発振回路１００の電流電圧特性はそれぞれ図１（ｂ）のＩｓｔａｂ１、ＩＢｉａｓ１となる。この時、ＤＣから数ＧＨｚの周波数帯で上記式３の条件が満たされるので、低周波の寄生発振は抑制される。従って、発振回路１００は、ＲＴＤ１０１と共振回路１０２で決まるテラヘルツ帯の高周波において発振する（図１（ｂ）のＬｏｓｃ１）。
【００１７】
一方、ＦＥＴ１０４のＶｇをＶｇ２として、ＦＥＴ１０４とＲｓｔａｂの合成抵抗を微分負性抵抗の絶対値より大きくすれば、シャント抵抗と発振回路１００の電流電圧特性は図１（ｂ）のＩｓｔａｂ２、ＩＢｉａｓ２のようになる。この時、寄生発振の抑制条件（上記式３）が満たされなくなる為、発振回路１００は、例えば数ＧＨｚの低周波において発振し、テラヘルツ帯の高周波では、発振出力が弱まる（図１（ｂ）のＬｏｓｃ２）。このように、発振回路１００は、バイアス電圧（ＶＢｉａｓ）を印加したまま、調整手段１０５とＦＥＴ１０４とでシャント抵抗の値を調整して、発振のスイッチングや発振出力の調整を行うことができる。また、シャント抵抗を調整することで、発振回路１００の出力変調を行うことが可能となる。
【００１８】
以上の様に、安定化回路１０４に配置した、抵抗が可変なシャント抵抗を調整して、発振回路１００の低周波におけるインピーダンスを調整することで、発振回路１００の出力調整やスイッチングが可能となる。これを利用することで、従来の懸案であったＲＴＤ発振回路の出力変調時における発振周波数などの発振特性の不安定性の問題が解決されることになる。
【００１９】
更に、本実施形態の構成であれば、トランジスタなどの変調手段をＲＴＤの近傍に小型に集積することができる。このため、バイアスによる直接変調に比べて、電源などの外部回路に起因する遅延が回避され、より高速な変調動作が期待される。また、バイアス以外の調整手段１０５で変調ができるため、従来の直接変調に比べて制御の自由度が向上する。また、変調の際にバイアス切替を行う必要が無いため、過渡現象に起因したサージ電流などにより素子が故障するリスクも低減される。
【００２０】
尚、以上の本実施形態において、負性抵抗素子として、エサキダイオードや、ガンダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＴＵＮＮＥＴＴダイオードなどを用いても良い。また、抵抗が可変なシャント抵抗としては、本実施形態にあげたトランジスタ以外に、フォトレジスタ、サーミスタ、磁気抵抗や歪抵抗のように、それぞれ、光、熱、磁気や応力で抵抗変化する材料を用いても良い。この場合、発振回路３００は図２（ａ）に示したようになり、例えば、光照射手段３０５によってフォトレジスタ素子３０４を調整してもよいし、応力印加手段３０５で歪抵抗素子３０４を調整してもよい。いずれの場合も、可変抵抗は寄生発振の波長より小さい構造であることが好ましい。また、図２（ｂ）に示した発振回路４００のように、調整手段４０５により、スイッチ４０４を調整してシャント抵抗を切り替えることで、発振出力のスイッチングや調整を行っても良い。この際、調整手段４０５は、ＲＴＤ１０１と共振回路１０２に対して干渉しないように選択される。スイッチ４０４は、寄生発振の波長より小さい構造であることが好ましい。
【００２１】
また、共振回路１０２として、空洞導波管、マイクロストリップ共振器、パッチアンテナ共振器、スロットアンテナ共振器などを用いれば、発振回路１００から効率良く高周波を電磁波として外部に取り出すことが可能となる。また、共振回路として、後述する図５に示したプラズモン導波路を用いれば、より高出力な発振回路が実現される。
【００２２】
以下、本発明のより具体的な実施例について詳細を説明する。
（実施例）
本実施例に係る発振回路について、図３から図５を用いて説明する。図３（ａ）は本実施例の外観図であり、図３（ｂ）は本実施例の断面図である。図４（ａ）、図４（ｂ）、及び図５は本実施例の変形例を説明する図である。
【００２３】
本実施例の発振回路２００は、基板２３０上に形成され、主にＲＴＤ２０１、パッチアンテナ２０２、ＦＥＴ２０４、調整手段２０５、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造２０９、抵抗体２１０から構成される。ＲＴＤ２０１は、以下の構成の３重障壁量子井戸構造を用いている。
第一障壁層 ＡｌＡｓ １．３ｎｍ
第一量子井戸層 ＩｎＧａＡｓ ７．６ｎｍ
第二障壁層 ＩｎＡｌＡｓ ２．６ｎｍ
第二量子井戸層 ＩｎＧａＡｓ ５．６ｎｍ
第三障壁層 ＡｌＡｓ １．３ｎｍ
ここで、第一量子井戸層、第二障壁層、第二量子井戸層は面方位（１００）のＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓである。第一障壁層、第三障壁層は、ＩｎＰに格子整合していないＡｌＡｓで、臨界薄膜より薄く、エネルギーの高い障壁となっている。３重障壁量子井戸構造を、ノンドープＩｎＧａＡｓからなるスペーサ層、ｎ＋ＩｎＧａＡｓから構成される電気接点層で上下から挟み共鳴トンネルダイオードが構成される。また、ＲＴＤ２０１の上下には、高濃度にドーピングしたｎ＋＋ＩｎＧａＡｓのコンタクト層２２０ａ、２２０ｂを配置する。
【００２４】
ＲＴＤ２０１は、直径約２μｍΦのメサ構造で、塩素系ガスを用いたＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓａｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により形成する。ＲＴＤ２０１は、コンタクト層２２０ａに接続した第１電極２１１と、コンタクト層２２０ｂに接続したＧＮＤ電極２１２ａとで上下から挟まれている。本実施例で用いたＲＴＤ２０１では、電流密度がＪｐ＝２８０ｋＡ／ｃｍ２、ピークバレイ比が約３、微分負性抵抗が約−２２Ωの電流電圧特性が得られる。
【００２５】
パッチアンテナ２０２は、２枚の金属層で誘電体を挟んだ構造のアンテナであり、図１の回路図では共振回路１０２にあたる。発振周波数は、誘電体材料の種類と厚さ、パッチアンテナ２０２の辺の長さ、ＲＴＤ２０１の大きさや位置などで決定される。パッチアンテナ２０２は、第１電極２１１とＧＮＤ電極２１２ａの間に誘電体層２０８がサンドイッチされた構造であり、第１電極２１１とＧＮＤ電極２１２ａ間の誘電体中を電磁波が定在する。第１電極２１１は、１５０μｍ×１５０μｍの正方形状のλ／２パッチであり、発振周波数は約０．５ＴＨｚである。ＲＴＤ２０１は、第１電極２１１の中心からＡ’Ａ方向に４０μｍ程ずらした位置に配置することで、パッチアンテナ２０２とＲＴＤ２０１とがインピーダンスマッチするように設計している。λ／２パッチには、λ／４マイクロストリップ線路２２４が接続され、ＭＩＭ構造２０９の第２電極２２１とＦＥＴ２０４の第３電極２２２とに接続する。マイクロストリップ線路は、パッチアンテナ２０２の共振電磁界の定在波が節となる位置に配置する。
【００２６】
第１電極２１１は、リフトオフで形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）からなる金属層であり、高濃度にドーピングしたｎ＋＋ＩｎＧａＡｓへの低抵抗オーミック電極として知られている。本実施例では、第１電極２１１、第２電極２２１、第３電極２２２は、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ）層で一体形成する。誘電体層２０８は、高周波電磁波の低損失材料として知られるＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）を用いる。誘電体層２０８の層厚は約３μｍであり、スピンコート法とドライエッチング法を用いて形成する。誘電体層２０８は第１電極２１１とＧＮＤ電極２１２ａをＤＣ的に絶縁する役割も持つ。ＧＮＤ電極層２１２ａはリフトオフで形成したＴｉ／Ｐｄ／Ａｕ／Ｔｉ（２０ｎｍ／２０ｎｍ／２００ｎｍ／２０ｎｍ）からなる金属層を用いる。ＧＮＤ電極層２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃは接地している。
【００２７】
安定化回路１０３は、並列容量ＣｓｔａｂであるＭＩＭ構造２０９と、可変抵抗のＦＥＴ２０４と固定抵抗の並列抵抗体２１０とからなるシャント抵抗と、調整手段１０５となる電源２０５より構成される。並列容量Ｃｓｔａｂは、第２電極２２１とＧＮＤ電極２１２ｂとで誘電体層２０８をサンドイッチしたＭＩＭ構造２０９を用いる。本実施例では、数ＧＨｚから発振周波数ωｏｓｃまでの高い周波数領域でショートするように、容量が数ｐＦとなるように設計されている。
【００２８】
並列抵抗体２１０は、第２電極２２１とＧＮＤ電極層２１２ｂとの間に接続され、両者間を低周波で低インピーダンスにするシャント抵抗の一部となる。並列抵抗体２１０には半金属であるビスマスを使用し、約５０Ωとなるように２００μｍ×８０μｍ×１μｍ厚のビスマス膜をリフトオフ法で形成する。ＦＥＴ２０４は、ＩｎＰ系のＲＴＤと集積する為に、ＩｎＰ系のＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いる。同一のＩｎＰ基板上に、ＨＥＭＴ、ＲＴＤの順にエピタキシャル成長し、ＲＴＤを含む多層膜の一部をウェットエッチングで除去することで、ＨＥＭＴ構造を形成する。例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ，４２，２３６７（２００３）に開示された構造を利用する。その主な構成は、ＩｎＡｌＡｓキャリア供給層２３５、ＩｎＧａＡｓチャネル層２３６、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓキャップ層２３４、ＩｎＡｌＡｓバッファ層２３７、ゲート長０．１μｍである。ゲート幅は、所望の抵抗値を得るために３００μｍとした。ドレイン電極２３１、ソース電極２３２、ゲート電極２３３は、ｎ＋ＩｎＧａＡｓにはオーミック接触、且つ、ＩｎＡｌＡｓにはショットキー接触となるＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いる。ドレイン電極２３１、ソース電極２３２、ゲート電極２３３は、それぞれＡｕで形成したスルーホール２３８ａ、２３８ｂ、２３８ｃで誘電体層の上面に引き出され、第３電極２２２、第４電極２２５、第５電極２２６と接続する。第３電極２２２は、マイクロストリップ線路２２４を介してパッチアンテナ２０２と接続され、ＭＩＭ構造２０９の第２電極２２１と実質的には一致する。また、第４電極２２５はＧＮＤ電極２１２ｃと接続して接地される。第５電極２２６は、調整手段１０５となる電源２０５に接続される。
【００２９】
ＲＴＤ２０１は、Ｖｂｉａｓ＝０．７Ｖで約−２２Ωの微分負性抵抗を持つ。本実施例のＨＥＭＴであれば、Ｖｇ＝０．３Ｖにおいて、ソース−ドレイン間の微分抵抗は約３０Ωとなり、ＲｓｔａｂとＦＥＴ２０４からなるシャント抵抗の合成抵抗は約２０Ωとなる。発振回路２００は、低周波においてショートされ、寄生発振は抑制されるため、テラヘルツ帯の０．４ＴＨｚにおいて発振する。一方、Ｖｇ＝−０．３Ｖにおいて、ソース−ドレイン間の微分抵抗は約５００Ωとなり、ＲｓｔａｂとＦＥＴ２０４からなるシャント抵抗の合成抵抗は約４５Ωとなる。このため、発振回路２００は、低周波では十分にショートされず寄生発振が生じ、その結果、テラヘルツ帯における発振出力は弱まる。
【００３０】
このように、本実施例の発振回路２００は、安定化回路に設置したＦＥＴ２０４のソース−ドレイン間の抵抗を調整手段で調整して、発振回路の発振出力のスイッチングや調整が可能となる。本実施例により、従来の懸案であったＲＴＤ発振回路の出力変調時の周波数などの発振特性の不安定性の問題が解決される。本実施例の変形例として、図４（ａ）のように、電流源５０５を含む安定化回路５０３の可変抵抗にＨＢＴ５０４を用い、共振回路の構造としてプラズモン導波路を用いた構成がある。プラズモン導波路は、図５に示した通り、２つ電極５１１、５１２でＲＴＤ５０１と誘電体層５０８をサンドイッチした共振構造で、本実施例の発振回路５００を高出力化する上で好適な構造である。また、複数のＲＴＤ５０１を共振構造内に周期的に配置しても良い。このような構造では、ＲＴＤ５０１を含む層とＨＢＴ５０４を含む層は、金属接合により基板５３０に転写される。ここで、電極５２２、電極５２５、電極５２６（電流源５０５に接続）はそれぞれＨＢＴ５０４のコレクタ電極、エミッタ電極、ベース電極（不図示）から引き出された電極であり、ＨＢＴ５０４はエミッタ接地である。
【００３１】
このような構成であれば、高出力で、且つ、出力の調整やスイッチングが容易な発振回路５００が実現される。また、本実施例の他の変形例として、図４（ｂ）のようにシャント抵抗として、可変抵抗のＦＥＴ６０４（ベースは電圧源６０５に接続）と、非線形素子であるショットキーバリアダイオード６０６を並列に配置した構成であって良い。この場合は、より低消費電力な発振回路６００が実現される。可変抵抗は、例えば三端子素子であれば、ＨＦＥＴ、ＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、ＩＧＢＴなどがある。また、抵抗変化の生じる材料としては、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）のような不揮発性記録能力を利用した材料や、電気パルスで抵抗変化が生じるペロブスカイト材料や、歪で抵抗が変化する歪抵抗効果を有する材料を用いた可変抵抗であっても良い。抵抗体に電気信号や光や熱を入力することで抵抗を調整できる可変抵抗であれば何でも良く、図２（ａ）に示したように、調整手段からの入力信号で抵抗を調整する。また、図２（ｂ）のように、複数のシャント抵抗とスイッチとを備える場合は、静電引力で動作するアクチュエータを利用したＭＥＭＳスイッチや、ＦＥＴやダイオードを組み合わせたスイッチング回路がある。
【００３２】
本実施例では、ＲＴＤ２０１として、ＩｎＰ基板上に成長したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓからなる３重障壁共鳴トンネルダイオード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実施例の半導体素子を提供できる。例えば、２重障壁量子井戸構造を有する共鳴トンネルダイオードや、４重以上の多重障壁量子井戸を有する共鳴トンネルダイオードを用いても良い。また、材料系としては、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、ＩｎＰ基板上の、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ基板上のＩｎＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂや、Ｓｉ基板上に形成したＳｉＧｅ／ＳｉＧｅの組み合わせであっても良い。これら構造と材料は、所望の周波数などに応じて適宜選定すれば良い。尚、本発明ではキャリアが電子である場合を想定して説明をしているが、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良い。ただし、この場合、回路素子の極性を入れ替える必要がある。また、基板２３０、５３０の材料は用途に応じて選定すればよく、シリコン基板、ガリウムヒ素基板、インジウムヒ素基板、ガリウムリン基板、窒化ガリウム基板などの半導体基板や、ガラス基板、セラミック基板、樹脂基板などを用いても良い。上述した構造は既存の半導体プロセスを用いて作製することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１００…発振器、１０１…負性抵抗素子（ＲＴＤ）、１０２…共振回路、１０３…安定化回路、１０４…シャント抵抗（トランジスタ）、１０５…調整手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負性抵抗素子と、前記負性抵抗素子に接続した共振回路と、前記負性抵抗素子と並列に接続した寄生発振を抑制する為の安定化回路と、を備え、
前記安定化回路は、可変なシャント抵抗と、前記シャント抵抗を調整する為の調整手段とを備えることを特徴とする発振回路。
【請求項２】
前記調整手段により前記シャント抵抗を調整することで発振出力の調整またはスイッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
【請求項３】
前記シャント抵抗はトランジスタを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発振回路。
【請求項４】
前記安定化回路は、前記共振回路を共振する定在波の節となる位置に接続されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の発振回路。
【請求項５】
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１から４の何れか１項に記載の発振回路。
【請求項６】
請求項１から５記載の何れか１項に記載の発振回路を基板上に集積したことを特徴とする発振器。
【請求項７】
負性抵抗素子を備えた発振回路の調整方法であって、寄生発振を抑制する安定化回路のシャント抵抗を変化させて、前記発振回路の低周波帯におけるインピーダンスを調整して、前記発振回路の前低周波帯よりも高い周波帯における発振出力の調整やスイッチングを行うことを特徴とする調整方法。
【請求項１】
負性抵抗素子と、前記負性抵抗素子に接続した共振回路と、前記負性抵抗素子と並列に接続した寄生発振を抑制する為の安定化回路と、を備え、
前記安定化回路は、可変なシャント抵抗と、前記シャント抵抗を調整する為の調整手段とを備えることを特徴とする発振回路。
【請求項２】
前記調整手段により前記シャント抵抗を調整することで発振出力の調整またはスイッチングを行うことを特徴とする請求項１に記載の発振回路。
【請求項３】
前記シャント抵抗はトランジスタを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発振回路。
【請求項４】
前記安定化回路は、前記共振回路を共振する定在波の節となる位置に接続されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の発振回路。
【請求項５】
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１から４の何れか１項に記載の発振回路。
【請求項６】
請求項１から５記載の何れか１項に記載の発振回路を基板上に集積したことを特徴とする発振器。
【請求項７】
負性抵抗素子を備えた発振回路の調整方法であって、寄生発振を抑制する安定化回路のシャント抵抗を変化させて、前記発振回路の低周波帯におけるインピーダンスを調整して、前記発振回路の前低周波帯よりも高い周波帯における発振出力の調整やスイッチングを行うことを特徴とする調整方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−６１２７４（Ｐ２０１１−６１２７４Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０５６７１（Ｐ２００９−２０５６７１）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
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