テラヘルツ波素子
【課題】単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供する。
【解決手段】テラヘルツ波素子１００は、バッファ層１０２と電子供給層１０４とのヘテロ接合を含む半導体多層構造１０１〜１０４と、半導体多層構造１０１〜１０４上に形成されたゲート電極１０５、ドレイン電極１０６およびソース電極１０７とを有し、ゲート電極１０５とヘテロ接合界面との間の静電容量は、ドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に、第１の静電容量と第１の静電容量の値と異なる第２の静電容量とを有している。
【解決手段】テラヘルツ波素子１００は、バッファ層１０２と電子供給層１０４とのヘテロ接合を含む半導体多層構造１０１〜１０４と、半導体多層構造１０１〜１０４上に形成されたゲート電極１０５、ドレイン電極１０６およびソース電極１０７とを有し、ゲート電極１０５とヘテロ接合界面との間の静電容量は、ドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に、第１の静電容量と第１の静電容量の値と異なる第２の静電容量とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯の電磁波を室温にて効率よく発生または検出する電界効果トランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は近年注目されている新しい電磁波領域であり、多岐にわたる応用の可能性が提案されている。現在、テラヘルツ波を用いた分光測定は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いることによりテラヘルツ波発生または検出を行うことが一般的であるが、高精度な光学系の調整を必要とするだけでなく大規模な設備構成にならざるを得ず、現状では様々な分野への技術応用、商品展開は困難である。
【０００３】
設備を小型化し、簡便で高感度にテラヘルツ波を発生または検出する技術として、電子デバイスを用いた技術が新たに検討されており、例えば電界効果トランジスタを用いチャネル電子のプラズモン共鳴を利用してテラヘルツ波を発生または検出する技術が報告されている。これは、１０８ｃｍ／ｓオーダの群速度を持つプラズマ波を利用することにより、室温でのテラヘルツ波の発生または検出を可能とするものである。
【０００４】
中でも、２次元電子システムを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）において、２次元電子プラズモン共鳴を利用したデバイスをＭ．Ｓｈｕｒらが提案している（例えば、非特許文献１、２）。このプラズモン共鳴の周波数は、トランジスタのゲートに印加される電圧によって定まる電子濃度の平方根に比例するため、トランジスタを用いると、ゲート電圧を制御することにより周波数を制御することが可能なテラヘルツ波素子の実現が期待できる。
【０００５】
このように、トランジスタを用いてテラヘルツ帯の電磁波を発生または検出することが可能であることから、トランジスタを２次元的に並列に配置することによって、テラヘルツ電磁波を利用したイメージングシステム等の小型化、低コスト化が可能となるなどのメリットがある。
【０００６】
また、ゲート電極を２重回折格子型に形成することによって、チャネル電子のプラズモン共鳴により発生したテラヘルツ波を効率よく取り出すテラヘルツ波素子の構造が報告されている（例えば、特許文献１）。その構造とテラヘルツ発生特性を図１６に示す。図１６に示すように、特許文献１に記載のテラヘルツ波素子は、ソースとドレインとの間の電子供給層上に電極Ｇ１とＧ２とを所定の間隔で交互に複数配置することにより、ソースとドレインとの間に周期構造を有する２重回折格子ゲート電極を構成している。
【０００７】
このような構成とすると、電界効果トランジスタにおいて、２次元電子チャネル内に生じるプラズマ波と放射場となる電磁波とを結合することができるので、テラヘルツ帯の電磁波（テラヘルツ波）を発生または検出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００６／０３０６０８号（図１）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，７１，２４６５（１９９３）
【非特許文献２】ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ．ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．４３，ＮＯ．３，ｐｐ．３８０（１９９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のテラヘルツ波素子には下記のような課題がある。
【００１１】
従来のテラヘルツ波素子では、電界効果トランジスタのドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向（図１６における紙面垂直成分）にはチャネル電子の閉じこめ構造が存在しないため、本来不要なドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向にもチャネル電子のプラズモン共鳴が生じテラヘルツ波が発生する。このような構成とすると、テラヘルツ波のスペクトルは広帯域となり、単色性が悪いスペクトル特性となる。さらには、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交するプラズマ波は、ゲート電極を周期構造（グレーティング）などに形成した電磁波取出し機構では取り出すことができない成分となり、テラヘルツ放射効率が低下する。
【００１２】
上記課題に鑑み、本発明は、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の一形態に係るテラヘルツ波素子は、バッファ層と電子供給層とのヘテロ接合を含む半導体多層構造と、前記半導体多層構造上に形成されたゲート電極、ドレイン電極およびソース電極とを有し、前記ゲート電極と前記ヘテロ接合界面との間の静電容量は、ドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に、第１の静電容量と前記第１の静電容量の値と異なる第２の静電容量とを有している。
【００１４】
このような構成とすることにより、半導体層のヘテロ接合界面に生じる２次元電子チャネル層の電子濃度が周期的に変調される。よって、２次元電子チャネル層においてチャネル電子がプラズモン共鳴することにより発生するテラヘルツ波の、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向への発生が抑制され、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【００１５】
また、前記半導体多層構造は、電子供給層を有し、少なくとも前記ゲート電極下の前記電子供給層は、前記ドレインと前記ソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な凹凸形状を備えることとしてもよい。
【００１６】
このような構成とすることにより、電子供給層を凹凸に形成するという単純な作製方法でドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な電子濃度変調構造を実現できる。これにより、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に生じるプラズマ波が抑制され、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【００１７】
また、前記半導体多層構造は、前記ゲート電極との間にゲート絶縁膜を有し、前記ゲート絶縁膜は、前記ドレインと前記ソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な凹凸形状を有することとしてもよい。
【００１８】
このような構成とすることにより、ゲート絶縁膜を凹凸に形成するという単純な作製方法でドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な電子濃度変調構造を実現できる。これにより、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に生じるプラズマ波が抑制され、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【００１９】
また、前記半導体多層構造は、さらに、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間の前記半導体多層構造上に、金属グレーティングを備えることとしてもよい。
【００２０】
このような構成とすることにより、２次元電子チャネル層で発生したプラズマ波を高効率に放射電磁波（テラヘルツ波）に変換することが可能となり、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することが可能となる。
【００２１】
また、前記ドレイン電極と前記ソース電極は、グレーティング構造を有していることとしてもよい。
【００２２】
このような構成とすることにより、ソース電極およびドレイン電極とは別に金属グレーティングを設ける必要がなく、ゲート電極とソース電極、および、ゲート電極とドレイン電極との間に金属グレーティングを設けたときと同様の効果が得られ、高効率なテラヘルツ波素子を実現することができることが好ましい。
【００２３】
また、前記ゲート電極は、２つのフィンガーで構成され、前記２つのフィンガーは、それぞれ前記ゲート電極のゲート幅方向における長さが前記テラヘルツ波の波長の１／４であり、前記ゲート電極のゲート幅は、前記波長の１／２であることとしてもよい。
【００２４】
このような構成とすることにより、ゲート電極そのものがテラヘルツ電磁波に対応したダイポールアンテナとして機能し、効率よくテラヘルツ波を受信すると共に、電送線路を介することなく２次元電子チャネルに直接テラヘルツ波を伝えることが可能である。これにより、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【００２５】
また、前記第２の静電容量は、前記第１の静電容量の１／９であることとしてもよい。
【００２６】
このような構成とすることにより、低容量領域は１次モードが抑制され、高容量領域の１次モードと同一周波数となる３次モードのみが生じることにより、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を実現することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示したテラヘルツ波素子のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図３は図１に示したテラヘルツ波素子の断面図であり、（ａ）は図１に示したテラヘルツ波素子のＢ−Ｂ’線における断面図、（ｂ）は図１に示したテラヘルツ波素子のＣ−Ｃ’線における断面図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の２次元電子チャネルにおける電子濃度分布およびプラズマ共鳴周波数の分布を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、第１の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図８】図８は、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図９】図９は、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図１１】図１１は、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図１２】図１２は、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は、第４の実施の形態に係るテラヘルツ波素子のテラヘルツ放射または検出特性の周波数依存性を示すグラフである。
【図１４】図１４は、第５の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図１５】図１５は、第６の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図１６】図１６は、従来のテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。また、図面の説明において、同一要素に関しては重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、以下の実施の形態に記載したものと必ずしも一致しなくてもよい。
【００３０】
（第１の実施の形態）
図１から図３は、本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す図であり、図１はテラヘルツ波素子１００の平面図、図２は図１に示したテラヘルツ波素子１００のＡ−Ａ’線における断面図、図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ図１に示したテラヘルツ波素子１００のＢ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線における断面図である。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子１００は、主にトランジスタにより構成されている。本実施の形態で用いたトランジスタは電界効果トランジスタであり、高抵抗基板１０１上にバッファ層１０２と、２次元電子チャネル層１０３と、電子供給層１０４とが形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板１０１としてサファイア基板、バッファ層１０２としてＧａＮ、電子供給層１０４としてＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎを用いることにより、バッファ層１０２と電子供給層１０４との界面には、２次元電子チャネル層１０３が形成される。また、２次元電子チャネル層１０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域のバッファ層１０２と電子供給層１０４との界面に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性とすることにより、素子全体のうちの電界効果トランジスタとして機能する領域（電界効果トランジスタ部）のバッファ層１０２と電子供給層１０４との界面のみに存在する状態になっている。
【００３２】
電子供給層１０４の上には、電界効果トランジスタの電極として、ゲート電極１０５と、ソース電極１０６と、ドレイン電極１０７とが形成されている。ゲート電極１０５は、図１に示すように、ソース電極１０６とドレイン電極１０７からほぼ等間隔の位置に、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７と平行するように設けられている。また、図２に示すように、ゲート電極１０５と電子供給層１０４との間には、ゲート絶縁膜１０９が形成されている。
【００３３】
ソース電極１０６およびドレイン電極１０７は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。ソース電極１０６およびドレイン電極１０７は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉをスパッタリングにより電子供給層１０４の上に形成した後、熱処理を行いオーミック接合を形成している。
【００３４】
ゲート絶縁膜１０９は、Ａｌ２Ｏ３膜で形成されている。また、ゲート電極１０５は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。つまり、テラヘルツ波素子１００は、ゲート電極１０５、ゲート絶縁膜１０９、高抵抗基板１０１とバッファ層１０２と２次元電子チャネル層１０３と電子供給層１０４とで構成される半導体多層構造によるＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有している。
【００３５】
ゲート電極１０５のゲート長は、後述のテラヘルツ波帯で２次元電子チャネル層１０３のチャネル電子がプラズモン共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。なお、ゲート電極１０５のゲート長とは、図１におけるゲート電極１０５のｘ方向の長さをいい、ゲート幅とは、同図におけるゲート電極１０５のｙ方向の長さをいう。
【００３６】
また、ゲート電極１０５、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７が形成されていない電子供給層１０４の上には、層間膜として絶縁膜１１０が形成されている。
【００３７】
次に、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子１００の基本的な動作について説明する。
【００３８】
ソース電極１０６とドレイン電極１０７との間に電圧を印加すると、２次元電子チャネルを介して電流が流れる。２次元電子チャネルに電流が流れている状態において、プラズマ波が電流に重畳するように誘起される。そこで、ゲート電極１０５の両端、つまり、ゲート電極１０５のソース電極１０６およびドレイン電極１０７と平行する端面における電子濃度差に起因した反射により、プラズマ波の不安定性が生じ、チャネル電子のプラズモン共鳴が誘起される。このプラズマ波は、２次元電子チャネル中を伝搬する縦波であり、プラズマ波そのものは外部に放射されない非放射場である。しかしながら、アンテナ構造や周期構造を用いることにより、空間を伝搬することが可能な電磁波と結合することが可能となり、テラヘルツ波の放射（発生）または検出素子として利用可能となる。
【００３９】
電界効果トランジスタのゲート電極１０５直下の断面図（図１におけるＡ−Ａ’断面図）を図２に示す。図２に示すように、電子供給層１０４は、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、周期的な凹凸形状を有している。この周期的な凹凸形状は、電子供給層１０４の表面を所定の間隔ごとに凹状にエッチングしたエッチング領域１０８を設けることにより構成されている。エッチング領域１０８は、図２に示すように、例えば、エッチングをしていない電子供給層１０４およびエッチング領域１０８がそれぞれソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に１００ｎｍの幅を有するように形成されている。また、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、エッチングをしていない電子供給層１０４とゲート電極１０５との間にはゲート絶縁膜１０９ａが、エッチング領域１０８とゲート電極１０５との間にはゲート絶縁膜１０９ｂが形成されている。
【００４０】
電子供給層１０４の膜厚は、１ｎｍから５０ｎｍ程度が一般的である。本実施の形態における電子供給層１０４の膜厚は、一例として６ｎｍ、凹凸の深さ（電子供給層１０４の膜厚とエッチング領域１０８の膜厚の差）は、一例として５ｎｍとしている。所望の構造によっては、エッチング領域１０８において電子供給層１０４をドライエッチング等により完全に除去する場合や、凹凸形状の凹の部分をバッファ層にまで到達させる場合も考えられる。また、凹凸形状の周期は、一例として電子供給層１０４の幅が１００ｎｍ、エッチング領域１０８の幅が１００ｎｍの２００ｎｍ周期である。
【００４１】
電子供給層１０４に形成した周期的な凹凸形状のそれぞれの領域における２次元電子チャネルの電子濃度ｎｓは、以下の関係で与えられる。２次元電子濃度ｎｓ、単位面積あたりのゲート−チャネル間の静電容量（詳細には、ゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量）ＣＧＣ、ゲート−ソース間の電圧Ｖｇｓ、閾値電圧Ｖｔｈ、電子供給層１０４の誘電率ε１、ゲート絶縁膜１０９の誘電率ε２、電子の電荷量をｅ、電子供給層１０４の膜厚ｄ１、ゲート絶縁膜１０９の膜厚ｄ２とすると、
【数１】
【数２】
【００４２】
上記関係式（１）および（２）から、ゲート−ソース間に電圧Ｖｇｓを印加することにより、電子供給層１０４の凹凸形状に応じて単位面積あたりのゲート−チャネル間の静電容量（詳細には、ゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量）ＣＧＣが周期的に変調される。つまり、電子供給層１０４の凹凸形状の凸の部分におけるゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量を第１の静電容量、電子供給層１０４の凹凸形状の凹の部分におけるゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量を第２の静電容量とすると、単位面積あたりのゲート−チャネル間の静電容量（詳細には、ゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量）ＣＧＣは、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、第１の静電容量と第２の静電容量とを周期的に交互に有する構成となる。この構成を、以下「ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調」と称する。
【００４３】
また、結果として、２次元電子チャネル層１０３の電子濃度が、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に変調される。つまり、２次元電子チャネル層１０３の電子濃度は、上記した第１の静電容量と第２の静電容量の値に応じて、電子供給層１０４の凹凸形状の凸の部分および凹の部分において異なる値となり、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、異なる値の電子濃度の領域が周期的に配置される構成となる。この構成を、以下「ゲート−チャネル間の電子濃度の周期変調」と称する。なお、「ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調」および「ゲート−チャネル間の電子濃度の周期変調」は上記のような異なる２つの値を交互に有する構成に限られず、異なる３つ以上の値が周期的に配置された構成でもよい。
【００４４】
電界効果トランジスタのプラズモン共鳴周波数ｆｒは、以下に示すような関係で与えられる。ゲート長をＬ、ゲート補正係数をβ、プラズマ波速度をｓ、２次元電子チャネル層１０３における電子の有効質量をｍ＊、スイング電圧をＶｓ（＝Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）とすると、
【数３】
【００４５】
上記関係式（３）によると、プラズモン共鳴周波数ｆｒは、ゲート長Ｌによって決定される。
【００４６】
図４は、図２に示した電界効果トランジスタのゲート電極１０５直下の断面における２次元電子チャネル層の電子濃度分布およびプラズモン共鳴周波数分布を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に、周期的な電子濃度変調が形成されている。つまり、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に、電子濃度の異なる領域が周期的に形成されている。
【００４７】
上記のような構成にすることによって、ドレイン−ソース間電流と平行な方向において生じているゲート電極１０５のゲート長方向（図１におけるｘ方向）の両端に置ける電子濃度差に起因したプラズマ波の反射が、同様にドレイン−ソース間に流れる電流の方向と垂直な方向（図１におけるｙ方向）においても生じることとなり、プラズマ波が微細な領域に閉じこめられることになる。このように、異なる電子濃度を有する領域の界面でプラズマ波が反射する効果を、ドレイン−ソース間に流れる電流の方向と平行な方向だけでなく垂直な方向にも用いることにより、２次元電子チャネル層１０３において、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に生じるプラズマ波が抑制され、単色性が強く、高効率なテラヘルツ波素子を実現することができる。
【００４８】
（第１の実施の形態の変形例１）
第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として電子供給層１０４に凹凸を形成する方法を述べたが、本変形例に係るテラヘルツ波素子は、異なる膜厚のゲート絶縁膜を形成することによりゲート電極１０５と電子供給層１０４との間の静電容量を周期変調した構造を実現している。
【００４９】
図５は、第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。図５に示すように、本変形例において、ゲート絶縁膜１１９は、膜厚の厚いゲート絶縁膜１０９ｃと膜厚の薄いゲート絶縁膜１０９ｄとがドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に交互に形成された構成である。この構成により、ゲート電極１０５と電子供給層１０４の間の静電容量は、ゲート絶縁膜１１９の凹凸形状に応じて周期変調しているので、テラヘルツ波を効率よく発生または検出することができる。
【００５０】
このように、上記したテラヘルツ波素子１００のゲート絶縁膜１１９を凹凸形状に形成することによって、上記した第１の実施の形態におけるテラヘルツ波素子１００と同様の効果を実現することができる。
【００５１】
なお、ゲート絶縁膜１１９の膜厚は１ｎｍから３０ｎｍ程度が一般的である。従って、凹凸の深さは、例えば１ｎｍから３０ｎｍ程度としてもよい。また、凹凸形状の周期は、例えば５０ｎｍから１μｍ程度としてもよい。
【００５２】
（第１の実施の形態の変形例２）
第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として電子供給層１０４を凹凸形状とする構成について説明したが、本変形例に係るテラヘルツ波素子１００では、ゲート絶縁膜１０９ｅを周期的に形成することによりゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量を周期変調した構造を実現している。
【００５３】
図６は、第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【００５４】
図６に示すように、本変形例に係るテラヘルツ波素子１００は、ゲート絶縁膜１０９ｅをドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に形成することにより、ＭＩＳ構造の領域とＭＥＳ（ＭＥｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）領域構造の領域を周期的に形成している。このような構成とすることで、ゲート電極１０５と電子供給層１０４の間の静電容量は、ゲート絶縁膜１０９ｅにより構成される凹凸形状に応じて周期変調しているので、テラヘルツ波を効率よく発生または検出することができる。従って、上記した第１の実施の形態におけるテラヘルツ波素子１００と同様の効果を実現することができる。
【００５５】
（第１の実施の形態の変形例３）
第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として電子供給層１０４を凹凸形状とする構成について説明したが、本変形例に係るテラヘルツ波素子１００では、誘電率の異なるゲート絶縁膜を周期的に配置することによりゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量を周期変調した構造を実現している。
【００５６】
図７は、第１の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ波素子１００の構成を示す断面図である。
【００５７】
図７に示すように、本変形例に係るテラヘルツ波素子１００は、誘電率の異なる第１のゲート絶縁膜１０９ｆおよび第２のゲート絶縁膜１０９ｇがドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に形成されている。第１のゲート絶縁膜１０９ｆおよび第２のゲート絶縁膜１０９ｇの材料としては、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、Ｚｒ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、等が利用可能である。このような構成とすることで、ゲート電極１０５と電子供給層１０４の間の静電容量は、ゲート絶縁膜１０９ｆおよびゲート絶縁膜１０９ｇにより周期変調しているので、テラヘルツ波を効率よく発生または検出することができる。従って、上記した第１の実施の形態におけるテラヘルツ波素子１００と同様の効果を実現することができる。
【００５８】
なお、第１の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造として、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＥＳＦＥＴ（ＭＥｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子が第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子と異なる点は、ソース電極とゲート電極、および、ゲート電極とドレイン電極の間に金属グレーティング、つまり、周期的に配置された金属グレーティング（金属細線）を備えている点である。
【００６０】
図８および図９は、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す図であり、図８は平面図、図９は図８におけるＤ−Ｄ’線における断面図である。第１の実施の形態のテラヘルツ波素子と共通の部分については説明を省略する。
【００６１】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００は、高抵抗基板２０１上にバッファ層２０２と、２次元電子チャネル層２０３と、電子供給層２０４とが形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板２０１としてサファイア基板、バッファ層２０２としてＧａＮ、電子供給層２０４としてＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎを用いることにより、バッファ層２０２と電子供給層２０４との界面には、２次元電子チャネル層２０３が形成される。また、２次元電子チャネル層２０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域のバッファ層２０２と電子供給層２０４との界面に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性とすることにより、素子全体のうちの電界効果トランジスタとして機能する領域（電界効果トランジスタ部）のバッファ層２０２と電子供給層２０４との界面のみに存在する状態になっている。
【００６２】
電子供給層２０４の上には、電界効果トランジスタの電極として、ゲート電極２０５と、ソース電極２０６と、ドレイン電極２０７とが形成されている。ゲート電極２０５は、図８に示すように、ソース電極２０６とドレイン電極２０７からほぼ等間隔の位置に、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７と平行するように設けられている。また、図９に示すように、ゲート電極２０５と電子供給層２０４との間には、ゲート絶縁膜２０９が形成されている。
【００６３】
また、電子供給層２０４は、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、周期的な凹凸形状を有している。この周期的な凹凸形状は、電子供給層２０４の表面を所定の間隔ごとに凹状にエッチングしたエッチング領域２０８を設けることにより構成されている。エッチング領域２０８は、第１の実施の形態と同様、例えば、エッチングをしていない電子供給層２０４およびエッチング領域２０８がそれぞれソース電極２０６およびドレイン電極２０７間を流れる電流の方向と直交する方向に１００ｎｍの幅を有するように形成されている。また、エッチングをしていない電子供給層２０４とゲート電極２０５との間、および、エッチング領域２０８とゲート電極２０５との間には、ゲート絶縁膜２０９が形成されている。
【００６４】
ソース電極２０６およびドレイン電極２０７は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。ソース電極２０６およびドレイン電極２０７は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉをスパッタリングにより電子供給層２０４の上に形成した後、熱処理を行いオーミック接合を形成している。
【００６５】
ゲート絶縁膜２０９は、Ａｌ２Ｏ３膜で形成されている。また、ゲート電極２０５は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。つまり、テラヘルツ波素子２００は、ゲート電極２０５、ゲート絶縁膜２０９、高抵抗基板２０１とバッファ層２０２と２次元電子チャネル層２０３と電子供給層２０４とで構成される半導体多層構造によるＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有している。
【００６６】
ゲート電極２０５のゲート長は、第１の実施の形態と同様、テラヘルツ波帯で２次元電子チャネル層２０３のチャネル電子がプラズモン共鳴を発生するのに適した寸法で形成されている。なお、ゲート電極２０５のゲート長およびゲート幅とは、第１の実施の形態に示したゲート電極１０５のゲート長およびゲート幅と同様、図１におけるｘ方向およびｙ方向の長さをいう。
【００６７】
また、ゲート電極２０５とソース電極２０６、ゲート電極２０５とドレイン電極２０７との間の電子供給層２０４の上には、所定の間隔、例えば、１μｍごとに複数の金属グレーティング（金属細線）２１１が形成されている。金属グレーティング２１１の材料は、例えば、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７と同様に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成されている。なお、金属グレーティング２１１の材料は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉに限らずＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ等のその他の材料であってもよい。
【００６８】
また、ゲート電極２０５、ソース電極２０６、ドレイン電極２０７、金属グレーティング２１１が形成されていない電子供給層２０４の上には、層間膜として絶縁膜２１０が形成されている。
【００６９】
以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００は、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７の間に、周期的に配置された複数の金属グレーティング２１１が形成されており、金属グレーティング２１１、または金属グレーティング２１１とゲート電極２０５、ソース電極２０６、ドレイン電極２０７との間に、電子供給層２０４が露出している開口部が周期的に形成されている。本実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００は、このように周期的な開口部を有することで、テラヘルツ波を効率よく外部に取り出すことができるグレーティングとして機能し、高効率なテラヘルツ波素子２００を実現できる。
【００７０】
本実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００において、金属グレーティング２１１が配置されている周期Λは、下記の関係式（４）で与えられる。
【００７１】
【数４】
【００７２】
ここで、ｓはプラズマ波の速度、ｆは放射される電磁波の周波数、ｍは次数である。
【００７３】
上記の関係式（４）を満たすような構成とすることにより、所望の周波数ｆで電磁波を放射させることが可能となる。具体的には、例えば、金属グレーティング２１１の周期Λを１μｍ、プラズマ波の速度ｓ＝１×１０６ｍ／ｓ、次数ｍ＝１とすると、周波数ｆは１ＴＨｚとなる。すなわち、本実施の形態では、金属グレーティング２１１の周期Λを１μｍ以下にすることで、テラヘルツ波を高効率に放射するテラヘルツ波素子２００を実現することができる。また、この場合は１次モード（基本モード）での放射場結合が生じる例を示している。高次モードであっても放射場結合は可能であるが、基本モードに比べて、プラズマ波とテラヘルツ波の結合効率は小さいものとなる。
【００７４】
なお、ゲート電極２０５の電圧で二次元電子ガスの密度を変化させることにより、プラズマ波の速度を制御することができるため、ゲート電圧でテラヘルツ波の周波数を制御することもできる。
【００７５】
また、高抵抗基板２０１は、テラヘルツ波の吸収係数の小さいものであることが好ましい。テラヘルツ波の吸収係数の小さい基板として、例えば高抵抗シリコン基板を用いることができる。このようにすると、発生したテラヘルツ波を減衰させることなく、デバイスから出射させることができる。吸収係数が小さい基板を用いると、テラヘルツ波を基板側から出射させることも可能である。
【００７６】
（第２の実施の形態の変形例）
図１０は、第２の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波素子２００の構成を示す平面図である。図１０に示すように、本変形例に係るテラヘルツ波素子２００は、テラヘルツ波素子２００のソース電極２５６およびドレイン電極２５７をグレーティング構造としている。
【００７７】
このような構成とすることで、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７とは別に金属グレーティング２１１を設ける必要がなく、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００の金属グレーティング２１１と同様の効果が得られ、高効率なテラヘルツ波素子２００を実現することができる。
【００７８】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子が第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子と異なる点は、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子はテラヘルツ波受信用の素子であり、ゲート電極に接続されたゲート配線を備えている点である。
【００７９】
図１１および図１２は、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子３００の構成を示す図であり、図１１は平面図、図１２はその断面図である。第１の実施の形態と共通の部分については説明を省略する。
【００８０】
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子３００は、高抵抗基板３０１上にバッファ層３０２と、２次元電子チャネル層３０３と、電子供給層３０４とが形成されている。また、高抵抗基板３０１の下には、接地面３１３を備えている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板３０１としてサファイア基板、バッファ層３０２としてＧａＮ、電子供給層３０４としてＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎを用いることにより、バッファ層３０２と電子供給層３０４との界面には、２次元電子チャネル層３０３が形成される。また、２次元電子チャネル層３０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域のバッファ層３０２と電子供給層３０４との界面に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性とすることにより、素子全体のうちの電界効果トランジスタとして機能する領域（電界効果トランジスタ部）のバッファ層３０２と電子供給層３０４との界面のみに存在する状態になっている。
【００８１】
電子供給層３０４の上には、電界効果トランジスタの電極として、ゲート電極３０５と、ソース電極３０６と、ドレイン電極３０７とが形成されている。ゲート電極３０５は、図１１に示すように、ソース電極３０６とドレイン電極３０７からほぼ等間隔の位置に、ソース電極３０６およびドレイン電極３０７と平行するように設けられている。また、図１２に示すように、ゲート電極３０５と電子供給層３０４との間には、ゲート絶縁膜３０９が形成されている。
【００８２】
また、電子供給層３０４は、ソース電極３０６およびドレイン電極３０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、周期的な凹凸形状を有している。この周期的な凹凸形状は、電子供給層３０４の表面を所定の間隔ごとに凹状にエッチングしたエッチング領域３０８を設けることにより構成されている。
【００８３】
ソース電極３０６およびドレイン電極３０７は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。ソース電極３０６およびドレイン電極３０７は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉをスパッタリングにより電子供給層３０４の上に形成した後、熱処理を行いオーミック接合を形成している。
【００８４】
ゲート絶縁膜３０９は、Ａｌ２Ｏ３膜で形成されている。また、ゲート電極３０５は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。つまり、テラヘルツ波素子３００は、ゲート電極３０５、ゲート絶縁膜３０９、高抵抗基板３０１とバッファ層３０２と２次元電子チャネル層３０３と電子供給層３０４とで構成される半導体多層構造によるＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有している。
【００８５】
ゲート電極３０５のゲート長は、第１および第２の実施の形態と同様、テラヘルツ波帯で２次元電子チャネル層３０３のチャネル電子がプラズモン共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。なお、ゲート電極３０５のゲート長およびゲート幅とは、第１の実施の形態に示したゲート電極１０５のゲート長およびゲート幅と同様、図１におけるｘ方向およびｙ方向の長さをいう。
【００８６】
また、ソース電極３０６、ドレイン電極３０７および電子供給層３０４の上には、層間膜として絶縁膜３１０が形成されている。さらに、図１２に示すように、ゲート電極３０５からドレイン電極３０７上に形成された絶縁膜３１０の上には、ゲート電極３０５と接続されたゲート配線３１２が形成されている。ゲート配線３１２は、ゲート電極３０５と一体となってダイポールアンテナとして機能する。
【００８７】
なお、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子３００においても、ゲート電極３０５とソース電極３０６、ゲート電極３０５とドレイン電極３０７との間の電子供給層３０４の上には、所定の間隔ごとに複数の金属グレーティング（金属細線）が形成されていてもよいし、ソース電極３０６およびドレイン電極３０７をグレーティング構造としてもよい。
【００８８】
テラヘルツ波素子３００のゲート電極３０５にテラヘルツ波が入射すると、その信号がゲート電極３０５直下に存在する２次元電子チャネル層３０３に伝わり、チャネル電子の電子濃度が変調を受ける。ここで、ゲート電極３０５はテラヘルツ波を受信（検出）することができるダイポールアンテナとして機能するため、ゲート電極３０５から２次元電子チャネル層３０３へのテラヘルツ波の伝送は、ゲート電極３０５、からゲート絶縁膜３０９および電子供給層３０４を介して行われる。これにより、ゲート電極３０５から２次元電子チャネル層３０３への伝送線路が不要となることで、テラヘルツ波の伝送損失を最小限に抑えることができ、高効率にテラヘルツ波をゲート電極３０５から２次元電子チャネル層３０３に伝送することができる。
【００８９】
ゲート電極３０５のテラヘルツ波の受信感度向上のためには、このようなアンテナとして機能するゲート電極３０５のサイズと電子供給層３０４のプラズモン共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。ここでは、テラヘルツ波素子（電界効果トランジスタ）３００が波長λ（ここでは、周波数が１ＴＨｚ）のテラヘルツ波に対して受信感度が高くなるように設計する例を説明する。
【００９０】
まず、ゲート電極３０５のゲート幅（つまり、ｙ方向の長さ）に関しては、以下の点を考慮して決定する。
【００９１】
テラヘルツ受信アンテナとして作用するゲート電極３０５のゲート幅は、１ＴＨｚのテラヘルツ波に対して受信感度が高い設計となるように、ゲート電極３０５のフィンガー３０５ａ、３０５ｂの１つあたりの長さを１ＴＨｚのテラヘルツ波の波長の１／４となる７５μｍとし、合計の長さ（２つのフィンガー分のゲート電極３０５全体のゲート幅）をテラヘルツ波の波長の１／２となる１５０μｍとする。このように、ゲート電極３０５のゲート幅が決定される。なお、ここでいうフィンガーとは、ゲートフィンガーのことであり、ゲート電極３０５においてゲート配線３１２が接続されたゲート電極３０５の中心からｙ方向の端までのことをいう。つまり、図１１におけるゲート電極３０５は、ゲート配線３１２を挟んで両側にそれぞれ１つずつフィンガー３０５ａ、３０５ｂを備えた構成である。
【００９２】
ゲート配線３１２に関しては、以下の点を考慮して作製する。つまり、ゲート配線３１２は、２つのフィンガー３０５ａ、３０５ｂのそれぞれにおけるゲート電極のｙ方向の長さが等しくなるように、ゲート電極３０５のゲート幅方向（ｙ方向）における中央部に接続されるようにレイアウトパターンを決定する。
【００９３】
接地面３１３に関しては、以下の点を考慮して作製する。接地面３１３は，例えばＴｉ／Ａｕなどの金属材料などにより形成される。接地面３１３は、アンテナとして機能するゲート電極３０５の反射面として機能する。
【００９４】
なお、接地面３１３は必ずしも高抵抗基板３０１の裏面に金属を形成しなくてもよい。例えば、テラヘルツ波素子（電界効果トランジスタ）３００を、表面が金属で覆われたパッケージなどに実装することで、高抵抗基板３０１と接しているパッケージ表面を接地面３１３として機能させることもできる。また、高抵抗基板３０１上に高い導電性を有する半導体層を形成することで接地面３１３と等価の機能を与えることもできる。
【００９５】
以上のように、第３の実施の形態におけるテラヘルツ波素子３００によれば、ゲート電極３０５そのものがテラヘルツ波に対応したダイポールアンテナとして機能し、効率よくテラヘルツ波を受信することができる。また、ゲート電極３０５から電送線路を介することなくテラヘルツ波素子（電界効果トランジスタ）３００の２次元電子チャネル層３０３に直接テラヘルツ波が伝えられ、これにより、テラヘルツ波が金属内を伝搬することに起因する導体損の発生が回避され、高効率でテラヘルツ波の受信が可能となる。
【００９６】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態では第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子１００におけるプラズモン共鳴周波数の最適値について説明する。
【００９７】
第１の実施形態で示した図４は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の２次元電子チャネルにおける電子濃度分布およびプラズマ共鳴周波数の分布を示す図である。
【００９８】
図１に係るテラヘルツ波素子１００において、電子供給層１０４の凹凸に応じて２次元電子チャネル層１０３の電子濃度が、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に変調されている場合おいて、図３（ａ）に相当するプラズモン共鳴周波数ｆ１、電子濃度ｎ１を有する第１の領域と、図３（ｂ）に相当するプラズモン共鳴周波数ｆ２、電子濃度ｎ２を有する第２の領域が存在し、以下の関係式（５）を満たしている場合を考える。
【００９９】
【数５】
【０１００】
具体的には、電子供給層１０４もしくはゲート絶縁膜１０９に凹凸形状を形成し、ゲート電極１０５と電子供給層１０４との間の静電容量を周期変調することにより２次元電子チャネル層１０３のチャネル電子の電子濃度を周期変調している。このような条件を満たす場合には、図４に示すようにドレイン−ソース間に流れる電流の方向と直交する方向にプラズモン共鳴周波数の異なる領域（上記した第１の領域および第２の領域）が周期的に形成されていることになる。
【０１０１】
それぞれの電子濃度を有する領域（上記した第１の領域および第２の領域）のプラズモン共鳴周波数は、図１３に示すような関係を備えている。つまり、低容量領域である第２の領域は１次モードが抑制され、高容量領域である第１の領域の１次モードと同一周波数となる３次モードのみが生じることにより、第１の領域のプラズモン共鳴周波数ｆ１（図１３のＬ２の特性）と第２の領域のプラズモン共鳴周波数ｆ２（図１３のＬ４の特性）の奇数倍（図１３のＬ３の特性）が一致している。このような条件を満たす設計を行うことにより、プラズモン共鳴周波数ｆ１における共鳴効果が増強され（図１３のＬ１の特性）、２次元電子チャネル層においてドレイン−ソース間に流れる電流の方向と直交する方向に生じるプラズマ波を抑制することができる。
【０１０２】
以上より、第１の領域における静電容量を第１の静電容量、第２の領域における静電容量を第２の静電容量とすると、第２の静電容量は、第１の静電容量の１／９であることが好ましく、このような構成とすることにより、第１の領域と第２の領域の相乗効果により、単色性が強く、高効率なプラズモン共鳴を実現することができる。
【０１０３】
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態に係るテラヘルツ波素子が第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子と異なる点は、電子供給層からバッファ層にかけて周期的な不純物注入領域を形成する点である。
【０１０４】
図１４は、第５の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【０１０５】
図１４に示すように、テラヘルツ波素子５００は、高抵抗基板５０１上にバッファ層５０２と、２次元電子チャネル層５０３と、電子供給層５０４とを備えている。また、電子供給層５０４の上には、電界効果トランジスタの電極として、ゲート電極５０５と、ソース電極（図示せず）と、ドレイン電極（図示せず）とが形成されている。また、ゲート電極５０５と電子供給層５０４との間には、ゲート絶縁膜５０９が形成されている。
【０１０６】
第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として、２次元電子チャネル層１０３の電子濃度をドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期変調する方法について説明したが、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子５００は、電子供給層５０４からバッファ層５０２にかけて周期的な不純物注入領域５１４を形成することにより、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に、２次元電子チャネル層５０３の電子濃度を周期変調することができる。
【０１０７】
具体的には、電子供給層５０４にドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に不純物注入領域５１４を形成することにより、不純物注入領域５１４の下の２次元電子チャネル層５０３ａの電子濃度が、電子供給層５０４の下の２次元電子チャネル層５０３ｂの電子濃度よりも増加し、ゲート−チャネル間の静電容量（詳細には、ゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量）の値がドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に、電子濃度が周期変調している。
【０１０８】
このような構成とすることにより、２次元電子チャネル層において生じるチャネル電子のプラズモン共鳴により発生するテラヘルツ波の、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向の成分が抑制され、単色性が強く、高効率なテラヘルツ波素子を実現することができる。
【０１０９】
（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態について説明する。第６の実施の形態に係るテラヘルツ波素子が第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子と異なる点は、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に微細なトランジスタを周期的に並べる点である。
【０１１０】
図１５は、第６の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【０１１１】
図１５に示すテラヘルツ波素子６００は、トランジスタを３つ備えている。詳細には、テラヘルツ波素子６００は、高抵抗基板６０１上にバッファ層（図示せず）と、２次元電子チャネル層６０３と、電子供給層（図示せず）とを備えている。また、電子供給層の上には、電界効果トランジスタの電極として、３つのトランジスタに共通して設けられたソース電極６０６と、ドレイン電極６０７とが形成されている。また、トランジスタごとにゲート電極６０５が形成されている。ゲート電極６０５と電子供給層との間には、ゲート絶縁膜（図示せず）が形成され、ゲート電極６０５と電子供給層との間の静電容量は、第１の実施の形態と同様、周期変調している構成である。
【０１１２】
つまり、第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として電子供給層１０４に凹凸を形成する方法について説明したが、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子６００では、図１５に示すように、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に微細なトランジスタを周期的に並べ、各トランジスタのゲート電極に周期的な電圧を印加することによって同様の効果を実現することができる。
【０１１３】
このような構成とすることにより、２次元電子チャネル層において生じるチャネル電子のプラズモン共鳴により発生するテラヘルツ波の、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向の成分が抑制され、単色性が強く、高効率なテラヘルツ波素子を実現することができる。
【０１１４】
なお、本発明に係るテラヘルツ波素子は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係るテラヘルツ波素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【０１１５】
例えば、上記した実施形態では、「ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調」および「ゲート−チャネル間の電子濃度の周期変調」は、異なる２つの値を交互に有する構成としたが、これらの構成は上記した実施形態に限られず、異なる３つ以上の値が周期的に配置された構成でもよい。
【０１１６】
また、上記した実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料などその他の材料を選択してもよい。また、電界効果トランジスタの構造として、ＭＩＳＦＥＴを取り上げたが、ＭＥＳＦＥＴなどその他の構造を選択してもよい。
【０１１７】
また、高抵抗基板は、テラヘルツ帯において電磁波の吸収係数の小さいものであることとしてもよい。電磁波の吸収係数の小さい基板として、例えば高抵抗シリコン基板を用いることができる。このようにすることで、発生したテラヘルツ波を減衰させることなく、デバイスから出射させることができる。吸収係数が小さい基板を用いると、テラヘルツ波を基板側から出射させることも可能である。
【０１１８】
また、凹凸形状の大きさ、ゲート電極の大きさ、金属グレーティングの大きさ、ゲート電極と半導体多層構造との間の静電容量値は、上記した実施の形態に示したものに限らず、適宜変更してもよい。
【０１１９】
以上、本発明のテラヘルツ波素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明を用いると、高効率なテラヘルツ波発生または検出が可能な装置を実現することができ、特に残留物質分析装置および非破壊検査装置などテラヘルツ波を用いたセンシング装置、イメージング装置、通信装置などに利用可能で、産業上の利用価値は高い。
【符号の説明】
【０１２１】
１００，２００，３００，５００，６００ テラヘルツ波素子
１０１，２０１，３０１，５０１，６０１ 高抵抗基板
１０２，２０２，３０２，５０２ バッファ層
１０３，２０３，３０３，５０３，６０３ ２次元電子チャネル層
１０４，２０４，３０４，５０４ 電子供給層
１０５，２０５，３０５，５０５，６０５ ゲート電極
１０６，２０６，２５６，３０６，６０６ ソース電極
１０７，２０７，２５７，３０７，６０７ ドレイン電極
１０８，２０８，３０８ エッチング領域
１０９，１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄ，１０９ｅ，１０９ｆ，１０９ｇ，１１９，２０９，３０９，５０９ ゲート絶縁膜
１１０，２１０，３１０ 絶縁膜
２１１ 金属グレーティング
３１２ ゲート配線
３１３ 接地面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯の電磁波を室温にて効率よく発生または検出する電界効果トランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は近年注目されている新しい電磁波領域であり、多岐にわたる応用の可能性が提案されている。現在、テラヘルツ波を用いた分光測定は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いることによりテラヘルツ波発生または検出を行うことが一般的であるが、高精度な光学系の調整を必要とするだけでなく大規模な設備構成にならざるを得ず、現状では様々な分野への技術応用、商品展開は困難である。
【０００３】
設備を小型化し、簡便で高感度にテラヘルツ波を発生または検出する技術として、電子デバイスを用いた技術が新たに検討されており、例えば電界効果トランジスタを用いチャネル電子のプラズモン共鳴を利用してテラヘルツ波を発生または検出する技術が報告されている。これは、１０８ｃｍ／ｓオーダの群速度を持つプラズマ波を利用することにより、室温でのテラヘルツ波の発生または検出を可能とするものである。
【０００４】
中でも、２次元電子システムを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）において、２次元電子プラズモン共鳴を利用したデバイスをＭ．Ｓｈｕｒらが提案している（例えば、非特許文献１、２）。このプラズモン共鳴の周波数は、トランジスタのゲートに印加される電圧によって定まる電子濃度の平方根に比例するため、トランジスタを用いると、ゲート電圧を制御することにより周波数を制御することが可能なテラヘルツ波素子の実現が期待できる。
【０００５】
このように、トランジスタを用いてテラヘルツ帯の電磁波を発生または検出することが可能であることから、トランジスタを２次元的に並列に配置することによって、テラヘルツ電磁波を利用したイメージングシステム等の小型化、低コスト化が可能となるなどのメリットがある。
【０００６】
また、ゲート電極を２重回折格子型に形成することによって、チャネル電子のプラズモン共鳴により発生したテラヘルツ波を効率よく取り出すテラヘルツ波素子の構造が報告されている（例えば、特許文献１）。その構造とテラヘルツ発生特性を図１６に示す。図１６に示すように、特許文献１に記載のテラヘルツ波素子は、ソースとドレインとの間の電子供給層上に電極Ｇ１とＧ２とを所定の間隔で交互に複数配置することにより、ソースとドレインとの間に周期構造を有する２重回折格子ゲート電極を構成している。
【０００７】
このような構成とすると、電界効果トランジスタにおいて、２次元電子チャネル内に生じるプラズマ波と放射場となる電磁波とを結合することができるので、テラヘルツ帯の電磁波（テラヘルツ波）を発生または検出することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００６／０３０６０８号（図１）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，７１，２４６５（１９９３）
【非特許文献２】ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳ．ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥＳ，ＶＯＬ．４３，ＮＯ．３，ｐｐ．３８０（１９９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のテラヘルツ波素子には下記のような課題がある。
【００１１】
従来のテラヘルツ波素子では、電界効果トランジスタのドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向（図１６における紙面垂直成分）にはチャネル電子の閉じこめ構造が存在しないため、本来不要なドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向にもチャネル電子のプラズモン共鳴が生じテラヘルツ波が発生する。このような構成とすると、テラヘルツ波のスペクトルは広帯域となり、単色性が悪いスペクトル特性となる。さらには、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交するプラズマ波は、ゲート電極を周期構造（グレーティング）などに形成した電磁波取出し機構では取り出すことができない成分となり、テラヘルツ放射効率が低下する。
【００１２】
上記課題に鑑み、本発明は、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の一形態に係るテラヘルツ波素子は、バッファ層と電子供給層とのヘテロ接合を含む半導体多層構造と、前記半導体多層構造上に形成されたゲート電極、ドレイン電極およびソース電極とを有し、前記ゲート電極と前記ヘテロ接合界面との間の静電容量は、ドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に、第１の静電容量と前記第１の静電容量の値と異なる第２の静電容量とを有している。
【００１４】
このような構成とすることにより、半導体層のヘテロ接合界面に生じる２次元電子チャネル層の電子濃度が周期的に変調される。よって、２次元電子チャネル層においてチャネル電子がプラズモン共鳴することにより発生するテラヘルツ波の、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向への発生が抑制され、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【００１５】
また、前記半導体多層構造は、電子供給層を有し、少なくとも前記ゲート電極下の前記電子供給層は、前記ドレインと前記ソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な凹凸形状を備えることとしてもよい。
【００１６】
このような構成とすることにより、電子供給層を凹凸に形成するという単純な作製方法でドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な電子濃度変調構造を実現できる。これにより、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に生じるプラズマ波が抑制され、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【００１７】
また、前記半導体多層構造は、前記ゲート電極との間にゲート絶縁膜を有し、前記ゲート絶縁膜は、前記ドレインと前記ソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な凹凸形状を有することとしてもよい。
【００１８】
このような構成とすることにより、ゲート絶縁膜を凹凸に形成するという単純な作製方法でドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な電子濃度変調構造を実現できる。これにより、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に生じるプラズマ波が抑制され、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【００１９】
また、前記半導体多層構造は、さらに、前記ドレイン電極と前記ソース電極との間の前記半導体多層構造上に、金属グレーティングを備えることとしてもよい。
【００２０】
このような構成とすることにより、２次元電子チャネル層で発生したプラズマ波を高効率に放射電磁波（テラヘルツ波）に変換することが可能となり、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することが可能となる。
【００２１】
また、前記ドレイン電極と前記ソース電極は、グレーティング構造を有していることとしてもよい。
【００２２】
このような構成とすることにより、ソース電極およびドレイン電極とは別に金属グレーティングを設ける必要がなく、ゲート電極とソース電極、および、ゲート電極とドレイン電極との間に金属グレーティングを設けたときと同様の効果が得られ、高効率なテラヘルツ波素子を実現することができることが好ましい。
【００２３】
また、前記ゲート電極は、２つのフィンガーで構成され、前記２つのフィンガーは、それぞれ前記ゲート電極のゲート幅方向における長さが前記テラヘルツ波の波長の１／４であり、前記ゲート電極のゲート幅は、前記波長の１／２であることとしてもよい。
【００２４】
このような構成とすることにより、ゲート電極そのものがテラヘルツ電磁波に対応したダイポールアンテナとして機能し、効率よくテラヘルツ波を受信すると共に、電送線路を介することなく２次元電子チャネルに直接テラヘルツ波を伝えることが可能である。これにより、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【００２５】
また、前記第２の静電容量は、前記第１の静電容量の１／９であることとしてもよい。
【００２６】
このような構成とすることにより、低容量領域は１次モードが抑制され、高容量領域の１次モードと同一周波数となる３次モードのみが生じることにより、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を実現することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると、単色性が強く、高効率にテラヘルツ波を発生または検出することができるテラヘルツ波素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示したテラヘルツ波素子のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図３は図１に示したテラヘルツ波素子の断面図であり、（ａ）は図１に示したテラヘルツ波素子のＢ−Ｂ’線における断面図、（ｂ）は図１に示したテラヘルツ波素子のＣ−Ｃ’線における断面図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の２次元電子チャネルにおける電子濃度分布およびプラズマ共鳴周波数の分布を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図７】図７は、第１の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図８】図８は、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図９】図９は、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図１１】図１１は、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図１２】図１２は、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図１３】図１３は、第４の実施の形態に係るテラヘルツ波素子のテラヘルツ放射または検出特性の周波数依存性を示すグラフである。
【図１４】図１４は、第５の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【図１５】図１５は、第６の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【図１６】図１６は、従来のテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明について、以下の実施の形態および添付の図面を用いて説明を行うが、これは例示を目的としており、本発明がこれらに限定されることを意図しない。また、図面の説明において、同一要素に関しては重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、以下の実施の形態に記載したものと必ずしも一致しなくてもよい。
【００３０】
（第１の実施の形態）
図１から図３は、本発明の第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す図であり、図１はテラヘルツ波素子１００の平面図、図２は図１に示したテラヘルツ波素子１００のＡ−Ａ’線における断面図、図３（ａ）および（ｂ）はそれぞれ図１に示したテラヘルツ波素子１００のＢ−Ｂ’線、Ｃ−Ｃ’線における断面図である。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子１００は、主にトランジスタにより構成されている。本実施の形態で用いたトランジスタは電界効果トランジスタであり、高抵抗基板１０１上にバッファ層１０２と、２次元電子チャネル層１０３と、電子供給層１０４とが形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板１０１としてサファイア基板、バッファ層１０２としてＧａＮ、電子供給層１０４としてＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎを用いることにより、バッファ層１０２と電子供給層１０４との界面には、２次元電子チャネル層１０３が形成される。また、２次元電子チャネル層１０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域のバッファ層１０２と電子供給層１０４との界面に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性とすることにより、素子全体のうちの電界効果トランジスタとして機能する領域（電界効果トランジスタ部）のバッファ層１０２と電子供給層１０４との界面のみに存在する状態になっている。
【００３２】
電子供給層１０４の上には、電界効果トランジスタの電極として、ゲート電極１０５と、ソース電極１０６と、ドレイン電極１０７とが形成されている。ゲート電極１０５は、図１に示すように、ソース電極１０６とドレイン電極１０７からほぼ等間隔の位置に、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７と平行するように設けられている。また、図２に示すように、ゲート電極１０５と電子供給層１０４との間には、ゲート絶縁膜１０９が形成されている。
【００３３】
ソース電極１０６およびドレイン電極１０７は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。ソース電極１０６およびドレイン電極１０７は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉをスパッタリングにより電子供給層１０４の上に形成した後、熱処理を行いオーミック接合を形成している。
【００３４】
ゲート絶縁膜１０９は、Ａｌ２Ｏ３膜で形成されている。また、ゲート電極１０５は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。つまり、テラヘルツ波素子１００は、ゲート電極１０５、ゲート絶縁膜１０９、高抵抗基板１０１とバッファ層１０２と２次元電子チャネル層１０３と電子供給層１０４とで構成される半導体多層構造によるＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有している。
【００３５】
ゲート電極１０５のゲート長は、後述のテラヘルツ波帯で２次元電子チャネル層１０３のチャネル電子がプラズモン共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。なお、ゲート電極１０５のゲート長とは、図１におけるゲート電極１０５のｘ方向の長さをいい、ゲート幅とは、同図におけるゲート電極１０５のｙ方向の長さをいう。
【００３６】
また、ゲート電極１０５、ソース電極１０６、ドレイン電極１０７が形成されていない電子供給層１０４の上には、層間膜として絶縁膜１１０が形成されている。
【００３７】
次に、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子１００の基本的な動作について説明する。
【００３８】
ソース電極１０６とドレイン電極１０７との間に電圧を印加すると、２次元電子チャネルを介して電流が流れる。２次元電子チャネルに電流が流れている状態において、プラズマ波が電流に重畳するように誘起される。そこで、ゲート電極１０５の両端、つまり、ゲート電極１０５のソース電極１０６およびドレイン電極１０７と平行する端面における電子濃度差に起因した反射により、プラズマ波の不安定性が生じ、チャネル電子のプラズモン共鳴が誘起される。このプラズマ波は、２次元電子チャネル中を伝搬する縦波であり、プラズマ波そのものは外部に放射されない非放射場である。しかしながら、アンテナ構造や周期構造を用いることにより、空間を伝搬することが可能な電磁波と結合することが可能となり、テラヘルツ波の放射（発生）または検出素子として利用可能となる。
【００３９】
電界効果トランジスタのゲート電極１０５直下の断面図（図１におけるＡ−Ａ’断面図）を図２に示す。図２に示すように、電子供給層１０４は、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、周期的な凹凸形状を有している。この周期的な凹凸形状は、電子供給層１０４の表面を所定の間隔ごとに凹状にエッチングしたエッチング領域１０８を設けることにより構成されている。エッチング領域１０８は、図２に示すように、例えば、エッチングをしていない電子供給層１０４およびエッチング領域１０８がそれぞれソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に１００ｎｍの幅を有するように形成されている。また、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、エッチングをしていない電子供給層１０４とゲート電極１０５との間にはゲート絶縁膜１０９ａが、エッチング領域１０８とゲート電極１０５との間にはゲート絶縁膜１０９ｂが形成されている。
【００４０】
電子供給層１０４の膜厚は、１ｎｍから５０ｎｍ程度が一般的である。本実施の形態における電子供給層１０４の膜厚は、一例として６ｎｍ、凹凸の深さ（電子供給層１０４の膜厚とエッチング領域１０８の膜厚の差）は、一例として５ｎｍとしている。所望の構造によっては、エッチング領域１０８において電子供給層１０４をドライエッチング等により完全に除去する場合や、凹凸形状の凹の部分をバッファ層にまで到達させる場合も考えられる。また、凹凸形状の周期は、一例として電子供給層１０４の幅が１００ｎｍ、エッチング領域１０８の幅が１００ｎｍの２００ｎｍ周期である。
【００４１】
電子供給層１０４に形成した周期的な凹凸形状のそれぞれの領域における２次元電子チャネルの電子濃度ｎｓは、以下の関係で与えられる。２次元電子濃度ｎｓ、単位面積あたりのゲート−チャネル間の静電容量（詳細には、ゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量）ＣＧＣ、ゲート−ソース間の電圧Ｖｇｓ、閾値電圧Ｖｔｈ、電子供給層１０４の誘電率ε１、ゲート絶縁膜１０９の誘電率ε２、電子の電荷量をｅ、電子供給層１０４の膜厚ｄ１、ゲート絶縁膜１０９の膜厚ｄ２とすると、
【数１】
【数２】
【００４２】
上記関係式（１）および（２）から、ゲート−ソース間に電圧Ｖｇｓを印加することにより、電子供給層１０４の凹凸形状に応じて単位面積あたりのゲート−チャネル間の静電容量（詳細には、ゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量）ＣＧＣが周期的に変調される。つまり、電子供給層１０４の凹凸形状の凸の部分におけるゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量を第１の静電容量、電子供給層１０４の凹凸形状の凹の部分におけるゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量を第２の静電容量とすると、単位面積あたりのゲート−チャネル間の静電容量（詳細には、ゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量）ＣＧＣは、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、第１の静電容量と第２の静電容量とを周期的に交互に有する構成となる。この構成を、以下「ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調」と称する。
【００４３】
また、結果として、２次元電子チャネル層１０３の電子濃度が、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に変調される。つまり、２次元電子チャネル層１０３の電子濃度は、上記した第１の静電容量と第２の静電容量の値に応じて、電子供給層１０４の凹凸形状の凸の部分および凹の部分において異なる値となり、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、異なる値の電子濃度の領域が周期的に配置される構成となる。この構成を、以下「ゲート−チャネル間の電子濃度の周期変調」と称する。なお、「ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調」および「ゲート−チャネル間の電子濃度の周期変調」は上記のような異なる２つの値を交互に有する構成に限られず、異なる３つ以上の値が周期的に配置された構成でもよい。
【００４４】
電界効果トランジスタのプラズモン共鳴周波数ｆｒは、以下に示すような関係で与えられる。ゲート長をＬ、ゲート補正係数をβ、プラズマ波速度をｓ、２次元電子チャネル層１０３における電子の有効質量をｍ＊、スイング電圧をＶｓ（＝Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）とすると、
【数３】
【００４５】
上記関係式（３）によると、プラズモン共鳴周波数ｆｒは、ゲート長Ｌによって決定される。
【００４６】
図４は、図２に示した電界効果トランジスタのゲート電極１０５直下の断面における２次元電子チャネル層の電子濃度分布およびプラズモン共鳴周波数分布を示す図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に、周期的な電子濃度変調が形成されている。つまり、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に、電子濃度の異なる領域が周期的に形成されている。
【００４７】
上記のような構成にすることによって、ドレイン−ソース間電流と平行な方向において生じているゲート電極１０５のゲート長方向（図１におけるｘ方向）の両端に置ける電子濃度差に起因したプラズマ波の反射が、同様にドレイン−ソース間に流れる電流の方向と垂直な方向（図１におけるｙ方向）においても生じることとなり、プラズマ波が微細な領域に閉じこめられることになる。このように、異なる電子濃度を有する領域の界面でプラズマ波が反射する効果を、ドレイン−ソース間に流れる電流の方向と平行な方向だけでなく垂直な方向にも用いることにより、２次元電子チャネル層１０３において、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に生じるプラズマ波が抑制され、単色性が強く、高効率なテラヘルツ波素子を実現することができる。
【００４８】
（第１の実施の形態の変形例１）
第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として電子供給層１０４に凹凸を形成する方法を述べたが、本変形例に係るテラヘルツ波素子は、異なる膜厚のゲート絶縁膜を形成することによりゲート電極１０５と電子供給層１０４との間の静電容量を周期変調した構造を実現している。
【００４９】
図５は、第１の実施の形態の変形例１に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。図５に示すように、本変形例において、ゲート絶縁膜１１９は、膜厚の厚いゲート絶縁膜１０９ｃと膜厚の薄いゲート絶縁膜１０９ｄとがドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に交互に形成された構成である。この構成により、ゲート電極１０５と電子供給層１０４の間の静電容量は、ゲート絶縁膜１１９の凹凸形状に応じて周期変調しているので、テラヘルツ波を効率よく発生または検出することができる。
【００５０】
このように、上記したテラヘルツ波素子１００のゲート絶縁膜１１９を凹凸形状に形成することによって、上記した第１の実施の形態におけるテラヘルツ波素子１００と同様の効果を実現することができる。
【００５１】
なお、ゲート絶縁膜１１９の膜厚は１ｎｍから３０ｎｍ程度が一般的である。従って、凹凸の深さは、例えば１ｎｍから３０ｎｍ程度としてもよい。また、凹凸形状の周期は、例えば５０ｎｍから１μｍ程度としてもよい。
【００５２】
（第１の実施の形態の変形例２）
第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として電子供給層１０４を凹凸形状とする構成について説明したが、本変形例に係るテラヘルツ波素子１００では、ゲート絶縁膜１０９ｅを周期的に形成することによりゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量を周期変調した構造を実現している。
【００５３】
図６は、第１の実施の形態の変形例２に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【００５４】
図６に示すように、本変形例に係るテラヘルツ波素子１００は、ゲート絶縁膜１０９ｅをドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に形成することにより、ＭＩＳ構造の領域とＭＥＳ（ＭＥｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）領域構造の領域を周期的に形成している。このような構成とすることで、ゲート電極１０５と電子供給層１０４の間の静電容量は、ゲート絶縁膜１０９ｅにより構成される凹凸形状に応じて周期変調しているので、テラヘルツ波を効率よく発生または検出することができる。従って、上記した第１の実施の形態におけるテラヘルツ波素子１００と同様の効果を実現することができる。
【００５５】
（第１の実施の形態の変形例３）
第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として電子供給層１０４を凹凸形状とする構成について説明したが、本変形例に係るテラヘルツ波素子１００では、誘電率の異なるゲート絶縁膜を周期的に配置することによりゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量を周期変調した構造を実現している。
【００５６】
図７は、第１の実施の形態の変形例３に係るテラヘルツ波素子１００の構成を示す断面図である。
【００５７】
図７に示すように、本変形例に係るテラヘルツ波素子１００は、誘電率の異なる第１のゲート絶縁膜１０９ｆおよび第２のゲート絶縁膜１０９ｇがドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に形成されている。第１のゲート絶縁膜１０９ｆおよび第２のゲート絶縁膜１０９ｇの材料としては、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯＮ、ＳｉＯ２、Ｚｒ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、等が利用可能である。このような構成とすることで、ゲート電極１０５と電子供給層１０４の間の静電容量は、ゲート絶縁膜１０９ｆおよびゲート絶縁膜１０９ｇにより周期変調しているので、テラヘルツ波を効率よく発生または検出することができる。従って、上記した第１の実施の形態におけるテラヘルツ波素子１００と同様の効果を実現することができる。
【００５８】
なお、第１の実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料においても同様の効果が得られる。電界効果トランジスタの構造として、ＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を取り上げたが、ＭＥＳＦＥＴ（ＭＥｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても同様の効果が得られる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子が第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子と異なる点は、ソース電極とゲート電極、および、ゲート電極とドレイン電極の間に金属グレーティング、つまり、周期的に配置された金属グレーティング（金属細線）を備えている点である。
【００６０】
図８および図９は、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す図であり、図８は平面図、図９は図８におけるＤ−Ｄ’線における断面図である。第１の実施の形態のテラヘルツ波素子と共通の部分については説明を省略する。
【００６１】
第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００は、高抵抗基板２０１上にバッファ層２０２と、２次元電子チャネル層２０３と、電子供給層２０４とが形成されている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板２０１としてサファイア基板、バッファ層２０２としてＧａＮ、電子供給層２０４としてＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎを用いることにより、バッファ層２０２と電子供給層２０４との界面には、２次元電子チャネル層２０３が形成される。また、２次元電子チャネル層２０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域のバッファ層２０２と電子供給層２０４との界面に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性とすることにより、素子全体のうちの電界効果トランジスタとして機能する領域（電界効果トランジスタ部）のバッファ層２０２と電子供給層２０４との界面のみに存在する状態になっている。
【００６２】
電子供給層２０４の上には、電界効果トランジスタの電極として、ゲート電極２０５と、ソース電極２０６と、ドレイン電極２０７とが形成されている。ゲート電極２０５は、図８に示すように、ソース電極２０６とドレイン電極２０７からほぼ等間隔の位置に、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７と平行するように設けられている。また、図９に示すように、ゲート電極２０５と電子供給層２０４との間には、ゲート絶縁膜２０９が形成されている。
【００６３】
また、電子供給層２０４は、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、周期的な凹凸形状を有している。この周期的な凹凸形状は、電子供給層２０４の表面を所定の間隔ごとに凹状にエッチングしたエッチング領域２０８を設けることにより構成されている。エッチング領域２０８は、第１の実施の形態と同様、例えば、エッチングをしていない電子供給層２０４およびエッチング領域２０８がそれぞれソース電極２０６およびドレイン電極２０７間を流れる電流の方向と直交する方向に１００ｎｍの幅を有するように形成されている。また、エッチングをしていない電子供給層２０４とゲート電極２０５との間、および、エッチング領域２０８とゲート電極２０５との間には、ゲート絶縁膜２０９が形成されている。
【００６４】
ソース電極２０６およびドレイン電極２０７は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。ソース電極２０６およびドレイン電極２０７は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉをスパッタリングにより電子供給層２０４の上に形成した後、熱処理を行いオーミック接合を形成している。
【００６５】
ゲート絶縁膜２０９は、Ａｌ２Ｏ３膜で形成されている。また、ゲート電極２０５は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。つまり、テラヘルツ波素子２００は、ゲート電極２０５、ゲート絶縁膜２０９、高抵抗基板２０１とバッファ層２０２と２次元電子チャネル層２０３と電子供給層２０４とで構成される半導体多層構造によるＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有している。
【００６６】
ゲート電極２０５のゲート長は、第１の実施の形態と同様、テラヘルツ波帯で２次元電子チャネル層２０３のチャネル電子がプラズモン共鳴を発生するのに適した寸法で形成されている。なお、ゲート電極２０５のゲート長およびゲート幅とは、第１の実施の形態に示したゲート電極１０５のゲート長およびゲート幅と同様、図１におけるｘ方向およびｙ方向の長さをいう。
【００６７】
また、ゲート電極２０５とソース電極２０６、ゲート電極２０５とドレイン電極２０７との間の電子供給層２０４の上には、所定の間隔、例えば、１μｍごとに複数の金属グレーティング（金属細線）２１１が形成されている。金属グレーティング２１１の材料は、例えば、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７と同様に、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成されている。なお、金属グレーティング２１１の材料は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉに限らずＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ等のその他の材料であってもよい。
【００６８】
また、ゲート電極２０５、ソース電極２０６、ドレイン電極２０７、金属グレーティング２１１が形成されていない電子供給層２０４の上には、層間膜として絶縁膜２１０が形成されている。
【００６９】
以上のように、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００は、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７の間に、周期的に配置された複数の金属グレーティング２１１が形成されており、金属グレーティング２１１、または金属グレーティング２１１とゲート電極２０５、ソース電極２０６、ドレイン電極２０７との間に、電子供給層２０４が露出している開口部が周期的に形成されている。本実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００は、このように周期的な開口部を有することで、テラヘルツ波を効率よく外部に取り出すことができるグレーティングとして機能し、高効率なテラヘルツ波素子２００を実現できる。
【００７０】
本実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００において、金属グレーティング２１１が配置されている周期Λは、下記の関係式（４）で与えられる。
【００７１】
【数４】
【００７２】
ここで、ｓはプラズマ波の速度、ｆは放射される電磁波の周波数、ｍは次数である。
【００７３】
上記の関係式（４）を満たすような構成とすることにより、所望の周波数ｆで電磁波を放射させることが可能となる。具体的には、例えば、金属グレーティング２１１の周期Λを１μｍ、プラズマ波の速度ｓ＝１×１０６ｍ／ｓ、次数ｍ＝１とすると、周波数ｆは１ＴＨｚとなる。すなわち、本実施の形態では、金属グレーティング２１１の周期Λを１μｍ以下にすることで、テラヘルツ波を高効率に放射するテラヘルツ波素子２００を実現することができる。また、この場合は１次モード（基本モード）での放射場結合が生じる例を示している。高次モードであっても放射場結合は可能であるが、基本モードに比べて、プラズマ波とテラヘルツ波の結合効率は小さいものとなる。
【００７４】
なお、ゲート電極２０５の電圧で二次元電子ガスの密度を変化させることにより、プラズマ波の速度を制御することができるため、ゲート電圧でテラヘルツ波の周波数を制御することもできる。
【００７５】
また、高抵抗基板２０１は、テラヘルツ波の吸収係数の小さいものであることが好ましい。テラヘルツ波の吸収係数の小さい基板として、例えば高抵抗シリコン基板を用いることができる。このようにすると、発生したテラヘルツ波を減衰させることなく、デバイスから出射させることができる。吸収係数が小さい基板を用いると、テラヘルツ波を基板側から出射させることも可能である。
【００７６】
（第２の実施の形態の変形例）
図１０は、第２の実施の形態の変形例に係るテラヘルツ波素子２００の構成を示す平面図である。図１０に示すように、本変形例に係るテラヘルツ波素子２００は、テラヘルツ波素子２００のソース電極２５６およびドレイン電極２５７をグレーティング構造としている。
【００７７】
このような構成とすることで、ソース電極２０６およびドレイン電極２０７とは別に金属グレーティング２１１を設ける必要がなく、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波素子２００の金属グレーティング２１１と同様の効果が得られ、高効率なテラヘルツ波素子２００を実現することができる。
【００７８】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について説明する。第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子が第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子と異なる点は、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子はテラヘルツ波受信用の素子であり、ゲート電極に接続されたゲート配線を備えている点である。
【００７９】
図１１および図１２は、第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子３００の構成を示す図であり、図１１は平面図、図１２はその断面図である。第１の実施の形態と共通の部分については説明を省略する。
【００８０】
第３の実施の形態に係るテラヘルツ波素子３００は、高抵抗基板３０１上にバッファ層３０２と、２次元電子チャネル層３０３と、電子供給層３０４とが形成されている。また、高抵抗基板３０１の下には、接地面３１３を備えている。ＧａＮ系材料で構成する場合、高抵抗基板３０１としてサファイア基板、バッファ層３０２としてＧａＮ、電子供給層３０４としてＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ｎを用いることにより、バッファ層３０２と電子供給層３０４との界面には、２次元電子チャネル層３０３が形成される。また、２次元電子チャネル層３０３はエピタキシャル成長した状態では素子の全域のバッファ層３０２と電子供給層３０４との界面に存在しているが、イオン注入処理により部分的に不活性とすることにより、素子全体のうちの電界効果トランジスタとして機能する領域（電界効果トランジスタ部）のバッファ層３０２と電子供給層３０４との界面のみに存在する状態になっている。
【００８１】
電子供給層３０４の上には、電界効果トランジスタの電極として、ゲート電極３０５と、ソース電極３０６と、ドレイン電極３０７とが形成されている。ゲート電極３０５は、図１１に示すように、ソース電極３０６とドレイン電極３０７からほぼ等間隔の位置に、ソース電極３０６およびドレイン電極３０７と平行するように設けられている。また、図１２に示すように、ゲート電極３０５と電子供給層３０４との間には、ゲート絶縁膜３０９が形成されている。
【００８２】
また、電子供給層３０４は、ソース電極３０６およびドレイン電極３０７間を流れる電流の方向と直交する方向に、周期的な凹凸形状を有している。この周期的な凹凸形状は、電子供給層３０４の表面を所定の間隔ごとに凹状にエッチングしたエッチング領域３０８を設けることにより構成されている。
【００８３】
ソース電極３０６およびドレイン電極３０７は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。ソース電極３０６およびドレイン電極３０７は、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉをスパッタリングにより電子供給層３０４の上に形成した後、熱処理を行いオーミック接合を形成している。
【００８４】
ゲート絶縁膜３０９は、Ａｌ２Ｏ３膜で形成されている。また、ゲート電極３０５は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉにより構成される積層構造を有している。つまり、テラヘルツ波素子３００は、ゲート電極３０５、ゲート絶縁膜３０９、高抵抗基板３０１とバッファ層３０２と２次元電子チャネル層３０３と電子供給層３０４とで構成される半導体多層構造によるＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有している。
【００８５】
ゲート電極３０５のゲート長は、第１および第２の実施の形態と同様、テラヘルツ波帯で２次元電子チャネル層３０３のチャネル電子がプラズモン共鳴を発生するのに適したサイズで形成されている。なお、ゲート電極３０５のゲート長およびゲート幅とは、第１の実施の形態に示したゲート電極１０５のゲート長およびゲート幅と同様、図１におけるｘ方向およびｙ方向の長さをいう。
【００８６】
また、ソース電極３０６、ドレイン電極３０７および電子供給層３０４の上には、層間膜として絶縁膜３１０が形成されている。さらに、図１２に示すように、ゲート電極３０５からドレイン電極３０７上に形成された絶縁膜３１０の上には、ゲート電極３０５と接続されたゲート配線３１２が形成されている。ゲート配線３１２は、ゲート電極３０５と一体となってダイポールアンテナとして機能する。
【００８７】
なお、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子３００においても、ゲート電極３０５とソース電極３０６、ゲート電極３０５とドレイン電極３０７との間の電子供給層３０４の上には、所定の間隔ごとに複数の金属グレーティング（金属細線）が形成されていてもよいし、ソース電極３０６およびドレイン電極３０７をグレーティング構造としてもよい。
【００８８】
テラヘルツ波素子３００のゲート電極３０５にテラヘルツ波が入射すると、その信号がゲート電極３０５直下に存在する２次元電子チャネル層３０３に伝わり、チャネル電子の電子濃度が変調を受ける。ここで、ゲート電極３０５はテラヘルツ波を受信（検出）することができるダイポールアンテナとして機能するため、ゲート電極３０５から２次元電子チャネル層３０３へのテラヘルツ波の伝送は、ゲート電極３０５、からゲート絶縁膜３０９および電子供給層３０４を介して行われる。これにより、ゲート電極３０５から２次元電子チャネル層３０３への伝送線路が不要となることで、テラヘルツ波の伝送損失を最小限に抑えることができ、高効率にテラヘルツ波をゲート電極３０５から２次元電子チャネル層３０３に伝送することができる。
【００８９】
ゲート電極３０５のテラヘルツ波の受信感度向上のためには、このようなアンテナとして機能するゲート電極３０５のサイズと電子供給層３０４のプラズモン共鳴周波数が一致するように構造設計する必要がある。その設計の一例を以下に記す。ここでは、テラヘルツ波素子（電界効果トランジスタ）３００が波長λ（ここでは、周波数が１ＴＨｚ）のテラヘルツ波に対して受信感度が高くなるように設計する例を説明する。
【００９０】
まず、ゲート電極３０５のゲート幅（つまり、ｙ方向の長さ）に関しては、以下の点を考慮して決定する。
【００９１】
テラヘルツ受信アンテナとして作用するゲート電極３０５のゲート幅は、１ＴＨｚのテラヘルツ波に対して受信感度が高い設計となるように、ゲート電極３０５のフィンガー３０５ａ、３０５ｂの１つあたりの長さを１ＴＨｚのテラヘルツ波の波長の１／４となる７５μｍとし、合計の長さ（２つのフィンガー分のゲート電極３０５全体のゲート幅）をテラヘルツ波の波長の１／２となる１５０μｍとする。このように、ゲート電極３０５のゲート幅が決定される。なお、ここでいうフィンガーとは、ゲートフィンガーのことであり、ゲート電極３０５においてゲート配線３１２が接続されたゲート電極３０５の中心からｙ方向の端までのことをいう。つまり、図１１におけるゲート電極３０５は、ゲート配線３１２を挟んで両側にそれぞれ１つずつフィンガー３０５ａ、３０５ｂを備えた構成である。
【００９２】
ゲート配線３１２に関しては、以下の点を考慮して作製する。つまり、ゲート配線３１２は、２つのフィンガー３０５ａ、３０５ｂのそれぞれにおけるゲート電極のｙ方向の長さが等しくなるように、ゲート電極３０５のゲート幅方向（ｙ方向）における中央部に接続されるようにレイアウトパターンを決定する。
【００９３】
接地面３１３に関しては、以下の点を考慮して作製する。接地面３１３は，例えばＴｉ／Ａｕなどの金属材料などにより形成される。接地面３１３は、アンテナとして機能するゲート電極３０５の反射面として機能する。
【００９４】
なお、接地面３１３は必ずしも高抵抗基板３０１の裏面に金属を形成しなくてもよい。例えば、テラヘルツ波素子（電界効果トランジスタ）３００を、表面が金属で覆われたパッケージなどに実装することで、高抵抗基板３０１と接しているパッケージ表面を接地面３１３として機能させることもできる。また、高抵抗基板３０１上に高い導電性を有する半導体層を形成することで接地面３１３と等価の機能を与えることもできる。
【００９５】
以上のように、第３の実施の形態におけるテラヘルツ波素子３００によれば、ゲート電極３０５そのものがテラヘルツ波に対応したダイポールアンテナとして機能し、効率よくテラヘルツ波を受信することができる。また、ゲート電極３０５から電送線路を介することなくテラヘルツ波素子（電界効果トランジスタ）３００の２次元電子チャネル層３０３に直接テラヘルツ波が伝えられ、これにより、テラヘルツ波が金属内を伝搬することに起因する導体損の発生が回避され、高効率でテラヘルツ波の受信が可能となる。
【００９６】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。本実施の形態では第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子１００におけるプラズモン共鳴周波数の最適値について説明する。
【００９７】
第１の実施形態で示した図４は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の２次元電子チャネルにおける電子濃度分布およびプラズマ共鳴周波数の分布を示す図である。
【００９８】
図１に係るテラヘルツ波素子１００において、電子供給層１０４の凹凸に応じて２次元電子チャネル層１０３の電子濃度が、ソース電極１０６およびドレイン電極１０７間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に変調されている場合おいて、図３（ａ）に相当するプラズモン共鳴周波数ｆ１、電子濃度ｎ１を有する第１の領域と、図３（ｂ）に相当するプラズモン共鳴周波数ｆ２、電子濃度ｎ２を有する第２の領域が存在し、以下の関係式（５）を満たしている場合を考える。
【００９９】
【数５】
【０１００】
具体的には、電子供給層１０４もしくはゲート絶縁膜１０９に凹凸形状を形成し、ゲート電極１０５と電子供給層１０４との間の静電容量を周期変調することにより２次元電子チャネル層１０３のチャネル電子の電子濃度を周期変調している。このような条件を満たす場合には、図４に示すようにドレイン−ソース間に流れる電流の方向と直交する方向にプラズモン共鳴周波数の異なる領域（上記した第１の領域および第２の領域）が周期的に形成されていることになる。
【０１０１】
それぞれの電子濃度を有する領域（上記した第１の領域および第２の領域）のプラズモン共鳴周波数は、図１３に示すような関係を備えている。つまり、低容量領域である第２の領域は１次モードが抑制され、高容量領域である第１の領域の１次モードと同一周波数となる３次モードのみが生じることにより、第１の領域のプラズモン共鳴周波数ｆ１（図１３のＬ２の特性）と第２の領域のプラズモン共鳴周波数ｆ２（図１３のＬ４の特性）の奇数倍（図１３のＬ３の特性）が一致している。このような条件を満たす設計を行うことにより、プラズモン共鳴周波数ｆ１における共鳴効果が増強され（図１３のＬ１の特性）、２次元電子チャネル層においてドレイン−ソース間に流れる電流の方向と直交する方向に生じるプラズマ波を抑制することができる。
【０１０２】
以上より、第１の領域における静電容量を第１の静電容量、第２の領域における静電容量を第２の静電容量とすると、第２の静電容量は、第１の静電容量の１／９であることが好ましく、このような構成とすることにより、第１の領域と第２の領域の相乗効果により、単色性が強く、高効率なプラズモン共鳴を実現することができる。
【０１０３】
（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態に係るテラヘルツ波素子が第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子と異なる点は、電子供給層からバッファ層にかけて周期的な不純物注入領域を形成する点である。
【０１０４】
図１４は、第５の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す断面図である。
【０１０５】
図１４に示すように、テラヘルツ波素子５００は、高抵抗基板５０１上にバッファ層５０２と、２次元電子チャネル層５０３と、電子供給層５０４とを備えている。また、電子供給層５０４の上には、電界効果トランジスタの電極として、ゲート電極５０５と、ソース電極（図示せず）と、ドレイン電極（図示せず）とが形成されている。また、ゲート電極５０５と電子供給層５０４との間には、ゲート絶縁膜５０９が形成されている。
【０１０６】
第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として、２次元電子チャネル層１０３の電子濃度をドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期変調する方法について説明したが、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子５００は、電子供給層５０４からバッファ層５０２にかけて周期的な不純物注入領域５１４を形成することにより、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に、２次元電子チャネル層５０３の電子濃度を周期変調することができる。
【０１０７】
具体的には、電子供給層５０４にドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に不純物注入領域５１４を形成することにより、不純物注入領域５１４の下の２次元電子チャネル層５０３ａの電子濃度が、電子供給層５０４の下の２次元電子チャネル層５０３ｂの電子濃度よりも増加し、ゲート−チャネル間の静電容量（詳細には、ゲート電極１０５とバッファ層１０２−電子供給層１０４界面との間の静電容量）の値がドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に、電子濃度が周期変調している。
【０１０８】
このような構成とすることにより、２次元電子チャネル層において生じるチャネル電子のプラズモン共鳴により発生するテラヘルツ波の、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向の成分が抑制され、単色性が強く、高効率なテラヘルツ波素子を実現することができる。
【０１０９】
（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態について説明する。第６の実施の形態に係るテラヘルツ波素子が第１の実施の形態に係るテラヘルツ波素子と異なる点は、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に微細なトランジスタを周期的に並べる点である。
【０１１０】
図１５は、第６の実施の形態に係るテラヘルツ波素子の構成を示す平面図である。
【０１１１】
図１５に示すテラヘルツ波素子６００は、トランジスタを３つ備えている。詳細には、テラヘルツ波素子６００は、高抵抗基板６０１上にバッファ層（図示せず）と、２次元電子チャネル層６０３と、電子供給層（図示せず）とを備えている。また、電子供給層の上には、電界効果トランジスタの電極として、３つのトランジスタに共通して設けられたソース電極６０６と、ドレイン電極６０７とが形成されている。また、トランジスタごとにゲート電極６０５が形成されている。ゲート電極６０５と電子供給層との間には、ゲート絶縁膜（図示せず）が形成され、ゲート電極６０５と電子供給層との間の静電容量は、第１の実施の形態と同様、周期変調している構成である。
【０１１２】
つまり、第１の実施の形態においては、ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調を実現する手段として電子供給層１０４に凹凸を形成する方法について説明したが、本実施の形態に係るテラヘルツ波素子６００では、図１５に示すように、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向に微細なトランジスタを周期的に並べ、各トランジスタのゲート電極に周期的な電圧を印加することによって同様の効果を実現することができる。
【０１１３】
このような構成とすることにより、２次元電子チャネル層において生じるチャネル電子のプラズモン共鳴により発生するテラヘルツ波の、ドレイン−ソース間を流れる電流の方向と直交する方向の成分が抑制され、単色性が強く、高効率なテラヘルツ波素子を実現することができる。
【０１１４】
なお、本発明に係るテラヘルツ波素子は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係るテラヘルツ波素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【０１１５】
例えば、上記した実施形態では、「ゲート−チャネル間の静電容量の周期変調」および「ゲート−チャネル間の電子濃度の周期変調」は、異なる２つの値を交互に有する構成としたが、これらの構成は上記した実施形態に限られず、異なる３つ以上の値が周期的に配置された構成でもよい。
【０１１６】
また、上記した実施の形態においては、電界効果トランジスタを構成する材料として、ＧａＮ系材料を取り上げたが、ＩｎＧａＡｓ系材料やＩｎＰ系材料などその他の材料を選択してもよい。また、電界効果トランジスタの構造として、ＭＩＳＦＥＴを取り上げたが、ＭＥＳＦＥＴなどその他の構造を選択してもよい。
【０１１７】
また、高抵抗基板は、テラヘルツ帯において電磁波の吸収係数の小さいものであることとしてもよい。電磁波の吸収係数の小さい基板として、例えば高抵抗シリコン基板を用いることができる。このようにすることで、発生したテラヘルツ波を減衰させることなく、デバイスから出射させることができる。吸収係数が小さい基板を用いると、テラヘルツ波を基板側から出射させることも可能である。
【０１１８】
また、凹凸形状の大きさ、ゲート電極の大きさ、金属グレーティングの大きさ、ゲート電極と半導体多層構造との間の静電容量値は、上記した実施の形態に示したものに限らず、適宜変更してもよい。
【０１１９】
以上、本発明のテラヘルツ波素子について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明を用いると、高効率なテラヘルツ波発生または検出が可能な装置を実現することができ、特に残留物質分析装置および非破壊検査装置などテラヘルツ波を用いたセンシング装置、イメージング装置、通信装置などに利用可能で、産業上の利用価値は高い。
【符号の説明】
【０１２１】
１００，２００，３００，５００，６００ テラヘルツ波素子
１０１，２０１，３０１，５０１，６０１ 高抵抗基板
１０２，２０２，３０２，５０２ バッファ層
１０３，２０３，３０３，５０３，６０３ ２次元電子チャネル層
１０４，２０４，３０４，５０４ 電子供給層
１０５，２０５，３０５，５０５，６０５ ゲート電極
１０６，２０６，２５６，３０６，６０６ ソース電極
１０７，２０７，２５７，３０７，６０７ ドレイン電極
１０８，２０８，３０８ エッチング領域
１０９，１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄ，１０９ｅ，１０９ｆ，１０９ｇ，１１９，２０９，３０９，５０９ ゲート絶縁膜
１１０，２１０，３１０ 絶縁膜
２１１ 金属グレーティング
３１２ ゲート配線
３１３ 接地面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッファ層と電子供給層とのヘテロ接合を含む半導体多層構造と、
前記半導体多層構造上に形成されたゲート電極、ドレイン電極およびソース電極とを有し、
前記ゲート電極と前記ヘテロ接合界面との間の静電容量は、ドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に、第１の静電容量と前記第１の静電容量の値と異なる第２の静電容量とを有している
テラヘルツ波素子。
【請求項２】
前記半導体多層構造は電子供給層を有し、
少なくとも前記ゲート電極下の前記電子供給層は、前記ドレインと前記ソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な凹凸形状を備える
請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項３】
前記半導体多層構造は、前記ゲート電極と前記半導体多層構造との間にゲート絶縁膜を有し、
前記ゲート絶縁膜は、前記ドレインと前記ソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な凹凸形状を有する
請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項４】
前記ドレイン電極と前記ソース電極との間の前記半導体多層構造上に、金属グレーティングを備える
請求項１から３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項５】
前記ドレイン電極と前記ソース電極は、グレーティング構造を有している
請求項１から４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項６】
前記ゲート電極は、２つのフィンガーで構成され、
前記２つのフィンガーは、それぞれ前記ゲート電極のゲート幅方向における長さが前記テラヘルツ波の波長の１／４であり、
前記ゲート電極のゲート幅は、前記波長の１／２である
請求項１から５のいずれか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項７】
前記第２の静電容量は、前記第１の静電容量の１／９である
請求項１から６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項１】
バッファ層と電子供給層とのヘテロ接合を含む半導体多層構造と、
前記半導体多層構造上に形成されたゲート電極、ドレイン電極およびソース電極とを有し、
前記ゲート電極と前記ヘテロ接合界面との間の静電容量は、ドレインとソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的に、第１の静電容量と前記第１の静電容量の値と異なる第２の静電容量とを有している
テラヘルツ波素子。
【請求項２】
前記半導体多層構造は電子供給層を有し、
少なくとも前記ゲート電極下の前記電子供給層は、前記ドレインと前記ソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な凹凸形状を備える
請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項３】
前記半導体多層構造は、前記ゲート電極と前記半導体多層構造との間にゲート絶縁膜を有し、
前記ゲート絶縁膜は、前記ドレインと前記ソースとの間を流れる電流の方向と直交する方向に周期的な凹凸形状を有する
請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項４】
前記ドレイン電極と前記ソース電極との間の前記半導体多層構造上に、金属グレーティングを備える
請求項１から３のいずれか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項５】
前記ドレイン電極と前記ソース電極は、グレーティング構造を有している
請求項１から４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項６】
前記ゲート電極は、２つのフィンガーで構成され、
前記２つのフィンガーは、それぞれ前記ゲート電極のゲート幅方向における長さが前記テラヘルツ波の波長の１／４であり、
前記ゲート電極のゲート幅は、前記波長の１／２である
請求項１から５のいずれか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項７】
前記第２の静電容量は、前記第１の静電容量の１／９である
請求項１から６のいずれか１項に記載のテラヘルツ波素子。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１７５０３４（Ｐ２０１２−１７５０３４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３８１７２（Ｐ２０１１−３８１７２）
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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