テラヘルツ波素子
【課題】テラヘルツ波を発生又は検出するテラヘルツ波素子において、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射する。
【解決手段】テラヘルツ波素子は、基板１０１の上に形成された第１の半導体層１０２と、第１の半導体層１０２の上に形成された第２の半導体層１０４と、第２の半導体層１０４の上に形成されたゲート電極１０６と、第２の半導体層１０４の上にゲート電極１０６を挟んで対向するように形成されたソース電極１０７及びドレイン電極１０８と、第２の半導体層１０４の上におけるゲート電極１０６とソース電極１０７との間及びゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間に形成され、複数の金属膜１０９が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂと、ゲート電極１０６及び複数の金属膜１０９の上方に配置された第１のミラー１１１と、基板１０１の下に形成された第２のミラー１１２とを備えている。
【解決手段】テラヘルツ波素子は、基板１０１の上に形成された第１の半導体層１０２と、第１の半導体層１０２の上に形成された第２の半導体層１０４と、第２の半導体層１０４の上に形成されたゲート電極１０６と、第２の半導体層１０４の上にゲート電極１０６を挟んで対向するように形成されたソース電極１０７及びドレイン電極１０８と、第２の半導体層１０４の上におけるゲート電極１０６とソース電極１０７との間及びゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間に形成され、複数の金属膜１０９が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂと、ゲート電極１０６及び複数の金属膜１０９の上方に配置された第１のミラー１１１と、基板１０１の下に形成された第２のミラー１１２とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯の電磁波を発生又は検出するテラヘルツ波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ帯の電磁波（テラヘルツ波）は、近年注目されている電磁波であり、多岐にわたる応用の可能性が期待されている。現在、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Terahertz Time-Domain Spectroscopy）により、テラヘルツ波の発生又は検出を行うことが一般的である。しかしながら、テラヘルツ時間領域分光装置は、高精度な光学系の調整を必要とするだけでなく、大規模な設備を必要とする。このため、現状では、様々な分野へのテラヘルツ波の応用は困難である。
【０００３】
そこで、テラヘルツ波を発生又は検出する新たな技術として、電子デバイスを用いた技術が検討されている。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又は検出する技術が報告されている。中でも、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ： High Electron Mobility Transistor）を用い、２次元プラズモン共鳴を利用した技術が提案されている（例えば非特許文献１，２参照）。高電子移動度トランジスタとは、二次元電子ガス（２ＤＥＧ：two-dimensional electron gas）をチャネルとした電界効果トランジスタである。
【０００４】
以下に、特許文献１に記載の従来のテラヘルツ波素子の構造について、図４を参照しながら説明する。図４は、従来のテラヘルツ波素子の構造を示す断面図である。
【０００５】
図４に示すように、半絶縁性のバルク層４００の上に、バッファ層４０１及び電子供給層４０３が順次形成されている。バッファ層４０１と電子供給層４０３との界面には、二次元電子チャネル層４０２が形成されている。電子供給層４０３の上には、電極Ｇ１と電極Ｇ２とが交互に配置された２重回折格子型ゲート電極４０４が形成されている。バルク層４００の側面を被覆する低誘電率膜４０５の上には、２重回折格子型ゲート電極４０４を挟んで対向するソース電極４０６及びドレイン電極４０７が形成されている。
【０００６】
従来のテラヘルツ波素子では、２重回折格子型ゲート電極４０４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非放射場であるテラヘルツ帯のプラズマ波を、電磁波と結合させて、放射場であるテラヘルツ帯の電磁波（テラヘルツ波）に変換して放射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際特許公開公報ＷＯ２００６／０３０６０８号
【非特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
しかしながら、従来のテラヘルツ波素子では、以下に示す問題がある。
【００１０】
従来のテラヘルツ波素子は、図４に示すように、２重回折格子型ゲート電極４０４、言い換えれば、電極Ｇ１及び電極Ｇ２が周期的に配置された周期構造（グレーティング，Grating）を有している。テラヘルツ波とグレーティングの偏波との関係を考慮すると、周期構造（グレーティング）の長手方向と直交する偏波のテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は、周期構造（グレーティング）に反射されることなく、ほぼ全透過され、外部に出射される。このため、テラヘルツ波のスペクトル幅は広帯域化され、単色性が悪いという問題がある。
【００１１】
前記に鑑み、本発明の目的は、テラヘルツ波を発生又は検出するテラヘルツ波素子において、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明に係るテラヘルツ波素子は、基板の上に形成された第１の半導体層と、第１の半導体層の上に形成された第２の半導体層と、第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、第２の半導体層の上にゲート電極を挟んで対向するように形成されたソース電極及びドレイン電極と、第２の半導体層の上におけるゲート電極とソース電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間に形成され、複数の金属膜が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜と、ゲート電極及び複数の金属膜の上方に配置された第１のミラーと、基板の下に形成された第２のミラーとを備えている。
【００１３】
本発明に係るテラヘルツ波素子によると、ソース電極とゲート電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間に、複数の金属膜が周期的に配置されている。言い換えれば、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極の各々と金属膜との間、並びに互いに隣り合う金属膜同士の間に、底面に第２の半導体層を露出させる開口部が周期的に配置されている。これにより、テラヘルツ波を効率良く出射させることができる。従って、高効率なテラヘルツ波素子を実現できる。
【００１４】
さらに、ゲート電極及び周期金属膜の上方に、第１のミラーを配置する一方、基板の下に第２のミラーを形成する。これにより、対向する第１のミラー及び第２のミラーを有する共振器構造を形成することができる。共振器構造によってテラヘルツ波（特に、第１のミラー又は第２のミラーの鏡面に向かって放射されたテラヘルツ波）を光学的に閉じ込めることができ、共振モードによって決定される周波数を持つテラヘルツ波が増強される。従って、テラヘルツ波素子から出射されるテラヘルツ波のスペクトル幅を狭帯域化し、単色性を良くすることができる。
【００１５】
以上のように、本発明に係るテラヘルツ波素子は、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することができる。
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ波素子において、第１のミラーと第２のミラーとの間隔が、光学半波長の整数倍であることが好ましい。
【００１７】
第１のミラーと第２のミラーとの間隔Ｌを、光学半波長（λ／２）の整数倍にする（Ｌ＝ｎλ／２，但しｎは１以上の整数、λは光学波長）ことにより、第１のミラーと第２のミラーとの間、即ち、共振器構造内に、テラヘルツ波の定在波を発生させることができ、共振器構造内に存在し得るテラヘルツ波の波長が限定される。従って、テラヘルツ波素子から出射されるテラヘルツ波の単色性をより良くすることができる。
【００１８】
本発明に係るテラヘルツ波素子において、第１のミラーは、格子状に配置された複数のミラー部を有し、ミラー部は、金属膜であることが好ましい。
【００１９】
このように金属膜である複数のミラー部を格子状に配置することにより、第１のミラーの反射率を自在に制御することができ、より高効率なテラヘルツ波素子を実現できる。
【００２０】
本発明に係るテラヘルツ波素子において、第２の半導体層及び第１の半導体層を貫通して基板中に到達し、且つ、第１の半導体層と第２の半導体層との界面に形成される２次元電子チャネル層を囲むように形成された側壁膜をさらに備え、側壁膜は、金属膜であることが好ましい。
【００２１】
このようにすると、２次元電子チャネル層を囲む側壁膜を形成することができる。これにより、テラヘルツ波素子の側面に向かって放射されたテラヘルツ波を閉じ込める閉じ込め構造を形成することができ、より高効率なテラヘルツ波素子を実現できる。
【００２２】
本発明に係るテラヘルツ波素子において、第１の半導体層と第２の半導体層との界面に形成される２次元電子チャネル層を囲むように、第２の半導体層及び第１の半導体層を貫通して基板中に到達する側壁孔が形成されていることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、２次元電子チャネル層を囲む側壁孔を配置することができる。これにより、テラヘルツ波素子の側面に向かって放射されたテラヘルツ波を閉じ込める閉じ込め構造を形成することができ、より高効率なテラヘルツ波素子を実現できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るテラヘルツ波素子によると、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１(a) 及び(b) は、本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図１(a) は平面図であり、図１(b) は図１(a) に示すIb-Ib線における断面図である。
【図２】図２(a) 及び(b) は、本発明の一実施形態の第１の変形例に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図２(a) は平面図であり、図２(b) は図２(a) に示すIIb-IIb線における断面図である。
【図３】図３(a) 及び(b) は、本発明の一実施形態の第２の変形例に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図３(a) は平面図であり、図３(b) は図３(a) に示すIIIb-IIIb線における断面図である。
【図４】従来のテラヘルツ波素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態は、本発明の単なる例示形態に過ぎず、本発明は、これらに限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の変形又は変更が可能であり、該変形例及び該変更例も本発明の範囲内に含まれる。図面において、各構成要素は、図示に適した寸法比率で図示されており、図示した寸法比率は、実際の寸法比率とは異なる場合がある。
【００２７】
（一実施形態）
以下に、本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波素子について、図１(a) 及び(b) を参照しながら説明する。図１(a) 及び(b) は、本実施形態に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図１(a) は平面図であり、図１(b) は図１(a) に示すIb-Ib線における断面図である。なお、図１(a) において、樹脂膜１１０の図示を省略している。
【００２８】
本実施形態に係るテラヘルツ波素子１００は、電界効果トランジスタを備え、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又は検出することができる。電界効果トランジスタは、バッファ層１０２と電子供給層１０４との界面に形成される２次元電子チャネル層１０３、ゲート絶縁膜１０５、ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８を有している。
【００２９】
図１に示すように、高抵抗な基板１０１の上には、バッファ層１０２及び電子供給層１０４が順次形成されている。例えば、基板１０１はサファイア基板であり、バッファ層１０２はＧａＮからなり、電子供給層１０４はＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎからなる。
【００３０】
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が形成されている。２次元電子チャネル層１０３は、次のようにして形成される。例えばエピタキシャル成長により、バッファ層１０２及び電子供給層１０４を順次形成すると、バッファ層１０２と電子供給層１１０との界面に、自発分極又はピエゾ分極によって高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が発生する。この二次元電子ガスの周縁部を、例えばイオン注入により、選択的に高抵抗化（不活性化）する。これにより、図１(a) 及び(b) に示すような２次元電子チャネル層１０３が形成される。即ち、電界効果トランジスタ領域に、２次元電子チャネル層１０３が形成される。「電界効果トランジスタ領域」とは、電界効果トランジスタとして機能する領域をいう。
【００３１】
電子供給層１０４の上には、ゲート絶縁膜１０５を介して、ゲート電極１０６が形成されている。電子供給層１０４の上には、ゲート電極１０６を挟んで対向するように、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８が形成されている。ゲート電極１０６とソース電極１０７との間隔とゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間隔とは、例えば、互いに同一である。ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、それぞれ、図１(a) に示すように、第１の方向（図１(a) の紙面の縦方向）に沿って延びている。
【００３２】
ゲート電極１０６は、例えばチタン（Ｔｉ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜及びＴｉ膜が順次積層された積層構造（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）を有している。
【００３３】
ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、それぞれ、Ｔｉ膜、Ａｌ膜及びＴｉ膜が順次積層された積層構造（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）を有している。ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、次のようにして形成される。例えばスパッタリングにより、電子供給層１０４の上に、Ｔｉ膜、Ａｌ膜及びＴｉ膜を順次形成した後、熱処理により、電子供給層１０４とＴｉ膜との界面に、オーミック接合を形成する。これにより、電子供給層１０４とソース電極１０７及びドレイン電極１０８とをオーミック接触させる。
【００３４】
電子供給層１０４の上におけるゲート電極１０６とソース電極１０７との間には、ゲート絶縁膜１０５を介して、複数（例えば４つ）の金属膜１０９が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜１０９Ａが形成されている。電子供給層１０４の上におけるゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間には、ゲート絶縁膜１０５を介して、複数（例えば４つ）の金属膜１０９が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜１０９Ｂが形成されている。
【００３５】
複数（例えば８つ）の金属膜１０９は、それぞれ、図１(a) に示すように、第１の方向（図１(a) の紙面の縦方向）、即ち、ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８のそれぞれが延びる方向に沿って延びている。
【００３６】
ゲート絶縁膜１０５の上には、ゲート電極１０６及び複数の金属膜１０９を覆うように、樹脂膜１１０が形成されている。樹脂膜１１０の上には、上面ミラー１１１が形成されている。基板１０１の下には、下面ミラー１１２が形成されている。
【００３７】
上面ミラー１１１は、図１(a) に示すように、格子状（例えば４×４）に配置された複数のミラー部１１１ｘを有している。ミラー部１１１ｘは、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）又は白金（Ｐｔ）等の金属からなる金属膜であることが好ましい。金属膜である複数のミラー部１１１ｘを格子状に配置することにより、上面ミラー１１１の反射率を自在に制御することができる。
【００３８】
下面ミラー１１２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等の金属からなる金属膜であることが好ましい。これにより、下面ミラー１１２を、高反射率のミラーとして機能させることができる。
【００３９】
上面ミラー１１１と下面ミラー１１２との間隔Ｌは、光学半波長の整数倍である（Ｌ＝ｎλ／２，但し、ｎは１以上の整数、λは光学波長である）ことが好ましい。光学波長は、例えば、放射されるテラヘルツ波の波長に応じて設定される。
【００４０】
基板１０１は、テラヘルツ波の吸収係数が小さい基板であることが好ましい。テラヘルツ波の吸収係数が小さい基板として、例えば、シリコン基板が挙げられる。テラヘルツ波の吸収係数が小さい基板１０１を用いることにより、放射されたテラヘルツ波を減衰させることなく、テラヘルツ波素子１００から出射させることができる。さらに、テラヘルツ波を基板１０１側から出射させることも可能である。
【００４１】
以下に、本実施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。
【００４２】
ソース電極１０７とドレイン電極１０８との間に電圧を印加すると、２次元電子チャネル層１０３を介して電流が流れる。２次元電子チャネル層１０３に電流が流れると、プラズマ波が電流に重畳するように誘起される。ゲート電極１０６の両側面でのプラズマ波の反射により、プラズマ波の不安定性が生じ、テラヘルツ帯のプラズモン共鳴が誘起される。このプラズマ波は、２次元電子チャネル層１０３中を伝搬する縦波であり、プラズマ波自体は、外部に放射されない非放射場である。なお、「ゲート電極１０６の両側面」とは、ゲート電極１０６のゲート長方向の両側面、言い換えれば、ゲート電極１０６におけるソース電極１０７と対向する側面及びゲート電極１０６におけるドレイン電極１０８と対向する側面をいう。
【００４３】
本実施形態に係るテラヘルツ波素子１００では、図１(a) 及び(b) に示すように、ゲート電極１０６とソース電極１０７との間に、周期構造を有する周期金属膜１０９Ａが形成され、且つ、ゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間に、周期構造を有する周期金属膜１０９Ｂが形成されている。これにより、非放射場であるテラヘルツ帯のプラズマ波を、空間を伝搬することが可能な電磁波と結合し、放射場であるテラヘルツ帯の電磁波（テラヘルツ波）に変換して放射することができる。
【００４４】
プラズモン共鳴の周波数ｆｒは、ゲート長をＬｇ、ゲート補正係数をβ、プラズマ波の速度を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、下記に示す[数式１]で表される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
上記に示す[数式１]から判るように、プラズモン共鳴の周波数ｆｒは、ゲート長Ｌｇによって決定される。よって、ゲート電極１０６のゲート長Ｌｇは、テラヘルツ帯に、プラズモン共鳴の周波数ｆｒを有するように設定される。言い換えれば、ゲート電極１０６のゲート長Ｌｇは、テラヘルツ帯で、プラズモン共鳴が発生するように設定される。
【００４７】
周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期Λは、下記の[数式２]で表される。
【００４８】
【数２】
【００４９】
但し、ｓはプラズマ波の速度、ｆは電磁波の周波数、ｍは次数である。
【００５０】
複数の金属膜１０９が配置される周期Λが、上記に示す[数式２]を満たすことにより、所望の周波数ｆを持つ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、周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期Λを１μｍ、プラズマ波の速度ｓを１×１０6ｍ／ｓ、次数ｍを１とすると、周波数ｆは１ＴＨｚとなる。よって、周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期Λを１μｍ以下にすることで、１ＴＨｚ以上の電磁波、即ち、テラヘルツ波を放射させることが可能となる。
【００５１】
なお、本実施形態では、１次モード（基本モード，次数ｍ＝１）とし、１ＴＨｚのテラヘルツ波を放射する例を示したが、高次モード（次数ｍ＝２以上の自然数）としてもよい。この場合、周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期Λを１μｍ、プラズマ波の速度ｓを１×１０6ｍ／ｓとすると、周波数ｆは２ＴＨｚとなり、２ＴＨｚのテラヘルツ波を放射することができる。しかしながら、高次モードの場合、基本モードの場合に比べて、テラヘルツ帯のプラズマ波と電磁波との結合効率が低いため、テラヘルツ波の放射効率が低くなる。
【００５２】
なお、ゲート電極１０６の電圧を変化させることにより、二次元電子ガスの密度を変化させて、プラズマ波の速度ｓを制御して、テラヘルツ波の周波数ｆを制御することができる。
【００５３】
本実施形態に係るテラヘルツ波素子１００によると、ソース電極１０７とゲート電極１０６との間及びゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間に、複数の金属膜１０９が周期的に配置されている。言い換えれば、ソース電極１０７、ゲート電極１０６及びドレイン電極１０８の各々と金属膜１０９との間、並びに互いに隣り合う金属膜１０９同士の間に、底面に電子供給層１０４を露出させる開口部が周期的に配置されている。これにより、テラヘルツ波を効率良く出射させることができる。従って、高効率なテラヘルツ波素子１００を実現できる。
【００５４】
さらに、ゲート電極１０６及び周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの上方に、上面ミラー１１１を配置する一方、基板１０１の下に下面ミラー１１２を形成する。これにより、対向する上面ミラー１１１及び下面ミラー１１２を有する共振器構造を形成することができる。共振器構造によってテラヘルツ波（特に、上面ミラー１１１又は下面ミラー１１２の鏡面に向かって放射されたテラヘルツ波）を光学的に閉じ込めることができ、共振モードによって決定される周波数を持つテラヘルツ波が増強される。従って、テラヘルツ波素子１００から出射されるテラヘルツ波のスペクトル幅を狭帯域化し、単色性を良くすることができる。
【００５５】
さらに、上面ミラー１１１と下面ミラー１１２との間隔Ｌを、光学半波長の整数倍にする（Ｌ＝ｎλ／２，但しｎは１以上の整数、λは光学波長）。これにより、上面ミラー１１１と下面ミラー１１２との間、即ち、共振器構造内に、テラヘルツ波の定在波を発生させることができ、共振器構造内に存在し得るテラヘルツ波の波長が限定される。従って、テラヘルツ波素子１００から出射されるテラヘルツ波の単色性をより良くすることができる。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態に係るテラヘルツ波素子１００は、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することができる。よって、テラヘルツ波素子１００を、残留物質分析装置及び非破壊検査装置等のセンシング装置、イメージング装置並びに通信装置等に利用可能である。具体的には例えば、電界効果トランジスタを２次元的に並列に配置することによって、テラヘルツ波を利用したイメージング装置等の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００５７】
（一実施形態の第１の変形例）
以下に、本発明の一実施形態の第１の変形例に係るテラヘルツ波素子について、図２(a) 及び(b) を参照しながら説明する。図２(a) 及び(b) は、本変形例に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図２(a) は平面図であり、図２(b) は図２(a) に示すIIb-IIb線における断面図である。図２(a) 及び(b) において、一実施形態と同様の構成要素には、図１(a) 及び(b) に示す符号と同一の符号を付す。従って、本変形例では、一実施形態と共通する説明を適宜省略する。なお、図２(a) において、樹脂膜１１０の図示を省略している。
【００５８】
本変形例と一実施形態との相違点は、次の点である。本変形例に係るテラヘルツ波素子２００は、図２(a) 及び(b) に示すように、一実施形態と同様の構成要素を備え、さらに、側壁膜２１３を備えている。側壁膜２１３は、図２(a) に示すように、電子供給層１０４及びバッファ層１０２を貫通し、基板１０１中に到達している。側壁膜２１３は、図２(a) に示すように、平面形状が環状であり、２次元電子チャネル層１０３を囲むように形成されている。側壁膜２１３は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）又は白金（Ｐｔ）等の金属からなる。
【００５９】
本変形例に係るテラヘルツ波素子２００によると、一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
さらに、２次元電子チャネル層１０３を囲む側壁膜２１３を形成する。これにより、テラヘルツ波素子２００の側面に向かって放射されたテラヘルツ波を閉じ込める閉じ込め構造を形成することができ、より高効率なテラヘルツ波素子２００を実現できる。
【００６１】
（一実施形態の第２の変形例）
以下に、本発明の一実施形態の第２の変形例に係るテラヘルツ波素子について、図３(a) 及び(b) を参照しながら説明する。図３(a) 及び(b) は、本変形例に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図３(a) は平面図であり、図３(b) は図３(a) に示すIIIb-IIIb線における断面図である。図３(a) 及び(b) において、一実施形態と同様の構成要素には、図１(a) 及び(b) に示す符号と同一の符号を付す。従って、本変形例では、一実施形態と共通する説明を適宜省略する。なお、図３(a) において、樹脂膜１１０の図示を省略している。
【００６２】
本変形例と一実施形態との相違点は、次の点である。本変形例に係るテラヘルツ波素子３００は、図３(a) 及び(b) に示すように、一実施形態と同様の構成要素を備え、さらに、電子供給層１０４及びバッファ層１０２を貫通し基板１０１中に到達する側壁孔３１３が形成されている。側壁孔３１３は、図３(a) に示すように、２次元電子チャネル層１０３を囲むように形成されている。
【００６３】
本変形例に係るテラヘルツ波素子３００によると、一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
さらに、２次元電子チャネル層１０３を囲む側壁孔３１３を配置する。これにより、テラヘルツ波素子３００の側面に向かって放射されたテラヘルツ波を閉じ込める閉じ込め構造を形成することができ、より高効率なテラヘルツ波素子３００を実現できる。
【００６５】
なお、一実施形態及びその第１，第２の変形例では、バッファ層１０２及び電子供給層１０４の材料が、ＧａＮ系材料である場合、具体的には、バッファ層１０２がＧａＮからなり、電子供給層１０４がＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎからなる場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、バッファ層１０２及び電子供給層１０４の材料が、ＩｎＧａＡｓ系材料又はＩｎＰ系材料であってもよい。この場合も、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
なお、一実施形態及びその第１，第２の変形例では、電界効果トランジスタが、ＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor）である場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor ）であってもよい。この場合も、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６７】
なお、一実施形態及びその第１，第２の変形例では、周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期が、１μｍである場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することができ、テラヘルツ波を発生又は検出するテラヘルツ波素子に有用であり、該テラヘルツ波素子を、センシング装置、イメージング装置又は通信装置等に利用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１００，２００，３００ テラヘルツ波素子
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ ２次元電子チャネル層
１０４ 電子供給層
１０５ ゲート絶縁膜
１０６ ゲート電極
１０７ ソース電極
１０８ ドレイン電極
１０９ 金属膜
１０９Ａ，１０９Ｂ 周期金属膜
１１０ 樹脂膜
１１１ 上面ミラー
１１２ 下面ミラー
２１３ 側壁膜
３１３ 側壁孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯の電磁波を発生又は検出するテラヘルツ波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ帯の電磁波（テラヘルツ波）は、近年注目されている電磁波であり、多岐にわたる応用の可能性が期待されている。現在、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Terahertz Time-Domain Spectroscopy）により、テラヘルツ波の発生又は検出を行うことが一般的である。しかしながら、テラヘルツ時間領域分光装置は、高精度な光学系の調整を必要とするだけでなく、大規模な設備を必要とする。このため、現状では、様々な分野へのテラヘルツ波の応用は困難である。
【０００３】
そこで、テラヘルツ波を発生又は検出する新たな技術として、電子デバイスを用いた技術が検討されている。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又は検出する技術が報告されている。中でも、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ： High Electron Mobility Transistor）を用い、２次元プラズモン共鳴を利用した技術が提案されている（例えば非特許文献１，２参照）。高電子移動度トランジスタとは、二次元電子ガス（２ＤＥＧ：two-dimensional electron gas）をチャネルとした電界効果トランジスタである。
【０００４】
以下に、特許文献１に記載の従来のテラヘルツ波素子の構造について、図４を参照しながら説明する。図４は、従来のテラヘルツ波素子の構造を示す断面図である。
【０００５】
図４に示すように、半絶縁性のバルク層４００の上に、バッファ層４０１及び電子供給層４０３が順次形成されている。バッファ層４０１と電子供給層４０３との界面には、二次元電子チャネル層４０２が形成されている。電子供給層４０３の上には、電極Ｇ１と電極Ｇ２とが交互に配置された２重回折格子型ゲート電極４０４が形成されている。バルク層４００の側面を被覆する低誘電率膜４０５の上には、２重回折格子型ゲート電極４０４を挟んで対向するソース電極４０６及びドレイン電極４０７が形成されている。
【０００６】
従来のテラヘルツ波素子では、２重回折格子型ゲート電極４０４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非放射場であるテラヘルツ帯のプラズマ波を、電磁波と結合させて、放射場であるテラヘルツ帯の電磁波（テラヘルツ波）に変換して放射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際特許公開公報ＷＯ２００６／０３０６０８号
【非特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
しかしながら、従来のテラヘルツ波素子では、以下に示す問題がある。
【００１０】
従来のテラヘルツ波素子は、図４に示すように、２重回折格子型ゲート電極４０４、言い換えれば、電極Ｇ１及び電極Ｇ２が周期的に配置された周期構造（グレーティング，Grating）を有している。テラヘルツ波とグレーティングの偏波との関係を考慮すると、周期構造（グレーティング）の長手方向と直交する偏波のテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は、周期構造（グレーティング）に反射されることなく、ほぼ全透過され、外部に出射される。このため、テラヘルツ波のスペクトル幅は広帯域化され、単色性が悪いという問題がある。
【００１１】
前記に鑑み、本発明の目的は、テラヘルツ波を発生又は検出するテラヘルツ波素子において、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記の目的を達成するため、本発明に係るテラヘルツ波素子は、基板の上に形成された第１の半導体層と、第１の半導体層の上に形成された第２の半導体層と、第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、第２の半導体層の上にゲート電極を挟んで対向するように形成されたソース電極及びドレイン電極と、第２の半導体層の上におけるゲート電極とソース電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間に形成され、複数の金属膜が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜と、ゲート電極及び複数の金属膜の上方に配置された第１のミラーと、基板の下に形成された第２のミラーとを備えている。
【００１３】
本発明に係るテラヘルツ波素子によると、ソース電極とゲート電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間に、複数の金属膜が周期的に配置されている。言い換えれば、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極の各々と金属膜との間、並びに互いに隣り合う金属膜同士の間に、底面に第２の半導体層を露出させる開口部が周期的に配置されている。これにより、テラヘルツ波を効率良く出射させることができる。従って、高効率なテラヘルツ波素子を実現できる。
【００１４】
さらに、ゲート電極及び周期金属膜の上方に、第１のミラーを配置する一方、基板の下に第２のミラーを形成する。これにより、対向する第１のミラー及び第２のミラーを有する共振器構造を形成することができる。共振器構造によってテラヘルツ波（特に、第１のミラー又は第２のミラーの鏡面に向かって放射されたテラヘルツ波）を光学的に閉じ込めることができ、共振モードによって決定される周波数を持つテラヘルツ波が増強される。従って、テラヘルツ波素子から出射されるテラヘルツ波のスペクトル幅を狭帯域化し、単色性を良くすることができる。
【００１５】
以上のように、本発明に係るテラヘルツ波素子は、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することができる。
【００１６】
本発明に係るテラヘルツ波素子において、第１のミラーと第２のミラーとの間隔が、光学半波長の整数倍であることが好ましい。
【００１７】
第１のミラーと第２のミラーとの間隔Ｌを、光学半波長（λ／２）の整数倍にする（Ｌ＝ｎλ／２，但しｎは１以上の整数、λは光学波長）ことにより、第１のミラーと第２のミラーとの間、即ち、共振器構造内に、テラヘルツ波の定在波を発生させることができ、共振器構造内に存在し得るテラヘルツ波の波長が限定される。従って、テラヘルツ波素子から出射されるテラヘルツ波の単色性をより良くすることができる。
【００１８】
本発明に係るテラヘルツ波素子において、第１のミラーは、格子状に配置された複数のミラー部を有し、ミラー部は、金属膜であることが好ましい。
【００１９】
このように金属膜である複数のミラー部を格子状に配置することにより、第１のミラーの反射率を自在に制御することができ、より高効率なテラヘルツ波素子を実現できる。
【００２０】
本発明に係るテラヘルツ波素子において、第２の半導体層及び第１の半導体層を貫通して基板中に到達し、且つ、第１の半導体層と第２の半導体層との界面に形成される２次元電子チャネル層を囲むように形成された側壁膜をさらに備え、側壁膜は、金属膜であることが好ましい。
【００２１】
このようにすると、２次元電子チャネル層を囲む側壁膜を形成することができる。これにより、テラヘルツ波素子の側面に向かって放射されたテラヘルツ波を閉じ込める閉じ込め構造を形成することができ、より高効率なテラヘルツ波素子を実現できる。
【００２２】
本発明に係るテラヘルツ波素子において、第１の半導体層と第２の半導体層との界面に形成される２次元電子チャネル層を囲むように、第２の半導体層及び第１の半導体層を貫通して基板中に到達する側壁孔が形成されていることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、２次元電子チャネル層を囲む側壁孔を配置することができる。これにより、テラヘルツ波素子の側面に向かって放射されたテラヘルツ波を閉じ込める閉じ込め構造を形成することができ、より高効率なテラヘルツ波素子を実現できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るテラヘルツ波素子によると、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１(a) 及び(b) は、本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図１(a) は平面図であり、図１(b) は図１(a) に示すIb-Ib線における断面図である。
【図２】図２(a) 及び(b) は、本発明の一実施形態の第１の変形例に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図２(a) は平面図であり、図２(b) は図２(a) に示すIIb-IIb線における断面図である。
【図３】図３(a) 及び(b) は、本発明の一実施形態の第２の変形例に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図３(a) は平面図であり、図３(b) は図３(a) に示すIIIb-IIIb線における断面図である。
【図４】従来のテラヘルツ波素子の構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の各実施形態は、本発明の単なる例示形態に過ぎず、本発明は、これらに限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の変形又は変更が可能であり、該変形例及び該変更例も本発明の範囲内に含まれる。図面において、各構成要素は、図示に適した寸法比率で図示されており、図示した寸法比率は、実際の寸法比率とは異なる場合がある。
【００２７】
（一実施形態）
以下に、本発明の一実施形態に係るテラヘルツ波素子について、図１(a) 及び(b) を参照しながら説明する。図１(a) 及び(b) は、本実施形態に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図１(a) は平面図であり、図１(b) は図１(a) に示すIb-Ib線における断面図である。なお、図１(a) において、樹脂膜１１０の図示を省略している。
【００２８】
本実施形態に係るテラヘルツ波素子１００は、電界効果トランジスタを備え、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又は検出することができる。電界効果トランジスタは、バッファ層１０２と電子供給層１０４との界面に形成される２次元電子チャネル層１０３、ゲート絶縁膜１０５、ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８を有している。
【００２９】
図１に示すように、高抵抗な基板１０１の上には、バッファ層１０２及び電子供給層１０４が順次形成されている。例えば、基板１０１はサファイア基板であり、バッファ層１０２はＧａＮからなり、電子供給層１０４はＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎからなる。
【００３０】
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が形成されている。２次元電子チャネル層１０３は、次のようにして形成される。例えばエピタキシャル成長により、バッファ層１０２及び電子供給層１０４を順次形成すると、バッファ層１０２と電子供給層１１０との界面に、自発分極又はピエゾ分極によって高濃度の二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が発生する。この二次元電子ガスの周縁部を、例えばイオン注入により、選択的に高抵抗化（不活性化）する。これにより、図１(a) 及び(b) に示すような２次元電子チャネル層１０３が形成される。即ち、電界効果トランジスタ領域に、２次元電子チャネル層１０３が形成される。「電界効果トランジスタ領域」とは、電界効果トランジスタとして機能する領域をいう。
【００３１】
電子供給層１０４の上には、ゲート絶縁膜１０５を介して、ゲート電極１０６が形成されている。電子供給層１０４の上には、ゲート電極１０６を挟んで対向するように、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８が形成されている。ゲート電極１０６とソース電極１０７との間隔とゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間隔とは、例えば、互いに同一である。ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、それぞれ、図１(a) に示すように、第１の方向（図１(a) の紙面の縦方向）に沿って延びている。
【００３２】
ゲート電極１０６は、例えばチタン（Ｔｉ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜及びＴｉ膜が順次積層された積層構造（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）を有している。
【００３３】
ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、それぞれ、Ｔｉ膜、Ａｌ膜及びＴｉ膜が順次積層された積層構造（Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ）を有している。ソース電極１０７及びドレイン電極１０８は、次のようにして形成される。例えばスパッタリングにより、電子供給層１０４の上に、Ｔｉ膜、Ａｌ膜及びＴｉ膜を順次形成した後、熱処理により、電子供給層１０４とＴｉ膜との界面に、オーミック接合を形成する。これにより、電子供給層１０４とソース電極１０７及びドレイン電極１０８とをオーミック接触させる。
【００３４】
電子供給層１０４の上におけるゲート電極１０６とソース電極１０７との間には、ゲート絶縁膜１０５を介して、複数（例えば４つ）の金属膜１０９が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜１０９Ａが形成されている。電子供給層１０４の上におけるゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間には、ゲート絶縁膜１０５を介して、複数（例えば４つ）の金属膜１０９が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜１０９Ｂが形成されている。
【００３５】
複数（例えば８つ）の金属膜１０９は、それぞれ、図１(a) に示すように、第１の方向（図１(a) の紙面の縦方向）、即ち、ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８のそれぞれが延びる方向に沿って延びている。
【００３６】
ゲート絶縁膜１０５の上には、ゲート電極１０６及び複数の金属膜１０９を覆うように、樹脂膜１１０が形成されている。樹脂膜１１０の上には、上面ミラー１１１が形成されている。基板１０１の下には、下面ミラー１１２が形成されている。
【００３７】
上面ミラー１１１は、図１(a) に示すように、格子状（例えば４×４）に配置された複数のミラー部１１１ｘを有している。ミラー部１１１ｘは、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）又は白金（Ｐｔ）等の金属からなる金属膜であることが好ましい。金属膜である複数のミラー部１１１ｘを格子状に配置することにより、上面ミラー１１１の反射率を自在に制御することができる。
【００３８】
下面ミラー１１２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ等の金属からなる金属膜であることが好ましい。これにより、下面ミラー１１２を、高反射率のミラーとして機能させることができる。
【００３９】
上面ミラー１１１と下面ミラー１１２との間隔Ｌは、光学半波長の整数倍である（Ｌ＝ｎλ／２，但し、ｎは１以上の整数、λは光学波長である）ことが好ましい。光学波長は、例えば、放射されるテラヘルツ波の波長に応じて設定される。
【００４０】
基板１０１は、テラヘルツ波の吸収係数が小さい基板であることが好ましい。テラヘルツ波の吸収係数が小さい基板として、例えば、シリコン基板が挙げられる。テラヘルツ波の吸収係数が小さい基板１０１を用いることにより、放射されたテラヘルツ波を減衰させることなく、テラヘルツ波素子１００から出射させることができる。さらに、テラヘルツ波を基板１０１側から出射させることも可能である。
【００４１】
以下に、本実施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。
【００４２】
ソース電極１０７とドレイン電極１０８との間に電圧を印加すると、２次元電子チャネル層１０３を介して電流が流れる。２次元電子チャネル層１０３に電流が流れると、プラズマ波が電流に重畳するように誘起される。ゲート電極１０６の両側面でのプラズマ波の反射により、プラズマ波の不安定性が生じ、テラヘルツ帯のプラズモン共鳴が誘起される。このプラズマ波は、２次元電子チャネル層１０３中を伝搬する縦波であり、プラズマ波自体は、外部に放射されない非放射場である。なお、「ゲート電極１０６の両側面」とは、ゲート電極１０６のゲート長方向の両側面、言い換えれば、ゲート電極１０６におけるソース電極１０７と対向する側面及びゲート電極１０６におけるドレイン電極１０８と対向する側面をいう。
【００４３】
本実施形態に係るテラヘルツ波素子１００では、図１(a) 及び(b) に示すように、ゲート電極１０６とソース電極１０７との間に、周期構造を有する周期金属膜１０９Ａが形成され、且つ、ゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間に、周期構造を有する周期金属膜１０９Ｂが形成されている。これにより、非放射場であるテラヘルツ帯のプラズマ波を、空間を伝搬することが可能な電磁波と結合し、放射場であるテラヘルツ帯の電磁波（テラヘルツ波）に変換して放射することができる。
【００４４】
プラズモン共鳴の周波数ｆｒは、ゲート長をＬｇ、ゲート補正係数をβ、プラズマ波の速度を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、下記に示す[数式１]で表される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
上記に示す[数式１]から判るように、プラズモン共鳴の周波数ｆｒは、ゲート長Ｌｇによって決定される。よって、ゲート電極１０６のゲート長Ｌｇは、テラヘルツ帯に、プラズモン共鳴の周波数ｆｒを有するように設定される。言い換えれば、ゲート電極１０６のゲート長Ｌｇは、テラヘルツ帯で、プラズモン共鳴が発生するように設定される。
【００４７】
周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期Λは、下記の[数式２]で表される。
【００４８】
【数２】
【００４９】
但し、ｓはプラズマ波の速度、ｆは電磁波の周波数、ｍは次数である。
【００５０】
複数の金属膜１０９が配置される周期Λが、上記に示す[数式２]を満たすことにより、所望の周波数ｆを持つ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、周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期Λを１μｍ、プラズマ波の速度ｓを１×１０6ｍ／ｓ、次数ｍを１とすると、周波数ｆは１ＴＨｚとなる。よって、周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期Λを１μｍ以下にすることで、１ＴＨｚ以上の電磁波、即ち、テラヘルツ波を放射させることが可能となる。
【００５１】
なお、本実施形態では、１次モード（基本モード，次数ｍ＝１）とし、１ＴＨｚのテラヘルツ波を放射する例を示したが、高次モード（次数ｍ＝２以上の自然数）としてもよい。この場合、周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期Λを１μｍ、プラズマ波の速度ｓを１×１０6ｍ／ｓとすると、周波数ｆは２ＴＨｚとなり、２ＴＨｚのテラヘルツ波を放射することができる。しかしながら、高次モードの場合、基本モードの場合に比べて、テラヘルツ帯のプラズマ波と電磁波との結合効率が低いため、テラヘルツ波の放射効率が低くなる。
【００５２】
なお、ゲート電極１０６の電圧を変化させることにより、二次元電子ガスの密度を変化させて、プラズマ波の速度ｓを制御して、テラヘルツ波の周波数ｆを制御することができる。
【００５３】
本実施形態に係るテラヘルツ波素子１００によると、ソース電極１０７とゲート電極１０６との間及びゲート電極１０６とドレイン電極１０８との間に、複数の金属膜１０９が周期的に配置されている。言い換えれば、ソース電極１０７、ゲート電極１０６及びドレイン電極１０８の各々と金属膜１０９との間、並びに互いに隣り合う金属膜１０９同士の間に、底面に電子供給層１０４を露出させる開口部が周期的に配置されている。これにより、テラヘルツ波を効率良く出射させることができる。従って、高効率なテラヘルツ波素子１００を実現できる。
【００５４】
さらに、ゲート電極１０６及び周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの上方に、上面ミラー１１１を配置する一方、基板１０１の下に下面ミラー１１２を形成する。これにより、対向する上面ミラー１１１及び下面ミラー１１２を有する共振器構造を形成することができる。共振器構造によってテラヘルツ波（特に、上面ミラー１１１又は下面ミラー１１２の鏡面に向かって放射されたテラヘルツ波）を光学的に閉じ込めることができ、共振モードによって決定される周波数を持つテラヘルツ波が増強される。従って、テラヘルツ波素子１００から出射されるテラヘルツ波のスペクトル幅を狭帯域化し、単色性を良くすることができる。
【００５５】
さらに、上面ミラー１１１と下面ミラー１１２との間隔Ｌを、光学半波長の整数倍にする（Ｌ＝ｎλ／２，但しｎは１以上の整数、λは光学波長）。これにより、上面ミラー１１１と下面ミラー１１２との間、即ち、共振器構造内に、テラヘルツ波の定在波を発生させることができ、共振器構造内に存在し得るテラヘルツ波の波長が限定される。従って、テラヘルツ波素子１００から出射されるテラヘルツ波の単色性をより良くすることができる。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態に係るテラヘルツ波素子１００は、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することができる。よって、テラヘルツ波素子１００を、残留物質分析装置及び非破壊検査装置等のセンシング装置、イメージング装置並びに通信装置等に利用可能である。具体的には例えば、電界効果トランジスタを２次元的に並列に配置することによって、テラヘルツ波を利用したイメージング装置等の小型化及び低コスト化が可能となる。
【００５７】
（一実施形態の第１の変形例）
以下に、本発明の一実施形態の第１の変形例に係るテラヘルツ波素子について、図２(a) 及び(b) を参照しながら説明する。図２(a) 及び(b) は、本変形例に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図２(a) は平面図であり、図２(b) は図２(a) に示すIIb-IIb線における断面図である。図２(a) 及び(b) において、一実施形態と同様の構成要素には、図１(a) 及び(b) に示す符号と同一の符号を付す。従って、本変形例では、一実施形態と共通する説明を適宜省略する。なお、図２(a) において、樹脂膜１１０の図示を省略している。
【００５８】
本変形例と一実施形態との相違点は、次の点である。本変形例に係るテラヘルツ波素子２００は、図２(a) 及び(b) に示すように、一実施形態と同様の構成要素を備え、さらに、側壁膜２１３を備えている。側壁膜２１３は、図２(a) に示すように、電子供給層１０４及びバッファ層１０２を貫通し、基板１０１中に到達している。側壁膜２１３は、図２(a) に示すように、平面形状が環状であり、２次元電子チャネル層１０３を囲むように形成されている。側壁膜２１３は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）又は白金（Ｐｔ）等の金属からなる。
【００５９】
本変形例に係るテラヘルツ波素子２００によると、一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６０】
さらに、２次元電子チャネル層１０３を囲む側壁膜２１３を形成する。これにより、テラヘルツ波素子２００の側面に向かって放射されたテラヘルツ波を閉じ込める閉じ込め構造を形成することができ、より高効率なテラヘルツ波素子２００を実現できる。
【００６１】
（一実施形態の第２の変形例）
以下に、本発明の一実施形態の第２の変形例に係るテラヘルツ波素子について、図３(a) 及び(b) を参照しながら説明する。図３(a) 及び(b) は、本変形例に係るテラヘルツ波素子の構造を示す図であり、図３(a) は平面図であり、図３(b) は図３(a) に示すIIIb-IIIb線における断面図である。図３(a) 及び(b) において、一実施形態と同様の構成要素には、図１(a) 及び(b) に示す符号と同一の符号を付す。従って、本変形例では、一実施形態と共通する説明を適宜省略する。なお、図３(a) において、樹脂膜１１０の図示を省略している。
【００６２】
本変形例と一実施形態との相違点は、次の点である。本変形例に係るテラヘルツ波素子３００は、図３(a) 及び(b) に示すように、一実施形態と同様の構成要素を備え、さらに、電子供給層１０４及びバッファ層１０２を貫通し基板１０１中に到達する側壁孔３１３が形成されている。側壁孔３１３は、図３(a) に示すように、２次元電子チャネル層１０３を囲むように形成されている。
【００６３】
本変形例に係るテラヘルツ波素子３００によると、一実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
さらに、２次元電子チャネル層１０３を囲む側壁孔３１３を配置する。これにより、テラヘルツ波素子３００の側面に向かって放射されたテラヘルツ波を閉じ込める閉じ込め構造を形成することができ、より高効率なテラヘルツ波素子３００を実現できる。
【００６５】
なお、一実施形態及びその第１，第２の変形例では、バッファ層１０２及び電子供給層１０４の材料が、ＧａＮ系材料である場合、具体的には、バッファ層１０２がＧａＮからなり、電子供給層１０４がＡｌ0.40Ｇａ0.60Ｎからなる場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、バッファ層１０２及び電子供給層１０４の材料が、ＩｎＧａＡｓ系材料又はＩｎＰ系材料であってもよい。この場合も、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６６】
なお、一実施形態及びその第１，第２の変形例では、電界効果トランジスタが、ＭＩＳＦＥＴ（Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor）である場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor ）であってもよい。この場合も、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６７】
なお、一実施形態及びその第１，第２の変形例では、周期金属膜１０９Ａ，１０９Ｂの周期が、１μｍである場合を具体例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、単色性が良いテラヘルツ波を効率良く出射することができ、テラヘルツ波を発生又は検出するテラヘルツ波素子に有用であり、該テラヘルツ波素子を、センシング装置、イメージング装置又は通信装置等に利用可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１００，２００，３００ テラヘルツ波素子
１０１ 基板
１０２ バッファ層
１０３ ２次元電子チャネル層
１０４ 電子供給層
１０５ ゲート絶縁膜
１０６ ゲート電極
１０７ ソース電極
１０８ ドレイン電極
１０９ 金属膜
１０９Ａ，１０９Ｂ 周期金属膜
１１０ 樹脂膜
１１１ 上面ミラー
１１２ 下面ミラー
２１３ 側壁膜
３１３ 側壁孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、
前記第２の半導体層の上に前記ゲート電極を挟んで対向するように形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第２の半導体層の上における前記ゲート電極と前記ソース電極との間及び前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に形成され、複数の金属膜が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜と、
前記ゲート電極及び複数の前記金属膜の上方に配置された第１のミラーと、
前記基板の下に形成された第２のミラーとを備えていることを特徴とするテラヘルツ波素子。
【請求項２】
前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間隔が、光学半波長の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項３】
前記第１のミラーは、格子状に配置された複数のミラー部を有し、
前記ミラー部は、金属膜であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項４】
前記第２の半導体層及び前記第１の半導体層を貫通して前記基板中に到達し、且つ、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面に形成される２次元電子チャネル層を囲むように形成された側壁膜をさらに備え、
前記側壁膜は、金属膜であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項５】
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面に形成される２次元電子チャネル層を囲むように、前記第２の半導体層及び前記第１の半導体層を貫通して前記基板中に到達する側壁孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項１】
基板の上に形成された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に形成された第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の上に形成されたゲート電極と、
前記第２の半導体層の上に前記ゲート電極を挟んで対向するように形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記第２の半導体層の上における前記ゲート電極と前記ソース電極との間及び前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間に形成され、複数の金属膜が周期的に配置された周期構造を有する周期金属膜と、
前記ゲート電極及び複数の前記金属膜の上方に配置された第１のミラーと、
前記基板の下に形成された第２のミラーとを備えていることを特徴とするテラヘルツ波素子。
【請求項２】
前記第１のミラーと前記第２のミラーとの間隔が、光学半波長の整数倍であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項３】
前記第１のミラーは、格子状に配置された複数のミラー部を有し、
前記ミラー部は、金属膜であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項４】
前記第２の半導体層及び前記第１の半導体層を貫通して前記基板中に到達し、且つ、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面に形成される２次元電子チャネル層を囲むように形成された側壁膜をさらに備え、
前記側壁膜は、金属膜であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【請求項５】
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面に形成される２次元電子チャネル層を囲むように、前記第２の半導体層及び前記第１の半導体層を貫通して前記基板中に到達する側壁孔が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−３０６１０（Ｐ２０１３−３０６１０Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６５５８０（Ｐ２０１１−１６５５８０）
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【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２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【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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