相変化検出装置
【課題】テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置を提供する。
【解決手段】テラヘルツ発振素子３８と、テラヘルツ検出素子４４と、テラヘルツ発振素子３８とテラヘルツ検出素子４４との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体（１２・１４）とを備え、テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを相変化媒体（１２・１４）に入射し、相変化媒体（１２・１４）の透過テラヘルツ波Ｉp若しくは反射テラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４により検出し、相変化媒体（１２・１４）の第１の相と第２の相との相変化を検出する相変化検出装置３０。
【解決手段】テラヘルツ発振素子３８と、テラヘルツ検出素子４４と、テラヘルツ発振素子３８とテラヘルツ検出素子４４との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体（１２・１４）とを備え、テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを相変化媒体（１２・１４）に入射し、相変化媒体（１２・１４）の透過テラヘルツ波Ｉp若しくは反射テラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４により検出し、相変化媒体（１２・１４）の第１の相と第２の相との相変化を検出する相変化検出装置３０。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化検出装置に関し、特に、テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる新しい現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。
【０００３】
一方、そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる、周波数が０．１ＴＨｚ（１０11Ｈｚ）〜１０ＴＨｚの周波数領域を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されることが期待されている。
【０００４】
テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振する素子としては、トランジスタやダイオードなどの能動デバイスに微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
一方、周波数可変の発振素子から発振される比較的広い帯域幅を持った周波数帯の電磁波であっても、その発振周波数全域にわたりスロット線路からの漏れを無くして高効率かつ高出力の電磁波を発振することができるテラヘルツ発振素子についても開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２４２５０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillators Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with Stacked-Layer Slot Antenna,” Jpn.J.Appl.Phys. vol.67, L1309 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
冷蔵庫の霜というものは必ず存在し、冷却機能を落とさないために冷蔵庫は、除湿機能を備えている。具体的には、内部の冷却機周辺をサーモスタットで検知し、ヒータで暖めて霜を除去している。サーモスタットでの検知は精度が良いわけではなく、除霜作業に無駄が生じている。
【０００９】
本発明の目的は、テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、テラヘルツ発振素子と、テラヘルツ検出素子と、前記テラヘルツ発振素子と前記テラヘルツ検出素子との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体とを備え、前記テラヘルツ発振素子から発振されたテラヘルツ波を前記相変化媒体に入射し、前記相変化媒体の透過テラヘルツ波若しくは反射テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出素子により検出し、前記相変化媒体の前記第１の相と前記第２の相との相変化を検出する相変化検出装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】水媒体と氷媒体に対する３００ＧＨｚ電磁波の透過率特性例。
【図２】（ａ）氷媒体を透過するテラヘルツ波の説明図、（ｂ）水媒体で吸収されるテラヘルツ波の説明図。
【図３】（ａ）ガラス基板上に堆積された第２相変化媒体（霜）の様子を説明する模式的断面構造図、（ｂ）ガラス基板上に堆積された第２相変化媒体（霜）は第１相変化媒体（水滴）に変化した様子を説明する模式的断面構造図。
【図４】（ａ）ガラス基板上に堆積された第２相変化媒体（霜）にテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板で反射されたテラヘルツ波Ｉrの様子を説明する模式的断面構造図、（ｂ）ガラス基板上に堆積された第１相変化媒体（水）にテラヘルツ波Ｉiを入力し、テラヘルツ波Ｉiが第１相変化媒体（水）で吸収されて、反射されたテラヘルツ波Ｉrが検出されない様子を説明する模式的断面構造図。
【図５】テラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子を適用する実施の形態に係る相変化検出装置の模式的ブロック構成図。
【図６】テラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子を適用する実施の形態に係る相変化検出装置の模式的平面パターン構成図。
【図７】ガラス基板上に堆積された相変化媒体にテラヘルツ発振素子から出力されたテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板で反射されたテラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子で検出する様子を説明する模式図。
【図８】ガラス基板上に堆積された相変化媒体にテラヘルツ発振素子から出力されたテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板で反射されたテラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子で検出する様子を説明する詳細な模式図。
【図９】実施の形態に係る相変化検出装置を冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例を説明する模式的断面構造図。
【図１０】実施の形態に係る相変化検出装置を冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例において、（ａ）テラヘルツ検出素子により検出された電圧信号の特性例。（ｂ）ヒータのオンオフにより温度特性例。
【図１１】実施の形態に係る相変化検出装置を自動車に搭載する例であって、フロントガラスの内側に水蒸気が存在する様子の説明図。
【図１２】実施の形態に係る相変化検出装置を自動車に搭載する例であって、フロントガラスの内側に水滴が存在する様子の説明図。
【図１３】実施の形態に係る相変化検出装置を自動車に搭載する例であって、反射板をフロントガラスに埋め込む構造例。
【図１４】実施の形態に係る相変化検出装置を自動車に搭載する例であって、反射板をフロントガラスの外側に配置する構造例。
【図１５】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子のテラヘルツ波の照射前後での順方向電流電圧特性の変化を説明する図。
【図１６】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子のテラヘルツ波の照射前後での順方向および逆方向電流電圧特性の変化を説明する図。
【図１７】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰図。
【図１８】（ａ）図１７のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図１７のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１９】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるＲＴＤの模式的断面構造図、（ｂ）図１９（ａ）の変形例の模式的断面構造図。
【図２０】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的回路構成図、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の簡易等価回路構成図。
【図２１】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図、（ｂ）図２１（ａ）のＲＴＤの等価回路構成図。
【図２２】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子の模式的回路構成図、（ｂ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子の簡易等価回路構成図。
【図２３】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図。
【図２４】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子動作において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例を示す図。
【図２５】実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例１に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰図。
【図２６】実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰図。
【図２７】図２６に対応した第１の電極４、第２の電極２ａおよび半導体層９１ａのパターン構造の模式的平面図。
【図２８】（ａ）図２６のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図２６のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図。
【図２９】変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子において、絶縁体基板をサンプル表面に貼付け、半導体基板を除去した様子を示す模式的鳥瞰図。
【図３０】図２９の裏面から見た様子を示す模式的鳥瞰図。
【図３１】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例３に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面図、（ｂ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面図。
【図３２】実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的平面図。
【図３３】実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１４】
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１５】
[実施の形態]
水媒体と氷媒体に対する３００ＧＨｚ電磁波の透過率特性例は、図１に示すように表される。３００ＧＨｚ電磁波に対して、曲線Ａの水媒体では吸収係数は約２００ｃｍ-1であり、曲線Ｂの氷媒体では吸収係数は約０．７ｃｍ-1である。テラヘルツ電磁波は、水に対する吸収係数は大きいが、氷に対する吸収係数は小さい。この差を利用して、霜センサーを構成可能である。すなわち、表面に水分が付着したときには、テラヘルツ電磁波の透過率が大きく減少し、その水分が氷になるとテラヘルツ電磁波の透過率が再び元に戻るという性質を利用することができる。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、氷媒体１４に入力されたテラヘルツ波Ｉiは、氷媒体１４を透過してテラヘルツ波Ｉpとなる。一方、図２（ｂ）に示すように、水媒体１２に入力されたテラヘルツ波Ｉiは、水媒体１２中で吸収されるため、透過テラヘルツ波Ｉpはほとんど検出されない。
【００１７】
ガラス基板１１上に堆積された第２相変化媒体（霜）１４は、図３（ａ）示すように表される。一方、ガラス基板１１上に堆積された第２相変化媒体（霜）１４が、第１相変化媒体（水滴）１２ａに変化した様子は、図３（ｂ）示すように表される。
【００１８】
ガラス基板１１上に堆積された第２相変化媒体（霜）１４にテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板１６で反射されたテラヘルツ波Ｉrの様子は、模式的に図４（ａ）に示すように表される。一方、ガラス基板１１上に堆積された第１相変化媒体（水）１２にテラヘルツ波Ｉiを入力し、テラヘルツ波Ｉiが第１相変化媒体（水）１２中で吸収されて、反射されたテラヘルツ波Ｉrが検出されない様子は、模式的に図４（ｂ）に示すように表される。
【００１９】
実施の形態に係る相変化検出装置３０の模式的ブロック構成は、図５に示す示すように、テラヘルツ発振素子３８を備えるテラヘルツ送信器１００と、テラヘルツ検出素子４４を備えるテラヘルツ受信器２００とを備える。ここで、テラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４には、実施の形態に係る相変化検出装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子（ＲＴＤ）およびテラヘルツ検出素子（ＲＴＤ）を適用可能である。ここで、テラヘルツ発振素子３８は、例えば、負性微分抵抗領域（ＮＤＲ）に動作点を有し、テラヘルツ電磁波を効率よく発生すると共に、テラヘルツ検出素子４４は、電流−電圧特性上、非発振状態とするとともに、微分抵抗の変化率を最大化する動作点を有し、テラヘルツ発振素子３８から発生されたテラヘルツ電磁波を効率よく検出することができる。
【００２０】
実施の形態に係る相変化検出装置３０の模式的平面パターン構成は、図６に示すように表される。図６においては、後述する図１７に示された実施の形態に係る相変化検出装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子（ＲＴＤ）および同一構成のテラヘルツ検出素子（ＲＴＤ）を、テラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４に利用している。このため、同一工程で製造したテラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４を利用することができる。送信器および検出器の構成が単純化され、高感度、低雑音でテラヘルツ電磁波の発振・検出が実現可能な相変化検出装置３０を提供することができる。
【００２１】
実施の形態に係る相変化検出装置３０は、テラヘルツ発振素子３８を備えるテラヘルツ送信器１００と、テラヘルツ検出素子４４を備えるテラヘルツ受信器２００とを備え、テラヘルツ発振素子３８は、負性微分抵抗領域に第１動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波（ｈν）を発生すると共に、テラヘルツ検出素子４４は、負性抵抗特性ではない非線形性領域に第２動作点を有することによって、テラヘルツ発振素子３８から発生されたテラヘルツ電磁波を検出することができる。
【００２２】
実施の形態に係る相変化検出装置３０は、テラヘルツ発振素子３８と、テラヘルツ検出素子４４と、テラヘルツ発振素子３８とテラヘルツ検出素子４４との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体１２・１４とを備える。ここで、テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを相変化媒体１２・１４に入射し、相変化媒体１２・１４の透過テラヘルツ波Ｉp若しくは反射テラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４により検出し、相変化媒体１２・１４の第１の相と第２の相との相変化を検出することができる。
【００２３】
相変化媒体（霜）１４は、図３（ａ）に示すように、ガラス基板１１上に配置される。
【００２４】
また、相変化媒体（水滴）１２ａは、図３（ｂ）に示すように、ガラス基板１１上に配置される。ここで、相変化媒体（水滴）１２ａは、細部は、相変化媒体（水）１２と同等である。
【００２５】
ガラス基板１１上に堆積された相変化媒体１２・１４にテラヘルツ発振素子３８から出力されたテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板１６で反射されたテラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４で検出する様子は、模式的に図７に示すように表される。また、詳細図は、図８に示すように表される。
【００２６】
実施の形態に係る相変化検出装置３０は、図７〜図８に示すように、ガラス基板１１上に、テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを反射する反射板１６を備えていても良い。反射板１６は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）で形成可能である。
【００２７】
また、反射板１６は、図７〜図８に示すように、ガラス基板１１と相変化媒体１２・１４との間に配置されていても良い。
【００２８】
実施の形態に係る相変化検出装置３０において、相変化媒体１２・１４の第１相は、霜であり、第２相は、水である。
【００２９】
また、実施の形態に係る相変化検出装置３０においては、テラヘルツ検出素子４４は、共鳴トンネルダイオードからなる能動素子を備え、共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗を示す動作点における電流量の変化を検出して、透過テラヘルツ波Ｉp若しくは反射テラヘルツ波Ｉrを検出し、相変化媒体１２・１４の第１の相と第２の相との相変化を検出することができる。
【００３０】
（冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例）
実施の形態に係る相変化検出装置３０を冷蔵庫（冷凍庫）１５０に搭載する例を説明する模式的断面構造は、図９に示すように表される。実施の形態に係る相変化検出装置３０を搭載した冷蔵庫（冷凍庫）１５０は、筐体１２０と、筐体１２０に配置されたテラヘルツ送信器１００・テラヘルツ受信器２００と、筐体１２０の内壁に形成された相変化媒体１４と、筐体１２０の内部空間に配置された水蒸気（気体）１８と、筐体１２０の内壁面と相変化媒体１４との間に配置された反射板１６と、筐体１２０の近傍に配置され、相変化媒体１４の相変化を促進するためのヒータ１４０とを備える。
【００３１】
実施の形態に係る相変化検出装置３０は、図９においては、筐体１２０に配置されたテラヘルツ送信器１００およびテラヘルツ受信器２００と、テラヘルツ送信器１００とテラヘルツ受信器２００との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体１４とを備える。ここで、テラヘルツ送信器１００内のテラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを相変化媒体１４に入射し、相変化媒体１４の反射テラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ受信器２００内のテラヘルツ検出素子４４により検出し、相変化媒体１４の第１の相と第２の相との相変化を検出する。
【００３２】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を冷蔵庫（冷凍庫）１５０に搭載する例においては、筐体１２０に隣接して、ヒータ１４０が配置され、第１の相と第２の相の相変化に応じて、ヒータ１４０をオンオフする。
【００３３】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例において、テラヘルツ検出素子４４により検出された電圧信号の特性例は、図１０（ａ）に示すように表され、ヒータ１４０のオンオフにより変化する温度特性例は、図１０（ｂ）に示すように表される。例えば、図１０（ａ）に示すように、テラヘルツ検出素子４４により検出された電圧信号Ｖにしきい値電圧Ｖthを設定する。検出される電圧信号Ｖがしきい値電圧Ｖthより低い場合には、検出される電圧信号Ｖが低いことから、筐体１２０の内壁には、相変化媒体（水滴）１２ａが存在すると判断し、ヒータ１４０はオフ状態を保持する。これに対して、検出される電圧信号Ｖがしきい値電圧Ｖthより高い場合には、検出される電圧信号Ｖが高いことから、筐体１２０の内壁には、相変化媒体（霜）１４が存在すると判断し、霜取りのために、ヒータ１４０がオンになされる。
【００３４】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例において、テラヘルツ波の特徴を活かして、精度良く霜の検知を行うことができる。
【００３５】
（自動車に搭載する例）
実施の形態に係る相変化検出装置３０を自動車に搭載する例であって、フロントガラス３６の外側の外気２０に対して、フロントガラス３６の内側に水蒸気４０が存在する様子は、図１１に示すように表され、フロントガラス３６の内側に水滴１２ａが存在する様子は、図１２に示すように表される。フロントガラス３６の内側に水滴１２ａが存在することで、フロントガラス３６の内側が曇るため、ヒータ１４０をオンにして、フロントガラス３６の内側の曇りを解消させる必要がある。
【００３６】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を自動車に搭載する例では、水蒸気（気体）４０と水滴１２ａとの相変化を検出している。テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを前記相変化媒体に入射し、前記相変化媒体の透過テラヘルツ波Ｉp若しくは反射テラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４により検出し、相変化媒体４０・１２ａの第１の相と前記第２の相との相変化を検出する。
【００３７】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を自動車に搭載する例であって、反射板１６をフロントガラス３６に埋め込む構造例は、図１３に示すように表され、反射板１６をフロントガラス３６の外側に配置する構造例は、図１４に示すように表される。すなわち、反射板１６は、図１４の例に示すように、相変化媒体４０・１２ａが配置されるフロントガラス３６の表面と反対側の裏面上に配置されていても良い。
【００３８】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を自動車に搭載する例においても、フロントガラス３６に隣接して、ヒータ１４０が配置され、第１の相と第２の相の相変化に応じて、ヒータ１４０をオンオフする。
【００３９】
相変化媒体４０・１２ａの第１相は、水蒸気４０であり、第２相は、水滴１２ａである。尚、反射板１６の代わりにテラヘルツ波の波長域での窓材で構成されたプリズムなどを適用しても良い。
【００４０】
実施の形態に係る相変化検出装置３０に適用されるテラヘルツ検出素子（ＲＴＤ）４４の電流−電圧特性例であって、室温動作において、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）と、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）の特性変化は、図１５に示すように表される。図１５に示すように、バイアス電圧を例えば、０．５Ｖと設定することによって、テラヘルツ電磁波を良好な感度で、室温動作で検出可能である。バイアス電圧を例えば、０．５Ｖと設定した場合、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）では、ｐ点にバイアスされるが、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）では、大きく電流が変化し、電流変化量ΔＩは、約０．４ｍＡ程度である。
【００４１】
また、実施の形態に係る相変化検出装置３０に適用されるテラヘルツ検出素子４４の室温動作において、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）と、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）の順方向および逆方向電流電圧特性の変化は、図１６に示すように模式的に表される。順方向―逆方向の名称は便宜的なものであり、どちらか一方を順方向と決定すれば、他方は逆方向となる。その理由は、ＲＴＤは２端子構造であって、順方向―逆方向電流電圧特性のいずれにも負性抵抗領域を有するからである。
【００４２】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰構造は、図１７に示すように表され、図１７のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図１８（ａ）に示すように表され、図１７のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１８（ｂ）に示すように表される。
【００４３】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子は、非対称の順方向および逆方向電流電圧特性を有する能動素子９０を備え、負性微分抵抗を示す第１動作点で発振素子として動作し、負性抵抗領域ではない非線形特性を示す第２動作点で検出素子として動作する。
【００４４】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰構造は、図１７〜図１８に示すように、半導体基板１と、半導体基板１上に配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された絶縁層３と、第２の電極２に対して絶縁層３を介して配置され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備え、能動素子９０は、共振器６０の略中央部に配置される。
【００４５】
能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能である。その他の能動素子としては、例えば、タンネット（ＴＵＮＮＥＴＴ：Tunnel Transit Time）ダイオード、インパット（ＩＭＰＡＴＴ：Impact Ionization Avalanche Transit Time）ダイオード、ＧａＡｓ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＧａＮ系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ:Heterojunction Bipolar Transistor）などを適用することもできる。
【００４６】
ホーン開口部８０は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、電磁波（ｈν）の放射方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
【００４７】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
【００４８】
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に取り出すために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を空気中に効率よく取り出すことができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
【００４９】
共振器６０には、２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれて、凸部７が形成されている。そして、第１の電極４の凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に第２の電極２と挟まれるように、能動素子９０が配置される。
【００５０】
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１の電極４と第２の電極２との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。能動素子９０の詳細構造については後述する。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
【００５１】
また、図１７に示すように、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、狭い。
【００５２】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第１の電極４と第２の電極２は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
【００５３】
第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、後述する半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４ａ，４ｂ，４ｃおよび第２の電極２，２ａの各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４、第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００５４】
さらに詳細には、第１の電極４ａおよび第１の電極４ｃは、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第１の電極４ｂは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第２の電極２ａは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。
【００５５】
尚、第１の電極４ｂの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ（図示省略）によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第２の電極２ａの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ（図示省略）によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。
【００５６】
絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。絶縁層３は、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００５７】
―共鳴トンネルダイオード―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造は、図１９（ａ）に示すように表され、その変形例の模式的断面構造は、図１９（ｂ）に示すように表される。
【００５８】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される能動素子９０としてＲＴＤの構成例は、図１９（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上に配置され,ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａと、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎＩｎＧａＡｓ層９２ａと、ｎＩｎＧａＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂと、ＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置されたアンドープのＡｌＡｓ層９４ａ／アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５／アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂと、アンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎＩｎＧａＡｓ層９２ｂと、ｎＩｎＧａＡｓ層９２ｂ上に配置され,ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｂと、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｂ上に配置された第１の電極４ａと、ｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２とを備える。
【００５９】
変形例では、図１９（ｂ）に示すように、ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に更にｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｃを配置し、第１の電極４ａとのコンタクトを良好にしている。
【００６０】
図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示すように、ＲＴＤ部は、アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５をアンドープのＡｌＡｓ層９４ａ、９４ｂで挟んで形成されている。このように積層されたＲＴＤ部は、スペーサとして用いられるアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ａ、９３ｂを介在させてｎＩｎＧａＡｓ層９２ａ、９２ｂ、及びｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂ、若しくは９１ｃを介して、第２の電極２と第１の電極４にオーミックに接続される構造となっている。
【００６１】
尚、図１９（ａ）および図１９（ｂ）の構造において、さらに半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上にアンドープのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層をｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａとの間に介在させても良い。
【００６２】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【００６３】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂ・９１ｃの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ・８ｎｍ程度である。ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａおよび９２ｂの厚さは、略等しく、例えば、約２５ｎｍ程度である。アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａ・９３ｂの厚さは、例えば、約２ｎｍ・２０ｎｍ程度である。アンドープＡｌＡｓ層９４ａ・９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．１ｎｍ程度である。アンドープＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
【００６４】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造においては、アンドープのＡｌＡｓ層９４ａ／アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５／アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部を挟むアンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａの厚さを約２ｎｍ、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ｂの厚さを約２０ｎｍと非対称に設定することによって、後述する図８に示すように、順方向―逆方向のＩ−Ｖ特性を非対称にすることができる。
【００６５】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造においては、エピタキシャル構造を非対称にすることで、順方向と逆方向のＩ−Ｖ特性が非対称となり、印加電圧を変えることによって、発振素子、検出素子を使い分けることが可能となる。
【００６６】
またダイオードによる検出には、Ｉ−Ｖ特性の非線形性が大きい方が感度が良いが、ＲＴＤは負性抵抗を示すので、非線形性が大きく、高感度な検出が可能である。
【００６７】
ここで、ＩｎxＧａ1-xＡｓからなる各層のＩｎ組成比ｘは、例えば以下の通りである。
【００６８】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂにおいてはｘ＝０．５３、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｃにおいてはｘ＝０．７、ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂにおいてはｘ＝０．５３、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ｂにおいてはｘ＝０．５３、アンドープＧａＩｎＡｓ層９５においてはｘ＝０．８である。
【００６９】
ここで、各層のドーピングレベルは、例えば以下の通りである。
【００７０】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂのドーピングレベルは、約２．００Ｅ＋１９（ｃｍ-3）、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｃのドーピングレベルは、約２．００Ｅ＋１９（ｃｍ-3）、ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂのドーピングレベルは、約３．００Ｅ＋１８（ｃｍ-3）であり、いずれもドーパントは、例えば、シリコン（Ｓｉ）を適用可能である。
【００７１】
なお、図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００７２】
能動素子９０を構成するＲＴＤの寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度以下である。例えば、室温で観測した発振周波数は、約３００ＧＨｚ程度である。また、例えば、発振時における素子の電流密度Ｊｐは、約７ｍＡ／μｍ2程度である。
【００７３】
―回路構成―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的回路構成は、図２０（ａ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤと、ＭＩＭリフレクタ５０を構成するキャパシタＣＭの並列回路によって表される。第１の電極４にはＲＴＤのカソードが接続され、第２の電極２には、ＲＴＤのアノードが接続され、第１の電極４にはマイナスの電圧、第２の電極２にはプラスの電圧が印加される。発振状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向に電磁波（ｈν）が指向性良く伝播される。
【００７４】
図２０（ａ）に対応する簡易等価回路構成は、図２０（ｂ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤは、キャパシタＣ０１とインダクタＬ０１の並列回路で表わすことができ、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタＣＭがさらに並列に接続されるため、テラヘルツ電磁波（ｈν）の発振周波数ｆは、ｆ＝１／[２π（Ｌ０１（Ｃ０１＋ＣＭ）1/2）で表される。
【００７５】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図２１（ａ）に示すように、ダイオード（ＲＴＤ）系を表す能動素子９０・キャパシタＣＭの並列回路に対して、アンテナ（ＡＮＴ）系を表すアンテナインダクタＬ・アンテナキャパシタＣＡ・アンテナ放射抵抗ＧANTの並列回路が並列に接続される。
【００７６】
図２１（ａ）の能動素子９０を構成するＲＴＤの等価回路構成は、図２１（ｂ）に示すように、コンタクト抵抗Ｒc・コンタクトキャパシタＣcからなるコンタクト部分の並列回路と、外部ダイオードキャパシタＣＤ・内部ダイオードキャパシタＣｄ・ダイオード負性抵抗（−Ｇｄ）からなるダイオード部分の並列回路と、インダクタＬＭ・抵抗ＲＭからなるメサ部分の直列回路が直列接続された構成を備える。
【００７７】
ここで、実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子のアンテナ系も含めた等価回路全体のアドミッタンスＹは、
Ｙ＝Ｙｄ＋Ｙｃ・Ｙａ・Ｙｍ／（Ｙｃ・Ｙａ＋Ｙａ・Ｙｍ＋Ｙｃ・Ｙｍ）
で表される。ここで、Ｙｄ＝−Ｇｄ＋ｊωＣｄ、Ｙｃ＝１／Ｒｃ＋ｊωＣｃ、Ｙｍ＝１／（Ｒｍ＋ｊωＬｍ）であり、Ｙａはアンテナ系のアドミッタンス、ωは発振角周波数を表す。各パラメータは、能動素子９０を構成するダイオード（ＲＴＤ）の物性値から求めることができる。また、発振条件Ｒｅ（Ｙ）≦０，Ｉｍ（Ｙ）＝０を解くことによって、発振周波数、発振出力が得られる。
【００７８】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子の模式的回路構成は、図２２（ａ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤと、ＭＩＭリフレクタ５０を構成するキャパシタＣＭの並列回路によって表される。第１の電極４にはＲＴＤのアノードが接続され、第２の電極２には、ＲＴＤのカソードが接続され、第１の電極４にはマイナスの電圧、第２の電極２にはプラスの電圧が印加される。検出状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向からの電磁波（ｈν）が指向性良く検出される。
【００７９】
図２２（ａ）に対応する簡易等価回路構成は、図２２（ｂ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤは、キャパシタＣ０１とインダクタＬ０１の並列回路で表わすことができ、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタＣＭがさらに並列に接続される。
【００８０】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図２３に示すように、ダイオード（ＲＴＤ）系を表す能動素子９０・キャパシタＣＭの並列回路に対して、アンテナ（ＡＮＴ）系を表すアンテナインダクタＬ・アンテナキャパシタＣＡ・アンテナ放射抵抗ＧANTの並列回路が並列に接続される。
【００８１】
図２３の能動素子９０を構成するＲＴＤの等価回路構成は、図２１（ｂ）と同様に表される。
【００８２】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例は、図２４に示すように表される。室温で、約３００ＧＨｚの発振周波数ｆが得られている。この発振周波数ｆの値は、図１９に示される各層の構造、メサ領域の寸法、アンテナ構造などを調整することによって、変更可能である。
【００８３】
―変形例１―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の変形例１の模式的鳥瞰構造は、図２５に示すように表される。
【００８４】
変形例１においては、図２５に示すように、半導体基板１は、共振器６０,導波路７０,およびホーン開口部８０を形成する第１の電極２および第２の電極４の配置される領域において薄層化されている。さらに、図２５に示すように、第１の電極２と第２の電極４間の導波路７０,およびホーン開口部８０の半導体基板１ａは、完全に除去されていても良い。その他の構成は、図１７の構成と同様であるため、各部の説明は省略する。
【００８５】
図２５において、薄層化された半導体基板１ａの厚さは、例えば、約２０μｍ程度である。また、導波路７０の長さは、例えば、約７００μｍ程度以下であり、ホーン開口部８０の長さも例えば、約７００μｍ程度以下である。ＭＩＭリフレクタ５０を含む変形例１に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の全体の長さは、例えば、約１６００μｍ程度以下である。
【００８６】
変形例１に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、半導体基板を薄層化することによって、基板の影響を抑制することが可能となり、指向性を向上させ、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に、テラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
【００８７】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の変形例１によれば、半導体基板を薄層化することによって、基板の影響を抑制することが可能となり、基板に水平な方向に指向性を向上させ、効率良く、テラヘルツ電磁波を発振および検出することが可能となる。
【００８８】
―変形例２―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の変形例２の模式的鳥瞰構造は、図２６に示すように表される。また、図２６に対応した第１の電極４、第２の電極２ａおよび半導体層９１ａのパターン構造の模式的平面図は、図２７に示すように表される。また、図２７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図２８（ａ）に示すように表され、図２７のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図２８（ｂ）に示すように表される。
【００８９】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子は、図２６〜図２８に示すように、絶縁体基板１０と、絶縁体基板１０上に配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、第１の電極４ａ上に配置された絶縁層３と、絶縁体基板１０上に配置された層間絶縁膜９と、層間絶縁膜９上に配置され、かつ第１の電極４ａに対して絶縁層３を介して第１の電極４に対向して配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された半導体層９１ａと、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備える。
【００９０】
ホーン開口部８０は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、電磁波（ｈν）の放射および検出方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
【００９１】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
【００９２】
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に放射および空気中から検出するために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を効率よく空気中に放射および空気中から検出することができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
【００９３】
共振器６０には、２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれて、凸部７が形成されている。そして、半導体層９１ａの凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に第１の電極４ａと挟まれるように、能動素子９０が配置される。
【００９４】
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１の電極４と第２の電極２との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
【００９５】
また、図２６に示すように、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、狭い。
【００９６】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第１の電極４と第２の電極２は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
【００９７】
第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、絶縁体基板１０との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４ａ，４ｂ，４ｃおよび第２の電極２，２ａの各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４、第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００９８】
さらに詳細には、第１の電極４ａおよび第１の電極４ｃは、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第１の電極４ｂは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第２の電極２ａは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。
【００９９】
尚、第１の電極４ｂの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ１２ｂによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第２の電極２ａの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ１２ａによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。
【０１００】
絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。絶縁層３は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１０１】
同様に、層間絶縁膜９は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。層間絶縁膜９の厚さは、図２８（ａ）に示すように、第２の電極２ａと層間絶縁膜９の全体の厚さが、第１の電極４の厚さと略同程度となるように設定されている。層間絶縁膜９は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１０２】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、電波を効率良く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。絶縁体基板１０の厚さは、例えば、２００μｍ程度である。
【０１０３】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子において、上方は空気であるため、比誘電率εair＝１である。絶縁体基板１０として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、ポリイミド樹脂の比誘電率εpoly＝３．５であるため、発振素子として動作時、全体の発振出力に対する絶縁体基板１０の下方への発振出力の割合は、εpoly3/2／（εair3/2＋εpoly3/2）＝０．８７で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約８７％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。また、検出素子として動作時も、同様に、ホーン開口部８０から横方向に効率よくテラヘルツ電磁波を検出可能である。
【０１０４】
さらに、絶縁体基板１０として、テフロン（登録商標）樹脂基板を使用すると、テフロン（登録商標）の比誘電率εtef＝２．１であるため、発振素子として動作時、全体の発振出力に対する絶縁体基板１０の下方への発振出力の割合は、εtef3/2／（εair3/2＋εtef3/2）＝０．７５で表される。すなわち、発振素子として動作時、全体の発振出力の内、約７５％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。また、検出素子として動作時も、同様に、ホーン開口部８０から横方向に効率よくテラヘルツ電磁波を検出可能である。
【０１０５】
ＭＩＭリフレクタ５０は、図２８（ａ）に示すように、第１の電極４ａと第２の電極２間に絶縁層３を介在させた構造から形成されている。また、図２８（ｂ）から明らかなように、ＲＴＤからなる能動素子９０は、絶縁体基板１０上に第１の電極４ａを介して、配置されている。第１の電極４ａは、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂに接触して配置されている。第２の電極２は、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａに接触して配置されている。さらに、第１の電極４（４ｂ，４ｃ）は、絶縁体基板１０上に延在して配置されている。
【０１０６】
このように、第１の電極４が、絶縁体基板１０上に延在して配置されていることから、第１の電極４と第２の電極２は、互いに短絡されることがなく、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａとｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ間に所定の直流バイアス電圧を印加することができる。
【０１０７】
なお、第１の電極４には、ボンディングワイヤ１２ｂが接続され、第２の電極２ａには、ボンディングワイヤ１２ａが接続されて、第１の電極４と第２の電極２ａ間には、直流電源１５が接続されている。また、第１の電極４と第２の電極２ａ間には、寄生発振を防止するための抵抗（図示省略）が接続されている。
【０１０８】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の構造において、第１の電極４上に直接、また第２の電極２上に層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０を貼付け、半導体基板１をエッチングで除去した後の上下反転した構造は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように表される。図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においては、第２の電極２上には半導体層９１ａが配置されが、第２の電極２ａも露出するため、第２の電極２ａに対して、ワイヤボンディングなどの電極取り出し工程を容易に行うことができる。
【０１０９】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の製造方法においては、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、半導体基板１上に半導体層９１ａを形成後、パターニングによって、半導体層９１ａの幅を狭く形成し、半導体層９１ａ上に形成される第２の電極２のパターン幅を狭く形成する。残りの部分には、第２の電極２に接続し、所定の幅を有し、相対的に厚い第２の電極２ａを形成する。結果として、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、第２の電極２ａが、半導体基板１に接触する構造を得る。
【０１１０】
次に、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、第１の電極４上に直接、また第２の電極２上に層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０を貼付け、半導体基板１をエッチングで除去した後の上下反転した構造を得る。
【０１１１】
次に、図２６に示すように、第１の電極４にボンディングワイヤ１２ｂを接続し、第２の電極２ａに、ボンディングワイヤ１２ａを接続することで電極取り出しを実施する。
【０１１２】
半導体基板１は、例えば、半絶縁性のＩｎＰ基板によって形成され、厚さは、例えば、約６００μｍ程度である。ＩｎＰ基板のエッチング液としては、例えば、塩酸系のエッチング液を適用することができる。
【０１１３】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子において、厚さｄを有する絶縁体基板１０をサンプル表面に貼付け、半導体基板をエッチングにより除去する工程後の模式的鳥瞰構造は、図２８に示すように表され、図２９の裏面から見た模式的鳥瞰構造は、図３０に示すように表される。図２９から明らかなように、第１の電極４は、直接絶縁体基板１０に貼り付けられている。また、第２の電極２，２ａは、図２９では図示を省略しているが、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０に貼り付けられている。図３０の詳細構造は、図２６に対応している。
【０１１４】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子として、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造は、図１９（ａ）と同様に表される。また、その変形例の模式的断面構造は、図１９（ｂ）と同様に表される。
【０１１５】
図１９（ａ）は、半導体基板１上に配置された構造例であるが、その後の工程によって、第１の電極４ａに絶縁体基板１０を貼り付けた後、半導体基板１は、エッチングによって除去される。したがって、図１９（ａ）は、絶縁体基板１０を貼り付け工程前における能動素子９０近傍の模式的断面構造に相当している。
【０１１６】
前述と同様に、能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどを適用することもできる。
【０１１７】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易となる。
【０１１８】
―変形例３・変形例４
変形例３に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、図３１（ａ）に示すように表され、変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、図３１（ｂ）に示すように表される。
【０１１９】
変形例３に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する第２の電極２にスタブ構造を備える例であり、変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する第１の電極４にスタブ構造を備える例である。図２８（ａ）から明らかなように、第２の電極２上には、半導体層９１ａが配置されているため、図３１（ａ）および図３１（ｂ）では、半導体層９１ａが表示されているが、半導体層９１ａの下には、第２の電極２のパターンが同一のパターン形状で配置されている。
【０１２０】
すなわち、図３１（ａ）に示すように、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、複数のスタブ１３Ａを備える。
【０１２１】
また、図３１（ｂ）に示すように、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第１の電極４は、複数のスタブ１３Ｂを備える。
【０１２２】
複数のスタブ１３Ａまたは１３Ｂは、共振器６０に面して等間隔に配置されていてもよく、或いは、その間隔が変化するように配置されていてもよい。
【０１２３】
上記の変形例３・変形例４を組み合わせて、第２の電極２と第１の電極４の両方に複数のスタブを備えていてもよい。
【０１２４】
電磁波の伝送線路の一部に電磁波の波長の４分の１の長さのスタブを設けて、その中に電磁波を引き込み、それを反射させて伝送線路に戻すことにより共振回路が形成されることが分かっている。これは、伝送線路に入射した電磁波のうち、スタブの長さの４倍の波長を持つ電磁波のみが、スタブの位置で等価的に短絡され、これによって当該電磁波が反射されるため、その電磁波の伝送線路からの漏れが少なくなるという現象である。この方法によれば、入力される電磁波の波長に対してスタブの長さが４分の１波長と決まっているために、電磁波の波長がスタブの長さの４倍になる電磁波に対しては強く共振して反射させることができるが、帯域幅の広い電磁波についてはその反射効果は少ない。
【０１２５】
変形例３のスタブ１３Ａの長さは、帯域を持った入射電磁波の中心部分の電磁波の４分の１波長としないで、４分の１からずれた長さにする。例えば、反射させたい周波数幅があったときその周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波を一部反射させるための２波長〜３波長以上の長さのスタブ１３Ａを多く設けることにより、反射させたい周波数幅の電磁波を幅広い範囲で反射させることが可能である。
【０１２６】
当然のことながら、電磁波の反射率は４分の１波長のときと比べると小さくなるのであるが、それでもスタブがない場合と比較するとかなりの反射が起こる。そして、共振条件がゆるい分だけ、ある帯域を持った周波数（ある波長の幅を持った電磁波）に対して、満遍なく反射する効果がある。また、多段スタブの間隔は、反射させたい電磁波の周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波に対して、波長の半分程度の長さとすることにより各スタブからの反射の間に強め合う干渉（ブラッグ反射）が起こり、反射波が重ねあわされて、反射率がほぼ１００％の大きな値になる。スタブの長さ、数、間隔によって、反射する周波数幅、中心周波数は総合的に決定される。
【０１２７】
所定の帯域幅を有する電磁波の中心波長をλ０として、スタブの間隔をλ０／２とすると、反射率が１００％に近い電磁波の波長範囲Δλを得ることができる。このとき、スタブの長さは、２〜３λ０以上に設計するのがよい。また、スタブの幅がスタブの間隔の半分のとき、スタブ数５〜１０個程度の少ない数で１００％に近い大きな反射率となる。スタブ幅がそれ以外のときは大きな反射率を得るためにはスタブ数を増やす必要があり、また、周波数幅も狭くなる。しかしながら、これらの長さは限定されるものではなく反射する帯域幅との関係で設計的に規定されるものである。
【０１２８】
なお、変形例３では、スタブ１３ＡおよびＭＩＭリフレクタにより、閉口部側に伝送する漏れ電磁波が反射され、開口側に戻される。そして、反射された電磁波が出力として放射されるために、能動素子９０から発振される電磁波は高出力となる。
【０１２９】
変形例４においてもスタブ１３Ｂの動作は、スタブ１３Ａと同様であるため、重複する説明は省略する。
【０１３０】
なお、第２の電極２と第１の電極４の両方に多段のスタブを設けることにより、片方だけの場合に比べ約半分のスタブ数で同等の大きな反射率を得ることができる。また、周波数幅や中心周波数を決める際の設計の自由度を上げることができるので、設計上極めて有効である。なお、第２の電極２と第１の電極４の双方に付けるスタブの長さ、数、間隔は必ずしも等しい必要はなく、設計上自由に変更することができる。
【０１３１】
変形例３および変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易となる。
【０１３２】
変形例３および変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、ＭＩＭレフレクタを構成する電極にスタブ構造を組み合わせることによって、基板に水平な方向にさらに効率良く、指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することが可能となる。
【０１３３】
―変形例５―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図３２に示すように表される。
【０１３４】
変形例５に係る係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においても、第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）、第２の電極２，２ａ、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０の構成は、変形例２と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。
【０１３５】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子は、図３２に示すように、絶縁体基板１０と、絶縁体基板１０上に配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、第１の電極４ａ（図２８）上に配置された絶縁層３（図２８）と、絶縁体基板１０上に配置された層間絶縁膜９（図２８）と、層間絶縁膜９上に配置され、かつ第１の電極４ａに対して絶縁層３を介して第１の電極４に対向して配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された半導体層９１ａと、絶縁体基板１０上に第１の電極４に隣接し、かつ第２の電極２ａとは反対側に第１の電極４に対向して配置された第１スロットライン電極４１と、絶縁体基板１０上に第２の電極２ａに隣接し、かつ第１の電極４とは反対側に第２の電極２ａに対向して配置された第２スロットライン電極２１と、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された第１導波路７０と、第１導波路７０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された第１ホーン開口部８０と、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第１スロットライン電極４１間に配置された第２導波路７１と、第２導波路７１に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第１スロットライン電極４１間に配置された第２ホーン開口部８１と、絶縁体基板１０上に対向する第２の電極２ａと第２スロットライン電極２１間に配置された第３導波路７２と、第３導波路７２に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第２の電極２ａと第２スロットライン電極２１間に配置された第３ホーン開口部８２とを備える。
【０１３６】
変形例２と同様に、能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどを適用することもできる。
【０１３７】
ホーン開口部８０〜８２は、開口ホーンアンテナを構成する。
【０１３８】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においては、図３２に示すように、出力端におけるスロットライン電極２１および４１の幅Ｗ４は、例えば、１６０μｍ程度である。また、図３２に示すように、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２０およびホーン開口部８１および８２の幅Ｄ１０、および、スロットライン電極２１および４１の幅Ｗ４は、適宜変更可能である。
【０１３９】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置される。
【０１４０】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置される。
【０１４１】
ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、図３１（ａ）に示された変形例３と同様の複数のスタブを備えていても良い。同様に、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、図３１（ｂ）に示された変形例４と同様の複数のスタブを備えていても良い。
【０１４２】
また、上記において、複数のスタブは、共振器６０に面して等間隔に配置されていても良く、また、間隔が変化するように配置されていても良い。
【０１４３】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。
【０１４４】
絶縁体基板１０として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、全体の発振出力の内、約８７％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点は、変形例２と同様である。
【０１４５】
また、絶縁体基板１０として、テフロン（登録商標）樹脂基板を使用すると、変形例２と同様に、全体の発振出力の内、約７５％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点も、変形例２と同様である。
【０１４６】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においては、能動素子９０に接続された第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、同じ形状をしたテーパ形状の１対のスロットライン電極４１、２１を配置することで、変形例２に比べ、指向性がさらに向上する。
【０１４７】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、テーパ形状の１対のスロットライン電極４１、２１を並列化配置することで、絶縁体基板１０上にテーパスロットアンテナを集積化しても、絶縁体基板１０の影響を抑制し、充分な指向性を得ることができる。
【０１４８】
中央部の第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナから広がった電界が、両サイドに設けた１対のスロットライン電極４１、２１に引き込まれて、スロットライン電極４１、２１の端面で反射され、中央部の第１の電極４および第２の電極２に戻ってくる。このとき、中央部の第１の電極４および第２の電極２およびスロットライン電極４１、２１内には、定在波が形成され、反射してきた電界によって、外部に電磁波が放射される。中央部の第１の電極４および第２の電極２および１対のスロットライン電極４１、２１からの放射電磁界が、干渉し合うことによって、指向性が向上する。
【０１４９】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
【０１５０】
―変形例６―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図３３に示すように表される。
【０１５１】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においても、第１の電極４、第２の電極２、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０、第１のスロットライン電極４１、第２のスロットライン電極２１の構成は、第２の実施の形態と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。
【０１５２】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子は、図３３に示すように、図３２に示した変形例５の電極パターン構成に対して、さらに、１対のスロットライン電極２２,４２を並列化配置している。すなわち、絶縁体基板１０上に第１スロットライン電極４１に隣接し、かつ第１の電極４とは反対側に第１スロットライン電極４１に対向して配置された第３スロットライン電極４２と、絶縁体基板１０上に第２スロットライン電極２１に隣接し、かつ第２の電極２ａとは反対側に第２スロットライン電極２１に対向して配置された第４スロットライン電極２２と、絶縁体基板１０上に対向する第１スロットライン電極４１と第３スロットライン電極４２間に配置された第４導波路７４と、第４導波路７４に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１スロットライン電極４１と第３スロットライン電極４２間に配置された第４ホーン開口部８４と、絶縁体基板１０上に対向する第２スロットライン電極２１と第４スロットライン電極２２間に配置された第５導波路７３と、第５導波路７３に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第２スロットライン電極２１と第４スロットライン電極２２間に配置された第５ホーン開口部８３とを備える。
【０１５３】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。
【０１５４】
図３３の構成において、スロットライン電極２１,４１の外側に１対のスロットライン電極２２,４２をさらに並列化配置することによって、指向性がさらに向上する。
【０１５５】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつ２対のスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
【０１５６】
本実施の形態によれば、水と氷とで吸収係数が大きく異なるテラヘルツ波を用いることで、高感度に霜を検知可能な相変化検出装置を提供することができる。。
【０１５７】
本発明によれば、テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置を提供することができる。
【０１５８】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態に係る相変化検出装置について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１５９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明の相変化検出装置は、テラヘルツ帯の周波数領域で動作する発振素子および検出素子を適用することで、冷蔵庫内状態モニター、除霜センサー、除湿センサー、除霜センサーを組み込む冷蔵庫および冷凍庫、除湿センサーを組み込む自動車など、幅広い分野に適用することができる。
【符号の説明】
【０１６１】
１…半導体基板
２、２ａ…第２の電極
３…絶縁層
４、４ａ、４ｂ、４ｃ…第１の電極
５,６…凹部
７…凸部
８…突起部
９…層間絶縁膜
１０…絶縁体基板
１１…ガラス基板
１２…第１相変化媒体
１２ａ…水滴
１３Ａ,１３Ｂ…スタブ
１４…第２相変化媒体
１５…直流電源
１６…反射板（アルミニウム）
１８、４０…水蒸気（気体）
２０…外気
２１,２２,４１,４２…スロットライン電極
３０…相変化検出装置
３６…フロントガラス
３８…テラヘルツ発振素子
４４…テラヘルツ検出素子
５０…ＭＩＭリフレクタ
６０…共振器
７０,７１,７２,７３,７４…導波路
８０,８１,８２,８３,８４…ホーン開口部
９０…能動素子
９１ａ…半導体層
１００…テラヘルツ送信器
１２０…筐体
１４０…ヒータ
１５０…冷蔵庫（冷凍庫）
２００…テラヘルツ受信器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相変化検出装置に関し、特に、テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、トランジスタなどの電子デバイスの微細化が進み、その大きさがナノサイズになってきたため、量子効果と呼ばれる新しい現象が観測されるようになっている。そして、この量子効果を利用した超高速デバイスや新機能デバイスの実現を目指した開発が進められている。
【０００３】
一方、そのような環境の中で、特に、テラヘルツ帯と呼ばれる、周波数が０．１ＴＨｚ（１０11Ｈｚ）〜１０ＴＨｚの周波数領域を利用して大容量通信や情報処理、あるいはイメージングや計測などを行う試みが行われている。この周波数領域は、光と電波の中間の未開拓領域であり、この周波数帯で動作するデバイスが実現されれば、上述したイメージング、大容量通信・情報処理のほか、物性、生物などのさまざまな分野における計測など、多くの用途に利用されることが期待されている。
【０００４】
テラヘルツ帯の周波数の高周波電磁波を発振する素子としては、トランジスタやダイオードなどの能動デバイスに微細スロットアンテナを集積する構造のものが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
一方、周波数可変の発振素子から発振される比較的広い帯域幅を持った周波数帯の電磁波であっても、その発振周波数全域にわたりスロット線路からの漏れを無くして高効率かつ高出力の電磁波を発振することができるテラヘルツ発振素子についても開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２４２５０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】N. Orihashi, S. Hattori, and M. Asada: “Millimeter and Submillimeter Oscillators Using Resonant Tunneling Diode and Slot Antenna with Stacked-Layer Slot Antenna,” Jpn.J.Appl.Phys. vol.67, L1309 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
冷蔵庫の霜というものは必ず存在し、冷却機能を落とさないために冷蔵庫は、除湿機能を備えている。具体的には、内部の冷却機周辺をサーモスタットで検知し、ヒータで暖めて霜を除去している。サーモスタットでの検知は精度が良いわけではなく、除霜作業に無駄が生じている。
【０００９】
本発明の目的は、テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、テラヘルツ発振素子と、テラヘルツ検出素子と、前記テラヘルツ発振素子と前記テラヘルツ検出素子との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体とを備え、前記テラヘルツ発振素子から発振されたテラヘルツ波を前記相変化媒体に入射し、前記相変化媒体の透過テラヘルツ波若しくは反射テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出素子により検出し、前記相変化媒体の前記第１の相と前記第２の相との相変化を検出する相変化検出装置が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】水媒体と氷媒体に対する３００ＧＨｚ電磁波の透過率特性例。
【図２】（ａ）氷媒体を透過するテラヘルツ波の説明図、（ｂ）水媒体で吸収されるテラヘルツ波の説明図。
【図３】（ａ）ガラス基板上に堆積された第２相変化媒体（霜）の様子を説明する模式的断面構造図、（ｂ）ガラス基板上に堆積された第２相変化媒体（霜）は第１相変化媒体（水滴）に変化した様子を説明する模式的断面構造図。
【図４】（ａ）ガラス基板上に堆積された第２相変化媒体（霜）にテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板で反射されたテラヘルツ波Ｉrの様子を説明する模式的断面構造図、（ｂ）ガラス基板上に堆積された第１相変化媒体（水）にテラヘルツ波Ｉiを入力し、テラヘルツ波Ｉiが第１相変化媒体（水）で吸収されて、反射されたテラヘルツ波Ｉrが検出されない様子を説明する模式的断面構造図。
【図５】テラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子を適用する実施の形態に係る相変化検出装置の模式的ブロック構成図。
【図６】テラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子を適用する実施の形態に係る相変化検出装置の模式的平面パターン構成図。
【図７】ガラス基板上に堆積された相変化媒体にテラヘルツ発振素子から出力されたテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板で反射されたテラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子で検出する様子を説明する模式図。
【図８】ガラス基板上に堆積された相変化媒体にテラヘルツ発振素子から出力されたテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板で反射されたテラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子で検出する様子を説明する詳細な模式図。
【図９】実施の形態に係る相変化検出装置を冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例を説明する模式的断面構造図。
【図１０】実施の形態に係る相変化検出装置を冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例において、（ａ）テラヘルツ検出素子により検出された電圧信号の特性例。（ｂ）ヒータのオンオフにより温度特性例。
【図１１】実施の形態に係る相変化検出装置を自動車に搭載する例であって、フロントガラスの内側に水蒸気が存在する様子の説明図。
【図１２】実施の形態に係る相変化検出装置を自動車に搭載する例であって、フロントガラスの内側に水滴が存在する様子の説明図。
【図１３】実施の形態に係る相変化検出装置を自動車に搭載する例であって、反射板をフロントガラスに埋め込む構造例。
【図１４】実施の形態に係る相変化検出装置を自動車に搭載する例であって、反射板をフロントガラスの外側に配置する構造例。
【図１５】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子のテラヘルツ波の照射前後での順方向電流電圧特性の変化を説明する図。
【図１６】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子のテラヘルツ波の照射前後での順方向および逆方向電流電圧特性の変化を説明する図。
【図１７】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰図。
【図１８】（ａ）図１７のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図１７のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１９】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるＲＴＤの模式的断面構造図、（ｂ）図１９（ａ）の変形例の模式的断面構造図。
【図２０】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的回路構成図、（ｂ）実施の形態に係るテラヘルツ発振素子の簡易等価回路構成図。
【図２１】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図、（ｂ）図２１（ａ）のＲＴＤの等価回路構成図。
【図２２】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子の模式的回路構成図、（ｂ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子の簡易等価回路構成図。
【図２３】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成図。
【図２４】実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子動作において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例を示す図。
【図２５】実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例１に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰図。
【図２６】実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰図。
【図２７】図２６に対応した第１の電極４、第２の電極２ａおよび半導体層９１ａのパターン構造の模式的平面図。
【図２８】（ａ）図２６のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｂ）図２６のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図。
【図２９】変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子において、絶縁体基板をサンプル表面に貼付け、半導体基板を除去した様子を示す模式的鳥瞰図。
【図３０】図２９の裏面から見た様子を示す模式的鳥瞰図。
【図３１】（ａ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例３に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面図、（ｂ）実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面図。
【図３２】実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的平面図。
【図３３】実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１４】
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１５】
[実施の形態]
水媒体と氷媒体に対する３００ＧＨｚ電磁波の透過率特性例は、図１に示すように表される。３００ＧＨｚ電磁波に対して、曲線Ａの水媒体では吸収係数は約２００ｃｍ-1であり、曲線Ｂの氷媒体では吸収係数は約０．７ｃｍ-1である。テラヘルツ電磁波は、水に対する吸収係数は大きいが、氷に対する吸収係数は小さい。この差を利用して、霜センサーを構成可能である。すなわち、表面に水分が付着したときには、テラヘルツ電磁波の透過率が大きく減少し、その水分が氷になるとテラヘルツ電磁波の透過率が再び元に戻るという性質を利用することができる。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、氷媒体１４に入力されたテラヘルツ波Ｉiは、氷媒体１４を透過してテラヘルツ波Ｉpとなる。一方、図２（ｂ）に示すように、水媒体１２に入力されたテラヘルツ波Ｉiは、水媒体１２中で吸収されるため、透過テラヘルツ波Ｉpはほとんど検出されない。
【００１７】
ガラス基板１１上に堆積された第２相変化媒体（霜）１４は、図３（ａ）示すように表される。一方、ガラス基板１１上に堆積された第２相変化媒体（霜）１４が、第１相変化媒体（水滴）１２ａに変化した様子は、図３（ｂ）示すように表される。
【００１８】
ガラス基板１１上に堆積された第２相変化媒体（霜）１４にテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板１６で反射されたテラヘルツ波Ｉrの様子は、模式的に図４（ａ）に示すように表される。一方、ガラス基板１１上に堆積された第１相変化媒体（水）１２にテラヘルツ波Ｉiを入力し、テラヘルツ波Ｉiが第１相変化媒体（水）１２中で吸収されて、反射されたテラヘルツ波Ｉrが検出されない様子は、模式的に図４（ｂ）に示すように表される。
【００１９】
実施の形態に係る相変化検出装置３０の模式的ブロック構成は、図５に示す示すように、テラヘルツ発振素子３８を備えるテラヘルツ送信器１００と、テラヘルツ検出素子４４を備えるテラヘルツ受信器２００とを備える。ここで、テラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４には、実施の形態に係る相変化検出装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子（ＲＴＤ）およびテラヘルツ検出素子（ＲＴＤ）を適用可能である。ここで、テラヘルツ発振素子３８は、例えば、負性微分抵抗領域（ＮＤＲ）に動作点を有し、テラヘルツ電磁波を効率よく発生すると共に、テラヘルツ検出素子４４は、電流−電圧特性上、非発振状態とするとともに、微分抵抗の変化率を最大化する動作点を有し、テラヘルツ発振素子３８から発生されたテラヘルツ電磁波を効率よく検出することができる。
【００２０】
実施の形態に係る相変化検出装置３０の模式的平面パターン構成は、図６に示すように表される。図６においては、後述する図１７に示された実施の形態に係る相変化検出装置３０に適用されるテラヘルツ発振素子（ＲＴＤ）および同一構成のテラヘルツ検出素子（ＲＴＤ）を、テラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４に利用している。このため、同一工程で製造したテラヘルツ発振素子３８およびテラヘルツ検出素子４４を利用することができる。送信器および検出器の構成が単純化され、高感度、低雑音でテラヘルツ電磁波の発振・検出が実現可能な相変化検出装置３０を提供することができる。
【００２１】
実施の形態に係る相変化検出装置３０は、テラヘルツ発振素子３８を備えるテラヘルツ送信器１００と、テラヘルツ検出素子４４を備えるテラヘルツ受信器２００とを備え、テラヘルツ発振素子３８は、負性微分抵抗領域に第１動作点を有する振幅遷移変調によって、テラヘルツ電磁波（ｈν）を発生すると共に、テラヘルツ検出素子４４は、負性抵抗特性ではない非線形性領域に第２動作点を有することによって、テラヘルツ発振素子３８から発生されたテラヘルツ電磁波を検出することができる。
【００２２】
実施の形態に係る相変化検出装置３０は、テラヘルツ発振素子３８と、テラヘルツ検出素子４４と、テラヘルツ発振素子３８とテラヘルツ検出素子４４との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体１２・１４とを備える。ここで、テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを相変化媒体１２・１４に入射し、相変化媒体１２・１４の透過テラヘルツ波Ｉp若しくは反射テラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４により検出し、相変化媒体１２・１４の第１の相と第２の相との相変化を検出することができる。
【００２３】
相変化媒体（霜）１４は、図３（ａ）に示すように、ガラス基板１１上に配置される。
【００２４】
また、相変化媒体（水滴）１２ａは、図３（ｂ）に示すように、ガラス基板１１上に配置される。ここで、相変化媒体（水滴）１２ａは、細部は、相変化媒体（水）１２と同等である。
【００２５】
ガラス基板１１上に堆積された相変化媒体１２・１４にテラヘルツ発振素子３８から出力されたテラヘルツ波Ｉiを入力し、反射板１６で反射されたテラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４で検出する様子は、模式的に図７に示すように表される。また、詳細図は、図８に示すように表される。
【００２６】
実施の形態に係る相変化検出装置３０は、図７〜図８に示すように、ガラス基板１１上に、テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを反射する反射板１６を備えていても良い。反射板１６は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）で形成可能である。
【００２７】
また、反射板１６は、図７〜図８に示すように、ガラス基板１１と相変化媒体１２・１４との間に配置されていても良い。
【００２８】
実施の形態に係る相変化検出装置３０において、相変化媒体１２・１４の第１相は、霜であり、第２相は、水である。
【００２９】
また、実施の形態に係る相変化検出装置３０においては、テラヘルツ検出素子４４は、共鳴トンネルダイオードからなる能動素子を備え、共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗を示す動作点における電流量の変化を検出して、透過テラヘルツ波Ｉp若しくは反射テラヘルツ波Ｉrを検出し、相変化媒体１２・１４の第１の相と第２の相との相変化を検出することができる。
【００３０】
（冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例）
実施の形態に係る相変化検出装置３０を冷蔵庫（冷凍庫）１５０に搭載する例を説明する模式的断面構造は、図９に示すように表される。実施の形態に係る相変化検出装置３０を搭載した冷蔵庫（冷凍庫）１５０は、筐体１２０と、筐体１２０に配置されたテラヘルツ送信器１００・テラヘルツ受信器２００と、筐体１２０の内壁に形成された相変化媒体１４と、筐体１２０の内部空間に配置された水蒸気（気体）１８と、筐体１２０の内壁面と相変化媒体１４との間に配置された反射板１６と、筐体１２０の近傍に配置され、相変化媒体１４の相変化を促進するためのヒータ１４０とを備える。
【００３１】
実施の形態に係る相変化検出装置３０は、図９においては、筐体１２０に配置されたテラヘルツ送信器１００およびテラヘルツ受信器２００と、テラヘルツ送信器１００とテラヘルツ受信器２００との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体１４とを備える。ここで、テラヘルツ送信器１００内のテラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを相変化媒体１４に入射し、相変化媒体１４の反射テラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ受信器２００内のテラヘルツ検出素子４４により検出し、相変化媒体１４の第１の相と第２の相との相変化を検出する。
【００３２】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を冷蔵庫（冷凍庫）１５０に搭載する例においては、筐体１２０に隣接して、ヒータ１４０が配置され、第１の相と第２の相の相変化に応じて、ヒータ１４０をオンオフする。
【００３３】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例において、テラヘルツ検出素子４４により検出された電圧信号の特性例は、図１０（ａ）に示すように表され、ヒータ１４０のオンオフにより変化する温度特性例は、図１０（ｂ）に示すように表される。例えば、図１０（ａ）に示すように、テラヘルツ検出素子４４により検出された電圧信号Ｖにしきい値電圧Ｖthを設定する。検出される電圧信号Ｖがしきい値電圧Ｖthより低い場合には、検出される電圧信号Ｖが低いことから、筐体１２０の内壁には、相変化媒体（水滴）１２ａが存在すると判断し、ヒータ１４０はオフ状態を保持する。これに対して、検出される電圧信号Ｖがしきい値電圧Ｖthより高い場合には、検出される電圧信号Ｖが高いことから、筐体１２０の内壁には、相変化媒体（霜）１４が存在すると判断し、霜取りのために、ヒータ１４０がオンになされる。
【００３４】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を冷蔵庫（冷凍庫）に搭載する例において、テラヘルツ波の特徴を活かして、精度良く霜の検知を行うことができる。
【００３５】
（自動車に搭載する例）
実施の形態に係る相変化検出装置３０を自動車に搭載する例であって、フロントガラス３６の外側の外気２０に対して、フロントガラス３６の内側に水蒸気４０が存在する様子は、図１１に示すように表され、フロントガラス３６の内側に水滴１２ａが存在する様子は、図１２に示すように表される。フロントガラス３６の内側に水滴１２ａが存在することで、フロントガラス３６の内側が曇るため、ヒータ１４０をオンにして、フロントガラス３６の内側の曇りを解消させる必要がある。
【００３６】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を自動車に搭載する例では、水蒸気（気体）４０と水滴１２ａとの相変化を検出している。テラヘルツ発振素子３８から発振されたテラヘルツ波Ｉiを前記相変化媒体に入射し、前記相変化媒体の透過テラヘルツ波Ｉp若しくは反射テラヘルツ波Ｉrをテラヘルツ検出素子４４により検出し、相変化媒体４０・１２ａの第１の相と前記第２の相との相変化を検出する。
【００３７】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を自動車に搭載する例であって、反射板１６をフロントガラス３６に埋め込む構造例は、図１３に示すように表され、反射板１６をフロントガラス３６の外側に配置する構造例は、図１４に示すように表される。すなわち、反射板１６は、図１４の例に示すように、相変化媒体４０・１２ａが配置されるフロントガラス３６の表面と反対側の裏面上に配置されていても良い。
【００３８】
実施の形態に係る相変化検出装置３０を自動車に搭載する例においても、フロントガラス３６に隣接して、ヒータ１４０が配置され、第１の相と第２の相の相変化に応じて、ヒータ１４０をオンオフする。
【００３９】
相変化媒体４０・１２ａの第１相は、水蒸気４０であり、第２相は、水滴１２ａである。尚、反射板１６の代わりにテラヘルツ波の波長域での窓材で構成されたプリズムなどを適用しても良い。
【００４０】
実施の形態に係る相変化検出装置３０に適用されるテラヘルツ検出素子（ＲＴＤ）４４の電流−電圧特性例であって、室温動作において、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）と、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）の特性変化は、図１５に示すように表される。図１５に示すように、バイアス電圧を例えば、０．５Ｖと設定することによって、テラヘルツ電磁波を良好な感度で、室温動作で検出可能である。バイアス電圧を例えば、０．５Ｖと設定した場合、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）では、ｐ点にバイアスされるが、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）では、大きく電流が変化し、電流変化量ΔＩは、約０．４ｍＡ程度である。
【００４１】
また、実施の形態に係る相変化検出装置３０に適用されるテラヘルツ検出素子４４の室温動作において、テラヘルツ波の照射時（Ｐ）と、テラヘルツ波の非照射時（Ｑ）の順方向および逆方向電流電圧特性の変化は、図１６に示すように模式的に表される。順方向―逆方向の名称は便宜的なものであり、どちらか一方を順方向と決定すれば、他方は逆方向となる。その理由は、ＲＴＤは２端子構造であって、順方向―逆方向電流電圧特性のいずれにも負性抵抗領域を有するからである。
【００４２】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰構造は、図１７に示すように表され、図１７のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図１８（ａ）に示すように表され、図１７のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１８（ｂ）に示すように表される。
【００４３】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子は、非対称の順方向および逆方向電流電圧特性を有する能動素子９０を備え、負性微分抵抗を示す第１動作点で発振素子として動作し、負性抵抗領域ではない非線形特性を示す第２動作点で検出素子として動作する。
【００４４】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の模式的鳥瞰構造は、図１７〜図１８に示すように、半導体基板１と、半導体基板１上に配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された絶縁層３と、第２の電極２に対して絶縁層３を介して配置され、かつ半導体基板１上に第２の電極２に対向して配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、半導体基板１上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備え、能動素子９０は、共振器６０の略中央部に配置される。
【００４５】
能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能である。その他の能動素子としては、例えば、タンネット（ＴＵＮＮＥＴＴ：Tunnel Transit Time）ダイオード、インパット（ＩＭＰＡＴＴ：Impact Ionization Avalanche Transit Time）ダイオード、ＧａＡｓ系電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）、ＧａＮ系ＦＥＴ、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：High Electron Mobility Transistor）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ:Heterojunction Bipolar Transistor）などを適用することもできる。
【００４６】
ホーン開口部８０は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、電磁波（ｈν）の放射方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
【００４７】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
【００４８】
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に取り出すために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を空気中に効率よく取り出すことができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
【００４９】
共振器６０には、２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれて、凸部７が形成されている。そして、第１の電極４の凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に第２の電極２と挟まれるように、能動素子９０が配置される。
【００５０】
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１の電極４と第２の電極２との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。能動素子９０の詳細構造については後述する。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
【００５１】
また、図１７に示すように、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、狭い。
【００５２】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第１の電極４と第２の電極２は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
【００５３】
第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、後述する半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４ａ，４ｂ，４ｃおよび第２の電極２，２ａの各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４、第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００５４】
さらに詳細には、第１の電極４ａおよび第１の電極４ｃは、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第１の電極４ｂは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第２の電極２ａは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。
【００５５】
尚、第１の電極４ｂの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ（図示省略）によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第２の電極２ａの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ（図示省略）によって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。
【００５６】
絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。絶縁層３は、化学的気相堆積（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００５７】
―共鳴トンネルダイオード―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造は、図１９（ａ）に示すように表され、その変形例の模式的断面構造は、図１９（ｂ）に示すように表される。
【００５８】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される能動素子９０としてＲＴＤの構成例は、図１９（ａ）に示すように、半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上に配置され,ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａと、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎＩｎＧａＡｓ層９２ａと、ｎＩｎＧａＡｓ層９２ａ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂと、ＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置されたアンドープのＡｌＡｓ層９４ａ／アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５／アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部と、アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂ上に配置されたアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂと、アンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ｂ上に配置され,ｎ型不純物をドープされたｎＩｎＧａＡｓ層９２ｂと、ｎＩｎＧａＡｓ層９２ｂ上に配置され,ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｂと、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｂ上に配置された第１の電極４ａと、ｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａ上に配置された第２の電極２とを備える。
【００５９】
変形例では、図１９（ｂ）に示すように、ｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ上に更にｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｃを配置し、第１の電極４ａとのコンタクトを良好にしている。
【００６０】
図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示すように、ＲＴＤ部は、アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５をアンドープのＡｌＡｓ層９４ａ、９４ｂで挟んで形成されている。このように積層されたＲＴＤ部は、スペーサとして用いられるアンドープのＩｎＧａＡｓ層９３ａ、９３ｂを介在させてｎＩｎＧａＡｓ層９２ａ、９２ｂ、及びｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂ、若しくは９１ｃを介して、第２の電極２と第１の電極４にオーミックに接続される構造となっている。
【００６１】
尚、図１９（ａ）および図１９（ｂ）の構造において、さらに半絶縁性のＩｎＰ基板からなる半導体基板１上にアンドープのＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓ層をｎ型不純物を高濃度にドープされたｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａとの間に介在させても良い。
【００６２】
ここで、各層の厚さは、例えば以下の通りである。
【００６３】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ、９１ｂ・９１ｃの厚さは、それぞれ例えば、約４００ｎｍ、１５ｎｍ・８ｎｍ程度である。ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａおよび９２ｂの厚さは、略等しく、例えば、約２５ｎｍ程度である。アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａ・９３ｂの厚さは、例えば、約２ｎｍ・２０ｎｍ程度である。アンドープＡｌＡｓ層９４ａ・９４ｂの厚さは、等しく、例えば、約１．１ｎｍ程度である。アンドープＧａＩｎＡｓ層９５の厚さは、例えば、約４．５ｎｍ程度である。
【００６４】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造においては、アンドープのＡｌＡｓ層９４ａ／アンドープのＩｎＧａＡｓ層９５／アンドープのＡｌＡｓ層９４ｂから構成されたＲＴＤ部を挟むアンドープＩｎＧａＡｓ層９３ａの厚さを約２ｎｍ、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ｂの厚さを約２０ｎｍと非対称に設定することによって、後述する図８に示すように、順方向―逆方向のＩ−Ｖ特性を非対称にすることができる。
【００６５】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造においては、エピタキシャル構造を非対称にすることで、順方向と逆方向のＩ−Ｖ特性が非対称となり、印加電圧を変えることによって、発振素子、検出素子を使い分けることが可能となる。
【００６６】
またダイオードによる検出には、Ｉ−Ｖ特性の非線形性が大きい方が感度が良いが、ＲＴＤは負性抵抗を示すので、非線形性が大きく、高感度な検出が可能である。
【００６７】
ここで、ＩｎxＧａ1-xＡｓからなる各層のＩｎ組成比ｘは、例えば以下の通りである。
【００６８】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂにおいてはｘ＝０．５３、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｃにおいてはｘ＝０．７、ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂにおいてはｘ＝０．５３、アンドープＩｎＧａＡｓ層９３ｂにおいてはｘ＝０．５３、アンドープＧａＩｎＡｓ層９５においてはｘ＝０．８である。
【００６９】
ここで、各層のドーピングレベルは、例えば以下の通りである。
【００７０】
ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ａ・９１ｂのドーピングレベルは、約２．００Ｅ＋１９（ｃｍ-3）、ｎ+ＩｎＧａＡｓ層９１ｃのドーピングレベルは、約２．００Ｅ＋１９（ｃｍ-3）、ｎＧａＩｎＡｓ層９２ａ・９２ｂのドーピングレベルは、約３．００Ｅ＋１８（ｃｍ-3）であり、いずれもドーパントは、例えば、シリコン（Ｓｉ）を適用可能である。
【００７１】
なお、図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示す積層構造の側壁部には、ＳｉＯ2膜、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜など、若しくはこれらの多層膜からなる絶縁膜を堆積することもできる。絶縁層は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００７２】
能動素子９０を構成するＲＴＤの寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度以下である。例えば、室温で観測した発振周波数は、約３００ＧＨｚ程度である。また、例えば、発振時における素子の電流密度Ｊｐは、約７ｍＡ／μｍ2程度である。
【００７３】
―回路構成―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子の模式的回路構成は、図２０（ａ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤと、ＭＩＭリフレクタ５０を構成するキャパシタＣＭの並列回路によって表される。第１の電極４にはＲＴＤのカソードが接続され、第２の電極２には、ＲＴＤのアノードが接続され、第１の電極４にはマイナスの電圧、第２の電極２にはプラスの電圧が印加される。発振状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向に電磁波（ｈν）が指向性良く伝播される。
【００７４】
図２０（ａ）に対応する簡易等価回路構成は、図２０（ｂ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤは、キャパシタＣ０１とインダクタＬ０１の並列回路で表わすことができ、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタＣＭがさらに並列に接続されるため、テラヘルツ電磁波（ｈν）の発振周波数ｆは、ｆ＝１／[２π（Ｌ０１（Ｃ０１＋ＣＭ）1/2）で表される。
【００７５】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図２１（ａ）に示すように、ダイオード（ＲＴＤ）系を表す能動素子９０・キャパシタＣＭの並列回路に対して、アンテナ（ＡＮＴ）系を表すアンテナインダクタＬ・アンテナキャパシタＣＡ・アンテナ放射抵抗ＧANTの並列回路が並列に接続される。
【００７６】
図２１（ａ）の能動素子９０を構成するＲＴＤの等価回路構成は、図２１（ｂ）に示すように、コンタクト抵抗Ｒc・コンタクトキャパシタＣcからなるコンタクト部分の並列回路と、外部ダイオードキャパシタＣＤ・内部ダイオードキャパシタＣｄ・ダイオード負性抵抗（−Ｇｄ）からなるダイオード部分の並列回路と、インダクタＬＭ・抵抗ＲＭからなるメサ部分の直列回路が直列接続された構成を備える。
【００７７】
ここで、実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子のアンテナ系も含めた等価回路全体のアドミッタンスＹは、
Ｙ＝Ｙｄ＋Ｙｃ・Ｙａ・Ｙｍ／（Ｙｃ・Ｙａ＋Ｙａ・Ｙｍ＋Ｙｃ・Ｙｍ）
で表される。ここで、Ｙｄ＝−Ｇｄ＋ｊωＣｄ、Ｙｃ＝１／Ｒｃ＋ｊωＣｃ、Ｙｍ＝１／（Ｒｍ＋ｊωＬｍ）であり、Ｙａはアンテナ系のアドミッタンス、ωは発振角周波数を表す。各パラメータは、能動素子９０を構成するダイオード（ＲＴＤ）の物性値から求めることができる。また、発振条件Ｒｅ（Ｙ）≦０，Ｉｍ（Ｙ）＝０を解くことによって、発振周波数、発振出力が得られる。
【００７８】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子の模式的回路構成は、図２２（ａ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤと、ＭＩＭリフレクタ５０を構成するキャパシタＣＭの並列回路によって表される。第１の電極４にはＲＴＤのアノードが接続され、第２の電極２には、ＲＴＤのカソードが接続され、第１の電極４にはマイナスの電圧、第２の電極２にはプラスの電圧が印加される。検出状態においては、ホーン開口部の開口方向であるＹ軸方向からの電磁波（ｈν）が指向性良く検出される。
【００７９】
図２２（ａ）に対応する簡易等価回路構成は、図２２（ｂ）に示すように、能動素子９０を構成するＲＴＤは、キャパシタＣ０１とインダクタＬ０１の並列回路で表わすことができ、ＭＩＭリフレクタ５０のキャパシタＣＭがさらに並列に接続される。
【００８０】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ検出素子のアンテナ系も含めた模式的等価回路構成は、図２３に示すように、ダイオード（ＲＴＤ）系を表す能動素子９０・キャパシタＣＭの並列回路に対して、アンテナ（ＡＮＴ）系を表すアンテナインダクタＬ・アンテナキャパシタＣＡ・アンテナ放射抵抗ＧANTの並列回路が並列に接続される。
【００８１】
図２３の能動素子９０を構成するＲＴＤの等価回路構成は、図２１（ｂ）と同様に表される。
【００８２】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子において、発振強度と発振周波数ｆの関係の一例は、図２４に示すように表される。室温で、約３００ＧＨｚの発振周波数ｆが得られている。この発振周波数ｆの値は、図１９に示される各層の構造、メサ領域の寸法、アンテナ構造などを調整することによって、変更可能である。
【００８３】
―変形例１―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の変形例１の模式的鳥瞰構造は、図２５に示すように表される。
【００８４】
変形例１においては、図２５に示すように、半導体基板１は、共振器６０,導波路７０,およびホーン開口部８０を形成する第１の電極２および第２の電極４の配置される領域において薄層化されている。さらに、図２５に示すように、第１の電極２と第２の電極４間の導波路７０,およびホーン開口部８０の半導体基板１ａは、完全に除去されていても良い。その他の構成は、図１７の構成と同様であるため、各部の説明は省略する。
【００８５】
図２５において、薄層化された半導体基板１ａの厚さは、例えば、約２０μｍ程度である。また、導波路７０の長さは、例えば、約７００μｍ程度以下であり、ホーン開口部８０の長さも例えば、約７００μｍ程度以下である。ＭＩＭリフレクタ５０を含む変形例１に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の全体の長さは、例えば、約１６００μｍ程度以下である。
【００８６】
変形例１に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、半導体基板を薄層化することによって、基板の影響を抑制することが可能となり、指向性を向上させ、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に、テラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
【００８７】
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の変形例１によれば、半導体基板を薄層化することによって、基板の影響を抑制することが可能となり、基板に水平な方向に指向性を向上させ、効率良く、テラヘルツ電磁波を発振および検出することが可能となる。
【００８８】
―変形例２―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用されるテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の変形例２の模式的鳥瞰構造は、図２６に示すように表される。また、図２６に対応した第１の電極４、第２の電極２ａおよび半導体層９１ａのパターン構造の模式的平面図は、図２７に示すように表される。また、図２７のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図２８（ａ）に示すように表され、図２７のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図２８（ｂ）に示すように表される。
【００８９】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子は、図２６〜図２８に示すように、絶縁体基板１０と、絶縁体基板１０上に配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、第１の電極４ａ上に配置された絶縁層３と、絶縁体基板１０上に配置された層間絶縁膜９と、層間絶縁膜９上に配置され、かつ第１の電極４ａに対して絶縁層３を介して第１の電極４に対向して配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された半導体層９１ａと、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された導波路７０と、導波路７０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置されたホーン開口部８０とを備える。
【００９０】
ホーン開口部８０は、開口ホーンアンテナから構成される。ホーン開口部の開口角θは、例えば、１０度程度以下に設定することが、電磁波（ｈν）の放射および検出方向に指向特性を持たせる上で望ましい。ホーン開口部８０の長さＬ３は、例えば、約７００μｍ程度以下である。ホーン開口部８０の先端部における開口幅は、例えば、約１６０μｍ程度である。
【００９１】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置されている。導波路７０の長さＬ２は、例えば、約７００μｍ程度以下である。また、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、例えば、約２４μｍ程度である。
【００９２】
なお、ホーン開口部８０のホーン形状は、電磁波を空気中に放射および空気中から検出するために必要な構造である。ホーン形状によって、インピーダンス整合性良く電磁波を効率よく空気中に放射および空気中から検出することができる。尚、ホーンの形状は、直線性形状に限らず、非直線性形状、曲線形状、２次曲線形状、放物線形状、階段状形状などであっても良い。
【００９３】
共振器６０には、２箇所の凹部５、６が形成されており、この２つの凹部５、６に挟まれて、凸部７が形成されている。そして、半導体層９１ａの凸部７の略中央部には突起部８が形成され、この突起部８の下側に第１の電極４ａと挟まれるように、能動素子９０が配置される。
【００９４】
共振器６０の長さＬ１は、例えば、約３０μｍ程度以下である。突起部８の長さは、例えば、約６μｍ程度以下である。また、凹部５、６の幅（第１の電極４と第２の電極２との間隔）は、例えば、約４μｍ程度である。能動素子９０の寸法は、例えば、約１．４μｍ2程度である。但し、能動素子９０のサイズは、この値に限定されず、例えば、約５．３μｍ2程度以下であってもよい。共振器６０の各部のサイズは、上記寸法に限定されるものではなく、発振する電磁波の周波数に応じて設計上適宜設定されるものである。
【００９５】
また、図２６に示すように、導波路７０における第１の電極４と第２の電極２間の間隔に比べて、共振器６０が形成されている部分の第１の電極４と第２の電極２間の間隔は、狭い。
【００９６】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置されている。金属／絶縁体／金属からなるＭＩＭリフレクタ５０の積層構造により、第１の電極４と第２の電極２は高周波的に短絡される。また、ＭＩＭリフレクタ５０は、直流的には開放（オープン）でありながら、高周波を反射させることが可能となるという効果を有する。
【００９７】
第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）および第２の電極２，２ａは、いずれも例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉのメタル積層構造からなり、Ｔｉ層は、絶縁体基板１０との接触状態を良好にするためのバッファ層である。第１の電極４ａ，４ｂ，４ｃおよび第２の電極２，２ａの各部の厚さは、例えば、約数１００ｎｍ程度であり、全体として、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すような平坦化された積層構造が得られている。なお、第１の電極４、第２の電極２は、いずれも真空蒸着法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【００９８】
さらに詳細には、第１の電極４ａおよび第１の電極４ｃは、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第１の電極４ｂは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。第２の電極２は、例えば、Ａｕ／Ｐｄ／Ｔｉからなり、第２の電極２ａは、例えば、Ａｕ／Ｔｉからなる。
【００９９】
尚、第１の電極４ｂの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ１２ｂによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。同様に、第２の電極２ａの表面層を形成するＴｉ層は、ボンディングワイヤ１２ａによって取り出し電極を形成する際、接触抵抗を低減するために除去することが望ましい。
【０１００】
絶縁層３は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。なお、絶縁層３の厚さは、ＭＩＭリフレクタ５０の幾何学的な平面寸法と、回路特性上の要求されるキャパシタ値を考慮して決めることができ、例えば、数１０ｎｍ〜数１００ｎｍ程度である。絶縁層３は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１０１】
同様に、層間絶縁膜９は、例えば、ＳｉＯ2膜で形成することができる。その他、Ｓｉ3Ｎ4膜、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3膜などを適用することもできる。層間絶縁膜９の厚さは、図２８（ａ）に示すように、第２の電極２ａと層間絶縁膜９の全体の厚さが、第１の電極４の厚さと略同程度となるように設定されている。層間絶縁膜９は、ＣＶＤ法、或いはスパッタリング法などによって形成することができる。
【０１０２】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、電波を効率良く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。絶縁体基板１０の厚さは、例えば、２００μｍ程度である。
【０１０３】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子において、上方は空気であるため、比誘電率εair＝１である。絶縁体基板１０として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、ポリイミド樹脂の比誘電率εpoly＝３．５であるため、発振素子として動作時、全体の発振出力に対する絶縁体基板１０の下方への発振出力の割合は、εpoly3/2／（εair3/2＋εpoly3/2）＝０．８７で表される。すなわち、全体の発振出力の内、約８７％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。また、検出素子として動作時も、同様に、ホーン開口部８０から横方向に効率よくテラヘルツ電磁波を検出可能である。
【０１０４】
さらに、絶縁体基板１０として、テフロン（登録商標）樹脂基板を使用すると、テフロン（登録商標）の比誘電率εtef＝２．１であるため、発振素子として動作時、全体の発振出力に対する絶縁体基板１０の下方への発振出力の割合は、εtef3/2／（εair3/2＋εtef3/2）＝０．７５で表される。すなわち、発振素子として動作時、全体の発振出力の内、約７５％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する。また、検出素子として動作時も、同様に、ホーン開口部８０から横方向に効率よくテラヘルツ電磁波を検出可能である。
【０１０５】
ＭＩＭリフレクタ５０は、図２８（ａ）に示すように、第１の電極４ａと第２の電極２間に絶縁層３を介在させた構造から形成されている。また、図２８（ｂ）から明らかなように、ＲＴＤからなる能動素子９０は、絶縁体基板１０上に第１の電極４ａを介して、配置されている。第１の電極４ａは、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂに接触して配置されている。第２の電極２は、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａに接触して配置されている。さらに、第１の電極４（４ｂ，４ｃ）は、絶縁体基板１０上に延在して配置されている。
【０１０６】
このように、第１の電極４が、絶縁体基板１０上に延在して配置されていることから、第１の電極４と第２の電極２は、互いに短絡されることがなく、ＲＴＤのｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ａとｎ+ＧａＩｎＡｓ層９１ｂ間に所定の直流バイアス電圧を印加することができる。
【０１０７】
なお、第１の電極４には、ボンディングワイヤ１２ｂが接続され、第２の電極２ａには、ボンディングワイヤ１２ａが接続されて、第１の電極４と第２の電極２ａ間には、直流電源１５が接続されている。また、第１の電極４と第２の電極２ａ間には、寄生発振を防止するための抵抗（図示省略）が接続されている。
【０１０８】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の構造において、第１の電極４上に直接、また第２の電極２上に層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０を貼付け、半導体基板１をエッチングで除去した後の上下反転した構造は、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように表される。図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においては、第２の電極２上には半導体層９１ａが配置されが、第２の電極２ａも露出するため、第２の電極２ａに対して、ワイヤボンディングなどの電極取り出し工程を容易に行うことができる。
【０１０９】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の製造方法においては、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、半導体基板１上に半導体層９１ａを形成後、パターニングによって、半導体層９１ａの幅を狭く形成し、半導体層９１ａ上に形成される第２の電極２のパターン幅を狭く形成する。残りの部分には、第２の電極２に接続し、所定の幅を有し、相対的に厚い第２の電極２ａを形成する。結果として、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、第２の電極２ａが、半導体基板１に接触する構造を得る。
【０１１０】
次に、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、第１の電極４上に直接、また第２の電極２上に層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０を貼付け、半導体基板１をエッチングで除去した後の上下反転した構造を得る。
【０１１１】
次に、図２６に示すように、第１の電極４にボンディングワイヤ１２ｂを接続し、第２の電極２ａに、ボンディングワイヤ１２ａを接続することで電極取り出しを実施する。
【０１１２】
半導体基板１は、例えば、半絶縁性のＩｎＰ基板によって形成され、厚さは、例えば、約６００μｍ程度である。ＩｎＰ基板のエッチング液としては、例えば、塩酸系のエッチング液を適用することができる。
【０１１３】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子において、厚さｄを有する絶縁体基板１０をサンプル表面に貼付け、半導体基板をエッチングにより除去する工程後の模式的鳥瞰構造は、図２８に示すように表され、図２９の裏面から見た模式的鳥瞰構造は、図３０に示すように表される。図２９から明らかなように、第１の電極４は、直接絶縁体基板１０に貼り付けられている。また、第２の電極２，２ａは、図２９では図示を省略しているが、図２８（ａ）および図２８（ｂ）に示すように、層間絶縁膜９を介して絶縁体基板１０に貼り付けられている。図３０の詳細構造は、図２６に対応している。
【０１１４】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子として、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）の模式的断面構造は、図１９（ａ）と同様に表される。また、その変形例の模式的断面構造は、図１９（ｂ）と同様に表される。
【０１１５】
図１９（ａ）は、半導体基板１上に配置された構造例であるが、その後の工程によって、第１の電極４ａに絶縁体基板１０を貼り付けた後、半導体基板１は、エッチングによって除去される。したがって、図１９（ａ）は、絶縁体基板１０を貼り付け工程前における能動素子９０近傍の模式的断面構造に相当している。
【０１１６】
前述と同様に、能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどを適用することもできる。
【０１１７】
変形例２に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易となる。
【０１１８】
―変形例３・変形例４
変形例３に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、図３１（ａ）に示すように表され、変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、図３１（ｂ）に示すように表される。
【０１１９】
変形例３に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する第２の電極２にスタブ構造を備える例であり、変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造は、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する第１の電極４にスタブ構造を備える例である。図２８（ａ）から明らかなように、第２の電極２上には、半導体層９１ａが配置されているため、図３１（ａ）および図３１（ｂ）では、半導体層９１ａが表示されているが、半導体層９１ａの下には、第２の電極２のパターンが同一のパターン形状で配置されている。
【０１２０】
すなわち、図３１（ａ）に示すように、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、複数のスタブ１３Ａを備える。
【０１２１】
また、図３１（ｂ）に示すように、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第１の電極４は、複数のスタブ１３Ｂを備える。
【０１２２】
複数のスタブ１３Ａまたは１３Ｂは、共振器６０に面して等間隔に配置されていてもよく、或いは、その間隔が変化するように配置されていてもよい。
【０１２３】
上記の変形例３・変形例４を組み合わせて、第２の電極２と第１の電極４の両方に複数のスタブを備えていてもよい。
【０１２４】
電磁波の伝送線路の一部に電磁波の波長の４分の１の長さのスタブを設けて、その中に電磁波を引き込み、それを反射させて伝送線路に戻すことにより共振回路が形成されることが分かっている。これは、伝送線路に入射した電磁波のうち、スタブの長さの４倍の波長を持つ電磁波のみが、スタブの位置で等価的に短絡され、これによって当該電磁波が反射されるため、その電磁波の伝送線路からの漏れが少なくなるという現象である。この方法によれば、入力される電磁波の波長に対してスタブの長さが４分の１波長と決まっているために、電磁波の波長がスタブの長さの４倍になる電磁波に対しては強く共振して反射させることができるが、帯域幅の広い電磁波についてはその反射効果は少ない。
【０１２５】
変形例３のスタブ１３Ａの長さは、帯域を持った入射電磁波の中心部分の電磁波の４分の１波長としないで、４分の１からずれた長さにする。例えば、反射させたい周波数幅があったときその周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波を一部反射させるための２波長〜３波長以上の長さのスタブ１３Ａを多く設けることにより、反射させたい周波数幅の電磁波を幅広い範囲で反射させることが可能である。
【０１２６】
当然のことながら、電磁波の反射率は４分の１波長のときと比べると小さくなるのであるが、それでもスタブがない場合と比較するとかなりの反射が起こる。そして、共振条件がゆるい分だけ、ある帯域を持った周波数（ある波長の幅を持った電磁波）に対して、満遍なく反射する効果がある。また、多段スタブの間隔は、反射させたい電磁波の周波数幅の中央値の周波数を持つ電磁波に対して、波長の半分程度の長さとすることにより各スタブからの反射の間に強め合う干渉（ブラッグ反射）が起こり、反射波が重ねあわされて、反射率がほぼ１００％の大きな値になる。スタブの長さ、数、間隔によって、反射する周波数幅、中心周波数は総合的に決定される。
【０１２７】
所定の帯域幅を有する電磁波の中心波長をλ０として、スタブの間隔をλ０／２とすると、反射率が１００％に近い電磁波の波長範囲Δλを得ることができる。このとき、スタブの長さは、２〜３λ０以上に設計するのがよい。また、スタブの幅がスタブの間隔の半分のとき、スタブ数５〜１０個程度の少ない数で１００％に近い大きな反射率となる。スタブ幅がそれ以外のときは大きな反射率を得るためにはスタブ数を増やす必要があり、また、周波数幅も狭くなる。しかしながら、これらの長さは限定されるものではなく反射する帯域幅との関係で設計的に規定されるものである。
【０１２８】
なお、変形例３では、スタブ１３ＡおよびＭＩＭリフレクタにより、閉口部側に伝送する漏れ電磁波が反射され、開口側に戻される。そして、反射された電磁波が出力として放射されるために、能動素子９０から発振される電磁波は高出力となる。
【０１２９】
変形例４においてもスタブ１３Ｂの動作は、スタブ１３Ａと同様であるため、重複する説明は省略する。
【０１３０】
なお、第２の電極２と第１の電極４の両方に多段のスタブを設けることにより、片方だけの場合に比べ約半分のスタブ数で同等の大きな反射率を得ることができる。また、周波数幅や中心周波数を決める際の設計の自由度を上げることができるので、設計上極めて有効である。なお、第２の電極２と第１の電極４の双方に付けるスタブの長さ、数、間隔は必ずしも等しい必要はなく、設計上自由に変更することができる。
【０１３１】
変形例３および変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易となる。
【０１３２】
変形例３および変形例４に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、ＭＩＭレフレクタを構成する電極にスタブ構造を組み合わせることによって、基板に水平な方向にさらに効率良く、指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することが可能となる。
【０１３３】
―変形例５―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図３２に示すように表される。
【０１３４】
変形例５に係る係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においても、第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）、第２の電極２，２ａ、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０の構成は、変形例２と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。
【０１３５】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子は、図３２に示すように、絶縁体基板１０と、絶縁体基板１０上に配置された第１の電極４（４ａ，４ｂ，４ｃ）と、第１の電極４ａ（図２８）上に配置された絶縁層３（図２８）と、絶縁体基板１０上に配置された層間絶縁膜９（図２８）と、層間絶縁膜９上に配置され、かつ第１の電極４ａに対して絶縁層３を介して第１の電極４に対向して配置された第２の電極２，２ａと、第２の電極２上に配置された半導体層９１ａと、絶縁体基板１０上に第１の電極４に隣接し、かつ第２の電極２ａとは反対側に第１の電極４に対向して配置された第１スロットライン電極４１と、絶縁体基板１０上に第２の電極２ａに隣接し、かつ第１の電極４とは反対側に第２の電極２ａに対向して配置された第２スロットライン電極２１と、絶縁層３を挟み第１の電極４ａと第２の電極２間に形成されたＭＩＭリフレクタ５０と、ＭＩＭリフレクタ５０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された共振器６０と、共振器６０の略中央部に配置された能動素子９０と、共振器６０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された第１導波路７０と、第１導波路７０に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第２の電極２間に配置された第１ホーン開口部８０と、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第１スロットライン電極４１間に配置された第２導波路７１と、第２導波路７１に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１の電極４と第１スロットライン電極４１間に配置された第２ホーン開口部８１と、絶縁体基板１０上に対向する第２の電極２ａと第２スロットライン電極２１間に配置された第３導波路７２と、第３導波路７２に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第２の電極２ａと第２スロットライン電極２１間に配置された第３ホーン開口部８２とを備える。
【０１３６】
変形例２と同様に、能動素子９０としてはＲＴＤが代表的なものであるが、これ以外のダイオードやトランジスタでも構成可能なものである。その他の能動素子としては、例えば、ＴＵＮＮＥＴＴダイオード、ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＧａＡｓＦＥＴ、ＧａＮ系ＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＨＢＴなどを適用することもできる。
【０１３７】
ホーン開口部８０〜８２は、開口ホーンアンテナを構成する。
【０１３８】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においては、図３２に示すように、出力端におけるスロットライン電極２１および４１の幅Ｗ４は、例えば、１６０μｍ程度である。また、図３２に示すように、出力端におけるホーン開口部８０の幅Ｄ２０およびホーン開口部８１および８２の幅Ｄ１０、および、スロットライン電極２１および４１の幅Ｗ４は、適宜変更可能である。
【０１３９】
導波路７０は、共振器６０の開口部に配置される。
【０１４０】
ＭＩＭリフレクタ５０は共振器６０の開口部と反対側の閉口部に配置される。
【０１４１】
ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、図３１（ａ）に示された変形例３と同様の複数のスタブを備えていても良い。同様に、ＭＩＭリフレクタ５０を構成する部分において、第２の電極２は、図３１（ｂ）に示された変形例４と同様の複数のスタブを備えていても良い。
【０１４２】
また、上記において、複数のスタブは、共振器６０に面して等間隔に配置されていても良く、また、間隔が変化するように配置されていても良い。
【０１４３】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。
【０１４４】
絶縁体基板１０として、ポリイミド樹脂基板を使用すると、全体の発振出力の内、約８７％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点は、変形例２と同様である。
【０１４５】
また、絶縁体基板１０として、テフロン（登録商標）樹脂基板を使用すると、変形例２と同様に、全体の発振出力の内、約７５％は、絶縁体基板１０側に放射され、ホーン開口部８０から横方向に放射される発振出力は、相対的に増大する点も、変形例２と同様である。
【０１４６】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においては、能動素子９０に接続された第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、同じ形状をしたテーパ形状の１対のスロットライン電極４１、２１を配置することで、変形例２に比べ、指向性がさらに向上する。
【０１４７】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナの両サイドに、テーパ形状の１対のスロットライン電極４１、２１を並列化配置することで、絶縁体基板１０上にテーパスロットアンテナを集積化しても、絶縁体基板１０の影響を抑制し、充分な指向性を得ることができる。
【０１４８】
中央部の第１の電極４および第２の電極２からなるテーパスロットアンテナから広がった電界が、両サイドに設けた１対のスロットライン電極４１、２１に引き込まれて、スロットライン電極４１、２１の端面で反射され、中央部の第１の電極４および第２の電極２に戻ってくる。このとき、中央部の第１の電極４および第２の電極２およびスロットライン電極４１、２１内には、定在波が形成され、反射してきた電界によって、外部に電磁波が放射される。中央部の第１の電極４および第２の電極２および１対のスロットライン電極４１、２１からの放射電磁界が、干渉し合うことによって、指向性が向上する。
【０１４９】
変形例５に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
【０１５０】
―変形例６―
実施の形態に係る相変化検出装置に適用される変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子の電極パターン構造の模式的平面構成は、図３３に示すように表される。
【０１５１】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子においても、第１の電極４、第２の電極２、ＭＩＭリフレクタ５０、共振器６０、能動素子９０、第１のスロットライン電極４１、第２のスロットライン電極２１の構成は、第２の実施の形態と同様であるため、以下において、重複説明は省略する。
【０１５２】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子は、図３３に示すように、図３２に示した変形例５の電極パターン構成に対して、さらに、１対のスロットライン電極２２,４２を並列化配置している。すなわち、絶縁体基板１０上に第１スロットライン電極４１に隣接し、かつ第１の電極４とは反対側に第１スロットライン電極４１に対向して配置された第３スロットライン電極４２と、絶縁体基板１０上に第２スロットライン電極２１に隣接し、かつ第２の電極２ａとは反対側に第２スロットライン電極２１に対向して配置された第４スロットライン電極２２と、絶縁体基板１０上に対向する第１スロットライン電極４１と第３スロットライン電極４２間に配置された第４導波路７４と、第４導波路７４に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第１スロットライン電極４１と第３スロットライン電極４２間に配置された第４ホーン開口部８４と、絶縁体基板１０上に対向する第２スロットライン電極２１と第４スロットライン電極２２間に配置された第５導波路７３と、第５導波路７３に隣接して、絶縁体基板１０上に対向する第２スロットライン電極２１と第４スロットライン電極２２間に配置された第５ホーン開口部８３とを備える。
【０１５３】
また、絶縁体基板１０は、半導体層９１ａよりも低誘電率材料の基板からなることが、横方向に電波を効率良く、指向性高く取り出す上で望ましい。低誘電率材料の絶縁体基板１０としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、ポリイミド樹脂基板、テフロン（登録商標）基板などを適用することができる。
【０１５４】
図３３の構成において、スロットライン電極２１,４１の外側に１対のスロットライン電極２２,４２をさらに並列化配置することによって、指向性がさらに向上する。
【０１５５】
変形例６に係るテラヘルツ発振素子およびテラヘルツ検出素子によれば、低誘電率の絶縁体基板を用いることで横方向の指向性を改善し、かつ２対のスロットライン電極を並列化配置して定在波を有効に発生させることによって、さらに高効率かつ高出力に、基板に対して横方向に指向性高くテラヘルツ電磁波を発振および検出することができ、しかも集積化が容易である。
【０１５６】
本実施の形態によれば、水と氷とで吸収係数が大きく異なるテラヘルツ波を用いることで、高感度に霜を検知可能な相変化検出装置を提供することができる。。
【０１５７】
本発明によれば、テラヘルツ波を用いて相変化媒体の相変化を検出可能な相変化検出装置を提供することができる。
【０１５８】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態に係る相変化検出装置について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０１５９】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明の相変化検出装置は、テラヘルツ帯の周波数領域で動作する発振素子および検出素子を適用することで、冷蔵庫内状態モニター、除霜センサー、除湿センサー、除霜センサーを組み込む冷蔵庫および冷凍庫、除湿センサーを組み込む自動車など、幅広い分野に適用することができる。
【符号の説明】
【０１６１】
１…半導体基板
２、２ａ…第２の電極
３…絶縁層
４、４ａ、４ｂ、４ｃ…第１の電極
５,６…凹部
７…凸部
８…突起部
９…層間絶縁膜
１０…絶縁体基板
１１…ガラス基板
１２…第１相変化媒体
１２ａ…水滴
１３Ａ,１３Ｂ…スタブ
１４…第２相変化媒体
１５…直流電源
１６…反射板（アルミニウム）
１８、４０…水蒸気（気体）
２０…外気
２１,２２,４１,４２…スロットライン電極
３０…相変化検出装置
３６…フロントガラス
３８…テラヘルツ発振素子
４４…テラヘルツ検出素子
５０…ＭＩＭリフレクタ
６０…共振器
７０,７１,７２,７３,７４…導波路
８０,８１,８２,８３,８４…ホーン開口部
９０…能動素子
９１ａ…半導体層
１００…テラヘルツ送信器
１２０…筐体
１４０…ヒータ
１５０…冷蔵庫（冷凍庫）
２００…テラヘルツ受信器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ発振素子と、
テラヘルツ検出素子と、
前記テラヘルツ発振素子と前記テラヘルツ検出素子との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体と
を備え、前記テラヘルツ発振素子から発振されたテラヘルツ波を前記相変化媒体に入射し、前記相変化媒体の透過テラヘルツ波若しくは反射テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出素子により検出し、前記相変化媒体の前記第１の相と前記第２の相との相変化を検出することを特徴とする相変化検出装置。
【請求項２】
前記相変化媒体は、ガラス基板上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項３】
前記ガラス基板上に、前記テラヘルツ発振素子から発振されたテラヘルツ波を反射する反射板を備えることを特徴とする請求項２に記載の相変化検出装置。
【請求項４】
前記反射板は、前記ガラス基板と前記相変化媒体との間に配置されることを特徴とする請求項２に記載の相変化検出装置。
【請求項５】
前記反射板は、前記相変化媒体が配置される前記ガラス基板面と反対側の前記ガラス板の裏面上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の相変化検出装置。
【請求項６】
前記ガラス基板に隣接して、ヒータが配置され、前記第１の相と前記第２の相の相変化に応じて、前記ヒータをオンオフすることを特徴とする請求項４に記載の相変化検出装置。
【請求項７】
前記相変化媒体の第１相は、霜であり、第２相は、水であることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項８】
前記相変化媒体の第１相は、水蒸気であり、第２相は、水であることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項９】
前記テラヘルツ検出素子は、共鳴トンネルダイオードからなる能動素子を備え、前記共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗を示す動作点における電流量の変化を検出して、前記透過テラヘルツ波若しくは前記反射テラヘルツ波を検出し、前記相変化媒体の前記第１の相と前記第２の相との相変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項１０】
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された絶縁層と、
前記第２の電極に対して前記絶縁層を介して配置され、かつ前記半導体基板上に前記第１の電極に対向して配置された第１の電極と、
前記絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置されたホーン開口部と
を備え、前記テラヘルツ発振素子および前記テラヘルツ検出素子は、同一構造を有するることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項１１】
前記テラヘルツ発振素子および前記テラヘルツ検出素子は、同一構造を有し、
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第１の電極に対して前記絶縁層を介して前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項１２】
前記テラヘルツ発振素子および前記テラヘルツ検出素子は、同一構造を有し、
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第１の電極に対して前記絶縁層を介して前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁体基板上に前記第１の電極に隣接し、かつ前記第２の電極とは反対側に前記第１の電極に対向して配置された第１スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に前記第２の電極に隣接し、かつ前記第１の電極とは反対側に前記第２の電極に対向して配置された第２スロットライン電極と、
前記絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された第１導波路と、
前記第１導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された第１ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第１スロットライン電極間に配置された第２導波路と、
前記第２導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第１スロットライン電極間に配置された第２ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第２の電極と前記第２スロットライン電極間に配置された第３導波路と、
前記第３導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第２の電極と前記第２スロットライン電極間に配置された第３ホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項１３】
前記能動素子は、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１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１４】
前記ホーン開口部は、開口ホーンアンテナを構成することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１５】
前記導波路は、前記共振器の開口部に配置されたことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１６】
前記ＭＩＭリフレクタは、前記共振器の開口部と反対側の閉口部に配置されたことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１７】
前記ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、前記第２の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１８】
前記ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、前記第１の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の相変化検出装置は、冷蔵庫に搭載されたことを特徴とする相変化検出装置。
【請求項２０】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の相変化検出装置は、自動車に搭載されたことを特徴とする相変化検出装置。
【請求項１】
テラヘルツ発振素子と、
テラヘルツ検出素子と、
前記テラヘルツ発振素子と前記テラヘルツ検出素子との間に配置され、第１の相と第２の相とを有する相変化媒体と
を備え、前記テラヘルツ発振素子から発振されたテラヘルツ波を前記相変化媒体に入射し、前記相変化媒体の透過テラヘルツ波若しくは反射テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出素子により検出し、前記相変化媒体の前記第１の相と前記第２の相との相変化を検出することを特徴とする相変化検出装置。
【請求項２】
前記相変化媒体は、ガラス基板上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項３】
前記ガラス基板上に、前記テラヘルツ発振素子から発振されたテラヘルツ波を反射する反射板を備えることを特徴とする請求項２に記載の相変化検出装置。
【請求項４】
前記反射板は、前記ガラス基板と前記相変化媒体との間に配置されることを特徴とする請求項２に記載の相変化検出装置。
【請求項５】
前記反射板は、前記相変化媒体が配置される前記ガラス基板面と反対側の前記ガラス板の裏面上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の相変化検出装置。
【請求項６】
前記ガラス基板に隣接して、ヒータが配置され、前記第１の相と前記第２の相の相変化に応じて、前記ヒータをオンオフすることを特徴とする請求項４に記載の相変化検出装置。
【請求項７】
前記相変化媒体の第１相は、霜であり、第２相は、水であることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項８】
前記相変化媒体の第１相は、水蒸気であり、第２相は、水であることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項９】
前記テラヘルツ検出素子は、共鳴トンネルダイオードからなる能動素子を備え、前記共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗を示す動作点における電流量の変化を検出して、前記透過テラヘルツ波若しくは前記反射テラヘルツ波を検出し、前記相変化媒体の前記第１の相と前記第２の相との相変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項１０】
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された絶縁層と、
前記第２の電極に対して前記絶縁層を介して配置され、かつ前記半導体基板上に前記第１の電極に対向して配置された第１の電極と、
前記絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記半導体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置されたホーン開口部と
を備え、前記テラヘルツ発振素子および前記テラヘルツ検出素子は、同一構造を有するることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項１１】
前記テラヘルツ発振素子および前記テラヘルツ検出素子は、同一構造を有し、
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第１の電極に対して前記絶縁層を介して前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された導波路と、
前記導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置されたホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項１２】
前記テラヘルツ発振素子および前記テラヘルツ検出素子は、同一構造を有し、
絶縁体基板と、
前記絶縁体基板上に配置された第１の電極と、
前記第１の電極上に配置された絶縁層と、
前記絶縁体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置され、かつ前記第１の電極に対して前記絶縁層を介して前記第１の電極に対向して配置された第２の電極と、
前記第２の電極上に配置された半導体層と、
前記絶縁体基板上に前記第１の電極に隣接し、かつ前記第２の電極とは反対側に前記第１の電極に対向して配置された第１スロットライン電極と、
前記絶縁体基板上に前記第２の電極に隣接し、かつ前記第１の電極とは反対側に前記第２の電極に対向して配置された第２スロットライン電極と、
前記絶縁層を挟み前記第１の電極と前記第２の電極間に形成されたＭＩＭリフレクタと、
前記ＭＩＭリフレクタに隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された共振器と、
前記共振器の略中央部に配置された能動素子と、
前記共振器に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された第１導波路と、
前記第１導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第２の電極間に配置された第１ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第１スロットライン電極間に配置された第２導波路と、
前記第２導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第１の電極と前記第１スロットライン電極間に配置された第２ホーン開口部と、
前記絶縁体基板上に対向する前記第２の電極と前記第２スロットライン電極間に配置された第３導波路と、
前記第３導波路に隣接して、前記絶縁体基板上に対向する前記第２の電極と前記第２スロットライン電極間に配置された第３ホーン開口部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の相変化検出装置。
【請求項１３】
前記能動素子は、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１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１４】
前記ホーン開口部は、開口ホーンアンテナを構成することを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１５】
前記導波路は、前記共振器の開口部に配置されたことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１６】
前記ＭＩＭリフレクタは、前記共振器の開口部と反対側の閉口部に配置されたことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１７】
前記ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、前記第２の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１８】
前記ＭＩＭリフレクタを構成する部分において、前記第１の電極は、複数のスタブを備えたことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の相変化検出装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の相変化検出装置は、冷蔵庫に搭載されたことを特徴とする相変化検出装置。
【請求項２０】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の相変化検出装置は、自動車に搭載されたことを特徴とする相変化検出装置。
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【公開番号】特開２０１３−９６６１５（Ｐ２０１３−９６６１５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３８３１０（Ｐ２０１１−２３８３１０）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
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