WO2012073298A1 - テラヘルツ電磁波変換装置 - Google Patents

テラヘルツ電磁波変換装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2012073298A1
WO2012073298A1 PCT/JP2010/007074 JP2010007074W WO2012073298A1 WO 2012073298 A1 WO2012073298 A1 WO 2012073298A1 JP 2010007074 W JP2010007074 W JP 2010007074W WO 2012073298 A1 WO2012073298 A1 WO 2012073298A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gates
electromagnetic wave
terahertz electromagnetic
fingers
conversion device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2010/007074
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
泰一 尾辻
ヴィチェスラブ ポポフ
ウォイチェク クナップ
ヤーヤ ムバラク メチアーニ
ニーナ ディアコノワ
ドミニク コキラ
フレデリク テッペ
デニス ファティフ
ペレス エスス エンリケ ベラスケス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universidad de Salamanca
Universite de Montpellier
Tohoku University NUC
Original Assignee
Universidad de Salamanca
Universite de Montpellier
Tohoku University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universidad de Salamanca, Universite de Montpellier, Tohoku University NUC filed Critical Universidad de Salamanca
Priority to PCT/JP2010/007074 priority Critical patent/WO2012073298A1/ja
Priority to EP10860400.0A priority patent/EP2648290A4/en
Priority to US13/991,407 priority patent/US9018683B2/en
Priority to JP2012546581A priority patent/JP5747420B2/ja
Publication of WO2012073298A1 publication Critical patent/WO2012073298A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having two-dimensional [2D] charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/475—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs
    • H10D30/4755—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs having wide bandgap charge-carrier supplying layers, e.g. modulation doped HEMTs such as n-AlGaAs/GaAs HEMTs
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00—Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/20—Electrodes characterised by their shapes, relative sizes or dispositions 
    • H10D64/27—Electrodes not carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched, e.g. gates
    • H10D64/311—Gate electrodes for field-effect devices
    • H10D64/411—Gate electrodes for field-effect devices for FETs
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H10F30/28—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices being characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistors
    • H10F30/282—Insulated-gate field-effect transistors [IGFET], e.g. MISFET [metal-insulator-semiconductor field-effect transistor] phototransistors

Definitions

  • the present invention relates to a terahertz electromagnetic wave conversion device, and more particularly, to a terahertz electromagnetic wave conversion device having a field effect transistor structure having a source, a gate, and a drain.
  • Terahertz electromagnetic waves in the frequency band of 0.1 THz to 30 THz exist in the middle region between high-frequency light and low-frequency radio waves, and have been unexplored until now.
  • the development of laser light technology has enabled the generation and detection of coherent terahertz electromagnetic waves, and the nature of penetrating the substance allows it to be used in security fields such as food inspection, envelope poisoning inspection, structural defect inspection, and LSI.
  • Active research is being conducted in the fields of disconnection inspection, biomolecular dynamics imaging, and space telescopes.
  • the current mainstream in the detection of high-frequency electromagnetic waves at room temperature is the technology that uses Schottky barrier diodes, which are electronically-running elements.
  • Schottky barrier diodes which are electronically-running elements.
  • the usable frequency limit (cut-off frequency) of the transistor is about 700 GHz.
  • HEMT high electron mobility transistor
  • 2DEG two-dimensional electron gas
  • the plasma wave velocity is about 10 8 cm / s, which is one to two orders of magnitude greater than the drift velocity. From this, the resonance frequency of plasmon generated due to the plasma wave is higher than the cutoff frequency of the conventional transistor using carrier transport, and can reach a frequency of several tens of THz. Terahertz electromagnetic waves can be detected by such excitation of two-dimensional plasmons.
  • the vibration energy of electromagnetic waves (photons) and plasmons is proportional to the frequency, and the momentum is inversely proportional to the wavelength. Therefore, when plasmon and electromagnetic waves are converted to each other as vibrations of the same frequency, the energy is conserved. Is not saved. Conversion is difficult also from this viewpoint.
  • FIG. 1 shows the relationship between the frequency and wave number of electromagnetic waves and plasma waves.
  • the wave number k on the horizontal axis is proportional to 1 / ⁇ and is a quantity related to momentum.
  • the frequency f on the vertical axis is an amount related to energy.
  • the slope c of the straight line of the electromagnetic wave is the speed of light and is about 3 ⁇ 10 8 m / s.
  • the slope v p of the straight line of the plasma wave is a value proportional to the root of the electron density n and is about 10 5 to 10 6 m / s.
  • FIG. 1 is schematically illustrated, the slopes of the two curves differ by about two digits.
  • FIG. 2 shows a conventional terahertz electromagnetic wave detection device that solves the above problem and enables mode conversion.
  • the HEMT structure includes a substrate 201, an electron transit layer 202, an electron supply layer 203, a source 204, and a drain 205, and includes a first set of gates G1 and a second set of gates G2.
  • the gate length L1 of each gate of the first set of gates G1 (each comb-like gate is called a “finger”) is greater than the gate length L2 of each gate of the second set of gates G2.
  • Each gate of each set is arranged between the source 204 and the drain 205 with the same spatial period W.
  • the first set of gates G1 and the second set of gates G2 are gratings having a period W and are interdigitated, so that the two sets of gates are combined. This is referred to as an “interdigitated dual-grating gate”.
  • i is an integer value of 2 or 4, and when both ends of the high electron concentration region under each gate are symmetrical boundaries, both ends become nodes or both ends become antinodes, and in the case of an asymmetric boundary, When one end is a node (antinode), the other end becomes an antinode (node).
  • the first set of gates G1 has a higher electron density n and a smaller gate length L than the second set of gates G2, so that the resonance frequency is sufficiently higher for the first set of gates G1. Become a relationship.
  • Such periodicity of the resonance frequency of the plasma wave changes the straight line of the plasma wave shown in FIG.
  • the straight line of the plasma wave is folded at a wave number ⁇ / W that is the boundary of the Brillouin zone due to the periodicity of the gate.
  • the alternately arranged first and second gates G1 and G2 having the same period W function as antennas and enable mode conversion between terahertz electromagnetic waves and plasma waves.
  • FIG. 3 is shown schematically, and considering the actual smallness of the slope v p , it should be noted that many frequencies satisfy both the energy conservation law and the momentum conservation law.
  • the case where voltages are respectively applied to the first set of gates G1 and the second set of gates G2 has been described as an example. However, if one is set to a higher potential than the other, the same applies. The argument is established. For example, the second set of gates G2 may be short-circuited without applying a voltage, and the voltage may be applied only to the first set of gates G1.
  • the resonance frequency will be different if the gate length is different, resulting in periodicity. To do.
  • Patent Document 1 discloses a terahertz electromagnetic wave radiation element using the structure shown in FIG.
  • the energy of the terahertz electromagnetic wave is converted into a plasma wave by the periodic antenna structure, in other words, the plasma wave can be excited.
  • the plasma wave can be excited by some external factor, the energy of the plasma wave can be converted into a terahertz electromagnetic wave.
  • Conversion from terahertz electromagnetic waves to plasma waves is an effective means as a detection mechanism for terahertz electromagnetic waves, while conversion from plasma waves to terahertz electromagnetic waves is an effective means as a generation mechanism for terahertz electromagnetic waves. Two mechanisms for detecting and generating these terahertz electromagnetic waves will be described below.
  • a terahertz electromagnetic wave detection device means a device that outputs a DC voltage or current according to the incident power of a terahertz electromagnetic wave, using a Schottky barrier diode as a representative example.
  • the current / voltage characteristics of the diode have nonlinear characteristics in which the current increases exponentially with the voltage in the forward direction. As shown in FIG.
  • the detection mechanism similar to that described above can be realized by the non-linearity of the plasma waves.
  • the detection signal can be taken out as the fluctuation amount of the direct current or the direct voltage is the electrode portion of the transistor, the source electrode is grounded, the drain In the grounded source configuration in which the electrode is connected to the power supply through a load resistor, the electrode is extracted from the drain electrode as the amount of variation in the drain voltage.
  • asymmetric boundary conditions both ends (source end and drain end) of the region in the electron transit layer where the plasma wave generates a standing wave have electrically different boundary conditions (hereinafter referred to as “asymmetric boundary conditions”). is there. From a different viewpoint, it can be seen that the energy of the terahertz electromagnetic wave is converted into direct current energy through a plasma wave placed under an asymmetric boundary condition.
  • the electron transit layer of the transistor it accompanies thermal disturbance, DC current flowing from the drain to the source (microscopic electron DC drift running), and photoelectron / hole pairs generated by light absorption. Due to the presence of photocurrent and the like, the spatial distribution of electrons is always dense and varies with time. This density of electrons that varies with time is a plasma wave.
  • a direct current flows between the source and drain due to a direct current drift of electrons, and both ends of the source and drain are in an asymmetric boundary condition of short circuit and open circuit, respectively, the amplitude of the plasma wave is multiplexed at the drain end. As reflection is repeated, it gradually increases and self-oscillation occurs. This is called plasma instability. The principle of this plasma instability will be further described.
  • a plasma wave is a charge density wave due to local charge fluctuations moving at a certain speed caused by local fluctuations from a uniform electron concentration distribution. Accordingly, the current component of the plasma wave is given by the product of the local fluctuation amount e ⁇ n of the charge density and the plasma wave propagation velocity vp.
  • e is an elementary charge
  • ⁇ n is a local fluctuation amount of the electron density.
  • the two operating mechanisms for detection and generation of terahertz electromagnetic waves can be summarized as follows. If the energy of terahertz electromagnetic waves can be efficiently converted into direct current energy through conversion between terahertz electromagnetic waves and plasma waves, a highly sensitive terahertz electromagnetic wave detection device will be developed. If direct current energy can be efficiently converted into terahertz electromagnetic waves, a highly efficient and high output terahertz electromagnetic wave generator can be configured.
  • the conventional structure shown in FIG. 2 has a problem that conversion efficiency between terahertz electromagnetic wave energy and direct current energy via plasma waves is low.
  • the present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a terahertz electromagnetic wave energy and direct current via plasma waves in a field effect transistor structure terahertz electromagnetic wave converter having a source, a gate, and a drain.
  • the purpose is to improve the conversion efficiency between energy.
  • the “conversion device” is intended to include both a detection device that converts terahertz electromagnetic wave energy into DC energy via a plasma wave and a radiation device that converts DC energy into terahertz electromagnetic wave via a plasma wave. ing.
  • a field effect transistor structure terahertz electromagnetic wave conversion device having a source, a gate, and a drain, wherein a plurality of fingers arranged in parallel at intervals are provided.
  • a first set of gates and a second set of gates having a plurality of spaced apart parallel fingers on the surface of the field effect transistor structure;
  • a first distance D1 and a second distance D2 between each finger and two fingers of the second set of gates adjacent to each finger are made unequal in length.
  • the second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, D1 / D2 is about 0.55.
  • the third aspect of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, the gate length of at least one pair of gates gradually decreases from the source toward the drain.
  • a fourth aspect of the present invention is characterized in that, in the first or second aspect, the source is short-circuited and a DC bias current is applied between the source and the drain.
  • the gate length of the first set of gates is narrower than the gate length of the second set of gates.
  • the potential is higher than the potential of the second set of gates, and the electron density under the first set of gates is higher than the electron density under the second set of gates.
  • the gate length of the first set of gates is narrower than the gate length of the second set of gates.
  • the potential is equal to the potential of the second set of gates, and the electron density under the first set of gates is higher than the electron density under the second set of gates.
  • the gate length of the first set of gates is equal to the gate length of the second set of gates.
  • the potential is larger than the potential of the second set of gates, and the electron density under the first set of gates is higher than the electron density under the second set of gates.
  • the gate lengths of the first set of gates gradually decrease from the source toward the drain. To do.
  • the gate length is determined so that the ratio of the square root of the electron concentration to the gate length is a constant value in each finger of the first set of gates. It is characterized by being.
  • a tenth aspect of the present invention is characterized in that, in any of the first to ninth aspects, the field effect transistor structure is a HEMT structure.
  • a plurality of fingers arranged in parallel at intervals are provided.
  • a first set of gates having the first set of gates and a second set of gates having a plurality of spaced apart parallel fingers on the surface of the field effect transistor structure;
  • the plurality of fingers included in the gate and the plurality of fingers included in the second set of gates are alternately arranged, and are adjacent to each finger of the first set of gates and to the drain side of each of the fingers.
  • the first distance D1 between the fingers of the second set of gates, the fingers, and the fingers adjacent to the source side of the fingers Characterized in that the fingers with the pair of gate unequal length and a second distance D2 between.
  • each finger of the first set of gates G1 and the fingers of the second set of gates G2 arranged between the source 204 and the drain 205 each finger of the first set of gates G1 and the fingers
  • the first distance D1 and the second distance D2 between the two fingers of the second set of gates G2 adjacent to each other are made unequal in length.
  • the conversion efficiency between terahertz electromagnetic wave energy and direct current energy through waves can be improved by orders of magnitude.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the relationship between the frequency and wave number of electromagnetic waves and plasma waves.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a conventional terahertz electromagnetic wave conversion device.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the relationship between the frequency and wave number of electromagnetic waves and plasma waves in the terahertz electromagnetic wave conversion device of FIG.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating a terahertz electromagnetic wave detection device using a Schottky barrier diode.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining nonlinearity of current / voltage characteristics of a Schottky barrier diode.
  • FIG. 5 is a diagram showing a terahertz electromagnetic wave converter according to the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a simulation model of the terahertz electromagnetic wave conversion device according to the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a simulation result of the relationship between the relative light response and D1 / D2.
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of the relationship between absorbance and D1 / D2.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a simulation result of the relationship between the optical response at each frequency and D1 / D2.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a simulation result of the relationship between the relative light response and D1 / D2.
  • FIG. 13 is a diagram showing a simulation result of the relationship between absorbance and D1 / D2.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a simulation result of the relationship between the optical response at each frequency and D1 / D2.
  • FIG. 5 shows a terahertz electromagnetic wave converter according to the present invention.
  • the structure is almost the same as that of the conventional terahertz electromagnetic wave conversion device shown in FIG. 2, but each finger of the first set of gates G1 and two fingers of the second set of gates G2 adjacent to the fingers The first distance D1 and the second distance D2 between them are unequal lengths.
  • the terahertz electromagnetic wave conversion device can be manufactured as follows. (1) First, a desired heteroepitaxial layer is grown on the semiconductor substrate 201. For example, a GaAs buffer layer (not shown) is epitaxially grown on a semi-insulating GaAs substrate 201, and an InGaAs layer is epitaxially grown thereon as the electron transit layer 202. Then, as an electron supply layer and a barrier layer on the electron transit layer 202, an InGaP layer is epitaxially grown (while locally doping Si as a donor), and a high layer for the source 204 and the drain 205 is formed thereon. A highly doped InGaAs layer (not shown) in which Si is implanted at a concentration is grown.
  • the formation region of the source 204 and the drain 205 is specified by resist coating, light exposure and etching, and (5) the source 204 and the drain 205 are formed by metal deposition and lift-off.
  • the first and second sets of gates G1 and G2 are formed by metal deposition and lift-off.
  • a metal wiring portion (not shown) from the source 204, the drain 205, the first and second sets of gates G1 and G2 to the pad lead electrode portion (not shown) is formed by resist coating, light exposure and etching.
  • the metal wiring portion is formed by metal vapor deposition and lift-off.
  • passivation is performed with an insulating film (not shown) such as SiN.
  • the pad lead electrode portion is specified by resist application, light exposure, and etching, and the insulating film on the pad lead electrode portion is removed.
  • FIG. 6 shows a simulation model
  • FIG. 7 shows a simulation result.
  • the gate length L1 of the first set of gates G1 is 0.1 ⁇ m
  • the gate length L2 of the second set of gates G2 is 0.6 ⁇ m
  • the period W is 0.9 ⁇ m
  • the number of repetitions of the basic periodic structure is 89 (accordingly,
  • the distance of the electron transit layer 202 was 80.1 ⁇ m), and the distance d between the surface of the HEMT structure and the region where 2DEG was present was 65 nm.
  • the source end was short-circuited, and the DC bias current between the source and the drain was 0.5 A (that is, 0.5 A / mm) per 1 mm of the gate width Lw (length in the depth direction perpendicular to the paper surface).
  • Non-Patent Documents 1 to 3 For the specific method of simulation, refer to Non-Patent Documents 1 to 3. The outline of the method is as follows. (1) First, by applying the potentials of the first and second sets of gates G1 and G2 and the drain 205 and solving the Poisson equation, the charge density of the spatially distributed region of the two-dimensional electron layer Find the distribution. The charge density distribution is incorporated into the Maxwell equation and the spatial distribution of the electromagnetic field is solved. The plasma wave is given as a temporal and spatial variation of the charge density distribution. There are a time domain analysis and a frequency domain analysis as a solution method. Since the electric field distribution in the steady state may be obtained, the frequency domain analysis is adopted in this embodiment.
  • the electric field, the magnetic field and the current component caused by them are defined as the fundamental standing wave defined by the periodic structure.
  • the Galerkin method is employed in this embodiment (see Non-Patent Documents 1 and 2).
  • Absorbance is given by the ratio of the real part of the spatial integral of the product of the current density and the electric field and the energy of the incident electromagnetic wave, that is, the ratio of the electromagnetic wave energy absorbed in the plasmon region to the incident electromagnetic wave energy according to Joule's law (Non-Patent Document). 2).
  • the current component of the plasma wave is obtained as the product of the fluctuation of the charge density and the electron velocity by solving the hydrodynamic equation for the plasma wave in the two-dimensional electron layer. Can be calculated.
  • the charge density and the electron velocity component can be analyzed by analyzing the Fourier series by expanding the Fourier series.
  • Lw is the gate width (length in the depth direction)
  • ⁇ 0 is the background DC conductivity (DC conductivity in a static state without local fluctuations in charge density and electron velocity) (see Non-Patent Document 3).
  • the drain potential fluctuation amount ⁇ Vds per unit incident power 1 W of the terahertz electromagnetic wave is expressed as a photoresponse (unit: V / W).
  • all terahertz electromagnetic waves are incident vertically from the upper part on the side where the gate electrode exists.
  • the relative optical response has a peak at about 0.5, but if the relative optical response is 50 times or more is regarded as a significant improvement over the prior art, D1 / D2 is 0.23 ⁇ D1. It can be seen from FIG. 7 that /D2 ⁇ 0.72 is preferable.
  • the ability to convert terahertz electromagnetic wave energy and direct current energy via plasma waves can be improved by orders of magnitude, that is, the light (terahertz electromagnetic wave) response sensitivity in the detection operation, and in the generation operation, It was found that the electromagnetic radiation intensity can be improved by orders of magnitude.
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation result of the relationship between absorbance at each frequency and D1 / D2 using the model of FIG. FIG. 8 shows that the absorption of the terahertz electromagnetic wave is uniform without depending on D1 / D2, and that the absorbance is uniformly high at a specific frequency corresponding to the plasmon resonance frequency.
  • FIG. 9 shows a simulation result of the relationship between the optical response at each frequency and D1 / D2.
  • the optical response at 6.4 THz is normalized with this value, the relative optical response shown in FIG. The one corresponding to the graph is obtained.
  • the gate length L1 of the first set of gates G1 is 0.5 ⁇ m
  • the gate length L2 of the second set of gates G2 is 2.0 ⁇ m
  • the period W is 4.0 ⁇ m
  • the number of repetitions of the basic periodic structure is 50 (accordingly,
  • the distance of the electron transit layer 202 was 200 ⁇ m)
  • the distance d between the surface of the HEMT structure and the region where 2DEG was present was 40 nm.
  • the source end was short-circuited
  • the DC bias current between the source and the drain was 0.5 A (that is, 0.5 A / mm) per 1 mm of the gate width Lw (length in the depth direction perpendicular to the paper surface).
  • This graph shows the electric field strength amplitude in the vicinity of the center of the gap on the left side of the second set of gates G2.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a simulation result of the relationship between the relative light response and D1 / D2.
  • the electron concentration N 1 in each region under the narrower gate is set to 2.57 ⁇ 10 16 m ⁇ 2, and the electron concentrations N 2 to N 4 in other regions are set to the same value 2.57 ⁇ 10. 15 m -2 is set.
  • the other conditions are the same as those in FIGS.
  • the gate length L1 of the first set of gates G1 is 0.1 ⁇ m
  • the gate length L2 of the second set of gates G2 is 0.6 ⁇ m
  • the period W is 0.9 ⁇ m
  • the number of repetitions of the basic periodic structure is 89 ( Therefore, the distance of the electron transit layer 202 is 80.1 ⁇ m), and the distance d between the surface of the HEMT structure and the region where 2DEG exists is 65 nm.
  • the source end was short-circuited, and the DC bias current between the source and the drain was set to 0.5 A (that is, 0.5 A / mm) per 1 mm of the gate width Lw.
  • the relative optical response is about 5.5 ⁇ 10 3 , which is significantly improved by almost two digits compared to the result of FIG.
  • This result is based on the actual operating conditions in which this device is actually used, and the plasma concentration in each region under the narrower gate with an electron concentration that is one digit higher due to the large difference in the electron concentration. This is due to the fact that the resonance phenomenon of the plasma wave shown in the equation (1) occurs more strongly because the wave is confined more strongly. Further, as compared with the result of FIG. 7, the dependence of relative light intensity on D1 / D2 is sensitive, and there are a plurality of peaks having different intensities.
  • the optical response is caused by the superposition of the distortion component due to the nonlinear characteristic of the plasma wave, that is, the higher-order harmonic component with respect to the fundamental standing wave of the plasma wave.
  • the spatial distribution of the electron concentration in the source / drain direction in the electron transit layer causes the phase characteristic of the higher-order harmonic component to be asymmetry of the electric field strength distribution determined by D1 / D2. It depends on sensitivity.
  • strong D1 / D2 dependence appears in the optical response, which is the direct current component (the variation from the initial value of the time average value of the drain current component due to the plasma wave).
  • FIG. 12 shows that the optical response sensitivity, that is, the detection sensitivity of the terahertz electromagnetic wave is greatly improved as in FIG. 7, but as described above, the plasma instability is clearly induced by realizing the asymmetric boundary condition. In addition, since the resonance phenomenon of the plasma wave is generated more strongly, the generation and radiation ability of the terahertz electromagnetic wave is remarkably improved.
  • FIG. 13 is a diagram showing simulation results of the relationship between absorbance at each frequency and D1 / D2. 13 is a simulation using the model of FIG. 6 under the same conditions as FIG. From FIG. 13, as in FIG. 8, the absorbance of the terahertz electromagnetic wave is uniform without depending on D1 / D2, and the absorbance is uniformly high at a specific frequency (7.0 THz) corresponding to the plasmon resonance frequency. I understand that.
  • FIG. 14 shows a simulation result of the relationship between the optical response at each frequency and D1 / D2.
  • a technique disclosed in Patent Document 2 can be cited as a technique for suppressing the spectrum spread.
  • the resonance frequency in each plasmon region is proportional to the ratio of the square root of the electron concentration n to the gate length L. Therefore, if the gate length is determined from the source to the drain so that this ratio becomes a constant value, it is possible to avoid the mismatch of the resonance frequencies and suppress the spectrum spread.
  • the design is complicated, it is possible to make the period W constant and D1 / D2 constant.
  • the finger periods of the first set of gates G1 and the second set of gates G2 are not constant, the asymmetric boundary condition can be realized by making D1 / D2 constant, and the present invention is effective. Note that it works.
  • the ratio of the square root of the electron concentration n to the gate length L is a constant value, but by decreasing the gate length of at least one set of gates sequentially from the source to the drain, The effect of suppressing the spectrum spread can be obtained.
  • the Brillouin zone described in FIG. 3 differs depending on the period, so that the return of the plasma wave dispersion characteristic at the Brillouin zone boundary is not uniform, and the terahertz electromagnetic wave and the plasma wave energy
  • the position of the intersection between the dispersion line of the terahertz electromagnetic wave and the dispersion line of the plasma wave that can be converted is shifted for each finger of the gate.
  • the speed of the terahertz electromagnetic wave and the speed of the plasma wave are more than two orders of magnitude, the intersection of the dispersion line of the terahertz electromagnetic wave and the dispersion line of the plasma wave that enables the energy conversion of the terahertz electromagnetic wave and the plasma wave.
  • the fluctuation range of the finger period (the fluctuation range of the Brillouin zone boundary point) is at most within an order of magnitude. Even if it occurs, there is no obstacle to the conversion efficiency between the terahertz electromagnetic wave and the plasma wave.

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)

Abstract

　電界効果トランジスタ構造のテラヘルツ電磁波変換装置において、プラズマ波を介したテラヘルツ電磁波エネルギーと直流エネルギーとの間の変換効率を向上させることを目的とする。本発明のテラヘルツ電磁波変換装置は、基板（２０１）、電子走行層（２０２）、電子供給層（２０３）、ソース（２０４）、及びドレイン（２０５）を有するＨＥＭＴ構造であり、第１の組のゲート（Ｇ１）と第２の組のゲート（Ｇ２）を備える。第１の組のゲート（Ｇ１）の各フィンガーのゲート長（Ｌ１）は、第２の組のゲート（Ｇ２）の各フィンガーのゲート長（Ｌ２）よりも狭く、各組の各フィンガーは、ともに同一の周期（Ｗ）でソース（２０４）とドレイン（２０５）との間に配置されている。第１の組のゲート（Ｇ１）の各フィンガーと、そのフィンガーに隣接する第２の組のゲート（Ｇ２）の２つのフィンガーとの間の第１の距離（Ｄ１）と第２の距離（Ｄ２）を不等長としている。

Description

テラヘルツ電磁波変換装置
　本発明は、テラヘルツ電磁波変換装置に関し、より詳細には、ソース、ゲート及びドレインを有する電界効果トランジスタ構造のテラヘルツ電磁波変換装置に関する。
　０．１ＴＨｚ～３０ＴＨｚの周波数帯にあるテラヘルツ電磁波は、高周波数の光と低周波数の電波の中間領域に存在し、これまでは未開拓の領域であった。近年、レーザー光技術の発展により、コヒーレントなテラヘルツ電磁波の発生および検知が可能になり、その物質を透過する性質から、食品検査、封筒内毒物検査、構造物の欠陥検査等のセキュリティ分野や、ＬＳＩ断線検査、生体分子のダイナミクスイメージング、宇宙望遠鏡等の分野で活発に研究がなされている。
　常温下での高周波数の電磁波の検出における現在の主流は、電子走行型素子であるショットキーバリアダイオードを用いた技術であるが、周波数の向上とともに一層の微細化が必要となり、必然的に感度低下をきたす。電子の移動速度では、トランジスタの使用限界周波数（カットオフ周波数）は７００ＧＨｚ程度である。
　それに対して、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）をプラズモン共鳴型素子として動作させた場合には、電子走行に依存せず、電子の分極振動によって機能するため、テラヘルツ以上の超高周波域でも感度低下を来さない。ＨＥＭＴの電子走行層に存在する二次元電子ガス（２ＤＥＧ）は、その電子濃度が１０１２ｃｍ－２程度と非常に大きく、電子単体としての挙動よりも流体としての性質が顕著に現れる。このような二次元電子流体に外的な励起を加えると、電子の粗密波、つまりプラズマ波が発生する。プラズマ波が共振器構造内部で発生することによって量子化されたものがプラズモンである。電子のドリフト速度がたかだか１０７ｃｍ／ｓ程度であるのに対し、プラズマ波の速度はおよそ１０８ｃｍ／ｓ程度となり、ドリフト速度より１～２桁大きい値をとる。このことから、プラズマ波に起因して発生するプラズモンの共鳴周波数は、キャリア輸送を用いる従来のトランジスタのカットオフ周波数よりも高周波となり、数十ＴＨｚの周波数まで到達することが可能となる。こうした二次元プラズモンの励起によりテラヘルツ電磁波の検出が可能である。
　ここで、テラヘルツ電磁波とプラズマ波との間の変換メカニズムを説明する。自由空間を伝播する電磁波は横波である一方で、電子の粗密波であるプラズマ波はエバネッセントな非放射モードの分極（縦波）振動波であるため、プラズモン領域から外部へ向かう振動成分は全て減衰し、両者の変換は原理的にすることができない。また、この変換には、エネルギー保存則と運動量保存則の充足が要求されるが、プラズマ波の速度は上述の通り、真空中の光速度（３×１０１０ｃｍ／ｓ）に比して桁違いに低く、それに対応して、プラズマ波の波長は電磁波の波長に比して桁違いに短い。電磁波（フォトン）やプラズモンの振動エネルギーは周波数に比例し、運動量は波長に反比例するため、同じ周波数の振動としてプラズモンと電磁波の相互の変換が果たされるときに、エネルギーは保存則されるが、運動量は保存されない。この観点からも変換は困難である。
　図１に、電磁波およびプラズマ波の周波数と波数との関係を示す。横軸の波数ｋは１／λに比例し、運動量に関係する量である。縦軸の周波数ｆはエネルギーに関係する量である。ある周波数ｆ０でのモード変換を考えると、図１から明らかなように運動量保存則を成立させることができない。図中、電磁波の直線の傾きｃは、光速であり約３×１０８ｍ／ｓである。また、プラズマ波の直線の傾きｖｐは、電子密度ｎのルートに比例する値であり、約１０５～１０６ｍ／ｓである。図１は模式的に図示してあるが、２つの曲線の傾きは２桁程度異なることになる。
　図２は、上記問題を解決してモード変換を可能にする従来のテラヘルツ電磁波検出装置を示している。基板２０１、電子走行層２０２、電子供給層２０３、ソース２０４、及びドレイン２０５を有するＨＥＭＴ構造であり、第１の組のゲートＧ１と第２の組のゲートＧ２を備える。第１の組のゲートＧ１の各ゲート（櫛状（ｃｏｍｂ－ｌｉｋｅ）ゲートのそれぞれを「フィンガー」と呼ぶ。）のゲート長Ｌ１は、第２の組のゲートＧ２の各ゲートのゲート長Ｌ２よりも短く、各組の各ゲートは、ともに同一の空間的周期Ｗでソース２０４とドレイン２０５との間に配置されている。第１の組のゲートＧ１及び第２の組のゲートＧ２は、それぞれ周期Ｗの回折格子（ｇｒａｔｉｎｇ）であり、かつ、互いに入れ子状に配置されている（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）ため、二組のゲートをあわせて「入れ子状二重回折格子ゲート（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ　ｄｕａｌ－ｇｒａｔｉｎｇ　ｇａｔｅ）」と呼ぶ。
　ここで、第１の組のゲートＧ１の各ゲートに、高電圧ＶＧ１を、第２の組のゲートＧ２の各ゲートに、低電圧ＶＧ２（＜ＶＧ１）を印加した場合を考える。第１の組のゲートＧ１の下には第２の組のゲートＧ２の下よりも電子が多く集まり、電子密度ｎに差が生じる。上述したようにプラズマ波の速度は電子密度ｎのルートに比例する。第１の組のゲートＧ１と第２の組のゲートＧ２が異なる電圧状態にあるとき、各ゲート下の電子によるプラズマ波はゲートの幅を周期とする局在化した定在波となるため、次式でその基本定在波の共鳴周波数を表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ｉは、２又は４の整数値で、各ゲート下の高電子濃度の領域の両端が対称境界の場合は、両端ともに節または両端ともに腹になるため２、非対称境界の場合は、一端が節（腹）のとき他端は逆に腹（節）となるため４となる。第１の組のゲートＧ１では、第２の組のゲートＧ２よりも電子密度ｎが大きく、ゲート長Ｌが小さいことから、共鳴周波数は、第１の組のゲートＧ１の方が十分に大きいという関係になる。
　このようなプラズマ波の共鳴周波数の周期性は、図１に示したプラズマ波の直線に変化をもたらす。つまり、プラズマ波の直線が、ゲートの周期性に起因するブリルアンゾーンの境界である波数π／Ｗの位置で折り返される。折返しの結果、図３から明らかなように、エネルギー保存則を満たしつつ、運動量保存則を満たすことのできる周波数が存在することになる。交互に配置された、同一周期Ｗを有する第１及び第２の組のゲートＧ１、Ｇ２がアンテナとして機能して、テラヘルツ電磁波・プラズマ波間のモード変換を可能としていると言うことができる。
　なお、図３は図式的に示したものであり、傾きｖｐの実際の小ささを考えれば、エネルギー保存則と運動量保存則とを共に充足する周波数が多数生じることに留意されたい。
　また、上述の説明では、第１の組のゲートＧ１及び第２の組のゲートＧ２にそれぞれ電圧を印加した場合を例に説明したが、一方が他方よりも高電位となるようにすれば同様の議論が成立する。たとえば、第２の組のゲートＧ２には電圧を印加せずに短絡し、第１の組のゲートＧ１のみに電圧を印加してもよい。
　また、第１の組のゲートＧ１と第２の組のゲートＧ２の電位が等しくても、ゲート長が異なれば共鳴周波数も異なることとなり周期性が生じるため、上述の説明と同様の議論が成立する。
　特許文献１には、図２に示した構造を利用したテラヘルツ電磁波放射素子が開示されている。
　上述の機構によって、周期的なアンテナ構造によってテラヘルツ電磁波のエネルギーをプラズマ波に変換する、言いかえれば、プラズマ波を励起することが可能となる。その逆に、プラズマ波が何らかの外的要因によって励起されると、そのプラズマ波のエネルギーをテラヘルツ電磁波に変換することも可能となる。テラヘルツ電磁波からプラズマ波への変換は、テラヘルツ電磁波の検出機構として有効な手段であり、一方、プラズマ波からテラヘルツ電磁波への変換は、テラヘルツ電磁波の発生機構として有効な手段である。これらテラヘルツ電磁波の検出および発生という２つの機構について、以下に説明する。
　テラヘルツ電磁波のエネルギーがプラズマ波に変換されてプラズマ波が励起された際に、テラヘルツ波の検出が果たされるためには、さらにプラズマ波の非線形性を有効利用することが必要になる。テラヘルツ電磁波の検出装置とは、ショットキーバリアダイオードをその代表例として、テラヘルツ電磁波の入射電力に応じて、直流の電圧または電流を出力する装置のことを意味する。ダイオードの電流・電圧特性は、順方向に対しては電圧とともに指数関数的に電流が増加する非線形特性を有する。図４Ａのように、ショットキーバリアダイオードに予め正の一定の直流バイアスＶＤＣを印加しておき、そこへテラヘルツ電磁波を入射させると、電磁波の瞬時電圧成分Ｖａsin ωtに応じてダイオード電流が入射電磁波周波数で変調される。このとき、ダイオードの電流・電圧特性が非線形性を有するために、入射テラヘルツ電磁波が単一周波数の正弦波信号であっても、ダイオードの電流には、図４Ｂのような歪成分が生じる。この非線形応答の結果、ダイオード電流の時間平均値である直流成分をみると、もともとの直流電流値から変動していることがわかる。この変動量ΔＩＴＨｚが入射テラヘルツ電磁波の電力に依存することから、ダイオードの直流電流の変動量を測定することによって、テラヘルツ電磁波の入射電力を検出することができる。これは、ダイオードに負荷抵抗を接続すれば、負荷抵抗の両端に生じる電圧の変動量ΔＶＴＨｚとして検出することができる。電流・電圧特性の非線形性が強いほど、検出感度が高くなる。
　テラヘルツ電磁波がプラズマ波に変換された場合にも、プラズマ波の非線形性によって、上述したのと同様の検出機構が実現できる。このとき、プラズマ波を上述したトランジスタの電子走行層に励起した場合、直流電流または直流電圧の変動量として検出信号を取りだすことができるのはトランジスタの電極部であり、ソース電極を接地し、ドレイン電極は負荷抵抗を介して電源に接続するソース接地の構成においては、ドレイン電極からドレイン電圧の変動量として取り出すことになる。このとき、有意なドレイン電圧の変動を発生させるためには、言いかえれば、感度の高いテラヘルツ電磁波の検出を実現するためには、テラヘルツ電磁波の吸収によって励起されたプラズマ波に、ドレイン電極において、上述した歪成分ができるだけ大きく生じる必要がある。単一ゲート構造の最も単純な構造のトランジスタにおけるこのプラズマ波によるテラヘルツ電磁波の検出理論については、非特許文献５にその詳細が記載されているが、ソース電極を電気的に接地し、ドレイン電極を電気的に開放端とした場合に最も高い検出感度が得られることが記されている。ソース電極とともにドレイン電極も接地されている場合にはドレイン電極には電圧変動を生じさせることができないことからも、ドレイン電極を電気的に開放端とすることの必要性が理解される。ここで重要なのは、プラズマ波が定在波を生じる電子走行層内の領域の両端（ソース端とドレイン端）が電気的に異なる境界条件（以下「非対称境界条件」と呼ぶ。）を有することである。これは、見方を変えれば、非対称境界条件におかれたプラズマ波を介して、テラヘルツ電磁波のエネルギーが直流エネルギーに変換されたものであることが分かる。
　一方、トランジスタの電子走行層内では、熱的な擾乱、ドレインからソースに流れる直流電流（微視的に見れば電子の直流ドリフト走行）、光の吸収によって生成された光電子・正孔対に伴う光電流等の存在によって、常に電子の空間分布には粗密が生じ、時間的に変動している。時間変動するこの電子の粗密は、プラズマ波である。特に、電子の直流ドリフトによって直流電流がソース・ドレイン間に流れている場合であって、ソース及びドレインの両端がそれぞれ短絡及び開放の非対称境界条件にあるときには、プラズマ波の振幅がドレイン端で多重反射を繰り返すうちに次第に増大し、自励発振が生じる。これをプラズマ不安定性という。このプラズマ不安定性の原理についてさらに説明する。
　簡単のため、ソース端短絡、ドレイン端開放のような理想的な非対称境界条件を仮定する。ここでは、プラズマ波による電流成分がソース・ドレイン間を往復伝搬する場合を考える。プラズマ波とは均一な電子濃度分布からの局所的な変動によってもたらされる局所的電荷変動がある速度で移動することによる電荷密度波である。従って、プラズマ波の電流成分は、電荷密度の局所的変動量ｅΔｎとプラズマ波の伝搬速度ｖｐの積で与えられる。ここで、ｅは素電荷、Δｎは電子密度の局所変動量である。いま、ソース・ドレイン間の直流バイアスによって、電子走行層内では、電子が一様なドリフト速度ｖｄでソースからドレインへ走行している場合を考えると、ソースからドレインへ伝搬する（これを往路とする。）進行波の電流ｊＦは、そのときのΔｎとｖｐをそれぞれΔｎＦとｖｐＦとして、ｊＦ＝ｅΔｎＦ・ｖｐＦ＝ｅΔｎＦ・（ｓ＋ｖｄ）で与えられる。一方、ドレイン端（理想的開放端）で全反射したプラズマ波の復路（後退波）の電流成分ｊＢは、そのときのΔｎとｖｐをそれぞれΔｎＢとｖｐＢとして、ｊＢ＝ｅΔｎＢ・ｖｐＢ＝ｅΔｎＢ・（ｓ－ｖｄ）で与えられる。プラズマ波は往路では電子のドリフト流に重畳して流れるため、その速度はｓ＋ｖｄ（但し：ｓはプラズマ波の速度）で与えられ、復路では、ドリフト流に逆らって逆行するためにその速度はｓ－ｖｄで与えられる。理想的開放端では、反射の前後で電流が保存されるから、ｊＦ＝ｊＢが成立する。一般にｓは１０８ｃｍ／ｓ、ｖｄは１０５～１０６ｃｍ／ｓのオーダであって、ｓ＞ｖｄが成立するために、ｊＦ＝ｊＢの条件から、ΔｎＢ＞ΔｎＦが成立する。すなわち、反射の後には電荷密度の変動量が増大することになる。毎回反射を繰り返す毎に、電荷密度変動量がどんどん増大することになる。ここで、電荷密度はゲート電極と電子走行層の間のキャパシタの容量値をＣ（Ｆ：ファラッド）とすると、ゲート―電子走行層間電位Ｖｇとの間に、Ｑ＝ｅｎ＝ＣＶｇの関係が成立するから、電荷密度の変動ｅΔｎによってゲート電位Ｖｇも変動することになる。こうして、電荷密度がどんどん増大することによって、ゲート電位もどんどん変動量が増すことになり、不安定な発振状態に陥る。このプラズマ不安定性は、Ｍ．ＤｙａｋｏｎｏｖとＭ．Ｓｈｕｒによって１９９３年に明らかにされた（非特許文献４参照）。これはＤｙａｋｏｎｏｖ－Ｓｈｕｒ（ＤＳ）不安定性とも呼ばれる。ＤＳ不安定性誘発の必要条件はプラズマ波の共振器（ここでは電子走行層）の境界条件（ソース端とドレイン端のインピーダンス条件）の非対称性である。
　以上、テラヘルツ電磁波の検出と発生の２つの動作機構をまとめると、テラヘルツ電磁波とプラズマ波の変換を介して、テラヘルツ電磁波のエネルギーが直流エネルギーへと効率よく変換できれば、高感度なテラヘルツ電磁波検出装置を構成することができ、直流エネルギーがテラヘルツ電磁波へと効率よく変換できれば、高効率高出力なテラヘルツ電磁波発生装置を構成することができる。
国際公開第２００６／０３０６０８号 特開２００９－２２４４６７号公報
D. V. Fateev, V. V. Popov, and M. S. Shur, "Transformation of the Plasmon Spectrum in a Grating Gate Transistor Structure with Spatially Modulated Two Dimensional Electron Channel," Semiconductors, Vol. 44, No. 11, pp. 1406-1413, 2010. V.V Popov, G.M Tsymbalov and M.S Shur, "Plasma wave in-stability and amplification of terahertz radiation in field-effect-transistor arrays," J. Phys.: Condens. Matter, Vol. 20, iss. 384208 (6pages), 2008. G.R. Aizin, D.V. Gateev, G.M. Tsymbalov, and V.V. Popov, "Terahertz plasmon photoresponse in a density modulated two-dimensional electron channel of a GaAs/AlGaAs field-effect transistor," Appl. Phys. Lett. Vol. 91, iss. 163507 (3 pages), 2007. M. Dyakonov and M. Shur , Phys. Rev. Lett. Vol. 71, pp. 2465-2468, 1993. M. Dyakonov and M. Shur, IEEE Trans. Electron Devices Vol. 43, pp. 380-387, 1996.
　しかしながら、図２に示した従来の構造では、プラズマ波を介したテラヘルツ電磁波エネルギーと直流エネルギーとの間の変換効率が低いという問題があった。
　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ソース、ゲート及びドレインを有する電界効果トランジスタ構造のテラヘルツ電磁波変換装置において、プラズマ波を介したテラヘルツ電磁波エネルギーと直流エネルギーとの間の変換効率を向上させることを目的とする。ここで、「変換装置」とは、プラズマ波を介してテラヘルツ電磁波エネルギーを直流エネルギーに変換する検出装置と、プラズマ波を介して直流エネルギーをテラヘルツ電磁波に変換する放射装置を共に含むことが意図されている。
　このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、ソース、ゲート及びドレインを有する電界効果トランジスタ構造のテラヘルツ電磁波変換装置において、間隔をおいて並列に配置された複数のフィンガーを有する第１の組のゲートと、間隔をおいて並列に配置された複数のフィンガーを有する第２の組のゲートとを前記電界効果トランジスタ構造の表面上に備え、前記第１の組のゲートの各フィンガーと、前記各フィンガーに隣接する前記第２の組のゲートの２つのフィンガーとの間の第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２を不等長とすることを特徴とする。
　また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、Ｄ１／Ｄ２が約０．５５であることを特徴とする。
　また、本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記ソースから前記ドレインに向かって、少なくとも一方の組のゲートのゲート長が順次狭くなることを特徴とする。
　また、本発明の第４の態様は、第１又は第２の態様において、前記ソースが短絡され、前記ソースと前記ドレインとの間に直流バイアス電流が印加されていることを特徴とする。
　また、本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記第１の組のゲートのゲート長が、前記第２の組のゲートのゲート長より狭く、前記第１の組のゲートの電位は、前記第２の組のゲートの電位よりも高く、前記第１の組のゲートの下の電子密度は、前記第２の組のゲートの下の電子密度よりも高いことを特徴とする。
　また、本発明の第６の態様は、第４の態様において、前記第１の組のゲートのゲート長が、前記第２の組のゲートのゲート長より狭く、前記第１の組のゲートの電位は、前記第２の組のゲートの電位と等しく、前記第１の組のゲートの下の電子密度は、前記第２の組のゲートの下の電子密度よりも高いことを特徴とする。
　また、本発明の第７の態様は、第４の態様において、前記第１の組のゲートのゲート長が、前記第２の組のゲートのゲート長と等しく、前記第１の組のゲートの電位は、前記第２の組のゲートの電位よりも大きく、前記第１の組のゲートの下の電子密度は、前記第２の組のゲートの下の電子密度よりも高いことを特徴とする。
　また、本発明の第８の態様は、第５から第７のいずれかの態様において、前記ソースから前記ドレインに向かって、前記第１の組のゲートのゲート長が順次狭くなることを特徴とする。
　また、本発明の第９の態様は、第８の態様において、前記第１の組のゲートの各フィンガーにおいて、ゲート長に対する電子濃度の平方根の比が一定値となるようにゲート長が定まっていることを特徴とする。
　また、本発明の第１０の態様は、第１から第９のいずれかの態様において、前記電界効果トランジスタ構造がＨＥＭＴ構造であることを特徴とする。
　また、本発明の第１１の態様は、ソース、第１及び第２の組のゲート並びにドレインを有する電界効果トランジスタ構造のテラヘルツ電磁波変換装置において、間隔をおいて並列に配置された複数のフィンガーを有する前記第１の組のゲートと、間隔をおいて並列に配置された複数のフィンガーを有する前記第２の組のゲートとを前記電界効果トランジスタ構造の表面上に備え、前記第１の組のゲートが有する複数のフィンガーと、前記第２の組のゲートが有する複数のフィンガーは、交互に配置されており、前記第１の組のゲートの各フィンガーと、前記各フィンガーのドレイン側に隣接する、前記第２の組のゲートが有するフィンガーとの間の第１の距離Ｄ１と、前記各フィンガーと、前記各フィンガーのソース側に隣接する、前記第２の組のゲートが有するフィンガーとの間の第２の距離Ｄ２とを不等長とすることを特徴とする。
　本発明によれば、ソース２０４とドレイン２０５との間に配置されている第１の組のゲートＧ１と第２の組のゲートＧ２において、第１の組のゲートＧ１の各フィンガーと、そのフィンガーに隣接する第２の組のゲートＧ２の２つのフィンガーとの間の第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２を不等長とすることにより、電界効果トランジスタ構造のテラヘルツ電磁波変換装置において、プラズマ波を介したテラヘルツ電磁波エネルギーと直流エネルギーとの間の変換効率を桁違いに向上させることができる。
図１は、電磁波およびプラズマ波の周波数と波数との関係を模式的に示す図である。 図２は、従来のテラヘルツ電磁波変換装置を示す図である。 図３は、図２のテラヘルツ電磁波変換装置における、電磁波およびプラズマ波の周波数と波数との関係を模式的に示す図である。 図４Ａは、ショットキーバリアダイオードを用いたテラヘルツ電磁波の検出装置を示す図である。 図４Ｂは、ショットキーバリアダイオードの電流・電圧特性の非線形性を説明するための図である。 図５は、本発明に係るテラヘルツ電磁波変換装置を示す図である。 図６は、本発明に係るテラヘルツ電磁波変換装置のシミュレーションモデルを示す図である。 図７は、相対光応答とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。 図８は、吸光度とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。 図９は、各周波数における光応答とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。 図１０は、プラズマ不安定性について説明するために、Ｄ１／Ｄ２＝０．５の場合に電界強度振幅をフーリエ級数展開して解析した結果を示す図である。 図１１は、比較のために、Ｄ１／Ｄ２＝１．０の場合に電界強度振幅をフーリエ級数展開して解析した結果を示す図である。 図１２は、相対光応答とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。 図１３は、吸光度とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。 図１４は、各周波数における光応答とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
　（第１の実施形態）　
　図５に、本発明に係るテラヘルツ電磁波変換装置を示す。図２に示した従来のテラヘルツ電磁波変換装置とほぼ同一の構造であるが、第１の組のゲートＧ１の各フィンガーと、そのフィンガーに隣接する第２の組のゲートＧ２の２つのフィンガーとの間の第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２を不等長としている。
　テラヘルツ電磁波変換装置は、次のように作製することができる。（１）まず、半導体基板２０１上に、所望のヘテロエピタキシャル層を成長させる。例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板２０１上に、ＧａＡｓバッファ層（図示せず）をエピ成長し、その上に電子走行層２０２としてＩｎＧａＡｓ層をエピ成長する。そして、電子走行層２０２上の電子供給層およびバリア層として、（途中、ドナーのＳｉを局部的にドープしながら）ＩｎＧａＰ層をエピ成長し、その上に、ソース２０４及びドレイン２０５のための高濃度にＳｉを注入したハイドープＩｎＧａＡｓ層（図示せず）を成長する。
　（２）次いで、ヘテロエピタキシャル層の表面を洗浄した後、（３）電界効果トランジスタとして機能する領域（「メサ」と呼ぶ。）を残して、ヘテロエピタキシャル層をエッチングする（素子間分離）。（４）次いで、レジスト塗布、光露光およびエッチングによって、ソース２０４及びドレイン２０５の形成領域を特定し、（５）金属蒸着およびリフトオフによって、ソース２０４及びドレイン２０５を形成する。
　（６）レジスト塗布、光露光およびエッチングによって、トランジスタ能動領域（メサ）内の電子走行層領域上の余分なハイドープ層を除去した後、（７）レジスト塗布、電子線露光およびエッチングによって、第１及び第２の組のゲートＧ１、Ｇ２の形成領域を特定する。（８）そして、金属蒸着およびリフトオフによって、第１及び第２の組のゲートＧ１、Ｇ２を形成する。
　（９）その後、レジスト塗布、光露光およびエッチングによって、ソース２０４、ドレイン２０５、第１及び第２の組のゲートＧ１、Ｇ２からパッド引出電極部分（図示せず）までの金属配線部分（図示せず）を特定し、（１０）金属蒸着およびリフトオフによって、当該金属配線部分を形成する。（１１）そして、ＳｉＮなどの絶縁膜（図示せず）でパッシべーションする。（１２）最後に、レジスト塗布、光露光およびエッチングによって、パッド引出電極部分を特定し、パッド引出電極部分上の絶縁膜を除去する。
　本発明者らは、第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２を不等長とすることでテラヘルツ電磁波エネルギー・直流エネルギー間の変換効率に飛躍的な改善が得られることを電磁界数値解析によって検証した。図６にシミュレーションのモデルを示し、図７にシミュレーション結果を示す。
　図６では、シミュレーションを単純化するため、各領域の電子濃度Ｎ１～Ｎ４を同一の値２．５７×１０１６ｍ－２（＝２．５７×１０１２ｃｍ－２）に設定している。第１の組のゲートＧ１のゲート長Ｌ１を０．１μｍ、第２の組のゲートＧ２のゲート長Ｌ２を０．６μｍ、周期Ｗを０．９μｍ、基本周期構造の繰り返し数を８９（従って、電子走行層２０２の距離は８０．１μｍ）、ＨＥＭＴ構造の表面と２ＤＥＧが存在する領域との間の距離ｄを６５ｎｍとした。また、ソース端は短絡し、ソース・ドレイン間の直流バイアス電流は、ゲート幅Ｌｗ（紙面に垂直の奥行き方向の長さ）１ｍｍあたり０．５Ａ（すなわち０．５Ａ／ｍｍ）とした。
　シミュレーションの具体的方法については、非特許文献１～３を参照されたいが、その概略を説明すると以下の通りである。（１）まず、第１及び第２の組のゲートＧ１、Ｇ２の電位とドレイン２０５の電位を与え、ポアソン方程式を解くことによって、空間的に分布している二次元電子層の領域の電荷密度分布を求める。その電荷密度分布をマクスウェル方程式に組み込み、電磁界の空間分布を解く。プラズマ波は、電荷密度分布の時間的空間的変動として与えられる。解法には時間領域解析と周波数領域解析があるが、定常状態での電場分布を求めればよいので、本実施例では周波数領域解析を採用した。（２）対象とする入れ子状二重回折格子ゲートで規定される周期構造においては、電場、磁場およびそれらによってもたらされる電流成分を、当該周期構造で規定される基本定在波を基本成分とするフーリエ級数によって表現することができる。フーリエ級数の各成分に分離して、マクスウェル方程式を解く。解法には種々あるが、本実施例では、Ｇａｌｅｒｋｉｎ法を採用している（非特許文献１及び２参照）。（３）このようにして、電場および電流成分の空間分布が得られると、電磁波とプラズモンとの結合、言いかえれば、電磁波のプラズモンによる吸光度を計算することができる。吸光度はジュールの法則より、電流密度と電界の積の空間積分の実部と入射電磁波のエネルギーの比、すなわち、入射電磁波エネルギーに対するプラズモン領域に吸収された電磁波エネルギーの比によって与えられる（非特許文献２参照）。（４）電荷密度および電場の空間分布が算出されると、二次元電子層内のプラズマ波に対する流体力学方程式を解くことによって、電荷密度および電子速度の変動分の積として、プラズマ波による電流成分を算出することができる。この場合にも、周期構造を対象とする本発明では、電荷密度および電子速度成分をフーリエ級数展開して各フーリエ成分に分解して解析することができる。そうして、プラズマ波の直流電流成分δｊｄｃが得られれば、テラヘルツ電磁波に対する応答は、ドレイン電位の変動分δＶｄｓ＝－δｊｄｃ×Ｌｗ／σ０として求められる。ここで、Ｌｗはゲート幅（奥行き方向の長さ）、σ０は背景の直流導電率（電荷密度、電子速度の局所変動のない静止状態における直流導電率）である（非特許文献３参照）。以下では、テラヘルツ電磁波の単位入射電力１Ｗあたりのドレイン電位変動量δＶｄｓを光応答（ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎｓｅ、単位：Ｖ／Ｗ）として表記する。また、解析例においては、テラヘルツ電磁波は、すべてゲート電極が存在する側の上部より垂直に入射した場合を示す。
　図７の結果は、対称なＤ１／Ｄ２＝１．０のときの光応答で正規化している。つまり、第１の組のゲートＧ１と第２の組のゲートＧ２が等間隔で配置されている従来の図２のような場合と比較して、第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２にあえて差を設けるにつれて光応答が改善され、Ｄ１／Ｄ２＝０．５付近ではＤ１／Ｄ２＝１．０の７０倍程度となっている。約０．５で相対光応答がピークとなっているが、相対光応答が５０倍以上のときを従来の技術に比して顕著な改善と見なせば、Ｄ１／Ｄ２が０．２３≦Ｄ１／Ｄ２≦０．７２の範囲にあるのが好ましいことが図７から分かる。従来の図２のようなテラヘルツ電磁波変換装置ではＤ１／Ｄ２＝１．０であったが、本発明のようにゲート間隔を非対称にすることの物理的意義がこれまで理解されていなかったため、第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２に差を設ける動機がなかった。また、製造プロセスの観点からも、ゲート間隔を非対称にすることは露光条件の制御および管理が厳しくなり、歩留まりの低下やコスト高等のデメリットしか見出せなかった。以下で図面を参照して詳細に説明するが、本発明者らは、ゲート間隔を非対称、つまり第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２を不等長とすることにより、プラズマ不安定性を生じせしめることができ、その結果、プラズマ波を介したテラヘルツ電磁波エネルギーと直流エネルギーとの変換能力を桁違いに向上できること、すなわち、検出動作においては光（テラヘルツ電磁波）応答感度を、発生動作においては、電磁波放射強度をそれぞれ桁違いに向上できることを見出した。
　図８は、図６のモデルを用いた各周波数における吸光度とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。図８から、テラヘルツ電磁波の吸収度はＤ１／Ｄ２に依存せず一様であること、プラズモン共鳴周波数と対応する特定の周波数で一様に吸光度が高いことが分かる。
　図９は、各周波数における光応答とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示している。６．４ＴＨｚにおいて、Ｄ１／Ｄ２＝１．０のときの光応答が０．０３程度であり、この値で６．４ＴＨｚにおける光応答の正規化を行うと、図７に示した相対光応答のグラフに対応するものが得られる。
　図８及び９が示す重要な点は、テラヘルツ電磁波からプラズマ波への変換効率である吸光度自体は、二重回折格子ゲートの対称性を表すＤ１／Ｄ２にはほとんど依存しないものの、プラズマ波への変換を介して得られる光応答（直流電圧の変動分）、言いかえればテラヘルツ電磁波エネルギーから直流エネルギーへの変換効率は、本発明によって著しく向上することである。
　図１０及び１１を参照して、光応答感度、すなわちテラヘルツ電磁波の検出感度の向上に必要な非対称境界条件について説明する。ここでは、シミュレーションを単純化するため、各領域の電子濃度Ｎ１～Ｎ４を同一の値２．５７×１０１６ｍ－２（＝２．５７×１０１２ｃｍ－２）に設定している。第１の組のゲートＧ１のゲート長Ｌ１を０．５μｍ、第２の組のゲートＧ２のゲート長Ｌ２を２．０μｍ、周期Ｗを４．０μｍ、基本周期構造の繰り返し数を５０（従って、電子走行層２０２の距離は２００μｍ）、ＨＥＭＴ構造の表面と２ＤＥＧが存在する領域との間の距離ｄを４０ｎｍとした。また、ソース端は短絡し、ソース・ドレイン間の直流バイアス電流は、ゲート幅Ｌｗ（紙面に垂直の奥行き方向の長さ）１ｍｍあたり０．５Ａ（すなわち０．５Ａ／ｍｍ）とした。図１０は、Ｄ１／Ｄ２＝０．５の場合に、電界強度振幅をフーリエ級数展開して解析した結果を示している。ｐ＝１、２、３のグラフは、図６のモデルにおいて、第２の組のゲートＧ２の右側の間隙の中央付近における電界強度振幅を示しており、ｐ＝－１、－２、－３のグラフは、第２の組のゲートＧ２の左側の間隙の中央付近における電界強度振幅を示している。図１０より明白な通り、非対称構造においては、ゲートの左側と右側とで電界強度に大きな差異が生じている。この結果、非対称境界条件が実現でき、光応答感度が大きく向上することとなる。図１１は、比較のためにＤ１／Ｄ２＝１．０の場合の解析結果である。ゲートの左側と右側で電界強度が一致している対称境界条件となり、非対称境界条件が実現できていないことが分かる。
　図７および９は、光応答感度、すなわちテラヘルツ電磁波の検出感度が大きく向上することを示しているが、上述したとおり、非対称境界条件を実現することによってプラズマ不安定性が如実に誘起されることととなり、テラヘルツ電磁波の発生及び放射能力も格段に向上することは言うまでもない。
　ここまでは、ゲート下の各領域の電子濃度Ｎ１～Ｎ４を同一として説明してきたが、幅の狭い方のゲートの下の電子濃度Ｎ１を他の領域よりも大きくした例を挙げる。
　図１２は、相対光応答とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。幅の狭い方のゲートの下の各領域の電子濃度Ｎ１を２．５７×１０１６ｍ－２に設定し、その他の領域の電子濃度Ｎ２～Ｎ４を同一の値２．５７×１０１５ｍ－２に設定している。それ以外の条件は図７～９における条件と同一である。すなわち、第１の組のゲートＧ１のゲート長Ｌ１を０．１μｍ、第２の組のゲートＧ２のゲート長Ｌ２を０．６μｍ、周期Ｗを０．９μｍ、基本周期構造の繰り返し数を８９（従って、電子走行層２０２の距離は８０．１μｍ）、ＨＥＭＴ構造の表面と２ＤＥＧが存在する領域との間の距離ｄを６５ｎｍとした。また、ソース端は短絡し、ソース・ドレイン間の直流バイアス電流は、ゲート幅Ｌｗ１ｍｍあたり０．５Ａ（すなわち０．５Ａ／ｍｍ）とした。図１２の結果は、Ｄ１／Ｄ２＝１．０のときの光応答で正規化している。Ｄ１／Ｄ２＝０．５付近において、相対光応答が５．５×１０３程度となっており、図７の結果と比較して２桁近く大幅に向上している。この結果は、実際に本装置を使用する実使用条件を想定したものであって、電子濃度が１桁高い、幅の狭い方のゲートの下の各領域に、その電子濃度の大きな違いによってプラズマ波がより強く閉じ込められたために、（１）式に示したプラズマ波の共鳴現象がより強く生じることに起因する。また、図７の結果と比較して相対光強度のＤ１／Ｄ２に対する依存性が敏感でかつ異なる強度の著しいピークが複数存在している。前述したように、光応答は、プラズマ波の非線形特性による歪成分、すなわちプラズマ波の基本定在波に対する高次高調波成分の重畳によってもたらされる。本結果の場合、電子走行層内においてソース・ドレイン方向に電子濃度の空間分布を生じせしめたことによって、当該の高次高調波成分の位相特性が、Ｄ１／Ｄ２によって決まる電界強度分布の非対称性に敏感に依存することとなる。その結果、その直流成分（プラズマ波によるドレイン電流成分の時間平均値の初期値からの変動分）である光応答には、強いＤ１／Ｄ２依存性が現れるためである。図１２では、ピークがＤ１／Ｄ２＝０．５４であるが、図７に示した電子濃度一定の条件で示した相対光強度が５０倍以上となる条件は、Ｄ１／Ｄ２が０．５２≦Ｄ１／Ｄ２≦０．７８の範囲で得られる。さらに桁違いの強度として、相対光強度が１０００倍以上となる条件は、Ｄ１／Ｄ２が０．５３≦Ｄ１／Ｄ２≦０．５８の範囲で得られる。従って、本発明が有効に作用するためには、Ｄ１／Ｄ２が０．５３≦Ｄ１／Ｄ２≦０．５８にあるのが好ましい。最も好ましいのは、０．５５程度である。
　図１２では、図７と同様に、光応答感度、すなわちテラヘルツ電磁波の検出感度が大きく向上することを示しているが、上述したとおり、非対称境界条件を実現することによってプラズマ不安定性が如実に誘起されることととなり、かつ、プラズマ波の共鳴現象がより強く生じることによって、テラヘルツ電磁波の発生及び放射能力も格段に向上する。
　図１３は、各周波数における吸光度とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示す図である。図１２と同一の条件下で図６のモデルを用いたシミュレーションである。図１３から、図８と同様に、テラヘルツ電磁波の吸収度はＤ１／Ｄ２に依存せず一様であること、プラズモン共鳴周波数と対応する特定の周波数（７．０ＴＨｚ）で一様に吸光度が高いことが分かる。
　図１４は、各周波数における光応答とＤ１／Ｄ２との関係のシミュレーション結果を示している。７．０ＴＨｚにおける光応答の正規化を行うと、図１２に示した相対光応答のグラフに対応するものが得られる。
　図１３及び１４が示す重要な点は、テラヘルツ電磁波からプラズマ波への変換効率である吸光度自体は、二重回折格子ゲートの対称性を表すＤ１／Ｄ２にはほとんど依存しないものの、プラズマ波への変換を介して得られる光応答（直流電圧の変動分）、言いかえればテラヘルツ電磁波エネルギーから直流エネルギーへの変換効率は、本発明によって著しく向上することである。
　なお、図６～１４の説明においてゲート長等の具体的数値に言及しているが、本発明をこれらの数値に限定されるものではないことに留意されたい。
　（第２の実施形態）　
　以上では、ソース・ドレイン間に印加したバイアス電流に伴うソース・ドレイン間の電位差ＶＤＳの電子濃度に対する影響を考慮せずに議論してきた。しかし実際には、バイアス電位差ＶＤＳのため、ゲートとプラズマ波が存在する領域との間にかかる電圧がソースからドレインに向かって低下し、電子密度ｎが減少する。その結果、入れ子状二重回折格子ゲートの各ゲート直下の各プラズモン領域における共鳴周波数が異なってしまい、検出または放射されるテラヘルツ電磁波にスペクトル広がりが生じることになる。
　スペクトル広がりを抑止するための技術として、特許文献２に開示されたものが挙げられる。式（１）から分かるように、各プラズモン領域における共鳴周波数は、ゲート長Ｌに対する電子濃度ｎの平方根の比に比例する。そこで、この比が一定値となるようにソースからドレインに向かってゲート長を定めれば、共鳴周波数の不一致を回避してスペクトル広がりを抑止することができる。この際、設計は複雑になるが、周期Ｗを一定、かつ、Ｄ１／Ｄ２を一定にすることは可能である。また、第１の組のゲートＧ１及び第２の組のゲートＧ２が有するフィンガーの周期が一定でない場合であっても、Ｄ１／Ｄ２を一定にすれば非対称境界条件が実現でき、本発明が有効に作用することに留意されたい。第１の実施形態で説明した本発明に、このスペクトル広がりを抑止するための技術を組み合わせることにより、極めて高いテラヘルツ電磁波・プラズマ波間の変換効率と、スペクトル狭窄化を共に実現することができる。
　なお、ゲート長Ｌに対する電子濃度ｎの平方根の比が一定値となるように設計することが好ましいが、少なくとも一方の組のゲートのゲート長を、ソースからドレインに向かって順次狭くすることにより、スペクトル広がりを抑止する効果が得られる。
　また、フィンガーの周期が一定でない場合は、図３で説明したブリルアンゾーンが周期に応じて異なるために、ブリルアンゾーン境界におけるプラズマ波分散特性の折り返しが一様ではなくなり、テラヘルツ電磁波とプラズマ波のヘネルギー変換が可能となるテラヘルツ電磁波の分散線とプラズマ波の分散線との交点位置がゲートのフィンガーごとにずれることになる。しかし、上述した通り、テラヘルツ電磁波の速度とプラズマ波の速度が２桁以上の違いであるので、テラヘルツ電磁波とプラズマ波のヘネルギー変換が可能となるテラヘルツ電磁波の分散線とプラズマ波の分散線の交点は極めて稠密に存在すること、さらに、フィンガーの周期の変動幅（ブリルアンゾーン境界点の変動幅）はたかだか１桁以内におさまるために、それによる上記交点に変動（ゲートフィンガーの位置による分布）が生じたとしても、テラヘルツ電磁波とプラズマ波の変換効率にさしたる支障はきたさない。

Claims (11)

  1. 　ソース、ゲート及びドレインを有する電界効果トランジスタ構造のテラヘルツ電磁波変換装置において、
    　間隔をおいて並列に配置された複数のフィンガーを有する第１の組のゲートと、
    　間隔をおいて並列に配置された複数のフィンガーを有する第２の組のゲートと
    を前記電界効果トランジスタ構造の表面上に備え、
    　前記第１の組のゲートの各フィンガーと、前記各フィンガーに隣接する前記第２の組のゲートの２つのフィンガーとの間の第１の距離Ｄ１と第２の距離Ｄ２を不等長とすることを特徴とするテラヘルツ電磁波変換装置。
  2. 　Ｄ１／Ｄ２が約０．５５であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  3. 　前記ソースから前記ドレインに向かって、少なくとも一方の組のゲートのゲート長が順次狭くなることを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  4. 　前記ソースが短絡され、前記ソースと前記ドレインとの間に直流バイアス電流が印加されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  5. 　前記第１の組のゲートのゲート長は、前記第２の組のゲートのゲート長より狭く、
    　前記第１の組のゲートの電位は、前記第２の組のゲートの電位よりも高く、
    　前記第１の組のゲートの下の電子密度は、前記第２の組のゲートの下の電子密度よりも高いことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  6. 　前記第１の組のゲートのゲート長は、前記第２の組のゲートのゲート長より狭く、
    　前記第１の組のゲートの電位は、前記第２の組のゲートの電位と等しく、
    　前記第１の組のゲートの下の電子密度は、前記第２の組のゲートの下の電子密度よりも高いことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  7. 　前記第１の組のゲートのゲート長は、前記第２の組のゲートのゲート長と等しく、
    　前記第１の組のゲートの電位は、前記第２の組のゲートの電位よりも大きく、
    　前記第１の組のゲートの下の電子密度は、前記第２の組のゲートの下の電子密度よりも高いことを特徴とする請求項４に記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  8. 　前記ソースから前記ドレインに向かって、前記第１の組のゲートのゲート長が順次狭くなることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  9. 　前記第１の組のゲートの各フィンガーにおいて、ゲート長に対する電子濃度の平方根の比が一定値となるようにゲート長が定まっていることを特徴とする請求項８に記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  10. 　前記電界効果トランジスタ構造は、ＨＥＭＴ構造であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のテラヘルツ電磁波変換装置。
  11. 　ソース、第１及び第２の組のゲート並びにドレインを有する電界効果トランジスタ構造のテラヘルツ電磁波変換装置において、
    　間隔をおいて並列に配置された複数のフィンガーを有する前記第１の組のゲートと、
    　間隔をおいて並列に配置された複数のフィンガーを有する前記第２の組のゲートと
    を前記電界効果トランジスタ構造の表面上に備え、
    　前記第１の組のゲートが有する複数のフィンガーと、前記第２の組のゲートが有する複数のフィンガーは、交互に配置されており、
    　前記第１の組のゲートの各フィンガーと、前記各フィンガーのドレイン側に隣接する、前記第２の組のゲートが有するフィンガーとの間の第１の距離Ｄ１と、前記各フィンガーと、前記各フィンガーのソース側に隣接する、前記第２の組のゲートが有するフィンガーとの間の第２の距離Ｄ２とを不等長とすることを特徴とするテラヘルツ電磁波変換装置。
PCT/JP2010/007074 2010-12-03 2010-12-03 テラヘルツ電磁波変換装置 Ceased WO2012073298A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2010/007074 WO2012073298A1 (ja) 2010-12-03 2010-12-03 テラヘルツ電磁波変換装置
EP10860400.0A EP2648290A4 (en) 2010-12-03 2010-12-03 ELECTROMAGNETIC TERAHTIC WAVE CONVERTER
US13/991,407 US9018683B2 (en) 2010-12-03 2010-12-03 Terahertz electromagnetic wave conversion device
JP2012546581A JP5747420B2 (ja) 2010-12-03 2010-12-03 テラヘルツ電磁波変換装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2010/007074 WO2012073298A1 (ja) 2010-12-03 2010-12-03 テラヘルツ電磁波変換装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2012073298A1 true WO2012073298A1 (ja) 2012-06-07

Family

ID=46171286

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2010/007074 Ceased WO2012073298A1 (ja) 2010-12-03 2010-12-03 テラヘルツ電磁波変換装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9018683B2 (ja)
EP (1) EP2648290A4 (ja)
JP (1) JP5747420B2 (ja)
WO (1) WO2012073298A1 (ja)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015175957A (ja) * 2014-03-14 2015-10-05 日本電信電話株式会社 周波数可変フィルタ
JP2017510067A (ja) * 2014-02-24 2017-04-06 ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー）Ｕｎｉｓｔ （Ｕｌｓａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） プラズマ波トランジスタの性能を評価する方法
JP2017525170A (ja) * 2014-12-30 2017-08-31 ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー）Ｕｎｉｓｔ （Ｕｌｓａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） 電磁波発振器、プラズマ波電力抽出器及び電磁波検出器
JP2018517887A (ja) * 2015-12-31 2018-07-05 ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー） サスペンデッドチャネルプラズマ波トランジスタの性能評価方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9297638B1 (en) * 2014-10-21 2016-03-29 Sandia Corporation Two-path plasmonic interferometer with integrated detector
JP6299665B2 (ja) * 2015-04-30 2018-03-28 三菱電機株式会社 電界効果トランジスタ
CN105336809B (zh) * 2015-11-09 2017-10-20 中国工程物理研究院电子工程研究所 具有阵列导电沟道结构的太赫兹波探测器
KR101777929B1 (ko) 2015-12-31 2017-09-13 울산과학기술원 서스펜디드 채널 플라즈마파 트랜지스터의 성능 평가 방법
WO2018063291A1 (en) * 2016-09-30 2018-04-05 Intel Corporation Single-flipped resonator devices with 2deg bottom electrode
US11218144B2 (en) 2019-09-12 2022-01-04 Vishay-Siliconix, LLC Semiconductor device with multiple independent gates
TWI803845B (zh) * 2021-03-24 2023-06-01 新唐科技股份有限公司 半導體結構
CN113257910B (zh) * 2021-05-11 2023-01-03 华南师范大学 梳型栅结构hemt射频器件及其制备方法
EP4723176A1 (en) 2023-05-31 2026-04-08 Tohoku University Frequency down-conversion device and communication device

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006030608A1 (ja) 2004-09-13 2006-03-23 Kyushu Institute Of Technology テラヘルツ電磁波放射素子及びその製造方法
JP2009224467A (ja) 2008-03-14 2009-10-01 Tohoku Univ 電磁波放射素子

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006030608A1 (ja) 2004-09-13 2006-03-23 Kyushu Institute Of Technology テラヘルツ電磁波放射素子及びその製造方法
JP2009224467A (ja) 2008-03-14 2009-10-01 Tohoku Univ 電磁波放射素子

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D. COQUILLAT ET AL.: "Room temperature detection of sub-terahertz radiation in double-grating-gate transistors", OPTICS EXPRESS, vol. 18, no. 6, 15 March 2010 (2010-03-15), pages 6024 - 6032, XP002723604 *
D. COQUILLAT ET AL.: "Terahertz detection in a double-grating-gate heterotransistor", JOURNAL OF PHYSICS: CONFERENCE SERIES, vol. 193, 2009, pages 012074, XP020170433 *
D. V. FATEEV; V. V. POPOV; M. S. SHUR: "Transformation of the Plasmon Spectrum in a Grating Gate Transistor Structure with Spatially Modulated Two Dimensional Electron Channel", SEMICONDUCTORS, vol. 44, no. 11, 2010, pages 1406 - 1413, XP019863600, DOI: doi:10.1134/S1063782610110059
G. R. AIZIN; D. V. GATEEV; G. M. TSYMBALOV; V. V. POPOV: "Terahertz plasmon photoresponse in a density modulated two-dimensional electron channel of a GaAs/AlGaAs field-effect transistor", APPL. PHYS. LETT., vol. 91, no. 163507, 2007, pages 3
IRINA KHMYROVA ET AL.: "Analysis of terahertz plasma resonances in structures with two-dimensional electron systems periodically modulated by interdigitated gate", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 108, 8 October 2010 (2010-10-08), pages 074511, XP012143187 *
M. DYAKONOV; M. SHUR, IEEE TRANS. ELECTRON DEVICES, vol. 43, 1996, pages 380 - 387
M. DYAKONOV; M. SHUR, PHYS. REV. LETT. VOL., vol. 71, 1993, pages 2465 - 2468
See also references of EP2648290A4
TAKUYA NISHIMURA ET AL.: "An Intensity Modulator for Terahertz Electromagnetic Waves Utilizing Two-Dimensional Plasmon Resonance in a Dual-Grating-Gate High-Electron-Mobility Transistor", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 49, 20 March 2010 (2010-03-20), pages 054301, XP055119075 *
V. V. POPOV; G. M. TSYMBALOVANDM; S. SHUR: "Plasma wave in-stability and amplification of terahertz radiation in field-effect-transistor arrays", J. PHYS.: CONDENS. MATTER, vol. 20, no. 384208, 2008, pages 6

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017510067A (ja) * 2014-02-24 2017-04-06 ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー）Ｕｎｉｓｔ （Ｕｌｓａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） プラズマ波トランジスタの性能を評価する方法
JP2015175957A (ja) * 2014-03-14 2015-10-05 日本電信電話株式会社 周波数可変フィルタ
JP2017525170A (ja) * 2014-12-30 2017-08-31 ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー）Ｕｎｉｓｔ （Ｕｌｓａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） 電磁波発振器、プラズマ波電力抽出器及び電磁波検出器
US10161804B2 (en) 2014-12-30 2018-12-25 Unist (Ulsan National Institute Of Science And Technology) Electromagnetic wave oscillator, plasma wave power extractor and electromagnetic wave detector
JP2018517887A (ja) * 2015-12-31 2018-07-05 ユニスト（ウルサン ナショナル インスティテュート オブ サイエンス アンド テクノロジー） サスペンデッドチャネルプラズマ波トランジスタの性能評価方法
US10684320B2 (en) 2015-12-31 2020-06-16 Unist (Ulsan National Institute Of Science And Technology) Performance evaluation method of suspended channel plasma wave transistor

Also Published As

Publication number Publication date
EP2648290A4 (en) 2014-06-18
JP5747420B2 (ja) 2015-07-15
US20130277716A1 (en) 2013-10-24
EP2648290A1 (en) 2013-10-09
US9018683B2 (en) 2015-04-28
JPWO2012073298A1 (ja) 2014-05-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5747420B2 (ja) テラヘルツ電磁波変換装置
Popov Plasmon excitation and plasmonic detection of terahertz radiation in the grating-gate field-effect-transistor structures
JP4423429B2 (ja) テラヘルツ電磁波放射素子及びその製造方法
JP6169614B2 (ja) プラズモン電極を有する光伝導装置
US6635898B2 (en) Quantum computer
Otsuji et al. Emission and detection of terahertz radiation using two-dimensional plasmons in semiconductor nanoheterostructures for nondestructive evaluations
Degl’Innocenti et al. Fast modulation of terahertz quantum cascade lasers using graphene loaded plasmonic antennas
Gao et al. Graphene-on-silicon nitride waveguide photodetector with interdigital contacts
Yan et al. A low-noise on-chip coherent microwave source
Cosme et al. Terahertz laser combs in graphene field-effect transistors
CN102257406A (zh) 探测电磁辐射的设备和方法
Chen et al. Enhanced electron-phonon coupling for a semiconductor charge qubit in a surface phonon cavity
Aizin et al. Plasma instability and amplified mode switching effect in THz field effect transistors with a grating gate
Zeng et al. Ultrafast hot carrier cooling enabled van der Waals photodetectors at telecom wavelengths
Tkachenko et al. Photon-stimulated transport in a quantum point contact (brief review)
US9153680B2 (en) Stimulated phonon emission device and oscillator, frequency filter, cooling device, light-receiving device, and light-emitting device comprising the stimulated phonon emission device
Mao et al. Bandwidth limitation of directly contacted graphene–silicon optoelectronics
Gholami et al. Enhancement of the intensity and bandwidth of terahertz radiation in photoconductive dipole antennas
Moradiannejad Improvement of terahertz photoconductive antennas array using crossfingers structure
Daneshmandian et al. Numerical modeling of highly sensitive resonant detection of THz radiation using a multichannel dispersive plasmonic HEMT
阎蒋伟 et al. Room-temperature THz detection via EIW effect based on graphite nanosheet
Xia et al. Experimental realization of a metasurface-based PETS THz detector
Poyser et al. A high electron mobility phonotransistor
Briones et al. Efficiency of broadband terahertz rectennas based on self-switching nanodiodes
Zhang et al. Resonant THz detection by periodic multi-gate plasmonic FETs

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10860400

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2012546581

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13991407

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010860400

Country of ref document: EP