[发明专利]太赫兹波辐射元件

说明书

技术领域

本发明公开的技术涉及一种作为能够辐射太赫兹(terahertz)频带的电磁波的太赫兹波辐射元件的半导体元件。

背景技术

太赫兹带的电磁波具有电波所具有的透射性、以及光所具有的宽带性、相干性、聚光性，在安全保障、生物、环境以及通信等各种领域的应用被人们所期待。作为辐射太赫兹电磁波的装置，使用光传导元件、太赫兹参数发生器、量子级联激光器、碳氧化物气体激光器以及返波管。但是，在这些装置中，由于需要大规模且高价的飞秒激光器或者皮秒激光器、以及需要在超低温下冷却来使其动作的理由，装置的小型化以及低廉化处于困难的状况。

朝着小型且廉价、不需要冷却的太赫兹辐射波装置的实现的方向，利用半导体中存在的电子等离子(等离子体)的设备的研究开发正大力投入。作为半导体中的电子等离子，使用电场效应晶体管(Field Effect Transistor；FET)或者高电子移动度晶体管(High Electron Mobility Transistor；HEMT)中的二维电子气体(2-Dimensional Electron Gas；2DEG)。由于作为电子的集团振动的2DEG等离子波的速度为10⁶m/s的数量级，故比单个电子的运动速度高一位以上。因此，凭借利用单个电子的一般的电子设备实现起来困难的、太赫兹频带下的动作，能够通过利用等离子波而实现。

图8表示现有技术的太赫兹波辐射元件的截面构造(例如，参照非专利文献1的图1)。如图8所示，现有技术的太赫兹波辐射元件由半导体层4、栅极绝缘膜5、二维电子气体区域6、源极电极1、栅极电极2以及漏极电极3构成。在具有这样的构成的太赫兹波辐射元件中，若在源极电极1与漏极电极3之间施加偏置电压，则在二维电子气体区域6中生成二维电子气体流。二维电子气体流通过在源极电极1端以及漏极电极3端的反射而产生不稳定的状态(等离子不稳定性)。在近年的栅极长度微型化的FET构造中，该等离子不稳定性诱发太赫兹频带下的电子等离子振动，从而引起太赫兹电磁波的辐射。

到了近年，该技术的显著进步呈现，在2006年实现在室温下确认太赫兹电磁波的辐射(例如，参照非专利文献2)。根据非专利文献2，从AlGaN/GaN材料类的HEMT得到0.1μW左右的太赫兹电磁波输出。

除此之外，作为太赫兹波辐射元件，还提案了半导体异质构造的栅极电极为格子状的构造(例如，参照非专利文献3、专利文献1、以及专利文献2)。

专利文献1：国际公开第2006/030608号

专利文献2：JP特开2009-22467号公报

非专利文献1：Physical Review Letters，Vol.71，No.15，pp2465-2468(1993)

非专利文献2：Applied Physics Letters，88，141906(2006)

非专利文献3：Applied Physics Letters，89，263502(2006)

但是，即使是像以上那样的利用电子等离子能够在室温下辐射太赫兹波的半导体设备，也有如下的问题。即，可辐射的太赫兹电磁波的强度是1μW以下的微弱强度，对于安全保障或者检查等各种应用而言输出仍然不充分。现状是，电力变换效率是1×10^-7，也非常小，而为了得到0.1μW的输出，也需要约1W的输入电力。这样，为了实现实用的太赫兹波辐射半导体设备，输出以及电力变换效率的提高是不可欠缺的。

基于前述记载，本发明的目的是提供一种高输出且高效率的太赫兹波辐射元件。

发明内容

为了实现上述目的，本发明的一方面的太赫兹波辐射元件，具备：第一氮化物半导体层，其形成在基板上；第二氮化物半导体层，其形成在第一氮化物半导体层上，且与第一氮化物半导体层相比带隙较大；栅极电极，其形成在第二氮化物半导体层上；和源极电极以及漏极电极，在第二氮化物半导体层上按照夹着该栅极电极相对置的方式而形成，其中，源极电极以及漏极电极各自由周期性地配置的多个欧姆指(オ一ミツクフインガ一)构成。

若根据上述构成，则在多个欧姆指之间，将周期性地存在露出第二氮化物半导体的开口部，故能够抑制由产生的太赫兹波的电极所造成的衰减。因此，能够实现高输出的太赫兹波辐射元件。

在本发明的一方面的太赫兹波辐射元件中，优选将第一氮化物半导体层中的、在形成于与该第一氮化物半导体层之间的异质结(hetero junction)中产生的二维电子气体的等离子波变换成辐射场。