JP6220239B2 - 電磁波検出・発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波検出・発生装置に関する。特に、ミリ波からテラヘルツ領域（３０ＧＨｚ乃至３０ＴＨｚ）のうちの任意の周波数帯域を有する電磁波（以下、テラヘルツ波などとも呼ぶ）で動作する電磁波センサ、電磁波発生装置などの電磁波検出・発生装置に関する。以下、電磁波検出・発生装置はセンサで代表することもある。本明細書において、「検出・発生」とは、電磁波検出と電磁波放射のうちの少なくとも一方を行うことを言う。

テラヘルツ波を用いるとき、１ミリメートル以下の解像度で被検体のイメージングが実現できる。また、多くの分子はテラヘルツ領域の特定の周波数成分に対して感度があり、テラヘルツ波は物質の分光分析に使用可能である。こうした特徴により、被検体の画像形成と分光分析を共に行い空間及び周波数に係る被検体情報を得るテラヘルツ領域のシステムを構築できる。例えば、被検体の各位置における化合物が分かった画像を形成することができる。この特徴は、医療分野、セキュリティ分野、製造分野などにおいて多くの応用が期待できる。

テラヘルツ波の技術は、マイクロ波と同様にイメージセンサに適用できる。イメージングの可能性とともに、上述のようにテラヘルツ波は分光にも使用することもできる。二つの特徴を併せることで、分子組成イメージングの達成が可能である。そのためには、テラヘルツ波のイメージセンサはイメージの各点において幾つかの周波数を測定できなければならない。光学写真では、幾つかの色を測定するために、焦点面アレイ（ＦＰＡ）において赤、緑、青にそれぞれ感度がある画素を隣接配置する必要がある。この様に、異なる周波数にそれぞれ感度がある画素を配置する必要があるので、結果として、１つの周波数に感度があるＦＰＡよりサイズが大きくなる。このことは、特にテラヘルツ領域で問題となる。例えば、１ＴＨｚの真空中の波長λは３００ミクロンであり、各画素の表面領域面積の大きさは大雑把にλ^２のオーダである。よって、４つの周波数に感度がある百万画素のＦＰＡのサイズは６０ｃｍ×６０ｃｍとなる。このサイズは、１２インチのウエハの標準サイズに制限される今日のＶＬＳＩ（超大規模集積）技術を用いて製造することは不可能である。

特許文献１には、双ループの多周波数アンテナのモジュールについて報告がある。このモジュールは、２つのループがそれぞれ短絡部と給電部に電気的に結合した受信・放射要素を有する。ここで、２つのループの小さい方は大きい方に囲まれていて、２つのループは電気的に結合している。この設計により、無線ＬＡＮ（ローカルエリアネットワーク）のアクセスポイントに対して２つの周波数帯（２.４ＧＨｚと５ＧＨｚ）の同時的使用が可能になる。双ループアンテナ設計を用いたシステムとすることで、従来の双帯域アンテナよりサイズを小さくでき、見栄えも良くなる。高効率とするためには、双ループアンテナの受信・放射インピーダンスを給電部の複素インピーダンスと共役的に整合させなければならない。

米国特許第８３４４９５０号明細書

しかし、テラヘルツの領域では、適当なインダクタやキャパシタがまだ開発されていないのでこうした整合回路を用いることができない。従って、アンテナと給電部は、互いのインピーダンスを直接（すなわち整合回路を用いないで）設計しなければならない。それぞれ受信・放射要素と給電部からなる複数のアンテナが、複数の異なる周波数帯に感度があって、テラヘルツ領域で別個に受信・放射要素と給電部間でインピーダンス整合させ、電気的に結合している場合を考える。この場合、一般的に言って、アンテナのインピーダンス整合は容易ではない。なぜなら、受信・放射要素内の電流分布が揺らいで、受信・放射インピーダンスも揺らぐからである。その結果、受信・放射要素と給電部間のインピーダンス不整合により高効率のシステムは実現が困難となる。こうして、上記システムのテラヘルツ領域での使用は難しくなる。つまりは、上記アンテナは２つの周波数帯で感度はあった。しかし、アンテナの受信・放射インピーダンスの制御法に関する技術の提案はなかった。その結果、テラヘルツ領域では、受信・放射要素と給電部間のインピーダンス整合が充分には達成されず、システムの効率は低いものとなる。本発明の目的は、サイズを比較的小さくでき、複数の周波数帯において受信・放射要素のインピーダンスと電子素子のインピーダンスを直接（整合回路等を介さずに）整合させることができる電磁波検出・発生装置を提供することである。

本発明のテラヘルツ波検出・発生装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に配置されている第１のアンテナ及び第２のアンテナと、を有する。前記第１のアンテナは、第１のループアンテナと、前記第１のループアンテナと電気的に接続された第１の電子素子とを含み、前記第２のアンテナは、第２のループアンテナと、前記第２のループアンテナと電気的に接続された第２の電子素子とを含み、前記第２のループアンテナの一部は、前記第１のループアンテナの内側に配置されており、前記第１のループアンテナと前記第２のループアンテナとは、前記第２のループアンテナにおける電流が最小の位置で交差している。また、本発明の他のテラヘルツ波検出・発生装置は、半導体基板と、前記半導体基板の同一面上に配置されている第１のアンテナ及び第２のアンテナと、を有する。前記第１のアンテナは、第１のループアンテナと、前記第１のループアンテナと電気的に接続された第１の電子素子とを含み、前記第２のアンテナは、第２のループアンテナと、前記第２のループアンテナと電気的に接続された第２の電子素子とを含み、前記第２のループアンテナは、前記第１のループアンテナの内側に配置されており、前記第１のループアンテナと前記第２のループアンテナとは、偏光方向が互いに異なるテラヘルツ波に対して感度があり、且つ、形状が互いに異なる。

本発明によれば、それぞれ異なる周波数帯に感度がある複数のアンテナを含むので、異なる周波数帯に感度があるセンサなどを実現できる。また、１つの受信・放射要素は、その内側に他の受信・放射要素の少なくとも一部を囲っているので、サイズをコンパクトにすることができる。

第１の実施例及びその変更例を示す図。 第２反共振周波付近におけるループアンテナ放射パターン（指向性）、及びそのループアンテナを示す図。 図４（ｂ）の計算に用いたループアンテナ、及び第２反共振周波付近における半径６５ミクロンのループアンテナのインピーダンスを示す図。 第２反共振周波付近における半径７５ミクロンのループアンテナのインピーダンス、及び図３（ａ）の双ループアンテナのセンサのインピーダンスを示す図。 図３（ａ）の半径６５ミクロンのループアンテナ及び半径７５ミクロンのループアンテナの放射パターンを示す図。 第１の実施例の受信・放射要素にカットを設けた変更例、及び第１の実施例の受信・放射要素を三角形状にした変更例を示す図。 電流が最大の２つの点で電気的に接続した受信・放射要素をもつ第１の実施例の変更例、及び２つの整流素子が重ねられた第１の実施例の変更例を示す図。 第１のアンテナの受信・放射要素の外側に第２のアンテナの整流素子が配置された変更例、及び電流が最小の点で第１及び第２の受信・放射要素が空間的に交差し、第１の受信・放射要素の外側に第２のアンテナの整流素子が配置された変更例を示す図。 アンテナの偏光方向が揃っていない変更例、及びアンテナの偏光方向が揃っていなく、表面領域面積を変更せずに長さを調整して内側の受信・放射要素の共振周波数を調整した変更例を示す図。 第３のアンテナを備えるセンサの変更例を示す図。 第２の実施例を示す図。 第３の実施例を示す図。 凹部への突出部である、電子素子の支持部を有する第３の実施例の変更例を示す図。 柱状部を有する第３の実施例の変更例を示す図。 第３の実施例のシミュレーション用のモデル、及びこのモデルに基づき計算された複素インピーダンスを示す図。 各々半径５０ミクロンまたは半径６５ミクロンの１つのアンテナを持ち図１５（ａ）のシミュレーション用のモデルに基づき計算された複素インピーダンスを示す図。 第４の実施例及び第５の実施例を示す図。

本発明の電磁波検出・発生装置の一実施形態では、１つの受信・放射要素は、その内側に他の受信・放射要素の少なくとも一部を囲っている。大きい方の受信・放射要素の形状が閉曲線などの閉じた線状形態である場合、「内側」の意味は明瞭である。この場合、全体的に内側にあれば、第２の受信・放射要素は第１のアンテナと交差しない。大きい方の受信・放射要素の形状が開放した線状形態である場合は、開放した両端を結んだ線とこの開放した受信・放射要素で囲まれた領域が内側である。こうして構成されたセンサの表面領域の面積は、複数のアンテナが隣り合って配置されたセンサの表面領域の面積より小さくできる。また、線状の受信・放射要素のインピーダンスは、所定の周波数帯において、受信・放射要素と電気的に接続された対応する電子素子のインピーダンスと直接整合させることが容易であり、アンテナの効率を高くすることができる。更に、１つの受信・放射要素は、その内側に他の受信・放射要素の少なくとも一部を囲っているので、サイズをコンパクトにできる。この利点は、本発明をイメージセンサ（特にテラヘルツ領域のもの）に応用するときに重要となる。つまり、性能の低下を招くことなく出来るだけ小さくしたイメージセンサを実現することができる。本装置で扱われる電磁波は、例えば、０．１テラヘルツから１０テラヘルツの間の周波数の成分を含む。

（第１の実施例）
第１の実施例を説明する。曲線的或いは屈曲線的に線状に伸びた第１の受信・放射要素に、第１の整流素子が電気的に接続されている。所定の周波数帯において、受信・放射要素と整流素子の複素インピーダンスは共役的に整合している。よって、第１のアンテナのこの周波数帯で、センシングシステムの効率を大きくできる。第１のアンテナのための整流素子の例は種々ある。例えば、ショトキーバリアダイオードがあり、これは、テラヘルツ領域において、室温で動作する。また、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の電子ガス中のプラズモンを利用したテラヘルツ領域において室温で動作する整流素子（プラズモン型の整流素子）も近年開発されている。

同じく線状に伸びた第２の受信・放射要素には、第２の整流素子が電気的に結合されている。第１のアンテナと同様に、２つの要素のインピーダンスが共役的に整合し、感度が最大となる周波数帯がある。２つのアンテナで構成されるセンサの物理的サイズを小さくするために、第２の受信・放射要素は、その表面領域面積が第１の受信・放射要素の表面領域面積より小さく第１の受信・放射要素の内側に配置される。２つの受信・放射要素が平板状ないし平面的で同一の平面内に配置されている場合、上述した様に、「内側」の意味は容易に理解される。２つの受信・放射要素が同一の平面内にはないが、それぞれ２つの平行面内にある場合も、２つの受信・放射要素はλ／１０（λは、関係する波長帯のうちで最長の波長）以下の距離に配置されるのがよい。２つの受信・放射要素が平面的でない場合も、同様に考えればよい。

図１（ａ）、（ｂ）に示す第１の実施例の形態では、第１の受信・放射要素１０１は所定の直径の円環状のループ形態である。このループは第１の整流素子１０２に電気的に結合している。第２の受信・放射要素１０３も円環状のループ形態であり、その直径は上記第１のループより小さい。このループは第２の整流素子１０４に電気的に結合している。この結果、小さい方の直径の第２のループの表面領域面積は第１のループの表面領域面積より小さくなり、図１（ａ）に示す様に第２のループの全体を第１のループの内側に配置することができる。この構成では、第２の受信・放射要素の配線ループは第１の受信・放射要素の配線ループと交差せず、第２の配線ループは第１の配線ループの外側には伸びていない。この形態は、そうでない形態より次の点で好ましい。そうでない形態では、一般に、第１の受信・放射要素の受信・放射インピーダンスは、所定の周波数帯が変化して第１の整流素子のインピーダンスと充分に整合しなくなり、結果として第１のセンサの効率が低下することがある。

図１（ｃ）に変更例の側面図を示す。ここでは、第１及び第２のアンテナは同一平面には配置されず、それぞれ、２つの平行平面２０１、２０２に配置されている。この場合、２つの平面間の距離はλ／１０以下であるのが好ましい。

本実施例において、受信・放射ループが第２反共振周波数の付近で励起される形態が注目される。図２（ａ）は、第２反共振周波数の付近で測定された円環状ループアンテナの放射パターン（指向性）を示す。市販の有限要素法ソフトウエアＨＦＳＳ（ansoft社製）を用いた。図２（ｂ）示す形態のアンテナをこのシミュレーションのために使用した。ループの半径は７５ミクロンであり、その幅は４ミクロンである。このループが真空中の平面ＸＹに配置される。このシミュレーションから分かる様に、平面と垂直な方向の指向性は、平面内の方向の指向性の１０倍以上である。その結果、アンテナ感度は、平面と垂直な方向が平面内方向の１０倍以上である。従って、アンテナは、垂直方向の電磁波に対する感度と比較して、平面内方向の電磁波に対する感度は遥かに小さい。

更に、第２のアンテナのループアンテナも第２反共振周波数で励起されるとして、第１のアンテナの第２のアンテナに対する影響は非常に小さい。その理由は、第２のループアンテナにより再発生（散乱）される電磁界の強度は、元の入射電磁界の強度の１／１０以下であるからである。この放射パターンは、第２のアンテナが配置される近傍の近視野の電磁界ではなく遠視野の放射方向を示しているが、この放射パターンは、他のアンテナへの影響を理解するための第１の近似として使用可能である。

２つのループのセンサにより得られるＨＦＳＳによるシミュレーション結果について説明する。図３（ａ）には、各々電源に接続された２つのループを備え、大きい方に小さい方が内包されたシステムを示す。小さい方の半径は６５ミクロンであり、大きい方の半径は７５ミクロンである。図３（ｂ）は小さい方のループが真空中で電源に単独で接続された場合のインピーダンス
を示す。同様に、図４（ａ）は大きい方のループが真空中で電源に単独で接続された場合のインピーダンスを示す。インピーダンスの実部のピークの所が第２反共振周波数の所に対応する。図４（ｂ）は、図３（ａ）に示す２つのループのシステムにおけるインピーダンスを示す。多少の変化はあるが、２つのアンテナのインピーダンスは、それぞれ、他のアンテナの存在によってさほど乱されてはいないことが分かる。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、小さい方と大きい方のループの放射パターンを示す。図２（ａ）の放射パターンと比較すると、大きい方のループの放射パターンはあまり変化していない。他方、小さい方のループの放射パターンはかなり変化している。しかし、多くの放射は依然としてループ平面と垂直な方向にある。これらのシミュレーションの結果、本実施例により、両方のアンテナの受信・放射インピーダンスと放射パターンが所望のものに維持された小サイズのセンサが実現できることが分かる。

図６（ａ）は、両方の受信・放射要素１０１、１０３が、それぞれ、カット１１０１、１１０２を有するループである変更例を示す。つまり、本発明の受信・放射要素は、ループ形態のものや閉じた形態のものに限らない。受信・放射要素が閉じていると、受信・放射要素は直流においては短絡しているため、例えば整流素子により整流された電圧差は得られない。その結果、センサから発せられる情報が失われる。一方、受信・放射要素が開放されている場合、整流素子により整流された電圧差は得られる。よって、電圧は、センサから発せられる情報として使用できる。信号取り出し部としては、カットの他に、抵抗、インダクタ、キャパシタなどを挿入してもよい。電流分布を乱さないように、アンテナの電磁界の最小位置にカットを設けるのが好ましい。この場合、この様にカットを設けないものと比べて、受信・放射インピーダンスの乱れが抑制される。円環状ループが第２反共振周波数の付近で励起されるとき、整流素子の角度位置を０°として、電磁界の最小位置は１２０°と２４０°の角度位置である。ただし、カットなどの最適位置は、一般に、ループ近辺の誘電体や金属要素などの他の要素の存在にも依る。

ループは、曲線的な環状のものには限られず、他の形状のループでもよい。例として、図６（ｂ）に示す屈曲線的な三角形状のループでもよい。ここでは、２つの三角形状ループ１２０１、１２０３が、それぞれ、異なる整流素子１２０２、１２０４に接続されている。第１の三角形状ループ１２０１は、これに内包された第２の三角形状ループ１２０３より大きい。ループ形状の変更により受信・放射要素の受信・放射インピーダンスは変化し、整流素子との整合状態が変化する。しかし、他の特性は変化しない。

次の変更例は、２つの受信・放射要素の電気的結合に係る例である。ループアンテナが第２反共振周波数の付近で励起されるとき、ループの長さは波長の１.５倍に対応する。 その結果、電流が最大となるループ内の位置は３つある。それらは、電圧の節に対応する。ループアンテナが円環状である場合、整流素子の角度位置を０°として、３つの節の角度位置は６０°と１８０°と３００°の位置である。しかし、これらの節の最適位置は、一般に、ループ近辺の誘電体や金属要素などの他の要素の存在にも依る。３つの位置は電磁界の零位置すなわちインピーダンスの零位置に対応する。従って、２つのループアンテナがこれらの節で電気的に結合されても、２つのループアンテナが電気的に非結合である構成と比較して、２つのループアンテナの受信・放射インピーダンスはあまり乱されない。

図７（ａ）は、２つの円環状の受信・放射要素１０１、１０３が結合部１３０１、１３０２によって節で接続された例を示す。この変更例の主な利点は、次の点である。アンテナが高いインピーダンスの回路に接続されたとき、２つの整流素子からの整流電流を同じ電気回路を流すことができ、結合部の数を減らすことができて設計が簡素化される。

図７（ｂ）は、第２の整流素子１０４が第１の受信・放射要素１０１の内側には配置されず、第１の整流素子１０２に重ねられて配置されている変更例を示す。この例の利点は、センサの全体サイズを低減できる点にある。更に、製造プロセスを簡単にできる。更に、２つの受信・放射要素１０１、１０３が交差しないので、互いの機能を乱すことがなく、互いの受信・放射インピーダンスを乱さない。その結果、１つの受信・放射要素がある構成と比較しても、両方のアンテナの効率があまり変化しない。

図８（ａ）は、第２の整流素子１０４が第１の受信・放射要素１０１の外側に配置された変更例を示す。この例は、伝送線路を受信・放射要素に接続する設計において効果を発揮する。この例では、第２の受信・放射要素１０３は第１の受信・放射要素１０１と空間的に交差する。当然、２つの受信・放射要素の受信・放射インピーダンスを乱さないために電気的な接触をしないで交差させる必要がある。それでも、２つの受信・放射要素が接近することにより、一般に、一方の受信・放射要素が他方の受信・放射要素を流れる電流に影響を与え、受信・放射インピーダンスを変化させる。こうした影響を抑えるために、第２の受信・放射要素が第１のアンテナの電流最小位置すなわち放射最小位置で交差するのが好ましい。

図８（ｂ）は、２つの円環状ループの受信・放射要素１０１、１０３を示す。この場合、整流素子の角度位置を０°として、電流最小位置１６０１は１２０°と２４０°の角度位置にある。ただし、交差の最適位置は、一般に、ループ近辺の誘電体や金属要素などの他の要素の存在にも依る。この変更例では、第２の受信・放射要素をこれらの角度位置で第１の受信・放射要素に空間的に交差させて、第１の受信・放射要素の受信・放射インピーダンスへの影響を抑えている。

次の変更例は、２つの整流素子と２つの受信・放射要素でそれぞれ構成された２つのアンテナの偏光を制御することができる例に係る。ここでは、２つのセンサは、２つの異なる周波数帯において異なる偏光に対して感度がある。図９（ａ）の変更例では、第１のループの受信・放射要素１０１は第１の整流素子１０２に接続される。このアンテナが第２反共振周波数の付近で使用されるとき、感度がある偏光は、実線の矢印１７０１の方向の直線偏光である。第２のループの受信・放射要素１０３は、第１のループの受信・放射要素１０１の内側において、第２の整流素子１０４に接続され、その長さに対応する第２反共振周波数の付近で励起されるとき、別の周波数帯に感度がある。この第２のアンテナの偏光（破線の矢印１７０２で示す）も直線偏光である。第２のアンテナを第１のアンテナに対して回転させると、異なる周波数と異なる直線偏光に感度があるセンサを小サイズで実現できる。アンテナが感度をもつ周波数帯はループの受信・放射要素の長さで規定される。アンテナが感度をもつ偏光の相対角度はアンテナ間の角度関係で規定される。

図９（ｂ）の変更例は、第２のループの受信・放射要素１０３の長さをその表面領域面積とは独立的に決めた例である。第２の受信・放射要素の表面領域面積は第１の受信・放射要素の表面領域面積より小さいので、第２の受信・放射要素は第１の受信・放射要素の内側に配置される。他方、その長さと動作周波数帯はその表面領域面積の大きさとは独立的に決められている。更に、その偏光も、第１の受信・放射要素に対する角度関係により、独立的に決められる。結果として、表面領域面積、動作周波数帯、偏光が独立的に決められ、２つの周波数帯で動作する小サイズのセンサが実現される。

これまでの実施例では、２つのループを含むセンサが２つの周波数帯に感度を有するものであった。図１０の変更例は、第２のアンテナの受信・放射要素の内側に第３のアンテナを加えて第３の周波数帯にも感度を拡張している。この第３のアンテナは整流素子１９０２と受信・放射要素１９０１を備え、受信・放射要素１９０１の表面領域面積は第２の受信・放射要素１０３の表面領域面積より小さい。勿論、第４以上のアンテナへと拡張することもできる。

（第２の実施例）
第２の実施例は、２つの周波数と２つの偏光を扱う小サイズのセンサに係る。特に、動作周波数帯とアンテナの表面領域面積の大きさを独立して設定することが困難な場合に対処するものである。この対処法は、２つの画素を使用することである。図１１に示す本実施例では、受信・放射要素として複数の円環状ループが使用
されている。ただし、この形状の受信・放射要素に限られるものではない。第１の画素２００１は、２つの受信・放射要素１０１、１０３がそれぞれ２つの整流素子１０２、１０４に接続されている。これらは２つのアンテナを形成する。センサ全体のサイズを抑えるために、小さい方の表面領域面積のアンテナは大きい方の内側に内包されている。更に、２つのアンテナの偏光１７０１、１７０２は直線偏光である。この設計では、２つのアンテナは相対的に回転していて、２つのアンテナの偏光方向は揃っていない。

第２の画素２００２も第１のアンテナと同様な構造を有する。すなわち、２つの
アンテナはそれぞれ受信・放射要素２００３、２００５と整流素子２００４、２００６を備え、小さい方の表面領域面積のアンテナは大きい方の内側に内包されている。更に、表面領域面積の小さい方のアンテナの偏光２００８は、第１の画素の大きい方のアンテナの偏光１７０２と同じである。同様に、表面領域面積の大きい方のアンテナの偏光２００７は、第１の画素の小さい方のアンテナの偏光１７０１と同じである。その結果、各動作周波数帯に対して、２つの偏光を検知することができる。また、各偏光に対して、同様に２つの周波数帯を検知することができる。また、２つの周波数帯と２つの偏光を小サイズの構造で検知できる。

（第３の実施例）
今迄の実施例では、センサは真空ないしそれに近似した均一な環境に囲まれていた。しかし、本発明は、センサが半導体素子上に集積化された構成にも拡張できる。これにより、センサはＶＬＳＩ製造技術を用いて容易かつ比較的低価格で大量生産することができる。更に、これらの技術により、センサは、半導体で作製された種々のデバイスと容易に集積化できる。こうしたデバイスとしては、トランジスタ、スイッチ、増幅器などがある。

図１２は第３の実施例の一例を示す。半導体基板２１０１が設けられている。第１の実施例のように、２つのループ形状の受信・放射要素１０１、１０３がそれぞれ２つの整流素子１０２、１０４と接続され、基板２１０１上で集積化されて２つのアンテナを形成している。小さい方の表面領域面積のアンテナは大きい方の表面領域面積のアンテナの内側に配置されて２つのアンテナからなるセンサの全部のサイズを抑えている。センサの半導体基板上への集積化は次の方法で行われる。受信・放射要素からの放射が基板２１０１の中を伝播しない様に、壁面が金属膜で被覆された凹部１９０１が基板の表面に形成され、受信・放射要素が凹部の上部に配置されている。受信・放射要素の一部は凹部の上部にあり、他部は半導体基板上にある。製造プロセスを簡易化するため、或いは凹部の内側に受信・放射要素が落ち込むのを防ぐため、凹部は物質２１０２で充填されてもよい。２つのアンテナは電子回路など（不図示）に電気的に結合されている。こうして、基板上の伝送線路やウエハの深さ方向の伝播を用いたセンサが実現される。アンテナで発生した信号は電子回路により種々の態様で処理することができる。例えば、信号は結合されたり周波数においてコード化されたりして、基板に集積化された他の回路に送ることができる。

図１３に示す変更例では、整流素子１０２、１０４は、凹部の縁の基板の部分から凹部内へと突出した支持部２２０１に集積化されている。２つの整流素子が互いに近接している場合、 それらは１つの支持部に収容できる。収容できなければ、２つの支持部を設けてもよい。この構造は、２つのアンテナの偏光が揃っていない場合に適している。しかし、この場合、内側のアンテナの支持部が外側のアンテナから放射された電磁界を乱してその受信・放射インピーダンスを変化させる恐れがある。この際、内側のアンテナの支持部が、電流が最小の所で外側のアンテナの受信・放射要素と交差するのが好ましい。

図１４に示す変更例では、整流素子１０２、１０４は、凹部の底部に接続した柱状部２３０１に集積化されている。柱状部は半導体基板の一部である。２つの整流素子が互いに近接している場合、それらは１つの柱状部に収容できる。収容できなければ、２つの柱状部を設けてもよい。１つの柱状部しか設けられていない場合、柱状部の内側を伝播する電磁波と、柱状部に配置された受信・放射要素の一部からの電磁波などが相互作用する恐れがある。各整流素子に対して柱状部を設ければ、この相互作用を減少させてセンサのＳ／Ｎ比を向上させることができる。外側のアンテナの整流素子を支持部に設け内側のアンテナ整流素子を柱状部に設けても同様の効果が得られる。

本実施例の詳細を説明する。シリコン基板を用意し、従来のＶＬＳＩ技術を用いてシリコン基板内に整流素子として２つのショトキーバリアダイオードを作製する。テラヘルツ領域で動作するシリコンショトキーバリアダイオードとすることができる。ＳＦ_６プラズマエッチングなどの公知の技術を用いてシリコン基板をエッチングして凹部を形成する。金属蒸着技術とフォトリソグラフィによるパターニング技術により、凹部に金属膜を被覆する。低い屈折率と良好な安定性を有するベンゾシクロブテンなどの誘電体物質で凹部を再充填する。再充填された凹部に、金属蒸着とパターニング技術を用いて２つの受信・放射要素を集積化する。

ＨＦＳＳによるシミュレーション結果を説明する。直径９０ミクロンで深さ１５ミクロンの凹部をシリコンウエハに形成する。凹部をＢＣＢで充填する。長さ３０ミクロンで幅２０ミクロンの柱状部に２つのポートを支持させる。半径５０ミクロンと６５ミクロンの２つのコイルを２つのポートに接続してＢＣＢで充填された凹部上に配置する。図１５（ａ）はシミュレーション用のデバイスを示す。ループのカットはシミュレーションを簡単化するために省いている。図１５（ｂ）はＨＦＳＳで計算された２つのループの受信・放射インピーダンスを示す。更に、図１６（ａ）は半径５０ミクロンのループのみを有するデバイスの受信・放射インピーダンスを示す。０．８２ＴＨｚ付近の実部の最大ピークは第２反共振周波数に対応する。図１６（ｂ）は半径６５ミクロンのループのみを有するデバイスの受信・放射インピーダンスを示す。０．６４ＴＨｚ付近の実部の最大ピークは第２反共振周波数に対応する。図１５（ｂ）から、各ループのインピーダンスは他方のループの存在によっても殆ど乱されていないことが分かる。その理由は、他方のループも配置されている一方のループの平面内の放射電磁波は該平面に垂直な方向に放射される電磁波より遥かに小さいからである。これらのシミュレーションの結果、本実施例の効果が証明される。

（第４の実施例）
センサのアレイもイメージセンサとして使用できる。この技術は、イメージを記録するためにカメラで使用されているＣＣＤ（電荷結合素子）やＣＭＯＳ（相補性金属酸化物半導体）のセンサの光学分野で知られたものである。ミリ波やテラヘルツ波などの他の周波数領域でもイメージセンサを構築することができる。

本発明は、１つのセンサを設計する際にも興味あるものであるが、複数のセンサを含むセンサアレイを設計する際に特に注目されるべきものである。実際に、本発明の利点の１つは、従来の設計と比較すると、センサを小サイズにできるということである。センサアレイの場合、大きさの低減は、センサ数の増大にしたがって重要となる。図１７（ａ）は本実施例を示す。センサのアレイが半導体基板に設けられている。図１７（ａ）はこうしたセンサの９個のアレイを示す。例えば、半導体基板は、ＣＭＯＳ技術が適用可能なシリコン基板である。各センサ２８０１、２８０２は、例えばＳＦ_６プラズマエッチングを用いてシリコン基板にエッチングされた凹部を有する。また、柱状部、集積された２つの整流素子（例えばテラヘルツ領域で動作する２つのショトキーバリアダイオード）、金属蒸着とパターニングで作製され各整流素子に接続された金属パターンの２つの受信・放射要素を備える。製造プロセスを簡素化するために、凹部は誘電体物質で充填することができる。誘電体物質としては、例えば、良好な安定性と低い誘電率をもつＢＣＢがある。更に、アンテナによる放射電磁波がシリコン基板を貫通することを防ぐために、凹部は金属膜で被覆されている。

図１７（ａ）では、環状ループの２つの受信・放射要素は第２反共振モードで作動する。なぜなら、このモードでは、ループの平面に垂直な方向に殆どの放射パターンがあるからである。受信・放射要素自身で短絡される信号の整流成分を発生させないために環状ループにはカットが存在する。全体のセンサの大きさを低減するために、小さい方の受信・放射要素は大きい方の受信・放射要素の内側に配置される。他のセンサも基本的に同様な特性を有する。しかし、他の周波数に対して感度を持たせるために、サイズの異なるセンサとしてもよい。更に、図１７（ａ）の形態は、センサが正方格子状に配置された形態であるが、他の配置形態でもよい。例えば、よりコンパクトな配置として知られている六方格子状の配置形態でもよい。

（第５の実施例）
アンテナは、電磁波検出装置としてではなく電磁波発生装置としても使用できる。何れの場合も、アンテナのインピーダンスと放射パターンは上述のものと同様である。相違点は、受信・放射要素に接続される電子素子である。電磁波発生装置の場合、電子素子は、例えば、電気エネルギを発する発振素子である。電磁波検出装置の場合、電子素子は、例えば、受信・放射要素で受信されたエネルギを他の形式のエネルギに変換する整流素子である。

第５実施例では、電磁波発生装置は、２つの周波数帯で動作し、小サイズである。図１７（ｂ）はその例を示す。第１の受信・放射要素２９０１は第１の発振素子２９０２と電気的に結合して、第１のアンテナを形成する。第２の受信・放射要素２９０３は、第２の発振素子２９０４と電気的に結合して、第２のアンテナを形成する。２つの受信・放射要素は電気的に非結合である。これにより、受信・放射要素のインピーダンス、及び受信・放射要素と発振素子とのインピーダンス整合は、乱されない。更に、第２のアンテナの表面領域面積は、第１のアンテナの表面領域面積より小さくなっている。２つのアンテナを含む電磁波発生装置の全体サイズを減少させるために、第２のアンテナは第１の受信・放射要素の内側に配置される。

電磁波検出装置に係る第１の実施例と同様に、本実施例の電磁波発生装置も複数の周波数帯で動作し、小サイズであり、各アンテナにおいてインピーダンス整合が確保されている。更に、アンテナを用いる電磁波発生装置と電磁波検出装置との等価性により、上述のセンサの各変更例も、電磁波発生装置に適用ないし応用することができる。

１０１・・・第１の受信・放射要素、１０２・・・第１の電子素子、１０３・・・第２の受信・放射要素、１０４・・・第２の電子素子

Claims (19)

1. 半導体基板と、前記半導体基板上に配置されている第１のアンテナ及び第２のアンテナと、を有するテラヘルツ波検出・発生装置であって、
   前記第１のアンテナは、第１のループアンテナと、前記第１のループアンテナと電気的に接続された第１の電子素子とを含み、
   前記第２のアンテナは、第２のループアンテナと、前記第２のループアンテナと電気的に接続された第２の電子素子とを含み、
   前記第２のループアンテナの一部は、前記第１のループアンテナの内側に配置されており、
   前記第１のループアンテナと前記第２のループアンテナとは、前記第２のループアンテナにおける電流が最小の位置で交差している、
   ことを特徴とするテラヘルツ波検出・発生装置。
2. 半導体基板と、前記半導体基板の同一面上に配置されている第１のアンテナ及び第２のアンテナと、を有するテラヘルツ波検出・発生装置であって、
   前記第１のアンテナは、第１のループアンテナと、前記第１のループアンテナと電気的に接続された第１の電子素子とを含み、
   前記第２のアンテナは、第２のループアンテナと、前記第２のループアンテナと電気的に接続された第２の電子素子とを含み、
   前記第２のループアンテナは、前記第１のループアンテナの内側に配置されており、
   前記第１のループアンテナと前記第２のループアンテナとは、偏光方向が互いに異なるテラヘルツ波に対して感度があり、且つ、形状が互いに異なる、
   ことを特徴とするテラヘルツ波検出・発生装置。
3. 前記半導体基板は、表面に凹部が形成されており、
   前記第１のループアンテナの少なくとも一部及び前記第２のループアンテナの少なくとも一部は、前記凹部の内側に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
4. 前記第１のループアンテナ及び前記第２のループアンテナのそれぞれは、第２反共振周波数の付近で励起される、
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
5. 前記第１のループアンテナ及び前記第２のループアンテナは、互いに電気的に非結合である、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
6. 前記第１のループアンテナ及び前記第２のループアンテナの形状は、それぞれ、平面的である、
   ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
7. 前記第１のループアンテナと前記第２のループアンテナとは、互いに異なる平面上に配置されており、
   前記第１のループアンテナが配置される平面と第２のループアンテナが配置される平面とは互いに平行である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
8. 前記第１のループアンテナが配置される前記平面と第２のループアンテナが配置される前記平面との距離は、最小の動作周波数に対応する波長の１／１０以下である、
   ことを特徴とする請求項７に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
9. 前記第１のループアンテナ及び前記第２のループアンテナは、それぞれ、偏光方向の異なる直線偏光に感度がある、
   ことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
10. 前記第１のループアンテナの動作周波数及び前記第２のループアンテナの動作周波数は同じである、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
11. 前記第１のループアンテナの長さ及び前記第２のループアンテナの長さが同じになるように構成されている、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
12. 前記凹部は物質で充填されている、
    ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
13. 前記凹部の縁から前記凹部の方に突出して、前記第１及び第２の電子素子の少なくとも一方を支持する支持部が設けられている、
    ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
14. 前記凹部の中に、前記第１及び第２の電子素子の少なくとも一方を支持する柱状部が設けられている、
    ことを特徴とする請求項３に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
15. 前記第２の電子素子を支持する前記支持部は、前記第１のループアンテナにおける電流が最小の位置で前記第１のループアンテナと交差している、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
16. 前記電子素子は、ショットキーバリアダイオードである、
    ことを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
17. 前記電子素子は発振素子である、
    ことを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
18. 前記第１のループアンテナ及び前記第２のループアンテナのそれぞれは、カットないし信号取り出し部を有する、
    ことを特徴とする請求項１から１７の何れか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置。
19. 第１のテラヘルツ波検出・発生装置及び第２のテラヘルツ波検出・発生装置を有し、前記第１のテラヘルツ波検出・発生装置及び前記第２のテラヘルツ波検出・発生装置のそれぞれは、請求項１から１８の何れか１項に記載のテラヘルツ波検出・発生装置である、
    ことを特徴とする装置。