基于邊棱音效應(yīng)的固態(tài)太赫茲輻射器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于邊棱音效應(yīng)的固態(tài)太赫茲輻射器，尤其涉及一種利用邊棱音效應(yīng)(edge tone effect)來引起不穩(wěn)定性從而激發(fā)高頻福射，且能在常溫下工作于太赫茲頻段的輻射器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(ITHz = 112Hz)輻射，通常指的是頻率在10GHz到1THz的電磁波，它對應(yīng)的波長范圍在3_到30 μ m，位于微波與紅外波之間，最近由于納米技術(shù)的進步使得太赫茲研究在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，太赫茲技術(shù)由于其能夠無損檢測的特性被廣泛應(yīng)用于通訊技術(shù)、生物光譜、遠(yuǎn)程檢測危險物品、食品質(zhì)量控制以及在半導(dǎo)體中進行量子態(tài)的操縱。為了激發(fā)這種太赫茲波需要對應(yīng)的輻射源，而太赫茲技術(shù)進展受到的阻礙主要是由于缺乏緊湊，低功耗，固態(tài)太赫茲輻射源。
[0003]隨著半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，器件的特征尺寸不斷縮小，從微米量級一直到現(xiàn)在的納米量級；而且所用對應(yīng)的材料體系結(jié)構(gòu)也從傳統(tǒng)的高瑋度(三維)向低維(二維、準(zhǔn)一維和一維)轉(zhuǎn)變。低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的器件一般工藝簡單、易于集成，因此被認(rèn)為是高頻器件的理想選擇。
[0004]邊棱音效應(yīng)雖然行為十分復(fù)雜，然而卻可以通過非常簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。事實上，流體振蕩激發(fā)邊棱音效應(yīng)隨處可見。日常生活中，我們經(jīng)?？梢月牭斤L(fēng)刮過樹木時發(fā)出的風(fēng)嘯聲、管笛樂器的樂聲，這些現(xiàn)象都是在沒有固體部件振動的情況下發(fā)生的。它們發(fā)聲過程的活動機理就是邊棱音。當(dāng)高速流體在尖銳邊棱處分成兩股，形成上下兩列分離的渦旋，由于氣流受阻，不同位置流速發(fā)生變化，流速大的地方壓強小，流速小的地方壓強大，產(chǎn)生了壓強差。上下兩列渦旋由于空吸作用出現(xiàn)了相互吸引并碰撞從而使得流體以特定頻率振蕩發(fā)聲。邊棱首是一種流體共有的現(xiàn)象，但是在不同流體中邊棱首效應(yīng)將產(chǎn)生不同頻段的振蕩。研究(M.Dyakonov and M.Shur, “Shallow water analogy for aballistic field effect transistor:New mechanism of plasma wave generat1n by DCcurrent”Phys.Rev.Lett.71，2465(1993).)表明納米結(jié)構(gòu)中的電子具有流體的特性，因此也具有邊棱音效應(yīng)。該類邊棱音效應(yīng)能導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)中電荷密度分布發(fā)生超高頻振蕩，因此可用于設(shè)計太赫茲輻射器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的，就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，就是把邊棱音效應(yīng)引入納米電子器件領(lǐng)域，提供一種基于全新工作機制、結(jié)構(gòu)緊湊且功耗低的固態(tài)太赫茲輻射器。
[0006]為了達(dá)到上述目的，采用如下技術(shù)方案:
[0007]—種基于邊棱音效應(yīng)的固態(tài)太赫茲輻射器，包括絕緣襯底層、設(shè)置在絕緣襯底層表面的半導(dǎo)體導(dǎo)電層、設(shè)置在半導(dǎo)體導(dǎo)電層表面的絕緣保護層、穿透半導(dǎo)體導(dǎo)電層的絕緣刻槽、輸入電極和輸出電極。所述輸入電極設(shè)置在半導(dǎo)體導(dǎo)電層一端外表面，所述輸出電極設(shè)置在半導(dǎo)體導(dǎo)電層兩側(cè)外表面；所述半導(dǎo)體導(dǎo)電層為二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層；所述絕緣刻槽包括第一絕緣刻槽、第二絕緣刻槽和第三絕緣刻槽；所述第一絕緣刻槽和第二絕緣刻槽相對設(shè)置，且二者之間的空隙形成一低導(dǎo)電溝道；所述第三絕緣刻槽一端為尖棱結(jié)構(gòu)，且該尖棱正對所述低導(dǎo)電溝道遠(yuǎn)離輸入電極一端開口 ；所述第三絕緣刻槽另一端延伸至所述半導(dǎo)體導(dǎo)電層一端邊緣；所述第一絕緣刻槽一端和第二絕緣刻槽一端延伸至半導(dǎo)體導(dǎo)電層兩側(cè)表面。
[0008]優(yōu)選地，所述低導(dǎo)電溝道的寬度與半導(dǎo)體導(dǎo)電層的寬度比為1/50?1/10。
[0009]優(yōu)選地，所述低導(dǎo)電溝道出口與所述第三絕緣刻槽尖端的距離為100?500nm。通過該設(shè)置，使所述低導(dǎo)電溝道出口與所述第三絕緣刻槽尖端的距離在百納米量級，可保證從低導(dǎo)電溝道傳導(dǎo)出的直流離開低導(dǎo)電溝道的出口后通過邊棱音效應(yīng)在第三絕緣刻槽尖端產(chǎn)生不穩(wěn)定性從而轉(zhuǎn)化為交流的效果較佳，且工藝上能夠?qū)崿F(xiàn)。
[0010]進一步地，所述第一絕緣刻槽和第二絕緣刻槽尺寸相同并對稱設(shè)置；所述第三絕緣刻槽為三角形狀，且其一個頂角正對所述低導(dǎo)電溝道遠(yuǎn)離輸入電極一端開口，其一條邊與所述半導(dǎo)體導(dǎo)電層一端邊緣重合。將所述第三絕緣刻槽設(shè)置為三角形，并使所述第一絕緣刻槽和第二絕緣刻槽尺寸相同并對稱設(shè)置，則其正對所述低導(dǎo)電溝道的頂角形成該第三絕緣刻槽的尖端，電流從所述低導(dǎo)電溝道通過后在該尖端作用下產(chǎn)生邊棱音效應(yīng)，不僅能使輸出的電流波形最為穩(wěn)定，而且三角形結(jié)構(gòu)的刻槽在工藝上也較不規(guī)則的帶有尖棱的刻槽更易于實現(xiàn)。優(yōu)選地，將所述第三絕緣刻槽設(shè)置為等腰三角形狀，則其頂角對準(zhǔn)所述低導(dǎo)電溝道遠(yuǎn)離輸入電極一端開口形成尖端，不僅激發(fā)載流子產(chǎn)生邊棱音效應(yīng)的效果最佳，而且等腰三角形的結(jié)構(gòu)在刻槽工藝上也更便于實現(xiàn)。
[0011]優(yōu)選地，所述第三絕緣刻槽頂角為15°?120°。該角度范圍內(nèi)的第三絕緣刻槽尖端，能夠更好地保證邊棱音效應(yīng)的產(chǎn)生和較佳的電流輸出效果，工藝也相對易于實現(xiàn)。
[0012]進一步地，所述輸出電極包括相對設(shè)置于半導(dǎo)體導(dǎo)電層位于所述第三絕緣刻槽所在區(qū)域兩側(cè)外表面的第一輸出電極和第二輸出電極。直流的輸入信號從所述輸入電極進入，并經(jīng)過所述半導(dǎo)體導(dǎo)電層，在通過所述低導(dǎo)電溝道后在所述第三絕緣刻槽的尖端作用下產(chǎn)生邊棱音效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為高頻交流電，并從第一輸出電極和第二輸出電極輸出。
[0013]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電層為III族化合物半導(dǎo)體，所述絕緣襯底層為未摻雜的本征半導(dǎo)體。所述半導(dǎo)體導(dǎo)電層為二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層，其優(yōu)選為III族化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵、氮化鎵等。所述絕緣襯底層優(yōu)選為未摻雜的本征半導(dǎo)體，如硅、磷化銦等，也可以是藍(lán)寶石、氧化硅等絕緣材料。所述絕緣保護層起到保護二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層和絕緣的作用，選擇導(dǎo)熱率高的絕緣材料即可。
[0014]進一步地，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電層為AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，其包括AlGaN層、GaN層以及在AlGaN層和GaN層之間形成二維電子氣層。由于AlGaN層與GaN層具有不同的帶隙，便于在二者之間形成的二維電子氣層，邊棱音效應(yīng)發(fā)生于該二維電子氣層中。
[0015]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體導(dǎo)電層為AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)，其包括AlGaAs層、GaAs層、以及在GaAs層設(shè)置的在AlGaAs層和GaAs層之間形成二維電子氣層的δ摻雜區(qū)。由于AlGaAs層與GaAs層具有不同的帶隙，對GaAs層引入δ摻雜區(qū)從而得到二維電子氣層，邊棱音效應(yīng)發(fā)生于該二維電子氣層中。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0017]1、本發(fā)明設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)非常簡單的、利用行為十分復(fù)雜的邊棱音效應(yīng)來引起不穩(wěn)定性從而激發(fā)高頻輻射的輻射器。該設(shè)計能夠方便的在低維材料上實現(xiàn)，有利于解決缺乏固態(tài)太赫茲輻射源的現(xiàn)狀。該基于邊棱音效應(yīng)的固態(tài)太赫茲輻射器結(jié)構(gòu)簡單、工藝容易實現(xiàn)、易于集成。
[0018]2、該基于邊棱音效應(yīng)的固態(tài)太赫茲輻射器能常溫工作且工作頻率高，通過選擇恰當(dāng)?shù)牟牧霞纯稍诔叵鹿ぷ饔谔掌濐l段。
【附圖說明】
[0019]圖1是實施例所述的固態(tài)太赫茲輻射器的表面示意圖；
[0020]圖2是實施例所述的固態(tài)太赫茲輻射器的縱向結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3是由MHD模型模擬獲得的固態(tài)太赫茲輻射器的一輸出電極輸出電流特性圖；
[0022]圖4是由MHD模型模擬獲得的固態(tài)太赫茲輻射器的輸出信號頻率分布圖；
[0023]圖5是由MHD模型模擬獲得的固態(tài)太赫茲輻射器的直流偏壓與輸出信號峰值頻率之間的關(guān)系圖。
[0024]圖中標(biāo)示:
[0025]I—絕緣襯底層；11一第一絕緣刻槽；12—第二絕緣刻槽；13—第三絕緣刻槽；
[0026]2—二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層；21—AlGaAs層；22—GaAs層；23—二維電子氣層；221—δ摻雜區(qū)；24—第一高導(dǎo)電區(qū)；25—低導(dǎo)電溝道；26第二高導(dǎo)電區(qū)；
[0027]3—絕緣保護層；
[0028]41一輸入電極；42—第一輸出電極；43—第二輸出電極。
【具體實施方式】
[0029]下面將結(jié)合附圖以及具體實施方法來詳細(xì)說明本發(fā)明，在本發(fā)明的示意性實施及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0030]請同時參閱圖1和圖2，其中，圖1為本實施例所述的固態(tài)太赫茲輻射器的表面示意圖，圖2為本實施例所述的固態(tài)太赫茲輻射器的縱向結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例所述的基于邊棱音效應(yīng)的固態(tài)太赫茲輻射器，從縱向結(jié)構(gòu)上看，從下往上依次包括絕緣襯底層1、設(shè)置在絕緣襯底層表面的二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層2、設(shè)置在該二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層2表面的絕緣保護層3。絕緣襯底層I可以是未摻雜的本征半導(dǎo)體，如硅、磷化銦等；也可以是藍(lán)寶石、氧化硅等絕緣材料。二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層2可以是III族化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵、氮化鎵等。絕緣保護層3起到保護二維半導(dǎo)體層和絕緣的作用，選擇導(dǎo)熱率高的絕緣材料即可。
[0031]進一步地，所述二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層2可以為AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)，其包括AlGaN層、GaN層以及在AlGaN層和GaN層之間形成二維電子氣層；由于AlGaN層與GaN層具有不同的帶隙，GAN具有自極化作用，二者之間可形成二維電子氣層23，邊棱音效應(yīng)發(fā)生于該二維電子氣層23中。在本實施例中，所述二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層2為AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)，其包括AlGaAs層21、