本發(fā)明涉及微等離子體超快開關(guān)，具體為一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件、制備及調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

1、隨著超緊湊型高功率太赫茲源的設(shè)計(jì)需求，等離子體超快開關(guān)的尺寸逐漸縮小到微納量級(jí)，逼近掃描投影式光刻機(jī)的極限工作精度，器件工作壽命受限于電極兩端電壓工作閾值，微納等離子體超快器件急需更低電極兩端工作電壓、更長(zhǎng)工作壽命的調(diào)制與制備方法。

2、微納等離子體超快器件通常由平面微納加工工藝蝕刻出平面金屬電極或由微機(jī)電系統(tǒng)(mems)方法制作出平面(垂直)電極，當(dāng)器件電極兩端電壓達(dá)到工作閾值時(shí)，器件自啟動(dòng)，在極短的暫態(tài)時(shí)間內(nèi)由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)。微納尺度下場(chǎng)致電子發(fā)射效應(yīng)因其尺寸與電子平均自由程可比較，載流子散射不明顯，再加上間隙中超過(guò)1mvcm-1的電場(chǎng)，導(dǎo)致了明顯的電子發(fā)射和快速的電子轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生了獨(dú)特的超快皮秒開關(guān)時(shí)間，比傳統(tǒng)的電子器件快十倍以上，有望滿足新一代緊湊型高功率太赫茲源設(shè)計(jì)需求。盡管取得了這些進(jìn)展，但工作電壓高、電極易損壞、可靠性有限等問(wèn)題阻礙了其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用，這一問(wèn)題不僅阻礙了實(shí)際應(yīng)用，而且影響了系統(tǒng)的性能、可靠性和擴(kuò)展性。

3、器件工作電壓作為微納等離子體超快器件指標(biāo)與核心工程應(yīng)用，其范圍大小與器件工作壽命密切耦合，當(dāng)前電壓范圍調(diào)控主要依賴于平面金屬圖形間隙距離、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)等的控制，進(jìn)而調(diào)控器件場(chǎng)致電子發(fā)射效應(yīng)。然而對(duì)于目前制備手段限制的蝕刻精度，修改間隙距離并不是很好的調(diào)控手段。一方面間隙距離的減小意味著需要更高精度的加工工藝和更高的次品率，這意味著更高的生產(chǎn)成本，更低的設(shè)計(jì)一致性，不利于大規(guī)模制造。另一方面優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，提高場(chǎng)增強(qiáng)因子來(lái)降低器件工作電壓，但器件結(jié)構(gòu)和工作電壓之間并沒(méi)有直觀的量化關(guān)系，且電極面積會(huì)導(dǎo)致工作電壓和開關(guān)速度的制衡關(guān)系，因此這種需要考慮耦合的優(yōu)化方案缺乏實(shí)用性和拓展性，不利于超快器件的大規(guī)模設(shè)計(jì)優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件、制備及調(diào)控方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中依賴于平面金屬圖形間隙距離、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)等的控制，進(jìn)而調(diào)控器件場(chǎng)致電子發(fā)射效應(yīng)，限制了器件工作壽命，影響器件性能的技術(shù)問(wèn)題。

2、本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件，包括絕緣襯底、兩個(gè)地極金屬層單元組以及兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組；

4、兩個(gè)地極金屬層單元組分別設(shè)置在絕緣襯底上，且位于絕緣襯底上表面兩側(cè)；

5、兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組分別設(shè)置在絕緣襯底上，且在絕緣襯底上表面上位于兩個(gè)地極金屬層單元組之間；

6、兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組分別與兩個(gè)地極金屬層單元組之間存在間隙；

7、兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組之間存在間隙，形成微間隙開關(guān)。

8、優(yōu)選的，兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組和兩個(gè)地極金屬層單元組在絕緣襯底上表面的高度相等，且兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組和兩個(gè)地極金屬層單元組以及絕緣襯底之間形成共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

9、優(yōu)選的，地極金屬層單元組包括第一黏附層和地極金屬層；

10、所述第一黏附層設(shè)置在絕緣襯底上表面；

11、所述地極金屬層設(shè)置在第一黏附層上。

12、進(jìn)一步的，第一黏附層的材料采用金屬鈦，厚度為10nm±0.01nm；

13、所述地極金屬層的材料采用材料為鉑、金、銀或鎢，厚度為300nm±0.1nm。

14、優(yōu)選的，信號(hào)金屬層單元組包括第二黏附層和信號(hào)金屬層；

15、所述第二黏附層設(shè)置在絕緣襯底上表面；

16、所述信號(hào)金屬層設(shè)置在第一黏附層上。

17、進(jìn)一步的，第二黏附層的材料采用金屬鈦，厚度為10nm±0.01nm；

18、所述信號(hào)金屬層的材料采用材料為鉑、金、銀或鎢，厚度為300nm±0.1nm。

19、優(yōu)選的，絕緣襯底的材料采用藍(lán)寶石，其中介電常數(shù)為9.4，厚度為0.5mm±0.01mm。

20、優(yōu)選的，還包括壓塊，兩個(gè)地極金屬層單元組上設(shè)有螺栓孔；所述壓塊壓設(shè)在兩個(gè)地極金屬層單元組上，且通過(guò)螺栓連接至螺栓孔將兩個(gè)地極金屬層單元組固定在絕緣襯底上。

21、第二方面，本發(fā)明還提供了一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件的制備方法，用于得到上述所述的一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件，包括如下過(guò)程：

22、選取絕緣襯底，去除絕緣襯底表面污染物以及水蒸氣，并對(duì)絕緣襯底進(jìn)行預(yù)烘烤；

23、在預(yù)烘烤絕緣襯底的上表面上增加光刻膠，進(jìn)行烘烤；

24、將增加光刻膠的絕緣襯底進(jìn)行冷卻至室溫后采用步進(jìn)投影式曝光，需要掩膜版獲得圖形，掩膜版與光刻膠之間有投影系統(tǒng)，將圖形曝光在光刻膠上；

25、使樣品表面需要制備電極的區(qū)域感光，利用明場(chǎng)光罩將掩模版上的器件版圖轉(zhuǎn)移至正性光刻膠上，然后在顯影液中浸泡除去；

26、使用離子束刻蝕形成金屬電極，然后通過(guò)去膠液及等離子體轟擊去除殘留的光刻膠，得到功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件。

27、第三方面，本發(fā)明還提供了一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件的調(diào)控方法，基于上述所述的一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件，包括如下過(guò)程：

28、脈沖信號(hào)通過(guò)免焊連接器傳輸至微間隙等離子體共面波導(dǎo)電路，并加載在中間核心器件微間隙開關(guān)，微間隙開關(guān)存在擊穿電壓vth，當(dāng)電壓低于vth時(shí)，兩電極間無(wú)接觸，開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)電壓上升至vth時(shí)，高場(chǎng)強(qiáng)使得電子獲得足夠越過(guò)金屬表面勢(shì)壘能量從而逸出成為場(chǎng)致發(fā)射電子；由于間隙間距大于電子平均自由程，導(dǎo)致電子在進(jìn)行信號(hào)級(jí)間轉(zhuǎn)移時(shí)會(huì)碰撞間隙中間游離自由中性離子，產(chǎn)生正離子與碰撞電子，從而形成電子倍增過(guò)程；

29、碰撞電子與場(chǎng)致電子沿間隙場(chǎng)強(qiáng)反方向從信號(hào)負(fù)極至信號(hào)正極，碰撞產(chǎn)生的正離子沿場(chǎng)強(qiáng)方向到達(dá)信號(hào)負(fù)極并碰撞陰極產(chǎn)生大量二次電子發(fā)射，此時(shí)間隙中充滿了大量電子作為載流子，形成導(dǎo)電電流最終在信號(hào)正負(fù)極間形成導(dǎo)電通路；此時(shí)微間隙開關(guān)由關(guān)斷狀態(tài)切換至導(dǎo)通狀態(tài)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)開關(guān)繼續(xù)傳輸；

30、通過(guò)對(duì)不同信號(hào)層與地層材料功函數(shù)所組成的超快等離子體組件測(cè)量其工作電壓得實(shí)際測(cè)量曲線，根據(jù)實(shí)際測(cè)量曲線調(diào)整工作電壓區(qū)間。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

32、本發(fā)明提供了一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件，通過(guò)將兩個(gè)地極金屬層單元組分別設(shè)置在絕緣襯底上，且位于絕緣襯底上表面兩側(cè)；兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組分別設(shè)置在絕緣襯底上，且在絕緣襯底上表面上位于兩個(gè)地極金屬層單元組之間；兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組分別與兩個(gè)地極金屬層單元組之間存在間隙；兩個(gè)信號(hào)金屬層單元組之間存在間隙，形成微間隙開關(guān)，通過(guò)調(diào)控器件材料功函數(shù)解決技術(shù)問(wèn)題，可在不損失蝕刻精度的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)信號(hào)層金屬功函數(shù)來(lái)調(diào)控工作電壓范圍區(qū)間，有效提高了器件工作壽命和器件性能。

33、進(jìn)一步的，功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件關(guān)鍵部分，即微納尺度的空氣溝道尺寸極小，位于整體器件中間。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明中將微間隙開關(guān)與共面波導(dǎo)集成為一體，以便于1.85mm同軸線纜的安裝，頻率拓展至67ghz，該樣品主要是共面波導(dǎo)及共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)接器安裝孔占據(jù)了較大面積，而器件關(guān)鍵部件尺寸極小，器件可與平面微納加工工藝兼容，實(shí)現(xiàn)小型化、集成化應(yīng)用。

34、進(jìn)一步的，地極金屬層單元位于信號(hào)金屬層兩側(cè)，可以理解為信號(hào)極與地極共同組成同軸結(jié)構(gòu)，同時(shí)信號(hào)極兩側(cè)間距可以跟據(jù)共面波導(dǎo)特性阻抗匹配50ω而進(jìn)行調(diào)整。

35、進(jìn)一步的，絕緣襯底的材料為藍(lán)寶石(al2o3)其中介電常數(shù)為9.4，本發(fā)明中的襯底材料具有良好的透光性，有利于實(shí)驗(yàn)觀察間隙兩側(cè)表面粗糙度，保證場(chǎng)致發(fā)射因子一致性，絕緣襯底的厚度為0.5mm±0.01mm，其中絕緣襯底厚度可在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以更優(yōu)的控制共面波導(dǎo)特性阻抗為50ω，過(guò)薄過(guò)厚均影響阻抗匹配，進(jìn)而影響信號(hào)傳輸失真。

36、進(jìn)一步的，第一黏附層和第二黏附層材料為金屬鈦(ti)，金屬鈦?zhàn)鳛轲じ綄咏橛谛盘?hào)層與襯底之間，其信號(hào)層金屬粘附性好，同時(shí)鈦的功函數(shù)較大，可以跟功函數(shù)范圍的形成較好的歐姆接觸，表面電阻接觸較小。

37、進(jìn)一步的，地極金屬層和信號(hào)金屬層材料為鉑、金、銀和鎢的其中一種；優(yōu)選為鎢和銀，因其功函數(shù)較大的電極表面逸出電子數(shù)量不足，因此需要更高的電壓和場(chǎng)強(qiáng)來(lái)使電極表面的電子獲得足夠高的能量來(lái)穿越勢(shì)壘，逸出至空氣間隙形成初始電子。更優(yōu)選的是信號(hào)級(jí)與地極厚度應(yīng)為300nm±0.1nm。

38、本發(fā)明提供了一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件的制備方法，相較于傳統(tǒng)間隙間距調(diào)控器件工作電壓的組件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，功函數(shù)調(diào)制微等離子體器件組件在相同間隙尺寸下，最低工作電壓降低了75％，降低到了45v，相當(dāng)于間隙尺寸減小80％，制備工藝簡(jiǎn)單，大大提高了器件工作壽命和器件性能。

39、本發(fā)明提供了一種功函數(shù)調(diào)制超快等離子體組件的調(diào)控方法，解耦了電極材料功函數(shù)、器件間隙間距與器件垂直結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，通過(guò)調(diào)整信號(hào)層材料功函數(shù)進(jìn)而調(diào)整微間隙場(chǎng)致電子發(fā)射效應(yīng)，在相同間隙場(chǎng)強(qiáng)下，電極表面的電子逸出至空氣溝道形成初始電子的數(shù)量變化。因而當(dāng)器件開始工作時(shí)，所需的間隙場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生改變，以此控制微等離子體器件組件工作電壓范圍。