具有可調諧功能的平面納米振蕩器的制作方法

本發明涉及平面納米振蕩器，尤其涉及具有可調諧特性且能在常溫條件下工作于太赫茲頻段的平面納米振蕩器。

背景技術：

太赫茲(thz)波是指頻率在0.1～10thz(1thz＝10¹²hz)(波長為3000μm～30μm)范圍內的電磁波。它在電磁波譜中處于一個很特殊的位置：長波方向與毫米波(亞毫米波)相重疊，其主要涉及電子學范疇；短波方向與紅外線相重疊，其主要涉及光子學范疇。但受技術上的限制，對thz波的相關研究卻大大落后于毫米波和紅外線，這使得它成為目前電磁波譜中有待全面研究的最后一個頻率窗口，被稱為“thz空隙”(thzgap)。然而作為空隙的thz波卻具有一系列獨特的性質，使得它不僅在基礎科學上有很重要的學術價值，而且在科學技術上及工業上也有很多誘人的應用。thz波處于宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，處于電子學向光子學的過渡：在頻域上覆蓋了包括蛋白質在內的各種大分子的轉動和振蕩頻率；量子能量很低，不會對物質產生破壞作用，與x射線相比，有很大的優勢，必將成為研究各種物質——特別是生命物質——強有力的工具。thz波長比微波小1000倍以上，所以其空間分辨率很高：可用于如信息科學方面高的空間和時間分辨率成像、信號處理、大容量數據傳輸、寬帶通信。此外，thz波在材料評價、分層成像、生物成像、等離子體聚變診斷、天文學及環境科學，甚至是毒品檢測、武器搜查和軍事情報收集等方面也都有著廣闊的應用前景。

在thz科學技術中，探測器和輻射源既是基礎也是關鍵，目前已經成為國內外研究熱點。其中基于平面納米結構的器件由于工藝簡單、易于集成且寄生電容小，越來越受到人們的重視。2008年3月份，國家發明專利02808508.6公布了一種平面納米二極管器件。該器件是通過采用納米刻蝕技術在一個導電襯底上制作絕緣線以限定電荷流動路徑而獲得的。用它作為元件可以構成全部的邏輯門：如or、and以及not；也可以構成整流器，用于探測電磁波。最新的實驗表明該器件在常溫下能用于探測頻率高達1.5thz的電磁波；如果工作溫度降為150k，探測頻率可以提高至2.5thz。由于該器件在反向偏壓的條件下具有負微分電阻，因此可以作為振蕩電路的關鍵元件。隨后，國家發明專利200810219701.9公布了一個自發振蕩的平面納米電磁波輻射器件，以及制作自發振蕩的平面納米電磁波輻射器件的關鍵方法。專利200810219701.9公布的平面納米振蕩器是一種兩端的器件結構，其既沒有公開涉及頻率調諧的相關技術，也沒有公開具有可調諧性能的輻射器件。此外，后續的相關研究很少有人關注器件工作頻率的可調諧性這個問題，均停留在討論如何提升平面納米振蕩器的性能。

技術實現要素：

基于此，本發明的目的在于，提供一種具有可調諧功能的平面納米振蕩器，該器件具有工藝簡單、易于集成于單芯片上、能常溫工作且工作頻率高達太赫茲頻段的優點。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：一種具有可調諧功能的平面納米振蕩器，包括絕緣襯底層、設于所述絕緣襯底層表面的二維半導體導電層、設于所述二維半導體導電層表面的絕緣保護層、穿透所述二維半導體導電層的絕緣刻槽、輸入電極、輸出電極和設于所述絕緣保護層表面的表面調控柵極；所述絕緣刻槽包括第一橫向絕緣刻槽、第二橫向絕緣刻槽、第一縱向絕緣刻槽和第二縱向絕緣刻槽，所述第一橫向絕緣刻槽和第二橫向絕緣刻槽于同一平面上下設置，兩者之間形成一振蕩溝道；所述第一縱向絕緣刻槽和第二縱向絕緣刻槽于同一平面上下設置，兩者之間形成所述振蕩溝道的入口，并將所述二維半導體導電層除振蕩溝道以外的區域分隔成相互絕緣的左邊區域和右邊區域；所述輸入電極與左邊區域連接形成輸入端，所述輸出電極與右邊區域連接形成輸出端；所述表面調控柵極設于所述振蕩溝道上方。

相對于現有技術，本發明通過調節表面柵極的偏壓和覆蓋范圍來調控器件的工作頻率，利用表面柵極不僅可以提升器件輸出信號的頻率，而且還能夠突破由器件長度所限制的極限工作頻率，使其工作頻率具有一定的可調性；且本發明器件具有能常溫工作、工作頻率可達太赫茲頻段、能與單片微波集成電路實現無縫連接、工作性能可設計等優點。

進一步，所述表面調控柵極的寬度覆蓋所述振蕩溝道的寬度。

進一步，所述振蕩溝道的寬度小于1μm。

進一步，所述表面調控柵極長度的右端與所述振蕩溝道右端出口保持一致且固定，表面調控柵極長度可向左端調節。

進一步，所述表面調控柵極的長度調節范圍為振蕩溝道的長度。

進一步，所述第一縱向絕緣刻槽和第二縱向絕緣刻槽的位置靠近所述輸入端。

進一步，所述第一縱向絕緣刻槽從第一橫向絕緣刻槽的上端向上延伸至二維半導體導電層的上邊緣，所述第二縱向絕緣刻槽從第二橫向絕緣刻槽的下端向下延伸至二維半導體導電層的下邊緣。

進一步，所述二維半導體導電層為algan/gan異質結，其由下往上依次包括gan層、algan/gan異質界面上的二維電子氣層和algan層。

進一步，所述絕緣刻槽的深度大于所述二維電子氣層的厚度。

進一步，所述絕緣刻槽的深度大于等于300nm。

為了更好地理解和實施，下面結合附圖詳細說明本發明。

附圖說明

圖1為實施例1的具有可調諧功能的平面納米振蕩器的表面結構示意圖。

圖2為實施例1的具有可調諧功能的平面納米振蕩器的縱向結構示意圖。

圖3為實施例1由蒙特卡羅模擬獲得的輸出特性隨表面柵極電壓變化曲線。

圖4為實施例1由蒙特卡羅模擬獲得的輸出特性隨表面柵極長度變化曲線。

圖5為實施例1由蒙特卡羅模擬獲得的歸一化電子濃度分布曲線。

圖6為實施例1由蒙特卡羅模擬獲得的時域平均電場強度變化曲線。

具體實施方式

本發明利用表面柵極來控制平面納米振蕩器的性能輸出，表面柵極所施加的偏壓和表面柵極的范圍是表面柵極調控器件輸出特性的兩個關鍵因素。表面柵極起到如下作用：一是固定柵極范圍，通過調節柵極電壓，提升器件的輸出信號頻率；二是柵極電壓恒定，通過調節柵極范圍，使器件工作頻率具有一定的可調范圍。下面將結合附圖、實施例及數值模擬所獲得的結果詳細說明本發明。

實施例1

請同時參閱圖1和圖2，其中，圖1為本實施例的具有可調諧功能的平面納米振蕩器的表面結構示意圖，圖2為實施例1的具有可調諧功能的平面納米振蕩器的縱向結構示意圖。本實施例的具有可調諧功能的平面納米振蕩器包括絕緣襯底層10、設于所述絕緣襯底層表面的二維半導體導電層、設于所述二維半導體導電層表面的絕緣保護層、穿透所述二維半導體導電層的絕緣刻槽2、輸入電極1、輸出電極3和表面調控柵極4。

從縱向結構上看，該器件從下往上依次包括絕緣襯底層1、二維半導體導電層和絕緣保護層(圖中未顯示)。本實施例中，所述二維半導體導電層為具有負微分遷移率的二維半導體導電層，優選為algan/gan異質結，其由下往上依次包括gan層8、algan/gan異質界面上的二維電子氣層9和algan層7。

從表面結構上看，該器件還包括穿透長方形二維電子氣層5的絕緣刻槽2、輸入電極1、輸出電極3和表面調控柵極4。具體的，所述絕緣刻槽根據用途的不同分為兩種，分別記為振蕩器刻槽和隔離刻槽，振蕩器刻槽用于定義振蕩溝道以構建納米振蕩器，隔離刻槽用于隔離兩電極區域，使得它們之間的載流子傳輸只能借助納米振蕩器的振蕩溝道。

本實施例中，振蕩器刻槽包括第一橫向絕緣刻槽和第二橫向絕緣刻槽，所述第一橫向絕緣刻槽和第二橫向絕緣刻槽于同一平面上下設置，兩者之間形成振蕩溝道6。優選的，振蕩溝道的長度和寬度均小于1μm。

隔離刻槽包括第一縱向絕緣刻槽和第二縱向絕緣刻槽，所述第一縱向絕緣刻槽和第二縱向絕緣刻槽于同一平面上下設置，且設置于所述振蕩溝道6的入口上，具體的，第一縱向絕緣刻槽從第一橫向絕緣刻槽的上絕緣刻槽向上延伸至器件的上邊緣，第二縱向絕緣刻槽從第二橫向絕緣刻槽的下絕緣刻槽向下延伸至器件的下邊緣，從而將器件平面除振蕩溝道6以外的區域分隔成相互絕緣的左邊區域和右邊區域，在左側形成低阻值的平面電阻a，在右側形成低阻值的平面電阻b。

所述輸入電極1與平面電阻a連接作為器件的輸入端，所述輸出電極3與平面電阻b連接作為器件的輸出端，使得兩平面電阻區域之間的載流子傳輸只能借助振蕩溝道6。

優選的，所述第一縱向絕緣刻槽和第二縱向絕緣刻槽設置在該器件的輸入端附近，這是由于隔離刻槽起到的是絕緣隔離的作用，為了減小其對振蕩特性的影響，應盡量減小其寬度，并使其位于遠離納米振蕩器的信號輸出端。

上述所有絕緣刻槽可以通過干法刻蝕獲得，刻槽的深度大于二維電子氣層5的厚度，以能夠穿透二維電子氣層5為最淺深度要求，優選的，刻槽的深度大于300nm，避免加工時深度波動對器件性能的影響。

所述表面調控柵極4設于所述振蕩溝道6上方，表面調控柵極4用于調節器件的輸出特性。具體的，表面調控柵極4的寬度以覆蓋振蕩溝道6的寬度為準，表面調控柵極4長度的右端與振蕩溝道6右端出口保持一致且固定，表面調控柵極4長度可向左調節，其調節范圍是整個振蕩溝道的長度。

利用系宗蒙特卡羅模擬可獲得上述實施例在常溫下的工作特性，模擬時采用如下結構特征參數：振蕩溝道長度為450nm、寬度為50nm；絕緣刻槽寬度為30nm、深度為300nm、介電參數為1(不再填入高介電參數的絕緣材料)；algan層的厚度為30nm；gan層的厚度為500nm；表面柵極的寬度為50nm；整個器件的長度為900nm、寬度為300nm。

為了研究柵極電壓對振蕩器輸出特性的影響，固定表面柵極的長度為160nm，施加一定范圍的電壓，請參閱圖3，其為由蒙特卡羅模擬獲得的輸出特性隨表面柵極電壓變化曲線。從曲線的走勢圖可以看出，當柵極電壓≤8v時，柵極電壓對器件內部載流子運動影響較小，其輸出信號頻率一直為0.34thz，也就不能展現柵極電壓對輸出信號頻率的調節能力，因此器件處于一種低頻率輸出的穩定狀態。但是，當柵極電壓超過8v時，隨著柵極電壓的增大，信號頻率的輸出急劇提升，直到柵極電壓達到18v時，柵極電壓對輸出頻率的調節能力才有所減緩，在柵極調節下其可達到最大的輸出頻率為0.56thz。當柵極電壓超過18v時，輸出頻率又回歸高頻率穩態輸出且繼續不受柵極電壓變化的影響。

當柵極電壓分別為8v和27v時，圖3內置圖(a)和(b)展現了在10ps時間內的電流振蕩波形隨時間變化圖。通過在相同時間內兩個圖形中振蕩波形密度之間對比，可以很清楚的看出雖然電流振幅沒有明顯的變化，但是當柵極電壓為27v的條件下其輸出電流振蕩周期明顯多于前者，這就是對器件工作頻率提升的一種直觀展示。因此，柵極電壓對器件輸出振蕩頻率顯示出較強的調控能力，其對該器件結構性能提升承擔不可忽視的作用。

為了進一步探索柵極范圍對器件輸出性能影響，8v和27v兩個電壓值作為柵極偏壓首先被選擇，其次，僅通過不斷改變柵極長度來設計不同的振蕩器結構。請參閱圖4，其為蒙特卡羅模擬獲得的輸出特性隨表面柵極長度變化曲線。當柵極電壓為8v時，振蕩頻率與柵極長度之間的變化趨勢曲線只有很微弱的變化趨勢，這也對應了圖3中柵極電壓的調控趨勢，即較低的柵極電壓很難影響器件振蕩頻率。然而，當柵極電壓為27v時，從振蕩頻率與柵極長度之間的變化趨勢曲線可以看出其最大值振蕩頻率和最小振蕩頻率之間相差懸殊，在該曲線走勢中，當柵極長度達到260nm時，c點代表其最大的輸出信號頻率，約為1.02thz，這個頻率大約是在沒有柵極情況下o點(0.3thz)所代表頻率的三倍。通過該曲線走勢我們也可以看出柵極范圍對器件輸出頻率的調控范圍可達約0.7thz。在圖4中，我們選取了四個比較典型的點，a點和b點為圖3中相應的兩個點，d點位于模式轉換之后的頻率，其中柵極長度為340nm，頻率大約為0.57thz。為了深入理解不同輸出特性的差異，內置圖4(a)～(d)為器件內部電荷空間分布隨時間的變化情況——形象給出了電荷疇的時空演化過程，分別對應圖4中的a、b、c、d四點。

請參閱圖5，其為由蒙特卡羅模擬獲得的歸一化電子濃度分布曲線。從圖4(a)～(d)中，分別提取形成偶極疇單個周期時間內的五個不同時刻所對應不同振蕩器水平方向的電子濃度分布情況，對應如圖5(a)～(d)所示。圖5所選取的五個時刻間隔分別代表一個疇生長周期的五分之一時間，并且以不同的曲線類型代表不同時刻的電子濃度分布，即t1＝t0，t2＝t0+t/5，t3＝t0+2t/5，t4＝t0+3t/5，t5＝t0+4t/5。在圖5中，將每條曲線所代表的電子濃度分布進行歸一化處理，這樣比較明顯的看出在疇的動力學生長和傳輸的全過程中電子濃度分布的差異。在圖5(a)中可以看到有一個疇存在；在圖5(b)中發現有兩個疇同時存在；在圖5(c)中進一步看到有三個疇同時存在。這樣的現象對應了a、b、c三個點所代表遞增的振蕩頻率，而且也就意味著頻率的提升是由于溝道內同時存在多個疇的生長傳輸。進一步對比分析圖5，還可以發現圖5(a)、(b)、(c)三個圖的疇生長路徑在充滿整個溝道內部，而圖5(d)的疇生長路徑只是在溝道的右端，這個現象就是導致圖4中柵極電壓為27v時對應的曲線峰值過后急速下降的原因。

為了更進一步分析柵極對溝道內部偶極疇分布的實質影響因素，器件溝道內時域平均電場分布被展現。請參閱圖6，其為由蒙特卡羅模擬獲得的時域平均電場強度變化曲線。圖6(a)～(d)四幅圖分別對應圖4中a、b、c、d四點。圖6(a)給出了滿足耿氏振蕩要求的一種準均勻分布。然而，圖6(b)～(d)中時域平均電場卻展現出非常明顯的非均勻分布，即電場最大峰值所處位置與柵極覆蓋溝道范圍的左端邊緣位置保持高度的對應。如此高的電場峰值也將溝道分成前后兩部分，其前后兩部分內部電場分布也有明顯的差別，在圖6(b)給出在振蕩溝道內同時存在兩個疇。同時，當進一步擴大極柵極范圍，這將導致峰值電場位置前移，使得被電場分開溝道的前半段進一步縮短，這也導致在溝道內部可以同時存在三個偶極疇的現象，如圖6(c)所示。然而依照這個思路當進一步擴大柵極范圍時，頻率卻出現了急劇下落，如圖4中柵極電壓為27v時對應的曲線峰值過后的走勢。這主要是由于峰值電場的前移進一步壓縮溝道的前半部分長度，在耿氏振蕩中由于死區的存在，當前半段的距離小于死區長度時，如圖6(d)，器件內部前半段就不能形成耿氏振蕩，輸出信號頻率也不能無限制的提升，因此，耿氏振蕩機制轉移到器件的后半段。

相對于現有技術，本發明通過調節表面柵極的偏壓和覆蓋范圍來調控器件的工作頻率，利用表面柵極不僅可以提升器件輸出信號的頻率，而且還能夠突破由器件長度所限制的極限工作頻率，使其工作頻率具有一定的可調性；且本發明器件具有能常溫工作、工作頻率可達太赫茲頻段、能與單片微波集成電路實現無縫連接、工作性能可設計等優點。

以上所述實施例僅表達了本發明的一種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。