專利名稱：一種單頻太赫茲光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太赫茲波發(fā)射器件，具體涉及一種高遷移率材料實(shí)現(xiàn)單頻、高功 率太赫茲波發(fā)射的太赫茲源，屬于固體電子學(xué)領(lǐng)域
背景技術(shù)：
太赫茲波(又稱太赫茲輻射、THz波等)是頻率為0.3THZ-30THZ (波長(zhǎng)約為 lOym-lmm，光子能量約為1. 2meV-120meV)的電磁波，它處于紅外波與毫米波之間，是電磁 波譜中一個(gè)很重要的波段。與傳統(tǒng)光源相比，太赫茲波輻射源具有相干、低能、穿透力強(qiáng)等 獨(dú)特、優(yōu)異的特性，所以它在物理、化學(xué)、天文學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)藥科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，以 及有機(jī)分子檢測(cè)、無(wú)損成像、分子電子學(xué)、新材料研究和雷達(dá)通訊方面有重要的應(yīng)用前景。 然而通常產(chǎn)生THz波的光子學(xué)和電子學(xué)方法都存在頻率不可調(diào)、或工作溫度低、或體積大、 或價(jià)格昂貴的嚴(yán)重缺點(diǎn)，至今還沒(méi)有一個(gè)較成熟的室溫工作的微型固態(tài)發(fā)射源。這一空白 的填補(bǔ)將大幅推動(dòng)THz技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。高電子遷移率晶體管(HEMT)器件已經(jīng)在高速數(shù)字集成電路、微波振蕩器、微波低 噪聲信號(hào)放大和功率放大等場(chǎng)合得到成功的應(yīng)用。1993年，Dyakonov和Shur對(duì)場(chǎng)效應(yīng)晶體 管中電子的彈道輸運(yùn)激發(fā)等離子體波的物理圖像做了淺水波的類比，提出了等離子淺水波 的概念。2004年，Deng等人實(shí)現(xiàn)了基于GaN的HEMT在8K溫度環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的75GHz輻射。 法國(guó)蒙彼利埃(Montpellier)大學(xué)的Knap小組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)InGaAs/AlInAs基HEMT在4. 2K 溫度環(huán)境下的0. 4-lTHz的寬頻輻射，也實(shí)現(xiàn)了室溫下GaN/AlGaN基HEMT的輻射，輻射峰值 為1. 5-2. OTHz，單器件功率小于0. Iyff0目前來(lái)看，低溫和常溫環(huán)境下已實(shí)現(xiàn)的太赫茲輻射都是寬頻的光譜，表明等離子 體波的多種非穩(wěn)模式同時(shí)被激發(fā)。在HEMT的制備工藝上也很難實(shí)現(xiàn)源漏電極阻抗為零或 無(wú)窮大的邊界條件，所以很難實(shí)現(xiàn)單一頻率的太赫茲波發(fā)射。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)太赫茲光源為寬頻光譜，且低溫和常溫環(huán)境下頻寬受影響愈 大的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種單頻太赫茲光源，基于現(xiàn)有寬頻THz光源，對(duì)激發(fā)的 等離子體波進(jìn)行諧振調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)單頻且高功率的太赫茲波輸出。實(shí)現(xiàn)上述本發(fā)明目的的技術(shù)方案為一種單頻太赫茲光源，以寬頻太赫茲光源為基本結(jié)構(gòu)，所述寬頻太赫茲光源為利 用溝道和柵極間的電子場(chǎng)發(fā)射以激發(fā)溝道中的等離子體波產(chǎn)生太赫茲波輻射的氮化鎵基 高電子遷移率晶體管，其特征在于所述單頻太赫茲光源垂直于其高電子遷移率晶體管平 面鍵合有一個(gè)太赫茲諧振腔。進(jìn)一步地，前述的一種單頻太赫茲光源，其中該高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)組成 包括源極、漏極、介電層和柵極，其中所述柵極為T形柵。更進(jìn)一步地，前述的一種單頻太赫茲光源，其中該太赫茲諧振腔是通過(guò)結(jié)合熱氧化和腐蝕工藝實(shí)現(xiàn)的與高電子遷移率晶體管平面鍵合的凹形結(jié)構(gòu)，該凹形結(jié)構(gòu)的一側(cè)刻蝕
開(kāi)設(shè)有一個(gè)透孔，單頻太赫茲波由該透孔輸出。 本發(fā)明上述技術(shù)方案投入應(yīng)用后，其顯著優(yōu)點(diǎn)是 通過(guò)氮化鎵基HEMT器件與THz諧振腔的耦合，該太赫茲光源能夠?qū)崿F(xiàn)單一頻率的 高功率輸出，進(jìn)一步為促進(jìn)太赫茲波的深入研究提供了前提條件，同時(shí)該太赫茲光源能在 室溫下工作，顯著拓展了太赫茲波的應(yīng)用范圍并節(jié)省了應(yīng)用成本。此外，由于采用微機(jī)電機(jī) 械系統(tǒng)加工技術(shù)，使得產(chǎn)品尺寸更適于當(dāng)前小型化的趨勢(shì)。


圖1為本發(fā)明單頻太赫茲光源的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是利用氮化鎵電子場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)實(shí)現(xiàn)可控單一頻率THz發(fā)射的一種新途徑。 采用的技術(shù)方案是在垂直于HEMT器件平面的方向弓丨入一個(gè)THz諧振腔，同時(shí)使電子能通過(guò) 場(chǎng)發(fā)射從溝道隧穿到柵極。因此溝道-柵極間的電子場(chǎng)發(fā)射會(huì)受到等離子體波的調(diào)制，諧 振腔則可以通過(guò)場(chǎng)發(fā)射電子進(jìn)一步增強(qiáng)溝道表面電場(chǎng)和溝道內(nèi)的等離子體波。電子場(chǎng)發(fā)射 和非穩(wěn)態(tài)等離子體波通過(guò)THz諧振腔的耦合作用實(shí)現(xiàn)室溫單頻的太赫茲光源。如圖1所示，該單頻太赫茲光源由氮化鎵基HEMT寬譜THz光源和THz諧振腔6組 成，其中氮化鎵基HEMT寬譜THz光源是以鎵氮外延片1為基底，采用半導(dǎo)體成熟的刻蝕工 藝加工而成(現(xiàn)有成熟技術(shù)，故未予詳述)，其結(jié)構(gòu)組成包括器件兩側(cè)的源極2和漏極3， 源、漏極之間的介電層4以及介電層上的T形柵5。THz諧振腔6以及THz諧振腔與HEMT 之間的組裝結(jié)構(gòu)采用了微機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)制成。具體地說(shuō)該THz諧振腔 6是通過(guò)結(jié)合熱氧化和腐蝕工藝實(shí)現(xiàn)的與高電子遷移率晶體管平面鍵合的凹形結(jié)構(gòu)，該凹 形結(jié)構(gòu)的一側(cè)通過(guò)刻蝕的工藝開(kāi)有一微小的透孔，諧振調(diào)制后的單頻太赫茲波由該透孔輸 出。該凹形結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)應(yīng)著寬頻光源中的某一特定的波長(zhǎng)，可以根據(jù)需求選擇不同的尺 寸。具體來(lái)看本發(fā)明的制作工藝首先是基于氮化鎵的HEMT的寬譜THz光源的制作工藝1.選用GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)作為HEMT器件的電子溝道，利用MOCVD設(shè)備進(jìn)行GaN/ AlGaN異質(zhì)結(jié)材料1的生長(zhǎng)；2.采用紫外光刻、等離子刻蝕、電子束蒸發(fā)等半導(dǎo)體工藝完成臺(tái)面的隔離和歐姆 接觸的源極2以及漏極3;3.結(jié)合紫外光刻和電子束蒸發(fā)或磁控濺射生長(zhǎng)介電層4 ；4.采用多層膠電子束直寫工藝或者電子束直寫和紫外光刻混合工藝實(shí)現(xiàn)亞百納 米長(zhǎng)度T形柵5的制作。然后是基于氮化鎵的HEMT的單頻THz光源的太赫茲諧振腔6的制作方式是在硅 基片上通過(guò)熱氧化、干_濕法腐蝕結(jié)合和金屬鍍膜的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，諧振腔和氮化鎵的HEMT 的寬譜THz光源是通過(guò)鍵合機(jī)鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)。該太赫茲諧振腔6可以通過(guò)場(chǎng)發(fā)射電子進(jìn)一步 增強(qiáng)溝道表面電場(chǎng)和溝道內(nèi)的等離子體波。電子場(chǎng)發(fā)射和非穩(wěn)態(tài)等離子體波通過(guò)THz諧振腔的耦合作用實(shí)現(xiàn)室溫單頻的太赫茲光源。 綜上所述，基于氮化鎵晶體管電子場(chǎng)發(fā)射的單頻太 赫茲光源解決了單頻太赫茲波 發(fā)射的問(wèn)題，采用氮化鎵優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能，以及溝道和T型柵極間的場(chǎng)發(fā)射來(lái)激發(fā)溝道 等離子體波從而產(chǎn)生THz波輻射；采用制備THz諧振腔并與HEMT耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)單頻較高功率 的輸出。
權(quán)利要求
一種單頻太赫茲光源，以寬頻太赫茲光源為基本結(jié)構(gòu)，所述寬頻太赫茲光源為利用溝道和柵極間的電子場(chǎng)發(fā)射以激發(fā)溝道中的等離子體波產(chǎn)生太赫茲波輻射的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征在于所述單頻太赫茲光源垂直于其高電子遷移率晶體管平面鍵合有一個(gè)太赫茲諧振腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單頻太赫茲光源，其特征在于所述高電子遷移率晶體 管的結(jié)構(gòu)組成包括源極、漏極、介電層和柵極，其中所述柵極為T形柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單頻太赫茲光源，其特征在于所述太赫茲諧振腔是通 過(guò)結(jié)合熱氧化和腐蝕工藝實(shí)現(xiàn)的與高電子遷移率晶體管平面鍵合的凹形結(jié)構(gòu)，該凹形結(jié)構(gòu) 的一側(cè)刻蝕開(kāi)設(shè)有一個(gè)用于輸出單頻太赫茲波的透孔。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種單頻太赫茲(THz)光源，以寬頻THz光源為基本結(jié)構(gòu)，所述寬頻THz光源為利用溝道和柵極間的電子場(chǎng)發(fā)射以激發(fā)溝道中的等離子體波產(chǎn)生THz波輻射的氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其特征在于所述單頻THz光源其垂直于高電子遷移率晶體管的平面上鍵合有一個(gè)太赫茲諧振腔。本發(fā)明的單頻太赫茲光源，利用氮化鎵基HEMT器件與THz諧振腔的耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)單一頻率的高功率輸出，進(jìn)一步為促進(jìn)太赫茲波的深入研究提供了前提條件，同時(shí)該太赫茲光源能在室溫下工作，顯著拓展了太赫茲波的應(yīng)用范圍并節(jié)省了應(yīng)用成本。此外，由于采用微機(jī)電機(jī)械系統(tǒng)加工技術(shù)，使得產(chǎn)品尺寸更適于當(dāng)前小型化的趨勢(shì)。
文檔編號(hào)H01S5/065GK101964500SQ20101022698
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者張寶順, 張志鵬, 樓柿濤, 秦華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所