本發(fā)明涉及平面納米振蕩器，尤其涉及具有可調(diào)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(shù)：

太赫茲(thz)波是指頻率在0.1～10thz(1thz＝10¹²hz)(波長為3000μm～30μm)范圍內(nèi)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(xué)范疇；短波方向與紅外線相重疊，其主要涉及光子學(xué)范疇。但受技術(shù)上的限制，對thz波的相關(guān)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(zhì)，使得它不僅在基礎(chǔ)科學(xué)上有很重要的學(xué)術(shù)價值，而且在科學(xué)技術(shù)上及工業(yè)上也有很多誘人的應(yīng)用。thz波處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡：在頻域上覆蓋了包括蛋白質(zhì)在內(nèi)的各種大分子的轉(zhuǎn)動和振蕩頻率；量子能量很低，不會對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，與x射線相比，有很大的優(yōu)勢，必將成為研究各種物質(zhì)——特別是生命物質(zhì)——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(xué)方面高的空間和時間分辨率成像、信號處理、大容量數(shù)據(jù)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(xué)及環(huán)境科學(xué)，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(yīng)用前景。

在thz科學(xué)技術(shù)中，探測器和輻射源既是基礎(chǔ)也是關(guān)鍵，目前已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。其中基于平面納米結(jié)構(gòu)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(fā)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(shù)在一個導(dǎo)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(gòu)成全部的邏輯門：如or、and以及not；也可以構(gòu)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(guān)鍵元件。隨后，國家發(fā)明專利200810219701.9公布了一個自發(fā)振蕩的平面納米電磁波輻射器件，以及制作自發(fā)振蕩的平面納米電磁波輻射器件的關(guān)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(jié)構(gòu)，其既沒有公開涉及頻率調(diào)諧的相關(guān)技術(shù)，也沒有公開具有可調(diào)諧性能的輻射器件。此外，后續(xù)的相關(guān)研究很少有人關(guān)注器件工作頻率的可調(diào)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(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，本發(fā)明的目的在于，提供一種具有可調(diào)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(yōu)點。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種具有可調(diào)諧功能的平面納米振蕩器，包括絕緣襯底層、設(shè)于所述絕緣襯底層表面的二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層、設(shè)于所述二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層表面的絕緣保護層、穿透所述二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層的絕緣刻槽、輸入電極、輸出電極和設(shè)于所述絕緣保護層表面的表面調(diào)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(shè)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(shè)置，兩者之間形成所述振蕩溝道的入口，并將所述二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層除振蕩溝道以外的區(qū)域分隔成相互絕緣的左邊區(qū)域和右邊區(qū)域；所述輸入電極與左邊區(qū)域連接形成輸入端，所述輸出電極與右邊區(qū)域連接形成輸出端；所述表面調(diào)控柵極設(shè)于所述振蕩溝道上方。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)表面柵極的偏壓和覆蓋范圍來調(diào)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(diào)性；且本發(fā)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(xiàn)無縫連接、工作性能可設(shè)計等優(yōu)點。

進一步，所述表面調(diào)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(diào)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(diào)控柵極長度可向左端調(diào)節(jié)。

進一步，所述表面調(diào)控柵極的長度調(diào)節(jié)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(dǎo)體導(dǎo)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(dǎo)體導(dǎo)電層的下邊緣。

進一步，所述二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層為algan/gan異質(zhì)結(jié)，其由下往上依次包括gan層、algan/gan異質(zhì)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(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明。

附圖說明

圖1為實施例1的具有可調(diào)諧功能的平面納米振蕩器的表面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為實施例1的具有可調(diào)諧功能的平面納米振蕩器的縱向結(jié)構(gòu)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(fā)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(diào)控器件輸出特性的兩個關(guān)鍵因素。表面柵極起到如下作用：一是固定柵極范圍，通過調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)柵極范圍，使器件工作頻率具有一定的可調(diào)范圍。下面將結(jié)合附圖、實施例及數(shù)值模擬所獲得的結(jié)果詳細說明本發(fā)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(diào)諧功能的平面納米振蕩器的表面結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為實施例1的具有可調(diào)諧功能的平面納米振蕩器的縱向結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例的具有可調(diào)諧功能的平面納米振蕩器包括絕緣襯底層10、設(shè)于所述絕緣襯底層表面的二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層、設(shè)于所述二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層表面的絕緣保護層、穿透所述二維半導(dǎo)體導(dǎo)電層的絕緣刻槽2、輸入電極1、輸出電極3和表面調(diào)控柵極4。

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

從表面結(jié)構(gòu)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(diào)控柵極4。具體的，所述絕緣刻槽根據(jù)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(gòu)建納米振蕩器，隔離刻槽用于隔離兩電極區(qū)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(shè)置，兩者之間形成振蕩溝道6。優(yōu)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(shè)置，且設(shè)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(qū)域分隔成相互絕緣的左邊區(qū)域和右邊區(qū)域，在左側(cè)形成低阻值的平面電阻a，在右側(cè)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(qū)域之間的載流子傳輸只能借助振蕩溝道6。

優(yōu)選的，所述第一縱向絕緣刻槽和第二縱向絕緣刻槽設(shè)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(yīng)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(yōu)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(diào)控柵極4設(shè)于所述振蕩溝道6上方，表面調(diào)控柵極4用于調(diào)節(jié)器件的輸出特性。具體的，表面調(diào)控柵極4的寬度以覆蓋振蕩溝道6的寬度為準，表面調(diào)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(diào)控柵極4長度可向左調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)特征參數(shù)：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(shù)為1(不再填入高介電參數(shù)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(dāng)柵極電壓≤8v時，柵極電壓對器件內(nèi)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(xiàn)柵極電壓對輸出信號頻率的調(diào)節(jié)能力，因此器件處于一種低頻率輸出的穩(wěn)定狀態(tài)。但是，當(dāng)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(diào)節(jié)能力才有所減緩，在柵極調(diào)節(jié)下其可達到最大的輸出頻率為0.56thz。當(dāng)柵極電壓超過18v時，輸出頻率又回歸高頻率穩(wěn)態(tài)輸出且繼續(xù)不受柵極電壓變化的影響。

當(dāng)柵極電壓分別為8v和27v時，圖3內(nèi)置圖(a)和(b)展現(xiàn)了在10ps時間內(nèi)的電流振蕩波形隨時間變化圖。通過在相同時間內(nèi)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(dāng)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(diào)控能力，其對該器件結(jié)構(gòu)性能提升承擔(dān)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(shè)計不同的振蕩器結(jié)構(gòu)。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(dāng)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(yīng)了圖3中柵極電壓的調(diào)控趨勢，即較低的柵極電壓很難影響器件振蕩頻率。然而，當(dāng)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(dāng)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(diào)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(yīng)的兩個點，d點位于模式轉(zhuǎn)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(nèi)置圖4(a)～(d)為器件內(nèi)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(yīng)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(nèi)的五個不同時刻所對應(yīng)不同振蕩器水平方向的電子濃度分布情況，對應(yīng)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(xué)生長和傳輸?shù)娜^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(fā)現(xiàn)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(xiàn)象對應(yīng)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(nèi)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(fā)現(xiàn)圖5(a)、(b)、(c)三個圖的疇生長路徑在充滿整個溝道內(nèi)部，而圖5(d)的疇生長路徑只是在溝道的右端，這個現(xiàn)象就是導(dǎo)致圖4中柵極電壓為27v時對應(yīng)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(nèi)部偶極疇分布的實質(zhì)影響因素，器件溝道內(nèi)時域平均電場分布被展現(xiàn)。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(yīng)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(xiàn)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(yīng)。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(nèi)部電場分布也有明顯的差別，在圖6(b)給出在振蕩溝道內(nèi)同時存在兩個疇。同時，當(dāng)進一步擴大極柵極范圍，這將導(dǎo)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(dǎo)致在溝道內(nèi)部可以同時存在三個偶極疇的現(xiàn)象，如圖6(c)所示。然而依照這個思路當(dāng)進一步擴大柵極范圍時，頻率卻出現(xiàn)了急劇下落，如圖4中柵極電壓為27v時對應(yīng)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(qū)的存在，當(dāng)前半段的距離小于死區(qū)長度時，如圖6(d)，器件內(nèi)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(zhuǎn)移到器件的后半段。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)表面柵極的偏壓和覆蓋范圍來調(diào)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(diào)性；且本發(fā)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(xiàn)無縫連接、工作性能可設(shè)計等優(yōu)點。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)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(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。