基于边棱音效应的固态太赫兹辐射器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于边棱音效应的固态太赫兹辐射器，包括绝缘衬底层、设置在绝缘衬底层表面的半导体导电层、设置在半导体导电层表面的绝缘保护层、穿透半导体导电层的绝缘刻槽、输入电极和输出电极。所述绝缘刻槽包括第一绝缘刻槽、第二绝缘刻槽和第三绝缘刻槽；所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽相对设置，且二者之间的空隙形成一低导电沟道；所述第三绝缘刻槽一端为尖棱结构，且该尖棱正对所述低导电沟道远离输入电极一端开口；所述第三绝缘刻槽另一端延伸至所述半导体导电层一端边缘；所述第一绝缘刻槽一端和第二绝缘刻槽一端延伸至半导体导电层两侧表面。该辐射器结构简单、易于集成，可在常温下工作于太赫兹频段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于边棱音效应的固态太赫兹辐射器，尤其涉及一种利用边棱音效应(edge tone effect)来引起不稳定性从而激发高频福射，且能在常温下工作于太赫兹频段的辐射器。
技术介绍
太赫兹(ITHz = 112Hz)辐射，通常指的是频率在10GHz到1THz的电磁波，它对应的波长范围在3_到30 μ m，位于微波与红外波之间，最近由于纳米技术的进步使得太赫兹研究在更多领域得到应用，太赫兹技术由于其能够无损检测的特性被广泛应用于通讯技术、生物光谱、远程检测危险物品、食品质量控制以及在半导体中进行量子态的操纵。为了激发这种太赫兹波需要对应的辐射源，而太赫兹技术进展受到的阻碍主要是由于缺乏紧凑，低功耗，固态太赫兹辐射源。随着半导体技术的持续发展，器件的特征尺寸不断缩小，从微米量级一直到现在的纳米量级；而且所用对应的材料体系结构也从传统的高玮度(三维)向低维(二维、准一维和一维)转变。低维半导体结构的器件一般工艺简单、易于集成，因此被认为是高频器件的理想选择。边棱音效应虽然行为十分复杂，然而却可以通过非常简单的结构实现。事实上，流体振荡激发边棱音效应随处可见。日常生活中，我们经常可以听到风刮过树木时发出的风嘯声、管笛乐器的乐声，这些现象都是在没有固体部件振动的情况下发生的。它们发声过程的活动机理就是边棱音。当高速流体在尖锐边棱处分成两股，形成上下两列分离的涡旋，由于气流受阻，不同位置流速发生变化，流速大的地方压强小，流速小的地方压强大，产生了压强差。上下两列涡旋由于空吸作用出现了相互吸引并碰撞从而使得流体以特定频率振荡发声。边棱首是一种流体共有的现象，但是在不同流体中边棱首效应将产生不同频段的振荡。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).)表明纳米结构中的电子具有流体的特性，因此也具有边棱音效应。该类边棱音效应能导致纳米结构中电荷密度分布发生超高频振荡，因此可用于设计太赫兹辐射器。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是克服现有技术的不足，就是把边棱音效应引入纳米电子器件领域，提供一种基于全新工作机制、结构紧凑且功耗低的固态太赫兹辐射器。为了达到上述目的，采用如下技术方案:—种基于边棱音效应的固态太赫兹辐射器，包括绝缘衬底层、设置在绝缘衬底层表面的半导体导电层、设置在半导体导电层表面的绝缘保护层、穿透半导体导电层的绝缘刻槽、输入电极和输出电极。所述输入电极设置在半导体导电层一端外表面，所述输出电极设置在半导体导电层两侧外表面；所述半导体导电层为二维半导体导电层；所述绝缘刻槽包括第一绝缘刻槽、第二绝缘刻槽和第三绝缘刻槽；所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽相对设置，且二者之间的空隙形成一低导电沟道；所述第三绝缘刻槽一端为尖棱结构，且该尖棱正对所述低导电沟道远离输入电极一端开口 ；所述第三绝缘刻槽另一端延伸至所述半导体导电层一端边缘；所述第一绝缘刻槽一端和第二绝缘刻槽一端延伸至半导体导电层两侧表面。优选地，所述低导电沟道的宽度与半导体导电层的宽度比为1/50?1/10。优选地，所述低导电沟道出口与所述第三绝缘刻槽尖端的距离为100?500nm。通过该设置，使所述低导电沟道出口与所述第三绝缘刻槽尖端的距离在百纳米量级，可保证从低导电沟道传导出的直流离开低导电沟道的出口后通过边棱音效应在第三绝缘刻槽尖端产生不稳定性从而转化为交流的效果较佳，且工艺上能够实现。进一步地，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽尺寸相同并对称设置；所述第三绝缘刻槽为三角形状，且其一个顶角正对所述低导电沟道远离输入电极一端开口，其一条边与所述半导体导电层一端边缘重合。将所述第三绝缘刻槽设置为三角形，并使所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽尺寸相同并对称设置，则其正对所述低导电沟道的顶角形成该第三绝缘刻槽的尖端，电流从所述低导电沟道通过后在该尖端作用下产生边棱音效应，不仅能使输出的电流波形最为稳定，而且三角形结构的刻槽在工艺上也较不规则的带有尖棱的刻槽更易于实现。优选地，将所述第三绝缘刻槽设置为等腰三角形状，则其顶角对准所述低导电沟道远离输入电极一端开口形成尖端，不仅激发载流子产生边棱音效应的效果最佳，而且等腰三角形的结构在刻槽工艺上也更便于实现。优选地，所述第三绝缘刻槽顶角为15°?120°。该角度范围内的第三绝缘刻槽尖端，能够更好地保证边棱音效应的产生和较佳的电流输出效果，工艺也相对易于实现。进一步地，所述输出电极包括相对设置于半导体导电层位于所述第三绝缘刻槽所在区域两侧外表面的第一输出电极和第二输出电极。直流的输入信号从所述输入电极进入，并经过所述半导体导电层，在通过所述低导电沟道后在所述第三绝缘刻槽的尖端作用下产生边棱音效应，转换为高频交流电，并从第一输出电极和第二输出电极输出。优选地，所述半导体导电层为III族化合物半导体，所述绝缘衬底层为未掺杂的本征半导体。所述半导体导电层为二维半导体导电层，其优选为III族化合物半导体，如砷化镓、氮化镓等。所述绝缘衬底层优选为未掺杂的本征半导体，如硅、磷化铟等，也可以是蓝宝石、氧化硅等绝缘材料。所述绝缘保护层起到保护二维半导体导电层和绝缘的作用，选择导热率高的绝缘材料即可。进一步地，所述半导体导电层为AlGaN/GaN异质结，其包括AlGaN层、GaN层以及在AlGaN层和GaN层之间形成二维电子气层。由于AlGaN层与GaN层具有不同的带隙，便于在二者之间形成的二维电子气层，边棱音效应发生于该二维电子气层中。优选地，所述半导体导电层为AlGaAs/GaAs异质结，其包括AlGaAs层、GaAs层、以及在GaAs层设置的在AlGaAs层和GaAs层之间形成二维电子气层的δ掺杂区。由于AlGaAs层与GaAs层具有不同的带隙，对GaAs层引入δ掺杂区从而得到二维电子气层，边棱音效应发生于该二维电子气层中。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于:1、本专利技术设计了一种结构非常简单的、利用行为十分复杂的边棱音效应来引起不稳定性从而激发高频辐射的辐射器。该设计能够方便的在低维材料上实现，有利于解决缺乏固态太赫兹辐射源的现状。该基于边棱音效应的固态太赫兹辐射器结构简单、工艺容易实现、易于集成。2、该基于边棱音效应的固态太赫兹辐射器能常温工作且工作频率高，通过选择恰当的材料即可在常温下工作于太赫兹频段。【附图说明】图1是实施例所述的固态太赫兹辐射器的表面示意图；图2是实施例所述的固态太赫兹辐射器的纵向结构示意图；图3是由MHD模型模拟获得的固态太赫兹辐射器的一输出电极输出电流特性图；图4是由MHD模型模拟获得的固态太赫兹辐射器的输出信号频率分布图；图5是由MHD模型模拟获得的固态太赫兹辐射器的直流偏压与输出信号峰值频率之间的关系图。图中标示:I—绝缘衬底层；11一第一绝缘刻槽；12—第二绝缘刻槽；13—第三绝缘刻槽；2—二维半导体导电层；21—AlGaAs层；22—GaAs层；23—二维电子气层；221—δ掺杂区；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于边棱音效应的固态太赫兹辐射器，包括绝缘衬底层、设置在绝缘衬底层表面的半导体导电层、设置在半导体导电层表面的绝缘保护层、穿透半导体导电层的绝缘刻槽、输入电极和输出电极；其特征在于：所述输入电极设置在半导体导电层一端外表面，所述输出电极设置在半导体导电层两侧外表面；所述半导体导电层为二维半导体导电层；所述绝缘刻槽包括第一绝缘刻槽、第二绝缘刻槽和第三绝缘刻槽；所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽相对设置，且二者之间的空隙形成一低导电沟道；所述第三绝缘刻槽一端为尖棱结构，且该尖棱正对所述低导电沟道远离输入电极一端开口；所述第三绝缘刻槽另一端延伸至所述半导体导电层一端边缘；所述第一绝缘刻槽一端和第二绝缘刻槽一端延伸至半导体导电层两侧表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓念，许坤远，陈溢杭，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44