一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件制造技术

本发明专利技术涉及一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件，包括绝缘衬底层、二维半导体导电层、绝缘保护层、穿透所述二维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和第二绝缘刻槽，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽间隔设置，两者之间形成纳米沟道，并将二维半导体导电层除纳米沟道以外的区域分隔成第一低电阻区域和第二低电阻区域；所述纳米沟道与输入电极、输出电极相互平行；所述第一低电阻区域和第二低电阻区域分别与输入电极和输出电极相连，且通过纳米沟道相互导通。本发明专利技术器件可以产生明显的静态负微分电阻效应，基于该效应可实现宽频带的太赫兹辐射。

【技术实现步骤摘要】
一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件
本专利技术涉及太赫兹
，尤其涉及一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件。
技术介绍
耿氏效应，也称为转移电子效应，是指在具有多能谷的半导体材料中，从外部获得足够能量的电子可以从导带高迁移率的中心能谷跃迁到低迁移率的子能谷中，当半导体内大量电子出现类似运动时，在宏观上半导体内电子迁移率将会降低，形成负微分电阻率，这种效应就是所谓的耿氏效应。耿氏二极管是一种基于耿氏效应而设计的半导体器件，其原理是利用这种负微分迁移率特性来获取高频信号。目前大多数的研究是利用这种负微分电阻效应，通过畴的生长、成熟以及消亡，并周期性的重复，从而输出电流的周期性振荡。耿氏二极管的工作频率可达到太赫兹范围，国际上已有一百多个研究组织进行着关于太赫兹相关领域的研究。美国的国家基金会、国家航天局、国防部和国家卫生学会，日本、澳大利亚、韩国和中国等区域的研究机构进行着太赫兹波相关的研究。太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz～10THz(波长为3000μm～30μm)范围内的电磁波，在电磁波谱中THz波段处于微波毫米波和红外辐射之间，在长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，其主要涉及电子学范畴；在短波段与红外光相重合，其主要涉及光子学范畴，THz技术也就成为了一种交叉前沿科学。THz技术不仅综合了电子学与光子学的特色，同时还涉及物理学、化学、光学、材料科学、微电子学和集成电路等多个学科。在太赫兹技术中，太赫兹辐射源和太赫兹探测器是其发展的主要领域，与传统辐射源相比，由于其本质属性，THz辐射源不仅具有红外射线的强穿透特点，还具有微波波段的抗干扰能力，是一种新颖的、优点独特的辐射源。而且由于太赫兹光谱包含着非常丰富的物理和化学信息，在物质结构的探索过程中，人们研究物质在该波段的光谱意义较大，因此激起人们对其广泛的关注。随着人们对太赫兹技术应用需求的日益增长，耿氏二极管以其优秀的低功耗、低噪音、高功率、高稳定等微波辐射特性，逐渐作为一种太赫兹源受到人们的热切关注，广泛应用于雷达、卫星探测和自动防撞系统中。在人们不断的研究中，传统垂直结构的太赫兹耿氏器件，由于其结构复杂、成本高和难于集成等因素制约着太赫兹领域的进一步发展。而平面耿氏器件以其结构简单、造价低廉和噪声干扰小等特点日益凸显成为太赫兹源的强大优势，而且从集成电路的小型化和集成度方面，平面耿管也展现出很广泛的应用前景。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，提供一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件，该器件具有结构简单、易于集成、覆盖频带宽的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件，包括绝缘衬底层、设于所述绝缘衬底层上方的具有负微分迁移率的二维半导体导电层、设于所述二维半导体导电层上方的绝缘保护层、穿透所述二维半导体导电层的绝缘刻槽、以及设于所述二维半导体导电层两侧的输入电极和输出电极；所述绝缘刻槽包括靠近输入电极一侧的第一绝缘刻槽和靠近输出电极一侧的第二绝缘刻槽，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽间隔设置，两者之间形成纳米沟道，并将所述二维半导体导电层除纳米沟道以外的区域分隔成第一低电阻区域和第二低电阻区域；所述纳米沟道与输入电极、输出电极相互平行；所述第一低电阻区域和第二低电阻区域分别与输入电极和输出电极相连，且通过纳米沟道相互导通。相对于现有技术，本专利技术器件的纳米沟道与输入电极、输出电极相互平行，使得器件中的电流在进入纳米沟道时发生了90度偏转，离开纳米沟道时也发生了90度偏转，也使得器件中的电压绝大部分落在纳米沟道上，从而纳米沟道中电子的迁移率由于强电场作用而进入负微分区域，同时在侧向场效应和电流转向限制的作用下，器件将产生明显的静态负微分电阻效应，基于该效应可实现宽频带的太赫兹辐射。进一步地，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽均与输入电极、输出电极相互平行，其长度均小于二维半导体导电层的长度，其中一个绝缘刻槽沿着纳米沟道长度方向延伸至二维半导体导电层的下边界，另一个绝缘刻槽沿着纳米沟道长度方向延伸至二维半导体导电层的上边界。通过此设置，可以实现第一低电阻区域和第二低电阻区域相互绝缘，仅能通过纳米沟道相互导通。进一步地，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽分别填有不同介电常数的电介质，使得第二绝缘刻槽的介电常数大于第一绝缘刻槽的介电常数。通过此设置，可以增强器件的负微分电阻特性。进一步地，所述第二绝缘刻槽的介电常数为30，所述第一绝缘刻槽的介电常数为1。进一步地，所述纳米沟道的宽度为45～55nm。通过此设置，纳米沟道受到侧向的场效应作用更强。进一步地，所述二维半导体导电层为AlGaAs/InGaAs异质结，其由下往上依次包括InGaAs基底层、AlGaAs/InGaAs异质结界面上的二维电子气层和AlGaAs覆盖层。进一步地，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽均垂直穿透所述二维电子气层。进一步地，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽的深度≥300nm。通过此设置，可以避免加工时深度波动对器件性能的影响。进一步地，所述InGaAs基底层的厚度为500nm，所述AlGaAs覆盖层的厚度为30nm。进一步地，所述太赫兹器件的长度为1～2μm，宽度为420～480nm。从而整个器件的结构在微纳米量级，以便于器件的集成。为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本专利技术。附图说明图1为实施例1的具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件的表面结构示意图。图2为实施例1的具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件的剖面结构示意图。图3为实施例1由蒙特卡罗模拟方法获得的电流电压输出特性。图4为实施例1由蒙特卡罗模拟方法获得的固定电压下器件的电流输出特性。图5为实施例1由蒙特卡罗模拟方法获得的输出功率和频率之间的关系。具体实施方式本专利技术提供了一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件，其是一个两端平面纳米器件，结构简单，包括两端电极、两低电阻区域、两绝缘刻槽和位于两绝缘刻槽之间的纳米沟道。所述纳米沟道中的电子处于强电场下，同时受到侧向场效应的作用以及电流转向的限制，器件将产生明显的静态负微分电阻效应，外加谐振腔则可构成宽频带太赫兹辐射源。该器件可在常温下工作，其结构在微纳米量级，能与单片微波集成电路(MMICs)实现无缝连接。下面将结合附图、实施例及数值模拟所获得的结果详细说明本专利技术。实施例1请同时参阅图1和图2，其中，图1为本实施例的具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件的表面结构示意图，图2为本实施例的具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件的剖面结构示意图。本实施例的具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件包括绝缘衬底层5、设于所述绝缘衬底层表面的具有负微分迁移率的二维半导体导电层、设于所述二维半导体导电层表面的绝缘保护层、穿透所述二维半导体导电层的绝缘刻槽、输入电极1和输出电极2。所述器件的长度优选1～2μm，宽度优选420～480nm。从剖面结构上看，该器件从下往上依次包括绝缘衬底层5、二维半导体导电层和绝缘保护层(图中未显示)。本实施例中，该器件是基于AlGaAs/InGaAs异质结结构平面而制作的，所述二维半导体导电层为AlGaAs/InGaAs异质结，其结构由下往上依次包括InGaAs基底层6、AlGaAs/InGaAs异质结界面上的二维电子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件，其特征在于：包括绝缘衬底层、设于所述绝缘衬底层上方的具有负微分迁移率的二维半导体导电层、设于所述二维半导体导电层上方的绝缘保护层、穿透所述二维半导体导电层的绝缘刻槽、以及设于所述二维半导体导电层两侧的输入电极和输出电极；所述绝缘刻槽包括靠近输入电极一侧的第一绝缘刻槽和靠近输出电极一侧的第二绝缘刻槽，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽间隔设置，两者之间形成纳米沟道，并将所述二维半导体导电层除纳米沟道以外的区域分隔成第一低电阻区域和第二低电阻区域；所述纳米沟道与输入电极、输出电极相互平行；所述第一低电阻区域和第二低电阻区域分别与输入电极和输出电极相连，且通过纳米沟道相互导通。

【技术特征摘要】
1.一种具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件，其特征在于：包括绝缘衬底层、设于所述绝缘衬底层上方的具有负微分迁移率的二维半导体导电层、设于所述二维半导体导电层上方的绝缘保护层、穿透所述二维半导体导电层的绝缘刻槽、以及设于所述二维半导体导电层两侧的输入电极和输出电极；所述绝缘刻槽包括靠近输入电极一侧的第一绝缘刻槽和靠近输出电极一侧的第二绝缘刻槽，所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽间隔设置，两者之间形成纳米沟道，并将所述二维半导体导电层除纳米沟道以外的区域分隔成第一低电阻区域和第二低电阻区域；所述纳米沟道与输入电极、输出电极相互平行；所述第一低电阻区域和第二低电阻区域分别与输入电极和输出电极相连，且通过纳米沟道相互导通。2.根据权利要求1所述的具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件，其特征在于：所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽均与输入电极、输出电极相互平行，其长度均小于二维半导体导电层的长度，其中一个绝缘刻槽沿着纳米沟道长度方向延伸至二维半导体导电层的下边界，另一个绝缘刻槽沿着纳米沟道长度方向延伸至二维半导体导电层的上边界。3.根据权利要求1或2所述的具有静态负微分电阻特性的太赫兹器件，其特征在于：所述第一绝缘刻槽和第二绝缘刻槽分别填有不同介电常数的电介质，使得第二绝...

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