CN101964500A - 一种单频太赫兹光源 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种单频太赫兹(THz)光源，以宽频THz光源为基本结构，所述宽频THz光源为利用沟道和栅极间的电子场发射以激发沟道中的等离子体波产生THz波辐射的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述单频THz光源其垂直于高电子迁移率晶体管的平面上键合有一个太赫兹谐振腔。本发明的单频太赫兹光源，利用氮化镓基HEMT器件与THz谐振腔的耦合，能够实现单一频率的高功率输出，进一步为促进太赫兹波的深入研究提供了前提条件，同时该太赫兹光源能在室温下工作，显著拓展了太赫兹波的应用范围并节省了应用成本。此外，由于采用微机电机械系统加工技术，使得产品尺寸更适于当前小型化的趋势。

Description

一种单频太赫兹光源
技术领域
本发明涉及一种太赫兹波发射器件，具体涉及一种高迁移率材料实现单频、高功率太赫兹波发射的太赫兹源，属于固体电子学领域。
背景技术
太赫兹波(又称太赫兹辐射、THz波等)是频率为0.3THz-30THz(波长约为10μm-1mm，光子能量约为1.2meV-120meV)的电磁波，它处于红外波与毫米波之间，是电磁波谱中一个很重要的波段。与传统光源相比，太赫兹波辐射源具有相干、低能、穿透力强等独特、优异的特性，所以它在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及有机分子检测、无损成像、分子电子学、新材料研究和雷达通讯方面有重要的应用前景。然而通常产生THz波的光子学和电子学方法都存在频率不可调、或工作温度低、或体积大、或价格昂贵的严重缺点，至今还没有一个较成熟的室温工作的微型固态发射源。这一空白的填补将大幅推动THz技术的发展和应用。
高电子迁移率晶体管(HEMT)器件已经在高速数字集成电路、微波振荡器、微波低噪声信号放大和功率放大等场合得到成功的应用。1993年，Dyakonov和Shur对场效应晶体管中电子的弹道输运激发等离子体波的物理图像做了浅水波的类比，提出了等离子浅水波的概念。2004年，Deng等人实现了基于GaN的HEMT在8K温度环境下实现的75GHz辐射。法国蒙彼利埃(Montpellier)大学的Knap小组已经实现InGaAs/AlInAs基HEMT在4.2K温度环境下的0.4-1THz的宽频辐射，也实现了室温下GaN/AlGaN基HEMT的辐射，辐射峰值为1.5-2.0THz，单器件功率小于0.1μW。
目前来看，低温和常温环境下已实现的太赫兹辐射都是宽频的光谱，表明等离子体波的多种非稳模式同时被激发。在HEMT的制备工艺上也很难实现源漏电极阻抗为零或无穷大的边界条件，所以很难实现单一频率的太赫兹波发射。
发明内容
为克服上述现有技术太赫兹光源为宽频光谱，且低温和常温环境下频宽受影响愈大的缺陷，本发明的目的在于提供一种单频太赫兹光源，基于现有宽频THz光源，对激发的等离子体波进行谐振调制，以实现单频且高功率的太赫兹波输出。
实现上述本发明目的的技术方案为：
一种单频太赫兹光源，以宽频太赫兹光源为基本结构，所述宽频太赫兹光源为利用沟道和栅极间的电子场发射以激发沟道中的等离子体波产生太赫兹波辐射的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述单频太赫兹光源垂直于其高电子迁移率晶体管平面键合有一个太赫兹谐振腔。
进一步地，前述的一种单频太赫兹光源，其中该高电子迁移率晶体管的结构组成包括源极、漏极、介电层和栅极，其中所述栅极为T形栅。
更进一步地，前述的一种单频太赫兹光源，其中该太赫兹谐振腔是通过结合热氧化和腐蚀工艺实现的与高电子迁移率晶体管平面键合的凹形结构，该凹形结构的一侧刻蚀开设有一个透孔，单频太赫兹波由该透孔输出。
本发明上述技术方案投入应用后，其显著优点是：
通过氮化镓基HEMT器件与THz谐振腔的耦合，该太赫兹光源能够实现单一频率的高功率输出，进一步为促进太赫兹波的深入研究提供了前提条件，同时该太赫兹光源能在室温下工作，显著拓展了太赫兹波的应用范围并节省了应用成本。此外，由于采用微机电机械系统加工技术，使得产品尺寸更适于当前小型化的趋势。
附图说明
图1为本发明单频太赫兹光源的结构示意图。
具体实施方式
本发明是利用氮化镓电子场发射性质实现可控单一频率THz发射的一种新途径。采用的技术方案是在垂直于HEMT器件平面的方向引入一个THz谐振腔，同时使电子能通过场发射从沟道隧穿到栅极。因此沟道-栅极间的电子场发射会受到等离子体波的调制，谐振腔则可以通过场发射电子进一步增强沟道表面电场和沟道内的等离子体波。电子场发射和非稳态等离子体波通过THz谐振腔的耦合作用实现室温单频的太赫兹光源。
如图1所示，该单频太赫兹光源由氮化镓基HEMT宽谱THz光源和THz谐振腔6组成，其中氮化镓基HEMT宽谱THz光源是以镓氮外延片1为基底，采用半导体成熟的刻蚀工艺加工而成(现有成熟技术，故未予详述)，其结构组成包括器件两侧的源极2和漏极3，源、漏极之间的介电层4以及介电层上的T形栅5。THz谐振腔6以及THz谐振腔与HEMT之间的组装结构采用了微机电机械系统(MEMS)加工技术制成。具体地说：该THz谐振腔6是通过结合热氧化和腐蚀工艺实现的与高电子迁移率晶体管平面键合的凹形结构，该凹形结构的一侧通过刻蚀的工艺开有一微小的透孔，谐振调制后的单频太赫兹波由该透孔输出。该凹形结构的尺寸对应着宽频光源中的某一特定的波长，可以根据需求选择不同的尺寸。
具体来看本发明的制作工艺：
首先是基于氮化镓的HEMT的宽谱THz光源的制作工艺：
1.选用GaN/AlGaN异质结作为HEMT器件的电子沟道，利用MOCVD设备进行GaN/AlGaN异质结材料1的生长；
2.采用紫外光刻、等离子刻蚀、电子束蒸发等半导体工艺完成台面的隔离和欧姆接触的源极2以及漏极3；
3.结合紫外光刻和电子束蒸发或磁控溅射生长介电层4；
4.采用多层胶电子束直写工艺或者电子束直写和紫外光刻混合工艺实现亚百纳米长度T形栅5的制作。
然后是基于氮化镓的HEMT的单频THz光源的太赫兹谐振腔6的制作方式是在硅基片上通过热氧化、干-湿法腐蚀结合和金属镀膜的方法来实现，谐振腔和氮化镓的HEMT的宽谱THz光源是通过键合机键合来实现。该太赫兹谐振腔6可以通过场发射电子进一步增强沟道表面电场和沟道内的等离子体波。电子场发射和非稳态等离子体波通过THz谐振腔的耦合作用实现室温单频的太赫兹光源。
综上所述，基于氮化镓晶体管电子场发射的单频太赫兹光源解决了单频太赫兹波发射的问题，采用氮化镓优异的场发射性能，以及沟道和T型栅极间的场发射来激发沟道等离子体波从而产生THz波辐射；采用制备THz谐振腔并与HEMT耦合来实现单频较高功率的输出。

Claims (3)

1.一种单频太赫兹光源，以宽频太赫兹光源为基本结构，所述宽频太赫兹光源为利用沟道和栅极间的电子场发射以激发沟道中的等离子体波产生太赫兹波辐射的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于：所述单频太赫兹光源垂直于其高电子迁移率晶体管平面键合有一个太赫兹谐振腔。
2.根据权利要求1所述的一种单频太赫兹光源，其特征在于：所述高电子迁移率晶体管的结构组成包括源极、漏极、介电层和栅极，其中所述栅极为T形栅。
3.根据权利要求1所述的一种单频太赫兹光源，其特征在于：所述太赫兹谐振腔是通过结合热氧化和腐蚀工艺实现的与高电子迁移率晶体管平面键合的凹形结构，该凹形结构的一侧刻蚀开设有一个用于输出单频太赫兹波的透孔。
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