CN107768520B - 倍频器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种倍频器及其制备方法。该方法包括：步骤1，在栅极导电层上的介电层表面制备氧化物半导体层，并对所述氧化物半导体层进行退火处理；步骤2，在所述氧化物半导体层表面蒸镀有机小分子层；步骤3，在所述有机小分子层表面蒸镀漏极和源极，获得双极性场效应管作为倍频器；所述倍频器以有机小分子层作为P型有源层，以氧化物半导体层作为N型有源层。本发明以电学性能相匹配的有机小分子和氧化物半导体形成双极性场效应管作为倍频器，使得倍频器具有良好的性能同时输出信号能量纯度更高。此外，本发明采用的材料易于获取，因此可大规模生产倍频器以满足倍频器的工业需求量。

Description

倍频器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子器件制备技术领域，更具体地，涉及一种倍频器及其制备方法。
背景技术
倍频器是一种用以提高频率的电路，广泛应用于通信、雷达和太赫兹成像等射频系统中。倍频器在正弦波信号的激励下，利用非线性器件的非线性特性，使非线性器件在谐波频率上产生功率，选取所需的谐波分量，抑制不需要的谐波分量，使输出频率为输入频率的整数倍。
典型的倍频器为基于非线性二极管的整流电路。非线性二极管由于本身输出电压电流曲线无法完全在最小电导点产生对称的I-V曲线，产生高次倍频器需要的的单次倍频次数通常为10-20，倍频效率约为1/n(n为倍频次数)，高频倍频下输出信号纯度较差。而双极性场效应管作为倍频器，由于在最小电导点附近可以形成对称的I-V曲线，减少了高频倍频器中对单次倍频的需求，倍频效率更高，高频倍频下输出信号纯度更好，因而基于双极性场效应管的倍频器在业内更受欢迎。
现有技术主要以剥离的单层石墨烯制备的双极性场效应管作为倍频器。其中，石墨烯以机械剥离为主，厚度均一性很难得到保证，进而难以保证制备的倍频器在实际电路应用中具有良好的性能。此外，该制备方法工艺复杂且石墨烯大面积制备困难，因而基于该制备方法很难满足倍频器的工业需求。
发明内容
本发明提供一种倍频器及其制备方法，以克服现有技术中，以剥离的单层石墨烯制备的双极性场效应管作为倍频器的倍频器制备方法由于工艺复杂、大面积制备困难以及难以保证具有良好性能而无法满足倍频器的工业需求的问题。
根据本发明的第一方面，提供一种倍频器制备方法，该方法包括：步骤1，在栅极导电层上的介电层表面制备氧化物半导体层，并对所述氧化物半导体层进行退火处理；步骤2，在所述氧化物半导体层表面蒸镀有机小分子层；步骤3，在所述有机小分子层表面蒸镀漏极和源极，获得双极性场效应管作为倍频器；所述倍频器以有机小分子层作为P型有源层，以氧化物半导体层作为N型有源层。
结合本发明第一方面的第一种可能实现方式，在第二种可能实现方式中，所述步骤1具体包括：以所述介电层为基材，氧化物半导体为靶材，利用射频磁控溅射法，在衬底上的介电层表面制备氧化物半导体层；将所述氧化物半导体层在空气中加热至350摄氏度退火30分钟。
结合本发明第一方面的第一或二种可能实现方式，在第三种可能实现方式中，所述步骤2具体包括：在所述氧化物半导体层表面蒸镀有机小分子层，保持蒸镀温度为103～120摄氏度，速率为0.1nm/s～1nm/s。
结合本发明第一方面的第三种可能实现方式，在第四种可能实现方式中，所述步骤3中，所述在所述有机小分子层表面蒸镀漏极和源极具体包括：将掩膜版覆盖至所述有机小分子层表面；在所述掩膜版内依次蒸镀一定厚度的氧化钼和金，获得金属电极阵列；选取可用的两个金属电极作为漏极和源极。
根据本发明的第二方面，提供一种倍频器，包括：栅极导电层、介电层、氧化物半导体层、有机小分子层、漏极和源极；所述介电层位于所述栅极导电层上表面，还位于所述氧化物半导体层下表面；所述有机小分子层位于所述氧化物半导体层上表面；所述漏极和源极分别位于所述有机小分子层上表面。
结合本发明第二方面的第一种可能实现方式，在第二种可能实现方式中，所述氧化物半导体层为IGZO层。
结合本发明第二方面的第一或二种可能实现方式，在第二种可能实现方式中，所述有机小分子层为C8-btbt层。
结合本发明第二方面的第一种可能实现方式，所述源极和所述漏极之间沟道的长度为10μm，宽度为20μm。
结合本发明第二方面的第一种可能实现方式，所述栅极导电层为硅片。
结合本发明第二方面的第一种可能实现方式，所述漏极和源极均包括氧化钼层和金层；所述氧化钼层与位于所述有机小分子层上表面，还位于所述金层下表面。
本发明提出的倍频器及其制备方法，通过在栅极导电层上的介电层表面制备氧化物半导体层，并对所述氧化物半导体层进行退火处理，在所述氧化物半导体层表面蒸镀有机小分子层，在所述有机小分子层表面蒸镀漏极和源极，以有机小分子作为P型有源层，以氧化物半导体作为N型有源层，形成双极性场效应管作为倍频器。由于氧化物半导体的N型和有机小分子的P型电学性能相匹配，使得倍频器具有良好的性能同时输出信号纯度高。此外，本发明的方法工艺简单、采用的材料易于获取，可大规模生产倍频器以满足倍频器的工业需求。
附图说明
图1为根据本发明实施例的倍频器制备方法流程图；
图2为根据本发明实施例的倍频器结构示意图；
图3为根据本发明实施例的倍频器的V形状转移曲线以及较对称的跨导示意图；
图4为根据本发明实施例的倍频器输入16hz正弦波信号时输出信号的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，根据本发明的第一方面，提供一种倍频器制备方法，该方法包括：步骤1，在栅极导电层上的介电层表面制备氧化物半导体层，并对所述氧化物半导体层进行退火处理；步骤2，在所述氧化物半导体层表面蒸镀有机小分子层；步骤3，在所述有机小分子层表面蒸镀漏极和源极，获得双极性场效应管作为倍频器；所述倍频器以有机小分子层作为P型有源层，以氧化物半导体层作为N型有源层。
在本实施例中，氧化物半导体可以为氧化锌、IGZO、IZO(In-Zn-O)或ITZO(In-Sn-Zn-O)；有机小分子可以为DNTT、pentacene或C8-btbt。
在本实施例中，为了制备双极性场效应管以作为倍频器，首先需要在衬底上制备金属导电层并在导电层上制备介电层。其中，金属导电层用于作为双极性场效应管的栅极，所采用的金属可以为金、铜或铝等金属材料；介电层为金属氧化物，可以为氧化铝或氧化铪等，还可以为氧化硅。特别地，当选用硅片作为衬底时，由于硅片重掺杂P或者B，使得硅片具有导电性，此时，硅片既充当衬底又充当金属导电层，直接热氧化硅片就可以获得二氧化硅介电层。在本实施例中，优选地，采用硅片作为衬底，300nm厚的氧化硅作为介电层。
氧化物半导体因具有较高迁移率、低温制备、低成本和均匀性好等优点，可以满足大面积柔性电路的要求。而以P型半导体为主的有机半导体，其材料的迁移率及稳定性经过多年的研究和优化已能与氧化物半导体进行较好的匹配。因此，在本实施例中，通过在在衬底上的介电层表面形成一定厚度的氧化物半导体层，在所述氧化物半导体层表面蒸镀一定厚度有机小分子层，以有机小分子作为P型有源层，以氧化物半导体作为N型有源层，形成双极性场效应管作为倍频器。
在本实施例中，为了提高倍频器中氧化物半导体的性能、降低衬底及其上各层的硬度，以利于后期切削加工，以及为了消除残余应力，稳定尺寸，减少衬底及其上各层变形与裂纹倾向，对含有所述氧化物半导体层的衬底进行退火处理。即将含有所述氧化物半导体层的衬底缓慢加热到预设温度，保持预设时长，然后以适宜速度冷却。其中，预设温度和预设时长可根据实际情况确定，本实施例对此不做限定。
本发明提出的倍频器及其制备方法，通过利用溅射法，在衬底上的介电层表面形成氧化物半导体层并退火，在所述氧化物半导体层表面蒸镀有机小分子层，以有机小分子作为P型有源层，以氧化物半导体作为N型有源层，形成双极性场效应管作为倍频器。由于氧化物半导体的N型和有机小分子的P型电学性能相匹配，使得倍频器具有良好的性能同时输出信号能量纯度更高。此外，本发明采用的材料易于获取，因此可大规模生产倍频器以满足倍频器的工业需求量。
作为一种可选实施例，所述步骤1具体包括：以所述介电层为基材，氧化物半导体为靶材，利用射频磁控溅射法，在衬底上的介电层表面制备氧化物半导体层；将所述氧化物半导体层在空气中加热至350摄氏度退火30分钟。
在本实施例中，采用的溅射法具体为射频磁控溅射法。该方法具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。形成氧化物半导体层的过程为：利用购于ULVAC公司、型号为ACS–4000-C4的磁控溅射设备，在介电层基材和氧化物半导体靶材之间加上频率为13.56MHz的交流电压，电离基材和靶材之间的气体，电子在基材和靶材间来回振荡以维持气体放电。由于电子和离子的质量不同，电子随外加交流电场迁移的速度大于离子，靶材表面始终积累一定数量的负电荷，处于负电位(即阴极)，正离子受阴极的吸引，轰击靶材产生溅射作用，在基材表面形成氧化物半导体层。在本实施例中，优选地，氧化物半导体采用IGZO。
在本实施例中，在上述利用射频磁控溅射法形成氧化物半导体层的过程中，基材和靶材之间的气体是比例为12:1氩气与氧气。其中，氩气电离后主要用于轰击靶材，氧气电离后主要用于为正在形成的氧化物半导体层补充氧原子。此外，溅射功率范围为50～150w，溅射气压为0.7pa。
作为一种可选实施例，所述步骤2具体包括：在所述氧化物半导体层表面蒸镀有机小分子层，保持蒸镀温度为103～120摄氏度，速率为0.1nm/s～1nm/s。
在本实施例中，优选地，有机小分子采用C8-btbt。在蒸镀有机小分子层时，本实施例采用将从Sigma-Aldrich商购获得、纯度为99％的C8-btbt置于购于BOC Edwards公司、型号为Auto 306的真空蒸镀仪内的真空中进行蒸发或升华，保持蒸镀温度为103～120摄氏度，速率为0.1nm/s～1nm/s，使之在氧化物半导体层表面成核生长形成有机小分子层。
作为一种可选实施例，所述步骤3中，所述在所述有机小分子层表面蒸镀漏极和源极具体包括：将掩膜版覆盖至所述有机小分子层表面；在所述掩膜版内依次蒸镀一定厚度的氧化钼和金，获得金属电极阵列；选取可用的两个金属电极作为漏极和源极。
在本实施例中，为避免蒸镀的金属电极不可用，造成制备的倍频器无法使用，利用掩膜版在有机小分子层表面蒸镀了包含若干个电极的金属电极阵列。其中，所使用的掩膜版为购于Gilder Grids公司的铜网掩膜版；每个电极的大小尺寸可根据实际情况确定，在此不做限定。在本实施例中，优选地，先在有机小分子层表面蒸镀3nm厚的氧化钼层，随后蒸镀40nm厚的金，得到电极。蒸镀速率在0.1nm/s到1nm/s之间。电极大小为50微米*50微米，沟道长度1050微米，沟道宽度200微米。选取可用的两个金属电极作为倍频器的漏极和源极，以硅片层作为栅极使用该倍频器。在上述操作过程中，借助购于Leica公司、型号为DM4000M的光学显微镜以方便观察。
图2为基于根据本实施例的倍频器的结构示意图。其中，通过在有机小分子层上依次蒸镀氧化钼和金制备漏极和源极。图3为基于根据本实施例的倍频器制备方法制备的倍频器的I-V形状转移曲线以及较对称的跨导示意图。
为了验证本发明的方法制备的倍频器的性能，在本实施例中，采用购于北京普源精电科技有限公司、型号为RIGOL DG4062的信号发生器从倍频器的栅极输入正弦信号，采用购于北京普源精电科技有限公司，型号为RIGOL DS6000的示波器对输出波形进行观察，同时，采用购于Lake Shore公司的真空探针台对倍频器进行电表征。当输入正弦波信号频率fIN＝16Hz，功率Power＝0dBm时，输出频谱如图4所示。可见，二倍频信号2fIN高于fIN信号约15dB。故输出信号纯度达到90％。
根据本发明的第二方面，提供一种倍频器，包括：栅极导电层、介电层、氧化物半导体层、有机小分子层、漏极和源极；所述介电层位于所述栅极导电层上表面，还位于所述氧化物半导体层下表面；所述有机小分子层位于所述氧化物半导体层上表面；所述漏极和源极分别位于所述有机小分子层上表面。
本发明提供的倍频器以有机小分子作为P型有源层，以氧化物半导体作为N型有源层，形成双极性场效应管作为倍频器。由于氧化物半导体的N型和有机小分子的P型电学性能相匹配，使得倍频器具有良好的性能同时输出信号能量纯度更高。此外，该倍频器采用的材料易于获取，因此可大规模生产倍频器以满足倍频器的工业需求量。
作为一种可选实施例，所述氧化物半导体层为IGZO层。
IGZO为透明非晶氧化物半导体(TAOS)的代表，具有迁移率高、均一性好、透明等优点，有助于提高倍频器的性能。优选地，IGZO层厚度为20nm。
作为一种可选实施例，所述有机小分子层为C8-btbt层。
C8-btbt为白色粉末状，具有高迁移率，有助于提高倍频器的性能。在本实施例中，优选地，C8-btbt层厚度为50nm。
作为一种可选实施例，所述源极和所述漏极之间沟道的长度为1050μm，宽度为200μm。
作为一种可选实施例，所述栅极导电层为硅片。
在本实施例中，由于硅片重掺杂P或者B，使得硅片具有导电性，因此，采用硅片作为栅极导电层，并可直接热氧化硅片获得二氧化硅介电层。
作为一种可选实施例，所述漏极和源极均包括氧化钼层和金层；所述氧化钼层与位于所述有机小分子层上表面，还位于所述金层下表面。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种倍频器制备方法，其特征在于，包括：
步骤1，在栅极导电层上的介电层表面制备氧化物半导体层，并对所述氧化物半导体层进行退火处理，其中，所述氧化物半导体层为IGZO层；
步骤2，在所述氧化物半导体层表面蒸镀有机小分子层，蒸镀温度为103~120摄氏度，速率为0.1nm/s~1nm/s，其中，所述有机小分子层为C8-btbt层；
步骤3，在所述有机小分子层表面蒸镀漏极和源极，获得双极性场效应管作为倍频器；所述倍频器以有机小分子层作为P型有源层，以氧化物半导体层作为N型有源层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
以所述介电层为基材，氧化物半导体为靶材，利用射频磁控溅射法，在衬底上的介电层表面制备氧化物半导体层；
将所述氧化物半导体层在空气中加热至350摄氏度退火30分钟。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述在所述有机小分子层表面蒸镀漏极和源极具体包括：
将掩膜版覆盖至所述有机小分子层表面；
在所述掩膜版内依次蒸镀一定厚度的氧化钼和金，获得金属电极阵列；
选取可用的两个金属电极作为漏极和源极。
4.一种倍频器，其特征在于，包括：栅极导电层、介电层、氧化物半导体层、有机小分子层、漏极和源极；
所述介电层位于所述栅极导电层上表面，还位于所述氧化物半导体层下表面，其中，所述氧化物半导体层为IGZO层；
所述有机小分子层位于所述氧化物半导体层上表面，其中，所述有机小分子层形成的蒸镀温度为103~120摄氏度，速率为0.1nm/s~1nm/s，所述有机小分子层为C8-btbt层；
所述漏极和源极分别位于所述有机小分子层上表面。
5.根据权利要求4所述的倍频器，所述源极和所述漏极之间沟道的长度为10μm，宽度为20μm。
6.根据权利要求4所述的倍频器，所述栅极导电层为硅片。
7.根据权利要求4所述的倍频器，所述漏极和源极均包括氧化钼层和金层；所述氧化钼层位于所述有机小分子层上表面，还位于所述金层下表面。
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