CN109801822A - 一种阵列式太赫兹真空二极管器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种阵列式太赫兹真空二极管器件及其制造方法。其中，所述阵列式太赫兹真空二极管器件包括衬底和多个太赫兹真空二极管，所述多个太赫兹真空二极管在所述衬底上呈阵列排布，每个所述太赫兹真空二极管包括光阴极、真空通道层和阳极，在所述真空通道层设置真空通道，所述真空通道贯穿所述真空通道层，所述光阴极和所述阳极设置在所述真空通道的两端，所述光阴极、所述真空通道层和所述阳极之间形成密封腔，所述真空通道呈圆台状，所述光阴极与所述真空通道的接触面积小于所述阳极与所述真空通道的接触面积。本发明实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件及其制造方法，提供了一种新的太赫兹真空电子器件。

Description

一种阵列式太赫兹真空二极管器件及其制造方法

技术领域

本发明实施例涉及光电子技术领域，具体涉及一种阵列式太赫兹真空二极管器件及其制造方法。

背景技术

太赫兹(THz)电磁波的频率范围为0.1～10THz，波长范围为0.03～3mm，它是一种介于微波、毫米波与红外线之间的电磁波。太赫兹电磁波正好处于宏观电子学向微观光子学过渡的频域，因其具有频率高、频带宽、相干性好、抗干扰性强、穿透能力好、易于反隐身，以及具有低光子能量等一系列优良技术特性，使得位于这些频段的国防武器装备、应用电子系统和科学探测仪器在高传输率数传、大容量信道通信、高分辨率成像、高精度目标测控、隐藏物体探测、材料结构分析、医学检测与诊断、生物谱和化学谱动力学系统探测与研究等方面具有非常重要的技术优势和广阔的应用前景。

目前，太赫兹频段已成为国际上尚未充分研究开发但极具学术价值和应用价值的珍贵“频谱资源”。太赫兹频谱资源的探索研究及太赫兹科学技术的发展与应用，一直受限于能在太赫兹频段产生大功率和宽频带输出的高性能辐射源。特别值得关注的是，小型化的连续波太赫兹辐射及其频带扩展与功率提升，将使太赫兹波具有更多的信道、更远的传输距离、与物质更强的相互作用，也将使得太赫兹波通信、成像和探测能力大大增强，并易于系统集成和应用。因此，小型化、大功率和宽频带的连续波太赫兹辐射源的研究与发展，对于未来太赫兹波的通信数传、成像探测与物质分析等方面的应用极为重要。但是，小型化、大功率和宽频带的连续波太赫兹辐射源的发展瓶颈在于所涉及的频段正好处于宏观电子学向微观光子学过渡的区域，因其物理机理与技术限制导致了该频段的辐射产生与探测器件的研究发展面临很多问题。

因此，如何提出一种应用太赫兹电磁波的装置，以扩大太赫兹电磁波的应用范围成为业界亟待解决的重要课题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种阵列式太赫兹真空二极管器件及其制造方法。

一方面，本发明实施例提出一种阵列式太赫兹真空二极管器件，包括衬底和多个太赫兹真空二极管，所述多个太赫兹真空二极管在所述衬底上呈阵列排布，其中：

每个所述太赫兹真空二极管包括光阴极、真空通道层和阳极，在所述真空通道层设置真空通道，所述真空通道贯穿所述真空通道层，所述光阴极和所述阳极设置在所述真空通道的两端，所述光阴极、所述真空通道层和所述阳极之间形成密封腔，所述真空通道呈圆台状，所述光阴极与所述真空通道的接触面积小于所述阳极与所述真空通道的接触面积。

其中，所述多个太赫兹真空二极管呈线性阵列排布。

其中，所述多个太赫兹真空二极管呈蜂窝式阵列排布。

其中，相邻两个太赫兹真空二极管之间的距离为1～2微米。

另一方面，本发明实施例提供一种上述任一实施例所述的阵列式太赫兹真空二极管器件的制造方法，包括：

在衬底上形成多个太赫兹真空二极管的阳极；其中，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈阵列排布；

在每个所述太赫兹真空二极管的阳极上分别沉积绝缘材料层；

在每个所述太赫兹真空二极管的绝缘材料层刻蚀出真空通道，获得每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层；

在透光基底材料层上形成光阴极，每个所述太赫兹真空二极管的真空通道对应一个所述光阴极；

将每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层与对应的光阴极进行拼接。

其中，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈线性阵列排布。

其中，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈蜂窝式阵列排布。

其中，所述衬底的厚度为0.5～5毫米。

其中，所述绝缘材料层的厚度为1～10微米。

本发明实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件及其制造方法，包括衬底和多个太赫兹真空二极管，多个太赫兹真空二极管在衬底上呈阵列排布，每个太赫兹真空二极管包括光阴极、真空通道层和阳极，在真空通道层设置真空通道，真空通道贯穿真空通道层，光阴极和阳极设置在真空通道的两端，光阴极、真空通道和阳极之间形成密封腔，真空通道呈圆台状，光阴极与真空通道的接触面积小于阳极与真空通道的接触面积，采用上述结构的阵列式太赫兹真空二极管器件，提供了一种新的太赫兹真空电子器件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的太赫兹真空二极管的剖面结构示意图；

图3为本发明另一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的制造方法的流程示意图；

图5a是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的阳极制造示意图；

图5b是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的绝缘材料层制造示意图；

图5c是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的真空通道制造示意图；

图5d是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的光阴极制造示意图；

图5e是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的真空通道层与光阴极的拼接示意图；

附图标记说明：

1-衬底； 2-太赫兹真空二极管；

21-阳极； 22-真空通道层；

23-光阴极； 24-真空通道；

51-衬底； 52-阳极；

53-绝缘材料层； 54-真空通道；

55-真空通道层； 56-光阴极；

57-透光基底材料层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

太赫兹频谱资源的探索研究及太赫兹科学技术的发展与应用，一直受制于太赫兹源与探测器的性能。真空电子学一直是提供高功率源的重要技术途径。真空微电子器件，可以在微纳米尺度下使电子在真空中实现弹道传输，电子输运不存在半导体载流子在介质中的传输过程中的晶格散射和功率损耗，完全利用了真空电子学的优势，可实现大功率输出。从而使器件的工作频率提升，信息处理速度也得到极大地提高。

图1为本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的结构示意图，图2为本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的太赫兹真空二极管的剖面结构示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件，包括衬底1和多个太赫兹真空二极管2，多个太赫兹真空二极管2在衬底1上呈阵列排布，其中：

每个太赫兹真空二极管2包括光阴极23、真空通道层22和阳极21，在真空通道层22设置真空通道24，真空通道24贯穿真空通道层22，光阴极23和阳极21设置在真空通道24的两端，光阴极23、真空通道22和阳极21之间形成密封腔，真空通道24呈圆台状，光阴极23与真空通道24的接触面积小于阳极21与真空通道24的接触面积。

具体地，衬底1可以采用硅衬底或者耐高温衬底，衬底1的厚度为0.5～5毫米。多个太赫兹真空二极管2可以呈线性阵列排布或者蜂窝式阵列排布。真空通道层22采用绝缘材料制成，阳极21可以采用电导率较高的金属，例如铝。光阴极23可以采用金属光阴极、负电子亲和势光阴极或者正电子亲和势光阴极。真空通道层22的外形可以呈圆柱状、长方体状或者正方体状所述密封腔为真空，真空通道24呈圆台状，并且光阴极23与真空通道24接触面积小于阳极21与真空通道24的接触面积，可以减少由光阴极23激发产生的电子打到真空通道壁上，减少能量的损失。其中，真空通道24还可以采用圆柱状、长方体状、正方体状、棱台状等；阳极21的厚度根据实际经验进行设置，本发明实施例不做限定。

本发明实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件，通过将多个太赫兹真空二极管进行阵列集成，提高了所述阵列式太赫兹真空二极管器件的电流，可以满足大功率的应用场合。通过两个频率相近且可精细快速调谐的分布式反馈(Distributed Feedback，简称DFB)激光器产生两束频率相近的线性极化激光束，其频率分别为ω₁和ω₂，上述激光束通过光纤传输到光合束器中产生以拍频(ω₁-ω₂)进行幅度调制的光束，并通过分束器分离出两路光；其中一路拍频光通过光放大器后产生百毫瓦级～千毫瓦级的幅度调制光束入射到所述阵列式太赫兹真空二极管器件的每个太赫兹真空二极管2的高量子效率的光阴极23上，光阴极23以拍频(ω₁-ω₂)发射太赫兹频段的高频光电流，在每个太赫兹真空二极管2的直流偏压作用下，通过各自的微米级真空通道24从光阴极23的表面加速渡越到对应的阳极21，这样就得到了相应频率的高频大电流。其中，如果两个DFB激光器的频率配置合适且连续快速可调谐，那么拍频后的频率调谐范围较大。

本发明实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件，包括衬底和多个太赫兹真空二极管，多个太赫兹真空二极管在衬底上呈阵列排布，每个太赫兹真空二极管包括光阴极、真空通道层和阳极，在真空通道层设置真空通道，真空通道贯穿真空通道层，光阴极和阳极设置在真空通道的两端，光阴极、真空通道和阳极之间形成密封腔，真空通道呈圆台状，光阴极与真空通道的接触面积小于阳极与真空通道的接触面积，采用上述结构的阵列式太赫兹真空二极管器件，提供了一种新的太赫兹真空电子器件。

如图1所示，多个太赫兹真空二极管2呈线性阵列排布。其中，太赫兹真空二极管2的数量根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

图3为本发明另一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的结构示意图，如图3所示，多个太赫兹真空二极管2呈蜂窝式阵列排布。其中，太赫兹真空二极管2的数量根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

在上述各实施例的基础上，进一步地，相邻两个太赫兹真空二极管2之间的距离为1～2微米。

图4为本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的制造方法的流程示意图，如图4所示，本发明实施例提供一种上述任一实施例所述的阵列式太赫兹真空二极管器件的制造方法，包括：

S401、在衬底上形成多个太赫兹真空二极管的阳极；其中，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈阵列排布；

具体地，在阵列式太赫兹真空二极管器件时，可以利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在衬底上制作出多个太赫兹真空二极管的阳极，各个所述阳极呈阵列排布，所述阳极可以采用金属、合金或者其他具有导电性能的材料，例如金属铝或者硅铜合金。其中，所述衬底可以采用硅衬底或者耐高温衬底，所述衬底的厚度为0.5～5毫米；所述阳极的厚度根据实际经验进行设置，本发明实施例不做限定。

S402、在每个所述太赫兹真空二极管的阳极上分别沉积绝缘材料层；

具体地，在所述衬底上制作出各个所述太赫兹真空二极管的阳极之后，利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在每个所述太赫兹真空二极管的阳极上沉积绝缘材料层，所述绝缘材料层的厚度为1～10微米。

S403、在每个所述太赫兹真空二极管的绝缘材料层刻蚀出真空通道，获得每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层；

具体地，在获得各个所述太赫兹真空二极管的绝缘材料层之后，可以采用干法刻蚀的方式，对每个所述太赫兹真空二极管的绝缘材料层进行刻蚀，获得每个所述太赫兹真空二极管的真空通道，刻蚀出每个所述太赫兹真空二极管的真空通道的绝缘材料层成为真空通道层。各个所述真空通道的形状可以是圆柱状，圆台状，长方体状或者棱台状，所述真空通道的长度与所述绝缘材料层的厚度相等，即所述真空通道贯穿所述绝缘材料层。各个所述真空通道层的外形可以呈圆柱状、长方体状等外形。

S404、在透光基底材料层上形成光阴极，每个所述太赫兹真空二极管的真空通道对应一个所述光阴极；

具体地，光阴极的厚度为100纳米左右，非常薄，需要有一个支撑所述光阴极的基底，在光阴极制作台的真空腔室中，在透光基底材料层上沉积形成所述光阴极，每个所述太赫兹真空二极管的真空通道对应一个所述光阴极，制作出的光阴极的数量与所述真空通道的数量相等。其中，所述透光基底材料层可以采用蓝宝石等透光材料；所述透光基底材料层的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

S405、将每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层与对应的光阴极进行拼接。

具体地，在制作完多个所述光阴极之后，在所述光阴极制作台的另一个真空腔室将每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层与对应的光阴极进行拼接，使每个所述太赫兹真空二极管的光阴极、真空通道层和阳极之间形成真空的密封腔，从而制造出所述阵列式太赫兹真空二极管器件。

本发明实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件制造方法，在衬底上形成多个太赫兹真空二极管的阳极，在每个太赫兹真空二极管的阳极上分别沉积绝缘材料层，在每个所述太赫兹真空二极管的绝缘材料层刻蚀出真空通道，获得每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层，在透光基底材料层上形成光阴极，每个太赫兹真空二极管的真空通道对应一个光阴极，将每个太赫兹真空二极管的真空通道层与对应的光阴极进行拼接，完成阵列式太赫兹真空二极管器件的制造，上述阵列式太赫兹真空二极管器件能够扩大太赫兹电磁波的应用范围。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈线性阵列排布。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈蜂窝式阵列排布。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述衬底的厚度为0.5～5毫米。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述绝缘材料层的厚度为1～10微米。

下面以采用本发明实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管的制造方法制造一个阵列式太赫兹真空二极管的过程为例，来详细说明本发明实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管的制造方法的实现过程：

图5a是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的阳极制造示意图，如图5a所示，利用化学气相淀积工艺在1毫米厚的衬底51上制作出多个太赫兹真空二极管的阳极52，阳极52的厚度为500纳米的，衬底51采用硅衬底，阳极52采用硅铜合金。其中，所述多个太赫兹真空二极管的阳极52呈线性阵列排布，如图1所示；相邻两个阳极52之间的距离为1.5微米。

图5b是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的绝缘材料层制造示意图，如图5b所示，利用化学气相淀积工艺在每个所述太赫兹真空二极管的阳极52上沉积绝缘材料层53，绝缘材料层53的厚度为5微米。

图5c是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的真空通道制造示意图，如图5c所示，采用干法刻蚀的方式对每个所述太赫兹真空二极管的绝缘材料层53进行刻蚀，获得每个所述太赫兹真空二极管的真空通道54，刻蚀出每个所述太赫兹真空二极管的真空通道54的绝缘材料层53成为每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层55。真空通道54的呈圆台状，真空通道54靠近对应的阳极52的一侧的开口大于另一侧的开口，真空通道54的在绝缘材料层53的厚度方向上的长度为5微米。

图5d是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的光阴极制造示意图，如图5d所示，在光阴极制作台的真空腔室中，在1毫米厚的透光基底材料层57上沉积形成100纳米厚的光阴极56，光阴极56为金属光阴极，透光基底材料层57采用蓝宝石，制作出的光阴极56的数量与真空通道54的数量相等。

图5e是本发明一实施例提供的阵列式太赫兹真空二极管器件的真空通道层与光阴极的拼接示意图，如图5e所示，在所述光阴极制作台的另一个真空腔室将每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层55与对应的光阴极56进行拼接，使每个所述太赫兹真空二极管的光阴极56、真空通道54和阳极52之间形成真空的密封腔，从而完成所述阵列式太赫兹真空二极管器件的制造。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种阵列式太赫兹真空二极管器件，其特征在于，包括衬底和多个太赫兹真空二极管，所述多个太赫兹真空二极管在所述衬底上呈阵列排布，其中：

每个所述太赫兹真空二极管包括光阴极、真空通道层和阳极，在所述真空通道层设置真空通道，所述真空通道贯穿所述真空通道层，所述光阴极和所述阳极设置在所述真空通道的两端，所述光阴极、所述真空通道层和所述阳极之间形成密封腔，所述真空通道呈圆台状，所述光阴极与所述真空通道的接触面积小于所述阳极与所述真空通道的接触面积。

2.根据权利要求1所述的二极管器件，其特征在于，所述多个太赫兹真空二极管呈线性阵列排布。

3.根据权利要求1所述的二极管器件，其特征在于，所述多个太赫兹真空二极管呈蜂窝式阵列排布。

4.根据权利要求1至3任一项所述的二极管器件，其特征在于，相邻两个太赫兹真空二极管之间的距离为1～2微米。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的阵列式太赫兹真空二极管器件的制造方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成多个太赫兹真空二极管的阳极；其中，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈阵列排布；

在每个所述太赫兹真空二极管的阳极上分别沉积绝缘材料层；

在每个所述太赫兹真空二极管的绝缘材料层刻蚀出真空通道，获得每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层；

在透光基底材料层上形成光阴极，每个所述太赫兹真空二极管的真空通道对应一个所述光阴极；

将每个所述太赫兹真空二极管的真空通道层与对应的光阴极进行拼接。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈线性阵列排布。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多个太赫兹真空二极管的阳极呈蜂窝式阵列排布。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述衬底的厚度为0.5～5毫米。

9.根据权利要求5至8任一项所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料层的厚度为1～10微米。