CN109860001A - 一种太赫兹真空二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种太赫兹真空二极管及其制造方法。其中，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太赫兹真空二极管及其制造方法，提供了一种新的太赫兹真空电子器件。

Description

一种太赫兹真空二极管及其制造方法

技术领域

本发明实施例涉及光电子技术领域，具体涉及一种太赫兹真空二极管及其制造方法。

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，如何提出一种新的太赫兹真空电子器件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太赫兹真空二极管及其制造方法。

一方面，本发明实施例提出一种太赫兹真空二极管，包括光阴极、真空通道层和阳极，其中：

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，所述光阴极和所述阳极平行设置。

其中，所述阳极采用导电材料。

其中，所述光阴极为金属光阴极、负电子亲和势光阴极或者正电子亲和势光阴极。

另一方面，本发明实施例提供一种上述任一实施例所述的太赫兹真空二极管的制造方法，包括：

在衬底上形成阳极；

在所述阳极上沉积绝缘材料层；

在所述绝缘材料层刻蚀出真空通道，获得真空通道层；

在透光基底材料层上形成光阴极；

将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接。

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。

其中，所述真空通道的壁厚大于3微米。

其中，所述阳极采用导电金属或者导电合金。

本发明实施例提供的太赫兹真空二极管及其制造方法，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、真空通道层、阳极形成密封腔，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，采用上述结构的太赫兹真空二极管，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太赫兹真空二极管的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的太赫兹真空二极管的制造方法的流程示意图；

图3a是本发明一实施例提供的阳极制造示意图；

图3b是本发明一实施例提供的绝缘材料层制造示意图；

图3c是本发明一实施例提供的真空通道层制造示意图；

图3d是本发明一实施例提供的光阴极制造示意图；

图3e是本发明一实施例提供的真空通道层与光阴极的拼接示意图；

附图标记说明：

1-光阴极； 2-真空通道层；

3-真空通道； 4-阳极；

31-衬底； 32-阳极；

33-绝缘材料层； 34-真空通道；

35-真空通道层； 36-光阴极；

37-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太赫兹真空二极管的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的太赫兹真空二极管，包括光阴极1、真空通道层2和阳极4，其中：

在真空通道层2设置真空通道3，真空通道3贯穿真空通道层2，光阴极1和阳极4设置在真空通道2的两端，光阴极1、真空通道层2和阳极4之间形成密封腔，真空通道3呈圆台状，光阴极1与真空通道3的接触面积小于阳极4与真空通道3的接触面积。

具体地，真空通道层2采用绝缘材料制成，光阴极1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。阳极4采用导电金属或者导电合金，所述密封腔内为真空，真空通道3呈圆台状，并且光阴极1与真空通道3的接触面积小于阳极4与真空通道3的接触面积，可以减少由光阴极1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3还可以采用圆柱状、长方体状、正方体状、棱台状等。其中，阳极4的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

本发明实施例提供的太赫兹真空二极管可以用做逻辑开关器件，且有两种开关模式，一是电开关模式，另外一种是光开关模式。工作在电开关模式时，光阴极1需要持续有恒定光照射，通过改变光阴极1和阳极4之间的电压对所述太赫兹真空二极管的通断控制。工作在光开关模式时，需要在光阴极1和阳极4之间一直加载偏压，然后通过光场的通断对所述太赫兹真空二极管的通断进行控制。

本发明实施例提供的太赫兹真空二极管还可以工作在脉冲模式，在脉冲激光器的照射下，激发所述太赫兹真空二极管的光阴极1发射太赫兹脉冲电子束团到阳极4，使阳极4接收到相应的脉冲电流。可以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～千毫瓦的幅度调制光束入射到所述太赫兹真空二极管的高量子效率的光阴极1上，光阴极1以拍频(ω₁-ω₂)发射太赫兹频段的高频光电流，在所述太赫兹真空二极管的直流偏压作用下，通过微米级真空通道2从光阴极1的表面加速渡越到阳极4，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太赫兹真空二极管还可以用于产生太赫兹脉冲或者连续波信号。

本发明实施例提供的太赫兹真空二极管，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、真空通道层、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，采用上述结构的太赫兹真空二极管，提供了一种新的太赫兹真空电子器件。

在上述各实施例的基础上，进一步地，光阴极1和阳极4平行设置。

在上述各实施例的基础上，进一步地，阳极4采用导电材料，例如导电金属或者导电合金。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述光阴极为金属光阴极、负电子亲和势光阴极或者正电子亲和势光阴极。

图2为本发明一实施例提供的太赫兹真空二极管的制造方法的流程示意图，如图2所示，本发明实施例提供一种上述任一实施例所述的太赫兹真空二极管的制造方法，包括：

S201、在衬底上形成阳极；

具体地，在制造太赫兹真空二极管时，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阳极，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。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情况进行设置，本发明实施例不做限定。

S202、在阳极上沉积绝缘材料层；

具体地，在衬底上制作出阳极之后，利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在所述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。

S203、在所述绝缘材料层刻蚀出真空通道，获得真空通道层；

具体地，在获得绝缘材料层之后，可以采用干法刻蚀的方式，对所述绝缘材料层进行刻蚀，获得真空通道，刻蚀出所述真空通道的绝缘材料层成为真空通道层。所述真空通道的形状可以是圆柱形，圆台形，长方体形或者棱台形，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。所述真空通道层的外形可以呈圆柱形、方形等外形。

S204、在透光基底材料层上形成光阴极；

具体地，所述光阴极的厚度为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。其中，所述透光基底材料层可以采用蓝宝石、金刚石、石英等透光材料；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。

S205、将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接。

具体地，在制作完所述光阴极之后，在所述光阴极制作台的另一个真空腔室将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接，使所述光阴极、所述真空通道层和所述阳极之间形成真空的密封腔，制造出所述太赫兹真空二极管。

本发明实施例提供的太赫兹真空二极管的制造方法，在衬底上形成阳极，然后在阳极上沉积绝缘材料层，接着在所述绝缘材料层刻蚀出真空通道，获得真空通道层，在透光基底材料层上形成光阴极，最后将真空通道层与光阴极进行拼接，完成太赫兹真空二极管的制造，上述太赫兹真空二极管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，所述衬底的厚度为0.5～5mm。

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。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述真空通道的壁厚大于3微米。

在上述各实施例的基础上，进一步地，所述阳极采用导电金属或者导电合金，例如采用金属铝、或者硅铜合金。

下面以采用本发明实施例提供的太赫兹真空二极管的制造方法制造一个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太赫兹真空二极管的制造方法的实现过程：

图3a是本发明一实施例提供的太赫兹真空二极管的阳极制造示意图，如图3a所示，利用化学气相淀积工艺在1毫米厚的衬底31上制作出厚度为500纳米的阳极32，衬底31采用硅衬底，阳极32采用硅铜合金。

图3b是本发明一实施例提供的绝缘材料层制造示意图，如图3b所示，利用化学气相淀积工艺在阳极32上沉积绝缘材料层33，绝缘材料层33的厚度为5微米。

图3c是本发明一实施例提供的真空通道制造示意图，如图3c所示，采用干法刻蚀的方式对绝缘材料层33进行刻蚀，获得真空通道34，刻蚀出真空通道34的绝缘材料层33成为真空通道层35。真空通道34呈圆台形，真空通道34靠近阳极32的一侧的开口大于另一侧的开口，真空通道34的在绝缘材料层33的厚度方向上的长度为5微米。

图3d是本发明一实施例提供的光阴极制造示意图，如图3d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37上沉积形成100纳米厚的光阴极36，光阴极36为金属光阴极，透光基底材料层37采用蓝宝石。

图3e是本发明一实施例提供的真空通道层与光阴极的拼接示意图，如图3e所示，在所述光阴极制作台的另一个真空腔室将真空通道层35道与光阴极36进行拼接，使光阴极36、真空通道层35和阳极32之间形成真空的密封腔，从而完成所述太赫兹真空二极管的制造。

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)

1.一种太赫兹真空二极管，其特征在于，包括光阴极、真空通道层和阳极，其中：

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，其特征在于，所述光阴极和所述阳极平行设置。

3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述阳极采用导电材料。

4.根据权利要求1至3任一项所述的二极管，其特征在于，所述光阴极为金属光阴极、负电子亲和势光阴极或者正电子亲和势光阴极。

5.一种如权利要求1至4任一项所述的太赫兹真空二极管的制造方法，其特征在于，包括：

在衬底上形成阳极；

在所述阳极上沉积绝缘材料层；

在所述绝缘材料层刻蚀出真空通道，获得真空通道层；

在透光基底材料层上形成光阴极；

将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述衬底的厚度为0.5～5毫米。

7.根据权利要求5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。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述真空通道层的壁厚大于3微米。

9.根据权利要求5至8任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极采用导电金属或者导电合金。