CN110634959A - 一种基于igzo肖特基二极管动态调控超材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，IGZO肖特基二极管包括由下自上依次生长的衬底、肖特基电极、非晶铟镓锌氧有源层、欧姆电极，包括步骤如下：(1)将超材料作为肖特基电极，并使非晶铟镓锌氧有源层完全覆盖超材料中的电容性结构，超材料中的电容性结构与非晶铟镓锌氧有源层结合形成肖特基势垒；(2)通过步骤(1)处理后的IGZO肖特基二极管动态调控超材料。本发明实现了对超材料包括透过率、反射率和吸收率在内的电磁特性大幅动态调制，同时不影响超材料结构设计的共振频率，可以被应用到各类超材料器件和具有超材料结构的等离激元器件当中，实现对空间传输的电磁波和表面传输的电磁波的动态调控。

Description

一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法
技术领域
本发明涉及一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，属于半导体器件技术和电磁场与微波技术等领域。
背景技术
超材料又称“超构材料”、“超常材料”或“特异材料”，是指具有自然材料所没有的超常物理特性的人工复合结构或材料。超材料一般是由人工设计的、周期均匀分布的、亚波长尺寸的金属或介质微结构组成，通过这些微结构与入射电磁波之间的耦合实现特定的电磁响应。近些年，电磁特性可人工设计的超材料很好的填补了传统材料的空白，将这些超材料与半导体、液晶、超导等可调控材料体系相结合，就可以通过光、外加电场、外加磁场、应力或化学试剂等外部激励实现对于超材料电磁特性的主动调控。
在这些主动调控超材料的方法中，最常用的就是利用场效应晶体管(三极管)结构调节材料中载流子密度，例如调控氧化物半导体IGZO，参见Xu,W.Z.et al.Electricallytunable terahertz metamaterials with embedded large-area transparent thin-film transistor arrays.Sci.Rep.6,23486(2016)；例如调控石墨烯，参见Ju,L.etal.Graphene plasmonics for tunable terahertz metamaterials.Nat Nanotechnol.6,630-634(2011)、Jadidi,M.M.et al.Tunable Terahertz Hybrid Metal-GraphenePlasmons.Nano Lett.15,7099-7104(2015)以及Balci,O.et al.Graphene-enabledelectrically switchable radar-absorbing surfaces.Nat.Commun.6,6628(2015).到目前为止，大多数的主动式超材料调控都是基于石墨烯晶体管，其调制深度受到石墨烯品质的限制，参见Geim,A.K.&Novoselov,K.S.The rise of graphene,Nat.Mater.6,183-191(2007).基于IGZO场效应晶体管的超材料的调制深度非常低，并且晶体管的栅极会对超材料的电磁特性产生不良影响。
此外，肖特基二极管也可以通过调控半导体沟道中的载流子浓度实现对超材料的动态调控。2006年利用砷化镓(GaAs)肖特基二极管在太赫兹频率主动调控超材料的方式被报道，参见Chen,H.-T.et al.Active terahertz metamaterial devices.Nature 444,597-600(2006)和Chen,H.-T.et al.A metamaterial solid-state terahertz phasemodulator.Nature Photonics 3,148-151(2009)。但是目前没有其他种类的肖特基二极管可以实现超材料的动态调控。上述文章中报道的方案采用的GaAs衬底为刚性，价格昂贵，不适用于大面积电路和柔性电路，也不适用于高性价比的超材料动态调控应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法。
本发明首次使用IGZO肖特基二极管实现对超材料的动态调控。本发明针对现有超材料主动式调控的多种方案中调制深度低、成本高、制备工艺复杂、不适于柔性电路等问题，将具有高电子迁移率(10-50cm2/Vs)、低电磁损耗、低成本、生长制备工艺简单且均一性良好的IGZO作为有源层，制备金属超材料的同时制备肖特基电极和欧姆电极，构成肖特基二极管，通过在欧姆电极和肖特基电极上施加电压，实现对超材料电磁特性的主动调控。相对于砷化镓和石墨烯等带宽较小或没有能隙的半导体，IGZO能带较宽并且稳定性良好，所以IGZO肖特基二极管的动态调控可以在可见光和较大温度范围内工作。IGZO肖特基二极管的制备可以采用室温下的磁共溅射，具有面积大、产量高、成本低的优势，并可以用于柔性电路。
术语解释：
1、DECON，是指迪康清洗剂；
2、IGZO，氧化铟镓锌，氧化物半导体，英文名Indium Gallium Zinc Oxide，肖特基二极管的有源层；
3、电容性超材料，是指电路模型中具有等效电容的超材料，包括劈裂环超材料和电容电感谐振超材料，以及其各种变种和复合超材料；
4、表面等离激元传输线，是指制作在介质衬底上、具有亚波长褶皱结构、具有深度亚波长场的局域性、可共型传输的新型超薄传输线，由亚波长结构形成等效负介电常数，从而在微波和太赫兹频段实现类表面等离激元特性；
5、劈裂环超材料，英文名split ring resonator，是指具有缺口的金属环形结构，金属线可视作电感，缺口产生电容，在变化磁场中会电荷在缺口两端积聚，形成谐振；
6、电容电感谐振超材料，英文名electric-LC metamaterials，等效电路模型为LC谐振电路，金属线可视作电感，缺口可视为电容，形成谐振；
7、准环形结构，是指使劈裂谐振环间隙形成短路的金属环形结构；
8、带阻响应，是指信号在特定频谱范围内信号强度大幅衰减，特定频谱范围外没有信号衰减的响应。
本发明的技术方案为：
一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，所述IGZO肖特基二极管包括由下自上依次生长的衬底、肖特基电极、非晶铟镓锌氧有源层、欧姆电极，包括步骤如下：
(1)将超材料作为所述肖特基电极，并使所述非晶铟镓锌氧有源层完全覆盖所述超材料中的电容性结构，超材料中的电容性结构与所述非晶铟镓锌氧有源层结合形成肖特基势垒；
超材料中的电容性结构的两个金属板共电势，所以在两个金属板的表面都形成了肖特基势垒，使超材料处于类正常工作模式。
IGZO材料覆盖超材料中的电容性结构，超材料中的电容性结构的工作机制可以被理解为RLC电路，L为环形结构电感，C为间隙处的电容，Rg代表间隙处自由载流子吸收造成的可变衰减。本发明方法中IGZO材料与超材料中的电容性结构的接触需覆盖填充超材料中的电容性结构的间隙。在施加正向偏置电压后，IGZO中的载流子会向正电压方向移动，即由欧姆电极向肖特基电极方向移动，超材料中的电容性结构的间隙处的IGZO材料自由载流子浓度增加，肖特基电极处的电导率也随之增加。这样超材料中的电容性结构的间隙会被短路，实现了材料重构和动态调控。
(2)通过步骤(1)处理后的IGZO肖特基二极管动态调控超材料。
根据本发明优选的，所述超材料中的电容性结构的间隙小于5μm。
为了保证在零偏置电压情况下，超材料中的电容性结构的间隙处的IGZO处于耗尽状态，超材料中的电容性结构，即被IGZO覆盖的间隙处尺寸不宜超过5微米。
根据本发明优选的，所述超材料的材质包括Ti/Au/Pd。
Ti作为粘附层，用于提高金属与衬底的粘结强度。金属Au作为主要的信号传输层，具有极好的导电性，随着Au厚度的增加，传输信号的损耗也随之在全频段降低。高功函数金属Pd在氧等离子体轰击后形成富氧环境后，与非晶铟镓锌氧有源层结合形成肖特基势垒。超材料作为肖特基电极可以使用但不限于高功函数金属Pd，其它可以与IGZO形成肖特基势垒的金属均可使用。
根据本发明优选的，所述超材料包括劈裂环超材料、电容电感谐振超材料、劈裂环超材料阵列或电容电感谐振超材料阵列。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中，通过步骤(1)处理后的IGZO肖特基二极管动态调控超材料，包括步骤如下：
A、将正电压加在肖特基电极上，负电压加在欧姆电极上；
B、在零偏压状态下，覆盖在超材料中的电容性结构的间隙处的非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO被耗尽，超材料中的电容性结构形成强烈的LC共振，产生完美的带阻响应；在49GHz处对电磁波产生了高达-31dB的强烈带阻响应。
C、从零电压开始连续增加正电压，随着正电压的增大，非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO中的载流子向正电压方向移动，即由欧姆电极向肖特基电极方向移动，超材料中的电容性结构的间隙处的非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO自由载流子浓度逐渐增加，电导率增加，使得间隙处的电容降低直至短路，超材料结构逐渐变成准环形结构，对电磁信号的衰减响应减弱，产生更高的透过率。
根据本发明优选的，步骤(1)中生成的用于超材料动态调控的IGZO肖特基二极管的制备方法，包括步骤如下：
①清洗衬底；
②利用光刻、电子束蒸发和剥离技术在步骤①衬底上蒸镀超材料，作为肖特基电极；
③在步骤②肖特基电极上制备非晶铟镓锌氧有源层：
④通过光刻、电子束蒸发和剥离技术，在步骤③非晶铟镓锌氧有源层上制备欧姆电极。材料为Ti/Au,厚度10/300nm。
进一步优选的，所述步骤①，包括：先放入DECON清洗5min，再用去离子水清洗10min，后用丙酮清洗5min，立刻放入乙醇清洗5min，之后用去离子水冲洗，最后用氮气吹干。
进一步优选的，所述步骤③，包括：利用光刻技术将非晶铟镓锌氧有源层图形传递到步骤②的样品上，并将样品放入等离子清洗机中，用氧等离子体清洗30min，去除表面残胶并使表面形成富氧环境；通过光刻、磁控溅射和剥离技术，制备非晶铟镓锌氧有源层，厚度750nm。
本发明的有益效果为：
本发明应用IGZO肖特基二极管结构与超材料结合，实现了对超材料包括透过率、反射率和吸收率在内的电磁特性大幅动态调制，同时不影响超材料结构设计的共振频率，可以被应用到各类超材料器件和具有超材料结构的等离激元器件当中，实现对空间传输的电磁波和表面传输的电磁波的动态调控。
附图说明
图1(a)为一种单环劈裂环超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构一示意图；
图1(b)为一种单环劈裂环超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构二示意图；
图2(a)为一种电容电感谐振超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构一示意图；
图2(b)为一种电容电感谐振超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构一示意图；
图3为劈裂环超材料阵列作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构示意图；
图4为电容电感谐振超材料阵列作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构示意图；
图5为劈裂环超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管空间结构示意图；
图6为电容电感谐振超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管空间结构示意图；
图7为超材料中的电容性结构的工作原理示意图；
图8为使用本发明对电磁波(人工表面等离激元)的传输实现动态调控示意图；
图9为使用本发明对电磁波(人工表面等离激元)的吸收实现动态调控示意图；
图10为未加电压情况下覆盖了IGZO肖特基二极管与未覆盖IGZO肖特基二极管的超材料信号透过率对比示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，IGZO肖特基二极管包括由下自上依次生长的衬底、肖特基电极、非晶铟镓锌氧有源层、欧姆电极，包括步骤如下：
(1)将超材料作为所述肖特基电极，并使所述非晶铟镓锌氧有源层完全覆盖所述超材料中的电容性结构，超材料中的电容性结构与所述非晶铟镓锌氧有源层结合形成肖特基势垒；
超材料中的电容性结构的两个金属板共电势，所以在两个金属板的表面都形成了肖特基势垒，使超材料处于类正常工作模式。
IGZO材料覆盖超材料中的电容性结构，超材料中的电容性结构的工作机制可以被理解为图7所示的RLC电路，L为环形结构电感，C为间隙处的电容，Rg代表间隙处自由载流子吸收造成的可变衰减。本发明方法中IGZO材料与超材料中的电容性结构的接触需覆盖填充超材料中的电容性结构的间隙。在施加正向偏置电压后，IGZO中的载流子会向正电压方向移动，即由欧姆电极向肖特基电极方向移动，超材料中的电容性结构的间隙处的IGZO材料自由载流子浓度增加，肖特基电极处的电导率也随之增加。这样超材料中的电容性结构的间隙会被短路，实现了材料重构和动态调控。
(2)通过步骤(1)处理后的IGZO肖特基二极管动态调控超材料。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其区别在于：
超材料中的电容性结构的间隙小于5μm。
为了保证在零偏置电压情况下，超材料中的电容性结构的间隙处的IGZO处于耗尽状态，超材料中的电容性结构，即被IGZO覆盖的间隙处尺寸不宜超过5μm。
实施例3
根据实施例1所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其区别在于：
超材料的材质包括Ti/Au/Pd。Ti作为粘附层，用于提高金属与衬底的粘结强度。金属Au作为主要的信号传输层，具有极好的导电性，随着Au厚度的增加，传输信号的损耗也随之在全频段降低。高功函数金属Pd在氧等离子体轰击后形成富氧环境后，与非晶铟镓锌氧有源层结合形成肖特基势垒。超材料作为肖特基电极可以使用但不限于高功函数金属Pd，其它可以与IGZO形成肖特基势垒的金属均可使用。
超材料包括劈裂环超材料、电容电感谐振超材料、劈裂环超材料阵列或电容电感谐振超材料阵列。图1(a)为一种单环劈裂环超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构一如图1(a)所示，一种单环劈裂环超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构二如图1(b)所示，一种电容电感谐振超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构一如图2(a)所示，一种电容电感谐振超材料作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构二如图2(b)所示，劈裂环超材料阵列作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构、空间结构分别如图3、图5所示，电容电感谐振超材料阵列作为肖特基电极的IGZO肖特基二极管结构、空间结构分别如图4、图6所示。其他类型的劈裂环超材料和电容电感谐振超材料也可以与IGZO肖特基二极管结合实现动态调控，其结合方式与图1-6类似。
实施例4
根据实施例1所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其区别在于：
通过步骤(1)处理后的IGZO肖特基二极管动态调控超材料，包括步骤如下：
A、将正电压加在肖特基电极上，负电压加在欧姆电极上；
B、在零偏压状态下，覆盖在超材料中的电容性结构的间隙处的非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO被耗尽，超材料中的电容性结构形成强烈的LC共振，产生完美的带阻响应；如图6-8所示在49GHz处对电磁波产生了高达-31dB的强烈带阻响应。
C、从零电压开始连续增加正电压，随着正电压的增大，非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO中的载流子向正电压方向移动，即由欧姆电极向肖特基电极方向移动，超材料中的电容性结构的间隙处的非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO自由载流子浓度逐渐增加，电导率增加，使得间隙处的电容降低直至短路，超材料结构逐渐变成准环形结构，对电磁信号的衰减响应减弱，产生更高的透过率。
肖特基电极的材质为Pd，肖特基电极的厚度大于10nm；非晶铟镓锌氧有源层的厚度大于10nm；所述欧姆电极为Ti或Au，欧姆电极的厚度大于10nm。
上述用于超材料动态调控的IGZO肖特基二极管的制备方法，包括步骤如下：
(1)清洗衬底；先放入DECON清洗5min，再用去离子水清洗10min，后用丙酮清洗5min，立刻放入乙醇清洗5min，之后用去离子水冲洗，最后用氮气吹干；
(2)利用光刻、电子束蒸发和剥离技术在步骤(1)衬底上蒸镀超材料，作为肖特基电极；
(3)在步骤(2)肖特基电极上制备非晶铟镓锌氧有源层：利用光刻技术将非晶铟镓锌氧有源层图形传递到步骤(2)的样品上，并将样品放入等离子清洗机中，用氧等离子体清洗30min，去除表面残胶并使表面形成富氧环境；通过光刻、磁控溅射和剥离技术，制备非晶铟镓锌氧有源层，厚度750nm；
(4)通过光刻、电子束蒸发和剥离技术，在步骤(3)非晶铟镓锌氧有源层上制备欧姆电极。材料为Ti/Au,厚度10/300nm。
图8为使用本发明对电磁波(人工表面等离激元)的传输实现动态调控示意图；
受限于高频测试设备保护电压限制，测试电压上限为46V，为了获得理想调制范围，使用Ansys公司的HFSS仿真软件对IGZO肖特基二极管对超材料的调控效果进行仿真。从劈裂谐振环的直流测试结果中提取了电导率可变化的数值，随着施加偏压的增大，IGZO材料的电导率增加，IGZO材料电导率实际变化范围可以从7.9×10-6到0.23S/m。当将仿真中IGZO材料电导率调至0.016S/m时，传输率的理想调制范围可以进一步提高至67％，吸收率的理想调制范围可以进一步提高至32％。在正向偏压加到46V的情况下，信号的透过率可以从-30dB调制到-7dB，同时，我们可以看到通过这种调制方式没有产生共振频率的漂移。
图9为使用本发明对电磁波(人工表面等离激元)的吸收实现动态调控示意图；随着偏压的增加，在将施加的正电压加到46V时，如图9所示，超材料结构的吸收率的调制范围可以达到19％。
图10为未加电压情况下覆盖了IGZO肖特基二极管与未覆盖IGZO肖特基二极管的超材料信号透过率对比示意图。由图10可以看出，覆盖了IGZO肖特基二极管对超材料的电磁特性影响非常小，即IGZO在器件初始状态下的插入损耗非常小，这是IGZO肖特基二极管对超材料进行动态调控的一个非常重要的优势。

Claims (8)

1.一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，所述IGZO肖特基二极管包括由下自上依次生长的衬底、肖特基电极、非晶铟镓锌氧有源层、欧姆电极，其特征在于，包括步骤如下：
(1)将超材料作为所述肖特基电极，并使所述非晶铟镓锌氧有源层完全覆盖所述超材料中的电容性结构，超材料中的电容性结构与所述非晶铟镓锌氧有源层结合形成肖特基势垒；
(2)通过步骤(1)处理后的IGZO肖特基二极管动态调控超材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其特征在于，所述超材料中的电容性结构的间隙小于5μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其特征在于，所述超材料的材质包括Ti/Au/Pd。
4.根据权利要求1所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其特征在于，所述超材料包括劈裂环超材料、电容电感谐振超材料、劈裂环超材料阵列或电容电感谐振超材料阵列。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，通过步骤(1)处理后的IGZO肖特基二极管动态调控超材料，包括步骤如下：
A、将正电压加在肖特基电极上，负电压加在欧姆电极上；
B、在零偏压状态下，覆盖在超材料中的电容性结构的间隙处的非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO被耗尽，超材料中的电容性结构形成强烈的LC共振，产生完美的带阻响应；
C、从零电压开始连续增加正电压，随着正电压的增大，非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO中的载流子向正电压方向移动，即由欧姆电极向肖特基电极方向移动，超材料中的电容性结构的间隙处的非晶铟镓锌氧有源层中的IGZO自由载流子浓度逐渐增加，电导率增加，使得间隙处的电容降低直至短路，超材料结构逐渐变成准环形结构，对电磁信号的衰减响应减弱，产生更高的透过率。
6.根据权利要求1所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其特征在于，步骤(1)中生成的用于超材料动态调控的IGZO肖特基二极管的制备方法，包括步骤如下：
①清洗衬底；
②利用光刻、电子束蒸发和剥离技术在步骤①衬底上蒸镀超材料，作为肖特基电极；
③在步骤②肖特基电极上制备非晶铟镓锌氧有源层：
④通过光刻、电子束蒸发和剥离技术，在步骤③非晶铟镓锌氧有源层上制备欧姆电极。材料为Ti/Au,厚度10/300nm。
7.根据权利要求6所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其特征在于，所述步骤①，包括：先放入DECON清洗5min，再用去离子水清洗10min，后用丙酮清洗5min，立刻放入乙醇清洗5min，之后用去离子水冲洗，最后用氮气吹干。
8.根据权利要求6所述的一种基于IGZO肖特基二极管动态调控超材料的方法，其特征在于，所述步骤③，包括：利用光刻技术将非晶铟镓锌氧有源层图形传递到步骤②的样品上，并将样品放入等离子清洗机中，用氧等离子体清洗30min，去除表面残胶并使表面形成富氧环境；通过光刻、磁控溅射和剥离技术，制备非晶铟镓锌氧有源层，厚度750nm。
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