CN110676673A

CN110676673A - 基于多指栅结构的太赫兹辐射源器件及其调控方法

Info

Publication number: CN110676673A
Application number: CN201911093181.6A
Authority: CN
Inventors: 陈亮; 蔡勇; 刘国华; 程知群
Original assignee: Hangzhou University Of Electronic Science And Technology Fuyang Institute Of Electronic Information Co Ltd
Current assignee: Hangzhou University Of Electronic Science And Technology Fuyang Institute Of Electronic Information Co Ltd
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2020-01-10

Abstract

本发明公开了一种基于多指栅结构的太赫兹辐射源器件及其调控方法。该太赫兹辐射源器件包括沟道层、沟道提供层、源极和漏极，该沟道层中感生有二维电子气(2DEG)沟道；且在沟道提供层上交替排布有两组栅极，当在该两组栅极上分别施加不同电压时，则位于该两组栅极下方的沟道区域及位于任意两个相邻栅极之间区域正下方的沟道区域中的2DEG浓度将存在差异，从而在这些沟道区域之间形成2DEG浓度差界面，继而若在源、漏极之间加载电压，将在沟道中构建周期性浓度差的驻波振荡结构，由此产生太赫兹辐射。本发明的太赫兹辐射源器件具有易于激发、高功率、可调制和便于小型化等优点，辐射频率可以在0.3THz‑1.9THz范围内调整，轻便、易于集成，适于在多个领域广泛应用。

Description

基于多指栅结构的太赫兹辐射源器件及其调控方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，具体涉及一种基于多指栅结构的太赫兹辐射源器件及其调控方法，属于半导体技术领域。

背景技术

太赫兹波(亚毫米波，远红外波)是指频率在0.1-10THz之间的电磁辐射。在电磁波谱上位于中红外和微波之间，代表了从量子机制传输理论到经典机制体传输理论的重要转变。

太赫兹波的辐射具有如下特点：安全性：太赫兹波光子能量小，只有10-3eV，不会引起生物组织的光离化，适合于生物医学成像；穿透性：太赫兹波辐射能穿透非金属和非极性材料，如纺织品、纸板、塑料、木料等包装物,能穿透烟雾和浮尘；蕴涵丰富的光谱信息：大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在太赫兹波范围，可用于“指纹”识别和结构表征；宽带性：太赫兹的带宽远大于微波，因此太赫兹波能提供更多的信道，从而提高数据传输容量。

因为太赫兹波的以上优点，故而其在时域光谱技术、成像技术、安全检查、雷达、天文学、通信技术、生物医学、基础研究等领域都有着广阔应用前景。

但是目前太赫兹技术的发展也遇到了一些瓶颈，例如，缺乏室温下、稳定、高功率、小型化的太赫兹辐射源，这些问题严重限制了太赫兹应用领域的发展。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种基于多指栅结构的太赫兹辐射源器件及其调控方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种基于多指栅结构的太赫兹辐射源器件，包括沟道层、沟道提供层、源极和漏极；所述沟道提供层设置在沟道层上，用于在所述沟道层中感生二维电子气沟道；所述源极和漏极设置在沟道层、沟道提供层上；进一步的，所述太赫兹辐射源器件还包括在沟道提供层上交替排布的多个第一栅极和多个第二栅极，当在所述第一栅极、第二栅极上分别施加第一电压、第二电压时，所述沟道中形成具有不同二维电子气浓度的第一浓度区、第二浓度区和第三浓度区，所述第一浓度区、第二浓度区分别位于第一栅极、第二栅极正下方，所述第三浓度区位于所述多个第一栅极和多个第二栅极中任意两个相邻栅极之间区域的正下方，并且任意一个第三浓度区与相邻的第一浓度区、第二浓度区之间均形成有二维电子气浓度差界面。

在一些实施方案中，所述多个第一栅极和多个第二栅极交错排布形成叉指结构。

在一些实施方案中，所述第三浓度区还包括：位于源极和与源极相邻的一个栅极之间区域正下方的沟道区域，以及，位于漏极和与漏极相邻的一个栅极之间区域正下方的沟道区域。

在一些实施方案中，所述沟道内的多个二维电子气浓度差界面是间隔设置的，并呈现为周期性分布，从而构建形成驻波振荡结构。

在一些实施方案中，所述沟道内的电子能够集体振荡形成等离子体波，所述等离子体的波波长等于振荡腔的腔长，所述振荡腔分布于所述第一浓度区、第二浓度区、第三浓度区。

在一些实施方案中，所述第一电压、第二电压分别为V_g1、V_g2、所述第一区域、第二区域、第三区域的二维电子气浓度分别为n₁、n₂、n₀，所述第一栅极、第二栅极的长度分别为L_g1、L_g2，任意相邻两个栅极之间的距离为L_sp，并且V_g1、V_g2、n₁、n₂、n₀、L_g1、L_g2、L_sp之间的关系满足下式：

f_sp＝f(n₀，W)＝f(n₀，L_sp)

f_g1＝f(n₁，W)＝f(V_g1，L_g1)

f_g2＝f(n₂，W)＝f(V_g2，L_g2)

使所述第一浓度区内形成的等离子体波的振荡频率f_g1与第二浓度区内形成的等离子体波的振荡频率f_g2、第三浓度区内形成的等离子体波的振荡频率f_sg相同，从而形成谐振增强。

在一些实施方案中，所述多个第一栅极和多个第二栅极组成耦合天线，用于将所述等离子体波耦合发射至自由空间中。

在本说明书中，第一栅极、第二栅极的长度是指第一栅极、第二栅极在由源极指向漏极的方向上的尺寸，而任意相邻两个栅极之间的距离亦是其在由源极指向漏极的方向上的间距。

在一些实施方案中，所述太赫兹辐射源器件的工作频率范围为0.3THz-1.9THz。

在一些实施方案中，所述沟道层的材质包括GaN，所述沟道提供层的材质包括AlGaN。

本发明实施例提供了所述太赫兹辐射源器件的调控方法，其包括：分别在所述第一栅极、第二栅极上施加第一电压、第二电压，从而至少调整所述太赫兹辐射源器件的辐射频率。

较之现有技术，本发明提供的太赫兹辐射源器件具有易于激发、高功率、可调制和便于小型化等优点，辐射频率可以在0.3THz-1.9THz范围内调整，轻便、易于集成，适于在多个领域广泛应用。

为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1是一种基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件的结构示意图。

图2是不同二维电子气(2DEG)浓度下的等离子波的色散关系图。

图3是现有技术中一种加单组栅压调控2DEG浓度的HEMT器件结构示意图。

图4是本发明一典型实施例中一种太赫兹辐射源器件的结构示意图。

图5是本发明一典型实施例中一种太赫兹辐射源器件的俯视图。

图6是本发明一典型实施例中一种太赫兹辐射源器件的工作示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。

对于基于III-V族半导体材料的异质结构，例如AlGaN/GaN材料来说，其是由大量粒子组成的，载流子在这些原子实背景中运动，这些材料中载流子可以集体激发形成等离激元，其原理可以参阅下式I：

其中n0为二维电子气浓度，e为电子当量，m为有效电子质量，ε为相对介电常数，W为等离子波波长。

由于载流子间存在相互的库仑作用，具有长程作用的特征，载流子运动的过程中，会扰动载流子密度，进而该区域载流子密度的起伏会在整个系统中产生载流子的运动的关联，表现为载流子密度的振荡波，这种效应可以称为等离子体集体振荡。本案发明人发现，基于III-V族半导体材料的异质结构(如AlGaN/GaN异质结)中高浓度的2DEG，能够实现太赫兹波段的高频振荡。

例如，对于图1所示的一种基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件来说，其不同2DEG浓度下的等离子波的色散关系可以参阅图2所示，该图2中的横坐标为等离子波波长W，AlGaN/GaN材料中2DEG浓度为1E13/cm²。

基于以上发现，本案发明人提出了本发明如下实施例中的器件设计，如下予以详细说明。

参阅图4所示，本发明一典型实施例提供的一种太赫兹辐射源器件可以包括衬底1、沟道层2、沟道提供层3、源极4、漏极5和两组栅极。其中沟道层、沟道提供层可以依次形成在衬底上。衬底可以选自业界已知的任何合适材质，例如可以是蓝宝石衬底。沟道提供层能够在沟道层中感生二维电子气沟道(参阅图中的虚线所示)。源极、漏极和栅极可以设置在沟道层、沟道提供层上。该两组栅极中的一组(第一栅极组)包括若干第一栅极6、另一组(第二栅极组)包括若干第二栅极7。

其中，可以定义所述沟道位于各第一栅极正下方的区域为第一浓度区，位于各第二栅极正下方的区域为第二浓度区(可简称为“栅下区域”)，而位于任意两个相邻栅极之间区域正下方的区域为第三浓度区(亦可简称为“栅极区域”)。当在所述第一栅极、第二栅极上分别施加第一电压V_g1、第二电压V_g2时，所述沟道中形成具有不同二维电子气浓度的第一浓度区、第二浓度区和第三浓度区，所述第一浓度区、第二浓度区分别位于第一栅极、第二栅极正下方，所述第三浓度区位于所述多个第一栅极和多个第二栅极中任意两个相邻栅极之间区域的正下方，并且任意一个第三浓度区与相邻的第一浓度区、第二浓度区之间均形成有二维电子气浓度差界面。

进一步的，可以使所述沟道内的多个二维电子气浓度差界面间隔设置并呈现为周期性分布，从而构建形成驻波振荡结构。

同时，所述沟道位于源极和与源极相邻的一个栅极之间区域正下方的区域，以及位于漏极和与漏极相邻的一个栅极之间区域正下方的区域亦可形成第三浓度区。每一个这样的第三浓度区也与相邻的一个第一浓度区或第二浓度区之间形成二维电子气浓度差界面。这些二维电子气浓度差界面也可以参与构建形成前述的驻波振荡结构。

更具体地，该典型实施例提供的一种太赫兹辐射源器件可以为多栅HMET器件结构，其包括形成在蓝宝石衬底上的AlGaN/GaN异质结材料体系，其包括作为沟道层的GaN缓冲层和作为沟道提供层的AlGaN层，GaN缓冲层中形成有二维电子气沟道。同时，该多栅HMET器件结构还可包括与AlGaN/GaN异质结配合的源极、漏极，在AlGaN层上可设置包含若干第一栅极的第一栅极组和包含若干第二栅极的第二栅极组。请参阅图5所示，该第一栅极组中的各第一栅极可以与一导电结构(例如焊盘8等)电连接或一体设置，而该第二栅极组中的各第二栅极也可以与一导电结构(例如焊盘9等)电连接或一体设置。并且，该若干第一栅极与若干第二栅极彼此交错排布形成叉指结构，亦可称为多指栅结构。

当在各第一栅极、第二栅极上分别间隔式地施加第一电压V_g1、第二电压V_g2，且V_g1与V_g2不同时，则可以所述沟道中形成具有不同二维电子气浓度的第一浓度区、第二浓度区和第三浓度区，所述第一浓度区、第二浓度区分别为位于第一栅极、第二栅极正下方的沟道区域，所述第三浓度区为位于所述多个第一栅极和多个第二栅极中任意两个相邻栅极之间区域正下方的沟道区域、源极与相邻的一个栅极之间区域正下方的沟道区域、漏极与相邻的一个栅极之间区域正下方的沟道区域，并且任意一个第三浓度区与相邻的第一浓度区、第二浓度区之间均形成有二维电子气浓度差界面。进而，在源极、漏极上加压后，电子在沟道中运动，并在二维电子气浓度差界面处来回反射，而二维电子气浓度差界面具有周期性，从而在沟道中构建了一个周期性浓度差的驻波振荡结构。

例如，本发明实施例提供的一种太赫兹辐射源器件可以通过如下制程制得，即：

先在蓝宝石衬底上依次生长厚度约3μm的GaN缓冲层(沟道层)，1nmAlN空间插入层(图中未示出)，21.5nm的AlGaN势垒层(也可称为沟道提供层)等，形成的外延片总厚度约440μm左右。之后，通过F离子注入进行有源区隔离，再通过电子束蒸发及高温退火形成具有良好欧姆接触的源、漏电极，其中采用的欧姆接触电极材料为Ti/Al/Ni/Au，厚度分别为20nm/130nm/50nm/50nm，下一步再制备多个第一栅极和多个第二栅极，各栅极金属为Ni/Au，厚度为30nm/150nm。

该太赫兹辐射源器件的栅下、栅间区域二维电子气浓度调制的机理可以参阅图6所示。其中，通过调整加载在第一栅极组、第二栅极组上的电压大小、时间等，可以调控各栅下区域中的二维电子气浓度，进而调控各栅间区域与各栅下区域之间的二维电子气浓度差。

进一步的，根据二维等离子体波的振荡频率公式，即前述公式I，根据2DEG浓度与等离子体波波长，可以计算得到振荡频率，对应于第一栅极的栅下区域、对应于第二栅极的栅下区域与栅间区域即为三个不同的振荡腔，由于电子在沟道中的集体振荡形成等离子体波，而电子在浓度差界面来回反射，故可以将等离子体波波长近似为振荡腔腔长，即第一栅极长度L_g1、第二栅极长度L_g2、栅距间Lsp，并通过调制加载在两组栅极上的电压V_g1、V_g2，在沟道中三级浓度梯度界面，调整第一栅极长度L_g1、第二栅极长度L_g2和栅距间Lsp，可以使得栅下与栅距间等离子体波的振荡频率f_g1、f_g2、f_sp相同，形成谐振增强，即：

f_sp＝f(n₀，W)＝f(n₀，L_sp)

f_g1＝f(n₁，W)＝f(V_g1，L_g1)

f_g2＝f(n₂，W)＝f(V_g2，L_g2)

f_sp＝f_g1＝f_g2

并且光栅作为耦合天线作用，将等离子体波耦合发射至自由空间中。

相较于附图3所示的通过加单组栅压调控2DEG浓度的器件，该典型实施例提供的太赫兹辐射源器件中，施加两组不同栅压形成的多级2DEG浓度差界面更易于激发等离子体波振荡，且栅距间与栅下等离子体波能够形成驻波振荡与共振增强，提高辐射功率。

并且，如上文所述，本发明实施例提供的太赫兹辐射源器件中，因栅压可从阈值电压往正向较大范围调节，故栅下2DEG浓度也是可以在很大范围内连续调节的，而栅极长度、栅极间距等均是很容易调整的，因而可以在版图中设计不同尺寸大小的栅长，以及还可以相应的对器件制程中不同的工艺条件进行调整，从而灵活调控辐射源产生太赫兹信号的频率，使其在0.3THz-1.9THz范围内可调。

例如，一种通过前述制程制得的太赫兹辐射源器件的栅间距L_sp为0.8μm左右，栅间区域正下方沟道区域的2DEG浓度约为1E13/cm²，栅长L_g1为4μm左右，施加栅压V_g1为-2V，此时第一栅极下方沟道区域的2DEG浓度约为0.54E12/cm²，栅长L_g2为2μm左右，施加栅压V_g2为-3V，此时第二栅极下方沟道区域的2DEG浓度约为0.27E12/cm²，通过计算三个区域振荡频率约为1.25THz，从而实现共振增强，最终使得该太赫兹辐射源器件的频率为1.25THz左右。

此外，本发明实施例提供的基于AlGaN/GaN材料体系的太赫兹辐射源器件还具有小型化、轻便、易于集成的优点，有利于拓展更多的太赫兹技术的应用。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于多指栅结构的太赫兹辐射源器件，包括沟道层、沟道提供层、源极和漏极；所述沟道提供层设置在沟道层上，用于在所述沟道层中感生二维电子气沟道；所述源极和漏极设置在沟道层、沟道提供层上；其特征在于：所述太赫兹辐射源器件还包括在沟道提供层上交替排布的多个第一栅极和多个第二栅极，当在所述第一栅极、第二栅极上分别施加第一电压、第二电压时，所述沟道中形成具有不同二维电子气浓度的第一浓度区、第二浓度区和第三浓度区，所述第一浓度区、第二浓度区分别位于第一栅极、第二栅极正下方，所述第三浓度区位于所述多个第一栅极和多个第二栅极中任意两个相邻栅极之间区域的正下方，并且任意一个第三浓度区与相邻的第一浓度区、第二浓度区之间均形成有二维电子气浓度差界面。

2.根据权利要求1所述的太赫兹辐射源器件，其特征在于：所述多个第一栅极和多个第二栅极交错排布形成叉指结构。

3.根据权利要求1所述的太赫兹辐射源器件，其特征在于：所述第三浓度区还包括：位于源极和与源极相邻的一个栅极之间区域正下方的沟道区域，以及，位于漏极和与漏极相邻的一个栅极之间区域正下方的沟道区域。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的太赫兹辐射源器件，其特征在于：所述沟道内的多个二维电子气浓度差界面是间隔设置的，并呈现为周期性分布，从而构建形成驻波振荡结构。

5.根据权利要求4所述的太赫兹辐射源器件，其特征在于：所述沟道内的电子能够集体振荡形成等离子体波，所述等离子体的波波长等于振荡腔的腔长，所述振荡腔分布于所述第一浓度区、第二浓度区、第三浓度区。

6.根据权利要求5所述的太赫兹辐射源器件，其特征在于：所述第一电压、第二电压分别为V_g1、V_g2，所述第一区域、第二区域、第三区域的二维电子气浓度分别为n₁、n₂、n₀，所述第一栅极、第二栅极的长度分别为L_g1、L_g2，任意相邻两个栅极之间的距离为L_sp，并且V_g1、V_g2、n₁、n₂、n₀、L_g1、L_g2、L_sp之间的关系满足下式：

f_sp＝f(n₀，W)＝f(n₀，L_sp)

f_g1＝f(n₁，W)＝f(Vg₁，L_g1)

f_g2＝f(n₂，W)＝f(Vg₂，L_g2)

7.根据权利要求6所述的太赫兹辐射源器件，其特征在于：所述多个第一栅极和多个第二栅极组成耦合天线，用于将所述等离子体波耦合发射至自由空间中。

8.根据权利要求1所述的太赫兹辐射源器件，其特征在于：所述太赫兹辐射源器件的工作频率范围为0.3THz-1.9THz。

9.根据权利要求1所述的太赫兹辐射源器件，其特征在于：所述沟道层的材质包括GaN，所述沟道提供层的材质包括A1GaN。

10.如权利要求1-9中任一项所述太赫兹辐射源器件的调控方法，其特征在于包括：分别在所述第一栅极、第二栅极上施加第一电压、第二电压，从而至少调整所述太赫兹辐射源器件的辐射频率。