CN112531109A - 一种基于静态畴的光控开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于静态畴的光控开关，其包括由下至上顺次设置的绝缘衬底层、二维半导体导电层和绝缘保护层；所述二维半导体导电层上设有两个绝缘刻槽，且其两侧边还分别沿边缘方向设有输入电极和输出电极；所述绝缘刻槽中填充有光敏材料两个绝缘刻槽之间形成纳米沟道；所述纳米沟道与输入电极、输出电极分别垂直。相对于现有技术，通过间隔地施加光照，所述光控开关能够高频地在电流导通状态和电流关闭状态间切换。

Description

一种基于静态畴的光控开关

技术领域

本发明涉及高频开关领域，尤其涉及一种基于静态畴的光控开关。

背景技术

耿氏效应，也称为转移电子效应，其基本原理是电子在半导体导带的能谷之间转移。具体地，对于带有主能谷和次能谷的砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物的半导体材料而言，从外部获得足够多的能量的电子可以从导带高迁移率的主能谷跃迁到低迁移率的次能谷中。如果外加电场为零，这时电子几乎都处于能量较低的主能谷中。而随着外加电场的强度从零开始逐渐增强时，电子的平均漂移速度也随之增加。当外加电场达到阈值电压时，电子获得足够多的能量就可以从低能谷向高能谷转移。此时，电子的有效质量变大，平均迁移速率变小，便出现了负微分电阻的情况，当外加电场的强度达到饱和电压时，几乎所有的电子都被转移到次能谷。因此，具有转移电子效应的多能谷半导体材料，例如GaAs、InGaAs等可以用来制造耿氏电学元件。

现有技术中多数耿氏二极管的工作过程为：在耿氏二极管两端施加适当的偏压，使半导体处于负微分电导状态，此时，载流子在阴极附近开始累积，并一边成长成熟的耿氏畴，一边往阳极漂移。当耿氏畴到达阳极时会消亡并输出一个电流脉冲，然后又在阴极形成新的耿氏畴。重复上述过程，则耿氏二极管的阳极可以输出一个一个的电流脉冲，其称为耿氏振荡。为了摆脱输出电流振荡的限制，H.Scheiber等人通过在三端平面耿氏元件中引入场效应以产生静态畴。但该元件需要通过额外的光刻技术实现栅极，工序复杂。

然而，现有技术中尚没有电学元件能够实现简单地通过切换电学元件内耿氏畴的存在状态来改变该电学元件的电流导通或关闭状态。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于静态畴的光控开关，其能够通过改变光照条件来切换电学元件内静态畴的状态，进而改变该电学元件的电流导通或关闭状态。

本发明通过以下方案实现：所述基于静态畴的光控开关包括由下至上顺次设置的绝缘衬底层、二维半导体导电层和绝缘保护层；所述二维半导体导电层上设有两个绝缘刻槽，且其两侧边还分别沿边缘方向设有输入电极和输出电极；所述绝缘刻槽中填充有光敏材料，两个绝缘刻槽之间形成纳米沟道；所述纳米沟道与输入电极、输出电极分别垂直。

相对于现有技术，本发明通过改变照射所述光控开关的光照条件来控制所述光控开关的导通或关闭状态：无光照射时，由于填充于绝缘刻槽的光敏材料是高介电常数材料，其将增强纳米沟道场效应形成静态畴，使所述光控开关关闭；有光照射时，所述光敏材料变为低介电常数材料，所述纳米沟道无法形成静态畴，使所述光控开关导通。因此，通过间隔地施加光照，所述光控开关能够高频地在电流导通状态和电流关闭状态间切换。

进一步地，所述输入电极与所述输出电极的长度均小于二维半导体导电层的宽度，所述纳米沟道的长度小于所述二维半导体导电层的长度。

进一步地，所述光敏材料在有光照时电介质常数变小，无光照时介电常数变大。

进一步地，所述绝缘刻槽均为L型，两个绝缘刻槽沿所述二维半导体导电层平面的对称轴轴对称且背向设置；两个L型绝缘刻槽的短边分别延伸至二维半导体层的相对两侧边界，L型绝缘刻槽的长边均不接触二维半导体层的边界。此方案中，所述光控开关内仅有唯一的纳米沟道，电子只能通过纳米沟道移动。

进一步地，所述纳米沟道的宽度为25-55nm。通过此设置，无光照时纳米沟道中场效应增强形成静态畴。

进一步地，所述二维半导体导电层为AlGaAs/InGaAs异质结，其包括从下往上顺次设置的InGaAs基底层、AlGaAs/InGaAs异质界面上的二维电子气层和AlGaAs覆盖层。

一步地，所述两个绝缘刻槽的的深度≥300nm。通过此设置，可以避免加工时深度波动对所述光控开关的性能的影响。

进一步地，所述InGaAs基底层的厚度为425nm，所述AlGaAs覆盖层的厚度为55nm。

进一步地，所述基于静态畴的光控开关的长度为1-2μm，宽度为420-480μm，从而整个开关结构在微纳米量级，以便于器件的集成。

进一步地，所述光敏材料为Si、CdS、ZnS、CdSe、InSb、GeZn、GeCu、GeAg中的一种。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为所述光控开关的表面结构正视图；

图2为所述光控开关的剖面结构示意图；

图3为无光照时所述光控开关中归一化电子浓度的分布；

图4为有光照时所述光控开关中的归一化电子浓度分布；

图5为有光照和无光照时所述光控开关的电流电压特性曲线。

具体实施方式

本发明涉及一种基于静态畴的光控开关，其在其通过改变光照条件来调整所述光控开关内部静态畴的形成情况，进而控制所述光控开关输出电流的大小，使所述光控开关能够高频地在电流导通状态与电流关闭状态间切换。

请同时参阅图1和图2，其中，图1为基于静态畴的光控开关的表面结构示意图，图2为基于静态畴的光控开关的剖面结构示意图。所述基于静态畴的光控开关包括由下至上顺次设置的绝缘衬底层5、二维半导体导电层和绝缘保护层(图中未显示)。其中，所述二维半导体导电层中具有大量电子，其上设有两个绝缘刻槽2，且其两侧还分别沿边缘方向设有输入电极1和输出电极3。所述输入电极1的另一端接地，所述输出电极3的另一端与电源连接。所述绝缘刻槽2均为L型，并穿透所述二维半导体导电层。优选地，所述光控开关的长度为1-2μm，宽度为420-480nm。优选地，所述绝缘刻槽可以通过干法刻蚀获得，刻槽深度大于二维电子气层的厚度。优选地，绝缘刻槽的深度大于300nm，以避免加工时深度波动对器件性能的影响。

所述绝缘刻槽中填充有光敏材料，所述光敏材料在有光照时，材料的电介质常数变小，无光照时，材料的介电常数变大。具体的，所述光敏材料可为Si、CdS、ZnS、CdSe、InSb、GeZn、GeCu、GeAg中的任意一种。所述光敏材料在有光照时，材料的电介质常数变小，无光照时，材料的介电常数变大。在一实施例中，所述光控开关是基于AlGaAs/InGaAs异质结结构平面制作的，其中，所述二维半导体导电层为AlGaAs/InGaAs异质结，其包括从下往上顺次设置的InGaAs基底层6、AlGaAs/InGaAs异质结界面上的二维电子气层8和AlGaAs覆盖层7。

所述绝缘刻槽2均垂直穿透AlGaAs/InGaAs异质结界面上的二维电子气层8，且各个绝缘刻槽6内填设相同光敏材料。

在一实施例中，所述光控开关包括两个沿二维半导体导电层平面的对称轴呈轴对称且背向设置的L型绝缘刻槽，两个L型绝缘刻槽之间形成静态畴的纳米沟道4。优选的，所述纳米沟道的长度小于1.5μm。

具体地，所述光控开关竖直设置，两个背向设置的L型绝缘刻槽分别位于竖直的二维半导体导电层平面的上侧和下侧，其中，位于上侧的L型绝缘刻槽的竖直部分延伸至所述光控开关的上边缘，位于下侧的L型绝缘刻槽的竖直部分延伸至所述光控开关的下边缘，且两个L型绝缘刻槽中填设有相同光敏材料。无光照时，光敏材料表现出高介电常数可以增强纳米沟道4的场效应进而形成静态畴；有光照时，光敏材料表现出低介电常数，无法增强纳米沟道4中的场效应形成静态畴。所述输入电极1、输出电极3均相对于所述绝缘刻槽2间的纳米沟道垂直，使得二维半导体导电层中的电子传输只能借助两个L型绝缘刻槽之间形成的纳米沟道4。

在一实施例中，所述基于静态畴的光控开关所采用的特征参数如下：所述光控开关正视图的宽度为1610nm，长度为440nm；两个绝缘刻槽的大小相同，其长度为1000nm，深度为300nm且填充有相同光敏材料；两个绝缘刻槽之间形成的纳米沟道的长度为1000nm，宽度为30nm；正视图中，各L型绝缘刻槽的左端距离输入电极110nm，距离右端输出电极500nm；InGaAs基底层5的厚度为425nm，AlGaAs覆盖层7的厚度为55nm。

为了验证光照因素对光控开关中光敏材料的影响，申请人进行了如下实验：

无光照时，在所述光控开关的右端施加从0V到3V的阶跃电压，所述光控开关正视图中的归一化电子浓度分布如图3所示。从图3可以看出，纳米沟道中可以形成畴，并且该畴随着时间的推移是不变的，验证了本装置获得的畴是静态的。有光照时，在所述光控开关的右端施加从0V到3V的阶跃电压，器件中的归一化电子浓度分布如图4所示。从图4可以看出，纳米沟道中没有形成畴。上述实验证明了所述光控开关在有光照和无光照环境下呈两种不同的状态，其仅在无光照条件下产生静态畴。

为了验证所述基于静态畴的光控开关的电流电压特性，申请人进行了如下实验：

无光照时，在所述光控开关的右端施加从0V到3V的阶跃电压，所述光控开关的输出电流随所加电压的变化曲线如图5中的无光照曲线所示。由图5无光照曲线可知，当所述光控开关右端偏压处于0V-0.6V时，随着所述光控开关右端施加偏压的增加，所述光控开关的输出电流与所加偏压成线性关系，该现象与欧姆定律相吻合；当所述光控开关右端偏压继续增加至0.6V-1.4V时，随着电压的增加，输出电流不断减小，其原因为：当外加电压增大至超过阈值电压时，导带中的电子由主能谷跃迁至低能谷，电子的有效质量变大，电子迁移率变低，出现静态畴，最终宏观上表现为：所述光控开关随着施加偏压的增加，输出电流减小；当所述光控开关右端偏压继续增大，电压处于1.4V-3V时，随着施加偏压的增加，此时几乎全部的电子都从主能谷转移到了次能谷，所述光控开关输出电流虽然以微小的幅度上升但仍保持在幅值较低水平。可见，上述在无光照条件下进行的实验证实了：在无光照条件下，所述光控开关将在右端偏压超过阈值时将出现静态畴，从而使输出电流大幅降低，使得所述光控开关在电压足够大时宏观上处于有效的关闭状态。

有光照时，在所述光控开关的右端施加从0V到3V的阶跃电压，所述光控开关的输出电流随所加电压的变化曲线如图5中的有光照曲线所示。由图5有光照曲线可知，当所述光控开关右端偏压处于0V-0.6V时，随着所述光控开关右端施加偏压的增加，所述光控开关的输出电流与所加偏压成线性关系，该现象与欧姆定律相吻合；当器件右端偏压继续增加至0.6V-3V时，由于光照射在光敏材料上，使得光敏材料的电介质常数变小无法在沟道中形成强的场效应，无法在纳米沟道中形成静态畴，因此，所述光控开关的输出电流不会如同无光照曲线一样呈下降趋势，而是保持在较高幅值，使所述光控开关呈开启状态；当所述光控开关右端偏压处于1.4V左右时，所述光控开关的输出电流仍保持在较高幅值，所述光控开关仍然呈开启状态。可见，上述在有光照条件下进行的实验证实了：在有光照条件下，所述光控开关随着右端偏压升高始终保持较高的输出电流幅值，使得所述光控开关在电压足够大时宏观上处于有效的开启状态。

相对于现有技术，本发明中基于静态畴的光控开关，结构简单、工作性能稳定且可在常温下工作。包括两端的电极，其通过在二维半导体导电层平面上设置两个填充有光敏材料的绝缘刻槽，并在绝缘刻槽间形成纳米沟道实现了在无光照时，所述光控开关在强电场下处于闭合状态；当外加光照时，所述光控开关在强电场下处于开启状态，令所述光控开关能够通过间隔改变光照条件来高频地在电流导通状态与电流关闭状态间切换。同时，由于所述光控开关的结构在微纳米量级，因此其能与单片微波集成电路(MMICs)实现无缝连接。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：包括由下至上顺次设置的绝缘衬底层、二维半导体导电层和绝缘保护层；所述二维半导体导电层上设有两个绝缘刻槽，且所述二维半导体导电层两侧还分别沿边缘方向设有输入电极和输出电极；所述绝缘刻槽中填充有光敏材料，两个绝缘刻槽之间形成纳米沟道；所述纳米沟道与输入电极、输出电极分别垂直。

2.根据权利要求1所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述输入电极与所述输出电极的长度均小于二维半导体导电层的宽度，所述纳米沟道的长度小于所述二维半导体导电层的长度。

3.根据权利要求1所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述光敏材料在有光照时电介质常数变小，无光照时介电常数变大。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述绝缘刻槽均为L型，两个绝缘刻槽沿所述二维半导体导电层平面的对称轴轴对称且背向设置；两个L型绝缘刻槽的短边分别延伸至二维半导体层的相对两侧边界，L型绝缘刻槽的长边均不接触二维半导体层的边界。

5.根据权利要求1所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述纳米沟道的宽度为25-55nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述二维半导体导电层为AlGaAs/InGaAs异质结，其包括从下往上顺次设置的InGaAs基底层、AlGaAs/InGaAs异质界面上的二维电子气层和AlGaAs覆盖层。

7.根据权利要求1所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述双L型绝缘刻槽的深度≥300nm。

8.根据权利要求6所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述InGaAs基底层的厚度为425nm，所述AlGaAs覆盖层的厚度约为55nm。

9.根据权利要求1所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述开关器件的长度为1-2μm，宽度为420-480nm。

10.根据权利要求3所述的一种基于静态畴的光控开关，其特征在于：所述光敏材料为Si、CdS、ZnS、CdSe、InSb、GeZn、GeCu、GeAg中的一种。

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