CN113314835A - 固态等离体子天线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种固态等离子体天线及其制备方法，属于固态等离体子天线技术领域，其可至少部分解决现有的等离子体天线中的SPIN单元的载流子浓度较低的问题。本发明的固态等离子体天线，包括：衬底基板；设置在衬底基板上的至少一个SPIN单元；其中，所述SPIN单元包括设置在所述衬底基板上的P型半导体区、设置在所述衬底基板上的N型半导体区、设置在所述衬底基板上的本征半导体区；所述P型半导体区、所述N型半导体区、所述本征半导体区同层设置，且所述本征半导体区的载流子浓度大于1018cm‑3。
Description
技术领域
本发明属于固态等离体子天线技术领域，具体涉及一种SPIN单元及其制备方法、固态等离体子天线。
背景技术
传统金属材料制备的天线结构决定了天线的工作模式，其方向图、频率等天线参数均不能改变，不能在更大的范围内得到应用。
固态等离子体天线具有可重构、可隐身等优点，在军用通信等领域赢得关注。相比气态等离子体，固态等离子体浓度更高，可实现更高频率的天线响应。
SPIN单元是构成固态等离子体天线的最基本单元，也是最基本的辐射单元。目前，国内外应用于等离子体天线的SPIN单元主要集中在硅基，受材料和工艺限制，性能相比金属天线还有较大差距，限制了其实际应用范围。
发明内容
本发明至少部分解决现有的等离子体天线的SPIN单元的载流子浓度较低的问题，提供一种载流子浓度更高的固态等离子体天线。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种固态等离子体天线，包括：
衬底基板；
设置在衬底基板上的至少一个SPIN单元；其中，
所述SPIN单元包括设置在所述衬底基板上的P型半导体区、设置在所述衬底基板上的N型半导体区、设置在所述衬底基板上的本征半导体区；
所述P型半导体区、所述N型半导体区、所述本征半导体区同层设置，且所述本征半导体区的载流子浓度大于1018cm-3。
可选的，每个所述SPIN单元还包括与所述P型半导体区电连接的第一电极，以及与所述N型半导体区电连接的第二电极；
所述第一电极在所述衬底基板上的正投影不大于所述P型半导体区在所述衬底基板上的正投影，所述第二电极在所述衬底基板上的正投影不大于所述N型半导体区在所述衬底基板上的正投影。
可选的，所述第一电极在所述衬底基板上的正投影与所述P型半导体区在所述衬底基板上的正投影重合，所述第二电极在所述衬底基板上的正投影与所述N型半导体区在所述衬底基板上的正投影重合。
可选的，所述衬底基板包括玻璃基板或柔性基板。
进一步可选的，所述SPIN单元包括基质层，至少所述本征半导体区由所述基质层掺杂形成；
所述基质层的材料包括GaN、SiGe、InP中的至少一者。
可选的，多个所述SPIN单元沿直线设置构成一个天线臂，所述天线臂中，相邻的两个SPIN单元间设置有绝缘结构。
进一步可选的，所述天线臂的数量为两个，两个天线臂分别位于馈电点的两侧，且两个所述天线臂中，最接近所述馈电点的所述SPIN单元的第一电极电连接。
可选的，所述每个SPIN单元的所述第一电极与所述第二电极均与控制单元电连接，所述控制单元用于向所述SPIN单元施加偏压信号。
解决本发明技术问题所采用的另一技术方案是一种固态等离子体天线的制备方法，用于制备上述任意一种固态等离子体天线；所述制备方法包括：在衬底基板上形成至少一个SPIN单元；其中，形成所述SPIN单元的步骤包括：
在所述衬底基板上形成基质层；
对所述基质层进行掺杂，以形成所述P型半导体区、N型半导体区和本征半导体区。
可选的，所述在衬底基板上形成基质层的步骤包括：
提供形成有所述基质层的晶圆；
通过转移技术将所述基质层从所述晶圆上剥离，并转移至所述衬底基板。
可选的，所述在衬底基板上形成基质层的步骤包括：
通过成膜工艺在所述衬底基板上形成基质膜层；
通过刻蚀工艺对所述基质膜层进行处理，以形成基质层。
可选的，所述成膜工艺包括：化学气相沉积工艺或者外延生长工艺。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的实施例的固态等离子体天线中一种SPIN单元的结构示意图；
图2为本发明的实施例的固态等离子体天线中另一种SPIN单元的结构示意图；
图3为本发明的实施例的一种固态等离子体天线的结构示意图；
图4为图3中固态等离子体天线的平面结构示意图；
图5为本发明的实施例的一种固态等离子体天线的示意框图；
图6为本发明的实施例的一种固态等离子体天线的制备方法的流程图；
其中，附图标记为：1、衬底基板；2、SPIN单元；21、P型半导体区；22、N型半导体区；23、本征半导体区；24、第一电极；25、第二电极。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明实施例提供一种固态等离子体天线，包括：衬底基板1，以及设置在衬底基板1上的至少一个SPIN单元2；其中，SPIN单元2包括设置在衬底基板1上的P型半导体区21、设置在衬底基板1上的N型半导体区22、设置在衬底基板1上的本征半导体区23；P型半导体区21、N型半导体区22、本征半导体区23同层设置，且本征半导体区23的载流子浓度大于1018cm-3。
固态等离子体天线，基于高浓度的等离子体区域形成辐射结构，并通过其中带电粒子与外加变电磁场之间的耦合实现对信号的传输、以及收发的功能。
SPIN单元2是构成固态等离子体天线的最基本单元，也是最基本的辐射单元，其主要作用是提供能够与入射电磁波发生相互耦合作用的固态等离子体。
参照图1至图5所示，本实施例提供的固态等离子体天线中，P型半导体区21、N型半导体区22、本征半导体区23同层设置，且P型半导体区21和N型半导体区22分别位于基质层的两端，本征半导体区23位于二者之间。其中，P型半导体区21和N型半导体区22均属于重掺杂，本征半导体区23为低掺杂，可视为本征半导体区23。大部分本征半导体区23暴露在空气中。P型半导体区21和N型半导体区22相对于本征半导体区23掺杂浓度较高，以使本征半导体区23能够有足够高的载流子注入，形成固态等离子体。
为了增大电磁波与固态等离子体的接触面积，故将SPIN单元2设置为横向结构。具体的，通过向SPIN单元2施加电场，使高浓度的掺杂区载流子向本征半导体区23扩散，本征半导体区23中载流子浓度增加，电导率增大，形成固态等离子体。载流子浓度足够高时，等离子体具有类金属性，使固态等离子体天线能够有效地实现对电磁波的耦合输入和输出，从而作为天线单元实现信号的辐射和接收。在等离子体消失时，天线结构消失，从而可以实现隐身的目的。
等离子体天线中的SPIN单元2应满足以下要求：本征半导体区23应足够大，以产生有效的等离子体区域用于辐射，同时SPIN单元2在不工作时天线结构消失；本征半导体区23内载流子浓度应达到足够高，以产生能够比肩金属的辐射性能。基于此，SPIN单元2需工作在大注入条件下，从而在外加正向偏压作用时，本征半导体区23能够产生足够量的载流子，以会形成具有较高电导率的固态等离子体，进而能够与入射的电磁波发生相互耦合作用，可以实现电磁波的接收、传输以及发射等，具有可媲美金属天线的天线功能。反之，当SPIN单元2不处于正向偏置的工作状态时，本征半导体区23的载流子浓度很低，此时，SPIN单元2相当于高电阻率的半导体，具有良好的信号隔离功能，从而能够实现隐身。
为了使天线具有传输多种频率电磁波，特别是高频电磁波的能力，需要使固态等离子天线的等离子体频率ωp足够大，相应地就需要足够高的半导体载流子浓度。而现有技术中常见的硅基的SPIN单元2并不能能够满足此需求。本实施例提供的SPIN单元2中，本征半导体区23的载流子浓度大于1018cm-3，相较于现有技术中惯用的硅基SPIN二极管，具有更高浓度的载流子浓度，从而能够提高天线的等离体子浓度和响应频率。
在一些实施例中，每个SPIN单元2还包括与P型半导体区21电连接的第一电极24，以及与N型半导体区22电连接的第二电极25；第一电极24在衬底基板1上的正投影不大于P型半导体区21在衬底基板1上的正投影，第二电极25在衬底基板1上的正投影不大于N型半导体区22在衬底基板1上的正投影。参照图1至4所示，第一电极24可直接设置在P型半导体区21背离衬底基板1的表面，也即设置在P型半导体区21的上表面；第二电极25可直接设置在N型半导体区22背离衬底基板1的表面，也即设置在N型半导体区22的上表面。通过上述设置方式，能够便于SPIN单元2的制备。具体的，当第一电极24在衬底基板1上的正投影不大于P型半导体区21在衬底基板1上的正投影，第二电极25在衬底基板1上的正投影不大于N型半导体区22在衬底基板1上的正投影时，可通过一次掩膜工艺依次形成SPIN单元2的半导体区(P型半导体区21、N型半导体区22)和电极(第一电极24、第二电极25)，从而可简化工艺步骤，降低工艺难度，节省制备成本。可选的，第一电极24和第二电极25可为金属电极。
进一步的，在一些实施例中，第一电极24在衬底基板1上的正投影与P型半导体区21在衬底基板1上的正投影重合，第二电极25在衬底基板1上的正投影与N型半导体区22在衬底基板1上的正投影重合。
在一些实施例中，每个SPIN单元2的第一电极24与第二电极25均与控制单元电连接，控制单元用于向SPIN单元2施加偏压信号。每个SPIN单元2的第一电极24与第二电极25可通过偏置线与控制单元电连接，控制单元通过偏置线向各SPIN施加偏压信号来控制每个SPIN单元2的工作状态，从而使SPIN单元2处于导电或者非导电状态。
在一些实施例中，SPIN单元2包括基质层，至少本征半导体区23由基质层掺杂形成；基质层的材料可包括GaN、SiGe、InP中的至少一者。可以理解的是，在本实施例中，基质层的材料应为半导体材料，以能够通过对P型半导体区21、N型半导体区22等进行掺杂构成PiN二极管。现有技术中，常采用硅材料作为基质层，但是现有的硅基所形成的基质层的载流子浓度并不能满足需求。具本实施例中，选择GaN、SiGe、InP等载流子浓度更高的半导体材料作为基质层，经实验证明，基于这些材料做掺杂形成的SPIN单元2的本征半导体区23的载流子浓度能够达到1018cm-3，也即具有较高的载流子浓度，从而能够形成较高导电率的固态等离子体。
在一些实施例中，衬底基板1包括玻璃衬底或者柔性基板。现有技术中，考虑到材料匹配性等因素，硅基SPIN二极管通常是制作于SOI衬底基板1上，便于制备的同时，可利用SOI硅衬底防止载流子向下(也即基质层靠近衬底基板1的方向)扩散，最大程度将载流子限制在硅晶圆表面内。但是，SOI衬底更适用于硅基PiN二极管的制备，对其它半导体材质的PiN二极管的制备并无优势，且制备成本较高，应用场景具有一定的局限性。本实施例提供的SPIN单元2中，其基质层可不再是硅基，而是将衬底基板1替换成玻璃，柔性衬底基板1等材质。具体的，本实施例提供的固态等离子体天线中，可采用玻璃衬底基板1，将SPIN单元2直接制备在玻璃衬底之上，玻璃基板的成本要远低于SOI衬底，故而本实施例中的固态等离子体天线的成本可相对现有技术大幅度降低。同时，本实施例中，也可采用柔性基板作为固态等离子体的衬底基板1，相对于SOI衬底，柔性基板具有可弯曲、可拉伸等性能，从而能够使固态等离子体天线适用于各种不同的场景，具有更为广泛的应用前景。具体的，柔性基板的材料可包括PET(Polyethylene terephthalate)、COP等。
可以理解的是，SPIN单元2器件的结构参数决定了其的固态等离子体区域的大小和其中载流子的分布，从而决定了等离子体天线的主要性能。具体的，例如，P型半导体区21和N型半导体区22的掺杂深度决定了本征半导体区23中载流子的纵向分布，而其宽度决定了等离子体区域的尺寸。而为了满足固态等离子体天线的相关性能，可结合实际情况，例如半导体材料种类、掺杂情况的等对SPIN单元2的具体结构参数进行设计，确定SPIN单元2的几何尺寸、膜厚、掺杂浓度等。
在一些实施例中，多个SPIN单元2沿直线设置构成一个天线臂，天线臂中，相邻的两个SPIN单元2间设置有绝缘结构。也就是说，本实施例中，天线臂中每个SPIN单元2之间彼此独立作为单独的辐射单元。天线臂可通过位于其一端的SPIN单元2的电极与馈电线连接。
本实施例中，天线臂的数量为两个，天线臂的数量为两个，两个天线臂分别位于馈电点的两侧，且两个天线臂中，最接近馈电点3的SPIN单元2的第一电极24电连接。参照图3和图4所示，本实施例中，天线臂的一端侧的一个SPIN单元2的第一电极24与馈电线连接，作为馈电点3。同时。两个天线臂的馈电点3处的SPIN单元2的第一电极24可共用，与馈电线(图中未示出)连接。此时，固态等离子体天线可构成偶极子天线。偶极子天线是一种基本振子天线，其由馈电线提供射频发射信号，或接收空间中的射频信号，馈电线与偶极子天线的两臂分别相互连接。当固态等离子体天线为偶极子天线时，由于单个SPIN单元2的尺寸较小，单个器件可能无法达到要求，此时可通过多个器件间相互连接实现，由多个SPIN单元2相互连接所形成等离子体区域作为该天线的辐射单元。参照图3和图4所示，本实施例中可将天线所有SPIN单元2设计为相同设计参数且器件放置方式同一为PiN的顺序，通过金属连接两个相邻的器件P型半导体区21与N型半导体区22实现等离子体区域的连接。
在一些实施例中，固态等离子体天线也为全息天线。全息天线由源天线和全息结构组成。结合实际需求，选择适当的天线作为源天线，通过加载全息结构来改变馈源的辐射，以获得所需的目标天线的辐射特性，通过给定的电磁波辐射的干涉图进而推算天线结构。全息结构具有灵活的构建形式，便于和应用环境一体设计，应用范围很广泛。当固态等离子体天线为全息天线时，其可包括设置在衬底基板1上的第一天线臂、第二天线臂，以及全息环。其中，第一天线臂和第二天线臂可包括分布在馈源两侧且等长的SPIN单元2串，全息环可包括多个SPIN单元2串。本实施例提供的可重构等离子全息天线的天线臂由SPIN单元2串组成，而SPIN单元2串具有选择性导通的特点，在外部控件的控制下，SPIN单元2串的导通长度可灵活改变，因此天线臂在工作时的有效工作长度也会改变，全息天线的电学特性也会随之变化，天线的工作频率可满足更多的实际需求，从而实现天线的频率重构。在一些实施例中，全息环可为为由六段等长的SPIN单元2串排列形成正六边形结构，其中，第一天线臂和第二天线臂长度之和与正六边形的边长相同。当然，全息环也可为以其它不同的结构，本实施例中不再详述。
参照图6所示，本发明实施例还提供一种固态等离子体天线的制备方法，可用于制备上述任意一种固态等离子体天线。该制备方法可包括以下步骤：
S1、在衬底基板1上形成基质层。
其中，衬底基板1可包括玻璃衬底基板1或者柔性衬底基板1。现有技术中，考虑到材料匹配性等因素，硅基SPIN单元2通常是制作于SOI衬底基板1上，便于制备的同时，可利用SOI硅衬底基板1防止载流子向下(也即基质层靠近衬底基板1的方向)扩散，最大程度将载流子限制在硅晶圆表面内。但是，SOI衬底基板1更适用于硅基PiN二极管的制备，对其它半导体材质的PiN二极管的制备并无优势，且制备成本较高，应用场景具有一定的局限性。本实施例中，SPIN单元2的基质层可不再是硅基，而是将衬底基板1替换成玻璃，柔性衬底基板1等材质。具体的，本实施例提供的固态等离子体天线中，可采用玻璃衬底基板1，将SPIN单元2制备在玻璃衬底基板1之上。由于玻璃基板的成本要远低于SOI衬底基板1，故而本实施例中的固态等离子体天线的成本可相对现有技术大幅度降低。同时，本实施例中，也可采用柔性基板作为固态等离子体的衬底基板1，相对于SOI衬底基板1，柔性基板具有可弯曲、可拉伸等性能，从而能够使固态等离子体天线适用于各种不同的场景，具有更为广泛的应用前景。
具体的，在一些实施例中，步骤S1可包括：提供形成有基质层的晶圆；通过转移技术将基质层从晶圆上剥离，并转移至衬底基板1。也就是说，本实施例中，可通过转移技术制备SPIN单元2器件，具体的，可采用离子刀等技术将所需的半导体材料从晶圆剥离，并转移至相应的衬底基板1上，从而在衬底基板1上形成基质层。
或者，在一些实施例中，步骤S1可包括：对衬底基板1进行有效通过成膜工艺在衬底基板1上形成基质膜层；通过刻蚀工艺对基质膜层进行处理，以形成基质层。通过先形成整层膜层，再刻蚀行测好难过相应基质层的技术方案，能够一次形成多个基质层，从而可以实现大面积低成本制备。其中，成膜工艺包括：化学气相沉积工艺或者外延生长工艺，例如，可通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition；等离子体增强化学气相沉积)直接在衬底基板1上形成SiGe膜层。
S2、对基质层进行掺杂，以形成P型半导体区21、N型半导体区22和本征半导体区23。
具体的，本步骤中，可对基质层的上表面(也即远离衬底基板1的表面)的各对应区域进行离子注入(例如带胶离子注入)，以形成P型半导体区21、N型半导体区22和本征半导体区23。
可选的，在一些实施例中，在衬底基板1上形成基质层之前，还可包括：S0、对衬底基板1进行清洗的步骤，具体工艺可参考相关现有技术，本实施例中对此不再详述。
可选的，在一些实施例中，还可包括S3、在P型半导体区21和N型半导体区22的上表面分别形成第一电极24和第二电极25。具体的，本步骤中，通过在形成有SPIN单元2的衬底基板1上通过溅射等工艺形成金属导电膜层，之后通过刻蚀工艺形成第一电极24、第二电极25。
本实施例中，上述各种工艺参数均为举例说明，依据本领域技术人员的常规技术手段所做的变换均为本申请的保护范围。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (12)
1.一种固态等离子体天线，包括：
衬底基板；
设置在衬底基板上的至少一个SPIN单元；其中，
所述SPIN单元包括设置在所述衬底基板上的P型半导体区、设置在所述衬底基板上的N型半导体区、设置在所述衬底基板上的本征半导体区；
所述P型半导体区、所述N型半导体区、所述本征半导体区同层设置，且所述本征半导体区的载流子浓度大于1018cm-3。
2.根据权利要求1所述的固态等离子体天线，其中，每个所述SPIN单元还包括与所述P型半导体区电连接的第一电极，以及与所述N型半导体区电连接的第二电极；
所述第一电极在所述衬底基板上的正投影不大于所述P型半导体区在所述衬底基板上的正投影，所述第二电极在所述衬底基板上的正投影不大于所述N型半导体区在所述衬底基板上的正投影。
3.根据权利要求2所述的固态等离子体天线，其中，所述第一电极在所述衬底基板上的正投影与所述P型半导体区在所述衬底基板上的正投影重合，所述第二电极在所述衬底基板上的正投影与所述N型半导体区在所述衬底基板上的正投影重合。
4.根据权利要求1所述的固态等离子体天线，其中，所述衬底基板包括玻璃基板或柔性基板。
5.根据权利要求4所述的固态等离子体天线，其中，所述SPIN单元包括基质层，至少所述本征半导体区由所述基质层掺杂形成；
所述基质层的材料包括GaN、SiGe、InP中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的固态等离子体天线，其中，多个所述SPIN单元沿直线设置构成一个天线臂，所述天线臂中，相邻的两个SPIN单元间设置有绝缘结构。
7.根据权利要求6所述的固态等离子体天线，其中，所述天线臂的数量为两个，两个天线臂分别位于馈电点的两侧，且两个所述天线臂中，最接近所述馈电点的所述SPIN单元的第一电极电连接。
8.根据权利要求1所述的固态等离子体天线，其中，每个SPIN单元的述第一电极与第二电极均与控制单元电连接，所述控制单元用于向所述SPIN单元施加偏压信号。
9.一种固态等离子体天线的制备方法，用于制备权利要求1至8中任意一项所述的固态等离子体天线；所述制备方法包括：在衬底基板上形成至少一个SPIN单元；其中，形成所述SPIN单元的步骤包括：
在所述衬底基板上形成基质层；
对所述基质层进行掺杂，以形成所述P型半导体区、N型半导体区和本征半导体区。
10.根据权利要求9所述的固态等离子体天线的制备方法，其中，所述在衬底基板上形成基质层的步骤包括：
提供形成有所述基质层的晶圆；
通过转移技术将所述基质层从所述晶圆上剥离，并转移至所述衬底基板。
11.根据权利要求9所述的固态等离子体天线的制备方法，其中，所述在衬底基板上形成基质层的步骤包括：
通过成膜工艺在所述衬底基板上形成基质膜层；
通过刻蚀工艺对所述基质膜层进行处理，以形成基质层。
12.根据权利要求11所述的固态等离子体天线的制备方法，其中，所述成膜工艺包括：化学气相沉积工艺或者外延生长工艺。
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