CN113904202A - 基于周期排化ds效应的太赫兹源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于周期排化DS效应的太赫兹源，源极和漏极均为由N个金属电极构成的周期光栅结构，且各自的N个金属电极分别通过一个金属电极板与异质结进行欧姆接触，源极的金属电极和漏极的金属电极交叉排列，栅极包括2N‑1个与异质结作肖特基接触的金属电极，每个栅极金属电极分别位于源极的金属电极和漏极的金属电极交叉排列形成的每个间隙中，从而得到了源极、栅极、漏极三者交替周期排列形成的光栅结构。本发明采用源极、栅极、漏极三者交替周期排列形成的光栅结构，增加短沟道效应单元的数量，同时保证每个单元的DS效应辐射效果，从而提升太赫兹波辐射的功率。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹源技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于周期排化DS效应的太赫兹源。
背景技术
太赫兹波是电磁波当中的一个频段，与微波及红外波皆有重合部分，并且他们彼此之间共享某些特性，其频段处于0.1-10THz(1THz＝1012Hz)，其产生和处理技术处于起步阶段，是全世界科学家竞相研究的课题。太赫兹波不仅是宏观经典理论之于微观量子理论的桥梁，也是电子学之于光子学的桥梁，是充满希望的波段。正因如此，也成为了世界科学家口中的“Terahertz Gap(太赫兹空隙)”。太赫兹波可应用在多种领域，如太赫兹成像技术、太赫兹通信技术等，而应用太赫兹波的前提是有产生太赫兹波的波源。
图1是现有的太赫兹源结构图。如图1所示，现有的太赫兹源有两种典型结构，图1(a)为单栅极、源漏采用周期光栅的异质结结构，此种结构实际上是单栅结构，所以辐射功率有限。图1(b)为栅极是光栅结构、源漏极为单极异质结结构，图1(c)为栅极是交叉型、源漏极为非光栅的异质结结构，在这两种结构中，虽然栅极是周期化，但是源漏极位于所有栅极的两端，因此每一个栅极不严格满足DS效应的边界条件要求，即每一个栅极两端都是非对称的边界条件，因此，辐射功率都不大。
综上，现有的太赫兹源多数功率较小，只能达到数十μW，导致应用范围有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于周期排化DS(Dyakonov-Shur)效应的太赫兹源，采用源极、栅极、漏极三者交替周期排列形成的光栅结构，增加短沟道效应单元的数量，同时保证每个单元的DS效应辐射效果，从而提升太赫兹波辐射的功率。
为实现上述发明目的，本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源包括源极、漏极、栅极和异质结，源极和漏极均为由N个金属电极构成的周期光栅结构，且各自的N个金属电极分别通过一个金属电极板与异质结进行欧姆接触，源极的金属电极和漏极的金属电极交叉排列，栅极包括2N-1个与异质结作肖特基接触的金属电极，每个栅极金属电极分别位于源极的金属电极和漏极的金属电极交叉排列形成的每个间隙中。
进一步地，所述栅极的2N-1个金属电极平行排列为周期结构，整个太赫兹源为耗尽型晶体管。
进一步地，所述栅极的2N-1个金属电极由附加金属电极连接形成S型结构，S型结构的两端连接栅压，整个太赫兹源为增强型晶体管。
进一步地，所述栅极中单个金属电极的栅长为100nm-300nm。
本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源，源极和漏极均为由N个金属电极构成的周期光栅结构，且各自的N个金属电极分别通过一个金属电极板与异质结进行欧姆接触，源极的金属电极和漏极的金属电极交叉排列，栅极包括2N-1个与异质结作肖特基接触的金属电极，每个栅极金属电极分别位于源极的金属电极和漏极的金属电极交叉排列形成的每个间隙中，从而得到了源极、栅极、漏极三者交替周期排列形成的光栅结构。
本发明实现了单元结构周期化，使得短沟道效应单元的数量增加，并且严格保证了单个栅极的邻近位置总有一个源极和漏极，进而保证了每个单元结构中二维电子气两端的非对称边界，从而大大提升辐射功率。
附图说明
图1是现有的太赫兹源结构图；
图2是本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源的第一种具体实施方式结构图；
图3是本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源的第二种具体实施方式结构图；
图4是本实施例中基于周期排化DS效应的太赫兹源的结构图；
图5是图4中所示太赫兹源中DS效应单元结构辐射场的仿真图；
图6是图4所示太赫兹源的功率随异质结中二维电子气漂移速度的变化曲线图；
图7是图4所示太赫兹源的辐射频率和功率随栅长的变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图2是本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源的第一种具体实施方式结构图。如图2所示，本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源的第一种具体实施方式包括源极1、漏极2、栅极3和异质结4，其中源极1和漏极2均为由N个金属电极11、21构成的周期光栅结构，且各自的N个金属电极11、21分别通过一个金属电极板12、22与异质结4进行欧姆接触，源极1的金属电极11和漏极2的金属电极21交叉排列，栅极3包含2N-1个与异质结4作肖特基接触的金属电极31，每个栅极金属电极31分别位于源极1的金属电极11和漏极2的金属电极21交叉排列形成的每个间隙中。图2中栅极3的2N-1个金属电极31平行排列为周期结构，这种分布情况使得工程上一般无法加栅压，除非采用背栅式结构，但是这种方式加工难度较大。因此本实施例中在栅极3为周期结构时，令整个太赫兹源为耗尽型晶体管，使栅极下方的沟道在不需要加栅压的情况下也是开启的，在零偏压下存在二维电子气，尽可能达到等离子体波辐射的最佳状态。
图3是本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源的第二种具体实施方式结构图。如图3所示，本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源的第二种具体实施方式与图2第一种具体实施方式的区别在于，栅极3的2N-1个金属电极31由附加金属电极32连接形成S型结构，S型结构的两端连接栅压，整个太赫兹源为增强型晶体管。
根据以上描述可知，本发明基于周期排化DS效应的太赫兹源中每一个源极金属电极和漏极金属电极之间都有一个栅极，由于源极接电压源、漏极接电流源，因此可以保证每一个栅极的下方的二维电子气满足非对称的边界，从而严格构成一个DS效应单元。与现有太赫兹源相比，本发明可以增加短沟道效应单元的数量，同时保证了每个单元的DS效应辐射效果，从而提升太赫兹波辐射的功率。
由于二维电子气位于栅极的下方，本发明栅极中单个金属电极的栅长优选为100nm-300nm，从而更好地保证短沟道效应。栅极宽度不受限制，一般可以是几百微米到几个毫米。
本发明中所有的源极金属电极、漏极金属电极都分别连接在同一个金属电极板上，因此可以同时给所有的源极加载电压源、所有的漏极加载电流源，保证源漏相同的偏压，尽可能使每一个单元结构同步工作。
在本发明中，调节太赫兹源的频率可以通过改变栅极的长度，以及二维电子气浓度来控制。周期的大小会决定辐射的角度，根据Smith-Purcell辐射公式
其中λ表示辐射波长，D表示光栅周期，m表示辐射空间谐波数，β在这里表示等离子体波速s与光速之比，θ表示辐射方向与等离子体波速度方向的夹角，取m＝-1，
此时辐射垂直与场效应晶体管表面，得到光栅周期D和频率f的关系
依照这一公式可以根据需要辐射出的太赫兹频率计算得出合适的周期，再结合DS效应得出的特征等离子体频率
来求解合适的栅长，其中b表示周期栅极中每一单个栅的栅长，即近似为单个DS效应中对应的二维电子气的长度。
为了更好地说明本发明的技术效果，采用一个具体实例对本发明进行实验验证。图4是本实施例中基于周期排化DS效应的太赫兹源的结构图。如图4所示，本实施例中基于周期排化DS效应的太赫兹源采用第一种具体实施方式，以蓝宝石作为衬底，在上方外延生长GaN/AlGaN。采用光刻方式加工栅极、源极、漏极。栅极中单个金属电极的栅长b＝200nm，栅极的宽度W＝600μm，周期D＝0.8μm，源极长度1000nm，漏极长度1000nm，源漏之间的距离为220nm，源漏极的金属电极长度都为0.2μm，100个周期。为实现耗尽型晶体管结构，需要在栅与沟道之间的隔离氧化层中注入大量的正离子，这些正离子的存在使得即便没有外加电压也会形成电场，吸引衬底当中的负离子形成导通沟道。所有的源极金属电极连接到同一金属电极板上，接直流电压源。所有的漏极金属电极连接到同一金属电极板上，接直流电流源。调节电子速度v0＝2*105m/s，弛豫时间为1*10-12s，电子的初始密度n0＝1*1017。
图5是图4中所示太赫兹源中DS效应单元结构辐射场的仿真图。如图5所示，该图是对图4所示结构中一个周期(具有DS效应的单个基本单元)进行的仿真。也就是单个单元具有一个源、一个漏、一个栅，从而构建出一段长度的二维电子气，通过在源端加直流电压源，漏端加直流电流源，从而构造非对称的边界条件，实现DS效应的产生。仿真给出了单个DS效应仿真得到的辐射，该图是形成的电场等位分布图，可以看出在远区等效于一个电偶极子振荡产生的电磁辐射。
由于本发明太赫兹源的结构设计依据了短沟道效应，影响太赫兹源功率的因素主要包括二维电子气的漂移速度和栅长。图6是图4所示太赫兹源的功率随异质结中二维电子气漂移速度的变化曲线图。图7是图4所示太赫兹源的辐射频率和功率随栅长的变化曲线图。如图6和图7可知，本发明太赫兹源的功率可达到mW级，较现有的太赫兹源的功率可提升两个数量级。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种基于周期排化DS效应的太赫兹源，包括源极、漏极、栅极和异质结，其特征在于：
所述源极和漏极均为由N个金属电极构成的周期光栅结构，且各自的N个金属电极分别通过一个金属电极板与异质结进行欧姆接触，源极的金属电极和漏极的金属电极交叉排列，栅极包括2N-1个与异质结作肖特基接触的金属电极，每个栅极金属电极分别位于源极的金属电极和漏极的金属电极交叉排列形成的每个间隙中。
2.根据权利要求1所述的太赫兹源，其特征在于，所述栅极的2N-1个金属电极平行排列为周期结构，整个太赫兹源为耗尽型晶体管。
3.根据权利要求1所述的太赫兹源，其特征在于，所述栅极的2N-1个金属电极由附加金属电极连接形成S型结构，S型结构的两端连接栅压，整个太赫兹源为增强型晶体管。
4.根据权利要求1所述的太赫兹源，其特征在于，所述栅极中单个金属电极的栅长为100nm-300nm。
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