CN209641619U - 一种电子束器件 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种电子束器件，包括：半导体衬底以及半导体衬底表面的GaN/AlGaN复合层，GaN/AlGaN复合层的一端设有阴极，GaN/AlGaN复合层的另一端设有阳极，阴极和阳极之间设有调制输入端和调制输出端。由于GaN/AlGaN复合层是由排列整齐的晶格原子构成的半导体材料，在阳极和阴极之间施加电压偏置时，GaN/AlGaN复合层的异质结界面处的电子束流穿行于这些晶格原子中，其漂移速度将会受到极大的限制，因此，该电子束流在一个时间周期内的运行距离就相应地减小了，这样，可以大大地缩小电子束器件的尺寸，实现电子束器件的微型化，解决了传统电子束器件尺寸过大的问题。
Description
技术领域
本公开涉及电子技术领域，具体地，涉及一种电子束器件。
背景技术
早期的电子技术均依赖于电子管，电子管由一个电子枪和若干控制电极构成，所有部件封装在一个真空的玻璃管中。工作时，在电子管两端施加特定的电压偏置，令电子管的阴极发出电子束，在附近的加速极电压的牵引下，形成电子束流（亦称电子注），该电子束流在真空中行进，最终到达电子管的阳极，并且在外电路回路中形成电流。
以速调电子管为例，上述的电子束流在其行进的路程上，可以接收阴极附近、通过狭隙耦合进来的微波信号进行调制。由于电子束具有群聚的特性，因此可以对电子束进行速度调制，经漂移后再转变成为密度调制。当群聚的电子束行进体与输出腔狭隙相遇时，电子束通过该狭隙将动能转换给输出腔微波场，完成微波振荡或放大。
从电特性看，传统电真空管的调制特性，线性度等指标都是很好的，主要的问题在于尺寸比较大，耗电量也大。以全部由电真空管组成的世界上第一台计算机ENIAC为例，ENIAC是一个庞然大物，使用了18000多只电真空管，1500个继电器，功率140千瓦，重量30吨，占地约170平方米，运算速度只有每秒5000次。
电真空管占据较大的尺寸、空间的原因主要是因为在真空玻璃管中，电子束的行进速度非常快。以电子束速度为光速的1/10，也就是3×107m/s进行估算，令微波频率为1GHz，也就是一个周期时间为10-9s，则一个周期电子束行进距离为3cm，所以传统的电真空管，通常都是几cm或者十几cm的量级。
实用新型内容
为克服上述问题，本公开的目的是提供一种电子束器件。
为了实现上述目的，根据本公开实施例的第一方面，提供一种电子束器件，包括：半导体衬底以及所述半导体衬底表面的GaN/AlGaN复合层，所述GaN/AlGaN复合层的一端设有阴极，所述GaN/AlGaN复合层的另一端设有阳极，所述阴极和所述阳极之间设有调制输入端和调制输出端。
可选地，所述GaN/AlGaN复合层的表面设有绝缘层，所述调制输入端和所述调制输出端包括：在分别距离所述阴极和所述阳极为预设距离的绝缘层上开设的窗口，以及在所述窗口内沉积的金属层，其中，所述金属层与所述GaN/AlGaN复合层形成金属-半导体接触。
可选地，所述GaN/AlGaN复合层的表面设有绝缘层，所述调制输入端和所述调制输出端包括：在分别距离所述阴极和所述阳极为预设距离的绝缘层上开设的窗口、所述窗口内沉积的栅介质层以及所述栅介质层上沉积的金属层，其中，所述窗口的底部延伸至所述GaN/AlGaN复合层中。
可选地，所述调制输入端、所述调制输出端包括一个或者多个。
可选地，所述GaN/AlGaN复合层是由一个或者多个GaN层，以及一个或者多个AlGaN层组成的复合层，其中，所述GaN层的厚度为10～2000纳米，所述AlGaN层的厚度为1～50纳米，所述阳极和所述阴极之间的距离为1微米～300毫米。
可选地，所述绝缘层包括Si3N4绝缘层，所述窗口的宽度为0.5～50微米，所述预设距离为1～50微米。
可选地，所述栅介质层为SiO2层，所述SiO2层的厚度为1～500纳米。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种电子束器件，包括第一电子束器件和第二电子束器件，所述第一电子束器件和所述第二电子束器件包括本公开实施例第一方面所述的电子束器件，所述第一电子束器件和所述第二电子束器件为同一半导体衬底，所述第一电子束器件的调制输出端和所述第二电子束器件的调制输入端连接。
通过上述技术方案，该电子束器件包括：半导体衬底以及该半导体衬底表面的GaN/AlGaN复合层，该GaN/AlGaN复合层的一端设有阴极，该GaN/AlGaN复合层的另一端设有阳极，该阴极和该阳极之间设有调制输入端和调制输出端。
在GaN/AlGaN复合层的异质结界面处，由于自发极化和压电极化，将会产生高密度的正的净束缚电荷，这些正电荷将会吸引负电荷，使得在异质结界面处形成面密度很高的二维电子气。在阴极和阳极之间施加电压偏置时，该二维电子气就形成了从阴极向阳极的定向漂移运动。由于GaN/AlGaN复合层是由排列整齐的晶格原子构成的半导体材料，电子束流穿行于这些晶格原子时，其漂移速度将会受到极大的限制，因此，该电子束流在一个时间周期内的运行距离就相应地减小了，这样，可以大大地缩小电子束器件的尺寸，实现电子束器件的微型化，解决了传统的电真空管尺寸过大的问题。同时，通过调制输入端引入外部电信号，可对电子束器件内的电子束流进行调制。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，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公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的一种电子束器件的结构示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的另一种电子束器件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
为解决传统电子束器件尺寸过大的问题，本公开提供一种电子束器件，在GaN/AlGaN复合层的异质结界面处，由于自发极化和压电极化，将会产生高密度的正的净束缚电荷，这些正电荷将会吸引负电荷，使得在异质结界面处形成面密度很高的二维电子气。在阴极和阳极之间施加电压偏置时，该二维电子气就形成了从阴极向阳极的定向漂移运动。由于GaN/AlGaN复合层是由排列整齐的晶格原子构成的半导体材料，电子束流穿行于这些晶格原子时，其漂移速度将会受到极大的限制，因此，该电子束流在一个时间周期内的运行距离就相应地减小了，这样，可以大大地缩小电子束器件的尺寸，实现电子束器件的微型化，解决了传统的电真空管尺寸过大的问题。同时，通过调制输入端引入外部电信号，可对电子束器件内的电子束流进行调制。
下面通过具体的实施例对本公开的内容进行详细的说明。
图1是根据一示例性实施例示出的一种电子束器件的结构示意图，如图1所示，该电子束器件包括：半导体衬底1以及该半导体衬底1表面的GaN/AlGaN复合层，该GaN/AlGaN复合层的一端设有阴极2，该GaN/AlGaN复合层的另一端设有阳极3，该阴极2和该阳极3之间设有调制输入端4和调制输出端5。
在本实施例中，由于自发极化和压电极化，在GaN/AlGaN复合层的异质结界面处产生高密度的正的净束缚电荷，这些正电荷将会吸引负电荷，使得在异质结界面处GaN层的一侧形成面密度很高的二维电子气。在半导体衬底两端的阴极和阳极之间施加电压偏置时，如10V电压，该二维电子气就形了从阴极向阳极的定向漂移运动。由于GaN/AlGaN复合层是由排列整齐的晶格原子构成的半导体材料，电子束流穿行于这些晶格原子时，其漂移速度将会受到极大的限制，如，以漂移速度为1×103m/s进行估算，在一个时间周期10-9s内电子束的行进距离为1微米，由此可见，在一个时间周期内，电子束流的运行距离大大减小了，这样就可以将电子束器件从厘米级的尺寸缩小到微米级的尺寸，实现电子束器件的微型化，解决了传统的电真空管尺寸过大的问题。
其中，GaN/AlGaN复合层为GaN层和AlGaN层组成的复合层，该复合层可以包括一个或者多个AlGaN层，以及一个或者多个GaN层的任意组合，本公开对此不作限制。例如，GaN/AlGaN复合层可包括一个AlGaN层和一个GaN层，其中，AlGaN层可以设置在GaN层的上层，也可以设置在GaN层的下层。
该调制输入端可用于输入调制信号或截止电压，该调制信号用于对电子束器件内的电子束流进行调制，如调制电子束流的运动速度，使电子束流发生群聚。该截止电压可用于切断电子束器件内电子束流的运动。相应地，电子束流经调制信号或者截止电压进行调制后的电信号从该调制输出端输出。
可选地，该GaN层的厚度为10～2000纳米，该AlGaN层的厚度为1～50纳米，该阳极和该阴极之间的距离为1微米～300毫米。其中，在AlGaN层中，AlGaN中Al的组分可为28%。
在图1所示的电子束器件的基础上，本公开提供两种不同结构的调制输入端和调制输出端，分别如示例一和示例二所示。
示例一：
该GaN/AlGaN复合层的表面设有绝缘层，该调制输入端和该调制输出端包括：在分别距离该阴极和该阳极为预设距离的绝缘层上开设的窗口，以及在该窗口内沉积的金属层，其中，该金属层与该GaN/AlGaN复合层形成金属-半导体接触。
其中，该绝缘层包括但不限于Si3N4绝缘层，该窗口的宽度为0.5～50微米，该预设距离为1～50微米。例如，在根据本实施例制作调制输入端和调制输出端时，可分别在距离阴极和阳极为20微米的Si3N4绝缘层上刻蚀掉Si3N4，形成一个0.5微米宽的窗口，窗口内沉积金属层，使得金属层与GaN/AlGaN复合层形成金属-半导体接触，以得到调制输入端和调制输出端。
示例二：
该GaN/AlGaN复合层的表面设有绝缘层，该调制输入端和该调制输出端包括：在分别距离该阴极和该阳极为预设距离的绝缘层上开设的窗口、该窗口内沉积的栅介质层以及该栅介质层上沉积的金属层，其中，该窗口的底部延伸至该GaN/AlGaN复合层中。
其中，该绝缘层包括但不限于Si3N4绝缘层，该栅介质层可包括SiO2层，该SiO2层的厚度为1～500纳米，该预设距离为1～50微米。例如，在根据本实施例制作调制输入端和调制输出端时，可分别在距离阴极和阳极为20微米处刻蚀掉Si3N4，之后继续向下刻蚀至GaN/AlGaN复合层中，形成0.5微米宽的窗口，该窗口内可沉积10纳米厚的SiO2层，SiO2层之上沉积金属层，以得到调制输入端和调制输出端。
需要说明的是，首先，本公开的电子束器件可以包括示例一所述的调制输入端和调制输出端，或者，包括示例二所述的调制输入端和调制输出端。
其次，本公开的电子束器件可包括一个或者多个调制输入端以及一个或者多个调制输出端，其中，该多个调制输入端可根据需求接入不同的外部输入信号，如可用于输入调制信号，每个调制信号可以是相同的，也可以是不同的，使得电子束器件内的电子束流通过多个调制信号共同调制，该调制输入端也可以用于输入截止电压。这样通过多个调制输入端连接多个外部输入，对电子束器件进行多源调制，可使得电子束器件的功能具有多样化。相应地，外部输入信号对电子束流进行调控后，该多个调制输出端可用于选择输出不同的电信号。
例如，该电子束器件可包括2个调制输入端，其中一个调制输入端可设置于距离阴极20微米处，用于输入调制信号，另一个调制输入端可设置于距离阴极25微米处，作为备选的调制输入端，在需要时，该调制输入端可用于输入调制信号，或者用于输入截止电压。
图2是根据一示例性实施例示出的另一种电子束器件的结构示意图，如图2所示，包括第一电子束器件10和第二电子束器件11，该第一电子束器件10和第二电子束器件11包括图1所示的电子束器件，该第一电子束器件10和该第二电子束器件11为同一半导体衬底，该第一电子束器件10的调制输出端5和该第二电子束器件11的调制输入端4连接。
这样，通过前后两级第一电子束器件和第二电子束器件的级联，可对调制信号提供更大的放大增益。同时，由于本公开所述的电子束器件能够进行工艺集成化，可以对电子束器件进行微型化制作，因此，本公开能够实现在同一半导体底衬上将两个电子束器件进行级联，解决了现有技术中不能将两个电子束器件做在同一个真空玻璃管内的问题。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (8)
1.一种电子束器件，其特征在于，包括：半导体衬底以及所述半导体衬底表面的GaN/AlGaN复合层，所述GaN/AlGaN复合层的一端设有阴极，所述GaN/AlGaN复合层的另一端设有阳极，所述阴极和所述阳极之间设有调制输入端和调制输出端。
2.根据权利要求1所述的电子束器件，其特征在于，所述GaN/AlGaN复合层的表面设有绝缘层，所述调制输入端和所述调制输出端包括：在分别距离所述阴极和所述阳极为预设距离的绝缘层上开设的窗口，以及在所述窗口内沉积的金属层，其中，所述金属层与所述GaN/AlGaN复合层形成金属-半导体接触。
3.根据权利要求1所述的电子束器件，其特征在于，所述GaN/AlGaN复合层的表面设有绝缘层，所述调制输入端和所述调制输出端包括：在分别距离所述阴极和所述阳极为预设距离的绝缘层上开设的窗口、所述窗口内沉积的栅介质层以及所述栅介质层上沉积的金属层，其中，所述窗口的底部延伸至所述GaN/AlGaN复合层中。
4.根据权利要求3所述的电子束器件，其特征在于，所述栅介质层为SiO2层，所述SiO2层的厚度为1～500纳米。
5.根据权利要求2或3所述的电子束器件，其特征在于，所述调制输入端、所述调制输出端包括一个或者多个。
6.根据权利要求5所述的电子束器件，其特征在于，所述GaN/AlGaN复合层是由一个或者多个GaN层，以及一个或者多个AlGaN层组成的复合层，其中，所述GaN层的厚度为10～2000纳米，所述AlGaN层的厚度为1～50纳米，所述阳极和所述阴极之间的距离为1微米～300毫米。
7.根据权利要求6所述的电子束器件，其特征在于，所述绝缘层包括Si3N4绝缘层，所述窗口的宽度为0.5～50微米，所述预设距离为1～50微米。
8.一种电子束器件，其特征在于，包括第一电子束器件和第二电子束器件，所述第一电子束器件和所述第二电子束器件包括权利要求1至7中任一项所述的电子束器件，所述第一电子束器件和所述第二电子束器件为同一半导体衬底，所述第一电子束器件的调制输出端和所述第二电子束器件的调制输入端连接。
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| CN109887818A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-14 | 西安众力为半导体科技有限公司 | 一种电子束器件及其制作方法 |
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| CN109887818B (zh) * | 2019-03-13 | 2024-03-12 | 西安众力为半导体科技有限公司 | 一种电子束器件及其制作方法 |
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