具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源及制作工艺的制作方法

本发明涉及一种太赫兹波源。特别是涉及一种具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源及制作工艺。

背景技术：

由于0.3—10太赫兹波能够很强的穿透像塑料、纸、木料、人体、大气等一类物质，因此它可以广泛应用于安保扫描、射电天文、生物遥感、生产监控等领域，具体分类可以包括邮件扫描、纸类生产、塑料焊接检测、古画分析、人体透视、食品质量检测、皮肤癌分类等。要实现以上技术必须提供功率较大的太赫兹波源或太赫兹发生器，同时要配备经济而高质量的太赫兹波检测器和成像设备包括太赫兹照相机。

由于太赫兹波处于远红外波段，其热效很强，故其探测器基本上可分为两类，一类属于利用其热效应制成的探测器，如热功率计(bolometer)、热电探测器(pyroelectric detector)等；另一类是利用其光波性质的探测器，如光电探测器(photo-conductive detector)和肖特基二极管(SBD)等。而这些探测器应用的前提是有一个大功率的太赫兹波源充当光源。

缝隙天线具有轮廓低、重量轻、加工简单、易于与物体共形、批量生产、电性能多样化、宽带和与有源器件和电路集成为统一的组件等诸多特点，适合大规模生产，能简化整机的制作与调试，从而大大降低成本。

缝隙天线是在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝，使电磁波通过缝隙向外空间辐射。这种天线可以单独使用，也可以作天线阵的辐射单元。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现芯片之间水平通信的具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源及制作工艺。

本发明所采用的技术方案是：一种具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源，包括主衬底，所述的主衬底的一端形成有锥形缝隙，在所述主衬底一侧面上设置有与主衬底结构相对应的上电极和下电极，其中，位于主衬底无缝隙处的下电极嵌入在形成于上电极下部的凹边内，且在上电极和下电极相对的端面之间设置有二氧化硅层，从而在所述主衬底、二氧化硅层、上电极和下电极之间形成有空气腔，位于所述锥形缝隙上方的主衬底和位于主衬底该处的上电极共同形成有在两侧有相对称的三阶台阶状凸台，在所述三阶台阶状凸台处的上电极的底面与所对应的主衬底的上端面之间设置有共振隧穿型二极管，所述共振隧穿型二极管为刀形结构，所述刀形结构的刀把部分横插入到形成在下电极下部的凹边内。

所述空气腔包括有形成在所述主衬底一侧面两端的由所述的上电极、下电极和二氧化硅层围成的部分空气腔，形成在所述主衬底的上端面的中部的由所述的上电极和共振隧穿型二极管围成的部分空气腔。

所述的共振隧穿型二极管包括有由下至上依次设置的衬底、缓冲层和发射区电极接触层，所述发射区电极接触层上端面左侧部分上由下到上依次设置有发射区、发射区隔离层、下势垒、下势阱、子势阱、上势阱、上势垒、集电区隔离层、集电区、集电区电极接触层和集电区金属电极，从而与所述的衬底、缓冲层和发射区电极接触层共同构成L型结构，所述发射区电极接触层上端面右侧部分上设置有发射区金属电极

一种具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源的制作工艺，包括如下步骤：

1)在衬底上，由分子束外延技术依次外延生长得到共振隧穿型二极管结构材料；

2)制作共振隧穿型二极管集电区金属电极，包括：利用等离子增强化学气相沉积技术在已生长好的共振隧穿型二极管结构材料表面蒸发溅射AuGeNi合金，清洁处理，进行表面平整；

3)对共振隧穿型二极管结构材料进行台面腐蚀：光刻，是以集电区金属电极层作掩蔽，用湿法腐蚀台面，直到发射区电极接触层为止；

4)制作共振隧穿型二极管发射区金属电极，包括：利用等离子增强化学气相沉积技术在已生长好的共振隧穿型二极管结构材料表面蒸发溅射AuGeNi合金，清洁处理，进行表面平整；

5)制作下电极：蒸发或溅射金属层后进行光刻；

6)沉积二氧化硅钝化层，包括光刻和沉积；

7)制作上电极：蒸发或溅射金属层后进行光刻；

8)合金：在400～460℃下，合金30～120s；

9)对完成的器件背面进行减薄，减薄至80μm；

10)以上电极和下电极为掩膜，通过分子束光刻，去除锥形开口的衬底部分；

11)封装。

步骤1)所述的结构材料包括：衬底、缓冲层、发射区电极接触层、发射区、发射区隔离层、下势垒、下势阱、子势阱、上势阱、上势垒、集电区隔离层、集电区和集电区电极接触层。

步骤2)和步骤4)所述的清洁处理包括：

(1)高压水清洗，将一注水施加2000-4000psi的压力并加入用于去除静电的表面活性剂，水流连续不断地喷洒共振隧穿型二极管结构材料的表面，去除大小不一的颗粒；

(2)去离子水清洗共振隧穿型二极管结构材料表面，去除浮尘、清洁剂、水溶性盐和水溶性酸；

(3)丙酮水浴加热，去除脂溶性污染物；

(4)烘干表面。

步骤3)包括：

(1)将光刻胶涂在共振隧穿型二极管结构材料上，软烘培把光刻胶里的溶剂蒸发掉；图形在光刻胶层被显影后进行硬烘培；

(2)利用光刻技术将所要形成的集电区电极接触层的图形定义出来；

(3)以集电区金属电极作掩蔽，用湿法腐蚀台面，直到发射区电极接触层为止。

步骤5)和步骤7)包括：真空蒸发或溅射形成金属层，使用行星状轨迹在真空反应室内旋转；形成MIM结构中的下电极金属或上电极金属。

步骤6)包括：

(1)去离子水清洗去除微粒与沾污；

(2)利用PECVD技术淀积二氧化硅，使共振隧穿型二极管结构材料表面形成一层二氧化硅钝化层；

(3)进行表面平整；

(4)涂布光刻胶，软烘培后显影，然后硬烘培，干法腐蚀形成MIM结构中的绝缘部分。

本发明的具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源及制作工艺，波导的宽度与振荡器的宽度不同，这样就在振荡器与波导之间形成驻波。RTD(共振隧穿型二极管)位于通过热沉与振荡器的上电极相连，同时可以通过改变RTD(共振隧穿型二极管)在振荡器中的位置，来实现振荡器在不同频段的振荡。波导由于传输高频电磁波，并且损耗极小，THz波经过波导后最终进过锥形缝隙天线发射出去，这样就实现了芯片之间的水平通信。

附图说明

图1是本发明具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源的结构示意图；

图2是图1的正俯视图；

图3是图1的正前视视图；

图4是图1的A-A断面图；

图5是本发明中共振隧穿型二极管的结构示意图。

图中

1：上电极 2：下电极

3：共振隧穿型二极管 4：空气腔

5：主衬底 6：二氧化硅层

31：衬底 32：缓冲层

33：发射区电极接触层 34：发射区

35：发射区隔离层 36：下势垒

37：下势阱 38：子势阱

39：上势阱 310：上势垒

311：集电区隔离层 312：集电区

313：集电区电极接触层 314：集电区金属电极

315：发射区金属电极

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源做出详细说明。

如图1～图4所示，本发明的具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源，包括主衬底5，所述的主衬底5的一端形成有锥形缝隙7，在所述主衬底5一侧面上设置有与主衬底5结构相对应的上电极1和下电极2，其中，位于主衬底5无缝隙处的下电极2嵌入在形成于上电极1下部的凹边内，且在上电极1和下电极2相对的端面之间设置有二氧化硅层6，从而在所述主衬底5、二氧化硅层6、上电极1和下电极2之间形成有空气腔4，位于所述锥形缝隙7上方的主衬底5和位于主衬底5该处的上电极1共同形成有在两侧有相对称的三阶台阶状凸台8，在所述三阶台阶状凸台8处的上电极1的底面与所对应的主衬底5的上端面之间设置有共振隧穿型二极管3，所述共振隧穿型二极管3为刀形结构，所述刀形结构的刀把部分横插入到形成在下电极2下部的凹边内。

所述空气腔4包括有形成在所述主衬底5一侧面两端的由所述的上电极1、下电极2和二氧化硅层6围成的部分空气腔4，形成在所述主衬底5的上端面的中部的由所述的上电极1和共振隧穿型二极管3围成的部分空气腔4。

如图5所示，所述的共振隧穿型二极管3包括有由下至上依次设置的衬底31、缓冲层32和发射区电极接触层33，所述发射区电极接触层33上端面左侧部分上由下到上依次设置有发射区34、发射区隔离层35、下势垒36、下势阱37、子势阱38、上势阱39、上势垒310、集电区隔离层311、集电区312、集电区电极接触层313和集电区金属电极314，从而与所述的衬底31、缓冲层32和发射区电极接触层33共同构成L型结构，所述发射区电极接触层33上端面右侧部分上设置有发射区金属电极315。本发明实施例中：

所述的衬底31为半绝缘InP衬底(SI—InP衬底)，厚度为100－300μm，用SI-InP衬底时，在此衬底上生长的InGaAs的In组分可以达到0.53。在InGaAs材料中In的组分愈大，其迁移率就愈高，RTD(共振隧穿型二极管)的频率和开关速度就愈快。故用SI-InP衬底材料研制的RTD(共振隧穿型二极管)性能比用SI-GaAs衬底的RTD(共振隧穿型二极管)更好，但SI-InP材料比SI-GaAs更昂贵，而且加工过程中容易碎裂；所述的缓冲层32由In_0.53Ga_0.47As层构成，厚度为200nm；所述的发射区电极接触层33、发射区34、集电区312和集电区电极接触层313是由掺Si浓度达到2*10¹⁹cm^-3In_0.53Ga_0.47As层构成，其中发射区电极接触层33的厚度为400nm，发射区34的厚度为20nm，集电区312的厚度为15nm，集电区电极接触层313的厚度为8nm；所述的发射区隔离层35厚度为2nm；所述的下势垒36和上势垒310是由AlAs层构成，厚度为1.2nm；所述的下势阱37、上势阱39和集电区隔离层311是由In_0.53Ga_0.47As层构成，其中，下势阱37和上势阱39的厚度为1.2nm，集电区隔离层311的厚度为2nm；所述的子势阱8是由InAs层构成，厚度为1.2nm；所述的集电区金属电极314和发射区金属电极315材质为金属，厚度均为100-300nm。

本发明的具有新型材料结构的锥形缝隙天线太赫兹波源的制作工艺，包括如下步骤：

1)在衬底上，由分子束外延技术(MBE)依次外延生长得到共振隧穿型二极管结构材料；所述的结构材料包括：衬底、缓冲层、发射区电极接触层、发射区、发射区隔离层、下势垒、下势阱、子势阱、上势阱、上势垒、集电区隔离层、集电区和集电区电极接触层。(15年2月第一个)

2)制作共振隧穿型二极管(RTD)集电区金属电极，包括：利用等离子增强化学气相沉积技术(PECVD)在已生长好的共振隧穿型二极管结构材料表面蒸发溅射AuGeNi合金，清洁处理，进行表面平整；所述的清洁处理包括：

(1)高压水清洗，将一注水施加2000-4000psi的压力并加入用于去除静电的表面活性剂，水流连续不断地喷洒共振隧穿型二极管结构材料的表面，去除大小不一的颗粒；

(2)去离子水清洗共振隧穿型二极管结构材料表面，去除浮尘、清洁剂、水溶性盐和水溶性酸；

(3)丙酮水浴加热，去除脂溶性污染物；

(4)烘干表面。

3)对共振隧穿型二极管结构材料进行台面腐蚀：光刻，是以集电区金属电极层作掩蔽，用湿法腐蚀台面，直到发射区电极接触层为止；包括：

(1)将光刻胶涂在共振隧穿型二极管结构材料上，软烘培把光刻胶里的溶剂蒸发掉；图形在光刻胶层被显影后进行硬烘培，目的是增加光刻胶对共振隧穿型二极管结构材料表面的黏结能力；

(2)利用光刻技术将所要形成的集电区电极接触层的图形定义出来；

(3)以集电区金属电极作掩蔽，用湿法腐蚀台面，直到发射区电极接触层为止。

4)制作共振隧穿型二极管发射区金属电极，包括：利用等离子增强化学气相沉积技术(PECVD)在已生长好的共振隧穿型二极管结构材料表面蒸发溅射AuGeNi合金，清洁处理，进行表面平整；所述的清洁处理与步骤2相同，包括：

(1)高压水清洗，将一注水施加2000-4000psi的压力并加入用于去除静电的表面活性剂，水流连续不断地喷洒共振隧穿型二极管结构材料的表面，去除大小不一的颗粒；

(2)去离子水清洗共振隧穿型二极管结构材料表面，去除浮尘、清洁剂、水溶性盐和水溶性酸；

(3)丙酮水浴加热，去除脂溶性污染物；

(4)烘干表面。

5)制作下电极：蒸发或溅射金属层(Al)后进行光刻；包括：真空蒸发或溅射形成金属层(铝)，使用行星状轨迹在真空反应室内旋转，以保证膜的厚度均匀且减少孔洞，使用真空蒸发或溅射的另一个好处是降低成本；形成MIM结构中的下电极金属或上电极金属。

6)沉积二氧化硅钝化层，以形成MIM(金属-绝缘体-金属)结构，包括光刻和沉积；包括：

(1)去离子水清洗去除微粒与沾污；

(2)利用PECVD技术淀积二氧化硅，使共振隧穿型二极管结构材料表面形成一层二氧化硅钝化层，因为铝和二氧化硅的合金过程要求450℃以下，故需要在低温下淀积，由于等离子体的配合，PECVD可以实现该技术要求；

(3)进行表面平整；

(4)涂布光刻胶，软烘培后显影，然后硬烘培，干法腐蚀形成MIM结构中的绝缘部分。

7)制作上电极：蒸发或溅射金属层(Al)后进行光刻；与步骤5)相同，包括：真空蒸发或溅射形成金属层(铝)，使用行星状轨迹在真空反应室内旋转，以保证膜的厚度均匀且减少孔洞，使用真空蒸发或溅射的另一个好处是降低成本；形成MIM结构中的下电极金属或上电极金属。

8)合金：在400～460℃下，合金30～120s；

9)对完成的器件背面进行减薄，减薄至80μm；

10)以上电极和下电极为掩膜，通过分子束光刻，去除锥形开口的衬底部分；

11)封装。