具有可调谐功能的平面纳米振荡器的制作方法

本发明涉及平面纳米振荡器，尤其涉及具有可调谐特性且能在常温条件下工作于太赫兹频段的平面纳米振荡器。

背景技术：

太赫兹(thz)波是指频率在0.1～10thz(1thz＝10¹²hz)(波长为3000μm～30μm)范围内的电磁波。它在电磁波谱中处于一个很特殊的位置：长波方向与毫米波(亚毫米波)相重叠，其主要涉及电子学范畴；短波方向与红外线相重叠，其主要涉及光子学范畴。但受技术上的限制，对thz波的相关研究却大大落后于毫米波和红外线，这使得它成为目前电磁波谱中有待全面研究的最后一个频率窗口，被称为“thz空隙”(thzgap)。然而作为空隙的thz波却具有一系列独特的性质，使得它不仅在基础科学上有很重要的学术价值，而且在科学技术上及工业上也有很多诱人的应用。thz波处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，处于电子学向光子学的过渡：在频域上覆盖了包括蛋白质在内的各种大分子的转动和振荡频率；量子能量很低，不会对物质产生破坏作用，与x射线相比，有很大的优势，必将成为研究各种物质——特别是生命物质——强有力的工具。thz波长比微波小1000倍以上，所以其空间分辨率很高：可用于如信息科学方面高的空间和时间分辨率成像、信号处理、大容量数据传输、宽带通信。此外，thz波在材料评价、分层成像、生物成像、等离子体聚变诊断、天文学及环境科学，甚至是毒品检测、武器搜查和军事情报收集等方面也都有着广阔的应用前景。

在thz科学技术中，探测器和辐射源既是基础也是关键，目前已经成为国内外研究热点。其中基于平面纳米结构的器件由于工艺简单、易于集成且寄生电容小，越来越受到人们的重视。2008年3月份，国家发明专利02808508.6公布了一种平面纳米二极管器件。该器件是通过采用纳米刻蚀技术在一个导电衬底上制作绝缘线以限定电荷流动路径而获得的。用它作为元件可以构成全部的逻辑门：如or、and以及not；也可以构成整流器，用于探测电磁波。最新的实验表明该器件在常温下能用于探测频率高达1.5thz的电磁波；如果工作温度降为150k，探测频率可以提高至2.5thz。由于该器件在反向偏压的条件下具有负微分电阻，因此可以作为振荡电路的关键元件。随后，国家发明专利200810219701.9公布了一个自发振荡的平面纳米电磁波辐射器件，以及制作自发振荡的平面纳米电磁波辐射器件的关键方法。专利200810219701.9公布的平面纳米振荡器是一种两端的器件结构，其既没有公开涉及频率调谐的相关技术，也没有公开具有可调谐性能的辐射器件。此外，后续的相关研究很少有人关注器件工作频率的可调谐性这个问题，均停留在讨论如何提升平面纳米振荡器的性能。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于，提供一种具有可调谐功能的平面纳米振荡器，该器件具有工艺简单、易于集成于单芯片上、能常温工作且工作频率高达太赫兹频段的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种具有可调谐功能的平面纳米振荡器，包括绝缘衬底层、设于所述绝缘衬底层表面的二维半导体导电层、设于所述二维半导体导电层表面的绝缘保护层、穿透所述二维半导体导电层的绝缘刻槽、输入电极、输出电极和设于所述绝缘保护层表面的表面调控栅极；所述绝缘刻槽包括第一横向绝缘刻槽、第二横向绝缘刻槽、第一纵向绝缘刻槽和第二纵向绝缘刻槽，所述第一横向绝缘刻槽和第二横向绝缘刻槽于同一平面上下设置，两者之间形成一振荡沟道；所述第一纵向绝缘刻槽和第二纵向绝缘刻槽于同一平面上下设置，两者之间形成所述振荡沟道的入口，并将所述二维半导体导电层除振荡沟道以外的区域分隔成相互绝缘的左边区域和右边区域；所述输入电极与左边区域连接形成输入端，所述输出电极与右边区域连接形成输出端；所述表面调控栅极设于所述振荡沟道上方。

相对于现有技术，本发明通过调节表面栅极的偏压和覆盖范围来调控器件的工作频率，利用表面栅极不仅可以提升器件输出信号的频率，而且还能够突破由器件长度所限制的极限工作频率，使其工作频率具有一定的可调性；且本发明器件具有能常温工作、工作频率可达太赫兹频段、能与单片微波集成电路实现无缝连接、工作性能可设计等优点。

进一步，所述表面调控栅极的宽度覆盖所述振荡沟道的宽度。

进一步，所述振荡沟道的宽度小于1μm。

进一步，所述表面调控栅极长度的右端与所述振荡沟道右端出口保持一致且固定，表面调控栅极长度可向左端调节。

进一步，所述表面调控栅极的长度调节范围为振荡沟道的长度。

进一步，所述第一纵向绝缘刻槽和第二纵向绝缘刻槽的位置靠近所述输入端。

进一步，所述第一纵向绝缘刻槽从第一横向绝缘刻槽的上端向上延伸至二维半导体导电层的上边缘，所述第二纵向绝缘刻槽从第二横向绝缘刻槽的下端向下延伸至二维半导体导电层的下边缘。

进一步，所述二维半导体导电层为algan/gan异质结，其由下往上依次包括gan层、algan/gan异质界面上的二维电子气层和algan层。

进一步，所述绝缘刻槽的深度大于所述二维电子气层的厚度。

进一步，所述绝缘刻槽的深度大于等于300nm。

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为实施例1的具有可调谐功能的平面纳米振荡器的表面结构示意图。

图2为实施例1的具有可调谐功能的平面纳米振荡器的纵向结构示意图。

图3为实施例1由蒙特卡罗模拟获得的输出特性随表面栅极电压变化曲线。

图4为实施例1由蒙特卡罗模拟获得的输出特性随表面栅极长度变化曲线。

图5为实施例1由蒙特卡罗模拟获得的归一化电子浓度分布曲线。

图6为实施例1由蒙特卡罗模拟获得的时域平均电场强度变化曲线。

具体实施方式

本发明利用表面栅极来控制平面纳米振荡器的性能输出，表面栅极所施加的偏压和表面栅极的范围是表面栅极调控器件输出特性的两个关键因素。表面栅极起到如下作用：一是固定栅极范围，通过调节栅极电压，提升器件的输出信号频率；二是栅极电压恒定，通过调节栅极范围，使器件工作频率具有一定的可调范围。下面将结合附图、实施例及数值模拟所获得的结果详细说明本发明。

实施例1

请同时参阅图1和图2，其中，图1为本实施例的具有可调谐功能的平面纳米振荡器的表面结构示意图，图2为实施例1的具有可调谐功能的平面纳米振荡器的纵向结构示意图。本实施例的具有可调谐功能的平面纳米振荡器包括绝缘衬底层10、设于所述绝缘衬底层表面的二维半导体导电层、设于所述二维半导体导电层表面的绝缘保护层、穿透所述二维半导体导电层的绝缘刻槽2、输入电极1、输出电极3和表面调控栅极4。

从纵向结构上看，该器件从下往上依次包括绝缘衬底层1、二维半导体导电层和绝缘保护层(图中未显示)。本实施例中，所述二维半导体导电层为具有负微分迁移率的二维半导体导电层，优选为algan/gan异质结，其由下往上依次包括gan层8、algan/gan异质界面上的二维电子气层9和algan层7。

从表面结构上看，该器件还包括穿透长方形二维电子气层5的绝缘刻槽2、输入电极1、输出电极3和表面调控栅极4。具体的，所述绝缘刻槽根据用途的不同分为两种，分别记为振荡器刻槽和隔离刻槽，振荡器刻槽用于定义振荡沟道以构建纳米振荡器，隔离刻槽用于隔离两电极区域，使得它们之间的载流子传输只能借助纳米振荡器的振荡沟道。

本实施例中，振荡器刻槽包括第一横向绝缘刻槽和第二横向绝缘刻槽，所述第一横向绝缘刻槽和第二横向绝缘刻槽于同一平面上下设置，两者之间形成振荡沟道6。优选的，振荡沟道的长度和宽度均小于1μm。

隔离刻槽包括第一纵向绝缘刻槽和第二纵向绝缘刻槽，所述第一纵向绝缘刻槽和第二纵向绝缘刻槽于同一平面上下设置，且设置于所述振荡沟道6的入口上，具体的，第一纵向绝缘刻槽从第一横向绝缘刻槽的上绝缘刻槽向上延伸至器件的上边缘，第二纵向绝缘刻槽从第二横向绝缘刻槽的下绝缘刻槽向下延伸至器件的下边缘，从而将器件平面除振荡沟道6以外的区域分隔成相互绝缘的左边区域和右边区域，在左侧形成低阻值的平面电阻a，在右侧形成低阻值的平面电阻b。

所述输入电极1与平面电阻a连接作为器件的输入端，所述输出电极3与平面电阻b连接作为器件的输出端，使得两平面电阻区域之间的载流子传输只能借助振荡沟道6。

优选的，所述第一纵向绝缘刻槽和第二纵向绝缘刻槽设置在该器件的输入端附近，这是由于隔离刻槽起到的是绝缘隔离的作用，为了减小其对振荡特性的影响，应尽量减小其宽度，并使其位于远离纳米振荡器的信号输出端。

上述所有绝缘刻槽可以通过干法刻蚀获得，刻槽的深度大于二维电子气层5的厚度，以能够穿透二维电子气层5为最浅深度要求，优选的，刻槽的深度大于300nm，避免加工时深度波动对器件性能的影响。

所述表面调控栅极4设于所述振荡沟道6上方，表面调控栅极4用于调节器件的输出特性。具体的，表面调控栅极4的宽度以覆盖振荡沟道6的宽度为准，表面调控栅极4长度的右端与振荡沟道6右端出口保持一致且固定，表面调控栅极4长度可向左调节，其调节范围是整个振荡沟道的长度。

利用系宗蒙特卡罗模拟可获得上述实施例在常温下的工作特性，模拟时采用如下结构特征参数：振荡沟道长度为450nm、宽度为50nm；绝缘刻槽宽度为30nm、深度为300nm、介电参数为1(不再填入高介电参数的绝缘材料)；algan层的厚度为30nm；gan层的厚度为500nm；表面栅极的宽度为50nm；整个器件的长度为900nm、宽度为300nm。

为了研究栅极电压对振荡器输出特性的影响，固定表面栅极的长度为160nm，施加一定范围的电压，请参阅图3，其为由蒙特卡罗模拟获得的输出特性随表面栅极电压变化曲线。从曲线的走势图可以看出，当栅极电压≤8v时，栅极电压对器件内部载流子运动影响较小，其输出信号频率一直为0.34thz，也就不能展现栅极电压对输出信号频率的调节能力，因此器件处于一种低频率输出的稳定状态。但是，当栅极电压超过8v时，随着栅极电压的增大，信号频率的输出急剧提升，直到栅极电压达到18v时，栅极电压对输出频率的调节能力才有所减缓，在栅极调节下其可达到最大的输出频率为0.56thz。当栅极电压超过18v时，输出频率又回归高频率稳态输出且继续不受栅极电压变化的影响。

当栅极电压分别为8v和27v时，图3内置图(a)和(b)展现了在10ps时间内的电流振荡波形随时间变化图。通过在相同时间内两个图形中振荡波形密度之间对比，可以很清楚的看出虽然电流振幅没有明显的变化，但是当栅极电压为27v的条件下其输出电流振荡周期明显多于前者，这就是对器件工作频率提升的一种直观展示。因此，栅极电压对器件输出振荡频率显示出较强的调控能力，其对该器件结构性能提升承担不可忽视的作用。

为了进一步探索栅极范围对器件输出性能影响，8v和27v两个电压值作为栅极偏压首先被选择，其次，仅通过不断改变栅极长度来设计不同的振荡器结构。请参阅图4，其为蒙特卡罗模拟获得的输出特性随表面栅极长度变化曲线。当栅极电压为8v时，振荡频率与栅极长度之间的变化趋势曲线只有很微弱的变化趋势，这也对应了图3中栅极电压的调控趋势，即较低的栅极电压很难影响器件振荡频率。然而，当栅极电压为27v时，从振荡频率与栅极长度之间的变化趋势曲线可以看出其最大值振荡频率和最小振荡频率之间相差悬殊，在该曲线走势中，当栅极长度达到260nm时，c点代表其最大的输出信号频率，约为1.02thz，这个频率大约是在没有栅极情况下o点(0.3thz)所代表频率的三倍。通过该曲线走势我们也可以看出栅极范围对器件输出频率的调控范围可达约0.7thz。在图4中，我们选取了四个比较典型的点，a点和b点为图3中相应的两个点，d点位于模式转换之后的频率，其中栅极长度为340nm，频率大约为0.57thz。为了深入理解不同输出特性的差异，内置图4(a)～(d)为器件内部电荷空间分布随时间的变化情况——形象给出了电荷畴的时空演化过程，分别对应图4中的a、b、c、d四点。

请参阅图5，其为由蒙特卡罗模拟获得的归一化电子浓度分布曲线。从图4(a)～(d)中，分别提取形成偶极畴单个周期时间内的五个不同时刻所对应不同振荡器水平方向的电子浓度分布情况，对应如图5(a)～(d)所示。图5所选取的五个时刻间隔分别代表一个畴生长周期的五分之一时间，并且以不同的曲线类型代表不同时刻的电子浓度分布，即t1＝t0，t2＝t0+t/5，t3＝t0+2t/5，t4＝t0+3t/5，t5＝t0+4t/5。在图5中，将每条曲线所代表的电子浓度分布进行归一化处理，这样比较明显的看出在畴的动力学生长和传输的全过程中电子浓度分布的差异。在图5(a)中可以看到有一个畴存在；在图5(b)中发现有两个畴同时存在；在图5(c)中进一步看到有三个畴同时存在。这样的现象对应了a、b、c三个点所代表递增的振荡频率，而且也就意味着频率的提升是由于沟道内同时存在多个畴的生长传输。进一步对比分析图5，还可以发现图5(a)、(b)、(c)三个图的畴生长路径在充满整个沟道内部，而图5(d)的畴生长路径只是在沟道的右端，这个现象就是导致图4中栅极电压为27v时对应的曲线峰值过后急速下降的原因。

为了更进一步分析栅极对沟道内部偶极畴分布的实质影响因素，器件沟道内时域平均电场分布被展现。请参阅图6，其为由蒙特卡罗模拟获得的时域平均电场强度变化曲线。图6(a)～(d)四幅图分别对应图4中a、b、c、d四点。图6(a)给出了满足耿氏振荡要求的一种准均匀分布。然而，图6(b)～(d)中时域平均电场却展现出非常明显的非均匀分布，即电场最大峰值所处位置与栅极覆盖沟道范围的左端边缘位置保持高度的对应。如此高的电场峰值也将沟道分成前后两部分，其前后两部分内部电场分布也有明显的差别，在图6(b)给出在振荡沟道内同时存在两个畴。同时，当进一步扩大极栅极范围，这将导致峰值电场位置前移，使得被电场分开沟道的前半段进一步缩短，这也导致在沟道内部可以同时存在三个偶极畴的现象，如图6(c)所示。然而依照这个思路当进一步扩大栅极范围时，频率却出现了急剧下落，如图4中栅极电压为27v时对应的曲线峰值过后的走势。这主要是由于峰值电场的前移进一步压缩沟道的前半部分长度，在耿氏振荡中由于死区的存在，当前半段的距离小于死区长度时，如图6(d)，器件内部前半段就不能形成耿氏振荡，输出信号频率也不能无限制的提升，因此，耿氏振荡机制转移到器件的后半段。

相对于现有技术，本发明通过调节表面栅极的偏压和覆盖范围来调控器件的工作频率，利用表面栅极不仅可以提升器件输出信号的频率，而且还能够突破由器件长度所限制的极限工作频率，使其工作频率具有一定的可调性；且本发明器件具有能常温工作、工作频率可达太赫兹频段、能与单片微波集成电路实现无缝连接、工作性能可设计等优点。

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。