本發(fā)明涉及一種太赫茲波源。特別是涉及一種具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源及制作工藝。

背景技術(shù)：

由于0.3—10太赫茲波能夠很強(qiáng)的穿透像塑料、紙、木料、人體、大氣等一類物質(zhì)，因此它可以廣泛應(yīng)用于安保掃描、射電天文、生物遙感、生產(chǎn)監(jiān)控等領(lǐng)域，具體分類可以包括郵件掃描、紙類生產(chǎn)、塑料焊接檢測(cè)、古畫分析、人體透視、食品質(zhì)量檢測(cè)、皮膚癌分類等。要實(shí)現(xiàn)以上技術(shù)必須提供功率較大的太赫茲波源或太赫茲發(fā)生器，同時(shí)要配備經(jīng)濟(jì)而高質(zhì)量的太赫茲波檢測(cè)器和成像設(shè)備包括太赫茲照相機(jī)。

由于太赫茲波處于遠(yuǎn)紅外波段，其熱效很強(qiáng)，故其探測(cè)器基本上可分為兩類，一類屬于利用其熱效應(yīng)制成的探測(cè)器，如熱功率計(jì)(bolometer)、熱電探測(cè)器(pyroelectric detector)等；另一類是利用其光波性質(zhì)的探測(cè)器，如光電探測(cè)器(photo-conductive detector)和肖特基二極管(SBD)等。而這些探測(cè)器應(yīng)用的前提是有一個(gè)大功率的太赫茲波源充當(dāng)光源。

縫隙天線具有輪廓低、重量輕、加工簡(jiǎn)單、易于與物體共形、批量生產(chǎn)、電性能多樣化、寬帶和與有源器件和電路集成為統(tǒng)一的組件等諸多特點(diǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)，能簡(jiǎn)化整機(jī)的制作與調(diào)試，從而大大降低成本。

縫隙天線是在同軸線、波導(dǎo)管或空腔諧振器的導(dǎo)體壁上開一條或數(shù)條窄縫，使電磁波通過(guò)縫隙向外空間輻射。這種天線可以單獨(dú)使用，也可以作天線陣的輻射單元。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)芯片之間水平通信的具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源及制作工藝。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源，包括主襯底，所述的主襯底的一端形成有錐形縫隙，在所述主襯底一側(cè)面上設(shè)置有與主襯底結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的上電極和下電極，其中，位于主襯底無(wú)縫隙處的下電極嵌入在形成于上電極下部的凹邊內(nèi)，且在上電極和下電極相對(duì)的端面之間設(shè)置有二氧化硅層，從而在所述主襯底、二氧化硅層、上電極和下電極之間形成有空氣腔，位于所述錐形縫隙上方的主襯底和位于主襯底該處的上電極共同形成有在兩側(cè)有相對(duì)稱的三階臺(tái)階狀凸臺(tái)，在所述三階臺(tái)階狀凸臺(tái)處的上電極的底面與所對(duì)應(yīng)的主襯底的上端面之間設(shè)置有共振隧穿型二極管，所述共振隧穿型二極管為刀形結(jié)構(gòu)，所述刀形結(jié)構(gòu)的刀把部分橫插入到形成在下電極下部的凹邊內(nèi)。

所述空氣腔包括有形成在所述主襯底一側(cè)面兩端的由所述的上電極、下電極和二氧化硅層圍成的部分空氣腔，形成在所述主襯底的上端面的中部的由所述的上電極和共振隧穿型二極管圍成的部分空氣腔。

所述的共振隧穿型二極管包括有由下至上依次設(shè)置的襯底、緩沖層和發(fā)射區(qū)電極接觸層，所述發(fā)射區(qū)電極接觸層上端面左側(cè)部分上由下到上依次設(shè)置有發(fā)射區(qū)、發(fā)射區(qū)隔離層、下勢(shì)壘、下勢(shì)阱、子勢(shì)阱、上勢(shì)阱、上勢(shì)壘、集電區(qū)隔離層、集電區(qū)、集電區(qū)電極接觸層和集電區(qū)金屬電極，從而與所述的襯底、緩沖層和發(fā)射區(qū)電極接觸層共同構(gòu)成L型結(jié)構(gòu)，所述發(fā)射區(qū)電極接觸層上端面右側(cè)部分上設(shè)置有發(fā)射區(qū)金屬電極

一種具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源的制作工藝，包括如下步驟：

1)在襯底上，由分子束外延技術(shù)依次外延生長(zhǎng)得到共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料；

2)制作共振隧穿型二極管集電區(qū)金屬電極，包括：利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在已生長(zhǎng)好的共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面蒸發(fā)濺射AuGeNi合金，清潔處理，進(jìn)行表面平整；

3)對(duì)共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行臺(tái)面腐蝕：光刻，是以集電區(qū)金屬電極層作掩蔽，用濕法腐蝕臺(tái)面，直到發(fā)射區(qū)電極接觸層為止；

4)制作共振隧穿型二極管發(fā)射區(qū)金屬電極，包括：利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)在已生長(zhǎng)好的共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面蒸發(fā)濺射AuGeNi合金，清潔處理，進(jìn)行表面平整；

5)制作下電極：蒸發(fā)或?yàn)R射金屬層后進(jìn)行光刻；

6)沉積二氧化硅鈍化層，包括光刻和沉積；

7)制作上電極：蒸發(fā)或?yàn)R射金屬層后進(jìn)行光刻；

8)合金：在400～460℃下，合金30～120s；

9)對(duì)完成的器件背面進(jìn)行減薄，減薄至80μm；

10)以上電極和下電極為掩膜，通過(guò)分子束光刻，去除錐形開口的襯底部分；

11)封裝。

步驟1)所述的結(jié)構(gòu)材料包括：襯底、緩沖層、發(fā)射區(qū)電極接觸層、發(fā)射區(qū)、發(fā)射區(qū)隔離層、下勢(shì)壘、下勢(shì)阱、子勢(shì)阱、上勢(shì)阱、上勢(shì)壘、集電區(qū)隔離層、集電區(qū)和集電區(qū)電極接觸層。

步驟2)和步驟4)所述的清潔處理包括：

(1)高壓水清洗，將一注水施加2000-4000psi的壓力并加入用于去除靜電的表面活性劑，水流連續(xù)不斷地噴灑共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料的表面，去除大小不一的顆粒；

(2)去離子水清洗共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面，去除浮塵、清潔劑、水溶性鹽和水溶性酸；

(3)丙酮水浴加熱，去除脂溶性污染物；

(4)烘干表面。

步驟3)包括：

(1)將光刻膠涂在共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料上，軟烘培把光刻膠里的溶劑蒸發(fā)掉；圖形在光刻膠層被顯影后進(jìn)行硬烘培；

(2)利用光刻技術(shù)將所要形成的集電區(qū)電極接觸層的圖形定義出來(lái)；

(3)以集電區(qū)金屬電極作掩蔽，用濕法腐蝕臺(tái)面，直到發(fā)射區(qū)電極接觸層為止。

步驟5)和步驟7)包括：真空蒸發(fā)或?yàn)R射形成金屬層，使用行星狀軌跡在真空反應(yīng)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)；形成MIM結(jié)構(gòu)中的下電極金屬或上電極金屬。

步驟6)包括：

(1)去離子水清洗去除微粒與沾污；

(2)利用PECVD技術(shù)淀積二氧化硅，使共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面形成一層二氧化硅鈍化層；

(3)進(jìn)行表面平整；

(4)涂布光刻膠，軟烘培后顯影，然后硬烘培，干法腐蝕形成MIM結(jié)構(gòu)中的絕緣部分。

本發(fā)明的具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源及制作工藝，波導(dǎo)的寬度與振蕩器的寬度不同，這樣就在振蕩器與波導(dǎo)之間形成駐波。RTD(共振隧穿型二極管)位于通過(guò)熱沉與振蕩器的上電極相連，同時(shí)可以通過(guò)改變RTD(共振隧穿型二極管)在振蕩器中的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)振蕩器在不同頻段的振蕩。波導(dǎo)由于傳輸高頻電磁波，并且損耗極小，THz波經(jīng)過(guò)波導(dǎo)后最終進(jìn)過(guò)錐形縫隙天線發(fā)射出去，這樣就實(shí)現(xiàn)了芯片之間的水平通信。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的正俯視圖；

圖3是圖1的正前視視圖；

圖4是圖1的A-A斷面圖；

圖5是本發(fā)明中共振隧穿型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中

1：上電極 2：下電極

3：共振隧穿型二極管 4：空氣腔

5：主襯底 6：二氧化硅層

31：襯底 32：緩沖層

33：發(fā)射區(qū)電極接觸層 34：發(fā)射區(qū)

35：發(fā)射區(qū)隔離層 36：下勢(shì)壘

37：下勢(shì)阱 38：子勢(shì)阱

39：上勢(shì)阱 310：上勢(shì)壘

311：集電區(qū)隔離層 312：集電區(qū)

313：集電區(qū)電極接觸層 314：集電區(qū)金屬電極

315：發(fā)射區(qū)金屬電極

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源做出詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1～圖4所示，本發(fā)明的具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源，包括主襯底5，所述的主襯底5的一端形成有錐形縫隙7，在所述主襯底5一側(cè)面上設(shè)置有與主襯底5結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的上電極1和下電極2，其中，位于主襯底5無(wú)縫隙處的下電極2嵌入在形成于上電極1下部的凹邊內(nèi)，且在上電極1和下電極2相對(duì)的端面之間設(shè)置有二氧化硅層6，從而在所述主襯底5、二氧化硅層6、上電極1和下電極2之間形成有空氣腔4，位于所述錐形縫隙7上方的主襯底5和位于主襯底5該處的上電極1共同形成有在兩側(cè)有相對(duì)稱的三階臺(tái)階狀凸臺(tái)8，在所述三階臺(tái)階狀凸臺(tái)8處的上電極1的底面與所對(duì)應(yīng)的主襯底5的上端面之間設(shè)置有共振隧穿型二極管3，所述共振隧穿型二極管3為刀形結(jié)構(gòu)，所述刀形結(jié)構(gòu)的刀把部分橫插入到形成在下電極2下部的凹邊內(nèi)。

所述空氣腔4包括有形成在所述主襯底5一側(cè)面兩端的由所述的上電極1、下電極2和二氧化硅層6圍成的部分空氣腔4，形成在所述主襯底5的上端面的中部的由所述的上電極1和共振隧穿型二極管3圍成的部分空氣腔4。

如圖5所示，所述的共振隧穿型二極管3包括有由下至上依次設(shè)置的襯底31、緩沖層32和發(fā)射區(qū)電極接觸層33，所述發(fā)射區(qū)電極接觸層33上端面左側(cè)部分上由下到上依次設(shè)置有發(fā)射區(qū)34、發(fā)射區(qū)隔離層35、下勢(shì)壘36、下勢(shì)阱37、子勢(shì)阱38、上勢(shì)阱39、上勢(shì)壘310、集電區(qū)隔離層311、集電區(qū)312、集電區(qū)電極接觸層313和集電區(qū)金屬電極314，從而與所述的襯底31、緩沖層32和發(fā)射區(qū)電極接觸層33共同構(gòu)成L型結(jié)構(gòu)，所述發(fā)射區(qū)電極接觸層33上端面右側(cè)部分上設(shè)置有發(fā)射區(qū)金屬電極315。本發(fā)明實(shí)施例中：

所述的襯底31為半絕緣InP襯底(SI—InP襯底)，厚度為100－300μm，用SI-InP襯底時(shí)，在此襯底上生長(zhǎng)的InGaAs的In組分可以達(dá)到0.53。在InGaAs材料中In的組分愈大，其遷移率就愈高，RTD(共振隧穿型二極管)的頻率和開關(guān)速度就愈快。故用SI-InP襯底材料研制的RTD(共振隧穿型二極管)性能比用SI-GaAs襯底的RTD(共振隧穿型二極管)更好，但SI-InP材料比SI-GaAs更昂貴，而且加工過(guò)程中容易碎裂；所述的緩沖層32由In_0.53Ga_0.47As層構(gòu)成，厚度為200nm；所述的發(fā)射區(qū)電極接觸層33、發(fā)射區(qū)34、集電區(qū)312和集電區(qū)電極接觸層313是由摻Si濃度達(dá)到2*10¹⁹cm^-3In_0.53Ga_0.47As層構(gòu)成，其中發(fā)射區(qū)電極接觸層33的厚度為400nm，發(fā)射區(qū)34的厚度為20nm，集電區(qū)312的厚度為15nm，集電區(qū)電極接觸層313的厚度為8nm；所述的發(fā)射區(qū)隔離層35厚度為2nm；所述的下勢(shì)壘36和上勢(shì)壘310是由AlAs層構(gòu)成，厚度為1.2nm；所述的下勢(shì)阱37、上勢(shì)阱39和集電區(qū)隔離層311是由In_0.53Ga_0.47As層構(gòu)成，其中，下勢(shì)阱37和上勢(shì)阱39的厚度為1.2nm，集電區(qū)隔離層311的厚度為2nm；所述的子勢(shì)阱8是由InAs層構(gòu)成，厚度為1.2nm；所述的集電區(qū)金屬電極314和發(fā)射區(qū)金屬電極315材質(zhì)為金屬，厚度均為100-300nm。

本發(fā)明的具有新型材料結(jié)構(gòu)的錐形縫隙天線太赫茲波源的制作工藝，包括如下步驟：

1)在襯底上，由分子束外延技術(shù)(MBE)依次外延生長(zhǎng)得到共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料；所述的結(jié)構(gòu)材料包括：襯底、緩沖層、發(fā)射區(qū)電極接觸層、發(fā)射區(qū)、發(fā)射區(qū)隔離層、下勢(shì)壘、下勢(shì)阱、子勢(shì)阱、上勢(shì)阱、上勢(shì)壘、集電區(qū)隔離層、集電區(qū)和集電區(qū)電極接觸層。(15年2月第一個(gè))

2)制作共振隧穿型二極管(RTD)集電區(qū)金屬電極，包括：利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)在已生長(zhǎng)好的共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面蒸發(fā)濺射AuGeNi合金，清潔處理，進(jìn)行表面平整；所述的清潔處理包括：

(1)高壓水清洗，將一注水施加2000-4000psi的壓力并加入用于去除靜電的表面活性劑，水流連續(xù)不斷地噴灑共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料的表面，去除大小不一的顆粒；

(2)去離子水清洗共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面，去除浮塵、清潔劑、水溶性鹽和水溶性酸；

(3)丙酮水浴加熱，去除脂溶性污染物；

(4)烘干表面。

3)對(duì)共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行臺(tái)面腐蝕：光刻，是以集電區(qū)金屬電極層作掩蔽，用濕法腐蝕臺(tái)面，直到發(fā)射區(qū)電極接觸層為止；包括：

(1)將光刻膠涂在共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料上，軟烘培把光刻膠里的溶劑蒸發(fā)掉；圖形在光刻膠層被顯影后進(jìn)行硬烘培，目的是增加光刻膠對(duì)共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面的黏結(jié)能力；

(2)利用光刻技術(shù)將所要形成的集電區(qū)電極接觸層的圖形定義出來(lái)；

(3)以集電區(qū)金屬電極作掩蔽，用濕法腐蝕臺(tái)面，直到發(fā)射區(qū)電極接觸層為止。

4)制作共振隧穿型二極管發(fā)射區(qū)金屬電極，包括：利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(PECVD)在已生長(zhǎng)好的共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面蒸發(fā)濺射AuGeNi合金，清潔處理，進(jìn)行表面平整；所述的清潔處理與步驟2相同，包括：

(1)高壓水清洗，將一注水施加2000-4000psi的壓力并加入用于去除靜電的表面活性劑，水流連續(xù)不斷地噴灑共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料的表面，去除大小不一的顆粒；

(2)去離子水清洗共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面，去除浮塵、清潔劑、水溶性鹽和水溶性酸；

(3)丙酮水浴加熱，去除脂溶性污染物；

(4)烘干表面。

5)制作下電極：蒸發(fā)或?yàn)R射金屬層(Al)后進(jìn)行光刻；包括：真空蒸發(fā)或?yàn)R射形成金屬層(鋁)，使用行星狀軌跡在真空反應(yīng)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以保證膜的厚度均勻且減少孔洞，使用真空蒸發(fā)或?yàn)R射的另一個(gè)好處是降低成本；形成MIM結(jié)構(gòu)中的下電極金屬或上電極金屬。

6)沉積二氧化硅鈍化層，以形成MIM(金屬-絕緣體-金屬)結(jié)構(gòu)，包括光刻和沉積；包括：

(1)去離子水清洗去除微粒與沾污；

(2)利用PECVD技術(shù)淀積二氧化硅，使共振隧穿型二極管結(jié)構(gòu)材料表面形成一層二氧化硅鈍化層，因?yàn)殇X和二氧化硅的合金過(guò)程要求450℃以下，故需要在低溫下淀積，由于等離子體的配合，PECVD可以實(shí)現(xiàn)該技術(shù)要求；

(3)進(jìn)行表面平整；

(4)涂布光刻膠，軟烘培后顯影，然后硬烘培，干法腐蝕形成MIM結(jié)構(gòu)中的絕緣部分。

7)制作上電極：蒸發(fā)或?yàn)R射金屬層(Al)后進(jìn)行光刻；與步驟5)相同，包括：真空蒸發(fā)或?yàn)R射形成金屬層(鋁)，使用行星狀軌跡在真空反應(yīng)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以保證膜的厚度均勻且減少孔洞，使用真空蒸發(fā)或?yàn)R射的另一個(gè)好處是降低成本；形成MIM結(jié)構(gòu)中的下電極金屬或上電極金屬。

8)合金：在400～460℃下，合金30～120s；

9)對(duì)完成的器件背面進(jìn)行減薄，減薄至80μm；

10)以上電極和下電極為掩膜，通過(guò)分子束光刻，去除錐形開口的襯底部分；

11)封裝。