基于负微分迁移率的平面纳米电磁辐射器结构

具体实施方式

本发明提供一种基于负微分迁移率的平面纳米电磁辐射器结构，参看图1a和图1b，分别为一个优选的平面纳米电磁辐射器的纵向结构和平面结构，其由下往上依次包括绝缘衬底1、有源层2及绝缘保护层7，有源层2的两侧还分别设有侧面电极8、19，该有源层2包括位于有源层左右两端的低电阻区域9、16，位于有源层2中间的电场强度分布不均匀的高电阻区域15，且两低电阻区域9、16通过高电阻区域15相连通。其中高电阻区域的阻值一般为低电阻区域阻值的10倍以上。

绝缘衬底：绝缘性是相对于而言的，因此绝缘衬底可以是未掺杂的本征半导体，如InP、Si等；也可以是SiO2、蓝宝石等绝缘材料。

有源层：其中的载流子在外加电场下的输运特性必须具有负微分迁移率从而使得该器件成为正反馈系统；作为该层的材料可以是多能谷半导体，例如III族化合物半导体，具体可以为GaAs、InGaAs、InP以及GaN等；该层厚度最好小于一百纳米而且厚度均匀以便改变其电学特性获得预定的空间电学特性；该层可以是掺杂的半导体薄膜也可以是异质结界面上或量子井中的二维电子气(2DEG)；值得指出的是该层可以具有高导电性也可以是弱导电性。

绝缘保护层：起到保护有源层和绝缘隔离的作用。为了提高散热的效果，可以选择导热率高的材料制作绝缘保护层；绝缘保护层还可以包含一个金属层，例如镀上一层Au，受高电阻区域运动电荷畴的作用，金属层中将对应产生一个镜像电荷畴从而组成电偶极矩；由于有变化电偶极矩的存在，该器件能够直接辐射电磁波而无需再加谐振电路；当然也可以像传统耿氏二极管一样置于特定的振荡电路之中，此时就不需要在器件表面镀上金属层了。

有源层中的电学特性空间分布结构必须能够取得如下效果：第一、确保有源层能够出现多个绝缘区域、至少一个高电阻区域和两个低电阻区域；高电阻区域的横向尺度最好为纳米量级；高电阻区和低电阻区的阻抗差要足够大，以确保在加偏压以后电压将绝大部分落在高电阻区域，用作为电荷畴形成演化的高电阻区域。第二、确保在加偏压后高电阻区域中能够出现高度不均匀的电场分布，这样将有利于电荷畴的形成；而且在小偏压情况下高电阻区域中的强电场区域应该出现在靠近阴极处，这样将有利于电荷畴的充分生长使得振荡增强；为了减小起振的阀值，上述强场区的长度最好远小于整个高电阻区域长度。

为满足上述第一个要求，一个优选的方案为在绝缘保护层上制作平面纳米电极。通过加偏压的方式改变有源层导电特性的空间分布。对于有源层为弱电导的情况，应加上正偏压使得被电极覆盖区域的导电性增强成为导电区域而为覆盖电极的则相当于绝缘区域；对于有源层为高电导的情况，应加上负偏压使得被电极覆盖区域的导电性变弱成为绝缘区域。对于有源层为高电导的情况还可以采用另一个优选方案，即是在有源层上制作(刻蚀)纳米绝缘沟槽来满足上述第一个要求。此时具体做法为通过绝缘沟槽定义一条宽度为几十到一两百纳米的高电阻区域作为电荷畴的形成演化区域。

为了满足上述第二个要求，一个优选的方案为布置一些额外的电势体以改变有源层中高电阻区域的电场分布。这样的电势体可以是加了偏压的平面电极也可以是带特定电荷的绝缘沟槽壁(刻蚀绝缘沟槽的过程中不可避免地会使得其表面带上电荷)。对这些电势体有如下有求：1、必须很接近高电阻区域以便改变高电阻区域中的电场分布；2、尺度应该远小于高电阻区域的长度；3、集中放置于高电阻区域靠阴极的一侧。满足上述第二个要求的另一个优选方案为利用导电区域之间的相互作用而在高电阻区域中获得符合要求的电场分布。

电极：欧姆接触至少两个，置于有源层两侧面且与两个低电阻区域相连，用于对器件加偏压；在一个可选的能够工作于脉冲模式下的方案中，低电阻区域至少为三个，有两个与高电阻区域相互联通，第三个为孤立区域，在其上加上的第三个电极，可以是欧姆接触也可以是肖特基接触用于改变高电阻区域中电场的分布从而触发电荷畴的形成。

在本实施例子中有源层采用2DEG，因此有源层可以选取异质结结构，具体包括了本征的In_0.53Ga_0.47As层4和本征的In_0.53Al_0.47As层3。由于上述两种材料具有不同的带隙，因此在In_0.53Ga_0.47As层4和In_0.53Al_0.47As层3界面上会形成一个势井。通过对In_0.53Ga_0.47As层4引入δ掺杂5就能够向In_0.53Ga_0.47As层4和In_0.53Al_0.47As层3界面上的势井中注入电荷，从而获得二维电子气层6。在本实施例子中衬底可以选择InP材料。

该高电阻区域的上下两侧分别设有绝缘区域，且每一绝缘区域的整体几何形状关于有源层的中心线不对称。绝缘区域13、14可以在绝缘保护层上制作平面纳米电极或是在有源层上刻蚀绝缘沟槽的方法获得。对于前一种方法而言，绝缘区域13、14上面对应覆盖了平面纳米电极。对于后一种方法而言，绝缘区域13、14为通过刻蚀获得的绝缘沟槽。值得指出的是两个低电阻区域只有通过高电阻区域才能联通。因此，在电极8和19上加上电压后，绝大部分的压降将落在高电阻区域15。可见高电阻区域15将用作为电荷畴形成和生长演化区域。此外，每个绝缘区域呈L型，都包括两部分：水平部分14或13、垂直部分11或12。易见，如果以虚线20为参考的话，绝缘区域的形状是空间不对称的。此种不对称使得在加小偏压后，更多的电压降落在了高电阻区域的左端。也就是说高电阻区域的左端处的电场强度会比较大。根据耿氏理论，电荷畴将容易在此处形成。为了使得电荷畴在形成后能得到充分的生长，电荷畴在高电阻区域左端形成后应该向高电阻区域右端移动。因此电极8应该加上负电压，而电极19应该加上正电压。

该绝缘区域上下两端设有改变绝缘区域中电荷分布的电极。该绝缘沟槽中还填有不同介电常数的绝缘材料，可以改变绝缘刻槽的介电特性从而改变器件的特性；这些填充物也有保护纳米刻槽的作用。

该有源层的厚度小于100nm，该高电阻区域的左右长度为1200～1300nm之间，上下宽度为50～70nm之间。

利用蒙特卡罗模拟得到的电荷畴运动情况。模拟所用参数：偏压为3V，高电阻区域宽度为60nm、长度为1250nm，绝缘沟槽宽度为200nm。试验结果得出：随之时间的推移，电荷畴向高电阻区域的右端运动并在运动的过程中不断增大。在电荷畴到达高电阻区域右端后消失的同时高电阻区域左端会有一个新的电荷畴形成。周期性电荷畴的出现使得器件的电阻随时间做周期性变化，这就导致了在恒定偏压下流过器件的电流呈现出周期变化(参见图2)。如果象传统纵向结构耿氏管那样加上特定的电路，那么就可以获得电磁波辐射。

为了说明绝缘沟槽的布置及几何形状对器件性能的影响，下面考虑一个对比结构：如图1c所示。该结构如同优选结构一样具有三部分：欧姆接触的金属电极21和27、有源层(2DEG)28以及绝缘沟槽24和25。同样的两个绝缘沟槽把有源层分成了三个区域22、25和26。其中25为高电阻区，宽度为60nm，长度为1250nm。22和26为低电阻区，电阻值远远小于高电阻区25。两个低电阻区域也是只有通过高电阻区域才能联通。所不同的是绝缘沟槽的形状是空间对称的。因此，在小偏压下，高电阻区域中的电场分布应该是均匀的。图2给出了当偏压在零时刻由2.5V变为3.0V之后上述两个结构的响应电流随时间的变化情况。可见当偏压发生变化时，两个结构的电流响应都出现一个明显的尖峰。这是由于器件具有一定的电容，变化的偏压会对器件进行充电或放电而导致电流的明显改变。两个结构响应电流最大的区别在于：优选结构的响应电流在近100个皮秒的模拟时间内都表现出明显的振荡行为，其振荡周期约为10个皮秒，频率约为0.1THz，为众所周知的耿氏振荡；而对比结构的电流响应只是在偏压该变之后的十几个皮秒的时间内发生了几个周期的衰减振荡，此后电流趋于稳定值。可见用作为振荡器，优选结构性能远高于对比结构。这是因为优选结构中绝缘刻槽的布置及几何形状使得在加偏压后高电阻区域中能够出现高度不均匀的电场分布，这样将有利于电荷畴的形成。

耿氏振荡具有偏压依赖的特点，图3给出了在随时间不断增高的阶梯偏压作用下器件的电流响应特性。其中，图3a中的曲线由上往下分别代表高电阻区域宽度为100、200、300nm的电流，图3b中的曲线由上往下分别代表高电阻区域宽度为90、70、60、50、35nm的电流，参考图3a中的由上往下第二条曲线可见，当电压高于1.0V时，可以观察到电流的振荡。但是在不同电压下振荡有着不同的行为特征。当偏压为1.0V和1.5V时，振荡是过阻尼的，维持不到一个周期就消失了。这表明高电阻区域中的电场很弱不足以维持电荷畴的存在，因此电荷畴在传播的过程中就消失了(为到达高电阻区域的右端)。当偏压为2.0V和1.5V时，电流表现出阻尼振荡的行为。振荡维持几个周期后才消失。这表明此时高电阻区域中的电场虽然还没有高到能够激发电荷畴但是它至少能够维持电荷畴的存在。当偏压为3.0V和3.5V时，电流响应出现频率约为0.1THz的稳定振荡。值得注意的是在阀值偏压下，耿氏电荷畴也能够通过阶梯电压激发出来。它表明当电压发生改变时高电阻区域中出现了瞬时的高电场。这个瞬时高电场在不同情况下也许可以是有用的也可以是有害的，因此在实际应用中有必要加以考虑。由图4a还可以发现，加宽垂直沟槽能够减小耿氏振荡的阀值电压。这是由于对于宽垂直沟槽的器件更多的电压将落在高电阻区域的左端有利于激发耿氏电荷畴。然而此种情况下器件的非对称性减弱了，因此耿氏振荡的幅度随之减小。此外，如图3b所示，增大高电阻区域的宽度将使得非对称性对高电阻区域的影响变弱，因此出现耿氏振荡的电压范围变窄；而减小高电阻区域宽度将会较小高电阻区域中电子数目从而导致耿氏振荡的幅度变小。

现在参看图4，它给出了两种器件的纵向结构。同图1a所示的结构相似，这两个纵向结构也是具有三部分：绝缘衬底1、有源层2和绝缘保护层7。由于本发明器件为有源器件，而一般来讲散热性能往往限制了有源器件的高频、高功率工作性能及其稳定性。为了改善器件的热性能，可以在绝缘层4上加上高热导率的材料层5。此外，图4a中绝缘保护层7还包含了一个金属层6。在此种结构中，如果有一个电荷畴在有源层中形成，那么它将在金属层6中引导出一个镜像的电荷畴，从而形成电偶极矩。根据电磁理论变化的电偶极矩将向外辐射电磁波。因此采用此种结构，只需要加上直流偏压就能获得电磁波辐射，这样大大简化了对外电路的要求。图4b的不同是在于把金属层6放到了衬底下面，这个结构适合运用于绝缘区域是采用平面电极获得的方案中。

现在参看图5，它给出了本发明中两端器件的第二种优选实施例子平面结构的示意图。该结构包括：两个金属电极8和19，有源层以及绝缘沟槽13和14。两个绝缘沟槽把有源层分成了五个区域，分别为低电阻区域9、16，高电阻区域15，孤立区域17、18，孤立区域17、18不与其它区域联通。电极8和孤立区域17相连，电极19和低电阻区域16相连。孤立区域17、18的存在是为了获得特定分布的电势体。这是因为在刻蚀的过程中不可避免的会在刻槽的壁上引入表面态，为此孤立区域17、18的与绝缘区域13、14的边界将带上电荷，一般电量为负的。由于孤立区域17、18和高电阻区域15只是相隔一个很窄(纳米级别)的沟槽，因此通过控制孤立区域17、18的大小、形状及位置就可以控制高电阻区域15中电场的分布。虽然这里给出的孤立区域17、18为矩形，实际上根据需要可以为其它形状。图6中给出的具体的几何参数也仅仅是作为参考。值得注意的是孤立区域17、18的横向尺度按要求必须远小于高电阻区域15的长度；而且孤立区域17、18和低电阻区域9的距离应该远小于和低电阻区域16的距离。

现在参看图6，它给出一个三端器件的平面结构。该结构包括：三个金属电极8、19和20，有源层2以及绝缘沟槽13、14。两个绝缘沟槽把有源层分成了四个区域，其中包括低电阻区域8、19，高电阻区域15，孤立区域17，孤立区域17不同其它区域联通。电极8和低电阻区域8相连，电极19与低电阻区域19相连，电极20和孤立区域17相连。由于孤立区域17和高电阻区域15只是相隔一个很窄(纳米级别)的沟槽，因此高电阻区域15中电荷的输运特性很容易受孤立区域17的影响。所以通过和孤立区域17相连的电极20能够控制高电阻区域15中的电荷畴的形成，从而使得器件能够工作于触发模式。

现在参看图7～9，它们给了由第一种优选结构(参见图1b)为单元经过简单的并联、串联或并串联所获得的性能得到改善的器件。当然下面的讨论同样也适合于第二种优选结构，即如图5所示的结构。图7～9中1、4为电极，2为绝缘沟槽，3为高电阻区域。一般来说，纳米器件有个缺点就是电阻太高。通过并联多个相同的器件可以将器件的电阻降低到满足要求的大小。图7给出了由八个单元并联所构成的器件。图7a中高电阻区域长度是一样的，因此该器件的电阻为单元器件的八分之一。图7b中高电阻区域是不一样长的。由于电荷畴运动周期取决于高电阻区域的长度，因此把长度不同的高电阻区域串联在一起可以获得多频率或宽频谱的电磁辐射输出。图8给出了由四个相同单元串联所构成的器件。这是一个多电荷畴同时工作的器件。相比于单单元器件，由于该器件的工作电压提高了三倍，因此输出功率原则上能够提高三倍。当然此时器件的电阻也提高了三倍。图9给出了由十六个相同单元并串联所构成的器件。此时，器件的电阻和工作频率都没有变，但是输出功率原则上为原来单单元器件的十六倍。