太赫茲波的幾個基本問題

1、2009年5月微納電子技術(shù)第46卷第5期專家論壇Expert Forum太赫茲波的幾個基本問題袁明文(中國電子科技集團公司第十三研究所專用集成電路國家級重點實驗室, 石家莊050051摘要:介紹了用于加工太赫茲波元件的微機械加工技術(shù)(銑削、放電加工、電鑄、濕法腐蝕Si 、干法腐蝕Si 、厚光刻膠:SU -8和L IGA 及其最新結(jié)果。重點描述了應用于太赫茲波的器件和集成電路, 如將可用于太赫茲波的各種新穎二極管、半導體納米器件、新的高電子遷移率晶體管、毫米波集成電路、量子器件、紅外器件、( 。基于帶間躍遷量子機理的半導體器件(的頻率, , 的二極管、C 時間常數(shù)。關(guān)鍵詞:; 量子器件; 量子級

2、聯(lián)激光器中圖分類號. 1:A 文章編號:1671-4776(2009 05-0257-06Several K ey Problems of T erahertzYuan Mingwen(N ational Key L aboratory of A S I C , T he 13th Research I nstitute , C E T C, S hi j iaz huang 050051, China Abstract :The latest result s using micromachining techniques (milling , EDM , elect ro 2forming

3、 , silicon wet etching , silicon dry etching , SU 28and L IGA to fabricate terahertz component s are presented. Advanced devices and integrated circuit s for terahertz application , such as various novel diodes , semiconductor nano 2devices , new H EM Ts , millimeter 2wave integrated circuit s , ter

4、ahertz and inf rared devices quant um cascade lasers (unipolar interband 2t ransition laser , are emp hasized. The f requency limitations of semiconductor devices based on quant um mechanical interband t ransitio ns , most of which are up to 10T Hz , are higher t han t hose of t he devices correspon

5、ding to semiconductor energy gap. However , t he high f requency limit s of diodes and t ransistors based on t he classical diff usive t ransport of electrons are limited by t he t ransient time and parasitic R C time co nstant.K ey w ords :terahertz wave ; terahertz wave source ; HEM T ; quantum de

6、vices ; quantum cascade lasers EEACC :2560X0引言T Hz (1012Hz 波的發(fā)現(xiàn), 填補了現(xiàn)有物理學電磁波譜中毫米波和紅外線波段之間的一段空白1。太赫茲、亞太赫茲波段的頻率為0. 110T Hz , 波長為3mm 30m 。目前, 對于太赫茲波頻譜范圍的定義不盡相同, 如有定義為0. 310T Hz , 波長1mm 30m 2; 或者定義為0. 330T Hz , 其波長1mm 10m , 光子能量(1. 25125meV3等。但是, 其相對位置都是低端收稿日期:2008-09-16E 2m ail :mwyuan 43sina. com752M

7、icronanoelect ronic Technology Vol. 46No. 5M ay 2009連接毫米波, 高端接遠紅外區(qū), 即位于半導體電子器件和光子器件之間的波段。若以應用頻率范圍的載體為坐標, 則太赫茲波“空隙”的位置位于“雷達”與“人”之間。由于技術(shù)上的原因, 這段介于毫米波和遠紅外光線之間的波段長時間沒有被人涉足。近年來, 隨著飛秒(10-15s 激光技術(shù)的發(fā)展和成熟, 為發(fā)展太赫茲波的研究提供了有效的驅(qū)動力。此外, 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展, 對太赫茲波的迫切需要也喚起人們對研究太赫茲波的極大興趣。如飛秒激光高次諧波產(chǎn)生相干X 射線、飛秒激光器觸發(fā)太赫茲波的產(chǎn)生及其應用都是

8、飛秒激光技術(shù)向相關(guān)毫米波段的延伸。極大的吸引力、生物、。太赫茲波兼有連續(xù)波(CW 和脈沖兩種形式, 其脈沖周期數(shù)可減少至1周期, 峰值功率可高達10MW 。從廣義上講, 將太赫茲波技術(shù)應用于半導體將極大地推動以下科學領(lǐng)域:半導體納米結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì); 電子器件的基本極限; 太赫茲波以上(sub 2wavelengt h T Hz 的頻譜學; 相干控制和非線性太赫茲波頻譜學; 量子光學; 量子-信息科學; 自旋電子學; 太赫茲波高電場物理學和量子非線性動力學。在太赫茲波領(lǐng)域中存在著無限的機會, 例如在太赫茲波的電磁波頻率范圍內(nèi), 其基本周期約為1p s , 尤其適合許多重要領(lǐng)域的研究:完全受激態(tài)原

9、子的里德伯(Rydberg 態(tài)軌道的電子頻率是太赫茲波; 小分子的旋轉(zhuǎn)頻率是太赫茲波; 室溫下氣態(tài)分子的碰撞時間約1p s 等。因此, 人們正在努力降低進入研究太赫茲波的門檻。1太赫茲波特性太赫茲波的有關(guān)研究和應用都離不開兩個重要的特性:光譜特性在太赫茲波的范圍內(nèi), 大多數(shù)化學物質(zhì)具有吸收特性, 而在0. 3T Hz 以下的毫米波和微波范圍內(nèi), 則不存在此特性; 傳輸特性在太赫茲波波段, 大多數(shù)材料是透明的, 或者是部分透明的, 而在3T Hz 以上的紅外范圍內(nèi),這些材料變成不透明的。由于太赫茲波兼具上述兩種性質(zhì), 使用太赫茲波(T 射線 的檢查技術(shù)就成為一種比X 射線更有效和獨特的無損檢查方

10、法。因為, 使用太赫茲波設備的輻射性更小, 成像的對比度更清楚, 還有可能實現(xiàn)X 射線無可比擬的化學識別。太赫茲波的應用范圍涉及通信、生物醫(yī)藥、傳感領(lǐng)域等。2太赫茲波源。在現(xiàn)在的物, , 很難。人們需要進行許多實驗, 包括從在大氣和普通材料中的吸收特征、購置和構(gòu)建各種簡單的光學元件如偏光鏡等, 到真正了解電磁波的傳播。此外, 在太赫茲波頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生重大影響的衍射現(xiàn)象等, 也是研究的重要內(nèi)容。研究太赫茲波在成像、探測、傳感和通信等所有的應用系統(tǒng)都離不開基本的太赫茲波能源。在實際應用中, 人們經(jīng)常要求相關(guān)的太赫茲連續(xù)波的源頻率可調(diào), 源強度達到mW 級以上, 并且能夠在室溫下工作。目前, 已經(jīng)開

11、發(fā)的太赫茲連續(xù)波源的方法有量子級聯(lián)激光器(QCL 、回波振蕩器(BWO 和光學混頻等。但是, 在上述方法中, 14T Hz 的太赫茲連續(xù)波源的功率太低, 見圖14。因此, 必須開發(fā)出新的、功率更大的太赫茲波的連續(xù)波源。為了獲得太赫茲波源, 原理上既可將截止頻率圖1太赫茲波源技術(shù)開發(fā)Fig. 1Issue of terahertz technology development852袁明文:太赫茲波的幾個基本問題2009年5月微納電子技術(shù)第46卷第5期接近T Hz 的高速、非線性器件的亞毫米波頻率范圍通過混頻和倍頻, 上變頻到太赫茲波段, 也可以從紅外光波段或可見光的泵激光器下變頻到太赫茲波段。此

12、外, 還可以采用特種元器件直接產(chǎn)生太赫茲波源, 其主要的途徑有:真空電子學, 譬如陀螺振子或者自由電子激光器(FEL , 通常都比較龐大和昂貴, 并且要求很高的工作電壓; 固態(tài)電子學方法:電子器件和光電子器件。電子器件, 可以采用耿二極管, 或者采用電致方法的晶體管振蕩器(0. 5T Hz 以下 和二極管倍頻器(頻率2. 5T Hz 以下 , 以及飛秒光脈沖開關(guān)。光電子器件,可以采用量子級聯(lián)激光器, 但是都不能同時滿足大功率、高效率和寬帶寬的要求, 溫工作的要求。, , 將現(xiàn)有的微電子和光電子器件的工作頻率拓展到太赫茲頻率范圍, 也是一種實現(xiàn)方法的嘗試?；趲чg躍遷量子機理的半導體器件的頻率極

13、限高于與半導體能帶隙相關(guān)器件的頻率, 其大多數(shù)體半導體的頻率可以達到10T Hz 以上。但是, 基于經(jīng)典的電子擴散傳輸機理的二極管、三極管的高頻極限則受限于渡越時間和寄生參數(shù)R C 時間常數(shù)。即使具有迄今最高的電子遷移率和最小尺寸的器件, 其頻率極限也僅在幾百吉赫茲以下5。然而, 在2002年首次出現(xiàn)量子級聯(lián)激光器(QCL (也稱單極帶間躍遷激光器 6以后, 在幾年的時間內(nèi)就已經(jīng)獲得了許多重要的研究進展, 如采用MB E 或者MOCVD 方法生長材料, 獲得了太赫茲波頻率, 不斷提高工作溫度、增加輸出功率(脈沖和連續(xù)波 、降低閾值電流密度7-9等, 業(yè)已表明QCL 是一個很有發(fā)展前途的器件。下

14、面列舉一些相關(guān)的技術(shù)。3微機械加工技術(shù)與太赫茲波無源元件, 主要包, 制成滿足, 、波導和腔體到4 床的公差已能滿足5T Hz 的鏡面和1T Hz 光柵的加工需要, 對于波導、1/4波長線、延遲線或者天線的太赫茲波元件, 則必須采用新的太赫茲波的加工技術(shù)。3. 1太赫茲波加工技術(shù)(1 銑削; (2 放電加工(EDM , 主要優(yōu)點是能夠獲得很好的高寬比的深槽; (3 電鑄; (4 濕法腐蝕Si ; (5 干法腐蝕硅; (6 厚光刻膠:SU 28, 通常采用的光刻膠厚度可達到1mm , 使用方便; (7 L IGA 技術(shù), 即光刻制模成型技術(shù), 采用這種技術(shù)可以獲得很好的高寬比的結(jié)構(gòu)。技術(shù)比較見表

15、110。表1用于加工T Hz 元件(精度小于1mm 的技術(shù)比較Table 1Comparison of difference techniques used for machining of T Hz 2componentswith dimensions smaller than 1mm名稱銑削放電加工(EDM 電鑄濕法腐蝕Si 干法腐蝕Si厚光刻膠SU 28L IGA高寬比(A R 21>101101>201>201>151>701最小凸槽尺寸/m(A R =1>50>150取決于凹形模具>1. 5>1. 5>1. 5>1.

16、5最小凹槽尺寸/m(A R =1>150>50取決于凹形模具>1. 5>1. 5>1. 5>1. 5說明取決于最小銑刀采用高導性金屬凹形模具采用化學可溶性材料作凹形模具高腐蝕速度, 與晶向有關(guān)低腐蝕速度, 掩膜選擇性低金屬粘附, 與堿性工藝有關(guān)X 射線L IGA 要求同步回旋加速器源952袁明文:太赫茲波的幾個基本問題M icronanoelect ronic Technology Vol. 46No. 5M ay 20093. 2微機械加工太赫茲波無源元件(1 波導和混頻器采用傳統(tǒng)的微銑削技術(shù),可將矩形波導加工元件的頻率提高到800GHz 。(2 回波振蕩

17、器(BWO 采用線狀放電加工(wire 2EDM 和L IGA 技術(shù)制造600GHz 的回波振蕩器。(3 人造介質(zhì)材料在太赫茲波應用領(lǐng)域, Si 是一種很重要的材料, 它不僅是制造波導結(jié)構(gòu)的襯底材料, 而且還是具有高電阻率、低損耗和低成本特點的介質(zhì)材料。(4 天線太赫茲波混頻器天線通常要求在基本模式高斯束和天線之間實現(xiàn)耦合度最大化, 要求天線的幾何形狀必須適配于高斯束的電路圖形。這是一種昂貴和尚未標準化的制造技術(shù)。44. 14. 1. 1負阻二極管由于GaN 材料具有GaAs 無可比擬的優(yōu)點, 在GaN 器件中的電子具有12MV/cm 以上的高電場, 能夠制作GaN 彈道型電子加速負微分電導(

18、B EAN 二極管, 其應用前景是太赫茲波段振蕩器11。4. 1. 2肖特基二極管(SBD 由于GaAs 肖特基二極管具有遷移率高、結(jié)構(gòu)簡單, 并屬于室溫工作的多數(shù)載流子器件的特點, 是速度最快的、實用的太赫茲波半導體電子器件。德國已經(jīng)采用肖特基二極管并通過外差法, 獲得600GHz 的混頻器12。若采用具有微空氣橋的平面器件技術(shù), 還能夠克服常規(guī)的鰭線接觸二極管不能集成的缺點。4. 2SiG e 器件采用130nm Si Ge BiCMOS 技術(shù)的肖特基二極管(SBD 器件的截止頻率已經(jīng)達到1. 0T Hz 以上13。Si Ge HB T 的特征頻率f T 和最高振蕩頻率f max 也已經(jīng)分

19、別達到300GHz 和350GHz ?；蛘呖梢圆捎肧i Ge 合金太赫茲波源的3種方法14:Si Ge 量子阱帶間的躍遷由于Si Ge 量子阱中限制態(tài)之間的子帶躍遷, 產(chǎn)生了場致發(fā)光, 已觀察到的典型發(fā)射頻率達到T Hz 范圍, 如30T Hz 、3437T Hz 、2. 96T Hz ; 摻B 應變Si Ge 量子阱諧振態(tài)的躍遷在Si Ge 量子阱中由于自建應變分裂的受主態(tài)之間的諧振態(tài)躍遷, 產(chǎn)生了T Hz 源,如當波長約100m 的Si Ge 量子阱器件的電流達到幾十毫安時, 在溫度4K 、頻率接近3T Hz 時, 獲得輸出功率約0. 3mW 。摻雜硅層中摻雜劑雜質(zhì)的電子躍遷由體Si 摻雜

20、的雜質(zhì)(如B 的電子躍遷, 獲得T Hz 頻率范圍的電磁輻射。4. 3新HEMT 結(jié)構(gòu)人們知道, 改善H EM T 性能的主要途徑是減少器件的柵長。如采用60nm 的InP 基H EM T(圖2 , 其特征頻率f T 和最高振蕩頻率f max 可分別達到GHz 和15。迄今, 采用25InP P H EM T 的特征, 減少器件的柵長不, 而且也不能影響其垂直方向上層結(jié)構(gòu)的厚度。若采用新的雙柵(DC 2H EM T 結(jié)構(gòu), 如圖3所示, 在In GaAs 溝道層的兩邊各有一個柵, 這種結(jié)構(gòu)的DC 2H EM T 明顯提高了器件的低頻和高頻性能(見表2 ?？梢? 不需滿足過于圖2獲得太赫茲波輻射

21、的InP 基60nm H EM TFig. 260nm gate H EM T on InP used to demonstrate t he emissionof terahertz radiationsIn GaAs 6×1018cm -3帽層10nm InAlAs 肖特基層10nm InAlAs 隔離層5nm In GaAs 溝道層20nm InAlAs 隔離層5nm InAlAs 肖特基層10nm 18-3帽層10nm圖3DC 2H EM T 的材料結(jié)構(gòu)圖Fig. 3Schematic of fabricated DC 2H EM T62袁明文:太赫茲波的幾個基本問題2009

22、年5月微納電子技術(shù)第46卷第5期苛刻的柵長要求, 就有可能獲得太赫茲波的性能, 也可視為一種太赫茲波技術(shù)的有益嘗試。表2100nm H EM T 的性能比較T able 2C om parison of performance for 100nm gate HEMT s 器件跨導g m /(mS mm-1特征頻率f T /GHz 最高振蕩頻率f max /GHz H EM T 895209220DC 2H EM 4單片集成以變性InAlAs/In GaAs H EM T (M H EM T 單片毫米(亞毫米 波集成電路為代表的技術(shù), 包括低噪聲放大器(L NA 、倍

23、頻器到100GHz 。, 如將天線或者濾波器等集成在一起, 集成的T Hz 電路芯片尺寸約1mm ×1mm 。4. 5高溫超導體納米器件1994年, 日本科學家從高溫超導體(H TC 中獲得受激的約瑟夫森等離子體和連續(xù)的太赫茲波源, 如圖44所示。在磁場強度1 T 的磁場中, 這種高溫超導體納米器件能夠發(fā)出23T Hz 的連續(xù)、mW 級的太赫茲波功率, 其頻率可調(diào)。在高溫超導體中, 沿著晶體c 軸方向, 由強超導體層CuO 2和絕緣層多次交替重迭, 形成一種天然的多頭連接的本征約瑟夫森結(jié)(I JJ 。由于受激的約瑟圖4一種新太赫茲波源Fig. 4New terahertz wave sources夫森等離子體是通過成對的Cu 和電磁場的非線性相互作用形成的, 其時間(as 2ns 和空間(1nm