一种基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源及其工作方法与流程

1.本发明公开了一种基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源及其工作方法，属于电磁场与微波技术和半导体技术的交叉技术领域


背景技术：

2.近年来，由于一些新技术与新材料的研究和发展，太赫兹技术得以迅速发展，而太赫兹波辐射源的研究也在相应的领域内被重视起来，并掀起了一股热潮。目前，应用于太赫兹领域的半导体固态信号源以负阻器件为主，比如耿氏二极管(gunn diode)、共振隧穿二极管(rtd)、崩越二极管(impatt diode)等。在这些二极管中，耿氏二极管具有工作频率高、稳定性强、可靠性高、噪声低、频带宽、电源电压低以及工作寿命长等诸多优点，目前，负阻器件在太赫兹领域的半导体固态辐射源中愈发重要，因此，在众多的转移电子器件中耿氏二极管具有在太赫兹频段应用的巨大潜力。
3.1963年由耿氏(j.b.gunn)发现：当高于临界值的恒定直流电压加到一小块n型砷化镓相对面的接触电极上时，便产生振荡电流。这种在半导体本体内产生高频电流的现象称为耿氏效应。耿氏二极管有五种工作模式：理想均匀场模式、限制空间电荷积累模式、猝灭偶极层模式、积累层模式及渡越时间偶极畴模式；其中前四种模式很容易发生频率漂移，而第五种模式谐振频率锁定在外部谐振电路的频率，不会漂移。当把耿氏二极管放入一个具有高品质系数(q)的谐振腔中时，耿氏二极管对外表现的振荡频率不再像其它模式那样单纯受沟道长度的影响，而是在谐振腔的谐振频率附近，这种工作模称之为外部谐振模式。工作在外部谐振模式的耿氏二极管不但振荡频率变的非常稳定，而且振荡频率可w随着谐振脏的谐振频率的改变而改变，调节幅度可达40％。
4.在过去的几十年中，耿氏二极管波导振荡器因其高功率、低噪声、小尺寸及高频率性能而获得广泛应用。从耿氏二极管的主要材料到波导腔体，其看似简单的结构之下为了实现最佳性能而采用的极其复杂及精细调节的几何形状和材料。虽然易于批量生产的晶体管类vco的应用更为广泛，但耿氏二极管波导振荡器更能符合日益增长的毫米波测试测量专用领域的需求。
5.传统器件存在频率限制的缺点，对工作环境要求较为苛刻，同时存在封装体积大，无法集成等明显缺陷，从而限制了在高频，集成化等领域的应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源。
7.本发明通过在电路板上加工介质集成波导谐振腔，并与耿氏二极管集成，实现输出频率稳定的太赫兹和毫米波信号源。结构简单，平面易加工，利于平面电路集成，同时又具有高q因子，既可以与平面耿氏二极管集成，由可以与垂直结构集成。信号源具有输出信
号频率稳定、外形小、成本低等优势。
8.本发明还提供了上述基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡器信号源的工作方法
9.术语解释：
10.室温，25℃。
11.本发明的技术方案为
12.一种基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源，包括：
13.自上而下的顶层、中间层以及底层；顶层为cpw(共面波导)多层金属结构，中间层为绝缘板材结构，底层为cpw(共面波导)多层金属结构；
14.贯穿顶层、中间层以及底层的过孔结构。
15.根据本发明优选的，所述cpw多层金属结构和包括自上而下的4-6um金属au层、8-14um金属ti层、8-12um金属cu层。
16.进一步优选的，所述金属au层的厚度为5um，所述金属ti层的厚度为12um，所述金属cu层的厚度为10um。
17.根据本发明优选的，所述中间层采用罗杰斯板材rogers-4350b，厚度为4mil。
18.根据本发明优选的，所述过孔结构为自上而下贯穿顶层、中间层以及底层的结构，且所述过孔结构包括若干规则紧密排列的圆柱体孔洞，直径为50-200um。
19.进一步优选的，所述圆柱体孔洞的直径为100um。
20.根据本发明优选的，所述cpw多层金属结构通过以下方法制备而成，具体包括步骤如下：
21.(1)利用电子束蒸镀技术，在罗杰斯板材表面自下而上依次蒸镀8-12um金属cu层、8-14um金属ti层、4-6um金属au层。
22.(2)利用光刻技术，在步骤(1)蒸镀的金属表面刻蚀出顶层共面波导多层金属馈电和信号输出的结构以及底层的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构；
23.(3)将步骤(2)光刻后的结构进行湿法刻蚀；
24.(4)将步骤(3)处理后的样品置于去胶溶液中进行去胶。
25.进一步优选的，步骤(2)中，所述光刻技术为激光直写法或紫外光刻法。
26.进一步优选的，步骤(3)的具体实现过程为：
27.首先，将步骤(2)光刻过后的样品于室温下置于质量分数为20％的ki溶液中静置1h，金属au层、金属ti层脱落；
28.然后，将样品于室温下置于质量分数为50％的fecl3溶液中静置5h，金属cu层脱落，裸露出中间层。
29.进一步优选的，步骤(4)的具体实现过程为：将步骤(3)处理后的样品于室温下静置5min后取出，此时样品剩余图案即为顶层共面波导多层金属馈电和信号输出的结构以及底层的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构。
30.上述基于基片集成波导谐振腔结构的耿氏二极管振荡器信号源的工作方法，包括步骤如下：
31.a、平面耿氏二极管的顶层阳极为双端口，其中，一端施加工作电压，另一端与耿氏二极管振荡器信号源相连；
32.平面耿氏二极管的底层阴极与所述底层的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构的阴极相连，平面耿氏二极管的顶层阳极与所述底层的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构的阳极相连；
33.b、在所述底层的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构的中间谐振贴片处施加工作电压；
34.c、所述过孔阵列、所述顶层、所述底层及所述中间层构成siw谐振腔；平面耿氏二极管产生的信号与siw谐振腔通过中间谐振贴片耦合产生谐振，使耿氏二极管工作在外部谐振模式；
35.d、平面耿氏二极管产生的信号通过顶层共面波导多层金属馈电和信号输出的结构输出，从而实现高频信号输出的目的。
36.根据本发明优选的，中间谐振贴片的中间导体为欧特征阻抗的共面波导传输线，共面波导传输线的宽度为0.3-0.5mm，共面波导传输线的长度为1-2mm，中间导体与两侧导体的缝隙宽度为0.04-0.07mm。
37.进一步优选的，所选共面波导传输线的欧特征阻抗为50欧姆。
38.根据本发明优选的，所述平面耿氏二极管的阳极和阴极耦合接口的水平间距为8-12um。
39.本发明的有益效果为：
40.1、本发明基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源结构，结构相对简单，所产生的噪声含量较低，外形小巧轻量，成本效益较高。
41.2、本发明基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源结构，采用自上而下的cpw-绝缘层-cpw组合的三明治结构，操作简单，易于加工，节省了制作成本。
42.3、本发明基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源结构，改进了传统的压印以及刻蚀技术，利小批量生产，避免资源浪费。
43.4、本发明用共面波导传输线结构组利用铜板散热，良好的解决了耿氏二极管的大电流热效应，增加了器件的可靠性。
44.5、本发明采用单片微波集成电路与共面波导技术采用自偏置电路结构，简化电路结构，易于实现单片集成，不需要复杂的波导封装组件。
45.6、本发明基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源的工作方法，可用于测试平面耿氏二极管的外部谐振频率。
46.7、本发明基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源结构，采用平面耿氏二极管与siw谐振腔结合的方式，具有较高且可调控的工作频率，易于集成，体积小巧，可在室温(15-40摄氏度)下良好工作。
附图说明：
47.图1为本发明耿氏二极管振荡信号源的结构示意图；
48.图2为本发明耿氏二极管振荡信号源的底层的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构的平面示意图；
49.图3为本发明基于基片集成波导谐振腔结构的耿氏二极管振荡器信号源的侧面示意图；
50.图4为本发明siw谐振腔与平面耿氏二极管的集成示意图；
51.图5为本发明基于基片集成波导谐振腔结构的耿氏二极管振荡器信号源工作时的谐振频率的仿真结果示意图。
52.1、顶层，2、过孔结构，3、cpw多层金属结构的阳极，4、中间谐振贴片，5、cpw多层金属结构的阴极，6、底层，7、平面耿氏二极管，8、中间层。
具体实施方式
53.下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
54.实施例1
55.一种基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源，如图1、图3所示，包括：
56.自上而下的顶层1、中间层8以及底层6；顶层1为cpw(共面波导)多层金属结构，中间层8为绝缘板材结构，底层6为cpw(共面波导)多层金属结构；
57.贯穿顶层1、中间层8以及底层6的过孔结构2。
58.实施例2
59.根据实施例1所述的一种基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源，其区别在于：
60.cpw多层金属结构和包括自上而下的4-6um金属au层、8-14um金属ti层、8-12um金属cu层。金属au层是为防止金属cu层氧化腐蚀，影响结构性能，金属ti层是为增加au层的附着力，防止脱落。
61.中间层8采用罗杰斯板材rogers-4350b，厚度为4mil。提供低的介电常数以及低损耗，而其价格是传统微波材料的几分之一，节省制作成本，提高谐振腔的q因子，但选用材料不限于此。
62.过孔结构2为自上而下贯穿顶层1、中间层8以及底层6的结构，且过孔结构2包括若干规则紧密排列的圆柱体孔洞，直径为50-200um。
63.实施例3
64.根据实施例2所述的一种基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源，其区别在于：
65.金属au层的厚度为5um，金属ti层的厚度为12um，金属cu层的厚度为10um。
66.圆柱体孔洞的直径为100um。
67.实施例4
68.根据实施例1所述的一种基于介质集成波导谐振腔的耿氏二极管振荡信号源，其区别在于：
69.cpw多层金属结构通过在罗杰斯板材表面进行金属层蒸镀，光刻，以及湿法刻蚀等技术制作完成，cpw多层金属结构通过以下方法制备而成，具体包括步骤如下：
70.(1)利用电子束蒸镀技术，在罗杰斯板材表面自下而上依次蒸镀8-12um金属cu层、8-14um金属ti层、4-6um金属au层。
71.(2)利用光刻技术，在步骤(1)蒸镀的金属表面刻蚀出顶层共面波导(cpw)多层金属馈电和信号输出的结构以及底层6的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构；如图2所示；光刻技术为激光直写法或紫外光刻法。
72.(3)将步骤(2)光刻后的结构进行湿法刻蚀；具体实现过程为：
73.首先，将步骤(2)光刻过后的样品于室温下置于质量分数为20％的ki溶液中静置1h，金属au层、金属ti层脱落；
74.然后，将样品于室温下置于质量分数为50％的fecl3溶液中静置5h，金属cu层脱落，裸露出中间层8。
75.(4)将步骤(3)处理后的样品置于去胶溶液中进行去胶。具体实现过程为：将步骤(3)处理后的样品于室温下静置5min后取出，此时样品剩余图案即为顶层共面波导(cpw)多层金属馈电和信号输出的结构以及底层6的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构。
76.实施例5
77.实施例1-4任一所述的基于基片集成波导(siw)谐振腔结构的耿氏二极管振荡器信号源的工作方法，包括步骤如下：
78.a、平面耿氏二极管7的顶层阳极为双端口，其中，一端施加工作电压，另一端与耿氏二极管振荡器信号源相连；
79.平面耿氏二极管7的底层阴极与底层6的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构的阴极5相连，平面耿氏二极管7的顶层阳极与底层6的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构的阳极3相连；如图4所示。
80.b、在底层6的用于耿氏二极管集成的cpw多层金属结构的中间谐振贴片4处施加工作电压；
81.c、过孔阵列2、顶层1、底层6及中间层8构成siw谐振腔；平面耿氏二极管7产生的信号与siw谐振腔通过中间谐振贴片4耦合产生谐振，使耿氏二极管7工作在外部谐振模式；其外部谐振的工作频率，可根据上下两层cpw多层金属结构的尺寸变化，在1ghz-120ghz之间进行调节。
82.d、平面耿氏二极管7产生的信号通过顶层共面波导(cpw)多层金属馈电和信号输出的结构输出，从而实现高频信号输出的目的。
83.中间谐振贴片4的中间导体为欧特征阻抗的共面波导传输线，共面波导传输线的宽度为0.3-0.5mm，共面波导传输线的长度为1-2mm，中间导体与两侧导体的缝隙宽度为0.04-0.07mm。
84.共面波导传输线的欧特征阻抗为50欧姆。
85.平面耿氏二极管7的阳极和阴极耦合接口的水平间距为8-12um。
86.顶层1与底层6均采用金属铜做基本层，在保证信号传输的基础上增强该结构的热耗散。
87.基于基片集成波导谐振腔结构的耿氏二极管振荡器信号源工作时的谐振频率的仿真结果示意图如图5所示，图5中，上方曲线为s11，下方曲线为s21，该仿真结果显示了本发明基于基片集成波导谐振腔结构的耿氏二极管振荡器信号源的工作频率在38ghz、60ghz以及85ghz下时可产生谐振，从而使耿氏二极管达到外部谐振模式，并且该输出频率可随尺寸变化在1～120ghz之间进行调节,该仿真结果证明本发明基于基片集成波导谐振腔结构的耿氏二极管振荡器信号源实现了高频信号稳定输出的目的。