一種基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器的製作方法
2023-10-10 06:36:14
本發明屬於太赫茲功能器件技術領域，具體涉及一種基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器。
背景技術：
THz波通常是指波長處在3mm到30μm(頻率在0.1THz到10THz)的電磁波，在電磁波譜中處於微波與紅外波之間。THz在電磁波譜中的位置決定了THz波具有微波和紅外波少有的性能，主要包括瞬態性、相干性、寬譜性、低光子能量等特性，使得THz波相對於其他波段的電磁波顯示出特殊的性質。近年來，隨著光學、半導體學、電子學以及微加工等技術的不斷成熟，THz技術也成為了研究熱點。
THz技術作為一種新興學科，在發展的過程中必然會有不少的瓶頸，其中就包括THz調製器件的匱乏，特別是關於磁控調製和使用磁性材料的太赫茲調製器。現有的THz調製器件的中間介質層大多使用SiO2、Al2O3等介質作為中間層材料，存在調製速率低、寬帶窄、調製幅度小等缺陷，不能適應未來太赫茲波通信系統的要求。
技術實現要素：
本發明針對背景技術存在的缺陷，提出了一種新型的基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器。該太赫茲波調製器採用具有高飽和磁化強度、低矯頑力的MnZn鐵氧體磁性薄膜作為中間層，具有調製頻率寬、透射率高等優點。
本發明的技術方案如下：
一種基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器，包括自下而上依次層疊的P型矽襯底(3)、錳鋅鐵氧體薄膜(2)和石墨烯層(1)，源端(4)，漏端(5)和柵端(6)，其中，錳鋅鐵氧體薄膜(2)採用濺射法製備得到。
進一步地，所述錳鋅鐵氧體薄膜(2)的厚度為200～500nm。
進一步地，所述錳鋅鐵氧體薄膜的製備過程具體為：
步驟1.錳鋅鐵氧體靶材的製備：
1.1使用化學共沉積法製備氧化物粉末：將可溶性鐵鹽、可溶性錳鹽和可溶性鋅鹽分別加入去離子水中，攪拌混合均勻，然後加入強鹼，發生中和反應後，形成絮狀金屬氫氧化物沉澱，過濾，在溫度小於500℃下加熱，並且烘乾，即可得到納米粒度的Fe2O3粉末、MnO2粉末和ZnO粉末；其中，可溶性鐵鹽、可溶性錳鹽和可溶性鋅鹽的摩爾比為4:1:1；
1.2將步驟1.1得到的納米粒度的Fe2O3粉末、MnO2粉末和ZnO粉末使用球磨機混合均勻，在950℃～1000℃下預燒2小時，得到預燒料；
1.3將步驟1.2得到的預燒料研磨為微米級粉體，並壓制形成毛坯靶後，在1200～1250℃溫度下、氧氣氣氛下燒結3～4h，冷卻後取出，經三維收縮和表面光潔度處理，得到錳鋅鐵氧體靶材；其中，氧氣的氣體流量為0.1-1sccm；
步驟2、錳鋅鐵氧體薄膜的製備：以步驟1得到的錳鋅鐵氧體靶材作為濺射靶材，採用射頻磁控濺射法在P型矽襯底表面沉積錳鋅鐵氧體薄膜，然後置於真空環境中進行退火處理，退火溫度為350℃～750℃，退火真空度為0.08Pa～5.0Pa，退火時間為1.5～2h；其中，濺射時背底真空為小於1×10-4Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，其中PO2/(PO2+PAr)(混合氣體中氧氣壓與氣體總壓比)為0.1％～25％，濺射氣壓為0.2～0.8Pa，濺射功率為90～180W，襯底表面溫度為200℃～300℃。
進一步地，所述P型矽襯底(3)為採用硼(B)摻雜的P型Si，其電阻率為4.6～5.2Ω·cm、摻雜濃度為(1.6～2.5)×1015cm-3、摻雜空穴遷移率為1500cm2/v·s。
一種基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器的製備方法，包括以下步驟：
步驟1、錳鋅鐵氧體靶材的製備：
1.1使用化學共沉積法製備氧化物粉末：將可溶性鐵鹽、可溶性錳鹽和可溶性鋅鹽分別加入去離子水中，攪拌混合均勻，然後加入強鹼，發生中和反應後，形成絮狀金屬氫氧化物沉澱，過濾，在溫度小於500℃下加熱，並且烘乾，即可得到納米粒度的Fe2O3粉末、MnO2粉末和ZnO粉末；其中，可溶性鐵鹽、可溶性錳鹽和可溶性鋅鹽的摩爾比為4:1:1；
1.2將步驟1.1得到的納米粒度的Fe2O3粉末、MnO2粉末和ZnO粉末使用球磨機混合均勻，在950℃～1000℃下預燒2小時，得到預燒料；
1.3將步驟1.2得到的預燒料研磨為微米級粉體，並壓制形成毛坯靶後，在1200～1250℃溫度下、氧氣氣氛下燒結3～4h，冷卻後取出，經三維收縮和表面光潔度處理，得到錳鋅鐵氧體靶材；其中，氧氣的氣體流量為0.1-1sccm；
步驟2、錳鋅鐵氧體薄膜的製備：以步驟1得到的錳鋅鐵氧體靶材作為濺射靶材，採用射頻磁控濺射法在P型矽襯底表面沉積錳鋅鐵氧體薄膜，然後置於真空環境中進行退火處理，退火溫度為350℃～750℃，退火真空度為0.08Pa～5.0Pa，退火時間為1.5～2h；其中，濺射時背底真空為小於1×10-4Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，其中PO2/(PO2+PAr)(混合氣體中氧氣壓與氣體總壓比)為0.1％～25％，濺射氣壓為0.2～0.8Pa，濺射功率為90～180W，襯底表面溫度為200℃～300℃；
步驟3、採用CVD法或SiC熱裂解法製備石墨烯；
步驟4、將步驟3得到的石墨烯薄膜轉移到步驟2形成的錳鋅鐵氧體薄膜上，然後在石墨烯薄膜上形成源端(4)和漏端(5)，在P型Si襯底上形成柵端(6)，使P-Si和錳鋅鐵氧體薄膜形成PN結；得到本發明所述基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器。
進一步地，步驟1.1所述可溶性鐵鹽為Fe(NO3)3、FeCl3等，所述可溶性錳鹽為Mn(NO3)3、MnCl3等，所述可溶性鋅鹽為Zn(NO3)2、ZnCl2等。
進一步地，步驟1.1所述強鹼為NaOH、KOH等。
進一步地，步驟3所述CVD法製備石墨烯的具體過程為：將銅箔放入管式爐中，在30min內由室溫升溫至950～1105℃，保溫1～2h，整個過程中通入流量為10sccm的氫氣作為保護氣體，得到具有催化性質的銅，利於對石墨烯進行催化；然後向管式爐內通入甲烷和氫氣的混合氣體直至氣體氣壓為280～320Pa，其中，甲烷的流量為1sccm，氫氣的流量為50sccm，保持4～6min；打開爐子進行降溫，此時繼續通入甲烷和氫氣，待溫度降低到180～220℃時，關閉氣體，冷卻至室溫後取出，即可在銅箔表面形成石墨烯。
進一步地，步驟4所述將石墨烯薄膜轉移到錳鋅鐵氧體薄膜上的具體過程為：在步驟3得到的石墨烯表面旋塗聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，在刻蝕液中刻蝕掉銅後，晾乾，然後將PMMA/Graphene(石墨烯)複合薄膜放入丙酮中，去除PMMA，即可得到石墨烯薄膜；然後將得到的石墨烯薄膜層疊到步驟2形成的錳鋅鐵氧體薄膜上。
本發明的有益效果為：
本發明提供的基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器是通過在襯底上濺射具有高飽和磁化強度、低矯頑力的MnZn鐵氧體磁性薄膜，再在其上形成石墨烯層得到的，通過比較石墨烯與MnZn鐵氧體薄膜的電阻率、遷移率及載流子濃度可知，該太赫茲波調製器的Graphnen/MnZn/p-Si結構是一個CMOS場效應電晶體，柵極電壓可控制源端和漏端之間的電流，而MnZn鐵氧體薄膜作為柵極和源端、漏端之間的隔離；本發明採用具有良好的電磁能量轉換與傳輸的MnZn鐵氧體薄膜作為中間介質層材料，得到的太赫茲波調製器調製頻率寬、透射率高。
附圖說明
圖1為本發明基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器的結構示意圖；其中，1為石墨烯層，2為錳鋅鐵氧體薄膜，3為P型矽襯底，4為源端，5為漏端，6為柵端；
圖2為實施例基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器在0.2～1.0Thz頻率下不同柵源電壓(Vsg)的太赫茲透射調製測試曲線；
圖3為實施例基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器中採用200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm厚度的錳鋅鐵氧體薄膜時的磁性飽和磁化強度Ms(Saturation magnetization)和矯頑力Hc(Coercive force)性能測試曲線；
圖4為實施例基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器在100W、120W、140W、160W、180W濺射功率下得到的錳鋅鐵氧體薄膜的XRD圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，詳述本發明的技術方案。
實施例
如圖1所示，為本發明實施例提供的一種基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器，包括自下而上依次層疊的P型矽襯底(3)、錳鋅鐵氧體薄膜(2)和石墨烯層(1)，源端(4)，漏端(5)和柵端(6)，其中，錳鋅鐵氧體薄膜(2)採用濺射法製備得到。
進一步地，所述錳鋅鐵氧體薄膜(2)的厚度為200～500nm。
本發明還提供了一種基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器的製備方法，包括以下步驟：
步驟1、錳鋅鐵氧體靶材的製備：
1.1使用化學共沉積法製備氧化物粉末：將Fe(NO3)3、Mn(NO3)3、Zn(NO3)2分別加入去離子水中，攪拌混合均勻，然後加入強鹼NaOH，發生中和反應後，形成絮狀金屬氫氧化物沉澱，過濾，在溫度小於500℃下加熱，並且烘乾，即可得到納米粒度的Fe2O3粉末、MnO2粉末和ZnO粉末；其中，Fe(NO3)3、Mn(NO3)3、Zn(NO3)2的摩爾比為4:1:1；
1.2將步驟1.1得到的納米粒度的Fe2O3粉末、MnO2粉末和ZnO粉末使用球磨機混合均勻，在1000℃下預燒2小時，得到預燒料；
1.3將步驟1.2得到的預燒料研磨為1.0μm的粉體，並壓製成直徑Φ＝70mm、厚度4mm的毛坯靶後，在1250℃溫度下、氧氣氣氛下燒結3.5h，冷卻後取出，經三維收縮和表面光潔度處理，得到直徑Φ＝60mm、厚度2mm的錳鋅鐵氧體靶材；其中，氧氣的氣體流量為0.1sccm；
步驟2、錳鋅鐵氧體薄膜的製備：以步驟1得到的錳鋅鐵氧體靶材作為濺射靶材，採用射頻磁控濺射法在P型矽襯底表面沉積厚度為200nm的錳鋅鐵氧體薄膜，然後置於真空環境中進行退火處理，退火溫度為550℃，退火真空度為0.6Pa，退火時間為1.5h；其中，濺射時背底真空為1×10-5Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，其中PO2/(PO2+PAr)(混合氣體中氧氣壓與氣體總壓比)為5％，濺射氣壓為0.6Pa，濺射功率為90W，襯底表面溫度為200℃；
步驟3、採用CVD法製備石墨烯：將銅箔放入管式爐中，在30min內由室溫升溫至1005℃，保溫1h，整個過程中通入流量為10sccm的氫氣作為保護氣體，得到具有催化性質的銅，利於對石墨烯進行催化；然後向管式爐內通入甲烷和氫氣的混合氣體直至氣體氣壓為300Pa，其中，甲烷的流量為1sccm，氫氣的流量為50sccm，保持6min；打開爐子進行降溫，此時繼續通入甲烷和氫氣，待溫度降低到200℃時，關閉氣體，冷卻至室溫後取出，即可在銅箔表面形成石墨烯；
步驟4、將步驟3得到的石墨烯薄膜轉移到步驟2形成的錳鋅鐵氧體薄膜上：在步驟3得到的石墨烯表面旋塗聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，在刻蝕液中刻蝕掉銅後，晾乾，然後將PMMA/Graphene(石墨烯)複合薄膜放入丙酮中，去除PMMA，即可得到石墨烯薄膜；然後將得到的石墨烯薄膜層疊到步驟2形成的錳鋅鐵氧體薄膜上；
步驟5、在石墨烯薄膜上形成源端(4)和漏端(5)，在P型Si襯底上形成柵端(6)，使P-Si和錳鋅鐵氧體薄膜形成PN結，如圖1所示；得到本發明所述基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器。
本實施例中的P型矽襯底(3)為採用硼(B)摻雜的P型Si，其電阻率為4.6～5.2Ω·cm、摻雜濃度為(1.6～2.5)×1015cm-3、摻雜空穴遷移率為1500cm2/v·s；製得的石墨烯薄膜的常溫載流子遷移率為15000cm2/v·s，空穴濃度等於電子濃度，電阻率為10-6Ω·cm；製得的錳鋅鐵氧體薄膜(Mn0.5Zn0.5Fe2O4薄膜)是n-型半導體，電阻率約為1000Ω·cm，載流子濃度6×1012cm-3。
下面結合附圖詳細分析實施例得到的太赫茲波調製器的性能：
圖1中，4為源端(s)，5為漏端(d)，6為柵端(g)。當在源極和漏極之間加電壓Vsd＝1.0V(注意：由於結構對稱，源極和漏極可以互換)，柵極到源極電壓Vgs＝0V時，可測得實施例太赫茲波調製器中石墨烯兩端電阻Rds約為2KOhm，電流Ids＝85μA，柵源極之間的電流約為0μA。
圖2為實施例基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器在0.2～1.0Thz頻率下不同柵源電壓(Vsg)的太赫茲透射調製測試曲線；由圖2可知，當Vsd＝1.0V，Vsg＝-25V時，可得到在0.8THz頻率下該太赫茲波調製器的透射率約為86％，且隨著Vsg絕對值的增加，透射率逐漸增大。圖2顯示本發明提供的太赫茲波調製器在0.4THz到0.8THz有較好的透射率，因而具有較好的調製頻率寬度。且柵源電流約為0μA。
圖3為實施例基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器中採用200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm厚度的錳鋅鐵氧體薄膜時的磁性飽和磁化強度Ms(Saturation magnetization)和矯頑力Hc(Coercive force)性能測試曲線；由圖3可知，隨著錳鋅鐵氧體薄膜厚度的增加，飽和磁化強度先增大，然後逐漸趨於平穩，矯頑力則隨著錳鋅鐵氧體薄膜厚度的增加而逐漸減小。
圖4為實施例基於MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調製器在100W、120W、140W、160W、180W濺射功率下得到的錳鋅鐵氧體薄膜的XRD圖；由圖4可知，隨著濺射功率的增加，MnZn鐵氧體薄膜尖晶石相峰的強度先增加，當濺射功率大於一定數值時，其強度有所減小。