一种类LED结构的太赫兹自振荡源

技术领域

本发明属于电子信息工程的太赫兹应用技术领域，涉及太赫兹信号的产生方法及器件制备工艺，具体是将可以工作在太赫兹频段的碰撞雪崩渡越时间二极管(简称“雪崩二极管”，英文缩写IMPATT)的PN结管芯与谐振腔进行一体化设计，通过微电子工艺组合在一体，设计必要的恒流源激励端口和输出耦合接口，形成一个类似于发光二极管(LED)结构的太赫兹自振荡信号源，也可以由多个相似结构形成太赫兹频段发射信号阵列，用于主被动探测系统的发射源或泵浦信号。该技术可用于太赫兹目标探测雷达、主被动成像和宽带通信等领域。

背景技术

IMPATT(雪崩二极管)的特点是内部由于参杂浓度不同存在雪崩区和漂移区，二极管在外加反向偏压下，发生碰撞电离雪崩击穿，产生的载流子(电子与空穴)渡越漂移区，进而在这两个过程中产生相位延迟，产生负阻效应，产生稳定的微波振荡信号输出。IMPATT振荡源的工作原理是利用该器件结构中的载流子碰撞电离和渡越时间两种物理效应之间的相互作用，借助外部振荡谐振腔体使得作用于雪崩二极管上的电压和电流之间产生可以使二极管呈现负阻效应的相位差，产生周期性稳定的信号输出，从而构成所需频段自振荡源。

按照毫米波频段传统的振荡源设计理念，IMPATT振荡源结构简单、输出功率大，是太赫兹频段首选的固态振荡源。但从技术实现的角度看，太赫兹频段IMPATT振荡源的腔体多由黄铜或合金铝材料制作，由于腔体及波导尺寸一般都在毫米量级以下，小到微纳米量级，考虑到机械加工精度及表面粗糙度等因素，所形成的腔体振荡频率很难超过300GHz，这仅仅能够达到太赫兹频段的低端要求，而且由于加工公差带来加工一致性差，调试难度大，难以实现批量化生产，而更高端频率的振荡源由于尺寸和精度原因几乎无法通过机械加工的腔体实现，只能寻找其他方法。

产生太赫兹信号的另一种方法是光学下变频法，这种方法很难达到太赫兹低频段，并且设备复杂体积大，产生的太赫兹信号功率小，难以用于主动探测。

发明内容

要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是突破传统的机械加工尺寸及精度极限，通过微电子工艺手段实现太赫兹频段一体化自振荡源，简化太赫兹信号的产生方法，提高振荡源的振荡频率，实现批量生产的一致性，系列化，便于形成发射阵列，实现单个器件、通电即发射的太赫兹信号产生方式。

技术方案

一种类LED结构的太赫兹自振荡源，其特征在于包括热沉体、类键合丝、谐振腔、输出耦合口、IMPATT二极管的PN结管芯、封盖及喇叭口、支撑体、电极引脚和基材(19)；IMPATT二极管的PN结管芯和谐振腔附着在热沉体表面，IMPATT二极管的PN结管芯的两极通过类键合丝与电极引脚与外部电源相连，基材和支撑体用于太赫兹自振荡源结构支持及外部连接；当电极引脚外接符合条件的电源时，PN结管芯在谐振腔内部产生振荡信号，振荡信号通过输出耦合口向外辐射，封盖及喇叭口起到对内部结构保护和输出信号定向作用。

所述的IMPATT二极管的PN结管芯通过粘接剂固定附着在热沉体表面。

一种由权利要求1所述的类LED结构的太赫兹自振荡源组成的太赫兹频段发射信号阵列，其特征在于包括6个类LED结构的太赫兹自振荡源。

有益效果

本发明提出的一种类LED结构的太赫兹自振荡源，与现有技术相比较所具有的有益效果是：

(1)本发明用微电子工艺技术形成太赫兹频段谐振腔及信号输出结构，替代微波毫米波振荡器中金属波导结构，提高了振荡源的工作频率，减少了调试环节，可实现通电实时输出信号，方便了太赫兹信号的产生，改善了器件的一致性和工作的稳定性。

(2)利用本发明所述的结构可以形成单独的太赫兹自振荡源，也便于形成太赫兹发射源线阵列或阵面，传输损耗降低，能量利用效率提高。

(3)使振荡源的体积减小，馈电结构简化，可以根据需要灵活布局。

(4)自振荡源方便系统使用，加工及使用成本降低。

附图说明

图1 LED典型结构

图2太赫兹自振荡源结构示意图

1-PCB、2-热沉体、3-键合丝、4-电致发光芯片、5-光学透镜、6-粘接剂、7-框架、8-外引脚、9-焊盘、11-热沉体、12-类键合丝、13-谐振腔、14-输出耦合口、15-PN结管芯、16-封盖及喇叭口、17-支撑体、18-电极引脚、19-基材。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的技术解决方案是：在继承已有IMPATT二极管PN结管芯形成工艺的基础上，运用IMPATT振荡源的工作机理，参考LED典型结构，增加波导谐振腔及内部信号耦合机构和输出耦合口，保证所产生信号的频谱纯度和稳定度，通过软件仿真设计谐振腔的尺寸及输入输出结构，设计微电子半导体工艺实现的具体步骤和方法，进行制备和验证，实现单个振荡源的批量生产或发射信号阵列产生目标。

首先介绍LED的典型结构：LED是一种可以将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件，其结构如图1所示，电致发光芯片4通过粘接剂6固定在用于散热的热沉体2表面，芯片4的两极通过键合丝3与外引脚8及焊盘9电极相连。印刷电路板PCB1和框架7对LED起到连接和支撑作用。当LED的外引脚8外接符合条件的电源时，电致发光芯片4发光，光学透镜5起到对光信号定向聚束作用。

本发明所及的太赫兹自振荡源用于把电能直接转换太赫兹频段电磁波，内部电磁振荡产生采用IMPATT二极管的负阻振荡原理，具体方案的结构示意图如图2所示。

IMPATT二极管的PN结管芯15和谐振腔13通过类似图1的工艺方法附着在热沉体11表面，PN结管芯15的两极通过类键合丝12与电极引脚18与外部电源相连，基材19和支撑体17用于太赫兹自振荡源结构支持及外部连接。当电极引脚18外接符合条件的电源时，PN结管芯15在谐振腔13内部产生稳定的振荡信号，振荡信号可以通过输出耦合口14向外辐射，封盖及喇叭口16起到对内部结构保护和输出信号定向作用。

输出太赫兹信号的频率由谐振腔13及PN结管芯15决定，根据需要谐振腔13可以通过半导体工艺生成或由外部生成后植入，当谐振腔13的结构及尺寸和PN结管芯15技术参数满足电磁谐振条件时即可产生振荡，太赫兹自振荡源的输出功率则决定于外部电源及输出耦合口14。

可以根据优化结果决定热沉体11尺寸、信号耦合方式(电场耦合或磁场耦合)及输出口位置、类键合丝12尺寸及形状、信号输出方向、是否使用喇叭或透镜等。