一種網狀錯位分布的HEMT陣列電控太赫茲波調制器的制作方法

本發明屬于電磁功能器件技術領域，同時也屬于包括調制器、濾波器、電控開關等在內的通信器件領域，具體涉及一種網狀錯位分布的hemt(高電子遷移率晶體管)陣列電控太赫茲波調制器。

背景技術：

太赫茲波是一種介于光子學與電子學之間的新型電磁波譜，通常指頻率位于0.1thz～10thz之內的電磁輻射。近年來，得益于太赫茲源與檢測技術的飛速發展，基于太赫茲波的成像、頻譜分析、電子信息、雷達定位等技術領域表現出了極大的應用前景。同時，太赫茲無線通信技術作為太赫茲領域的重要方向之一，目前受到了世界各國的重視。太赫茲波作為無線通信載波，具有超高的帶寬、良好的穿透能力(相比于紅外與光通信)與優越的定向性。超高的帶寬使得太赫茲波在未來超寬帶通信、大容量無線數據傳輸、保密通信等民用與國防領域備受矚目；由于太赫茲波波長位于0.03mm～3mm之間，因而具有良好的穿透能力，在濃煙、沙塵環境下可保持近距離寬帶通信；太赫茲波的發散角相對較小，具有優越的定向性，因而在衛星點對點通信、短程大氣通信與地面點對點通信中具有較小的功率損耗從而實現超大容量的空間點對點通信。

作為具有重要應用前景的太赫茲應用系統，如太赫茲無線通信系統、太赫茲波譜成像系統等，太赫茲調制器件無疑是其關鍵核心器件之一，因此太赫茲調制器件也成為了太赫茲科學技術領域公認的研究重點和技術難點。從2004年開始，在nature/science等國際自然科學頂級刊物陸續刊登了多篇太赫茲波外部調制器的文章，其內容包括基于參雜硅基、砷化鎵基、相變材料基以及石墨烯等與人工微結構相結合，利用外加溫度、光照、電場等的激勵方式來實現太赫茲波的調制，也部分解決了太赫茲波幅度調制的難題。然而相關高性能器件的研究鮮有報道，如何實現幅值的高效、高速調制成為了該研究領域的一個瓶頸。而該項技術的突破、該器件的成功研制將極大的減少基于直接調制方式的太赫茲無線通信系統的誤碼率，提高信噪比，減少通信接收端的數據處理難度，這將更加有利于太赫茲高性能系統的實現和產業化。

hemt是一種利用存在于調制摻雜異質結中的2-deg(二維電子氣)來進行工作的場效應晶體管。1978年r.dingle首次在mbe(分子束外延)生長的調制摻雜gaas/algaas超晶格中觀察到了高電子遷移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了hemt，并成功應用于微波低噪聲放大。近年來隨著半導體材料及技術的發展，高電子遷移率晶體管展現出了卓越的表現，并已成功運用至探測器、放大器等領域，hemt的出現為太赫茲快速響應動態器件提供了新的發展思路。第三代寬禁帶半導體材料gan不僅具有寬的帯隙，而且還具有熱導率大、電子飽和速率高、擊穿場強大及熱穩定性好等特點。因此在制備高速功能器件中，基于gan材料的hemt具有很大的優勢。

技術實現要素：

本發明所要解決的問題是：提供一種由外部電壓控制的太赫茲空間外部調制器，在工作頻帶內具備大幅度調制深度和高幅度調制效率以及500mhz以上的調制速率。

本發明所提出的技術問題是這樣解決的：

一種網狀錯位分布的hemt陣列電控太赫茲波調制器，包括半導體襯底1、異質結構外延層2、調制單元陣列5和套接電路；所述異質結構外延層2設置于半導體襯底1的上表面；所述調制單元陣列5和套接電路設置于異質結構外延層2的上表面；所述調制單元陣列5中的每個調制單元包括源極諧振器6、漏極諧振器7、柵極連接線8、歐姆接觸電極9和半導體摻雜異質結構10；所述源極諧振器6和所述漏極諧振器7是大小相同的“t”形結構；

所述源極諧振器6和所述漏極諧振器7對稱設置于柵極連接線8的兩側，互為鏡像結構；所述柵極連接線8設置于半導體摻雜異質結構10的上方，相鄰調制單元的柵極連接線8相互連接；所述半導體摻雜異質結構10連接源極諧振器6和漏極諧振器7的“t”形結構橫向短枝節；所述半導體摻雜異質結構10設置于源極諧振器6和漏極諧振器7的“t”形結構橫向短枝節的下方；

所述套接電路包括正電壓加載電極3和負電壓加載電極4；所述正電壓加載電極3包括縱向設置的金屬長條和正電極橫向連接線陣列3-1；所述正電極橫向連接線陣列3-1中每根金屬線等間距排列且連接上一行調制單元中漏極諧振器7的“t”形結構縱向枝節末端和下一行調制單元中源極諧振器6的“t”形結構縱向枝節末端；所述負電壓加載電極4為縱向設置的金屬長條；所述負電壓加載電極4與各行調制單元的柵極連接線8相連；

所述調制單元有規律的呈網狀錯位分布于正電極橫向連接線陣列3-1之間構成調制單元陣列5；所述調制單元陣列5中調制單元的橫向間距相等，每一行中的調制單元位于上一行和下一行相鄰兩個調制單元的水平中央位置。

所述源極諧振器6和漏極諧振器7的“t”形結構中的橫向短枝節通過歐姆接觸電極9與半導體摻雜異質結構10連接。

所述柵極連接線8位于半導體摻雜異質結構10上方部分的線寬窄于其它部分。

所述調制單元陣列5為多個調制單元構成的m×n型陣列，其中m≥3，n≥4。

所述歐姆接觸電極9材料為ti、al、ni或au。

所述半導體襯底1選擇藍寶石、石英、碳化硅等對于太赫茲波插損小的材料介質。

所述源極諧振器6、漏極諧振器7和套接電路采用al、ag、au等高電導率金屬材料。

所述半導體摻雜異質結構10的材料為algan/gan、ingan/gan、algaas/gaas、algaas/ingaas或algaas/ingaas/inp，其中斜線表示兩種或三種材料的結合。

本發明的有益效果是：

(1)本發明采用對稱的雙“t”形結構作為人工微結構的諧振單元，結構簡單，其所對應的偶極諧振易于調控，降低了諧振結構自身附帶的寄生電容和寄生電感，有利于增大調制深度，提高調制速率。

(2)本發明將套接電路與諧振陣列結合，橫向正電壓饋線作為諧振結構的一部分，將上下行之間不同諧振單元的源極諧振器與漏極諧振器連接在一起，在hemt連通狀態下形成了貫穿全陣列的一體式類偶極諧振，因此該諧振頻點趨近于0，從而遠離了工作頻點，提高了工作帶寬內的太赫茲波透過率，進而提高了調制效率。

(3)本發明的調制陣列采用網狀設計，上一行調制單元的漏極諧振器與下一行調制單元的源極諧振器共用同一條正電壓饋線，極大地簡化了套接電路，最大限度地降低了套接電路所產生的寄生電容和寄生電感，有利于提高調制速率。

(4)本發明的調制陣列采用錯位設計，調制單元的交錯分布使諧振模式由傳統的偶極諧振變為含有多個彎路的類偶極諧振，諧振路徑的復雜化增強了諧振強度，進而提高了調制深度。

(5)本發明將作為調控開關的hemt采用嵌套式設計與諧振單元結合在一起，高電子遷移率晶體管的歐姆接觸電極與源/漏極諧振器無縫重疊設置，完全摒除了晶體管電極對諧振模式的干擾。

(6)本發明所述調制器擁有高達92.8％的調制深度以及600mhz以上的調制速率，有著極高的實用價值。

(7)本發明中利用人工微結構設計形成的調制陣列是一種二維平面結構，可通過微細加工手段實現，工藝成熟、易于制作，避免了復雜立體結構的設計方案帶來的高難度加工。

(8)本發明設計的是透射式的太赫茲波調制器，操作更簡單，使用方便，尤其是在太赫茲點對點通信中更能有效的發揮作用。

(9)本發明屬于一種空間外部太赫茲調幅器件，擁有獨立的器件封裝和饋電網絡，極易于同各種太赫茲通信、成像或探測系統融合。

(10)本發明可工作于常溫、常壓、非真空條件下且無需波導加載，易于封裝，使得該調制器有著良好的發展前景。

附圖說明

圖1為hemt電控太赫茲調制器的整體設計方案示意圖；

圖2為hemt電控太赫茲調制器調制單元立體示意圖；

圖3為外加電激勵時諧振陣列的電場與表面電流分布模式圖；

圖4為未加電激勵時諧振陣列的電場與表面電流分布模式圖；

圖5為hemt電控太赫茲調制器在不同強度的電激勵下透射曲線仿真圖；

圖6為實驗所測hemt調制器在外加600mhz的調制電壓信號時對空間太赫茲波的調制信號。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明進行更深入的詳細說明。

本具體實施方式提供一種網狀錯位分布的hemt陣列電控太赫茲波調制器，其結構如圖1所示，包括半導體襯底1、異質結構外延層2、調制單元陣列5、正電壓加載電極3和負電壓加載電極4。正電壓加載電極3、負電壓加載電極4和調制單元陣列5構成金屬結構層，金屬結構層下表面依次設置有異質結構外延層2和半導體襯底1。所述調制單元陣列5為多個調制單元構成的m×n的陣列，其中m≥3，n≥4。所述調制單元包括hemt和金屬諧振結構，其結構圖如圖2所示。每個調制單元中的hemt均由源極諧振器6、漏極諧振器7、柵極連接線8和半導體摻雜異質結構10結合構成；hemt位于上側“t”形結構與下側“t”形結構之間；“t”形結構中的短金屬橫條均套刻在每個hemt的源極諧振器6或漏極諧振器7之上。每一行中hemt的柵極連接線8相連并連接到負電壓加載電極4。調制單元中的諧振結構由源極諧振器6和漏極諧振器7組成。源極諧振器6和漏極諧振器7結構相同，都是一種平躺式“t”形結構；上側“t”形結構為源極諧振器6，下側“t”形結構為漏極諧振器7，上下兩個“t”形結構關于位于諧振結構中間的柵極連接線8互為鏡像結構。“t”形結構的縱向枝節末端均連接到正電極橫向連接線。調制單元有規律的呈網狀錯位分布于橫向正電壓連接線之間構成調制單元陣列5，調制單元陣列5中調制單元的橫向間距相等，每一行中的調制單元位于上一行和下一行相鄰兩個調制單元的水平中央位置。

本發明的網狀錯位分布的高電子遷移率晶體管陣列電控太赫茲波調制器為復合金屬—半導體結構，上述技術方案中，所述襯底基片1為藍寶石、高阻硅、碳化硅等半導體材料；hemt外延層2為可構成異質結的半導體材料，例如algan/gan、ingan/gan、algaas/gaas等。一般采用ti、al、ni、au等構成歐姆接觸電極9，采用au、ag、al等金屬材料構成諧振金屬6、7和套接電路3、4、8。上述列出的金屬材料也可采用其它特性相近的金屬代替。

本發明所述電控太赫茲波調制器的調制機制是通過施加外部電激勵，來改變半導體摻雜異質結構10中2-deg的分布，從而控制人工微結構(調制單元)中電磁諧振模式的轉換，由多個諧振單元組成的諧振陣列對空間中入射的太赫茲波束進行動態幅度調制。所述調制單元陣列5采用了獨特的網狀錯位式分布，每一條正電極橫向連接線可以同時為上一行的漏極諧振器7和下一行的源極諧振器6饋電，使柵極連接線8下方的半導體摻雜異質結構10內形成影響2-deg濃度的電勢差。

具體的調制過程為：調制器中與柵極諧振器7相連的負電壓加載電極4加負電壓，與源極諧振器6和漏極諧振器7相連的正電壓加載電極3加正電壓。當外加電壓差值為0時，半導體摻雜異質結構10中2-deg的濃度維持在很高的水平，諧振單元中的源極諧振器6和漏極諧振器7通過2-deg連接成一體，從模式圖4可以看到，電場主要分布在“t”形結構與正電壓橫向連接線相接的位置，表面電流流經各行相鄰錯位分布的諧振單元以及連接諧振單元的正電壓橫向連接線，其路徑縱向貫穿整個諧振陣列，形成一體貫穿式的類偶極諧振。如圖5所示，此時結構諧振頻率無限接近于0；當外加電壓差逐漸增加時，位于源極諧振器6和漏極諧振器7之間的hemt中2-deg濃度逐漸減小直至耗盡，hemt由連通逐漸變為夾斷狀態，從模式圖3上可以看到，電場主要集中在“t”形結構間的縫隙處，縱向貫穿全陣列的表面電流被分離成多個互不相連的小部分，如圖5所示，此時結構諧振頻率為0.34thz。在上述動態變化過程中，諧振模式的轉變導致諧振頻點的偏移，隨著外加電壓的增大，縱向貫穿全陣列的一體式類偶極諧振逐漸變成多個分離的類偶極諧振，諧振峰由0逐漸偏移至0.34thz。圖5給出了本發明所述調制器在不同外加電壓下，幅值透射曲線的三維仿真結果，在0.34thz附近，電磁波的透過率隨著電壓差的增大由83％降至6％，調制效率為92.8％。圖6為實驗中實際所測量到的經過調制器后的太赫茲波上所加載的調制信號，該調制信號為600mbps，該結果證明該調制器可以對空間傳播的太赫茲波進行快速調制。

需要指明的是，通過改變諧振單元的結構參數，如“t”形結構枝節長度、諧振單元的間距等，可精確控制該調制器的諧振頻點，該器件可應用于不同的工作頻段。

綜上所述，基于hemt的電控太赫茲波調制器是一種極具實用性的工作于thz頻段的高效高速調制器件。

盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。