一種基于高電子遷移率晶體管太赫茲空間相位調制器的制造方法
【技術領域】
[0001]該發(fā)明屬于電磁功能器件技術領域，重點針對太赫茲波段的快速動態(tài)功能器件。
【背景技術】
[0002]而作為太赫茲通信系統(tǒng)中最為關鍵的核心技術之一，太赫茲波動態(tài)功能器件一太赫茲外部調制器如今成為太赫茲科學技術研究領域的重點。由于太赫茲波段功能器件要求的尺寸在微米甚至納米量級，這使得微波波段的通信器件無法直接應用于太赫茲波段。從2004年開始，在Nature/Science等國際自然科學頂級刊物陸續(xù)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電磁媒質(Metamaterials)相結合，利用外加溫度、光照、電場等的激勵方式來實現(xiàn)太赫茲波的調制。
[0003]近年來隨著半導體材料及技術的發(fā)展，高電子迀移率晶體管(HighElectronMobility Transistor，HEMT)展現(xiàn)出了卓越的表現(xiàn)，并已成功運用至探測器、放大器等領域，HEMT的出現(xiàn)為太赫茲快速響應動態(tài)器件提供了新的發(fā)展思路。高電子迀移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)是一種利用存在于調制參雜異質結中的二維電子氣(2-DEG)來進行工作的新型場效應晶體管。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迀移率。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。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(wěn)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(yōu)勢。
[0004]人工電磁媒質(Metamaterials)是指將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元諧振結構周期性或非周期性地排列所構成的一種人工電磁周期陣列結構，可通過人為地設計諧振單元，控制其對外加電磁場的響應特性以及電磁特性。隨著近代微細加工技術的發(fā)展，人工電磁媒質在推動無源功能器件的發(fā)展中起到了巨大的推動作用，在微波毫米波段、太赫茲波段以及光波段都研制出多種相關功能器件。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種通過外加電壓信號實現(xiàn)對空間太赫茲波快速動態(tài)相位調控的調制器，可有效的對所設計頻率點的太赫茲波進行快速相位調制且相位調制深度在較大帶寬內達到90度以上。
[0006]本發(fā)明解決所述問題采用的技術方案是，設計含有多種諧振模式的Metamaterials結構，將HEMT與Metamaterials巧妙而有效的相結合，利用HEMT的高速動態(tài)特性與Metamaterials對電磁波的精確控制能力，通過HEMT中二維電子氣的高電子迀移率特性快速的控制人工電磁媒質的諧振模式轉換，使該HEMT太赫茲波相位調制器在較寬的頻帶上達到90度以上的相位調制深度。
[0007]因而本發(fā)明一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調制器，該調制器包括:半導體襯底，位于半導體襯底上的外延層，位于外延層上的調制單元陣列、正電極、負電極;所述調制單元陣列中的每個調制單元包括:源級諧振器、漏極諧振器、柵極連接線、半導體摻雜異質結構;其中漏極諧振器與源極諧振器結構完全相同，包括:金屬半圓環(huán)、“T”形金屬饋線，其中“T”形金屬饋線由橫向枝節(jié)和縱向枝節(jié)組成，所述“T”形金屬饋線的縱向枝節(jié)從金屬半圓環(huán)頂部由外向內貫穿半圓環(huán);漏極諧振器與源極諧振器半圓環(huán)開口相對并對稱設置于柵極連接線的兩側，在漏極諧振器與源級諧振器半圓環(huán)末端的下部設置有半導體摻雜異質結構，用以連接漏極諧振器與源極諧振器，該半導體摻雜異質結構同時位于柵極連接線的下部;所述調制單元陣列中每行陣元共用同一根柵極連接線，各行的柵極連接線連接同一負電極;所述每行調制單元中漏極諧振器的“T”形金屬饋線橫向枝節(jié)依次連通，并連接正電極;所述每行調制單元中源極諧振器的“T”形金屬饋線橫向枝節(jié)依次連通，并連接正電極。
[0008]進一步的，所述漏極諧振器和源極諧振器的末端通過一金屬電極與半導體摻雜異質結構連接。
[0009]進一步的，所述漏極諧振器和源極諧振器中半圓環(huán)的末端設置一向圓心延伸的短枝節(jié)。
[0010]進一步的，所述柵極連接線位于半導體摻雜異質結構上的部分窄于其它部分。
[0011 ] 其中所述半導體慘雜異質結構的材料為AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP，斜線表示兩種材料的結合。
[0012]其中所述半導體襯底選材為藍寶石、高阻硅或碳化硅。
[0013]其中所述金屬電極材料為T1、Al、N1、Au。
[0014]其中所述漏極諧振器、源極諧振器、金屬饋線的材料為Au、Ag、Cu、Al。
[0015]本發(fā)明的有益效果是，(I)、該HEMT太赫茲相位調制器采用雙晶體管設計，即每個調制單元中含有兩個高電子迀移率晶體管，這大大提高了 HEMT對人工電磁諧振結構的控制能力，增強了諧振結構的諧振強度，為獲得大的相位調制深度奠定了基礎。(2)、該HEMT調相器的調相機理是利用HEMT中二維電子氣的高電子迀移率特性快速的控制人工電磁媒質的諧振模式轉換，從而實現(xiàn)對空間太赫茲波的快速調相。通過對諧振結構的巧妙設計并使其與晶體管有機結合在一起，使得諧振結構在HEMT通斷狀態(tài)下存在多種不同的諧振模式且使不同模式間相互耦合，由此顯著提高了調制深度，增大了調制帶寬。(3)、該結構具有很強的可塑性:在保持調制單元結構整體不變的前提下，通過改變諧振單元的參數(shù)(例如金屬圓環(huán)半徑)可以有效地調節(jié)調制帶寬的大小及調制頻帶的位置，根據(jù)不同的實際需求，該調相器達到90度以上調制深度的帶寬可增大到0.2THz以上。(4)、本發(fā)明中利用Metamaterials設計形成的調制單元陣列是一種二維平面結構，可通過微細加工手段實現(xiàn)，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。(5)、本發(fā)明設計的是透射式的太赫茲波調相器，相比于反射式的調相器，該器件操作更簡單，使用更方便，尤其是在太赫茲點對點通信中更能有效的發(fā)揮作用。(6)、本發(fā)明所設計的相位調制器在很大的帶寬內可以達到90度到140度左右的調制深度，在擁有大的調制帶寬以及調制深度的同時，該器件可工作于常溫、常壓、非真空條件下且無需波導加載，易于封裝，這些使得該相位調制器有著良好的實際應用前景?！靖綀D說明】:
[0016]圖1為HEMT相位調制器的整體設計方案示意圖。
[0017]圖2為HEMT相位調制器調制單元立體示意圖。
[0018]圖3為諧振單元局部示意圖。
[0019]圖4為加電壓狀態(tài)下諧振單元的電場與表面電流分布模式圖。
[0020]圖5為未加電壓狀態(tài)下諧振單元的電場與表面電流分布模式圖。
[0021]圖6為HEMT相位調制器在不同電壓下透射曲線仿真圖。
[0022]圖7為HEMT相位調制器在不同電壓下相位變化仿真圖。
[0023]圖8為實驗所測的不同型號的HEMT相位調制器在晶體管通斷變化時的相位圖。
[0024]圖中:1.半導體襯底，2.外延層，3.正電壓加載極，4.負電壓加載極，5.調制陣列，
6.漏極諧振器，6-1.漏極諧振器末端，7.柵極連接線，8.源極諧振器，8-1.源級諧振器末端，
9.金屬電極，10摻雜異質結結構。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明將HEMT與Metamaterials巧妙而有效的結合為一種三極管結構，利用HEMT的高速動態(tài)特性與Metamaterials對電磁波的精確控制能力，通過HEMT中二維電子氣的高電子迀移率特性快速的控制人工電磁媒質的諧振模式轉換，使該HEMT太赫茲波相位調制器在較寬的頻帶上達到90度以上的相位調制深度，實現(xiàn)對空間中太赫茲波的快速、高效相位調制。通過仿真計算與實驗驗證說明了這是一種具有大相位調制深度和寬調制帶寬，且結構簡單、易于加工的HEMT太赫茲快速調相器件。
[0026]本發(fā)明包括半導體襯底(1)、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