CN103346406B - 基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器 - Google Patents

Abstract

基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器，属于电磁功能器件技术领域，本发明包括半导体衬底1、外延层2、调制单元组4，外延层2设置于半导体衬底1上，在外延层2上设置有调制单元、正电压加载电极3和负电压加载电极5；所述调制单元组包括至少3个调制单元；所述调制单元包括高电子迁移率晶体管和人工金属电磁谐振结构，各晶体管的栅极连接到负电压加载电极5，源极和漏极连接到正电压加载电极3。本发明针对空间传播太赫兹电磁波，可工作于常温、常压、非真空条件下，无需加载波导，易于封装、方便使用。

Description

基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器

技术领域

该发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段的快速动态功能器件，主要包括太赫兹波调制器、探测器、传感器等。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz（1THz=10¹²Hz）范围内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学过渡区域，是电磁波谱中唯一尚处于开发的频段资源。它介于技术相对成熟的微波毫米波与红外可见光区域之间，具有独特的电磁特性；太赫兹波在物理、电子信息、化学、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通讯雷达等领域具有极重要的应用，是下一代信息产业的科学技术重要基础之一，对国民经济以及国防建设具有重大意义。

太赫兹无线通信作为太赫兹领域最重要的应用方向之一，目前受到了世界各国的重视。太赫兹通信系统与微波通信、光纤通信、光无线通信相比，具有独特优势。例如相比于微波通信，THz应用于此可提供更大的带宽、更高的传输速度，此外，天线的尺寸将会显著减小，适合于卫星间通信；THz可提供多路数据传输，其作用范围大于视距红外传输；相对于无线光通信，无线光通信的损耗来源于云、雨、尘埃等的散射和吸收，频率越高，散射越强，而相比于光波，THz的粒子散射要小得多，因此THz通信可用作光通信链路的备用系统，在浓烟，沙尘环境下依然保持近距离宽带通信。太赫兹无线通信技术一直受到西方大国的高度重视，例如卫星间星际通信、短程大气通信、短程地面无线局域网等。

而作为太赫兹通信系统中最为关键的核心技术之一，太赫兹波动态功能器件—太赫兹外部调制器如今成为太赫兹科学技术研究领域的重点。由于太赫兹波段功能器件要求的尺寸在微米甚至纳米量级，这使得微波波段的通信器件无法直接应用于太赫兹波段。从2004年开始，在Nature/Science等国际自然科学顶级刊物陆续刊登了多篇太赫兹波外部调制器的文章，其内容包括基于参杂硅基、砷化镓基、相变材料基以及石墨烯等与人工电磁媒质（Metamaterials）相结合，利用外加温度、光照、电场等的激励方式来实现太赫兹波的调制。但是到目前为止，都未能实现对在空间中传播的太赫兹波的快速调制。

近年来随着半导体材料及技术的发展，高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）展现出了卓越的表现，并已成功运用至探测器、放大器等领域，HEMT的出现为太赫兹快速响应动态器件提供了新的发展思路。HEMT是一种利用存在于调制参杂异质结中的二维电子气（2-DEG）来进行工作的新型场效应晶体管。1978年R.Dingle首次在分子束外延（MBE）生长的调制掺杂GaAs/AlGaAs超晶格中观察到了高电子迁移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了HEMT，并成功应用于微波低噪声放大。第三代宽禁带半导体材料GaN不仅具有宽的帯隙，而且还具有热导率大、电子饱和速率高、击穿场强大及热稳定性好等特点。因此在制备高速功能器件中，基于GaN材料的HEMT具有很大的优势。

人工电磁媒质（Metamaterials）是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性。随着近代微细加工技术的发展，人工电磁媒质在无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过外加电压信号实现对空间太赫兹波快速动态调控的调制器，可有效的对所设计频率点的太赫兹波进行快速幅度调制。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，把HEMT与Metamaterials相结合，利用HEMT的高速动态特性与Metamaterials对电磁波的精确控制能力，通过设计结构、模拟仿真、优化论证、最终运用微精细加工进行制作，得到性能可靠的太赫兹波空间调制器。本发明包括半导体衬底、外延层、调制单元组、正电压加载电极和负电压加载电极，外延层设置于半导体衬底上，在外延层上设置有调制单元组、正电压加载电极和负电压加载电极；

所述调制单元组包括至少3个调制单元；

所述调制单元包括高电子迁移率晶体管和人工金属电磁谐振结构，各晶体管的栅极连接到负电压加载电极，源极和漏极连接到正电压加载电极。

进一步的，所述正电压加载电极包括与各晶体管的源极连接的源极连接端，以及与各晶体管漏极连接的漏极连接端。

所述调制单元组为多个调制单元构成的M*N的阵列，其中M>3，N>3。

每个晶体管包括源极、栅极、漏极与调制参杂异质材料；

人工金属电磁谐振结构包括栅极连接线和源极谐振器、漏极谐振器，源极谐振器与漏极谐振器二者上下对称，

源极谐振器包括横向设置的源极长金属条、源极短金属条和源极纵向金属条，源极纵向金属条连接源极长金属条和源极短金属条，源极长金属条与相邻调制单元的源极长金属条连接，源极短金属条设置于晶体管的源极上；

漏极谐振器包括横向设置的漏极长金属条、漏极短金属条和漏极纵向金属条，漏极纵向金属条连接漏极长金属条和漏极短金属条，漏极长金属条与相邻调制单元的漏极长金属条连接，漏极短金属条设置于晶体管的漏极上；

横向设置的栅极连接线与栅极连接，位于调制单元结构中间，并与邻近单元栅极连接线相连。

所述半导体衬底为蓝宝石、高阻硅或碳化硅；外延层的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP。（注：斜线表示两种材料的结合。）

每一行中，各单元的源极长金属条连接为一条直线，并连接到正电压加载电极；各单元的漏极长金属条连接为一条直线，并连接到正电压加载电极；各单元的栅极连接线连接为一条直线，并连接到负电压加载电极。

本发明的有益效果是，（1）、HEMT作为高电子迁移率晶体管，具有很快的调制速度，所以将其作为本发明的核心动态功能材料可实现高速的调制特性。（2）、对于太赫兹波段的功能器件，立体结构的设计方案通过普通机械加工手段难以实现，而本发明中利用的Metamaterials是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作。（3）、本发明通过电控来进行工作而不需要外加 光照、温度等激励，这对于该器件小型化、实用化与产量化具有很大的优势。（4）、通过改变周期单元数目的多少，可对不同大小的太赫兹波束进行控制，设计灵活、方便定制。（5）、本发明所设计的谐振结构与普通的开口环谐振器不同，通过改变“工”型的谐振器之间HEMT的通断即可实现两种模式的工作状态改变，最终实现双频点调制和频率搬移，这对太赫兹波段双频带调制技术与频率蓝移器件的发展具有很大帮助。（6）、本发明可通过微电子技术中的空气桥方式，将源极与漏极独立分开，实现该器件的多功能调制。（7）、本发明针对空间传播太赫兹电磁波，可工作于常温、常压、非真空条件下，无需加载波导，易于封装、方便使用。

附图说明

图1为HEMT调制器的整体设计方案示意图。

图2为HEMT调制器基本工作单元示意图，a为平面图，b为立体图。

图3为未加电压状态下的电场与表面电流分布模式图。

图4为外加电压状态下的电场与表面电流分布模式图。

图5为HEMT调制器在不同电压下透射曲线仿真图。

图6为实验所测HEMT调制器在不同电压下对空间太赫兹波的调制幅度。

图7为实验所测HEMT调制器在5MHz的调制电压信号加载下对空间太赫兹波的调制信号波形图。

具体实施方式

本发明将HEMT与人工电磁媒质相结合，利用HEMT中二维电子气的高迁移率特性和人工电磁媒质的谐振特性可实现对空间太赫兹波的有效、快速调制。本发明提出了一种将HEMT与人工电磁媒质相结合所形成的一种三极管结构来实现对空间中传播的太赫兹波进行快速动态调制的设计方案，并通过仿真计算与实验验证说明了这是一种结构简单、易于加工，且具有较高调制深度的HEMT太赫兹快速调制器件。

本发明包括半导体衬底1、外延层2、调制单元组4，外延层2设置于半导体衬底1上，在外延层2上设置有调制单元组4、正电压加载电极3和负电压加载电极5；

所述调制单元组包括至少3个调制单元；

所述调制单元包括高电子迁移率晶体管和人工金属电磁谐振结构，各晶体管的栅极连接到负电压加载电极5，源极和漏极连接到正电压加载电极3。

所述正电压加载电极3包括与各晶体管的源极连接的源极连接端31，以及与各晶体管漏极连接的漏极连接端32。并且源极连接端31和漏极连接端32也可接到两个不同电压的正电极上以此实现源、漏极间的电压控制。

所述调制单元组为多个调制单元构成的M*N的阵列，其中M>3，N>3。

每个晶体管包括源极7、栅极9、漏极8与调制参杂异质材料6；

人工金属电磁谐振结构包括栅极连接线10和源极谐振器、漏极谐振器，源极谐振器与漏极谐振器二者上下对称，

源极谐振器包括横向设置的源极长金属条、源极短金属条和源极纵向金属条，源极纵向金属条连接源极长金属条和源极短金属条，源极长金属条与相邻调制单元的源极长金属条连接，源极短金属条设置于晶体管的源极上；

漏极谐振器包括横向设置的漏极长金属条、漏极短金属条和漏极纵向金属 条，漏极纵向金属条连接漏极长金属条和漏极短金属条，漏极长金属条与相邻调制单元的漏极长金属条连接，漏极短金属条设置于晶体管的漏极上；

横向设置的栅极连接线10与栅极连接，位于调制单元结构中间，并与邻近单元栅极连接线相连。

漏极谐振器和源极谐振器具有的“横向设置的长金属条、短金属条和纵向金属条，纵向金属条连接长金属条和短金属条”结构简称为“工”型谐振单元。

更进一步的，每个单元中，纵向金属条与长、短金属条的连接点在长、短金属条的中点位置。

本发明的基于高电子迁移率晶体管空间太赫兹波调制器具体为人工电磁媒质谐振结构和HEMT相结合而成的复合金属—半导体结构，如图1所示，共由蓝宝石衬底、HEMT外延层、周期金属人工谐振单元结构以及套接电路等几部分组成。所述HEMT外延层需通过对调制参杂异质结材料进行离子注入或刻蚀隔离形成周期排列的作用区，之后在每个作用区上制作源漏欧姆接触电极以及栅极肖特基接触电极形成HEMT阵列。最后将“工”型人工电磁谐振周期结构、栅极连接线和外接电路套刻于该晶体管之上，形成完整的调制器件。对于每个“工”型谐振单元，它都是由一定线宽厚度为200～500nm的金属薄膜线条构成。“工”型结构上下对称。每个“工”型结构如图2所示，所有单元的长边相连构成源极与漏极的控制电路并与加正电压的电极相连。短边位于单元中央位置并套刻于每个晶体管的源极与漏极之上，栅极连接线位于两“工”型结构中间并与邻近单元栅极连接线相连；所有单元的栅极相连构成栅极控制电路与负电压电极相连。

上述技术方案中，所述衬底基片可以是蓝宝石、高阻硅、碳化硅等；构成HEMT的外延层可以是AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs、AlGaAs/InGaAs/InP等可构成异质结的半导体材料；金属电极一般采用Ti、Al、Ni、Au等也可采用其它特性相近的金属代替；套接电路可以是Au、Ag、Cu、Al等金属材料。

该调制器是通过HEMT中二维电子气浓度的改变对空间传播的太赫兹波实现动态幅度调制，二维电子气浓度的改变是通过外加电压强弱予以控制。具体为：该结构与栅极相连的负电压加载电极5加负电压，与源漏相连的正电压加载电极3加正电压，当电压差为4～10V时，位于源漏之间的HEMT中二维电子气被耗尽，成为夹断状态，此时上下对称的两“工”型结构处于断开的状态、相互独立工作，从模式图4上分析可以看到形成了上下部分各自独立的类似偶极振荡的模式，场主要集中在谐振单元的中心位置，此时结构谐振频率为1.31THz。在不加电压情况时，源漏之间联通，此时上下对称的两“工”型结构通过位于短边之间的HEMT连通成为整体，从模式图3可以看到，不加电压时形成的是整体类似偶极振荡的模式，场主要分布在上下长金属杆的位置，该谐振频率为0.56THz。因此通过外加电压信号可快速控制二维电子气浓度以此实现对该谐振结构中谐振模式的动态调谐以此改变谐振频率，从而对空间太赫兹波进行调制。

图中载流子浓度Ns的改变代表外加电压造成的HEMT中2-DEG的分布变化。

作为更具体的实施例，基于高电子迁移率晶体管空间太赫兹调制器，如图2所示，包括蓝宝石衬底、HEMT外延层、金属谐振单元以及套接电路组成。所述 HEMT外延层被刻蚀成为一定长度和宽度的周期排列的独立作用区。之后在每个作用区制作源漏欧姆接触电极，其宽度可略大于该作用区。栅极与该作用区形成肖特基接触。源极、漏极、栅极与HEMT外延层构成了基本的耗尽型高电子迁移率晶体管。最后将“工”型人工电磁材料、栅极连接线和外接电路套刻于该晶体管之上，形成完整的调制器件。对于每个“工”型谐振单元，它都是由一定线宽的金属薄膜线条构成。“工”型结构上下对称。所有单元的长边相连构成源极与漏极的控制电路并与加正电压电极3相连。短边套刻于每个晶体管的源极与漏极之上。位于两短边之间的栅极与HEMT外延层形成肖特基接触，所有单元的栅极通过栅极连接线相连构成栅极控制电路与接负电压电极5相连。

所述衬底采用400um厚蓝宝石基片，该基片对THz电磁波透过率较好，加工完成之后进行减薄可进一步提高透过率；AlGaN/GaN外延层可通过分子束外延（MBE）、氢化物气相外延（HVPE）和金属有机物气相外延（MOCVD）等方法制备。然后利用干法刻蚀或者离子注入隔离将AlGaN/GaN外延层隔离形成台阶。在台阶上制作源、栅、漏电极需要用电子束蒸发或者磁控溅射等设备进行镀膜。经过光刻和反应离子刻蚀在SiN掩膜上制作器件欧姆接触窗口后，将样品移至磁控溅射设备内溅射Ti(20nm)/Al(120nm)/Ni(40nm)/Au(50nm)四层金属，经剥离后形成接触电极。样品在氮气保护下经快速退火形成欧姆接触。栅极是利用功函数较高粘附性较好的Ni作为底层金属，再在其上覆盖一层抗氧化的Au来制作。最后将人工电磁材料与外接电路套刻到制作完成的HEMT阵列上。通过对两个PAD上加电压来控制对垂直入射太赫兹波的幅度动态调制。

上述高电子迁移率空间太赫兹调制器经三维电磁模拟软件仿真证明了其可行性，图3、图4（模式图）为电磁仿真透射率谱图和谐振模式结果图。结果表明，外加电压使得二维自由电子气浓度改变，使得该器件的谐振模式发生改变，从而产生谐振频率峰值发生偏移以此对空间太赫兹波进行调制。图5中Ns对应于不同电压下的二维自由电子气浓度。不加电压时，位于人工电磁媒质下的HEMT处于导通状态，此时上方人工电磁媒质“工”型结构经下方HEMT结构形成整体连接导通状态，形成整个谐振单元结构的类偶极振荡的式，此时谐振频率峰位于0.56THz附近。随着电压的增大，二维自由电子气浓度不断减少，自由电子逐步耗尽，HEMT越来越接近夹断状态。这时谐振单元结构中两个“工”型结构逐渐分开，独立谐振。其谐振模式将从整体型谐振变为独立谐振，谐振频点从0.56THz附近变到1.31THz。从透射谱图上能看到对于在0.56THz这个谐振频点上，太赫兹波透过率从25%变为84%。对于1.3THz这个频点，透过率从80%变到5%。这就说明该器件可实现对空间传播的太赫兹波在0.56THz和1.31THz这两个频点上的调制。

图6和图7分别为加工出的调制器测试图，图6为透射场幅值改变量随外加电压的变化，可以看到在4.5V左右透射场值改变量开始上升，至7V左右透射场值改变量趋于稳定，由此证明该调制器对电压信号有明显的响应，并且随着电压升高HEMT中的二维电子气耗尽，谐振模式发生改变导致了透射场幅值的动态变化。图7为实验实际所测量到的经过调制器后太赫兹波上所加载的调制信号，该调制信号为5Mbps，该结果证明该调制器可以对空间传播的太赫兹波进行快速调制。因此所述基于HEMT的太赫兹空间调制器是一种工作于THz频段的电控高速调制器件。这为将来THz功能器件的设计与制作提供了很好的思路与方向。

Claims (5)

1.基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器，其特征在于，包括半导体衬底(1)、外延层(2)、调制单元组(4)，外延层(2)设置于半导体衬底(1)上，在外延层(2)上设置有调制单元组(4)、正电压加载电极(3)和负电压加载电极(5)；

所述调制单元组(4)包括至少3个调制单元；

所述调制单元包括高电子迁移率晶体管和人工金属电磁谐振结构，各晶体管的栅极连接到负电压加载电极(5)，源极和漏极连接到正电压加载电极(3)；

每个晶体管包括源极(7)、栅极(9)、漏极(8)与调制参杂异质材料(6)；

人工金属电磁谐振结构包括栅极连接线(10)和源极谐振器、漏极谐振器，源极谐振器与漏极谐振器二者上下对称，

源极谐振器包括横向设置的源极长金属条、源极短金属条和源极纵向金属条，源极纵向金属条连接源极长金属条和源极短金属条，源极长金属条与相邻调制单元的源极长金属条连接，源极短金属条设置于晶体管的源极上；

漏极谐振器包括横向设置的漏极长金属条、漏极短金属条和漏极纵向金属条，漏极纵向金属条连接漏极长金属条和漏极短金属条，漏极长金属条与相邻调制单元的漏极长金属条连接，漏极短金属条设置于晶体管的漏极上；

横向设置的栅极连接线(10)与栅极连接，位于调制单元结构中间，并与邻近单元栅极连接线相连。

2.如权利要求1所述的基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器，其特征在于，所述正电压加载电极(3)包括与各晶体管的源极连接的源极连接端(31)，以及与各晶体管漏极连接的漏极连接端(32)。

3.如权利要求1所述的基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器，其特征在于，所述调制单元组为多个调制单元构成的M*N的阵列，其中M>3，N>3。

4.如权利要求1所述的基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器，其特征在于：所述半导体衬底(1)为蓝宝石、高阻硅或碳化硅；外延层(2)的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP。

5.如权利要求1所述的基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器，其特征在于，所述调制单元组为多个调制单元构成的M*N的阵列，其中M>3，N>3；

每一行中，各单元的源极长金属条连接为一条直线，并连接到正电压加载电极；各单元的漏极长金属条连接为一条直线，并连接到正电压加载电极；各单元的栅极连接线连接为一条直线，并连接到负电压加载电极。