CN105549227A - 一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器，包括衬底层（1）、GaN缓冲层（2）、AlGaN势垒层（3）、欧姆金属层（4）、隔离介质层（5）、肖特基金属层（6）和超颖材料层（7），GaN缓冲层（2）和AlGaN势垒层（3）是在衬底上外延的异质结，在自发极化和压电极化的作用下在异质结界面处产生二维电子气，作为器件的导电沟道。该调制器以超颖材料的人工单元为基本结构，引入GaN半导体异质结场效应晶体管，通过改变GaN半导体异质结场效应晶体管的栅极电压来调控超颖材料的人工单元开口的通断，从而实现对太赫兹波的高速有效调制。能够有效提高太赫兹波空间外部调制器的调制速率，实现对太赫兹波的高速高效调制。
Description
技术领域
本发明涉及电磁功能器件技术领域，特别是涉及一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器。
背景技术
太赫兹波（terahertzwave）是指频率为0.1~10THz、波长为30μm~3mm范围内的电磁波。长期以来，由于缺少稳定高效的太赫兹辐射源和有效的太赫兹检测手段，因而太赫兹波长久以来并没有得到足够的重视和充分的开发，太赫兹间隙“THz-gap”由此得名。
目前限制太赫兹技术发展和应用的主要问题还是在于缺乏性能稳定优良的太赫兹波辐射源和太赫兹功能器件，如滤波、调制等等。因此探索并研制出具有高功率、高效率、高稳定性、最好宽带动态可调谐，能室温运转并能与已十分成熟的半导体集成工艺相融合的太赫兹辐射源及功能器件是当今各国科研工作者面临的急需要解决的实际问题。
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。从2004年开始，通过多种半导体材料（掺杂硅基等）与超颖材料（Matamaterials）相结合，通过外加激光、温度、电场等方式实现太赫兹波的调制。
相比于硅基太赫兹波调制器件，异质结（GaN/AlGaN)半导体场效应晶体管展现出了卓越的性能。在异质结的缓冲层界面处会形成二维电子气（2-DEG），作为器件的导电沟道，其载流子为电子，并且其所处的缓冲层是没有掺杂的本征GaN，在其输运过程中不会受到像硅基器件那样的电离杂质散射，因此会有更高的载流子迁移率。GaN材料同时具有宽禁带高热导率，高击穿电场，低噪声，热稳定性好，适用于制作高速的微波器件。
超颖材料（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。可以通过人为的设计单元的结构和尺寸，控制其对外加电磁场的响应特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于第三代半导体材料的太赫兹波空间外部调制器件的完整流片过程，借助外加电压的方法实现对太赫兹波的幅度和速率的调制，获得高达3Mbps的调制速率。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器，包括衬底层、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、欧姆金属层、隔离介质层、肖特基金属层和超颖材料层，隔离介质层设置于欧姆金属层、肖特基金属层和超颖材料层之间；所述衬底层是外延的GaN缓冲层的衬底，所述GaN缓冲层和AlGaN势垒层是在衬底上外延的异质结，在自发极化和压电极化的作用下在异质结界面处产生二维电子气，作为器件的导电沟道；所述欧姆金属层是四层金属材料Ti/Al/Ni/Au，通过高温快速退火与AlGaN势垒层形成合金后与导电沟道形成欧姆接触；所述隔离介质层是一层SiNx介质薄膜；所述肖特基金属层是两层金属材料Ni/Au，与AlGaN势垒层之间形成金属与半导体之间的肖特基接触；所述的超颖材料层由金属薄膜于隔离介质层表面上、亚波长尺度的金属人工结构单元周期性排列而成。
所述的衬底层采用蓝宝石。
所述的亚波长尺度的金属人工结构单元为各种开口环共振器SRR或金属线条Cut-wires。
本发明的有益效果是：
（1）本发明受到高电子迁移率晶体管结构的启迪，设计出了一种将晶体管结构同超颖材料相结合的太赫兹波调制器件。
（2）相对于硅基太赫兹波调制器件中导电电子或空穴相比，本发明中的二维电子气（2-DEG）具有更高的电子迁移率。
（3）本发明相比硅基太赫兹波调制器件，具有对太赫兹波更快的调制速率，可达3Mbps。
（4）该调制器以超颖材料的人工单元为基本结构，引入GaN半导体异质结场效应晶体管，通过改变GaN半导体异质结场效应晶体管的栅极电压来调控超颖材料的人工单元开口的通断，从而实现对太赫兹波的高速有效调制。本发明能够有效提高传统半导体材料与超颖材料相结合的太赫兹波空间外部调制器的调制速率，实现对太赫兹波的高速高效调制。同时，本发明具有能够在室温下工作、可采用微纳加工技术制造、微型化、集成度高等优势。
附图说明
图1为本发明太赫兹波调制器件的纵向结构示意图；
图2为本发明太赫兹波调制器件的平面结构示意图；
图3为本发明太赫兹波调制器件中应用的人工单元结构（双开口SRR）示意图；
图4为本发明太赫兹波调制器件中应用的人工单元结构（阵列的双开口SRR排布）示意图；
图5为测试欧姆接触的电压电流曲线，其中space=2μm、space=4μm、space=8μm、space=16μm、space=40μm、space=52μm分别表示两个方形金属PAD之间的距离，每个方形金属PAD的边长均为100μm；
图6为实验所测GaN材料场效应晶体管太赫兹波调制器件在不同电压下的透射曲线图；
图7为GaN场效应晶体管的转移曲线；
图8为实验所测GaN材料场效应晶体管太赫兹波调制器件在3MHz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；
图中，1-衬底层，2-GaN缓冲层，3-AlGaN势垒层，4-欧姆金属层，5-隔离介质层，6-肖特基金属层，7-超颖材料层，8-半导体异质结结构，9-调制单元组，3-1：正电压加载电极；3-2：负电压加载电极。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器，包括蓝宝石衬底层1（c-Al2O3蓝宝石单晶衬底）、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3、欧姆金属层4、隔离介质层5、肖特基金属层6和超颖材料层7，隔离介质层5设置于欧姆金属层4、肖特基金属层6和超颖材料层7之间；在GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3异质结面处的虚线表示二维电子气（2-DEG）。所述衬底层1是外延的GaN缓冲层2的衬底，对太赫兹波有较好的透过性。所述GaN缓冲层2和AlGaN势垒层3是在衬底上外延的异质结，在自发极化和压电极化的作用下在异质结界面处产生二维电子气，作为器件的导电沟道（2-DEG）；所述欧姆金属层4是四层金属材料Ti/Al/Ni/Au，通过高温快速退火与AlGaN势垒层3形成合金后与导电沟道形成欧姆接触；所述隔离介质层5是一层SiNx介质薄膜；所述肖特基金属层6是两层金属材料Ni/Au，与AlGaN势垒层3之间形成金属与半导体之间的肖特基接触；所述的超颖材料层7由金属薄膜于隔离介质层5表面上、亚波长尺度的金属人工结构单元周期性排列而成。所述的亚波长尺度的金属人工结构单元为各种开口环共振器SRR或金属线条Cut-wires等。
如图2所示，基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器，包括异质结场效应晶体管阵列和超颖材料调制单元组，异质结场效应晶体管阵列周期与超颖材料人工单元组结构相匹配，双开口谐振单元的开口两端与异质结场效应晶体管的金属源极和漏极相连接。所述的调制器包括衬底层1、外延的半导体异质结结构8、调制单元组9，半导体异质结结构8表示在蓝宝石单晶衬底上外延的GaN缓冲层和AlGaN势垒层。外延的半导体异质结结构8位于衬底层1上，外延的半导体异质结结构8上设置有调制单元组9、正电压加载电极3-1和负电压加载电极3-2，3-1表示所有超颖材料的单元相连而引出的金属电极，3-2表示控制所有三极管开关的连接栅极肖特基金属线条而引出的金属电极。所述的调制单元组9呈横向和纵向阵列式排布，9表示横向和纵向成周期性排布的超颖材料。
所述的正电压加载电极3-1就是连接每个三极管源极和漏极的连接端，负电压加载电极3-2就是连接每个三极管栅极的连接端。
所述调制单元组9为多个调制单元构成的M*N的阵列，其中M>50，N>65。
所述异质结场效应晶体管阵列和超颖材料人工调制单元阵列之间填充隔离介质层。
本发明的核心思想是利用位于异质结界面处的二维电子气（2-DEG）具有的高电子迁移率并且通过电压控制肖特基金属与半导体接触形成的肖特基势垒使得导电沟道中的二维电子气（2-DEG）浓度大小发生改变，使导电沟道能通过电控的方式开启和关断。与所设计的超颖材料结合实现对某个频点的太赫兹波幅度与速率的调制。
本发明提供的一种太赫兹波调制器件，其工作原理如下：通过对超颖材料的合理设计实现与自由空间的阻抗匹配（即εeff=μeff），在某个频点产生谐振。当在肖特基金属上施加电压时，可以改变导电沟道中的二维电子气（2-DEG）的浓度大小，导致人工单元的电容部分被短接，超颖材料的电感-电容谐振（LC谐振）幅度发生改变。通过在肖特基金属上施加调制的正弦电压波，测得谐振频点处本器件的对太赫兹波的调制速率。
下面具体说明本发明的制备和实施过程：
步骤一：利用商用软件MicrowaveStudioCST，建立基于超材料的电磁波吸收材料的结构模型，优化结构尺寸参数以使材料工作在需要频段，并在需要的频率点上获得最佳吸收效果。
图3给出了单个人工单元结构。该人工单元具有两个开口，将在某个频点进行LC谐振。设计的调制单元结构为：衬底为500微米的c-Al2O3蓝宝石单晶基片，导电沟道层厚度为0.2微米，人工单元为0.6微米厚的Au层。通过设计得到的人工单元尺寸为：a=42μm，b=30μm，c=4μm，d=3μm，e=10μm。单元阵列周期结构（图4）的尺寸为：x=55μm，y=40μm。
步骤二：在蓝宝石衬底的外延GaN/AlGaN异质结基片上采用光刻和电子束蒸发工艺做欧姆金属层，4层金属分别为：Ti/Al/Ni/Au，厚度分别为：20nm/150nm/55nm/45nm。之后再在氮气氛围中870℃高温快速退火30s。
步骤三：通过光刻工艺，以光刻胶为掩膜，利用电感耦合等离子束刻蚀三极管的有源区，刻蚀气体为Cl2/BCl3。可以通过电极上电压电流测试计算欧姆接触的方块电阻和接触电阻。图5给出了欧姆接触电压电流变化曲线，并计算出方块电阻为491Ω/□，接触电阻为1.0Ω·mm。
步骤四：通过光刻和电子束蒸发工艺做三极管的栅极金属层，选择金属功函数较大的Ni金属作为金属半导体的接触层，形成肖特基接触，并覆盖Au做保护层。厚度分别为：20nm/150nm。
步骤五：采用等离子体增强化学气象沉积法做隔离介质层。采用的介质层材料为SiNx。生长SiNx介质层的厚度为250nm。
步骤六：通过光刻工艺和反应离子刻蚀对介质层SiNx进行干法刻蚀开孔，并用湿法刻蚀做辅助。
步骤七：通过光刻和电子束蒸发工艺做超颖材料层，选用金属材料为Au，厚度为600nm。
通过图7测试所得的GaN场效应晶体管的转移曲线可以看出，三极管的阈值电压大概在-4V左右，所以，在测试GaN基太赫兹波调制器件时，在图2中的3-1金属电极接地，3-2金属电极接小于-4V的电压时，二维电子气（2-DEG）耗尽，就能保证三极管关断；当两个金属电极都接地时，三极管处于正常开启状态。在对GaN基太赫兹波调制器件做透射测试时，如图2，当两个金属电极都接地时，器件表面的超颖材料的每个人工单元的开口处三极管处于导通状态，超颖材料将无法对从空间发射过来的太赫兹波产生谐振；反之，当3-1金属电极接地，3-2金属电极接-6V的电压时，就足以能保证器件表面的超颖材料的每个人工单元的开口处三极管处于关断状态，此时超颖材料将对从空间发射过来的太赫兹波在某个频点上产生谐振，从而使此频点处的太赫兹波透射降低。本调制器件的透射测试曲线图如图6所示，由曲线可以计算出调制深度约为30％左右。
图8是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，该调制信号分别为3MHz，该结果证明了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GaN半导体材料的场效应晶体管结构的太赫兹波空间调制器是一种可以工作于太赫兹频段的电控高速调制器件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器，其特征在于：包括衬底层（1）、GaN缓冲层（2）、AlGaN势垒层（3）、欧姆金属层（4）、隔离介质层（5）、肖特基金属层（6）和超颖材料层（7），隔离介质层（5）设置于欧姆金属层（4）、肖特基金属层（6）和超颖材料层（7）之间；所述衬底层（1）是外延的GaN缓冲层（2）的衬底，所述GaN缓冲层（2）和AlGaN势垒层（3）是在衬底上外延的异质结，在自发极化和压电极化的作用下在异质结界面处产生二维电子气，作为器件的导电沟道；所述欧姆金属层（4）是四层金属材料Ti/Al/Ni/Au，通过高温快速退火与AlGaN势垒层（3）形成合金后与导电沟道形成欧姆接触；所述隔离介质层（5）是一层SiNx介质薄膜；所述肖特基金属层（6）是两层金属材料Ni/Au，与AlGaN势垒层（3）之间形成金属与半导体之间的肖特基接触；所述的超颖材料层（7）由金属薄膜于隔离介质层（5）表面上、亚波长尺度的金属人工结构单元周期性排列而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器，其特征在于：所述的衬底层（1）采用蓝宝石。
3.根据权利要求1所述的一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器，其特征在于：所述的亚波长尺度的金属人工结构单元为各种开口环共振器SRR或金属线条Cut-wires。
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| CN201510952054.2A CN105549227A (zh) | 2015-12-18 | 2015-12-18 | 一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器 |
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- 2015-12-18 CN CN201510952054.2A patent/CN105549227A/zh active Pending
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