CN107144985B - 一种网状错位分布的hemt阵列电控太赫兹波调制器 - Google Patents
一种网状错位分布的hemt阵列电控太赫兹波调制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，属于电磁功能器件技术领域。本发明提供的调制器由半导体材料衬底、异质结构材料外延层、人工微结构以及套接电路组成，通过施加外部电压信号，改变外延层中2‑DEG的浓度，由此改变人工微结构的电磁谐振模式，从而对太赫兹波实现幅度调制。本发明提供的调制器工作在电磁波透射状态下，并且拥有高达92.8％的调制深度以及600MHz以上的调制速率；可通过微细加工技术实现，制备工艺成熟可靠；属于空间外部太赫兹调幅器件，拥有独立的器件封装和馈电网络，极易于同各种太赫兹通信、成像或探测系统融合，在太赫兹无线通信、太赫兹波谱技术、太赫兹安检成像等领域具有很好的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于电磁功能器件技术领域，同时也属于包括调制器、滤波器、电控开关等在内的通信器件领域，具体涉及一种网状错位分布的HEMT(高电子迁移率晶体管)阵列电控太赫兹波调制器。
背景技术
太赫兹波是一种介于光子学与电子学之间的新型电磁波谱，通常指频率位于0.1THz～10THz之内的电磁辐射。近年来，得益于太赫兹源与检测技术的飞速发展，基于太赫兹波的成像、频谱分析、电子信息、雷达定位等技术领域表现出了极大的应用前景。同时，太赫兹无线通信技术作为太赫兹领域的重要方向之一，目前受到了世界各国的重视。太赫兹波作为无线通信载波，具有超高的带宽、良好的穿透能力(相比于红外与光通信)与优越的定向性。超高的带宽使得太赫兹波在未来超宽带通信、大容量无线数据传输、保密通信等民用与国防领域备受瞩目；由于太赫兹波波长位于0.03mm～3mm之间，因而具有良好的穿透能力，在浓烟、沙尘环境下可保持近距离宽带通信；太赫兹波的发散角相对较小，具有优越的定向性，因而在卫星点对点通信、短程大气通信与地面点对点通信中具有较小的功率损耗从而实现超大容量的空间点对点通信。
作为具有重要应用前景的太赫兹应用系统，如太赫兹无线通信系统、太赫兹波谱成像系统等，太赫兹调制器件无疑是其关键核心器件之一，因此太赫兹调制器件也成为了太赫兹科学技术领域公认的研究重点和技术难点。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微结构相结合，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，也部分解决了太赫兹波幅度调制的难题。然而相关高性能器件的研究鲜有报道，如何实现幅值的高效、高速调制成为了该研究领域的一个瓶颈。而该项技术的突破、该器件的成功研制将极大的减少基于直接调制方式的太赫兹无线通信系统的误码率，提高信噪比，减少通信接收端的数据处理难度，这将更加有利于太赫兹高性能系统的实现和产业化。
HEMT是一种利用存在于调制掺杂异质结中的2-DEG(二维电子气)来进行工作的场效应晶体管。1978年R.Dingle首次在MBE(分子束外延)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。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。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。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种由外部电压控制的太赫兹空间外部调制器，在工作频带内具备大幅度调制深度和高幅度调制效率以及500MHz以上的调制速率。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，包括半导体衬底1、异质结构外延层2、调制单元阵列5和套接电路；所述异质结构外延层2设置于半导体衬底1的上表面；所述调制单元阵列5和套接电路设置于异质结构外延层2的上表面；所述调制单元阵列5中的每个调制单元包括源极谐振器6、漏极谐振器7、栅极连接线8、欧姆接触电极9和半导体掺杂异质结构10；所述源极谐振器6和所述漏极谐振器7是大小相同的“T”形结构；
所述源极谐振器6和所述漏极谐振器7对称设置于栅极连接线8的两侧，互为镜像结构；所述栅极连接线8设置于半导体掺杂异质结构10的上方，相邻调制单元的栅极连接线8相互连接；所述半导体掺杂异质结构10连接源极谐振器6和漏极谐振器7的“T”形结构横向短枝节；所述半导体掺杂异质结构10设置于源极谐振器6和漏极谐振器7的“T”形结构横向短枝节的下方；
所述套接电路包括正电压加载电极3和负电压加载电极4；所述正电压加载电极3包括纵向设置的金属长条和正电极横向连接线阵列3-1；所述正电极横向连接线阵列3-1中每根金属线等间距排列且连接上一行调制单元中漏极谐振器7的“T”形结构纵向枝节末端和下一行调制单元中源极谐振器6的“T”形结构纵向枝节末端；所述负电压加载电极4为纵向设置的金属长条；所述负电压加载电极4与各行调制单元的栅极连接线8相连；
所述调制单元有规律的呈网状错位分布于正电极横向连接线阵列3-1之间构成调制单元阵列5；所述调制单元阵列5中调制单元的横向间距相等，每一行中的调制单元位于上一行和下一行相邻两个调制单元的水平中央位置。
所述源极谐振器6和漏极谐振器7的“T”形结构中的横向短枝节通过欧姆接触电极9与半导体掺杂异质结构10连接。
所述栅极连接线8位于半导体掺杂异质结构10上方部分的线宽窄于其它部分。
所述调制单元阵列5为多个调制单元构成的M×N型阵列，其中M≥3，N≥4。
所述欧姆接触电极9材料为Ti、Al、Ni或Au。
所述半导体衬底1选择蓝宝石、石英、碳化硅等对于太赫兹波插损小的材料介质。
所述源极谐振器6、漏极谐振器7和套接电路采用Al、Ag、Au等高电导率金属材料。
所述半导体掺杂异质结构10的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP，其中斜线表示两种或三种材料的结合。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用对称的双“T”形结构作为人工微结构的谐振单元，结构简单，其所对应的偶极谐振易于调控，降低了谐振结构自身附带的寄生电容和寄生电感，有利于增大调制深度，提高调制速率。
(2)本发明将套接电路与谐振阵列结合，横向正电压馈线作为谐振结构的一部分，将上下行之间不同谐振单元的源极谐振器与漏极谐振器连接在一起，在HEMT连通状态下形成了贯穿全阵列的一体式类偶极谐振，因此该谐振频点趋近于0，从而远离了工作频点，提高了工作带宽内的太赫兹波透过率，进而提高了调制效率。
(3)本发明的调制阵列采用网状设计，上一行调制单元的漏极谐振器与下一行调制单元的源极谐振器共用同一条正电压馈线，极大地简化了套接电路，最大限度地降低了套接电路所产生的寄生电容和寄生电感，有利于提高调制速率。
(4)本发明的调制阵列采用错位设计，调制单元的交错分布使谐振模式由传统的偶极谐振变为含有多个弯路的类偶极谐振，谐振路径的复杂化增强了谐振强度，进而提高了调制深度。
(5)本发明将作为调控开关的HEMT采用嵌套式设计与谐振单元结合在一起，高电子迁移率晶体管的欧姆接触电极与源/漏极谐振器无缝重叠设置，完全摒除了晶体管电极对谐振模式的干扰。
(6)本发明所述调制器拥有高达92.8％的调制深度以及600MHz以上的调制速率，有着极高的实用价值。
(7)本发明中利用人工微结构设计形成的调制阵列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，避免了复杂立体结构的设计方案带来的高难度加工。
(8)本发明设计的是透射式的太赫兹波调制器，操作更简单，使用方便，尤其是在太赫兹点对点通信中更能有效的发挥作用。
(9)本发明属于一种空间外部太赫兹调幅器件，拥有独立的器件封装和馈电网络，极易于同各种太赫兹通信、成像或探测系统融合。
(10)本发明可工作于常温、常压、非真空条件下且无需波导加载，易于封装，使得该调制器有着良好的发展前景。
附图说明
图1为HEMT电控太赫兹调制器的整体设计方案示意图；
图2为HEMT电控太赫兹调制器调制单元立体示意图；
图3为外加电激励时谐振阵列的电场与表面电流分布模式图；
图4为未加电激励时谐振阵列的电场与表面电流分布模式图；
图5为HEMT电控太赫兹调制器在不同强度的电激励下透射曲线仿真图；
图6为实验所测HEMT调制器在外加600MHz的调制电压信号时对空间太赫兹波的调制信号。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行更深入的详细说明。
本具体实施方式提供一种网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，其结构如图1所示，包括半导体衬底1、异质结构外延层2、调制单元阵列5、正电压加载电极3和负电压加载电极4。正电压加载电极3、负电压加载电极4和调制单元阵列5构成金属结构层，金属结构层下表面依次设置有异质结构外延层2和半导体衬底1。所述调制单元阵列5为多个调制单元构成的M×N的阵列，其中M≥3，N≥4。所述调制单元包括HEMT和金属谐振结构，其结构图如图2所示。每个调制单元中的HEMT均由源极谐振器6、漏极谐振器7、栅极连接线8和半导体掺杂异质结构10结合构成；HEMT位于上侧“T”形结构与下侧“T”形结构之间；“T”形结构中的短金属横条均套刻在每个HEMT的源极谐振器6或漏极谐振器7之上。每一行中HEMT的栅极连接线8相连并连接到负电压加载电极4。调制单元中的谐振结构由源极谐振器6和漏极谐振器7组成。源极谐振器6和漏极谐振器7结构相同，都是一种平躺式“T”形结构；上侧“T”形结构为源极谐振器6，下侧“T”形结构为漏极谐振器7，上下两个“T”形结构关于位于谐振结构中间的栅极连接线8互为镜像结构。“T”形结构的纵向枝节末端均连接到正电极横向连接线。调制单元有规律的呈网状错位分布于横向正电压连接线之间构成调制单元阵列5，调制单元阵列5中调制单元的横向间距相等，每一行中的调制单元位于上一行和下一行相邻两个调制单元的水平中央位置。
本发明的网状错位分布的高电子迁移率晶体管阵列电控太赫兹波调制器为复合金属—半导体结构，上述技术方案中，所述衬底基片1为蓝宝石、高阻硅、碳化硅等半导体材料；HEMT外延层2为可构成异质结的半导体材料，例如AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs等。一般采用Ti、Al、Ni、Au等构成欧姆接触电极9，采用Au、Ag、Al等金属材料构成谐振金属6、7和套接电路3、4、8。上述列出的金属材料也可采用其它特性相近的金属代替。
本发明所述电控太赫兹波调制器的调制机制是通过施加外部电激励，来改变半导体掺杂异质结构10中2-DEG的分布，从而控制人工微结构(调制单元)中电磁谐振模式的转换，由多个谐振单元组成的谐振阵列对空间中入射的太赫兹波束进行动态幅度调制。所述调制单元阵列5采用了独特的网状错位式分布，每一条正电极横向连接线可以同时为上一行的漏极谐振器7和下一行的源极谐振器6馈电，使栅极连接线8下方的半导体掺杂异质结构10内形成影响2-DEG浓度的电势差。
具体的调制过程为：调制器中与栅极谐振器7相连的负电压加载电极4加负电压，与源极谐振器6和漏极谐振器7相连的正电压加载电极3加正电压。当外加电压差值为0时，半导体掺杂异质结构10中2-DEG的浓度维持在很高的水平，谐振单元中的源极谐振器6和漏极谐振器7通过2-DEG连接成一体，从模式图4可以看到，电场主要分布在“T”形结构与正电压横向连接线相接的位置，表面电流流经各行相邻错位分布的谐振单元以及连接谐振单元的正电压横向连接线，其路径纵向贯穿整个谐振阵列，形成一体贯穿式的类偶极谐振。如图5所示，此时结构谐振频率无限接近于0；当外加电压差逐渐增加时，位于源极谐振器6和漏极谐振器7之间的HEMT中2-DEG浓度逐渐减小直至耗尽，HEMT由连通逐渐变为夹断状态，从模式图3上可以看到，电场主要集中在“T”形结构间的缝隙处，纵向贯穿全阵列的表面电流被分离成多个互不相连的小部分，如图5所示，此时结构谐振频率为0.34THz。在上述动态变化过程中，谐振模式的转变导致谐振频点的偏移，随着外加电压的增大，纵向贯穿全阵列的一体式类偶极谐振逐渐变成多个分离的类偶极谐振，谐振峰由0逐渐偏移至0.34THz。图5给出了本发明所述调制器在不同外加电压下，幅值透射曲线的三维仿真结果，在0.34THz附近，电磁波的透过率随着电压差的增大由83％降至6％，调制效率为92.8％。图6为实验中实际所测量到的经过调制器后的太赫兹波上所加载的调制信号，该调制信号为600Mbps，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。
需要指明的是，通过改变谐振单元的结构参数，如“T”形结构枝节长度、谐振单元的间距等，可精确控制该调制器的谐振频点，该器件可应用于不同的工作频段。
综上所述，基于HEMT的电控太赫兹波调制器是一种极具实用性的工作于THz频段的高效高速调制器件。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，包括半导体衬底(1)、异质结构外延层(2)、调制单元阵列(5)和套接电路；所述异质结构外延层(2)设置于半导体衬底(1)的上表面；所述调制单元阵列(5)和套接电路设置于异质结构外延层(2)的上表面；所述调制单元阵列(5)中的每个调制单元包括源极谐振器(6)、漏极谐振器(7)、栅极连接线(8)、欧姆接触电极(9)和半导体掺杂异质结构(10)；所述源极谐振器(6)和所述漏极谐振器(7)对称设置于栅极连接线(8)的两侧，互为镜像结构；所述栅极连接线(8)设置于半导体掺杂异质结构(10)的上方，相邻调制单元的栅极连接线(8)相互连接；其特征在于：
所述源极谐振器(6)和所述漏极谐振器(7)是大小相同的“T”形结构；所述半导体掺杂异质结构(10)连接源极谐振器(6)和漏极谐振器(7)的“T”形结构横向短枝节；所述半导体掺杂异质结构(10)设置于源极谐振器(6)和漏极谐振器(7)的“T”形结构横向短枝节的下方；所述源极谐振器(6)和漏极谐振器(7)的“T”形结构中的横向短枝节通过欧姆接触电极(9)与半导体掺杂异质结构(10)连接；
所述套接电路包括正电压加载电极(3)和负电压加载电极(4)；所述正电压加载电极(3)包括纵向设置的金属长条和正电极横向连接线阵列(3-1)；所述正电极横向连接线阵列(3-1)中每根金属线等间距排列且连接上一行调制单元中漏极谐振器(7)的“T”形结构纵向枝节末端和下一行调制单元中源极谐振器(6)的“T”形结构纵向枝节末端；所述负电压加载电极(4)为纵向设置的金属长条；所述负电压加载电极(4)与各行调制单元的栅极连接线(8)相连；
所述调制单元有规律的呈网状错位分布于正电极横向连接线阵列(3-1)之间构成调制单元阵列(5)；所述调制单元阵列(5)中调制单元的横向间距相等，每一行中的调制单元位于上一行和下一行相邻两个调制单元的水平中央位置。
2.根据权利要求1所述的网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，其特征在于，位于半导体掺杂异质结构(10)上方的栅极连接线部分的线宽窄于栅极连接线的其它部分。
3.根据权利要求1所述的网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，其特征在于，所述调制单元阵列(5)为多个调制单元构成的M×N型阵列，其中M≥3，N≥4。
4.根据权利要求1所述的网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，其特征在于，所述欧姆接触电极(9)的材料为Ti、Al、Ni或Au。
5.根据权利要求1所述的网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，其特征在于，所述半导体衬底(1)的材料选择蓝宝石、石英或碳化硅。
6.根据权利要求1所述的网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，其特征在于，所述源极谐振器(6)、漏极谐振器(7)和套接电路的材料采用Al、Ag或Au。
7.根据权利要求1所述的网状错位分布的HEMT阵列电控太赫兹波调制器，其特征在于，所述半导体掺杂异质结构(10)的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP，其中斜线表示两种或三种材料的结合。
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