专利名称：高速电调控太赫兹调制器的制作方法
技术领域：
本发明特别涉及一种能够通过电调控方式高速、高效调制太赫兹波幅值的装置， 其可应用于太赫兹通讯和太赫兹成像等领域。
背景技术：
太赫兹(THz)波是频率在0. ITHz到IOTHz范围的电磁波，波长在30 μ m到3mm范围，介于毫米与红外之间，与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有光子能量低、穿透力强等优异特性，在物理、化学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、环境监测、通信等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的市场前景。随着THz科技的迅速发展，THz 间隙的空白逐渐被填补，半导体材料结合光子学和电子学应用于THz技术都为这一领域的发展实现了重大突破，如量子级联激光器，肖特基二极管和Bolometer。在发展相应THz光源和高灵敏度探测器的同时，高速调制器是不可缺少的核心器件，然而，人们在控制和操纵 THz波技术方面仍相对滞后，实现高速THz调制器显得非常迫切。传统的THz调制器主要是机械式调制方式的斩波器，调制频率从几Hz至几kHz。 近年来，人们又发展出了基于光子晶体和特异材料(Metamaterials)等人造电磁材料的 THz波的带隙迁移型THz调制器，其调制深度可达30dB，调制速度约为10kHz，然而，这些 THz调制器的带隙边缘很难达到陡峭，调制深度和插入损耗等指标都不是很理想。而基于 Metamaterials人工结构的THz调制器也是目前的研究热点，但是此类器件的调制速度仍较低，且性能指标难以提升。事实上，目前通过电调控方式的THz调制器调制速度都只有几百Hz kHz，这很难满足太赫兹在通讯和成像领域应用的要求，所以，如何提升调制速度成为进一步发展THz调制器技术的关键。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高速电调控太赫兹调制器，其调制深度>50%，调制速度> 10MHz，从而克服了现有技术中的不足。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案一种高速电调控太赫兹调制器，包括介质基板，所述介质基板由对太赫兹波透明的材料形成，其特征在于所述介质基板表面分布由复数个高电子迁移率晶体管形成的阵列，该介质基板表面以及高电子迁移率晶体管阵列表面还附着有频率选择表面结构，所述频率选择表面结构包括具有带通滤波结构的图形化导电薄膜，所述导电薄膜对应于每一高电子迁移率晶体管局部分别构成该高电子迁移率晶体管的源极、漏极和栅极；所述高电子迁移率晶体管的电子迁移率在1500cm2/Vs以上。具体而言，所述频率选择表面结构是金属薄膜形成的网状方格结构，且构成网状方格结构的每一边的宽度在2-7 μ m。所述高电子迁移率晶体管的跨导在300mS/mm以上。一种高速电调控太赫兹调制装置，其特征在于，它包括
如上所述的高速电调控太赫兹调制器；以及，用于对高速电调控太赫兹调制器中的高电子迁移率晶体管栅极输入调控沟道电导的电压信号的调制信号源。本发明采用频率选择表面结构与高电子迁移率晶体管相结合，晶体管设计为频率选择表面结构的组成部分，通过将脉冲电压信号施加于晶体管栅极调控沟道电导导通和断开的高速变化，从而动态切换具有滤波作用频率选择表面结构的变换，进而实现对电磁波的反射和传输的控制。进一步的讲，本发明采用孔径型频率选择表面结构调制THz波，对于谐振情况下入射的电磁波，孔径型FSS表现出全透射的特征，形成带通型滤波结构。滤波机理可描述为如下当低频电磁波照射孔径型频率选择表面时，将激发大范围的电子移动，使得电子吸收大部分能量，且沿缝隙的感应电流很小，导致透射系数比较小。随着入射波频率的不断升高，这种电子移动的范围将逐渐较小，沿缝隙流动的电流在不断增加，从而透射系数得到改善。当入射电磁波的频率达到一定值时，槽两侧的电子刚好在入射波电场矢量的驱动下来回移动，在缝隙周围形成较大的感应电流。由于电子吸收大量入射波的能量，同时也在向外辐射能量。运动的电子透过偶极子槽的缝隙向透射方向辐射电场，此时的偶极子槽阵列反射系数最低，透射系数最高。当入射波频率继续升高时，将导致电子的运动范围减小，在缝隙周围的电流将分成若干段，电子透过槽缝隙辐射出去的电磁波减小，透射系数降低。而对于在远离缝隙的金属板上所产生的感应电流则向反射方向辐射电磁场，并且由于高频电磁波的电场变化周期的限制了电子的运动，辐射能量有限。与现有技术相比，本发明至少具有如下优点充分结合了频率选择表面结构对太赫兹滤波作用和高电子迁移率晶体管高速栅极电调控特性，实现以电调制方式对太赫兹波幅值的高速调制效应，相比现有的机械式调制方式的斩波器、光子晶体和特异材料等太赫兹调制器，本发明太赫兹调制器调制速度可大于10MHz，相对调制深度大于50%，S卩，实现了对太赫兹波的高速调制。
图1是本发明一较佳实施例中高速太赫兹调制器的结构示意图；图2是图1中高电子迁移率晶体管的结构示意图；图3是以图1所示高速太赫兹调制器进行测试时的原理示意图；图4是本发明一较佳实施例中通过脉冲电压信号施加于晶体管栅极调控沟道电导率变化的曲线图；图5是本发明一较佳实施例中高速太赫兹调制器的模拟结果曲线图；以上各图中所示各组件及其附图标记分别为太赫兹波光源1、频率选择表面2、 高电子迁移率晶体管3、介质基板4、调制信号源5、太赫兹探测器6、栅极a、源极b、漏极C。
具体实施例方式本发明的高速电调制太赫兹调制器包括介质基板，介质基板上的高电子迁移率晶体管阵列以及附着于介质基板和晶体管表面的频率选择表面结构。前述的介质基板由对太赫兹波有较高透射率的介质材料形成，，并易于高电子迁移率晶体管和金属材料的生长。前述的高电子迁移率晶体管阵列是由多个相同形状和尺寸的晶体管构成的单元阵列，阵列周期与频率选择表面结构相匹配。该等晶体管可通过分子束外延等方法在介质基板制备获得，并通过感应耦合等离子体刻蚀、光刻工艺等制备成阵列结构。前述的频率选择表面结构是由一定尺寸的金属薄膜按特殊布局形成的网状结构， 例如可以是采用电子束蒸发技术制备金薄膜，通过微纳加工工艺将金薄膜光刻成一定线宽并按特定布局形成的网状结构，其中，微纳加工工艺包括清洗介质基板、裂片、减薄抛光、电子束蒸发和UV光刻等。具体来看该高速太赫兹调制器的结构特征及功能前述频率选择表面的作用是对太赫兹波形成带通滤波效应，本发明设计频率选择表面结构的带通频率范围优选为0. 82-0. 92THz ；高电子迁移率晶体管的作用是在栅极电压调控下沟道电导呈现导通和断开两种状态，实现快速切换两种不同频率选择表面结构；介质基板的作用是承载调制器核心单元晶体管和频率选择表面结构，并且对太赫兹波有较高的透射率；调制信号源的作用是对高电子迁移率晶体管栅极输入调控沟道电导的高频电压信号。以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。参阅图1-2，本实施例的高速太赫兹调制器包括蓝宝石单晶介质基片4以及外延生长于介质基片表面的AWaN/GaN高电子迁移率晶体管阵列，介质基片4和晶体管阵列附着有频率选择表面结构2，该频率选择表面结构2系图形化的金属薄膜，其对应于每一晶体管的部分分别构成晶体的源极b、漏极c和栅极a。该高速电调制太赫兹调制器的制备和测试分析过程如下步骤一利用基于时域有限差分的软件FDTD Solution，建立太赫兹波调制器的模型结构，其中金属性频率选择表面结构2设置为200纳米厚的金。通过优化栅极G、源极S 和漏极D尺寸，模拟获得栅控高电子迁移率晶体管中沟道电导导通和断开时最大的相对调制深度。获得最佳参数为源极宽度S = 1微米，漏极宽度D = 1微米和栅极宽度G = 7微米，周期单元间距d = 50微米，调制器在频率范围0. 82-0. 92THz相对调制深度为75%。步骤二 制备光刻板，利用感应耦合等离子体刻蚀方法，刻蚀晶体管基片台面，用光刻胶为掩模，刻蚀出晶体管单元阵列，如图1所示，每一个晶体管3面积为6X8微米2。步骤三采用紫外曝光光刻技术，在已刻蚀的晶体管基片台面上制备与频率选择表面结构反型的光刻胶，厚度约为1. 5微米。步骤四利用电子束蒸发金属技术，在制备好光刻胶的基片上沉积约200nm厚的
金薄膜。步骤五将制备好金薄膜的基片置于丙酮中清洗约30分钟，将光刻胶及其上面金薄膜洗去，留下频率选择表面金属结构。步骤六介质基片采用蓝宝石单晶基片，该材料介电常数约为11. 9，裂片面积为 10X10毫米2，减薄厚度至约为90微米。步骤七将调制器固定并置于太赫兹光源1和探测器6中间，调制器电调控信号由信号源5输出，通过同轴线和金属引线加载到晶体管3栅极上，调控高电子迁移率晶体管中沟道电导的导通和断开。太赫兹探测器灵敏探测通过调制器的太赫兹波信号。图4所示是本实施例通过脉冲电压信号施加于晶体管栅极调控沟道电导率变化的曲线，其中，沟道电导率变化等效于两种频率选择表面结构A和B的转换。这也正是本发明的核心思想所在，即，运用了频率选择表面结构对太赫兹波的滤波作用和高电子迁移率晶体管栅压对沟道电导的高速调控性能，设计两种分别对电磁波具有反射效应的周期结构 A和透射效应的周期结构B，高电子迁移率晶体管设计为周期结构的组成部分，通过栅极调制信号(Vg_Vb，Vg+Va)调控沟道电导G率的变化(G = 0 4000S/cm)，实现结构A和B之间高速动态切换，进行对太赫兹波幅值的高速电调制。图5给出了本实施例的模拟计算结果，在设计的0. 82-0. 92THz频率范围，当源极和漏极宽度为1微米，栅极宽度为7微米时，调制器调制深度达到75%。栅极调制信号频率 IOMHz在透射信号上能清晰反映，表明栅极调制速度至少可达到10MHz。参阅图3，当光源1发射的太赫兹波垂直入射调制器平面时，因频率选择表面的带通滤波效应，只有频率范围为0. 82-0. 92THz的电磁波可以通过，当频率低于0. 82THz时，传输率很低接近为零(参阅图幻，当频率升高至设计频段时，电磁波可通过调制器，传输率迅速提高，随着电磁波频率继续升高，一定波长电磁波与频率选择表面结构发生谐振，电磁波传输率达到极大。从模拟和实验结果看，采用本发明设计的频率选择表面结构尺寸，调制器相对调制深度达到75%，施加于栅极的IOMHz调制信号能清晰地反映在射频频谱上，说明该调制器调制速度已达到10MHz，亦即，本发明所述的“高速”。本发明高速电调制太赫兹调制器，充分结合了高电子迁移率晶体管的高速栅控调制特性和频率选择表面结构滤波特性的优点，具有调制速度高和调制深度大等特点，可以弥补现有高速太赫兹调制器的不足。该高速电调制太赫兹调制器装置操作简单，成本较低， 易于集成，在太赫兹通讯和太赫兹成像等方面具有较大的科学研究价值和市场前景。当然，本发明还可采用其他具有高电子迁移率和高栅控能力的晶体管，如MGaAs/ GaAs或Si等半导体材料组成的晶体管等，因此，前述较佳实施例不能视为对本发明保护范围的任何限制。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种高速电调控太赫兹调制器，包括介质基板G)，所述介质基板(4)由对太赫兹波透明的材料形成，其特征在于所述介质基板表面分布由复数个高电子迁移率晶体管(3) 形成的阵列，该介质基板表面以及高电子迁移率晶体管阵列表面还附着有频率选择表面结构O)，所述频率选择表面结构包括具有带通滤波结构的图形化导电薄膜，所述导电薄膜对应于每一高电子迁移率晶体管局部分别构成该高电子迁移率晶体管的源极(b)、漏极(C) 和栅极(a)；所述高电子迁移率晶体管的电子迁移率在1500cm7Vs以上。
2.如权利要求1所述的高速电调控太赫兹调制器，其特征在于所述频率选择表面结构(2)是金属薄膜形成的网状方格结构，且构成网状方格结构的每一边的宽度在2-7 μ m。
3.如权利要求1所述的高速电调控太赫兹调制器，其特征在于所述高电子迁移率晶体管3的跨导在300mS/mm以上。
4.一种高速电调控太赫兹调制装置，其特征在于，它包括如权利要求1所述的高速电调控太赫兹调制器；以及用于对高速电调控太赫兹调制器中的栅极和源极输入调控电压信号的调制信号源(5)。
全文摘要
本发明公开了一种高速电调控太赫兹调制器，包括介质基板(4)，所述介质基板(4)是对太赫兹波透明的材料，且所述介质基板表面分布高电子迁移率晶体管(3)形成的阵列，该介质基板表面以及高电子迁移率晶体管阵列表面还附着有频率选择表面结构(2)，所述频率选择表面结构是具有带通滤波结构的图形化导电薄膜，所述导电薄膜对应于每一高电子迁移率晶体管局部分别构成该高电子迁移率晶体管的源极(b)、漏极(c)和栅极(a)；所述高电子迁移率晶体管的电子迁移率在1500cm2/Vs以上。本发明实现了以电调制方式对太赫兹波幅值的高速调制效应，调制速度可大于10MHz，相对调制深度大于50％。
文档编号G02F1/015GK102279476SQ20111019825
公开日2011年12月14日 申请日期2011年7月15日 优先权日2011年7月15日
发明者吴东岷, 张宝顺, 张晓渝, 李欣幸, 秦华 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所