专利名称：一种太赫兹波调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种调制器，具体涉及一种太赫兹波调制器，属于太赫兹通信、探测和成像等领域。
背景技术：
太赫兹(THz)波是指0.1THz到IOTHz的电磁波，波长大概在0. 03mm-3mm范围，介于微波与红外之间。与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有光子能量小、穿透力强等特性，为通信、军事、医学、安全检查等领域带来了深远的影响。其中，调制速率大于IOMHz的高速太赫兹波调制器是太赫兹通信系统中必不可少的器件之一，而目前太赫兹波调制器的调制速率主要受限于衬底材料的性能和器件结构。近年来所报道的太赫兹波调制器中有利用半导体块状材料对太赫兹波进行调制的方法。中国计量学院的李九生等基于超高电阻率的硅片，利用808nm激光照射产生光生载流子，从而改变硅片折射率的方法对太赫兹波进行调制。由于超高电阻率硅片中载流子的复合寿命较长，所以其调制速率仅有0. 2Kbps。砷化镓中载流子的寿命较短,可用作制备高速太赫兹调制器的衬底。捷克的L. Fekete等人采取在交替层叠的氧化硅和氧化镁周期结构中嵌入一层砷化镓缺陷层的方法以构成一维光子晶体，利用砷化镓在SlOnm激光照射下产生的光生载流子的浓度变化来调制光子晶体的透过特性，从而实现高速调制太赫兹波的目的。但由于砷化镓中载流子的复合寿命较短，响应时间约为130ps量级，所以虽然理论上对太赫兹波的调制速率可达到GHz量级，但为了获得较高的光生载流子浓度和较大的调制深度，810nm调制激光的光通量需达到0. 8 ii J/cm2的极高量级，其对应的连续波输出激光功率则需要达到IO5W以上，这使得该种调制器在实际应用中受到极大的限制。参见图1，最近有研究人员提出一种基于闻电子迁移率晶体管和超材料结构的闻速太赫兹波调制器，但是该种高电子迁移率晶体管的层结构比金属氧化物半导体场效应管复杂，制备工艺流程长，成本较高，而且其寄生电容较大，限制了调制器的调制速率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种制备成本低，可于低电压下工作且调制速率大于IOMHz的太赫兹波调制器。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现本发明提供的太赫兹调制器包括太赫兹波可透过的半导体衬底、在半导体衬底上按一定周期分布的金属氧化物半导体场效应管阵列、在金属氧化物半导体场效应管阵列上制备的超材料谐振单元阵列、第一金属板和第二金属板；第一金属板与金属氧化物半导体场效应管的源极及漏极相连接；第二金属板与金属氧化物半导体场效应管的栅极相连接。上述半导体衬底采用的是P型硅衬底。上述金属氧化物半导体场效应管的开关时间为10 100ns。上述超材料谐振单元阵列中的超材料谐振单元的制备材料为金。
上述超材料谐振单元的厚度为200nm 2000nm。本发明的有益效果如下由于金属氧化物半导体场效应管的工作电压很低，使得以其制备的太赫兹波调制器可于低电压下工作，且金属氧化物半导体场效应管结构简单，制备成本低廉，工艺成熟，便于器件的小型化和集成化；由于金属氧化物半导体场效应管开关时间极短(10 100ns)，因此，可制成调制速率大于IOMHz的高速太赫兹波调制器。
图1为现有技术制备的基于高电子迁移率晶体管和超材料的太赫兹波调制器(其中数字的含义为半导体衬底11，高电子迁移率晶体管阵列22，超材料谐振单元阵列33，连接高电子迁移率晶体管源极和漏极的第一金属板44，连接高电子迁移率晶体管栅极的第二金属板55)；图2为本发明的太赫兹波调制器的结构示意图；图3为本发明的太赫兹波调制器表面的单个超材料谐振单元示意图。
具体实施例方式为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明。参见图2和图3，本发明的太赫兹调制器包括太赫兹波可透过的半导体衬底1、在半导体衬底I上按一定周期分布的金属氧化物半导体场效应管阵列2、在金属氧化物半导体场效应管阵列2上制备的超材料谐振单元阵列3、第一金属板4和第二金属板5。金属氧化物半导体场效应管阵列2和超材料谐振单元阵列3通过金属线连接。其中，第一金属板4与金属氧化物半导体场效应管的源极及漏极相连接；第二金属板5与金属氧化物半导体场效应管的栅极相连接。半导体衬底I对太赫兹波的透过率很高，可采用P型硅衬底或其它对太赫兹波透明的半导体材料。金属氧化物半导体场效应管阵列2中的金属氧化物半导体场效应管的开关时间为 10 100ns。超材料谐振单元阵列3中的超材料谐振单元的制备材料为金，其厚度为200nm 2000nm。工作时当栅极与源极、漏极间，即第二金属板5与第一金属板4间的电压小于金属氧化物半导体场效应管的阈值电压时，金属氧化物半导体场效应管内没有形成通道。此时，当太赫兹波照射到超材料谐振单元阵列3时，由于超材料谐振单元的共振效应很强，太赫兹波的透过率很低，相当于调制器处于“关”的状态；当栅极与源极、漏极间，即第二金属板5与第一金属板4间的电压大于金属氧化物半导体场效应管的阈值电压时，金属氧化物半导体场效应管内能够形成通道，电子可从源极进入通道，金属氧化物半导体场效应管表面的超材料谐振单元的谐振效应被破坏，结果导致太赫兹波透过率大大提高，相当于调制器处于“开”的状态。由于金属氧化物半导体场效应管的开关时间极短(10 100ns)，因此，通过在栅极施加高速调制的电压信号，就能够达到对入射到调制器的太赫兹波进行高速调制的目的。本发明中的金属氧化物半导体场效应管的工作电压很低，使得以其制备的太赫兹波调制器可于低电压下工作。金属氧化物半导体场效应管的开关时间极短，为10 IOOns量级，使得以其制备的太赫兹波调制器的调制速率可大于10MHz。本发明还可采用其他具有高速电子迁移率和快速响应时间的晶体管，如铝镓氮/氮化镓高电子移动度三极管(AlGaN/GaN HE MT)，亦可以采用不同尺寸和形状的超材料谐振单元。本发明的太赫兹波调制器的制备方法如下首先在其半导体衬底I上，生长金属氧化物半导体场效应管的外延结构；再利用光刻、刻蚀、蒸镀等工艺制备源极、漏极和栅极，制成金属氧化物半导体场效应管阵列2 ;然后在金属氧化物半导体场效应管阵列表面蒸镀超材料谐振单元阵列3 ;最后制备第一金属板4和第二金属板5以及连接金属氧化物半导体场效应管阵列2和超材料谐振单元阵列3的金属线。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.一种太赫兹波调制器，其特征在于，包括太赫兹波可透过的半导体衬底(I)、在半导体衬底(I)上按一定周期分布的金属氧化物半导体场效应管阵列(2)、在金属氧化物半导体场效应管阵列(2)上制备的超材料谐振单元阵列(3)、第一金属板(4)和第二金属板(5);所述第一金属板(4)与金属氧化物半导体场效应管的源极及漏极相连接；所述第二金属板(5)与金属氧化物半导体场效应管的栅极相连接。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波调制器，其特征在于，所述半导体衬底(I)采用的是 P型硅衬底。
3.根据权利要求1所述的太赫兹波调制器，其特征在于，所述金属氧化物半导体场效应管的开关时间为10 100ns。
4.根据权利要求1所述的太赫兹波调制器，其特征在于，所述超材料谐振单元阵列(3) 中的超材料谐振单元的制备材料为金。
5.根据权利要求4所述的太赫兹波调制器，其特征在于，所述超材料谐振单元的厚度为 200nm 2000nm。
全文摘要
本发明公开了一种太赫兹波调制器，包括太赫兹波可透过的半导体衬底(1)、在半导体衬底(1)上按一定周期分布的金属氧化物半导体场效应管阵列(2)、在金属氧化物半导体场效应管阵列(2)上制备的超材料谐振单元阵列(3)、第一金属板(4)和第二金属板(5)；第一金属板(4)与金属氧化物半导体场效应管的源极及漏极相连接；第二金属板(5)与金属氧化物半导体场效应管的栅极相连接。本发明中的金属氧化物半导体场效应管的工作电压很低，使得以其制备的太赫兹波调制器可于低电压下工作。金属氧化物半导体场效应管的开关时间极短，为10～100ns量级，使得以其制备的太赫兹波调制器的调制速率可大于10MHz。
文档编号G02F1/355GK103034014SQ201210580488
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者张 雄, 廖民亮, 丛嘉伟, 崔一平 申请人:东南大学