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的制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]太赫兹波(terahertz wave)是指频率为0.1?10 THz、波长为30ym~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。
[0003]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福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尚功率、尚效率、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。
[0004]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一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(掺杂娃基等)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。
[0005]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迀移率。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。
[0006]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】
[0007]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。
[0008]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势皇层、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势皇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势皇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势皇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。
[0009]所述的衬底层采用蓝宝石。
[0010]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-Wires0
[0011]本发明的有益效果是:
(I)本发明受到高电子迀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。
[0012]( 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)具有更高的电子迀移率。
[0013]( 3)本发明相比娃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 ο
[0014](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尚速有效调制。本发明能够有效提尚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，实现对太赫兹波的尚速尚效调制。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】
[0015]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=2ym、space=4ym、space=8ym、space=16ym、space=40ym、space=52ym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ΙΟΟμηι;
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势皇层，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】
[0016]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。
[0017]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I (C-Al2O3蓝宝石单晶衬底)、GaN缓冲层2、AlGaN势皇层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势皇层3异质结面处的虚线表示二维电子气(2-DEG)。所述衬底层I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势皇层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势皇层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势皇层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。
[0018]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势皇层。夕卜延的半导体异质结结构8位于衬底层I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-