极(4)。外延层(2)设置于半导体衬底(I)上，调制单元阵列(5)、正电压加载电极(3)和负电压加载电极(4)设置在外延层(2)上;所述调制单元组为多个调制单元构成的M*N的阵列，其中M>3，N>3;所述调制单元包括高电子迀移率晶体管和人工金属电磁谐振结构，各晶体管栅极连接到负电压加载电极(5)，源极和漏极连接到正电压加载电极(3)。所述正电压加载电极(3)包括与各晶体管的源极连接的源极连接端，以及与各晶体管漏极连接的漏极连接端。并且源极连接端和漏极连接端也可接到两个不同电压的正电极上以此实现源、漏极间的电压控制。
[0027]每个调制单元包含两个左右对称且完全相同的晶体管，每个晶体管均由源极、栅极、漏极与调制掺杂异质材料结合构成，且位于谐振结构圆环部分开口缝隙处。
[0028]人工金属电磁谐振单元结构由源极谐振器、漏极谐振器以及栅极连接线构成，每个谐振单元中包含一个金属圆环，位于圆环中间的左右两处开口缝隙将其分为上半圆环与下半圆环，每个圆环缝隙处各有上下两根金属横条与圆环内侧相接并套刻在晶体管的源极、漏极之上。上下两根金属竖条与金属圆环外侧相连并延伸至圆环内部。长金属横条位于谐振单元上下侧并与相邻单元的金属长条相连接。其中，源极电压加载线、金属竖条和上半圆环构成源极谐振器，漏极电压加载线、金属竖条和下半圆环构成漏极谐振器，栅极连接线位于单元结构中间并将单元内两个晶体管的栅极相连，栅极连接线分别连接左、右两侧单元的栅极连接线。
[0029]本发明的基于高电子迀移率晶体管空间太赫兹波相位调制器为人工电磁媒质谐振结构与HEMT相结合而成的复合金属一半导体结构，上述技术方案中，所述衬底基片可以选择蓝宝石、高阻娃、碳化娃等半导体材料;HE M T外延层要选择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 T1、Al、N1、Au 等构成金属电极，采用Au、Ag、Cu、Al等金属材料构成套接电路。上述列出的金属材料也可采用其它特性相近的金属代替。
[0030]该调相器的调相机制是通过外加电压来控制HEMT中二维电子气的浓度，二维电子气的浓度的改变控制着调制单元中谐振模式的转变，进而实现对空间中太赫兹波的动态相位调制。具体的调制过程为:调制器中与栅极相连的负电压加载电极4加负电压，与源漏相连的正电压加载电极3加正电压，当正负电压差值为O时，HEMT处于导通状态，源极谐振器与漏极谐振器通过二者之间的HEMT连通成为整体，从模式图5可以看到，不加电压时，LC谐振模式(模式①)与偶极谐振模式(模式②)共存且两种模式耦合，电场主要分布在上下横向长金属杆的位置，如图6所示，此时结构谐振频率为0.28THz;当正负电压差为4?1V时，位于源漏之间的HEMT中二维电子气被耗尽，HEMT成为夹断状态，此时源极谐振器与漏极谐振器之间处于断开的状态，相互独立工作，从模式上可以看到形成了上下部分各自独立的类似偶极振荡的模式③，电场主要集中在谐振单元的中心位置，如图6所示，此时结构谐振频率为0.39THz。图中只给出了谐振单元左侧的表面电流分布示意图，由于谐振单元是一种左右对称结构，其右侧的电流分布情况与左侧对称。在外加电压差值由零逐渐变大的过程中，HEMT中的二维电子气浓度逐渐减小，直至耗尽，谐振单元的谐振模式由模式①、②耦合共存状态向模式③独立存在状态逐渐转变，谐振峰峰值逐渐偏移，太赫兹波的相位差值也逐渐增大。图6和图7分别给出了该调相器在HEMT通、断状态下幅值与相位透射曲线的三维仿真结果。由图7可知，在0.28到0.39THz的频带范围内该相位调制器可以达到90度以上的相位调制深度，且最大相位调制深度可达140度左右。需要指明的是，通过改变谐振单元的结构参数，可以调节相位调制的带宽大小、频带范围以及调制深度，用此方法可使90度以上调制深度的带宽达到0.2THz以上。
[0031]上述高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器不仅通过三维电磁模拟软件仿真得到了很好的仿真结果，还通过实验证明了该器件的可行性。如图8所示，实线表示HEMT处于未加压导通状态时的相位透射曲线，点划线表示HEMT处于加压断开时的相位透射曲线，虚线表示相位调制深度。由图8可知，不同型号的调相器拥有不同的调制带宽，但调制深度均可达到90度以上，因此可以根据不同的实际需求，通过改变该调相器的参数(例如金属圆环半径)来加工制作不同型号的HEMT相位调制器。
[0032]综上所述，基于HEMT的太赫兹空间相位调制器是一种极具实用性的工作于THz频段的电控高速、大调制深度、宽带宽相位调制器件。
[0033]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。
【主权项】
1.一种基于高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器，该调制器包括:半导体衬底，位于半导体衬底上的外延层，位于外延层上的调制单元阵列、正电极、负电极;所述调制单元阵列中的每个调制单元包括:源级谐振器、漏极谐振器、栅极连接线、半导体掺杂异质结构；其中漏极谐振器与源极谐振器结构完全相同，包括:金属半圆环、“T”形金属馈线，其中“T”形金属馈线由横向枝节和纵向枝节组成，所述“T”形金属馈线的纵向枝节从金属半圆环顶部由外向内贯穿半圆环;漏极谐振器与源极谐振器半圆环开口相对并对称设置于栅极连接线的两侧，在漏极谐振器与源级谐振器半圆环末端的下部设置有半导体掺杂异质结构，用以连接漏极谐振器与源极谐振器，该半导体掺杂异质结构同时位于栅极连接线的下部；所述调制单元阵列中每行阵元共用同一根栅极连接线，各行的栅极连接线连接同一负电极;所述每行调制单元中漏极谐振器的“T”形金属馈线横向枝节依次连通，并连接正电极；所述每行调制单元中源极谐振器的“T”形金属馈线横向枝节依次连通，并连接正电极。2.如权利要求1所述的一种基于高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器，其特征在于所述漏极谐振器和源极谐振器的末端通过一金属电极与半导体掺杂异质结构连接。3.如权利要求1或2所述的一种基于高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器，其特征在于所述漏极谐振器和源极谐振器中半圆环的末端设置一向圆心延伸的短枝节。4.如权利要求1所述的一种基于高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器，其特征在于所述栅极连接线位于半导体掺杂异质结构上的部分窄于其它部分。5.如权利要求1所述的一种基于高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器，其特征在于所述半导体惨杂异质结构的材料为AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP，斜线表示两种材料的结合。6.如权利要求1所述的一种基于高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器，其特征在于所述半导体衬底选材为蓝宝石、高阻娃或碳化娃。7.如权利要求2所述的一种基于高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器，其特征在于所述金属电极材料为T1、A1、N1、Au。8.如权利要求1所述的一种基于高电子迀移率晶体管太赫兹空间相位调制器，其特征在于所述漏极谐振器、源极谐振器、金属馈线的材料为Au、Ag、Cu、Al。
【专利摘要】本发明公开了一种基于高电子迁移率晶体管太赫兹空间外部相位调制器。该器件将具有快速响应的高电子迁移率晶体管与新型人工电磁媒质谐振结构相结合，使其具备对自由空间传播的太赫兹波进行快速调相的能力。本调制器是由半导体材料衬底、HEMT外延层、周期人工金属电磁谐振结构以及套接电路组成，通过加载的电压信号控制HEMT外延层中二维电子气的浓度，由此改变人工电磁媒质谐振结构的电磁谐振模式，从而对太赫兹波实现相位调制。该相位调制器可以在很大的带宽内实现90度以上的相位调制深度，最大相位调制深度可达140度左右。并且该器件结构简单、易于加工、调制速度快且使用方便，易于封装。
【IPC分类】G02F1/015
【公开号】CN105549228
【申请号】CN201510965154
【发明人】张雅鑫, 赵运成, 梁士雄, 乔绅, 杨梓强
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月21日