肖特基栅阵型太赫兹调制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种肖特基栅阵型太赫兹调制器装置及其调控方法。本发明采用周期性栅型金属-半导体表面等离子体波导结构，利用金属-半导体界面形成的肖特基接触以及太赫兹表面等离子体激元位置与肖特基接触重合的特点，通过引入正、负电极并施加电压，实现了器件的太赫兹调制功能。该器件将光学微结构波导与半导体电子器件有机地结合起来，使其能与其他电子学元件和系统很好地集成，又能完成太赫兹波传输和谐振的光学功能。该器件工作在2.2～3.2THz，工作频率可随工作电压调谐，最大调制深度16dB，最高调制速率22MHz，是一种小型化、可集成的片上电控高速太赫兹调制器件，满足太赫兹宽带无线通信的应用要求。
【专利说明】肖特基栅阵型太赫兹调制器【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹应用【技术领域】，具体涉及一种太赫兹波调制器及其调控方法。【背景技术】
[0002]太赫兹(ITHz = IO12THz)波是指频率在0.1-IOTHz (对应的波长为3mm-30 μ m)范围的电磁波，这一波段介于微波与光波之间，是电子学与光子学的交叉领域。由于其在电磁波谱中所处的特殊位置，太赫兹波具有透视性、安全性、高信噪比等许多优越特性，在光谱、成像和通信等领域具有非常重要的学术和应用价值。太赫兹通信具有带宽大、定向性、保密性好、抗电磁干扰，可实现室内短距离或空间保密无线通信，传输速率可达I-IOGbps等优点，因此太赫兹波在通信领域应用中具有独特的优势，而太赫兹调制器是太赫兹通信系统的关键核心器件。
[0003]近年来，众多的太赫兹调制器被提出，包括基于量子阱、光子晶体、半导体硅、超材料、石墨烯等的太赫兹调制器，按调制方式可以分为调幅、调相、调频等，按控制方式又可分为电控、磁控、光控等类型。太赫兹调制器的关键技术指标是:工作中心频率、工作带宽、调制速率和响应时间、调制深度、传输损耗等。例如，一种基于超材料的太赫兹振幅和相位调制器，其工作频率0.81 THz，调制带宽约20GHz，调制深度55 %，调制速率2MHz [H.T.Chen et al., Appl.Phys.Lett93,091117 (2008)]；一种基于单层石墨烯带间跃迁机理的THz调制器，需要使用50V电压才能实现约为10%的调制深度，调制带宽也仅为50GHz [B.S.Rodriguez et al., Nat.Commun.3, 780 (2012) ] ?目前的太赫兹调制器在性能指标上存在以下问题:工作频率主要在低频(一般小于300GHz);调制带宽窄，一般只有几个GHz ;调制速率低，最高调制速率一般在I-IOMHz，无法发挥太赫兹波高载波频率大传输带宽的优势；调制深度小，一般在3-10dB，并且这一指标随着调制速率和工作频率的升高而迅速下降。现有太赫兹调制器件在工作带宽、调制深度、调制速率、插入损耗和调控技术手段等诸多方面尚不能完全满足未来太赫兹通信的实际要求。
[0004]从器件结构来说，现有的太赫兹调制器件的结构集中于超材料、亚波长孔阵列、石墨烯等二维平面结构，由于在传播方向上没有周期性结构，因此很难获得高品质因数的谐振，也就很难实现较高的调制深度和器件灵敏度。另一方面，量子级联激光器等小型固态电子学源以成为太赫兹通信中最具潜力的辐射源，它工作在2THz以上频率、波导输出，因此要求与波导型太赫兹调制器匹配和集成对其进行调制。因此，需要提出新的太赫兹调制机理，设计新的器件结构以满足太赫兹通信中高性能、小型化、便于与固态电子学源集成的太赫兹调制器的要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种电控肖特基栅阵型太赫兹调制器，解决【背景技术】中太赫兹调制器的工作频率低、调制速率低、调制深度小、难以集成等关键技术问题。
[0006]本发明的技术方案为:在掺杂砷化镓半导体上形成周期性栅型台阶结构，并在其表面镀上金形成基底金属栅和台阶金属栅阵列，太赫兹波沿栅阵周期方向入射上述结构可以产生太赫兹表面等离子体共振激元，使太赫兹波局域在金属与半导体界面上。基底金属栅和台阶金属栅阵列分别与正、负电极相连形成，并形成肖特基接触，肖特基接触的空间电荷区正好与表面等离子体激元的位置重合。空间电荷区宽度随施加电压发生变化，改变了太赫兹表面等离子体激元谐振频率和谐振强度，从而实现对太赫兹波的强度调制。
[0007]肖特基栅阵型太赫兹调制器包括:基底金属栅阵、台阶金属栅阵、掺杂砷化镓栅型台阶、掺杂砷化镓外延层、半绝缘砷化镓衬底、正电极、负电极，其中掺杂砷化镓外延层位于半绝缘砷化镓衬底上，按一维周期性排列的掺杂砷化镓栅型台阶位于掺杂砷化镓外延层上，二者厚度均为lym，η型掺杂，掺杂浓度3X1016cm_3。台阶金属栅阵和基底金属栅阵由IOnm厚的钛和其上的IOOnm的金薄膜构成；台阶金属栅阵将掺杂砷化镓栅型台阶顶部完全覆盖，基底金属栅阵位于掺杂砷化镓外延层上，与台阶金属栅阵间隙为5 μ m。通过正电极将基底金属栅阵串联，负电极将台阶金属栅阵串联，在两个电极上焊接引线就可施加调制电压信号。整个器件大小为10_X4mmX0.4mm。
[0008]肖特基栅阵型太赫兹调制器的工作方法是:在正、负电极间施加正向或反向调制电压，均可实现对太赫兹波的调制；施加正向电压时，器件具有两个固定工作频率，调制深度随电压增大而增大；施加反向电压时，器件的有一个固定工作频率，调制深度随电压增大而增大，还存在一个可调工作频率范围，工作频率随电压增大而下降。器件的击穿电压30V，最大调制速率22MHz。
[0009]本发明的有益效果是:1.器件利用金属-半导体界面形成的肖特基接触以及表面等离子体激元位置与肖特基接触重合的特点，通过引入电极，施加电压，实现了器件的调制功能，将光学微结构波导与半导体电子器件有机地结合起来，使得该器件能与其他电子学元件和系统很好地集成，又能完成太赫兹波传输和谐振的光学功能；2.采用周期栅型结构的金属-半导体表面等离子体波导结构，既通过表面等离子体激元增强了太赫兹波与工作半导体介质的相互作用，又通过金属波导降低了传输损耗，在太赫兹波传播方向上引入多个周期性谐振单元，使得其与诸如超材料等平面结构的太赫兹调制器相比具有更大的调制深度和灵敏度；3.与过去采用肖特基二极管(一个电极为肖特基接触，另一个为欧姆接触)的结构的太赫兹调制器相比，该结构将两个电极都设计成肖特基接触，使得器件在施加正、反向电压时都处于不同的调制工作状态，丰富了器件的工作范围。这一结构也提高了器件的击穿电压，使得器件能在更高的工作电压下运行，提高器件调制深度和通信系统的可靠性。
[0010]本发明的优点是:该太赫兹调制器工作频率高、范围大，可以工作在2.2?3.2THz范围内的多个频率窗口，现有太赫兹调制器很难工作在此频率范围，且工作频率可调谐；调制速率高，最大调制速率22MHz，超过现有太赫兹电控调制器；工作电压低，器件耐压值高，稳定可靠；是小型化、可集成、全固态半导体电子器件，同时又是微结构太赫兹波导器件，便于与固态电子学太赫兹源及其他微波电子元件和系统集成。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1(a)是肖特基栅阵型太赫兹调制器的三维示意图；
[0012]图1 (b)是肖特基栅阵型太赫兹调制器的上视图；[0013]图1(c)是肖特基栅阵型太赫兹调制器的一个周期单元的截面图；
[0014]图2是砷化镓掺杂区和空间电荷区在太赫兹波段介电函数的实部和虚部曲线；
[0015]图3(a)是器件中肖特基接触的空间电荷区宽度随电压的变化曲线；
[0016]图3(b)是肖特基栅阵型太赫兹调制器在OV时的载流子浓度分布图；
[0017]图3(c)是肖特基栅阵型太赫兹调制器在15V时的载流子浓度分布图；
[0018]图3(d)是肖特基栅阵型太赫兹调制器在-15V时的载流子浓度分布图；
[0019]图4(a)是谐振在台阶金属栅阵下的第一表面等离子体激元的模场分布图；
[0020]图4(b)是谐振在基底金属栅阵下的第二表面等离子体激元的模场分布图；
[0021]图5(a)是器件在不同正向电压下的太赫兹振幅透射实验测试谱线；
[0022]图5 (b)是器件在不同反向电压下的太赫兹振幅透射实验测试谱线；
[0023]图6是肖特基栅阵型太赫兹调制器的伏安特性曲线图；
[0024]图中:基底金属栅阵1、台阶金属栅阵2、掺杂砷化镓栅型台阶3、掺杂砷化镓外延层4、半绝缘砷化镓衬底5、正电极6、负电极7。
【具体实施方式】
[0025]本发明的工作过程以栅周期120 μ m、栅宽50 μ m的肖特基栅阵型太赫兹调制器实例说明:
[0026]器件的结构如图1所示，在半绝缘砷化镓衬底上外延生长2μπι厚、掺杂浓度为3 X IO16CnT3的η型掺杂砷化镓，在此外延层上刻蚀出周期120 μ m、台阶宽度50 μ m的栅型台阶，形成高度各为Iym的掺杂砷化镓外延层和栅型台阶，栅格个数为10个。在每个栅型台阶顶部上镀IOnm厚的钛和IOOnm的金薄膜形成台阶金属栅阵；掺杂砷化镓外延层上方也镀相同金属薄膜，形成基底金属栅阵，宽度60 μ m，与台阶金属栅阵间距5 μ m。通过正电极将基底金属栅阵串联，负电极将台阶金属栅阵串联，在两个电极上焊接引线就可施加调制电压信号。器件大小为8_X3_X0.4_。
[0027]该器件的基本工作原理如下:太赫兹波沿栅阵周期方向入射该器件表面，在某些频率上产生太赫兹表面等离子体共振激元，使太赫兹波局域在金属与半导体界面上。基底金属栅和台阶金属栅阵列分别与正、负电极相连形成，并形成肖特基接触。肖特基接触中存在一定宽度的空间电荷区，这一区域的载流子浓度远低于周围掺杂砷化镓的载流子浓度，如图2所示，两个区域在太赫兹波段的介电函数是截然不同的，这就使两个区域对太赫兹的传输、吸收和反射等都不同。器件在施加不同偏压时，如图3所示，肖特基接触中空间电荷区宽度会随电压发生变化，器件中的载流子分布随之变化。当器件为OV时(图3(b))，上下方肖特基接触的空间电荷区宽度都很小，整个外延层(包括台阶)基本都是掺杂区；当器件为15V时(图3 (C))，上方空间电荷区宽度增大，几乎充满整个台阶区域，下方的空间电荷区不变；当器件为-15V时(图3(d))，基底金属栅阵下方的空间电荷区变宽，几乎充满其下方整个外延层，而台阶及其下方的掺杂区不变。如图4所示，太赫兹表面等离子体激元的空间位置正好与肖特基接触重合，空间电荷区宽度随施加电压发生变化，改变了太赫兹表面等离子体激元谐振频率和谐振强度，从而实现对太赫兹波的强度调制。
[0028]该器件的工作方法是:在正、负电极间施加正向或反向调制电压，均可实现对太赫兹波的调制。如图5(a)所示，施加正向电压时，器件具有两个固定工作频率可以实现对太赫兹波的强度调制，分别为2.22THz和2.48THz。随着电压的增大，第一表面等离子体激元的谐振频率由2.48THz到2.22THz,2.22THz的太赫兹波的透过率由大减小，2.48THz的透过率由小变大，15V下调制深度为16dB，调制深度随电压增大而增大。如图5(b)所示，施加反向电压时，器件的一个固定工作频率为2.48THz，随电压增大，2.48THz的透过率由小变大，-15V下调制深度为14dB。此外，施加反向电压时，第二表面等离子体激元也对应着一个高频谐振，谐振频率随电压增大，即基底金属栅阵下方的空间电荷区加宽而向低频移动，使得可在2.6?3.2THz频率范围内调谐工作，工作频率随电压增大而下降。
[0029]该器件的伏安特性曲线如图6所示，电流小于10_14A，击穿电压为30V。由于所设计的器件的最大工作电压为15V，所以对于30V的击穿电压比最大工作电压高两倍，器件是安全可靠的。器件的调制速率主要由器件电学特性决定，最大调制速率即截止频率为ff =(2 π RC) ―1，其中C为肖特基二极管的寄生电容约为40pF，其由单个肖特基接触的面积决定，R为接触电阻约为100 Ω，故f。最高可达22MHz。整个器件大小为IOmmX 4mmX 0.4mm，其小型化、波导结构的设计便于与固态电子学太赫兹源及其他微波电子元件和系统集成。
【权利要求】
1.一种肖特基栅阵型太赫兹调制器，其特征在于包括基底金属栅阵(I)、台阶金属栅阵(2)、掺杂砷化镓栅型台阶(3)、掺杂砷化镓外延层(4)、半绝缘砷化镓衬底(5)、正电极(6)、负电极(7) 。
2.根据权利要求1所述的肖特基栅阵型太赫兹调制器，其特征在于掺杂砷化镓外延层(4)位于半绝缘砷化镓衬底(5)上，按一维周期性排列的掺杂砷化镓栅型台阶(3)位于掺杂砷化镓外延层(4)上，二者厚度均为1μm，n型掺杂，掺杂浓度3\1016cm3。
3.根据权利要求1所述的肖特基栅阵型太赫兹调制器，其特征在于台阶金属栅阵(2)和基底金属栅阵(I)由10nm厚的钛和其上的100nm的金薄膜构成；台阶金属栅阵(2)将掺杂砷化镓栅型台阶(3)顶部完全覆盖，基底金属栅阵(I)位于掺杂砷化镓外延层(4)上，与台阶金属栅阵(2)间隙为5 μ m。
4.根据权利要求1所述的肖特基栅阵型太赫兹调制器，其特征在于基底金属栅阵(I)和台阶金属栅阵(2)分别与它们下方的掺杂砷化镓形成肖特基接触，肖特基接触中存在一定宽度的空间电荷区，这一区域的载流子浓度远低于周围掺杂砷化镓的载流子浓度；通过正电极(6)将基底金属栅阵⑴串联，负电极(7)将台阶金属栅阵(2)串联，在两个电极上焊接引线，就可以对器件施加调制电压信号。
5.根据权利要求1至4所述的肖特基栅阵型太赫兹调制器，其特征在于太赫兹波沿栅周期排列方向耦合到该器件表面，在金属栅与掺杂半导体接触面上产生太赫兹表面等离子体共振激元，该激元的空间位置正好与空间电荷区重合；当对该器件施加电压时，空间电荷区宽度变化，将引起其中的表面等离子体激元的谐振频率和谐振强度变化，从而实现对太赫兹波的强度调制，这是该器件的基本工作原理。
6.一种使用权利I至5所述的肖特基栅阵型太赫兹调制器的调控方法，其特征在于在正、负电极间施加正向或反向调制电压，均可实现对太赫兹波的调制；施加正向电压时，器件具有两个固定工作频率，调制深度随电压增大而增大；施加反向电压时，器件的有一个固定工作频率，调制深度随电压增大而增大，还存在一个可调工作频率范围，工作频率随电压增大而下降。
【文档编号】G02F1/015GK103457669SQ201310403216
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】范飞, 常胜江 申请人:南开大学