一种基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器的制作方法

本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器。

背景技术：

太赫兹波(terahertz wave)是指频率为0.1～10THz、波长为30μm～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。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辐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高功率、高效率、高稳定性、动态可调谐，能室温工作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。

作为太赫兹通信系统中最为关键的核心技术之一，太赫兹波调制器是近年来太赫兹科学技术研究的重点和热点。从2004年开始，通过多种半导体材料(掺杂硅基等)与超颖材料(Matamaterials)相结合，通过外加激光、温度、电场等方式实现了太赫兹波的调制。

如文献David Shrekenhamer et al..High speed terahertz modulation from metamaterials with embedded high electron mobility transistors Opt.Express[J],2011,10(5):9968-9975中公开一种基于高电子迁移率晶体管和超颖材料相结合的复合结构太赫兹波调制器，该结构中高电子迁移率晶体管采用GaAs异质结材料，超颖材料层设置于晶体管上方，两者中间还有一层隔离介质层；该调制器通过在晶体管栅极引出的金属电极和超颖材料引出的源漏金属电极之间采用外加电压的方式实现对太赫兹波的调制，器件开关速率首次达到了MHz量级，显示了基于高电子迁移率结构研制高速太赫兹调制器的巨大潜力。但该调制器所设计的超颖材料结构单元是一种环形闭合结构。如果需要调节其频点，则需要整个单元等比例放大或缩小，整个器件结构和工艺参数均需要改变，因此在器件设计上很难实现调制频点的调节，极大的限制了该结构太赫兹波调制器的应用。因此，本发明提出一种基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器，其中的超颖材料单元结构采用一种开放式结构，可以在基本不改变器件结构的情况下，很容易地实现太赫兹波调制器调制频点的连续可调。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器，用以实现太赫兹波调制器在特定频段内调制频点可调，在保持制备工艺稳定性的情况下扩大太赫兹波调制器适用性，使该调制器能够适用于各频点太赫兹无线通信系统等应用中。

本发明的技术方案为：

一种基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器，包括从下往上依次层叠的蓝宝石衬底层1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3，以及设置于AlGaN势垒层上的欧姆金属层5和肖特基金属层6，所述欧姆金属层、肖特基金属层上覆盖隔离介质层4，超颖材料层7设置于隔离介质层4上表面，所述欧姆金属层连接栅电极8，所述超颖材料层连接漏电极9；其特征在于，所述超颖材料层7由若干个金属人工结构单元周期性排列构成，所述金属人工结构单元呈上、下两个“工”字型，且沿欧姆金属层呈轴对称分布，其中任一“工”字型的长边与相邻“工”字型直接相连，并最终与漏电极连接，另一“工”字型的长边其长度可以调节，作为太赫兹波调制器频点调谐边。

从工作原理上讲，本发明结构中，蓝宝石衬底是外延异质结的衬底，对太赫兹波有较好的透过性；GaN缓冲层和AlGaN势垒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会在异质结界面处产生2DEG，作为器件的导电沟道；隔离介质层采用一层SiN_x介质薄膜；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势垒层形成合金后与导电沟道(2DEG)形成欧姆接触；肖特基金属层是两层金属(Ni/Au)与AlGaN势垒层形成的金属与半导体之间的肖特基接触；所述的超颖材料层7由亚波长尺度的金属人工结构单元周期性排列而成。当调制器的栅电极和源漏电极之间外加电压，通过调节外加电压的大小从而改变导电沟道处2DEG浓度，与超颖材料层结合对空间入射到调制器的太赫兹波进行调制，得到一个透射的调制太赫兹波。本发明提供的基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器结构中，构成超颖材料层的金属人工结构单元结构设置了频点调谐边，在不改变器件其他任何结构的情况下，仅仅通过设定该调谐边的长度即可实现不同调制频点的太赫兹波调制器。

综上，本发明提供一种基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器，该调制器能够实现在特定频段内太赫兹波调制频点可调，即能快速适用于各频点太赫兹无线通信系统。

附图说明

图1是本发明提供的频点可调太赫兹波调制器的平面结构示意图，其中，1表示蓝宝石衬底、2表示GaN缓冲层、3表示AlGaN势垒层、6表示肖特基金属层、8表示栅电极、9表示源漏电极，虚线框中为一个金属人工结构单元。

图2是图1中一个金属人工结构单元沿AA′方向的剖面示意图，其中，1表示蓝宝石衬底、2表示GaN缓冲层、3表示AlGaN势垒层、4表示欧姆金属层、5表示隔离介质层、6表示肖特基金属层、7表示超颖材料层。

图3是金属人工结构单元结构示意图。

图4是金属人工结构单元调制频点仿真图。

图5是实施例中频点可调太赫兹波调制器于频点0.4THz和0.5THz在各电压下的透射曲线图。

图6是实施例中频点可调太赫兹波调制器在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。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

本实施例中提出了工作于0.4-0.5THz频段的基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器，其结构如图1、图2所示，包括从下往上依次层叠的蓝宝石衬底层1、GaN缓冲层2、AlGaN势垒层3，以及设置于AlGaN势垒层上的欧姆金属层5和肖特基金属层6，所述欧姆金属层、肖特基金属层上覆盖隔离介质层4，超颖材料层7设置于隔离介质层4上表面，所述欧姆金属层连接栅电极8，所述超颖材料层连接漏电极9；其特征在于，所述超颖材料层7由若干个金属人工结构单元周期性排列构成，所述金属人工结构单元结构如图3所示，呈上、下两个“工”字型，且沿欧姆金属层呈轴对称分布，其中任一“工”字型的长边连接漏电极，另一“工”字型的长边作为太赫兹波调制器工作频点的调谐边。

其中，所述蓝宝石衬底为350～500μm的蓝宝石单晶基片，所述金属人工结构单元为0.6μm厚的Au层，如图3所示，上、下两个“工”字型的短边沿肖特基欧姆金属层相对分布，周期性排列的金属人工结构单元中选择上“工”字型的长边相互连接并连接于漏电极，下“工”字型的长边设定为太赫兹波调制器频点调谐边；金属人工结构单元具体尺寸为：a＝152μm，b＝36μm，c＝14μm，d＝8μm，e＝4μm，太赫兹波调制器频点调谐边的长度b为30μm-140μm；

所述欧姆金属层为4层金属材料，分别为Ti/Al/Ni/Au，厚度分别为：20nm/150nm/55nm/45nm；所述肖特基金属层为2层金属材料，分别为Ni/Au，厚度分别为：50nm/150nm；所述隔离介质层材料为SiN_x，厚度为250nm。

采用软件Microwave Studio CST建立模型，对上述太赫兹波调制器进行仿真测试。

仿真结果如图4所示，图中对各长度的调谐边进行扫描仿真，得到6组透射率仿真图，由图能够看出随着调谐边长度的改变，调制频点可调，规律为随调谐边逐渐变小调制频点右移。通过THz-TDS透射测试系统对本实施例中太赫兹波调制器做透射率测试，结果如图5所示，分别对各长度为10μm和140μm的调谐边调制器施加-6V和0V的电压，得到透射率曲线图，由图中可以看出其调制频点分别约为0.4THz和0.5THz，调制深度约为30％且满足调制频点可调的特点。使用太赫兹动态测试系统对本调制器做调制速率的测试，其结果如图6所示，施加的电压信号为频率3MHz的正弦电压调制信号，该结果证明了该调制器能够对空间传播的太赫兹波进行MHz的快速调制。基于此，本发明提供基于高电子迁移率晶体管的频点可调太赫兹波调制器是能够工作于太赫兹频段的电控高速调制器件，并且该调制器的调制频点在不改变器件总体结构的情况下任意可调。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。