一种加载于波导内的高电子迁移率晶体管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，同时也属于包括调制器、滤波器、电控开关等在内的通信器件领域，重点针对太赫兹波段的快速动态功能器件。具体为一种加载于波导内的高电子迁移率晶体管太赫兹波调制器。

背景技术：

太赫兹(terahertz,thz)波是一种介于光子学与电子学之间的新型电磁波谱，通常指频率位于0.1thz～10thz之内的电磁辐射。近年来，得益于太赫兹源与检测技术的飞速发展，基于太赫兹波的成像、频谱分析、电子信息、雷达定位等技术领域表现出了极大的应用前景。同时，太赫兹无线通信技术作为太赫兹领域的重要方向之一，目前受到了世界各国的重视。太赫兹波作为无线通信载波，具有超高的带宽、良好的穿透能力(相比于红外与光通信)与优越的定向性。超高的带宽使得太赫兹波在未来超宽带通信、大容量无线数据传输、保密通信等民用与国防领域备受瞩目；由于太赫兹波波长位于0.03mm～3mm之间，因而具有良好的穿透能力，在浓烟、沙尘环境下可保持近距离宽带通信；太赫兹波的发散角相对较小，具有优越的定向性，因而在卫星点对点通信、短程大气通信与地面点对点通信中具有较小的功率损耗从而实现超大容量的空间点对点通信。

作为具有重要应用前景的太赫兹应用系统，如太赫兹无线通信系统、太赫兹波谱成像系统等，太赫兹调制器件无疑是其关键核心器件之一，因此太赫兹调制器件也成为了太赫兹科学技术领域公认的研究重点和技术难点。从2004年开始，在nature/science等国际自然科学顶级刊物陆续刊登了多篇太赫兹波外部调制器的文章，其内容包括基于掺杂硅基、砷化镓基、相变材料基以及石墨烯等与人工微结构相结合，利用外加温度、光照、电场等的激励方式来实现太赫兹波的调制，也部分解决了太赫兹波幅度调制的难题。

然而以往的太赫兹波调制器往往工作在外部的开放空间中，且采用大面阵的人工微结构，阵列中包含成百上千个调制单元。数量过多的单元不仅会给器件引入巨大的寄生电容、寄生电感，单元之间还会被诱导出寄生模式，同时增大了对调制阵列进行电路匹配的难度，这都使得调制信号不能有效地馈入调制阵列中，导致调制器调制速率难以提升。此外，大面阵的人工微结构所对应的外部空间的调制方式使得太赫兹波在被调制的过程中极易受到外部因素的干扰，因此相关高性能太赫兹调制器的研究鲜有报道，最高调制速率普遍仅有百兆赫兹。如何实现幅值的高效、高速调制成为了该研究领域的一个瓶颈。而该项技术的突破以及该器件的成功研制将极大的降低人工微结构中的寄生参量和电路匹配的难度，抑制寄生模式，从而大幅提高基于直接调制方式的太赫兹无线通信系统的传输速率和信噪比，降低误码率，减少通信接收端的数据处理难度，这将更加有利于太赫兹高性能系统的实现和产业化。

高电子迁移率晶体管(highelectronmobilitytransistor，hemt)是一种利用存在于调制掺杂异质结中的二维电子气(2-deg)来进行工作的新型场效应晶体管。1978年r.dingle首次在mbe(分子束外延)生长的调制掺杂gaas/algaas超晶格中观察到了高电子迁移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了hemt，并成功应用于微波低噪声放大。近年来随着半导体材料及技术的发展，高电子迁移率晶体管展现出了卓越的表现，并已成功运用至探测器、放大器等领域，hemt的出现为太赫兹快速响应动态器件提供了新的发展思路。第三代宽禁带半导体材料gan不仅具有宽的帯隙，而且还具有热导率大、电子饱和速率高、击穿场强大及热稳定性好等特点。因此在制备高速功能器件中，基于gan材料的hemt具有很大的优势。

技术实现要素：

针对上述存在问题或不足，为解决现有太赫兹波调制器幅值的调制相对低效、低速以及稳定性不足的问题。本发明提供了一种加载于波导内的高电子迁移率晶体管太赫兹波调制器，在工作频带内可有效地控制波导内太赫兹波的传输模式，具备较高的调制效率以及2ghz以上的调制速率；同时，还拥有较高的工作稳定性，不易受外部环境的干扰。

该加载于波导内的高电子迁移率晶体管太赫兹波调制器，其特征在于：包括矩形波导和调制芯片；

所述矩形波导有输入和输出两个波导口，其腔体壁为金属材料；

所述调制芯片以其面与波导口面平行的方式将矩形波导隔断；调制芯片的半导体衬底一侧，面向输出波导口且与矩形波导腔体壁相接；其人工微结构的所在面面向输入波导口，且人工微结构与对应的矩形波导腔体壁之间不直接接触，两者之间的距离≤500微米；

矩形波导纵向左右两侧壁与调制芯片相接处，各有一个开口，用于外部控制电路与芯片上的正/负电压加载电极进行电气连接。

进一步的，所述调制芯片的调制阵列为调制单元构成的m*n型阵列，m代表调制阵列的行数，n代表每行中调制单元的个数，其中m≥1，n≥1。

进一步的，所述调制芯片内调制阵列的行数为一行，调制单元采用并联电路的形式串在一起，并且所有调制单元的源极谐振器和漏极谐振器连接于同一电极进行馈电。

进一步的，所述调制芯片包括半导体衬底、设置于半导体衬底上的异质结构外延层和设置于异质结构外延层上的人工微结构；

所述人工微结构包括调制单元阵列和套接电路；

所述调制单元阵列中的每个调制单元包括：源极谐振器、漏极谐振器、栅极连接线和半导体掺杂异质结构；调制单元构成m*n型阵列，m代表调制阵列的行数，n代表每行中调制单元的个数，其中m≥1，n≥1；

其中源极谐振器和漏极谐振器为大小相同的工字形结构，二者对称设置于栅极连接线的两侧，互为镜像结构；相邻的源极谐振器工字形结构的横向长枝节彼此相接，相邻的漏极谐振器工字形结构的横向长枝节彼此相接；栅极线设置于半导体掺杂异质结构的上方，相邻调制单元的栅极连接线相互连接在一起，通过半导体掺杂异质结构连接源极谐振器和漏极谐振器工字形结构横向短枝节；半导体掺杂异质结构设置于源极谐振器和漏极谐振器的工字形结构横向短枝节的下方；

所述套接电路包括正电压加载电极和负电压加载电极；其中正电压加载电极和负电压加载电极均为一纵向设置的金属长条，正电压加载电极与源极谐振器和漏极谐振器工字形结构的横向长枝节相连，负电压加载电极与调制单元的栅极连接线相连。

所述源极谐振器和漏极谐振器工字形结构中的横向短枝节通过欧姆接触电极与半导体掺杂异质结构连接。

进一步的，所述栅极连接线位于掺杂异质结构的部分窄于其它部分。

进一步的，所述矩形波导腔体壁的金属材料为无氧铜、黄铜或铝。

进一步的，所述欧姆接触电极材料为ti、al、ni或au。

进一步的，所述人工微结构采用al、ag或au。

进一步的，所述掺杂异质结结构的材料为algan/gan、ingan/gan、algaas/gaas、algaas/ingaas或algaas/ingaas/inp，其中斜线表示两种材料的结合。

本发明利用微细加工工艺，将hemt嵌套入含有极少调制单元个数的人工微结构中，制备出太赫兹波调制芯片，利用外加电信号来改变hemt中2-deg的浓度，从而控制人工微结构中电磁谐振模式的转换，这可极大地降低该调制芯片的寄生参量，有效抑制寄生模式的形成，简化匹配电路并大幅提高器件的调制效率。同时将调制芯片加载到矩形波导内，利用人工微结构中电磁谐振模式的转换控制波导中太赫兹波的传输，由于gan基hemt中2-deg具有极高的电子迁移率，该调制器可获得极高的调制速率。同时，调制芯片中寄生参量的减小使得hemt的高频特性得到正常的发挥，从而进一步提高器件的调制速率，最终实现2ghz以上的调制速率。此外，波导加载的器件形式使得调制芯片得到了金属波导的有效保护，能切实抵御外界因素的干扰，大大增强了器件工作的稳定性。

本发明的有益效果是：(1)、调制芯片上的人工微结构不再采用大面阵设计，调制单元个数可被大幅减少为几个，原本存在于大面阵结构中的寄生模式被有效抑制，这有利于芯片中hemt高频特性的发挥，从而提高器件的调制速率。(2)、调制芯片内调制阵列的行数可被大幅缩减为一行，调制单元采用并联电路的形式串在一起，并且所有调制单元的源极谐振器和漏极谐振器连接于同一电极进行馈电，这些设计简化了调制芯片的电路，降低了电路阻抗匹配的难度，同时减小了调制阵列中的寄生参量，有利于调制信号的高效馈入，提高器件的调制深度和调制速率。(3)、该器件采用波导加载的形式，调制芯片嵌入在矩形波导内从而得到了有效的保护，可抵御烟雾、粉尘等外界因素的干扰，该器件可工作于常温、常压、非真空条件下，有着较好的工作稳定性。(4)、本发明设计的是透射式的太赫兹波调制器，太赫兹波被禁锢在波导中传输，相比于调控自由空间中发散的太赫兹波，调制芯片的调制效率更易提高。(5)、该调制器拥有高达96％的调制深度以及2ghz以上的调制速率，通过在器件的波导端口连接增益天线等功能配件，该器件极易融合于太赫兹无线通信系统和太赫兹雷达成像系统，有着极高的实用价值。

附图说明

图1为实施例的器件整体结构立体示意图。

图2为实施例的器件整体结构俯视示意图。

图3为实施例的调制芯片立体示意图。

图4为实施例调制单元的立体示意图。

图5为实施例未加电激励时调制阵列的电场与表面电流分布模式图。

图6为实施例外加电激励时调制阵列的电场与表面电流分布模式图。

图7为实施例未加电激励时调制器波导腔体内电场模式图。

图8为实施例外加电激励时调制器波导腔体内电场模式图。

图9为实施例在不同强度的电激励下透射曲线仿真图。

图10为实施例所测外加2ghz的调制电压信号时对波导内传输的太赫兹波的调制信号。

附图标记：1.矩形波导，2.调制芯片，3.半导体衬底，4.外延层，5.负电压加载电极，6.正电压加载电极，7.调制单元阵列，8.源极谐振器，9.漏极谐振器，10.栅极连接线，11.欧姆接触电极，12.半导体掺杂异质结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明在将hemt嵌套入人工微结构中制备出调制芯片，并将调制芯片加载于波导腔体内，利用外加电信号来改变hemt中2-deg的浓度，控制人工微结构中电磁谐振模式的转换，从而调控波导中太赫兹波的传输。通过仿真计算说明了其具备高调制效率和大调制深度，并在实验中证明了其拥有极高的调制速率。

本发明实施例包括矩形波导(1)和调制芯片(2)。调制芯片(2)包括半导体衬底(3)、异质结构外延层(4)、调制阵列(7)、正电压加载电极(6)和负电压加载电极(5)。正电压加载电极(6)、负电压加载电极(5)和调制阵列(7)构成金属结构层，金属结构层下面依次设置有在外延层(4)和半导体材料衬底(3)。

调制单元阵列为单行5个调制单元，调制单元采用并联电路的形式串在一起，并且所有调制单元的源极谐振器和漏极谐振器连接于同一电极进行馈电，这些设计简化了调制芯片的电路，降低了电路阻抗匹配的难度，同时减小了调制阵列中的寄生参量，有利于调制信号的高效馈入，提高器件的调制深度和调制速率。

调制单元包括高电子迁移率晶体管和金属谐振结构。其中每个调制单元包含一个高电子迁移率晶体管，每个晶体管均由源极(11)、漏极(11)、栅极线(10)与半导体掺杂异质材料(12)结合构成，晶体管位于上侧工字形结构与下侧工字形结构之间，且工字形结构中的横向短枝节均套刻在每个晶体管的源极或漏极之上。晶体管的栅极线相连并连接到负电压加载电极(5)。调制单元中的谐振结构由源极谐振器(8)和漏极谐振器(9)组成。源、漏极谐振器结构相同，都是一种平躺式工字形结构，上侧工字形结构为源极谐振器，下侧工字形结构为漏极谐振器，上下两个工字形结构关于位于谐振结构中间的栅极连接线互为镜像结构。工字形结构的横向长枝节彼此相连并连接到正电压加载电极(6)。

调制芯片(2)以其面与波导口面平行的方式将矩形波导隔断；调制芯片的半导体衬底一侧，面向输出波导口且与矩形波导腔体壁相接，通过涂抹导电银胶固定在金属腔体壁上；其人工微结构的所在面面向输入波导口，且人工微结构与对应的矩形波导腔体壁之间不直接接触，两者之间的距离200微米。调制芯片的纵向宽度与波导口的纵向宽度相同，调制芯片的横向宽度长于波导口的横向宽度。波导纵向左右两侧壁与调制芯片相接处，各有一个纵向高度与芯片的纵向高度相同，横向宽度长于芯片的厚度的开口，用于外部控制电路与芯片上的正/负电压加载电极进行电气连接。

本实施例的矩形波导腔体壁的材料为无氧铜，调制芯片为复合金属—半导体结构，衬底基片(3)为蓝宝石，hemt外延层(4)为algan/gan，采用ti构成欧姆接触电极(11)，采用al构成金属谐振器(8)、(9)和套接电路(5)、(6)以及栅极线(10)。

该加载于波导内的高电子迁移率晶体管太赫兹波调制器的调制机制是通过施加外部电激励，来改变异质结构中二维电子气的分布，控制人工微结构中电磁谐振模式的转换，由多个谐振单元组成的谐振阵列对波导中传输的太赫兹波进行动态幅度调制。

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通过波导的侧壁开口被加载负电压，与源漏相连的正电压加载电极通过侧壁开口被加载正电压。当外加电压差值为0时，异质结中二维电子气的浓度维持在很高的水平，谐振单元中的源极谐振器和漏极谐振器通过2-deg连接成一体，从模式图5可以看到，电场主要分布在工字形结构横向长枝节处，表面电流流经镜像对称的工字形结构的纵向长杆，形成贯穿源极谐振器和漏极谐振器的偶极谐振。

如图9所示，此时结构的谐振频率位于0.24thz附近；当外加电压差逐渐增加时，位于源漏之间的hemt中二维电子气浓度逐渐减小直至耗尽，hemt由连通逐渐变为夹断状态，从模式图6上可以看到，电场主要集中在工字形结构间的缝隙处，贯穿源极谐振器和漏极谐振器的表面电流被一分为二，转变成了局限在源极谐振器和漏极谐振器内部的偶极谐振。

如图8所示，此时结构的谐振频率为0.34thz。在上述动态变化过程中，谐振模式的转变导致谐振频点的偏移，随着外加电压的增大，谐振峰由0.24thz逐渐偏移至0.34thz。在0.34thz附近，当外加电压为0时，波导中电磁波的透过率高达0.95，如图7所示，由输入波导口馈入的太赫兹波可穿过调制芯片由输出波导口输出，此时波导腔体中的太赫兹波处于行波状态，具备良好的传输特性。

当外加电压增大使传输系数降至0.04后，如图8所示，由输入波导口馈入的太赫兹波无法穿越调制芯片，波导腔体中的太赫兹波变为驻波状态。上述动态调制的幅值调制效率可达96％。图10为实验中实际所测量到的经过调制器后的太赫兹波上所加载的调制信号，该调制信号为2ghz，该结果证明该调制器可以对波导内传输的太赫兹波进行快速调制。

需要指明的是，通过改变谐振单元的结构参数，例如工字形结构枝节长度、谐振单元的间距等，可精确控制该调制器的谐振频点，该器件可应用于不同的工作频段。综上所述，本发明提供的加载于波导内的高电子迁移率晶体管太赫兹波调制器是一种极具实用性的工作于thz频段的高效高速调制器件。