CN105549228A - 一种基于高电子迁移率晶体管太赫兹空间相位调制器 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
该发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段的快速动态功能器件。
背景技术
而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—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。由于太赫兹波段功能器件要求的尺寸在微米甚至纳米量级，这使得微波波段的通信器件无法直接应用于太赫兹波段。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，其内容包括基于参杂硅基、砷化镓基、相变材料基以及石墨烯等与人工电磁媒质(Metamaterials)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。
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(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)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。高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor，HEMT)是一种利用存在于调制参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。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。
人工电磁媒质(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，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性。随着近代微细加工技术的发展，人工电磁媒质在推动无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过外加电压信号实现对空间太赫兹波快速动态相位调控的调制器，可有效的对所设计频率点的太赫兹波进行快速相位调制且相位调制深度在较大带宽内达到90度以上。
本发明解决所述问题采用的技术方案是，设计含有多种谐振模式的Metamaterials结构，将HEMT与Metamaterials巧妙而有效的相结合，利用HEMT的高速动态特性与Metamaterials对电磁波的精确控制能力，通过HEMT中二维电子气的高电子迁移率特性快速的控制人工电磁媒质的谐振模式转换，使该HEMT太赫兹波相位调制器在较宽的频带上达到90度以上的相位调制深度。
因而本发明一种基于高电子迁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。
进一步的，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。
进一步的，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。
进一步的，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。
其中所述半导体掺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。
其中所述半导体衬底选材为蓝宝石、高阻硅或碳化硅。
其中所述金属电极材料为Ti、Al、Ni、Au。
其中所述漏极谐振器、源极谐振器、金属馈线的材料为Au、Ag、Cu、Al。
本发明的有益效果是，(1)、该HEMT太赫兹相位调制器采用双晶体管设计，即每个调制单元中含有两个高电子迁移率晶体管，这大大提高了HEMT对人工电磁谐振结构的控制能力，增强了谐振结构的谐振强度，为获得大的相位调制深度奠定了基础。(2)、该HEMT调相器的调相机理是利用HEMT中二维电子气的高电子迁移率特性快速的控制人工电磁媒质的谐振模式转换，从而实现对空间太赫兹波的快速调相。通过对谐振结构的巧妙设计并使其与晶体管有机结合在一起，使得谐振结构在HEMT通断状态下存在多种不同的谐振模式且使不同模式间相互耦合，由此显著提高了调制深度，增大了调制带宽。(3)、该结构具有很强的可塑性：在保持调制单元结构整体不变的前提下，通过改变谐振单元的参数(例如金属圆环半径)可以有效地调节调制带宽的大小及调制频带的位置，根据不同的实际需求，该调相器达到90度以上调制深度的带宽可增大到0.2THz以上。(4)、本发明中利用Metamaterials设计形成的调制单元阵列是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计方案带来的高难度加工。(5)、本发明设计的是透射式的太赫兹波调相器，相比于反射式的调相器，该器件操作更简单，使用更方便，尤其是在太赫兹点对点通信中更能有效的发挥作用。(6)、本发明所设计的相位调制器在很大的带宽内可以达到90度到140度左右的调制深度，在拥有大的调制带宽以及调制深度的同时，该器件可工作于常温、常压、非真空条件下且无需波导加载，易于封装，这些使得该相位调制器有着良好的实际应用前景。
附图说明：
图1为HEMT相位调制器的整体设计方案示意图。
图2为HEMT相位调制器调制单元立体示意图。
图3为谐振单元局部示意图。
图4为加电压状态下谐振单元的电场与表面电流分布模式图。
图5为未加电压状态下谐振单元的电场与表面电流分布模式图。
图6为HEMT相位调制器在不同电压下透射曲线仿真图。
图7为HEMT相位调制器在不同电压下相位变化仿真图。
图8为实验所测的不同型号的HEMT相位调制器在晶体管通断变化时的相位图。
图中：1.半导体衬底，2.外延层，3.正电压加载极，4.负电压加载极，5.调制阵列，6.漏极谐振器，6-1.漏极谐振器末端，7.栅极连接线，8.源极谐振器，8-1.源级谐振器末端，9.金属电极，10掺杂异质结结构。
具体实施方式
本发明将HEMT与Metamaterials巧妙而有效的结合为一种三极管结构，利用HEMT的高速动态特性与Metamaterials对电磁波的精确控制能力，通过HEMT中二维电子气的高电子迁移率特性快速的控制人工电磁媒质的谐振模式转换，使该HEMT太赫兹波相位调制器在较宽的频带上达到90度以上的相位调制深度，实现对空间中太赫兹波的快速、高效相位调制。通过仿真计算与实验验证说明了这是一种具有大相位调制深度和宽调制带宽，且结构简单、易于加工的HEMT太赫兹快速调相器件。
本发明包括半导体衬底(1)、外延层(2)、调制单元阵列(5)，正电压加载电极(3)和负电压加载电极(4)。外延层(2)设置于半导体衬底(1)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迁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。
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。
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。
本发明的基于高电子迁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—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、高阻硅、碳化硅等半导体材料；HEMT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Ti、Al、Ni、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。
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0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4～10V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。
上述高电子迁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。
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。
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。
Claims (8)
1.一种基于高电子迁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迁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迁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迁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迁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掺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迁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、高阻硅或碳化硅。
7.如权利要求2所述的一种基于高电子迁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Ti、Al、Ni、Au。
8.如权利要求1所述的一种基于高电子迁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。
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