CN105610410A - 一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器，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。将HEMT与经过优化设计的含有多种复杂谐振模式的Metamaterials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，通过外加电压控制HEMT中二维电子气的分布变化，继而控制人工电磁媒质的谐振模式转换，使该HEMT太赫兹调制器在四个幅度调制频带内均具备大调制深度、高调制效率的调制效果，同时相位调制频带内的相位调制深度可达90度以上。

Description

一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器

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

太赫兹无线通信作为太赫兹领域最重要的应用方向之一，目前受到了世界各国的重视。太赫兹通信***与微波通信、光纤通信、光无线通信相比，具有独特优势。例如相比于微波通信，THz应用于此可提供更大的带宽、更高的传输速度，此外，天线的尺寸将会显著减小，适合于卫星间通信；THz可提供多路数据传输，其作用范围大于视距红外传输；相对于光通信，光通信的损耗来源于云、雨、尘埃等的散射和吸收，频率越高，散射越强，而相比于光波，THz的粒子散射要小得多，因此THz通信可用作光通信链路的备用***，在浓烟，沙尘环境下依然保持近距离宽带通信。太赫兹无线通信技术一直受到西方大国的高度重视，例如卫星间星际通信、短程大气通信、短程地面无线局域网等。

而作为太赫兹通信***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，其内容包括基于掺杂硅基、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。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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，设计一种通过外部电压控制可工作于多频带的太赫兹空间外部高速调制器，且在各个调制频带内均具备大调制深度和高调制效率的幅度调制效果，同时该调制器还要兼备一定的相位调制能力。

本发明解决所述问题采用的技术方案是，将HEMT与经过优化设计的含有多种复杂谐振模式的Metamaterials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，通过外加电压控制HEMT中二维电子气的分布变化，继而控制人工电磁媒质的谐振模式转换，使该HEMT太赫兹波调制器在四个频带内均具备大调制深度、高调制效率的调制效果，同时相位调制深度可达90度以上。

因而本发明是一种基于高电子迁移率晶体管的多频带调制器，该调制器包括：半导体衬底、设置于半导体存底上的外延层、设置于外延层上的调制单元阵列；所述调制单元阵列的每个调制单元包括：源极谐振器、漏极谐振器、栅极连接线、半导体掺杂异质结构；其中源极谐振器和漏极谐振器为形状大小相同的“E”形结构，对称设置于栅极连接线的两侧且开口相对；其中“E”形结构包括一短枝节、位于该短枝节两侧的长枝节和连接各枝节的金属馈线；其中通过半导体掺杂异质结构连接源极谐振器和漏极谐振器相对的“E”形结构长枝节，所述半导体掺杂异质结构设置于源极谐振器和漏极谐振器的“E”形结构长枝节端部的下方，并且位于栅极连接线的下方；所述调制单元阵列的每行调制单元共用同一根栅极连接线，并将每行的栅极连接线连接同一负电极；每行调制单元的源极谐振器和漏极谐振器分别通过金属馈线连通并连接正电极。

进一步的，所述源极谐振器和漏极谐振器“E”形结构中的长枝节末端通过金属电极与掺杂异质结结构连接。

进一步的，所述源极谐振器和漏极谐振器“E”形结构中的长枝节末端设置一与末端垂直且向内延伸的短枝节，形成“L”形结构；所述源极谐振器和漏极谐振器“E”形结构中的短枝节末端设置一与末端垂直短枝节，形成“T”形结构。

进一步的，所述栅极连接线位于半导体掺杂异质结构的部分窄于其它部分。

进一步的，所述调制单元阵列为多个调制单元构成的M*N型阵列，其中M>3，N>3。

所述金属电极材料为Ti、Al、Ni或Au。

所述半导体衬底选材为蓝宝石、高阻硅或碳化硅。

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，其中斜线表示两种材料的结合。

所述源极谐振器、漏极谐振器、栅极连接线和金属馈线材料为Au、Ag、Cu或Al。

本发明的有益效果是，(1)、该HEMT太赫兹多频带调制器的每个调制单元中含有两个高电子迁移率晶体管，相比于只含一个晶体管的设计理念，双晶体管设计大大增强了HEMT对人工电磁谐振结构的调控能力，有效提高了对谐振模式的利用效率，为获得多频带调制能力奠定了基础。(2)、该HEMT调制器将优化设计后得到的人工电磁谐振结构与HEMT高效的结合起来，使得调制器在HEMT通断两种状态下共有四个不同的谐振频点，因此使调制器拥有四个幅度调制频带；在每个谐振频点处，谐振结构都拥有各不相同且复杂的谐振模式，谐振模式的结合利用显著增强了各谐振频点的谐振强度，增大了各调制频带的调制深度与调制效率。(3)、该调制器不仅具备多频带幅度调制能力，还兼备良好的相位调制能力，其拥有三个相位调制频带，其中两个频带内的相位调制深度可达90度以上。(4)、该调制器选用了高电子迁移率晶体管作为其调控器件，HEMT中二维电子气的高迁移率特性使得调制器可以在不同的谐振模式间快速转化，因此该调制器拥有相当高的调制速率。(5)、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。(6)、本发明设计的是透射式的太赫兹波调制器，相比于反射式的调制器操作更简单，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。(7)、本发明所设计的调制器同时具备对太赫兹波出色的调幅与调相能力，且该器件可工作于常温、常压、非真空条件下，无需波导加载，易于封装，这些使得该调制器有着良好的发展与应用前景。

附图说明：

图1为HEMT多频带调制器的整体设计方案示意图。

图2为HEMT多频带调制器调制单元立体示意图。

图3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4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5为HEMT多频带调制器在不同电压下透射曲线仿真图。

图6为HEMT多频带调制器在不同电压下相位变化仿真图。

图中：1.半导体衬底，2.外延层，3.正电压加载电极，4.负电压加载电极，5.调制单元阵列，5-1.“E”形结构中长枝节末端，5-2.金属电极。

具体实施方式

本发明中的HEMT太赫兹波空间外部多频带调制器的调制功能区是HEMT与Metamaterials巧妙而有效结合的三极管阵列结构，通过对谐振结构的优化设计和同双晶体管的高效结合，该调制器拥有四个幅度调制频带和三个相位调制频带，且幅度调制频带内的幅度调制效率均可达到90％以上，相位调制频带内的相位调制深度最高可达90度以上。该调制器通过外加电压控制HEMT中二维电子气的浓度变化，而HEMT中二维电子气的高迁移率特性使得调制器可以在不同的谐振模式间快速转化，使其获得相当高的调幅、调相速率。通过仿真计算说明了这是一种极具发展潜力和实用价值的多频带、高效、快速太赫兹波调幅调相器件。

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)。正电压加载电极(3)、负电压加载电极(4)和调制单元阵列(5)构成金属结构层，金属结构层下面依次设置有在外延层(2)和半导体材料衬底(1)。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)。

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，晶体管位于上侧“L”型结构与下侧“L”型结构之间，且“L”型结构中的短金属横条均套刻在每个晶体管的源极或漏极之上。

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，源、漏极谐振器结构相同，都是一种平躺着的类“E”型结构，上侧“E”型结构为源极谐振器，下侧“E”型结构为漏极谐振器，每个“E”型结构包含两个左右对称的“L”型结构和一个“T”型结构，“E”型结构中的长金属横条将上述三个结构的一端连接起来。其中，“T”型结构位于“L”型结构的正中间，也位于长金属横条的正中间。上下两个“E”型结构关于位于谐振结构中间的栅极连接线互为镜像结构。栅极连接线位于源、漏极谐振器之间，每个谐振结构单元中共有三段栅极连接线，中间一段连接调制单元内的两个晶体管的栅极，左、右两段分别连接左、右两侧谐振单元的栅极连接线。

本发明的基于高电子迁移率晶体管空间太赫兹波多频带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(1)为蓝宝石、高阻硅、碳化硅等半导体材料；HEMT外延层(2)为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(17)、(18)，采用Au、Ag、Cu、Al等金属材料构成套接电路(3)、(4)。上述列出的金属材料也可采用其它特性相近的金属代替。

如图5所示，该调制器共有四个谐振频点：频点①在0.2THz附近，频点②在0.34THz附近，频点③在0.54THz附近，频点④在0.6THz附近。频点①和③对应HEMT连通时的状态，频点②和④对应HEMT断开时的状态。图3和图4中的模式1至模式4分别表示频点①至频点④的电场分布和表面电流分布情况。如图3所示，当HEMT处于夹断状态时，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，电场主要集中在上侧“L”型结构与下侧“L”型结构之间；如图4所示，当HEMT处于连通状态时，源极谐振器与漏极谐振器通过HEMT连通成为一个整体，电场主要集中在上下长金属横条以及“T”型结构中短金属横条一端上。图3和图4中用箭头线标明了不同模式下谐振结构表面电流的流向，其中同一种箭头线表示一种连续且独立存在的电流，实线、虚线、点线、点划线分别表示彼此不连续的表面电流。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。该调制器利用HEMT进行调幅调相的具体过程如下，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，如图4所示，此时存在谐振频点①和③；随着正负电压差值逐渐增大，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，谐振频点①偏移至频点②处，谐振频点③偏移至频点④处。图5和图6分别给出了该调制器在HEMT通、断状态下幅值与相位透射曲线的三维仿真结果。由图5可知，该调制器共有四个幅度调制频带，在HEMT由连通变为夹断的过程中，频点①处的透过率由3.5％增大至83.7％，调制效率为95.8％；频点②处的透过率由82.5％减小至7.7％，调制效率为90.7％；频点③处的透过率由5％增大至65.4％，调制效率为92.4％；频点④处的透过率由72.3％减小至4％，调制效率为94.5％。四个频带内的幅度调制效率均达到了90％以上。由图6可知，该调制器共有三个相位调制频带：0.21～0.33THz、0.55～0.6THz、0.67～0.69THz。其中在0.55～0.6THz和0.67～0.69THz这两个频带内相位调制深度可达90度以上。

综上所述，基于HEMT的太赫兹空间外部多频带调制器是一种极具发展潜力和实用性的兼具调幅与调相功能的太赫兹波段快速动态器件。

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 (9)

1.一种基于高电子迁移率晶体管的多频带调制器，该调制器包括：半导体衬底、设置于半导体衬底上的外延层、设置于外延层上的调制单元阵列；所述调制单元阵列的每个调制单元包括：源极谐振器、漏极谐振器、栅极连接线、半导体掺杂异质结构；其中源极谐振器和漏极谐振器为形状大小相同的“E”形结构，对称设置于栅极连接线的两侧且开口相对；其中“E”形结构包括一短枝节、位于该短枝节两侧的长枝节和连接各枝节的金属馈线；其中通过半导体掺杂异质结构连接源极谐振器和漏极谐振器相对的“E”形结构长枝节，所述半导体掺杂异质结构设置于源极谐振器和漏极谐振器的“E”形结构长枝节端部的下方，并且位于栅极连接线的下方；所述调制单元阵列的每行调制单元共用同一根栅极连接线，并将每行的栅极连接线连接同一负电极；每行调制单元的源极谐振器和漏极谐振器分别通过金属馈线连通并连接正电极。

2.如权利要求1所述的一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器，其特征在于所述源极谐振器和漏极谐振器“E”形结构中的长枝节末端通过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的太赫兹多频带调制器，其特征在于所述源极谐振器和漏极谐振器“E”形结构中的长枝节末端设置一与末端垂直且向内延伸的短枝节，形成“L”形结构；所述源极谐振器和漏极谐振器“E”形结构中的短枝节末端设置一与末端垂直短枝节，形成“T”形结构。

4.如权利要求1所述的一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器，其特征在于所述栅极连接线位于掺杂异质结结构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的太赫兹多频带调制器，其特征在于所述调制单元阵列为多个调制单元构成的M*N型阵列，其中M>3，N>3。

6.如权利要求2所述的一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器，其特征在于所述金属电极材料为Ti、Al、Ni或Au。

7.如权利要求1所述的一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器，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。

8.如权利要求1所述的一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器，其特征在于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。

9.如权利要求1所述的一种基于高电子迁移率晶体管的太赫兹多频带调制器，其特征在于所述源极谐振器、漏极谐振器、栅极连接线和金属馈线材料为Au、Ag、Cu或Al。