一种太赫兹多通道调制器及其制备方法

技术领域

本发明涉及太赫兹通信技术领域，具体涉及一种太赫兹多通道调制器及其制备方法。

背景技术

太赫兹波是介于微波与红外之间的电磁波，其频率范围为0.1～10THz，独特的频段位置使其展现出很多与众不同的电磁特性，可广泛应用于生物医学、安全检查和无线通信等领域。近年来，太赫兹无线通信技术正朝着高速率和远距离的方向发展，但是由于缺乏高性能的关键器件，一定程度地限制了其的发展。太赫兹调制器就是其中关键器件之一，其性能的提升对太赫兹通信技术的发展有着至关重要的作用，因此太赫兹调制器成为了近年的研究热点。自2004年开始，陆续有关于太赫兹外部调制器的文章在众多国际自然科学顶级期刊发表，其内容包括基于掺杂半导体基底、相变材料和石墨烯等与超材料相结合，利用外加温度、光照和电场等激励方式来实现对自由空间传播的太赫兹波的调控，因此可将调制器分为温控、光控和电控调制器。电控调制器具有易于集成的特点，在太赫兹通信领域有着重要应用。2006年H-T Chen等人提出了一种基于开口谐振环超材料结构的电控太赫兹调制器，金属超材料结构与砷化镓衬底接触形成一个肖特基二极管结构，在器件的欧姆接触和金属结构之间加载一定电压，可以实现对入射太赫兹波的调制。2011年，波士顿大学的研究团队提出了一种基于开口谐振环超材料结构和HEMT的复合型电控太赫兹调制器，通过外加栅极电压改变HEMT沟道中的二维电子气浓度，改变超材料结构的谐振强度，进而实现对太赫兹波的调控。2015年，电子科技大学的研究团队提出了一种基于工字型超材料结构和HEMT复合超材料结构，其调制速率能够达到1GHz。2017年，ZhenZhou等人提出了一款基于四开口谐振环超材料结构与HEMT相结合的太赫兹调制器，在-4V的栅极电压驱动下，其调制深度可达80％，调制速率达2.7MHz。虽然上述调制器具有较高的调制深度和调制速率，但是其仅有一个工作通道，即只有一个独立的频段能够实现调制。而在通信领域，为了提高通信速率、通信容量以及通信质量，往往要求需要对各个通信频段的信号进行独立的调制。基于这一点，前面所提及的调制器就难以满足上述通信应用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹多通道调制器，以至少解决现有太赫兹调制器仅具有一个工作通道，即只有一个独立的频段能够实现调制，导致无法进一步提高通信速率、通信容量以及通信质量的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供一种太赫兹多通道调制器，包括半导体衬底和位于半导体衬底上的外延层，所述外延层上设有调制阵列、第一肖特基电极、第二肖特基电极和欧姆电极，所述调制阵列由M×N个调制阵元周期排列组成，其中M为调制阵元纵向排列周期数，N为调制阵元横向排列周期数，M≥3，N≥3，所述调制阵元包括结构单元，所述结构单元设有第一开口和第二开口，所述第一开口和第二开口处分别设有第一高电子迁移率晶体管和第二高电子迁移率晶体管；其中，

每行调制阵元的第一高电子迁移率晶体管的栅极通过第一栅极馈线连接至第一肖特基电极，每行调制阵元的第二高电子迁移率晶体管的栅极通过第二栅极馈线连接至第二肖特基电极；

每行调制阵元的第一高电子迁移率晶体管的源极和漏极通过第一源漏馈线连接至欧姆电极，每行调制阵元的第二高电子迁移率晶体管的源极和漏极通过第二源漏馈线连接至欧姆电极。

进一步，所述结构单元为超材料结构单元。

进一步，所述结构单元为I型结构单元，所述结构单元包括上横杆、下横杆和连接上下横杆的竖杆，所述第一开口和第二开口位于竖杆上，所述第一开口和第二开口将竖杆截成上竖杆、中竖杆和下竖杆，所述上横杆为第一源漏馈线，下横杆为第二源漏馈线，所述第一高电子迁移率晶体管的源极和漏极通过上竖杆和上横杆连接至欧姆电极，所述第二高电子迁移率晶体管的源极和漏极通过下竖杆和下横杆连接至欧姆电极。

进一步，所述半导体衬底的材料为碳化硅。

进一步，所述外延层的材料为氮化镓。

进一步，所述高电子迁移率晶体管的材料为AlGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、InGaAs/GaAs或InGaN/GaN。

进一步，所述第一高电子迁移率晶体管的尺寸为12μm*10μm，厚度为0.001-0.01μm，所述第二高电子迁移率晶体管的尺寸为27μm*10μm，厚度为0.001-0.01μm。

进一步，所述栅极馈线的线宽为1-3μm，厚度为0.2-1μm。

进一步，所述第二栅极馈线与第一肖特基电极之间设有绝缘层。

本发明还提供一种制备太赫兹多通道调制器的方法，包括：

基片清洗，将SiC基片分别放置于装有丙酮和乙醇溶液的超声清洗机中，将其表面的有机物清洗掉，使用热酸去除基片表面的金属离子，使用去离子水冲洗基片表面并用氮气枪吹干；

生长AlGaN/GaN异质结薄膜，使用金属有机化合物气相沉积法在清洗过的SiC基片上制备AlGaN/GaN异质结构薄膜；

制备高电子迁移率晶体管有源区，在基片上旋涂光刻胶，使用掩膜版对其进行光刻显影，确定出高电子迁移率晶体管有源区，利用干法刻蚀中的感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀掉高电子迁移率晶体管有源区以外的AlGaN/GaN薄膜，将基片上剩余的光刻胶去掉，得到高电子迁移率晶体管有源区；

制备高电子迁移率晶体管源极和漏极，将复合金属层钛/铝/镍/金依次沉积在有源区两侧，作为高电子迁移率晶体管的源极和漏极；

源极和漏极形成欧姆接触，将源漏电极置于N2环境，并对其进行快速热退火处理，退火炉中的温度在7s内从常温升至890℃，维持20s，然后迅速降至25℃，源极和漏极与二维电子气沟道形成欧姆接触；

制备超材料结构，将厚度为20nm的镍和150nm的金依次沉积在AlGaN/GaN异质结薄膜上，形成超材料结构，超材料结构开口的两侧覆盖高电子迁移率晶体管的源极和漏极；

制备栅极馈线的制备过程与制备超材料结构的制备过程相同。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明提出的一种太赫兹多通道调制器，为基于HEMT(高电子迁移率晶体管)的I型超材料调制器，将具有高速动态特性的HEMT设计在超材料结构的两个开口处，两个开口处的HEMT分别由两个电极控制，通过外加栅极电压的方式调节HEMT沟道中的二维电子气浓度，改变超材料结构的谐振模式，进而实现对多个频段的太赫兹波的调控。该调制器在0.12THz、0.22THz和0.34THz中心频点处的调制深度分别可达到97.3％、94.1％和93.5％。该调制器采用双开口I型超材料结构单元，并且采用2个HEMT设计，即每个调制阵元包含2个HEMT，极大地增强了超材料结构单元的谐振强度，为实现高调制深度及高调制速率的调制器奠定了基础。更重要的是，通过外加电压信号控制两个开口处HEMT的通断，实现对自由空间传播的太赫兹波快速动态调控，可有效地对多个频点的太赫兹波进行快速幅度调制，实现多通道调制，调制深度达到90％以上。

(2)本发明提出的一种太赫兹多通道调制器可塑性强，保持调制阵元整体结构不变，通过改变超材料结构单元的参数(如金属条带宽度)可以有效地调节调制频点的位置以及调制的带宽，能够根据实际应用需求灵活设计；

(3)本发明提出的一种太赫兹多通道调制器的谐振单元为超材料结构，它是一种二维平面结构，可通过微纳加工工艺实现，加工工艺成熟，易于加工，避免了复杂立体结构设计方案带来的加工难度；

(4)本发明提出的一种太赫兹多通道调制器通过外加电压进行驱动，尺寸小，易于集成，且设计的是透射型的太赫兹调制器，相比于反射型的调制器，该器件操作简单，使用方便；

(5)本发明提出的一种太赫兹多通道调制器能够在常温、常压的自由空间工作，且工作电压低，调制深度高，具有良好的实际应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一种太赫兹多通道调制器的结构示意图；

图2为本发明一种太赫兹多通道调制器中调制阵元的结构示意图；

图3为本发明一种太赫兹多通道调制器中调制阵元的结构剖面图；

图4为本发明一种太赫兹多通道调制器的透射系数曲线图；

图中：1、半导体衬底；2、外延层；3、肖特基电极；4、欧姆电极；5、高电子迁移率晶体管；6、栅极馈线；7、源漏馈线；8、绝缘层；9、调制阵列；10、调制阵元；11、漏极；12、源极；13、栅极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

请参考图1至图4，本发明提供一种太赫兹多通道调制器，包括半导体衬底1和位于半导体衬底1上的外延层2，所述外延层2上设有调制阵列9、第一肖特基电极3、第二肖特基电极3和欧姆电极4，所述调制阵列9由M×N个调制阵元10周期排列组成，其中M为调制阵元10纵向排列周期数，N为调制阵元10横向排列周期数，M≥3，N≥3，所述调制阵元10包括结构单元，所述结构单元设有第一开口和第二开口，所述第一开口和第二开口处分别设有第一高电子迁移率晶体管5和第二高电子迁移率晶体管5；其中，

每行调制阵元10的第一高电子迁移率晶体管5的栅极13通过第一栅极馈线6连接至第一肖特基电极3，用于给第一高电子迁移率晶体管5的栅极13供电；每行调制阵元10的第二高电子迁移率晶体管5的栅极13通过第二栅极馈线6连接至第二肖特基电极3，用于给第二高电子迁移率晶体管5的栅极13供电；

每行调制阵元10的第一高电子迁移率晶体管5的源极12和漏极11通过第一源漏馈线7连接至欧姆电极4，用于给第一高电子迁移率晶体管5的源极12和漏极11供电；每行调制阵元10的第二高电子迁移率晶体管5的源极12和漏极11通过第二源漏馈线7连接至欧姆电极4，用于给第二高电子迁移率晶体管5的源极12和漏极11供电。

高电子迁移率晶体管5的基本结构就是一个调制掺杂异质结。超材料结构、肖特基电极3、欧姆电极4、栅极馈线6和源漏馈线7的材料可以采用Ti、Ni、Au。除此之外，还可以选用Al、Ag、Cu。图2中，px、py为单元周期，h为衬底厚度，w为源漏馈线7宽度，w1为栅极馈线6宽度，g1、g2分别为第一开口和第二开口；

本发明提出的一种太赫兹多通道调制器，为基于HEMT(高电子迁移率晶体管5)的I型超材料调制器，将具有高速动态特性的HEMT设计在超材料结构的两个开口处，两个开口处的HEMT分别由两个电极控制，通过外加栅极13电压的方式调节HEMT沟道中的2DEG(二维电子气)浓度，改变超材料结构的谐振模式，进而实现对多个频段的太赫兹波的调控。当未对调制器施加电压时，调制器在0.12THz处产生谐振，其调制深度为97.3％；当对第一开口g1处的HEMT施加电压时，调制器在0.22THz处产生谐振，其调制深度为94.1％，当同时对第一开口g1和第二开口g2处的HEMT施加电压时，调制器在0.34THz产生谐振，其调制深度为93.5％。该调制器采用双开口I型超材料结构单元，并且采用2个HEMT设计，即每个调制阵元10包含2个HEMT，极大地增强了超材料结构单元的谐振强度，为实现高调制深度及高调制速率的调制器奠定了基础。更重要的是，通过外加电压信号控制两个开口处HEMT的通断，实现对自由空间传播的太赫兹波快速动态调控，可有效地对多个频点的太赫兹波进行快速幅度调制，实现多通道调制，调制深度达到90％以上。

图4为不同开口状态下调制器的透射系数谱。图4中，三角符号的曲线表示第一开口g1和第二开口g2关闭，对应HEMT不通电的透射曲线；圆圈符号的曲线表示第一开口g1打开，第二开口g2关闭，对应第一开口g1下的HEMT通电，第二开口g2下的HEMT不通电的透射曲线；方块符号的曲线表示第一开口g1和第二开口g2打开，对应两个HEMT通电的透射曲线。当未给HEMT施加栅极13电压时，调制器在0.12THz处产生谐振，其透射系数为0.022，如图4带三角形的黑色曲线所示。当给第一开口g1处的HEMT施加栅极13电压时，调制器在0.22THz处产生谐振，其透射系数为0.052，如图4带圆形的黑色曲线所示。当对第一开口g1和第二开口g2处的HEMT同时施加栅极13电压时，调制器在0.34THz处产生谐振，其透射系数为0.060，如图4带正方形的黑色曲线。通过改变调制器两个开口处HEMT的栅极13电压可实现对三个频段的太赫兹波的调控。利用公式MD＝(T

作为具体实施方式，所述第二栅极馈线6与第一肖特基电极3之间设有绝缘层8，所述绝缘层8为苯并环丁烯(BCB)。

作为具体实施方式，所述结构单元为超材料结构单元。所述结构单元为I型结构单元，所述结构单元包括上横杆、下横杆和连接上下横杆的竖杆，所述第一开口和第二开口位于竖杆上，所述第一开口和第二开口将竖杆截成上竖杆、中竖杆和下竖杆，所述上横杆为第一源漏馈线7，下横杆为第二源漏馈线7，所述第一高电子迁移率晶体管5的源极12和漏极11通过上竖杆和上横杆连接至欧姆电极4，所述第二高电子迁移率晶体管5的源极12和漏极11通过下竖杆和下横杆连接至欧姆电极4。

作为具体实施方式，所述半导体衬底1的材料为碳化硅(SiC)，介电常数为9.8，厚度h＝100-500μm，具体可以为280μm。除此之外，半导体衬底1还可以选用高阻硅或蓝宝石。所述外延层2的材料为氮化镓。所述高电子迁移率晶体管5的材料为AlGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、InGaAs/GaAs或InGaN/GaN。所述第一高电子迁移率晶体管5的尺寸为12μm*10μm，厚度为0.001-0.01μm，所述第二高电子迁移率晶体管5的尺寸为27μm*10μm，厚度为0.001-0.01μm。所述栅极馈线6的线宽为1-3μm，厚度为0.2-1μm。所述双开口超材料结构单元、肖特基电极3、欧姆电极4、栅极馈线6和源漏馈线7的材料可以为钛Ti、镍Ni或金Au。其中，栅极馈线6线宽为2μm，源漏馈线7线宽为10μm，厚度为0.2μm。双开口I型超材料结构单元周期px＝200μm，py＝210μm。上下横杆的长度为200μm，上竖杆长度l1＝41μm，中竖杆长度l2＝52μm，下竖杆长度l3＝81μm，开口大小g1＝g2＝8μm，厚度t＝＝0.2μm。

本发明提出的一种太赫兹多通道调制器可塑性强，保持调制阵元10整体结构不变，通过改变超材料结构单元的参数(如金属条带宽度)可以有效地调节调制频点的位置以及调制的带宽，能够根据实际应用需求灵活设计；

本发明提出的一种太赫兹多通道调制器的谐振单元为超材料结构，它是一种二维平面结构，可通过微纳加工工艺实现，加工工艺成熟，易于加工，避免了复杂立体结构设计方案带来的加工难度；

本发明提出的一种太赫兹多通道调制器通过外加电压进行驱动，尺寸小，易于集成，且设计的是透射型的太赫兹调制器，相比于反射型的调制器，该器件操作简单，使用方便；

本发明提出的一种太赫兹多通道调制器能够在常温、常压的自由空间工作，且工作电压低，调制深度高，具有良好的实际应用前景。

实施例二

本发明还提供一种制备太赫兹多通道调制器的方法，包括：

基片清洗，将SiC基片分别放置于装有丙酮和乙醇溶液的超声清洗机中，将其表面的有机物清洗掉，使用热酸去除基片表面的金属离子，使用去离子水冲洗基片表面并用氮气枪吹干；

生长AlGaN/GaN异质结薄膜，使用金属有机化合物气相沉积法在清洗过的SiC基片上制备AlGaN/GaN异质结构薄膜；

制备高电子迁移率晶体管5有源区，在基片上旋涂光刻胶，使用掩膜版对其进行光刻显影，确定出高电子迁移率晶体管5有源区，利用干法刻蚀中的感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀掉高电子迁移率晶体管5有源区以外的AlGaN/GaN薄膜，将基片上剩余的光刻胶去掉，得到高电子迁移率晶体管5有源区；

制备高电子迁移率晶体管5源极12和漏极11，将复合金属层钛/铝/镍/金依次沉积在有源区两侧，作为高电子迁移率晶体管5的源极12和漏极11；

源极12和漏极11形成欧姆接触，将源漏电极置于N2环境，并对其进行快速热退火处理，退火炉中的温度在7s内从常温升至890℃，维持20s，然后迅速降至25℃，源极12和漏极11与二维电子气沟道形成欧姆接触；

制备超材料结构，将厚度为20nm的镍和150nm的金依次沉积在AlGaN/GaN异质结薄膜上，形成超材料结构，超材料结构开口的两侧覆盖高电子迁移率晶体管5的源极12和漏极11；

制备栅极馈线6的制备过程与制备超材料结构的制备过程相同。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。