[发明专利]一种基于低维电子等离子体波的太赫兹调制器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹调制器及其制造方法，特别是涉及一种基于低维电子等离子体波的能实现高速的大调制深度的太赫兹调制器及其制造方法。本发明还涉及基于所述太赫兹调制器的调制方法。

背景技术

太赫兹波在电子、通信、生命科学、国防、航天和医疗等方面具有非常重要的应用。太赫兹功能器件在太赫兹系统中占据核心地位。在太赫兹高速成像和通信系统中，高性能调制器占据重要地位。目前国际上还没有研制成电驱动的高调制速度和大调制深度的太赫兹调制器，故阻碍了其发展和应用。

现有的固态太赫兹调制器的技术方案主要是基于单电子行为的Drude电导率变化引起的太赫兹波非共振吸收机制。按实现的材料分，主要有基于半导体二维电子气、半导体复合超材料和石墨烯等材料的调制器。

二维电子气调制器：通过栅极电控制二维电子气的浓度来改变其电导率，从而改变入射太赫兹辐射的透射强度。该方法可以在室温下工作，但是其最大调制深度只有3％，距离实际推广应用还有很大差距。该类调制器没有利用等离子体波特性。原理是太赫兹波的透射强度与二维电子气的电导率有关。

半导体复合超材料调制器：超材料是一种由小于激励电磁波波长的结构单元(“atoms”)构成的、具有电磁共振响应的人工介质。制作半导体复合超材料，可以在几何设计和超材料电磁结构参数上进行调节从而改变其共振特性，利用该原理可以实现对太赫兹辐射的有效调控。在掺杂半导体外延层上制作超材料形成肖特基二极管结构，通过电压调节劈裂环共振器(Split-RingResonator，SRR)结构单元缝隙处附近的半导体衬底层载流子浓度来改变共振强度，故在共振频点的太赫兹波透射强度可以通过电调制实现。该方法可以实现室温下调制深度达50％和调制速度达2MHz的太赫兹调制。另外一种复合超材料结构是将高电子迁移率晶体管(HEMT)集成在SRR的缝隙处，通过栅极改变沟道的电子浓度来改变SRR的电容进而调节SRR共振强度。该器件的调制深度可达33％，最高调制速度达10MHz。在太赫兹波段，现有调制器的专利技术主要利用超材料实现，例如，2009年HoutongChen等人申请的名为“主动型太赫兹超材料器件”的美国发明专利。

石墨烯调制器：在太赫兹波段，石墨烯中电子的带内跃迁起主要作用，利用大面积单层石墨烯可以实现室温下15％的强度调制深度和20kHz的调制频率。

现有技术的缺点主要有：

现有技术的调制深度普遍不高，最高的也只能达50％，说明这些机制的能量损耗方式不是很有效；此外，高速调制是调制器最重要的性能指标之一，而现有技术的调制速度不高(最高调制速度为10MHz)。

导致这些缺点的根本原因主要有：a)二维电子气和石墨烯的载流子层很薄，电磁波与载流子相互作用时间短，如果没有实现强耦合则调制效率不高；b)Drude电导率模型的耗散是单个自由载流子受到外界散射(声子、杂质和缺陷等)引起的。电磁波是与单粒子耦合的，故太赫兹波的这种损耗机制不是很高效；c)大面积器件的调制速度受限于器件的寄生电容和电阻，如半导体复合超材料加栅压形成的耗尽层电容和电阻。

目前尚未见有采用低维电子等离子体波实现太赫兹调制器的相关文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能实现高速和大调制深度的太赫兹调制器，利用了太赫兹波腔模与等离子体波模式强耦合后形成的等离极化激元实现对太赫兹波的高效调制。为实现太赫兹高速成像和高速通信所必须的调制器提供一种可能的解决方案。

本发明所述的太赫兹调制器，包括等离激元和谐振腔；其中，

所述等离激元包括：

GaN/AlGaN之高电子迁移率晶体管，其包括：源极、漏极和光栅栅极；

位于所述晶体管的半导体异质界面处窄带隙半导体一侧形成的准二维电子层，用于激发等离子体波；

所述谐振腔，包括光栅与样品接触的表面到经减薄蓝宝石衬底的下表面形成的介质谐振腔。

如上所述的太赫兹调制器，其中所述光栅栅极为一维光栅或者插指型光栅。

如上所述的太赫兹调制器，其中所述谐振腔可以为减薄样品本身界面形成的Fabry-Pérot(简称F-P)谐振腔或者由相同介质层组成的对称谐振腔结构。

本发明还提出一种基于高电子迁移率晶体管的高速调制方法，包括：

将所述晶体管的源极和漏极接地，向所述晶体管的栅极提供一负直流栅压V_G和交流调制信号，该信号幅值为