[发明专利]一种极化不敏感的太赫兹调制器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种极化不敏感的太赫兹调制器及其制备方法，每个调制单元包括两个开口的弓形超材料结构、高电子迁移率晶体管、十字形结构连通的第一栅极馈线和第二栅极馈线和源漏馈线，两个弓形超材料结构关于第一栅极馈线对称，弓形超材料结构的开口处匹配高电子迁移率晶体管，高电子迁移率晶体管的源极和漏极分别连接弓形超材料结构开口的两侧，高电子迁移率晶体管通过第二栅极馈线与肖特基电极连接，弓形超材料结构通过源漏馈线与欧姆电极连接，采用弓形超材料结构开口，通过外加激励可控制HEMT中的二维电子气的浓度，可控制太赫兹波的通断，器件对极化方向x和y的太赫兹波不敏感，在220GHz处的调制器的调制深度均为93％。

技术领域

本发明涉及抑制调制器，具体涉及一种极化不敏感的太赫兹调制器及其制备方法，用于太赫兹通信、成像和探测等领域。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(波长为0.03mm～3mm)范围内的电磁波，它的高频部分与红外波相重合，低频部分与微波相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙”。目前太赫兹的应用领域正在不断的扩大，从最初仅用于天文学研究，逐渐扩展到了人们生活的方方面面。例如：太赫兹通信、生物和医学领域、全球环境检测、无损探伤、安检、太赫兹成像和太赫兹雷达等。太赫兹调制器可以将通信信息加载到太赫兹波上的器件。根据调制方式，可将太赫兹调制器分为内调制器和外调制器两种。内调制是指在太赫兹源内部通过载波混频或控制直流偏压实现信号的调制，外调制是指太赫兹波从源端发射之后，在空间传输过程中对太赫兹波信号进行调制加密。外调制方式的通信方案的核心关键技术为高速调制器，需要其对太赫兹波具有高通断速率，超材料(Mtamaterial)和高电子迁移率晶体管(High ElectronMobility Transistor,HEMT)在空间信息网络方面具有重要应用前景。

超材料是一种人工设计的亚波长周期结构，该结构可以得到自然界不存在的电磁特性。通过个人设置单元器件结构，在特定频率处获得特定的等效介电常数和等效磁导率。HEMT属于异质结场效应晶体管，主要依靠具有高迁移率特性的二维电子气(2DEG)来工作，所以HEMT能够工作于超高频、超高速领域。早期的GaN HEMT器件大多为耗尽型器件，即必须在栅极加一个负电压时才能将器件关断，可利用这一原理将超材料结构和HEMT相结合实现对太赫兹波通断。2011年，波士顿大学的Willie J.Padilla团队首次将砷化镓高电子迁移率晶体管(GaAsHEMT)和超材料的组合，制备了太赫兹电控调制器。通过对金属栅极施加偏置电压改变lnGaAs/GaAs HEMT中的二维电子气(2DEG)浓度，可以达到控制太赫兹波通断的效果。在3V左右的电压下，该调制器实现了33％的调制深度，调制速度仅有10MHz。2017年，Zhen Zhou等人提出了一款四开口谐振环与HEMT相结合的太赫兹调制器，在-4V的栅极电压下，调制深度可达到80％，调制速率达到2.7MHz。这两款调制器调制深度和调制速率低且对入射太赫兹波的极化方向敏感。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极化不敏感的太赫兹调制器及其制备方法，提高调制器调制深度和调制速率且使调制器对入射太赫兹波的极化方向不敏感。

本发明通过下述技术方案实现：

一种极化不敏感的太赫兹调制器，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阵列，

所述调制阵列由若干调制单元周期排列组成，每个调制单元整体为矩形，每个调制单元包括两个中间弧面开口的弓形超材料结构、高电子迁移率晶体管、第一栅极馈线、第二栅极馈线和源漏馈线，第一栅极馈线和第二栅极馈线交叉连通形成十字形结构与肖特基电极连接，两个弓形超材料结构关于所述第一栅极馈线对称，每个弓形超材料结构的开口处匹配一个高电子迁移率晶体管，高电子迁移率晶体管的源极和漏极分别连接弓形超材料结构开口的两侧，两个弓形超材料结构中的高电子迁移率晶体管通过第二栅极馈线与肖特基电极连接，弓形超材料结构通过源漏馈线与欧姆电极连接。