[发明专利]一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件

说明书

本发明提供了一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，属于太赫兹技术领域，器件结构包括超材料层、衬底层、金属板和金属电极；超材料层由周期性阵列结构组成，衬底层为具有负微分电阻效应的Ⅲ‑Ⅴ族半导体，金属板制作在衬底的下表面，两个金属电极制作在衬底的上表面；通过两个金属电极在半导体衬底上施加高偏置电压，在半导体衬底内部产生强横向电场，引起半导体材料的负微分电阻效应，改变半导体衬底的材料性质，从而影响此器件的谐振频率，形成了一种主动电调控太赫兹超材料器件。

技术领域

本发明涉及一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件的设计，属于太赫兹器件制造的技术领域。

背景技术

太赫兹波是一种频率在0.1-10THz之间的电磁波，在电磁波谱图上处于微波和红外波段之间。与微波技术相比，太赫兹技术具有更高的分辨率，与光波技术相比，太赫兹波具有更低的能量和更强的穿透能力，可以被广泛地应用在雷达、安全检查、成像等领域。但是因为很多自然材料对太赫兹波的电磁响应非常弱，所以太赫兹技术的发展受到了一定限制。而超材料作为一种人工电磁材料，由周期性或非周期性排列的金属结构组成，可以对太赫兹波的幅度、相位、偏振、传播方式等进行有效地调控，可实现很多太赫兹功能器件，比如吸收器、光开关、偏振器件等。

目前国内外的很多研究都集中在主动可调太赫兹超材料器件上。主动可调太赫兹超材料器件的实现方式一般有三种。第一种是在开口谐振环的开口处集成一些非线性元件(例如耿式二极管，肖特基二极管，变容二极管)或者一些非线性材料。第二种是基于微纳机电系统的机械可重构超材料，通过机械控制来改变结构单元的形状或者排列方式。第三种是将介电性质在外力作用下(比如光、电、热等)可调的材料，比如半导体、液晶、铁电材料、相变材料等，制作成超材料或者超材料的衬底。

如上所述，实现主动可调超材料器件的方式多种多样，但到目前为止，并没有出现利用Ⅲ-Ⅴ族半导体(例如GaAs，GaN，InP等)的负微分电阻效应实现对超材料器件电磁特性的动态电调控。本发明所提出的超材料太赫兹器件，利用Ⅲ-Ⅴ族半导体的负微分电阻效应来调制器件的电磁特性，为实现主动超材料太赫兹器件提供了一种全新的思路。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，通过对Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底施加高偏置横向电压(等价于形成了一个耿氏二极管)，在半导体内部产生负微分电阻效应，由于电子转移机制，衬底内载流子浓度、迁移率、有效质量的分布会发生改变，从而改变此器件的谐振特性，形成一种电压可调的主动太赫兹超材料器件。

技术方案：本发明的一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，通过以下技术手段实现

该器件由超材料层、衬底层、第一电极、第一高掺杂半导体层、第二电极、第二高掺杂半导体层、金属板组成；在衬底层的上面设有超材料层，在衬底层的对称两侧面分别设有第一高掺杂半导体层、第二高掺杂半导体层，在第一高掺杂半导体层上设有第一电极，在第二高掺杂半导体层上设有第二电极，其中超材料层、第一电极、第二电极在同一平面上，在衬底层的下面设有金属板。

所述结构单元在衬底层上为周期性排列，第一电极、第二电极分别位于结构单元的两旁。

所述超材料层的结构单元为方形、开口谐振环或圆环形中的一种。

所述衬底层为具有负微分电阻效应的半导体材料。

所述金属板制作在半导体衬底的下表面；金属板的厚度大于电磁波在其中传输的趋肤深度，以保证器件的透射率为0。

所述结构单元、第一电极、第二电极、金属板的材料为金、银、铜、铝中的一种。

所述第一电极、第二电极与下面对应的第一高掺杂半导体层、第二高掺杂半导体层形成欧姆接触。