[发明专利]基于高电子迁移率晶体管太赫兹波空间外部调制器

说明书

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，主要包括太赫兹波调制器、探测器、传感器等。 

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz（1THz=10¹²Hz）范围内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学过渡区域，是电磁波谱中唯一尚处于开发的频段资源。它介于技术相对成熟的微波毫米波与红外可见光区域之间，具有独特的电磁特性；太赫兹波在物理、电子信息、化学、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、国家安全与反恐、通讯雷达等领域具有极重要的应用，是下一代信息产业的科学技术重要基础之一，对国民经济以及国防建设具有重大意义。 

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。太赫兹通信系统与微波通信、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；相对于无线光通信，无线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系统，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。 

而作为太赫兹通信系统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，其内容包括基于参杂硅基、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。但是到目前为止，都未能实现对在空间中传播的太赫兹波的快速调制。 

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（High Electron Mobility Transistor，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。HEMT是一种利用存在于调制参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首次在分子束外延（MBE）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。 

人工电磁媒质（Metamaterials）是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构，可通过人为地设计谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性。随着近代微细加工技术的发展，人工电磁媒质在无源功能器件的发展中起到了巨大的推动作用，在微波毫米波段、太赫兹波段以及光波段都研制出多种相关功能器件。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过外加电压信号实现对空间太赫兹波快速动态调控的调制器，可有效的对所设计频率点的太赫兹波进行快速幅度调制。 

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，把HEMT与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，通过设计结构、模拟仿真、优化论证、最终运用微精细加工进行制作，得到性能可靠的太赫兹波空间调制器。本发明包括半导体衬底、外延层、调制单元组、正电压加载电极和负电压加载电极，外延层设置于半导体衬底上，在外延层上设置有调制单元组、正电压加载电极和负电压加载电极； 

所述调制单元组包括至少3个调制单元； 

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，各晶体管的栅极连接到负电压加载电极，源极和漏极连接到正电压加载电极。 

进一步的，所述正电压加载电极包括与各晶体管的源极连接的源极连接端，以及与各晶体管漏极连接的漏极连接端。