[发明专利]一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器

说明书

本发明提供了一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器，属于电磁功能器件技术领域。本发明是通过将太赫兹波段鳍线‑波导传输系统与人工电磁谐振结构单元、高电子迁移率晶体管HEMT相结合而实现的。本发明通过电控HEMT的电磁特性实现对人工电磁谐振单元结构中电磁谐振模式的控制，从而实现对鳍线‑波导中传播的太赫兹波幅度、相位进行调制。本发明可实现95％以上的调制深度，同时对太赫兹波的插损可小于‑1.5dB以内。本发明可通过运用微细加工技术实现，制备工艺成熟可靠。本发明实现了半导体材料与人工微结构阵列、太赫兹传输线相结合的调制器件，在太赫兹无线通信、太赫兹波谱技术、太赫兹安检成像等领域具有重要的实际应用价值。

技术领域

本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，用于太赫兹波调制器、太赫兹波开关、太赫兹移相器等，具体涉及一种鳍线加载HEMT嵌套结构的太赫兹波快速调制器。

背景技术

近年来，太赫兹的独特性能为通信、雷达、电子对抗和医学成像等众多领域提供了诱人的发展可能性。其中在太赫兹通信与成像系统中，太赫兹波动态功能器件—太赫兹外部调制器如今已成为其关键的核心技术。从2004年开始，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，其内容包括基于掺杂硅基、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。在上述方法中，调制器多采用空间金属阵列形式，金属单元间耦合寄生效应大，降低了调制器的响应速率，且调制器不便集成。因此设计一种响应速度高、调制深度大、结构紧凑便于集成的器件仍然是太赫兹调制器件亟待解决的核心技术问题。

在半导体材料与电磁器件产业中，一方面，电磁器件的发展需求决定了半导体材料的发展，另外一方面，由于半导体新材料的出现，推动了新的电磁器件的出现。在第三代半导体材料发展中，高电子迁移率晶体管HEMT展现出了卓越的性能，并已成功运用至探测器、放大器等领域，HEMT的出现也为太赫兹外部调制器的设计指引了新方向。HEMT是一种利用存在于调制参杂异质结中的二维电子气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。

自然界中很多材料在太赫兹频段没有电磁响应，人工电磁媒质的出现为太赫兹的发展和应用带来了新的机遇。人工电磁媒质是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，其性质可以通过有效介电常数和磁导率来表征，而人工电磁媒质的有效介电常数与磁导率则可以可通过人为地设计，从而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，人工电磁媒质在推动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。

鳍线是一种较为特殊的传输线，它能与很多半导体器件相契合，为实现混合电路提供有利条件。在毫米波内对应的行波波长大于微带线的导行波，因此基片的公差没有微带线结构那么严格，而且矩形波导壁的公差也略微放宽。由于鳍线基片地面没有金属接地板，能量不会像微带线集中在介质中，从而减少了介质损耗。鳍线阻抗范围大，在电路的设计中可以实现良好的匹配效果，降低不必要的反射，鳍线带宽较宽，可以工作在较高的工作频率，因此在很多电路结构中都会采用鳍线。

本发明将鳍线传输线与人工电磁谐振结构、HEMT相结合通过电控HEMT的电磁特性实现对人工电磁谐振单元结构中电磁谐振模式的控制，从而实现对鳍线-波导中传播的太赫兹波幅度、相位进行调制。本发明结构简单，易集成，可用于太赫兹无线通信、波谱成像等应用系统中。

发明内容