太赫兹调制器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种太赫兹调制器及其制备方法。太赫兹调制器包括衬底、缓冲层、异质结外延层。异质结外延层上形成有多列高电子迁移率晶体管，每列的高电子迁移率晶体管之间相互串联，所有列的高电子迁移率晶体管的欧姆电极连接有第一引线电极，每相邻两列的高电子迁移率晶体管的栅极相互连接。本发明专利技术通过栅极调控每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导来实现复合超颖表面结构在共振超颖表面与线栅之间的转换。对于偏振方向平行于线栅栅条的太赫兹波，共振超颖表面在低于电偶极共振频率范围内具有高透射率，而具有高电导率的线栅却禁止具有该偏振的太赫兹波透过，由于线栅本身所具有的宽带特性，该器件能实现宽带且高效的太赫兹调制。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹调制器及其制备方法
本专利技术属于太赫兹器件
，具体地讲，涉及一种太赫兹调制器及其制备方法。
技术介绍
太赫兹波(Terahertzwave)是人类尚未大规模应用的一段电磁频谱资源，其处于宏观电子学向微观光子学过渡区域。太赫兹波的光子能量与固体中的声子、等离激元等元激发能量，与气体分子和有机分子的转动、振动能量，与大分子中的氢键能量相当，蕴含着丰富的物理、化学和结构信息，在材料、信息、生物医学和天文领域具有重要的科学和应用价值，同时也是下一代信息产业的科学技术重要基础之一。因而，太赫兹科学与技术的发展对国民经济、工业制造以及国防建设具有重大意义。现阶段，室温工作、微型可集成的高效固态太赫兹器件是太赫兹技术发展的主要技术瓶颈。太赫兹无线通信是太赫兹
最重要的应用方向之一，近几年受到世界各发达国家的高度重视。其主要原因在于，太赫兹通信系统与微波通信、光纤通信和光无线通信相比，具有无可替代的优势。例如，与微波通信相比，太赫兹能提供更大的带宽、更高的传输速度，且天线尺寸将会更小，非常适合于卫星间通信；太赫兹可提供多路数据传输，其作用范围大于视距红外传输；无线光通信的损耗来自于云、雨、尘埃等的散射和吸收，且频率越高散射越强，而相对于无线光通信，太赫兹的粒子散射要小得多，故太赫兹通信可作为光通信链路的备用系统，尤其是在浓烟和沙尘环境下依然能保持近距离宽带通信。太赫兹无线通信技术一些较为重要的应用包括为卫星间星际通信、短程大气通信和短程地面无线局域网等。太赫兹调制器是太赫兹通信系统中最为关键的核心器件之一，已经成为太赫兹科学技术研究领域的难点和热点。现有的技术方案主要是基于器件有源区自由载流子的太赫兹辐射吸收，如有源区为掺杂半导体、二维电子气(2DEG)、石墨烯和相变功能材料等。其实现手段为利用外部光激发(如光生载流子)、电调控(如场效应)或者温度变化(如相变)来改变有源区的电导率或者部分电导率而引起电磁共振结构(如metameterials)共振特性的变化，以此来达到调控太赫兹波的目的。例如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。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，通过栅极电压改变沟道的电导率来短路或维持SRR的电容，进而使得器件在共振和非共振状态之间转换。现有技术的太赫兹调制器调制深度普遍不高，最高的也只能达50％，也就是说这些器件的有源区太赫兹吸收效率、调制速度不高(最高调制速度为10MHz)，而高速调制是调制器最重要的性能指标之一。即使有的超材料器件能获得较高调制深度，但由于其共振特性，器件也只能窄带工作，需要对不同载波设计相应的超材料结构。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种实现复合超颖表面在共振超颖表面与线栅之间的转换的太赫兹调制器及其制备方法。本专利技术提供了一种太赫兹调制器，包括依次设置的衬底、缓冲层、异质结外延层；所述异质结外延层上形成有多列高电子迁移率晶体管，每列的高电子迁移率晶体管相互串联，所有列的高电子迁移率晶体管的欧姆电极连接有第一引线电极，每相邻两列的高电子迁移率晶体管的栅极相互连接，且所述栅极还连接有第二引线电极；其中，所述欧姆电极、栅极、第一引线电极和第二引线电极形成复合超颖表面结构，所述栅极用于调控每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导，使得所述复合超颖表面结构在共振超颖表面与线栅之间转换。进一步地，当每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导率大于30mS/cm时，所述复合超颖表面表现为线栅，所述太赫兹调制器的透射率低于0.1％。进一步地，当每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电阻率大于1000Ω·cm时，所述复合超颖表面表现为共振超颖表面，当共振频率低于小于1THz时，所述太赫兹调制器的透射率高于50％。进一步地，栅极位于每列相邻的两个欧姆电极之间且呈长条状。进一步地，所述欧姆电极呈矩形状。进一步地，每列相邻的两个欧姆电极之间的间距为1μm～4μm。进一步地，相邻两列的两个欧姆电极之间的间距为3μm～5μm。进一步地，所述栅极的栅长为1μm～3μm。本专利技术还提供了一种太赫兹调制器的制备方法，用于制备上述的太赫兹调制器，所述制备方法包括：在缓冲层上形成二维电子气台面；在所述二维电子气台面上形成高电子迁移率晶体管的欧姆接触；在两个欧姆接触之间形成高电子迁移率晶体管的栅极；在缓冲层和二维电子气台面上形成引线电极和欧姆电极，包括共振超颖表面。进一步地，在缓冲层上形成二维电子气台面之前的步骤还包括：在异质结外延层上形成对位标记；在二维电子气台面上形成引线电极和欧姆电极之后的步骤还包括：减薄衬底；裂片形成单个的复合超表面调制器芯片。进一步地，在缓冲层上形成二维电子气台面的方法包括：通过感应耦合等离子体刻蚀二维电子气材料以形成线栅状的二维电子气台面；其中，所述刻蚀的深度为70nm～100nm。进一步地，在所述二维电子气台面上形成高电子迁移率晶体管的欧姆接触的方法包括：采用电子束蒸发蒸镀的方式形成欧姆接触的多层金属结构，经过剥离后形成欧姆接触图形，最后在快速退火炉的惰性气体环境下形成欧姆接触。本专利技术的有益效果：本专利技术的太赫兹调制器通过栅极调控每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导来实现复合超颖表面结构在共振超颖表面与线栅之间的转换。对于偏振方向平行于线栅栅条的太赫兹波，共振超颖表面在低于电偶极共振频率范围内具有高透射率，而具有高电导率的线栅却禁止具有该偏振的太赫兹波透过，由于线栅本身所具有的宽带特性，该器件能实现宽带且高效的太赫兹调制。附图说明通过结合附图进行的以下描述，本专利技术的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：图1是本专利技术实施例的太赫兹调制器的结构示意图；图2是本专利技术实施例的太赫兹调制器的俯视图；图3是本专利技术实施例的太赫兹调制器仿真得到的复合超颖表面分别在共振超颖表面和线栅状态下的透射率；图4是本专利技术实施例的太赫兹调制器的制备方法的流程图；图5(a)～图5(h)是本专利技术实施例的太赫兹调制器的制备方法的工艺流程图。具体实施方式以下，将参照附图来详细描述本专利技术的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本专利技术，并且本专利技术不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本专利技术的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本专利技术的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。在附图中，为了使组件清晰展示，夸大了层和区域的厚度。此外，相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。图1是本专利技术实施例的太赫兹调制器的结构示意图。参照图1，根据本专利技术实施例的太赫兹调制器包括衬底11、缓冲层12、欧姆电极31、栅极32、第一引线电极21、第一引线电极22、欧姆电极连接线40、二维电子气台面50。具体地，衬底11具体为蓝宝石衬底。由于蓝宝石衬底本身对太赫兹波的吸收很小，故由蓝宝石衬底的太赫兹调制器相对于掺杂半导体损耗更小。此外，蓝宝石衬底很结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太赫兹调制器，包括依次设置的衬底、缓冲层、异质结外延层；其特征在于，所述异质结外延层上形成有多列高电子迁移率晶体管，每列的高电子迁移率晶体管之间相互串联，所有列的高电子迁移率晶体管的欧姆电极连接有第一引线电极，每相邻两列的高电子迁移率晶体管的栅极相互连接，且所述栅极还连接有第二引线电极；其中，所述欧姆电极、栅极、第一引线电极和第二引线电极形成复合超颖表面结构，所述栅极用于调控每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导，使得所述复合超颖表面结构在共振超颖表面与线栅之间转换。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹调制器，包括依次设置的衬底、缓冲层、异质结外延层；其特征在于，所述异质结外延层上形成有多列高电子迁移率晶体管，每列的高电子迁移率晶体管之间相互串联，所有列的高电子迁移率晶体管的欧姆电极连接有第一引线电极，每相邻两列的高电子迁移率晶体管的栅极相互连接，且所述栅极还连接有第二引线电极；其中，所述欧姆电极、栅极、第一引线电极和第二引线电极形成复合超颖表面结构，所述栅极用于调控每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导，使得所述复合超颖表面结构在共振超颖表面与线栅之间转换。2.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，当每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电导率大于30mS/cm时，所述复合超颖表面表现为线栅，所述太赫兹调制器的透射率低于0.1％。3.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，当每列相邻两个欧姆电极之间的沟道电阻率大于1000Ω·cm时，所述复合超颖表面表现为共振超颖表面，当共振频率低于1THz时，所述太赫兹调制器的透射率高于50％。4.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，栅极位于每列相邻的两个欧姆电极之间且呈长条状。5.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，所述欧姆电极呈矩形状。6.根据权利要求1所述的太赫兹调制器，其特征在于，每列相邻的两个欧姆电极之间的间距为1μm～4μm。7.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦华，黄永丹，余耀，李欣幸，张志鹏，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32