一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，属于太赫兹技术领域，调制器的结构包括超材料层、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，结构单元通过金走线与一个金属电极进行电连接，衬底层为具有负微分电阻效应的

【技术实现步骤摘要】
一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器


[0001]本专利技术涉及一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，属于太赫兹器件制造的


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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
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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。

技术实现思路

[0005]技术问题：本专利技术提供一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，通过对
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族半导体衬底施加高偏置纵向电压(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。
[0006]技术方案：本专利技术所提出的超材料太赫兹调制器，首次利用
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族半导体的负微分电阻效应来调制器件的吸收特性，为实现主动超材料太赫兹器件提供了一种全新的思路。
[0007]本专利技术的一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器为：该太赫兹调制器包括超材料层、衬底层、金属板和金属电极；在衬底层的下面为第一高掺杂半导体层，在第一高掺杂半导体层的下面为金属板，在衬底层的上面为第二高掺杂半导体层，在第二高掺杂半导体层的上面为金属电极和超材料层包括结构单元、金属走线。
[0008]所述超材料层包括周期性排列的结构单元，各个结构单元通过金属走线纵向连接以及通过金属走线与金属电极相连进行电连接。
[0009]所述的结构单元为方形结构、开口谐振环或环形结构中的一种。
[0010]所述衬底层为
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族半导体，为具有负微分电阻效应的半导体材料。
[0011]所述金属板做为衬底层下面的一个电极。
[0012]所述超材料层、金属板和金属电极的材料为金、银、铜或铝中的一种。
[0013]所述的金属电极和结构单元与衬底层之间设有第二高掺杂半导体层，金属板与衬底层之间设有第一高掺杂半导体层，以使电极、超材料层、金属板与衬底层形成欧姆接触。
[0014]所述具有负微分电阻效应的半导体材料为砷化镓、氮化镓或磷化铟中的一种。
[0015]所述
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族半导体材料，利用
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族半导体的负微分电阻效应来调制器件的吸收特性，通过电极和金属板在衬底层上施加高偏置电压，此时电极、金属板、超材料结构单元与衬底层形成耿氏二极管，在半导体内部产生负微分电阻效应，由于电子转移机制，衬底层内载流子浓度、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。
[0016]所述耿式二极管的工作模式为理想模式、偶极畴渡越时间模式、电子积累畴模式、限制空间电荷积累模式或猝灭偶极层模式中的一种。
[0017]有益效果：本专利技术所提出的超材料太赫兹调制器，首次利用
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族半导体的负微分电阻效应来调制器件的吸收特性，为实现主动超材料太赫兹器件提供了一种全新的思路。此外，相比于利用光、热、磁等方法进行动态调控，利用电压来进行调制更加容易实现，不需要复杂的设备及实验条件便可完成，使用更加方便。
附图说明
[0018]图1为本专利技术所述基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器结构的三维示意图；
[0019]图2为本专利技术所述基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器结构的顶部二维示意图；
[0020]图3为本专利技术所述基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器结构的底部二维示意图；
[0021]图4为本专利技术所述基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器结构的高掺杂砷化镓层示意图；
[0022]图5为理想模式下不同电压下器件的吸收特性曲线；
[0023]图6为电子积累畴模式下振荡电流波形图；
[0024]图7为电子积累畴模式下器件的吸收特性曲线。
[0025]图中有：金属电极1、结构单元2、金属走线3、衬底层4、金属板5、第一高掺杂半导体层6、第二高掺杂半导体层7。
具体实施方式
[0026]下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。
[0027]实施例1：
[0028]如图1所示，本专利技术所述的基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器由超材料层、衬底层、金属板和金属电极组成。如图2所示，超材料层由周期性排列的结构单元组成，
各个结构单元通过金属走线与金属电极1相连进行电连接。衬底层为具有负微分电阻效应的半导体材料。如图3所示，金属板形成另一个金属电极。如图4格形图案区域所示，在电极1、金属板5和超材料对应的图形上有一层高掺杂半导体层，以使电极1、金属板5、超材料与衬底层形成欧姆接触。
[0029]超材料层的结构单元可以采用方形结构、开口谐振环、环形结构等，本实施例中优选为方形结构。
[0030]超材料层和金属板的材料可以采用金、银、铜、铝，本实施例中优选为金。
[0031]本实施例中，优选超材料结构单元周期为50um，边长为32um，厚度为150nm，优选衬底层厚度为8um，优选衬底层掺杂浓度为1
×
10
16
cm
‑3，优选金属板厚度为2um。
[0032]调谐半导体衬底的材料性质是一种动态控制超材料电磁响应的手段；本实施例中衬底层采用
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族半导体，基于负微分电阻效应来调制半导体的材料性质，半导体材料为砷化镓、氮化镓、磷化铟中的一种，本实施例中优选砷化镓；通过两个电极在砷化镓衬底上施加高偏置电压，金属电极1作为阳极金属板5作为阴极；此时金属电极1、超材料、金属板5和砷化镓衬底形成一个耿氏二极管；基于负本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，其特征在于，该太赫兹调制器包括超材料层、衬底层、金属板和金属电极；在衬底层(4)的下面为第一高掺杂半导体层(6)，在第一高掺杂半导体层(6)的下面为金属板(5)，在衬底层(4)的上面为第二高掺杂半导体层(7)，在第二高掺杂半导体层(7)的上面为金属电极(1)和超材料层包括结构单元(2)、金属走线(3)。2.根据权利要求1所述的基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，其特征在于，所述超材料层包括周期性排列的结构单元(2)，各个结构单元(2)通过金属走线(3)纵向连接以及通过金属走线(3)与金属电极(1)相连进行电连接。3.根据权利要求2所述的基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，其特征在于，所述的结构单元(2)为方形结构、开口谐振环或环形结构中的一种。4.根据权利要求1所述的基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，其特征在于，所述衬底层(4)为
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族半导体，为具有负微分电阻效应的半导体材料。5.根据权利要求1所述的基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，其特征在于，所述金属板(5)做为衬底层(4)下面的一个电极。6.根据权利要求1所述的基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，其特征在于，所述超材料层、金属板(5)和金属电极(1)的材料为金、...

【专利技术属性】
技术研发人员：于虹，陈颖，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：