一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件制造技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件


[0001]本专利技术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。本专利技术所提出的超材料太赫兹器件，利用
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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。

技术实现思路

[0005]技术问题：本专利技术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
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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。
[0006]技术方案：本专利技术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
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]所述衬底层为具有负微分电阻效应的半导体材料。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]所述衬底层、第一高掺杂半导体层、第二高掺杂半导体层的材料为砷化镓、氮化镓、磷化铟中的一种，通过第一电极、第二电极在衬底层上施加高偏置电压，此时第一电极、第二电极与衬底层形成耿氏二极管，在衬底层中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。
[0015]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。
[0016]有益效果：本专利技术所提出的基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，利用
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族半导体的负微分电阻效应来改变器件的吸收特性，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，利用电压来进行调控更加容易实现，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
[0017]图1为本专利技术所述基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件结构的三维示意图(顶部)；
[0018]图2为本专利技术所述基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件结构的三维示意图(底部)；
[0019]图3为本专利技术所述基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件的顶部二维示意图；
[0020]图4为本专利技术所述基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件的底部二维示意图；
[0021]图5为理想模式下加(不加)电压时器件的吸收特性曲线。
[0022]图中有：结构单元1、衬底层2、第一电极3、第一高掺杂半导体层4、第二电极5、第二高掺杂半导体层6、金属板7。
具体实施方式
[0023]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。
[0024]实施例1：
[0025]如图1所示，本专利技术所述的基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件由超材料层、衬底层、金属板和金属电极组成。如图3所示，超材料层由周期性排列的结构单元组成。衬底层为具有负微分电阻效应的半导体材料。如图2和图4所示，金属板制作在半导体衬底的下表面。两个金属电极制作在半导体衬底的上表面。如图1条纹图案区域所示，在两个电极对
应的图形下面有一层高掺杂半导体层，以使两个电极与衬底层形成欧姆接触。
[0026]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。
[0027]超材料层、金属板和金属电极的材料可以采用金、银、铜、铝等，本实施例中优选为金。
[0028]本实施例中，优选超材料结构单元周期为50um，边长为36um，厚度为150nm，优选衬底层厚度为8um，衬底掺杂浓度为1
×
10
16
cm
‑3，优选金属板厚度为2um。
[0029]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；此时两个电极和砷化镓衬底形成一个耿氏二极管；基于负微分电阻效应的耿氏二极管具有五种工作模式：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、猝灭偶极层模式，本实施例中，假设半导体内部没有任何的缺陷和不均匀，此时会产生理想模式；在理想模式下，高电场是均匀地分布在整个半导体当中，因此可以认本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，其特征在于，该器件由超材料层(1)、衬底层(2)、第一电极(3)、第一高掺杂半导体层(4)、第二电极(5)、第二高掺杂半导体层(6)、金属板(7)组成；在衬底层(2)的上面设有超材料层(1)，在衬底层(2)的对称两侧面分别设有第一高掺杂半导体层(4)、第二高掺杂半导体层(6)，在第一高掺杂半导体层(4)上设有第一电极(3)，在第二高掺杂半导体层(6)上设有第二电极(5)，其中超材料层(1)、第一电极(3)、第二电极(5)在同一平面上，在衬底层(2)的下面设有金属板(7)。2.根据权利要求1所述的基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，其特征在于，所述结构单元(1)在衬底层(2)上为周期性排列，第一电极(3)、第二电极(5)分别位于结构单元(1)的两旁。3.根据权利要求2所述的基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，其特征在于，所述超材料层的结构单元(1)为方形、开口谐振环或圆环形中的一种。4.根据权利要求1所述的基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，其特征在于，所述衬底层(2)为具有负微分电阻效应的半导体材料。5.根据权利要求1所述的基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，其特征在于，所述金属板(7)制作在半导体衬底的...

【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：