[發明專利]一種極化不敏感的太赫茲調制器及其制備方法

在審

• 申請號: 202110350364.2
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN112987345A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 馬勇;楊力豪;楊龍亮;潘武;何金橙;劉藝
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G02F1/015
• 分類號: G02F1/015;G02F1/01
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 林菲菲

本發明公開了一種極化不敏感的太赫茲調制器及其制備方法，每個調制單元包括兩個開口的弓形超材料結構、高電子遷移率晶體管、十字形結構連通的第一柵極饋線和第二柵極饋線和源漏饋線，兩個弓形超材料結構關于第一柵極饋線對稱，弓形超材料結構的開口處匹配高電子遷移率晶體管，高電子遷移率晶體管的源極和漏極分別連接弓形超材料結構開口的兩側，高電子遷移率晶體管通過第二柵極饋線與肖特基電極連接，弓形超材料結構通過源漏饋線與歐姆電極連接，采用弓形超材料結構開口，通過外加激勵可控制HEMT中的二維電子氣的濃度，可控制太赫茲波的通斷，器件對極化方向x和y的太赫茲波不敏感，在220GHz處的調制器的調制深度均為93％。

技術領域

本發明涉及抑制調制器，具體涉及一種極化不敏感的太赫茲調制器及其制備方法，用于太赫茲通信、成像和探測等領域。

背景技術

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1～10THz(波長為0.03mm～3mm)范圍內的電磁波，它的高頻部分與紅外波相重合，低頻部分與微波相重合，是宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，也是電子學向光子學的過渡區，稱為電磁波譜的“太赫茲空隙”。目前太赫茲的應用領域正在不斷的擴大，從最初僅用于天文學研究，逐漸擴展到了人們生活的方方面面。例如：太赫茲通信、生物和醫學領域、全球環境檢測、無損探傷、安檢、太赫茲成像和太赫茲雷達等。太赫茲調制器可以將通信信息加載到太赫茲波上的器件。根據調制方式，可將太赫茲調制器分為內調制器和外調制器兩種。內調制是指在太赫茲源內部通過載波混頻或控制直流偏壓實現信號的調制，外調制是指太赫茲波從源端發射之后，在空間傳輸過程中對太赫茲波信號進行調制加密。外調制方式的通信方案的核心關鍵技術為高速調制器，需要其對太赫茲波具有高通斷速率，超材料(Mtamaterial)和高電子遷移率晶體管(High ElectronMobility Transistor,HEMT)在空間信息網絡方面具有重要應用前景。

超材料是一種人工設計的亞波長周期結構，該結構可以得到自然界不存在的電磁特性。通過個人設置單元器件結構，在特定頻率處獲得特定的等效介電常數和等效磁導率。HEMT屬于異質結場效應晶體管，主要依靠具有高遷移率特性的二維電子氣(2DEG)來工作，所以HEMT能夠工作于超高頻、超高速領域。早期的GaN HEMT器件大多為耗盡型器件，即必須在柵極加一個負電壓時才能將器件關斷，可利用這一原理將超材料結構和HEMT相結合實現對太赫茲波通斷。2011年，波士頓大學的Willie J.Padilla團隊首次將砷化鎵高電子遷移率晶體管(GaAsHEMT)和超材料的組合，制備了太赫茲電控調制器。通過對金屬柵極施加偏置電壓改變lnGaAs/GaAs HEMT中的二維電子氣(2DEG)濃度，可以達到控制太赫茲波通斷的效果。在3V左右的電壓下，該調制器實現了33％的調制深度，調制速度僅有10MHz。2017年，Zhen Zhou等人提出了一款四開口諧振環與HEMT相結合的太赫茲調制器，在-4V的柵極電壓下，調制深度可達到80％，調制速率達到2.7MHz。這兩款調制器調制深度和調制速率低且對入射太赫茲波的極化方向敏感。

發明內容

本發明的目的在于提供一種極化不敏感的太赫茲調制器及其制備方法，提高調制器調制深度和調制速率且使調制器對入射太赫茲波的極化方向不敏感。

本發明通過下述技術方案實現：

一種極化不敏感的太赫茲調制器，包括半導體襯底、位于半導體襯底上的外延層、位于外延層上的調制陣列，

所述調制陣列由若干調制單元周期排列組成，每個調制單元整體為矩形，每個調制單元包括兩個中間弧面開口的弓形超材料結構、高電子遷移率晶體管、第一柵極饋線、第二柵極饋線和源漏饋線，第一柵極饋線和第二柵極饋線交叉連通形成十字形結構與肖特基電極連接，兩個弓形超材料結構關于所述第一柵極饋線對稱，每個弓形超材料結構的開口處匹配一個高電子遷移率晶體管，高電子遷移率晶體管的源極和漏極分別連接弓形超材料結構開口的兩側，兩個弓形超材料結構中的高電子遷移率晶體管通過第二柵極饋線與肖特基電極連接，弓形超材料結構通過源漏饋線與歐姆電極連接。