[发明专利]一种基于GaN半导体材料异质结场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器

说明书

技术领域

本发明涉及电磁功能器件技术领域，特别是涉及一种基于GaN半导体材料异质结 场效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器。

背景技术

太赫兹波（terahertzwave）是指频率为0.1~10THz、波长为30μm~3mm范围内的电 磁波。长期以来，由于缺少稳定高效的太赫兹辐射源和有效的太赫兹检测手段，因而太赫兹 波长久以来并没有得到足够的重视和充分的开发，太赫兹间隙“THz-gap”由此得名。

目前限制太赫兹技术发展和应用的主要问题还是在于缺乏性能稳定优良的太赫 兹波辐射源和太赫兹功能器件，如滤波、调制等等。因此探索并研制出具有高功率、高效率、 高稳定性、最好宽带动态可调谐，能室温运转并能与已十分成熟的半导体集成工艺相融合 的太赫兹辐射源及功能器件是当今各国科研工作者面临的急需要解决的实际问题。

作为太赫兹通信系统中最为关键的核心技术之一，太赫兹波动态功能器件—太赫 兹外部调制器如今成为太赫兹科学技术研究领域的重点。从2004年开始，通过多种半导体 材料（掺杂硅基等）与超颖材料（Matamaterials）相结合，通过外加激光、温度、电场等方式 实现太赫兹波的调制。

相比于硅基太赫兹波调制器件，异质结（GaN/AlGaN)半导体场效应晶体管展现出 了卓越的性能。在异质结的缓冲层界面处会形成二维电子气（2-DEG），作为器件的导电沟 道，其载流子为电子，并且其所处的缓冲层是没有掺杂的本征GaN，在其输运过程中不会受 到像硅基器件那样的电离杂质散射，因此会有更高的载流子迁移率。GaN材料同时具有宽禁 带高热导率，高击穿电场，低噪声，热稳定性好，适用于制作高速的微波器件。

超颖材料（Metamaterials）是指将具有特定几何形状的宏观基本单元谐振结构周 期性或非周期性地排列所构成的一种人工电磁周期阵列结构。可以通过人为的设计单元的 结构和尺寸，控制其对外加电磁场的响应特性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于第三代半导体材料的太赫 兹波空间外部调制器件的完整流片过程，借助外加电压的方法实现对太赫兹波的幅度和速 率的调制，获得高达3Mbps的调制速率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于GaN半导体材料异质结场 效应晶体管结构的太赫兹波空间外部调制器，包括衬底层、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、欧姆 金属层、隔离介质层、肖特基金属层和超颖材料层，隔离介质层设置于欧姆金属层、肖特基 金属层和超颖材料层之间；所述衬底层是外延的GaN缓冲层的衬底，所述GaN缓冲层和AlGaN 势垒层是在衬底上外延的异质结，在自发极化和压电极化的作用下在异质结界面处产生二 维电子气，作为器件的导电沟道；所述欧姆金属层是四层金属材料Ti/Al/Ni/Au，通过高温 快速退火与AlGaN势垒层形成合金后与导电沟道形成欧姆接触；所述隔离介质层是一层 SiN_x介质薄膜；所述肖特基金属层是两层金属材料Ni/Au，与AlGaN势垒层之间形成金属与 半导体之间的肖特基接触；所述的超颖材料层由金属薄膜于隔离介质层表面上、亚波长尺 度的金属人工结构单元周期性排列而成。

所述的衬底层采用蓝宝石。

所述的亚波长尺度的金属人工结构单元为各种开口环共振器SRR或金属线条Cut- wires。

本发明的有益效果是：

（1）本发明受到高电子迁移率晶体管结构的启迪，设计出了一种将晶体管结构同超颖 材料相结合的太赫兹波调制器件。

（2）相对于硅基太赫兹波调制器件中导电电子或空穴相比，本发明中的二维电子 气（2-DEG）具有更高的电子迁移率。

（3）本发明相比硅基太赫兹波调制器件，具有对太赫兹波更快的调制速率，可达 3Mbps。

（4）该调制器以超颖材料的人工单元为基本结构，引入GaN半导体异质结场效应晶 体管，通过改变GaN半导体异质结场效应晶体管的栅极电压来调控超颖材料的人工单元开 口的通断，从而实现对太赫兹波的高速有效调制。本发明能够有效提高传统半导体材料与 超颖材料相结合的太赫兹波空间外部调制器的调制速率，实现对太赫兹波的高速高效调 制。同时，本发明具有能够在室温下工作、可采用微纳加工技术制造、微型化、集成度高等优 势。

附图说明