[发明专利]一种基于渐变开口的宽带太赫兹调制器

说明书

一种基于渐变开口的宽带太赫兹调制器，属于电磁功能器件技术领域。包括半导体衬底，位于半导体衬底上的外延层，以及位于外延层之上的调制单元阵列、正电压加载电极和负电压加载电极；其中，每个调制单元包括断开的“工”字形结构和半导体掺杂异质结构，半导体掺杂异质结构位于断开的“工”字形结构的开口下方；相邻的调制单元中，断开的“工”字形结构的开口位置均不相同，在同一行中，开口位置呈线性分布，即具有一定的斜率，且相邻两行的开口位置的倾斜斜率相反。本发明宽带太赫兹调制器，相邻调制单元中的开口位置不相同，使得相邻谐振金属杆长度不同，在HEMT断开状态下存在多个谐振模式，增大了调制带宽，调制带宽可达到100GHz。

技术领域

本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种基于渐变开口的宽带太赫兹调制器。

背景技术

随着太赫兹技术的迅猛发展，各类太赫兹功能器件的性能也日益提升。其中，太赫兹调制器作为太赫兹无线通信系统和太赫兹成像系统中的核心部件，具有重要的研究价值。大量研究表明，通过半导体、VO₂、石墨烯等与超材料结合，并在温度、光照、电场等外界刺激下，可实现对太赫兹波的有效调控。将超材料与半导体相结合，得到的复合型太赫兹动态器件能够实现在特定频点或频域范围内，对太赫兹波振幅和相位的动态控制，兼具了超材料与半导体的特点。其中，超材料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结构，可通过设计的谐振单元，控制其对外加电磁场的响应特性以及电磁特性。

高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种利用具有高电子迁移率的二维电子气(2DEG)工作的场效应晶体管。HEMT中2DEG的载流子迁移率可达2500cm/(V·s)以上，而载流子浓度在10¹³/cm²以上，HEMT的工作电压通常为几伏，这为THz调制器的研究提供了基础。采用基于2DEG的太赫兹调制器将HEMT设置到各结构单元中，形成动态调制区域，调制器芯片中有成千上万个晶体管周期阵列和人工微结构阵列。通过这种巧妙的组合，人造微结构阵列既充当频率选择表面，又充当晶体管控制电路，从而降低了结构的复杂性，大大降低了插入损耗。

目前，利用HEMT与超材料相结合的太赫兹调制器中，有效的调制带宽相对较窄。因此，增强太赫兹调制器的调制带宽成为一个重要的研究方向。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种基于渐变开口的、在宽频带内动态可调的太赫兹调制器，有效增大了太赫兹调制器的调制带宽。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于渐变开口的宽带太赫兹调制器，包括半导体衬底1，位于半导体衬底上的外延层2，以及位于外延层之上的调制单元阵列、正电压加载电极和负电压加载电极；所述调制单元阵列中的每个调制单元包括断开的“工”字形结构、金属电极和半导体掺杂异质结构，所述金属电极位于断开的“工”字形结构的开口一端的下方，所述半导体掺杂异质结构位于断开的“工”字形结构的开口下方，且半导体掺杂异质结构通过金属电极与“工”字形结构的开口一端欧姆接触，半导体掺杂异质结构与“工”字形结构开口的另一端肖特基接触；其中，相邻的调制单元中，断开的“工”字形结构的开口位置均不相同，在同一行中，开口位置呈线性分布，即具有一定的斜率，且相邻两行的开口位置的倾斜斜率相反；同一行断开的“工”字形结构的横向枝节依次连通，并通过馈电线分别连接正电压加载电极和负电压加载电极。

进一步地，所述半导体掺杂异质结构为高电子迁移率晶体管(HEMT)，通过电控制该区域的通断。

进一步地，所述断开的“工”字形结构以及馈电线的材料为Au、Ag、Cu或Al等。

进一步地，所述金属电极的材料为Ti、Al、Ni或Au等。

进一步地，所述半导体衬底为蓝宝石、高阻硅或碳化硅等。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：