[发明专利]一种基于HEMT的环形开口太赫兹幅度调制器和制作方法

说明书

本发明公开了一种基于HEMT的环形开口太赫兹幅度调制器及其制作方法，包括：半导体衬底、位于半导体衬底表面的外延层，外延层上设置有调制阵列、肖特基电极和欧姆电极；所述调制阵列由M×N个调制阵元周期排列组成，调制阵元由4个开口圆环形的结构单元构成，结构单元开口处匹配一个高电子迁移率晶体管，高电子迁移率晶体管的栅极通过栅极馈线与肖特基电极连接后连接电源负极，高电子迁移率晶体管的源极和漏极分别连接结构单元开口的两侧，结构单元通过源漏馈线与欧姆电极连接后连接电源正极。通过外加偏置电压控制高电子迁移率晶体管来进行超表面谐振模式的转换，实现对自由空间传播的太赫兹波的快速调幅，结构单元不同模式相互转换以达到多个频点的调制。

技术领域

本发明涉及太赫兹波幅度调制技术领域，具体涉及一种应用于6G通信系统的基于HEMT的环形开口太赫兹幅度调制器和制作方法。

背景技术

随着空间高速网络需求的不断提高，现有的频谱资源难以满足社会的需求，因此需要开拓新的频谱资源。太赫兹频段(0.1-10THz)的频谱资源及其丰富，相比于微波通信，太赫兹通信具有带宽宽，载波频率高的特点，为满足社会需求提供了可能性。目前太赫兹通信系统正朝着高速率、远距离的方向发展，但是由于缺乏高性能的关键器件使之发展受阻。太赫兹调制器就是其中最为关键器件之一，是近年来太赫兹科学与技术研究领域的重点。自2004年开始，陆续有关于太赫兹外部调制器的文章在众多国际自然科学顶级期刊发表，其内容包括基于掺杂半导体基底、相变材料和石墨烯等与超表面相结合，利用外加温度、光照和电场等激励方式来实现对自由空间传播的太赫兹波的调控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前太赫兹调制器受器件结构和材料的影响，具有较高的寄生效应，导致调制器的调制深度和调制速率的较低，且不易于集成。

本发明提供一种具有高谐振强度的开口环形超表面结构，将具有高速动态特性的HEMT(高电子迁移率晶体管)设计在超表面结构的开口处，通过外加电压的方式调节HEMT沟道中的二维电子气浓度，改变超表面结构的谐振模式，进而达到对太赫兹波的调控，使得该调制器能够对自由空间中传播的太赫兹波快速、高效的进行幅度调制，调制深度可达90％以上。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于HEMT的环形开口太赫兹幅度调制器，包括：半导体衬底、位于半导体衬底表面的外延层，外延层上设置有调制阵列、肖特基电极和欧姆电极；

所述调制阵列由M×N个调制阵元周期排列组成，其中M为调制阵元纵向排列周期数，N为调制阵元横向排列周期数；

每个调制阵元由4个开口圆环形的结构单元构成，每个结构单元开口处匹配一个高电子迁移率晶体管,即HEMT；所述高电子迁移率晶体管的栅极通过栅极馈线与肖特基电极连接，高电子迁移率晶体管的源极和漏极分别连接结构单元开口的两侧，结构单元通过源漏馈线与欧姆电极连接；肖特基电极连接电源负极，欧姆电极连接电源正极。

进一步优化方案为，调制阵元中的4个结构单元呈正方形排列，相邻两结构单元的圆心距为：115μm～125μm；

结构单元的外半径为：45μm～55μm，结构单元环宽为：10μm～25μm，结构单元厚度为：0.2μm～1μm；

在结构单元距离调制阵元中心最近的位置设置开口，开口宽为：2μm～6μm；每个调制阵元中开口位置呈中心对称。

进一步优化方案为，所述栅极馈线包括：第一栅极馈线和第二栅极馈线，调制阵元中的所有结构单元的栅极通过第一栅极馈线连接；每行调制阵元共用一条第二栅极馈线，各行第二栅极馈线连接至同一肖特基电极连接。

进一步优化方案为，调制阵元中的第一栅极馈线呈斜十字状排布，第二栅极馈线连接在斜十字的交叉点。