[发明专利]一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器

说明书

本发明提供了一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，属于太赫兹技术领域，调制器的结构包括超材料层、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，结构单元通过金走线与一个金属电极进行电连接，衬底层为具有负微分电阻效应的Ⅲ‑Ⅴ族半导体，金属板作为另一个金属电极；通过在两个电极上施加高偏置电压，在半导体衬底内部产生强纵向电场，引起半导体材料的负微分电阻效应，改变半导体衬底的材料性质，从而调制此器件的谐振频率和谐振强度，形成了一种电压可调的主动太赫兹超材料器件，为实现主动超材料太赫兹器件提供了一种全新的思路。

技术领域

本发明涉及一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，属于太赫兹器件制造的技术领域。

背景技术

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。

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。

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Ⅲ-Ⅴ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。

发明内容

技术问题：本发明提供一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器，通过对Ⅲ-Ⅴ族半导体衬底施加高偏置纵向电压(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。

技术方案：本发明所提出的超材料太赫兹调制器，首次利用Ⅲ-Ⅴ族半导体的负微分电阻效应来调制器件的吸收特性，为实现主动超材料太赫兹器件提供了一种全新的思路。

本发明的一种基于负微分电阻效应的超材料太赫兹调制器为：该太赫兹调制器包括超材料层、衬底层、金属板和金属电极；在衬底层的下面为第一高掺杂半导体层，在第一高掺杂半导体层的下面为金属板，在衬底层的上面为第二高掺杂半导体层，在第二高掺杂半导体层的上面为金属电极和超材料层包括结构单元、金属走线。

所述超材料层包括周期性排列的结构单元，各个结构单元通过金属走线纵向连接以及通过金属走线与金属电极相连进行电连接。

所述的结构单元为方形结构、开口谐振环或环形结构中的一种。

所述衬底层为Ⅲ-Ⅴ族半导体，为具有负微分电阻效应的半导体材料。

所述金属板做为衬底层下面的一个电极。

所述超材料层、金属板和金属电极的材料为金、银、铜或铝中的一种。

所述的金属电极和结构单元与衬底层之间设有第二高掺杂半导体层，金属板与衬底层之间设有第一高掺杂半导体层，以使电极、超材料层、金属板与衬底层形成欧姆接触。

所述具有负微分电阻效应的半导体材料为砷化镓、氮化镓或磷化铟中的一种。