一種基于高電子遷移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該發(fā)明屬于電磁功能器件技術(shù)領(lǐng)域，重點(diǎn)針對(duì)太赫茲波段的快速動(dòng)態(tài)功能器件。
【背景技術(shù)】
[0002]而作為太赫茲通信系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的核心技術(shù)之一，太赫茲波動(dòng)態(tài)功能器件一太赫茲外部調(diào)制器如今成為太赫茲科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。由于太赫茲波段功能器件要求的尺寸在微米甚至納米量級(jí)，這使得微波波段的通信器件無(wú)法直接應(yīng)用于太赫茲波段。從2004年開(kāi)始，在Nature/Science等國(guó)際自然科學(xué)頂級(jí)刊物陸續(xù)刊登了多篇太赫茲波外部調(diào)制器的文章，其內(nèi)容包括基于參雜硅基、砷化鎵基、相變材料基以及石墨烯等與人工電磁媒質(zhì)(Metamaterials)相結(jié)合，利用外加溫度、光照、電場(chǎng)等的激勵(lì)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲波的調(diào)制。
[0003]近年來(lái)隨著半導(dǎo)體材料及技術(shù)的發(fā)展，高電子迀移率晶體管(HighElectronMobility Transistor，HEMT)展現(xiàn)出了卓越的表現(xiàn)，并已成功運(yùn)用至探測(cè)器、放大器等領(lǐng)域，HEMT的出現(xiàn)為太赫茲快速響應(yīng)動(dòng)態(tài)器件提供了新的發(fā)展思路。高電子迀移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)是一種利用存在于調(diào)制參雜異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣(2-DEG)來(lái)進(jìn)行工作的新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。1978年R.Dingle首次在MBE(分子束外延)生長(zhǎng)的調(diào)制摻雜GaAs/AlGaAs超晶格中觀察到了高電子迀移率。1980年日本富士通公司的三村研制出了 HEMT，并成功應(yīng)用于微波低噪聲放大。第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN不僅具有寬的帯隙，而且還具有熱導(dǎo)率大、電子飽和速率高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)大及熱穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。因此在制備高速功能器件中，基于GaN材料的HEMT具有很大的優(yōu)勢(shì)。
[0004]人工電磁媒質(zhì)(Metamaterials)是指將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元諧振結(jié)構(gòu)周期性或非周期性地排列所構(gòu)成的一種人工電磁周期陣列結(jié)構(gòu)，可通過(guò)人為地設(shè)計(jì)諧振單元，控制其對(duì)外加電磁場(chǎng)的響應(yīng)特性以及電磁特性。隨著近代微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，人工電磁媒質(zhì)在推動(dòng)無(wú)源功能器件的發(fā)展中起到了巨大的推動(dòng)作用，在微波毫米波段、太赫茲波段以及光波段都研制出多種相關(guān)功能器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種通過(guò)外加電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間太赫茲波快速動(dòng)態(tài)相位調(diào)控的調(diào)制器，可有效的對(duì)所設(shè)計(jì)頻率點(diǎn)的太赫茲波進(jìn)行快速相位調(diào)制且相位調(diào)制深度在較大帶寬內(nèi)達(dá)到90度以上。
[0006]本發(fā)明解決所述問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)含有多種諧振模式的Metamaterials結(jié)構(gòu)，將HEMT與Metamaterials巧妙而有效的相結(jié)合，利用HEMT的高速動(dòng)態(tài)特性與Metamaterials對(duì)電磁波的精確控制能力，通過(guò)HEMT中二維電子氣的高電子迀移率特性快速的控制人工電磁媒質(zhì)的諧振模式轉(zhuǎn)換，使該HEMT太赫茲波相位調(diào)制器在較寬的頻帶上達(dá)到90度以上的相位調(diào)制深度。
[0007]因而本發(fā)明一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器，該調(diào)制器包括:半導(dǎo)體襯底，位于半導(dǎo)體襯底上的外延層，位于外延層上的調(diào)制單元陣列、正電極、負(fù)電極;所述調(diào)制單元陣列中的每個(gè)調(diào)制單元包括:源級(jí)諧振器、漏極諧振器、柵極連接線(xiàn)、半導(dǎo)體摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu);其中漏極諧振器與源極諧振器結(jié)構(gòu)完全相同，包括:金屬半圓環(huán)、“T”形金屬饋線(xiàn)，其中“T”形金屬饋線(xiàn)由橫向枝節(jié)和縱向枝節(jié)組成，所述“T”形金屬饋線(xiàn)的縱向枝節(jié)從金屬半圓環(huán)頂部由外向內(nèi)貫穿半圓環(huán);漏極諧振器與源極諧振器半圓環(huán)開(kāi)口相對(duì)并對(duì)稱(chēng)設(shè)置于柵極連接線(xiàn)的兩側(cè)，在漏極諧振器與源級(jí)諧振器半圓環(huán)末端的下部設(shè)置有半導(dǎo)體摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，用以連接漏極諧振器與源極諧振器，該半導(dǎo)體摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)同時(shí)位于柵極連接線(xiàn)的下部;所述調(diào)制單元陣列中每行陣元共用同一根柵極連接線(xiàn)，各行的柵極連接線(xiàn)連接同一負(fù)電極;所述每行調(diào)制單元中漏極諧振器的“T”形金屬饋線(xiàn)橫向枝節(jié)依次連通，并連接正電極;所述每行調(diào)制單元中源極諧振器的“T”形金屬饋線(xiàn)橫向枝節(jié)依次連通，并連接正電極。
[0008]進(jìn)一步的，所述漏極諧振器和源極諧振器的末端通過(guò)一金屬電極與半導(dǎo)體摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)連接。
[0009]進(jìn)一步的，所述漏極諧振器和源極諧振器中半圓環(huán)的末端設(shè)置一向圓心延伸的短枝節(jié)。
[0010]進(jìn)一步的，所述柵極連接線(xiàn)位于半導(dǎo)體摻雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的部分窄于其它部分。
[0011 ] 其中所述半導(dǎo)體慘雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料為AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP，斜線(xiàn)表示兩種材料的結(jié)合。
[0012]其中所述半導(dǎo)體襯底選材為藍(lán)寶石、高阻硅或碳化硅。
[0013]其中所述金屬電極材料為T(mén)1、Al、N1、Au。
[0014]其中所述漏極諧振器、源極諧振器、金屬饋線(xiàn)的材料為Au、Ag、Cu、Al。
[0015]本發(fā)明的有益效果是，(I)、該HEMT太赫茲相位調(diào)制器采用雙晶體管設(shè)計(jì)，即每個(gè)調(diào)制單元中含有兩個(gè)高電子迀移率晶體管，這大大提高了 HEMT對(duì)人工電磁諧振結(jié)構(gòu)的控制能力，增強(qiáng)了諧振結(jié)構(gòu)的諧振強(qiáng)度，為獲得大的相位調(diào)制深度奠定了基礎(chǔ)。(2)、該HEMT調(diào)相器的調(diào)相機(jī)理是利用HEMT中二維電子氣的高電子迀移率特性快速的控制人工電磁媒質(zhì)的諧振模式轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間太赫茲波的快速調(diào)相。通過(guò)對(duì)諧振結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)并使其與晶體管有機(jī)結(jié)合在一起，使得諧振結(jié)構(gòu)在HEMT通斷狀態(tài)下存在多種不同的諧振模式且使不同模式間相互耦合，由此顯著提高了調(diào)制深度，增大了調(diào)制帶寬。(3)、該結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可塑性:在保持調(diào)制單元結(jié)構(gòu)整體不變的前提下，通過(guò)改變諧振單元的參數(shù)(例如金屬圓環(huán)半徑)可以有效地調(diào)節(jié)調(diào)制帶寬的大小及調(diào)制頻帶的位置，根據(jù)不同的實(shí)際需求，該調(diào)相器達(dá)到90度以上調(diào)制深度的帶寬可增大到0.2THz以上。(4)、本發(fā)明中利用Metamaterials設(shè)計(jì)形成的調(diào)制單元陣列是一種二維平面結(jié)構(gòu)，可通過(guò)微細(xì)加工手段實(shí)現(xiàn)，工藝成熟、易于制作，避免了復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案帶來(lái)的高難度加工。(5)、本發(fā)明設(shè)計(jì)的是透射式的太赫茲波調(diào)相器，相比于反射式的調(diào)相器，該器件操作更簡(jiǎn)單，使用更方便，尤其是在太赫茲點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中更能有效的發(fā)揮作用。(6)、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的相位調(diào)制器在很大的帶寬內(nèi)可以達(dá)到90度到140度左右的調(diào)制深度，在擁有大的調(diào)制帶寬以及調(diào)制深度的同時(shí)，該器件可工作于常溫、常壓、非真空條件下且無(wú)需波導(dǎo)加載，易于封裝，這些使得該相位調(diào)制器有著良好的實(shí)際應(yīng)用前景?！靖綀D說(shuō)明】:
[0016]圖1為HEMT相位調(diào)制器的整體設(shè)計(jì)方案示意圖。
[0017]圖2為HEMT相位調(diào)制器調(diào)制單元立體示意圖。
[0018]圖3為諧振單元局部示意圖。
[0019]圖4為加電壓狀態(tài)下諧振單元的電場(chǎng)與表面電流分布模式圖。
[0020]圖5為未加電壓狀態(tài)下諧振單元的電場(chǎng)與表面電流分布模式圖。
[0021]圖6為HEMT相位調(diào)制器在不同電壓下透射曲線(xiàn)仿真圖。
[0022]圖7為HEMT相位調(diào)制器在不同電壓下相位變化仿真圖。
[0023]圖8為實(shí)驗(yàn)所測(cè)的不同型號(hào)的HEMT相位調(diào)制器在晶體管通斷變化時(shí)的相位圖。
[0024]圖中:1.半導(dǎo)體襯底，2.外延層，3.正電壓加載極，4.負(fù)電壓加載極，5.調(diào)制陣列，
6.漏極諧振器，6-1.漏極諧振器末端，7.柵極連接線(xiàn)，8.源極諧振器，8-1.源級(jí)諧振器末端，
9.金屬電極，10摻雜異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明將HEMT與Metamaterials巧妙而有效的結(jié)合為一種三極管結(jié)構(gòu)，利用HEMT的高速動(dòng)態(tài)特性與Metamaterials對(duì)電磁波的精確控制能力，通過(guò)HEMT中二維電子氣的高電子迀移率特性快速的控制人工電磁媒質(zhì)的諧振模式轉(zhuǎn)換，使該HEMT太赫茲波相位調(diào)制器在較寬的頻帶上達(dá)到90度以上的相位調(diào)制深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間中太赫茲波的快速、高效相位調(diào)制。通過(guò)仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說(shuō)明了這是一種具有大相位調(diào)制深度和寬調(diào)制帶寬，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工的HEMT太赫茲快速調(diào)相器件。
[0026]本發(fā)明包括半導(dǎo)體襯底(1)、外延層(2)、調(diào)制單元陣列(5)，正電壓加載電極(3)和負(fù)電壓加載電