極(4)。外延層(2)設置于半導體襯底(I)上，調(diào)制單元陣列(5)、正電壓加載電極(3)和負電壓加載電極(4)設置在外延層(2)上;所述調(diào)制單元組為多個調(diào)制單元構成的M*N的陣列，其中M>3，N>3;所述調(diào)制單元包括高電子迀移率晶體管和人工金屬電磁諧振結(jié)構，各晶體管柵極連接到負電壓加載電極(5)，源極和漏極連接到正電壓加載電極(3)。所述正電壓加載電極(3)包括與各晶體管的源極連接的源極連接端，以及與各晶體管漏極連接的漏極連接端。并且源極連接端和漏極連接端也可接到兩個不同電壓的正電極上以此實現(xiàn)源、漏極間的電壓控制。
[0027]每個調(diào)制單元包含兩個左右對稱且完全相同的晶體管，每個晶體管均由源極、柵極、漏極與調(diào)制摻雜異質(zhì)材料結(jié)合構成，且位于諧振結(jié)構圓環(huán)部分開口縫隙處。
[0028]人工金屬電磁諧振單元結(jié)構由源極諧振器、漏極諧振器以及柵極連接線構成，每個諧振單元中包含一個金屬圓環(huán)，位于圓環(huán)中間的左右兩處開口縫隙將其分為上半圓環(huán)與下半圓環(huán)，每個圓環(huán)縫隙處各有上下兩根金屬橫條與圓環(huán)內(nèi)側(cè)相接并套刻在晶體管的源極、漏極之上。上下兩根金屬豎條與金屬圓環(huán)外側(cè)相連并延伸至圓環(huán)內(nèi)部。長金屬橫條位于諧振單元上下側(cè)并與相鄰單元的金屬長條相連接。其中，源極電壓加載線、金屬豎條和上半圓環(huán)構成源極諧振器，漏極電壓加載線、金屬豎條和下半圓環(huán)構成漏極諧振器，柵極連接線位于單元結(jié)構中間并將單元內(nèi)兩個晶體管的柵極相連，柵極連接線分別連接左、右兩側(cè)單元的柵極連接線。
[0029]本發(fā)明的基于高電子迀移率晶體管空間太赫茲波相位調(diào)制器為人工電磁媒質(zhì)諧振結(jié)構與HEMT相結(jié)合而成的復合金屬一半導體結(jié)構，上述技術方案中，所述襯底基片可以選擇藍寶石、高阻娃、碳化娃等半導體材料;HE M T外延層要選擇可構成異質(zhì)結(jié)的半導體材料，例如AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs 等。一般采用 T1、Al、N1、Au 等構成金屬電極，采用Au、Ag、Cu、Al等金屬材料構成套接電路。上述列出的金屬材料也可采用其它特性相近的金屬代替。
[0030]該調(diào)相器的調(diào)相機制是通過外加電壓來控制HEMT中二維電子氣的濃度，二維電子氣的濃度的改變控制著調(diào)制單元中諧振模式的轉(zhuǎn)變，進而實現(xiàn)對空間中太赫茲波的動態(tài)相位調(diào)制。具體的調(diào)制過程為:調(diào)制器中與柵極相連的負電壓加載電極4加負電壓，與源漏相連的正電壓加載電極3加正電壓，當正負電壓差值為O時，HEMT處于導通狀態(tài)，源極諧振器與漏極諧振器通過二者之間的HEMT連通成為整體，從模式圖5可以看到，不加電壓時，LC諧振模式(模式①)與偶極諧振模式(模式②)共存且兩種模式耦合，電場主要分布在上下橫向長金屬桿的位置，如圖6所示，此時結(jié)構諧振頻率為0.28THz;當正負電壓差為4?1V時，位于源漏之間的HEMT中二維電子氣被耗盡，HEMT成為夾斷狀態(tài)，此時源極諧振器與漏極諧振器之間處于斷開的狀態(tài)，相互獨立工作，從模式上可以看到形成了上下部分各自獨立的類似偶極振蕩的模式③，電場主要集中在諧振單元的中心位置，如圖6所示，此時結(jié)構諧振頻率為0.39THz。圖中只給出了諧振單元左側(cè)的表面電流分布示意圖，由于諧振單元是一種左右對稱結(jié)構，其右側(cè)的電流分布情況與左側(cè)對稱。在外加電壓差值由零逐漸變大的過程中，HEMT中的二維電子氣濃度逐漸減小，直至耗盡，諧振單元的諧振模式由模式①、②耦合共存狀態(tài)向模式③獨立存在狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變，諧振峰峰值逐漸偏移，太赫茲波的相位差值也逐漸增大。圖6和圖7分別給出了該調(diào)相器在HEMT通、斷狀態(tài)下幅值與相位透射曲線的三維仿真結(jié)果。由圖7可知，在0.28到0.39THz的頻帶范圍內(nèi)該相位調(diào)制器可以達到90度以上的相位調(diào)制深度，且最大相位調(diào)制深度可達140度左右。需要指明的是，通過改變諧振單元的結(jié)構參數(shù)，可以調(diào)節(jié)相位調(diào)制的帶寬大小、頻帶范圍以及調(diào)制深度，用此方法可使90度以上調(diào)制深度的帶寬達到0.2THz以上。
[0031]上述高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器不僅通過三維電磁模擬軟件仿真得到了很好的仿真結(jié)果，還通過實驗證明了該器件的可行性。如圖8所示，實線表示HEMT處于未加壓導通狀態(tài)時的相位透射曲線，點劃線表示HEMT處于加壓斷開時的相位透射曲線，虛線表示相位調(diào)制深度。由圖8可知，不同型號的調(diào)相器擁有不同的調(diào)制帶寬，但調(diào)制深度均可達到90度以上，因此可以根據(jù)不同的實際需求，通過改變該調(diào)相器的參數(shù)(例如金屬圓環(huán)半徑)來加工制作不同型號的HEMT相位調(diào)制器。
[0032]綜上所述，基于HEMT的太赫茲空間相位調(diào)制器是一種極具實用性的工作于THz頻段的電控高速、大調(diào)制深度、寬帶寬相位調(diào)制器件。
[0033]盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一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:半導體襯底，位于半導體襯底上的外延層，位于外延層上的調(diào)制單元陣列、正電極、負電極;所述調(diào)制單元陣列中的每個調(diào)制單元包括:源級諧振器、漏極諧振器、柵極連接線、半導體摻雜異質(zhì)結(jié)構；其中漏極諧振器與源極諧振器結(jié)構完全相同，包括:金屬半圓環(huán)、“T”形金屬饋線，其中“T”形金屬饋線由橫向枝節(jié)和縱向枝節(jié)組成，所述“T”形金屬饋線的縱向枝節(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)開口相對并對稱設置于柵極連接線的兩側(cè)，在漏極諧振器與源級諧振器半圓環(huán)末端的下部設置有半導體摻雜異質(zhì)結(jié)構，用以連接漏極諧振器與源極諧振器，該半導體摻雜異質(zhì)結(jié)構同時位于柵極連接線的下部；所述調(diào)制單元陣列中每行陣元共用同一根柵極連接線，各行的柵極連接線連接同一負電極;所述每行調(diào)制單元中漏極諧振器的“T”形金屬饋線橫向枝節(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”形金屬饋線橫向枝節(jié)依次連通，并連接正電極。2.如權利要求1所述的一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器，其特征在于所述漏極諧振器和源極諧振器的末端通過一金屬電極與半導體摻雜異質(zhì)結(jié)構連接。3.如權利要求1或2所述的一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器，其特征在于所述漏極諧振器和源極諧振器中半圓環(huán)的末端設置一向圓心延伸的短枝節(jié)。4.如權利要求1所述的一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器，其特征在于所述柵極連接線位于半導體摻雜異質(zhì)結(jié)構上的部分窄于其它部分。5.如權利要求1所述的一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器，其特征在于所述半導體慘雜異質(zhì)結(jié)構的材料為AlGaN/GaN、InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs、AlGaAs/InGaAs或AlGaAs/InGaAs/InP，斜線表示兩種材料的結(jié)合。6.如權利要求1所述的一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器，其特征在于所述半導體襯底選材為藍寶石、高阻娃或碳化娃。7.如權利要求2所述的一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器，其特征在于所述金屬電極材料為T1、A1、N1、Au。8.如權利要求1所述的一種基于高電子迀移率晶體管太赫茲空間相位調(diào)制器，其特征在于所述漏極諧振器、源極諧振器、金屬饋線的材料為Au、Ag、Cu、Al。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于高電子遷移率晶體管太赫茲空間外部相位調(diào)制器。該器件將具有快速響應的高電子遷移率晶體管與新型人工電磁媒質(zhì)諧振結(jié)構相結(jié)合，使其具備對自由空間傳播的太赫茲波進行快速調(diào)相的能力。本調(diào)制器是由半導體材料襯底、HEMT外延層、周期人工金屬電磁諧振結(jié)構以及套接電路組成，通過加載的電壓信號控制HEMT外延層中二維電子氣的濃度，由此改變?nèi)斯る姶琶劫|(zhì)諧振結(jié)構的電磁諧振模式，從而對太赫茲波實現(xiàn)相位調(diào)制。該相位調(diào)制器可以在很大的帶寬內(nèi)實現(xiàn)90度以上的相位調(diào)制深度，最大相位調(diào)制深度可達140度左右。并且該器件結(jié)構簡單、易于加工、調(diào)制速度快且使用方便，易于封裝。
【IPC分類】G02F1/015
【公開號】CN105549228
【申請?zhí)枴緾N201510965154
【發(fā)明人】張雅鑫, 趙運成, 梁士雄, 喬紳, 楊梓強
【申請人】電子科技大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月21日