專利名稱：高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明特別涉及一種能夠通過電調(diào)控方式高速、高效調(diào)制太赫茲波幅值的裝置， 其可應用于太赫茲通訊和太赫茲成像等領域。
背景技術：
太赫茲(THz)波是頻率在0. ITHz到IOTHz范圍的電磁波，波長在30 μ m到3mm范圍，介于毫米與紅外之間，與其他波段的電磁波相比，太赫茲波具有光子能量低、穿透力強等優(yōu)異特性，在物理、化學和醫(yī)藥科學等基礎研究領域，以及安全檢查、環(huán)境監(jiān)測、通信等應用研究領域均具有巨大的科學研究價值和廣闊的市場前景。隨著THz科技的迅速發(fā)展，THz 間隙的空白逐漸被填補，半導體材料結(jié)合光子學和電子學應用于THz技術都為這一領域的發(fā)展實現(xiàn)了重大突破，如量子級聯(lián)激光器，肖特基二極管和Bolometer。在發(fā)展相應THz光源和高靈敏度探測器的同時，高速調(diào)制器是不可缺少的核心器件，然而，人們在控制和操縱 THz波技術方面仍相對滯后，實現(xiàn)高速THz調(diào)制器顯得非常迫切。傳統(tǒng)的THz調(diào)制器主要是機械式調(diào)制方式的斬波器，調(diào)制頻率從幾Hz至幾kHz。 近年來，人們又發(fā)展出了基于光子晶體和特異材料(Metamaterials)等人造電磁材料的 THz波的帶隙遷移型THz調(diào)制器，其調(diào)制深度可達30dB，調(diào)制速度約為10kHz，然而，這些 THz調(diào)制器的帶隙邊緣很難達到陡峭，調(diào)制深度和插入損耗等指標都不是很理想。而基于 Metamaterials人工結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器也是目前的研究熱點，但是此類器件的調(diào)制速度仍較低，且性能指標難以提升。事實上，目前通過電調(diào)控方式的THz調(diào)制器調(diào)制速度都只有幾百Hz kHz，這很難滿足太赫茲在通訊和成像領域應用的要求，所以，如何提升調(diào)制速度成為進一步發(fā)展THz調(diào)制器技術的關鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器，其調(diào)制深度>50%，調(diào)制速度> 10MHz，從而克服了現(xiàn)有技術中的不足。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術方案一種高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器，包括介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板由對太赫茲波透明的材料形成，其特征在于所述介質(zhì)基板表面分布由復數(shù)個高電子遷移率晶體管形成的陣列，該介質(zhì)基板表面以及高電子遷移率晶體管陣列表面還附著有頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)包括具有帶通濾波結(jié)構(gòu)的圖形化導電薄膜，所述導電薄膜對應于每一高電子遷移率晶體管局部分別構(gòu)成該高電子遷移率晶體管的源極、漏極和柵極；所述高電子遷移率晶體管的電子遷移率在1500cm2/Vs以上。具體而言，所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)是金屬薄膜形成的網(wǎng)狀方格結(jié)構(gòu)，且構(gòu)成網(wǎng)狀方格結(jié)構(gòu)的每一邊的寬度在2-7 μ m。所述高電子遷移率晶體管的跨導在300mS/mm以上。一種高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制裝置，其特征在于，它包括
如上所述的高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器；以及，用于對高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器中的高電子遷移率晶體管柵極輸入調(diào)控溝道電導的電壓信號的調(diào)制信號源。本發(fā)明采用頻率選擇表面結(jié)構(gòu)與高電子遷移率晶體管相結(jié)合，晶體管設計為頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的組成部分，通過將脈沖電壓信號施加于晶體管柵極調(diào)控溝道電導導通和斷開的高速變化，從而動態(tài)切換具有濾波作用頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的變換，進而實現(xiàn)對電磁波的反射和傳輸?shù)目刂啤＿M一步的講，本發(fā)明采用孔徑型頻率選擇表面結(jié)構(gòu)調(diào)制THz波，對于諧振情況下入射的電磁波，孔徑型FSS表現(xiàn)出全透射的特征，形成帶通型濾波結(jié)構(gòu)。濾波機理可描述為如下當?shù)皖l電磁波照射孔徑型頻率選擇表面時，將激發(fā)大范圍的電子移動，使得電子吸收大部分能量，且沿縫隙的感應電流很小，導致透射系數(shù)比較小。隨著入射波頻率的不斷升高，這種電子移動的范圍將逐漸較小，沿縫隙流動的電流在不斷增加，從而透射系數(shù)得到改善。當入射電磁波的頻率達到一定值時，槽兩側(cè)的電子剛好在入射波電場矢量的驅(qū)動下來回移動，在縫隙周圍形成較大的感應電流。由于電子吸收大量入射波的能量，同時也在向外輻射能量。運動的電子透過偶極子槽的縫隙向透射方向輻射電場，此時的偶極子槽陣列反射系數(shù)最低，透射系數(shù)最高。當入射波頻率繼續(xù)升高時，將導致電子的運動范圍減小，在縫隙周圍的電流將分成若干段，電子透過槽縫隙輻射出去的電磁波減小，透射系數(shù)降低。而對于在遠離縫隙的金屬板上所產(chǎn)生的感應電流則向反射方向輻射電磁場，并且由于高頻電磁波的電場變化周期的限制了電子的運動，輻射能量有限。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點充分結(jié)合了頻率選擇表面結(jié)構(gòu)對太赫茲濾波作用和高電子遷移率晶體管高速柵極電調(diào)控特性，實現(xiàn)以電調(diào)制方式對太赫茲波幅值的高速調(diào)制效應，相比現(xiàn)有的機械式調(diào)制方式的斬波器、光子晶體和特異材料等太赫茲調(diào)制器，本發(fā)明太赫茲調(diào)制器調(diào)制速度可大于10MHz，相對調(diào)制深度大于50%，S卩，實現(xiàn)了對太赫茲波的高速調(diào)制。


圖1是本發(fā)明一較佳實施例中高速太赫茲調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是以圖1所示高速太赫茲調(diào)制器進行測試時的原理示意圖；圖4是本發(fā)明一較佳實施例中通過脈沖電壓信號施加于晶體管柵極調(diào)控溝道電導率變化的曲線圖；圖5是本發(fā)明一較佳實施例中高速太赫茲調(diào)制器的模擬結(jié)果曲線圖；以上各圖中所示各組件及其附圖標記分別為太赫茲波光源1、頻率選擇表面2、 高電子遷移率晶體管3、介質(zhì)基板4、調(diào)制信號源5、太赫茲探測器6、柵極a、源極b、漏極C。
具體實施例方式本發(fā)明的高速電調(diào)制太赫茲調(diào)制器包括介質(zhì)基板，介質(zhì)基板上的高電子遷移率晶體管陣列以及附著于介質(zhì)基板和晶體管表面的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)。前述的介質(zhì)基板由對太赫茲波有較高透射率的介質(zhì)材料形成，，并易于高電子遷移率晶體管和金屬材料的生長。前述的高電子遷移率晶體管陣列是由多個相同形狀和尺寸的晶體管構(gòu)成的單元陣列，陣列周期與頻率選擇表面結(jié)構(gòu)相匹配。該等晶體管可通過分子束外延等方法在介質(zhì)基板制備獲得，并通過感應耦合等離子體刻蝕、光刻工藝等制備成陣列結(jié)構(gòu)。前述的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)是由一定尺寸的金屬薄膜按特殊布局形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 例如可以是采用電子束蒸發(fā)技術制備金薄膜，通過微納加工工藝將金薄膜光刻成一定線寬并按特定布局形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中，微納加工工藝包括清洗介質(zhì)基板、裂片、減薄拋光、電子束蒸發(fā)和UV光刻等。具體來看該高速太赫茲調(diào)制器的結(jié)構(gòu)特征及功能前述頻率選擇表面的作用是對太赫茲波形成帶通濾波效應，本發(fā)明設計頻率選擇表面結(jié)構(gòu)的帶通頻率范圍優(yōu)選為0. 82-0. 92THz ；高電子遷移率晶體管的作用是在柵極電壓調(diào)控下溝道電導呈現(xiàn)導通和斷開兩種狀態(tài)，實現(xiàn)快速切換兩種不同頻率選擇表面結(jié)構(gòu)；介質(zhì)基板的作用是承載調(diào)制器核心單元晶體管和頻率選擇表面結(jié)構(gòu)，并且對太赫茲波有較高的透射率；調(diào)制信號源的作用是對高電子遷移率晶體管柵極輸入調(diào)控溝道電導的高頻電壓信號。以下結(jié)合附圖及一較佳實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明。參閱圖1-2，本實施例的高速太赫茲調(diào)制器包括藍寶石單晶介質(zhì)基片4以及外延生長于介質(zhì)基片表面的AWaN/GaN高電子遷移率晶體管陣列，介質(zhì)基片4和晶體管陣列附著有頻率選擇表面結(jié)構(gòu)2，該頻率選擇表面結(jié)構(gòu)2系圖形化的金屬薄膜，其對應于每一晶體管的部分分別構(gòu)成晶體的源極b、漏極c和柵極a。該高速電調(diào)制太赫茲調(diào)制器的制備和測試分析過程如下步驟一利用基于時域有限差分的軟件FDTD Solution，建立太赫茲波調(diào)制器的模型結(jié)構(gòu)，其中金屬性頻率選擇表面結(jié)構(gòu)2設置為200納米厚的金。通過優(yōu)化柵極G、源極S 和漏極D尺寸，模擬獲得柵控高電子遷移率晶體管中溝道電導導通和斷開時最大的相對調(diào)制深度。獲得最佳參數(shù)為源極寬度S = 1微米，漏極寬度D = 1微米和柵極寬度G = 7微米，周期單元間距d = 50微米，調(diào)制器在頻率范圍0. 82-0. 92THz相對調(diào)制深度為75%。步驟二 制備光刻板，利用感應耦合等離子體刻蝕方法，刻蝕晶體管基片臺面，用光刻膠為掩模，刻蝕出晶體管單元陣列，如圖1所示，每一個晶體管3面積為6X8微米2。步驟三采用紫外曝光光刻技術，在已刻蝕的晶體管基片臺面上制備與頻率選擇表面結(jié)構(gòu)反型的光刻膠，厚度約為1. 5微米。步驟四利用電子束蒸發(fā)金屬技術，在制備好光刻膠的基片上沉積約200nm厚的
金薄膜。步驟五將制備好金薄膜的基片置于丙酮中清洗約30分鐘，將光刻膠及其上面金薄膜洗去，留下頻率選擇表面金屬結(jié)構(gòu)。步驟六介質(zhì)基片采用藍寶石單晶基片，該材料介電常數(shù)約為11. 9，裂片面積為 10X10毫米2，減薄厚度至約為90微米。步驟七將調(diào)制器固定并置于太赫茲光源1和探測器6中間，調(diào)制器電調(diào)控信號由信號源5輸出，通過同軸線和金屬引線加載到晶體管3柵極上，調(diào)控高電子遷移率晶體管中溝道電導的導通和斷開。太赫茲探測器靈敏探測通過調(diào)制器的太赫茲波信號。圖4所示是本實施例通過脈沖電壓信號施加于晶體管柵極調(diào)控溝道電導率變化的曲線，其中，溝道電導率變化等效于兩種頻率選擇表面結(jié)構(gòu)A和B的轉(zhuǎn)換。這也正是本發(fā)明的核心思想所在，即，運用了頻率選擇表面結(jié)構(gòu)對太赫茲波的濾波作用和高電子遷移率晶體管柵壓對溝道電導的高速調(diào)控性能，設計兩種分別對電磁波具有反射效應的周期結(jié)構(gòu) A和透射效應的周期結(jié)構(gòu)B，高電子遷移率晶體管設計為周期結(jié)構(gòu)的組成部分，通過柵極調(diào)制信號(Vg_Vb，Vg+Va)調(diào)控溝道電導G率的變化(G = 0 4000S/cm)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)A和B之間高速動態(tài)切換，進行對太赫茲波幅值的高速電調(diào)制。圖5給出了本實施例的模擬計算結(jié)果，在設計的0. 82-0. 92THz頻率范圍，當源極和漏極寬度為1微米，柵極寬度為7微米時，調(diào)制器調(diào)制深度達到75%。柵極調(diào)制信號頻率 IOMHz在透射信號上能清晰反映，表明柵極調(diào)制速度至少可達到10MHz。參閱圖3，當光源1發(fā)射的太赫茲波垂直入射調(diào)制器平面時，因頻率選擇表面的帶通濾波效應，只有頻率范圍為0. 82-0. 92THz的電磁波可以通過，當頻率低于0. 82THz時，傳輸率很低接近為零(參閱圖幻，當頻率升高至設計頻段時，電磁波可通過調(diào)制器，傳輸率迅速提高，隨著電磁波頻率繼續(xù)升高，一定波長電磁波與頻率選擇表面結(jié)構(gòu)發(fā)生諧振，電磁波傳輸率達到極大。從模擬和實驗結(jié)果看，采用本發(fā)明設計的頻率選擇表面結(jié)構(gòu)尺寸，調(diào)制器相對調(diào)制深度達到75%，施加于柵極的IOMHz調(diào)制信號能清晰地反映在射頻頻譜上，說明該調(diào)制器調(diào)制速度已達到10MHz，亦即，本發(fā)明所述的“高速”。本發(fā)明高速電調(diào)制太赫茲調(diào)制器，充分結(jié)合了高電子遷移率晶體管的高速柵控調(diào)制特性和頻率選擇表面結(jié)構(gòu)濾波特性的優(yōu)點，具有調(diào)制速度高和調(diào)制深度大等特點，可以彌補現(xiàn)有高速太赫茲調(diào)制器的不足。該高速電調(diào)制太赫茲調(diào)制器裝置操作簡單，成本較低， 易于集成，在太赫茲通訊和太赫茲成像等方面具有較大的科學研究價值和市場前景。當然，本發(fā)明還可采用其他具有高電子遷移率和高柵控能力的晶體管，如MGaAs/ GaAs或Si等半導體材料組成的晶體管等，因此，前述較佳實施例不能視為對本發(fā)明保護范圍的任何限制。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器，包括介質(zhì)基板G)，所述介質(zhì)基板(4)由對太赫茲波透明的材料形成，其特征在于所述介質(zhì)基板表面分布由復數(shù)個高電子遷移率晶體管(3) 形成的陣列，該介質(zhì)基板表面以及高電子遷移率晶體管陣列表面還附著有頻率選擇表面結(jié)構(gòu)O)，所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)包括具有帶通濾波結(jié)構(gòu)的圖形化導電薄膜，所述導電薄膜對應于每一高電子遷移率晶體管局部分別構(gòu)成該高電子遷移率晶體管的源極(b)、漏極(C) 和柵極(a)；所述高電子遷移率晶體管的電子遷移率在1500cm7Vs以上。
2.如權(quán)利要求1所述的高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器，其特征在于所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)(2)是金屬薄膜形成的網(wǎng)狀方格結(jié)構(gòu)，且構(gòu)成網(wǎng)狀方格結(jié)構(gòu)的每一邊的寬度在2-7 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器，其特征在于所述高電子遷移率晶體管3的跨導在300mS/mm以上。
4.一種高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制裝置，其特征在于，它包括如權(quán)利要求1所述的高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器；以及用于對高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器中的柵極和源極輸入調(diào)控電壓信號的調(diào)制信號源(5)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速電調(diào)控太赫茲調(diào)制器，包括介質(zhì)基板(4)，所述介質(zhì)基板(4)是對太赫茲波透明的材料，且所述介質(zhì)基板表面分布高電子遷移率晶體管(3)形成的陣列，該介質(zhì)基板表面以及高電子遷移率晶體管陣列表面還附著有頻率選擇表面結(jié)構(gòu)(2)，所述頻率選擇表面結(jié)構(gòu)是具有帶通濾波結(jié)構(gòu)的圖形化導電薄膜，所述導電薄膜對應于每一高電子遷移率晶體管局部分別構(gòu)成該高電子遷移率晶體管的源極(b)、漏極(c)和柵極(a)；所述高電子遷移率晶體管的電子遷移率在1500cm2/Vs以上。本發(fā)明實現(xiàn)了以電調(diào)制方式對太赫茲波幅值的高速調(diào)制效應，調(diào)制速度可大于10MHz，相對調(diào)制深度大于50％。
文檔編號G02F1/015GK102279476SQ20111019825
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者吳東岷, 張寶順, 張曉渝, 李欣幸, 秦華 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所