阅读说明：本技术 一种基于hemt的环形开口太赫兹幅度调制器和制作方法 (Ring-shaped opening terahertz amplitude modulator based on HEMT and manufacturing method ) 是由 马勇 潘武 杨力豪 杨龙亮 何金橙 肖惠云 于 2020-08-04 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses an annular opening terahertz amplitude modulator based on HEMT and a manufacturing method thereof, wherein the method comprises the following steps: the semiconductor device comprises a semiconductor substrate and an epitaxial layer positioned on the surface of the semiconductor substrate, wherein a modulation array, a Schottky electrode and an ohmic electrode are arranged on the epitaxial layer; the modulation array is formed by arranging M multiplied by N modulation array elements periodically, each modulation array element is formed by 4 annular structure units with openings, a high electron mobility transistor is matched at the opening of each structure unit, a grid electrode of the high electron mobility transistor is connected with a Schottky electrode through a grid electrode feeder and then connected with a power supply cathode, a source electrode and a drain electrode of the high electron mobility transistor are respectively connected with two sides of the opening of each structure unit, and the structure units are connected with ohmic electrodes through source drain feeders and then connected with a power supply anode. The high electron mobility transistor is controlled by an external bias voltage to convert a super-surface resonance mode, so that the rapid amplitude modulation of terahertz waves transmitted in free space is realized, and different modes of the structural unit are mutually converted to achieve the modulation of multiple frequency points.)

一种基于HEMT的环形开口太赫兹幅度调制器和制作方法

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。

进一步优化方案为，在每行调制阵元上方和下方均设置一条源漏馈线，调制阵元上方的源漏馈线连接所有上层的结构单元，调制阵元下方的源漏馈线连接所有下层的结构单元，各行的源漏馈线连接至同一欧姆电极。

进一步优化方案为，调制阵元以240μm宽为一个周期。

进一步优化方案为，所述半导体衬底的材料采用碳化硅，半导体衬底厚度为200μm～270μm；外延层的材料采用氮化镓。

进一步优化方案为，栅极馈线线宽为：1μm～2μm，厚度为：0.2μm～1μm；

源漏馈线线宽为：1μm～2μm，厚度为：0.2μm～1μm；

一种基于HEMT的环形开口太赫兹幅度调制器制作方法，包括以下步骤：

S1.先将SiC半导体衬底置于丙酮和乙醇溶液清洗表面的有机物，再使SiC半导体衬底经热酸液处理表面金属离子，最后用大量的去离子水冲洗；

S2.利用金属有相化学沉积法在S1得到的SiC半导体衬底上制备AlGaN和GaN的异质结构薄膜；

将1.5μm厚的光致抗蚀剂旋涂在SiC基片上，利用掩膜版进行光刻显影后用光刻胶确定出HEMT有源区域；接着用干法刻蚀中的感应耦合等离子体刻蚀用Cl2-BCl3混合气体对有源区域以外的异质结构薄膜进行过度刻蚀，刻蚀完成后祛除基片上剩余的光刻胶，便可得到厚度为35nm的高电子迁移率晶体管的有源台面结构。

S3.通过光刻-电子束蒸发-剥离等工艺，在有源台面结构两端依次沉积20nm厚的钛层、120nm厚的铝层、70nm厚的镍层、100nm厚的金层作为高电子迁移率晶体管的源极和漏极；

S4.在氮气环境下对高电子迁移率晶体管的源极和漏极进行快速热退火处理，退火炉中的温度在140秒内从900℃迅速降至25℃，高电子迁移率晶体管的源极和漏极与二维电子气沟道形成欧姆接触；

S5.通过光刻-电子束蒸发-剥离过程，在异质结构薄膜上制作调制阵列、肖特基电极和欧姆电极。

本技术方案原理：在入射太赫兹波垂直入射到调制器上，且入射太赫兹波的极化方向源漏馈线垂的条件下，当未给栅极加偏置电压时，结构单元的金属圆环开口处由于高电子迁移率晶体管(HEMT)沟道中存在高浓度的二维电子气浓度被短接，此时调制阵元的4个金属圆环不会产生LC谐振，而是由斜十字型的第一栅极馈线和金属圆环构成的整体产生偶极子谐振，此时电磁波可以透过调制器。随着栅极电压的增加，高电子迁移率晶体管(HEMT)沟道中的二维电子气浓度逐渐减小，当电压达到一定值时，高电子迁移率晶体管(HEMT)沟道中的二维电子气被完全耗尽，4个金属开口圆环会产生强烈的LC谐振，电场在金属圆环的开口处受到强烈的约束，此时电磁波很难透过调制器，从而实现对电磁波幅度的控制。该调制器通过外加电压进行驱动，易于集成，且设计的是透射型的太赫兹调制器，相比于反射型的调制器，该器件操作简单，使用更方便。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提供的一种基于HEMT的环形开口太赫兹幅度调制器和制作方法，采用4个高度对称的开口圆环形超表面结构，每个开口圆环匹配一个HEMT，极大的增强了超表面结构的谐振强度，为实现高调制深度及高调制速率的调制器奠定了基础；通过外加偏置电压控制HEMT沟道中的二维电子气浓度来进行超表面谐振模式的转换，从而实现对自由空间传播的太赫兹波的快速调幅。使超表面结构在HEMT的通断状态下处于不同的谐振模式或在不同模式间相互转换，以达到多个频点的调制。

2、本发明提供的一种基于HEMT的环形开口太赫兹幅度调制器和制作方法，二维平面结构的调制阵元，可通过微纳加工工艺实现，避免复杂立体结构设计方案带来的加工难度；结构可塑性强：保持调制阵元整体结构不变，通过改变超表面结构单元的参数(如开口圆环宽度)即可有效调节调制频点的位置以及调制的带宽。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

在附图中：

图1为本发明调制器结构示意图；

图2为调制阵元结构示意图；

图3为HEMT结构部分剖面图；

图4为不同等离子频率下调制器的透射系数谱；

图5为HEMT开状态下调制器的表面电流和电场分布图；

图6为HEMT关状态下调制器的表面电流和电场分布图。

附图中：

1-半导体衬底，2-外延层，3-调制阵列，31-调制阵元，311-结构单元，4-肖特基电极，5-欧姆电极，6-高电子迁移率晶体管，7-栅极馈线，71-第一栅极馈线，72-第二栅极馈线，8-源漏馈线，9-栅极，10-漏极，11-源极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明提供的一种本发明将4C开口环形超表面结构和HEMT巧妙结合，利用超表面结构的谐振特性和HEMT的高速开关特性，通过控制HEMT沟道中的二维电子气浓度控制超表面结构的谐振模式，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器，调制深度可达90％以上。

如图1所示，本实施例中调制器包括半导体衬底1、位于半导体衬底表面的外延层2，外延层上设置有调制阵列3、肖特基电极4和欧姆电极5；

所述调制阵列3由M×N(其中M≥4，N≥4)个调制阵元31周期排列组成，每个调制阵元31由4个开口圆环形的结构单元311构成，每个结构单元311开口处匹配一个高电子迁移率晶体管6，所述高电子迁移率晶体管6的栅极通过栅极馈线7与肖特基电极4连接，高电子迁移率晶体管6的源极和漏极分别连接结构单元311开口的两侧，结构单元311通过源漏馈线8与欧姆电极5连接；肖特基电极4连接电源负极，欧姆电极5连接电源正极。

如图2所示，调制阵元31中的4个结构单元311呈正方形排列，4个结构单元311的圆心间距d＝120μm，圆环宽度r＝18μm，圆环外径为50μm，圆环厚度t＝0.2μm；

在结构单元311上距调制阵元中心最近的位置进行开口，开口宽6μm；调制阵元中开口位置呈中心对称。

所述栅极馈线7包括：第一栅极馈线71和第二栅极馈线72，调制阵元31中的所有结构单元311的栅极通过第一栅极馈线71连接；每行调制阵元共用一条第二栅极馈线72，各行第二栅极馈线72连接至同一肖特基电极4连接。

调制阵元中的第一栅极馈线71呈斜十字状排布，第二栅极馈线72连接在斜十字的交叉点。

在每行调制阵元上方和下方均设置一条源漏馈线8，每行调制阵元上方的源漏馈线8连接该行所有上方的结构单元311，每行调制阵元下方的源漏馈线8连接该行所有下方的结构单元311，各行的源漏馈线8连接至同一欧姆电极5。

所述半导体衬底1的材料采用材料为碳化硅(SiC)，介电常数为9.8，厚度h＝265μm。

外延层2的材料采用氮化镓。

第一栅极馈线71和第二栅极馈线72线宽w＝2μm，厚度t＝0.2μm；源漏馈线8线宽w＝1μm-2μm，厚度t＝0.2μm-1μm；调制阵元中斜十字第一栅极馈线71长度l＝114μm。

如图3所示，所述高电子迁移率晶体管6为AlGaN与GaN的结合材料；高电子迁移率晶体管6的栅极G9连接在第一栅极馈线71上，源极S11和漏极D10通过结构单元311与源漏馈线8连接。

开口环形超表面结构单元周期P＝240μm，4个呈中心对称的金属开口圆环宽度r＝18μm，厚度t＝0.2μm，开口大小g＝6μm。

实施例2

如图4所示，在不同等离子频率ωp下，调制器的传输系数谱。随着ωp从1e+016(相当于未加栅极电压，金属开口圆环的开口由于HEMT沟道存在高浓度的二维电子气被短接)减小至1e+012(相当于施加的栅极电压使沟道中的二维电子气完全耗尽，使得金属开口圆环的开口被完全打开)，谐振频率从0.146THz(关状态)蓝移至0.223THz(开状态)，蓝移量Δf＝77GHz。由此我们可以计算出调制器在0.146THz处的最大调制深度为96.9％，在0.223THz处的最大调制深度为92.2％。谐振频点蓝移是由于随着沟道汇中载流子浓度的减小，超材料结构的谐振模式由偶极子谐振转换成了LC谐振。

为了验证我们的结论，我们研究了器件在ωp＝1e+016(HEMT-OFF)和ωp＝1e+012(HEMT-ON)是的电场分布和电流分布，如图5所示。当HEMT处于关态(HEMT-OFF)时，电场主要分布在四个金属开口圆环的外侧，表面电流主要分布在中间斜十字馈线上，且沿着圆环流向源漏馈线。这是由于金属开口圆环的开口处存在高浓度的载流子，使得开口被短接，电子在电场的驱动下，沿着斜线在上下金属圆环上下来回振动，从而产生偶极子谐振。如图6所示，当HEMT处于开态(HEMT-ON)时，电场主要集中在金属开口圆环的开口处，表面电流沿着开口圆环循环往复流动，形成一个回路，这是由于金属开口圆环的开口处基本不存在载流子，使得开口被打开，电子在电场的驱动下沿着金属开口圆环循环流动，电子聚集在由开口形成的等效电容上下极板上，从而产生LC谐振。

因此，当入射太赫兹波垂直入射到调制器，且入射太赫兹波的极化方向源漏馈线垂的条件下，当未给栅极加偏置电压时，金属圆环的间隙由于HEMT沟道存在高浓度的二维电子气浓度被短接，此时4个金属圆环不会产生LC谐振，而是由斜十字馈线和金属圆环构成的整体产生偶极子谐振，此时电磁波可以透过器件。随着栅极电压的增加，HEMT沟道中的二维电子气浓度逐渐减小，当电压达到一定值时，HEMT沟道中的二维电子气被完全耗尽，4个金属开口圆环会产生强烈的LC谐振，电场在金属圆环的开口处受到强烈的约束，此时电磁波很难透过器件，从而达到了对电磁波幅度的控制。

综上所述，基于HEMT-4C结构的太赫兹幅度调制器是一种极具实用性的工作于太赫兹频段的电控高性能的幅度调制器。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。