一种太赫兹双通道调制器及制备方法与流程

1.本发明涉及微波传输技术领域，具体而言，涉及一种太赫兹双通道调制器及制备方法。


背景技术：

2.太赫兹波是介于微波与红外之间的电磁波，其频率范围为0.1～10thz，独特的频段位置使其展现出很多与众不同的电磁特性，可广泛应用于生物医学、安全检查和无线通信等领域。近年来，太赫兹无线通信技术正朝着高速率和远距离的方向发展，但是由于缺乏高性能的关键器件，一定程度的限制了其的发展。太赫兹调制器就是其中关键器件之一，其性能的提升对太赫兹通信技术的发展有着至关重要的作用，因此太赫兹调制器成为了近年的研究热点。
3.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材料相结合，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，因此可将调制器可以分为温控、光控和电控调制器。电控调制器具有易于集成的特点，在太赫兹通信领域有着重要应用。2006年h-t chen等人提出了一种基于开口谐振环超材料结构的电控太赫兹调制器，金属超材料结构与砷化镓衬底接触形成一个肖特基二极管结构，在器件的欧姆接触和金属结构之间加载一定电压，可以实现对入射太赫兹波的调制。2011年，波士顿大学的研究团队提出了一种基于开口谐振环超材料结构和hemt的复合型电控太赫兹调制器，通过外加电压改变hemt沟道中的二维电子气浓度，改变超材料结构的谐振强度，进而实现对太赫兹波的调控。2015年，电子科技大学的研究团队提出了一种基于工字型超材料结构和hemt复合超材料结构，其调制速率能够达到1ghz。2017年，zhen zhou等人提出了一款基于四开口谐振环超材料结构与hemt相结合的太赫兹调制器，在4v的栅极电压驱动下，其调制深度可达80％，调制速率达2.7mhz。
4.虽然上述调制器具有较高的调制深度和调制速率，但是其仅只有一个工作通道，即只有一个独立的频段能够实现调制，但是无法实现在各个通信频段的信号进行独立的调制的过程，一个独立的频段调制影响其调制效率以及性能。
5.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是对多种频段进行调制的时候，无法实现在通信技术中进行独立调制，目的在于提供一种太赫兹双通道调制器及制备方法，能够实现多个频点的独立调制，调制深度高。
7.本发明通过下述技术方案实现：
8.本发明提供了一种太赫兹双通道调制器，包括衬底、外延层以及调制阵列，所述外延层生长在所述衬底上，所述调制阵列设置在所述外延层上；
9.所述调制阵列由m*n个阵元结构组成，且每行阵元结构的第一栅极馈线与第一肖特基电极连接，每行阵元结构的第二栅极馈线与第二肖特基电极连接，m》2，n》2；
10.每行阵元结构的第一源漏馈线与第二源漏馈线均与所述欧姆电极连接；所述调制阵列用于通过不同频率的太赫兹波；
11.所述第一肖特基电极与所述第二肖特基电极分别与所述欧姆电极通过直流电源串联。
12.传统的调制器中，设置的调频通道只有一个，只能通过一个独立的频段实现调制，但是往往有多个频段通道的频率需要进行调制的时候，无法实现对多个进行有效调制的过程，本发明提供一种太赫兹双通道调制器，通过设置双掺杂异质结结构，能够实现多个频点的独立调制，且调制深度高，尺寸小，容易集成。
13.优选地，所述阵元结构包括第一掺杂异质结结构、第二掺杂异质结结构，所述第一掺杂异质结结构的通过所述第一源漏馈线与欧姆电极连接，所述第一掺杂异质结结构通过所述第一栅极馈线与所述第一肖特基电极连接；所述第一掺杂异质结结构通过所述第二源漏馈线分别与所述第二掺杂异质结结构以及所述欧姆电极连接；所述第二掺杂异质结结构通过所述第二栅极馈线与第二肖特基电极连接；且所述阵元结构用于通过不同频率的太赫兹波。
14.优选地，所述欧姆电极生长在所述外延层的一侧，且一端分别与所述第一源漏馈线以及所述第二源漏馈线连接，另一端连接直流电源正电压；
15.所述第一肖特基电极与所述第二肖特基电极生长在所述外延层的另一侧，且所述第一肖特基电极与所述第二肖特基电极平行设置；
16.且所述第一肖特基电极与所述第一栅极馈线之间设有绝缘层，所述绝缘层用于隔离所述第一肖特基与所述第二栅极馈线之间导电。
17.优选地，所述第二源漏馈线包括第一子源漏馈线、第二子源漏馈线以及第三子源漏馈线，所述第一子源漏馈线平行于衬底边缘设置，且与所述第一掺杂异质结结构连接；所述第二子源漏馈线与所述第三子源漏馈线均垂直于所述第一子源漏馈线设置，且所述第二子源漏馈线一端与所述第一子源漏馈线连接，另一端与所述第二掺杂异质结结构连接，所述第三子源漏馈线一端与所述第一子源漏馈线连接，另一端与所述第二掺杂异质结结构连接，所述第二子源漏馈线与所述第三子源漏馈线围成方形设置。
18.优选地，所述第一掺杂异质结结构与所述第二掺杂异质结结构均为hetm，且掺杂的材料为algan/gan或algaas/gaas或ingaas/gaas或ingan/gan。
19.优选地，所述欧姆电极、所述第一栅极馈线、所述第二栅极馈线、所述第一源漏馈线以及所述第二源漏馈线的材料为ti或ni或au或al或ag或cu。
20.优选地，所述第一栅极馈线的线宽与所述第二栅极馈线的线宽均为2μm，所述第一源漏馈线的线宽与所述第二源漏馈线的线宽均为10μm，且所述第一栅极馈线、所述第二栅极馈线、所述第一源漏馈线以及所述第二源漏馈线的厚度均为0.2μm。
21.优选地，所述绝缘层为苯并环丁烯绝缘层。
22.优选地，所述外延层为氮化镓外延层。
23.本发明还提供了一种太赫兹双通道调制器的制备方法，制备方法步骤包括：
24.s1：采用超声波清洗的方式对衬底进行清洗，并将清洗后的衬底进行烘干；
25.s2：采用有机化合物气相沉积法在衬底上制备algan/gan异质结薄膜，获得基片；
26.s3：基片上旋涂2μm厚的光刻胶，使用掩膜版对其进行光刻显影，确定出hemt有源区，采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀掉hemt有源区以外的algan/gan薄膜，将基片上剩余的光刻胶去掉，获得hemt有源区基片；
27.s4：分别利用光刻、电子束蒸镀和剥离工艺，将复合金属层-钛/铝/镍/金依次沉积在有源区两侧，作为hemt的源漏电极；
28.s5：将源极、漏极置于n2环境，并对其进行快速热退火处理，源极和漏极与2deg沟道形成欧姆接触；
29.s6：分别利用光刻、电子束蒸镀和剥离工艺，将镍和金依次沉积在algan/gan异质结薄膜上，形成超表面结构；
30.s7：第一肖特基电极上制备苯并环丁烯；
31.s8：制备栅极。
32.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
33.1、本发明实施例提供的一种太赫兹双通道调制器及制备方法，将具有高速动态特性的hemt设计在超材料结构的两个开口处，两个开口处的hemt分别由两个电极控制，通过外加电压的方式调节hemt沟道中的二维电子气浓度，改变超材料结构的谐振模式，进而实现对多个频段的太赫兹波的调控；
34.2、本发明实施例提供的一种太赫兹双通道调制器及制备方法，实现多个频点的独立调制，调制深度高，且具有尺寸小，易集成等优点。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
36.图1为调制器的结构示意图
37.图2为阵元结构示意图
38.图3为第一掺杂异质结结构与第二掺杂异质结结构的剖面图
39.图4为太赫兹调制器的透射系数曲线图
40.附图说明：1、外延层；2、欧姆电极；3、衬底；4、第二肖特基电极；5、第一栅极馈线；6、第二栅极馈线；7、第二掺杂异质结结构；8、第一掺杂异质结结构；9、第一肖特基电极；10、第一源漏馈线；11、第二源漏馈线；12、绝缘层；111、第一子源漏馈线；112、第二子源漏馈线；113、第三子源漏馈线。
具体实施方式
41.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。
42.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本
领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
43.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
44.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
45.实施例一
46.本实施例公开了一种太赫兹双通道调制器，如图1和图3所示，包括衬底3、外延层1以及调制阵列，所述外延层1生长在所述衬底3上，所述调制阵列设置在所述外延层1上；
47.所述调制阵列由m*n个阵元结构组成，阵元结构排列为阵列的方式进行组成，且每行阵元结构的所述第一栅极馈线5与所述第一肖特基电极9连接，每行阵元结构的所述第二栅极馈线6与所述第二肖特基电极4连接，m》2，n》2；每行阵元结构的所述第一源漏馈线10与所述第二源漏馈线11均与所述欧姆电极2连接；所述调制阵列用于通过不同频率的太赫兹波；所述第一肖特基电极9与所述第二肖特基电极4分别与所述欧姆电极2通过直流电源串联。
48.阵元结构包括第一掺杂异质结结构8、第二掺杂异质结结构7，所述第一掺杂异质结结构8的通过第一源漏馈线10与欧姆电极2连接，所述第一掺杂异质结结构8通过第一栅极馈线5与第一肖特基电极9连接；所述第一掺杂异质结结构8通过第二源漏馈线11分别与所述第二掺杂异质结结构7以及所述欧姆电极2连接；所述第二掺杂异质结结构7通过第二栅极馈线6与第二肖特基电极4连接；且所述阵元结构用于通过不同频率的太赫兹波。
49.在阵元结构中，结构单元横向周期px＝215μm，纵向周期py＝180μm。上方的第一栅极馈线5金属杆宽度w＝10μm，中间金属杆宽度w1＝2μm；下方周期为p1＝40μm，p2＝95μm，宽度w＝10μm；在最下方的第二栅极馈线6中，其长度等于px，宽度w1＝2μm，开口大小g、g1＝10μm，厚度t＝0.2μm。
50.所述第二源漏馈线11包括第一子源漏馈线111、第二子源漏馈线112以及第三子源漏馈线113，所述第一子源漏馈线111平行于衬底3边缘设置，且与所述第一掺杂异质结结构8连接；所述第二子源漏馈线112与所述第三子源漏馈线113均垂直于所述第一子源漏馈线111设置，且所述第二子源漏馈线112一端与所述第一子源漏馈线111连接，另一端与所述第二掺杂异质结结构7连接，所述第三子源漏馈线113一端与所述第一子源漏馈线111连接，另一端与所述第二掺杂异质结结构7连接，所述第二子源漏馈线112与所述第三子源漏馈线113围城方形设置。
51.第一掺杂异质结结构8与第二掺杂异质结结构7材料均为algan/gan，厚度为0.01μ
m，位于双开口“天”型超材料开口处，其中靠上hemt尺寸大小为11μm*11μm，靠下hemt尺寸大小为11μm*11μm。且掺杂的材料不限于algan/gan或algaas/gaas或ingaas/gaas或ingan/gan。
52.将具有高速动态特性的hemt设计在超材料结构的两个开口处，两个开口处的hemt分别由两个电极控制，通过外加电压的方式调节hemt沟道中的二维电子气浓度，改变超材料结构的谐振模式，进而实现对多个频段的太赫兹波的调控。该幅度调制器在单通道模式下(分别在0.22thz和0.34thz打开)，在0.22thz和0.34thz中心频点处的调制深度分别可达到91.0％和96.4％；该幅度调制器在双通道模式(同时在0.22thz和0.34thz打开)，此时，在0.22thz和0.34thz中心频点处的调制深度分别可达到89.2％和93.7％。
53.所述欧姆电极2生长在所述外延层1的一侧，且一端分别与所述第一源漏馈线10以及所述第二源漏馈线11连接，另一端连接直流电源正极；
54.所述第一肖特基电极9与所述第二肖特基电极4生长在所述外延层1的另一侧，且所述第一肖特基电极9与所述第二肖特基电极4平行设置；
55.且所述第一肖特基电极9与所述第一栅极馈线5之间设有绝缘层12，所述绝缘层12用于隔离所述第一肖特基与所述第二栅极馈线6之间导电。
56.本实施例中，欧姆电极2、所述第一栅极馈线5、所述第二栅极馈线6、所述第一源漏馈线10以及所述第二源漏馈线11的材料为ti或ni或au或al或ag或cu。
57.所述第一栅极馈线5的线宽与所述第二栅极馈线6的线宽均为2μm，所述第一源漏馈线10的线宽与所述第二源漏馈线11的线宽均为10μm，且所述第一栅极馈线5、所述第二栅极馈线6、所述第一源漏馈线10以及所述第二源漏馈线11的厚度均为0.2μm。
58.在本实施了中，设置的绝缘层12为苯并环丁烯绝缘层12，设置的外延层1为氮化镓外延层1，介电常数为9.8，厚度h＝280μm，但是本实施例不限制于该材料的层状结构。
59.通过外加栅极电压控制hemt中二维电子气的浓度，可以控制太赫兹波的通断，对开口g处的hemt施加电压会在0.22thz处出现谐振峰，计算得到的调制器深度为91.0％；对开口g和g1处的hemt同时施加电压会在0.34thz处出现谐振峰，计算得到的调制深度为96.4％；对开口g处的hemt施加电压会在0.22thz和0.34thz处同时出现谐振峰，其中计算得到0.22thz和0.34thz处的调制器深度分别为89.2％和93.7％。；
60.该幅度调制器在单通道模式下(分别在0.22thz和0.34thz打开)，在0.22thz和0.34thz中心频点处的调制深度分别可达到91.0％和96.4％；该幅度调制器在双通道模式(同时在0.22thz和0.34thz打开)，此时，在0.22thz和0.34thz中心频点处的调制深度分别可达到89.2％和93.7％。
61.如图4所示，为不同开口状态下，调制器的透射系数谱，方块的曲线表示开口g和g1关闭，对应hemt不通电的透射曲线；圆圈符号的曲线表示开口g打开，g1关闭，对应开口g下的hemt通电，开口g1下的hemt不通电的透射曲线；三角符号的曲线表示开口g关闭，g1打开，对应开口g下的hemt不通电，开口g1下的hemt通电的透射曲线；倒三角的曲线表示开口g和g1打开，对应两个hemt通电的透射曲线。当未给hemt施加栅极电压时，调制器在0.16thz处产生谐振，其透射系数为0.027，如图4带正方形的黑色曲线所示；当给g开口处的hemt施加栅极电压时，调制器在0.22thz处产生谐振，其透射系数为0.065，如图4带圆形的黑色曲线所示；当对g和g1处的hemt同时施加电压时，调制器在0.34thz处产生谐振，其透射系数为
0.029，如图4带倒三角的黑色曲线；当给g1开口处的hemt施加栅极电压时，调制器在0.22thz和0.34thz处同时产生谐振，其中0.22thz处对应的透射系数为0.079，其中0.34thz处对应的透射系数为0.050。如图4带正三角的黑色曲线所示；通过改变调制器两个开口处hemt的栅极电压可实现对三个频段的太赫兹波的调控。利用公式md＝(toff-ton)/toff(toff为调制器开口关闭时的透射系数，ton为调制器开口打开时的透射系数)，可计算该幅度调制器在单通道模式下(分别在0.22thz和0.34thz打开)，在0.22thz和0.34thz中心频点处的调制深度分别可达到91.0％和96.4％；该幅度调制器在双通道模式(同时在0.22thz和0.34thz打开)，此时，在0.22thz和0.34thz中心频点处的调制深度分别可达到89.2％和93.7％。
62.实施例二
63.本实施例公开了一种太赫兹双通道调制器的制备方法，制备方法步骤包括：
64.s1：采用超声波清洗的方式对衬底3进行清洗，并将清洗后的衬底3进行烘干；
65.s2：采用有机化合物气相沉积法在衬底3上制备algan/gan异质结薄膜，获得基片；
66.s3：基片上旋涂2μm厚的光刻胶，使用掩膜版对其进行光刻显影，确定出hemt有源区，采用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀掉hemt有源区以外的algan/gan薄膜，将基片上剩余的光刻胶去掉，获得hemt有源区基片；
67.制备hemt有源区。首先，在基片上旋涂2μm厚的光刻胶，使用掩膜版对其进行光刻显影，确定出hemt有源区。然后，利用干法刻蚀中的感应耦合等离子体刻蚀(inductively coupled plasma etching,icpe)法刻蚀掉hemt有源区以外的algan/gan薄膜。使用的是cl
2-bcl3混合气体。此时，2deg只存在于有源区内。最后，将基片上剩余的光刻胶去掉，得到120nm厚的hemt有源区。
68.s4：分别利用光刻、电子束蒸镀和剥离工艺，将复合金属层-钛/铝/镍/金依次沉积在有源区两侧，作为hemt的源漏电极；制备hemt源极和漏极。分别利用光刻、电子束蒸镀和剥离等工艺，将复合金属层-钛/铝/镍/金(20nm/1350nm/1000nm/500nm)依次沉积在有源区两侧，作为hemt的源漏电极。
69.s5：将源极、漏极置于n2环境，并对其进行快速热退火处理，源极和漏极与2deg沟道形成欧姆接触；
70.将源漏电极置于n2环境，并对其进行快速热退火处理，退火炉中的温度在7s内从常温升至890℃，维持20s，然后迅速降至25℃，源极和漏极与2deg沟道形成欧姆接触。
71.s6：分别利用光刻、电子束蒸镀和剥离工艺，将镍和金依次沉积在algan/gan异质结薄膜上，形成超表面结构；
72.s7：第一肖特基电极9上制备苯并环丁烯；
73.制备超材料结构。分别利用光刻、电子束蒸镀和剥离等工艺，将厚度为20nm的镍和150nm的金依次沉积在algan/gan异质结薄膜上，形成超表面结构。超材料结构开口的两侧覆盖hemt的源极和漏极。
74.s8：制备栅极。由于阵列中栅极金属线过长，为了保证栅极的加工质量，避免栅极在制备过程中意外脱落，栅极线在金属人工微结构阵列之后单独制备。其制备过程与金属人工微结构的制备相同。
75.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。