一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件

1.本发明涉及一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件的设计，属于太赫兹器件制造的技术领域。


背景技术：

2.太赫兹波是一种频率在0.1-10thz之间的电磁波，在电磁波谱图上处于微波和红外波段之间。与微波技术相比，太赫兹技术具有更高的分辨率，与光波技术相比，太赫兹波具有更低的能量和更强的穿透能力，可以被广泛地应用在雷达、安全检查、成像等领域。但是因为很多自然材料对太赫兹波的电磁响应非常弱，所以太赫兹技术的发展受到了一定限制。而超材料作为一种人工电磁材料，由周期性或非周期性排列的金属结构组成，可以对太赫兹波的幅度、相位、偏振、传播方式等进行有效地调控，可实现很多太赫兹功能器件，比如吸收器、光开关、偏振器件等。
3.目前国内外的很多研究都集中在主动可调太赫兹超材料器件上。主动可调太赫兹超材料器件的实现方式一般有三种。第一种是在开口谐振环的开口处集成一些非线性元件(例如耿式二极管，肖特基二极管，变容二极管)或者一些非线性材料。第二种是基于微纳机电系统的机械可重构超材料，通过机械控制来改变结构单元的形状或者排列方式。第三种是将介电性质在外力作用下(比如光、电、热等)可调的材料，比如半导体、液晶、铁电材料、相变材料等，制作成超材料或者超材料的衬底。
4.如上所述，实现主动可调超材料器件的方式多种多样，但到目前为止，并没有出现利用
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族半导体(例如gaas，gan，inp等)的负微分电阻效应实现对超材料器件电磁特性的动态电调控。本发明所提出的超材料太赫兹器件，利用
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族半导体的负微分电阻效应来调制器件的电磁特性，为实现主动超材料太赫兹器件提供了一种全新的思路。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明的目的是提供一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，通过对
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族半导体衬底施加高偏置横向电压(等价于形成了一个耿氏二极管)，在半导体内部产生负微分电阻效应，由于电子转移机制，衬底内载流子浓度、迁移率、有效质量的分布会发生改变，从而改变此器件的谐振特性，形成一种电压可调的主动太赫兹超材料器件。
6.技术方案：本发明的一种基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，通过以下技术手段实现
7.该器件由超材料层、衬底层、第一电极、第一高掺杂半导体层、第二电极、第二高掺杂半导体层、金属板组成；在衬底层的上面设有超材料层，在衬底层的对称两侧面分别设有第一高掺杂半导体层、第二高掺杂半导体层，在第一高掺杂半导体层上设有第一电极，在第二高掺杂半导体层上设有第二电极，其中超材料层、第一电极、第二电极在同一平面上，在衬底层的下面设有金属板。
8.所述结构单元在衬底层上为周期性排列，第一电极、第二电极分别位于结构单元的两旁。
9.所述超材料层的结构单元为方形、开口谐振环或圆环形中的一种。
10.所述衬底层为具有负微分电阻效应的半导体材料。
11.所述金属板制作在半导体衬底的下表面；金属板的厚度大于电磁波在其中传输的趋肤深度，以保证器件的透射率为0。
12.所述结构单元、第一电极、第二电极、金属板的材料为金、银、铜、铝中的一种。
13.所述第一电极、第二电极与下面对应的第一高掺杂半导体层、第二高掺杂半导体层形成欧姆接触。
14.所述衬底层、第一高掺杂半导体层、第二高掺杂半导体层的材料为砷化镓、氮化镓、磷化铟中的一种，通过第一电极、第二电极在衬底层上施加高偏置电压，此时第一电极、第二电极与衬底层形成耿氏二极管，在衬底层中产生负微分电阻效应，由于电子转移机制，衬底层内载流子浓度、迁移率、有效质量的分布会发生改变，从而改变此器件的谐振特性。
15.所述耿式二极管的工作模式为理想模式、偶极畴渡越时间模式、电子积累畴模式、限制空间电荷积累模式或猝灭偶极层模式中的一种。
16.有益效果：本发明所提出的基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件，利用
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族半导体的负微分电阻效应来改变器件的吸收特性，为实现主动超材料太赫兹器件提供了一种全新的思路。此外，相比于利用光、热、磁等方法进行动态调控，利用电压来进行调控更加容易实现，不需要复杂的设备及实验条件便可完成，使用更加方便。
附图说明
17.图1为本发明所述基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件结构的三维示意图(顶部)；
18.图2为本发明所述基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件结构的三维示意图(底部)；
19.图3为本发明所述基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件的顶部二维示意图；
20.图4为本发明所述基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件的底部二维示意图；
21.图5为理想模式下加(不加)电压时器件的吸收特性曲线。
22.图中有：结构单元1、衬底层2、第一电极3、第一高掺杂半导体层4、第二电极5、第二高掺杂半导体层6、金属板7。
具体实施方式
23.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
24.实施例1：
25.如图1所示，本发明所述的基于超材料结构的主动电调控太赫兹器件由超材料层、衬底层、金属板和金属电极组成。如图3所示，超材料层由周期性排列的结构单元组成。衬底层为具有负微分电阻效应的半导体材料。如图2和图4所示，金属板制作在半导体衬底的下表面。两个金属电极制作在半导体衬底的上表面。如图1条纹图案区域所示，在两个电极对
应的图形下面有一层高掺杂半导体层，以使两个电极与衬底层形成欧姆接触。
26.超材料层的结构单元可以采用方形结构、开口谐振环、环形结构等，本实施例中优选为方形结构。
27.超材料层、金属板和金属电极的材料可以采用金、银、铜、铝等，本实施例中优选为金。
28.本实施例中，优选超材料结构单元周期为50um，边长为36um，厚度为150nm，优选衬底层厚度为8um，衬底掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
，优选金属板厚度为2um。
29.调谐半导体衬底的材料性质是一种动态控制超材料电磁响应的手段；本实施例中衬底层采用
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族半导体，基于负微分电阻效应来调制半导体的材料性质，半导体材料为砷化镓、氮化镓、磷化铟中的一种，本实施例中优选砷化镓；通过两个电极在砷化镓衬底上施加高偏置电压；此时两个电极和砷化镓衬底形成一个耿氏二极管；基于负微分电阻效应的耿氏二极管具有五种工作模式：理想模式、偶极畴渡越时间模式、电子积累畴模式、限制空间电荷积累模式、猝灭偶极层模式，本实施例中，假设半导体内部没有任何的缺陷和不均匀，此时会产生理想模式；在理想模式下，高电场是均匀地分布在整个半导体当中，因此可以认为半导体内部各处载流子的运动都相同，半导体内部各处的材料性质也相同，不会产生振荡电流；在这种理想模式下，半导体内处于中心谷上的电子得到足够的能量跃迁到卫星谷上，这会导致半导体材料的电子迁移率变小，电子有效质量变大，介电常数的实部增大，从而引起器件的谐振频率发生红移。而器件谐振强度的变化主要受阻抗匹配程度的影响，半导体材料性质随电压的变化而变化，从而会影响器件的等效阻抗。
30.如图5所示为加(不加)电压时器件的吸收特性曲线，其中v0＝0《v1，v1可以将所有电子都激发到高能谷，由曲线可知，加上电压后，器件的谐振频率降低，谐振强度增大。
31.因此在理想模式下，可以通过施加不同大小的横向电压，实现对超材料器件的谐振频率和谐振幅度的时不变调控。但是这种模式对半导体材料和电极的接触要求非常高，所以很难实现，实际中本器件更容易产生偶极畴渡越时间模式。
32.实施例2：
33.本实施例相较于实施例1作了如下改变：
34.在实际情况中，半导体样品内部总是存在各种各样的缺陷和杂质，一般都会在阴极附近由于载流子浓度的波动等原因产生电荷畴。本发明所述器件，更加容易产生偶极畴渡越时间模式。在偶极畴渡越时间模式下，在阴极附近会产生由电子积累层和电子耗尽层组成的偶极畴，偶极畴自阴极产生后，在向阳极运动的过程中不断长大，最终被阳极吸收，然后在阴极处继续产生偶极畴，如此周而复始，产生了振荡电流。
35.偶极畴由电子积累层和电子耗尽层组成。当偶极畴刚刚在阴极产生时，电子积累层内电子浓度增大，迁移率降低，其层宽比较小，可忽略其影响；电子耗尽层内电子浓度降低，迁移率降低，其层宽比较小，也可忽略其影响；在阴极到电子积累层之间的区域，各处电子浓度和迁移率都相同，且电场较小，迁移率较高；在电子积累层和电子耗尽层之间的区域，各处电子浓度和迁移率都相同，且电场较高，迁移率较低；在电子耗尽层和阳极之间的区域，各处电子浓度和迁移率都相同，且电场较小，迁移率较高。因此相比于未加电场的半导体材料，加了高偏置电压的半导体整体电子迁移率降低，有效质量会增大，这会导致介电常数实部变大，超材料器件受此影响，谐振频率会红移。
36.偶极畴继续向阳极运动，阴极到电子积累层之间的区域在逐渐变长，电子积累层到电子耗尽层之间的区域在逐渐变短，电子耗尽层到阳极的区域基本不变，因此材料整体的迁移率在不断增大，有效质量不断降低，介电常数实部不断降低，导致器件的共振频率不断蓝移。
37.当偶极畴运动到阳极附近时，电子耗尽层开始被阳极吸收，阴极到电子积累层之间的区域在逐渐变长，电子积累层到电子耗尽层之间的区域在逐渐变短，因此材料的迁移率在不断增大，有效质量不断降低，介电常数实部不断降低，导致器件的共振频率不断蓝移。
38.当偶极畴继续运动，电子积累层也开始被阳极吸收，畴之外的电场随着畴被阳极的吸收而逐渐增大，因此阴极到电子积累层的区域内迁移率不断降低，因此半导体的介电常数的实部在逐渐增大，谐振频率不断红移。
39.因此在偶极畴渡越时间模式下，运动的偶极畴会导致高偏置横向电压对超材料器件的谐振频率的调控是时变的。
40.所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。