一种基于低维电子等离子体波的太赫兹调制器及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太赫兹调制器及其制造方法，特别是涉及一种基于低维电子等离 子体波的能实现高速的大调制深度的太赫兹调制器及其制造方法。本发明还涉及基于所述 太赫兹调制器的调制方法。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波在电子、通信、生命科学、国防、航天和医疗等方面具有非常重要的应用。 太赫兹功能器件在太赫兹系统中占据核心地位。在太赫兹高速成像和通信系统中，高性能 调制器占据重要地位。目前国际上还没有研制成电驱动的高调制速度和大调制深度的太赫 兹调制器，故阻碍了其发展和应用。
[0003] 现有的固态太赫兹调制器的技术方案主要是基于单电子行为的Drude电导率变 化引起的太赫兹波非共振吸收机制。按实现的材料分，主要有基于半导体二维电子气、半导 体复合超材料和石墨稀等材料的调制器。
[0004] 二维电子气调制器：通过栅极电控制二维电子气的浓度来改变其电导率，从而改 变入射太赫兹辐射的透射强度。该方法可以在室温下工作，但是其最大调制深度只有3%， 距离实际推广应用还有很大差距。该类调制器没有利用等离子体波特性。原理是太赫兹波 的透射强度与二维电子气的电导率有关。
[0005] 半导体复合超材料调制器：超材料是一种由小于激励电磁波波长的结构单元 ("atoms"）构成的、具有电磁共振响应的人工介质。制作半导体复合超材料，可以在几何设 计和超材料电磁结构参数上进行调节从而改变其共振特性，利用该原理可以实现对太赫兹 辐射的有效调控。在掺杂半导体外延层上制作超材料形成肖特基二极管结构，通过电压调 节劈裂环共振器（Split-RingResonator,SRR)结构单元缝隙处附近的半导体衬底层载流 子浓度来改变共振强度，故在共振频点的太赫兹波透射强度可以通过电调制实现。该方法 可以实现室温下调制深度达50%和调制速度达2MHz的太赫兹调制。另外一种复合超材料 结构是将高电子迁移率晶体管（HEMT)集成在SRR的缝隙处，通过栅极改变沟道的电子浓度 来改变SRR的电容进而调节SRR共振强度。该器件的调制深度可达33%，最高调制速度达 10MHz。在太赫兹波段，现有调制器的专利技术主要利用超材料实现，例如，2009年Houtong Chen等人申请的名为"主动型太赫兹超材料器件"的美国发明专利。
[0006] 石墨烯调制器：在太赫兹波段，石墨烯中电子的带内跃迁起主要作用，利用大面积 单层石墨烯可以实现室温下15%的强度调制深度和20kHz的调制频率。
[0007] 现有技术的缺点主要有：
[0008] 现有技术的调制深度普遍不高，最高的也只能达50%，说明这些机制的能量损耗 方式不是很有效；此外，高速调制是调制器最重要的性能指标之一，而现有技术的调制速度 不高（最高调制速度为10MHz)。
[0009] 导致这些缺点的根本原因主要有：a)二维电子气和石墨烯的载流子层很薄，电磁 波与载流子相互作用时间短，如果没有实现强耦合则调制效率不高；b)Drude电导率模型 的耗散是单个自由载流子受到外界散射（声子、杂质和缺陷等）引起的。电磁波是与单粒 子耦合的，故太赫兹波的这种损耗机制不是很高效；c)大面积器件的调制速度受限于器件 的寄生电容和电阻，如半导体复合超材料加栅压形成的耗尽层电容和电阻。
[0010] 目前尚未见有采用低维电子等离子体波实现太赫兹调制器的相关文献报道。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题是提供一种能实现高速和大调制深度的太赫兹调制器， 利用了太赫兹波腔模与等离子体波模式强耦合后形成的等离极化激元实现对太赫兹波的 _效调制。为实现太赫兹_速成像和_速通"[目所必须的调制器提供一种可能的解决方案。
[0012] 本发明所述的太赫兹调制器，包括等离激元和谐振腔；其中，
[0013] 所述等离激元包括：
[0014] GaN/AlGaN之高电子迁移率晶体管，其包括：源极、漏极和光栅栅极；
[0015] 位于所述晶体管的半导体异质界面处窄带隙半导体一侧形成的准二维电子层，用 于激发等离子体波；
[0016] 所述谐振腔，包括光栅与样品接触的表面到经减薄蓝宝石衬底的下表面形成的介 质谐振腔。
[0017] 如上所述的太赫兹调制器，其中所述光栅栅极为一维光栅或者插指型光栅。
[0018] 如上所述的太赫兹调制器，其中所述谐振腔可以为减薄样品本身界面形成的 Fabry-P6rot(简称F-P)谐振腔或者由相同介质层组成的对称谐振腔结构。
[0019] 本发明还提出一种基于高电子迁移率晶体管的高速调制方法，包括：
[0020] 将所述晶体管的源极和漏极接地，向所述晶体管的栅极提供一负直流栅压ve和交 流调制信号，该信号幅值为
[0021] 所述晶体管具有光栅栅极，光栅栅极将二维电子气中二维等离子体波和太赫兹谐 振腔模式进行强耦合形成等离极化激元；
[0022] 调节光栅栅压，使其达到等离激元和谐振腔模的共振条件；
[0023] 将栅压在共振和非共振点之间进行切换，实现对谐振腔模式的有效调制。
[0024] 如上所述的高速调制方法，其中，等离激元的共振频率依赖于电子浓度ns、波矢q 以及有效介电常数瓦，SI
?为栅长，m= 1，2, 3. ? ?)。
[0025] 如上所述的高速调制方法，其中，Fabry-P6rot(F_P)谐振腔模式与谐振腔介质的 折射率f和厚度D有关，其共振频率为
[0026] 其中，当等离激元与谐振腔模式共振强耦合时，出现等离极化激元的两分支，这是 强耦合的重要特征。
[0027] 本发明还提出了一种太赫兹调制器的制造方法，包括步骤如下：
[0028] -、在GaN/AlGaN二维电子气材料小片上形成器件有源区的二维电子气台面；
[0029] 二、形成源、漏欧姆接触；
[0030] 三、形成光栅栅极；
[0031] 四、形成光栅栅极和欧接触姆的引线电极以及用于晶片键合的图形转移；
[0032] 五、对蓝宝石衬底的背面进行减薄并抛光，以形成谐振腔结构。
[0033] 本发明还公开一种带有对称介质谐振腔的太赫兹调制器的制造方法，包括制造介 质谐振腔和将介质谐振腔与二维电子气芯片键合在一起的步骤，其中，所述制造介质谐振 腔的步骤包括：对谐振腔平板材料进行减薄并抛光；在谐振腔平板材料上进行晶片键合区 的图形转移；在键合的金属区域实现倒装焊图形的转移。
[0034] 本发明具有显著的特点，由于二维电子气中的等离子体波是电子的集体振荡，其 固有的强束缚电场能实现与太赫兹波的强耦合，故其对太赫兹波的调制效率很高。相对于 单电子行为的损耗机制，本发明的集体振荡模式的损耗则更为有效，这有利于产生大的调 制深度。将二维电子气的等离子体波集成在太赫兹谐振腔里以实现强耦合，通过对等离激 元的调控以实现对谐振腔共振模式的高效调控。
[0035] 本发明利用了太赫兹波腔模与等离子体波模式强耦合后形成的等离极化激元实 现对太赫兹波的高效调制。能实现高速（约1GHz)和大调制深度（70%即10dB以上）的调 制，为实现太赫兹高速成像和高速通信所必须的调制器提供一种可能的解决方案。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明所述太赫兹调制器的结构原理示意图；
[0037] 图2为本发明所述太赫兹调制器中的光栅栅极示意图，其中图2a为一维光栅栅 极，图2b为插指光栅栅极；
[0038] 图3为本发明所述太赫兹调制器中对称谐振腔的结构示意图；
[0039] 图4为本发明所述太赫兹调制器在工作状态下的各电极偏置示意图；
[0040] 图5为等离子激元和自由空间太赫兹光的色散关系曲线；
[0041] 图6为等离子激元与谐振腔模式强耦合形成等离极化激元的两分支《 +和《曲 线图；
[0042] 图7为计算得出的等离极化激元本征模式；
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