一种基于HEMT的太赫兹相控阵无栅调控开关

本发明涉及芯片制作，具体涉及一种基于基于高电子迁移率晶体管(hemt)的相控阵无栅调控开关。

背景技术：

1、在电子行业中，开关是重要的控制电路之一，应用广泛。尤其是有源相控阵雷达，其中的t/r组件更是少不了开关电路。相控阵雷达(英文：phased array radar，par)即相位控制电子扫描阵列雷达，利用大量个别控制的小型天线元件排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的开关控制，通过控制各天线元件发射的时间差，就能合成不同相位(指向)的主波束，而且在两个轴向上均可进行相位变化。相控阵各移相器发射的电磁波以干涉原理强化并合成一个接近笔直的雷达主波瓣，而旁瓣则由于干涉相消而大幅减低。有源相控阵雷达从根本上解决了传统机械扫描雷达的种种先天问题，在相同的孔径与操作波长下，相控阵的反应速度、目标更新速率、多目标追踪能力、分辨率、多功能性、电子反对抗能力等都远优于传统雷达。随着太空科技和军事领域的应用，特别是天体物理和地球遥感研究等推动相控阵向太赫兹波频段发展。在太赫兹波频段，天线特征尺寸进一步减小，这对相应的移相开关也提出了更高的要求。尽管pin管，变容管和cmos在低频段都已有成熟应用，但走向太赫兹频段时遇到了工艺不兼容和开关速度以及集成性差等问题。另外，也有采用液晶、石墨烯或碳纳米管等材料用于太赫兹频段相控阵的探索研究，但这些功能性材料通常损耗大、工艺制备困难，尤其是对于太赫兹频段相控阵天线来说，不是理想的选择。因此，太赫兹相控阵雷达作为一种新型雷达，其具有尺寸小、高速率、可大规模集成的特点，但是其核心部分之一的移相开关，一直处于尚待开发状态。

2、高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，hemt)是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管(modfet)、二维电子气场效应晶体管(2-degfet)、选择掺杂异质结晶体管(sdht)等。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频(毫米波)、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。以gaas或者gan制备的高电子迁移率晶体管以及赝配高电子迁移率晶体管(pseudo orphichemt)被普遍认为是最有发展前途的高速电子器件之一。由于此类器件所具有超高速、低功耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，极大地满足了超高速计算机及信号处理、卫星通信等用途上的特殊需求，故而受到广泛的重视。作为新一代微波及毫米波器件，hemt器件无论是在频率、增益还是在效率方面都表现出无与伦比的优势。同时也是用来制作微波混频器、振荡器和宽带行波放大器和功率开关等核心部件。尤其值得一提的是，基于该结构的hemt器件开关具有击穿电压高、特征通态电阻低和开关速度快等特点。但由于hemt器件开关一般采用三端口器件，即射频信号从源极输入漏极输出，栅极作为控制端口，通过改变栅极电压来控制信号的通断，这也导致了开关器件很难做小。如果开关器件做小，而且还要满足相控阵调相和高集成度的要求，工艺制备难度和成本急剧上升，良品率也无法保证。

3、总而言之，针对有源大面阵相控阵正在从低频段向太赫兹波频段发展，急需发展一种既能满足在太赫兹频段调相功能，又能满足集成一体化要求的高性能相控阵无栅开关。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种基于hemt的太赫兹相控阵无栅调控开关，其结构简单，无需制备栅极，加工工艺成熟，制作方便，成品率高，既能满足在太赫兹频段调相功能，又能满足集成一体化的要求。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

3、本发明提供了一种基于hemt的太赫兹相控阵无栅调控开关，包括衬底、形成于所述衬底上的缓冲层；所述太赫兹相控阵无栅调控开关还包括：

4、二维电子气台面层，自下而上依次由沟道层、本征隔离层、掺杂层和帽层组成，且所述二维电子气台面层包括多个第一台面层以及一线状的第二台面层，所述多个第一台面层呈阵列式分布，所述第二台面层将所述多个第一台面层从中部串联连接；

5、多对金属复合导电层，分别形成于所述第一台面层两端的帽层上；

6、多对天线，分别形成于所述第一台面层两端的帽层上，且位于所述金属复合导电层的两侧，并与所述金属复合导电层在横向上具有交叠区；以及

7、欧姆电极，与所述第二台面层的一端部欧姆接触。

8、进一步地，所述衬底的材料为si、sic、蓝宝石、inp或gaas，所述缓冲层的材料为gan、algan、gaas、algaas或ingaas。

9、进一步地，所述二维电子气台面层的材料体系为gaas/algaas异质结构、ingaas/algaas异质结构、ingaas/inalas异质结构、gan/algan异质结构或ingan/algan异质结构。

10、进一步地，所述第一台面层为矩形台面层，其长度为5μm-20μm，宽度10μm-200μm。

11、进一步地，所述第二台面层为直线结构的台面层或蛇形结构的台面层。

12、进一步地，所述阵列共计m个，其中1＜m≤4096。

13、进一步地，所述金属复合导电层的材料为ni/au、cr/au、ti/au、ni/cu或ti/ag，其中ni、cr、ti的厚度为3nm-50nm，au、cu、ag的厚度为50nm-200nm。

14、进一步地，所述天线为碟形天线，其材料为ni/au、cr/au、ti/au、ni/cu、ti/ag或ti/al/ni/au，其中，ni、cr、ti的厚度为3nm-50nm，au、al、cu、ag的厚度为50nm-500nm。

15、进一步地，所述天线的长宽尺寸在7.5μm-750μm之间，且所述天线与金属复合导电层在横向上的交叠区至少为2μm，从而形成交流回路。

16、进一步地，所述欧姆电极的材料为ti/al/ni/au或au/ge/ni/au。

17、本发明的基于hemt的太赫兹相控阵无栅调控开关的工作机理是：太赫兹波作用于连在二维电子气台面层微结构上的天线，通过在微结构两端的金属复合导电层与二维电子气之间加载直流电压，使得高电子迁移率晶体管金属复合导电层下局域二维电子的浓度发生变化，从而实现一对天线之间的连接与断开，即实现了太赫兹波的相位调控。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、1.本发明将设有hemt的二维电子气台面微结构，结合带有天线架构的金属复合导电层，通过外部馈电调节微结构中局部hemt的载流子浓度，实现一对天线的通断，最终实现太赫兹波的高速相位调制。与pin管或者变容二极管相比，由于采用hemt体系，电容变化范围更大，约20倍；工作频率更高，尺寸面积更小，无直流通路，无静态功耗，易于大面积集成。

20、2.与现有的hemt三端器件相比，本发明的基于hemt的太赫兹相控阵无栅调控开关为两端工作器件，其结构简单，无需制备栅极，加工工艺成熟(可用普通光刻手段实现)，制作方便，成品率高；更为重要的是，有两种工作调控模式。