【導(dǎo)讀】中國科學(xué)院微電子研究所微波器件與集成電路研究室太赫茲器件研究組研制出截止頻率達(dá)到3.37THz的太赫茲肖特基二極管和應(yīng)用于太赫茲頻段的石英電路，可作為太赫茲倍頻器核心元件，經(jīng)中電集團(tuán)41所驗證，性能與國際同類產(chǎn)品相當(dāng)。
近日，中國科學(xué)院微電子研究所微波器件與集成電路研究室（四室）太赫茲器件研究組研制出截止頻率達(dá)到3.37THz的太赫茲肖特基二極管和應(yīng)用于太赫茲頻段的石英電路。該器件作為太赫茲倍頻器核心元件，經(jīng)中電集團(tuán)41所驗證，性能與國際同類產(chǎn)品相當(dāng)。
太赫茲波指的是頻率在0.1THz~10.0THz范圍的電磁波。它具有很多優(yōu)異的性質(zhì)，被美國評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一。太赫茲波譜學(xué)、太赫茲成像和太赫茲通信是當(dāng)前研究的三大方向。在安全檢查、無損探測、天體物理、生物、醫(yī)學(xué)、大氣物理、環(huán)境生態(tài)以及軍事科學(xué)等諸多科學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。具有極高截止頻率的肖特基二極管能夠在室溫下實現(xiàn)太赫茲波的混頻、探測和倍頻，是太赫茲核心技術(shù)之一；此外，在低損耗的襯底上實現(xiàn)太赫茲電路是太赫茲技術(shù)得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。
由四室主任金智研究員領(lǐng)導(dǎo)的太赫茲器件與電路研究組針對太赫茲電路的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，對器件外延材料生長的進(jìn)行了設(shè)計與優(yōu)化，突破了低電阻歐姆接觸合金、肖特基微孔刻蝕和空氣橋腐蝕技術(shù)等關(guān)鍵制作工藝，有效地降低了器件的串聯(lián)電阻和寄生電容，實現(xiàn)了可在太赫茲頻段應(yīng)用的肖特基二極管，并開發(fā)了多種肖特基二極管的集成方式（見圖1），太赫茲肖特基二極管（見圖2）器件的最高截止頻率達(dá)到3.37THz，可廣泛應(yīng)用于太赫茲波的檢測、倍頻和混頻。
為了解決太赫茲頻段下外圍電路損耗高的問題，研究人員開發(fā)出器件與電路襯底背面減薄技術(shù)，并采用低介電常數(shù)石英材料實現(xiàn)了太赫茲電路，研制出厚度小于50um，可應(yīng)用于太赫茲頻段核心電路（見圖3），極大地減小了在太赫茲頻段的損耗，提高了電路模塊的效率。
課題組與中電集團(tuán)第41研究所聯(lián)合開展了太赫茲倍頻器的驗證工作，采用自主研制的太赫茲肖特基二極管器件實現(xiàn)了倍頻器在太赫茲頻段的工作，在 170~220 GHz的倍頻效率為3.6%，220~325 GHz的倍頻效率達(dá)到1.0%（見圖4），可實現(xiàn)寬頻帶倍頻，其輸出功率和倍頻效率與國外VDI同類產(chǎn)品相當(dāng)，該倍頻器可用于構(gòu)建寬頻帶太赫茲源，在太赫茲成像、太赫茲通信和衛(wèi)星遙感方面有著廣闊的應(yīng)用前景。對于太赫茲系統(tǒng)的核心器件（主要是肖特基二極管）的國產(chǎn)化具有重要意義，為國內(nèi)的太赫茲技術(shù)的發(fā)展提供良好的器件和工藝支撐。
圖1 不同種類的太赫茲肖特基多管級聯(lián)結(jié)構(gòu)（a）單管（b）串管（c）對管
圖2 不同結(jié)面積的太赫茲肖特基二極管的截止頻率
圖3 石英核心電路照片
圖4 肖特基二極管倍頻器輸出功率測試結(jié)果（與VDI產(chǎn)品對比）
