太赫兹肖特基二极管技术研究进展

太赫兹肖特基二极管是太赫兹应用领域中非常重要的一种器件,它可以实现高频信号的混频和倍频,研制发展太赫兹肖特基二极管对于太赫兹技术有重要意义。本文首先介绍了太赫兹肖特基二极管的种类及性能表征,接着介绍国内外主要研究机构在太赫兹肖特基二极管方面的研制成果和进展,最后总结出研制太赫兹肖特基二极管的关键技术和发展方向。     

基于肖特基二极管的太赫兹二倍频器设计

固态倍频器是太赫兹源应用中的关键器件,如何利用非线性器件提高太赫兹倍频器件的效率是设计太赫兹固态电路的关键。本文介绍了利用肖特基二极管非线性特性设计固态太赫兹二倍频器的2种方法,即采用直接阻抗匹配和传输模式匹配设计了2种不同拓扑结构的170 GHz二倍频器,针对设计的结构模型,分别进行三维有限元电磁仿真和非线性谐波平衡仿真。仿真结果表明,在17 dBm输入功率的驱动下,倍频器在160 GHz~180 GHz输出频率范围内,倍频效率在15%左右,输出功率大于7 mW。最后对2种方法设计的倍频器结构进行了简单对比和分析,为今后太赫兹倍频研究和设计提供仿真方法。     

基于肖特基二极管的太赫兹功率探头研究

目前的太赫兹功率探头主要采用热敏电阻和热电偶作为功率检测器件,测量速度较慢。肖特基二极管具有较快 的检波速度,但是在太赫兹频段检波灵敏度降低,功率检测实现的难度很大,本文对基于肖特基二极管的太赫兹功率探 头设计技术进行研究,采用双平衡检波、渐变波导匹配、小信号斩波放大、温度补偿等技术,实现了肖特基二极管在太 赫兹频段的高灵敏度、高稳定性功率检测,试验结果表明：0.11THz~0.325THz 频段端口驻波比优于1.35,灵敏度优于 -40dBm。     

基于肖特基二极管的太赫兹功率探头研究

目前的太赫兹功率探头主要采用热敏电阻和热电偶作为功率检测器件,测量速度较慢。肖特基二极管具有较快的检波速度,但是在太赫兹频段检波灵敏度降低,功率检测实现的难度很大,本文对基于肖特基二极管的太赫兹功率探头设计技术进行研究,采用双平衡检波、渐变波导匹配、小信号斩波放大、温度补偿等技术,实现了肖特基二极管在太赫兹频段的高灵敏度、高稳定性功率检测,试验结果表明:0.11THz~0.325THz频段端口驻波比优于1.35,灵敏度优于-40d Bm。     

太赫兹平面肖特基二极管参数模型

根据太赫兹平面肖特基二极管物理结构,在理想二极管SPICE参数模型的基础上建立了二极管小信号等效电路模型。依据该二极管等效电路模型设计了基于共面波导（CPW）去嵌方法的二极管S参数在片测试结构,并对其在0.1~50 GHz、75~110 GHz频率范围内进行了高频小信号测试,利用测试结果提取了高频下二极管电路模型中各部分电容、电阻以及电感参数。将相应的高频下电容与电阻参数分别与低频经验公式电容值和直流I-V测试提取的电阻值进行了对比,并利用仿真手段对高频参数模型进行了验证。完整的参数模型以及测试手段相较于理想二极管SPICE模型和传统的参数提取方法可以更为准确地表征器件在高频下的工作状态。该建模思路可用于太赫兹频段非线性电路的优化设计。     

基于NEDI砷化镓肖特基二极管的D波段和G波段倍频源

基于南京电子器件研究所(NEDI)的GaAs工艺线,通过分析器件的有源层(缓冲层、外延层)材料掺杂浓度和厚度、肖特基接触面积等,综合优化二极管性能,研制出了截止频率为3.2 THz的太赫兹变阻二极管.基于该二极管,通过建立其三维场结构,采用电磁场和电路仿真软件相结合的方法,一体化设计匹配电路和器件,研制出了D波段和G波段倍频源.D波段二倍频器在152.6 GHz测得最高倍频效率为2.7%,在147.4~155 GHz效率典型值为1.3%.G波段二倍频器在172 GHz测得最高倍频效率为2.1%,在150~200 GHz效率典型值为1.0%.     

高截止频率肖特基二极管仿真模型研究

基于表面沟道型平面肖特基势垒二极管基本结构,采用GaAs 0.15μm伪高电子迁移率晶体管（pseudomorphic high electron mobility transistors, pHEMT）工艺制程,提出了一种垂直沟道长跨度空气桥的肖特基二极管模型.研究了不同阳极直径对肖特基二极管级联电阻的影响,对比分析了不同焊盘间距下肖特基二极管模型的S参数仿真结果,得到最优空气桥长度;仿真了最优焊盘间距下二极管肖特基结的TCAD模型,根据仿真得到的特性曲线提取肖特基二极管的SPICE参数.经实验测试,该二极管具有极低的零偏置结电容,截止频率高达9 THz,仿真结果与实测结果吻合度较高,可用于太赫兹频段上.     

用于太赫兹探测的InP基异维肖特基二极管

异维肖特基二极管(HDSD)是一种具有三维金属-二维半导体结的特殊的肖特基势垒二极管。由于具有较小的结电容和串联电阻,HDSD在太赫兹探测中很有应用潜力。本文研制了InP基HDSD,据我们所知相关工作尚未被报道过。与GaAs基HDSD相比,可以预期InP基HDSD有着更好的性能,一方面因为更高的电子迁移率和二维电子气(2DEG)浓度,另一方面因为更小的肖特基势垒高度。通过交流测量得到的截止频率高于500GHz,表明InP基HDSD具有应用于太赫兹探测的潜力。     

低电阻GaN基太赫兹空气桥结构平面肖特基二极管

提出了通过增大欧姆接触电极包围角提高GaN基太赫兹肖特基二极管的截止频率的方法,该方法减小了空气桥结构平面肖特基二极管的串联电阻,进而提高了器件的截止频率.设计并制备了不同欧姆接触电极包围角的空气桥结构平面肖特基二极管,通过对器件Ⅰ-Ⅴ特性及C-V特性的测量,可知随着欧姆接触电极包围角的增大,肖特基二极管的串联电阻减小,而肖特基二极管的总电容并没有受影响.欧姆接触电极全包围结构的肖特基二极管截止频率为264 GHz,约为欧姆接触电极包围角为180°器件的1.6倍.     

T形阳极太赫兹GaAs肖特基二极管的设计与制备

通过对平面形太赫兹肖特基二极管的结构与寄生参数的分析优化,设计并研制了适用于太赫兹频段的不同阳极直径的管芯。管芯为小尺寸设计,采用双层胶电子束直写技术制作T形阳极,阳极剥离后采用100nm的SiO_2介质进行钝化保护,比传统工艺约500nm的SiO_2介质大幅降低,有效降低了器件寄生电容,研制出截止频率f_T(C_(j0))8THz、f_T(C_(total))3.9THz的管芯。通过直流I-V测试和小信号S参数测试提取管芯参数,并分析对比了不同阳极直径管芯的性能参数。     

PN结二极管散粒噪声测试方法研究

针对散粒噪声难以测量的特点,提出了一种低温散粒噪声测试方法。在屏蔽环境下,将被测器件置于低温装置内,有效抑制了外界电磁波和热噪声的干扰,采用背景噪声充分低的放大器以及偏置器、适配器等,建立低温散粒噪声测试系统。应用该系统对PN结二极管进行散粒噪声测试,得到了很好的测试结果。     

250GHz 太赫兹谐波混频器设计

太赫兹变频组件是实现太赫兹成像和通信应用的关键器件。本文中介绍了基于hammer-head 滤波器紧凑结构, 结合肖特结二极管的三维模型和电气模型,设计低变频损耗250GHz 太赫兹谐波混频器的方法。在高倍光学显微镜的精 准测量下,建立尺寸可以跟信号波长相比拟的二极管三维模型,准确模拟二极管的高频特性以提高电磁仿真精度。为了 进一步降低太赫兹混频器的变频损耗,文中除了采用紧凑型的hammer-head 滤波器结构外,同时通过波导探针直接实现 与二极管阻抗的匹配,简化了混频器的结构降低谐波信号传输线损,从而降低太赫兹谐波混频器的变频损耗。最终仿真 结果表明,250GHz 谐波混频器在3dBm 的本振功率驱动下,在230~270GHz 射频范围内,变频损耗(SSB)均小于6.8dB, 最低变频小于6.2dB,中频带宽大于20GHz。     

PIN管控制电路功率容量的确定

PIN管控制电路的功率容量是一个重要的电路参数，必须全面考虑PIN管本身的功率容量和电路结构形式、施加的反向偏置电压、射频信号的频率和形式以及电路在系统中的匹配状况、工作环境和可靠性要求等各项因素综合确定。分析了对影响电路功率容量确定的各种因素，介绍了在射频系统中PIN管控制电路功率容量确定的综合方法。     

SOI横向二极管击穿特性分析

对硅片直接键合方法制作的 SOI横向二极管的击穿特性在不同条件下进行了测量 ,通过计算机模拟分析了击穿机理 ,从器件的几何尺寸和衬底偏置电压方面 ,提出了提高击穿电压的途径。     

一种改进太阳能计算器芯片二极管稳压电路设计

对于太阳能计算器,稳压电路的设计是串联三个PN结二极管以达到稳压目的。这种设计会出现以下问题:当外部光线太强时,太阳能电池板的供电电压较高,而稳压电路由于正向饱和压降过高,不能及时将高电压释放掉,会造成计算器不能正常工作。文章研究了改进二极管稳压电路的设计,通过只变更其中的一层mask(P+),将其中一个PN结二极管改为肖特基二极管,使其正向饱和压降处于一个合理的区间,并且研究了通过该变动后不同的Ti金属厚度以及不同温度对该稳压电路的影响。结果显示该种优化完全符合应用需求。     

一种低噪声CMOS差分环型压控振荡器的设计和分析

设计和分析了一种高稳定性,宽频带范围,低噪声的差分环型压控振荡器.该电路具有较低的压控增益,较好的线性范围,较低的相位噪声.应用复制偏置电路,对差分环型压控振荡器的控制电压进行复制,以提高对环型压控振荡器电源电压噪声和衬底噪声的抑制.采用0.6 tanCMOS工艺进行模拟仿真,当控制电压从1 V到3.2 V变化时,相应的振荡频率为130 MHz到740 MHz;在偏离中心频率100 kHz,1 MHz频率处的相位噪声为-89 dBc,-110 dBc.     

GaAs/AlN异构集成太赫兹倍频器芯片

针对太赫兹GaAs肖特基二极管倍频器芯片散热能力差导致输出功率低的问题,开展了GaAs/AlN异构集成太赫兹倍频器芯片研究。通过稳态热仿真发现,将肖特基二极管芯片衬底由GaAs替换为热导率更高的AlN可以降低结温。对芯片衬底替换工艺开展了研究,获得了GaAs/AlN异构集成太赫兹二极管。分别对基于GaAs衬底二极管和基于GaAs/AlN异构集成二极管的162 GHz倍频器开展功率性能测试对比。测试结果表明:装配GaAs衬底二极管的倍频器输入功率为200 mW时,输出功率最高为43.6 mW;而装配GaAs/AlN异构集成二极管的倍频器输入功率提高到316 mW,输出功率为72.4 mW。肖特基二极管由GaAs衬底替换为AlN衬底后耐受功率(输入功率)提高了约58%,倍频效率由21.8%提升至22.9%,输出功率也相应提升,验证了相比GaAs衬底肖特基二极管,GaAs/AlN异构集成太赫兹二极管的散热性能及耐受功率具有明显的优越性。     

1．3μm InGaAsP／InP超辐射发光二极管的低频光、电噪声研究

给出了研制的１．３μｍＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ超辐射发光二极管的低频光噪声和电噪声及其相关性的实验结果。结合电导数、光导数及光谱测试进行了分析和讨论。结果表明．超辐射发光二极管的低频光噪声和电噪声有相关性．其噪声大小与器件材料质量、结构参数及工作条件密切相关。     

短沟道MOSFET散粒噪声测试方法研究

针对MOSFET散粒噪声难以测量的特点,提出了一种低温散粒噪声测试方法。在屏蔽环境下,将被测器件置于低温装置内,有效抑制了外界电磁波和热噪声的干扰,采用背景噪声足够低的放大器以及偏置器、适配器等,建立低温散粒噪声测试系统。应用本系统对短沟道MOSFET器件进行噪声测试,分析该器件散粒噪声的特性。     

GaN基同型异质结IMPATT二极管噪声特性研究

针对p型GaN IMPATT制造工艺仍未成熟,提出了一种In0.4Ga0.6N/GaN n-n型异质结构来取代常规p-n结构,使GaN IMPATT二极管工作在IMPATT模式下。研究了这种n-n型In0.4Ga0.6N/GaN碰撞电离雪崩渡越时间(IMPATT)二极管的噪声特性,与同等条件下的传统GaN基p-n结IMPATT二极管作比较。结果表明,在不同偏置电流密度和不同InGaN层厚度下,该器件的噪声特性均好于传统p-n结构。结合器件交流输出特性可以得知,In0.4Ga0.6N/GaN同型异质结IMPATT器件不仅在功率效率上优于GaN p-n结构,其噪声性能表现亦优于传统GaN p-n结构,特别是在高频段的噪声特性优势更加明显。该研究可以为GaN基IMPATT器件的设计提供更多的思路和参考。