0 引言

    太赫茲波的頻率范圍為0.3 THz～3 THz，與微波毫米波相比，太赫茲波的頻率高、波長(zhǎng)小，具有分辨率高、帶寬寬和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在射電天文、醫(yī)學(xué)、通信、安全和國(guó)防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景^[1-5]。由于缺少太赫茲頻段功率源，太赫茲電子系統(tǒng)的發(fā)展非常緩慢。在毫米波頻段，功率源一般通過(guò)放大器實(shí)現(xiàn)，而在太赫茲頻段放大器多采用InP基的放大器，其功率較小，無(wú)法滿足應(yīng)用要求。基于肖特基二極管實(shí)現(xiàn)的固態(tài)高效倍頻技術(shù)是目前獲取高功率太赫茲頻段信號(hào)的一種重要途徑。

    國(guó)外的肖特基二極管及相應(yīng)的倍頻技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年，技術(shù)成熟，并已經(jīng)商業(yè)化。目前，混頻肖特基二極管的工作頻率達(dá)到3.2 THz^[6]，倍頻肖特基二極管工作頻率達(dá)2.7 THz^[7]，幾乎覆蓋了整個(gè)太赫茲頻段。由于國(guó)內(nèi)平面肖特基二極管技術(shù)發(fā)展較晚，倍頻器的設(shè)計(jì)多采用國(guó)外的商用二極管，不利于太赫茲電子系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化。本課題組于2013年研制出截止頻率達(dá)3.9 THz的平面GaAs肖特基二極管，為太赫茲倍頻器的國(guó)產(chǎn)化奠定了器件基礎(chǔ)^[8]。

    本文采用國(guó)產(chǎn)的平面GaAs肖特基二極管設(shè)計(jì)出300 GHz二倍頻器。肖特基二極管為反向串聯(lián)的4管芯結(jié)構(gòu)，陽(yáng)極指為點(diǎn)支撐空氣橋結(jié)構(gòu)，降低器件寄生電容，提高器件性能。采用場(chǎng)路結(jié)合的方式建立了肖特基二極管的模型，提高了模型精度。電路結(jié)構(gòu)上采用平衡式設(shè)計(jì)，抑制奇次諧波，輸出偶次諧波，二極管放置在減高波導(dǎo)內(nèi)，利用模式的正交性，實(shí)現(xiàn)基波與二次諧波的隔離，在簡(jiǎn)化電路的同時(shí)又降低了損耗。

1 肖特基二極管建模

1.1 二極管的選擇與制備

    根據(jù)300 GHz倍頻電路和腔體尺寸，選擇肖特基二極管的長(zhǎng)寬分別為340 μm×60 μm，肖特基結(jié)直徑為3 μm，陽(yáng)極結(jié)數(shù)為4，合理設(shè)計(jì)二極管的pad大小、陽(yáng)極指的長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便易于倍頻電路的匹配。為降低器件的寄生電容，陽(yáng)極指在工藝上采用點(diǎn)支撐空氣橋結(jié)構(gòu)，降低器件在高頻下的損耗。圖1所示為砷化鎵肖特基二極管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

    陽(yáng)極接觸制作在低摻雜的n型砷化鎵外延層，然后通過(guò)外延層刻蝕露出高摻雜的砷化鎵層，在該層制作歐姆接觸，歐姆接觸距肖特基結(jié)幾微米。采用窄的金屬即陽(yáng)極指連接肖特基結(jié)和較大陽(yáng)極接觸金屬，形成電流通路。去除陽(yáng)極指下面的砷化鎵材料，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極和陰極的隔離。最后采用二氧化硅或氮化硅材料對(duì)器件表面進(jìn)行鈍化。圖2所示為制備完成后的反向串聯(lián)肖特基二極管SEM照片。

1.2 二極管的電流電壓特性

    在正向偏置條件下，金屬-砷化鎵界面的電子輸運(yùn)機(jī)制包括熱電子發(fā)射、空間電荷區(qū)的復(fù)合以及中性區(qū)的復(fù)合。在反向偏置條件下，電子輸運(yùn)機(jī)制為量子隧穿效應(yīng)。對(duì)于良好的金半接觸，熱電子發(fā)射為主要的輸運(yùn)機(jī)制。這樣，肖特基二極管的電流電壓(I-V)關(guān)系可用下式表示^[9]：

其中，I_d為二極管總電流，I_s為反向飽和電流，V_j為結(jié)電壓，q為電子電荷，n為理想因子，A為結(jié)面積，A^**為有效理查德森常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，φ_b為勢(shì)壘高度，k_B為波爾茲曼常數(shù)。

    圖3為測(cè)試得到的肖特基二極管電流電壓特性，由此可提取出肖特基二極管結(jié)的一些非線性參數(shù)。

1.3 二極管的三維電磁場(chǎng)模型

    模型是電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其精度關(guān)系到倍頻模塊設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，也是能否充分發(fā)揮二極管性能的關(guān)鍵。平面肖特基二極管建模的方法有多種，包括基于測(cè)量的行為特性或線性理論的等效電路模型法、閉合經(jīng)驗(yàn)公式法和二極管三維電磁模型分析法等^[10]，其中二極管三維電磁模型分析法是目前較為常用、精度較高的一種方法。該建模方法的思路是根據(jù)肖特基二極管的器件實(shí)際結(jié)構(gòu)建立二極管無(wú)源部分的三維模型，用來(lái)描述肖特基二極管在高頻下的寄生參量，同時(shí)器件的有源肖特基結(jié)部分采用非線性集總元件模型，以描述器件的直流以及大信號(hào)等非線性特性。

    肖特基二極管無(wú)源部分是通過(guò)電磁仿真軟件建立三維結(jié)構(gòu)參數(shù)模型，根據(jù)二極管器件的半導(dǎo)體材料層次分布和與器件工藝相關(guān)的三維物理結(jié)構(gòu)尺寸，建立肖特基二極管三維仿真模型，如圖4所示。模型從上到下的層次結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

    根據(jù)式(1)和式(2)對(duì)測(cè)試得到的肖特基二極管的電流電壓特性進(jìn)行數(shù)值分析和擬合，可得到器件的相關(guān)電學(xué)模型參數(shù)，如表2所示。

2 電路設(shè)計(jì)

    300 GHz倍頻電路的設(shè)計(jì)是基于平衡式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示，該結(jié)構(gòu)可以抑制奇次諧波，輸出偶次諧波，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。為增加輸出功率，倍頻器采用反向串聯(lián)的4管芯平面肖特基二極管結(jié)構(gòu)。兩個(gè)二極管芯片反向串聯(lián)安裝在位于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的電路上。輸入矩形波導(dǎo)中的信號(hào)(TE10模)饋入到二極管陣列中，相應(yīng)產(chǎn)生二次諧波(TEM模)。利用模式的正交性，可以有效實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的隔離而不需要外加濾波器，在簡(jiǎn)化電路的同時(shí)又降低了損耗。另外輸入波導(dǎo)采用減高波導(dǎo)的形式，這樣可以截止輸入信號(hào)的TM11模式，使得信號(hào)能更好地耦合進(jìn)二極管中。直流偏置電路采用低通濾波器實(shí)現(xiàn)，以阻止二次諧波的泄漏。

    電路仿真采用非線性電路諧波仿真和三維電磁場(chǎng)仿真相結(jié)合的方法。倍頻器三維結(jié)構(gòu)仿真模型如圖6所示，輸入端采用WR6波導(dǎo)，輸出端采用WR2.8波導(dǎo)。輸入端增加一級(jí)減高波導(dǎo)，通過(guò)調(diào)整減高波導(dǎo)的長(zhǎng)度和二極管的位置來(lái)進(jìn)行輸入阻抗的匹配，輸出阻抗采用懸置微帶線進(jìn)行匹配。電路偏置通過(guò)低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以防止產(chǎn)生的二次倍頻信號(hào)從直流偏置端口泄漏。電路采用懸置微帶形式，電路基板為50 μm厚的石英材料，其介電常數(shù)較小(3.78)，可以降低電路的傳輸損耗。

    仿真時(shí)輸入基波功率采用100 mW左右，以提高電路效率為仿真優(yōu)化目標(biāo)，倍頻電路效率仿真結(jié)果如圖7所示。倍頻模塊在306 GHz～322 GHz的仿真倍頻效率大于5%，其中314 GHz～319 GHz的倍頻效率大于10%。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

    圖8所示為輸出功率測(cè)試系統(tǒng)框圖，射頻信號(hào)由信號(hào)源產(chǎn)生，經(jīng)6倍頻器和功率放大器輸出大功率E波段信號(hào)，進(jìn)入150 GHz二倍頻器產(chǎn)生基波信號(hào)，基波信號(hào)經(jīng)過(guò)二次倍頻產(chǎn)生300 GHz的射頻信號(hào)，通過(guò)功率計(jì)測(cè)量其功率值。

    300 GHz倍頻器照片和輸出功率的測(cè)試結(jié)果如圖9所示。倍頻器在312～319 GHz的倍頻效率大于5%，最大倍頻效率為10.1%@316 GHz；在307 GHz～318 GHz的輸出功率大于4 mW，最大輸出功率為8.7 mW@316 GHz。在不改變電路和腔體結(jié)構(gòu)的情況下，將器件替換為具有較高摻雜濃度n-層砷化鎵材料的肖特基二極管，并進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖10所示，倍頻器的最大輸出功率達(dá)到11.8 mW@316 GHz，最大倍頻效率為13.7%。從圖中可以看出倍頻器的帶寬有所減小，但是最大輸出功率和效率得到很大的提高，這主要是由于采用較高摻雜濃度的材料，降低了二極管的串聯(lián)電阻。

    表3對(duì)比了國(guó)內(nèi)外300 GHz附近倍頻器的性能，從表中可以看出采用國(guó)產(chǎn)肖特基二極管研制出的倍頻器的輸出功率與已知文獻(xiàn)報(bào)道水平相當(dāng)，但倍頻效率偏低，主要是因?yàn)樗枚O管的結(jié)電容偏小，不適合該頻段工作，如采用較大的結(jié)電容，可以獲得更高的倍頻效率。

    圖11是倍頻效率仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比圖，可以看出實(shí)測(cè)的倍頻效率比仿真值小，同時(shí)帶寬也變窄。通過(guò)分析，可能有以下幾個(gè)方面原因：(1)仿真過(guò)程中基本都采用理想材料特性和理想條件，導(dǎo)致仿真結(jié)果較好；(2)二極管的結(jié)電容較小，由于儀器精度問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行精確測(cè)量，只能采用理論計(jì)算的方式，可能與實(shí)際值有偏差；(3)二極管采用手動(dòng)裝配，偏差較大，由于頻段較高，裝配精度對(duì)倍頻器的性能影響較大，采用單片電路設(shè)計(jì)可以省去二極管裝配步驟，提高裝配精度。

4 結(jié)論

    本文根據(jù)國(guó)產(chǎn)肖特基二極管的測(cè)試數(shù)據(jù)，提取了二極管的肖特基結(jié)的非線性參數(shù)，參照工藝和二極管實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立了三維電磁場(chǎng)模型。采用平衡式電路結(jié)構(gòu)成功設(shè)計(jì)并制作出基于國(guó)產(chǎn)肖特基二極管的300 GHz二倍頻器，在312～319 GHz的倍頻效率大于5%，最大倍頻效率為10.1%@316 GHz，在307 GHz～318 GHz的輸出功率大于4 mW，最大輸出功率為8.7 mW@316 GHz。采用較高摻雜濃度材料二極管的倍頻器最大效率為13.7%，最大輸出功率為11.8 mW。測(cè)試結(jié)果與仿真基本一致，輸出功率與國(guó)內(nèi)外水平相當(dāng)，驗(yàn)證了肖特基二極管的能力和倍頻器設(shè)計(jì)方法，但由于模型和裝配精度問(wèn)題導(dǎo)致實(shí)測(cè)效率有所下降且?guī)捿^窄。同時(shí)由于所用二極管結(jié)電容偏小導(dǎo)致倍頻效率較低，下一步將采用較大的結(jié)電容，以期獲得更高的倍頻效率和輸出功率。

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作者信息:

張立森，梁士雄，楊大寶，徐  鵬，宋旭波，呂元杰，馮志紅

(河北半導(dǎo)體研究所 專用集成電路國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊050051)