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,、波長小，具有分辨率高,、帶寬寬和安全性高等優(yōu)點,，在射電天文、醫(yī)學(xué),、通信,、安全和國防等領(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，功率源一般通過放大器實現(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，無法滿足應(yīng)用要求?；?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/肖特基二極管" target="_blank">肖特基二極管實現(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的一種重要途徑,。

    國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到3.2 THz^[6],，倍頻肖特基二極管工作頻率達2.7 THz^[7]，幾乎覆蓋了整個太赫茲頻段,。由于國內(nèi)平面肖特基二極管技術(shù)發(fā)展較晚,，倍頻器的設(shè)計多采用國外的商用二極管，不利于太赫茲電子系統(tǒng)的國產(chǎn)化,。本課題組于2013年研制出截止頻率達3.9 THz的平面GaAs肖特基二極管,，為太赫茲倍頻器的國產(chǎn)化奠定了器件基礎(chǔ)^[8]。

    本文采用國產(chǎn)的平面GaAs肖特基二極管設(shè)計出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),，陽極指為點支撐空氣橋結(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,，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，實現(xiàn)基波與二次諧波的隔離,，在簡化電路的同時又降低了損耗,。

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寬分別為340 μm×60 μm,，肖特基結(jié)直徑為3 μm,，陽極結(jié)數(shù)為4,，合理設(shè)計二極管的pad大小、陽極指的長度等結(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,，陽極指在工藝上采用點支撐空氣橋結(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。

    陽極接觸制作在低摻雜的n型砷化鎵外延層,，然后通過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,。采用窄的金屬即陽極指連接肖特基結(jié)和較大陽極接觸金屬,，形成電流通路,。去除陽極指下面的砷化鎵材料,，實現(xiàn)陽極和陰極的隔離,。最后采用二氧化硅或氮化硅材料對器件表面進行鈍化,。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機制包括熱電子發(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,，電子輸運機制為量子隧穿效應(yīng)。對于良好的金半接觸,，熱電子發(fā)射為主要的輸運機制。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為絕對溫度,，φ_b為勢壘高度，k_B為波爾茲曼常數(shù),。

    圖3為測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模型

    模型是電路設(shè)計的基礎(chǔ),，其精度關(guān)系到倍頻模塊設(shè)計的準(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,，包括基于測量的行為特性或線性理論的等效電路模型法,、閉合經(jīng)驗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際結(jié)構(gòu)建立二極管無源部分的三維模型,，用來描述肖特基二極管在高頻下的寄生參量,，同時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等非線性特性,。

    肖特基二極管無源部分是通過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)對測試得到的肖特基二極管的電流電壓特性進行數(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

    300 GHz倍頻電路的設(shè)計是基于平衡式的拓撲結(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(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,，可以有效實現(xiàn)輸入與輸出之間的隔離而不需要外加濾波器,，在簡化電路的同時又降低了損耗,。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的TM11模式,，使得信號能更好地耦合進二極管中。直流偏置電路采用低通濾波器實現(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),。輸入端增加一級減高波導(dǎo)，通過調(diào)整減高波導(dǎo)的長度和二極管的位置來進行輸入阻抗的匹配,，輸出阻抗采用懸置微帶線進行匹配,。電路偏置通過低通濾波器來實現(xiàn),，以防止產(chǎn)生的二次倍頻信號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 測試與結(jié)果分析

    圖8所示為輸出功率測試系統(tǒng)框圖,，射頻信號由信號源產(chǎn)生，經(jīng)6倍頻器和功率放大器輸出大功率E波段信號,，進入150 GHz二倍頻器產(chǎn)生基波信號,，基波信號經(jīng)過二次倍頻產(chǎn)生300 GHz的射頻信號，通過功率計測量其功率值,。

    300 GHz倍頻器照片和輸出功率的測試結(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，并進行了測試,，結(jié)果如圖10所示,，倍頻器的最大輸出功率達到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對比了國內(nèi)外300 GHz附近倍頻器的性能，從表中可以看出采用國產(chǎn)肖特基二極管研制出的倍頻器的輸出功率與已知文獻報道水平相當(dāng),，但倍頻效率偏低,，主要是因為所用二極管的結(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測曲線的對比圖,，可以看出實測的倍頻效率比仿真值小,，同時帶寬也變窄。通過分析,，可能有以下幾個方面原因：(1)仿真過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,，由于儀器精度問題,，無法進行精確測量,，只能采用理論計算的方式，可能與實際值有偏差,；(3)二極管采用手動裝配,，偏差較大，由于頻段較高,，裝配精度對倍頻器的性能影響較大,，采用單片電路設(shè)計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)國產(chǎn)肖特基二極管的測試數(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際結(jié)構(gòu),，建立了三維電磁場模型,。采用平衡式電路結(jié)構(gòu)成功設(shè)計并制作出基于國產(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。測試結(jié)果與仿真基本一致,，輸出功率與國內(nèi)外水平相當(dāng),，驗證了肖特基二極管的能力和倍頻器設(shè)計方法，但由于模型和裝配精度問題導(dǎo)致實測效率有所下降且?guī)捿^窄,。同時由于所用二極管結(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 專用集成電路國家級重點實驗室,，河北 石家莊050051)