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(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)太赫茲電路是太赫茲技術(shù)得以實(shí)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進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(yàn)證工作，采用自主研制的太赫茲肖特基二極管器件實(shí)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(shí)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。

（a）　　　　　　　　　　　　   (b)

　　(c)

　　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）