九峰山實(shí)驗(yàn)室著力破解太赫茲器件頻率瓶頸

來(lái)源：湖北九峰山實(shí)驗(yàn)室

2023年11月，九峰山實(shí)驗(yàn)室基于氮化鎵（GaN）材料的太赫茲肖特基二極管（SBD）研制成功。經(jīng)驗(yàn)證，該器件性能已達(dá)到國(guó)際前沿水平。肖特基二極管（SBD）技術(shù)是太赫茲領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的核心技術(shù)，此項(xiàng)成果打破了制約氮化鎵SBD器件頻率提升的行業(yè)瓶頸，為實(shí)現(xiàn)高頻、高效的倍頻電路，以及小型化、輕量化的太赫茲源奠定重要器件基礎(chǔ)。

九峰山實(shí)驗(yàn)室6英寸GaN SBD Wafer及結(jié)構(gòu)

面向未來(lái)開(kāi)發(fā)太赫茲核心技術(shù)

太赫茲技術(shù)具有分辨率高、方向性強(qiáng)、信息量大、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。肖特基二極管(SBD)則是太赫茲領(lǐng)域非常重要的一類器件，它具有強(qiáng)電容非線性，可以對(duì)輸入信號(hào)頻率生成高次諧波，倍頻輸出太赫茲(THz)信號(hào)。而氮化鎵（GaN）的材料特性能使此類器件具有高頻、高功率、低損耗等優(yōu)點(diǎn)，因此氮化鎵肖特基二極管（GaN SBD）被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)全固態(tài)、小型化及輕量化太赫茲源的核心器件。

突破瓶頸器件性能達(dá)國(guó)際前沿水平

傳統(tǒng)的氮化鎵肖特基二極管存在串聯(lián)電阻大、寄生電容高的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了器件頻率的提升。面對(duì)挑戰(zhàn)，九峰山實(shí)驗(yàn)室研究中心無(wú)線技術(shù)組，在分析制約器件頻率特性提升的關(guān)鍵因素后，從材料和器件兩方面入手進(jìn)行設(shè)計(jì)。
通過(guò)開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)極化超薄勢(shì)壘的GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，二維電子氣的面密度和遷移率顯著提升、材料電阻明顯降低；同時(shí)低寄生肖特基結(jié)結(jié)構(gòu)則有效降低了開(kāi)啟電壓、減小寄生電容，使器件頻率特性進(jìn)一步提升。

仿真結(jié)果
在器件制備流程方面，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了高精度光刻及低損傷刻蝕技術(shù)，連續(xù)攻克了絕緣襯底GaN小尺寸器件的光刻曝光精度差、套刻容差大、刻蝕損傷大等多項(xiàng)關(guān)鍵工藝問(wèn)題；并制定和實(shí)施了全套微觀表征及電學(xué)特性測(cè)試方案。
最終測(cè)試結(jié)果表明，該器件零偏時(shí)結(jié)電容最小僅為6fF，最大截止頻率超過(guò)1.5THz，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先及國(guó)際先進(jìn)水平。

氮化鎵SBD器件性能對(duì)比圖

團(tuán)隊(duì)介紹

吳暢博士

九峰山實(shí)驗(yàn)室研究中心無(wú)線領(lǐng)域首席專家

華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院兼職教授

湖北省電子信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員

曾先后主持或參與多個(gè)國(guó)家級(jí)及省部級(jí)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專注創(chuàng)新性毫米波、太赫茲及微波光子學(xué)器件基礎(chǔ)研究，從物理基礎(chǔ)、器件工藝和模型出發(fā)，重點(diǎn)突破新型三維柵結(jié)構(gòu)、強(qiáng)極化勢(shì)壘、高魯棒性器件模型等關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。這些核心器件的基礎(chǔ)研究為面向未來(lái)更高頻率、更大帶寬和更低功耗等通信傳輸需求提供了重要的技術(shù)保障。

審核編輯 黃宇