九峰山实验室着力破解太赫兹器件频率瓶颈

来源：湖北九峰山实验室

 

2023年11月，九峰山实验室基于氮化镓（GaN）材料的太赫兹肖特基二极管（SBD）研制成功。经验证，该器件性能已达到国际前沿水平。肖特基二极管（SBD）技术是太赫兹领域应用广泛的核心技术，此项成果打破了制约氮化镓SBD器件频率提升的行业瓶颈，为实现高频、高效的倍频电路，以及小型化、轻量化的太赫兹源奠定重要器件基础。

九峰山实验室6英寸GaN SBD Wafer及结构

 

面向未来开发太赫兹核心技术

太赫兹技术具有分辨率高、方向性强、信息量大、安全性好等优点。肖特基二极管(SBD)则是太赫兹领域非常重要的一类器件，它具有强电容非线性，可以对输入信号频率生成高次谐波，倍频输出太赫兹(THz)信号。而氮化镓（GaN）的材料特性能使此类器件具有高频、高功率、低损耗等优点，因此氮化镓肖特基二极管（GaN SBD）被认为是实现全固态、小型化及轻量化太赫兹源的核心器件。

突破瓶颈器件性能达国际前沿水平

传统的氮化镓肖特基二极管存在串联电阻大、寄生电容高的问题，严重制约了器件频率的提升。面对挑战，九峰山实验室研究中心无线技术组，在分析制约器件频率特性提升的关键因素后，从材料和器件两方面入手进行设计。
通过开发具有强极化超薄势垒的GaN异质结构，二维电子气的面密度和迁移率显著提升、材料电阻明显降低；同时低寄生肖特基结结构则有效降低了开启电压、减小寄生电容，使器件频率特性进一步提升。

 

仿真结果
在器件制备流程方面，团队开发了高精度光刻及低损伤刻蚀技术，连续攻克了绝缘衬底GaN小尺寸器件的光刻曝光精度差、套刻容差大、刻蚀损伤大等多项关键工艺问题；并制定和实施了全套微观表征及电学特性测试方案。
最终测试结果表明，该器件零偏时结电容最小仅为6fF，最大截止频率超过1.5THz，处于国内领先及国际先进水平。

 

氮化镓SBD器件性能对比图

 

团队介绍

 

吴畅博士

九峰山实验室研究中心无线领域首席专家

华中科技大学集成电路学院兼职教授

湖北省电子信息标准化技术委员会委员

曾先后主持或参与多个国家级及省部级重点研发项目，带领团队专注创新性毫米波、太赫兹及微波光子学器件基础研究，从物理基础、器件工艺和模型出发，重点突破新型三维栅结构、强极化势垒、高鲁棒性器件模型等关键技术难点。这些核心器件的基础研究为面向未来更高频率、更大带宽和更低功耗等通信传输需求提供了重要的技术保障。

 

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审核编辑 黄宇