电子技术中太赫兹固态电子器件与电路的探讨

材料，基极和集电极选用窄带隙InGaAs材料。为提升该器件的功率及频率特性，从消除InP和InGaAs材料的导带尖峰、提升ƒT和ƒmax等三方面入手。

（1）消除导带尖峰。导带尖峰会对载流子运动造成阻碍，降低器件击穿电压和频率特性。通常从三方面入手去除集电极导带尖峰：在集电极InP和基极InGaAs之间安置隔隙多层结构，集电极过度缓慢而消除导带尖峰；在集电极InP和基极InGaAs之间安置超晶格结构，生成子能带而消除导带尖峰；基极选用GaAsSb材料，因其导带顶大于InP材料，故能带结构为无导带尖峰的II型结构[1]。

（2）提升ƒT：常用方法是降低基极和集电极厚度。对于规格大小为12.5nm C掺杂基极、0.32m发射极和55nm集电极的InP HBT器件，ƒT达到765GHz时，ƒmax=227GHz。ƒT>300GHz的InP DHBT器件，其组成规格是20nm C掺杂基极， 0.8m发射极和150nm集电极，通过组分渐变进行导带尖峰消除。当改用超晶格消除导带尖峰、ƒT=660GHz时，集电极厚度为60nm，发射极为250m。

（3）提升ƒmax：常用方法是缩小结面积，减小基极寄生电容及接触电阻等，通常选用发射极和基极自对准来降低基极寄生电阻，缩小基极面积降低寄生电容。通过减小基极和发射极宽度来提升ƒmax，目前HTB器件ƒT达到0.52THz时，ƒmax最高，为1.2THz，此时器件规格为30nm基极、30nm发射极和100nm集电极。

1.2 InP基HEMT器件

InP基HEMT器件由源极、栅极和漏极构成（其结构如图2所示），属于场效应器件，最大特点是高频率下噪声低，常从增加器件载流子迁移率，降低器件栅长，提升栅控能力及降低器件寄生电容及电阻等方面提升器件ƒT和ƒmax及降低ƒmin。

（1）增加器件載流子迁移率可以获得较高的截止频率。器件沟道层组成材料对载流子迁移率有直接关系，通常In-GaAs沟道材料组成器件的迁移率为8000cm2/Vs，为提升器件载流子迁移率可以适当增加InGaAs沟道材料中的In组分，选用InGaAs/InAs/InGaAs符合材料形成的器件迁移率高达15000cm2/Vs。

（2）降低器件栅长。常选用多层光刻胶形成的T栅型来降低栅长及栅极电阻。通过电子束曝光可使栅长降低至30nm，ƒT为644GHz，ƒmax为681GHz；将电子束曝光和介质干法刻蚀结合使用可使栅长降低至15nm，ƒT为580GHz，ƒmax为320GHz。

（3）提升栅控能力。跨导可以反馈器件的栅控能力，在材料和栅长一定时，跨导由沟道层厚度、栅槽侧蚀宽度及栅金属与沟道层间势垒层厚度决定。沟道层厚度、栅金属与沟道层间势垒层厚度均与ƒT成反比，沟道层厚度降低会同时影响载流子浓度，使电流下降，故而应选择合适的沟道层厚度[2]；借助栅极Pt金属扩散技术可使势垒层厚度低至4nm，栅长为40nm，跨导2.7mS/μm，ƒT为688GHz，ƒmax为800GHz。栅槽侧蚀宽度随器件的材料和结构影响ƒT，且存在最佳值。

（4）降低器件寄生电容及电阻。栅脚高度越高，寄生电容越小；源漏欧姆接触电阻和势垒层电阻越小，寄生电阻越小。欧姆接触电阻可通过提升金属-半导体结降低，势垒层电阻可通常在In0.52Al0.48As隔离层和In0.7Ga0.3As沟道层间增添高In组分的In0.7Al03As层，以及降低源漏极间距等方法降低。

2 太赫兹单片集成电路（TMIC）

太赫兹单片集成核心电路包括太赫兹源、功率放大器，低噪声放大器、混频器等，常用双端器件构成混频器，以下详细阐述基于InP 基HBT和HEMT的TMIC发展。

（1）太赫兹源：有压控振荡器（VCO）和锁相环（PLL）两种，PLL频率稳定性能更好但制备困难。2007年，基于35nm栅长的InP基HEMT技术使得基频振荡器达314GHz和346GHz，输出功率达 46μW和25μW；2008年，生产了330 GHz振荡器，输出功率为0.27mW。

HBT器件表面效应及1/f 噪声特性都很小，较HEMT器件更适合制备小相位噪声的VCO。2007年，通过300nm发射极的HBT生成了311GHz的基频振荡器。2010年，基频振荡器频率高达570GHz，固定频率的振荡电路，基频振荡器为310 GHz、412GHz、573GHz时，输出功率为–6.2dBm、–5.6dBm、–19.2dBm，300 GHz 调谐带宽下VCO为12GHz，在286GHz，偏频10MHz时相位噪声达–96.6dBc/Hz[3]。同年，通过250nmInP基HBT器件生成了单片PLL电路，频率范围是300.76GHz-301.12GHz，输出功率达–23dBm，在偏频100kH时相位噪声达–78 dBc/Hz，功耗301.6mW，属于当下最高工作频率的PLL。

（2）功率放大器：科技的进步促使太赫兹功率放大器飞速发展，2007年借助InP HEMT技术生成了功率超过300GHz的单片集成功率放大器，输入335GHz的小信号增益为12dB，输出功率达2mW；2008年借助250nm发射极的InP DHBT生成了324GHz的单片集成功率放大器，增益为4.8dB，输出功率达1.3mW；2010年借助50nm栅长的InP基HEMT生成了功率为50mW的集成放大器，频率范围是207GHz-230GHz，增益11.5dB，同年在输入340GHz的小信号时增益达15dB，输出功率达10mW。

（3）低噪声放大器：2010年通过InP HBT技术生成了超过300 GHz的放大器，290 GHz下六级运放增益达17.3dB，288 GHz下单级共射级、共基级LAN增益达8.4dB，300GHz时噪声系数达11.2dB；315GHz下两级共射级、共基级LAN增益达20.5dB。通过高截止频率的InP HEMT技术生成了0.48THz的放大器，五级放大器工作频率在465GHz-482.5GHz间增益达11.7dB；同年，0.55THz的InP HEMT共源–共栅MMIC放大器和三级放大器，300GHz时增益达17dB，噪声系数达8.3dB，0.55THz的窄带放大器增益达10dB。2011年，通过30nmInP HEMT技术生成了0.67THz低噪声放大器，此时，五级放大器噪声系数达13dB，增益达7 dB，十级放大器峰值增益为30dB。

3 太赫兹固态电子器件和电路未来展望

随着半导体材料和器件的不断进步，三端固态电子器件和电路趋于高频率、高集成化方向进步，在太赫兹频段领域广泛应用。InP基固态电子器件和电路的应用大大展现了太赫兹频率方面的特点，今后发展的目标是更充分地挖掘InP的材料优势，提升器件的频率特性[4]。此外，在进行太赫兹电路设计时，为降低损耗，衬底向更薄化发展，电路的工作频率和功率随着损耗减少而增加。根据ITRS预测结果可知，栅长35nm的InP HEMT器件ƒT为700GHz，ƒmax>1000GHz；发射极65nm 的InP HBT器件ƒT为1THz，ƒmax为2THz，击穿电压3V。将此类电路应用于高达1THz的TMIC将会使TMIC向着频率更高的趋势前进[5]。Si工艺技术的飞速发展会促进太赫兹技术的广泛应用，Si技术在大规模、高集成电路中应用甚广，器件频率特性随Si技术和RF CMOS技术的发展而不断提升，预计会向更高频率至太赫兹频段发展，到2020年时，RF CMOS器件节点将精确至10nm，借助SOI技术或多栅生成的器件ƒT和ƒmax将突破1THz。此外，GeSi/Si HBT的发展也在向太赫兹靠拢，大大促进太赫兹电路的发展。

4 结语

综上所述，随着半导体材料和器件精度的不断提升和发展，三端固态电子器件及电路的频率特性也会随之提升，体积和功耗都将会随之逐渐减小，其在众多科学领域，尤其是空间太赫兹技术领域的应用将会越来越广泛。

参考文献

姚建铨，钟凯，徐德刚.太赫兹空间应用研究与展望[J].空间电子技术，2013，（02）.

金智，丁芃，苏永波，等.太赫兹固态电子器件和电路[J].空間电子技术，2013，（04）.

钟英辉，李凯凯，李新建，等.基于InP基HEMTs的W波段高增益低噪声放大MMIC[J].红外与毫米波学报，2015，（06）.

魏建新.浅析微波真空电子器件的发展方向[J].企业技术开发，2014，（31）.

刘丰，朱忠博，崔万照.空间太赫兹信息技术展望[J].微波学报，2013，（02）.

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