九峰山實驗室著力破解太赫茲器件頻率瓶頸

來源：湖北九峰山實驗室

2023年11月，九峰山實驗室基于氮化鎵（GaN）材料的太赫茲肖特基二極管（SBD）研制成功。經驗證，該器件性能已達到國際前沿水平。肖特基二極管（SBD）技術是太赫茲領域應用廣泛的核心技術，此項成果打破了制約氮化鎵SBD器件頻率提升的行業瓶頸，為實現高頻、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。

九峰山實驗室6英寸GaN SBD Wafer及結構

面向未來開發太赫茲核心技術

太赫茲技術具有分辨率高、方向性強、信息量大、安全性好等優點。肖特基二極管(SBD)則是太赫茲領域非常重要的一類器件，它具有強電容非線性，可以對輸入信號頻率生成高次諧波，倍頻輸出太赫茲(THz)信號。而氮化鎵（GaN）的材料特性能使此類器件具有高頻、高功率、低損耗等優點，因此氮化鎵肖特基二極管（GaN SBD）被認為是實現全固態、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國際前沿水平

傳統的氮化鎵肖特基二極管存在串聯電阻大、寄生電容高的問題，嚴重制約了器件頻率的提升。面對挑戰，九峰山實驗室研究中心無線技術組，在分析制約器件頻率特性提升的關鍵因素后，從材料和器件兩方面入手進行設計。
通過開發具有強極化超薄勢壘的GaN異質結構，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；同時低寄生肖特基結結構則有效降低了開啟電壓、減小寄生電容，使器件頻率特性進一步提升。

仿真結果
在器件制備流程方面，團隊開發了高精度光刻及低損傷刻蝕技術，連續攻克了絕緣襯底GaN小尺寸器件的光刻曝光精度差、套刻容差大、刻蝕損傷大等多項關鍵工藝問題；并制定和實施了全套微觀表征及電學特性測試方案。
最終測試結果表明，該器件零偏時結電容最小僅為6fF，最大截止頻率超過1.5THz，處于國內領先及國際先進水平。

氮化鎵SBD器件性能對比圖

團隊介紹

吳暢博士

九峰山實驗室研究中心無線領域首席專家

華中科技大學集成電路學院兼職教授

湖北省電子信息標準化技術委員會委員

曾先后主持或參與多個國家級及省部級重點研發項目，帶領團隊專注創新性毫米波、太赫茲及微波光子學器件基礎研究，從物理基礎、器件工藝和模型出發，重點突破新型三維柵結構、強極化勢壘、高魯棒性器件模型等關鍵技術難點。這些核心器件的基礎研究為面向未來更高頻率、更大帶寬和更低功耗等通信傳輸需求提供了重要的技術保障。

審核編輯 黃宇