【导读】中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路研究室太赫兹器件研究组研制出截止频率达到3.37THz的太赫兹肖特基二极管和应用于太赫兹频段的石英电路，可作为太赫兹倍频器核心元件，经中电集团41所验证，性能与国际同类产品相当。

 
近日，中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路研究室（四室）太赫兹器件研究组研制出截止频率达到3.37THz的太赫兹肖特基二极管和应用于太赫兹频段的石英电路。该器件作为太赫兹倍频器核心元件，经中电集团41所验证，性能与国际同类产品相当。

太赫兹波指的是频率在0.1THz~10.0THz范围的电磁波。它具有很多优异的性质，被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹波谱学、太赫兹成像和太赫兹通信是当前研究的三大方向。在安全检查、无损探测、天体物理、生物、医学、大气物理、环境生态以及军事科学等诸多科学领域有着重要的应用。具有极高截止频率的肖特基二极管能够在室温下实现太赫兹波的混频、探测和倍频，是太赫兹核心技术之一；此外，在低损耗的衬底上实现太赫兹电路是太赫兹技术得以实现的基础。

由四室主任金智研究员领导的太赫兹器件与电路研究组针对太赫兹电路的关键技术开展研究，对器件外延材料生长的进行了设计与优化，突破了低电阻欧姆接触合金、肖特基微孔刻蚀和空气桥腐蚀技术等关键制作工艺，有效地降低了器件的串联电阻和寄生电容，实现了可在太赫兹频段应用的肖特基二极管，并开发了多种肖特基二极管的集成方式（见图1），太赫兹肖特基二极管（见图2）器件的最高截止频率达到3.37THz，可广泛应用于太赫兹波的检测、倍频和混频。

为了解决太赫兹频段下外围电路损耗高的问题，研究人员开发出器件与电路衬底背面减薄技术，并采用低介电常数石英材料实现了太赫兹电路，研制出厚度小于50um，可应用于太赫兹频段核心电路（见图3），极大地减小了在太赫兹频段的损耗，提高了电路模块的效率。

课题组与中电集团第41研究所联合开展了太赫兹倍频器的验证工作，采用自主研制的太赫兹肖特基二极管器件实现了倍频器在太赫兹频段的工作，在 170~220 GHz的倍频效率为3.6%，220~325 GHz的倍频效率达到1.0%（见图4），可实现宽频带倍频，其输出功率和倍频效率与国外VDI同类产品相当，该倍频器可用于构建宽频带太赫兹源，在太赫兹成像、太赫兹通信和卫星遥感方面有着广阔的应用前景。对于太赫兹系统的核心器件（主要是肖特基二极管）的国产化具有重要意义，为国内的太赫兹技术的发展提供良好的器件和工艺支撑。

图1 不同种类的太赫兹肖特基多管级联结构（a）单管（b）串管（c）对管



图2 不同结面积的太赫兹肖特基二极管的截止频率



图3 石英核心电路照片



图4 肖特基二极管倍频器输出功率测试结果（与VDI产品对比）