這篇電子技術(shù)論文發(fā)表了太赫茲電路在系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展現(xiàn)狀和展望，論文闡述了太赫茲電路的發(fā)展概況，詳細(xì)概述了InP基雙極器件和場(chǎng)效應(yīng)器件頻率特性、應(yīng)用，論文從三端固態(tài)電子器件電路和基于肖特基二極管的太赫茲固態(tài)電子器件電路這兩個(gè)方面入手，概述了微電子器件和電路的應(yīng)用。

　　關(guān)鍵詞：電子技術(shù)論文,太赫茲固態(tài),電子器件與電路

　　引言

　　太赫茲頻段的頻率范圍是0.1THz～10THz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)是30?m～3mm，其最大特點(diǎn)是波長(zhǎng)短、透過(guò)率強(qiáng)、帶寬大等，在許多重要科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如軍事、安檢成像、生物醫(yī)藥、通信及空間技術(shù)等領(lǐng)域。下面對(duì)借助微電子器件完成太赫茲源及探測(cè)器核心器件和電路的應(yīng)用、發(fā)展及展望進(jìn)行詳細(xì)概述。

　　1 太赫茲三端固態(tài)電子器件

　　1.1 InP基HBT器件

　　InP基HBT器件分為三部分：發(fā)射極、基極和集電極，屬于縱向器件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中發(fā)射極選用寬帶隙InP材料，基極和集電極選用窄帶隙InGaAs材料。為提升該器件的功率及頻率特性，從消除InP和InGaAs材料的導(dǎo)帶尖峰、提升?T和?max等三方面入手。

　　(1)消除導(dǎo)帶尖峰。導(dǎo)帶尖峰會(huì)對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)造成阻礙，降低器件擊穿電壓和頻率特性。通常從三方面入手去除集電極導(dǎo)帶尖峰：在集電極InP和基極InGaAs之間安置隔隙多層結(jié)構(gòu)，集電極過(guò)度緩慢而消除導(dǎo)帶尖峰;在集電極InP和基極InGaAs之間安置超晶格結(jié)構(gòu)，生成子能帶而消除導(dǎo)帶尖峰;基極選用GaAsSb材料，因其導(dǎo)帶頂大于InP材料，故能帶結(jié)構(gòu)為無(wú)導(dǎo)帶尖峰的II型結(jié)構(gòu)[1]。

　　(2)提升?T：常用方法是降低基極和集電極厚度。對(duì)于規(guī)格大小為12.5nm C摻雜基極、0.32m發(fā)射極和55nm集電極的InP HBT器件，?T達(dá)到765GHz時(shí)，?max=227GHz。?T>300GHz的InP DHBT器件，其組成規(guī)格是20nm C摻雜基極， 0.8m發(fā)射極和150nm集電極，通過(guò)組分漸變進(jìn)行導(dǎo)帶尖峰消除。當(dāng)改用超晶格消除導(dǎo)帶尖峰、?T=660GHz時(shí)，集電極厚度為60nm，發(fā)射極為250m。

　　(3)提升?max：常用方法是縮小結(jié)面積，減小基極寄生電容及接觸電阻等，通常選用發(fā)射極和基極自對(duì)準(zhǔn)來(lái)降低基極寄生電阻，縮小基極面積降低寄生電容。通過(guò)減小基極和發(fā)射極寬度來(lái)提升?max，目前HTB器件?T達(dá)到0.52THz時(shí)，?max最高，為1.2THz，此時(shí)器件規(guī)格為30nm基極、30nm發(fā)射極和100nm集電極。

　　1.2 InP基HEMT器件

　　InP基HEMT器件由源極、柵極和漏極構(gòu)成(其結(jié)構(gòu)如圖2所示)，屬于場(chǎng)效應(yīng)器件，最大特點(diǎn)是高頻率下噪聲低，常從增加器件載流子遷移率，降低器件柵長(zhǎng)，提升柵控能力及降低器件寄生電容及電阻等方面提升器件?T和?max及降低?min。

　　(1)增加器件載流子遷移率可以獲得較高的截止頻率。器件溝道層組成材料對(duì)載流子遷移率有直接關(guān)系，通常In-GaAs溝道材料組成器件的遷移率為8000cm2/Vs，為提升器件載流子遷移率可以適當(dāng)增加InGaAs溝道材料中的In組分，選用InGaAs/InAs/InGaAs符合材料形成的器件遷移率高達(dá)15000cm2/Vs。

　　(2)降低器件柵長(zhǎng)。常選用多層光刻膠形成的T柵型來(lái)降低柵長(zhǎng)及柵極電阻。通過(guò)電子束曝光可使柵長(zhǎng)降低至30nm，?T為644GHz，?max為681GHz;將電子束曝光和介質(zhì)干法刻蝕結(jié)合使用可使柵長(zhǎng)降低至15nm，?T為580GHz，?max為320GHz。

　　(3)提升柵控能力?？鐚?dǎo)可以反饋器件的柵控能力，在材料和柵長(zhǎng)一定時(shí)，跨導(dǎo)由溝道層厚度、柵槽側(cè)蝕寬度及柵金屬與溝道層間勢(shì)壘層厚度決定。溝道層厚度、柵金屬與溝道層間勢(shì)壘層厚度均與?T成反比，溝道層厚度降低會(huì)同時(shí)影響載流子濃度，使電流下降，故而應(yīng)選擇合適的溝道層厚度[2];借助柵極Pt金屬擴(kuò)散技術(shù)可使勢(shì)壘層厚度低至4nm，柵長(zhǎng)為40nm，跨導(dǎo)2.7mS/μm，?T為688GHz，?max為800GHz。柵槽側(cè)蝕寬度隨器件的材料和結(jié)構(gòu)影響?T，且存在最佳值。

　　(4)降低器件寄生電容及電阻。柵腳高度越高，寄生電容越小;源漏歐姆接觸電阻和勢(shì)壘層電阻越小，寄生電阻越小。歐姆接觸電阻可通過(guò)提升金屬-半導(dǎo)體結(jié)降低，勢(shì)壘層電阻可通常在In0.52Al0.48As隔離層和In0.7Ga0.3As溝道層間增添高In組分的In0.7Al03As層，以及降低源漏極間距等方法降低。

　　2 太赫茲單片集成電路(TMIC)

　　太赫茲單片集成核心電路包括太赫茲源、功率放大器，低噪聲放大器、混頻器等，常用雙端器件構(gòu)成混頻器，以下詳細(xì)闡述基于InP 基HBT和HEMT的TMIC發(fā)展。

　　(1)太赫茲源：有壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)兩種，PLL頻率穩(wěn)定性能更好但制備困難。2007年，基于35nm柵長(zhǎng)的InP基HEMT技術(shù)使得基頻振蕩器達(dá)314GHz和346GHz，輸出功率達(dá) 46μW和25μW;2008年，生產(chǎn)了330 GHz振蕩器，輸出功率為0.27mW。

　　HBT器件表面效應(yīng)及1/f 噪聲特性都很小，較HEMT器件更適合制備小相位噪聲的VCO。2007年，通過(guò)300nm發(fā)射極的HBT生成了311GHz的基頻振蕩器。2010年，基頻振蕩器頻率高達(dá)570GHz，固定頻率的振蕩電路，基頻振蕩器為310 GHz、412GHz、573GHz時(shí)，輸出功率為–6.2dBm、–5.6dBm、–19.2dBm，300 GHz 調(diào)諧帶寬下VCO為12GHz，在286GHz，偏頻10MHz時(shí)相位噪聲達(dá)–96.6dBc/Hz[3]。同年，通過(guò)250nmInP基HBT器件生成了單片PLL電路，頻率范圍是300.76GHz-301.12GHz，輸出功率達(dá)–23dBm，在偏頻100kH時(shí)相位噪聲達(dá)–78 dBc/Hz，功耗301.6mW，屬于當(dāng)下最高工作頻率的PLL。

　　推薦閱讀：《光電子技術(shù)》(季刊)創(chuàng)刊于1981年，是由國(guó)家科委批準(zhǔn)，公開(kāi)發(fā)行的學(xué)術(shù)類(lèi)期刊。自創(chuàng)刊以來(lái)，幾經(jīng)改版，充實(shí)內(nèi)容，增辟欄目，追蹤世界光電領(lǐng)域科技潮流，報(bào)道國(guó)內(nèi)光電行業(yè)技術(shù)動(dòng)態(tài)。