這篇電子技術論文發表了太赫茲電路在系統中實際應用中的發展現狀和展望，論文闡述了太赫茲電路的發展概況，詳細概述了InP基雙極器件和場效應器件頻率特性、應用，論文從三端固態電子器件電路和基于肖特基二極管的太赫茲固態電子器件電路這兩個方面入手，概述了微電子器件和電路的應用。

　　關鍵詞：電子技術論文,太赫茲固態,電子器件與電路

　　引言

　　太赫茲頻段的頻率范圍是0.1THz～10THz，對應波長是30?m～3mm，其最大特點是波長短、透過率強、帶寬大等，在許多重要科技領域有著廣泛的應用，如軍事、安檢成像、生物醫藥、通信及空間技術等領域。下面對借助微電子器件完成太赫茲源及探測器核心器件和電路的應用、發展及展望進行詳細概述。

　　1 太赫茲三端固態電子器件

　　1.1 InP基HBT器件

　　InP基HBT器件分為三部分：發射極、基極和集電極，屬于縱向器件，其結構如圖1所示。其中發射極選用寬帶隙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材料的導帶尖峰、提升?T和?max等三方面入手。

　　(1)消除導帶尖峰。導帶尖峰會對載流子運動造成阻礙，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帶尖峰：在集電極InP和基極InGaAs之間安置隔隙多層結構，集電極過度緩慢而消除導帶尖峰;在集電極InP和基極InGaAs之間安置超晶格結構，生成子能帶而消除導帶尖峰;基極選用GaAsSb材料，因其導帶頂大于InP材料，故能帶結構為無導帶尖峰的II型結構[1]。

　　(2)提升?T：常用方法是降低基極和集電極厚度。對于規格大小為12.5nm C摻雜基極、0.32m發射極和55nm集電極的InP HBT器件，?T達到765GHz時，?max=227GHz。?T>300GHz的InP DHBT器件，其組成規格是20nm C摻雜基極， 0.8m發射極和150nm集電極，通過組分漸變進行導帶尖峰消除。當改用超晶格消除導帶尖峰、?T=660GHz時，集電極厚度為60nm，發射極為250m。

　　(3)提升?max：常用方法是縮小結面積，減小基極寄生電容及接觸電阻等，通常選用發射極和基極自對準來降低基極寄生電阻，縮小基極面積降低寄生電容。通過減小基極和發射極寬度來提升?max，目前HTB器件?T達到0.52THz時，?max最高，為1.2THz，此時器件規格為30nm基極、30nm發射極和100nm集電極。

　　1.2 InP基HEMT器件

　　InP基HEMT器件由源極、柵極和漏極構成(其結構如圖2所示)，屬于場效應器件，最大特點是高頻率下噪聲低，常從增加器件載流子遷移率，降低器件柵長，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載流子遷移率有直接關系，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15000cm2/Vs。

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

　　(3)提升柵控能力。跨導可以反饋器件的柵控能力，在材料和柵長一定時，跨導由溝道層厚度、柵槽側蝕寬度及柵金屬與溝道層間勢壘層厚度決定。溝道層厚度、柵金屬與溝道層間勢壘層厚度均與?T成反比，溝道層厚度降低會同時影響載流子濃度，使電流下降，故而應選擇合適的溝道層厚度[2];借助柵極Pt金屬擴散技術可使勢壘層厚度低至4nm，柵長為40nm，跨導2.7mS/μm，?T為688GHz，?max為800GHz。柵槽側蝕寬度隨器件的材料和結構影響?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壘層電阻越小，寄生電阻越小。歐姆接觸電阻可通過提升金屬-半導體結降低，勢壘層電阻可通常在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，常用雙端器件構成混頻器，以下詳細闡述基于InP 基HBT和HEMT的TMIC發展。

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

　　HBT器件表面效應及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300nm發射極的HBT生成了311GHz的基頻振蕩器。2010年，基頻振蕩器頻率高達570GHz，固定頻率的振蕩電路，基頻振蕩器為310 GHz、412GHz、573GHz時，輸出功率為–6.2dBm、–5.6dBm、–19.2dBm，300 GHz 調諧帶寬下VCO為12GHz，在286GHz，偏頻10MHz時相位噪聲達–96.6dBc/Hz[3]。同年，通過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–23dBm，在偏頻100kH時相位噪聲達–78 dBc/Hz，功耗301.6mW，屬于當下最高工作頻率的PLL。

　　推薦閱讀：《光電子技術》(季刊)創刊于1981年，是由國家科委批準，公開發行的學術類期刊。自創刊以來，幾經改版，充實內容，增辟欄目，追蹤世界光電領域科技潮流，報道國內光電行業技術動態。