美国JPL介绍内容：太赫兹半导体及微加工工艺进展

在太赫兹高性能平面肖特基二极管的设计能力和制造工艺方面，美国弗吉尼亚二极管公司（VDI）首屈一指，它有着几十年的产品设计经验和一流的工艺生产线。其次是美国航空航天局（NASA）下属的喷气推进实验室（JPL）。在欧洲，德国的达姆施塔特技术大学和英国的卢瑟福国家实验室（RAL）也在进行平面肖特基二极管的设计制造。其中，达姆施塔特技术大学的工艺采用准垂直结构，这种结构与触须接触二极管很类似，但通过集成工艺实现。RAL肖特基工艺与VDI的工艺很类似，都是通过在二极管指状体下进行湿法刻蚀以形成空气桥的方式来实现。联合单片半导体公司（UMS）也提供了一种商业肖特基工艺。这种工艺不能为阳极提供空气桥，所以该二极管很难在超过180GHz的器件中使用。

　　最近，法国的天体物理中的辐射与物质研究实验室（LERMA）和纳米结构光技术实验室（LPN）已经实施了一个共性技术研究计划，目的是开发一种完全基于电子束光刻技术的肖特基工艺。目前该实验室已经利用电子束光刻技术实现了纳米结构空气桥二极管的研制。

　　1990年，N.R.Erickson提出了一种适用于亚毫米波波段的平衡三倍频器即反向并联二极管对形式，并且设计了500GHz三倍频器，这一结构当时也得到了广泛应用。2000年，N.R.Erickson等又基于这种结构设计了300GHzMMIC三倍频器，这种三倍频器获得了11%的最大倍频效率和5-7mW的输出功率，在230-325GHz的宽频带内获得了超过1%的效率。这种反向并联二极管对结构如图1所示。在2004年，JPL实验室学者报道了基于此结构的600GHz三倍频器。

　　JPL实验室提出的多二极管对高功率容量平衡三倍频器，其广泛应用于亚毫米波段和太赫兹波段的三倍频器研究中。这种结构在波导腔体尺寸允许的情况下可以在倍频电路上安接4个、6个甚至更多的偶数个二极管，形成多二极管对，与直流偏置串联，对射频形成一个对偶次谐波的抑制回路，只有奇次谐波输出。这样的结构在保持相位平衡的同时，可以大幅度提高倍频器的功率容量以提高倍频器输出功率；另外，还可简化直流偏置电路的设计，但是在设计过程中要对波导腔体的设计做充分的考虑，以保证抑制不必要的TE高次模的出现，只让准TEM模的奇次谐波传播，其电路结构如图2所示。

此外，JPL实验室还在器件制作方法与工艺和二极管电路模型等方面做了大量的研究，基于这些方面的研究，JPL实验室设计了自几百个GHz到几个THz的三倍频器和基于三倍频器的亚毫米波与太赫兹源。2003年，JPL实验室的学者在文献中介绍的1.9THz三倍频器，是当时频率最高的三倍频器，并且保持多年，其结构便是基于如图2所示的JPL实验室的经典电路结构。

　　最具代表性的是2005年9月JPL实验室学者A.Maestrini，J.S.Ward和J.J.Gill等在文献中报道了540-640GHz固定调谐高效率宽带高功率三倍频器，其电路如图3所示。三倍频器的非线性器件采用的是平面肖特基势垒二极管，并且为了提高功率容量，利用了包含4个二极管的二极管阵列。整个电路基于12μm厚的介质基片利用悬置微带线实现。常温测试表明，当输入功率为22-25mW时，对应输出功率为0.9-1.8mW，倍频效率达到4.5%-9%。在此文献中，作者详细介绍了此类型三倍频器的设计方法和过程。JPL实验室在此经典结构、设计方法与过程的基础上，还对300GHz、900GHz、1.2THz、2.7THz等频段的三倍频器开展了研究。

2007年，VDI学者D.W.Porterfield报道了利用VDI自行研制的肖特基变容二极管设计的440GHz同向并联二极管对三倍频器，其结构如图4所示。此电路结构还应用于220GHz三倍频器和800GHz三倍频器的研制中。220GHz三倍频器在输入功率为150mW的时，最大倍频效率为16%，对应输出功率为23mW。440GHz三倍频器在75mW的输入功率驱动下，倍频效率达到12%，3dB带宽为7%，获得了13mW的输出功率。

随着频率不断升高，获得高的输出功率越来越困难，因而为亚毫米波系统提供具有足够功率的本振源越困难。在器件功率容量达到极限时，单芯片倍频器功率容量也总是有限的。进一步提高倍频源输出功率的一个行之有效的方法，就是将两路甚至是多路倍频电路的功率通过功率合成输出。

　　2008年3月，JPL实验室学者A.Maestrini等研制出一种结构新颖基于功率合成的300GHz三倍频器，如图5所示。该类倍频器的创新之处主要在于将倍频电路、功率分配和合成电路进行了综合。在倍频器输入端输入功率经功分结构一分为二，然后通过相对独立但倍频效率、带宽等倍频性能趋于一致的两路倍频电路倍频后，在输出端将两路倍频电路分别得到的输出功率通过Y型结实现了较为理想的功率合成，进而使输出功率较单路倍频电路提高一倍。该三倍频器一共采用了12个平面肖特基二极管，在265-330GHz频段内获得了良好的性能。在室温下，当输入驱动功率为50-250mW时，其测试倍频效率达到5%-15%；在318GHz处其输出最大功率为26mW，对应效率为11%；与单路倍频器相比不仅具有相同的带宽，而且实现了输出功率的提高，这是文献[22]报道的300GHz单路三倍频器性能的又一次飞跃。在提高倍频效率具有实质性困难时，要获得高的输出功率，此结构的倍频器是很好的解决方案。

在300GHz功率合成三倍频器研制的基础上，JPL实验室的学者又研制了两路倍频功率合成的900GHz三倍频器。在室温下，300GHz三倍频器在267-325GHz间输出功率为12.5-22.5mW。利用此三倍频器驱动900GHz三倍频器时，900GHz三倍频获得0.7mW的最大输出功率，3dB带宽为90GHz(820GHz-910GHz)。为了获得更高的输出功率，JPL实验室的学者们更是提出了基于4路倍频功率合成的300GHz三倍频器，其结构如图6所示。300GHz四路功率合成三倍频器在300GHz处获得超过45mW的输出功率，而且具有良好的回波损耗和输入、输出端口隔离度。在100GHz时利用400-500mW的功率驱动此三倍频，再利用这个三倍频器驱动900GHz两路功率合成三倍频器，室温下测试时，在890GHz处可获得1.4mW的输出功率；当冷却到120K时，可以获得2mW的输出功率。

2002年，JPL实验室设计了基于肖特基变容管的800GHz宽带平衡二倍频器，其结构如图7所示。室温下，二倍频器在765GHz处获得了10%的效率；在9mW输入功率的驱动下，倍频器输出功率最大为1.1mW。

这种结构还分别应用于190GHz、375GHz和1500GHz二倍频器。在此基础上，2004年G.Chattopadhyay等JPL实验室学者发明了1500GHz全固态宽带倍频链，采用四级二倍频器。各级二倍频器设计方法、结构等与上文800GHz二倍频器相似。在88-99GHz频率范围内，100mW的功率驱动是，室温下190GHz、375GHz、750GHz和1500GHz各级二倍频效率分别为30%、20%、9%和4%。

　　2011年，JPL实验室的J.V.Siles、RAL的B.Alderman和H.Wang等研究人员合作，推出了一款基于功率合成的190GHz单波导腔二倍频器。这款倍频器是首个100GHz以上应用功率合成的单波导腔二倍频器。它在一个单波导腔中含有两个背对背的集成倍频电路，这是为了提高倍频器输出功率又提出的最新结构，采用了单波导腔，其结构及电路如图8所示。该190GHz肖特基二倍频器采用了新的结构，室温时在50-100mW输入功率的驱动下，在177-202GHz间，其倍频效率为6%-10%。