太赫茲hz頻段發(fā)展

太赫茲hz頻段發(fā)展

1太赫系統(tǒng)的組成和發(fā)展thz是指頻率為0.1噸10噸的聲波。30m3mm，在微波和波長之間。具有波長短、透波率高、帶寬寬等特點。在圖像、太壽光譜和太壽通信等方面具有廣闊的應用前景。太赫茲波對很多非極性材料具有很強的穿透力,可以輕易透過多種非金屬外包裝材料。太赫茲光子能量很低(只有幾個電子毫伏),不會對被探測物質造成損傷。在安檢成像領域,通過探測分析太赫茲波的時域譜或者2D圖像,可以發(fā)現(xiàn)隱藏的武器和爆炸物。在無損探測領域,太赫茲波被成功用于檢測美國國家航空航天局太空艙的外壁缺陷情況。在軍事研究領域,太赫茲波的獨特性能,使其在通信、雷達、電子對抗、制導和衛(wèi)星方面具有廣闊的應用空間。太赫茲波是非常好的寬帶信息載體,與光波相比,其具有波束寬、易定位和能耗低的優(yōu)點,非常適合衛(wèi)星間通信。綜上所述,太赫茲成像、太赫茲通信和太赫茲波譜是太赫茲應用的3個主要方向。太赫茲產生、太赫茲傳輸和太赫茲探測是太赫茲得以應用的基礎。太赫茲系統(tǒng)分為主動探測和被動探測。主動探測系統(tǒng)由發(fā)射和接收構成。在發(fā)射端,較低頻率的發(fā)射控制信號與太赫茲源經過混頻器形成調制的太赫茲信號,信號經功率放大器放大,經天線發(fā)射出去;在接收端,太赫茲波經天線接收,經低噪聲放大器放大,進入混頻器,通過與本振源進行下混頻,變?yōu)橹蓄l信號,由后端進行信號處理。其中本振源、混頻器、功率放大器、低噪聲放大器都工作在太赫茲頻段,這對半導體器件和電路的頻率特性提出非常高的要求。太赫茲通信系統(tǒng)和主動成像系統(tǒng)的基本構成與此類似。由于物體的太赫茲波較弱,主動式探測實際上是采用太赫茲波照射物體,而探測反射的太赫茲波,其信噪比要好得多。與主動探測系統(tǒng)相比,被動探測系統(tǒng)沒有發(fā)射端,天線收集的太赫茲信號經低噪聲放大器放大后,經過混頻器并與本振下混頻,中頻信號經過中頻放大器后進行探測。這2種系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要由接收端的第1級低噪聲放大器的噪聲系數(shù)決定,能得到很好的抑制,具有非常好的噪聲特性。制作在太赫茲頻段工作的低噪聲放大器非常困難,通常在接收天線后直接采用混頻器,將太赫茲波變?yōu)檩^低頻率的信號進行處理。這種結構的系統(tǒng)噪聲特性由混頻器的噪聲和損耗決定,與前一種相比,噪聲特性較差。盡管目前太赫茲技術的研究取得很大進步,但由于高效太赫茲源和探測器的缺乏,嚴重阻礙著太赫茲技術的發(fā)展與應用。在太赫茲源的產生與探測方面,太赫茲的頻率范圍相對于微波其頻率太高,而相對于光波頻率又太低,因此電子學和光學在太赫茲頻段形成了“太赫茲空白”。在太赫茲源與太赫茲探測技術研究中,主要有真空電子學方法、光學方法和微電子學方法。真空電子學方法是利用真空電子管等電子器件實現(xiàn)太赫茲波的產生與探測,其缺點是體積龐大,運行與維護的外圍系統(tǒng)復雜、昂貴。光學方法主要是利用超晶格結構形成子能級,通過電子在子能級間的躍遷,實現(xiàn)太赫茲波的產生與探測,由于太赫茲波的能量小,環(huán)境的熱擾動對其性能影響巨大,所以無論是亞能級的太赫茲激光器還是太赫茲探測器,都需要增加制冷系統(tǒng),使其工作在非常低的溫度下。微電子學方法,主要是采用基于半導體的固態(tài)電子器件構成的微電子集成電路,這些電路可以實現(xiàn)太赫茲源,對太赫茲信號進行混頻和放大等功能,實現(xiàn)特定頻率的太赫茲波的產生與探測。目前通過微電子學方法可以獲得頻率超過2THz的太赫茲源和達到THz的信號探測和處理。該類器件具有體積小,成本低,可規(guī)?；a,易于集成等優(yōu)點。特別是近些年來快速發(fā)展的以三端太赫茲器件為核心的太赫茲單片集成電路(TMIC),其工作頻率已突破600GHz,可以實現(xiàn)太赫茲信號的放大,成為了最具發(fā)展和應用前景的太赫茲器件和電路。2太赫器件材料特性介紹太赫茲系統(tǒng)的發(fā)展對器件的頻率特性提出非常高的要求。三端半導體器件指雙極器件和場效應器件等三端口、具有放大功能的器件。器件頻率特性的2個最關鍵指標是增益截止頻率(fT)和最高振蕩頻率(fmax)(或稱為功率增益截止頻率)。要實現(xiàn)太赫茲電路,關鍵是如何提高器件的fmax,太赫茲頻段工作的電路工作頻率通常為器件fmax的2~3倍。三端電子器件具有增益高、噪聲系數(shù)低等特性,廣泛應用于現(xiàn)代的通信、空間探測等系統(tǒng)中。繼Si和GaAs半導體材料之后發(fā)展起來的InP基材料具有生長手段成熟,能帶易于剪裁,具有非常高的載流子遷移率等特性,是太赫茲電子器件的理想材料。太赫茲三端電子器件充分利用InP基材料的優(yōu)異特性,主要有InP基異質結構雙極晶體管(HeterojunctionBipolarTransistor,HBT)和高電子遷移率晶體管(HighElectronMobilityTransistor,HEMT)兩種形式。2.1消除導帶中心導帶式中:n為發(fā)射極–基極的理想因子;k為普朗克常數(shù);T是器件的溫度;q為電子的電荷;IC是集電極電流;CBE是基極–發(fā)射極的結電容;CBC是基極–集電極的結電容;TB是基極的厚度;v是與基極電場有關的系數(shù);Dn是電子的擴散系數(shù);Xdep是集電極的耗盡層厚度;vsat是電子的飽和速度;RE是發(fā)射極的電阻;RC是集電極的電阻;rB是與基極相關的電阻。由上述公式可以看到,為增加器件的fT和fmax,需要增加器件的工作電流,減小器件的基極和集電極的厚度,并減小器件結電容和電阻寄生參數(shù)。隨器件集電極厚度的減小,器件的擊穿電壓隨之減小,為得到較高的擊穿電壓,采用帶隙較寬的InP材料作為集電極,但InP材料作為集電極與InGaAs基極材料之間存在導帶尖峰,會阻擋載流子的運動,影響器件的直流,降低器件的頻率特性,因此為提高器件頻率特性,利用InP基材料的優(yōu)異特性,優(yōu)化器件的能帶結構,消除導帶尖峰非常重要。為實現(xiàn)高擊穿電壓、高速的InP基HBT器件,有3種方法消除集電極的導帶尖峰:a)采用在基極InGaAs材料和集電極InP間插入帶隙介于InGaAs和InP之間的多層材料,材料的帶隙寬度從基極到InP層逐漸升高,使集電極能帶平緩過渡,消除導帶尖峰;b)在基極InGaAs和集電極InP之間插入超晶格結構,超晶格的阱和壘的組分固定,阱的厚度從基極到集電極順次減小,而壘的厚度依次增加,在超晶格中形成從基極到集電極的子能帶,實現(xiàn)能帶過渡;c)改變基極材料的能帶結構消除導帶尖峰,將基極材料變?yōu)镚aAsSb,GaAsSb材料的導帶頂高于InP材料的導帶頂,二者形成II型能帶結構,這種結構中沒有導帶尖峰的存在。導帶尖峰的消除增加了載流子的飽和速度,縮短集電極的渡越時間,提高了器件的fT。此外,在基極引入準電場,提高載流子在基極的運動速度,以及減小基極的厚度,都能減小載流子在基極的渡越時間,提高器件的fT。為使器件的fmax提高,除提高fT外,還要減小超薄基區(qū)的歐姆接觸電阻,超薄基極歐姆接觸電阻與基極材料表面狀態(tài)具有很大的關系,對表面進行處理,減小表面損傷能獲得較小的歐姆接觸電阻率。fT增加主要靠減小基極和集電極的厚度來實現(xiàn)。最初,基極采用Be摻雜的InGaAs材料實現(xiàn),然而Be的擴散速度較快,通常形成較寬的摻雜過渡區(qū),難以得到較小的基極厚度,fT一般難以達到200GHz。C在InGaAs材料中是兩性雜質,在適宜的生長條件下可以形成p型摻雜,且C的擴散速度較小,易于得到陡峭的pn結,基極的厚度能夠準確控制。單異質結InPHBT通過采用C摻雜基極,基極厚度減薄到12.5nm,集電極減薄到55nm時,0.32μm寬的發(fā)射極器件的fT到達765GHz,fmax為227GHz。采用20nm厚的C摻雜基區(qū),集電極采用組分漸變消除導帶尖峰,厚為150nm,發(fā)射極寬度為0.8μm時,首次實現(xiàn)了InP雙異質結雙極型晶體管(DoubleHeterojunctionBipolarTransistor,DHBT)的fT超過300GHz;采用超晶格消除導帶尖峰,當集電極厚度減小到60nm時,發(fā)射極寬度為250μm,器件的fT分別為660GHz。器件的fmax主要通過減小結面積,降低基極接觸電阻等方法來實現(xiàn)。早期的InPHBT的fmax提高主要靠集電極側向腐蝕或轉移襯底技術來減小基極–集電極結面積來實現(xiàn),通過減小集電極接觸面積,fmax可達到1THz,然而這種方法在轉移過程中形變,使器件的成品率急劇下降,目前的工藝中較少采用?，F(xiàn)有的工藝都采用3臺面平坦化工藝實現(xiàn),采用發(fā)射極和基極自對準工藝,減小基極的寄生電阻;通過減小基極面積來減小寄生電容,提高fmax,現(xiàn)有的工藝,基極的寬度可減小到150nm。減小發(fā)射極的寬度,也能使器件的fmax得到有效的提高。采用上述多種工藝結合,在發(fā)射極和基極厚度為30nm,集電極厚度為100nm,發(fā)射極寬度為130nm,長度為2μm時,器件的fT達到0.52THz,fmax達到1.2THz,為HBT器件中的最高水平。2.2hemt的ft型缺陷HEMT器件是一種場效應器件,由源極、柵極和漏極組成的三端器件。通過控制柵電壓來達到改變漏極電流的目的。InP基HEMT器件的結構示意圖和能帶結構見圖2(圖中EF為費米能級)。它的外延層結構是先在InP襯底上生長InAlAs緩沖層,生長InGaAs的溝道層,再生長InAlAs隔離層,然后生長δ摻雜層,最后生長InAlAs勢壘層和重型摻雜的InGaAs蓋層。這些層狀結構形成如圖1的能帶結構,其中InAlAs緩沖層和勢壘層將窄帶隙的InGaAs材料夾在中間形成一個量子阱結構,而δ摻雜則提供電子,這樣電子就被限制在量子阱中,形成二維電子氣(TwoDimensionalElectronGas,2DEG),由于2DEG和摻雜層被隔離層所隔離,且InGaAs溝道層和InAlAs隔離層都沒有摻雜,因此電子受到的帶電離子的散射小,遷移率高。柵金屬與勢壘層形成肖特基接觸,由肖特基勢壘控制溝道二維電子氣的濃度,從而產生漏極電流的調制效應。HEMT器件在非常高頻率下通常具有較小的噪聲特性,常用于制作低噪聲器件。InP基HEMT的fT,fmax和最小噪聲系數(shù)(Fmin)為:式中:gm是器件的跨導;W為器件的柵寬;Cox為器件的等效柵電容;μn為載流子遷移率;L為柵長;VGS為柵電壓;VT為閾值電壓;α為常數(shù);Cgs和Cgd為柵源電容和柵漏電容;gds為輸出跨導;Ri,Rs和Rg分別是本征、源、柵電阻;f為對應的頻率;Iopt為最佳噪聲系數(shù)對應的電流;Ec為常數(shù)。可以看到,為增加器件的fT和fmax需要提高器件載流子的遷移率,減小器件的柵長,減小器件的寄生電容和電阻。溝道的遷移率與材料的組分密切相關,通過在溝道中引入富In的應變材料,可以有效提高器件溝道遷移率,現(xiàn)在太赫茲頻段的HEMT通常采用高In組分的溝道或InAs復合溝道;通過減小源、漏歐姆接觸電阻和采用非常合金的歐姆接觸工藝,有效減小寄生電阻;同時,制作T型柵來減小柵電阻。通過采用這些方法有效提高了器件的頻率特性。從式(3)和式(4)可以看到,提高fT的關鍵是增強柵控能力,減小柵長,提高載流子的遷移率。與InP匹配的InGaAs溝道材料的遷移率可以達到8000cm2/(V·s),采用富In組分的InGaAs溝道材料可有效增加器件的載流子遷移率,最近采用InGaAs/InAs/InGaAs的復合溝道其遷移率達到15000cm2/(V·s),最好頻率特性的HEMT即采用這種高遷移率的溝道。柵長減小是HEMT中最為復雜的工藝。為減小柵極的寄生電阻,現(xiàn)有的HEMT都采用T型柵工藝。T型柵的工藝采用多層光刻膠實現(xiàn),較多的有PMMA/MMA/PMMA、ZEP/PMGI/ZEP等多層光刻膠,采用電子束曝光來實現(xiàn)?？蓪崿F(xiàn)最小柵長30nm的器件。采用介質和多層膠,并結合干法刻蝕的方法進一步減小柵長,提高柵制作的穩(wěn)定性,采用這種方法制作的最小柵長減小到15nm。為提高柵控能力,需減小溝道與金屬柵間的間距,通過生長多層的外延結構,利用InP基材料的選擇腐蝕特性,可以控制勢壘層的厚度,但為保證二維電子氣的密度,器件的勢壘層通常為10nm,采用具有選擇比高的InP/InAlAs復合勢壘層,可將勢壘層的厚度控制到8nm,結合復合勢壘層、介質和控制勢壘層腐蝕方法,勢壘層的厚度可以降低到4nm,有效地增大了器件的跨導,在40nm柵長時器件的跨導達到2.3S/mm。現(xiàn)有的器件的fT超過600GHz。為增加器件的fmax,除提高器件的fT外,最重要的是減小柵極的寄生電阻和柵源、柵漏間的電容以及器件的歐姆接觸。T型柵是減小柵極寄生電阻的關鍵技術,在現(xiàn)有T型柵的基礎上,提高柵腳高度,減小寄生電容,在柵長35nm,fT達到385GHz,fmax大于1THz。3制作器件和功率放大器太赫茲系統(tǒng)中太赫茲源、低噪聲放大器和功率放大器,以及混頻器是核心電路。太赫茲頻段的混頻器更多采用雙端器件來實現(xiàn),這里不做介紹,現(xiàn)主要介紹基于HBT和HEMT的TMIC。20世紀由于器件工藝的限制,半導體單片集成電路的工作頻段主要集中在W波段。重點研究如何提高電路的功率和改善電路的噪聲特性。近年來,InP基HBT和HEMT的fmax突破1THz,TMIC得到了迅猛的發(fā)展。基于三端器件的太赫茲頻率源有壓控振蕩器(VoltageControlledOscillator,VCO)或鎖相環(huán)(PhaseLockedLoop,PLL),后者具有更好的頻率穩(wěn)定度,但制作難度非常高。2007年,采用柵長為35nm的InPHEMT技術實現(xiàn)了314GHz和346GHz的基頻振蕩器,輸出功率分別為46μW和25μW;2008年實現(xiàn)了330GHz的振蕩器模塊,輸出功率達到0.27mW。與HEMT器件相比,HBT器件為縱向型器件,具有較小表面效應和較小的1/f噪聲特性,制作VCO將具有較小的相位噪聲。2007年,采用300nm寬度的發(fā)射極的HBT實現(xiàn)了311GHz的基頻振蕩器。2010年,Teledyne研制成功最高頻率達到570GHz基頻振蕩器,振蕩器集成了混頻器,固定頻率的振蕩電路在310GHz輸出功率為–6.2dBm,412GHz輸出功率為–5.6dBm,在573GHz輸出功率達到–19.2dBm,VCO在300GHz的調諧帶寬為12GHz,在286GHz,偏頻10MHz的相噪為–96.6dBc/Hz。同年,采用250nmInPHBT技術研制了單片PLL電路,該電路集成300GHzVCO,2:1靜態(tài)分頻器,五級亞諧波相位探測和有源環(huán)狀濾波器。該PLL可從300.76GHz~301.12GHz鎖定,輸出功率為–23dBm,相位噪聲在100kHz偏頻下為–78dBc/Hz,其功耗301.6mW。這是目前報道的最高工作頻率的PLL。進入21世紀,太赫茲功率放大器有了較快的發(fā)展,2007年采用InPHEMT技術實現(xiàn)了頻率大于300GHz的單片集成功率放大器,在335GHz的小信號增益達到12dB,飽和輸出功率2mW;2008年采用發(fā)射極寬度為250nm的InPDHBT實現(xiàn)了工作在324GHz的單片功率放大器,增益達到4.8dB,飽和輸出功率1.3mW。2010年采用柵長為亞50nmInP基HEMT實現(xiàn)了220GHz,50mW的功率放大器模塊,在頻率范圍207GHz~230GHz增益達到11.5dB;同年報道了固態(tài)功率放大器模塊,在340GHz的小信號增益為15dB,輸出峰值功率達到10mW。在低噪聲放大器方面,2010年采用InPHBT工藝實現(xiàn)了大于300GHz的放大器,六級趨放在290GHz的增益為17.3dB,單級共射、共基LAN在288GHz的增益為8.4dB,在300GHz的噪聲系數(shù)為11.2dB,兩級共射、共基LAN在315GHz的增益為20.5dB,3dB帶寬為17GHz。采用高截止頻率的InPHEMT實現(xiàn)了工作頻率達到0.48THz的放大器模塊,在465GHz~482.5GHz五級放大器的峰值增益為11.7dB。2010年報道了0.55THz的InPHEMT共源–共柵MMIC放大器,三級放大器在300GHz的增益為17dB,噪聲系數(shù)為8.3dB,窄帶放大器在0.55THz的增益為10dB。2011年采用30nmInPHEMT實現(xiàn)了0.67THz的低噪聲放大器。五級放大器的噪聲系數(shù)為13dB,增益為7dB,十級放大器的峰值增益達到30dB。最近,NorthropGrumman公司聲稱實現(xiàn)了高達850GHz的低噪聲放大器,為系統(tǒng)實現(xiàn)更高頻率提供了基礎。4太赫組織si器件在太赫研究領域大有可為太赫茲頻段廣闊的應用前景引起了廣泛的關注。隨著半導體技術的不斷發(fā)展,三端固態(tài)電子器件和電路將向更高頻率、更高集成度以及規(guī)?；较虬l(fā)展。InP基固態(tài)電子器件和電路的發(fā)展充分顯示了其在太赫茲方面的應用優(yōu)勢,充分發(fā)揮InP材料的優(yōu)越特性,向更高頻率邁進將是今后的努力方向。減小器件尺寸,減小器件寄生效應,是進一步提高器件頻率特性的關鍵。此外,在太赫茲電路設計方面,隨工作頻率的不斷提高,為減小襯底損耗,襯底的厚度逐漸減小,從工作頻率0.1THz的100μm厚的襯底,到300GHz的25μm,減小襯底厚度,降低損耗將對電路工作頻率和效率的提高起著重要的作用