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中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-053）——高截止频率金属-二维电子气-金属一维接触新结构肖特基二极管器件

已有 1574 次阅读 2023-1-3 08:50 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——高截止频率金属-二维电子气-金属一维接触新结构肖特基二极管器件

太赫兹（THz）波定义在 0.1～10 THz。THz波的产生可由光学、电子学和超快光电子学等技术实现。基于肖特基二极管（SBD）的太赫兹倍频电路具有全固态、易于系统集成等特点，是电子学THz源的重要研究方向。其基本原理是利用SBD的非线性特性，对输入信号频率生成高次谐波，倍频输出THz信号。具有强电容非线性的SBD器件，也称肖特基变容管（Schottky Varactor）。器件的关键参数包括串联电阻R_s、结电容C_j、寄生电容C_p、截止频率f_c等。低结电容的 SBD 是提高电路工作频率的关键，低串联电阻和寄生电容是提升电路效率、降低损耗的重点。去嵌截止频率f_c0=1/[2π*R_s*C_j]，因此在实际研发过程中，多以综合指标f_c0对太赫兹SBD器件的性能进行判别。GaN材料具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高等优秀性质，适合于研发多级变频链路中前级大功率驱动倍频器。但相比于GaAs材料，GaN材料的载流子迁移率明显偏低。太赫兹GaN SBD器件的截止频率特性一直受到限制。2019年韩国光州科技院采用电子束光刻工艺，制备了f_c0=1.96 THz的平面金属-半导体-金属结构GaN SBD器件。该纪录在过去两年多的时间里一直未被突破。

针对上述挑战，中国工程物理研究院电子工程研究所微系统与太赫兹研究中心曾建平副研究员带领的科研团队，创新设计了新型金属-二维电子气-金属一维肖特基接触（M-2DEG-M）结构GaN基太赫兹电子器件（已获发明专利授权：ZL201810142411.2）。该M-2DEG-M结构SBD器件明显区别于当前已存在的多种太赫兹SBD器件，器件的阴极无欧姆电极，阴极和阳极均采用金属/2DEG一维肖特基接触。

图1. GaN M-2DEG-M SBD创新结构示意图。

研究团队随后设计了极简洁的两步常规光刻工艺，在AlGaN/GaN异质结结构上研制了上述创新器件。其中阴极和阳极在同一步常规光刻工艺下完成，Ni/Au肖特基金属溅射制作在AlGaN/GaN异质结侧壁，实现金属与2DEG的一维直接肖特基接触。器件的金属/2DEG一维直接肖特基接触成功剥离了势垒层固定电容，在0 V下即展现强电容非线性（如图2b），这一优势特性非常利于倍频电路设计。相比之下，传统金属-半导体-金属结构MSM-2DEG肖特基器件，其器件电容如图3所示在正反向阈值电压的很大一个范围内均保持常数，没有关键电容非线性特性。同时，由于2DEG纵向分布非常窄（~5 nm），导致金属/2DEG的一维接触面积非常小，器件电容在不去嵌寄生焊盘pad的情况下已低至3 fF，去嵌后只有2 fF，显著降低的器件电容使得该器件特别适合高频电路研发。此外，以金属/2DEG一维肖特基阴极替代传统欧姆阴极，显著降低器件串联电阻，归一化电阻率（R_s·W）低至0.127 Ω·mm。

图2. (a) AlGaN/GaN异质结横向M-2DEG-M SBD器件；(b) I-V、C-V曲线。

图3. 传统MSM-2DEG SBD器件的C-V特性[数据来源IEEE EDL-40-1740 (2019)]。

最终，科研团队研发的GaN M-2DEG-M SBD器件其零偏去嵌截止频率达到3.13 THz，远超此前的去嵌截止频率记录，提升幅度达到60%。即使在不去嵌寄生参数的情况下，以整个器件电容计算的非去嵌截止频率也达到了2.09 THz，仍然超过此前的去嵌截止频率纪录。图4显示科研团队研发器件的归一化串联电阻0.127 Ω·mm、截止频率3.13 THz和品质因子7.14 THz等三项指标的当前水平状态。整个器件工艺流程只使用两步常规光刻工艺完成，避免了电子束光刻设备和T型栅工艺，与HEMT器件使用相同外延结构，工艺完全兼容，具有SBD-HEMT单片集成显著优势。

图4. AlGaN/GaN异质结横向M-2DEG-M SBD器件的 (a) R_s-W特性和 (b) C_ratio-f_c特性。

相关成果以“A Novel GaN-Based Metal-2DEG-Metal Varactor With Cutoff Frequency of 3.13 THz”为题发表在《IEEE Trans. Electron Devices》期刊上。中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心和中国工程物理研究院电子工程研究所为该论文的通讯单位，曾建平副研究员为该论文的通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金面上基金、科学挑战专题的资助。

2 作者简介