美國JPL介紹內容：太赫茲半導體及微加工工藝進展

在太赫茲高性能平面肖特基二極管的設計能力和制造工藝方面，美國弗吉尼亞二極管公司（VDI）首屈一指，它有著幾十年的產品設計經驗和一流的工藝生產線。其次是美國航空航天局（NASA）下屬的噴氣推進實驗室（JPL）。在歐洲，德國的達姆施塔特技術大學和英國的盧瑟福國家實驗室（RAL）也在進行平面肖特基二極管的設計制造。其中，達姆施塔特技術大學的工藝采用準垂直結構，這種結構與觸須接觸二極管很類似，但通過集成工藝實現。RAL肖特基工藝與VDI的工藝很類似，都是通過在二極管指狀體下進行濕法刻蝕以形成空氣橋的方式來實現。聯合單片半導體公司（UMS）也提供了一種商業肖特基工藝。這種工藝不能為陽極提供空氣橋，所以該二極管很難在超過180GHz的器件中使用。

　　最近，法國的天體物理中的輻射與物質研究實驗室（LERMA）和納米結構光技術實驗室（LPN）已經實施了一個共性技術研究計劃，目的是開發一種完全基于電子束光刻技術的肖特基工藝。目前該實驗室已經利用電子束光刻技術實現了納米結構空氣橋二極管的研制。

　　1990年，N.R.Erickson提出了一種適用于亞毫米波波段的平衡三倍頻器即反向并聯二極管對形式，并且設計了500GHz三倍頻器，這一結構當時也得到了廣泛應用。2000年，N.R.Erickson等又基于這種結構設計了300GHzMMIC三倍頻器，這種三倍頻器獲得了11%的最大倍頻效率和5-7mW的輸出功率，在230-325GHz的寬頻帶內獲得了超過1%的效率。這種反向并聯二極管對結構如圖1所示。在2004年，JPL實驗室學者報道了基于此結構的600GHz三倍頻器。

　　JPL實驗室提出的多二極管對高功率容量平衡三倍頻器，其廣泛應用于亞毫米波段和太赫茲波段的三倍頻器研究中。這種結構在波導腔體尺寸允許的情況下可以在倍頻電路上安接4個、6個甚至更多的偶數個二極管，形成多二極管對，與直流偏置串聯，對射頻形成一個對偶次諧波的抑制回路，只有奇次諧波輸出。這樣的結構在保持相位平衡的同時，可以大幅度提高倍頻器的功率容量以提高倍頻器輸出功率；另外，還可簡化直流偏置電路的設計，但是在設計過程中要對波導腔體的設計做充分的考慮，以保證抑制不必要的TE高次模的出現，只讓準TEM模的奇次諧波傳播，其電路結構如圖2所示。

此外，JPL實驗室還在器件制作方法與工藝和二極管電路模型等方面做了大量的研究，基于這些方面的研究，JPL實驗室設計了自幾百個GHz到幾個THz的三倍頻器和基于三倍頻器的亞毫米波與太赫茲源。2003年，JPL實驗室的學者在文獻中介紹的1.9THz三倍頻器，是當時頻率最高的三倍頻器，并且保持多年，其結構便是基于如圖2所示的JPL實驗室的經典電路結構。

　　最具代表性的是2005年9月JPL實驗室學者A.Maestrini，J.S.Ward和J.J.Gill等在文獻中報道了540-640GHz固定調諧高效率寬帶高功率三倍頻器，其電路如圖3所示。三倍頻器的非線性器件采用的是平面肖特基勢壘二極管，并且為了提高功率容量，利用了包含4個二極管的二極管陣列。整個電路基于12μm厚的介質基片利用懸置微帶線實現。常溫測試表明，當輸入功率為22-25mW時，對應輸出功率為0.9-1.8mW，倍頻效率達到4.5%-9%。在此文獻中，作者詳細介紹了此類型三倍頻器的設計方法和過程。JPL實驗室在此經典結構、設計方法與過程的基礎上，還對300GHz、900GHz、1.2THz、2.7THz等頻段的三倍頻器開展了研究。

2007年，VDI學者D.W.Porterfield報道了利用VDI自行研制的肖特基變容二極管設計的440GHz同向并聯二極管對三倍頻器，其結構如圖4所示。此電路結構還應用于220GHz三倍頻器和800GHz三倍頻器的研制中。220GHz三倍頻器在輸入功率為150mW的時，最大倍頻效率為16%，對應輸出功率為23mW。440GHz三倍頻器在75mW的輸入功率驅動下，倍頻效率達到12%，3dB帶寬為7%，獲得了13mW的輸出功率。

隨著頻率不斷升高，獲得高的輸出功率越來越困難，因而為亞毫米波系統提供具有足夠功率的本振源越困難。在器件功率容量達到極限時，單芯片倍頻器功率容量也總是有限的。進一步提高倍頻源輸出功率的一個行之有效的方法，就是將兩路甚至是多路倍頻電路的功率通過功率合成輸出。

　　2008年3月，JPL實驗室學者A.Maestrini等研制出一種結構新穎基于功率合成的300GHz三倍頻器，如圖5所示。該類倍頻器的創新之處主要在于將倍頻電路、功率分配和合成電路進行了綜合。在倍頻器輸入端輸入功率經功分結構一分為二，然后通過相對獨立但倍頻效率、帶寬等倍頻性能趨于一致的兩路倍頻電路倍頻后，在輸出端將兩路倍頻電路分別得到的輸出功率通過Y型結實現了較為理想的功率合成，進而使輸出功率較單路倍頻電路提高一倍。該三倍頻器一共采用了12個平面肖特基二極管，在265-330GHz頻段內獲得了良好的性能。在室溫下，當輸入驅動功率為50-250mW時，其測試倍頻效率達到5%-15%；在318GHz處其輸出最大功率為26mW，對應效率為11%；與單路倍頻器相比不僅具有相同的帶寬，而且實現了輸出功率的提高，這是文獻[22]報道的300GHz單路三倍頻器性能的又一次飛躍。在提高倍頻效率具有實質性困難時，要獲得高的輸出功率，此結構的倍頻器是很好的解決方案。

在300GHz功率合成三倍頻器研制的基礎上，JPL實驗室的學者又研制了兩路倍頻功率合成的900GHz三倍頻器。在室溫下，300GHz三倍頻器在267-325GHz間輸出功率為12.5-22.5mW。利用此三倍頻器驅動900GHz三倍頻器時，900GHz三倍頻獲得0.7mW的最大輸出功率，3dB帶寬為90GHz(820GHz-910GHz)。為了獲得更高的輸出功率，JPL實驗室的學者們更是提出了基于4路倍頻功率合成的300GHz三倍頻器，其結構如圖6所示。300GHz四路功率合成三倍頻器在300GHz處獲得超過45mW的輸出功率，而且具有良好的回波損耗和輸入、輸出端口隔離度。在100GHz時利用400-500mW的功率驅動此三倍頻，再利用這個三倍頻器驅動900GHz兩路功率合成三倍頻器，室溫下測試時，在890GHz處可獲得1.4mW的輸出功率；當冷卻到120K時，可以獲得2mW的輸出功率。

2002年，JPL實驗室設計了基于肖特基變容管的800GHz寬帶平衡二倍頻器，其結構如圖7所示。室溫下，二倍頻器在765GHz處獲得了10%的效率；在9mW輸入功率的驅動下，倍頻器輸出功率最大為1.1mW。

這種結構還分別應用于190GHz、375GHz和1500GHz二倍頻器。在此基礎上，2004年G.Chattopadhyay等JPL實驗室學者發明了1500GHz全固態寬帶倍頻鏈，采用四級二倍頻器。各級二倍頻器設計方法、結構等與上文800GHz二倍頻器相似。在88-99GHz頻率范圍內，100mW的功率驅動是，室溫下190GHz、375GHz、750GHz和1500GHz各級二倍頻效率分別為30%、20%、9%和4%。

　　2011年，JPL實驗室的J.V.Siles、RAL的B.Alderman和H.Wang等研究人員合作，推出了一款基于功率合成的190GHz單波導腔二倍頻器。這款倍頻器是首個100GHz以上應用功率合成的單波導腔二倍頻器。它在一個單波導腔中含有兩個背對背的集成倍頻電路，這是為了提高倍頻器輸出功率又提出的最新結構，采用了單波導腔，其結構及電路如圖8所示。該190GHz肖特基二倍頻器采用了新的結構，室溫時在50-100mW輸入功率的驅動下，在177-202GHz間，其倍頻效率為6%-10%。