介绍

太赫兹波是一种存在于微波和红外频率之间的电磁频谱，频谱为100GHz~30THz。

随着光学和微波技术以及微纳米制造技术的不断进步，太赫兹波有了众多新的应用，如太赫兹探测与成像、太赫兹辐射的生物效应、安全检测以及太赫兹通信。

在众多相关技术中，太赫兹信号的产生和检测是推动其发展非常重要的一步。因此，研究如何实现太赫兹信号产生及检测的固态学方法是近年来微波亚毫米波领域的研究热点。

太赫兹肖特基二极管是这些太赫兹固态器件的关键组件，其性能在一定程度上决定了太赫兹倍频器、混频器及检波器的性能优劣。

自1937年肖特基二极管概念提出以来，肖特基二极管取得了极大的发展，在结构上发展为触须接触式二极管和平面式二极管。

随着微制造技术和工艺的发展，平面式二极管因其紧凑、易于集成和性能稳定逐渐成为太赫兹肖特基二极管的主流结构。

国外拥有成熟肖特基二极管工艺的有VDI公司、JPL和RAL实验室，可实现工作频率1THz 以上频率微瓦数量级的输出，国内研究单位有南京电子器件研究所、中国电科十三所等。

工作频率在0.5THz以下的肖特基二极管的工艺研究较为成熟，但1THz以上的肖特基二极管的研究较少。

基本原理

肖特基二极管是一种金属——半导体接触，其中金属的功函数高于半导体的功函数。为使器件能够传输电流，需要另一个连接点作为第二个端口，因此需要另一个欧姆模式的金属-半导体触点。

二极管的核心是金属与半导体接触形成的肖特基结。肖特基结存在于半导体的耗尽层中，耗尽区宽度取决于结内建电势、结电压偏置、外延层掺杂浓度及其介电常数。

由于肖特基二极管的主要电流传输机制是热电子发射，当施加正向偏置时，二极管内的电流可得到。

本文采用的平面肖特基二极管基本结构如，阳极金属与低掺杂砷化镓层形成肖特基接触，阴极金属与高掺杂砷化镓层形成欧姆接触，采用表面沟道空气桥结构以减小高频寄生参量对二极管性能的影响。

肖特基二极管核心电参数包括截止频率、功率容量、各层掺杂浓度和尺寸参数等。在进行肖特基二极管仿真设计前，需对二极管的各层掺杂浓度和结构尺寸进行设计。

功率容量

当肖特基二极管在较大输入功率下，肖特基结温度会升高，二极管电参数也随之变化，导致倍频效率下降同时过大的输入功率可能会导致二极管被击穿不能正常工作。

为了增大肖特基二极管的功率容量，主要可以通过减小外延层掺杂浓度，和增加管芯数量两种方案实现。

阳极面积A与总级联电阻和零偏置结电容密切相关，阳极面积过小会使过大，产生更多的实功率损耗，同时还会使过小弱化二极管的非线性效应。

过大的阳极面积虽然显著降低了并增大了，但不利于二极管的阻抗匹配，还增大了阳极与阴极焊盘间的寄生电容，两者变化均会导致最佳倍频效率降低。

为了获得最佳阳极面积，将阳极直径D和外延层掺杂浓度，作为自变量分析在不同掺杂浓度下随阳极直径的变化。

结果此时二极管的截止频率最大，但综合考虑合作加工单位可实现的砷化镓掺杂工艺，肖特基二极管外延层掺杂浓度最终确定。

仿真设计

串联电阻和寄生电容是影响肖特基二极管非线性特性的两个重要参数，总寄生电容由阳极与阴极焊盘之间的耦合电容和空气桥与砷化镓各掺杂层之间的耦合电容组成。

由于空气桥尺寸较小，通过空气桥引入的寄生电容小于通过两个焊盘引入的寄生电容，本文通过采用垂直沟道减小耦合面积进而降低寄生电容。

基于宽垂直沟道的设计，采用长跨度空气桥以连接二极管阳极和阴极。

同时为了保证仿真模型的准确性，对肖特基二极管模型进行切角处理，将矩形焊盘切角变为锥形焊盘以减小阳极和阴极之间的耦合电容，降低总寄生电容以提高二极管的截止频率。

由于肖特基二极管非线性特性的核心是由金属阳极和外延层相接触形成的肖特基结，需要在肖特基结的位置设置波端口。

但HFSS软件并不支持在封闭空间内部设置波端口，需要将阳极柱增长穿过外延层与缓冲层接触，形成金属材料接触的平面。

当肖特基二极管工作在较高的输入功率状态下，管芯的自热效应会使二极管的工作温度升高，导致二极管电参数发生改变，因此需对二极管管芯自热效应进行分析。

仿真结果分析

二极管热仿真模型中，通过有限元方法提取二极管的热阻矩阵，得到二极管阳极肖特基结处对应的热阻随结温的变化。从仿真结果可知，二极管的热阻随温度的上升呈线性增大。

在后续对二极管I-V特性进行本征参数提取时将得到的热阻代入进行修正。

垂直焊盘的肖特基二极管的回波损耗比梯形焊盘大5dB以上，表明垂直焊盘在输入端口被反射的能量更少；且垂直焊盘的传输损耗略优于梯形焊盘。

仿真结果表明不同形状焊盘对二极管的回波损耗影响较大，对二极管的传输损耗影响较小，其传输损耗受二极管内部结构影响较大。

相比梯形焊盘，垂直焊盘二极管性能略好，但为了让设计的二极管更接近实际真实情况，本文采用梯形焊盘进行后续加工。

仿真结果表明，焊盘间距越大，二极管输入端口回波损耗S11越大，说明焊盘间产生的寄生电容越小，肖特基二极管倍频效率越好。

综合考虑空气桥加工工艺和成本，结合二极管倍频性能，最终取焊盘间距d=9 μm进行后续管芯参数提取。

结论

本文基于GaAs 0.15μm pHEMT工艺，提出了基于垂直表面沟道的长跨度空气桥结构的肖特基二极管模型，仿真对比了不同焊盘间距下的二极管参数，并在软件中建立了最优焊盘间距下二极管管芯肖特基结模型.

经实验测试，设计的肖特基二极管总级联电阻为14.6Ω，零偏置结电容为1.21fF，本征截止频率高达9THz以上，满足工作频率为850~1100GHz的二极管的应用需求，仿真结果与测试结果吻合度较高，证明该二极管模型是有效的。