基于TCAD仿真的4 THz高截止频率GaN肖特基二极管设计与太赫兹混频器应用研究

为突破GaAs肖特基二极管(SBD)在太赫兹频段的功率瓶颈，研究人员通过Sentaurus-TCAD仿真优化GaN SBD结构参数（N-GaN层厚度与阳极尺寸），实现2.41 THz超高截止频率(fc )，并首次将GaN SBD集成至石英微带混频器，在210-224 GHz频段实现<18 dB转换损耗(CL)和2 dBm输入1 dB压缩点(Pin1dB )，为太赫兹通信系统提供高功率解决方案。

　　

太赫兹技术因其超宽带宽、强穿透性和非电离辐射特性，已成为高速无线通信和空间网络系统的关键发展方向。然而，当前主流的GaAs肖特基二极管(SBD)受限于窄带隙(1.42 eV)和低击穿电场(0.4 MV/cm)，在高功率场景下易损毁。相比之下，第三代半导体氮化镓(GaN)具有3.4 eV宽禁带和3.3 MV/cm高击穿场强的先天优势，但其电子迁移率较低导致截止频率(f_c
)提升困难。复旦大学张思远团队在《Micro and Nanostructures》发表的研究，通过创新性器件仿真与工艺优化，成功将GaN SBD的f_c
推至太赫兹领域。

研究采用Sentaurus-TCAD器件仿真技术，系统分析N-GaN层厚度（50-200 nm）与阳极半径（0.5-2 μm）对串联电阻(R_s
)和零偏结电容(C_j0
)的影响规律。通过ICP干法刻蚀和磁控溅射工艺制备器件，结合石英微带电路集成技术完成性能测试。

Device-level simulation and performance estimation
仿真揭示N-GaN层厚度从200 nm减至50 nm可使R_s
降低76%，而阳极半径缩小至0.5 μm时C_j0
降至2.1 fF，理论f_c
可达4 THz，突破GaN材料本征限制。

Device fabrication
采用200 nm深台面刻蚀和500 nm/min速率深槽隔离工艺，配合Ti/Al/Ni/Au（20/160/50/100 nm）欧姆接触堆叠，实现31.55 Ω超低R_s
。

Results and discussion
实测器件在0.5 μm阳极半径下获得2.41 THz的f_c
，混频器在220 GHz频段展现18 dB CL和2 dBm P_in1dB
，验证GaN SBD在太赫兹系统的线性度优势。

Conclusion
该研究建立TCAD仿真指导的GaN SBD高频优化范式，首次实现GaN SBD在太赫兹混频器的应用验证。通过协同优化寄生参数，将f_c
提升至现有报道最高值2.41 THz，为太赫兹高功率系统开发提供新方法论。张思远团队提出的"阳极尺寸-外延厚度"协同缩放策略，为宽禁带半导体器件在太赫兹通信、雷达等领域的应用开辟新途径。