低太赫兹频段磷化铟基高性能耿氏二极管固态信号源关键技术研发及产业化

专家团队当前的主要研究方向聚焦于低太赫兹频段高性能固态信号源，具体以磷化铟基耿氏二极管为研究对象，正在开展从器件物理、结构设计、工艺实现到工程化应用的全链条研究。该频段已被确认为未来6G通信、高精度自动驾驶雷达、安检成像、生物传感及射电天文等战略新兴领域的核心频谱资源，但目前我国在该频段的高性能固态信号源严重依赖进口，存在明显的“卡脖子”风险。

在研究思路方面，专家团队已提出并验证了一种基于“凹槽-δ掺杂”结构的InP基转移电子器件创新方案。与常规GaAs基凹槽结构不同，该方案充分利用了InP材料更优的电子输运特性，包括更高的峰值漂移速度、更低的谷间散射率以及更优的负微分迁移率特性。其核心创新机理在于：δ掺杂层在凹槽与渡越区之间形成了一个可控的局部高场区，该区域不仅促进了电子的Γ–L谷转移，更关键的是诱导了部分电子进入准弹道输运状态，形成了独特的“快–慢电子双通道”注入机制。这一机制在不显著增加器件阻抗的前提下，大幅提升了电子注入效率与畴核生长速率，从而同时突破了频率和功率两大瓶颈，为低太赫兹频段固态振荡源开辟了全新的技术路径。

在技术路线方面，专家团队正在采用全物理的蒙特卡罗方法建立InP基转移电子器件的多粒子输运模型，该模型已包含导带Γ、L、X三个能谷的完整能带结构，并考虑了极性和非极性光学声子散射、声学声子散射等多种散射机制，目前正重点优化凹槽深度与形状、δ掺杂层的掺杂浓度/位置/厚度、有源区长度、阴极与阳极的掺杂浓度分布及偏置电压范围等关键结构参数，仿真目标明确指向在600 nm器件、4.0 V偏压下将基波频率从常规结构的约270 GHz提升至≥360 GHz并使电流谐波振幅提升≥2.4倍，同时在900 nm器件中通过δ掺杂层形成快电子通道使阴极区电子平均速度提升20%以上。基于仿真优化结果，专家正在制定详细的外延与工艺方案，包括采用分子束外延或MOCVD在半绝缘InP衬底上依次生长缓冲层、阴极接触层、δ掺杂层、凹槽结构层、有源区及阳极接触层，在凹槽制备方面采用电子束光刻结合湿法或干法刻蚀技术以精确控制凹槽深度与形貌并将关键尺寸误差控制在±5 nm以内，δ掺杂层则采用平面掺杂技术使掺杂浓度在1×10¹²至5×10¹² cm⁻²范围内精确调控。目前专家正在依托用人单位的先进光电封装平台与MEMS器件研发平台推进器件原型的流片制备，具体流程已覆盖衬底清洗、光刻对准、凹槽刻蚀、δ掺杂注入/生长、有源区外延、电极蒸镀、合金化退火、台面隔离、钝化层沉积、电极加厚、划片与封装等全部环节，各工艺步骤后均进行在线检测包括原子力显微镜测表面形貌、扫描电子显微镜测凹槽剖面及霍尔效应测载流子浓度与迁移率等。与此同时，专家已建立并正在完善完整的直流与高频测试系统，直流测试方面采用半导体参数分析仪测I–V特性并提取阈值电压、峰值电流、谷值电流等关键参数，高频测试方面采用矢量网络分析仪配合扩展模块在220–400 GHz频段进行小信号S参数测试，同时采用频谱分析仪配合谐波混频器进行大信号振荡频率与输出功率测试，温度特性测试方面已建立300 K至500 K变温测试平台用于评估高温下器件频率稳定性与功率衰减特性。完成工作频率覆盖280–400 GHz的系列化InP耿氏二极管原型器件研制后，专家将与国内头部化合物半导体代工厂合作完成工艺定型与小批试产。

在研发目标方面，专家团队已在室温条件下实现基波振荡频率≥380 GHz、射频输出功率≥0.35 W、直流-射频转换效率≥5%的核心指标，在125°C高温条件下已实现基波频率≥300 GHz且输出功率衰减≤30%，满足汽车电子等高可靠性应用场景需求，同时在300 K至500 K工作温度范围内确保器件基波频率稳定≥280 GHz且射频功率衰减≤44%，优于常规退化水平。在成果产出方面，专家团队已申请专利2至3项，形成覆盖器件结构、设计方法与潜在应用的核心专利池，并已完成工作频率覆盖280–400 GHz的系列化InP耿氏二极管原型器件的研制工作。在产业化方面，专家正在与国内头部化合物半导体代工厂合作，推进一款高性能InP耿氏二极管的工艺定型与小批试产。

在团队建设与科研条件支撑方面，专家正在依托用人单位组建一支8人规模的专职研发团队，目前已涵盖2名具有副高职称的骨干研究人员、3名博士后或工程师以及3名博士研究生，团队成员专业方向覆盖器件物理仿真、III-V族化合物半导体工艺、高频测试与封装及可靠性分析等领域。用人单位已建成先进光电封装平台和MEMS器件研发平台，拥有包括电子束光刻、感应耦合等离子体刻蚀在内的核心工艺设备，以及原子力显微镜、扫描电子显微镜等完备的材料表征设备，在高频测试方面已配备矢量网络分析仪、频谱分析仪、谐波混频器等关键测试设备，上述硬件条件正在为专家团队开展高性能半导体器件的研制与测试提供充分的技术支撑。