太赫兹InP异质结双极型晶体管特殊物理效应及精细模型研究

The lack of high performance terahertz (THz) amplifier is the major impediment to the application of THz systems. As one solution to it, the THz indium phosphide (InP) heterojunction bipolar transistor (HBT) is also a hot research issue at present. However, conventional InP HBT models which are inefficient in terahertz band based on the equivalent-circuit theory do not fully consider the special physical effects in terahertz band such as non-quasi-static effect, velocity saturation effect, skin effect, etc. In this proposal, we will deeply investigate the special physical effects of InP HBT in terahertz band by using Monte Carlo Enhanced Drift-Diffusion（MC-E-DD）method, and establish a non-linear intrinsic device model on the basis of in-depth researches on device structure and manufacture process. In addition, a non-intrinsic device model will also be established, which is extracted by 3D EM simulation method. The proposed accurate physical-based THz InP HBT model can play an important role in the development of terahertz InP HBT and the precise design of terahertz amplifiers. Moreover, the idea in this proposal can also be applied to other cases such as terahertz SBD, HEMT, etc. This work will lay a solid foundation for the research on the development of terahertz solid-state devices and then advance the development of the terahertz science and technology.

高性能放大器件的缺乏已经严重阻碍太赫兹系统的广泛应用，太赫兹InP异质结双极型晶体管（HBT）是解决这一瓶颈问题的核心器件，也是目前太赫兹技术的研究热点。然而，基于经验的传统等效电路建模方法，基本上没有考虑HBT在太赫兹频段出现的特殊物理效应，如非准静态效应、速度饱和效应及趋肤效应等，造成模型不准确。本项目针对这一现状，提出采用蒙特卡洛加强漂移扩散法（MC-E-DD）深入研究太赫兹频段InP HBT的特殊物理效应，并结合晶体管的器件结构、工艺，建立HBT的本征结模型；拟运用三维全波电磁仿真方法来研究HBT无源寄生部分，建立其非本征结模型。在此基础上建立的精细物理基模型可以指导太赫兹InP HBT器件的开发及相应放大电路的准确设计。该研究方法也可推广到太赫兹SBD、HEMT等器件的精确建模，将为太赫兹半导体器件的研发打下坚实的模型基础，从而极大地推动太赫兹科技发展。

针对缺乏太赫兹InP异质结双极型晶体管（HBT）精确模型的现状，重点进行了太赫兹InP HBT精细物理基建模技术的研究，通过单片测试验证了各关键技术的可行性。本课题开展了太赫兹InP HBT去嵌技术的研究与分析，准确剥离了Pad不连续性以及在片测试夹具与互联通孔引入的寄生参数，提高了太赫兹单片测量的精确度；开展了太赫兹频段下的特殊物理效应精确建模研究，解决了高频寄生效应、色散电极间寄生参数、趋肤效应及自热效应等特殊物理效应对太赫兹InP HBT模型的影响；在此基础上，利用三维电磁仿真方法对InP HBT小信号模型进行了修正，并完成了大信号模型的建立。本课题按照研究目标的要求，研制了220 GHz单片集成放大器、340 GHz功率放大器及220 GHz增益增强型倍频器，通过在片测试平台验证并修正了建立的太赫兹InP HBT精确模型。本课题形成了具有全自主知识产权的核心技术和自主研制能力，为研究实用化高性能太赫兹高效放大器、太赫兹变频器及单片系统奠定了坚实的理论与技术基础。本课题共发表高水平论文14篇，其中SCI论文12篇，会议论文2篇，申请国家发明专利4项，授权国家发明专利5项，授权美国专利1项，培养博士2位，硕士4位。本课题研制的太赫兹InP HBT功率放大器芯片，获2020年中国电子科技集团有限公司科学技术奖三等奖，申请人张勇2022年入选第七批国家高层次人才XXX科技创新领军人才。