太赫兹片上二极管非线性精确建模及单片集成电路设计

Terahertz low noise amplifier and power amplifier are not mature, making terahertz mixer and frequency multiplier become the main way to realize high sensitivity receiver and source. The intrinsic nonlinearity of the diode device is one of the first choice for the realization of the terahertz nonlinear circuit. The project aiming at shortcomings of the terahertz on-chip diode device structure and model, focuses on how to set up the THz on-chip diode structure, model and application in monolithic integrated circuit in order to achieve high performance, miniaturization, high integration and high reliability of terahertz monolithic integrated circuit and system..This project aim to terahertz monolithic integrated circuit and system with high performance, small-size, integration, to carry out the study of on-chip integrated terahertz diode physical structure and nonlinear mechanism, solve the device behavior model under the non-linear and modeling method, realize the precise characterization simulation of the nonlinear behavior, and design a monolithic terahertz mixer circuit and device verification. All will provide technical support to the high performance monolithic integrated terahertz integrated circuit and system design.

太赫兹低噪声放大器和功率放大器的不成熟，使得太赫兹混频器和倍频器成为实现太赫兹高灵敏度接收机和源的主要方式。二极管器件的本征非线性成为实现上述非线性电路的首选之一。本项目针对目前太赫兹片上二极管器件结构和模型的不足，以实现高性能、小型化、高集成和高可靠性的单片太赫兹集成电路和系统为目标，围绕如何建立适合于太赫兹频段的片上二极管结构、模型及在单片集成电路中的应用等关键科学问题展开研究。研究太赫兹片上二极管非线性工作机理，发展适合于太赫兹应用的器件结构，开展片上二极管器件在太赫兹频段非线性行为的精确模拟、建模方法研究，实现非线性行为的精确表征。在此基础上开展单片太赫兹非线性集成电路研究，完成混频器芯片和倍频器芯片的设计，实现器件和太赫兹电路设计方法的验证，为基于集成电路工艺方法实现单片集成式的太赫兹高性能集成电路和系统提供技术支撑，并进一步为小型化、高效能的太赫兹系统实现奠定基础。

项目以实现太赫兹电路和系统的小型化、高集成和高性能为需求背景，对太赫兹片上二极管非线性精确建模及单片集成电路设计开展了研究。通过项目研究，针对适合于太赫兹应用的片上二极管结构、非线性工作机理和参数提取方法进行了研究，建立了一种片上二极管的宽带非线性等效电路模型和参数提取方法，基于实际流片的测试数据实现了频率至220GHz频段的模型验证，并在D波段谐波混频器芯片设计中实现了应用。在此基础上，基于集成电路工艺，提出了包括多线耦合器结构、非对称三线耦合器以及巴伦+变压器级联嵌套结构、金属叠层非平衡巴伦结构等多种新型无源结构，开展了宽频带、小尺寸、低功耗以及高转换效率的太赫兹单片频率转换电路芯片设计和验证，包括两款D波段宽带谐波混频器、一款110~300GHz宽带基波混频器和两款W波段和D波段倍频器、一款230~400GHz宽带倍频器等。实测结果验证了电路良好的宽带和转换增益特性以及小尺寸的芯片面积。最后基于完成的宽带单片频率转换电路芯片，设计实现了太赫兹收发模块并完成信号传输，为所设计的单片频率转换电路在太赫兹收发系统应用提供了基础。项目研究取得的成果为太赫兹集成电路积累了器件模型和设计方法等关键技术储备，可进一步促进太赫兹集成电路及相关领域的发展。