近日，天津大學(xué)微電子學(xué)院互聯(lián)感知集成電路與系統(tǒng)團(tuán)隊梁士雄教授聯(lián)合電子科技大學(xué)張雅鑫教授團(tuán)隊和中國電科13所在大功率太赫茲倍頻二極管及模組方面取得了突破性的結(jié)果，通過優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，降低了結(jié)溫，輸出功率等性能超越了傳統(tǒng)砷化鎵倍頻器，170GHz倍頻器連續(xù)波輸出功率達(dá)到350mW；220GHz倍頻器連續(xù)波輸出功率達(dá)到100mW，為已知目前國際報道的最高值。

圖1 太赫茲頻段GaN倍頻器仿真圖和輸出功率曲線

基于固態(tài)半導(dǎo)體器件的太赫茲技術(shù)具有集成性高、穩(wěn)定性高、效率高、連續(xù)波輸出的特點，長期以來一直是突破小型化、高輸出功率太赫茲信號源技術(shù)瓶頸的重要途徑，是目前太赫茲成像探測系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、測試儀器系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)的重要組成部分。目前商用的太赫茲倍頻器均基于GaAs肖特基二極管進(jìn)行設(shè)計，由于GaAs禁帶寬度低，單個陽極所能承受的功率低，極大的限制了倍頻器的功率容量，220GHz下輸出功率僅100mW左右。與砷化鎵相比，氮化鎵材料具有更寬的帶隙、更高的擊穿場強(qiáng)、更高的熱導(dǎo)率和更低的介電常數(shù)，因此GaN二極管在大功率倍頻器方面?zhèn)涫荜P(guān)注。2022年氮化鎵二極管太赫茲倍頻器首次突破瓦級的脈沖功率輸出，但是由于散熱結(jié)構(gòu)不合理，隨著功率密度的增加，散熱問題成為限制GaN基倍頻器性能的關(guān)鍵因素。特別是在連續(xù)波工作模式下，器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量難以有效散發(fā)，導(dǎo)致陽極溫度升高，進(jìn)而影響器件輸出功率和倍頻效率等核心指標(biāo)。

圖2 GaN芯片及倍頻單片電路SEM照片

為了解決這一難題，研究團(tuán)隊提出了一種創(chuàng)新的熱阻計算模型。該模型不僅能夠精確計算器件內(nèi)部的熱阻分布，還為優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)、降低熱阻提供了理論指導(dǎo)。通過該模型，可以更高效地設(shè)計出熱阻最小化的GaN基倍頻器，從而顯著提升其在高功率工作條件下的性能表現(xiàn)。

圖 氮化鎵芯片熱分布仿真圖

此外，該模型還簡化了提取陽極溫度的程序，使得在實際應(yīng)用中能夠更快速、準(zhǔn)確地評估器件的熱狀態(tài)。這一特性對于高頻器件的實時監(jiān)控和熱管理具有重要意義。相關(guān)成果已在IEEE TMTT上發(fā)表。

這一成果不僅為GaN基倍頻器的熱設(shè)計提供了新的思路，也為其他高功率半導(dǎo)體器件的熱管理研究提供了重要參考。未來，團(tuán)隊將進(jìn)一步優(yōu)化模型，并推動其在太赫茲通信、成像等系統(tǒng)中的應(yīng)用，助力GaN基器件在高頻、高功率領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。