来源：天津大学微电子学院

    近日，天津大学微电子学院互联感知集成电路与系统团队梁士雄教授联合电子科技大学张雅鑫教授团队和中国电科13所在大功率太赫兹倍频二极管及模组方面取得了突破性的结果，通过优化散热结构，降低了结温，输出功率等性能超越了传统砷化镓倍频器，170GHz倍频器连续波输出功率达到350mW；220GHz倍频器连续波输出功率达到100mW，为已知目前国际报道的最高值。

图1 太赫兹频段GaN倍频器仿真图和输出功率曲线

    基于固态半导体器件的太赫兹技术具有集成性高、稳定性高、效率高、连续波输出的特点，长期以来一直是突破小型化、高输出功率太赫兹信号源技术瓶颈的重要途径，是目前太赫兹成像探测系统、雷达系统、测试仪器系统以及通信系统的重要组成部分。目前商用的太赫兹倍频器均基于GaAs肖特基二极管进行设计，由于GaAs禁带宽度低，单个阳极所能承受的功率低，极大的限制了倍频器的功率容量，220GHz下输出功率仅100mW左右。与砷化镓相比，氮化镓材料具有更宽的带隙、更高的击穿场强、更高的热导率和更低的介电常数，因此GaN二极管在大功率倍频器方面备受关注。2022年氮化镓二极管太赫兹倍频器首次突破瓦级的脉冲功率输出，但是由于散热结构不合理，随着功率密度的增加，散热问题成为限制GaN基倍频器性能的关键因素。特别是在连续波工作模式下，器件内部产生的热量难以有效散发，导致阳极温度升高，进而影响器件输出功率和倍频效率等核心指标。

图2  GaN芯片及倍频单片电路SEM照片

    为了解决这一难题，研究团队提出了一种创新的热阻计算模型。该模型不仅能够精确计算器件内部的热阻分布，还为优化器件结构、降低热阻提供了理论指导。通过该模型，可以更高效地设计出热阻最小化的GaN基倍频器，从而显著提升其在高功率工作条件下的性能表现。

图 氮化镓芯片热分布仿真图

    此外，该模型还简化了提取阳极温度的程序，使得在实际应用中能够更快速、准确地评估器件的热状态。这一特性对于高频器件的实时监控和热管理具有重要意义。相关成果已在IEEE TMTT上发表。

    这一成果不仅为GaN基倍频器的热设计提供了新的思路，也为其他高功率半导体器件的热管理研究提供了重要参考。未来，团队将进一步优化模型，并推动其在太赫兹通信、成像等系统中的应用，助力GaN基器件在高频、高功率领域的持续发展。