（来源：第三代半导体产业）
近日，中国工程物理研究院电子工程研究所（中物院五所）/微系统与太赫兹研究中心（中物院微太中心）微纳工艺平台实验室化合物半导体团队，在GaN基太赫兹变容二极管方向取得系列进展，成果分别发表于 IEEE Electron Device Letters 与 Applied Physics Letters。其中，复合阳极/T栅阴极协同设计器件的截止频率品质因数（FOM）达到10.4 THz，为目前公开报道的GaN基太赫兹变容二极管类最高值。
变容二极管是全固态、非制冷太赫兹电路中的关键非线性器件，可用于倍频器、开关、调制器、压控振荡器与电调滤波器等。GaN凭借宽禁带、高击穿场强与高电子饱和漂移速度，被普遍认为是太赫兹频段大功率电子器件的重要材料选择。对变容管而言，截止频率fc由串联电阻Rs与结电容Cj共同决定（fc =1/(2π•Rs•Cj），而FOM则进一步关联截止频率fc和电容比Cratio，FOM=fc•Cratio，更为全面的反映器件高频特性。而往往串联电阻Rs与结电容Cj两者的结构优化方向彼此冲突。例如，缩短栅长可降低Cj，却会推高Rs；增加栅长或引入T形栅可降低Rs，却因寄生效应增大Cj。正因如此，长期以来GaN基变容管的截止频率瓶颈难以有效突破，FOM被限制在较低水平。
进展一：复合阳极与T栅阴极协同设计，FOM达10.4 THz
发表于 IEEE Electron Device Letters 的工作（IEEE Electron Device Letters, vol. 47, no. 2, pp. 269–272, Feb. 2026；DOI: 10.1109/LED.2025.3645263）提出“大尺寸阳极+T型栅阴极”非对称的三端平衡结构的MSM-2DEG变容管：器件采用“中心166 nm T形栅阴极+两侧4 μm矩形阳极并联”的三端平衡结构，并将器件宽度收窄至10 μm。其设计核心是让微米级矩形阳极提供低串联电阻通路，让纳米级T形栅阴极抑制大尺寸阳极带来的结电容增加，再通过窄器件宽度进一步压低乘积，从而缓解传统变容管中与相互制约的矛盾。优化后器件零偏截止频率达3.42 THz，电容开关比为3.04，归一化电阻Rs·W低至0.106 Ω·mm，FOM达10.4 THz，为目前公开报道的GaN基变容管最高值。该工作还结合偏压调控下2DEG耗尽区的演化，解释了器件电容与电阻变化特性。器件与HEMT工艺兼容，为太赫兹频段单片集成提供了可行路径。
图1 (a) 基于 AlGaN/GaN 异质结构 HEMT 的三端 MSM 2DEG 变容二极管的示意截面图；(b) 阳极长度为 4 µm 的 MSM-2DEG 变容二极管的俯视 SEM 图像；(c) T 形栅的截面 SEM 图像。
图2 MSM-2DEG变容二极管性能对比。(a)归一化电阻Rs·W；(b)电容开关比与截止频率
进展二：三条矩形栅简单结构阐明2DEG浓度指数衰减规律，揭示C-V不对称特性出现的内在物理机理
发表于 Applied Physics Letters 的工作（Appl. Phys. Lett. 129, 163503, 2026；DOI: 10.1063/5.0335600）系统研究了三栅条MSM-2DEG变容管的频率提升与C-V特性出现不对称特性的内在2DEG调控机理。器件采用中心阴极、两侧阳极的三条形栅布局，省去复杂T形栅，显著简化了工艺。该工作结合TCAD仿真，系统揭示了栅控金属下2DEG浓度随偏压的“线性—指数—线性”三段式衰减规律，并首次指出C-V特性出现明显的阈值特性与2DEG浓度指数衰减段相关，进一步地据此对C-V特性出现不对称特性的底层物理机理进行了自洽的推断式假说解析：台面边缘区域与中心区域因距离刻蚀位置的差异，引起的刻蚀损伤不同，导致2DEG浓度出现“中心高、边缘低”的非均匀分布特性，进而导致2DEG随栅压的指数衰减段出现的电压值出现分布特性。上述工作成果也可在一定程度上为GaN HEMT器件的栅极调控规律研究提供新思路。
图3基于 AlGaN/GaN 异质结构 HEMT 的三端 MSM-2DEG 变容二极管的示意图和 SEM 图像。
图4 (a) 展示了不同偏置条件下垂直截面上的载流子浓度分布；(b) 和 (c) 给出了从反向偏置结侧提取的相应能带图；(d) 展示了随着电压从 −8 V 变化到 8 V，2DEG 区域中沿 AlGaN/GaN 界面的载流子浓度的演化；(e) 标出了 的位置，并揭示 2DEG 浓度呈现出以“线性—指数—线性”模式为特征的三阶段衰减演化。
系列工作的起点，可追溯到团队2022年发表于 IEEE Transactions on Electron Devices 的M-2DEG-M变容管成果（IEEE Trans. Electron Devices, vol. 69, no. 5, pp. 2270–2274, May 2022；DOI: 10.1109/TED.2022.3155591）。文章创新提出金属——2DEG 一维肖特基直接接触结构，实现器件在零偏下即呈现显著的非线性 C-V 特性，器件FOM达到7.14 THz。这类器件在太赫兹倍频器、开关、调制器、可重构超表面以及高频射频前端等方向具有应用潜力。
上述工作由中物院微太中心微纳工艺平台实验室化合物半导体团队完成。该团队长期从事微波毫米波与太赫兹器件、电路芯片集成技术研究，具备从结构仿真与设计、器件工艺、在片测试到分立功能电路研制的完整研发链条。中物院硕士研究生林耕鑫与五所职工陈健中为IEEE EDL论文的共同一作，林耕鑫与职工康凌风为Applied Physics Letters论文的共同一作，李俊泽副主任和曾建平研究员为两篇论文的共同通信作者，曾建平同时是2022年IEEE TED论文的唯一通信作者。相关工作得到国家自然科学基金项目（62074139）、中物院院长基金（YZJJZQ2023014）、国家安全学术基金NSAF联合重点项目（U2530203）以及科学挑战专题（TZ2018003）的资助。
原文链接
[1] Junze Li and Jianping Zeng, et al., “High cutoff frequency FOM AlGaN/GaN heterostructure MSM-2DEG varactors,” IEEE Electron Device Letters, vol. 47, no. 2, pp. 269–272, Feb. 2026. DOI: 10.1109/LED.2025.3645263
[2] Junze Li and Jianping Zeng, et al., “Frequency improvement and asymmetry characteristics of tri-stripe AlGaN/GaN MSM-2DEG varactors,” Applied Physics Letters, vol. 129, no. 16, 163503, 2026. DOI: 10.1063/5.0335600
[3] Jianping Zeng, et al., “A novel GaN-based metal-2DEG-metal varactor with cutoff frequency of 3.13 THz,” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 69, no. 5, pp. 2270–2274, May 2022. DOI: 10.1109/TED.2022.3155591
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