基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路的制作方法

1.本发明具体涉及一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，属于半导体集成技术领域。


背景技术：

2.半导体型碳纳米管具有高载流子迁移率、极低的本征电容、超高热导率、优异的抗辐照特性、易于三维异质集成等一系列优点，基于碳纳米管材料的肖特基二极管器件具有极小的寄生电容及高的截止频率。毫米波与太赫兹射频前端在5g/6g通信、雷达探测、太赫兹成像等领域具有重要的应用价值。然而，由于毫米波与太赫兹系统的工作频段比较高，对频率源的产生电路提出极高的要求，倍频器电路作为毫米波与太赫兹射频前端频率源的重要解决方案，需要采用具有高截止频率的半导体器件及细致的射频电路设计以获取优异的倍频性能。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，基于具有高截止频率的碳纳米管肖特基二极管器件设计并开发具有低倍频损耗的倍频器电路，在石英基板上实现小型化的滤波器结构及倍频器电路，拓展碳基集成电路在毫米波与太赫兹射频前端领域的应用潜力。
4.为达到上述目的，本发明提出以下的技术方案。
5.一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，包括：碳纳米管肖特基二极管器件、低频带通滤波器、高频带通滤波器、输入阻抗匹配网络、输出阻抗匹配网络、射频输入端口和射频输出端口；所述碳纳米管肖特基二极管位于所述输入阻抗匹配网络与输出阻抗匹配网络之间；所述低频带通滤波器位于所述射频输入端口与所述输入阻抗匹配网络之间；所述高频带通滤波器位于射频输出端口与输出阻抗匹配网络之间；所述输入阻抗匹配网络位于低频带通滤波器与碳纳米管肖特基二极管的输入端口之间；所述输出阻抗匹配网络位于高频带通滤波器与碳纳米管肖特基二极管的输出端口之间。
6.其中，所述碳纳米管肖特基二极管的有源层为半导体型碳纳米管，包括随机排列碳纳米管网络或定向排列碳纳米管阵列。
7.其中，所述低频带通滤波器为基于紧凑微带谐振单元结构的带通滤波器，所述低频带通滤波器包括一阶带通滤波器结构。
8.其中，所述高频带通滤波器为基于紧凑微带谐振单元结构的带通滤波器，所述高频带通滤波器包括一阶带通滤波器结构。
9.其中，构成所述低频带通滤波器和所述高频带通滤波器的材质包括金、铜、铝中的任意一种或多种。
10.其中，所述输入阻抗匹配网络和所述输出阻抗匹配网络为基于微带线结构的阻抗匹配网络。
11.其中，构成所述输入阻抗匹配网络和所述输出阻抗谱匹配网络的材质包括金、铜、
铝中的任意一种或多种。
12.其中于，所述碳纳米管肖特基二极管采用单个碳纳米管肖特基二极管串联连接，所述碳纳米管的阴极与所述输入阻抗匹配网络相连，所述碳纳米管的阳极与所述输出阻抗匹配网络相连，所述碳纳米管肖特基二极管工作在零偏置电压下。
13.以上所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，还包括：石英基板，用于承载所述碳纳米管肖特基二极管器件、低频带通滤波器、高频带通滤波器、输入阻抗匹配网络、输出阻抗匹配网络、射频输入端口和射频输出端口。
14.其中，所述石英基板的厚度小于或等于100微米，所述石英基板的背面设置有背金结构。
15.本发明的优点和技术效果如下：
16.本发明基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，采用具有高截止频率的碳纳米管肖特基二极管器件作为核心器件提供非线性特性，实现低损耗的倍频电路；基于紧凑微带谐振单元技术设计低频带通滤波器，用于传输基频信号，抑制高次谐波信号从输入端口泄漏；基于紧凑微带谐振单元技术设计高频带通滤波器，用于传输基频信号，抑制基频信号从输入端口泄漏；与采用传统硅基肖特基二极管器件的倍频器电路相比，本发明提供的基于高截止频率碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路可以实现更低的倍频损耗。并且，基于紧凑微带谐振单元技术的低频带通滤波器和高频带通滤波器实现了小型化设计，可以大大缩减倍频器电路的整体面积。此外，本发明选择在石英基板上加工碳纳米管肖特基二极管器件及倍频器电路，降低了无源器件的传输损耗和碳纳米管肖特基二极管器件的寄生电容，从而提高了倍频器电路的倍频性能。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
18.图1为本发明提供的一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路的原理示意图；
19.图2为本发明提供的一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路的芯片实物照片；
20.图3为本发明提供的一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路的频谱测试图；
21.图4为本发明提供的一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路的倍频损耗测试图。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
23.本实施例具体描述本发明所提供的一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路。
24.实施例一
25.图1为本发明所提供的一种碳纳米管肖特基二极管倍频器电路的原理示意图，所述倍频器的原理示意图包括碳纳米管肖特基二极管器件103、低频带通滤波器101、高频带通滤波器105、输入阻抗匹配网络102、输出阻抗匹配网络104。
26.所述碳纳米管肖特基二极管器件103位于输入阻抗匹配网络101与输出阻抗匹配网络104之间；所述低频带通滤波器101位于倍频器电路的输入端口与碳纳米管肖特基二极管器件之间；所述高频带通滤波器105位于倍频器电路的输出端口与碳纳米管肖特基二极管器件之间；所述输入阻抗匹配网络102位于低频带通滤波器101与碳纳米管肖特基二极管器件103之间；所述输出阻抗匹配网络104位于碳纳米管肖特基二极管器件103与高频带带通滤波器105之间；
27.图2为本发明所提供的一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路的芯片实物照片，图2中101为低频带通滤波器，105为高频带通滤波器。输入阻抗网络、碳纳米管肖特基二极管器件和输出阻抗网络都设置在低频带通滤波器101和高频带通滤波器105之间。
28.所述碳纳米管肖特基二极管器件的有源层为半导体型碳纳米管，其排列方式为定向排列碳纳米管阵列。
29.所述低频带通滤波器，基于紧凑微带谐振单元技术设计而成，为基于紧凑微带谐振单元结构的带通滤波器。所述低频带通滤波器包括但不限于一阶带通滤波器结构，构成所述低频带通滤波的金属材料包括但不限于金、铜、铝中的一种。所述低频带通滤波器的功能在于传输低频段基频信号，抑制高频段高次谐波信号从输入端口泄漏。所述低频带通滤波器为基于紧凑微带谐振单元结构的带通滤波器，其优势在于可以大大缩小基于微带线的滤波器的面积，有助于实现倍频器电路的小型化设计。
30.所述高频带通滤波器，基于紧凑微带谐振单元技术设计而成，为基于紧凑微带谐振单元结构的带通滤波器。所述高频带通滤波器包括但不限于一阶带通滤波器结构，构成所述高频带通滤波的金属材料包括但不限于金、铜、铝中的一种。所述高频带通滤波器的功能在于传输高频段高次谐波信号，抑制低频段基频信号从输出端口泄漏。所述高频带通滤波器为基于紧凑微带谐振单元结构的带通滤波器，其优势在于可以大大缩小基于微带线的滤波器的面积，有助于实现倍频器电路的小型化设计。
31.所述输入阻抗匹配网络与输出阻抗匹配网络均采用微带线设计而成，为基于微带线结构的阻抗匹配网络，其功能在于实现碳纳米管肖特基二极管输入端口阻抗与低频带通滤波器输出阻抗之间的阻抗匹配，从而降低倍频器电路的倍频损耗。构成所述输入阻抗匹配网络与输出阻抗匹配网络的金属材料包括但不限于金、铜、铝中的一种。
32.所述基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其核心碳纳米管肖特基二极管器件采用单管串联连接方式，工作在零偏置电压下。
33.所述基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路还包括石英基板，上述倍频器电路中的电路元件都加工于石英基板上，采用石英基板作为衬底的优势在于可以大大降低碳纳米管肖特基二极管的寄生参数以及无源器件的损耗。在完成顶层电路的加工之后，所述石英基板需要减薄至包括但不限于的厚度小于或等于100微米，其功能在于降低微带线的传
输损耗；并在所述石英基板的背面加工一层设置有背金结构，其功能在于为顶层的微带线结构提供一个参考地。所述基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其低频带通滤波器，高频带通滤波器，输入阻抗匹配网络与输出阻抗匹配网络均采用电磁场仿真软件进行仿真设计，并进行流片验证。流片完成后，基于毫米波测试平台对所设计的倍频器电路进行测试。
34.图3为本发明所提供的一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路的频谱测试图，输入基频信号的频率为38
–
40.5ghz，输出二次谐波信号的频率为76
–
81ghz。如图3所示，碳纳米管肖特基二极管倍频器电路在该频段下的输出信号最大功率达到-14.97dbm。
35.图4为本发明所提供的一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路的倍频损耗测试图，输入基频信号的频率为38
–
40.5ghz，输出二次谐波信号的频率为76
–
81ghz。如图4所示，碳纳米管肖特基二极管倍频器电路在该频段下的倍频损耗最小为-20.6db。
36.本发明采用具有高截止频率的碳纳米管肖特基二极管设计倍频器电路，在高频下工作实现了低倍频损耗。基于紧凑微带谐振单元技术设计的低频带通滤波器和高频带通滤波器具有极小的面积，实现了倍频器电路的小型化设计。同时，本发明提供的倍频器器电路采用石英基板作为衬底基板，进一步降低了无源器件的衬底损耗以及碳纳米管肖特基二极管器件的寄生电容，从而改善了倍频器电路的倍频损耗，具有显著的技术进步与经济效益。
37.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，包括：碳纳米管肖特基二极管器件、低频带通滤波器、高频带通滤波器、输入阻抗匹配网络、输出阻抗匹配网络、射频输入端口和射频输出端口；所述碳纳米管肖特基二极管器件位于所述输入阻抗匹配网络与输出阻抗匹配网络之间；所述低频带通滤波器位于所述射频输入端口与所述输入阻抗匹配网络之间；所述高频带通滤波器位于射频输出端口与输出阻抗匹配网络之间；所述输入阻抗匹配网络位于低频带通滤波器与碳纳米管肖特基二极管的输入端口之间；所述输出阻抗匹配网络位于高频带通滤波器与碳纳米管肖特基二极管的输出端口之间。2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，所述碳纳米管肖特基二极管的有源层为半导体型碳纳米管，包括随机排列碳纳米管网络或定向排列碳纳米管阵列。3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，所述低频带通滤波器为基于紧凑微带谐振单元结构的带通滤波器，所述低频带通滤波器包括一阶带通滤波器结构。4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，所述高频带通滤波器为基于紧凑微带谐振单元结构的带通滤波器，所述高频带通滤波器包括一阶带通滤波器结构。5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，构成所述低频带通滤波器和所述高频带通滤波器的材质包括金、铜、铝中的任意一种或多种。6.根据权利要求1所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，所述输入阻抗匹配网络和所述输出阻抗匹配网络为基于微带线结构的阻抗匹配网络。7.根据权利要求1所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，构成所述输入阻抗匹配网络和所述输出阻抗谱匹配网络的材质包括金、铜、铝中的任意一种或多种。8.权利要求1中任一所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，所述碳纳米管肖特基二极管采用单个碳纳米管肖特基二极管串联连接，所述碳纳米管的阴极与所述输入阻抗匹配网络相连，所述碳纳米管的阳极与所述输出阻抗匹配网络相连，所述碳纳米管肖特基二极管工作在零偏置电压下。9.根据权利要求1至8中任一所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，还包括：石英基板，用于承载所述碳纳米管肖特基二极管器件、低频带通滤波器、高频带通滤波器、输入阻抗匹配网络、输出阻抗匹配网络、射频输入端口和射频输出端口。10.根据权利要求9所述的基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，其特征在于，所述石英基板的厚度小于或等于100微米，所述石英基板的背面设置有背金结构。

技术总结
本发明提供基于碳纳米管肖特基二极管的倍频器电路，包括：碳纳米管肖特基二极管器件、低频带通滤波器、高频带通滤波器、输入阻抗匹配网络、输出阻抗匹配网络、射频输入端口和射频输出端口；碳纳米管肖特基二极管位于输入阻抗匹配网络与输出阻抗匹配网络之间；低频带通滤波器位于射频输入端口与输入阻抗匹配网络之间；高频带通滤波器位于射频输出端口与输出阻抗匹配网络之间；输入阻抗匹配网络位于低频带通滤波器与碳纳米管肖特基二极管的输入端口之间；输出阻抗匹配网络位于高频带通滤波器与碳纳米管肖特基二极管的输出端口之间。本发明提供的倍频器电路在高频频段实现更低的倍频损耗，大幅降低了肖特基二极管器件的寄生电容及无源器件的衬底损耗。容及无源器件的衬底损耗。容及无源器件的衬底损耗。


技术研发人员：夏庆贞 刘洪刚 张志勇 彭练矛
受保护的技术使用者：北京元芯碳基集成电路研究院 北京华碳元芯电子科技有限责任公司
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2023/10/7