本研究由Harshad Surdi、Mohammad Faizan Ahmad、Franz Koeck、Robert J. Nemanich、Stephen Goodnick以及Trevor J. Thornton等人共同完成，其中Harshad Surdi和Mohammad Faizan Ahmad为同等贡献的第一作者，Trevor J. Thornton为通讯作者。研究团队分别来自亚利桑那州立大学（Arizona State University）的电气、计算机与能源工程学院以及物理系。该研究成果发表于2020年12月的《IEEE微波与无线元件快报》（IEEE Microwave and Wireless Components Letters，第30卷第12期）。
本研究属于半导体功率器件与射频微波工程交叉领域，具体聚焦于接收保护器（Receiver Protectors，RPs）核心元件的开发。雷达及射频通信系统在其输入端必须使用功率限幅器（power limiters），以保护敏感的接收组件免受高功率信号的损坏。这些接收保护器通常采用自偏置肖特基二极管（self-biased Schottky diodes）作为阻抗分流元件（impedance shunts）。其工作原理在于：当输入电压摆幅较低时，肖特基二极管因其结电容（junction capacitance）呈现高输入阻抗，产生的插入损耗可忽略不计；而当输入电压摆幅超过二极管的开启电压时，其阻抗急剧下降，输入信号大部分被反射，从而防止接收器受损。由于肖特基二极管为多数载流子器件，它们对输入信号幅度的变化响应极为迅速。
接收保护器的一个常用品质因子（figure of merit）为FOC = (2π·Ron·Coff)⁻¹，其中Coff为关态电容，Ron为导通电阻。低Coff值可将插入损耗最小化，而低Ron值则确保输入信号被最大限度反射。输入功率不可避免地会在接收保护二极管中耗散，因此通过接收保护器衬底耗散相关热量的能力对于高功率系统至关重要。尽管传统的硅（Si）及化合物半导体（如GaAs）材料已广泛用于接收保护器，但由于金刚石具有极高的热导率（thermal conductivity），研究人员对于在金刚石这类高热导率衬底上开发面向10至100瓦范围的高功率应用器件抱有极大兴趣。
基于此，本文的研究目标是：对采用等离子体增强化学气相沉积（Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）技术生长的金刚石肖特基PIN二极管（diamond Schottky p-i-n diodes）进行直流（DC）和射频（RF）特性表征，并将其作为分流元件集成到共面带状线（coplanar striplines）中，以验证其应用于接收保护器的潜力。
本研究包含从材料生长、器件制造到电学表征与建模分析的完整流程，具体可划分为以下几个核心环节。
第一环节：金刚石PIN二极管的材料生长。研究的起点是一片采用高压高温（High-Pressure, High-Temperature，HPHT）法制备的<111>晶向金刚石衬底，该衬底通过硼掺杂实现了p型导电，掺杂浓度约为2×10²⁰ cm⁻³，衬底尺寸为3毫米×3毫米，厚度约300微米。随后，研究人员使用PECVD技术在其上依次淀积本征层（i-layer）和n型层。本征层的目标厚度为300纳米，虽为名义上的非掺杂层，但其硼背景浓度通常约为1×10¹³ cm⁻³。在本征层生长完成后，淀积一层目标厚度为50纳米的磷掺杂n型层，其目标磷浓度约为1×10¹⁹ cm⁻³。这一PECVD金刚石生长的详细工艺在文献[12]中有详尽描述。
第二环节：器件制造与集成。在PECVD涂覆的金刚石衬底表面，研究人员制造了二极管分流的共面带状线。器件制造流程如下：首先，为实现器件间的电学隔离，采用氧气/六氟化硫（O₂/SF₆）反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）执行部分台面（mesa）刻蚀，以定义二极管区域和顶部阳极接触。然后，进行第二次RIE刻蚀，贯穿本征层以暴露出p型衬底的上表面。接着，通过电子束蒸发（electron-beam evaporation）沉积钛/镍/金（Ti/Ni/Au，50/50/300纳米）金属叠层，分别形成与金刚石n型层的顶部阴极接触和与p型层的阳极接触。由于衬底中的高硼掺杂浓度，该金属叠层在n型层上形成肖特基接触（Schottky contact），而在p型层上则形成欧姆接触（ohmic contact）。所制备的肖特基PIN二极管的阴极面积为110微米×75微米。器件表面的接点构成了共面波导，可使用间距为100微米的地-信号-地（Ground-Signal-Ground，GSG）射频探针直接进行在片测试。
第三环节：小信号参数提取与建模。将共面波导置于探针台上，进行DC和RF测量。直流电流-电压（I-V）特性测量结果显示，二极管的正向导通阈值约为1伏，这与其它金刚石肖特基PIN二极管的表现相似。在正向偏压达到9.2伏时，电流达到1安的仪器合规值，对应的电流密度高达12.1 kA/cm²，这相对于二极管处于关态时的直流噪声底高出十个数量级。
为建立精确的小信号模型，研究人员在1至25吉赫兹（GHz）频率范围内，对分流的共面带状线进行了单端口S参数测量。通过校准，将测量参考平面建立在共面带状线的输入和输出端。在0至7.6伏的偏置电压范围内记录单端口反射系数S11，然后利用标准公式将S11转换为二极管阻抗Zd。研究人员采用了一个集总元件模型（lumped-element model），该模型由一个偏置相关的二极管电阻Rd与一个固定的结电容Cd并联，再与一个偏置无关的接触电阻Rc串联构成。其阻抗表达式为：Zd = Rc + Rd / (1 + jωRdCd)。
通过将测量数据与模型进行拟合，成功提取出各项参数。结果显示，一个恒定的接触电阻Rc = 3 Ω（对应于比接触电阻率0.25 mΩ·cm²）在所有偏置电压下均能获得最佳拟合效果。同时，得到了一个恒定的二极管电容Cd = 1.44 pF（对应于17.5 nF/cm²）。基于平板电容模型（Cd = εA/td），可以推算出耗尽层厚度td约为0.29微米，与约0.3微米的目标厚度相符。提取出的偏置相关电阻Rd值与从直流I-V曲线确定的微分电阻（dV/dI）展现出极好的一致性。这种高度吻合以及阻抗数据与模型的优秀拟合度，证明了该提取的集总元件模型在高达25 GHz的频率范围内足以应用于仿真模拟。
第四环节：双端口分流性能测量。为评估二极管在实际工作模式下的性能，研究人员将二极管分流的共面波导配置为双端口RF测量。在1至25 GHz频率范围内和0至7.6伏偏压下，记录了插入损耗（insertion loss，S21）和回波损耗（return loss，S11）。在零偏置（关态）时，1 GHz处的测量插入损耗低至0.3 dB。当正向偏压增加至7.6伏（导通态）时，二极管阻抗降至6.1 Ω，插入损耗增加至14 dB，同时回波损耗S11表现出相应的变化。这些实验数据与基于提取的二极管阻抗模型的仿真结果非常吻合。仿真分析进一步指出，对于该Rc = 3 Ω的二极管而言，其在导通态下可达到的最大插入损耗为19 dB，对应的S11为-1 dB。若要将插入损耗提升至30 dB，接触电阻必须降至1 Ω或更低（对应比接触电阻率8.3×10⁻⁵ Ω·cm²）。
本研究成功地实现了金刚石肖特基PIN二极管的制备与全面的射频表征。其核心结果如下：
宽动态范围性能：在DC特性上，二极管展现了高达十个数量级的电流动态范围（从皮安级的噪声底到1安培的电流合规值），证明了其优异的开关比。
精确的等效电路模型：成功建立并验证了一个简单而精确的集总元件SPICE模型，该模型由一个固定电容（1.44 pF）、一个压控可变电阻和一个固定接触电阻（3 Ω）构成，在DC至25 GHz频率范围内与实测阻抗数据高度一致。
有效的功率限幅功能：双端口射频测试直接验证了器件的功率限幅能力。在1 GHz下，器件关态时的低插入损耗（0.3 dB）表明其对正常工作信号影响极小，而导通态时的高插入损耗（14 dB）则意味着能有效反射高功率干扰信号，其产生该损耗的直流偏压为7.6 V。插入损耗和回波损耗的测量值与模型模拟值紧密吻合，进一步证实了小信号模型的有效性。
性能提升路径分析：通过模型仿真，研究明确指出限制器件获得更高功率抑制比的关键瓶颈在于接触电阻Rc。仿真预测，若将接触电阻降至1 Ω以下，可实现超过30 dB的插入损耗，即实现更强的保护能力。此外，针对S波段（2-4 GHz）等更高频段的应用，分析指出必须减小电容Cd（例如，在4 GHz时需降至0.35 pF）以维持可接受的低插入损耗。实现此目标可通过减小器件面积或增厚本征层两种途径，但均需与接触电阻的优化相结合。文献已证明可以实现更低的比接触电阻率，表明该器件具备性能大幅提升的潜力。
本研究得出结论：通过PECVD生长的金刚石肖特基PIN二极管可以成功集成到共面波导中，作为射频分流阻抗元件。提取出的集总元件SPICE模型在1至25 GHz频率范围内与实测阻抗参数表现出良好的一致性。双端口测量证实，该二极管分流器在1 GHz下的关态插入损耗为0.3 dB，导通态功率抑制比为14 dB。最重要的是，通过降低比接触电阻率至5×10⁻⁵ Ω·cm²以下，将使器件具备超过30 dB的抑制能力。
本研究的科学价值在于：首次对基于金刚石材料的肖特基PIN二极管进行了系统性的微波小信号建模和射频限幅能力验证，建立了材料参数（如耗尽层厚度）、器件物理参数（如电容、电阻）与射频系统指标（如插入损耗、回波损耗）之间的定量关系。
应用价值在于：相较于传统的硅或砷化镓（GaAs）基功率限幅器，金刚石材料的卓越热导率使其在应对高功率输入信号时，能够更有效地耗散热量，从而避免器件因过热而失效。这项研究为开发新一代能够承受更高功率（10-100瓦级）、频率覆盖至S波段的接收保护器开辟了道路，对提升雷达和通信系统在高功率电磁环境下的生存能力具有重要的实践意义。
本研究的亮点可归纳为以下几方面：
首先，材料体系的创新性应用：将具有超高热导率的金刚石材料引入接收保护器领域，直接应对高功率应用场景的核心散热挑战，这是相对于传统硅和化合物半导体技术路线的根本性优势。
其次，严谨而完善的表征与建模方法论：研究不仅测量了器件的直流和射频性能，更重要的是，采用从单端口S参数拟合提取模型参数，再通过双端口S参数实测验证模型正确性的完整闭环研究方法。这种“建模-验证”的流程确保了所获得的集总元件模型的准确性和工程实用性，为后续的电路仿真和系统设计奠定了坚实基础。
再次，对器件物理的清晰洞察与性能预测：研究不仅停留在测试现有器件性能，还基于模型深入分析了制约性能的关键因素——接触电阻和结电容，并清晰指出了在不同频段下优化这些参数以提升性能的具体路径。其关于导通态插入损耗可达30 dB的预测为后续研究设立了明确且可及的目标。
最后，工艺集成的完整性：从HPHT金刚石衬底B掺杂，到PECVD生长本征层和磷掺杂n型层，再到RIE台面隔离和金属化形成肖特基/欧姆接触，整个器件制备流程在学术实验室环境中成功实现，展示了这种新型器件技术的可行性和可制备性。