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双共振隧穿二极管无桥贴片天线振荡器在1.09 THz频率下的研究

一、作者及发表信息
本研究的作者为P. Ourednik和M. Feiginov，均来自奥地利维也纳技术大学（TU Wien）电气工程与信息技术系。该研究于2022年5月2日发表在《Applied Physics Letters》期刊上，文章标题为“Double-resonant-tunneling-diode bridge-less patch-antenna oscillators operating up to 1.09 THz”，DOI为10.¹⁰⁶³⁄₅.0090519。

二、学术背景
研究领域为太赫兹（THz）振荡器技术，特别是基于共振隧穿二极管（Resonant-Tunneling Diodes, RTDs）的振荡器。RTDs作为一种具有负微分电导（Negative Differential Conductance, NDC）特性的核心增益元件，在太赫兹频率范围内具有重要应用潜力。相比其他太赫兹源（如量子级联激光器、光电混频系统等），RTD振荡器具有结构简单、体积小、功耗低且可在室温下工作的优势。然而，现有的RTD振荡器在输出功率和频率范围上仍存在局限。本研究旨在通过改进RTD贴片天线振荡器的设计，提升其工作频率和输出功率，同时保持其紧凑性和简单性。

三、研究流程
1. 设计改进
- 本研究提出了一种双RTD（Double-RTD, DRTD）贴片天线振荡器，通过减少寄生电感和使用1 nm厚势垒的RTDs来提升性能。
- 关键改进包括采用锥形通孔（conical vias）替代传统的倾斜金属桥接结构，以显著降低寄生电感。
- 锥形通孔的设计通过优化其几何参数（如上端直径为10 μm）实现，寄生电感减少了3.8 pH，同时降低了欧姆电阻。

1. 器件制备

   • RTDs采用半绝缘InP衬底生长，势垒为1.0 nm的AlAs，量子阱为In0.53Ga0.47As/InAs/In0.53Ga0.47As复合结构。
     
   • 器件制备过程包括：RTD台面（mesa）的湿法化学刻蚀、金属化层的蒸发、Si3N4介电层的沉积以及光刻胶（photoresist）的旋涂和热回流（thermal reflow）以形成锥形通孔的平滑表面。
     
   • 贴片天线的尺寸范围为40–80 μm，采用350 nm厚的金层作为辐射结构。
     

2. 性能测试

   • 使用Martin-Puplett干涉仪和Golay探测器测量振荡器的频谱，确保输出信号无次谐波或杂散频率。
     
   • 通过双抛物面镜装置和热释电探测器（pyroelectric detector）测量辐射功率，并校正收集镜的立体角。
     
   • 测试结果表明，振荡器在1.09 THz频率下输出功率为9 μW，在0.98 THz下为15 μW，在620–660 GHz范围内可达27 μW。
     

四、主要结果
1. 频率与功率性能
- 在1.09 THz频率下，振荡器的输出功率为9 μW，这是目前报道的最高频率之一。
- 在0.98 THz下，输出功率提升至15 μW，而在620–660 GHz范围内，输出功率达到27 μW。
- 这些性能参数显著优于之前报道的RTD贴片天线振荡器，并接近其他类型RTD振荡器的最高水平。

1. 设计优势

   • 锥形通孔的设计显著降低了寄生电感和欧姆电阻，提升了振荡器的效率和频率范围。
     
   • 双RTD结构通过不对称模式（asymmetrical mode）实现了高效的辐射输出，同时简化了偏置线的设计。
     

2. 仿真与实验一致性

   • 仿真结果与实验数据高度一致，验证了设计的有效性。
     
   • 仿真还表明，进一步优化介电损耗和天线尺寸可进一步提升性能。
     

五、结论与意义
本研究通过改进RTD贴片天线振荡器的设计，成功将其工作频率提升至1.09 THz，并显著提高了输出功率。这一成果为太赫兹源的小型化和实用化提供了重要技术支持，特别是在无线通信、成像系统等领域的应用潜力巨大。此外，锥形通孔的设计和双RTD结构为未来太赫兹振荡器的优化提供了新的思路。

六、研究亮点
1. 创新设计：采用锥形通孔和双RTD结构，显著提升了振荡器的频率和功率性能。
2. 高性能指标：在1.09 THz频率下实现9 μW输出功率，接近现有技术的最高水平。
3. 仿真与实验一致性：通过精确的仿真验证了设计的有效性，为后续优化提供了可靠依据。

七、其他有价值内容
本研究还探讨了介电损耗对振荡器性能的影响，指出通过优化介电材料或去除光刻胶可进一步提升输出功率。此外，研究团队还计划进一步减小天线尺寸以实现更高的工作频率。

以上报告详细介绍了该研究的背景、流程、结果及其意义，为相关领域的研究者提供了全面的参考。