基于共振隧穿二极管的近程太赫兹通信技术

苏娟，谭为*

（1.中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心，四川 成都 610200；2.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳 621999）

0 引言

在过去的30 年里，通信技术经历了从1G 到5G 商用的快速发展。无线通信对带宽的需求，几乎每18 个月翻一番[1]，当前的通信速率已经达到数十Gb/s，未来6G 网络发展对于通信速率的需求在百Gb/s 甚至Tb/s 量级，从2019 年开始，各国开始布局6G 研发，抢占无线通信的世界领跑位置。更高的通信速率需要更宽的带宽[2]，因此要更高的频谱技术支持，0.1-10 THz 的太赫兹通信因速率高、信息传输容量大、GHz 连续带宽、亚毫米天线集成、多频段耦合、抗干扰、体积小等优势，被誉为“ 新一代无线革命”，在空间和短距离高速无线通信方面都有巨大发展潜力，成为6G 愿景实现的关键底层技术之一[3]。相较其它通信技术，太赫兹通信的应用研究主要受限于其较短的通信距离，提升通信系统收发组件性能成为关键之一。特别是在本地无线局域网（WLAN,Wireless Local Area Network）、本地无线个域网（WPAN,Wireless Personal Area Network）、室内超短距离高速下载等太赫兹通信应用潜力巨大的领域中[3]，对于固态低功耗、小型化的紧凑型太赫兹收发系统需求迫切，因此室温低功耗、高功率、易集成的太赫兹固态收发技术成为发展的关键之一。

对于太赫兹发射技术，根据太赫兹固态源不同可分为光学和电子学两大类[4-5]，如图1 所示。光学太赫兹固态发射模块以量子级联激光器（QCL,Quantum Cascade Laser）[6]、单行载流子光探测器（UTC-PD,Unitraveling-Carrier Photo-Diode）[7]为典型，电学固态发射模块包括肖特基二极管（SBD,Schottky Barrier Diodes）的腔体倍频链路[8]、晶体管单片集成电路（TMIC,Terahertz Monolithic Integrated Circuits）[9]、共振隧穿二极管（RTD,Resonant Tunneling Diode）直接发射链路[10]等多种技术路线。其中，以后两者为代表的芯片技术，是紧凑型/微型化太赫兹通信系统的理想选择。相比之下，硅基TMIC 由于成熟的工艺技术、高集成度和低成本的优势，在0.4 THz以下频段更具优势，RTD 以其更简洁的电路架构、高频和高效率的特点，在0.4 THz 以上频段独具特色。由于RTD同时具有负微分电阻特性和I-V 非线性，还可用于室温高灵敏度太赫兹直接探测和相干探测[11]，进而实现RTD 收发前端的单片集成或单器件的分时收发。基于以上优势，RTD 成为太赫兹无线通信技术领域的新星。

图1 太赫兹源的工作频率和输出功率关系图[4,10]

本文首先介绍了RTD 及相应太赫兹源、探测器和通信系统的工作原理，并分析了它们的研究进展，基于此探讨了RTD 太赫兹通信面临的挑战和今后发展趋势。

1 RTD的基本原理

1.1 RTD器件的工作原理

RTD 是基于量子隧穿效应的两端微纳半导体器件[12]，其核心是纳米厚度的双势垒单势阱结构，如图2（a）所示，该结构夹在两端n 型重掺杂的发射极和集电极之间，在一定偏压下势阱中的分立能和发射端重掺费米能级对准时开始发生隧穿，电流迅速增加，如图2（b）所示；随着偏压增大，分立能级越过导带底对准禁带时隧穿结束，此时电流达到峰值，随后电流减小，由此产生了如图2（c）所示的负微分电阻现象。由于电子隧穿过程在飞秒量级，基于负阻（Ⅲ区）与共振回路作用可以产生太赫兹频段的振荡信号输出；图2（c）的Ⅰ区和Ⅱ区是正阻非线性区域，可以利用整流效应实现太赫兹信号直接探测；此外，还可以利用负阻区（Ⅲ区）的自振荡混频实现对太赫兹信号的相干探测[11]。RTD 器件的性能与半导体材料种类直接相关，目前国际上开展RTD 研究所采用的材料体系主要有Si、GaN[13-14]和InP 基GaAs[15]。其中，由于材料导带能差小，Si 基材料体系的负阻性能差，多用于逻辑电路集成以减小体积和功耗。GaN 基RTD 理论预测性能最优，但受限于材料的高缺陷密度和强极化效应，器件性能一致性差，暂时无法进行太赫兹发射模块开发。相较而言，InP 基GaAs 材料体系性能优于Si 基材料，且外延生长技术相较GaN 体系材料成熟，理论预测振荡频率可达3 THz，是当前RTD太赫兹通信系统研究中主要采用的材料体系（图2（a））。

图2 典型InP基RTD器件示意图

1.2 RTD太赫兹源工作原理

基于RTD 的太赫兹源电路原理图如图3 所示，采用RTD 的负阻特性，将其与共振电路拓扑结构结合组成振荡回路，如天线、共面波导（CPW,Co-Planar Waveguide）等。当偏压使得RTD 工作在负微分电阻区时，由RTD 的电容和共振电路的电感共同决定了输出太赫兹信号的频率，输出功率则是由RTD 负电导Gd和共振电路电导G共同决定，在G=Gd/2 时，输出功率达到最高。当RTD 太赫兹源应用于通信系统作为发射端时，常用的调制方法为通断键控（OOK,ON–OFF Keying）和幅移键控（ASK,Amplitude Shift Keying），实现基波信号的太赫兹调制输出。这两种模式主要通过负阻区内电压偏置位置进行控制：OOK 的偏置电压在负阻区靠近峰值电压的边界，无外加信号时不起振，当外加矩形波脉冲信号是高电平时起振达到最大功率，低电平时也不起振；ASK 偏置在负阻区内，外加矩形波脉冲信号高电平时，功率最大，低电平时功率小或不起振，通常ASK 的带宽以及误码率要优于OOK。

图3 RTD太赫兹源的电路原理示意图

1.3 RTD太赫兹探测器工作原理

基于RTD 的太赫兹探测器电路原理图如图4 所示，采用RTD 器件的非线性特性，可以分为直接探测和相干探测。其中直接探测器是利用I-V 非线性来探测入射太赫兹信号激发的直流整流分量，与输入射频信号幅度的平方成正比[16]。相干探测则是利用器件负阻区内的振荡特性和非线性，将待检测的太赫兹信号与本振信号混频至中频信号，然后对中频信号进行放大检测进而实现对太赫兹信号的探测[11]。此时的RTD 同时作为本振源和混频器，相较传统的SBD 混频器，无需提供额外的本振信号，能极大地简化探测电路架构并提升片上集成度，具有独特优势。

图4 RTD太赫兹探测的电路原理示意图

1.4 RTD太赫兹通信系统工作原理

基于RTD 收发的太赫兹通信系统原理示意图如图5 所示。对于RTD 太赫兹信号发射模块，需要脉冲信号产生器生成一系列二进制调制信号，通过T 型偏置器（Bias-T）和静态偏置电压一同加载到RTD 发射模块。根据调制方式（OOK、ASK 等），合理选择RTD 偏压位置，同时利用可变衰减器相应调整脉冲信号大小，当脉冲信号为峰值和谷值时，RTD分别工作于振荡和不振荡两种状态，进而实现THz 信号的调制发射。对于RTD 太赫兹信号接收模块，合理调整其与发射模块的距离以及准直程度，实现信号的最大接收，然后将探测输出的包络检波信号，通过如前置放大器和限幅放大器放大后进行数据采集分析，完成信息传输。

图5 RTD收发的太赫兹通信系统工作原理示意图

2 发展现状

基于RTD 的基本原理，国内外各研究团队通过器件性能、电路和系统架构的设计优化，在RTD 太赫兹源、探测器和通信系统的开发方面都取得了较大进步，为RTD 太赫兹通信系统的应用研究奠定了基础。

2.1 RTD太赫兹源发展现状

经过二十多年的发展，国外对RTD 太赫兹源的研究取得了较大进展，目前主要研究机构包括日本东京工业大学、英国格拉斯哥大学、日本佳能等，如表1 所示。其中东京工业大学最早从2004 年开始缝隙天线结构RTD 太赫兹源的研制[17]，后续通过优化RTD 器件外延结构、器件和天线结构以及制备工艺持续提升工作频率[18-22]，并于2017 年报道了基波振荡频率1.98 THz 的单管固态器件最高频率，功率小于0.1 μW[22]，如图6（a）所示；对于功率提升，研究组采用了优化外延结构提升器件本征功率[20]、引入偏馈或开口谐振环天线结构优化阻抗匹配[23-24]以及相干功率合成[25-26]等方式，目前基于89 阵列单元的功率合成在1 THz实现了0.73 mW 的功率输出[26]，如图6（b）所示。格拉斯哥大学2015 年在欧盟地平线计划iBROW（Innovative ultra-BROadband ubiquitous Wireless communications through terahertz transceivers）项目的牵引下开展RTD 太赫兹源研究，主要侧重于低频段（≤0.3 THz）基于CPW 和微带无源电路的架构[27]，目前在0.278 THz 实现了1 mW的功率输出[28]，如图6（c）所示。佳能公司近期报道了基于功率合成的RTD 阵列化芯片，以6×6 阵元实现0.45 THz下11.8 mW 的功率输出[29]，如图6（d）所示，是RTD 太赫兹源迈入实用化和产品化的里程碑，印证了RTD 技术在太赫兹通信、成像等领域的巨大潜力。

表1 RTD太赫兹源代表性频率和功率指标

图6 （a）1.98 THz RTD源[22]、（b）1 THz 89阵列结构RTD源[26]、（c）1 mW@0.278THz RTD源[28]和（d）11.8 mW@0.45 THz 6×6阵列结构RTD源[29]

国内布局RTD 太赫兹技术的研究机构主要有中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心（简称中物院微太中心）、中国电子科技（简称中电科）集团公司第十三研究所、第五十四研究所、第五十五研究所等。其中，中物院微太中心在IRMMW-THz 2021 国际会议以Keynote 报告报道了1 THz 宽带可调频的RTD 振荡源[30]，并在0.7 THz 实现45 μW 的太赫兹发射；中电科也报道了1 THz RTD 振荡源研究成果[31]。但与国际同行相比，最高工作频率和同频率下的功率表现仍存在明显差距。

2.2 RTD太赫兹探测发展现状

RTD 太赫兹探测器的研究基本是和太赫兹源的研究同时起步的，国外主要研究机构有德国杜伊斯堡-埃森大学、大阪大学等。RTD 太赫兹探测器的技术路线之一是零偏探测，利用三势垒结构RTD 量子阱的不对称性，使其在零偏压下呈现出较强的I-V 非线性。基于此类设计，杜伊斯堡-埃森大学的研究小组在0.28 THz 实现了66 kV/W 的探测灵敏度[32]，也实现了GHz 到THz 范围内的宽带探测[33]。为了进一步提升探测灵敏度，大阪大学提出了RTD 相干探测方案[11]，应用于太赫兹通信实验中实现了30 Gb/s 的无损数据传输，相比于同器件工作在直接探测模式有大幅提升。

相较而言，国内在RTD 太赫兹探测器方面的报道较少，仅中国人民解放军陆军工程大学报道了0.2 THz 的RTD 探测器[34]。中物院微太中心针对RTD 的非线性提升，构建了基于共振隧穿物理过程的I-V 解析模型分析方法和能带调控方法，并由此提出了一种小偏压下的高灵敏RTD 太赫兹探测器方案，在不降低负阻区发射功率的前提下，实现了小偏压探测灵敏度的显著提升，未来可用于实现RTD 片上收发系统[35]。

2.3 RTD太赫兹通信系统发展现状

国外对RTD 无线通信系统的研究从2011 年开始，起步相对较早并取得了很大进展[36]，主要研究机构包括日本东京工业大学、大阪大学、英国格拉斯哥大学等，如表2 所示。其中，日本东京工业大学采用RTD 发射和SBD接收模块实现了0.65 THz 无线通信系统样机，数据传输速率达到44 Gb/s[37]；随后该研究团队从用极化（PDM）和多频（FDM）复用的方式，在0.49 THz 和0.79 THz 两个频段下实现单通道28 Gb/s、合计56 Gb/s 的传输速率，距离为20 cm，也是目前频率最高的RTD 通信系统报道[38]。基于类似的收发架构，格拉斯哥大学通过提升RTD 发射模块功率到1 mW，在0.278 THz 实现22 Gb/s 的传输速率，并使得收发距离达到了80 cm[29]，如图7（a）所示。大阪大学实现基于RTD 收发的太赫兹无线通信系统[11,39]，报道了0.343 THz 下单信道最高56 Gb/s 的数据传输速率，通信距离7 cm 实现了无误码率的4K 视频传输实验验证，如图7（b）所示。相比之下，国内目前还未有RTD 太赫兹通信的报道，目前仍在努力追赶。

表2 不同研究机构典型RTD太赫兹无线通信系统性能对比

图7 （a）80 cm传输距离的RTD发射太赫兹无线通信系统[28]和（b）全RTD收发太赫兹无线通信系统实物图[11]

3 RTD太赫兹通信的发展趋势及挑战

通过上述分析可见，得益于材料、器件、电路和工艺技术的进步，RTD 太赫兹源和探测器的性能都有了长足的进步，在近程（数十厘米）太赫兹通信实验中，基于最简洁的OOK 或ASK 调制架构，已展现出56 Gb/s 的通信速率，体现了支撑6G 网络和万物超高速互连应用的重要潜力。RTD 所具备的芯片化、低功耗、高频下高效率、大带宽、小面积（频率越高芯片面积越小）的优势，使其特别适用于设备内部模块/ 功能单元之间的大容量通信和便携终端的近场超高速互连，解决20 cm 内的海量数据无线传输问题。佳能公司的入局，也标志着RTD 太赫兹芯片从实验室迈向了工程化和产品化，将极大地加速应用创新。尤其是其推出的6×6 阵列芯片，通过片上功率合成实现了太赫兹发射功率的显著提升，使其未来有望应用于室内（10 m 范围）的点对点高速无线数据传输，如全息通话、虚拟现实（VR,Virtual Reality）、增强现实（AR,Augmented Reality）、虚拟世界（Metaverse）等。

针对上述创新应用场景，RTD 技术仍存在着以下挑战需要进一步攻克：

（1）提升RTD 发射效率

无论是针对便携终端、片内/片间通信还是通过阵列合成适配较长距离的通信场景，提升RTD 发射效率、降低功耗仍是RTD 技术推向实际应用的核心要求，0.4 THz以上频率实现不小于5%的直流-太赫兹转化效率是可追求的目标。提升手段包括精确的器件等效建模、外延结构优化、器件和共振结构的阻抗匹配设计、低频振荡滤波设计、全流程PDK 开发、以及高效的阵列耦合设计方法等。

（2）提升RTD 探测灵敏度

目前RTD 探测器的研究投入相对较少，探测灵敏度、等效噪声系数等性能相比肖特基二极管等业界常用固态器件略显不足，而探测器性能的提升将直接推动通信距离和速率的提升。在器件层面，同样存在与RTD 振荡源类似的精确建模问题，需要结合源模型构建来探索适合探测器分析的物理等效模型；此外，如何通过能带工程提升RTD 正阻区和负阻区的非线性特性，亦是提升探测灵敏度的重要命题。

（3）丰富RTD 通信机制

目前RTD 太赫兹通信大多采用OOK 或ASK 的基本架构，单通道传输速率仍在数十Gb/s 量级。未来结合频分复用、极化复用、轨道角动量复用等技术，有望将传输速率提升至百Gb/s 甚至Tb/s 量级。

4 结束语

太赫兹通信技术是实现6G 愿景的关键底层技术之一，是解决未来海量数据超高速互连的重要技术途径。得益于微型化、低功耗、高频率、大带宽等优势，共振隧穿二极管成为太赫兹通信技术领域的新星，并凭借其独特的负微分电阻和非线性特性，成为太赫兹收发单片集成的最简洁架构之一。本文通过介绍RTD 太赫兹源、探测器及通信系统的工作原理和现状，分析了当前技术存在的问题和挑战，并对可能的解决方案和技术方向进行了探讨和展望，希望为RTD 太赫兹通信技术的实用化贡献有益思考。