前言

第五代(5G)移动和无线通信平台处于全面商业化的边缘。5G网络主要工作在三个分配的频段:亚1 GHz (400和700–900 MhZ)、中频段，1–6 GHz(特别是大约3.5 GHz)和毫米波(mmWave)，20–80 GHz(26–29、37–40和66–71 GHz)。这些频段的国际标准化应能促进5G时代的全面发展，从移动通信扩展到智能家居、智能工厂、虚拟现实。基于这种技术突破，第六代(6G)无线通信的准备工作目前正在进行中。这有望实现更复杂的应用，如医学成像和增强现实，以及可见光通信和基于人工智能的通信。6G网络将提供更高的速度和容量，并可能通过使用例如1–3 GHz波段、毫米波波段(30–300 GHz)和太赫兹波段(0.3–10太赫兹)的组合使用来利用多波段高频频谱。然而，现有硬件对全频带接入技术的不完全使用，目前是一个问题，因为一些设备不支持高频带宽，该技术的许多方面仍处于科学探索阶段。基于光子的方法已经取得了一些进展，但是电子学(目前主要基于第三代至第五代半导体工业)在这个频率范围内仍然落后。

研究内容

肖特基二极管非常适合在工作频率高达太赫兹的整流电路(如功率检测器、混频器和倍频器)中使用，这些电路与无线通信系统和能量收集应用相关。通过在金属-半导体结处精心设计肖特基势垒，可以获得低电压降。它们的单极性工作仅涉及多数载流子，这意味着过量少数载流子的存储可以忽略不计，从而产生小电容，可进一步提高其工作频率。最近报道了基于石墨烯-碳化硅材料平台的太赫兹整流器。然而，制造过程中涉及的高温(1700℃的热退火)使得该技术不适用于大体积、廉价的应用，并且与柔性商品衬底材料(例如聚合物)不兼容。

开发超高频肖特基二极管的一个关键挑战是能够同时降低结电阻和电容，同时在保持较低的衬底温度(< 200℃)。最近伦敦帝国理工学院的科学家报道了基于共面纳米间隙(≈15纳米)电极的氧化锌肖特基二极管。这种几何形状可以通过将有源层厚度缩小到纳米间隙沟道长度来显著降低电容，同时将器件宽度保持在宏观尺度。纳米间隙电极是使用一种可扩展的高通量制造技术制造的，该技术被称为粘附光刻。他们将共面电极与低成本氧化锌和铝掺杂氧化锌薄膜相结合，在低温下从溶液中处理，将二极管的射频响应提高到数百千兆赫，同时将输出电压保持在接近其低频峰值的水平。与传统方法相比，报道的纳米间隙通道几何形状降低了器件的电阻和电容，从而将操作扩展到超高频。在其溶液相中掺杂半导体材料所提供的灵活性增加了整流器电路的工作频率和输出电压。此外，该制造方法可用于不同类型的基板，并允许电极设计优化和无源元件(如电容和电阻，以及更复杂的多级整流电路)的单片集成。

实验方法

通过附着光刻法制备了不对称铝/金纳米间隙电极阵列。在带有圆形结构的4-和6-英寸玻璃晶片上制造单个装置，该圆形结构设计成适合测量装置的射频探头。不同的金属组合，如钛Au11、铝Al13、氧化铟锡Al14或铂-铝也已得到证明，纳米间隙尺寸略大于金-铝(约20纳米)，这是由于对这些金属组合进行了有限的工艺优化。

纳米间隙电极和射频肖特基二极管结构的制备

氧化锌基纳米间隙肖特基二极管的高频工作

氧化锌整流器的输出电压能力。

结论

通过使用简单且可扩展的制造工艺，该研究的二极管能够直接与基于各种纳米材料的最先进的射频肖特基器件竞争，包括碳纳米管37–39、氧化石墨烯40、二硫化钼21和二硫化钨41，同时接近硅上互补金属氧化物半导体(CMOS)集成肖特基二极管的性能。该方法还提供了在可靠制造和成本限制方面不牺牲性能的优势。此外，粘合光刻提供了将有源元件(二极管)与各种无源元件(如天线、电容和电阻)单片集成的可能性，或设计电荷泵电路来提高单个整流器的输出电压。这项技术可以在“超越摩尔”战略中满足设备级可扩展性的需求，并可被视为新兴设备生态系统的新电路设计方法，例如基于未来无线标准(5G和6G)的物联网系统。

https://doi.org/10.1038/s41928-020-00484-7