0 引言

    太赫茲波可以用于研究宇宙產(chǎn)生和演化的輻射、高精度雷達(dá)成像以及高比特率通信等領(lǐng)域，是有待發(fā)展的重要新興科學(xué)技術(shù)。在對(duì)宇宙的研究中，來源于外太空的主要電波頻率不超過30 THz的頻率范圍，大部分的頻率集中在3 THz附近。當(dāng)人們將注意力放在空間背景輻射時(shí)，主要接收的電磁波頻率約為150 GHz。因而對(duì)宇宙空間分布的太赫茲波的研究，首先可以探究宇宙的起源和發(fā)展過程，并且能夠借此解釋人類本身的困惑^[1]。用于無損探測方面，太赫茲波相比頻率低的微波更加接近光波而不失一定的穿透能力，據(jù)此特性太赫茲波用于探測可以提供更加出色的成像效果，作為將來雷達(dá)探測和無損成像的重點(diǎn)領(lǐng)域，其在最近十多年的電氣和電子工程師協(xié)會(huì)各類會(huì)議期刊中保持了旺盛的發(fā)展生態(tài)，還得到各大公司投入研發(fā)力量進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)投入^[2-7]。與用X射線的影像方式比較，利用太赫茲顯像對(duì)生命體無生物電離傷害，輻射損傷十分有限，而且在空氣中有顆粒和高濕度的條件下仍然能保持工作狀態(tài)。將太赫茲波用于高速率傳輸，太赫茲頻段的系統(tǒng)天生具有高帶寬的通信條件，即時(shí)基于現(xiàn)有的通信構(gòu)架，其傳輸速率可以達(dá)到上百Gb/s^[8-10]。太赫茲射頻鏈路中，目前源能夠通過光電、激光、電真空、混合以及單片集成電路等方案來提供^[11-12]，為了能夠?qū)⑶笆鎏掌澆ǖ木薮鬂摿D(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)下需要解決的一個(gè)迫切問題在于需要放大已產(chǎn)生的太赫茲源的信號(hào)，并保持一定的帶寬特性^[13-17]。

    如果將源的功率水平考慮為已知條件，當(dāng)前各種太赫茲源產(chǎn)生方法受制于體積和功率兩個(gè)要素，阻礙了應(yīng)用，為了進(jìn)一步放大信號(hào)，需要借助電真空、混合和單片集成的手段。通過電真空方式，行波、速調(diào)、返波管輸出能力在3種方式中最強(qiáng)，主要應(yīng)用在對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)要求較高的情形，其缺點(diǎn)在于電真空方式往往需要高壓高電流環(huán)境，占用較多的系統(tǒng)空間，難以與平面電路直接相連，導(dǎo)致系統(tǒng)集成度低，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用場合^[18-20]?；旌霞傻膬?yōu)勢在于能夠?qū)⒏鞣N設(shè)計(jì)理念加工的電路進(jìn)行整合，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，需要利用波導(dǎo)過渡等連接結(jié)構(gòu)將各類電路模塊拼接組裝，批量產(chǎn)品的品控難以保證，因而影響了規(guī)?；瘧?yīng)用場景^[21]。單片集成可以把主動(dòng)和被動(dòng)元器件整體化在硅基或者化合物襯底材料上通過光照、刻蝕等工藝制作在一起，目前片上器件能夠提供的功率有限，但是具有電路單元緊湊、批量生產(chǎn)可靠性高、可以與多種電路模塊實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)單片集成等優(yōu)點(diǎn)，并且在微波混合集成方案中作為不可或缺的模塊^[22-23]。因此，太赫茲放大單片性能的提升，不僅可以增強(qiáng)天線系統(tǒng)的發(fā)射能力，對(duì)于系統(tǒng)而言還可以增加射頻覆蓋距離。如應(yīng)用于太赫茲雷達(dá)方面，能夠提高顯像的分辨率；應(yīng)用于太赫茲高比特率通信方面，能夠減少誤碼率。并且將放大單元與其他模塊集成于一體，可以有效降低成本，推動(dòng)太赫茲技術(shù)大規(guī)模市場化水平。

1 太赫茲片上集成化合物功率放大器研究進(jìn)展

    集成電路的設(shè)計(jì)需要依托于芯片加工工藝線進(jìn)行，而現(xiàn)有的集成電路工藝根據(jù)襯底的不同可以劃分為IV和III-V族兩類。其中III-V族的集成電路設(shè)計(jì)可以選擇砷化鎵(GaAs)基片的應(yīng)變高電子遷移率晶體管(mHEMT)工藝、磷化銦(InP)基片的高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)工藝。IV族元素用于制作集成電路方面，也可以選擇異質(zhì)結(jié)雙極晶體管器件工藝(HBT)，而當(dāng)前業(yè)界采用更多的方案則是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS工藝。

    在幾種集成電路工藝中，磷化銦由于電子遷移速率快，可以制成的片上器件截止頻率最高。例如由諾斯洛普·格魯門公司和加州理工飛機(jī)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制的基于高電子遷移率晶體管磷化銦放大器最高工作頻率達(dá)508 GHz，提供了至少9 dB增益在420～470 GHz的頻率范圍，如圖1所示^[24]。由于晶體管在該頻段增益極低，該放大器內(nèi)部集成6級(jí)放大單元，每級(jí)提供的增益約為1.5 dB。

    而該公司發(fā)表在IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS上的同類高電子遷移率晶體管集成單片內(nèi)部運(yùn)用偽差分對(duì)的結(jié)構(gòu)，在285～345 GHz增益超過20 dB，飽和輸出功率達(dá)到-1.5 dBm^[25]。得益于DARPA項(xiàng)目資助，該公司繼續(xù)優(yōu)化高電子遷移率晶體管性能，將特征柵長縮小到30 nm，利用共面波導(dǎo)設(shè)計(jì)10級(jí)之間的連接結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該放大單片在620～700 GHz的范圍內(nèi)小信號(hào)增益超過20 dB^[26]。

    另外一家美國公司泰洛科技同樣與加州理工飛機(jī)推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)太赫茲單片，但其設(shè)計(jì)的芯片基于異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，在2013年報(bào)道太赫茲放大單片在670 GHz增益大于24 dB，輸出功率為0.86 mW^[27]。中國由中電55所研發(fā)的固態(tài)太赫茲單片的技術(shù)路線同樣采用異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，通過6級(jí)單路放大在300 GHz增益7.4 dB，而其功率尚沒有參考數(shù)據(jù)^[28]。

    基于應(yīng)變高電子遷移率晶體管的太赫茲放大單片，歐洲的弗勞恩霍夫應(yīng)用固態(tài)物理研究所走在世界前列。于2019年2月發(fā)表的功率放大器內(nèi)部運(yùn)用多個(gè)單元電流加和的方式提高功率，如圖3所示，其中心頻率為315 GHz，在片測試最高功率為10 dBm^[29]。

    另外一款運(yùn)用類似技術(shù)的寬帶放大單片同樣由弗勞恩霍夫研究所開發(fā)，如圖4所示，片上有源器件的特征柵長35 nm，頻率范圍覆蓋220 GHz～320 GHz。由于末級(jí)總的功率合成數(shù)只有2路，最大輸出功率接近5 dBm^[30]。

    對(duì)比InP和GaAs兩種工藝類型的功率放大單片，InP較GaAs容易制成更高頻率工作的集成電路。但I(xiàn)nP單片往往采用非合成的構(gòu)架設(shè)計(jì)太赫茲放大器，因此功率輸出能力相比GaAs類型的太赫茲單片弱。因此InP和GaAs太赫茲單片分別在頻率和功率上各據(jù)優(yōu)勢。

2 太赫茲片上集成硅基功率放大器研究進(jìn)展

    材料硅的載流子遷移率不如砷化鎵和磷化銦。但是由于硅基器件大規(guī)模應(yīng)用各類商用集成電路設(shè)計(jì)場合，各類商用工藝的制造技術(shù)最為先進(jìn)，能夠加工的晶體管柵長短，因而改良了其射頻特性，并且具有批量生產(chǎn)、可靠一致性和低成本的優(yōu)勢，在最近十年的研究呈爆發(fā)的態(tài)勢。

    硅基集成電路中，同樣制程下的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的工作頻率高于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路。因此異質(zhì)結(jié)雙極晶體管更容易設(shè)計(jì)太赫茲電路。如德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)基于130 nm的SiGe HBT技術(shù)，在2017年開發(fā)的可變增益放大器調(diào)節(jié)范圍在0～24.7 dB之間，如圖5所示，中心頻率190 GHz，輸出1 dB壓縮點(diǎn)-10.2 dBm。雖然其功率較低，但在陣列設(shè)計(jì)中具有優(yōu)勢^[31]。

    康奈爾大學(xué)同樣基于130 nm的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管管設(shè)計(jì)了太赫茲非敏感的單端共源共柵放大器，可提供的射頻功率約0.52 mW，在179～187 GHz的頻率范圍小信號(hào)增益大于6.5 dB，該技術(shù)為提升晶體管在太赫茲頻段的增益特性提供了參考^[32]。

    相比異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路已被廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)電子產(chǎn)品中，在降低功耗的驅(qū)動(dòng)力下，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管柵制作工藝已經(jīng)降低到10 nm以下。其中由芬蘭阿爾托大學(xué)微納科學(xué)部研發(fā)的全耗盡絕緣體硅技術(shù)的太赫茲放大單片最高頻率已超過320 GHz，該放大單片的設(shè)計(jì)幾乎達(dá)到此工藝條件下互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體硅電路的設(shè)計(jì)上限^[33]。因此，在太赫茲頻段設(shè)計(jì)CMOS集成放大單片極具挑戰(zhàn)性。國際固態(tài)電路會(huì)議上，加利福尼亞大學(xué)同樣嘗試在65 nm互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體硅上設(shè)計(jì)CMOS集成放大單片，設(shè)計(jì)的太赫茲集成放大電路如圖6所示，提出了運(yùn)用功率注入補(bǔ)償柵極損失的反饋方案，最高在251～273 GHz提供高于6.2 dB增益，最大射頻輸出為0.41 mW^[34]。

3 結(jié)論

    本文總結(jié)了目前太赫茲放大單片的研究情況，以制作芯片的襯底的不同材料比較，體硅和鍺化硅制成的太赫茲集成電路比砷化鎵和磷化銦的造價(jià)、產(chǎn)量、一致性和集成度更具前景，而由于器件天生的電子遷移率較低，導(dǎo)致用硅基的太赫茲芯片在頻率、功率、效率和增益方面尚不如化合物基底設(shè)計(jì)的芯片，因此二者當(dāng)前各具優(yōu)勢，互相難以替代。從電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較，磷化銦芯片雖然目前設(shè)計(jì)頻率較高，但是較少有太赫茲大功率集成放大器的報(bào)道，而砷化鎵基片上的應(yīng)變高電子遷移率晶體管通過多路合成的形式，已經(jīng)太赫茲頻段高功率方面的優(yōu)勢得以初步顯現(xiàn)。硅基電路由于器件本身增益較低，多數(shù)電路設(shè)計(jì)尚處于功能實(shí)現(xiàn)的階段，但其在控制和系統(tǒng)復(fù)雜度上有潛力挖掘。

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作者信息:

韓江安1，2，程  序1，2

(1.中國工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心，四川 成都610299；

2.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽621900)