摘要

針對當(dāng)前太赫茲科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的狀態(tài)和瓶頸問題，重點(diǎn)討論太赫茲電路中的核心部件——片上集成放大器的研究進(jìn)展情況。根據(jù)太赫茲芯片設(shè)計(jì)和加工不同基底材料，比較了磷化銦和砷化鎵制成化合物太赫茲放大單片與體硅和鍺化硅制成的硅基片上集成放大器兩大類，并對不同材料體系下的電路拓?fù)浜椭笜?biāo)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

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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