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(lái)源于外太空的主要電波頻率不超過(guò)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(guò)程,，并且能夠借此解釋人類(lèi)本身的困惑^[1],。用于無(wú)損探測(cè)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(cè)可以提供更加出色的成像效果,，作為將來(lái)雷達(dá)探測(cè)和無(wú)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(lèi)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(wú)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(guò)光電、激光,、電真空,、混合以及單片集成電路等方案來(lái)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(wèn)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(guò)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(chǎng)合^[18-20],?；旌霞傻膬?yōu)勢(shì)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(guò)渡等連接結(jié)構(gòu)將各類(lèi)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(lèi)。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(mén)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(lèi)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(guò)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(zhǎng)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(guò)20 dB^[26],。

    另外一家美國(guó)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(guó)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(guò)6級(jí)單路放大在300 GHz增益7.4 dB,，而其功率尚沒(méi)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(cè)試最高功率為10 dBm^[29]。

    另外一款運(yùn)用類(lèi)似技術(shù)的寬帶放大單片同樣由弗勞恩霍夫研究所開(kāi)發(fā),，如圖4所示,，片上有源器件的特征柵長(zhǎng)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(lèi)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(lèi)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(shì),。

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(lèi)商用集成電路設(shè)計(jì)場(chǎng)合,，各類(lèi)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(zhǎng)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(shì)，在最近十年的研究呈爆發(fā)的態(tài)勢(shì),。

    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(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)基于130 nm的SiGe HBT技術(shù),，在2017年開(kāi)發(fā)的可變?cè)鲆娣糯笃髡{(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(shì)^[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(guò)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(guó)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(shì),，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(guò)多路合成的形式,，已經(jīng)太赫茲頻段高功率方面的優(yōu)勢(shì)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,。

參考文獻(xiàn)

[1] CHATTOPADHYAY G.Terahertz science,，technology，and communication[M].Kolkata：IEEE,，2012.

[2] WOOLARD D L,，BROWN E R，PEPPER M,，et al.Carbon isotope,，terahertz frequency sensing and imaging: a time of reckoning future applications?[J].Proceedings of the IEEE，2005,，93(10)：1722-1743.

[3] APPLEBY R,，ANDERTON N R.Millimeter-wave and submillimeter-wave imaging for security and surveillance[J].Proceedings of the IEEE，2007,，95(8)：1683-1690.

[4] LIU H B,，ZHON H,，KARPOWICZ N.Terahertz spectroscopy and imaging for defense and security applications[J].Proceedings of the IEEE,，2007，95(8)：1514-1527.

[5] KOWALSKI M,，KASTEK M.Comparative studies of passive imaging in terahertz and mid-wavelength infrared ranges for object detection[J].IEEE Transactions on Information Forensics & Security,，2016，11(9)：2028-2035.

[6] Gao Jingkun,，Cui Zhenmao,，Cheng Binbin，et al.Fast three-dimensional image reconstruction of a standoff screening system in the terahertz regime[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology,，2018,，8(1)：38-52.

[7] GRAJAL J，RUBIO-CIDRE G,，BADOLATO A,，et al.Compact radar front-end for an imaging radar at 300 GHz[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology，2017,，7(3)：268-273.

[8] SONG H J,，NAGATSUMA T.Present and future of terahertz communications[J].IEEE Transactions on Terahertz Science Technology，2011,，1(1)：256-263.

[9] JORNET J M,，AKYILDIZ I F.Channel modeling and capacity analysis for electromagnetic wireless nanonetworks in the terahertz band[J].IEEE Transactions on Wireless Communication，2011,，10(10)：3211-3221.

[10] LIN C,，LI G Y.Indoor terahertz communications：how many antenna arrays are needed?[J].IEEE Transactions on Wireless Communication,，2015，14(6)：3097-3107.

[11] TONOUCHI M.Cutting-edge terahertz technology[J].Nature Photon.,，2007,，1：97-105.

[12] SIEGEL P H.Terahertz technology[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，2002,，50(3)：910-928.

[13] HOSAKO I,，SEKINE N，PATRASHIN M,，et al.At the dawn of a new era in terahertz technology[J].Proceedings of the IEEE,，2007，95(8)：1611-1623.

[14] JONES S,，KIM J Y,，DOI Y，et al.Ultra-wideband tunable dual-mode laser for continuous wave terahertz generation[J].Journal of Lightwave Technology,，2014,，32(20)：3461-3467.

[15] KIRAWANICH P，YAKURA S J,，ISLAM N E.Study of high-power wideband terahertz-pulse generation using integrated high-speed photoconductive semiconductor switches[J].IEEE Transactions on Plasma Science,，2009，37(1)：219-228.

[16] YARDIMCI N T,，YANG S H,，BERRY C W，et al.High power terahertz generation using large area plasmonic photoconductive emitters[J].IEEE Transactions on THz Science Technology,，2015,，5(2)：223-229.

[17] HEBLING J，YEH K L,，HOFFMANN M C,，et al.High-power THz generation，THz nonlinear optics,，and THz nonlinear spectroscopy[J].IEEE Journal of Selected Topies Quantum Electronics,，2008，14(2)：345-353.

[18] BOOSKE J H,，DOBBS R J,，JOYE C D，et al.Vacuum electronic high power terahertz sources[J].IEEE Transactions on Terahertz Science & Technology,，2011,，1(1)：54-75.

[19] JOYE C D，COOK A M,，CALAME J P,，et al.Demonstration of a high power,，wideband 220 GHz traveling wave amplifier fabricated by UV-LIGA[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2014,，61(6)：1672-1678.

[20] DIONNE N J.Harmonic generation in octave bandwidth traveling-wave tubes[J].IEEE Transactions on Electron Devices,，1970，17(4)：365-372.

[21] SONG H J.Packages for terahertz electronics[J].Proceedings of the IEEE,，2007,，105(6)：1-18.

[22] DEAL W R.Solid-state amplifiers for terahertz electronics[M].Anaheim：IEEE，2010.

[23] SAMOSKA L A.An overview of solid-state integrated circuit amplifiers in the submillimeter-wave and thz regime[J].IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology,，2011,，1(1)：9-24.

[24] SAMOSKA L，F(xiàn)UNG A,，PUKALA D,，et al.On-wafer measurements of S-MMIC amplifiers from 400-500 GHz[M].Baltimore：IEEE，2011.

[25] HACKER J,，LEE Y M,，PARK H J，et al.A 325 ghz inp hbt differential-mode amplifier[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,，2011,，21(5)：264-266.

[26] DEAL W R，MEI X B,，LEONG K,，et al.Terahertz monolithic integrated circuits using InP high electron mobility transistors[J].IEEE Transactions on Terahertz Science Technology,，2011,，1(1)：25-32.

[27] HACKER J，URTEAGA M,，SEO M,，et al.InP HBT amplifier MMICs operating to 0.67 THz[M].Seattle：IEEE，2013.

[28] 孫巖,，程偉,，陸海，等.300 GHz InP DHBT單片集成放大器[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,，2017(4)：299.

[29] JOHN L,，NEININGER P，F(xiàn)RIESICKE C,，et al.A 280-310 GHz InAlAs/InGaAs mHEMT power amplifier MMIC with 6.7-8.3 dBm output power[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,，2019，29(2)：143-145.

[30] TESSMANN A.A broadband 220–320 GHz medium power amplifier module[M].La Jolla：IEEE,，2010.

[31] STARKE P,，F(xiàn)RITSCHE D,，CARTA C，et al.A 24.7 dB low noise amplifier with variable gain and tunable matching in 130 nm SiGe at 200 GHz[M].Nuremberg：IEEE,，2017.

[32] KHATIBI H,，KHIYABANI S，AFSHARI E.A 183 GHz desensitized unbalanced cascode amplifier with 9.5-db power gain and 10-GHz band width and -2 dBm saturation power[J].IEEE Solid-State Circuits Letters,，2018,，1(3)：58-61.

[33] PARVEG D，KARACA D,，VARONEN M,，et al.Demonstration of a 0.325-THz CMOS amplifier[M].Finland：IEEE,2016.

[34] MOMENI O.A 260 GHz amplifier with 9.2 dB gain and -3.9 dBm saturated power in 65 nm CMOS[M].San Francisco：IEEE，2013.

作者信息:

韓江安1,，2,，程  序1，2

(1.中國(guó)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(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽(yáng)621900)