太赫茲是頻率位于毫米波和紅外線之間的電磁波頻段,，具體頻率定義為100GHz到10THz,。與毫米波頻段相比,，太赫茲具有更豐富的頻譜資源，有利于實(shí)現(xiàn)更精確的測距,、測厚,、運(yùn)動感知、透視成像以及化學(xué)成分鑒定等,。從功能上看,，太赫茲產(chǎn)品包括時(shí)域光譜分析系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng),、成像系統(tǒng),、測量儀器和通信系統(tǒng)。在這五大領(lǐng)域中,，硅基集成電路技術(shù)有巨大的應(yīng)用潛力,。

　　一、太赫茲產(chǎn)品分類

　　太赫茲時(shí)域脈沖和光譜分析系統(tǒng)

　　高端太赫茲時(shí)域光譜設(shè)備工作頻率一般從幾百GHz覆蓋到幾THz,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了固態(tài)電路的能力范圍,。目前只有基于光電技術(shù)的太赫茲時(shí)域短脈沖源配合輻射熱測量計(jì)（Bolometer）或者熱電傳感器（Pyroelectric sensor）能夠覆蓋如此寬頻段的激勵和檢測。國外公司如Advanced Photonix,，Luna,，F(xiàn)raunhofer ITWM等推出高精度厚度測量系統(tǒng)，用于工業(yè)品內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)的厚度測量,，例如飛機(jī)機(jī)身涂層厚度,，半導(dǎo)體材料疊層厚度等。另一些大公司如 Advantest,，Menlo Systems,，TeraView等推出的光譜分析儀主要應(yīng)用于科研、化工,、海關(guān)等場所,，可用來鑒定材料組成，識別毒品藥品,，分析半導(dǎo)體材料缺陷等。這些設(shè)備價(jià)格不菲,，但市場對于便攜式低成本的小設(shè)備需求強(qiáng)烈,，硅基集成電路完全可以勝任頻率從幾十GHz覆蓋到幾百GHz的低頻光譜分析和毫米級測厚。

　　太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)

　　在太赫茲頻率實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)勢是可以獲得更高的帶寬,，從而帶來更精確的距離分辨率,，目前商用CMOS毫米波雷達(dá)芯片主要以24，60和77GHz為主,，帶寬分別為1,，4和5GHz,，理論距離分辨率為從幾厘米到十幾厘米，適用于車載,、智慧交通,、智能樓宇、智能家居等場景,，但在許多工業(yè)檢測領(lǐng)域這個(gè)精度等級達(dá)不到要求,，而這個(gè)市場空隙已經(jīng)被國外公司填補(bǔ)，如德國Silicon Radar GmbH推出的SiGe工藝120GHz雷達(dá)芯片,，已廣泛用于國內(nèi)各類液位計(jì)產(chǎn)品,。該公司最新推出了業(yè)界最高帶寬的單芯片太赫茲雷達(dá)，分別是25GHz帶寬的120GHz雷達(dá)芯片和40GHz帶寬的300GHz雷達(dá)芯片,，將距離分辨率提升到了3-6毫米,。國內(nèi)微度芯創(chuàng)已推出13GHz帶寬160GHz的CMOS太赫茲雷達(dá)芯片，縮小了國內(nèi)外的技術(shù)差距,。太赫茲雷達(dá)可以廣泛用在各類工業(yè),、醫(yī)療、檢修運(yùn)維場景,，如對精度要求較高的物位/液位計(jì),、產(chǎn)線機(jī)械手臂環(huán)境防撞感知、高精度定位,、液體產(chǎn)品瓶裝深度測量,、手術(shù)間非接觸無感染生命體征檢測、DNA分析,、無人機(jī)探傷傳感器等等,。

　　太赫茲成像系統(tǒng)

　　這個(gè)領(lǐng)域主要分被動和主動成像。被動成像主要用于人體安檢,，國際上知名大公司包括ThruVision,，MC2等，國內(nèi)以博微太赫茲為代表,。受限于噪聲性能,，硅基芯片無法滿足這類系統(tǒng)的太赫茲前端需求，但在高靈敏度低噪聲放大器和低插損開關(guān)電路之后的檢波器以及后續(xù)的中頻放大器上可以采用CMOS實(shí)現(xiàn)降成本,。與被動成像無需光源設(shè)備不同,，主動成像需要系統(tǒng)提供太赫茲光源，可用的領(lǐng)域很廣泛,，從人體安檢到工業(yè)檢測,。由于人體安檢目前以毫米波技術(shù)為主，所以這里我們著重談?wù)劰I(yè)檢測成像,。工業(yè)檢測按場景分,，有抽檢和全檢,。最大的市場來自于全檢市場，這個(gè)領(lǐng)域?qū)Τ上駥?shí)時(shí)性要求高,，技術(shù)上需要采用感光陣列來實(shí)現(xiàn),。目前國際上掌握太赫茲感光器陣列技術(shù)的公司如Rigi，I2S,，INO等采用Micro Bolometer陣列,，TeraSense采用III/V族檢波器陣列。國內(nèi)的中科院蘇州納米所采用表面等離子體激元感光技術(shù)實(shí)現(xiàn)了感光器陣列芯片和實(shí)時(shí)成像太赫茲相機(jī),。這些主動成像相機(jī)都需要太赫茲光源來配合,，而主流光源一般采用太赫茲量子級聯(lián)激光器（QCL），激光驅(qū)動太赫茲輻射源,，回波振蕩器（BWO）或III/V族固態(tài)電路倍頻鏈路實(shí)現(xiàn),，成本普遍較高。硅基芯片太赫茲源和成像陣列已在過去十年間逐漸由學(xué)術(shù)界轉(zhuǎn)為商用,，輻射功率可達(dá)毫瓦級,。最早基于CMOS芯片的光源和感光陣列由德國TicWave公司商用；Alcatera將這種技術(shù)帶到了工業(yè)產(chǎn)線全檢,。目前國內(nèi)只有太景科技采用CMOS集成電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)了太赫茲光源和感光器陣列,，已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。Zion市場研究認(rèn)為在幾大市場細(xì)分領(lǐng)域太赫茲成像將貢獻(xiàn)主要的市場增長,。

　　在成像方面,，還有一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域是太赫茲掃描顯微鏡，基于納米或微米級探針在被測物體表面進(jìn)行非接觸式掃描,，測量太赫茲近場的擾動實(shí)現(xiàn)成像,，分辨率主要取決于按探針針尖的尺寸。這類成像系統(tǒng)突破了波長對成像分辨率的限制,，非常適用于生物細(xì)胞分析,、半導(dǎo)體工藝質(zhì)量檢測等場景。但目前國內(nèi)外設(shè)備均采用單針掃描,，成像速度慢,，每1平方厘米的面積大約需要10到20分鐘的掃描時(shí)間，無法滿足工業(yè)場景的需求,。這類系統(tǒng)一般采用太赫茲時(shí)域脈沖源配合熱輻射傳感器（Bolometer）,，或者采用昂貴的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行信號激勵和信號接收處理。在這個(gè)領(lǐng)域硅基集成電路可以促進(jìn)成本的大幅下降,，掃描成像時(shí)間大幅縮短，系統(tǒng)體積的大幅縮小,。

　　太赫茲測量儀器

　　國際頭部測試儀器公司如Keysight,，Rohde&Schwarz,，Anritsu都已經(jīng)將微波測試儀器（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜儀,、信號源等）擴(kuò)展到了太赫茲頻段,。這些公司的擴(kuò)頻模組來自于上游模組廠家，如Virginia Diodes Inc,，Radiometer Physics GmbH,，OML等。國內(nèi)中電儀器自主研發(fā)的太赫茲測試設(shè)備已經(jīng)具有國際化水平,，最具里程碑意義的產(chǎn)品是頻率超過500GHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析測量系統(tǒng),。某初創(chuàng)公司推出的太赫茲頻率擴(kuò)展模塊，在性價(jià)比上具備很大的優(yōu)勢,。這類設(shè)備采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn),，體積大，成本高,，主要的客戶是高校,、研究所，大型企業(yè)或高新開發(fā)區(qū)共享平臺等,。而大多數(shù)小微企業(yè)主要靠租賃,，長期的租金是很大的一筆開銷。硅基集成電路可在未來200GHz以內(nèi)的便攜型或低成本測量設(shè)備領(lǐng)域發(fā)力,，有望填補(bǔ)這個(gè)細(xì)分市場,。

　　太赫茲通信系統(tǒng)

　　目前國際上從事太赫茲通信相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的是TeraPhysics，而國內(nèi)只有高?；虼蠊镜膬?nèi)部預(yù)研部門在開展相關(guān)研究,。由于通信鏈路的大帶寬帶來總噪聲的惡化，把硅基收發(fā)機(jī)與III/V族功率放大器和低噪聲放大器結(jié)合使用,，達(dá)到性能與成本的平衡,。如果6G通信采用太赫茲進(jìn)行微基站數(shù)據(jù)互聯(lián)，硅基太赫茲通信集成電路的年市場規(guī)?？蛇_(dá)到至少幾十億美元的規(guī)模,。

　　二、硅基太赫茲集成電路公司的崛起

　　硅基太赫茲集成電路在經(jīng)過十幾年國際學(xué)術(shù)界探索和各大晶圓廠商工藝性能的不斷提升,，已經(jīng)進(jìn)入可以工程量產(chǎn)的階段,。從目前的SiGe與CMOS工藝性能看，硅基集成電路可以勝任頻率在200GHz以內(nèi)的信號放大,，600GHz以內(nèi)的倍頻,、混頻、鎖頻鎖相和檢波,。這些都是實(shí)現(xiàn)太赫茲信號發(fā)射與接收的基本功能模塊,。其中200GHz以內(nèi)的放大器的輸出功率大約10mW,，噪聲系數(shù)不差于15dB，帶寬可以做到幾十到上百GHz,；檢波NEP在100pW/Hz1/2量級等等,。這一些列性能可以在上述各個(gè)領(lǐng)域大有作為。

　　國際上基于硅基芯片技術(shù)的太赫茲科技公司已經(jīng)取得了不錯的進(jìn)展,。德國的Silicon Radar提供業(yè)界最高帶寬的SiGe雷達(dá)芯片,，已完成了3輪融資，其中包括政府和商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)資本,；法國TiHive在2020年完成860萬歐元融資,，專門從事高速太赫茲CMOS相機(jī)開發(fā)；德國TicWave在業(yè)界最早提供實(shí)時(shí)太赫茲成像CMOS芯片解決方案,；美國Alcatera推出了業(yè)界第一款針對拋棄型衛(wèi)生用品（紙尿褲,、衛(wèi)生巾）生產(chǎn)線全檢的實(shí)時(shí)太赫茲成像設(shè)備，已經(jīng)獲得國際頭部客戶訂單,；國內(nèi)微度芯創(chuàng)已完成A輪數(shù)千萬融資,；初創(chuàng)公司太景科技在成立不到一年已采用CMOS工藝同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率接近400GHz的太赫茲光源和成像芯片，并即將推出針對工業(yè)生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)高速太赫茲成像設(shè)備,。

　　三,、硅基芯片對太赫茲產(chǎn)業(yè)規(guī)模的影響

　　BCC市場研究機(jī)構(gòu)預(yù)測2024年全球太赫茲市場可達(dá)到$908.6M（9.086億美金），2029年可達(dá)到$3.5B（35億美金）,。這項(xiàng)市場報(bào)告是圍繞主流太赫茲技術(shù)（如光電技術(shù),，Bolometer等）和相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測,，對固態(tài)電路尤其是硅基集成電路給行業(yè)帶來的深刻影響考慮不足,。如同當(dāng)年CMOS工藝實(shí)現(xiàn)射頻信號收發(fā)促進(jìn)了手機(jī)大規(guī)模普及， SiGe或CMOS實(shí)現(xiàn)毫米波信號收發(fā)加速了車載毫米波雷達(dá)的量產(chǎn),，用硅基尤其是低成本CMOS芯片實(shí)現(xiàn)太赫茲信號的收發(fā)必將推動太赫茲技術(shù)向巨大的民用市場轉(zhuǎn)化,。

　　四、總結(jié)

　　太赫茲應(yīng)用的細(xì)分領(lǐng)域繁多,，每個(gè)細(xì)分領(lǐng)域的年市場規(guī)模從幾千萬到幾個(gè)億不等,。而硅基芯片的設(shè)計(jì)首先應(yīng)全面了解應(yīng)用市場的需求和痛點(diǎn)，對通用性和兼容性進(jìn)行充分規(guī)劃,，以應(yīng)對系統(tǒng)集成的多樣化需求,。

　　當(dāng)硅基芯片成為可能，太赫茲民用時(shí)代才真正到來,。