0 引言

    太赫茲波可以用于研究宇宙產生和演化的輻射、高精度雷達成像以及高比特率通信等領域，是有待發展的重要新興科學技術。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。當人們將注意力放在空間背景輻射時，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，作為將來雷達探測和無損成像的重點領域，其在最近十多年的電氣和電子工程師協會各類會議期刊中保持了旺盛的發展生態，還得到各大公司投入研發力量進行技術攻關投入^[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。將太赫茲波用于高速率傳輸，太赫茲頻段的系統天生具有高帶寬的通信條件，即時基于現有的通信構架，其傳輸速率可以達到上百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]，為了能夠將前述太赫茲波的巨大潛力轉化到實際應用中，當下需要解決的一個迫切問題在于需要放大已產生的太赫茲源的信號，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，當前各種太赫茲源產生方法受制于體積和功率兩個要素，阻礙了應用，為了進一步放大信號，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、返波管輸出能力在3種方式中最強，主要應用在對系統指標要求較高的情形，其缺點在于電真空方式往往需要高壓高電流環境，占用較多的系統空間，難以與平面電路直接相連，導致系統集成度低，阻礙了其大規模應用場合^[18-20]。混合集成的優勢在于能夠將各種設計理念加工的電路進行整合，為了實現這個目標，需要利用波導過渡等連接結構將各類電路模塊拼接組裝，批量產品的品控難以保證，因而影響了規模化應用場景^[21]。單片集成可以把主動和被動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、批量生產可靠性高、可以與多種電路模塊實現復雜系統單片集成等優點，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，不僅可以增強天線系統的發射能力，對于系統而言還可以增加射頻覆蓋距離。如應用于太赫茲雷達方面，能夠提高顯像的分辨率；應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，推動太赫茲技術大規模市場化水平。

1 太赫茲片上集成化合物功率放大器研究進展

    集成電路的設計需要依托于芯片加工工藝線進行，而現有的集成電路工藝根據襯底的不同可以劃分為IV和III-V族兩類。其中III-V族的集成電路設計可以選擇砷化鎵(GaAs)基片的應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)和異質結雙極晶體管(HBT)工藝。IV族元素用于制作集成電路方面，也可以選擇異質結雙極晶體管器件工藝(HBT)，而當前業界采用更多的方案則是互補金屬氧化物半導體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推進實驗室聯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，該放大器內部集成6級放大單元，每級提供的增益約為1.5 dB。

    而該公司發表在IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS上的同類高電子遷移率晶體管集成單片內部運用偽差分對的結構，在285～345 GHz增益超過20 dB，飽和輸出功率達到-1.5 dBm^[25]。得益于DARPA項目資助，該公司繼續優化高電子遷移率晶體管性能，將特征柵長縮小到30 nm，利用共面波導設計10級之間的連接結構，如圖2所示。該放大單片在620～700 GHz的范圍內小信號增益超過20 dB^[26]。

    另外一家美國公司泰洛科技同樣與加州理工飛機推進實驗室合作研發太赫茲單片，但其設計的芯片基于異質結雙極晶體管，在2013年報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所研發的固態太赫茲單片的技術路線同樣采用異質結雙極晶體管，通過6級單路放大在300 GHz增益7.4 dB，而其功率尚沒有參考數據^[28]。

    基于應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用固態物理研究所走在世界前列。于2019年2月發表的功率放大器內部運用多個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]。

    另外一款運用類似技術的寬帶放大單片同樣由弗勞恩霍夫研究所開發，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。由于末級總的功率合成數只有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InP單片往往采用非合成的構架設計太赫茲放大器，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優勢。

2 太赫茲片上集成硅基功率放大器研究進展

    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模應用各類商用集成電路設計場合，各類商用工藝的制造技術最為先進，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、可靠一致性和低成本的優勢，在最近十年的研究呈爆發的態勢。

    硅基集成電路中，同樣制程下的異質結雙極晶體管的工作頻率高于互補金屬氧化物半導體集成電路。因此異質結雙極晶體管更容易設計太赫茲電路。如德國德累斯頓工業大學基于130 nm的SiGe HBT技術，在2017年開發的可變增益放大器調節范圍在0～24.7 dB之間，如圖5所示，中心頻率190 GHz，輸出1 dB壓縮點-10.2 dBm。雖然其功率較低，但在陣列設計中具有優勢^[31]。

    康奈爾大學同樣基于130 nm的異質結雙極晶體管管設計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的頻率范圍小信號增益大于6.5 dB，該技術為提升晶體管在太赫茲頻段的增益特性提供了參考^[32]。

    相比異質結雙極晶體管，互補金屬氧化物半導體集成電路已被廣泛應用于各種消費電子產品中，在降低功耗的驅動力下，互補金屬氧化物半導體晶體管柵制作工藝已經降低到10 nm以下。其中由芬蘭阿爾托大學微納科學部研發的全耗盡絕緣體硅技術的太赫茲放大單片最高頻率已超過320 GHz，該放大單片的設計幾乎達到此工藝條件下互補金屬氧化物半導體硅電路的設計上限^[33]。因此，在太赫茲頻段設計CMOS集成放大單片極具挑戰性。國際固態電路會議上，加利福尼亞大學同樣嘗試在65 nm互補金屬氧化物半導體硅上設計CMOS集成放大單片，設計的太赫茲集成放大電路如圖6所示，提出了運用功率注入補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 結論

    本文總結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、產量、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計的芯片，因此二者當前各具優勢，互相難以替代。從電路設計結構比較，磷化銦芯片雖然目前設計頻率較高，但是較少有太赫茲大功率集成放大器的報道，而砷化鎵基片上的應變高電子遷移率晶體管通過多路合成的形式，已經太赫茲頻段高功率方面的優勢得以初步顯現。硅基電路由于器件本身增益較低，多數電路設計尚處于功能實現的階段，但其在控制和系統復雜度上有潛力挖掘。

參考文獻

[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，FUNG 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].固體電子學研究與進展，2017(4)：299.

[29] JOHN L，NEININGER P，FRIESICKE 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，FRITSCHE 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.中國工程物理研究院微系統與太赫茲研究中心，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)