0 引言

    廣義上，太赫茲(THz)波指頻率處于100 GHz～10 THz(即對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為3 mm～30 ?滋m)范圍內(nèi)的電磁波。太赫茲波處在毫米波到紅外之間的過渡區(qū)域，是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡，如圖1所示^[1]。由于大功率源以及相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的缺乏，這個(gè)頻段很長(zhǎng)一段時(shí)間沒有被科學(xué)家和工程師進(jìn)行相關(guān)研究，被稱為“太赫茲空隙”(THz gap)^[1-6]。

    由于處于微波和光波之間的位置，太赫茲波綜合了電子學(xué)以及光子學(xué)的一些特征，同時(shí)又有著它獨(dú)特的特性：(1)穿透性：太赫茲波可以以不同的衰減率穿過不同介質(zhì)。大氣對(duì)于太赫茲波有著復(fù)雜的吸收作用，在0.1 THz～1 THz之間的太赫茲頻段分布著多個(gè)大氣窗口，如140 GHz、220 GHz、340 GHz、410 GHz、667 GHz等頻率附近為大氣窗口。(2)分辨率：成像分辨率隨著電磁波波長(zhǎng)減小而提高，將太赫茲波用于成像時(shí)分辨率好于微波。(3)光譜學(xué)：不同固體和氣體材料對(duì)0.5 THz～3 THz的太赫茲波有不同的光譜特征，許多生物蛋白、半導(dǎo)體中電子和納米結(jié)構(gòu)共振頻率落在太赫茲頻段，使得太赫茲波可以用于材料無損檢測(cè)。(4)非電離性：因?yàn)樘掌澆ü庾幽芰康停⒉粫?huì)激發(fā)物體電離效應(yīng)，使得太赫茲波應(yīng)用具有安全性。

    正是因?yàn)橐陨咸匦裕沟锰掌澆ㄔ谔掌澩ㄐ拧⑻掌澇上瘛o損探測(cè)、雷達(dá)、電子對(duì)抗和精確制導(dǎo)等方面有廣闊的應(yīng)用空間。體積小并且能夠產(chǎn)生足夠輸出功率、頻率靈敏度的太赫茲源是太赫茲技術(shù)發(fā)展面臨的最大瓶頸之一。在電子學(xué)向光學(xué)過渡的太赫茲頻段，信號(hào)可以由電真空器件、固態(tài)器件以及光學(xué)技術(shù)等多種方法產(chǎn)生，如圖2所示^[1]。其中電真空器件能產(chǎn)生足夠高的輸出功率，但是體積較大，工作需要高電壓，使用壽命和長(zhǎng)期可靠性差；光學(xué)太赫茲源具有極寬的輸出頻譜，且可調(diào)諧性能較好，輸出功率也較高；而固態(tài)器件的主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、集成度高、可靠性高、規(guī)模化生產(chǎn)后成本低且供電要求低。

    固態(tài)器件主要指采用基于半導(dǎo)體的固態(tài)電子器件構(gòu)成的微電子集成電路，這些電路可以實(shí)現(xiàn)太赫茲源，以及對(duì)太赫茲信號(hào)進(jìn)行混頻、倍頻和放大等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率的太赫茲波的產(chǎn)生與探測(cè)。目前通過固態(tài)器件可以獲得頻率超過2 THz的太赫茲源和達(dá)到THz的信號(hào)探測(cè)和處理^[6]。在太赫茲系統(tǒng)中，由于信號(hào)很微弱，因此增益和輸出功率是THz系統(tǒng)最為重要的資源。放大器可以將微弱的太赫茲信號(hào)進(jìn)行放大，它決定了系統(tǒng)的作用距離、抗干擾能力以及通信質(zhì)量和靈敏度，是太赫茲系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件之一，用各類半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的固態(tài)放大器可以使太赫茲系統(tǒng)集成度高、體積小、重量輕、能耗低。所以，太赫茲固態(tài)放大器成為了最具發(fā)展和應(yīng)用前景的太赫茲電路。

    本文將介紹基于化合物半導(dǎo)體的太赫茲固態(tài)放大器的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹基于GaN HEMT工藝、InP HEMT工藝和InP HBT/DHBT工藝的太赫茲單片放大器研究進(jìn)展。

1 半導(dǎo)體材料和器件分類

    按照時(shí)間順序，可以將以Ge、Si為代表的半導(dǎo)體劃為第一代半導(dǎo)體，第一代半導(dǎo)體以大的晶體尺寸和窄的線條寬度為技術(shù)水平標(biāo)志，其產(chǎn)品以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為代表，覆蓋了絕大部分的電子產(chǎn)品，推動(dòng)了信息社會(huì)的快速發(fā)展。以砷化鎵（GaAs）、InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物為代表的半導(dǎo)體可以劃為第二代半導(dǎo)體，第二代半導(dǎo)體以通信速度、信息容量和存儲(chǔ)密度為技術(shù)水平標(biāo)志，其產(chǎn)品形式以微波、光發(fā)射和接收器件為主，大大推動(dòng)了微波、光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以碳化硅（SiC）、GaN、氮化鋁（AlN）以及金剛石為代表的化合物可以劃為第三代半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體主要以寬禁帶材料為主，禁帶寬度一般介于2 eV～7 eV之間。表1列出了Si、鍺化硅(SiGe)、GaAs、InP以及GaN半導(dǎo)體材料的特性參數(shù)，可以看出，與第一代、第二代半導(dǎo)體相比，由于固有的寬禁帶寬度、高熱導(dǎo)率、高二維電子氣濃度、快的電子遷移率、高的擊穿電場(chǎng)等特性，使得以寬禁帶半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的第三代半導(dǎo)體器件具有大功率密度、抗輻射、耐高溫、超高頻等優(yōu)異性能^[7-8]。

    用于太赫茲頻段放大器的半導(dǎo)體器件，可以按照半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)單地分成兩類，一類是Si基器件，另一類是Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件。Si基器件主要為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)器件和SiGe雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Bipolar CMOS，BiCMOS)器件，Ⅲ-Ⅴ族化合物器件主要包括GaAs贗配型高電子遷移率晶體管(Pseudomorphic HEMT，PHEMT)器件、GaAs改性高電子遷移率晶體管(Metamorphic HEMT，MHEMT)器件、InP HEMT器件、InP HBT器件和GaN HEMT器件。

    在100 GHz以下頻段，尤其是RF頻段，Si基器件在半導(dǎo)體市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，然而在太赫茲頻段應(yīng)用時(shí)，Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件比Si基器件更有優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在：

    (1)Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件比Si基器件有更高的電子遷移率，所以使得化合物基器件可以工作在更高的頻率；

    (2)Ⅲ-Ⅴ族化合物基襯底材料電阻率比Si基襯底材料的電阻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在Ⅲ-Ⅴ族化合物基襯底上制作的傳輸線、電感等損耗更低，尤其對(duì)于功率放大器而言，低電阻率的襯底可以降低器件效率，由于趨膚效應(yīng)引起的寄生參數(shù)和襯底損耗可以使得最大振蕩頻率fMAX下降至少36%～50%，也會(huì)降低器件在高頻的增益^[9]。

    (3)Ⅲ-Ⅴ族化合物基材料往往是寬帶隙材料，所以Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件一般比Si器件具有更大的擊穿電壓。

    然而相比Si基器件，Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件也有自己明顯的劣勢(shì)，主要表現(xiàn)在電路集成度低、成本高、長(zhǎng)期可靠性差、器件模型不夠精確和可用仿真軟件少等。

    雖然Si基器件主要應(yīng)用在100 GHz以下頻段，但是隨著工藝的進(jìn)步，器件特征尺寸越來越小，器件最大振蕩頻率越來越高，使得Si基器件也可以應(yīng)用在太赫茲頻段。另外，CMOS絕緣襯底上硅(Silicon on Insulator，SOI)技術(shù)和SiGe技術(shù)可以從很大程度上減少襯底損耗，并且SiGe器件也可以提供大的功率密度，這些改善都使得Si基器件在太赫茲頻段的應(yīng)用非常有潛力，只不過目前從性能上來說，Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件仍然優(yōu)于Si基器件。

2 基于GaN HEMT器件的太赫茲放大器研究進(jìn)展

    20世紀(jì)90年代中期GaN HEMT誕生。GaN是寬禁帶材料，具有電子飽和速度高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、SiC襯底導(dǎo)熱性好、抗輻照等特點(diǎn)，且在AlGaN/GaN界面上存在自極化和壓電等新的物理效應(yīng)，其二維電子氣密度高達(dá)2×10¹³ cm^-2，因此GaN HEMT器件具有高功率密度的能力。但是，由于GaN相對(duì)較低的電子遷移率、頻率特性不是很好，因此GaN HEMT器件可以用來進(jìn)行THz低頻段功率放大器的設(shè)計(jì)。

    美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室在GaN HEMT器件和電路的研究上處于國(guó)際領(lǐng)先地位，該實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的用于毫米波、THz頻段的GaN HEMT T型柵器件性能如表2所示，表中列出了3種不同柵長(zhǎng)T型器件的電流增益截止頻率f_T、最大振蕩頻率f_MAX、擊穿電壓V_brk和50 GHz處最小噪聲系數(shù)F_min。其中T4A器件f_T=329 GHz和f_MAX=558 GHz為目前已知的具有最高電流增益截止頻率和最大振蕩頻率的GaN HEMT器件。

    2014年，文獻(xiàn)[10]報(bào)道了HRL實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用T3器件設(shè)計(jì)的單級(jí)G波段功率放大器，放大器測(cè)試結(jié)果表明，輸出功率密度296 mW/mm，電路增益4.5 dB，效率3.5%，這是報(bào)道的第一款GaN G波段功率放大器。文獻(xiàn)[11]報(bào)道了采用同樣的T3器件，實(shí)現(xiàn)了一款110～170 GHz的寬帶功率放大器，增益>25 dB，噪聲系數(shù)大約6 dB，飽和輸出功率12 dBm，可以看出GaN HEMT器件不僅具有高的飽和輸出功率，而且具有相對(duì)較小的噪聲系數(shù)。文獻(xiàn)[12]報(bào)道了采用T2器件設(shè)計(jì)的G波段功率放大器，電路采用4級(jí)電路結(jié)構(gòu)，每級(jí)管芯大小為4 μm×25 μm，電路在149 GHz處有最大增益8.7 dB，測(cè)得芯片最大輸出功率為18.2 dBm，這是已報(bào)道的G波段最大輸出功率的GaN MMIC功放。

    應(yīng)用GaN HEMT器件的太赫茲功率放大器報(bào)道很少，除了HRL實(shí)驗(yàn)室的上述相關(guān)報(bào)道外，大部分報(bào)道集中在太赫茲頻段低端，也就是100 GHz附近。2006年，HRL實(shí)驗(yàn)室在文獻(xiàn)[13]中第一次報(bào)道了W波段GaN功放，從此，關(guān)于W波段的GaN功放報(bào)道逐漸增多。2010年HRL實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了一款W波段功放，連續(xù)波條件下飽和輸出功率為842 mW，功率附加效率為14.7%，功率增益為9.3 dB^[14]。2015年Quinstar公司報(bào)道了一款寬帶的W波段功放，電路工藝為HRL公司的T2工藝，芯片采用片上行波功率合成網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)波工作條件下，在75～100 GHz頻段最小輸出功率為2 W，峰值輸出功率為3 W，脈沖工作狀態(tài)下峰值輸出功率為3.6 W。芯片照片如圖3所示^[15]。

    2017年德國(guó)IAF(Fraunhofer Institute for Applied Solid-State Physics)研究所報(bào)道了第一款采用三維柵GaN HEMT器件的W波段功放，采用三維柵結(jié)構(gòu)器件可以有效克服傳統(tǒng)平面柵引起的短溝道效應(yīng)。報(bào)道的功放在86～94 GHz頻段輸出功率為30.6 dBm，功率附加效率為8%，功率增益為12 dB^[16]。

    2018年美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校報(bào)道了一款N-ploar型GaN HEMT器件，器件柵長(zhǎng)為75 nm，f_T=113 GHz，f_MAX=238 GHz，工作電壓20 V時(shí)，功率密度為8 W/mm@94 GHz，是目前為止報(bào)道的W波段最高功率密度的GaN器件^[17]。

    與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在太赫茲GaN功放研究方面也取得了一系列成果，與國(guó)外差距不大。2016年中國(guó)電科55所報(bào)道了一款W波段功放^[18]，采用0.1 μm GaN HEMT器件，器件f_T=90 GHz，f_MAX=210 GHz，芯片在90 GHz最大輸出功率為1.17 W，功率附加效率為13 %，功率增益為11 dB，輸出功率密度為2.3 W/mm。2017年中國(guó)電科55所又報(bào)道了一款平衡式W波段功放^[19]，功放采用0.1 μm GaN HEMT工藝制造，電路采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，在88～93 GHz頻段，小信號(hào)增益大于15 dB，輸出功率大于2.5 W，91 GHz實(shí)現(xiàn)峰值輸出功率3.1 W，輸出功率密度為3.23 W/mm，這是目前為止國(guó)內(nèi)報(bào)道的最高功率的W波段功放，功放芯片圖和性能曲線如圖4所示。中國(guó)電科13所公布了一款G波段功放產(chǎn)品，在210～220 GHz頻段，小信號(hào)增益大于15 dB，輸出功率大于10 dBm。中國(guó)電科55所研制的一款G波段功放采用50 nm GaN HEMT工藝，在150～170 GHz頻段，小信號(hào)增益大于25 dB，是目前為止國(guó)內(nèi)最高增益的G波段GaN功放。

3 基于InP HEMT器件的太赫茲放大器研究進(jìn)展

    InP是重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物材料之一，是發(fā)展太赫茲頻段芯片的首選材料。由表1可以看出，相比其他材料，InP電子遷移率具有很大優(yōu)勢(shì)，但是禁帶寬度較小，所以InP基器件可以用來進(jìn)行THz高頻、高增益、低噪聲的小信號(hào)放大器設(shè)計(jì)。InP基器件主要分為InP HEMT和InP HBT兩種，憑借優(yōu)異的頻率和增益性能，是用于THz芯片設(shè)計(jì)的最佳選擇。

    近年來基于InP HEMT器件的太赫茲技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)開發(fā)出了100 nm、50 nm、35 nm、30 nm、25 nm柵長(zhǎng)的典型器件，器件的f_T、f_MAX不斷提高，f_MAX已經(jīng)可以達(dá)到1.5 THz，已經(jīng)研制了頻率在0.48 THz、0.67 THz、0.85 THz和大于1 THz的電路，在InP HEMT電路研究方面，美國(guó)諾格公司(Northrop Grumman)處在行業(yè)領(lǐng)先的位置。

    2008年德國(guó)IAF研究所采用50 nm柵工藝技術(shù)制備了210 GHz低噪聲單片電路。該工藝采用溝道InGaAs含量為0.8的MHEMT材料，制備的管芯最大電流密度及最大跨導(dǎo)分別達(dá)到1 200 mA/mm及1 800 mS/mm。其管芯的f_T和f_MAX分別可達(dá)380 GHz及500 GHz，該電路可在180 GHz~210 GHz頻段內(nèi)增益達(dá)到16 dB，噪聲系數(shù)達(dá)到4.8 dB^[20]。美國(guó)諾格公司(Northrop Grumman)2008年研制的35 nm InP HEMT器件，其fMAX達(dá)到了1.2 THz。2011年，諾格公司研制的0.65 THz低噪放在629~638 GHz增益達(dá)10 dB，在640 GHz其飽和輸出功率達(dá)到1.7 mW。該器件采用的是30 nm T型柵，材料是InAs/InGaAs組合溝道，管芯的最大電流密度和最大跨導(dǎo)分別達(dá)到900 mA/mm及2 300 mS/mm，其f_T和f_MAX分別為0.6 THz和1.2 THz^[21]。2015年，諾格公司進(jìn)一步研制的1 THz低噪放，器件采用的是25 nm T型柵，其f_T和f_MAX分別為0.61 THz和1.5 THz，在1 THz處最大可用增益為3.5 dB。采用該工藝制備的10級(jí)CPW集成電路放大器，每級(jí)采用2 μm×4 μm管芯結(jié)構(gòu)，測(cè)試結(jié)果顯示在1 THz處放大器增益為9 dB，在1.05 THz處增益為7 dB，這是目前為止報(bào)道的第一款可以工作在大于1 THz的放大器，電路照片和測(cè)試結(jié)果如圖5所示。該結(jié)果表明InP HEMT基放大器在THz高頻段潛力巨大，是未來THz放大器發(fā)展的重要方向^[22]。2010年諾格公司報(bào)道了一款采用亞50 nm InP HEMT工藝的功放，芯片采用8路片上功率合成的方式，在217.5 GHz～220 GHz實(shí)現(xiàn)了輸出功率大于50 mW，是目前已報(bào)道的最大輸出功率的InP HEMT功放^[23]。

    國(guó)內(nèi)在InP HEMT器件和電路方面也進(jìn)行了許多卓有成效的工作，主要研究單位有中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55、第13研究所、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所等，2016年中國(guó)電科第55研究所報(bào)道了基于自主70 nm InP HEMT工藝的W波段低噪聲放大器，芯片在75～110 GHz頻段，增益大于20 dB，噪聲系數(shù)小于3.5 dB。中國(guó)電科55所目前已經(jīng)成功開發(fā)了35 nm InP HEMT工藝，35 nm InP HEMT器件f_T>400 GHz，f_MAX>550 GHz。中國(guó)電科13所報(bào)道了基于90 nm InP HEMT工藝的220 GHz低噪聲放大器，增益為20 dB，噪聲系數(shù)為7.5 dB。

    總體上，相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)無論是在InP HEMT工藝水平還是電路性能上都差距比較大，今后還要加強(qiáng)在這一方向的研究。

4 基于InP HBT/DHBT器件的太赫茲放大器研究進(jìn)展

    InP HBT/DHBT器件由發(fā)射極、集電極和基極組成，目前國(guó)外InP HBT器件發(fā)射極線寬已縮小到250 nm、200 nm、130 nm，f_MAX>1 THz。InP HBT器件具有高頻率、高功率的特點(diǎn)，因而可以用來進(jìn)行THz功放的設(shè)計(jì)，InP HBT器件還具有相位噪聲低、頻帶寬、集成能力高的特點(diǎn)，因而可以用來進(jìn)行線性功放和超高速電路的設(shè)計(jì)，美國(guó)Teledyne公司在THz InP HBT電路研究方面處于行業(yè)領(lǐng)先的位置。

    2011年美國(guó)Teledyne公司報(bào)道了130 nm InP DHBT技術(shù)，發(fā)射區(qū)結(jié)面積為0.13 μm×2 μm，f_T>520 GHz，f_MAX>1.1 THz，共發(fā)射極擊穿電壓為3.5 V，這是當(dāng)時(shí)HBT器件的最高水平^[24]。2013年Teledyne公司報(bào)道了采用130 nm InP DHBT工藝研制的670 GHz InP HBT放大器，在600～680 GHz頻段增益為20 dB，在片功率測(cè)試表明，585 GHz下飽和輸出功率為-4 dBm，670 GHz時(shí)飽和輸出功率為-7.5 dBm，這是已報(bào)道的工作頻率最高的放大器^[25]。2015年，NGAS公司報(bào)道了600 GHz功率放大器，在傳統(tǒng)的200 nm InP HBT器件工藝基礎(chǔ)上將器件結(jié)構(gòu)從InP襯底轉(zhuǎn)移至SiC襯底，有效降低了HBT的結(jié)溫，提高了器件的高頻性能，制作的9級(jí)共發(fā)射極放大器小信號(hào)增益為9 dB，5級(jí)共基極放大器小信號(hào)增益為19 dB，這是目前報(bào)道的工作頻率最高的進(jìn)行了襯底轉(zhuǎn)移的放大器^[26]。2014年諾格公司報(bào)道了一款220 GHz頻段的功率放大器，芯片采用250 nm InP HBT工藝，總的發(fā)射極面積為18 μm²，放大器在210～230 GHz頻段實(shí)現(xiàn)增益大約5 dB，在210 GHz實(shí)現(xiàn)最大飽和輸出功率90 mW，功率附加效率10%，這是在該頻段報(bào)道的最大功率附加效率的放大器^[27]。2014年Teledyne公司報(bào)道了一款200 GHz左右的功放，功放采用250 nm InP HBT工藝，采用低插損的威爾金森功分器實(shí)現(xiàn)了3級(jí)16路功率單元的合成，芯片在10 dBm注入功率條件下，在210 GHz實(shí)現(xiàn)了23.2 dBm的功率輸出，在235 GHz實(shí)現(xiàn)了21 dBm的功率輸出，功率增益大于11 dB，在206～243 GHz頻段小信號(hào)增益大于24 dB，這是到目前為止第一款報(bào)道的在200 GHz以上頻段實(shí)現(xiàn)大于200 mW的MMIC芯片，代表了目前THz頻段大功率單片的最高水平^[28]。

    國(guó)內(nèi)在THz InP HBT/DHBT技術(shù)方面起步較晚，研制的電路主要集中在THz低頻段，研究單位主要包括中國(guó)科學(xué)院微電子研究所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55、第13研究所。近年來，國(guó)內(nèi)在InP HBT工藝和器件研究方面不斷進(jìn)步，器件f_T、f_MAX不斷提高，InP HBT功率放大器頻率達(dá)330 GHz左右，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第55研究所代表了國(guó)內(nèi)最高水平^[29]。2013年，55所報(bào)道了采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)和平面化技術(shù)在3英寸InP襯底上設(shè)計(jì)和制作了InGaAs/InP DHBT，f_MAX=325 GHz，擊穿電壓為10.6 V，適合開發(fā)THz低頻段電路。2015年，該團(tuán)隊(duì)制作出了共基極四指In-GaAs/InP DHBT，發(fā)射極線寬縮短為0.5 μm，fMAX提高到535 GHz，擊穿電壓降至4 V^[30]。2016年，55所報(bào)道了一款140 GHz左右HBT功率放大器，芯片采用0.5 μm InP DHBT工藝，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用四級(jí)共射放大電路結(jié)構(gòu)，采用威爾金森功分器進(jìn)行四路功率合成，放大器在140～160 GHz頻段內(nèi)，小信號(hào)增益大于20 dB，140 GHz時(shí)飽和輸出功率達(dá)13.6 dBm^[31]。2018年，55所報(bào)道了一款工作在H波段的HBT功率放大器，芯片采用0.5 μm InP DHBT工藝，工作頻帶為275～310 GHz，在300 GHz增益大于7.4 dB，在280 GHz實(shí)現(xiàn)最大增益12.5 dB，這是國(guó)內(nèi)報(bào)道的第一款工作在H波段的 InP HBT功放^[32]，芯片圖和S參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

5 結(jié)論

    THz固態(tài)放大器的發(fā)展是基于半導(dǎo)體技術(shù)和微波技術(shù)的共同進(jìn)步，目前Ⅲ-Ⅴ族化合物基THz固態(tài)放大器的研究已經(jīng)進(jìn)入THz頻段，以GaN HEMT、InP HEMT和InP HBT為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件的技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)著固態(tài)放大器向THz頻域的不同方向發(fā)展。

    GaN HEMT基器件特征尺寸目前已經(jīng)可以達(dá)到20 nm，器件最大振蕩頻率可以達(dá)到558 GHz，在G波段已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)18.2 dBm的功率輸出。所以未來一段時(shí)間內(nèi)，GaN HEMT基固態(tài)放大器的發(fā)展主要集中在THz的低頻段，包括W、D、G甚至H頻段。GaN HEMT基固態(tài)放大器除了可以實(shí)現(xiàn)高功率放大器外，還可以實(shí)現(xiàn)相比GaAs、InP等具有高P_-1、耐大功率的低噪聲放大器，是未來實(shí)現(xiàn)THz收發(fā)一體多功能芯片的首選。

    InP HEMT基器件特征尺寸目前已經(jīng)可以達(dá)到25 nm，器件最大振蕩頻率可以達(dá)到1.5 THz，在1 THz處已經(jīng)研制成功了放大器芯片，增益為9 dB。所以未來InP HEMT基固態(tài)放大器是實(shí)現(xiàn)THz頻段高頻、低噪聲放大器芯片的第一選擇。另外，在THz低頻段，InP HEMT基固態(tài)放大器通過片內(nèi)合成的方式，也可以實(shí)現(xiàn)小功率的放大器芯片。

    InP HBT基器件特征尺寸已經(jīng)可以達(dá)到130 nm，器件最大振蕩頻率大于1.1 THz，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)670 GHz頻段 HBT芯片，另外InP HBT基放大器實(shí)現(xiàn)了200 GHz附近大于200 mW的功率輸出。所以未來在200 GHz～1 THz頻段進(jìn)行高功率、高增益、寬帶、高線性放大器研究，InP HBT基放大器一定會(huì)成為優(yōu)先選擇。

    國(guó)內(nèi)在THz固態(tài)放大器研究上已經(jīng)取得了一定的基礎(chǔ)和成果，但是與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有很大差距，在THz半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)、THz器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、THz器件建模、THz電路設(shè)計(jì)、THz測(cè)試技術(shù)以及THz電路可靠性等一系列關(guān)鍵技術(shù)上，國(guó)內(nèi)還有很大差距，目前國(guó)內(nèi)還沒有可以批量工程化應(yīng)用的THz芯片。未來，隨著5G/6G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、信息感知等技術(shù)的發(fā)展，太赫茲技術(shù)必將成為影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)，未來需要太赫茲領(lǐng)域相關(guān)從業(yè)者不斷努力，共同推進(jìn)國(guó)內(nèi)太赫茲技術(shù)的進(jìn)步。

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作者信息:

郭方金，王維波，陳忠飛，孫洪錚，周細(xì)磅，陶洪琪

(南京電子器件研究所，江蘇 南京210016)