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(cè)距、測(cè)厚、運(yùn)動(dòng)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(cè)量?jī)x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(cè)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(lì)和檢測(cè)。國(guó)外公司如Advanced Photonix，Luna，F(xiàn)raunhofer ITWM等推出高精度厚度測(cè)量系統(tǒng)，用于工業(yè)品內(nèi)部多層結(jié)構(gòu)的厚度測(cè)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(chǎng)所，可用來鑒定材料組成，識(shí)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(chǎng)對(duì)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(jí)測(cè)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(shì)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(chǎng)景，但在許多工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域這個(gè)精度等級(jí)達(dá)不到要求，而這個(gè)市場(chǎng)空隙已經(jīng)被國(guó)外公司填補(bǔ)，如德國(guó)Silicon Radar GmbH推出的SiGe工藝120GHz雷達(dá)芯片，已廣泛用于國(guó)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(guó)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(guó)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(chǎng)景，如對(duì)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(cè)量、手術(shù)間非接觸無感染生命體征檢測(cè)、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(dòng)和主動(dòng)成像。被動(dòng)成像主要用于人體安檢，國(guó)際上知名大公司包括ThruVision，MC2等，國(guó)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(dòng)成像無需光源設(shè)備不同，主動(dòng)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(cè)。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(cè)成像。工業(yè)檢測(cè)按場(chǎng)景分，有抽檢和全檢。最大的市場(chǎng)來自于全檢市場(chǎng)，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(guó)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(guó)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(dòng)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(jí)聯(lián)激光器（QCL），激光驅(qū)動(dòng)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(jí)。最早基于CMOS芯片的光源和感光陣列由德國(guó)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(guó)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(guó)際領(lǐng)先水平。Zion市場(chǎng)研究認(rèn)為在幾大市場(chǎng)細(xì)分領(lǐng)域太赫茲成像將貢獻(xiàn)主要的市場(chǎng)增長(zhǎng)。

　　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(jí)探針在被測(cè)物體表面進(jìn)行非接觸式掃描，測(cè)量太赫茲近場(chǎng)的擾動(dòng)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(zhǎng)對(duì)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(cè)等場(chǎng)景。但目前國(guó)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(chǎng)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(hào)激勵(lì)和信號(hào)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(cè)量?jī)x器

　　國(guó)際頭部測(cè)試儀器公司如Keysight，Rohde&Schwarz，Anritsu都已經(jīng)將微波測(cè)試儀器（矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜儀、信號(hào)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(guó)內(nèi)中電儀器自主研發(fā)的太赫茲測(cè)試設(shè)備已經(jīng)具有國(guó)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(cè)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(shì)。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(tái)等。而大多數(shù)小微企業(yè)主要靠租賃，長(zhǎng)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(cè)量設(shè)備領(lǐng)域發(fā)力，有望填補(bǔ)這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)。

　　太赫茲通信系統(tǒng)

　　目前國(guó)際上從事太赫茲通信相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)的是TeraPhysics，而國(guó)內(nèi)只有高校或大公司的內(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(chǎng)規(guī)模可達(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(guó)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(hào)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(hào)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(jí)等等。這一些列性能可以在上述各個(gè)領(lǐng)域大有作為。

　　國(guó)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(cuò)的進(jìn)展。德國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)Alcatera推出了業(yè)界第一款針對(duì)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(guó)際頭部客戶訂單；國(guó)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(duì)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(duì)太赫茲產(chǎn)業(yè)規(guī)模的影響

　　BCC市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)2024年全球太赫茲市場(chǎng)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(chǎng)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(cè)，對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)的收發(fā)必將推動(dòng)太赫茲技術(shù)向巨大的民用市場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)的需求和痛點(diǎn)，對(duì)通用性和兼容性進(jìn)行充分規(guī)劃，以應(yīng)對(duì)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。