北理工馬建軍：CMOS硅基太赫茲成像技術(shù)

太赫茲成像技術(shù)利用連續(xù)或脈沖太赫茲波作用于目標(biāo)物，用太赫茲探測器接收透過物體或被物體表面反射的太赫茲波信號，獲得目標(biāo)各點(diǎn)透射或反射的太赫茲波強(qiáng)度和相位信息，通過頻譜分析和數(shù)字信號處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像。在電磁波譜中，太赫茲波位于微波與紅外波段之間，具有高透射性、低能量性、相干性、瞬態(tài)性等特點(diǎn)。這使得太赫茲成像技術(shù)具有傳統(tǒng)成像技術(shù)（如可見光、超聲波和 X 射線成像）無法比擬的優(yōu)勢，在國家安全、安全檢查、生物醫(yī)學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測等方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)太赫茲成像器件及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式主要基于純電子器件和純光電兩種。前者主要依賴于肖特基二極管和Ⅲ - Ⅴ族器件，后者主要依賴于光電導(dǎo)、光整流和量子級聯(lián)激光器。這些設(shè)備在實(shí)際使用中成本高昂、體積龐大，有些甚至需要冷卻設(shè)備輔助。此外，它們與傳統(tǒng)的微電子封裝不兼容，進(jìn)一步增加了集成化難度。

近年來，隨著硅基工藝的不斷升級，其射頻性能得到很大提升，基于硅基工藝實(shí)現(xiàn)的太赫茲成像技術(shù)引起國內(nèi)外學(xué)者的研究興趣?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxidesemiconductor，CMOS）太赫茲成像技術(shù)具有小尺寸、低功耗等特點(diǎn)，能夠滿足高集成和低成本的太赫茲成像商用需求。CMOS 硅基太赫茲成像技術(shù)已經(jīng)在分辨力方面取得了多項(xiàng)技術(shù)突破，康奈爾大學(xué)基于 55 nm BiCMOS（雙極互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝研制出具有 2 mm 橫向分辨力和 2.7 mm距離分辨力的 220 GHz 成像系統(tǒng)。但如何突破衍射極限，進(jìn)一步提升成像分辨力，依然是重要的研究方向。此外，針對硅基工藝在太赫茲頻段的復(fù)雜寄生和耦合效應(yīng)、太?赫茲集成電路分布效應(yīng)以及太赫茲源同步技術(shù)的研究，也是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

針對 CMOS 硅基太赫茲成像技術(shù)的研究情況分析如表 1.2.9 所示。美國、德國和中國在核心論文數(shù)量方面位居世界前三名，但在論文被引頻次方面，中國下滑至第五名，被日本和法國趕超。表 1.2.10展示了對該工程研究沿中核心論文主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)的分析：在核心論文數(shù)量方面，伍珀塔爾大學(xué)和維爾紐斯大學(xué)位居前列，中國只有南京大學(xué)排進(jìn)前十。在論文被引頻次方面，普林斯頓大學(xué)、伍珀塔爾大學(xué)和密歇根大學(xué)進(jìn)入前三，南京大學(xué)論文被引頻次位居末位。

在國家間的合作網(wǎng)絡(luò)（圖 1.2.7）方面，中國的主要合作伙伴為美國；德國與歐洲、美洲和亞洲地區(qū)國家建立了廣泛的合作關(guān)系。在機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)（圖 1.2.8）方面，歐洲大陸的立陶宛約納斯·澤梅蒂斯軍事學(xué)院、維爾紐斯大學(xué)和波蘭科學(xué)院高壓物理研究所建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系，美國的康奈爾大學(xué)分別與加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校、密歇根大學(xué)建立了合作關(guān)系。

表 1.2.11 所示為該前沿中施引核心論文的主要產(chǎn)出國家。中國占比超過三分之一，位居世界第一，美國和德國分別位列第二、第三名。在表 1.2.12 所示施引核心論文的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)排行榜中，中國占據(jù)絕對優(yōu)勢，有 7 家中國機(jī)構(gòu)位列世界前十，另外 2 家為美國機(jī)構(gòu)、1 家為德國機(jī)構(gòu)。

CMOS 硅基太赫茲成像技術(shù)的研究主要集中在高靈敏度、高集成度和高分辨力三個(gè)方面。最初的成像技術(shù)采用非相干的直接檢測技術(shù)，但其靈敏度低、輸入功率要求大，對固態(tài)電子產(chǎn)品也極具挑戰(zhàn)性。0.13 μm SiGe BiCMOS（鍺化硅雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝相干成像收發(fā)器芯片的提出，將靈敏度提升 10 倍以上。為實(shí)現(xiàn)更高的分辨力成像，基于相干成像的陣列規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。但傳統(tǒng)的相干檢測陣列中的本振信號大多采用中心化設(shè)計(jì)，很不利于陣列規(guī)模的擴(kuò)大?；?65 nm CMOS工藝的 32 單元鎖相密集外差接收陣列，可允許 2個(gè)交錯(cuò)的 4×4 陣列芯片在1.2 mm2的芯片范圍內(nèi)集成，使得整個(gè)接收機(jī)陣列更加緊湊。在成像橫向分辨力提升方面，基于 55 nm BiCMOS 工藝的完全集成超寬帶逆合成孔徑成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn) 2 mm 的橫向分辨力和 2.7 mm 的距離分辨力。

迄今為止，太赫茲成像分辨力取得了多項(xiàng)技術(shù)突破，但硅集成太赫茲成像器的分辨力一直受到衍射極限的限制，只能達(dá)到毫米范圍的光斑尺寸。生物醫(yī)學(xué)或材料表征中的許多應(yīng)用需達(dá)到微米級分辨力，這可以通過從遠(yuǎn)場到近場成像來實(shí)現(xiàn)，并可實(shí)現(xiàn) 10~12 μm 范圍的橫向分辨力。在低成本和高集成度的市場化需求下，基于CMOS 硅基的太赫茲成像研究在過去 10 年逐漸成為熱點(diǎn)，并取得飛速進(jìn)步，產(chǎn)生了大量研究成果并推動(dòng)太赫茲成像技術(shù)的發(fā)展。

隨著工藝的持續(xù)進(jìn)步，太赫茲成像技術(shù)逐漸向高集成度、高精確度、大陣列等方向發(fā)展，但同時(shí)也面臨著三大挑戰(zhàn)：

1）在不斷提高的工作頻率條件下，有源器件模型的有效性和無源器件的損耗逐漸制約了硅基工藝太赫茲電路的快速發(fā)展。同時(shí)，硅基工藝多層金屬和多層介質(zhì)的特點(diǎn)使得各個(gè)器件在太赫茲頻段產(chǎn)生非常復(fù)雜的寄生、耦合效應(yīng)，大大增加了太赫茲電路的設(shè)計(jì)難度。

2）太赫茲頻段波長短，有利于系統(tǒng)的集成。但太赫茲電路容易產(chǎn)生分布效應(yīng)，也更容易受到表面粗糙度的影響，因此需要根據(jù)創(chuàng)新封裝和互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成。

3）為了實(shí)現(xiàn)較高的角度分辨力，當(dāng)從單個(gè)通道到陣列芯片的擴(kuò)展時(shí)，需要保證多通道的協(xié)同工作，因此對源同步的技術(shù)提出了更高的要求。為了保證探測和信號傳遞的準(zhǔn)確性，需要更復(fù)雜的校準(zhǔn)系統(tǒng)來協(xié)同工作。

BCC Research 預(yù)測，2029 年全球主流太赫茲技術(shù)的市場規(guī)模可達(dá) 35 億美元。其中不包括硅基集成電路行業(yè)帶來的市場份額，主要原因在于CMOS 硅基太赫茲技術(shù)的發(fā)展與成熟化相對滯后。圖 1.2.9 所示為該前沿的發(fā)展路線。到 2029 年左右，將可實(shí)現(xiàn)芯片制作并啟動(dòng)相關(guān)在片測試；到 2032年方可完成技術(shù)優(yōu)化和集成研究，并實(shí)現(xiàn)芯片尺寸和分辨力的突破?？梢灶A(yù)見，在未來 10 年，利用CMOS 硅基實(shí)現(xiàn)太赫茲技術(shù)的集成化將推動(dòng)太赫茲成像技術(shù)邁向更大的市場規(guī)模。

審核編輯 ：李倩