当硅基芯片成为可能，太赫兹民用时代才真正到来
2021-07-11
14:00:22
来源: 半导体行业观察
太赫兹
是频率位于毫米波和红外线之间的电磁波频段，具体频率定义为100GHz到10THz。与毫米波频段相比，太赫兹具有更丰富的频谱资源，有利于实现更精确的测距、测厚、运动感知、透视成像以及化学成分鉴定等。从功能上看，太赫兹产品包括时域光谱分析系统、雷达系统、成像系统、测量仪器和通信系统。在这五大领域中，硅基集成电路技术有巨大的应用潜力。
高端太赫兹时域光谱设备工作频率一般从几百GHz覆盖到几THz，远远超出了固态电路的能力范围。目前只有基于光电技术的太赫兹时域短脉冲源配合辐射热测量计（Bolometer）或者热电传感器（Pyroelectric sensor）能够覆盖如此宽频段的激励和检测。国外公司如Advanced Photonix，Luna，Fraunhofer ITWM等推出高精度厚度测量系统，用于工业品内部多层结构的厚度测量，例如飞机机身涂层厚度，半导体材料叠层厚度等。另一些大公司如 Advantest，Menlo Systems，TeraView等推出的光谱分析仪主要应用于科研、化工、海关等场所，可用来鉴定材料组成，识别毒品药品，分析半导体材料缺陷等。这些设备价格不菲，但市场对于便携式低成本的小设备需求强烈，硅基集成电路完全可以胜任频率从几十GHz覆盖到几百GHz的低频光谱分析和毫米级测厚。
在太赫兹频率实现雷达系统优势是可以获得更高的带宽，从而带来更精确的距离分辨率，目前商用CMOS毫米波雷达芯片主要以24，60和77GHz为主，带宽分别为1，4和5GHz，理论距离分辨率为从几厘米到十几厘米，适用于车载、智慧交通、智能楼宇、智能家居等场景，但在许多工业检测领域这个精度等级达不到要求，而这个市场空隙已经被国外公司填补，如德国Silicon Radar GmbH推出的SiGe工艺120GHz雷达芯片，已广泛用于国内各类液位计产品。该公司最新推出了业界最高带宽的单芯片太赫兹雷达，分别是25GHz带宽的120GHz雷达芯片和40GHz带宽的300GHz雷达芯片，将距离分辨率提升到了3-6毫米。国内微度芯创已推出13GHz带宽160GHz的CMOS太赫兹雷达芯片，缩小了国内外的技术差距。太赫兹雷达可以广泛用在各类工业、医疗、检修运维场景，如对精度要求较高的物位/液位计、产线机械手臂环境防撞感知、高精度定位、液体产品瓶装深度测量、手术间非接触无感染生命体征检测、DNA分析、无人机探伤传感器等等。
这个领域主要分被动和主动成像。被动成像主要用于人体安检，国际上知名大公司包括ThruVision，MC2等，国内以博微太赫兹为代表。受限于噪声性能，硅基芯片无法满足这类系统的太赫兹前端需求，但在高灵敏度低噪声放大器和低插损开关电路之后的检波器以及后续的中频放大器上可以采用CMOS实现降成本。与被动成像无需光源设备不同，主动成像需要系统提供太赫兹光源，可用的领域很广泛，从人体安检到工业检测。由于人体安检目前以毫米波技术为主，所以这里我们着重谈谈工业检测成像。工业检测按场景分，有抽检和全检。最大的市场来自于全检市场，这个领域对成像实时性要求高，技术上需要采用感光阵列来实现。目前国际上掌握太赫兹感光器阵列技术的公司如Rigi，I2S，INO等采用Micro Bolometer阵列，TeraSense采用III/V族检波器阵列。国内的中科院苏州纳米所采用表面等离子体激元感光技术实现了感光器阵列芯片和实时成像太赫兹相机。这些主动成像相机都需要太赫兹光源来配合，而主流光源一般采用太赫兹量子级联激光器（QCL），激光驱动太赫兹辐射源，回波振荡器（BWO）或III/V族固态电路倍频链路实现，成本普遍较高。硅基芯片太赫兹源和成像阵列已在过去十年间逐渐由学术界转为商用，辐射功率可达毫瓦级。最早基于CMOS芯片的光源和感光阵列由德国TicWave公司商用；Alcatera将这种技术带到了工业产线全检。目前国内只有太景科技采用CMOS集成电路同时实现了太赫兹光源和感光器阵列，已经达到国际领先水平。Zion市场研究认为在几大市场细分领域太赫兹成像将贡献主要的市场增长。
在成像方面，还有一个细分领域是太赫兹扫描显微镜，基于纳米或微米级探针在被测物体表面进行非接触式扫描，测量太赫兹近场的扰动实现成像，分辨率主要取决于按探针针尖的尺寸。这类成像系统突破了波长对成像分辨率的限制，非常适用于生物细胞分析、半导体工艺质量检测等场景。但目前国内外设备均采用单针扫描，成像速度慢，每1平方厘米的面积大约需要10到20分钟的扫描时间，无法满足工业场景的需求。这类系统一般采用太赫兹时域脉冲源配合热辐射传感器（Bolometer），或者采用昂贵的矢量网络分析仪进行信号激励和信号接收处理。在这个领域硅基集成电路可以促进成本的大幅下降，扫描成像时间大幅缩短，系统体积的大幅缩小。
国际头部测试仪器公司如Keysight，Rohde&Schwarz，Anritsu都已经将微波测试仪器（矢量网络分析仪、频谱仪、信号源等）扩展到了太赫兹频段。这些公司的扩频模组来自于上游模组厂家，如Virginia Diodes Inc，Radiometer Physics GmbH，OML等。国内中电仪器自主研发的太赫兹测试设备已经具有国际化水平，最具里程碑意义的产品是频率超过500GHz的矢量网络分析测量系统。苏州伏波推出的太赫兹频率扩展模块对标美国VDI产品，在性价比上具备很大的优势。这类设备采用波导结构实现，体积大，成本高，主要的客户是高校、研究所，大型企业或高新开发区共享平台等。而大多数小微企业主要靠租赁，长期的租金是很大的一笔开销。硅基集成电路可在未来200GHz以内的便携型或低成本测量设备领域发力，有望填补这个细分市场。
目前国际上从事太赫兹通信相关产品研发的是TeraPhysics，而国内只有高校或大公司的内部预研部门在开展相关研究。由于通信链路的大带宽带来总噪声的恶化，把硅基收发机与III/V族功率放大器和低噪声放大器结合使用，达到性能与成本的平衡。如果6G通信采用太赫兹进行微基站数据互联，硅基太赫兹通信集成电路的年市场规模可达到至少几十亿美元的规模。
硅基太赫兹集成电路在经过十几年国际学术界探索和各大晶圆厂商工艺性能的不断提升，已经进入可以工程量产的阶段。从目前的SiGe与CMOS工艺性能看，硅基集成电路可以胜任频率在200GHz以内的信号放大，600GHz以内的倍频、混频、锁频锁相和检波。这些都是实现太赫兹信号发射与接收的基本功能模块。其中200GHz以内的放大器的输出功率大约10mW，噪声系数不差于15dB，带宽可以做到几十到上百GHz；检波NEP在100pW/Hz
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量级等等。这一些列性能可以在上述各个领域大有作为。
国际上基于硅基芯片技术的太赫兹科技公司已经取得了不错的进展。德国的Silicon Radar提供业界最高带宽的SiGe雷达芯片，已完成了3轮融资，其中包括政府和商业风险资本；法国TiHive在2020年完成860万欧元融资，专门从事高速太赫兹CMOS相机开发；德国TicWave在业界最早提供实时太赫兹成像CMOS芯片解决方案；美国Alcatera推出了业界第一款针对抛弃型卫生用品（纸尿裤、卫生巾）生产线全检的实时太赫兹成像设备，已经获得国际头部客户订单；国内微度芯创已完成A轮数千万融资；初创公司太景科技在成立不到一年已采用CMOS工艺同时实现频率接近400GHz的太赫兹光源和成像芯片，并即将推出针对工业生产线的实时高速太赫兹成像设备。
BCC市场研究机构预测2024年全球太赫兹市场可达到$908.6M（9.086亿美金），2029年可达到$3.5B（35亿美金）。这项市场报告是围绕主流太赫兹技术（如光电技术，Bolometer等）和相关产品进行的统计、分析和预测，对固态电路尤其是硅基集成电路给行业带来的深刻影响考虑不足。如同当年CMOS工艺实现射频信号收发促进了手机大规模普及， SiGe或CMOS实现毫米波信号收发加速了车载毫米波雷达的量产，用硅基尤其是低成本CMOS芯片实现太赫兹信号的收发必将推动太赫兹技术向巨大的民用市场转化。
太赫兹应用的细分领域繁多，每个细分领域的年市场规模从几千万到几个亿不等。而硅基芯片的设计首先应全面了解应用市场的需求和痛点，对通用性和兼容性进行充分规划，以应对系统集成的多样化需求。
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