太赫茲器件是指工作在太赫茲頻段（0.1-10 THz）的功能性電子器件，涵蓋信號(hào)產(chǎn)生、調(diào)制、傳輸與探測(cè)等核心功能，是連接電子學(xué)與光子學(xué)的重要橋梁。隨著太赫茲技術(shù)在成像、通信、光譜分析和安全檢測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，太赫茲器件的研究與開(kāi)發(fā)已成為前沿?zé)狳c(diǎn)。根據(jù)集成度和實(shí)現(xiàn)方式的不同，太赫茲器件主要可分為三類(lèi)：混合集成、MMIC和單片集成。
1.混合集成
由于太赫茲頻段是毫米波頻帶的擴(kuò)展，太赫茲器件在實(shí)現(xiàn)方法和理念上都與毫米波器件有相似之處?，F(xiàn)在常用的太赫茲器件設(shè)計(jì)方法也是從毫米頻段擴(kuò)展而來(lái)，兩者的基本原理是相同的?；旌霞呻娐分校ぬ鼗O管是分離式的，需要采用人工組裝到電路基片。
混合集成的核心通常為一塊半導(dǎo)體芯片，例如GaAs（砷化鎵）的肖特基勢(shì)壘二極管。分立二極管芯片被裝配在介質(zhì)基板上，在該基板上通過(guò)薄膜工藝制作微帶線(xiàn)、帶狀線(xiàn)或共面波導(dǎo)等平面?zhèn)鬏斀Y(jié)構(gòu)，以構(gòu)成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、濾波器和直流偏置通路?；旌霞傻暮诵膬?yōu)勢(shì)在于材料選擇的自由性?；旌霞煽赏ㄟ^(guò)異構(gòu)方式，將不同材料體系的最佳性能單元進(jìn)行組合，從而在太赫茲高頻段實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的性能表現(xiàn)?；旌霞煽蛇x擇最優(yōu)半導(dǎo)體材料作為非線(xiàn)性核心，選用低損耗介質(zhì)基板作為無(wú)源匹配電路，最后集成于金屬波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)中，通過(guò)這種方案可大幅降低系統(tǒng)整體損耗，使其突破工作頻率的上限，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于其他方案的輸出功率與轉(zhuǎn)換效率能力。
但其缺點(diǎn)也同樣突出。龐大的體積和重量使其難以應(yīng)用于對(duì)尺寸敏感的場(chǎng)景。同時(shí)，在封裝環(huán)節(jié)中，需要依靠人工裝配將微米尺度的二極管芯片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)并粘接于基板上的指定位置，整個(gè)過(guò)程對(duì)精度和穩(wěn)定性要求極高，對(duì)器件一致性提出了挑戰(zhàn)。
混合集成主要用于構(gòu)建高性能的倍頻器、混頻器和直接檢波器。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，混合集成的設(shè)計(jì)方法、工藝和模型均已非常成熟，是當(dāng)前眾多太赫茲科學(xué)儀器和專(zhuān)用系統(tǒng)的首選。
泰萊微波也有多款基于混合集成的變頻器件。綜上所述，混合集成電路由于其具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于組裝和易于獲得二極管等優(yōu)點(diǎn)，仍是目前較為成熟且主流的技術(shù)路徑。
(a)泰萊微波倍頻器產(chǎn)品
(b)140-220GHz三倍頻器輸出功率
(c)260-400GHz三倍頻器輸出功率
2.MMIC芯片
MMIC芯片技術(shù)是連接分立混合集成與全單片集成之間的重要橋梁。它旨在提升器件的可靠性、易用性和集成度，同時(shí)在一定程度上保留高性能特性。MMIC芯片具有集成度高、一致性好及可提供有源增益的優(yōu)勢(shì)，在太赫茲頻段有源器件（放大器/倍頻鏈/混頻器/多功能器件等）及無(wú)源器件開(kāi)發(fā)中有廣泛應(yīng)用。
MMIC的核心是先在半導(dǎo)體襯底上制作一個(gè)功能完整的芯片，襯底一般采用GaAs或InP。這個(gè)芯片不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管，而是已經(jīng)包含了二極管、必要的匹配電路、濾波結(jié)構(gòu)甚至微型天線(xiàn)在內(nèi)的一個(gè)完整功能單元。隨后，這顆芯片被封裝在一個(gè)定制化的金屬或陶瓷管殼內(nèi)。封裝內(nèi)部集成了微型的波導(dǎo)或電磁場(chǎng)過(guò)渡結(jié)構(gòu)，外部則提供了標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)法蘭接口。芯片通過(guò)粘接和鍵合與封裝內(nèi)的互連結(jié)構(gòu)連接。
MMIC的一大優(yōu)勢(shì)是便于系統(tǒng)集成。用戶(hù)無(wú)需處理脆弱且需要精密對(duì)準(zhǔn)的芯片，可以直接通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)法蘭將器件連接到系統(tǒng)中，極大地降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度和風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，封裝為芯片提供了機(jī)械保護(hù)、環(huán)境保護(hù)和改善的散熱路徑，顯著提高了器件的可靠性和使用壽命。與混合集成相比，基于MMIC芯片的太赫茲器件的體積和重量得到有效控制。
作為代價(jià)，MMIC芯片犧牲了一定的性能。封裝本身引入的過(guò)渡結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)額外的插入損耗，限制了其最終性能上限，通常略遜于混合集成模塊。此外，定制化的封裝本身也需要設(shè)計(jì)和精密制造，導(dǎo)致成本依然較高。
MMIC芯片多用于提供商用化的太赫茲功能模塊，如封裝的倍頻源組件、集成接收機(jī)前端。這些模塊被廣泛用于商業(yè)太赫茲成像儀、物質(zhì)光譜分析儀和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)中。
(a)太赫茲倍頻器
(b)110-150GHz八倍頻器
(c)90-140GHz六倍頻器
3.太赫茲TMIC芯片
太赫茲單片集成是指基于半導(dǎo)體襯底材料，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的平面工藝將太赫茲二極管（如肖特基二極管、異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘變?nèi)荻O管）與無(wú)源傳輸線(xiàn)、匹配網(wǎng)絡(luò)、濾波結(jié)構(gòu)等元件一次性制造形成的單片式電路。
該技術(shù)通常以GaAs或InP為襯底材料，核心特征在于二極管并非以分立芯片形式存在，而是通過(guò)外延生長(zhǎng)、離子注入、光刻、蒸發(fā)、蝕刻等半導(dǎo)體制造工藝直接在襯底上形成，以期獲得更高的可靠性、一致性和集成密度。
單片集成消除了混合集成中的芯片組裝和金絲鍵合環(huán)節(jié)，從而顯著提高了電路的可靠性和一致性及集成度。由于所有元件通過(guò)光刻工藝同步制造，器件間互聯(lián)的寄生效應(yīng)得到有效控制，適用于構(gòu)建低損耗、小型化的太赫茲電路。另一方面，單片集成能夠?qū)崿F(xiàn)二極管在高頻段的高功率輸出和高效率，成為高性能太赫茲源、混頻器和檢測(cè)器的理想實(shí)現(xiàn)方案。TMIC芯片太赫茲肖特基二極管直接生長(zhǎng)在襯底上，只需完成芯片與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)件的安裝，避免了手工裝配二極管時(shí)帶來(lái)的人為偏差，能夠工作在太赫茲高頻段，具有高效率、一致性好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，適合寬帶、高效率混頻以及高功率倍頻。
單片集成的難點(diǎn)主要在于設(shè)計(jì)復(fù)雜度，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要精確的器件模型和復(fù)雜的電磁場(chǎng)-電路協(xié)同仿真，以預(yù)測(cè)并優(yōu)化在極高頻率下的性能。第二點(diǎn)，電路性能完全取決于所選襯底材料和工藝平臺(tái)的固有特性，設(shè)計(jì)自由度受到較大限制。例如，選擇硅基工藝意味著在輸出功率、效率和噪聲等方面需做出一定妥協(xié)；而選擇高性能的GaAs或InP二極管工藝則會(huì)面臨成本較高、難以與數(shù)字電路集成的挑戰(zhàn)。此外，雖然避免了組裝成本，但半導(dǎo)體流片本身的前期投入巨大，且設(shè)計(jì)迭代周期較長(zhǎng)。如何在不犧牲性能的前提下實(shí)現(xiàn)與硅基工藝的兼容集成，也是該技術(shù)走向規(guī)?；瘧?yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
基于二極管的單片集成電路廣泛應(yīng)用于需要高性能、高可靠性的星載遙感儀、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)及精密測(cè)量設(shè)備中，已成為空間探測(cè)、高端儀器等領(lǐng)域不可替代的技術(shù)解決方案。
(a)中功率倍頻器
(b)320-350GHz二倍頻器
(c)140-220GHz三倍頻器
蘇州泰萊微波技術(shù)有限公司可提供全系列太赫茲倍頻器，混頻器，放大器等太赫茲器件及太赫茲收發(fā)系統(tǒng)及組件，歡迎咨詢(xún)泰萊微波銷(xiāo)售工程師。
