Çipte terahertz entegre amplifikatörün araştırma ilerlemesi
Terahertz dalgaları, evrenin oluşumu ve evrimi, yüksek hassasiyetli radar görüntüleme ve yüksek bit hızlı iletişimin radyasyonunu incelemek için kullanılabilir.Geliştirilmesi gereken önemli bir bilim ve teknolojidir. Evren çalışmasında, uzaydan gelen ana radyo dalgalarının frekansı 30 THz frekans aralığını aşmaz ve frekansların çoğu 3 THz civarında yoğunlaşmıştır. İnsanlar uzay arka plan radyasyonuna dikkat ettiklerinde, alınan ana elektromanyetik dalga frekansı yaklaşık 150 GHz'dir. Bu nedenle, evrenin uzayına dağılmış terahertz dalgalarının incelenmesi, önce evrenin kökenini ve gelişim sürecini keşfedebilir ve insanlığın kendi kafa karışıklığını açıklayabilir. Tahribatsız algılama için terahertz dalgaları, belirli bir penetrasyon kabiliyetini kaybetmeden düşük frekanslı mikrodalgalara göre ışık dalgalarına daha yakındır.Bu özelliğe göre, terahertz dalgaları, gelecekteki radar tespiti ve tahribatsız olarak tespit için daha iyi görüntüleme efektleri sağlayabilir. Görüntülemenin kilit alanları, Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü'nün çeşitli konferans dergilerinde on yıldan fazla bir süredir güçlü bir geliştirme ekolojisi sürdürmüştür ve ayrıca büyük şirketlerden teknolojik araştırmalara yatırım yapmak için Ar-Ge çabaları almıştır. X-ışını görüntüleme yöntemiyle karşılaştırıldığında, terahertz görüntülemenin canlı vücutlara biyolojik iyonizasyon hasarı yoktur ve radyasyon hasarı çok sınırlıdır ve yine de havadaki partikül ve yüksek nem koşulları altında çalışabilir. Yüksek hızlı iletim için terahertz dalgaları kullanıldığında, terahertz bandındaki sistemler doğal olarak yüksek bant genişliğine sahip iletişim koşullarıyla donatılmıştır.Mevcut iletişim mimarisine bağlı olarak iletim hızı yüzlerce Gb / s'ye ulaşabilir. Terahertz radyo frekans bağlantısında, akım kaynağı optoelektronik, lazer, elektrik vakum, hibrit ve monolitik entegre devreler aracılığıyla sağlanabilir.Yukarıda bahsedilen terahertz dalgasının devasa potansiyelini pratik uygulamalara dönüştürebilmek için halihazırda çözülmesi gereken bir ihtiyaç vardır. Presleme problemi, terahertz kaynağının üretilen sinyalini yükseltme ve belirli bir bant genişliği özelliğini koruma ihtiyacında yatmaktadır.
Kaynağın güç seviyesi bilinen bir durum olarak kabul edilirse, terahertz kaynaklarının mevcut üretim yöntemleri, uygulamayı engelleyen iki hacim ve güç faktörü ile sınırlandırılır.Sinyal daha da yükseltmek için elektrik vakum, hibrit ve monolitik entegrasyona başvurmak gerekir. . Elektrikli vakum yöntemi sayesinde, hareket eden dalga, klistron ve geri dalga tüpünün çıkış kapasitesi üç yöntem arasında en güçlü olanıdır.Genellikle sistem göstergelerinin nispeten yüksek olduğu durumlarda kullanılır.Dezavantaj, elektrikli vakum yönteminin genellikle yüksek voltaj ve yüksek akım ortamı gerektirmesidir. Çok fazla sistem alanı, düzlemsel bir devre ile doğrudan bağlantı kurmayı zorlaştırır, bu da düşük sistem entegrasyonuna ve büyük ölçekli uygulamasının engellenmesine neden olur. Hibrit entegrasyonun avantajı, çeşitli tasarım konseptleri tarafından işlenen devreleri entegre etme kabiliyetinde yatmaktadır.Bu amaca ulaşmak için, çeşitli devre modüllerinin, dalga kılavuzu geçişleri gibi bağlantı yapıları kullanılarak birleştirilmesi ve birleştirilmesi gerekir.Batch ürünlerinin kalite kontrolünü garanti etmek zordur, bu da ölçeği etkiler Uygulama senaryoları. Monolitik entegrasyon, aktif ve pasif bileşenleri silikon bazlı veya bileşik substrat malzemeleri üzerine entegre edebilir ve bunları aydınlatma ve dağlama gibi işlemlerle imal edebilir. Şu anda, yonga üstü cihazlar sınırlı güç sağlayabilir, ancak kompakt devre birimleri ve güvenilir seri üretime sahiptirler. Yüksek performansın avantajlarına sahiptir, karmaşık sistem monolitik entegrasyonunu sağlamak için çeşitli devre modülleri ile entegre edilebilir ve mikrodalga hibrit entegrasyon şemasında vazgeçilmez bir modüldür. Bu nedenle, terahertz amplifikasyon monolitiğinin performansının iyileştirilmesi sadece anten sisteminin iletim kapasitesini artırmakla kalmaz, aynı zamanda sistem için radyo frekansı kapsama mesafesini de arttırır. Terahertz radarına uygulanırsa, görüntünün çözünürlüğünü artırabilir; terahertz yüksek bit hızlı iletişime uygulanırsa, bit hata oranını düşürebilir. Yükseltme birimini diğer modüllerle entegre etmek, maliyetleri etkili bir şekilde azaltabilir ve terahertz teknolojisinin büyük ölçekli pazarlamasını teşvik edebilir.
1 Terahertz çip üzerinde entegre bileşik güç amplifikatörünün araştırma ilerlemesi
Entegre devrelerin tasarımı, çip işleme teknolojisi hatlarına dayanmalıdır ve mevcut entegre devre teknolojisi, farklı alt tabakalara göre IV ve III-V gruplarına ayrılabilir. Bunlar arasında, III-V grubunun entegre devre tasarımı, galyum arsenit (GaAs) substratının gergin yüksek elektron hareketlilik transistörü (mHEMT) işlemini, indiyum fosfit (InP) substratının yüksek elektron mobilite transistörünü (HEMT) ve heterojen olanı seçebilir. Kütle birleşim bipolar transistör (HBT) işlemi. Grup IV elemanları, entegre devrelerin üretiminde kullanılır ve heterojonksiyon bipolar transistör cihaz teknolojisi (HBT) de seçilebilir ve mevcut endüstri, tamamlayıcı metal oksit yarı iletken CMOS teknolojisine daha fazla çözüm benimser.
Birkaç entegre devre işleminde, indiyum fosfit, hızlı elektron göç hızı nedeniyle çip üzerinde cihazların en yüksek kesme frekansına sahiptir. Örneğin, Northrop Grumman ve California Institute of Technology Uçak Tahrik Laboratuvarı tarafından ortaklaşa geliştirilen yüksek elektron hareket kabiliyetli transistör indiyum fosfit amplifikatörünün maksimum çalışma frekansı 508 GHz'dir ve 420 ile 470 GHz arasında en az 9 dB kazanç sağlar. Frekans aralığı Şekil 1'de gösterilmektedir. Transistörün bu frekans bandında çok düşük bir kazancı olduğundan, amplifikatör 6 aşamalı amplifikatör birimlerini entegre eder ve her aşama yaklaşık 1.5 dB kazanç sağlar.
Şirketin IEEE MİKRODALGA VE KABLOSUZ BİLEŞEN HARFLERİ'nde yayınlanan benzer yüksek elektron mobilite transistör entegre monolitik yapısı, sözde diferansiyel çiftler kullanıyor. 285-345 GHz'de kazanç 20 dB'yi aşıyor ve doymuş çıkış gücü -1,5 dBm'ye ulaşıyor. DARPA proje finansmanı sayesinde şirket, yüksek elektronlu mobilite transistörlerinin performansını optimize etmeye, karakteristik kapı uzunluğunu 30 nm'ye düşürmeye ve Şekil 2'de gösterildiği gibi 10 seviye arasındaki bağlantı yapısını tasarlamak için eş düzlemli dalga kılavuzlarını kullanmaya devam etti. Bu yükseltici çipin küçük sinyal kazancı, 620 ila 700 GHz aralığında 20 dB'yi aşıyor.
Başka bir Amerikan şirketi olan Taylor Technology, bir terahertz monolitik çip geliştirmek için California Teknoloji Uçak Tahrik Laboratuvarı Enstitüsü ile işbirliği yaptı, ancak tasarım çipi heterojonksiyon iki kutuplu bir transistöre dayanıyor. 2013 yılında, terahertz amplifikatör monolitik kazancının 670 GHz'de 24'ün üzerinde olduğunu bildirdi. dB, çıkış gücü 0,86 mW'dir. Çin'in CLP 55 tarafından geliştirilen katı hal terahertz monolitik teknolojisi, 6 aşamalı tek kanallı amplifikasyon yoluyla 300 GHz'de 7,4 dB kazanan heterojonksiyon bipolar transistörler kullanır ve gücü için herhangi bir referans verisi yoktur.
Gerilmiş yüksek elektron hareketlilik transistörlerinin terahertz amplifikasyon monolitiğine dayalı olarak, Fraunhofer Avrupa Uygulamalı Katı Hal Fiziği Enstitüsü dünyanın ön saflarında yer almaktadır. Şubat 2019'da yayınlanan güç amplifikatörü, gücü artırmak için birden fazla birim akım toplama yöntemi kullanır.Şekil 3'te gösterildiği gibi, merkez frekansı 315 GHz ve çip üzerinde testte en yüksek güç 10 dBm'dir.
Benzer teknolojiyi kullanan başka bir geniş bant amplifikatör çipi de Fraunhofer Enstitüsü tarafından geliştirilmiştir Şekil 4'te gösterildiği gibi, çip üzerinde aktif cihaz 35 nm'lik karakteristik bir geçit uzunluğuna ve 220 GHz ila 320 GHz'yi kapsayan bir frekans aralığına sahiptir. Son aşamanın toplam güç birleşik sayısı sadece 2 kanal olduğundan, maksimum çıkış gücü 5 dBm'ye yakındır.
InP ve GaAs monolitik güç amplifikatörlerinin iki proses tipini karşılaştırarak, InP'nin GaAs'dan daha yüksek frekanslarda çalışan entegre devreler yapması daha kolaydır. Bununla birlikte, InP tekli çipler genellikle terahertz amplifikatörleri tasarlamak için sentetik olmayan mimari kullanır, bu nedenle güç çıkışı kapasitesi GaAs tipi terahertz tekli çiplerden daha zayıftır. Bu nedenle, InP ve GaAs terahertz monolitik yongaları, frekans ve güç açısından kendi avantajlarına sahiptir.
2 Terahertz çip üzerinde entegre silikon tabanlı güç amplifikatörlerinin araştırma ilerlemesi
Malzeme silikonunun taşıyıcı hareketliliği galyum arsenit ve indiyum fosfit kadar iyi değildir. Bununla birlikte, silikon bazlı cihazların çeşitli ticari entegre devre tasarım durumlarına büyük ölçekli uygulanması nedeniyle, çeşitli ticari işlemlerin üretim teknolojisi en gelişmişidir ve işlenebilen transistör geçit uzunluğu kısadır, bu nedenle radyo frekansı özelliklerini geliştirir ve seri üretime, güvenilir tutarlılığa ve düşüktür. Son on yılda araştırmada maliyet avantajı patladı.
Silikon bazlı entegre devrelerde, aynı üretim süreci altındaki heterojonksiyonlu bipolar transistörlerin çalışma frekansı, tamamlayıcı metal oksit yarı iletken entegre devrelerden daha yüksektir. Bu nedenle, heterojonksiyon bipolar transistörlerle terahertz devreleri tasarlamak daha kolaydır. Örneğin, Almanya Dresden Teknik Üniversitesi'nin 130 nm SiGe HBT teknolojisine dayalı olarak, 2017'de geliştirilen değişken kazanç amplifikatörünün ayar aralığı 0 - 24,7 dB'dir. Şekil 5'te gösterildiği gibi, merkez frekansı 190 GHz ve çıkış 1 dB sıkıştırmadır. Nokta -10,2 dBm. Gücü düşük olmasına rağmen dizi tasarımında avantajları vardır.
Cornell Üniversitesi ayrıca, 179 ila 187 GHz frekans aralığında yaklaşık 0,52 mW RF gücü ve küçük sinyal sağlayabilen, 130 nm heterojonksiyon bipolar transistör tüpüne dayanan terahertz-duyarsız, tek uçlu bir kaskod amplifikatörü tasarladı. Kazanç 6,5 dB'den büyüktür Bu teknoloji, terahertz bandındaki transistörlerin kazanç özelliklerini geliştirmek için bir referans sağlar.
Heterojonksiyon bipolar transistörlerle karşılaştırıldığında, tamamlayıcı metal oksit yarı iletken entegre devreler çeşitli tüketici elektroniği ürünlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır.Güç tüketimini azaltmanın itici gücü altında, tamamlayıcı metal oksit yarı iletken transistörlerin kapı üretim süreci 10'a düşürülmüştür. Nm'nin altında. Bunların arasında, Finlandiya'daki Aalto Üniversitesi Mikro-Nano Bilim Bölümü tarafından geliştirilen tamamen tükenmiş silikon üzerinde yalıtkan teknolojisinin en yüksek frekansı 320 GHz'i aşmıştır.Güçlendirilmiş tek çipin tasarımı, bu işlem koşulu altında neredeyse tamamlayıcı metal oksit yarı iletken silikon devresine ulaşır. Tasarım sınırı. Bu nedenle, terahertz frekans bandında bir CMOS entegre amplifikatör tasarlamak son derece zordur. Uluslararası Katı Hal Devreleri Konferansı'nda Kaliforniya Üniversitesi, 65 nm tamamlayıcı metal oksit yarı iletken silikon üzerinde bir CMOS entegre amplifikatör monolitik tasarlamaya çalıştı.Tasarlanan terahertz entegre amplifikatör devresi Şekil 6'da gösterildi ve kapı kaybını telafi etmek için güç enjeksiyonunun kullanılmasını önerdi. Geri bildirim şeması, 251 273 GHz'de 6,2 dB'den daha yüksek kazançlar sağlar ve maksimum RF çıkışı 0,41 mW'dir.
3 Sonuç
Bu makale, terahertz amplifikasyon monolitik yongalarının mevcut araştırma durumunu özetlemekte ve yongaları yapmak için kullanılan substratların farklı malzemelerini karşılaştırmaktadır.Yığın silikon ve silikon germanyumdan yapılan terahertz entegre devreleri, galyum arsenit ve indiyum fosfitten daha pahalıdır, daha üretken ve daha pahalıdır. Tutarlılık ve entegrasyon daha ümit vericidir ve cihazın doğal düşük elektron hareketliliği nedeniyle, silikon bazlı terahertz çip frekans, güç, verimlilik ve kazanç açısından bileşik bazlı çip kadar iyi değildir.Bu nedenle ikisi şu anda farklıdır. Avantajları vardır ve birbirini değiştirmek zordur. Devre tasarım yapısının karşılaştırılmasından, indiyum fosfit yongalarının mevcut tasarım frekansı daha yüksek olmasına rağmen, terahertz yüksek güçlü entegre amplifikatörlere dair birkaç rapor vardır ve galyum arsenit substratı üzerindeki gergin yüksek elektron hareketlilik transistörleri çoğullama ile oluşturulur. Terahertz bandında yüksek gücün avantajları başlangıçta ortaya çıktı. Cihazın kendisinin düşük kazanımı nedeniyle, silikon esaslı devrelerin devre tasarımının çoğu hala işlevsel gerçekleştirme aşamasındadır, ancak kontrol ve sistem karmaşıklığından yararlanma potansiyeline sahiptir.
Referanslar
CHATTOPADHYAY G. Terahertz bilim, teknoloji ve iletişim Kolkata: IEEE, 2012.
WOOLARD D L, BROWN E R, PEPPER M, ve diğerleri. Karbon izotop, terahertz frekans algılama ve görüntüleme: gelecekteki uygulamaları hesaba katma zamanı? IEEE, 2005, 93 (10): 1722-1743.
APPLEBY R, ANDERTON N R. Güvenlik ve gözetim için milimetre-dalga ve milimetre-altı-dalga görüntüleme IEEE Bildirileri, 2007, 95 (8): 1683-1690.
LIU H B, ZHON H, KARPOWICZ N. Terahertz spektroskopisi ve savunma ve güvenlik uygulamaları için görüntüleme IEEE, 2007, 95 (8): 1514-1527.
KOWALSKI M, KASTEK M. Nesne algılama için terahertz ve orta dalga boylu kızılötesi aralıklarda pasif görüntülemenin karşılaştırmalı çalışmaları. IEEE İşlemleri Bilgi Adli Tıp ve Güvenlik, 2016, 11 (9): 2028-2035.
Gao Jingkun, Cui Zhenmao, Cheng Binbin, ve diğerleri.Terahertz rejiminde bir standoff tarama sisteminin hızlı üç boyutlu görüntü yeniden yapılandırması. IEEE İşlemleri Terahertz Bilim ve Teknoloji, 2018, 8 (1): 38-52.
GRAJAL J, RUBIO-CIDRE G, BADOLATO A ve diğerleri. 300 GHz'de bir görüntüleme radarı için kompakt radar ön ucu. Terahertz Science and Technology'de IEEE İşlemleri, 2017, 7 (3): 268-273.
SONG H J, NAGATSUMA T. Terahertz iletişiminin bugünü ve geleceği Terahertz Science Technology üzerine IEEE İşlemleri, 2011, 1 (1): 256-263.
JORNET J M, AKYILDIZ I F. Terahertz bandındaki elektromanyetik kablosuz nanonetworks için kanal modelleme ve kapasite analizi.IEEE İşlemleri Kablosuz İletişim, 2011, 10 (10): 3211-3221.
LIN C, LI G Y. İç mekan terahertz iletişimi: kaç anten dizisine ihtiyaç var? Kablosuz İletişim üzerine IEEE İşlemleri, 2015, 14 (6): 3097-3107.
TONOUCHI M. Cutting-edge terahertz teknolojisi, Nature Photon., 2007, 1: 97-105.
SIEGEL P H. Terahertz teknolojisi Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri Üzerine IEEE İşlemleri, 2002, 50 (3): 910-928.
HOSAKO I, SEKINE N, PATRASHIN M, et al.Terahertz teknolojisinde yeni bir çağın başlangıcında IEEE'nin Bildirileri, 2007, 95 (8): 1611-1623.
JONES S, KIM J Y, DOI Y ve diğerleri.Sürekli dalga terahertz üretimi için ultra geniş bant ayarlanabilir çift modlu lazer Journal of Lightwave Technology, 2014, 32 (20): 3461-3467.
KIRAWANICH P, YAKURA S J, ISLAM N E. Entegre yüksek hızlı fotoiletken yarı iletken anahtarları kullanarak yüksek güçlü geniş bantlı terahertz-darbe üretiminin incelenmesi.IEEE İşlemleri Plazma Bilimi, 2009, 37 (1): 219-228.
YARDIMCI NT, YANG SH, BERRY C W, ve diğerleri. Geniş alanlı plazmonik fotoiletken yayıcılar kullanarak yüksek güçlü terahertz üretimi. IEEE İşlemleri THz Science Technology, 2015, 5 (2): 223-229.
HEBLING J, YEH K L, HOFFMANN M C, ve diğerleri.Yüksek güçlü THz üretimi, THz doğrusal olmayan optikler ve THz doğrusal olmayan spektroskopi IEEE Journal of Selected Topies Quantum Electronics, 2008, 14 (2): 345-353.
BOOSKE J H, DOBBS R J, JOYE C D, ve diğerleri. Vakumlu elektronik yüksek güçlü terahertz kaynakları Terahertz Bilim ve Teknolojisinde IEEE İşlemleri, 2011, 1 (1): 54-75.
JOYE C D, COOK A M, CALAME J P, ve diğerleri UV-LIGA.IEEE Electron Devices tarafından üretilen yüksek güçlü, geniş bant 220 GHz hareketli dalga amplifikatörünün gösterimi, 2014, 61 (6): 1672-1678.
DIONNE N J. Oktav bant genişliğinde yürüyen dalga tüplerinde harmonik üretimi Elektron Cihazlarında IEEE İşlemleri, 1970, 17 (4): 365-372.
SONG H J. terahertz elektroniği için paketler IEEE Bildirileri, 2007, 105 (6): 1-18.
DEAL W R. Terahertz elektroniği için katı hal amplifikatörleri Anaheim: IEEE, 2010.
SAMOSKA L A. Milimetre altı dalga ve thz rejiminde katı hal entegre devre yükselticilerine genel bir bakış Terahertz Bilim ve Teknolojisine İlişkin IEEE İşlemleri, 2011, 1 (1): 9-24.
SAMOSKA L, FUNG A, PUKALA D, vd. 400-500 GHz'den S-MMIC amplifikatörlerin wafer üzerinde ölçümleri Baltimore: IEEE, 2011.
HACKER J, LEE Y M, PARK H J, ve diğerleri 325 ghz inp hbt diferansiyel modlu amplifikatör IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2011, 21 (5): 264-266.
DEAL W R, MEI X B, LEONG K, vd. InP yüksek elektron hareketlilik transistörlerini kullanan Terahertz monolitik entegre devreler.Terahertz Science Technology üzerine IEEE İşlemleri, 2011, 1 (1): 25-32.
HACKER J, URTEAGA M, SEO M ve diğerleri 0.67 THz'de çalışan InP HBT amplifikatör MMIC'leri. Seattle: IEEE, 2013.
Sun Yan, Cheng Wei, Lu Hai, ve diğerleri. 300 GHz InP DHBT monolitik entegre amplifikatör. Katı Hal Elektroniğinde Araştırma ve İlerleme, 2017 (4): 299.
JOHN L, NEININGER P, FRIESICKE C, vd. 6,7-8,3 dBm çıkış gücüne sahip 280-310 GHz InAlAs / InGaAs mHEMT güç amplifikatörü MMIC. IEEE Mikrodalga ve Kablosuz Bileşenler Mektupları, 2019, 29 (2): 143-145.
TESSMANN A. Geniş bant 220320 GHz orta güç amplifikatör modülü La Jolla: IEEE, 2010.
STARKE P, FRITSCHE D, CARTA C, ve diğerleri. 200 GHz'de 130 nm SiGe'de değişken kazanç ve ayarlanabilir eşleşmeye sahip 24,7 dB düşük gürültülü amplifikatör. Nürnberg: IEEE, 2017.
KHATIBI H, KHIYABANI S, AFSHARI EA 9,5-db güç kazanımı ve 10-GHz bant genişliği ve -2 dBm doygunluk gücüne sahip 183 GHz duyarsızlaştırılmış dengesiz kaskod amplifikatörü.IEEE Solid-State Circuits Letters, 2018, 1 (3): 58-61 .
PARVEG D, KARACA D, VARONEN M, et al. 0.325-THz CMOS amplifikatörünün gösterimi. Finlandiya: IEEE, 2016.
MOMENI O. 65 nm CMOS'ta 9,2 dB kazanç ve -3,9 dBm doymuş güce sahip 260 GHz'lik bir amplifikatör San Francisco: IEEE, 2013.
yazar bilgileri:
Han Jiangan 1, 2, Program 1, 2
(1. Mikrosistem ve Terahertz Araştırma Merkezi, Çin Mühendislik Fiziği Akademisi, Chengdu 610299, Sichuan;
2. Elektronik Mühendisliği Enstitüsü, Çin Mühendislik Fiziği Akademisi, Mianyang, Sichuan 621900)
