硅基太赫兹通信集成电路基础理论与关键技术

The TeraHertz-wave, located between sub-mm-wave and infrared ray, presents a broad application prospects for mass-data wireless communication, while the rapid progress on solid-state microelectronics provides process foundation for THz communication integrated circuits with high-integration and low cost. This project intends to research on some key scientific problems in basic theory and key technology of silicon terahertz communication integrated circuit, reveal the frequency behavior mechanism of active devices, electromagnetic properties and loss mechanism of passive Si-based structure, develop the design theories and methods of integrated circuits in the terahertz band, which the signal wavelength is comparable to the circuit, device, and structure size, and design and experimental verification of the key circuit module in terahertz band, so as to enhance the basic research of silicon analog integrated circuit in our country, strengthen the original innovation capability and the international competitiveness in the field of information technology.

太赫兹波处在亚毫米波与远红外光之间，其特有的物理特性使太赫兹波在大数据无线通信方面具有巨大的应用潜力，而微电子技术的发展使实现小体积、高集成和低成本的太赫兹通信集成电路提供了工艺基础。本课题拟对硅基太赫兹通信集成电路基础理论与关键技术中的一些关键科学问题进行研究，揭示该频段硅基有源器件频率行为机理、硅基无源结构的电磁特性与损耗机理、发展在太赫兹频段，信号波长和电路/器件/结构尺寸可比拟情况下的集成电路设计方法，完成关键电路模块的设计和实验验证，从而提升我国在硅基模拟集成电路基础研究方面的原始创新能力，增强我国在信息领域的国际竞争力。

太赫兹波处在亚毫米波与远红外光之间，其特有的物理特性使太赫兹波在外太空星间通信、短距超大容量数据传输等领域具有广阔的应用前景，而固态微电子技术的发展为实现高集成、低成本的太赫兹通信集成电路提供了工艺基础。通过项目研究，发展出基于物理结构机理+工艺参数特点的模型开发方法，解决了环绕有源区复杂无源结构小寄生参量的精确建模、小尺寸效应建模问题，将有源器件的精确模型推至 220GHz；揭示了硅基片无源结构的电磁特性，并基于多层布线工艺构建了多种低损耗的导波结构、耦合结构、天线等无源元件并建立相应模型，成功用于频率大于 500GHz 的电路设计中；建立了无源结构和有源器件的协同仿真方法，提出了多种高性能太赫兹电路新结构，实现了频率至 510GHz 的压控振荡器、带宽达 50%的低噪声放大器等关键电路；最后，设计实现了150GHz收发芯片、280GHz超再生接收芯片、300GHz倍频发射链和310GHz接收芯片，其中150GHz收发芯片实现太赫兹高速无线数据传输演示。项目取得的研究成果为太赫兹通信集成电路奠定了坚实的理论基础、设计方法学和关键技术储备，必将促进太赫兹集成电路及相关领域的快速发展。