太赫茲是頻率位于毫米波和紅外線之間的電磁波頻段，具體頻率定義為100GHz到10THz。與毫米波頻段相比，太赫茲具有更豐富的頻譜資源，有利于實現更精確的測距、測厚、運動感知、透視成像以及化學成分鑒定等。從功能上看，太赫茲產品包括時域光譜分析系統、雷達系統、成像系統、測量儀器和通信系統。在這五大領域中，硅基集成電路技術有巨大的應用潛力。
一、太赫茲產品分類
太赫茲時域脈沖和光譜分析系統
高端太赫茲時域光譜設備工作頻率一般從幾百GHz覆蓋到幾THz，遠遠超出了固態電路的能力范圍。目前只有基于光電技術的太赫茲時域短脈沖源配合輻射熱測量計（Bolometer）或者熱電傳感器（Pyroelectric sensor）能夠覆蓋如此寬頻段的激勵和檢測。國外公司如Advanced Photonix，Luna，Fraunhofer ITWM等推出高精度厚度測量系統，用于工業品內部多層結構的厚度測量，例如飛機機身涂層厚度，半導體材料疊層厚度等。另一些大公司如 Advantest，Menlo Systems，TeraView等推出的光譜分析儀主要應用于科研、化工、海關等場所，可用來鑒定材料組成，識別毒品藥品，分析半導體材料缺陷等。這些設備價格不菲，但市場對于便攜式低成本的小設備需求強烈，硅基集成電路完全可以勝任頻率從幾十GHz覆蓋到幾百GHz的低頻光譜分析和毫米級測厚。
太赫茲雷達系統
在太赫茲頻率實現雷達系統優勢是可以獲得更高的帶寬，從而帶來更精確的距離分辨率，目前商用CMOS毫米波雷達芯片主要以24，60和77GHz為主，帶寬分別為1，4和5GHz，理論距離分辨率為從幾厘米到十幾厘米，適用于車載、智慧交通、智能樓宇、智能家居等場景，但在許多工業檢測領域這個精度等級達不到要求，而這個市場空隙已經被國外公司填補，如德國Silicon Radar GmbH推出的SiGe工藝120GHz雷達芯片，已廣泛用于國內各類液位計產品。該公司最新推出了業界最高帶寬的單芯片太赫茲雷達，分別是25GHz帶寬的120GHz雷達芯片和40GHz帶寬的300GHz雷達芯片，將距離分辨率提升到了3-6毫米。國內微度芯創已推出13GHz帶寬160GHz的CMOS太赫茲雷達芯片，縮小了國內外的技術差距。太赫茲雷達可以廣泛用在各類工業、醫療、檢修運維場景，如對精度要求較高的物位/液位計、產線機械手臂環境防撞感知、高精度定位、液體產品瓶裝深度測量、手術間非接觸無感染生命體征檢測、DNA分析、無人機探傷傳感器等等。
太赫茲成像系統
這個領域主要分被動和主動成像。被動成像主要用于人體安檢，國際上知名大公司包括ThruVision，MC2等，國內以博微太赫茲為代表。受限于噪聲性能，硅基芯片無法滿足這類系統的太赫茲前端需求，但在高靈敏度低噪聲放大器和低插損開關電路之后的檢波器以及后續的中頻放大器上可以采用CMOS實現降成本。與被動成像無需光源設備不同，主動成像需要系統提供太赫茲光源，可用的領域很廣泛，從人體安檢到工業檢測。由于人體安檢目前以毫米波技術為主，所以這里我們著重談談工業檢測成像。工業檢測按場景分，有抽檢和全檢。最大的市場來自于全檢市場，這個領域對成像實時性要求高，技術上需要采用感光陣列來實現。目前國際上掌握太赫茲感光器陣列技術的公司如Rigi，I2S，INO等采用Micro Bolometer陣列，TeraSense采用III/V族檢波器陣列。國內的中科院蘇州納米所采用表面等離子體激元感光技術實現了感光器陣列芯片和實時成像太赫茲相機。這些主動成像相機都需要太赫茲光源來配合，而主流光源一般采用太赫茲量子級聯激光器（QCL），激光驅動太赫茲輻射源，回波振蕩器（BWO）或III/V族固態電路倍頻鏈路實現，成本普遍較高。硅基芯片太赫茲源和成像陣列已在過去十年間逐漸由學術界轉為商用，輻射功率可達毫瓦級。最早基于CMOS芯片的光源和感光陣列由德國TicWave公司商用；Alcatera將這種技術帶到了工業產線全檢。目前國內只有太景科技采用CMOS集成電路同時實現了太赫茲光源和感光器陣列，已經達到國際領先水平。Zion市場研究認為在幾大市場細分領域太赫茲成像將貢獻主要的市場增長。
在成像方面，還有一個細分領域是太赫茲掃描顯微鏡，基于納米或微米級探針在被測物體表面進行非接觸式掃描，測量太赫茲近場的擾動實現成像，分辨率主要取決于按探針針尖的尺寸。這類成像系統突破了波長對成像分辨率的限制，非常適用于生物細胞分析、半導體工藝質量檢測等場景。但目前國內外設備均采用單針掃描，成像速度慢，每1平方厘米的面積大約需要10到20分鐘的掃描時間，無法滿足工業場景的需求。這類系統一般采用太赫茲時域脈沖源配合熱輻射傳感器（Bolometer），或者采用昂貴的矢量網絡分析儀進行信號激勵和信號接收處理。在這個領域硅基集成電路可以促進成本的大幅下降，掃描成像時間大幅縮短，系統體積的大幅縮小。
太赫茲測量儀器
國際頭部測試儀器公司如Keysight，Rohde&Schwarz，Anritsu都已經將微波測試儀器（矢量網絡分析儀、頻譜儀、信號源等）擴展到了太赫茲頻段。這些公司的擴頻模組來自于上游模組廠家，如Virginia Diodes Inc，Radiometer Physics GmbH，OML等。國內中電儀器自主研發的太赫茲測試設備已經具有國際化水平，最具里程碑意義的產品是頻率超過500GHz的矢量網絡分析測量系統。某初創公司推出的太赫茲頻率擴展模塊，在性價比上具備很大的優勢。這類設備采用波導結構實現，體積大，成本高，主要的客戶是高校、研究所，大型企業或高新開發區共享平臺等。而大多數小微企業主要靠租賃，長期的租金是很大的一筆開銷。硅基集成電路可在未來200GHz以內的便攜型或低成本測量設備領域發力，有望填補這個細分市場。
太赫茲通信系統
目前國際上從事太赫茲通信相關產品研發的是TeraPhysics，而國內只有高校或大公司的內部預研部門在開展相關研究。由于通信鏈路的大帶寬帶來總噪聲的惡化，把硅基收發機與III/V族功率放大器和低噪聲放大器結合使用，達到性能與成本的平衡。如果6G通信采用太赫茲進行微基站數據互聯，硅基太赫茲通信集成電路的年市場規模可達到至少幾十億美元的規模。
二、硅基太赫茲集成電路公司的崛起
硅基太赫茲集成電路在經過十幾年國際學術界探索和各大晶圓廠商工藝性能的不斷提升，已經進入可以工程量產的階段。從目前的SiGe與CMOS工藝性能看，硅基集成電路可以勝任頻率在200GHz以內的信號放大，600GHz以內的倍頻、混頻、鎖頻鎖相和檢波。這些都是實現太赫茲信號發射與接收的基本功能模塊。其中200GHz以內的放大器的輸出功率大約10mW，噪聲系數不差于15dB，帶寬可以做到幾十到上百GHz；檢波NEP在100pW/Hz1/2量級等等。這一些列性能可以在上述各個領域大有作為。
國際上基于硅基芯片技術的太赫茲科技公司已經取得了不錯的進展。德國的Silicon Radar提供業界最高帶寬的SiGe雷達芯片，已完成了3輪融資，其中包括政府和商業風險資本；法國TiHive在2020年完成860萬歐元融資，專門從事高速太赫茲CMOS相機開發；德國TicWave在業界最早提供實時太赫茲成像CMOS芯片解決方案；美國Alcatera推出了業界第一款針對拋棄型衛生用品（紙尿褲、衛生巾）生產線全檢的實時太赫茲成像設備，已經獲得國際頭部客戶訂單；國內微度芯創已完成A輪數千萬融資；初創公司太景科技在成立不到一年已采用CMOS工藝同時實現頻率接近400GHz的太赫茲光源和成像芯片，并即將推出針對工業生產線的實時高速太赫茲成像設備。
三、硅基芯片對太赫茲產業規模的影響
BCC市場研究機構預測2024年全球太赫茲市場可達到$908.6M（9.086億美金），2029年可達到$3.5B（35億美金）。這項市場報告是圍繞主流太赫茲技術（如光電技術，Bolometer等）和相關產品進行的統計、分析和預測，對固態電路尤其是硅基集成電路給行業帶來的深刻影響考慮不足。如同當年CMOS工藝實現射頻信號收發促進了手機大規模普及， SiGe或CMOS實現毫米波信號收發加速了車載毫米波雷達的量產，用硅基尤其是低成本CMOS芯片實現太赫茲信號的收發必將推動太赫茲技術向巨大的民用市場轉化。
四、總結
太赫茲應用的細分領域繁多，每個細分領域的年市場規模從幾千萬到幾個億不等。而硅基芯片的設計首先應全面了解應用市場的需求和痛點，對通用性和兼容性進行充分規劃，以應對系統集成的多樣化需求。
當硅基芯片成為可能，太赫茲民用時代才真正到來。
