硅基太赫兹单片集成器件的设计与建模技术

The purpose of this project is to improve the performance of silicon-based THz monolithic integrated devices by combination of fabrication technology with the research of device modeling, circuit design and measurement technology. The research will be start from the design and modeling of low loss transmission line in THz regime, the on-chip inductors that satisfied THz integrated circuit design will be designed and modeled. High power THz oscillator will be design to verify the design and modeling of on-chip inductors. The low-loss micro-coaxial structure will be designed through the micro-machining technology, based on the structure, high performance THz passive device（filter and coupler）will be desiged and fabricated. Finally, the research of on-wafer measurement will be expanded into THz，the coupling in THz measurement system will be characterized accurately by modifying the error model, besides the pad model and de-embedding method will be improved, to ensure high-accuracy on-wafer measurement in THz. The research focus on high-accuracy modeling techniqu by using artificial neural network, improved fabrication process, novel device structures and on-wafer measurement, and will make a good foundation for high-performance silicon-based THz monolithic integrated system realization.

本项目针对太赫兹器件建模、电路设计以及测量技术这三个关键方面的进行深入的研究，结合工艺改进旨在提升硅基太赫兹单片集成器件的性能。从太赫兹频段低损耗传输线的设计与建模入手，对满足太赫兹电路设计需求的在片电感的设计与建模进行研究；通过高功率太赫兹基频振荡电路的设计验证在片电感的设计与建模；基于微机械加工工艺，设计太赫兹频段低损耗矩形微同轴结构，并在此结构基础上进一步设计高性能的硅基太赫兹无源器件（滤波器、耦合器）；最后将在片测量的研究延伸到太赫兹频段，改进误差模型，精确表征太赫兹频段测量系统的耦合因素，同时，对焊盘模型与去嵌方法进行改进，从而提升太赫兹频段的在片测量精度。项目结合神经网络技术建模、工艺的改进、器件的结构创新以及在片测量，项目的研究为实现高性能太赫兹单片集成系统打好基础。

按照项目计划，项目组在项目资助期间完成4次硅基CMOS/BiCMOS流片工作，结合神经网络技术对各类太赫兹传输线进行了建模分析，旨在获得低损耗太赫兹传输线；通过建立电感之间的精确耦合模型，研究了电感间的耦合效应，获得了高Q值电感，用于毫米波/太赫兹电路设计；研究了毫米波/太赫兹频段的去嵌方法，通过毫米波/太赫兹频段的精准去嵌，获得了良好的毫米波/太赫兹测试结果；结合加工工艺，设计了基于矩形微同轴工艺的低损耗传输线和基于BiCMOS工艺的sSPP低损耗新型太赫兹传输线，并在此基础上实现了具有良好性能的电路和天线设计；基于硅基CMOS/BiCMOS工艺研究实现了UWB发射机、接收机电路；基于硅基CMOS/BiCMOS工艺研究设计了毫米波/太赫兹振荡器、移相器、低噪放、可变增益放大器、锁相环路以及发射机、接收机等，通过搭建太赫兹检测系统，验证了芯片工作性能。此外，面向太赫兹系统应用，设计了多款太赫兹天线，仿真和测试结果吻合良好。. 通过本项目的资助，项目组在硅基毫米波/太赫兹电路设计、天线设计以及系统设计等方面积累了丰富经验，为下一步实现硅基毫米波/太赫兹单片集成系统奠定了良好的基础。项目共发表论文32篇，其中SCI论文14篇，培养博士后1名，博士生7名，培养硕士研究生12名，圆满完成了预期目标。