【摘 要】
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半导体设备技术的快速发展引起人们对开发研究太赫兹波段(0.1THz-10THz)的广泛关注。一直以来,太赫兹频率都被认为是电磁频谱中的“空白”区域,其所拥有的大带宽使得太赫兹通信系统可以超高速率工作,因此被认为是新一代无线通信技术的重要频谱资源。本文主要针对太赫兹系统中的动态开关芯片、有源倍频芯片等功能芯片和芯片封装工作进行设计与实验,完成的主要工作包含以下几个方面:(1)针对目前开关芯片工作频率
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半导体设备技术的快速发展引起人们对开发研究太赫兹波段(0.1THz-10THz)的广泛关注。一直以来,太赫兹频率都被认为是电磁频谱中的“空白”区域,其所拥有的大带宽使得太赫兹通信系统可以超高速率工作,因此被认为是新一代无线通信技术的重要频谱资源。本文主要针对太赫兹系统中的动态开关芯片、有源倍频芯片等功能芯片和芯片封装工作进行设计与实验,完成的主要工作包含以下几个方面:(1)针对目前开关芯片工作频率不高,插入损耗和隔离度难以平衡的情况,本文利用90nm InP基HEMT工艺设计了四款220GHz开关动态芯片,其中三款采用单支节微带与级联HEMT相结合的拓扑结构,第四款创新地采用了单管芯HEMT与太赫兹微结构的结合(meta-chip)。实验测得双管芯级联芯片最大开关比可达35d B,实现了大开关比特性;三管芯级联结构的隔离度大于20d B、插损小于5d B,带宽可达13GHz,调制速率可达1Gbps,实现了宽频带、高速动态开关功能;与微结构结合的单管芯开关芯片相比于普通芯片,开关比增加了2d B,体现了超构开关的优势。(2)针对有源倍频芯片在太赫兹频段的研发设计较少,倍频效率较低的现状,本文采用InP基HEMT工艺设计了140GHz二倍频和220GHz三倍频芯片。开展了有源倍频芯片中栅极和漏极直流偏置电路、输入基波和输出谐波的匹配电路仿真模拟与优化。完成了140GHz二倍频有源芯片的实验测试,实验测得最大倍频增益0.35d B,具有近13GHz的3d B带宽。仿真和实验结果基本相同,验证了设计方法的可靠性。(3)对于太赫兹单片向模块化迈进的趋势,本文为单功能芯片设计了封装模块,利用E面探针和金丝键合的结合实现了芯片和波导的过渡,实验测得腔体的固定损耗1-2d B。同时完成了罗杰斯板以及直流供电板pcb设计与芯片封装。220GHz低噪声放大封装芯片背靠背结构实测结果显示插入损耗在20GHz带宽内低于2.5d B;60GHz IQ混频封装芯片的测试结果显示插入损耗在10GHz带宽内低于3d B,合路变频损耗在11d B和12d B之间,确保了其在太赫兹系统的有效应用。本文设计的太赫兹动态开关芯片、太赫兹有源倍频芯片,为功能芯片的设计提供了完整思路和新的方法,封装技术为促进太赫兹芯片模块化提供了有力保障。
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