太赫兹器件是指工作在太赫兹频段（0.1-10 THz）的功能性电子器件，涵盖信号产生、调制、传输与探测等核心功能，是连接电子学与光子学的重要桥梁。随着太赫兹技术在成像、通信、光谱分析和安全检测等领域的广泛应用，太赫兹器件的研究与开发已成为前沿热点。根据集成度和实现方式的不同，太赫兹器件主要可分为三类：混合集成、MMIC和单片集成。
1.混合集成
由于太赫兹频段是毫米波频带的扩展，太赫兹器件在实现方法和理念上都与毫米波器件有相似之处。现在常用的太赫兹器件设计方法也是从毫米频段扩展而来，两者的基本原理是相同的。混合集成电路中，肖特基二极管是分离式的，需要采用人工组装到电路基片。
混合集成的核心通常为一块半导体芯片，例如GaAs（砷化镓）的肖特基势垒二极管。分立二极管芯片被装配在介质基板上，在该基板上通过薄膜工艺制作微带线、带状线或共面波导等平面传输结构，以构成阻抗匹配网络、滤波器和直流偏置通路。混合集成的核心优势在于材料选择的自由性。混合集成可通过异构方式，将不同材料体系的最佳性能单元进行组合，从而在太赫兹高频段实现优越的性能表现。混合集成可选择最优半导体材料作为非线性核心，选用低损耗介质基板作为无源匹配电路，最后集成于金属波导传输结构中，通过这种方案可大幅降低系统整体损耗，使其突破工作频率的上限，并实现远高于其他方案的输出功率与转换效率能力。
但其缺点也同样突出。庞大的体积和重量使其难以应用于对尺寸敏感的场景。同时，在封装环节中，需要依靠人工装配将微米尺度的二极管芯片进行对准并粘接于基板上的指定位置，整个过程对精度和稳定性要求极高，对器件一致性提出了挑战。
混合集成主要用于构建高性能的倍频器、混频器和直接检波器。经过数十年发展，混合集成的设计方法、工艺和模型均已非常成熟，是当前众多太赫兹科学仪器和专用系统的首选。
泰莱微波也有多款基于混合集成的变频器件。综上所述，混合集成电路由于其具有工艺简单、成本低、易于组装和易于获得二极管等优点，仍是目前较为成熟且主流的技术路径。
(a)泰莱微波倍频器产品
(b)140-220GHz三倍频器输出功率
(c)260-400GHz三倍频器输出功率
2.MMIC芯片
MMIC芯片技术是连接分立混合集成与全单片集成之间的重要桥梁。它旨在提升器件的可靠性、易用性和集成度，同时在一定程度上保留高性能特性。MMIC芯片具有集成度高、一致性好及可提供有源增益的优势，在太赫兹频段有源器件（放大器/倍频链/混频器/多功能器件等）及无源器件开发中有广泛应用。
MMIC的核心是先在半导体衬底上制作一个功能完整的芯片，衬底一般采用GaAs或InP。这个芯片不再是一个简单的二极管，而是已经包含了二极管、必要的匹配电路、滤波结构甚至微型天线在内的一个完整功能单元。随后，这颗芯片被封装在一个定制化的金属或陶瓷管壳内。封装内部集成了微型的波导或电磁场过渡结构，外部则提供了标准的波导法兰接口。芯片通过粘接和键合与封装内的互连结构连接。
MMIC的一大优势是便于系统集成。用户无需处理脆弱且需要精密对准的芯片，可以直接通过标准波导法兰将器件连接到系统中，极大地降低了系统设计的难度和风险。另一方面，封装为芯片提供了机械保护、环境保护和改善的散热路径，显著提高了器件的可靠性和使用寿命。与混合集成相比，基于MMIC芯片的太赫兹器件的体积和重量得到有效控制。
作为代价，MMIC芯片牺牲了一定的性能。封装本身引入的过渡结构会带来额外的插入损耗，限制了其最终性能上限，通常略逊于混合集成模块。此外，定制化的封装本身也需要设计和精密制造，导致成本依然较高。
MMIC芯片多用于提供商用化的太赫兹功能模块，如封装的倍频源组件、集成接收机前端。这些模块被广泛用于商业太赫兹成像仪、物质光谱分析仪和点对点通信系统中。
(a)太赫兹倍频器
(b)110-150GHz八倍频器
(c)90-140GHz六倍频器
3.太赫兹TMIC芯片
太赫兹单片集成是指基于半导体衬底材料，通过标准化的平面工艺将太赫兹二极管（如肖特基二极管、异质结势垒变容二极管）与无源传输线、匹配网络、滤波结构等元件一次性制造形成的单片式电路。
该技术通常以GaAs或InP为衬底材料，核心特征在于二极管并非以分立芯片形式存在，而是通过外延生长、离子注入、光刻、蒸发、蚀刻等半导体制造工艺直接在衬底上形成，以期获得更高的可靠性、一致性和集成密度。
单片集成消除了混合集成中的芯片组装和金丝键合环节，从而显著提高了电路的可靠性和一致性及集成度。由于所有元件通过光刻工艺同步制造，器件间互联的寄生效应得到有效控制，适用于构建低损耗、小型化的太赫兹电路。另一方面，单片集成能够实现二极管在高频段的高功率输出和高效率，成为高性能太赫兹源、混频器和检测器的理想实现方案。TMIC芯片太赫兹肖特基二极管直接生长在衬底上，只需完成芯片与波导结构件的安装，避免了手工装配二极管时带来的人为偏差，能够工作在太赫兹高频段，具有高效率、一致性好、可靠性高的优点，适合宽带、高效率混频以及高功率倍频。
单片集成的难点主要在于设计复杂度，在实际设计中，需要精确的器件模型和复杂的电磁场-电路协同仿真，以预测并优化在极高频率下的性能。第二点，电路性能完全取决于所选衬底材料和工艺平台的固有特性，设计自由度受到较大限制。例如，选择硅基工艺意味着在输出功率、效率和噪声等方面需做出一定妥协；而选择高性能的GaAs或InP二极管工艺则会面临成本较高、难以与数字电路集成的挑战。此外，虽然避免了组装成本，但半导体流片本身的前期投入巨大，且设计迭代周期较长。如何在不牺牲性能的前提下实现与硅基工艺的兼容集成，也是该技术走向规模化应用亟待解决的关键问题。
基于二极管的单片集成电路广泛应用于需要高性能、高可靠性的星载遥感仪、点对点通信系统及精密测量设备中，已成为空间探测、高端仪器等领域不可替代的技术解决方案。
(a)中功率倍频器
(b)320-350GHz二倍频器
(c)140-220GHz三倍频器
苏州泰莱微波技术有限公司可提供全系列太赫兹倍频器，混频器，放大器等太赫兹器件及太赫兹收发系统及组件，欢迎咨询泰莱微波销售工程师。
