致力于太赫兹集成电路的发展
——记国家“青年千人计划”入选者，电子科技大学教授王政

文/肖延胜

致力于太赫兹集成电路的发展
——记国家“青年千人计划”入选者，电子科技大学教授王政

文/肖延胜

太赫兹频段处在毫米波与远红外线之间，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱空隙区，在超高速通信、雷达、成像、安全检测等领域具有十分广阔的应用前景。用集成电路实现太赫兹技术，可以有效地降低系统成本、提高集成度、缩小设备体积、实现便携化，具有很大的研究价值和社会经济效应。作为国际上最早从事太赫兹集成电路研究的学者之一，王政教授长期致力于硅基太赫兹集成电路的研究工作，取得了一系列处于国际领先水平的原创性研究成果。在国家大力发展毫米波、太赫兹集成电路的大环境下，王政深感有责任也有义务，将这些年在清华大学、加州大学、美国高通公司的所学所积累带回国，投入到我国太赫兹集成电路事业的建设中。

王政教授

发现兴趣 深入钻研

2003年王政以九江市理科第一名的成绩考入清华大学，出于对于电子的好奇，他最终选择了清华大学电子工程系。在清华大学学习期间，自身的努力与良好的学术氛围帮助他打下了扎实的专业知识基础。在学习和课程设计的过程中，王政发现自己的集成电路设计的理解能力和灵感都特别好，对射频集成电路设计产生了浓厚的兴趣。2010年硕士毕业后，王政选择前往美国继续深造，进入了加州大学欧文分校（UCI）的NCIC实验室，进行博士阶段的学习和研究工作。在NCIC实验室，王政开始接触到毫米波/太赫兹集成电路设计。

太赫兹作为毫米波的延伸，它所提供的通信带宽远大于毫米波，理论上可实现极高速的无线通信。实现太赫兹通信的关键在于是否能设计并获得具有良好性能的太赫兹收发机系统。当其工作频率接近单个晶体管的最大振荡频率时，晶体管的可利用功率增益会显著下降，使得基于CMOS工艺进行太赫兹放大器的设计十分困难，因此常规的太赫兹收发机系统都是基于高次谐波的系统。而基于高次谐波的系统缺少关键的太赫兹放大器，使其发射端的增益、效率，接收端的噪声抑制能力等方面性能不得不进行折中和妥协。在2011年，国际上基于基频的硅基太赫兹收发机最高工作频率在90GHz。这时候王政所在的科研小组提出了一个设想：“有没有可能做一个200GHz以上工作频率的基于基频的硅基太赫兹收发机系统？”实验室当时能拿到的最先进的工艺是IBM 32nm SOI CMOS工艺，该工艺的单个器件最大振荡频率是320GHz。以往的电路设计，工作频率通常都在单个器件最大振荡频率的1/3以下进行。越接近最大振荡频率，电路设计越困难。要判断这个研究工作是否可行，首先需要回答的问题是：工作频率突破1/2甚至2/3最大振荡频率的电路设计，在理论上是否可行？针对这一难题，王政利用他所掌握的知识理论，深入分析和钻研，通过理论计算，王政证明在理论上，工作频率极限是可以满足要求的。解决了理论上是否可行的问题，接下来的问题是如何通过电路实现？在理论分析基础上，通过不断探索，王政在体系架构以及电路层面都提出了原创性的新型想法，提出了Over-Neutralization（过中和）等新型技术，以实现工作频率接近最大振荡频率的电路设计。

找准优势 引领前沿

有了创新理论支撑，王政带领研究小组完成了电路系统设计。王政采用IBM 32nm SOI CMOS工艺流片，最后成功地展示了国际上首个210GHz基于基频的全集成CMOS收发机系统，并且演示了无线链路的建立，可用于10Gbps+的无线收发系统中。该系统发射端集成了210GHz的源、可用于差分系统的功分网络、2x2的功率放大器阵列以及2x2的片上天线阵列，接收端集成了210GHz的片上天线、低噪声放大器以及功率检测器。该芯片可直接通过片上天线发射和接收信号，所有I/O管脚均为直流或基带信号，避免了太赫兹信号封装互联的难题，具有很强的实用价值。这项创纪录的研究成果发表于学术界和企业界公认的集成电路设计领域最高级别会议ISSCC 2013上，获得了国际同行的高度评价。此外，王政及课题组基于90nm SiGe工艺，实现了国际上首个工作于300GHz的全集成硅基频率综合器芯片，获得了宽带的频率调制和出色的相位噪声特性；提出了重叠像素和相控阵相结合的技术，设计并基于0.18μm SiGeBiCMOS工艺实现了新型基于相控阵的W波段的硅基全集成成像系统。

在美国高通公司期间，王政和团队一起，完成了工业界首个支持LTE40的基于SOI CMOS的移动通信射频前端芯片，其中的功率放大器芯片采用Envelope Tracking（包络追踪）技术，有效地提高了宽带功率放大器的线性度和效率，并满足工业界级别的严格的可靠性和使用寿命要求。在美国高通公司从事研发工作期间，王政积累了丰富的产业界经验，对一个探索性的科研成果到实现真正尖端产品的过程中需要考虑的问题和可能的解决方案有着比较全面的认识和经验的积累。通过自身的不断努力，王政将先进的理论应用于实践，创新研究出先进的技术。

回国建设 实现价值

在美国学习、科研、工作的日子平静而纯粹，不知不觉过了7年。王政认为，从事喜欢并且擅长的研究工作本身是非常愉快且充实的。而所做之事如果能够在实现自我价值的同时，为社会、为祖国产生一定的贡献，才能带来真正的满足感和成就感。中国近年来十分重视毫米波、太赫兹集成电路的发展，亟需相关领域的优秀设计人员和学术带头人。王政教授下决心要回到祖国，投身到我国太赫兹集成电路的建设中。王政入选国家第13批“青年千人计划”，加入电子科技大学，建设实验室和创新团队，在原有优势基础上，围绕毫米波、太赫兹集成电路的理论与设计开展研究工作。从建设达到国际一流水平的科研团队，取得国际领先水平的突破性科研成果；完成科研成果转化，产生可观的社会经济效益；培养毫米波、太赫兹集成电路领域的拔尖创新人才；建设硅基太赫兹集成电路设计课程等方面开展工作，促进我国太赫兹集成电路的发展。

“做自己感兴趣、有优势、有价值的事”。王政教授践行着自己的理念，继续在太赫兹集成电路技术研究的道路上努力前行。