CMOS太赫兹双频探测器及线阵性能研究

发布时间：2020-09-19 10:10

　　 太赫兹技术在安检成像、无损检测、雷达探测、生物医疗等方面有着广泛的应用前景。太赫兹探测器作为太赫兹技术的核心器件,一直受到科学界的广泛关注。常用的室温太赫兹检测器有微测热辐射计、高莱探测器、热释电探测器、肖特基二极管等。这些探测器技术存在着加工成本昂贵,工艺技术复杂,集成受限等问题,很大程度上限制了其在上述领域的应用。基于标准集成电路工艺制备的硅基太赫兹探测器具有成本低、响应速度快,集成度高、便于大规模生产等突出优势,是实现小型化,高度集成化室温太赫兹探测器的新发展领域。本论文利用表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)天线结构设计并制备了新型太赫兹双频探测器和1X 16探测器线阵,研究了其性能特性,深入探索了探测器线阵串扰的来源,提出优化线阵性能的可行方案。本文所取得的主要研究成果包括:(1)利用集成电路工艺中的Poly-Si层和第六金属层分别设计SPR天线和电波天线,成功制备了 CMOS太赫兹双频天线,从理论和实验两方面证实了该设计的可行性,实现了多频太赫兹探测器紧凑型和微型化。实验测量结果表明:该天线可同时工作在波段220GHz和650GHz处,响应灵敏度RV分别为2kV/W和0.45kV/W;噪声等效功率NEP分别为23pW/Hz0.5和110 pW/Hz0.5。(2)设计制备了1×16 CMOS太赫兹探测器线阵。每个探测单元都集成了650GHz频率的SPR天线、高性能非对称结构的MOSFET传感器和闭环增益为40dB的低噪声运算放大器。实验测量了线阵中各探测器单管的响应灵敏度RV及噪声等效功率NEP。结果显示:当晶体管的栅源偏置电压VGS为0.45V时,其平均响应灵敏度RV、平均噪声等效功率NEP分别为163.5kV/W、58.9pW/Hz0.5,线阵整体的响应灵敏度标准差系数V(RV)为17.46%,噪声等效功率标准差系数V(NEP)为22.47%,线阵中各像元间的性能不均匀,存在串扰。利用anysoft HFSS仿真软件,对线阵的串扰成因进行探索。发现天线之间的串扰是由于高频信号通过衬底Si材料传输造成。通过隔离衬底和天线或是减薄Si衬底可以有效的降低线阵串扰,保证各像元的均匀性。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

图１－１各波段电磁波谱逡逑太赫兹射线介于微波和红外线之间，也叫Ｔ射线（Ｔ－Ｒａｙ），频率范围一般定逡逑为０．１ＴＨｚ－１０ＴＨＺｍ，如图１－１所示。在光学领域称之为远红外线辐射，无线电逡逑物理领域又根据其波长小于毫米级称为亚毫米波。很长时间以来，由于缺乏高发逡逑射率的太赫兹信号源以及高性能的探测器，导致该波段一直处于待研宄的状态，逡逑没能得到深入的探索和应用，而被称作“太赫兹空隙”（ＴＨｚＧａｐ）。随着毫米波逡逑和红外波段的发展日渐成熟，太赫兹波得到越来越多的关注和研究，现阶段己经逡逑成为科学界的热点领域１２］＿［３］。太赫兹波段有着很多独特的特性［４Ｈ５］，包括：逡逑（１）

基于０．１８｜ａｍＣＭＯＳ工艺设计并制备了基于ＳＰＲ天线的ＣＭＯＳ太赫兹探测器，实现逡逑对０．６５ＴＨＺ信号探测。逡逑图１－２展示的是近年来各类型的太赫兹探测器单管和阵列性能对比图。从图逡逑中可以看出ＣＭＯＳ太赫兹探测器单管性能己经超越了热辐射计、热释电探测器和逡逑高莱管，其ＮＥＰ可以做到低于２０ｐＷ／ＨＺａ５的量级，接近于肖特基管探测器性能。逡逑而在太赫兹探测器阵列中，发展最为成熟是热辐射计阵列，性能远超其他类型的逡逑探测器。ＣＭＯＳ探测器阵列还有待发展，性能远低于热辐射计阵列和肖特基探测逡逑器阵列。但是，室温工作以及成熟的集成工艺的优势，决定其在未来的应用发展逡逑中拥有广阔的前景和发展潜力。逡逑３逡逑

降低天线间的串扰，对比了引入细长蘑菇型电磁带隙（ＥＭ－ＥＢＧ）、传统蘑菇型逡逑电磁带隙（ＣＭ－ＥＢＧ）以及不添加带隙的天线阵列的耦合系数，表明电磁带隙可逡逑以明显的抑制天线间的电磁波传播，达到降低串扰的作用，如图１－３所示，在天逡逑线阵列引入ＥＭ－ＥＢＧ结构后，其耦合系数从－１５必下降到－２８必。逡逑５逡逑

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本文编号：2822378