基于0.18μm CMOS工藝的高響應度太赫茲探測器線陣

據麥姆斯咨詢報道，近期，江蘇大學和中國電子科技集團公司第五十五研究所的科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“基于CMOS的高響應度太赫茲探測器線陣”為主題的文章。該文章第一作者為白雪副教授，通訊作者為徐雷鈞教授。

本文將太赫茲自混頻功率探測電路、片上電壓放大電路和片上天線相結合，采用電磁場與電路聯合仿真方法，在不改變制造工藝情況下，通過標準CMOS工藝完成太赫茲線陣的設計。經過設計、仿真、優化及流片，實現了1 × 3探測器線陣。

太赫茲探測器基本原理和設計考慮

M. Dyakonov和M. Shur提出場效應管借助二維電子氣溝道的分布效應，能夠實現對超出晶體管自身截止頻率的太赫茲波信號進行有效平方率檢波，輸出與輸入功率成比例的響應電流或電壓?？衫梅菧熟o態模型對太赫茲信號在場效應晶體管中的作用原理進行分析，如圖1中金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）模型所示。

圖1 NMOS晶體管的太赫茲輻射分析模型

目前，最受追捧的三種自混頻功率探測電路結構主要包括：源極驅動電路（a），柵極驅動電路（b）和源極差分驅動電路（c）（如圖2）。電路（b）原理圖中的柵極驅動省略了柵極的偏置電壓。其中，源極驅動電路和柵極驅動電路都是從MOSFET的單端輸入，在溝道內發生自混頻后在漏極輸出混頻信號。三種電路結構的響應度仿真對比如圖3所示，從仿真結果可知源極差分驅動的配置在同等的條件下獲得的電壓響應度最高。

圖2 自混頻功率探測器電路結構（a）源極驅動；（b）柵極驅動；（c）源極差分驅動

圖3 三種自混頻探測電路結構的響應度仿真對比

探測器陣列實現

電路整體結構

探測器陣列由3個太赫茲像素線性排列，每個像素由帶交叉耦合電容的源極差分驅動自混頻功率探測電路、高增益片上環形差分天線和集成電壓放大器組成。各像素單元的輸出相互獨立，陣列規模的設計提高探測器中的像素點個數，實現高效率和高精度成像。3個太赫茲像素以80 μm的間距等間隔排列成行，共享同一柵極偏置電壓和電源電壓。像素之間通過地平面隔離減少像素之間天線的相互耦合。此外，差分環形天線的軸心位置需要進行接地處理，為差分MOSFET提供直流回路。

圖4 太赫茲探測器線陣布局結構

片上天線設計

片上天線是探測器中的關鍵模塊，需要高增益的天線接收微弱的太赫茲輻射信號。圖5所示為基于0.18 μm CMOS工藝的片上天線模型。CMOS工藝包含金屬層、介質層和硅襯底等物理層結構，其中金屬層嵌入在介質層中。利用HFSS軟件對雙圓環差分結構的天線進行建模、仿真、優化。天線的輻射面選用頂層厚金屬層（M6），開窗處理后的頂層金屬有更好的輻射效率，其次，頂層與硅襯底距離最遠，可減少信號在襯底中損耗。

圖5 0.18 μm CMOS工藝物理結構和天線模型

圖6為天線反射系數仿真結果，在集總端口的差分激勵輸入下，反射系數S11的仿真結果曲線表明天線的-10 dB帶寬在0.25 THz至0.34 THz范圍內。圖7為天線在0.3 THz的3D輻射方向圖，頂向輻射的最大增益為3.9 dBi。天線的高增益性能可以為探測器的高響應度提供有力保障。

圖6 天線的S11仿真結果

圖7 天線的3D輻射方向仿真結果

電路設計

本文采用的探測器像素單元電路如圖8所示，改進的源極差分驅動結構作為太赫茲自混頻的核心結構。太赫茲信號在NMOS晶體管溝道內呈指數衰減混頻，即使在最小的柵極長度的溝道中，誘導電子密度振蕩的整流也只發生在溝道的開始處，剩余的通道長度僅作為寄生電阻和電容，會降低探測器的響應。本文中自混頻MOSFET使用工藝所能達到的最小長度0.18 μm。電路的阻抗仿真結果如圖9所示，在0.3 THz時阻抗為（125~11.83 j）Ω，可實現天線與電路之間的阻抗匹配。

圖8 單像素電路原理圖

圖9 自混頻功率探測電路的輸入阻抗仿真結果

集成電壓放大器對自混頻探測電路的輸出信號進行放大處理，提高探測系統的響應度，增強系統的驅動能力。低噪聲、高輸入阻抗是集成電壓放大器要具備的性能，因為自混頻功率探測電路的輸出是微弱的直流信號，低噪聲和高輸入阻抗才能保證精確捕獲輸出的電壓響應信號。

圖10所示為基于0.18 μm工藝的探測器芯片顯微照片，圖中顯示了陣列的整體布局，對各模塊進行了標注。放大器的版圖采用M1-M3層的金屬走線，位置在天線地平面下方，圖示中用藍色區域標識出其相應物理位置。

圖10 太赫茲探測器陣列版圖

實驗測試結果

首先將探測器芯片綁定到芯片外圍擴展電路板上，然后利用斬波-鎖相技術測量探測器陣列。由太赫茲信號源、斬波器、鎖相放大器和計算機搭建如圖11所示的太赫茲探測器測試環境。測試內容分為靜態測試和動態測試。靜態測試為尋找自混頻功率探測電路的最佳柵極偏置點，保證探測器工作在最大效率狀態。然后在最佳狀態下進行響應度和噪聲等效功率的測試，對探測器的性能進行表征。動態測試為測試探測器對不同材質物體隔擋時的輸出響應變化。測試中所使用的太赫茲信號源為某公司所設計的300 GHz的集成太赫茲源。在測試之前使用以色列的手持式Ophir NOVA II功率計結合3A-P-THz探頭進行對太赫茲源的功率測試，測試環境如圖12所示。

圖11 測試平臺的搭建（a）測試系統的框圖；（b）測試平臺的實際環境

圖12 太赫茲信號源的功率測定

對于靜態測試，首先將太赫茲信號源頻率和功率進行固定，使其保持聚焦狀態。固定太赫茲信號源與探測器的相對物理位置后，關閉太赫茲信號源的電源，給探測器陣列芯片上電，在鎖相放大器上可觀察到0.18 V左右的電壓輸出。此現象可能為芯片內部或PCB板級電路導致的輸出直流偏移。為了繼續驗證探測器是否存在響應，打開太赫茲信號源，為探測器提供信號輻射，鎖相放大器的輸出電壓會增加，表明探測器是有響應的。后續的實驗測量和測量結果均以輸出電壓的相對值作為探測器的響應輸出。

對于動態測試，保證測試平臺維持電壓響應度的測試配置，在太赫茲信號源和太赫茲探測器之間加入隔擋物，例如金屬薄板、A4紙等，觀察輸出電壓的變化。如圖13所示，當放置隔擋物之后由于探測器接收的太赫茲功率降低，所以輸出電壓會降低，圖示清晰的反映了這一過程。通過更換不同的隔擋物，可發現探測器對不同隔擋物的響應程度不同，圖14反應了動態測試的結果。

圖13 鎖相放大器顯示的太赫茲探測響應波形

圖14 對不同隔擋物（A4紙和銅板）的透射結果

結論

本文采用0.18 μm CMOS工藝完成高響應度探測器線陣的制備。通過分析對比了幾種常用的自混頻功率探測結構的性能，選擇源極差分驅動結構作為自混頻功率探測結構，改進后的帶交叉耦合電容的結構增強太赫茲信號在小尺寸晶體管溝道內的強度，提高晶體管漏極和源極間的輸出電壓，從而提高探測器的響應度。通過結合電磁仿真與電路仿真，完成高增益片上環形差分天線、源極差分驅動自混頻功率探測電路和集成低噪聲電壓放大器的聯合仿真，優化模塊間的級聯使探測器系統整體性能達到最優。不修改制造工藝情況下，在0.5 mm × 1 mm的面積上實現1 × 3線陣的制備，其中包括焊盤和片上天線。在室溫條件下搭建測試平臺對探測器陣列芯片進行測試，當柵極偏置電壓為0.42 V，晶體管工作在亞閾值區，此時該探測器的最大響應度可達43.8 kV/W，最小NEP為20.5 pW/Hz1/2。探測器陣列芯片的動態測試表明該探測器陣列可區分不同材質的物體。實驗測試表明本文提出的探測器可進一步應用到太赫茲探測成像系統中，待完善探測器響應信號數據處理電路和成像算法后，可實現太赫茲探測成像。值得注意的是，采用的多像素探測方法在于提高檢測速度，但由于缺少通道間的相位信息，相較于包含響應相位信息的外差混頻探測方式，其靈敏度主要依賴于單個天線單元的增益，響應信號中也只包含幅值信息。

審核編輯：黃飛

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