據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，江蘇大學(xué)和中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“基于CMOS的高響應(yīng)度太赫茲探測(cè)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(cè)電路、片上電壓放大電路和片上天線相結(jié)合，采用電磁場(chǎng)與電路聯(lián)合仿真方法，在不改變制造工藝情況下，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完成太赫茲線陣的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化及流片，實(shí)現(xiàn)了1 × 3探測(cè)器線陣。

太赫茲探測(cè)器基本原理和設(shè)計(jì)考慮

M. Dyakonov和M. Shur提出場(chǎng)效應(yīng)管借助二維電子氣溝道的分布效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)超出晶體管自身截止頻率的太赫茲波信號(hào)進(jìn)行有效平方率檢波，輸出與輸入功率成比例的響應(yīng)電流或電壓?？衫梅菧?zhǔn)靜態(tài)模型對(duì)太赫茲信號(hào)在場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的作用原理進(jìn)行分析，如圖1中金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(cè)電路結(jié)構(gòu)主要包括：源極驅(qū)動(dòng)電路（a），柵極驅(qū)動(dòng)電路（b）和源極差分驅(qū)動(dòng)電路（c）（如圖2）。電路（b）原理圖中的柵極驅(qū)動(dòng)省略了柵極的偏置電壓。其中，源極驅(qū)動(dòng)電路和柵極驅(qū)動(dòng)電路都是從MOSFET的單端輸入，在溝道內(nèi)發(fā)生自混頻后在漏極輸出混頻信號(hào)。三種電路結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度仿真對(duì)比如圖3所示，從仿真結(jié)果可知源極差分驅(qū)動(dòng)的配置在同等的條件下獲得的電壓響應(yīng)度最高。

圖2 自混頻功率探測(cè)器電路結(jié)構(gòu)（a）源極驅(qū)動(dòng)；（b）柵極驅(qū)動(dòng)；（c）源極差分驅(qū)動(dòng)

圖3 三種自混頻探測(cè)電路結(jié)構(gòu)的響應(yīng)度仿真對(duì)比

探測(cè)器陣列實(shí)現(xiàn)

電路整體結(jié)構(gòu)

探測(cè)器陣列由3個(gè)太赫茲像素線性排列，每個(gè)像素由帶交叉耦合電容的源極差分驅(qū)動(dòng)自混頻功率探測(cè)電路、高增益片上環(huán)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(dú)立，陣列規(guī)模的設(shè)計(jì)提高探測(cè)器中的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率和高精度成像。3個(gè)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(guò)地平面隔離減少像素之間天線的相互耦合。此外，差分環(huán)形天線的軸心位置需要進(jìn)行接地處理，為差分MOSFET提供直流回路。

圖4 太赫茲探測(cè)器線陣布局結(jié)構(gòu)

片上天線設(shè)計(jì)

片上天線是探測(cè)器中的關(guān)鍵模塊，需要高增益的天線接收微弱的太赫茲輻射信號(hào)。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(zhì)層和硅襯底等物理層結(jié)構(gòu)，其中金屬層嵌入在介質(zhì)層中。利用HFSS軟件對(duì)雙圓環(huán)差分結(jié)構(gòu)的天線進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化。天線的輻射面選用頂層厚金屬層（M6），開(kāi)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(yuǎn)，可減少信號(hào)在襯底中損耗。

圖5 0.18 μm CMOS工藝物理結(jié)構(gòu)和天線模型

圖6為天線反射系數(shù)仿真結(jié)果，在集總端口的差分激勵(lì)輸入下，反射系數(shù)S11的仿真結(jié)果曲線表明天線的-10 dB帶寬在0.25 THz至0.34 THz范圍內(nèi)。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(cè)器的高響應(yīng)度提供有力保障。

圖6 天線的S11仿真結(jié)果

圖7 天線的3D輻射方向仿真結(jié)果

電路設(shè)計(jì)

本文采用的探測(cè)器像素單元電路如圖8所示，改進(jìn)的源極差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)作為太赫茲自混頻的核心結(jié)構(gòu)。太赫茲信號(hào)在NMOS晶體管溝道內(nèi)呈指數(shù)衰減混頻，即使在最小的柵極長(zhǎng)度的溝道中，誘導(dǎo)電子密度振蕩的整流也只發(fā)生在溝道的開(kāi)始處，剩余的通道長(zhǎng)度僅作為寄生電阻和電容，會(huì)降低探測(cè)器的響應(yīng)。本文中自混頻MOSFET使用工藝所能達(dá)到的最小長(zhǎng)度0.18 μm。電路的阻抗仿真結(jié)果如圖9所示，在0.3 THz時(shí)阻抗為（125~11.83 j）Ω，可實(shí)現(xiàn)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(cè)電路的輸入阻抗仿真結(jié)果

集成電壓放大器對(duì)自混頻探測(cè)電路的輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理，提高探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)度，增強(qiáng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)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?yàn)樽曰祛l功率探測(cè)電路的輸出是微弱的直流信號(hào)，低噪聲和高輸入阻抗才能保證精確捕獲輸出的電壓響應(yīng)信號(hào)。

圖10所示為基于0.18 μm工藝的探測(cè)器芯片顯微照片，圖中顯示了陣列的整體布局，對(duì)各模塊進(jìn)行了標(biāo)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(lán)色區(qū)域標(biāo)識(shí)出其相應(yīng)物理位置。

圖10 太赫茲探測(cè)器陣列版圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

首先將探測(cè)器芯片綁定到芯片外圍擴(kuò)展電路板上，然后利用斬波-鎖相技術(shù)測(cè)量探測(cè)器陣列。由太赫茲信號(hào)源、斬波器、鎖相放大器和計(jì)算機(jī)搭建如圖11所示的太赫茲探測(cè)器測(cè)試環(huán)境。測(cè)試內(nèi)容分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試為尋找自混頻功率探測(cè)電路的最佳柵極偏置點(diǎn)，保證探測(cè)器工作在最大效率狀態(tài)。然后在最佳狀態(tài)下進(jìn)行響應(yīng)度和噪聲等效功率的測(cè)試，對(duì)探測(cè)器的性能進(jìn)行表征。動(dòng)態(tài)測(cè)試為測(cè)試探測(cè)器對(duì)不同材質(zhì)物體隔擋時(shí)的輸出響應(yīng)變化。測(cè)試中所使用的太赫茲信號(hào)源為某公司所設(shè)計(jì)的300 GHz的集成太赫茲源。在測(cè)試之前使用以色列的手持式Ophir NOVA II功率計(jì)結(jié)合3A-P-THz探頭進(jìn)行對(duì)太赫茲源的功率測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖12所示。

圖11 測(cè)試平臺(tái)的搭建（a）測(cè)試系統(tǒng)的框圖；（b）測(cè)試平臺(tái)的實(shí)際環(huán)境

圖12 太赫茲信號(hào)源的功率測(cè)定

對(duì)于靜態(tài)測(cè)試，首先將太赫茲信號(hào)源頻率和功率進(jìn)行固定，使其保持聚焦?fàn)顟B(tài)。固定太赫茲信號(hào)源與探測(cè)器的相對(duì)物理位置后，關(guān)閉太赫茲信號(hào)源的電源，給探測(cè)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(xiàn)象可能為芯片內(nèi)部或PCB板級(jí)電路導(dǎo)致的輸出直流偏移。為了繼續(xù)驗(yàn)證探測(cè)器是否存在響應(yīng)，打開(kāi)太赫茲信號(hào)源，為探測(cè)器提供信號(hào)輻射，鎖相放大器的輸出電壓會(huì)增加，表明探測(cè)器是有響應(yīng)的。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和測(cè)量結(jié)果均以輸出電壓的相對(duì)值作為探測(cè)器的響應(yīng)輸出。

對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)試，保證測(cè)試平臺(tái)維持電壓響應(yīng)度的測(cè)試配置，在太赫茲信號(hào)源和太赫茲探測(cè)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(dāng)放置隔擋物之后由于探測(cè)器接收的太赫茲功率降低，所以輸出電壓會(huì)降低，圖示清晰的反映了這一過(guò)程。通過(guò)更換不同的隔擋物，可發(fā)現(xiàn)探測(cè)器對(duì)不同隔擋物的響應(yīng)程度不同，圖14反應(yīng)了動(dòng)態(tài)測(cè)試的結(jié)果。

圖13 鎖相放大器顯示的太赫茲探測(cè)響應(yīng)波形

圖14 對(duì)不同隔擋物（A4紙和銅板）的透射結(jié)果

結(jié)論

本文采用0.18 μm CMOS工藝完成高響應(yīng)度探測(cè)器線陣的制備。通過(guò)分析對(duì)比了幾種常用的自混頻功率探測(cè)結(jié)構(gòu)的性能，選擇源極差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)作為自混頻功率探測(cè)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的帶交叉耦合電容的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)太赫茲信號(hào)在小尺寸晶體管溝道內(nèi)的強(qiáng)度，提高晶體管漏極和源極間的輸出電壓，從而提高探測(cè)器的響應(yīng)度。通過(guò)結(jié)合電磁仿真與電路仿真，完成高增益片上環(huán)形差分天線、源極差分驅(qū)動(dòng)自混頻功率探測(cè)電路和集成低噪聲電壓放大器的聯(lián)合仿真，優(yōu)化模塊間的級(jí)聯(lián)使探測(cè)器系統(tǒng)整體性能達(dá)到最優(yōu)。不修改制造工藝情況下，在0.5 mm × 1 mm的面積上實(shí)現(xiàn)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(cè)試平臺(tái)對(duì)探測(cè)器陣列芯片進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)柵極偏置電壓為0.42 V，晶體管工作在亞閾值區(qū)，此時(shí)該探測(cè)器的最大響應(yīng)度可達(dá)43.8 kV/W，最小NEP為20.5 pW/Hz1/2。探測(cè)器陣列芯片的動(dòng)態(tài)測(cè)試表明該探測(cè)器陣列可區(qū)分不同材質(zhì)的物體。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明本文提出的探測(cè)器可進(jìn)一步應(yīng)用到太赫茲探測(cè)成像系統(tǒng)中，待完善探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)處理電路和成像算法后，可實(shí)現(xiàn)太赫茲探測(cè)成像。值得注意的是，采用的多像素探測(cè)方法在于提高檢測(cè)速度，但由于缺少通道間的相位信息，相較于包含響應(yīng)相位信息的外差混頻探測(cè)方式，其靈敏度主要依賴于單個(gè)天線單元的增益，響應(yīng)信號(hào)中也只包含幅值信息。

審核編輯：黃飛

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