基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器的制作方法

本发明涉及半导体电磁波探测领域，特别是涉及一种基于cmos工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器。

背景技术：

太赫兹(terahertz，thz)波是指一种定义(广义上)在0.3thz到30thz之间电磁波。在这个频段的电磁波相较于x射线，能量较低。相较于可见光来说，穿透能力更强。这些特性使得太赫兹成像在安全监测领域有很大的发展前景。太赫兹探测技术作为太赫兹成像的基础技术，近年来研究趋势不断增长。

目前，太赫兹探测器的种类有：天线耦合的场效应晶体管自混合探测器、天线耦合的肖特基二极管探测器、量子阱探测器、异质结探测器和天线耦合的太赫兹热探测器。其中，场效应晶体管和肖特基二极管探测器这两种探测器都因为受到mos(metal-oxide-semiconductor)管截止频率的限制，导致只可探测的处于较低波段的太赫兹波。量子阱探测器和异质结探测器，性能相对较好，但是都是在异质结的工艺下制造的，成本相对较高，很难大量生产。集成了测辐射热计的热探测器，应用到超导材料，成本也很高；mems(micro-electro-mechanicalsystem)工艺制成的热探测器，工艺复杂成本高，无法大量生产。而基于cmos标准工艺的太赫兹热探测器，结构模型还不够完善，并且响应率较低，还需要进一步的改善。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于cmos工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器，利用天线接收特定频率的电磁波，将电磁能量转化为热量，再通过温度传感器将热量转化为电信号输出，能探测到高波段的太赫兹波。

为此，本发明的技术方案如下：

一种基于cmos工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器，包括硅衬底、和设置于所述硅衬底上的带阻天线和温度传感器；

所述硅衬底由多晶硅电阻，利用cmos标准工艺制成；

所述带阻天线为多晶硅环形天线、多晶硅十字结构天线和多晶硅偶极子天线；

所述多晶硅偶极子天线的臂长h，宽度w，两臂之间的间隙gap和工作频率f，组成数组(h，w，gap，f)，取值范围为(h/40～h/4，h/40～h/6，f)；

所述多晶硅十字结构天线的臂长h，宽度w，相对两臂间隙gap和工作频率f可组成成数组(h，w，gap，f)，取值范围为(h/40～h/4，h/40～h/6，f)；

所述多晶硅环形天线的半径r，宽度w和频率f组成数组(r，w，f)，取值范围为(h/40～h/4，f)。

进一步，多晶硅偶极子天线和多晶硅十字结构天线来说，h尺寸为1.23～250μm，对于多晶硅环形天线来说，r尺寸为0.7～159.1μm。可以对应0.3thz～30thz之间的频段。但是由于在cmos工艺中，天线周围充满二氧化硅介质，且制作与硅衬底之上。受到二氧化硅，和硅的影响，多晶硅天线受到尺寸调节后，可以将频率调节到0.3thz～30thz，但不能涉及到其中的每个频点。

进一步，所述温度传感器为栅极和漏极连接的nmos管或二极管；所述nmos管的漏极端外接恒流电流电源，源极端(s)接地，输出电压vout为探测太赫兹最后输出的电信号。

nmos管在cmos工艺的衬底上制造，置于距离多晶硅天线可允许的最近距离处。

本申请提供的基于cmos工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器可组合使用。

基于cmos工艺下的“多晶硅天线-温度传感”的太赫兹热探测结构，有以下几点益处：1)基于cmos标准工艺，制造简单，成本低，易于实现探测器的小型化和集成化。2)采用具有特定频率吸收特性的带阻天线，可以吸收指定频率的太赫兹波，具有频率选择性，并且增加天线的热损耗，增大天线产生的热量，提高温升，有助于提升探测器的响应率。

附图说明

图1为实施例1中的2.68thz环形天线耦合的太赫兹波热探测器的结构图；

图2为探测器原理图；

图3为环形天线，十字天线，偶极子天线的结构和参数示意图；

图4为可选用的温度传感器结构图。

图5a为实施例1中提供的太赫兹波热探测器的环形天线s参数仿真图；

图5b为实施例2中提供的太赫兹波热探测器的环形天线s参数仿真图；

图5c为实施例3中提供的太赫兹波热探测器的十字天线s参数仿真图；

图5d为实施例4中提供的太赫兹波热探测器的偶极子形天线s参数仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

实施例1

本实施例提供探测频率为2.68thz的太赫兹波热探测器，天线为环形结构，温度传感器以栅漏短接的nmos管103。带阻天线102为环形天线制作在硅衬底101之上，材料由多晶硅(poly)制成，其环形外径半径为21um，环形宽度为2.8um，厚度为多晶硅的固定厚度0.2um。(注：此处说明的环形是接近圆环的八边形环)。栅源短接的nmos管在环形内部空心部分，距离环形天线0.26um。

图5a为在以cmos硅环境作为仿真环境的环形多晶硅天线的s参数的仿真结果。从图中可以看出s参数的中心频率为2.68thz。2.68thz处的s参数<-15db，符合对天线s参数的要求。

实施例2

本实施例提供探测频率为29.6thz，由带阻天线102为环形多晶硅天线和nmos管温度传感器组成的太赫兹探测器，环形天线由衬底上的多晶硅制成，其环形外径r为0.8um，宽度w为0.24um，厚度为多晶硅的固定厚度0.2um。用于温度传感的nmos管则位于环形天线旁边，距离环形天线的一边0.26um。

图5b为在以cmos硅环境作为仿真环境的环形多晶硅天线的s参数的仿真结果。从图中可以看出s参数的中心频率为29.6thz。

另外，探测器的耦合天线还可以换成不同尺寸十字天线，偶极子天线。传感器可以根据需要换成二极管，ptat传感电路。

实施例3

本实施例提供探测频率为6.48thz十字多晶硅天线和nmos管温度传感器组成的太赫兹探测器，十字天线由衬底上的多晶硅制成，其单个臂长为3um，宽度w为0.24um，每两个臂长之间的距离gap为1.6um，厚度为固定厚度0.2um。nmos管温度传感器则位于十字天线旁0.26um处。

从图5c中可以看出，以cmos硅环境作为仿真环境的十字多晶硅天线的s参数的中心频率为6.48thz，即天线的工作频率为6.48thz。

实施例4

本实施例提供探测频率为耦合16.29thz天线的nmos管温度传感器，偶极子天线由衬底上的多晶硅制成，单个臂长为3um，宽度w为0.24um，两个臂长之间的距离gap为0.24um，厚度为固定厚度0.2um。nmos管温度传感器则位于偶极子天线旁0.26um处。

从图5d中可以看出，cmos太赫兹天线的s参数中心频率及天线的工作频率为16.29thz。