基于集成电路工艺的太赫兹多频探测器及其探测方法与流程

本发明涉及太赫兹波探测
技术领域：
，更涉及一种利用多频天线作为信号接收部件的探测器结构及其探测方法。
背景技术：
：太赫兹波通常指的是频率在0.1thz～3thz之间的电磁波，其波段介于微波和红外光之间。目前太赫兹技术主要围绕太赫兹源、太赫兹探测和应用领域等进行展开。太赫兹光谱包含了丰富的物理和化学信息，能够提供分子的基本结构信息，通过利用多频探测器可以实现物质的太赫兹光谱分析；同时由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以比x射线相比更具有优势。因此，太赫兹探测技术在安全检查、无损检测、生物医学、化学分析、通信与国防等领域有着广泛应用前景。如何获得信噪比高、灵敏度好、宽频响应的室温太赫兹探测器是太赫兹技术应用发展的关键。基于集成电路制造工艺的cmos太赫兹探测器，由片上太赫兹天线和晶体管组成，具有室温工作，低成本，高成像能力等突出优势，是未来太赫兹技术实用化的可能途径，目前受到国际各大研究机构的广泛关注。片上太赫兹天线是收发信号保证多频段探测的重要元件。为了探测多频太赫兹信号，目前大都使用多频矩形金属贴片天线，此类天线主要基于传统矩形贴片微带单频天线改进而来。如在设计双频天线时，krjha等人(dual-bandrectangularmicrostrippatchantennaatterahertzfrequencyforsurveillancesystem[j].journalofcomputationalelectronics,2010,9(1):31-41.)提出了一种可同时工作在0.6thz和0.8thz的贴片天线，设计天线辐射贴片的长度对应一个频率谐振，而贴片宽度对应另一个频率谐振。这样既保留了传统天线的优点，又具有微带天线的低轮廓、重量轻、制作方便等特点。但由这种结构的天线单元组阵的双频段天线尺寸大，不利于实现天线的小型化且响应频段少，损耗大。另一方面，利用半导体材料制作的光学天线体积较小，但往往只能对应单个频率。为了达到多频探测目的，可通过阵列排布的方式在同一块芯片上集成不同频段的天线实现多频太赫兹探测。如b.benakaprasad等人(terahertzmonolithicintegratedcircuits(tmics)arrayantennatechnologyongan-on-lowresistivitysiliconsubstrates[c]//internationalconferenceoninfrared.ieee,2016.)制作了一种响应在0.22thz-0.325thz的天线阵列。这种方式虽然扩宽了太赫兹探测波段，但是天线单元组阵的天线截面大，且不同探测单元之间存在严重的串扰，使得探测效率低下、结构复杂，不适合未来太赫兹系统中探测器微小化要求。技术实现要素：对于现有太赫兹多频段探测技术存在的无法同时满足多频段探测和体积微小化问题，本发明提出了一种基于集成电路工艺的硅基太赫兹多频探测器及其探测方法，能实现多个频段的同时响应。本发明的探测器所采用的技术方案如下：基于集成电路工艺的太赫兹多频探测器，包括多频表面等离子体共振天线和晶体管；所述多频表面等离子体共振天线由两个对称设置的天线单元构成，天线单元包括扇形环嵌套接收面和水平振子，扇形环嵌套接收面包括同心设置的内半圆和多个外扇形环，水平振子与内半圆在圆心处垂直连接；所述晶体管设置在两个天线单元的水平振子之间且垂直于天线单元所在的平面；所述晶体管的栅极与多频表面等离子体共振天线位于同一多晶硅层。进一步地，两个天线单元的水平振子到所述晶体管的栅极的距离相等。进一步地，所述多频表面等离子体共振天线周围以及内半圆与外扇形环之间填充有二氧化硅材料。进一步地，所述外扇形环采用一个或多个。多个外扇形环之间填充有二氧化硅材料。进一步地，所述晶体管的栅极的栅长为0.18μm，栅宽为0.5μm，阈值电压为0.5v。本发明基于上述探测器的探测方法，步骤具体为：探测时在所述晶体管的栅极上加0.5v的偏置直流电压，同时所述多频表面等离子体共振天线将收集的太赫兹波增强并聚集在天线中心；所述晶体管的源端接地，晶体管处于太赫兹聚焦电场中并通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，并通过所述晶体管的漏端读出，从而实现对太赫兹波的检测。本发明的探测机理是：太赫兹光入射到表面等离子共振天线结构上激发出自由电子的表面等离子体共振后，表面等离子体共振转化为电荷密度波，扇形环嵌套结构由于槽结构的存在产生沿槽方向的表面等离子体共振，同时偶极子天线自身也产生水平振子方向上的水平极化太赫兹近场，二者共同在在天线结构中心实现太赫兹场强聚集，增强的太赫兹信号直接传递给天线中央的晶体管传感器，经过晶体管的自混频过程可输出与信号强相关的直流电压信号，实现对共振太赫兹波长的检测。本发明提出的扇形环嵌套天线可实现多频探测。对于扇形环产生的表面等离子体共振频率可表示为：其中，c表示真空中的光速，ρ是一个估计常数，值取1.9，h是天线的厚度，r是扇形环的外半径，这对沿槽共振形式提供了指导参考。一般的，天线沿槽共振形式的共振频率由槽的长度(≈πr)决定，天线水平共振由最外圈扇形环的半径和水平振子长度决定。扇形环嵌套结构中的每一圈扇形环都可作为单独的表面等离子体天线产生近场辐射。扇形环的大小不同，所产生的辐射的频率也不同，从外到内，环的辐射频率逐渐提高；多个扇形环在不同频率的太赫兹局域场相叠加，使嵌套天线拥有多频和较宽的工作频段。其中嵌套天线的扇环半径rn对天线共振频率起主要影响作用，半径越长，对应的共振频率越低。可以通过调节rn、d和优化其他天线结构参数的方法得到目标频率的多频天线结构。与传统太赫兹探测器系统相比，本发明具有以下有益效果：(1)将表面等离子体共振天线结构和嵌套天线结构相结合，可实现多太赫兹波频段的多频响应；(2)本发明在合适参数设计基础上，可实现多个太赫兹波频段的宽频响应；(3)该天线可利用集成电路工艺直接与晶体管传感器进行同时制作，不需增加额外的工艺步骤；(4)本发明的探测器可以采用标准集成电路工艺技术，在单个探测器上实现一芯多频的功能，具有体积小、重量轻、高精度、高可靠、低功耗和低成本等突出优势，有利于实现太赫兹多频探测的微型化与小型化。附图说明图1为本发明太赫兹多频探测器的俯视图。图2为本发明太赫兹多频探测器的剖面侧视图。图3为本发明实施例中的表面等离子体共振多频天线中心点电场增益图。图4为本发明实施例中的表面等离子体共振多频天线在不同频率下的表面电场分布图，(a)400ghz、(b)710ghz、(c)960ghz、(d)1110ghz。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本实施例以smic标准0.18μm集成电路工艺为例，设计0.2thz-1.1thz的多频太赫兹探测芯片。表1表面等离子体共振多频天线结构参数结构参数数值(μm)结构参数数值(μm)g2b5w1r012d13r134a2r266图1所示是太赫兹多频探测器的俯视图，参照表1给出的天线几何结构数据，通过改变扇形环的外半径和水平振子的长度d设计出所需频率的探测器。探测器由白色多频天线和中间的晶体管102构成，天线周围被灰色的二氧化硅填充。表面等离子体共振多频天线由两个对称设置的天线单元构成，天线单元包括扇形环嵌套接收面101和水平振子103。本实施例中，水平振子103的长d＝13μm，宽w＝1μm；扇形环嵌套接收面101由同心设置的一个半圆104、内扇形环105和外扇形环106构成，半圆104位于最内圈，每个扇形环对应一个频率。其中半圆104半径为r0＝12μm，内、外扇形环的半径分别为r1＝34μm，r2＝66μm，内扇形环与半圆、外扇形环之间的槽分别是内槽107和外槽108，宽均为a＝2μm，槽底与水平振子103的垂直距离b＝5μm，天线的两个水平振子103之间的间距为g＝2μm。如图2所示为太赫兹多频探测器的剖面侧视图。smic标准0.18μm集成电路工艺后端有六层金属层，从最底到最上层分别为m1～m6层。本实例的白色多频天线结构和晶体管102栅极均在si衬底203上方的多晶硅层。表面等离子体共振多频天线用集成电路工艺中的栅极多晶硅制作，下方有浅沟道隔离层。除却cmos工艺中的金属互联线外，天线的周围部分109均由灰色二氧化硅介质填充。晶体管102传感器放置在天线的中心点处，本实例中两个天线单元的水平振子103到晶体管102的栅极201的距离相等。本实施例的晶体管102是以p型硅为衬底，衬底203的掺杂浓度为1017cm-3量级。晶体管的源端201和漏端202为重掺杂n+型，所掺杂质为磷，掺杂浓度为1020cm-3量级。晶体管102的栅极，其栅长为0.18μm，栅宽为0.5μm，栅与表面等离子体共振天线的厚度都为0.2μm，氧化层厚度为4nm，阈值电压为0.5v。天线的多频响应与其扇形环嵌套结构有关，扇形环嵌套接收面101和水平振子103将天线共振频率分为多个部分，分别对应不同的太赫兹波频率。太赫兹波入射天线表面，激发出自由电子的表面等离子体共振，在天线表面上转化为电荷密度波，形成电荷运动，由于扇形环间的槽长度不同，天线上形成了沿槽方向的不同电荷运动路径，同时水平振子103与扇形环嵌套接收面101产生水平方向的两个振动频率，对应出不同的频率响应。这些不同频率的共振都传到天线结构中心实现多频太赫兹场强聚集，而增强的太赫兹信号在晶体管102区产生一个对应的电场，电场影响晶体管102沟道中的载流子，经过晶体管102的自混频过程可输出与信号强相关的直流电压信号，实现对共振太赫兹波长的检测。用hfss仿真软件，根据表1所设计的表面等离子体共振多频天线的结构参数，建立了天线的结构模型，进行一系列的求解计算。图3为表面等离子体共振多频天线中心点处电场增益图，横轴是入射电磁波的频率，纵轴是中心点处电场强度/入射电场强度即ex/e0。从图中可以看到，天线中心的电场增益分别在400ghz、710ghz、960ghz和1110ghz这四个频率下都产生了较大的峰值，其中400ghz、710ghz、1110ghz的增益都有上百倍，且在100倍以上的频宽在20ghz以上；而960ghz下增益略低，但也有近百倍的增强且带宽变得更大了。图4是表面等离子体共振多频天线表面电场分布图，四幅图分别是在400ghz、710ghz、960ghz和1110ghz下天线中心的电场分布图，可以看到在400ghz、1110ghz下天线两个槽结构处电场的增强效果很强，在710ghz下天线大扇形的角落边缘也存在共振，960ghz下主要是在水平振子附近分布电场。这些共振都在远离天线时迅速衰减，但在天线中心两个水平振子103中间，由于间距小，两个天线单元辐射的电场互相叠加，使得天线中心有着较强的电场增强。这些结果说明天线在带宽和增益等方面完全符合设计要求。该多频探测器探测时在晶体管102的栅极上加一个偏置直流电压vg＝0.5v，同时将探测器正对太赫兹源，表面等离子体共振多频天线将收集的太赫兹波增强并聚集在天线中心；晶体管的源端201接地，晶体管102处于太赫兹聚焦电场中并通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过晶体管的漏端202读出，从而实现对太赫兹波的检测。本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实例的示意图，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12