一种基于CMOS工艺的可调谐超材料器件的制作方法

本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种基于cmos工艺的可调谐超材料器件。

背景技术：

超材料，又称人工特异性材料，是按照一定规律进行排列分布的人工电磁媒质。这种人工加工制造的复合材料凭借其材料的本征性质、单元排列方式及其亚波长结构，能够实现天然材料无法实现的电磁特性。其相关研究覆盖了从微波到可见光波段，在实现太赫兹波的控制与研发相关太赫兹功能器件领域中尤为重要。

现有技术中，基于半导体材料的可调超导体的工作原理主要是：通过光、电、温度等外加激励，改变超材料结构底部半导体材料的载流子的注入与耗尽，从而实现对电磁波的幅度、共振频率、相位等进行实时调谐，其中半导体材料可以是肖特基二极管或高电子迁移率晶体管等。

由上述方法获取的可调超导体器件，具有以下不足：

(1)前数字可调超材料器件基本都是应用分立器件结合超材料对超材料单元器件进行调谐，无法实现标准cmos工艺兼容，降低了集成器件的成品率，工艺研发成本较高，受到工艺尺寸影响，频率适应范围较小；

(2)目前模拟可调超材料基本通过调谐三五族半导体载流子浓度实现，标准cmos工艺兼容性差；

(3)目前可调谐超材料基本采用单层超材料金属层，无法实现多层金属层3d超材料的设计实现，限制了超材料的设计应用适应性。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于cmos工艺的可调谐超材料器件，用以解决或部分解决现有技术中超材料器件存在的不足。

本发明实施例提供一种基于cmos工艺的可调谐超材料器件，包括：cmos兼容电路系统和多个金属层，相邻金属层之间设置有介质层；至少有一个所述金属层为超材料结构层；所述超材料结构层与至少一个cmos器件集成，所述cmos器件用于调整所述超材料结构层的电磁响应特性；cmos兼容电路系统用于将不同控制电压传送至cmos器件，以对所述可调谐超材料器件进行可控动态调谐。

进一步地，cmos兼容电路系统包括：至少一个偏置电路单元，该偏置电路单元用于控制cmos器件的导通或截止。

进一步地，cmos兼容电路系统还包括：信号处理单元、接收单元和输出单元，该接收单元用于接收控制信号指令，并将控制信号指令输入至信号处理单元；信号处理单元用于根据控制信号指令，输出偏置控制电压，并通过输出单元输出至偏置电路单元。

进一步地，若偏置电路单元为多个，信号处理单元还用于：根据获取的控制信号指令，选取出待处理偏置电路单元，并将偏置控制电压，通过输出单元输出至待处理偏置电路单元。

进一步地，超材料结构层的形状可以是：线形结构、十字形结构、渔网形结构、矩形环结构、开口谐振环结构中的一种或多种的组合。

进一步地，上述偏置电路单元还用于调整cmos器件的栅极电压，以调整cmos器件的源极和漏极的导通电阻阈值。

进一步地，可调谐超材料器件是基于3nm、7nm、14nm、28nm、65nm、90nm或180nmcmos工艺制成。

进一步地，金属层的材质为铝、铜、钨、铬、银、钌或钴中的一种或多种金属或合金构成的。

进一步地，不同金属层的材质为相同材质或为不同材质。

本发明实施例提供的基于cmos工艺的可调谐超材料器件，通过将超材料与cmos器件进行集成，并通过可编程数字控制cmos器件的偏置电压，以实现对每个超材料的单独动态调谐，具有体积小、响应时间快、稳定性高的特点，且能够实现规模化生产，降低了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中标准cmos工艺器件的纵向剖视图；

图2为本发明实施例提供的基于cmos工艺的可调谐超材料器件中超材料结构层的示意图，其中(a)图为俯视图，(b)图为纵向剖视图；

图3为本发明实施例提供的又一基于cmos工艺的可调谐超材料器件中超材料结构层的示意图，其中(a)图为俯视图，(b)图为纵向剖视图；

图4为本发明实施例提供的基于cmos工艺的可调谐超材料器件中超材料阵列原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

cmos器件，是一种由pmos晶体管和nmos晶体管构成的互补金属氧化物半导体结构，具有功耗低、噪声容限高、工作电压范围宽(一般为1.5-18v)以及输入阻抗高的特点，且coms电路具有输出高、低电平的幅度可以达到全电“1”为vdd，逻辑“0”为vss的特性，从而，本发明实施例提供一种可调谐超材料器件，基于cmos工艺，通过将cmos器件与超材料相集成构成超材料结构层代替其中的一个或多个金属层，并通过cmos兼容电路系统用于将不同控制电压传送至cmos器件，对超材料结构层的电磁响应特性进行调整，以实现对整个超材料器件的调谐。

其中，对超材料结构层的电磁响应特性进行调整可以是：对构成超材料结构层中的相邻的两个或多个超材料结构，进行连接或者断开；也可以是对位于超材料结构层中的某个或某几个超材料结构的不同部分实现连接或断开，对此本发明实施例不作具体限定。当构成超材料结构层的超材料结构形状、连接关系等出现变化时，会进而改变超材料结构层的物理性质、介电性以及电磁响应特性等。

进一步地，现场可编程数字器件是一种新型的高密度可编程逻辑器件，采用cmos-sram工艺制造。现场可编程数字是数字逻辑器件的一种，它们的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，甚至可以可替代几十甚至上百片通用中等规模以上的芯片。它不仅具有很高的速度和可靠性，而且具有用户可重复定义的逻辑功能，即具有可重复编程的特点。因此，现场可编程数字使数字电路系统的设计非常灵活。

总而言之，现场可编程数字是可以实现通过软件来实现硬件电路的功能，通过设计软件就可以得到预设的硬件电路功能，若需要修改硬件设计时仅需要重新修改相应的设计软件就可以了。对于一般的电路，实现硬件电路的功能完全不需要人工干预就可以自动完成，而采用人工干预，则可以进一步实现特殊功能需求的设计。在本实施例提供的可调谐超材料器件，通过利用cmos兼容电路系统对所有cmos器件进行编程控制，并进一步通过每个cmos器件的导通或截止完成对超材料结构层的电磁响应特性的调整。需要说明的是，本发明实施例不对采用何种数字cmos兼容电路系统作具体地限定。

进一步地，本发明实施例提供的可调谐超材料器件，是基于cmos工艺制作完成的。图1为现有技术中一种标准cmos工艺器件的纵向剖视图，如图1所示，本发明实施例提供的可调谐超材料器件，相当于在标准cmos工艺器件的制作工艺的基础上，根据实际需要将一个或多个金属层用超材料结构层替代。例如，图1所示的为一种6金属层cmos工艺器件，可以选用第6层金属层完成超材料结构层的加工制作，其中每个超材料结构层内集成有一个cmos器件或集成有由多个cmos器件构成的cmos电路。也可以根据实际需要将第1-6金属层中的一个或多个完成超材料结构层的加工制作。进一步地，每一个制作完成的超材料结构层可以是相同或不同的，即每个超材料结构层的材质、内部材料结构等均可以是相同或不同的，对此本发明实施例不作具体地限定。

需要说明的是，本发明实施例提供的cmos工艺可以是常规的cmos器件制作工艺，其中，对于是采用p阱cmos工艺还是采用n阱cmos工艺，以及如何将nmos晶体管与pmos晶体管设置与相应的硅衬底等，本发明实施例均不作具体地限定。

本发明实施例通过将超材料与cmos器件进行集成，并通过可编程控制cmos器件的偏置电压，以实现对每个超材料的单独动态调谐，具有体积小、响应时间快、稳定性高的特点，且该器件具有设计流程标准，不依赖工艺、材料等特点，并可利用不同cmos工艺节点实现较宽的可调谐超材料响应频段。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，cmos兼容电路系统包括但不限于：至少一个偏置电路单元，该偏置电路单元用于控制cmos器件的导通或截止。

在该偏置电路单元的控制下，可以将不同特点的控制电压传送至可调谐超材料器件的超材料结构层中。具体地，通过利用控制偏置电路输出的控制电压，控制集成于超材料结构层中的每个cmos器件的导通或截止，以对每个超材料结构层的电磁响应特性进行调谐。进一步地，若可调谐超材料器件包含有多层超材料结构层，则通过对每一层的超材料结构的偏置电压的改变，实现对整个超材料器件的调谐。

进一步地，本发明实施例提供的基于cmos工艺的可调谐超材料器件，不对偏置电路单元的具体结构进行限定。

进一步地，本发明实施例也可以通过设置cmos可兼容电路，并通过该cmos可兼容电路对所有coms晶体管电路进行控制，实现对整个可调谐超材料器件的调谐。

本发明实施例提供的基于cmos工艺的可调谐超材料器件，利用偏置电路单元或cmos可兼容电路，分别实现对每个超材料结构层的电磁响应特性的调谐，进而实现对可调谐超材料器件的调谐，实现了对每个超材料单元层的单独调谐，为通过不同cmos工艺节点实现较宽的可调谐超材料响应频段提供了实施基础。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，cmos兼容电路系统还包括但不限于：信号处理单元、接收单元和输出单元；其中，接收单元用于接收控制信号指令，并将控制信号指令输入至信号处理单元。信号处理单元用于则根据获取的控制信号指令，输出偏置控制电压，并通过输出单元输出至偏置电路单元。

其中，信号处理单元可以是固定逻辑器件也可以是可编程逻辑器件，若信号处理单元被设置为可编程逻辑器件，其包括：与接收单元和输出单元相通讯的接口、通讯子单元、信号处理子单元，也可以包括数据显示子单元、定时子单元、控制操作子单元和电源子单元等。操作人员可以利用软件工具快速的开发、仿真、测试和利用该可编程逻辑器件执行相应地编程程序，输出设定的电压或者电流值。

具体地，在本实施例提供的可调谐超材料器件中，cmos兼容电路系统通过接收单元接收到控制信号指令，并将该控制信号指令传输至信号处理子单元中，通过存储的软件程序进行运算，并输出相应地运算结果，即偏置控制电压，并将输出的偏置控制电压通过输出单元输出至偏置电路单元。进一步地，通过偏置控制电压控制每个cmos器件的导通或截止，以及对超材料器件进行调谐，对此本发明实施例不再赘述。

需要说明的是，本发明实施例也可以使用固定逻辑器件构成cmos兼容电路系统，其工作性能相较于可编程逻辑器件构成的cmos兼容电路系统，虽然稳定性略强，但灵活性、以及调试成功率方面存在很大的制约，对此本发明实施例不作具体地限定。

本发明实施例提供的基于cmos工艺的可调谐超材料器件，通过cmos兼容电路系统，实现对超材料结构层内集成的所有cmos器件的导通或截止控制，并进一步实现了超材料器件的可调谐性，提高了超材料器件的集成成品率，降低了研发成本，且使本发明实施例提供的基于cmos工艺的可调谐超材料器件不受工艺器件尺寸的影响，有效的增加了可调谐超材料响应频段的范围。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若偏置电路单元为多个，信号处理单元还用于：根据获取的控制信号指令，选取出待处理偏置电路单元，并将偏置控制电压通过输出单元输出至待处理偏置电路单元。

具体地，可以针对每个cmos器件设置一个偏置电路，也可以针对每一个超材料结构层设置一个偏置电路，也可以设置一个偏置电路对位于每个超材料结构层中的所有cmos器件进行综合调谐，以实现对于超材料器件的整体调谐。

在采取设置一个偏置电路对位于每个超材料结构层中的所有cmos器件进行综合调谐的情况下，根据实际的不同需求，会存在对部分cmos器件进行导通操作，但需要对部分cmos器件进行截止操作。因此，本发明实施例提供的可调谐超材料器件，其中信号处理单元还用于：根据接收到的控制信号指令，首先选取出与需要导通的cmos器件相对应地待处理偏置电路单元，然后根据运算结果输出偏置控制电压至待处理偏置电路单元，以完成对需进行导通的cmos器件的调谐。其中，信号处理单元用于实现上述功能，可以是基于物理结构执行的结果，也可以是基于执行程序运算来实现的。

需要说明的是，为了便于控制，可以将所有cmos器件设置为具有统一导通电压的cmos器件，但本发明实施例对于偏置电路单元的具体结构不作具体地限定。

本发明实施例提供的可调谐超材料器件，通过设置一个偏置电路对所有cmos器件进行综合调谐，进一步地减小了体积，并且通过一个偏置电路进行集中调谐，稳定性更高，易于实现规模化生产，能够大大降低生产成本。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中超材料结构层的形状可以是：线形结构、十字形结构、渔网形结构、矩形环结构、开口谐振环结构中的一种或多种的组合。

如图2所示，提供了一种超材料结构层的具体形状，其中图(a)为俯视图，图(b)为纵向剖视图。其中，超材料结构可以是环形或者具有一定宽度的方条形结构，在其至少任一端开设有槽口，cmos器件的漏极和源极分别与该槽口的两端电连接，且漏极和源极分别与偏置电路单元的电压输出端相连接。本实施例提供的基于cmos工艺的可调谐超材料器件，还包括cmos兼容电路系统，用于控制偏置电路单元的电压输出。

具体地，当需要对图2所示的超材料器件进行调谐时，通过cmos兼容电路系统控制偏置电路单元输出指定电压至cmos器件后，cmos器件处于导通状态，漏极与源极则由断开状态变为导通状态，此时该超材料结构则相当于由初始的带有槽口的非闭环结构变成了没有槽口的闭环结构，其电磁响应特性必然发生了变化，从而实现了对于该超材料结构层的调谐。

如图3所示，提供了另一超材料结构层的具体形状，其中图(a)为俯视图，图(b)为纵向剖视图图。其中该超材料结构层由两个超材料结构以及一个cmos器件集成，其中，该cmos器件的源极和漏极分别与两个超材料结构电连接且漏极和源极分别与偏置电路单元的电压输出端相连接。进一步地，在图(b)的基础上，可以在每两个超材料结构的槽口处分别安装一个cmos管，此时该超材料单元则由两个超材料结构以及三个cmos器件集成。对于如何对图3中的超材料结构层进行调谐的方法，本发明实施例不作赘述。

如图4所示，提供了一种超材料结构阵列的示意图。其中该超材料结构阵列的电连接方式，通过走线将槽口处的电接触全部集中于mos管的栅极，同时源极、漏极与超材料结构电连接，栅极与源极、漏极分别与偏置电压源的输入输出端相连接。本发明实施例对于如何对图4中的超材料结构阵列进行调谐的方法，本发明实施例不作赘述。

上述两个实施例所提供的超材料结构层的具体形状，仅为了说明本实施例的一种实施方式，不作为对本发明实施例的具体限定，其中，超材料结构层的形状可以为任意形状，也可以是任意形状的一种或多种的组合。比如可以是线形结构、十字形结构、渔网形结构、矩形环结构、开口谐振环结构中的一种或多种的组合。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述偏置电路单元还可以用于调整cmos器件的栅极电压，以调整cmos器件的源极和漏极的导通电压阈值。

具体地，当偏执电路提供的栅极电压发生改变时，则cmos器件的源极和漏极的导通电压阈值会发生相应地变化。本发明实施例提供的可调谐超材料器件，其中的偏置电路单元还可以用于对输入至cmos器件的栅极电压进行设置，并根据该电压值的不同，实现对整cmos器件的源极和漏极的控制，为于本发明实施例提供的超材料器件的调谐提供多节点控制方法。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中上述可调谐超材料器件可以是基于3nm、7nm、14nm、28nm、65nm、90nm或180nmcmos工艺制成。

进一步地，多个金属层的材质可以为铝、铜、钨、铬、银、钌或钴等金属的一种或多种金属或合金构成的。进一步地，上述多个金属层的材质可以为相同或者不同的，对此本发明实施例不作具体地限定。

以上所描述的器件实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。