超宽频带硅基太赫兹波探测器研究

Current reported CMOS-based terahertz detector suffers from the problem of narrow detection band. To deal with this problem, this project is going to study the ultra-broadband CMOS terahertz detector. The method of adding together the outputs of the narrow-band CMOS terahertz detectors with different center frequencies will be used to realize an ultra-broadband detection. In order to obtain the CMOS terahertz detector structure with high responsivity, ultra-high bandwidth and low area, this project is going study the ultra-broadband terahertz detector structure, the nested antenna group with high radiation efficiency and low size, and the structure of the field-effect transistor with high output. The aim of this project is to implement a terahertz sensor with 3×3 ultra-broadband terahertz detector arrays, which can detect the terahertz wave in the range of 200-1500GHz.

针对基于CMOS工艺的太赫兹波探测器探测带宽窄的问题，本项目拟开展超宽频带CMOS太赫兹波探测器的研究工作。采用将不同中心频率的窄带CMOS太赫兹波探测器的输出进行叠加的方法，实现超宽频带的探测。通过对超宽频带太赫兹波探测器结构，高辐射效率、低面积、可嵌套式天线组以及高响应度场效应晶体管结构等关键科学技术问题的研究，得到具有高响应度、超高带宽、低面积的CMOS太赫兹波探测器结构。摸索出一套基于CMOS工艺的超宽频带太赫兹波探测器的设计方法，设计实现小阵列雏形芯片，为未来集成读出电路及数字处理电路的大规模探测器阵列的设计奠定基础，促进我国太赫兹波探测技术的发展。

太赫兹技术在安全检查、成像、天文观测、生物医学、无损检测、雷达、通信等诸多领域有着广泛应用前景。太赫兹波探测器是研究太赫兹波技术的基础模块。基于硅基CMOS工艺的太赫兹集成电路因其在太赫兹片上系统上具有较低成本和较高集成度，近年来受到广泛的关注。本项目针对传统的CMOS太赫兹波探测器采用一个天线接收太赫兹波而无法实现超宽频带探测的问题，探索和研究了将不同中心频率的窄带探测器输出进行结合，实现超宽频带探测的太赫兹波探测器结构。项目对超宽频带太赫兹波探测器结构，高辐射效率、低面积、可嵌套式天线组以及高响应度场效应晶体管结构等关键科学技术问题进行了研究，摸索出一套基于CMOS工艺的超宽频带太赫兹波探测器的设计方法和实验方法。本项目提出了可嵌套式天线组结构，有效减少了探测器的面积；提出了具有低面积的类环形电感阻抗匹配网络结构，有效地提高了探测响应率；并对场效应晶体管结构进行了仿真优化设计。项目执行期间内，我们基于65nm CMOS工艺设计了一款150GHz-1500GHz的超宽频带太赫兹波探测器，探测器面积仅有244μm×244μm，在阵列实施中具有很大的优势，最终我们设计实现了一款3×3阵列的超宽频带太赫兹波探测芯片。项目期间发表论文8篇，申请专利6项，其中已授权专利1项。