CN105679778B - 一种太赫兹探测器芯片 - Google Patents
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Abstract
一种太赫兹探测器芯片，有：第一MOS探测管和第二MOS探测管，用于对第一MOS探测管和第二MOS探测管接收到的信号进行整流后输出的直流信号进行放大的低噪声放大器，第一MOS探测管和第二MOS探测管的漏极共同连接低噪声放大器的输入端，第一MOS探测管和第二MOS探测管的源极共同接地，第一MOS探测管的栅极通过第一阻抗匹配器连接第一片状天线，第二MOS探测管的栅极通过第二阻抗匹配器连接第二片状天线。本发明实现了天线、探测管和放大器的集成,从而实现了探测器的小型化，提高了探测器的成品率，降低了成本，实现了太赫兹波的双倍接收与转换，可将输出信号成倍提高，极大的降低了回波损耗，提高了信号功率的传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹探测器。特别是涉及一种基于等离子体效应的非谐振型的太赫兹探测器芯片。
背景技术
太赫兹波通常指的是频率在0.1THz---10THz范围内的电磁辐射。从频率看，该波段位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间，在电磁波频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个“空白”。究其缘由是因为在此频段上，即不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，从而也就形成了科学家们通常所说的“太赫兹空隙”。这一波段也成为电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。近十几年来，伴随着一系列的新技术、新材料的发展和应用，M.Dyakonov和M.S.Shur建立了二维电子流体等离子体太赫兹波的发射和探测理论后首先应用的器件结构是Ⅲ/Ⅴ族化合物器件HEMT，HEMT在低温下电子与声子杂质散射都很小，阻尼效应弱，易实现振荡型探测模式，而Si-FET阻尼效应强，故发展较晚。
半导体器件通常可以工作在几种不同的工作模式，提供不同的器件功能，与每种模式或功能所对应的极限频率是不同的，如放大工作模式则定义保持最低增益对应的极限频率，功率放大模式工作则定义保持最低功率增益对应的极限频率等。而现在用作太赫兹波检测的CMOS FET既不用在放大模式，又不在开关工作模式，故与CMOS FET放大性能相联系的截止频率无关。CMOS FET探测太赫兹波信号的原理或物理过程如下：在一定栅极电压作用下，CMOS FET栅极以下反型沟道实为一充满电子的二维电子气构成的等离子体，当电子密度很高时电子与声子的碰撞几率减小，电子与电子的碰撞几率增大，这种情况更接近流体，故可称为二维电子流体(二维电子气)。这种二维电子气当存在不稳定因素或外部刺激时会产生等离子体波，它是电子浓度变化形成的波(如空气分子密度变化形成声波)，这种波的传播速度(S)大于电子本身的运动速度(Ve)，其相应频率也高于因电子运动发生振荡的频率，其数量级多在100GHz——1000GHz范围内。当有外来的太赫兹信号进入此二维电子气时则可按照谐振和非谐振两种模式发生作用，通过对外来信号交流电流的整流作用可在源(S)与漏(D)之间产生电压USD，然后通过放大来探测出信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够极大的降低回波损耗，提高信号功率的传输效率的太赫兹探测器芯片。
本发明所采用的技术方案是：一种太赫兹探测器芯片，包括有：第一MOS探测管和第二MOS探测管，用于对第一MOS探测管和第二MOS探测管接收到的信号进行整流后输出的直流信号进行放大的低噪声放大器，所述第一MOS探测管和第二MOS探测管的漏极共同连接用于对第一MOS探测管和第二MOS探测管输出的低频信号进行放大的低噪声放大器的输入端，所述所述第一MOS探测管和第二MOS探测管的源极共同接地，所述第一MOS探测管的栅极通过第一阻抗匹配器连接第一片状天线，所述第二MOS探测管的栅极通过第二阻抗匹配器连接第二片状天线。
所述的第一MOS探测管和第二MOS探测管结构相同均采用NMOS管，均包括有：n型掺杂区，设置在n型掺杂区上端的多晶硅层，设置在n型掺杂区上端并分别位于所述多晶硅两侧的第一金属层和第二金属层，用于n型掺杂区分别与第一金属层和第二金属层相连接的第一通孔，以及用于n型掺杂区与多晶硅层相连接的第二通孔，其中，所述的多晶硅层构成NMOS管的栅极，所述的第一金属层或第二金属层构成NMOS管的源极，所述第二金属层或第一金属层构成NMOS管的漏极，所述第一金属层和第二金属层均为同一金属层。
所述的第一MOS探测管和第二MOS探测管结构相同均采用PMOS管，均包括有：位于最低层的N阱层，设置在所述N阱层上端的p型掺杂区，设置在p型掺杂区上端的多晶硅层，设置在p型掺杂区上端并分别位于所述多晶硅两侧的第一金属层和第二金属层，用于p型掺杂区分别与第一金属层和第二金属层相连接的第一通孔，以及用于p型掺杂区与多晶硅层相连接的第二通孔，其中，所述的多晶硅层构成PMOS管的栅极，所述的第一金属层或第二金属层构成PMOS管的源极，所述第二金属层或第一金属层构成PMOS管的漏极，所述第一金属层和第二金属层均为同一金属层。
本发明的一种太赫兹探测器芯片，具有如下有益效果：
1、THz波的波长处于微波及红外光之间，它和物质的相互作用具有独特的物理机制，并呈现出很多新的特点。由于0.3太赫兹—10太赫兹波能够很强的穿透像塑料、纸、木料、人体、大气等一类物质，因此它可以广泛应用于安保扫描、射电天文、生物遥感、生产监控等领域，具体分类可以包括邮件扫描、纸类生产、塑料焊接检测、古画分析、人体透视、食品质量检测、皮肤癌分类等。
2、太赫兹波光子能量低，因此一般不会对生物组织产生有害的电离，特别适合于对生物组织进行无损的活体检查。如利用THz时域谱技术研究各种生物样品的特性，进行DNA合蛋白质的鉴别和结构分析等。
3、太赫兹探测器芯片化，实现了天线、探测管和放大器的集成,从而实现了探测器的小型化，提高了探测器的成品率，降低了成本。
4、本结构采用双天线双探测管结构，实现了太赫兹波的双倍接收与转换，可将输出信号成倍提高。
5、在天线与探测管之间进行了阻抗匹配，极大的降低了回波损耗，提高了信号功率的传输效率。
附图说明
图1是本发明一种太赫兹探测器芯片的整体结构示意图；
图2是本发明一种太赫兹探测器芯片中MOS探测管第一实施例的结构示意图；
图3是本发明一种太赫兹探测器芯片中MOS探测管第二实施例的结构示意图。
图中
1：低噪声放大器 2：第一片状天线
3：第一阻抗匹配器 4：第一MOS探测管
5：第二MOS探测管 6：第二阻抗匹配器
7：第二片状天线 101：n型掺杂区
102a：第一金属层 102b：第二金属层
103：多晶硅 104：第一通孔
105：第二通孔 201：p型掺杂区
202a：第一金属层 202b：第二金属层
203：多晶硅层 204：第一通孔
205：第二通孔 206：N阱层
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种太赫兹探测器芯片做出详细说明。
本发明的一种太赫兹探测器芯片，包括两个结构相同的天线和阻抗匹配器、两个尺寸相同MOS探测管和一个低噪声放大器。
如图1所示，本发明的一种太赫兹探测器芯片，包括有：第一MOS探测管4和第二MOS探测管5，用于对第一MOS探测管4和第二MOS探测管5接收到的信号进行整流后输出的直流信号进行放大的低噪声放大器1，低噪声放大器1的工作频率取决于接收信号的频率。所述第一MOS探测管4和第二MOS探测管5的漏极共同连接用于对第一MOS探测管4和第二MOS探测管5输出的低频信号进行放大的低噪声放大器1的输入端，所述第一MOS探测管4和第二MOS探测管5的源极共同接地，所述第一MOS探测管4的栅极通过第一阻抗匹配器3连接第一片状天线2，所述第二MOS探测管5的栅极通过第二阻抗匹配器6连接第二片状天线7。本发明实施例中，所述的第一片状天线2和第二片状天线7是采用太赫兹天线。太赫兹天线的作用是接收太赫兹信号。
由于本发明的一种太赫兹探测器芯片的结构与标准SiGe BiCMOS和标准CMOS工艺兼容，所以可在制备SiGeBiCMOS和标准CMOS电路的过程中同时实现太赫兹探测器。
如图2所示，所述的第一MOS探测管4和第二MOS探测管5结构相同均采用NMOS管，均包括有：n型掺杂区101，设置在n型掺杂区101上端的多晶硅层103，设置在n型掺杂区101上端并分别位于所述多晶硅103两侧的第一金属层102a和第二金属层102b，用于n型掺杂区101分别与第一金属层102a和第二金属层102b相连接的第一通孔104，以及用于n型掺杂区101与多晶硅层103相连接的第二通孔105，其中，所述的多晶硅层103构成NMOS管的栅极，所述的第一金属层102a或第二金属层102b构成NMOS管的源极，所述第二金属层102b或第一金属层102a构成NMOS管的漏极，所述第一金属层202a和第二金属层202b均为同一层金属即金属层，其源极和漏极结构完全相同，可以互换。
1、将两个由NMOS管构成的第一MOS探测管4和第二MOS探测管5的源极通过第一通孔104接地；漏通过第一通孔104接在一起，接到低噪声放大器的输入端；
2、将两个由NMOS管构成的第一MOS探测管4和第二MOS探测管5的栅极通过第二通孔105连到金属层，然后通过金属层间通孔连到由上层金属制作的阻抗匹配器和片状天线上，阻抗匹配器和片状天线使用同一层非第一金属层(202a)和第二金属层(202b)的金属层的顶层金属层。
如图3所示，所述的第一MOS探测管4和第二MOS探测管5结构相同均采用PMOS管，均包括有：位于最低层的N阱层206，设置在所述N阱层206上端的p型掺杂区201，设置在p型掺杂区201上端的多晶硅层203，设置在p型掺杂区201上端并分别位于所述多晶硅203两侧的第一金属层202a和第二金属层202b，用于p型掺杂区201分别与第一金属层202a和第二金属层202b相连接的第一通孔204，以及用于p型掺杂区201与多晶硅层203相连接的第二通孔205，其中，所述的多晶硅层203构成PMOS管的栅极，所述的第一金属层202a或第二金属层202b构成PMOS管的源极，所述第二金属层202b或第一金属层202a构成PMOS管的漏极，所述第一金属层202a和第二金属层202b均为同一金属层。
1、首先将p型掺杂区201裸片放入通有氧气的高温炉内一定时间，得到厚氧化层，光刻后形成隔离区；
2、再将晶圆放入通有氧气的高温炉内一定时间，得到栅氧化层；
3、然后沉积多晶硅，光刻后形成多晶硅条203；
4、在其他区域被掩模保护的情况下，通过自对准工艺形成轻掺杂的n型硅层源极、漏极(源极和漏极可互换)。
Claims (3)
1.一种太赫兹探测器芯片，其特征在于，包括两个结构相同的天线和阻抗匹配器、两个尺寸相同MOS探测管和一个低噪声放大器，具体包括有：第一MOS探测管（4）和第二MOS探测管（5），用于对第一MOS探测管（4）和第二MOS探测管（5）接收到的信号进行整流后输出的直流信号进行放大的低噪声放大器（1），所述第一MOS探测管（4）和第二MOS探测管（5）的漏极共同连接用于对第一MOS探测管（4）和第二MOS探测管（5）输出的低频信号进行放大的低噪声放大器（1）的输入端，所述第一MOS探测管（4）和第二MOS探测管（5）的源极共同接地，所述第一MOS探测管（4）的栅极通过第一阻抗匹配器（3）连接第一片状天线（2），所述第二MOS探测管（5）的栅极通过第二阻抗匹配器（6）连接第二片状天线（7）。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹探测器芯片，其特征在于，所述的第一MOS探测管（4）和第二MOS探测管（5）结构相同均采用NMOS管，均包括有：n型掺杂区（101），设置在n型掺杂区（101）上端的多晶硅层（103），设置在n型掺杂区（101）上端并分别位于所述多晶硅（103）两侧的第一金属层（102a）和第二金属层（102b），用于n型掺杂区（101）分别与第一金属层（102a）和第二金属层（102b）相连接的第一通孔（104），以及用于n型掺杂区（101）与多晶硅层（103）相连接的第二通孔（105），其中，所述的多晶硅层（103）构成NMOS管的栅极，所述的第一金属层（102a）或第二金属层（102b）构成NMOS管的源极，所述第二金属层（102b）或第一金属层（102a）构成NMOS管的漏极，所述第一金属层（202a）和第二金属层（202b）均为同一金属层。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹探测器芯片，其特征在于，所述的第一MOS探测管（4）和第二MOS探测管（5）结构相同均采用PMOS管，均包括有：位于最底层的N阱层（206），设置在所述N阱层（206）上端的p型掺杂区（201），设置在p型掺杂区（201）上端的多晶硅层（203），设置在p型掺杂区（201）上端并分别位于所述多晶硅（203）两侧的第一金属层（202a）和第二金属层（202b），用于p型掺杂区（201）分别与第一金属层（202a）和第二金属层（202b）相连接的第一通孔（204），以及用于p型掺杂区（201）与多晶硅层（203）相连接的第二通孔（205），其中，所述的多晶硅层（203）构成PMOS管的栅极，所述的第一金属层（202a）或第二金属层（202b）构成PMOS管的源极，所述第二金属层（202b）或第一金属层（202a）构成PMOS管的漏极，所述第一金属层（202a）和第二金属层（202b）均为同一金属层。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190222 Termination date: 20200304 |