CN109378354A - 一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，由MOS管构成，所述MOS管包括有衬底层，所述衬底层上端面的一端设置有源极，另一端设置有漏极，所述衬底层上端面位于所述源极和漏极之间由下至上依次设置有沟道层和绝缘层，所述源极和漏极与所述的沟道层和绝缘层相连，所述的绝缘层的上端面等间隔的设置有光栅结构的栅极。本发明的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，利用光栅结构耦合空间中的太赫兹信号，并利用光栅结构的空隙对太赫兹信号进行衍射，从而达到增加局部太赫兹场强的效果。将NMOS/PMOS的栅极制备成光栅结构，能够有效的将空间中的太赫兹信号耦合至晶体管沟道，并在沟道中激发等离子体振荡，从而改变源漏之间的电流大小，实现太赫兹信号探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹探测器。特别是涉及一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz(即波长为3000μm～30μm)的电磁波(1THz＝1012Hz)，该波段处于微波和红外光之间的亚毫米波和远红外波段，属于前人研究较少的电磁波谱。太赫兹频段是电子学到光子学的过度频段，因此其拥有许多优良的特性，如宽频性、透视性、安全性等。在通信、化学、生物、医学、安全等领域有巨大的应用前景。
太赫兹探测器是太赫兹技术走向应用的重要一环，太赫兹探测器可大致分为相干探测和非相干探测。相干探测主要是利用太赫兹时域光谱系统，整体系统复杂且设备庞大，在应用上存在难度。基于非相干的直接探测技术种类繁多，由于集成电路是利用CMOS工艺进行制备，因此基于CMOS工艺的太赫兹探测器能够和读出处理电路相结合，具有易集成、低功耗、稳定性强、价格低廉等优点，是目前最具应用前景的探测器方向。
目前太赫兹光源的辐射功率较低，因此对太赫兹探测器提出了更高的要求。由于CMOS工艺的限制，片上天线存在损耗大、增益效率低等问题，基于CMOS工艺的热探测又存在吸收、耦合效率低等问题。因此在CMOS工艺上发展高耦合效率、低损耗、设计简单的太赫兹探测器尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高耦合效率、降低损耗的硅基光栅化栅极太赫兹探测器。
本发明所采用的技术方案是：一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，由MOS管构成，所述MOS管包括有衬底层，所述衬底层上端面的一端设置有源极，另一端设置有漏极，所述衬底层上端面位于所述源极和漏极之间由下至上依次设置有沟道层和绝缘层，所述源极和漏极与所述的沟道层和绝缘层相连，所述的绝缘层的上端面等间隔的设置有光栅结构的栅极。
所述的光栅结构的栅极包括有3条以上的栅极。
所述的栅极是多晶硅栅极，或是金属栅极。
所述MOS管的源极连接低噪声放大器的正向输入端，漏极接地，栅极连接输入电压。
所述的MOS管根据掺杂区域和杂质不同，构成NMOS管或PMOS管。
本发明的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，利用光栅结构耦合空间中的太赫兹信号，并利用光栅结构的空隙对太赫兹信号进行衍射，从而达到增加局部太赫兹场强的效果。将NMOS/PMOS的栅极制备成光栅结构，能够有效的将空间中的太赫兹信号耦合至晶体管沟道，并在沟道中激发等离子体振荡，从而改变源漏之间的电流大小，实现太赫兹信号探测。本发明具有如下有益效果：
(1)该技术避免了天线的使用，降低了设计复杂度；
(2)该技术是在晶体管的基础上直接进行结构修改，无需使用各种匹配网络，在太赫兹频段提高了耦合效率；
(3)该结构简单，尺寸较小，便于集成化、阵列化。
附图说明
图1是本发明的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器的结构示意图；
图2是本发明的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器的电路原理图。
图中
1：衬底层 2：沟道层
3：绝缘层 4：源极
5：漏极 6：栅极
7：太赫兹辐射 8：低噪声放大器
9：信号输出端
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器做出详细说明。
本发明的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，利用商用CMOS、BiCMOS工艺，制备NMOS/PMOS光栅化栅极太赫兹探测器，在NMOS和PMOS晶体管上对栅极结构进行改良，形成光栅结构。利用光栅化栅极的晶体管接收空间中的太赫兹信号，将其转化为源漏电流，在源/漏极后连接低噪声放大电路，将输出的电流信号进行整流和放大，得到后续读出电路可以使用的电压信号。输出电压信号为直流信号，其中直流信号的幅值大小与太赫兹信号的强度成正比，根据输出信号可以得到入射太赫兹信号的相关信息。
如图1所示，本发明的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，由MOS管构成，所述MOS管包括有衬底层1，所述衬底层1上端面的一端设置有源极4，另一端设置有漏极5，所述衬底层1上端面位于所述源极4和漏极5之间由下至上依次设置有沟道层2和绝缘层3，所述源极4和漏极5与所述的沟道层2和绝缘层3相连，所述的绝缘层3的上端面等间隔的设置有光栅结构的栅极。所述的光栅结构的栅极包括有3条以上的栅极6。所述的栅极6是多晶硅栅极，或是金属栅极。
所述的MOS管根据掺杂区域和杂质不同，构成NMOS管或PMOS管。
如图2所示，所述MOS管的源极4连接低噪声放大器8的正向输入端，漏极5接地，栅极6连接栅极输入电压。
本发明的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，利用栅极耦合太赫兹辐射后，在绝缘层下的沟道层中产生等离子体振荡，从而改变沟道中的电流分布，使源漏电流发生变化。同时通过尺寸的优化，光栅化的栅极的狭缝处会产生太赫兹信号的衍射，从而在局部增加太赫兹场强，提高等离子体的振荡强度，使得电流变化增大，进而提升探测器的响应度和灵敏度。
如图2中所示，在太赫兹辐射下源漏电流会发生变化，将漏极接地，源极连接低噪声放大电路(亦可互换)的正向输入端，反向输入端接地，利用低噪声放大电路将源漏电流的变化进行整流和放大，在输出端产生电压输出。该输出电压与太赫兹辐射的强度成正比，通过读输出电压的测量，可以得到入射太赫兹信号的强度信息，从而实现太赫兹探测。
由于本发明提出的太赫兹探测器是基于标准CMOS或标准SiGe BiCMOS工艺制备的，所以与标准CMOS、BiCMOS电路相兼容，可以将探测器和低噪声读出电路同时流片实现。
Claims (5)
1.一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，由MOS管构成，所述MOS管包括有衬底层(1)，其特征在于，所述衬底层(1)上端面的一端设置有源极(4)，另一端设置有漏极(5)，所述衬底层(1)上端面位于所述源极(4)和漏极(5)之间由下至上依次设置有沟道层(2)和绝缘层(3)，所述源极(4)和漏极(5)与所述的沟道层(2)和绝缘层(3)相连，所述的绝缘层(3)的上端面等间隔的设置有光栅结构的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，其特征在于，所述的光栅结构的栅极包括有3条以上的栅极(6)。
3.根据权利要求1所述的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，其特征在于，所述的栅极(6)是多晶硅栅极，或是金属栅极。
4.根据权利要求1所述的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，其特征在于，所述MOS管的源极(4)连接低噪声放大器(8)的正向输入端，漏极(5)接地，栅极(6)连接输入电压。
5.根据权利要求1所述的一种硅基光栅化栅极太赫兹探测器，其特征在于，所述的MOS管根据掺杂区域和杂质不同，构成NMOS管或PMOS管。
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