CN109781255B - 基于超材料的金属栅mosfet栅极光栅化的探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的探测器包括基于超材料的具有光栅化栅极结构及其各种不同光栅图案形式的金属栅MOSFET，金属栅MOSFET的栅极与第一偏置电阻和第一偏置电压相连，金属栅MOSFET源极接地，金属栅MOSFET漏极与第一隔直电容相连，第一隔直电容与低噪声前置放大器相连，低噪声前置放大器与第一隔直电容之间相连有第二偏置电阻和第二偏置电压。本发明技术方案能够完全吸收特定频段的太赫兹波并产生共振，其共振响应速度属于超高速响应，可在极短时间内产生响应信号，极大提高响应速度；通过改变该光栅结构和超材料参数可调控对应的太赫兹波的吸收频段和强度，实现太赫兹探测器在太赫兹波段响应范围拓展，提高太赫兹探测器的探测灵敏度。

Description

基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的探测器
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别涉及基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的探测器。
背景技术
太赫兹波是电磁波谱上介于微波与红外光之间的电磁波，其频率为0.1～10THz且波长对应3mm～30μm。
太赫兹技术是目前信息科学技术研究的前沿与热点领域之一，近几年来受到世界各国研究机构广泛关注，其中美、日、欧等发达国家先后将太赫兹技术评定为“改变未来世界的十大技术”和“国家支柱技术十大重点战略目标”，因此投入巨资来夯实在太赫兹技术领域的国际地位。
太赫兹技术由于具备广泛的应用前景，可在天体物理学、材料科学、生物医学、环境科学、光谱与成像技术、信息科学技术等领域有着广泛应用，因此太赫兹技术能够显著提升我国在航空航天、空间通信、生物医疗、甚至是食品检测等方面实力。
然而现有技术中，作为太赫兹技术应用基础的太赫兹探测器是太赫兹安防、检测的关键部件，但目前基于现有技术的太赫兹探测器普遍存在响应速度慢、探测灵敏度低等诸多缺点，这很大程度限制了太赫兹技术的集成应用和发展。基于光栅化栅极的HEMT进行太赫兹探测已被证明是非常切实可行，但由于HEMT工艺与CMOS工艺不兼容，而太赫兹探测器的读出电路和信号处理电路等基本上都是用CMOS工艺来实现。现在太赫兹探测器的发展趋势是小型化和高集成度，因此发展基于CMOS兼容工艺的室温太赫兹探测器及太赫兹源是太赫兹探测和阵列成像以实现低成本的全集成是当前的研究热点。HEMT与传统MOSFET的最大差别之一就是HEMT采用金属栅，而传统的MOSFET采用多晶硅栅极。从2014年之后金属栅的MOSFET成为CMOS的主流，本发明创新地将HEMT太赫兹探测器中的关键点--光栅化栅极引入到金属栅极的MOSFET中，使得MOSFET像HEMT一样来探测太赫兹成为现实。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器，旨在提高CMOS太赫兹探测器的响应速度和探测灵敏度。
为实现上述目的，本发明提出的基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的探测器，包括基于超材料的具有光栅化栅极结构及其各种不同光栅图案形式的金属栅MOSFET，所述金属栅MOSFET的栅极与提供直流电源的第一偏置电阻和第一偏置电压相连，所述金属栅MOSFET的源极接地，所述金属栅MOSFET的漏极与第一隔直电容相连，所述第一隔直电容与低噪声前置放大器相连，所述低噪声前置放大器与所述第一隔直电容之间还相连有用于提供直流电源的第二偏置电阻和第二偏置电压。
优选地，所述低噪声前置放大器还相连有电压反馈回路。
优选地，所述电压反馈回路包括与所述低噪声前置放大器两端相连的第一电阻，所述第一电阻与所述低噪声前置放大器负极相连的左端部还依次相连第二电阻、第二隔直电容以及接地，所述第一电阻右端还依次相连第三隔直电容以及接地。
优选地，所述金属栅MOSFET的光栅图案结构在横向以不同类型或相同类型进行周期性变化，单列纵向的光栅图案结构为相同或不相同。
优选地，所述金属栅MOSFET的光栅图案结构在横向为非周期性变化，单列纵向的光栅图案结构为相同或不相同。
本发明技术方案相对现有技术具有以下优点：
本发明技术方案的基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器采用基于硅基的CMOS工艺，这样可使得太赫兹探测器与太赫兹探测器相连的读出电路和信号处理电路等后端电路能够实现高度集成以及大规模量产，进而缩减太赫兹探测器的制造成本。
本发明技术方案的基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器可通过调节光栅结构参数(光栅的宽度、长度、区域面积和图案形式)和超材料参数(超材料的结构、尺寸、介质层厚度和介电常数等参数)，以调控对应太赫兹波的吸收频段和吸收强度，实现太赫兹探测器在太赫兹波段响应范围的拓展，提高太赫兹探测器的探测灵敏度，最终实现窄带甚至点频的太赫兹探测。
本发明技术方案的基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器采用光栅化金属栅极结构，因此可实现对待测的微弱太赫兹信号进行空间能量增强，最终有效地探测到太赫兹信号。
本发明技术方案的基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器可通过改变超材料层的参数(超材料的结构、尺寸、介质层厚度和介电常数等参数)，使得基于超材料层的周期性或非周期性光栅化结构具有完全吸收对应频段太赫兹波能力，太赫兹探测器一旦与对应频段的太赫兹波产生共振，其共振响应速度属于超高速响应，使太赫兹探测器可以在极短时间内产生响应信号，极大地提高太赫兹探测器响应速度。
另外本发明技术方案的基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器无需使用天线，可有效避免片上天线损耗大、增益和辐射效率低以及通过DRC设计规则验证难度大等问题。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器的电路结构示意图；
图2为本发明实施例1光栅化金属栅MOSFET的结构示意图；
图3为本发明实施例2光栅化金属栅MOSFET的结构示意图；
图4为本发明实施例3光栅化金属栅MOSFET的结构示意图。
附图标号说明：
Figure BDA0001918059310000031
Figure BDA0001918059310000041
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器。
实施例1
请参见图1和图2，本发明实施例的基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器，金属栅MOSFET 3的栅极33的一端与第一偏置电阻2相连，第一偏置电阻2与第一偏置电压1相连，这样可为金属栅MOSFET 3的栅极33提供直流供电。
金属栅MOSFET 3的源极31接地，金属栅MOSFET 3的漏极32与第一隔直电容4相连，第一隔直电容4还与低噪声前置放大器7相连，低噪声前置放大器7与第一隔直电容4之间相连有第二偏置电阻6，并且第二偏置电阻6与第二偏置电压5相连，因此可通过第二偏置电压5以及第二偏置电阻6为低噪声前置放大器7供电，另外低噪声前置放大器7还电连接有电压反馈回路。其中本实施例的电压反馈回路的第一电阻8的左端与低噪声前置放大器7的负极端相连，而第一电阻8的右端与低噪声前置放大器7的工作端相连，第一电阻8左端还依次与第二电阻9、第二隔直电容10以及接地12相连，而第一电阻8右端还与第三隔直电容11以及接地12相连，通过改变第一电阻8和第二电阻9的阻值可以实现低噪声前置放大器7增益的调节
如图2所示，本实施例的光栅化金属栅MOSFET 3为基于超材料且其光栅图案结构在在横向为周期性交替变化，在单列纵向为连续结构。本实施例的光栅化金属栅MOSFET 3在横向以两种不同类型的光栅图案交替变化，而在单列中只有一个连续单元结构，该两种图案的之间周期为W1，因此本发明技术方案可通过调节金属栅MOSFET 3的栅极33的光栅结构参数，例如光栅的宽度、长度、区域面积和图案形式以及超材料的参数，例如超材料的结构、尺寸、介质层厚度和介电常数等参数，以适应性地调控对应太赫兹波的吸收频段和吸收强度，实现太赫兹探测器在太赫兹波段响应范围的拓展，提高太赫兹探测器的探测灵敏度，可以实现窄带(甚至点频)太赫兹探测。
与此同时，本发明实施例的基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的太赫兹探测器的输出电压信号为直流电压信号，该直流电压信号的大小与太赫兹信号的辐射强度成正比，因此根据太赫兹探测器输出电压信号的大小得到入射太赫兹信号的强度信息，最终实现太赫兹探测。
实施例2
请参见图3，本实施例与实施例1存在的区别是，本实施例的金属栅MOSFET为基于超材料且光栅图案的结构在横向为相同单元结构进行周期性变化，并且单列纵向多个间断的相同单元结构进行变化，也就是每行以及单列的光栅图案均为相同，与此同时，每列的光栅图案的周期为W2。
实施例3
请参见图4，本实施例与实施例2存在的区别是，本实施例的金属栅MOSFET为基于超材料且光栅图案的结构在横向为非周期性变化，但在单列纵向为单类图案进行周期变化，也就是在同一列的光栅图案为相同图案。具体地，本实施例的金属栅MOSFET包括4种不同的光栅图案，并且四种图案之间周期为W3、W4、W5。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.基于超材料的金属栅MOSFET栅极光栅化的探测器，其特征在于，包括基于超材料的具有光栅化栅极结构及其各种不同光栅图案形式的金属栅MOSFET，所述金属栅MOSFET的栅极通过第一偏置电阻与提供直流电源的第一偏置电压相连，所述金属栅MOSFET的源极接地，所述金属栅MOSFET的漏极与第一隔直电容相连，所述第一隔直电容与低噪声前置放大器相连，所述低噪声前置放大器与所述第一隔直电容之间通过第二偏置电阻还相连有用于提供直流电源的第二偏置电压，所述探测器的输出电压信号为直流电压信号，所述直流电压信号的大小与所述探测器信号的辐射强度成正比，所述探测器通过调节金属栅MOSFET栅极的光栅化结构参数和超材料参数实现太赫兹波段响应范围的调节，所述光栅化结构参数包括光栅的宽度、长度、区域面积和图案形式，所述超材料参数包括超材料的结构、尺寸、介质层厚度和介电常数。
2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述低噪声前置放大器还相连有电压反馈回路。
3.如权利要求2所述的探测器，其特征在于，所述电压反馈回路包括与所述低噪声前置放大器两端相连的第一电阻，所述第一电阻与所述低噪声前置放大器负极相连的左端部还依次相连第二电阻、第二隔直电容以及接地，所述第一电阻右端还依次相连第三隔直电容以及接地。
4.如权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述金属栅MOSFET的光栅图案结构在横向以不同类型或相同类型进行周期性变化，单列纵向的光栅图案结构为相同或不相同。
5.如权利要求3所述的探测器，其特征在于，所述金属栅MOSFET的光栅图案结构在横向为非周期性变化，单列纵向的光栅图案结构为相同或不相同。
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