CN112436071A - 一种基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器，包括频率选择表面和光栅化栅极的MOS管；频率选择表面是一种二维周期单元形成的阵列结构的空间滤波器；每一个周期单元代表不同作用的频率选择表面单元；光栅化栅极的MOS管的栅极为光栅结构，金属源极经通孔与有源区连接；光栅化的栅极在耦合空间太赫兹辐射后，将空间太赫兹信号转化为交流电信号并传入MOS管的沟道中，在沟道中晶体管对交流信号检波，从而在漏极产生直流电信号，实现太赫兹信号探测。本发明通过频率选择表面可以很好地与光栅化栅极探测器相结合，同时对特定频段的太赫兹波有更高增益的响应。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹探测器技术领域，特别是涉及一种基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器。
背景技术
太赫兹(THz)波是指电磁辐射频率在0.1～10THz(即波长为3mm～30μm)的电磁波(1THz＝1012Hz)，该波段介于微波和红外光之间的亚毫米波和远红外波段，由于被研究开发较少，因此这一波段也被称为THz间隙。太赫兹波具有很好的穿透能力，可以穿透塑料、木材、陶瓷、皮草等大多数非金属材料，同时会被金属、毒品、爆炸物等吸收或反射，因此多用于机场安检、医学成像，天文、通信、生物、材料等分析。与X光成像相比，太赫兹成像由于其辐射光子能量较低，因而对生物组织比较安全；与毫米波成像相比，太赫兹成像由于其辐射波长较短，可以获得更高的分辨率。
近年来随着太赫兹辐射源及太赫兹探测器的发展，太赫兹技术得到了很大的应用，目前太赫兹探测器分为相干(超外差)探测和非相干(直接)探测，由于相干探测利用光的振幅、频率、相位携带的信息，检测时需要用光波相干原理，因此整个探测系统的设备庞大而复杂，集成度较低。而非相干检测是利用光强度携带的信息，将光强度转换为电信号，解调电路检出信息，因此集成度较高。非相干太赫兹功率探测器包括肖特基二极管探测器、辐射热测定器以及热电传感器，这些探测器多用于多像素太赫兹成像中。由于热时间常数的限制，后两种方式成像速度较慢，结合传统的CMOS工艺易集成、价格低廉、低功耗、稳定性强等优点，逐渐成为太赫兹探测器最具应用的方向。
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比较重要。同时目前受到太赫兹光源频率的限制，太赫兹探测器需要对某些特定频段的太赫兹波有较大的响应，因此设计频点可控的探测器尤为重要。
发明内容
本发明的目的是针对，而提供一种基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器，包括频率选择表面和光栅化栅极的MOS管；
所述的频率选择表面是一种二维周期单元形成的阵列结构的空间滤波器，与电磁波相互作用表现出带通或带阻的滤波特性；每一个周期单元代表不同作用的频率选择表面单元；通过改变不同结构的频率选择表面单元，对应得到不同作用的成像结构；
所述光栅化栅极的MOS管的栅极为光栅结构，其中金属源极经通孔与有源区连接；光栅化的栅极在耦合空间太赫兹辐射后，将空间太赫兹信号转化为交流电信号并传入MOS管的沟道中，在沟道中晶体管对交流信号检波，从而在漏极产生直流电信号，从而实现太赫兹信号探测。
其中，所述直流电信号大小与入射的太赫兹辐射强度成正比，根据输出的直流电信号可得到经过频率选择表面选择后想要的特定频段下太赫兹信号的相关信息。
其中，所述光栅化栅极的MOS管采用NMOS管或PMOS管。
本发明所提供的探测器，利用光栅化的NMOS/PMOS晶体管的栅极，耦合经过频率选择表面选择的特定频段的空间太赫兹信号，并将其转化为太赫兹频率的电流信号，该信号通过晶体管进行检波，最终在漏极产生直流电流输出。与传统的损耗大、增益低的片上天线相比，频率选择表面可以很好地与光栅化栅极探测器相结合，同时对特定频段的太赫兹波有更高增益的响应。
本发明的基于频率选择表面的光栅化栅极太赫兹探测器具有如下有益效果：(1)基于频率选择表面技术，利用频率选择表面结构的多样性，可以得到特定频段下太赫兹信号的相关信息；(2)是在晶体管的基础上直接进行结构修改，同时频率选择表面与光栅化栅极探测器之间无需使用各种匹配网络，在太赫兹频段提高了耦合效率；(3)结构简单，尺寸较小，可以将频率选择表面与探测器集成在一起，便于集成化、阵列化。
附图说明
图1是本发明提供的频率选择表面示意图。
图2-3分别是本发明提供的光栅化栅极太赫兹探测器剖面和俯视示意图。
图4是本发明提供的基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本发明基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器，包括：频率选择表面和光栅化栅极的MOS管，包含NMOS和PMOS；所述的频率选择表面，如图1所示，是一种二维周期阵列结构，本质上是一个空间滤波器，与电磁波相互作用表现出明显的带通或带阻的滤波特性。图1中每一个周期单元代表的是不同作用的频率选择表面单元。通过改变不同结构的频率选择表面单元，对应得到不同作用的成像结构。
本发明的光栅化栅极探测器如图2-3所示，将晶体管的栅极制备为光栅结构，其中金属源极通过通孔与有源区进行连接。光栅化的栅极在耦合空间太赫兹辐射后，将空间太赫兹信号转化为交流电信号，并传入NMOS管的沟道中，在沟道中晶体管对交流信号进行检波，从而在漏极产生直流电流信号，而输出的直流电压信号大小与入射的太赫兹辐射强度成正比。
如图4中所示，将针对不同的频段放置不同结构的频率选择表面分别与光栅化栅极探测器进行结合，即可得到特定频段下的成像系统。
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。
本发明利用光栅结构耦合经过频率选择表面选定的特定频率下的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源极，并在晶体管中产生太赫兹频段的交流电信号，利用晶体管的检波特性将太赫兹信号转化为直流电信号并通过漏极进行输出，从而实现太赫兹信号探测。
本发明利用商用CMOS、BiCMOS工艺，首先制备频率选择表面，频率选择表面的多样化可以对空间中的太赫兹波进行不同频率下的选择与分类，经过选择与分类后的太赫兹波辐射到光栅化栅极太赫兹探测器中，将NMOS或PMOS晶体管上的栅极结构进行光栅化，最后将其转化为太赫兹频率的交流电信号，通过晶体管检波，最终在漏极输出电压信号。
上述的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经过频率选择表面选择后想要的特定频段下太赫兹信号的相关信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器，其特征在于，包括频率选择表面和光栅化栅极的MOS管；
所述的频率选择表面是一种二维周期单元形成的阵列结构的空间滤波器，与电磁波相互作用表现出带通或带阻的滤波特性；每一个周期单元代表不同作用的频率选择表面单元；通过改变不同结构的频率选择表面单元，对应得到不同作用的成像结构；
所述光栅化栅极的MOS管的栅极为光栅结构，其中金属源极经通孔与有源区连接；光栅化的栅极在耦合空间太赫兹辐射后，将空间太赫兹信号转化为交流电信号并传入MOS管的沟道中，在沟道中晶体管对交流信号检波，从而在漏极产生直流电信号，从而实现太赫兹信号探测。
2.根据权利要求1所述基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器，其特征在于，所述直流电信号大小与入射的太赫兹辐射强度成正比，根据输出的直流电信号可得到经过频率选择表面选择后想要的特定频段下太赫兹信号的相关信息。
3.根据权利要求1所述基于频率选择表面的硅基光栅化栅极太赫兹探测器，其特征在于，所述光栅化栅极的MOS管采用NMOS管或PMOS管。
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