基于CMOS工艺的太赫兹热探测器关键技术的研究

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1、基于CMOS工艺的太赫兹热探测器关键技术的研究ResearchonthekeytechniquesofCMOSTHzthermaldetector学科专业：微电子学与固体电子学作者姓名：杨娇指导教师：陈霏讲师天津大学微电子学院二零一七年十一月摘要太赫兹（Terahertz，THz）波为频段在0.3THz到30THz之间一种电磁波，处于毫米波段和红外波段之间。因其有能量低，穿透力强，与宇宙星体的辐射波长相近等特点，使得太赫兹波的探测在安全监测，军事检查，宇宙检查等领域上有着广阔的发展前景。目前，大多数现有的太赫兹探测器受到半导体截止频率的限制，不能探测太赫兹的较高波段；为克服上

2、述存在的问题，本文提出了对基于标准CMOS工艺的太赫兹热探测器的研究和设计。本文提出的CMOS太赫兹热探测器采用“金属天线-电阻负载-温度传感电路”结构。可通过调节金属天线的尺寸使得探测器的工作频率覆盖到太赫兹波的任何波段。探测器在标准的0.18μmCMOS工艺下进行制造，工作在常温环境下。在基础理论的指导下，本文设计出“偶极子天线-多晶硅电阻-PTAT温度传感器”和“十字天线-多晶硅电阻-NMOS温度传感器”两种类型的探测器结构。首先，提出CMOS太赫兹探测器的原理，并构建其完备的理论分析模型。通过HFSS，COMSOL和Candece软件对热探测器工作过程中涉及到的天线辐

3、射吸收、热传递、温度传感三个物理过程进行建模仿真。通过仿真优化后，得出CMOS太赫兹热探测器最终的设计方案。然后，根据已有设计方案，对太赫兹探测器进行芯片设计。最后，将版图方案交付到工艺厂进行流片。本文设计的“偶极子天线-多晶硅电阻-PTAT温度传感器”型单元探测器经过仿真得出其响应率为18.5V/W，仿真得出的等效噪声功率为1.7μW/√Hz.。“十字天线-多晶硅电阻-NMOS温度传感器”型单元探测器的仿真响应率为8.6V/W，等效噪声功率为0.12μW/√Hz。最后，对流片返回的探测器芯片进行测试方案的设计、设计平台的搭建及初步测试，并进行结果分析。关键词：CMOS太赫兹

4、热探测器，太赫兹片上天线，非稳态热传递，温度传感IABSTRACTTerahertz(THz)waveiselectromagneticwavebetween0.3THzto30THz,locatingbetweenmillimeterwaveandinfraredwavelength.Thewaveislow-powerandstronglypenetrating.Itswavelengthisclosetoradiationwavelengthofcosmicobjects.Inrecentyears,therehasbeenanincreasinginterestinT

5、Hzapplicationslikesafetymonitoring,militaryexaminationanduniversalobservationduetoitsuniquecharacteristics.Atpresent,mostTHzdetectorslimitedbythesemiconductorcut-offfrequencycan’tdetecthigherterahertzwaveband.ToovercomethelimitationoftheTHzdetector,thispaperproposedanew-typethermalTHzdetect

6、orbasedonthestandardCMOStechnology.The“metalantenna-resistance-temperaturesensing”detectorstructurewasproposed.Thedetectorcancoveranybandoftheterahertzwave.Thedetectorisbasedonthestandard0.18μmCMOStechnology,whichworksatroomtemperature.Undertheguidanceofbasictheory,wedesigned"dipoleantenna-

7、polyresistance-PTATtemperaturesensor"and"crossantenna-polyresistance-NMOStemperaturesensor"twotypesofdetectorstructure.WiththehelpofHFSS,COMSOLandCandence,thephysicalmodelingofthedetectorincludingthemechanismoftheelectromagneticenergyabsorption,thetherma