太赫茲技術(shù)在安檢成像、無損檢測、雷達(dá)探測、生物醫(yī)療等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲探測器作為太赫茲技術(shù)的核心器件,一直受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。常用的室溫太赫茲檢測器有微測熱輻射計(jì)、高萊探測器、熱釋電探測器、肖特基二極管等。這些探測器技術(shù)存在著加工成本昂貴,工藝技術(shù)復(fù)雜,集成受限等問題,很大程度上限制了其在上述領(lǐng)域的應(yīng)用�；跇�(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝制備的硅基太赫茲探測器具有成本低、響應(yīng)速度快,集成度高、便于大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)勢,是實(shí)現(xiàn)小型化,高度集成化室溫太赫茲探測器的新發(fā)展領(lǐng)域。本論文利用表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制備了新型太赫茲雙頻探測器和1X 16探測器線陣,研究了其性能特性,深入探索了探測器線陣串?dāng)_的來源,提出優(yōu)化線陣性能的可行方案。本文所取得的主要研究成果包括:(1)利用集成電路工藝中的Poly-Si層和第六金屬層分別設(shè)計(jì)SPR天線和電波天線,成功制備了 CMOS太赫茲雙頻天線,從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面證實(shí)了該設(shè)計(jì)的可行性,實(shí)現(xiàn)了多頻太赫茲探測器緊湊型和微型化。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明:該天線可同時(shí)工作在波段220GHz和650GHz處,響應(yīng)靈敏度RV分別為2kV/W和0.45kV/W;噪聲等效功率NEP分別為23pW/Hz0.5和110 pW/Hz0.5。(2)設(shè)計(jì)制備了1×16 CMOS太赫茲探測器線陣。每個(gè)探測單元都集成了650GHz頻率的SPR天線、高性能非對稱結(jié)構(gòu)的MOSFET傳感器和閉環(huán)增益為40dB的低噪聲運(yùn)算放大器。實(shí)驗(yàn)測量了線陣中各探測器單管的響應(yīng)靈敏度RV及噪聲等效功率NEP。結(jié)果顯示:當(dāng)晶體管的柵源偏置電壓VGS為0.45V時(shí),其平均響應(yīng)靈敏度RV、平均噪聲等效功率NEP分別為163.5kV/W、58.9pW/Hz0.5,線陣整體的響應(yīng)靈敏度標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)V(RV)為17.46%,噪聲等效功率標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)V(NEP)為22.47%,線陣中各像元間的性能不均勻,存在串?dāng)_。利用anysoft HFSS仿真軟件,對線陣的串?dāng)_成因進(jìn)行探索。發(fā)現(xiàn)天線之間的串?dāng)_是由于高頻信號(hào)通過襯底Si材料傳輸造成。通過隔離襯底和天線或是減薄Si襯底可以有效的降低線陣串?dāng)_,保證各像元的均勻性。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN386
【部分圖文】：

圖１－１各波段電磁波譜逡逑太赫茲射線介于微波和紅外線之間，也叫Ｔ射線（Ｔ－Ｒａｙ），頻率范圍一般定逡逑為０．１ＴＨｚ－１０ＴＨＺｍ，如圖１－１所示。在光學(xué)領(lǐng)域稱之為遠(yuǎn)紅外線輻射，無線電逡逑物理領(lǐng)域又根據(jù)其波長小于毫米級(jí)稱為亞毫米波。很長時(shí)間以來，由于缺乏高發(fā)逡逑射率的太赫茲信號(hào)源以及高性能的探測器，導(dǎo)致該波段一直處于待研宄的狀態(tài)，逡逑沒能得到深入的探索和應(yīng)用，而被稱作“太赫茲空隙”（ＴＨｚＧａｐ）。隨著毫米波逡逑和紅外波段的發(fā)展日漸成熟，太赫茲波得到越來越多的關(guān)注和研究，現(xiàn)階段己經(jīng)逡逑成為科學(xué)界的熱點(diǎn)領(lǐng)域１２］＿［３］。太赫茲波段有著很多獨(dú)特的特性［４Ｈ５］，包括：逡逑（１）

基于０．１８｜ａｍＣＭＯＳ工藝設(shè)計(jì)并制備了基于ＳＰＲ天線的ＣＭＯＳ太赫茲探測器，實(shí)現(xiàn)逡逑對０．６５ＴＨＺ信號(hào)探測。逡逑圖１－２展示的是近年來各類型的太赫茲探測器單管和陣列性能對比圖。從圖逡逑中可以看出ＣＭＯＳ太赫茲探測器單管性能己經(jīng)超越了熱輻射計(jì)、熱釋電探測器和逡逑高萊管，其ＮＥＰ可以做到低于２０ｐＷ／ＨＺａ５的量級(jí)，接近于肖特基管探測器性能。逡逑而在太赫茲探測器陣列中，發(fā)展最為成熟是熱輻射計(jì)陣列，性能遠(yuǎn)超其他類型的逡逑探測器。ＣＭＯＳ探測器陣列還有待發(fā)展，性能遠(yuǎn)低于熱輻射計(jì)陣列和肖特基探測逡逑器陣列。但是，室溫工作以及成熟的集成工藝的優(yōu)勢，決定其在未來的應(yīng)用發(fā)展逡逑中擁有廣闊的前景和發(fā)展?jié)摿�。逡逑３逡�?

降低天線間的串?dāng)_，對比了引入細(xì)長蘑菇型電磁帶隙（ＥＭ－ＥＢＧ）、傳統(tǒng)蘑菇型逡逑電磁帶隙（ＣＭ－ＥＢＧ）以及不添加帶隙的天線陣列的耦合系數(shù)，表明電磁帶隙可逡逑以明顯的抑制天線間的電磁波傳播，達(dá)到降低串?dāng)_的作用，如圖１－３所示，在天逡逑線陣列引入ＥＭ－ＥＢＧ結(jié)構(gòu)后，其耦合系數(shù)從－１５必下降到－２８必。逡逑５逡逑

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