基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器，包括硅衬底和设置于硅衬底上的带阻天线和温度传感器；硅衬底由多晶硅电阻；带阻天线为多晶硅环形天线、多晶硅十字结构天线和多晶硅偶极子天线；多晶硅偶极子天线的臂长H，宽度W，两臂之间的间隙gap和工作频率f，组成数组(H，W，gap，f)，取值范围为(

Terahertz wave thermal detector for polysilicon antenna coupling based on CMOS process

The invention discloses a terahertz antenna coupling process of polysilicon CMOS heat wave detector based on including bandstop antenna and temperature sensor is arranged on the silicon substrate and silicon substrate; silicon substrate by polysilicon resistor; band antenna loop antenna, polysilicon polysilicon and polysilicon antenna structure cross dipole antenna; poly dipole antenna arm long H, width W, the gap between the arms gap and f operating frequency, form an array (H, W, gap, f), the range (

【技术实现步骤摘要】
基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器
本专利技术涉及半导体电磁波探测领域，特别是涉及一种基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器。
技术介绍
太赫兹(Terahertz，THz)波是指一种定义(广义上)在0.3THz到30THz之间电磁波。在这个频段的电磁波相较于x射线，能量较低。相较于可见光来说，穿透能力更强。这些特性使得太赫兹成像在安全监测领域有很大的发展前景。太赫兹探测技术作为太赫兹成像的基础技术，近年来研究趋势不断增长。目前，太赫兹探测器的种类有：天线耦合的场效应晶体管自混合探测器、天线耦合的肖特基二极管探测器、量子阱探测器、异质结探测器和天线耦合的太赫兹热探测器。其中，场效应晶体管和肖特基二极管探测器这两种探测器都因为受到MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)管截止频率的限制，导致只可探测的处于较低波段的太赫兹波。量子阱探测器和异质结探测器，性能相对较好，但是都是在异质结的工艺下制造的，成本相对较高，很难大量生产。集成了测辐射热计的热探测器，应用到超导材料，成本也很高；MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)工艺制成的热探测器，工艺复杂成本高，无法大量生产。而基于CMOS标准工艺的太赫兹热探测器，结构模型还不够完善，并且响应率较低，还需要进一步的改善。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器，利用天线接收特定频率的电磁波，将电磁能量转化为热量，再通过温度传感器将热量转化为电信号输出，能探测到高波段的太赫兹波。为此，本专利技术的技术方案如下：一种基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器，包括硅衬底、和设置于所述硅衬底上的带阻天线和温度传感器；所述硅衬底由多晶硅电阻，利用CMOS标准工艺制成；所述带阻天线为多晶硅环形天线、多晶硅十字结构天线和多晶硅偶极子天线；所述多晶硅偶极子天线的臂长H，宽度W，两臂之间的间隙gap和工作频率f，组成数组(H，W，gap，f)，取值范围为(H/40～H/4，H/40～H/6，f)；所述多晶硅十字结构天线的臂长H，宽度W，相对两臂间隙gap和工作频率f可组成成数组(H，W，gap，f)，取值范围为(H/40～H/4，H/40～H/6，f)；所述多晶硅环形天线的半径R，宽度W和频率f组成数组(R，W，f)，取值范围为(H/40～H/4，f)。进一步，多晶硅偶极子天线和多晶硅十字结构天线来说，H尺寸为1.23～250μm，对于多晶硅环形天线来说，R尺寸为0.7～159.1μm。可以对应0.3THz～30THz之间的频段。但是由于在CMOS工艺中，天线周围充满二氧化硅介质，且制作与硅衬底之上。受到二氧化硅，和硅的影响，多晶硅天线受到尺寸调节后，可以将频率调节到0.3THz～30THz，但不能涉及到其中的每个频点。进一步，所述温度传感器为栅极和漏极连接的NMOS管或二极管；所述NMOS管的漏极端外接恒流电流电源，源极端(S)接地，输出电压Vout为探测太赫兹最后输出的电信号。NMOS管在CMOS工艺的衬底上制造，置于距离多晶硅天线可允许的最近距离处。本申请提供的基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器可组合使用。基于CMOS工艺下的“多晶硅天线-温度传感”的太赫兹热探测结构，有以下几点益处：1)基于CMOS标准工艺，制造简单，成本低，易于实现探测器的小型化和集成化。2)采用具有特定频率吸收特性的带阻天线，可以吸收指定频率的太赫兹波，具有频率选择性，并且增加天线的热损耗，增大天线产生的热量，提高温升，有助于提升探测器的响应率。附图说明图1为实施例1中的2.68THz环形天线耦合的太赫兹波热探测器的结构图；图2为探测器原理图；图3为环形天线，十字天线，偶极子天线的结构和参数示意图；图4为可选用的温度传感器结构图。图5a为实施例1中提供的太赫兹波热探测器的环形天线S参数仿真图；图5b为实施例2中提供的太赫兹波热探测器的环形天线S参数仿真图；图5c为实施例3中提供的太赫兹波热探测器的十字天线S参数仿真图；图5d为实施例4中提供的太赫兹波热探测器的偶极子形天线S参数仿真图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的技术方案进行详细描述。实施例1本实施例提供探测频率为2.68THz的太赫兹波热探测器，天线为环形结构，温度传感器以栅漏短接的NMOS管103。带阻天线102为环形天线制作在硅衬底101之上，材料由多晶硅(poly)制成，其环形外径半径为21um，环形宽度为2.8um，厚度为多晶硅的固定厚度0.2um。(注：此处说明的环形是接近圆环的八边形环)。栅源短接的NMOS管在环形内部空心部分，距离环形天线0.26um。图5a为在以CMOS硅环境作为仿真环境的环形多晶硅天线的S参数的仿真结果。从图中可以看出S参数的中心频率为2.68THz。2.68THz处的S参数<-15dB，符合对天线S参数的要求。实施例2本实施例提供探测频率为29.6THz，由带阻天线102为环形多晶硅天线和NMOS管温度传感器组成的太赫兹探测器，环形天线由衬底上的多晶硅制成，其环形外径R为0.8um，宽度W为0.24um，厚度为多晶硅的固定厚度0.2um。用于温度传感的NMOS管则位于环形天线旁边，距离环形天线的一边0.26um。图5b为在以CMOS硅环境作为仿真环境的环形多晶硅天线的S参数的仿真结果。从图中可以看出S参数的中心频率为29.6THz。另外，探测器的耦合天线还可以换成不同尺寸十字天线，偶极子天线。传感器可以根据需要换成二极管，PTAT传感电路。实施例3本实施例提供探测频率为6.48THz十字多晶硅天线和NMOS管温度传感器组成的太赫兹探测器，十字天线由衬底上的多晶硅制成，其单个臂长为3um，宽度W为0.24um，每两个臂长之间的距离gap为1.6um，厚度为固定厚度0.2um。NMOS管温度传感器则位于十字天线旁0.26um处。从图5c中可以看出，以CMOS硅环境作为仿真环境的十字多晶硅天线的S参数的中心频率为6.48THz，即天线的工作频率为6.48THz。实施例4本实施例提供探测频率为耦合16.29THz天线的NMOS管温度传感器，偶极子天线由衬底上的多晶硅制成，单个臂长为3um，宽度W为0.24um，两个臂长之间的距离gap为0.24um，厚度为固定厚度0.2um。NMOS管温度传感器则位于偶极子天线旁0.26um处。从图5d中可以看出，CMOS太赫兹天线的S参数中心频率及天线的工作频率为16.29THz。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器，包括硅衬底(101)、和设置于所述硅衬底(101)上的带阻天线(102)和温度传感器(103)；其特征在于：所述硅衬底(101)由多晶硅电阻，利用CMOS标准工艺制成；所述带阻天线(102)为多晶硅环形天线、多晶硅十字结构天线和多晶硅偶极子天线；所述多晶硅偶极子天线的臂长H，宽度W，两臂之间的间隙gap和工作频率f，组成数组(H，W，gap，f)，取值范围为

【技术特征摘要】
1.一种基于CMOS工艺的多晶硅天线耦合的太赫兹波热探测器，包括硅衬底(101)、和设置于所述硅衬底(101)上的带阻天线(102)和温度传感器(103)；其特征在于：所述硅衬底(101)由多晶硅电阻，利用CMOS标准工艺制成；所述带阻天线(102)为多晶硅环形天线、多晶硅十字结构天线和多晶硅偶极子天线；所述多晶硅偶极子天线的臂长H，宽度W，两臂之间的间隙gap和工作频率f，组成数组(H，W，gap，f)，取值范围为所述多晶硅十字结构天线的臂长H，宽度W，相对两臂间隙gap和工作频率f可组成成数组(H，W，gap，f)，取值范围为所述多晶硅环形天线的半径R，宽度W和频率f组成数组(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈霏，杨娇，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12