CN110274889B - 基于表面等离子体共振天线的多通道太赫兹光谱探测单元 - Google Patents
基于表面等离子体共振天线的多通道太赫兹光谱探测单元 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于表面等离子体共振天线的多通道太赫兹光谱探测单元。该探测单元包括表面等离子体共振天线和晶体管；表面等离子体共振天线由两个对称设置的天线单元构成，天线单元包括半圆形的头部和矩形的杆部，杆部与头部在半圆形的圆心处垂直连接；晶体管设置在两个天线单元的杆部之间且垂直于天线单元所在的平面；晶体管的栅极与共振天线位于同一金属层。由上述探测单元构成的多通道太赫兹光谱探测芯片，不仅能实现对多波长太赫兹信号进行探测，同时实现了太赫兹波段的单频分光，能大幅度提高光谱探测效率，具有体积小、重量轻、高精度、高频响，高可靠、长寿命、低功耗、低成本等突出优势，有利于实现光谱探测***的微型化与小型化。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波检测技术领域，具体涉及一种可以实现多通道同时检测的太赫兹光谱探测芯片。
背景技术
太赫兹波通常指的是频率在0.1THz～1THz之间的电磁波，其波段介于微波和红外光之间。太赫兹光谱信息能同时获得物质的光学幅值和相位信息，在安全检查、无损检测、生物医学、化学分析、通信与国防等领域有着广泛应用前景。
太赫兹光谱探测***是太赫兹光谱信息获取的主要渠道。常见的太赫兹光谱探测***采用飞秒脉冲产生时间分辨的太赫兹电场，通过扫描探测激光和太赫兹脉冲相对时间延迟获得太赫兹电场强度随时间变化，最后通过傅里叶变换获得待测物体的光谱分布。这种光谱分析***对光学元件和机械加工精度要求较高，并且稍微的抖动可能导致较大的探测误差，稳定性较差，结构和***复杂，在很大程度上限制了太赫兹光谱的应用范围；另一方面，太赫兹光谱分析***还可以通过分光部件选取特定波长的入射光信号，通过太赫兹探测器获得待测信号的响应强度。然而，上述***通常仅含有一个探测通道，一次只能对一种波长光信号进行探测，这在很大程度上限制了这类光学分析***的探测效率。
多通道太赫兹探测***可以将单一通道光谱探测芯片拼装，利用机械结构转动探测芯片来实现不同探测通道之间的切换，但这种***只能对各通道依次测量，不能实现真正意义上的多通道同时探测，其测量耗时长，速度慢，且各通道样品反应时间不一致。目前，有文献提出了基于集成电路工艺的多通道太赫兹阵列探测器，利用响应波段不同的贴片天线实现对太赫兹波段的选频，在0.2THz～4.3THz的频率范围内，可实现同时探测11个不同频段的太赫兹信号(CMOS integrated antenna-coupled fied-effect transistors forthe detection of radiation from 0.2to 4.3THz[J].IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,2012,(60):3834-3843)。但这种贴片天线的响应波段的平均间隔为400GHz，较大的频率间隔使得该种太赫兹探测器不能用于太赫兹光谱的检测。为了高效地实现太赫兹检测功能，检测单元多通道化、阵列化和窄频选择已经成为目前太赫兹光谱检测器的主要发展趋势。
发明内容
为了解决现有太赫兹光学分析***的探测效率低，速度慢等问题，本发明提供了一种多通道太赫兹光谱探测单元及其芯片，该芯片在探测时能够获得不同波长的太赫兹信号信息，实现对多种波长太赫兹信号的同时检测。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
基于表面等离子体共振天线的多通道太赫兹光谱探测单元，包括表面等离子体共振天线和晶体管；所述表面等离子体共振天线由两个对称设置的天线单元构成，天线单元包括半圆形的头部和矩形的杆部，杆部与头部在半圆形的圆心处垂直连接；所述晶体管设置在两个天线单元的杆部之间且垂直于天线单元所在的平面；所述晶体管的栅极与表面等离子体共振天线位于同一多晶硅层。
进一步地，两个天线单元的杆部到所述晶体管的栅极的距离相等。
优选地，两个天线单元的杆部之间的最小间距为1～3μm；所述天线单元的半圆形头部的半径为10～70μm；所述天线单元的矩形杆部的宽度为0.5～2μm，长度为10～25μm。
优选地，所述晶体管的栅极的栅长为0.25μm，栅宽为0.5μm，阈值电压为0.5V。
本发明由上述探测单元构成的多通道太赫兹光谱探测芯片，该芯片的表面设有探测阵列，探测阵列由多个所述探测单元周期排列而成；所述探测阵列的杆部沿同一方向平行排列。
利用上述多通道太赫兹光谱探测芯片进行探测的方法，具体为：探测时在所述晶体管的栅极上加合适的偏置直流电压，同时所述表面等离子体共振天线产生的交流电压信号也加在晶体管的栅极上；所述晶体管的源端接地，晶体管通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过所述晶体管的漏端读出，这时每个探测单元分别获得单一频率的太赫兹信号，然后将各探测单元的太赫兹信号进行数据处理，即得到含有多种波长成分的太赫兹光谱
本发明的探测机理是：太赫兹光入射到表面等离子共振天线结构上激发出自由电子的表面等离子体共振后，表面等离子体共振转化为电荷密度波，在天线结构中心实现单频太赫兹场强聚集，增强的太赫兹信号直接传递给天线中央的晶体管传感器，经过晶体管的自混频过程可输出与信号强相关的直流电压信号，实现对共振太赫兹波长的检测。将探测单元结构阵列化，同时设计阵列单元结构中的表面等离子共振天线结构响应在不同太赫兹频率，进一步对检测信号所需的采集、处理、控制与显示等电路与探测器结构集成在同一芯片上即可实现对多种波长信号的同时检测。
与传统太赫兹探测器***相比，本发明具有以下有益效果：
(1)选用表面等离子体共振天线，该天线可利用集成电路工艺直接与晶体管传感器进行阵列集成；另一方面，表面等离子体共振天线的共振频率可以通过改变天线几何参数进行调节，轻松实现对不同太赫兹频率的响应。
(2)采用表面等离子体共振天线代替传统的电波天线，无阻抗匹配的设计要求，且天线尺寸比传统电波天线小，减小了太赫兹光信号的损耗和噪声。
(3)本发明的多通道太赫兹光谱探测芯片，不仅能实现对多波长太赫兹信号进行探测，同时实现了太赫兹波段的单频分光，能大幅度提高光谱探测效率。
(4)本发明的探测芯片是采用标准集成电路工艺技术，具有体积小、重量轻、高精度、高频响，高可靠、长寿命、低功耗、低成本等突出优势，有利于实现光谱探测***的微型化与小型化。
附图说明
图1为本发明标准CMOS太赫兹探测器单元结构的俯视图。
图2为本发明标准CMOS太赫兹探测器单元结构的侧视图。
图3为本发明实施例中的多通道太赫兹光谱探测芯片示意图。
图4为本发明实施例中的表面等离子体共振天线的馈电点处电场增益图。
图5为本发明实施例中的多通道太赫兹光谱探测芯片形成的太赫兹光谱***示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本实施例以SMIC标准0.18μm集成电路工艺为例，设计0.5THz-1.1THz的多通道太赫兹光谱探测芯片。该工艺后端有六层金属层，从最底到最上层分别为M1～M6层。对于一个标准的CMOS太赫兹探测器，其单元结构如图1所示，包括在半导体硅衬底102上利用MOSFETs(L0.18μm×W0.5μm)构成晶体管传感器107和利用多晶硅层制备的表面等离子体共振天线101，晶体管传感器107放置在天线的中心点O处且垂直于天线所在的平面。本发明所述晶体管是以p型硅为衬底102，衬底掺杂浓度为1017量级。晶体管的源端105和漏端106为重掺杂n+型，所掺杂质为磷，掺杂浓度为1020量级。晶体管的栅极103，其栅长为0.25μm，栅宽为0.5μm，氧化层厚度为4nm，阈值电压为0.5V。表面等离子体共振天线101用集成电路工艺中的栅极多晶硅层104制作，多晶硅层104周围由二氧化硅介质填充，表面等离子体共振天线101与晶体管的栅极103处在同一多晶硅层，厚度都为0.2μm。
如图1和2所示，表面等离子体共振天线101由两个对称设置的天线单元构成，天线单元包括半圆形的头部和矩形的杆部，杆部与头部在半圆形的圆心处垂直连接；两个天线单元的杆部到晶体管的栅极103的距离s相等，馈电点位于栅极103。天线单元的两个半圆形结构最小间距为g，半圆形结构的半径为L-d，其圆心处连接的矩形结构的宽度为w，长度为d，表面等离子体共振天线的厚度为h。当入射太赫兹波的波长在表面等离子体共振波长附近时，表面等离子体共振天线的中心处，太赫兹波电场增大几百倍，对于其余波段，O点的电场增益很小。
表面等离子共振天线工作在特定频率时，太赫兹光与电子发生共振，从而实现太赫兹波长的响应，因此，通过这种原理设计的天线通常是窄频响应。假设表面等离子体共振天线内部基模TM0模式被激发，则表面等离子体共振天线的共振频率为：
其中，β代表表面等离子体共振天线中TM0波的传播常数，R是表面等离子体共振天线两边泄露出的场距离，c表示真空中的光速，a和b表示与天线材料以及几何形状相关的参量。该公式表明，表面等离子体共振天线的共振频率可以通过改变天线几何参数(R,a,b)进行调节，实现对不同波长的响应。
图3为本实施例提供的一种多通道太赫兹光谱探测芯片201，该芯片集成了分光模块、由探测单元组成的面阵列以及数据采集和处理电路。设计阵列单元结构202中的表面等离子共振天线结构响应在不同太赫兹频率。在本实施例中，设计了四种表面等离子体共振天线尺寸。第一种表面等离子共振天线A的几何参数为d＝22μm、L＝57μm，第二种表面等离子体共振天线B的几何参数为d＝18μm、L＝30μm，第三种表面等离子体共振天线C的几何参数为d＝13μm、L＝30μm，第四种表面等离子体共振天线D的几何参数为d＝15μm、L＝33μm，这四种表面等离子体共振天线的共有参数为w＝1μm、g＝2μm、h＝0.2μm。利用HFSS仿真软件，根据上面所设计的四种表面等离子体共振天线的结构参数，建立了四种天线的结构模型，进行一系列的求解计算。图4为四种表面等离子体共振天线的馈电点处电场随频率变化的增益图。从图中可以看到，四种天线在0.4THz～1.1THz的带宽内均有响应，每种天线共振频率的馈电点处电场增益均大于150，天线B对天电线A的信号所造成的串扰噪音的信噪比SNR＝13.01dB，其余各天线之间的串扰噪声的信噪比均大于10dB，这四种天线与晶体管集成的面阵太赫兹探测器可以探测太赫兹光谱的带宽为0.7THz。因此这四种天线在串扰、带宽和增益等方面完全符合设计要求。
利用上述多通道太赫兹光谱探测芯片可以进行多通道太赫兹光谱成像。如图5所示，太赫兹光谱***包括：太赫兹波源401、聚光透镜402和404、待测样品403、面阵太赫兹探测器405、数据处理***407和显示器408。太赫兹波源401发出一束分散的太赫兹波，经聚光透镜402和404照射到待测样品403，透射波进入聚光透镜后汇聚至面阵太赫兹探测器405，太赫兹探测阵列单元406由表面等离子体共振天线101与晶体管传感器107组成，工作时在晶体管的栅极103上加合适偏置直流电压，同时表面等离子体共振天线101产生的交流电压信号也加在晶体管的栅极103上，晶体管源端105接地，晶体管通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过晶体管漏端106读出，这样，每个阵列单元406作为面阵太赫兹探测器405的各独立通道，使得***可同时探测多种波长的太赫兹波信号，然后再将这组太赫兹波信号输入至数据处理***407，处理后的太赫兹波信号输入至显示器408，即可获得含有多种波长成分的太赫兹光谱。
Claims (4)
1.基于表面等离子体共振天线的多通道太赫兹光谱探测方法，其利用探测阵列实现，探测阵列由多个探测单元沿同一方向平行周期排列而成；所述探测单元包括表面等离子体共振天线和晶体管；所述表面等离子体共振天线由两个对称设置的天线单元构成，天线单元包括半圆形的头部和矩形的杆部，杆部与头部在半圆形的圆心处垂直连接；所述晶体管设置在两个天线单元的杆部之间且垂直于天线单元所在的平面；所述晶体管的栅极与表面等离子体共振天线位于同一多晶硅层，其特征在于，探测时在所述晶体管的栅极上加合适的偏置直流电压，同时所述表面等离子体共振天线产生的交流电压信号也加在晶体管的栅极上；所述晶体管的源端接地，晶体管通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过所述晶体管的漏端读出，这时每个探测单元分别获得单一频率的太赫兹信号，然后将各探测单元的太赫兹信号进行数据处理，即得到含有多种波长成分的太赫兹光谱。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振天线的多通道太赫兹光谱探测方法，其特征在于，两个天线单元的杆部到所述晶体管的栅极的距离相等。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振天线的多通道太赫兹光谱探测方法，其特征在于，两个天线单元的杆部之间的最小间距为1～3μm；所述天线单元的半圆形头部的半径为10～70μm；所述天线单元的矩形杆部的宽度为0.5～2μm，长度为10～25μm。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振天线的多通道太赫兹光谱探测方法，其特征在于，所述晶体管的栅极的栅长为0.25μm，栅宽为0.5μm，阈值电压为0.5V。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 基于金属阵列等离子体共振增强的太赫兹光电导天线设计;孔蛟;《机电工程》;20170930;第8卷(第34期);第880-884页 * |
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