基于CMOS晶体管的太赫兹探测器研究进展

付元旭，梁志茂，范 菁，张广求，赵 波

(云南民族大学 电气信息工程学院,云南 昆明 650050)

随着太赫兹波的广泛应用，太赫兹探测技术也成为关注的焦点，太赫兹的光电相干探测技术、光电非相干探测技术、热辐射探测器技术也成为研究的热点，随着太赫兹探测技术的发展，太赫兹源也随之增多，如自由电子激光器，气体激光器，真空电子学太赫兹源，光电导太赫兹源，太赫兹半导体量子级联激光器，电子学太赫兹辐射源等等，采用的技术主要有光整流技术，光激发空气等离子技术，非线性差频技术等.探测器件主要以肖特基二极管，量子阱二极管，CMOS晶体管为主，它响应度高，信噪比好，等效功率高，是太赫兹探测器的核心部件.改进CMOS晶体管的结构、材料和形状来改进太赫兹探测器的技术指标(接收响应度和等效噪声功率)已成热点研究，主要研究基于两个方面，一是CMOS本身结构的改进[1-10],二是CMOS所用材料的改进，主流应用材料是石墨烯、纯净硅、相应比例的半导体材料杂质等[10-17].

1 CMOS太赫兹探测器的技术指标

1.1 器件响应度

器件响应度与栅极偏置电压、输入阻抗有关[1]，根据式(1)可知提高输入阻抗或是减少栅极电压可以提高器件响应度[2].

(1)

式中，RV为器件响应度，VDS为探测器漏端的输出电压(也表示太赫兹信号的大小)，VRF为表示太赫兹输入信号，VG为源漏端口电压，Vth为阈值电压.Rin为输入阻抗的实部.

1.2 噪声等效功率表示

MOSFET器件的噪声主要有热噪声和闪烁噪声[3].其中，闪烁噪声谱密度与频率成反比，通常在输入信号中加入调制频率可以降低闪烁噪声，当调制频率足够大时，闪烁噪声可以忽略不计，因此式(2)是MOSFET的噪声等效功率主要时热噪声[4]，即

(2)

式中，W是栅宽，L为栅长，μ为沟道载流子迁移率，Cox为栅氧化电容，Rin输入阻抗的实部，N1电流噪声功率谱密度，RI为电流响应，k为玻尔兹曼常数，T为温度.

反之， MOSFET闪烁噪声为主要噪声[5]，那计算等效功率如式(3)所示.

(3)

NV电压噪声功率谱密度，RV电压响应.

2 基于调整CMOS晶体结构来改进太赫兹探测器

图1所示是太赫兹探测器的CMOS晶体管，S为源极[6]、G为栅极[7]、D为漏极、Leff和Ldrawn是沟道隧穿区域，W是栅极长度[8].源极和栅极之间区域是太赫兹入射波入射区域，而栅极和源极之间的电压信号是太赫兹信号波的输出区域[9].CMOS结构改进研究主要以栅极长度调整[1]、漏极偏置电压调整[2]、CMOS衬底的改变[10]、沟道隧穿区域[11]的调整等方面.

2.1 CMOS晶体管栅极的改进方案

栅极的改变如表1所示，根据Tong Fang团队[25]实验或模拟得到结果，该结果可以显示栅极长度为90 nm和130 nm，频率高过1 THz时响应度和等效功率达到最佳，所以文献[5]提出超过1 THz频率时CMOS晶体管的栅长一般都采用90 nm和130 nm，而频率小于1 THz时等效功率与响应度是一个相互矛盾，要根据不同的要求和不同的系数指标来制定栅极的长度.所以研究的CMOS晶体管栅长的目的是提高太赫兹探测器的响应度和等效功率，解决响应度和等效功率的相对矛盾主要是通过调整维度，目前，三维集成体对栅极的研究将突破原有二维集成体，根据Xu团队[21]实验结论：“增大源与沟道隧穿的电场来决定栅极的形状；如高K栅介质、双栅和环栅等栅结构”.

表1 CMOS栅长度与频率关系及其响应度和等效功率

续表1

2.2 CMOS晶体管漏极的改进方案

根据张行行[24]提出的漏极偏置电压调整方案，如图2所示，通过加入Vdc外加的偏置电压来增强漏极的电流值，从而提高CMOS晶体管的响应度和等效功率.此方法用在0.65 THz的太赫兹波接收上，响应度提高了32 %，平均功率增加10 %.该方案同时还考虑阻抗，温度、介电系数，噪声等因素，通过漏极电流改变，影响最大的就是阻抗，所以方案选取阻抗作为对电流的响应，通过Vgs的电压变化来找出最优的选择方案.改变栅极和漏极电压的方案可能会使原有的CMOS晶体管寿命会受到一定的影响.

2.3 CMOS晶体管衬底的改进方案

COMS衬底的研究主要是结构和材料，结构主要以分层为主，一般CMOS衬底为2～5层，材料上使用石墨烯、高纯度硅、或是改变原有元素的比例等等.[23]提出一种四层衬底结构(如图3所示)，通过材料本身的介电参数来计算探测器中CMOS晶体管的响应度和等效功率.此方法主要通过介电参数与输入频率的关系，在通过输入频率来计算CMOS晶体管的响应度和等效功率，一般用于热辐射太赫兹探测器中.根据材料的不同，热探测器本身的性能也不同，要根据实际需要的探测器类型进行材料的选择.图3中ε为介电参数.

以上3个方面都是根据CMOS结构本身的特点，通过改变结构，来改进CMOS的响应度和等效功率，情况对比见表2.

表2 CMOS结构改进方案对照表

3 CMOS晶体管材料改进方案

CMOS结构中栅极主要以玻璃体，砷化铟等为主，衬底以石墨烯，石墨烯量子点，纯硅为主.Mallik[16]提出用砷化铟作为CMOS晶体材料实现1 THz的太赫兹信号接收，响应度达到60 V/W，栅极偏置电压可以达到-0.4 V.其主要衬底用的是石英玻璃，在室温下就可以探测，材料结构为In0.53Ga0.47As/In0.71Ga0.29As/InAs/In0.71Ga0.29As/In0.53Ga0.47As/InP双异质结结构.其优点载流子数量多，响应度高，等效功率高，本身可以达到接收频率在1 THz以上.

石墨烯是一种二维材料，研究还是处于初始阶段，厚度只是相当于单层的碳原子，稳定的物理结构，可以制作出非常薄且十分坚固的晶体管，其性能是在短时间内载流子数量可以达到千级，Pfeiffer[17]利用石墨烯加入漏的方案，响应度达到74 V/W，等效功率达到130SpW/Hz1/2，相对于400 GHz的砷化铟响应度提高了20%，等效功率提高了40%.

石墨烯量子属于石墨烯的一种，较石墨烯，它有更高的电子迁移率，较长的热电子寿命，极快的电子取出速度，较宽的光谱吸收范围，可以从紫外线到可见光的全谱吸收，同时提高能量的转化效率，石墨烯量子直接提高CMOS电容特性，是载流子流向速度加强，更好更高效的吸收太赫兹能量.Cordelia Sealy 团队[18]2017年6月提出用石墨烯量子用在CMOS晶体管上，主要通过这种方式来提高响应度、低功耗、价格低廉，在常温即可使用.

表3 CMOS晶体结构材料对照表

4 CMOS晶体管的应用进展及前景

4.1 CMOS晶体管在太赫兹天线应用

CMOS晶体管在太赫兹探测器中应用最多的就是在太赫兹探测器的天线组件部分，目前使用较多的天线是微带天线(如图1)[24]用12行×9列的探测器单元组成的微带天线(如图4)，根据不同环境和情况可以进行调整，每个单元组成主要通过CMOS晶体的使用制作而成，并用量子级联激光器作为发射源，可以用于3 THz，根据[10]研究结论，目前实验研究探测器范围1 T～3.8 T之间.该天线用于步进式扫描图像.分辨率和成像效果好于其它成像天线.许多学者根据入射频率或是入射谱密度调整Patch天线的形状和内部结构，如把接收器形状变成菱形、圆形、椭圆形等，调整不同的内部结构，还有一些调整CMOS晶体管的衬底材料和内部结构性材料组成，这些都使原有的性能得到较大的提高.

除了上面的主流微带天线之外还有更多的CMOS系列天线，如图5中是相关的几种天线，图5中的(a)single-dipole 天线, (b)dual-dipole 天线, (c)four-leaf-clover 天线,(d)bow-tie 天线4种天线的形状，其中以bow-tie antenna 为例[21]，如图3所示用CMOS为基础元件建立的bow-tie 天线.通过以上4种天线的结构设定是根据CMOS衬底的材料为依据，再根据天线自身的寄存电容性的性能为基础的，所以每一种天线的架构都是有不同的限定.例如图3为例[22],首先要考虑到天线的基本参量，天线的阻抗、寄存电容、温度、入射频率、入射角度等等.所以根据以上参数的最佳量化可以计算出CMOS天线的基本结构参量，栅极和源极半径、漏极的长宽和相关的CMOS内部结构参数.

研究探测器本身的判定的依据主要是等效噪声功率和探测器的响应度，这2个参数有跟输入阻抗、输入功率、温度、材料、CMOS的偏置电压等等有关系.天线仿真实验的输入阻抗一般取50 Ω[23].因为参数相互影响又相互关联，所以在仿真情况下要看那个参数对系统指标参数影响比较大，某些参数要选择固定值.

目前对小型天线的研究还处于研发阶段[24]，因为小型天线的滤波和天线本身的产生的噪声将直接影响到探测器接收信号的强度和信号的准确性，如果天线在1 THz以上的高频信号使用性能有所改善，太赫兹探测器将会有很大的技术性突破.

4.2 CMOS晶体管发展前景展望

目前小型集成化电路不断的发展，同时要求CMOS晶体尺寸越来越小，功能也要求越来越多，达到通信、网络、电子器件等电子产品的小型化，但终端设备功能可以取代中心性通信，可以达到无中心化网络通信，所以太赫兹探测器本身不但有探测功能还应该有判断功能、存储功能，通信功能等等，从结构发展方向上，未来用三维集成体CMOS晶体管可以使器件变的更小、更稳定、工艺更为灵活，从材料发展方向上，未来使用石墨烯中的石墨烯量子使太赫兹吸收能量多、外加电源小、响应度高、噪声小、频谱宽、功耗小等优点，未来CMOS晶体的将实现集成最小化、稳定性能好、响应度高、等小功率高等优点，更好的应用于太赫兹探测器.