付元旭，梁志茂，范 菁，張廣求，趙 波

(云南民族大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,云南 昆明 650050)

隨著太赫茲波的廣泛應(yīng)用，太赫茲探測技術(shù)也成為關(guān)注的焦點，太赫茲的光電相干探測技術(shù)、光電非相干探測技術(shù)、熱輻射探測器技術(shù)也成為研究的熱點，隨著太赫茲探測技術(shù)的發(fā)展，太赫茲源也隨之增多，如自由電子激光器，氣體激光器，真空電子學(xué)太赫茲源，光電導(dǎo)太赫茲源，太赫茲半導(dǎo)體量子級聯(lián)激光器，電子學(xué)太赫茲輻射源等等，采用的技術(shù)主要有光整流技術(shù)，光激發(fā)空氣等離子技術(shù)，非線性差頻技術(shù)等.探測器件主要以肖特基二極管，量子阱二極管，CMOS晶體管為主，它響應(yīng)度高，信噪比好，等效功率高，是太赫茲探測器的核心部件.改進CMOS晶體管的結(jié)構(gòu)、材料和形狀來改進太赫茲探測器的技術(shù)指標(接收響應(yīng)度和等效噪聲功率)已成熱點研究，主要研究基于兩個方面，一是CMOS本身結(jié)構(gòu)的改進[1-10],二是CMOS所用材料的改進，主流應(yīng)用材料是石墨烯、純凈硅、相應(yīng)比例的半導(dǎo)體材料雜質(zhì)等[10-17].

1 CMOS太赫茲探測器的技術(shù)指標

1.1 器件響應(yīng)度

器件響應(yīng)度與柵極偏置電壓、輸入阻抗有關(guān)[1]，根據(jù)式(1)可知提高輸入阻抗或是減少柵極電壓可以提高器件響應(yīng)度[2].

(1)

式中，RV為器件響應(yīng)度，VDS為探測器漏端的輸出電壓(也表示太赫茲信號的大小)，VRF為表示太赫茲輸入信號，VG為源漏端口電壓，Vth為閾值電壓.Rin為輸入阻抗的實部.

1.2 噪聲等效功率表示

MOSFET器件的噪聲主要有熱噪聲和閃爍噪聲[3].其中，閃爍噪聲譜密度與頻率成反比，通常在輸入信號中加入調(diào)制頻率可以降低閃爍噪聲，當調(diào)制頻率足夠大時，閃爍噪聲可以忽略不計，因此式(2)是MOSFET的噪聲等效功率主要時熱噪聲[4]，即

(2)

式中，W是柵寬，L為柵長，μ為溝道載流子遷移率，Cox為柵氧化電容，Rin輸入阻抗的實部，N1電流噪聲功率譜密度，RI為電流響應(yīng)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度.

反之， MOSFET閃爍噪聲為主要噪聲[5]，那計算等效功率如式(3)所示.

(3)

NV電壓噪聲功率譜密度，RV電壓響應(yīng).

2 基于調(diào)整CMOS晶體結(jié)構(gòu)來改進太赫茲探測器

圖1所示是太赫茲探測器的CMOS晶體管，S為源極[6]、G為柵極[7]、D為漏極、Leff和Ldrawn是溝道隧穿區(qū)域，W是柵極長度[8].源極和柵極之間區(qū)域是太赫茲入射波入射區(qū)域，而柵極和源極之間的電壓信號是太赫茲信號波的輸出區(qū)域[9].CMOS結(jié)構(gòu)改進研究主要以柵極長度調(diào)整[1]、漏極偏置電壓調(diào)整[2]、CMOS襯底的改變[10]、溝道隧穿區(qū)域[11]的調(diào)整等方面.

2.1 CMOS晶體管柵極的改進方案

柵極的改變?nèi)绫?所示，根據(jù)Tong Fang團隊[25]實驗或模擬得到結(jié)果，該結(jié)果可以顯示柵極長度為90 nm和130 nm，頻率高過1 THz時響應(yīng)度和等效功率達到最佳，所以文獻[5]提出超過1 THz頻率時CMOS晶體管的柵長一般都采用90 nm和130 nm，而頻率小于1 THz時等效功率與響應(yīng)度是一個相互矛盾，要根據(jù)不同的要求和不同的系數(shù)指標來制定柵極的長度.所以研究的CMOS晶體管柵長的目的是提高太赫茲探測器的響應(yīng)度和等效功率，解決響應(yīng)度和等效功率的相對矛盾主要是通過調(diào)整維度，目前，三維集成體對柵極的研究將突破原有二維集成體，根據(jù)Xu團隊[21]實驗結(jié)論：“增大源與溝道隧穿的電場來決定柵極的形狀；如高K柵介質(zhì)、雙柵和環(huán)柵等柵結(jié)構(gòu)”.

表1 CMOS柵長度與頻率關(guān)系及其響應(yīng)度和等效功率

續(xù)表1

2.2 CMOS晶體管漏極的改進方案

根據(jù)張行行[24]提出的漏極偏置電壓調(diào)整方案，如圖2所示，通過加入Vdc外加的偏置電壓來增強漏極的電流值，從而提高CMOS晶體管的響應(yīng)度和等效功率.此方法用在0.65 THz的太赫茲波接收上，響應(yīng)度提高了32 %，平均功率增加10 %.該方案同時還考慮阻抗，溫度、介電系數(shù)，噪聲等因素，通過漏極電流改變，影響最大的就是阻抗，所以方案選取阻抗作為對電流的響應(yīng)，通過Vgs的電壓變化來找出最優(yōu)的選擇方案.改變柵極和漏極電壓的方案可能會使原有的CMOS晶體管壽命會受到一定的影響.

2.3 CMOS晶體管襯底的改進方案

COMS襯底的研究主要是結(jié)構(gòu)和材料，結(jié)構(gòu)主要以分層為主，一般CMOS襯底為2～5層，材料上使用石墨烯、高純度硅、或是改變原有元素的比例等等.[23]提出一種四層襯底結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，通過材料本身的介電參數(shù)來計算探測器中CMOS晶體管的響應(yīng)度和等效功率.此方法主要通過介電參數(shù)與輸入頻率的關(guān)系，在通過輸入頻率來計算CMOS晶體管的響應(yīng)度和等效功率，一般用于熱輻射太赫茲探測器中.根據(jù)材料的不同，熱探測器本身的性能也不同，要根據(jù)實際需要的探測器類型進行材料的選擇.圖3中ε為介電參數(shù).

以上3個方面都是根據(jù)CMOS結(jié)構(gòu)本身的特點，通過改變結(jié)構(gòu)，來改進CMOS的響應(yīng)度和等效功率，情況對比見表2.

表2 CMOS結(jié)構(gòu)改進方案對照表

3 CMOS晶體管材料改進方案

CMOS結(jié)構(gòu)中柵極主要以玻璃體，砷化銦等為主，襯底以石墨烯，石墨烯量子點，純硅為主.Mallik[16]提出用砷化銦作為CMOS晶體材料實現(xiàn)1 THz的太赫茲信號接收，響應(yīng)度達到60 V/W，柵極偏置電壓可以達到-0.4 V.其主要襯底用的是石英玻璃，在室溫下就可以探測，材料結(jié)構(gòu)為In0.53Ga0.47As/In0.71Ga0.29As/InAs/In0.71Ga0.29As/In0.53Ga0.47As/InP雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu).其優(yōu)點載流子數(shù)量多，響應(yīng)度高，等效功率高，本身可以達到接收頻率在1 THz以上.

石墨烯是一種二維材料，研究還是處于初始階段，厚度只是相當于單層的碳原子，穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，可以制作出非常薄且十分堅固的晶體管，其性能是在短時間內(nèi)載流子數(shù)量可以達到千級，Pfeiffer[17]利用石墨烯加入漏的方案，響應(yīng)度達到74 V/W，等效功率達到130SpW/Hz1/2，相對于400 GHz的砷化銦響應(yīng)度提高了20%，等效功率提高了40%.

石墨烯量子屬于石墨烯的一種，較石墨烯，它有更高的電子遷移率，較長的熱電子壽命，極快的電子取出速度，較寬的光譜吸收范圍，可以從紫外線到可見光的全譜吸收，同時提高能量的轉(zhuǎn)化效率，石墨烯量子直接提高CMOS電容特性，是載流子流向速度加強，更好更高效的吸收太赫茲能量.Cordelia Sealy 團隊[18]2017年6月提出用石墨烯量子用在CMOS晶體管上，主要通過這種方式來提高響應(yīng)度、低功耗、價格低廉，在常溫即可使用.

表3 CMOS晶體結(jié)構(gòu)材料對照表

4 CMOS晶體管的應(yīng)用進展及前景

4.1 CMOS晶體管在太赫茲天線應(yīng)用

CMOS晶體管在太赫茲探測器中應(yīng)用最多的就是在太赫茲探測器的天線組件部分，目前使用較多的天線是微帶天線(如圖1)[24]用12行×9列的探測器單元組成的微帶天線(如圖4)，根據(jù)不同環(huán)境和情況可以進行調(diào)整，每個單元組成主要通過CMOS晶體的使用制作而成，并用量子級聯(lián)激光器作為發(fā)射源，可以用于3 THz，根據(jù)[10]研究結(jié)論，目前實驗研究探測器范圍1 T～3.8 T之間.該天線用于步進式掃描圖像.分辨率和成像效果好于其它成像天線.許多學(xué)者根據(jù)入射頻率或是入射譜密度調(diào)整Patch天線的形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如把接收器形狀變成菱形、圓形、橢圓形等，調(diào)整不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還有一些調(diào)整CMOS晶體管的襯底材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)性材料組成，這些都使原有的性能得到較大的提高.

除了上面的主流微帶天線之外還有更多的CMOS系列天線，如圖5中是相關(guān)的幾種天線，圖5中的(a)single-dipole 天線, (b)dual-dipole 天線, (c)four-leaf-clover 天線,(d)bow-tie 天線4種天線的形狀，其中以bow-tie antenna 為例[21]，如圖3所示用CMOS為基礎(chǔ)元件建立的bow-tie 天線.通過以上4種天線的結(jié)構(gòu)設(shè)定是根據(jù)CMOS襯底的材料為依據(jù)，再根據(jù)天線自身的寄存電容性的性能為基礎(chǔ)的，所以每一種天線的架構(gòu)都是有不同的限定.例如圖3為例[22],首先要考慮到天線的基本參量，天線的阻抗、寄存電容、溫度、入射頻率、入射角度等等.所以根據(jù)以上參數(shù)的最佳量化可以計算出CMOS天線的基本結(jié)構(gòu)參量，柵極和源極半徑、漏極的長寬和相關(guān)的CMOS內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù).

研究探測器本身的判定的依據(jù)主要是等效噪聲功率和探測器的響應(yīng)度，這2個參數(shù)有跟輸入阻抗、輸入功率、溫度、材料、CMOS的偏置電壓等等有關(guān)系.天線仿真實驗的輸入阻抗一般取50 Ω[23].因為參數(shù)相互影響又相互關(guān)聯(lián)，所以在仿真情況下要看那個參數(shù)對系統(tǒng)指標參數(shù)影響比較大，某些參數(shù)要選擇固定值.

目前對小型天線的研究還處于研發(fā)階段[24]，因為小型天線的濾波和天線本身的產(chǎn)生的噪聲將直接影響到探測器接收信號的強度和信號的準確性，如果天線在1 THz以上的高頻信號使用性能有所改善，太赫茲探測器將會有很大的技術(shù)性突破.

4.2 CMOS晶體管發(fā)展前景展望

目前小型集成化電路不斷的發(fā)展，同時要求CMOS晶體尺寸越來越小，功能也要求越來越多，達到通信、網(wǎng)絡(luò)、電子器件等電子產(chǎn)品的小型化，但終端設(shè)備功能可以取代中心性通信，可以達到無中心化網(wǎng)絡(luò)通信，所以太赫茲探測器本身不但有探測功能還應(yīng)該有判斷功能、存儲功能，通信功能等等，從結(jié)構(gòu)發(fā)展方向上，未來用三維集成體CMOS晶體管可以使器件變的更小、更穩(wěn)定、工藝更為靈活，從材料發(fā)展方向上，未來使用石墨烯中的石墨烯量子使太赫茲吸收能量多、外加電源小、響應(yīng)度高、噪聲小、頻譜寬、功耗小等優(yōu)點，未來CMOS晶體的將實現(xiàn)集成最小化、穩(wěn)定性能好、響應(yīng)度高、等小功率高等優(yōu)點，更好的應(yīng)用于太赫茲探測器.