太赫兹基于硅晶体管的探测器

4.25 THz基于硅CMOS晶体管的探测器

本文提出了基于硅CMOS晶体管等离子体太赫兹探测器在4.25THz的表现。在584 GHz 时对室温的灵敏度为1011 V/W，在 3.125 THz灵敏度为90 V/W，在 4.25 THz时灵敏度为11 V/W。当温度降至20K时的灵敏度为3.47 kV/W，等效噪声温度达到3 pW/√Hz

研究背景

通常情况下晶体管在截止频率以上是不可用的。对于传输时间有限制的应用如放大器，在多种现象的综合的条件下，这种限制可以适当放宽。等离子体波现象的出现可以产生直接的、混合的或是太赫兹频率的辐射，理论上可以达到一个更高的截止频率。对于MOSFET，太赫兹探测可以通过分散的和非优化的设备进行展示。我们提出了在过阻尼腔中MOSFET的测试和综合。通过应用CMOS 铸造工序实现了应用与645GHz的探测天线阵列。这种低成本，高像素，时域THz成像设备将会应用于非毁坏测试、质量控制、医药和安检等领域。

2 结果

这里我们给出了基于低成本150-nm CMOS 的FET探测器对太赫兹辐射的探测结果。这些探测器由一块集成贴片天线和两个晶体管组成。与之前研究结果相比，我们对探测电路进行了轻微的改动，将辐射体直接与漏极相连并且运用贴片天线的中间部分进行对信号进行检测。两个晶体管的微分管脚相连保证了潜在的交流连接虚拟地，这时可以通过控制直流电压来改变晶体管上的电压密度。对探测器在室温、580GHz下优化得到最大光学灵敏度970 V/W 和最小等效电压能量43 pW/√Hz，测试具有较低的误差，测试偏差低于8%。

图1 天线谐振在580GHz下时对CMOS探测器测试光谱的灵敏度，上图展示了在580GHz和

三次谐波在1.74THz时天线辐射的仿真结果

为了测试硅CMOS FET的探测范围，我们应用了一系列探测电路，这些电路的晶体管完全相同，但是均连接到不同的天线上，天线是根据不同的谐振频率优化的。在我们设计中应用了CO2气体泵激光，我们设定了几个光谱线作为目标。在测试这几种优化后的探测器的特性之前，在图1中实验性的测试了具有一个贴片天线耦合的探测器的光谱灵敏度。这个装置不仅是在580GHz处，并且在三次即五次谐波都展现出了高效的测试特性，频率与相对应的灵敏度为：584GHz—483 V/W，1840GHz—58 V/W，3125GHz—1.5 V/W，同时满足最低等效噪声能量。灵敏度的降低部分由于天线辐射部件在高次谐波下的不匹配以及入射波受天线外形的限制。

通过应用频率分离探测器能够到达更好的效果。三个具有不同谐振频率天线的探测器，频率与相对应的灵敏度为：584GHz—1011 V/W，3.125 THz—90 V/W，4.25 THz—11 V/W。我们认为这些数值不能完全表现出探测器对与频率的滚降。由于这些对带宽的限制以及离散元件的应用，我们不能保证天线能够良好的对入射频率进行匹配。近期，我们计划应用可调谐太赫兹源进行测试。然而基于对寄生阻抗在580GH的估计，我们可以预测在4.25THz的灵敏度可以达到100 V/W。由于等离子体波的优化过程使得工作频率达到了截止频率的100 倍。

通过降低温度可使探测器的性能能够进一步的提高。性能的提高是由于（1）噪声随温度的下降而下降。（2）载体密度和电场之间的非线性阻抗不断增加。在20K温度下，具有谐振频率为590 GHz天线的探测器可以达到最大为3.47 kV/W的灵敏度以及低至3 pW/√Hz的等效噪声能量。