一种基于单极子天线与NMOS温度传感器一体化实现的太赫兹探测器制造技术

本发明专利技术公开一种基于单极子天线与NMOS温度传感器一体化实现的太赫兹探测器，在标准CMOS工艺下，将NMOS管的栅极作为探测器的单极子天线结构，由于NMOS管本身就可作为温度传感器，这样就实现了天线和温度传感器的集成，进而减小了芯片的面积，实现了成本上的节约。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单极子天线与NMOS温度传感器一体化实现的太赫兹探测器
本专利技术属于半导体电磁波探测领域，详细来说，属于基于CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)工艺的太赫兹波(波段为0.3THz～30THz)热探测领域。
技术介绍
太赫兹波是指一种处于毫米波段与红外波段之间电磁波，太赫兹频段被定义到0.3THz到30THz之间(波长为1mm～10μm)，属于电子学和光学的交界区域。太赫兹波相较于x射线能量更低，相比于可见光穿透性更好，这些特性使得太赫兹成像技术有着巨大的发展前景，可以用在如安全检测以及医疗等方面。太赫兹探测器的种类有很多，目前有：天线耦合的FET(FieldEffectTransistor)自混合探测器，天线耦合的肖特基二极管探测器，异质结探测器和天线耦合的太赫兹热探测器等。这些探测器都有着相同的特点：均是由探测天线和感知器件进行耦合的，并且两个部分是相互独立的。有关于太赫兹热探测所使用到的温度传感部分大多采用的是PTAT(proportionaltoabsolutetemperature)电路或者是其他的器件，但是PTAT电路很复杂，所需要的器件数量较多，占据了较大的芯片面积，造成了成本上的增加。另一方面，传感器多采用MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)技术，相比较于现在通用CMOS工艺需要的工艺难度和成本也是大大增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于单极子天线与NMOS温度传感器一体化实现的太赫兹探测器，提高芯片面积的利用率，降低太赫兹探测器的成本，提出了一种新型的天线和温度传感器一体化的组合形式，在标准CMOS工艺下，将NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor)管的栅极作为探测器的单极子天线结构，由于NMOS管本身就可作为温度传感器，这样就实现了天线和温度传感器的集成，进而减小了芯片的面积，实现了成本上的节约。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一种基于单极子天线与NMOS温度传感器一体化实现的太赫兹探测器，在标准CMOS工艺下，将NMOS管的栅极作为探测器的单极子天线结构，NMOS管本身作为温度传感器，采用二极管式连接方式(即NMOS管的栅极和漏极短接，形成二极管式的连接方式)，以在短距离内感应温度变化。即将NMOS管整体作为太赫兹探测器的应用，NMOS管的栅极作为探测器的单极子天线结构，NMOS管本身作为温度传感器，NMOS管的栅极和漏极短接，形成二极管式的连接方式，以在短距离内感应NMOS管的栅极的温度变化。与现有技术相比，本专利技术技术方案将单极子天线和NMOS温度传感器一体化的一处有以下几点：1、成本降低。相比较于其他类型的太赫兹温度传感器，NMOS可以采用CMOS工艺实现，而其他类型的温度传感器或者采用更加复杂的工艺或者是更加复杂的电路实现，并且一体化探测器所占用的芯片面积远远小于其他类型的温度传感器，使得整个探测器的成本大大降低并且易于实现。2、不影响天线和NMOS器件单独工作。将NMOS管的栅极作为探测天线可以实现天线和温度传感器的一体化，温度传感器可以在很短的距离内感应到温度的变化，并且不会影响到NMOS在电路中的作用，即NMOS管本身就可作为温度传感器。3、使用多晶硅(即NMOS管的栅极)作为天线，免去了在电路中串联电阻的步骤。因为多晶硅本身就有一定的阻抗，当作为天线使用时，就相当于一个理想的天线和一个电阻串联，直接进行温度感应即可，省去了在设计时增加一个电阻的麻烦，节省了芯片的面积。附图说明图1是本专利技术中太赫兹热探测器原理示意图。图2是本专利技术中NMOS太赫兹热探测器电路示意图。图3是本专利技术中NMOS太赫兹热探测器版图示意图。图4是本专利技术中NMOS太赫兹热探测器剖面图示意图。图5是本专利技术中NMOS太赫兹热探测器输出电压——温度的仿真图像。图6是本专利技术中单极子天线S参数图像。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。单极子天线是四分之一波长长度的竖直天线。由于在CMOS标准工艺下，本设计采用的是将NMOS管的栅极作为天线，因为栅极的材料是掺杂的多晶硅，因此多晶硅本身具有一定的阻抗。整个太赫兹探测器的工作原理如图1所示：①②③表示的是不同频率的太赫兹波，太赫兹波在空间中传递到探测器上的天线时，由于天线的长度和波长的四分之一相匹配，天线就会吸收特定频率的太赫兹波，进而在多晶硅单极子天线上产生热量，实现电磁能到热能的转换。NMOS管感应到多晶硅单极子天线的温度变化，输出感应温度变化而产生相应变化的电压值。这个过程完成了由热能到电能的转化，从而实现了温度探测的功能。太赫兹探测器的电路结构如图2所示，201指的是NMOS管的栅极(Gate)，同时也是探测天线；202和203分别是指NMOS管的漏极(Drain)和源极(Source)，204指的是电流源。此时NMOS管的栅极和漏极短接，形成二极管式的连接方式，在此种连接方式下，VGS-VTH＜VDS，NMOS管一直工作在饱和状态，此时的NMOS器件的漏极饱和电流大小如式(1)所示：根据公式(1)，我们可以得出电路图中的输出电压，也就是VGS(NMOS管的栅源电压)：式中ID表示的是NMOS管的漏极电流，W和L分别表示NMOS的沟道宽度和沟道长度，μn表示的是电子的迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容，VGS指的是栅源电压，VT表示的是阈值电压。根据电路图，采用的是恒定的电流源，也就是说漏极电流是一个恒定的数值，可以得知输出电压主要和阈值电压之间存在着数学关系，而阈值电压是受到温度影响的，这表明在理论上NMOS的输出电压与温度之间是存在着对应关系的。根据具体的仿真结果如图5所示，在给定的沟道宽长比下，NMOS的输出电压和温度之间是线性关系。图5中横坐标表示的环境温度的变化，纵坐标是输出电压也就是栅源电压VGS的变化数值。根据图5可以得知，NMOS的输出电压每摄氏度的变化为0.6mv左右。以29.5THz(teraherz))频段为例，单极子天线的长度在理想的情况下可以由公式(3)进行计算得出：其中，c＝3×108，表示的是光速；ν表示的是太赫兹频率；h表示的是单极子天线的长度，此时h为真空中的天线长度，h1表示在二氧化硅介质中的天线长度，ε表示的是在二氧化硅的相对介电常数，在这里取平均值3.8。经过计算可以得知在29.5THz的频率下，对应单极子天线的臂长为1.3μm(2.65um)。具体的真实数值在实际的介质中存在着些许的误差。天线的S11参数图像如图6所示。由于表示的是天线的吸收率，整个表达式的数值越小表明天线的吸收率越高，可以看到S11参数在29.5THz时达到最小值，也就是在29.5THz时的天线效率最高，完全符合设计初衷。NMOS的栅极作为探测器单极子天线使用的效果分别如图3和图4所示。图3是太赫兹探测器的简要版图示意图，图中301表示的是栅极也就是探测天线，302和303分别是指NMOS管的漏极和源极，304表示金属连线。图4是太赫兹探测器的截面图，401表示的是NMOS的衬底，402——405分别表示的是源极，漏极，栅极同时也是探测天线，电流源。根据图3以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单极子天线与NMOS温度传感器一体化实现的太赫兹探测器，其特征在于，在标准CMOS工艺下，将NMOS管的栅极作为探测器的单极子天线结构，NMOS管本身作为温度传感器，采用二极管式连接方式，以在短距离内感应探测器的单极子天线的温度变化。

【技术特征摘要】
1.一种基于单极子天线与NMOS温度传感器一体化实现的太赫兹探测器，其特征在于，在标准CMOS工艺下，将NMOS管的栅极作为探测器的单极子天线结构，NMOS管本身作为温度传感器，采用二极管式连接方式，以在短距离内感应探测器的单极子天...

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