一种基于肖特基接触光栅化结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统

摘要

本发明公开了一种基于肖特基接触光栅化结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，将光栅化引入到肖特基二极管中，使得光栅化的肖特基接触与太赫兹波产生共振，增强等离子体谐振效应，可进一步提高阵列单元的探测灵敏度。而且，无须使用天线，可有效避免片上天线损耗大、增益效率低、通过DRC设计规则验证难度大等问题；芯片面积大大减小，极大地降低了生产成本。最后，在有太赫兹源的前提下，设计过程中通过调整阵列探测器单元的光栅化结构参数，该探测器阵列可实现单色阵列成像或多色阵列成像，为低成本、高性能太赫兹相机和太赫兹成像仪的实现提供了一种新的解决方案。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹探测器的技术领域，尤其涉及到一种基于肖特基接触光栅化结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统。

背景技术

太赫兹波是电磁波谱上介于微波与红外光之间的电磁波，其频率在0.1～10THz左右，波长对应3mm～30um。太赫兹技术是目前信息科学技术研究的前沿与热点领域之一，近几年来，受到世界各国研究机构的广泛关注。美、日、欧等发达国家先后将太赫兹技术评定为“改变未来世界的十大技术”和“国家支柱技术十大重点战略目标”，投入巨资来夯实在太赫兹领域的国际地位。如美国国家基金会(NSF)、国防高级研究计划署(DARPA)、国家航空航天局(NASA)、能源部(DOE)、欧洲研究委员会(ERC)、IBM、波音公司和空客等政府与大型跨国企业都在太赫兹技术领域持续投入。我国在2005年香山会议后，太赫兹技术被政府列为重点领域和优先发展主题。

目前，太赫兹探测与成像技术研究的重点在于提高辐射源和探测器的性能。肖特基二极管具有速度快、良好的非线性效应、能够在常温下工作和容易集成等优点，所以常被用作太赫兹探测器中的混频器和检波二极管。传统的基于肖特基二极管的太赫兹探测器都采用天线来接收太赫兹波，而天线在太赫兹频段的增益低且面积大，导致太赫兹探测器的性能差和成本高，严重地阻碍了太赫兹探测与成像技术的发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于肖特基接触光栅化结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，旨在实现低成本、高性能的太赫兹探测与成像。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种基于肖特基接触光栅化结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，包括由N×M个探测器单元纵横排列所组成的探测器阵列、N个行选开关、M个列选开关、探测器和读出电路测试开关以及读出电路；

所述每个探测器单元包括具有肖特基接触光栅化结构的SBD、偏置电压Vb1、偏置电阻Rb1、隔直电容C1、NMOSFET；

其中，所述具有肖特基接触光栅化结构的SBD的阳极分别与偏置电阻Rb1的一端和隔直电容C1的一端连接，其阴极接地；

所述偏置电阻Rb1的另一端与偏置电压Vb1连接，用于为具有肖特基接触光栅化结构的SBD供电；

所述隔直电容C1的另一端与开关S1的一端，而开关S1的另一端与NMOSFET的源极连接；

所述每个探测器单元中NMOSFET的栅极均与所在列的列选开关连接；

所述每个探测器单元中NMOSFET的漏极均与所在行的行选开关连接；

所述探测器和读出电路测试开关连接在N个行选开关和读出电路之间。

进一步地，所述具有肖特基接触光栅化结构的SBD为阳极转化为光栅化结构的SBD，具有形成类光栅化的沟道。

进一步地，所述具有肖特基接触光栅化结构的SBD的肖特基接触光栅化结构参数包括光栅的宽度、长度、区域面积、周期和图案形式，通过该些参数来实现任意频点的单频探测或者是一个探测器单元支持多个不同频点探测。

进一步地，所述具有肖特基接触光栅化结构的SBD为浅沟道隔离型SBD或多晶硅栅隔离型SBD。

进一步地，所述读出电路包括低噪声斩波放大器和高分辨率模数转换器；所述低噪声斩波放大器连接于N个行选开关和高分辨率模数转换器之间，将接收到的太赫兹信号进行放大并利用斩波电路技术来减少放大器自身的offset和1/f噪声；所述高分辨率模数转换器将放大后的太赫兹信号进行数字化，以便进行后端信号处理。

进一步地，所述探测器和读出电路测试开关包括探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2；所述探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2分别连接于所述N个行选开关和读出电路之间。

与现有技术相比，本方案原理及优点如下：

1.将光栅化引入到肖特基二极管中，使得光栅化的肖特基接触与太赫兹波产生共振，增强等离子体谐振效应，可进一步提高阵列单元的探测灵敏度。

2.无须使用天线，可有效避免片上天线损耗大、增益效率低、通过DRC设计规则验证难度大等问题；芯片面积大大减小，极大地降低了生产成本。

3.在有太赫兹源的前提下，设计过程中通过调整阵列探测器单元的光栅化结构参数，该探测器阵列可实现单色阵列成像或多色阵列成像，为低成本、高性能太赫兹相机和太赫兹成像仪的实现提供了一种新的解决方案。

4.引入探测器和读出电路测试开关，可在电路出现故障时分别对每一个探测器单元和读出电路进行测试，以便准确确定具体故障原因和位置。

5.提出光栅化栅极的思想并与肖特基二极管(SBD)结合，通过周期性的SBD结构，在沟道中形成类光栅化的沟道，实现衬底中Plasmon与栅极Plasmonic间的共振增强；采用光栅化栅极的方法可降低空间中微弱的太赫兹信号与栅上金属结构激发出来的Plasmonic微弱和在传播过程中的扩散和损耗等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于肖特基接触光栅化结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种基于肖特基接触光栅化结构的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，包括由N×M个探测器单元(D11、D12、D13、…、DNM)纵横排列所组成的探测器阵列、N个行选开关(Row1、Row2、Row3、…、RowN)、M个列选开关(Column1、Column2、Column3、…、ColumnM)、探测器和读出电路测试开关以及读出电路；每个探测器单元包括具有肖特基接触光栅化结构的SBD、偏置电压Vb1、偏置电阻Rb1、隔直电容C1、NMOSFET；

其中，具有肖特基接触光栅化结构的SBD的阳极分别与偏置电阻Rb1的一端和隔直电容C1的一端连接，其阴极接地；偏置电阻Rb1的另一端与偏置电压Vb1连接，用于为具有肖特基接触光栅化结构的SBD供电；隔直电容C1的另一端与开关S1的一端，而开关S1的另一端与NMOSFET的源极连接；每个探测器单元中NMOSFET的栅极均与所在列的列选开关连接；每个探测器单元中NMOSFET的漏极均与所在行的行选开关连接；探测器和读出电路测试开关连接在N个行选开关和读出电路之间。

具体地，本实施例采用的具有肖特基接触光栅化结构的SBD为浅沟道隔离型(Shallow Trench Separated,STS)SBD或多晶硅栅隔离型(Polysilicon-Gate separated,PGS)SBD。该浅沟道隔离型SBD或多晶硅栅隔离型SBD均为阳极转化为光栅化结构的SBD，具有形成类光栅化的沟道，其肖特基接触光栅化结构参数包括光栅的宽度、长度、区域面积、周期和图案形式，使得有太赫兹源的前提下，可根据实际需求调整光栅化结构参数，实现任意频点的单频探测或者是一个探测器单元支持多个不同频点探测。

具体地，上述的读出电路包括低噪声斩波放大器和高分辨率模数转换器；其中，低噪声斩波放大器连接于N个行选开关和高分辨率模数转换器之间，将接收到的太赫兹信号进行放大并利用斩波电路技术来减少放大器自身的offset和1/f噪声；所述高分辨率模数转换器将放大后的太赫兹信号进行数字化，以便进行后端信号处理。

探测器和读出电路测试开关包括探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2；所述探测器测试开关S1和读出电路测试开关S2分别连接于所述N个行选开关和读出电路之间。主要是方便在电路故障过程中分别对每个探测器单元(D11、D12、D13……DNM)和读出电路进行测试，以便确定具体故障原因和位置。

本实施例中，探测器阵列成像系统的具体工作过程如下：

当阵列的行选开关和列选开关闭合(如行选开关Row2和列选开关Column2闭合)、探测器测试开关S1断开、读出电路测试开关S2断开时，探测器阵列接收到的太赫兹信号经过低噪声斩波放大器放大后，进入高分辨率模数转换器进行数字化处理，然后从D

当阵列的行选开关和列选开关闭合(如行选开关Row1和列选开关Column1闭合)、探测器测试开关S1闭合、读出电路测试开关S2断开时，进行探测器单元性能测试，如果可以接收到太赫兹信号说明探测器单元D11工作正常，反之探测器单元D11工作故障；

当阵列的行选开关和列选开关断开(如行选开关Row1和列选开关Column1断开)、探测器单元测试开关S1断开、读出电路测试开关S2闭合时，进行读出电路性能测试，如果D

本实施例所述的N×M太赫兹探测器阵列成像系统，可通过调节肖特基接触的光栅化结构参数(光栅的宽度、长度、区域面积、周期和图案形式)来实现任意频点的单频探测或者是一个阵列单元支持多个不同频点探测；以及，通过将光栅化引入到肖特基二极管中，使得光栅化的肖特基接触与太赫兹波产生共振，增强等离子体谐振效应，可进一步提高探测灵敏度；还有的是，设计过程中通过调整阵列探测器单元的光栅化结构参数，该探测器阵列可实现单色阵列成像或多色阵列成像，为低成本、高性能太赫兹相机和太赫兹成像仪的实现提供了一种新的解决方案。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。