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北理工馬建軍:CMOS硅基太赫茲成像技術(shù)

bzdlyqxsl ? 來(lái)源:信息與電子工程前沿FITE ? 2023-05-24 10:07 ? 次閱讀
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太赫茲成像技術(shù)利用連續(xù)或脈沖太赫茲波作用于目標(biāo)物,用太赫茲探測(cè)器接收透過(guò)物體或被物體表面反射的太赫茲波信號(hào),獲得目標(biāo)各點(diǎn)透射或反射的太赫茲波強(qiáng)度和相位信息,通過(guò)頻譜分析和數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像。在電磁波譜中,太赫茲波位于微波紅外波段之間,具有高透射性、低能量性、相干性、瞬態(tài)性等特點(diǎn)。這使得太赫茲成像技術(shù)具有傳統(tǒng)成像技術(shù)(如可見(jiàn)光、超聲波和 X 射線成像)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),在國(guó)家安全、安全檢查、生物醫(yī)學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)太赫茲成像器件及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式主要基于純電子器件和純光電兩種。前者主要依賴于肖特基二極管和Ⅲ - Ⅴ族器件,后者主要依賴于光電導(dǎo)、光整流和量子級(jí)聯(lián)激光器。這些設(shè)備在實(shí)際使用中成本高昂、體積龐大,有些甚至需要冷卻設(shè)備輔助。此外,它們與傳統(tǒng)的微電子封裝不兼容,進(jìn)一步增加了集成化難度。

近年來(lái),隨著硅基工藝的不斷升級(jí),其射頻性能得到很大提升,基于硅基工藝實(shí)現(xiàn)的太赫茲成像技術(shù)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究興趣?;パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxidesemiconductor,CMOS)太赫茲成像技術(shù)具有小尺寸、低功耗等特點(diǎn),能夠滿足高集成和低成本的太赫茲成像商用需求。CMOS 硅基太赫茲成像技術(shù)已經(jīng)在分辨力方面取得了多項(xiàng)技術(shù)突破,康奈爾大學(xué)基于 55 nm BiCMOS(雙極互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝研制出具有 2 mm 橫向分辨力和 2.7 mm距離分辨力的 220 GHz 成像系統(tǒng)。但如何突破衍射極限,進(jìn)一步提升成像分辨力,依然是重要的研究方向。此外,針對(duì)硅基工藝在太赫茲頻段的復(fù)雜寄生和耦合效應(yīng)、太?赫茲集成電路分布效應(yīng)以及太赫茲源同步技術(shù)的研究,也是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

針對(duì) CMOS 硅基太赫茲成像技術(shù)的研究情況分析如表 1.2.9 所示。美國(guó)、德國(guó)和中國(guó)在核心論文數(shù)量方面位居世界前三名,但在論文被引頻次方面,中國(guó)下滑至第五名,被日本和法國(guó)趕超。表 1.2.10展示了對(duì)該工程研究沿中核心論文主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)的分析:在核心論文數(shù)量方面,伍珀塔爾大學(xué)和維爾紐斯大學(xué)位居前列,中國(guó)只有南京大學(xué)排進(jìn)前十。在論文被引頻次方面,普林斯頓大學(xué)、伍珀塔爾大學(xué)和密歇根大學(xué)進(jìn)入前三,南京大學(xué)論文被引頻次位居末位。

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在國(guó)家間的合作網(wǎng)絡(luò)(圖 1.2.7)方面,中國(guó)的主要合作伙伴為美國(guó);德國(guó)與歐洲、美洲和亞洲地區(qū)國(guó)家建立了廣泛的合作關(guān)系。在機(jī)構(gòu)間的合作網(wǎng)絡(luò)(圖 1.2.8)方面,歐洲大陸的立陶宛約納斯·澤梅蒂斯軍事學(xué)院、維爾紐斯大學(xué)和波蘭科學(xué)院高壓物理研究所建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系,美國(guó)的康奈爾大學(xué)分別與加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校、密歇根大學(xué)建立了合作關(guān)系。

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表 1.2.11 所示為該前沿中施引核心論文的主要產(chǎn)出國(guó)家。中國(guó)占比超過(guò)三分之一,位居世界第一,美國(guó)和德國(guó)分別位列第二、第三名。在表 1.2.12 所示施引核心論文的主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)排行榜中,中國(guó)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),有 7 家中國(guó)機(jī)構(gòu)位列世界前十,另外 2 家為美國(guó)機(jī)構(gòu)、1 家為德國(guó)機(jī)構(gòu)。

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CMOS 硅基太赫茲成像技術(shù)的研究主要集中在高靈敏度、高集成度和高分辨力三個(gè)方面。最初的成像技術(shù)采用非相干的直接檢測(cè)技術(shù),但其靈敏度低、輸入功率要求大,對(duì)固態(tài)電子產(chǎn)品也極具挑戰(zhàn)性。0.13 μm SiGe BiCMOS(鍺化硅雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝相干成像收發(fā)器芯片的提出,將靈敏度提升 10 倍以上。為實(shí)現(xiàn)更高的分辨力成像,基于相干成像的陣列規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。但傳統(tǒng)的相干檢測(cè)陣列中的本振信號(hào)大多采用中心化設(shè)計(jì),很不利于陣列規(guī)模的擴(kuò)大?;?65 nm CMOS工藝的 32 單元鎖相密集外差接收陣列,可允許 2個(gè)交錯(cuò)的 4×4 陣列芯片在1.2 mm2的芯片范圍內(nèi)集成,使得整個(gè)接收機(jī)陣列更加緊湊。在成像橫向分辨力提升方面,基于 55 nm BiCMOS 工藝的完全集成超寬帶逆合成孔徑成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn) 2 mm 的橫向分辨力和 2.7 mm 的距離分辨力。

迄今為止,太赫茲成像分辨力取得了多項(xiàng)技術(shù)突破,但硅集成太赫茲成像器的分辨力一直受到衍射極限的限制,只能達(dá)到毫米范圍的光斑尺寸。生物醫(yī)學(xué)或材料表征中的許多應(yīng)用需達(dá)到微米級(jí)分辨力,這可以通過(guò)從遠(yuǎn)場(chǎng)到近場(chǎng)成像來(lái)實(shí)現(xiàn),并可實(shí)現(xiàn) 10~12 μm 范圍的橫向分辨力。在低成本和高集成度的市場(chǎng)化需求下,基于CMOS 硅基的太赫茲成像研究在過(guò)去 10 年逐漸成為熱點(diǎn),并取得飛速進(jìn)步,產(chǎn)生了大量研究成果并推動(dòng)太赫茲成像技術(shù)的發(fā)展。

隨著工藝的持續(xù)進(jìn)步,太赫茲成像技術(shù)逐漸向高集成度、高精確度、大陣列等方向發(fā)展,但同時(shí)也面臨著三大挑戰(zhàn):

1)在不斷提高的工作頻率條件下,有源器件模型的有效性和無(wú)源器件的損耗逐漸制約了硅基工藝太赫茲電路的快速發(fā)展。同時(shí),硅基工藝多層金屬和多層介質(zhì)的特點(diǎn)使得各個(gè)器件在太赫茲頻段產(chǎn)生非常復(fù)雜的寄生、耦合效應(yīng),大大增加了太赫茲電路的設(shè)計(jì)難度。

2)太赫茲頻段波長(zhǎng)短,有利于系統(tǒng)的集成。但太赫茲電路容易產(chǎn)生分布效應(yīng),也更容易受到表面粗糙度的影響,因此需要根據(jù)創(chuàng)新封裝和互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成。

3)為了實(shí)現(xiàn)較高的角度分辨力,當(dāng)從單個(gè)通道到陣列芯片的擴(kuò)展時(shí),需要保證多通道的協(xié)同工作,因此對(duì)源同步的技術(shù)提出了更高的要求。為了保證探測(cè)和信號(hào)傳遞的準(zhǔn)確性,需要更復(fù)雜的校準(zhǔn)系統(tǒng)來(lái)協(xié)同工作。

BCC Research 預(yù)測(cè),2029 年全球主流太赫茲技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)??蛇_(dá) 35 億美元。其中不包括硅基集成電路行業(yè)帶來(lái)的市場(chǎng)份額,主要原因在于CMOS 硅基太赫茲技術(shù)的發(fā)展與成熟化相對(duì)滯后。圖 1.2.9 所示為該前沿的發(fā)展路線。到 2029 年左右,將可實(shí)現(xiàn)芯片制作并啟動(dòng)相關(guān)在片測(cè)試;到 2032年方可完成技術(shù)優(yōu)化和集成研究,并實(shí)現(xiàn)芯片尺寸和分辨力的突破??梢灶A(yù)見(jiàn),在未來(lái) 10 年,利用CMOS 硅基實(shí)現(xiàn)太赫茲技術(shù)的集成化將推動(dòng)太赫茲成像技術(shù)邁向更大的市場(chǎng)規(guī)模。

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審核編輯 :李倩

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原文標(biāo)題:北理工馬建軍:CMOS硅基太赫茲成像技術(shù)|2022重點(diǎn)研究前沿

文章出處:【微信號(hào):信息與電子工程前沿FITEE,微信公眾號(hào):信息與電子工程前沿FITEE】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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