Terahertz detector can be used for an imaging detector in terahertz region like as an optical CMOS image sensor. In case of an optical CMOS image sensor (CIS), a unit pixel is generally consisted of a photo diode for receiving a visible ray to contribute to the photocurrent and 4-TRs to transfer the charge. And the unit pixel has been downsized for the higher resolution and the low-cost. Similarly, the terahertz detector uses an antenna to receive the terahertz signal to make a response by using conventional CMOS transistors. However, the terahertz unit pixel needs more chip dimension due to the size of an antenna which occupies most of the chip area when comparing with an optical CMOS image sensor. Additionally, the dimension of the matching elements and tran-sistors is required. Also there still exist a number of challenges and limitations to select proper antenna types since a silicon substrate is not suited for an on-chip antenna in terms of the low resistivity of ~ 10 Ω-cm, and its high dielectric constant of ~11.7.
This thesis addresses an area-efficient 0.5 THz imaging detector using a differential patch antenna which is proper to the terahertz imaging system and this structure of the detector is presented that transmission lines, coupling capacitors, and n-type transistors are implemented under the differential patch antenna for saving the chip-dimensions. It is also demonstrated that the matching condition of the antenna in combination with the transmission lines and transistors is verified by measuring the response of the proposed detector in 65-nm CMOS technology. A single pixel achieves a voltage responsivity of 260 V/W and a noise equivalent power (NEP) of 50 pW/ √Hz at 0.5 THz with the device, 60-nm (L) x 2400-nm (W). Finally, terahertz image is shown with a lower noise equivalent power (NEP).
최근 전자파의 투과성과 광파의 직진성을 지니고 있는 테라헤르츠 대역(300GHz ~ 3THz)을 활용하여 초근거리 통신 및 분광특성에 대한 연구와 더불어 특히 이미징을 통한 비파괴 검사, 보안, 의료영상 분야에서 신호원 및 검출기의 연구가 활발히 이루어지고 있다. 검출기의 경우, 안테나와 정합회로 및 검출기로 구성된 테라헤르츠 검출기에서 테라헤르츠 신호는 집적된 안테나를 통하여 N-type MOSFET의 게이트로 전달되며, 이 신호는 MOSFET channel에서의 distributed resistive mixing을 통해 드레인 단에서 전압 반응으로 나타난다. 따라서, 핵심 구성요소인 집적 안테나의 방사효율을 올리고, 수신된 파워로부터 최대 반응도를 얻기 위한 정합 기술이 필요하다. 본 논문에서는 65nm CMOS 공정으로 제작된 테라헤르츠 검출기를 이용하여 정합기술, n-MOSFET의 사이즈에 따른 반응도 및 테라헤르츠 이미지를 보였다.
제안된 구조에서는 silicon substrate의 낮은 저항으로 인한 방사효율 감소를 막기 위해 차동패치 안테나를 사용하였고, 칩 면적효율을 최대화 하기 위해 정합을 위한 Transmission Line 및 게이트와 드레인단의 커플링을 위한 캐패시터와 더불어 n-MOSFET을 안테나 아래에 집적화 하였다. 테라헤르츠 이미지 측정을 위해 사용된 MOSFET은 반응도 및 노이즈 특성이 가장 우수한 60nm (L) x 2400nm (W)사용 하였으며, 0.5THz 신호원으로부터 방사된 신호를 수신하여 $V_{gs}$에 따른 전압 반응도를 lock-in 증폭기(SR850)를 사용하여 측정하였다. 측정결과가 보여주듯이, 문턱전압($V_{th}$) 근처인 $V_{gs}$=0.22 V에서 입력파워대비 260V/W의 최고 반응도를 보여주며, 입력 파워는 Friis equation을 이용하여 계산하였다.
이미지 품질의 성능 지표인 Noise Equivalent Power (NEP)는 그 정의에 의해 채널저항에 의한 Noise Spectral Density (NSD)에 반응도를 나누어 구할 수 있다. NEP의 최소값은 $V_{gs}$=0.4 V에서 50 pW/√Hz를 보인다. 이를 통하여 플로피 디스크의 내부 및 뒷면에 부착된 스패너가 투과된 영상을 확인할 수 있었다.
제안된 테라헤르츠 검출기는 주파수가 높아짐에 따라 CMOS 공정으로 안테나와 회로를 집적화하여 면적효율을 극대화 시킨 0.5THz 검출기이며, 향후 점진적인 기술 향상을 통하여 고해상도 CMOS 이미지 센서와 같은 테라헤르츠 이미징 검출기의 상용화 기술이 될 수 있을 것이다.