基於CMOS工藝的THz直接檢波器的關鍵技術研究

《基於CMOS工藝的THz直接檢波器的關鍵技術研究》是依託清華大學，由王燕擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於CMOS工藝的THz直接檢波器的關鍵技術研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王燕
• 項目類別：面上項目

項目摘要

隨著矽基積體電路工藝的飛速發展和電晶體工作頻率的不斷攀升, 嘗試採用全CMOS電路以實現其在THz頻段可能的套用已成為國際上的一個研究熱點。太赫茲接收前端是幾乎所有的太赫茲套用系統中最核心的技術之一，也是制約THz 技術發展的重要因素。本項目瞄準基於CMOS工藝的THz直接檢波器的關鍵技術開展研究，基本架構是通過貼片天線收集THz信號，利用肖特基二極體的平方律檢波特性對信號進行整流得到基帶信號。我們將從肖特基二極體的高頻模型建立、片上天線結構版圖最佳化、以及無源匹配網路和低通濾波器等方面的自動最佳化設計入手開展研究，最終完成矽基220 GHz直接檢波電路的系統架構與晶片實現及原型驗證。所有研究將結合SMIC 65nm及以下工藝節點進行驗證。

結題摘要

矽基太赫茲積體電路是當今積體電路研究領域最具有挑戰性的研究課題之一，有許多亟待解決的關鍵科學和技術問題。本項目開展基於矽基的太赫茲通信積體電路設計研究，在肖特基二極體的仿真與建模、FET與SBD用於成像系統的電壓靈敏度與噪聲等效功率的理論分析、THz電路設計方法學和3D THz 2×2相控陣成像晶片研製等方面開展工作。建立了首個完整包含直流電流和射頻電容特性的CMOS肖特基二極體非線性模型及高頻模型，建立了相應的參數直接提取方法。對65nm和130nm CMOS工藝不同尺寸肖特基二極體的測試驗證，保證了模型直至目前最高模型驗證頻率67GHz的有效性。開展了基於SBD太赫茲檢波器電路的理論工作，研究表明電壓靈敏度與噪聲等效功率不能同時達到最優，這一結論為選取太赫茲檢波器的直流偏置提供了建議。開展了太赫茲電路設計方法學研究，為了解決匹配網路的設計問題，採用的電路匹配網路均由變壓器實現，本項目對變壓器結構的匹配網路進行了建模並提出了一種高效的設計方法。設計了一款用於安防和生物醫療成像的THz相控陣成像雷達收發機前端晶片，該晶片採用兩發兩收的相控陣陣列和FMCW信號調製，集成了24-GHz VCO、兩級二倍頻器、94-GHz移相器、低噪聲放大器、功率放大器、下混頻器等電路模組。接收機仿真噪聲係數為11-dB，發射機飽和功率為11 dBm，能夠實現10-GHz連續調頻頻寬和1.5 cm的深度分辨能力，從而具備較好的3D成像功能。以上研究工作大都為國際首創或國內首創，其中在建模和方法學方面的進展屬國際先進水平，而晶片的結果屬國內首創，研究生髮表了一系列高水平論文，受到國內外同行的關注，已有國內研究單位來洽談合作，預期在未來的一兩年時間內將實現晶片的產業化。