中国科学院半导体研究所研发国际首款大面阵CMOS太赫兹波图像传感器
中国科学院半导体研究所研发国际首款大面阵CMOS太赫兹波图像传感器
太赫兹波成像技术作为一种新型无损成像技术正在兴起，在生物医学、医疗诊断、安全检测、危险物品检查、隐形武器探测、材料表征和探伤等方面具有非常广阔的应用前景，是当前国际热点研究领域的之一。
中国科学院半导体研究所半导体物理实验高速图像传感及信息处理课题组刘力源研究员课题组报导了一款国际上首款大面阵、高动态范围的CMOS太赫兹波图像传感器芯片设计。该研究成果为电子信息相关领域前沿，突破了CMOS太赫兹波焦平面传感像素集成设计、读出电路以及成像系统等关键技术，实现了基于硅基CMOS工艺的新型太赫兹波探测、图像传感器阵列芯片，为未来数字化硅基CMOS太赫兹波探测和成像奠定了科技基础，具有重要的科学意义和应用价值。
该传感器芯像素采用一种基于DGS结构的新型台阶覆盖式贴片天线有源2T像素，并提出了一种精确建模天线的方法，实现了高分辨率高灵敏的3THz太赫兹宽带探测；传感器采用列并行读出电路的芯片架构，有效地均衡了速度、噪声和系统复杂度等问题；列读出电路采用斩波式低噪声放大和过采样高精度模数转换电路结构，改善了信噪比。图1展示了设计的像素结构，图2展示的是设计的列并行读出电路，图3展示了芯片照片和实时成像结果，芯片在3-4 THz带内最高灵敏度为753V/W，最高动态范围73 dB, 成像帧率可达130 fps。
图 1. 像素(a)原理图、(b)版图、(c)侧剖图和(d)仿真结果。
图 2. 列并行读出电路。
图 3. 高分辨率成像。
该项工作是在刘力源研究员指导下，与天津大学、澳门大学和浙江大学研究人员共同完成，第一作者为中国科学院半导体研究所博士生刘敏。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委员会等项目支持。相关成果先后发表于国际集成电路领域顶级会议International Solid-State Circuit Conference (ISSCC)和国际集成电路领域顶级期刊Journal of Solid-State Circuits (JSSC) ，论文获2023年ISSCC“丝绸之路”奖。