基于130-nm SiGe BiCMOS的高密度实时1024像素太赫兹近场成像器

《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》：A high-density real-time 1024-pixel terahertz near-field imager in 130-nm SiGe BiCMOS

　　

太赫兹近场成像结合太赫兹辐射的非电离特性与亚波长空间分辨率，能够实现高分辨率的生物医学和材料表征。然而，现有固态近场成像器的可扩展性从根本上受到共享照明方案和横向排列成像组件的限制，制约了像素的小型化和阵列密度。本研究通过引入一种新型像素架构克服了这些限制，该架构在每个像素内垂直集成照明源、近场感测元件和功率探测器，取代了传统的横向实现方式。所提出的架构缩小了像素占用面积，同时使每个像素能够作为独立的太赫兹近场传感器工作。基于这一概念，采用130-nm SiGe BiCMOS HBT工艺实现了一款全单片32 × 32（1024像素）近场成像器。该传感器以滚动快门模式工作，可实现高达40 fps的实时成像。芯片功耗为280 mW，对应每像素273 μW，像素密度达到200 pixels/mm²，这是已报道的100 GHz以上单片集成太赫兹近场成像系统中的最高值。本文介绍了可扩展架构以及各成像组件的设计、表征和性能分析，并讨论了垂直集成引入的权衡取舍。

研究背景

太赫兹（terahertz，THz）频段通常定义为300 GHz至3 THz之间，具有非电离、可穿透非导电和光学不透明材料、与极性分子和水强相互作用等特点。远场THz成像受衍射极限限制，分辨率仅为毫米量级，难以满足亚细胞和微结构观测需求。近场成像通过利用倏逝场可突破衍射极限，但传统扫描近场光学显微镜（scanning near-field optical microscopy，NSOM）体积大、信号弱、集成困难。硅基单片集成是实现实用化的重要方向，但已有阵列受共享照明和横向布局限制，像素密度低。针对这些问题，Hamadi Sadkaoui等研究人员基于130-nm硅锗BiCMOS（SiGe BiCMOS）工艺，在《International Journal of Microwave and Wireless Technologies》上报道了一款32 × 32像素THz近场成像器，利用垂直集成架构解决可扩展性瓶颈。

非相干传感机制与系统需求

每个像素集成了工作在约334 GHz的自由振荡器（oscillator，OSC）、标称共振频率约327 GHz的分裂环谐振器（split-ring resonator，SRR）以及基于硅锗异质结双极晶体管（heterojunction bipolar transistor，HBT）的非相干功率探测器（detector，DET）。被测材料（material under test，MUT）改变SRR附近有效介电常数，使其共振频率下移，从而在固定振荡频率处调制传输至探测器的射频（radio frequency，RF）功率，并经探测器转换为直流（direct current，DC）电压。仿真显示，在-30至-20 dBm输入功率范围内，探测器电流响应度保持峰值90%以上，因此可以降低对OSC输出功率的要求，缓解后端工艺（back-end-of-line，BEOL）损耗带来的压力。

倏逝场传感：SRR设计描述

SRR由埋置宿主传输线和双镜像开口环构成，感应区为3 μm × 32 μm金属条，暴露于芯片表面，其余谐振结构埋置在BEOL中并被接地平面屏蔽。负载牵引分析表明，探测器输入阻抗主要影响传输陷波深度，而共振频率位置基本不变。研究人员使用WR-2.2频段矢量网络分析仪（vector network analyzer，VNA）在325–500 GHz对SRR进行两端口测量，金属针尖（约7 μm）扰动使共振峰向低频移动约18–20 GHz，最大调制深度约3.5 dB，与电磁仿真趋势一致。

THz照明源：OSC电路描述

研究人员选择交叉耦合振荡器作为照明源，因为其布局紧凑、负阻生成效率高，对BEOL下层薄金属损耗更鲁棒。独立测试芯片测量显示，在电源电压2.1 V时输出功率峰值约为-14 dBm，振荡频率约334 GHz，电源调谐范围约332–335 GHz；仿真与实测功率偏差约0.5 dB，实测频率略低于仿真，归因于未建模寄生效应。

输出功率衰减：OSC+SRR

为确认振荡器工作点位于SRR共振右侧，研究人员测量了OSC+SRR链路的传输功率。空气条件下SRR引入约9 dB衰减，金属扰动时衰减降至约6 dB；输出功率在扰动下增大，表明工作点在共振右侧。振荡频率随负载阻抗变化的最大模拟频移为4.26 GHz（1.27%），说明振荡器与负载之间隔离良好，传感机制主要改变传输功率而非振荡频率。

单像素近场传感器：OSC+SRR+DET

单像素三维实现中，OSC位于最低金属层M1，SRR感应条位于顶层厚金属TM2，M5接地平面用于电磁隔离。探测器采用共发射极HBT，紧邻SRR输出。研究人员用三维压电位移台扫描7 μm金属针，测得峰值电压响应约10 mV；垂直有效感测距离约4 μm，灵敏度约2 mV/μm；X、Y方向10–90%横向分辨率分别为13 μm和15 μm，约λ/75。噪声测量显示OSC开启和关闭时输出噪声基本不变，100 kHz处点噪声约80 nV/√Hz，模拟动态范围约102 dB，电压响应度约4.2 kV/W，等效噪声功率（noise equivalent power，NEP）约19 pW/√Hz。

近场成像器：多像素架构

将上述像素组成32 × 32阵列，水平像素间距100 μm、垂直像素间距50 μm。列读出链将探测器电压转换为约20 MHz频率信号并计数为14位有符号值，数字专用集成电路（application-specific integrated circuit，ASIC）通过串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）进行控制；采用斩波和滚动快门工作方式，支持最高40 fps实时成像。整个片上系统（system-on-chip，SoC）面积为3.9 × 2.4 mm²。全部1024像素开启时表面最高温度约35.4 °C，总功耗280 mW（每像素273 μW），无需外部冷却。研究人员还采用逐像素两点校准补偿固定图案偏差并均衡灵敏度。利用异丙醇蒸发实验验证了动态成像能力：滴加后像素响应升高，蒸发过程中高响应区域逐渐缩小，8 s后恢复基线，证明系统能实时监测介电常数分布变化。

讨论与结论

垂直集成的代价是RF电路在下层薄金属中欧姆损耗增大，限制了可用功率并增加了设计复杂度；但探测器在低输入功率下仍保持高响应度，因此系统不需要追求高输出功率振荡器，这种权衡使高密度阵列成为可能。研究人员在结论中指出，该130-nm SiGe BiCMOS 32 × 32像素近场成像传感器通过在BEOL内垂直堆叠照明源、感测元件和探测器，实现了硅基THz近场传感器迄今最高的200 pixels/mm²像素密度，横向分辨率13 μm，最高40 fps实时工作，证明垂直集成架构适用于实用单片THz近场成像器。