《IEEE Journal of Microwaves》：Chessboard FPA in 130-nm SiGe BiCMOS for High-Resolution Passive Terahertz Imaging
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本文介绍了一项针对被动太赫兹（THz）成像的研究。为解决传统技术中热灵敏度与空间分辨率难以兼顾的问题，研究人员开发了一种工作在200-600 GHz频段的棋盘式焦平面阵列（FPA）相机。该FPA采用130-nm SiGe BiCMOS工艺集成，每个天线单元加载基于异质结双极晶体管（HBT）的直接探测器。研究通过优化设计与测量，实现了优于4 dB的阵列总损耗，并在330-500 GHz频段测得低至约X pW/√Hz的噪声等效功率（NEP）。当集成时间为1秒时，相机的噪声等效温差（NETD）可达1.6 K，空间分辨率达到了业界先进水平（单元间距仅为硅中350 GHz波长的一半），为高分辨率被动太赫兹成像提供了一种高性能的片上解决方案。
在电磁波谱中，太赫兹波（THz）位于微波与红外光之间，因其独特的穿透性与指纹谱特性，在无损检测、安全检查和生物医学成像等领域展现出巨大潜力。然而，实现室温下高灵敏度、高分辨率的被动（即不发射信号，仅接收目标自身辐射）太赫兹成像一直是个巨大挑战。传统技术往往在热灵敏度（以噪声等效温差NETD衡量）和空间分辨率之间难以两全，制约了其实用化进程。为了突破这一瓶颈，一项发表在《IEEE Journal of Microwaves》上的研究提出并实现了一种创新的片上集成解决方案。
该研究的核心是设计并制造了一个工作频率覆盖200至600 GHz的棋盘式焦平面阵列（Focal Plane Array, FPA）。研究人员采用了先进的130纳米硅锗双极互补金属氧化物半导体（SiGe BiCMOS）工艺进行芯片集成。为了攻克高灵敏度与高密度的难题，团队从单元结构入手进行深度优化。每个像素单元由一个接收天线和一个直接探测器构成，其中探测器的核心是高性能的异质结双极晶体管（Heterojunction Bipolar Transistor, HBT）。他们精心设计了天线的结构、连接通孔以及偏置网络，旨在最大化信号耦合效率并最小化各种损耗。最终，一个包含24个像素的原型芯片被制造出来，并安装在一个带有抗反射涂层的硅制超半球透镜底座上，构成了完整的相机前端。
研究主要运用了几项关键技术方法：一是基于130-nm SiGe BiCMOS工艺的片上系统集成技术，实现了天线、探测器及偏置网络的单片化制造；二是针对太赫兹频段的直接探测（Direct Detection）架构设计，利用HBT的非线性特性将接收到的太赫兹辐射信号转换为可读的电信号；三是采用准光学（Quasi-Optical）测量系统对芯片的响应度、噪声和辐射方向图进行精确表征；四是通过电磁仿真与优化，将像素单元间距压缩至硅中350 GHz波长的一半，以追求极限的空间分辨率。
研究结果通过系统的测试与分析得以呈现：
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阵列损耗分析：通过对整个焦平面阵列的评估，研究人员量化了其性能损耗。在350 GHz至600 GHz的频段内，阵列的总损耗优于4分贝（dB）。这部分损耗被进一步分解：其中约1.5 dB源于FPA本身的欧姆损耗，1 dB归因于探测器之间的互耦效应，另有0.7 dB来自探测器与天线之间的阻抗失配。这一精细的损耗分解为后续性能优化指明了方向。
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空间分辨率验证：实现高分辨率成像的关键在于密集排列的像素。该研究制备的FPA其像素间距极窄，在350 GHz频率下，该间距仅为硅材料中波长的一半。这一设计与仿真结果高度吻合，测量得到的辐射方向图与仿真结果差异在1 dB以内，充分证明了该集成相机能够实现优异的、符合当前业界先进水平的空间分辨率。
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灵敏度性能表征：灵敏度是成像系统的核心指标。在330 GHz至500 GHz的频率范围内，研究团队测量了系统的噪声等效功率（Noise-Equivalent Power, NEP），其量级达到约X pW/√Hz（文档中具体数值因格式问题未完全显示）。更为重要的是，当考虑整个工作频段并以每像素1秒的积分时间计算时，该相机的噪声等效温差（Noise-Equivalent Temperature Difference, NETD）为1.6开尔文（K）。这一NETD值与当前该领域的先进水平相当，标志着其在热灵敏度方面达到了实用化要求。
综上所述，这项研究成功展示了一种基于标准硅基工艺的高性能被动太赫兹成像芯片。通过创新的棋盘式FPA架构和深入的优化设计，该工作同时实现了出色的空间分辨率（得益于亚波长尺度的像素间距）和与业界标杆相当的 thermal 灵敏度（表现为1.6 K的NETD）。其重要意义在于，它将高性能太赫兹探测与成像功能以紧凑、可扩展的方式集成于单一芯片之上，为开发低成本、便携式的高分辨率被动太赫兹成像系统奠定了坚实的技术基础，有望推动该技术在安检、工业探伤及科学观测等领域的实际应用。
