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太赫兹(THz)波是介于红外和毫米波之间的电磁波，频率为0.1THz到10THz。太赫兹波具有很多特殊性质，在国家安全、高频通信、人体透视、安检成像、生产检测、艺术品分析等方面有着非常大的应用潜力。太赫兹探测技术是太赫兹科学与技术领域的一个主要组成部分，是各种太赫兹应用的重要基础之一。
目前，不论在无线通信领域还是探测成像领域，太赫兹波源发射功率低、探测器灵敏度差都是制约太赫兹技术发展的技术瓶颈。采用电真空行波管技术可以提升发射功率，采用低温制冷技术可以获得更低的接收端噪声，但这些技术都需要复杂的外部高压、低温杜瓦等设备。如何在室温下实现芯片化的太赫兹高功率源以及高灵敏度探测器是太赫兹探测领域的世界级难题。本论文对RTD太赫兹波源进行了理论探索及实验研究，并完成了CMOS等离子体波探测器的设计及流片验证工作。本论文的创新性工作如下：
(1)经两次流片，采用硼离子注入的方式实现THz频段的GaAs衬底平面RTD器件。根据电阻补偿效应，提出了针对RTD的脉冲式T型退火方案，且计算并分析了RTD的8个关键直流参数随退火次数或总退火时间变化的函数关系。修正了RTD的穿透几率模型，弥补了现有直流物理参数模型无法真实体现实测中出现的尖峰型峰值点的缺点，提升了模型精度，使拟合函数图像更接近实测曲线，通过新的直流参数模型分析了表观正阻现象产生的原因。
(2)提出了带有石墨烯二维电子流体(2DEF)的RTD太赫兹波源，通过石墨烯2DEF和RTD产生的负微分电阻，实现了波源的功率自放大。提出利用两个超宽频带石墨烯天线进行高次谐波的发射，建立了分布式参数等效电路模型，经仿真得到1.9THz时22mW和6.1THz时20mW的输出功率，理论上可比传统RTD太赫兹波源的输出功率提高两个数量级。理论证明在天线设计合理且阻抗匹配的情况下，RTD太赫兹波源的频率可达到50THz。
(3)针对太赫兹探测器进行了详细地理论分析，基于UMC0.18-μm标准CMOS工艺设计并流片实现了MOSFET太赫兹探测器芯片。该芯片采用双高增益插入式矩形贴片天线、双NMOS探测管、片上放大器结构和喇叭形反射折射透镜。经过对该探测器的流片、组装及测试，在250GHz测试频率下实现了响应度高达95.67kV/W，NEP低至12.8pW/Hz0.5，经过计算得到天线和透镜的总增益为10.67dB，达到了国际领先水平。
(4)使用UMC0.18-μm标准CMOS工艺设计并流片实现了基于负阻理论的神经元晶体管图像处理芯片，仿真验证了负阻神经元逻辑电路的可行性，实现了生物神经元加权求和并阈值比较的功能。该芯片仿真频率高达10kHz，占用芯片面积仅为450μm2，功耗小于10-4μW，可与太赫兹探测器结合，实现对探测器输出信号的片上处理，是通用人工智能在图像处理领域的新应用。
目前，不论在无线通信领域还是探测成像领域，太赫兹波源发射功率低、探测器灵敏度差都是制约太赫兹技术发展的技术瓶颈。采用电真空行波管技术可以提升发射功率，采用低温制冷技术可以获得更低的接收端噪声，但这些技术都需要复杂的外部高压、低温杜瓦等设备。如何在室温下实现芯片化的太赫兹高功率源以及高灵敏度探测器是太赫兹探测领域的世界级难题。本论文对RTD太赫兹波源进行了理论探索及实验研究，并完成了CMOS等离子体波探测器的设计及流片验证工作。本论文的创新性工作如下：
(1)经两次流片，采用硼离子注入的方式实现THz频段的GaAs衬底平面RTD器件。根据电阻补偿效应，提出了针对RTD的脉冲式T型退火方案，且计算并分析了RTD的8个关键直流参数随退火次数或总退火时间变化的函数关系。修正了RTD的穿透几率模型，弥补了现有直流物理参数模型无法真实体现实测中出现的尖峰型峰值点的缺点，提升了模型精度，使拟合函数图像更接近实测曲线，通过新的直流参数模型分析了表观正阻现象产生的原因。
(2)提出了带有石墨烯二维电子流体(2DEF)的RTD太赫兹波源，通过石墨烯2DEF和RTD产生的负微分电阻，实现了波源的功率自放大。提出利用两个超宽频带石墨烯天线进行高次谐波的发射，建立了分布式参数等效电路模型，经仿真得到1.9THz时22mW和6.1THz时20mW的输出功率，理论上可比传统RTD太赫兹波源的输出功率提高两个数量级。理论证明在天线设计合理且阻抗匹配的情况下，RTD太赫兹波源的频率可达到50THz。
(3)针对太赫兹探测器进行了详细地理论分析，基于UMC0.18-μm标准CMOS工艺设计并流片实现了MOSFET太赫兹探测器芯片。该芯片采用双高增益插入式矩形贴片天线、双NMOS探测管、片上放大器结构和喇叭形反射折射透镜。经过对该探测器的流片、组装及测试，在250GHz测试频率下实现了响应度高达95.67kV/W，NEP低至12.8pW/Hz0.5，经过计算得到天线和透镜的总增益为10.67dB，达到了国际领先水平。
(4)使用UMC0.18-μm标准CMOS工艺设计并流片实现了基于负阻理论的神经元晶体管图像处理芯片，仿真验证了负阻神经元逻辑电路的可行性，实现了生物神经元加权求和并阈值比较的功能。该芯片仿真频率高达10kHz，占用芯片面积仅为450μm2，功耗小于10-4μW，可与太赫兹探测器结合，实现对探测器输出信号的片上处理，是通用人工智能在图像处理领域的新应用。