Silicon-based Systems for Microscopic and Volumetric Terahertz Imaging

Owing to the unique characteristics of terahertz (THz) waves and their interaction with matter, THz imaging has significant potential in diverse fields, including life sciences, non-destructive quality control, and security. However, today’s THz technology faces major obstacles in providing the cost, compactness, and functional scope that is required to facilitate a wide-reaching use outside the laboratory. Therefore, the general aim of this thesis is to increase the societal impact of THz technology by exploring novel THz imaging modalities with integrated circuits (ICs) based on conventional silicon technolgy. Previous research in THz ICs mostly focused on building compact integrated source and detector components for far-field imaging systems that exploit the ability of THz waves to penetrate through diverse dielectric materials. One part of this thesis joins this research and demonstrates low-cost volumetric THz imaging based on computed tomography with silicon components for the first time. To this end, a high-power 0.43 THz source in 0.13 μm silicon-germanium heterojunction bipolar transistor (SiGe HBT) technology is developed in this thesis. However, the resolution of THz far-field imaging is limited by diffraction to the millimeter range, whereas some of the most promising THz applications in life sciences, such as intraoperative imaging of cancerous tissue, are in need for a microscopic resolution to resolve material properties on the cellular level. This thesis presents the realization of microscopic THz imaging with a silicon-based sensor system. The central contribution of this work is the development and analysis of a 128-pixel THz near-field sensor System-on-a-Chip (SoC) operating at 0.55 THz and showing a spatial resolution around 10 μm. The sensor exploits the capacitive near-field interaction between split-ring-resonator probes and imaging objects, giving an imaging contrast based on the dielectric permittivity. To simultaneously enable real-time image acquisition, high sensor sensitivity, and an integration level that is comparable to conventional consumer electronics, the full integration capabilities of a high-speed 0.13 μm SiGe bipolar CMOS (SiGe-BiCMOS) technology are exploited. In particular, the presented SoC employs cointegration of a chip-scale one-dimensional THz sensor front-end, analog signal processing, and digital circuitry for controlling the chip and external communication. The achieved results in terms of imaging speed, system cost, and integration level reach well beyond the state of the art in THz near-field imaging. The ability to rapidly acquire THz images with micrometer-scale resolution will be of benefit to fundamental research into material properties in the THz range and lays the foundation for the exploration of THz bioimaging applications on the cellular level. In particular, the sensor enables the conduction of large-scale clinical studies on the relevance of microscopic THz imaging to ex vivo tumor margin assessment in breast cancer surgeries for the first time. Aufgrund der spezifischen Eigenschaften von THz-Wellen und deren Wechselwirkung mit Materie bietet die THz-Bildgebung erhebliches Potenzial in diversen Anwendungsbereichen, unter anderem in den Biowissenschaften, der zerstörungsfreien Qualitätskontrolle und in Sicherheitsanwendungen. Die gegenwärtigen THz-Systeme erfüllen jedoch nicht die Voraussetzungen in Bezug auf Kosten, Kompaktheit und Funktionsumfang, um eine weitreichende Verwendung außerhalb von Laborumgebungen zu ermöglichen. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist es daher, den gesellschaftlichen Einfluss von THz-Technologie durch die Realisierung neuartiger THz-Bildgebungsmodalitäten mit integrierten Schaltungen (IC) in konventioneller Siliziumtechnologie zu erhöhen. Die bisherige Forschung in THz-ICs fokussierte sich vorwiegend auf die Entwicklung kompakter Strahlungsquellen und Detektoren für Fernfeld-Bildgebungssysteme, welche die Eigenschaft von THz-Wellen, verschiedene dielektrische Materialien zu durchdringen, ausnutzen. Ein Teil dieser Dissertation fügt sich in diese Forschung ein und demonstriert erstmals die kostengünstige volumetrische THz-Bildgebung unter Verwendung des Prinzips der Computertomographie mit Siliziumkomponenten. Dazu wird im Rahmen dieser Dissertation eine hochkompakte 430 GHz Quelle mit hoher Sendeleistung in einer 0.13 μm SiGe-HBT Technologie entwickelt. Die räumliche Auflösung von solchen Fernfeldbildgebungssystemen wird allerdings durch Beugungseffekte bei Terahertzwellen auf den Millimeterbereich begrenzt. Einige der vielversprechensten THz-Anwendungen in den Biowissenschaften, wie die intraoperative Bildgebung von Krebsgewebe, benötigen jedoch eine Auflösung im Mikrometerbereich, um die Messung von Materialeigenschaften auf zellulärer Ebene zu ermöglichen. Diese Dissertation präsentiert die Realisierung von THz-Mikroskopie mit einem siliziumbasierten Sensorsystem. Der zentrale Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung und die Analyse eines 128-pixel THz Nahfeldsensorchips, welcher bei einer Frequenz von 550 GHz arbeitet und eine Auflösung von ca. 10 μm aufweist. Der Sensor nutzt die kapazitive Nahfeldwechselwirkung zwischen Split-Ring-Resonatoren (SRRs) und dem Objekt und ermöglicht somit einen Bildgebungskontrast, der von der dielektrischen Permittivität bestimmt wird. Um gleichzeitig eine Bildgebung in Echtzeit, eine hohe Sensorempfindlichkeit und ein Integrationsniveau zu ermöglichen, das mit herkömmlicher Unterhaltungselektronik vergleichbar ist, werden die vollständigen Integrationsfähigkeiten einer 0.13 μm SiGe-BiCMOS-Technologie genutzt. In dem Chip wird ein eindimensionales THz-Sensor Frontend, die analoge Signalverarbeitung und eine digitale Schaltung für die Steuerung und die externe Kommunikation kointegiert. Die so erzielten Ergebnisse in Bezug auf Bildgebungsgeschwindigkeit, Systemkosten, und Integrationsniveau gehen weit über den aktuellen Stand der Technik der THz-Nahfeld-Bildgebung hinaus. Die Fähigkeit, mikroskopische THz-Aufnahmen schnell zu erzeugen, wird der Erforschung von Materialeigenschaften im THz-Frequenzbereich zu Gute kommen und legt die Grundlage für die Untersuchung von Anwendungen in der biologischen THz-Bildgebung auf zellulärer Ebene. Insbesondere können mit dem hier präsentierten Sensor erstmals umfassende Studien zur klinischen Relevanz von THz-Wellen für die intraoperative mikroskopische Tumorranderkennung bei der Brustkrebsbehandlung durchgeführt werden