[发明专利]一种基于隧穿晶体管结构的太赫兹传感器

说明书

本发明提出了一种基于隧穿晶体管结构的太赫兹传感器，所述隧穿晶体管结构衬底为P型/N型时，离子注入形成的源区为P⁺型/N⁺型、离子注入形成的漏区为相应为N⁺型/P⁺型；在源区上方生长一层二氧化硅绝缘层和淀积一层多晶硅栅氧化层。源区的面积大于漏区的面积。该新型太赫兹传感器通过栅电压控制隧穿结处的势垒宽度使源区电子通过隧穿到达沟道区的导带，完成器件开启。利用开启电流与栅电压之间存在非线性关系，可以实现将高频频率信号整流；基于隧穿晶体管结构的新型太赫兹传感器的响应高，等效噪声功率低，更好的满足高频应用中的需求。

技术领域

本发明涉及一种隧穿晶体管太赫兹信号传感器，尤其是涉及一种基于隧穿晶体管结构的太赫兹信号传感器，能够在1THz以上频率得到很好的电压响应和低噪声功率。

背景技术

太赫兹射线是一种介于微波和红外之间的射线，具有频率高，穿透能力强、生物无损害等显著优点，在宽带通信、雷达、电子对抗、医学成像、安全检查等方面有着巨大的应用市场。作为太赫兹成像技术核心器件的太赫兹探测器一直受到科学界的广泛关注。目前的太赫兹探测器有热辐射计、光声子探测器，热释电探测器，肖特基势垒二极管电子探测器等，这些太赫兹探测器大多需要专门的非常规技术制备，存在研发工艺复杂，成本昂贵，设备庞大等突出问题。基于Si集成电路制造工艺的CMOS太赫兹探测器，具有室温工作，低成本，简单操作工艺，高成像能力等显著优势。这种探测器通过沟道中的等离子体波实现对太赫兹信号响应[1]；当太赫兹信号周期小于等离子波形成时间时，CMOS晶体管探测器对信号响应基本消失。由于在CMOS晶体管探测器中电子间散射严重，迁移率很低，等离子波是过阻尼传播[2]，造成CMOS晶体管探测器不能在高太赫兹频率下工作，目前报道的CMOS晶体管的最高频探测频率为4.3THz[3]。

基于上述CMOS晶体管在高频探测方面的技术瓶颈，本发明提出基于集成电路工艺的Si隧穿晶体管用于探测更高频太赫兹信号。Si隧穿晶体管主要通过栅电压控制隧穿结处的势垒宽度使源区电子通过隧穿到达沟道区的导带，完成器件开启[4]。开启电流与栅电压之间存在非线性关系，可以实现将高频频率信号整流；由于电子隧穿时间需要时间短(可以达到10^-15s)，从原理上使得这种器件对高频信号响应快，能满足器件在高太赫兹条件下工作；与CMOS晶体管探测器相比，在相同的太赫兹频率下基于隧穿晶体管的传感器响应更高，噪声功率也较低。目前主要使用的PIN结构的Si隧穿晶体管由于隧穿电流小(<10^-7A)，其太赫兹响应相对低。本发明中，我们使用了一种基于新型隧穿晶体管结构用于太赫兹传感，该传感器通过增大隧穿面积，获得高的太赫兹响应和低的噪声功率。

参考文献

[1]W.Knap,F.Teppe,et al.,“Plasma wave detection of sub-terahertz andterahertz radiation bysilicon field-effect transistors,”Appl.Phys.Lett.,vol.85,no.4,pp.675–677,2004.

[2]R.Tauk,F.Teppe,et al.,“Plasma wave detection of terahertzradiation by silicon field effects transistors:Responsivity and noiseequivalent power,”Appl.Phys.Lett.,vol.89,no.25,2006