[发明专利]侧栅场效应晶体管太赫兹探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种侧栅场效应晶体管太赫兹探测器，包括：衬底；台面，由将生长在衬底上的有源层刻蚀后形成，或者由在衬底上生长有源层后，刻蚀部分衬底和有源层后形成；栅极，设置位于台面两侧，与台面形成肖特基接触；源极和漏极，设置位于台面另外两侧，与台面形成欧姆接触。本发明采用侧栅晶体管器件结构设计，能够大幅度减少沟道内的杂散模式，从而提高晶体管太赫兹探测器的共振响应特性。

技术领域

本发明涉及太赫兹探测与半导体器件制造领域，具体涉及一种侧栅场效应晶体管太赫兹探测器的结构及其制备方法。

背景技术

太赫兹波由于其频段特性，适用于材料特性表征、高分辨率成像、医学诊断、安检、信息通讯、雷达探测、大气与环境检测等众多领域，在国民经济以及国家安全等方面都具有重要的应用前景。传统太赫兹探测器大多需要工作在低温，体积较大，使用不方便，且响应速度较慢。场效应晶体管探测器是近年来发展起来的一种探测频率连续可调的太赫兹探测器。它的基本探测原理是利用场效应晶体管结构中的二维电子气在特定边界条件下形成的等离子体波振荡效应，与入射的太赫兹波发生耦合或者共振，进而在晶体管的输出端转化为光电流或光电压。基于二维电子气的高电子迁移率晶体管探测器具有高速、高灵敏度、低噪声、高频率分辨性、室温工作等优势。另外，该探测器还具备结构简单、制作简便、易于加工集成等特点，目前得到人们的高度重视。

利用场效应晶体管进行太赫兹波探测可以被分为非共振探测模式和共振探测模式。人们对场效应晶体管的非共振探测和共振探测都进行了大量的研究，并使用砷化镓、氮化镓和磷化铟等多种材料的场效应晶体管器件在低温和室温下，均观测到了对太赫兹波的共振响应。但是场效应晶体管太赫兹共振探测领域的研究进展缓慢。目前少许报道的共振探测的实验结果远低于理论预期。这主要体现在两点：第一点是共振探测的响应度很低，甚至低于非共振探测模式下的响应度；第二点是共振探测响应峰的带宽很大，不符合共振探测的理论模型。以上两个现象也限制了场效应晶体管的共振探测模式在实际领域中的应用。

产生以上现象的原因是由于常规结构的晶体管的栅宽(W)都会远大于晶体管的栅长(L)，导致在晶体管沟道内的等离子体波除了本征振荡模式之外，还存在其他杂散模式，从而使得晶体管的共振探测峰展宽，响应度下降。如图9和图10所示。有研究组尝试利用干法刻蚀的方法缩小晶体管的栅宽，但是这种方法对共振探测的结果提升有限。因为首先，虽然干法刻蚀可以使晶体管栅宽大幅度减小，但是因为工艺能力限制，刻蚀后的晶体管栅宽仍然和晶体管栅长处于相同数量级；其次，干法刻蚀中的等离子体轰击给台面的侧壁带来了刻蚀损伤，增加了侧壁表面粗糙度，进而增大了二维电子气的表面散射，降低了二维电子气的迁移率。由此可以看出，仅仅依靠干法刻蚀工艺从物理上来缩小晶体管的栅宽，很难达到理论上对太赫兹探测器共振探测的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种侧栅场效应晶体管太赫兹探测器及其制备方法，以使场效应晶体管太赫兹器在太赫兹光谱学，太赫兹成像，安检及生物医学等领域的应用性能得到有效提高。

有鉴于此，本发明提供了一种侧栅场效应晶体管太赫兹探测器，其中，所应用的场效应晶体管包括：金属-氧化物半导体场效应晶体管，金属-半导体场效应晶体管，金属-绝缘半导体场效应晶体管，调制掺杂场效应晶体管，结型场效应晶体管和高电子迁移率场效应晶体管。

本发明提供的侧栅场效应晶体管太赫兹探测器包括：

衬底；

进一步的，衬底材料为：氮化镓、砷化镓、磷化铟、金刚石、蓝宝石、碳化硅或硅。

台面，由将生长在衬底上的有源层刻蚀后形成，或者由在衬底上生长有源层后，刻蚀部分衬底和有源层后形成；

进一步的，台面为相对于衬底凸起，台面高度大于等于有源层厚度。

栅极，设置位于台面两侧，与台面形成肖特基接触；