一种基于隧穿晶体管结构的太赫兹传感器制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种隧穿晶体管太赫兹信号传感器，尤其是设及一种基于隧穿晶体管 结构的太赫兹信号传感器，能够在IT化W上频率得到很好的电压响应和低噪声功率。
技术介绍
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屯、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福射计、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，运些太赫兹探测器大多需要专口的非常规技术制备，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，具有室溫工作，低成 本，简单操作工艺，高成像能力等显著优势。运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;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 过阻尼传播巧]，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. 3T化巧]。 基于上述CMOS晶体管在高频探测方面的技术瓶颈，本专利技术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。开启电流与 栅电压之间存在非线性关系，可W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W达到IQi5S),从原理上使得运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 (<1〇7a)，其太赫兹响应相对低。本专利技术中，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 W. Knap, F. T巧pe, et al. , "Plasma wave detection of sub-ter址ertz and terahertz radiation bysilicon field-effect transistors, "Appl. Phys. Lett. , vol. 8 5, no. 4,卵.675 - 677, 2004. R. Tauk, F. Teppe, et al. , "Plasma wave detection of terahertz radiation by silicon field effects transistors:Responsivity and noise equivalent power, "Appl. Phys. Lett. , vol. 89, no. 25, 2006 |；0007] Sebastian Boppel, et al. , "CMOS Integrated Antenna-Co叩led Field-EffectTransistors for the Detection ofRadiation From 0.2to 4. 3THz, " IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.60,no. 12, pp. 3834 -3843, Dec. 2012. A. Seabaugh and Q. Zhang, "Low-voltage tunnel transistors for beyondCMOS logic, "Proc. I邸E, vol. 98, no. 12, pp. 2095 - 2110, Dec. 2010
技术实现思路
本专利技术提出一种利用隧穿晶体管器件中的隧穿性能来探测太赫兹信号，最终实现 IT化-IOT化的太赫兹探测。 本专利技术的技术方案是：一种基于隧穿晶体管结构的太赫兹传感器，其特征在于，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 的漏区为相应为妒型/P +型；在源区上方生长一层二氧化娃绝缘层和淀积一层多晶娃栅氧 化层。 源区的面积大于漏区的面积。该隧穿晶体管的源区延伸至栅氧化层正下方。 尤其是衬底延伸至栅氧化层下方且隔开源区与漏区。 阳01引 P+源区（10。和?^型漏区（103)，在源区（10。和衬底（101)上生长二氧化娃绝 缘层（104)和多晶娃栅层（105);与传统的PIN隧穿晶体管相比，其中源区（102)延伸到整 个栅氧化层（104)正下方。源区（102)、栅氧化层（104)和多晶娃栅（105)之间形成MOS结 构；当在栅极（105)上施加反型偏压Vg后、源端和衬底接地，栅氧化层（104)正下方形成源 区（102)反型层；该反型层和源区（102)界面形成PN结。 基于隧穿晶体管结构的太赫兹传感器的信号探测方法，其特征是当采用P+源区 (102)和妒型漏区（103)，在源区（102)和衬底（101)上生长二氧化娃绝缘层（104)和多晶 娃栅层（105)。与传统的PIN隧穿晶体管相比，其中源区（102)延伸到整个栅氧化层（104) 正下方。源区（102)、栅氧化层（104)和多晶娃栅（105)之间形成MOS结构。当在栅极（105) 上施加反型偏压Vg后（源端和衬底接地），栅氧化层（104)正下方的源区（102)反型层；该 反型层和源区（102)界面形成PN结，由于PN结的P和N区都是重渗杂，利用栅电压使PN 结势垒足够窄，当源漏之间存在电压Vd时，在PN结区形成较大的隧穿电流；在隧穿晶体管 栅极上加上直流偏置电压Vg,在源端输入太赫兹信号，衬底接地，漏极浮空；隧穿晶体管通 过开启隧穿电流与栅压之间的非线性关系将交流信号整流为直流信号，通过隧穿晶体管漏 端读出，从而实现对太赫兹信号的探测。 具体所述基于隧穿晶体管的新型太赫兹传感器结构如图1所示，101是隧穿晶体 管P型衬底，在101衬底上注入了P+源区（102)和N+型漏区（103)，在源区（102)和衬底 (101)上生长二氧化娃绝缘层（104)和多晶娃栅层（105)。与传统的PIN隧穿晶体管相比， 其中源区（102)延伸到整个栅氧化层（104)正下方。源区（102)、栅氧化层（104)和多晶娃 栅（105)之间形成MOS结构。当在栅极（105)上施加反型偏压Vg后（源端和衬底接地）， 栅氧化层（104)正下方的源区（102)反型层。该反型层和源区（102)界面形成PN结，由于 PN结的P和N区都是重渗杂，利用栅电压可W使PN结势垒足够窄，当源漏之间存在电压Vd 时，在PN结区形成较大的隧穿电流。如果衬底（101)是N型衬底，源区（102)是妒型，漏 区（103)是护型结构时，器件工作原理与上述类似，且不限于此说明。 隧穿晶体管中PN结的隧穿电流It与隧穿结电场E之间存在如下关系：其中nf是有效电子质量，Vgppi是隧穿PN结上的直流偏压，E是结电场，窝是普朗克本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于隧穿晶体管结构的太赫兹传感器，其特征在于，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：纪小丽，张城绪，闫锋，杨琪轩，廖轶明，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32