一種基于隧穿晶體管結(jié)構(gòu)的太赫茲傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種隧穿晶體管太赫茲信號傳感器，尤其是設(shè)及一種基于隧穿晶體管 結(jié)構(gòu)的太赫茲信號傳感器，能夠在IT化W上頻率得到很好的電壓響應(yīng)和低噪聲功率。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲射線是一種介于微波和紅外之間的射線，具有頻率高，穿透能力強、生物無 損害等顯著優(yōu)點，在寬帶通信、雷達(dá)、電子對抗、醫(yī)學(xué)成像、安全檢查等方面有著巨大的應(yīng)用 市場。作為太赫茲成像技術(shù)核屯、器件的太赫茲探測器一直受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。目前 的太赫茲探測器有熱福射計、光聲子探測器，熱釋電探測器，肖特基勢壘二極管電子探測器 等，運些太赫茲探測器大多需要?？诘姆浅Ｒ?guī)技術(shù)制備，存在研發(fā)工藝復(fù)雜，成本昂貴，設(shè) 備龐大等突出問題?；赟i集成電路制造工藝的CMOS太赫茲探測器，具有室溫工作，低成 本，簡單操作工藝，高成像能力等顯著優(yōu)勢。運種探測器通過溝道中的等離子體波實現(xiàn)對太 赫茲信號響應(yīng)[1];當(dāng)太赫茲信號周期小于等離子波形成時間時，CMOS晶體管探測器對信 號響應(yīng)基本消失。由于在CMOS晶體管探測器中電子間散射嚴(yán)重，遷移率很低，等離子波是 過阻尼傳播巧]，造成CMOS晶體管探測器不能在高太赫茲頻率下工作，目前報道的CMOS晶 體管的最高頻探測頻率為4. 3T化巧]。
[0003] 基于上述CMOS晶體管在高頻探測方面的技術(shù)瓶頸，本發(fā)明提出基于集成電路工 藝的Si隧穿晶體管用于探測更高頻太赫茲信號。Si隧穿晶體管主要通過柵電壓控制隧穿 結(jié)處的勢壘寬度使源區(qū)電子通過隧穿到達(dá)溝道區(qū)的導(dǎo)帶，完成器件開啟[4]。開啟電流與 柵電壓之間存在非線性關(guān)系，可W實現(xiàn)將高頻頻率信號整流；由于電子隧穿時間需要時間 短（可W達(dá)到IQi5S),從原理上使得運種器件對高頻信號響應(yīng)快，能滿足器件在高太赫茲 條件下工作；與CMOS晶體管探測器相比，在相同的太赫茲頻率下基于隧穿晶體管的傳感器 響應(yīng)更高，噪聲功率也較低。目前主要使用的PIN結(jié)構(gòu)的Si隧穿晶體管由于隧穿電流小 (<1〇7a)，其太赫茲響應(yīng)相對低。本發(fā)明中，我們使用了一種基于新型隧穿晶體管結(jié)構(gòu)用于 太赫茲傳感，該傳感器通過增大隧穿面積，獲得高的太赫茲響應(yīng)和低的噪聲功率。
[0004] 參考文獻(xiàn)
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[0006] [2]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] [3] 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.
[0008] [4]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

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提出一種利用隧穿晶體管器件中的隧穿性能來探測太赫茲信號，最終實現(xiàn) IT化-IOT化的太赫茲探測。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于隧穿晶體管結(jié)構(gòu)的太赫茲傳感器，其特征在于，所 述隧穿晶體管結(jié)構(gòu)襯底為P型/N型時，離子注入形成的源區(qū)為P+型/N+型、離子注入形成 的漏區(qū)為相應(yīng)為妒型/P +型；在源區(qū)上方生長一層二氧化娃絕緣層和淀積一層多晶娃柵氧 化層。
[0011] 源區(qū)的面積大于漏區(qū)的面積。該隧穿晶體管的源區(qū)延伸至柵氧化層正下方。
[0012] 尤其是襯底延伸至柵氧化層下方且隔開源區(qū)與漏區(qū)。 陽01引 P+源區(qū)（10。和?^型漏區(qū)（103)，在源區(qū)（10。和襯底（101)上生長二氧化娃絕 緣層（104)和多晶娃柵層（105);與傳統(tǒng)的PIN隧穿晶體管相比，其中源區(qū)（102)延伸到整 個柵氧化層（104)正下方。源區(qū)（102)、柵氧化層（104)和多晶娃柵（105)之間形成MOS結(jié) 構(gòu)；當(dāng)在柵極（105)上施加反型偏壓Vg后、源端和襯底接地，柵氧化層（104)正下方形成源 區(qū)（102)反型層；該反型層和源區(qū)（102)界面形成PN結(jié)。
[0014] 基于隧穿晶體管結(jié)構(gòu)的太赫茲傳感器的信號探測方法，其特征是當(dāng)采用P+源區(qū) (102)和妒型漏區(qū)（103)，在源區(qū)（102)和襯底（101)上生長二氧化娃絕緣層（104)和多晶 娃柵層（105)。與傳統(tǒng)的PIN隧穿晶體管相比，其中源區(qū)（102)延伸到整個柵氧化層（104) 正下方。源區(qū)（102)、柵氧化層（104)和多晶娃柵（105)之間形成MOS結(jié)構(gòu)。當(dāng)在柵極（105) 上施加反型偏壓Vg后（源端和襯底接地），柵氧化層（104)正下方的源區(qū)（102)反型層；該 反型層和源區(qū)（102)界面形成PN結(jié)，由于PN結(jié)的P和N區(qū)都是重滲雜，利用柵電壓使PN 結(jié)勢壘足夠窄，當(dāng)源漏之間存在電壓Vd時，在PN結(jié)區(qū)形成較大的隧穿電流；在隧穿晶體管 柵極上加上直流偏置電壓Vg,在源端輸入太赫茲信號，襯底接地，漏極浮空；隧穿晶體管通 過開啟隧穿電流與柵壓之間的非線性關(guān)系將交流信號整流為直流信號，通過隧穿晶體管漏 端讀出，從而實現(xiàn)對太赫茲信號的探測。
[0015] 具體所述基于隧穿晶體管的新型太赫茲傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，101是隧穿晶體 管P型襯底，在101襯底上注入了P+源區(qū)（102)和N+型漏區(qū)（103)，在源區(qū)（102)和襯底 (101)上生長二氧化娃絕緣層（104)和多晶娃柵層（105)。與傳統(tǒng)的PIN隧穿晶體管相比， 其中源區(qū)（102)延伸到整個柵氧化層（104)正下方。源區(qū)（102)、柵氧化層（104)和多晶娃 柵（105)之間形成MOS結(jié)構(gòu)。當(dāng)在柵極（105)上施加反型偏壓Vg后（源端和襯底接地）， 柵氧化層（104)正下方的源區(qū)（102)反型層。該反型層和源區(qū)（102)界面形成PN結(jié)，由于 PN結(jié)的P和N區(qū)都是重滲雜，利用柵電壓可W使PN結(jié)勢壘足夠窄，當(dāng)源漏之間存在電壓Vd 時，在PN結(jié)區(qū)形成較大的隧穿電流。如果襯底（101)是N型襯底，源區(qū)（102)是妒型，漏 區(qū)（103)是護(hù)型結(jié)構(gòu)時，器件工作原理與上述類似，且不限于此說明。
[0016] 隧穿晶體管中PN結(jié)的隧穿電流It與隧穿結(jié)電場E之間存在如下關(guān)系：
[0017]
[00化]其中nf是有效電子質(zhì)量，Vgppi是隧穿PN結(jié)上的直流偏壓，E是結(jié)電場，窩是普朗克 常數(shù)，
[0019] Eg是Si禁帶寬度。將上式的電流對隧穿PN結(jié)電場E。附近做泰勒二階展開：
[0020]
[OOW公式似可改寫為：
[0022] 陽02引 其中，
[0024]
(3) 陽0巧]
[0026]
[0027] 如果在源端輸入一個小信號心將在E。附近存在太赫茲導(dǎo)致的結(jié)電場變化量E:
[00測
婚
[0029] 其中，d為耗盡區(qū)寬度，Vs代表的是E-E。所對應(yīng)的小信號電壓。<