CN105140277A - 一种基于隧穿晶体管结构的太赫兹传感器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种基于隧穿晶体管结构的太赫兹传感器

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,etal.,“Plasmawavedetectionofsub-terahertzandterahertzradiationbysiliconfield-effecttransistors,”Appl.Phys.Lett.,vol.85,no.4,pp.675–677,2004.

[2]R.Tauk,F.Teppe,etal.,“Plasmawavedetectionofterahertzradiationbysiliconfieldeffectstransistors:Responsivityandnoiseequivalentpower,”Appl.Phys.Lett.,vol.89,no.25,2006

[3]SebastianBoppel,etal.,“CMOSIntegratedAntenna-CoupledField-EffectTransistorsfortheDetectionofRadiationFrom0.2to4.3THz,”IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,vol.60,no.12,pp.3834–3843,Dec.2012.

[4]A.SeabaughandQ.Zhang,“Low-voltagetunneltransistorsforbeyondCMOSlogic,”Proc.IEEE,vol.98,no.12,pp.2095–2110,Dec.2010

发明内容

本发明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1THz-10THz的太赫兹探测。

本发明的技术方案是：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。

P⁺源区(102)和N⁺型漏区(103)，在源区(102)和衬底(101)上生长二氧化硅绝缘层(104)和多晶硅栅层(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)和多晶硅栅(105)之间形成MOS结构；当在栅极(105)上施加反型偏压V_g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N⁺型漏区(103)，在源区(102)和衬底(101)上生长二氧化硅绝缘层(104)和多晶硅栅层(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)和多晶硅栅(105)之间形成MOS结构。当在栅极(105)上施加反型偏压V_g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区都是重掺杂，利用栅电压使PN结势垒足够窄，当源漏之间存在电压V_d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V_g，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)上生长二氧化硅绝缘层(104)和多晶硅栅层(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)和多晶硅栅(105)之间形成MOS结构。当在栅极(105)上施加反型偏压V_g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区都是重掺杂，利用栅电压可以使PN结势垒足够窄，当源漏之间存在电压V_d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N⁺型，漏区(103)是P⁺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I_t与隧穿结电场E之间存在如下关系：

其中m^*是有效电子质量，V_appl是隧穿PN结上的直流偏压，E是结电场，是普朗克常数，

E_g是Si禁带宽度。将上式的电流对隧穿PN结电场E₀附近做泰勒二阶展开：

公式(2)可改写为：

其中，

如果在源端输入一个小信号V_S，将在E₀附近存在太赫兹导致的结电场变化量E：

$\mathrm{\&delta;}E=E-E_0=\frac{{\mathrm{\&delta;V}}_S}{d}---\left(4\right)$

其中，d为耗尽区宽度，V_S代表的是E-E₀所对应的小信号电压。

那么将式(4)代入式(3)转换得：

最后可以得到I和V_S的关系为：

也就是：

若施加的太赫兹信号为V_S＝V_RF*cos(ωt)，那么在漏端可以得到的整流信号I_t为：

从公式可以看出，利用基于隧穿晶体管的新型太赫兹传感器的隧穿电流和电压的关系可以实现太赫兹波探测。探测时，在隧穿晶体管的漏极并联高电阻和小电容后接地使得漏极处于浮空状态(如图1所示)，该工作状态下，可以通过测量漏端的电压响应实现对源端太赫兹信号的检测。

本发明的有益效果：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；本发明所用的新型太赫兹传感器与现有太赫兹传感器技术相比，通过隧穿原理实现的整流特性，会使响应时间大大缩短，适合高频条件下工作。本发明所用的隧穿晶体管与传统的PIN隧穿晶体管相比，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。具有隧穿电流大，响应高的优点。

附图说明

图1：本发明太赫兹传感器结构及太赫兹条件下的工作示意图；

图2：本发明太赫兹传感器的主要工艺流程；

图3：本发明太赫兹传感器的直流I_d-V_g和I_d-V_d曲线；分别为图3a、3b。

图4：本发明太赫兹传感器在1THz下的电压响应与栅极偏压的关系。

具体实施例

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明所用的新型太赫兹传感器的结构示意图。该新型太赫兹传感器制造的关键工艺流程如图2所示。具体如下：以P型轻掺杂硅为衬底(101)，在P型衬底上利用热氧化法生成一层二氧化硅薄膜，然后利用低压化学气相沉积技术沉积一层氮化硅，用来做为离子注入的mask及后续工艺中，最后将光刻胶涂在氮化硅上。利用光刻技术定义源区图形；利用干法刻蚀将氮化硅去除。通过离子注入形成重掺杂的P⁺型源区(102)，用同样的方法形成漏区(103)。此时可以将二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜和光刻胶完全去除；通过在硅上生长一层栅氧化层，在栅氧化层上面利用化学气相淀积一层多晶硅后，涂上光刻胶。然后对未涂光刻胶的区域进行刻蚀，得到栅氧化层(104)和多晶硅栅(105)。氧化层厚度一般是不大于1.5nm，对于栅长没有特别的要求。

使用的浓度源区掺杂浓度为1e²⁰cm^-3，漏端掺杂浓度为5e¹⁹cm^-3。

利用TCAD仿真软件，建立如图1的新型太赫兹传感器结构TCAD模型，器件栅长为50nm，栅宽为1μm，栅氧化层厚度为0.8nm，结深为40nm，源区掺杂浓度为1e²⁰cm^-3，漏端掺杂浓度为5e¹⁹cm^-3。图3为仿真得到的新型太赫兹传感器的直流I_d-V_g和I_d-V_d曲线如。在V_d＝0.4V时，从图中可以看到，该新型太赫兹传感器在V_g＝0V时，漏电流数量级小于10^-15A/μm，开启时亚阈值摆幅能达到20mV/dec。开启电压为V_th＝0.5V，电压开启后，电流迅速上升到10^-5A/μm。

图4为器件的太赫兹高频信号响应电压V_dr随栅压的变化。器件工作条件设计为：衬底(101)接地，漏端(103)浮空，在栅极(105)施加直流偏压V_g，太赫兹小信号V_cos＝1*10^-3cos(ωt)V从源端输入，其中ω＝2πf，f＝1THz。由图4可知，在V_g＝0.9V时电压响应为4.04E-05V，此电压响应值对应的响应高达22000V/W，计算得到的噪声等效功率NEP为52pW/Hz^0.5；高的太赫兹响应充分体现了该新型太赫兹传感器在高频条件下的优越性能。因此，使用基于隧穿晶体管做太赫兹传感器完全可行而且效果较佳，使用隧穿晶体管器件做高频探测将是未来一个很好的选择。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实例的示意图，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一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。

2.根据权利要求1所述的一种基于隧穿晶体管结构的新型太赫兹传感器，其特征在于，源区的面积大于漏区的面积。

3.根据权利要求1所述的一种基于隧穿晶体管结构的新型太赫兹传感器，其特征在于，该隧穿晶体管的源区延伸至栅氧化层正下方。

4.根据权利要求3所述的一种基于隧穿晶体管结构的新型太赫兹传感器，其特征在于，衬底延伸至栅氧化层下方且隔开源区与漏区。

5.根据权利要求3所述的一种基于隧穿晶体管结构的新型太赫兹传感器，其特征在于，P⁺源区(102)和N⁺型漏区(103)，在源区(102)和衬底(101)上生长二氧化硅绝缘层(104)和多晶硅栅层(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)和多晶硅栅(105)之间形成MOS结构；当在栅极(105)上施加反型偏压V_g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。

6.根据权利要求1或2所述的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N⁺型漏区(103)，在源区(102)和衬底(101)上生长二氧化硅绝缘层(104)和多晶硅栅层(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)和多晶硅栅(105)之间形成MOS结构。当在栅极(105)上施加反型偏压V_g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区都是重掺杂，利用栅电压使PN结势垒足够窄，当源漏之间存在电压V_d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V_g，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。