CN111081780B - 一种有效提升响应度的太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种有效提升响应度的太赫兹探测器，包括源电极、异质结区、栅电极、栅氧化层、漏电极、漏区、衬底和源区；衬底内部两侧分别设有漏区和源区，漏区上方设有与其形成欧姆接触的漏电极，源区上方设有与其形成欧姆接触的源电极，栅氧化层形成在衬底上表面且位于漏电极和源电极之间，栅电极形成在栅氧化层上表面，异质结区与源区右边界、栅氧化层下边界邻接，其中异质结区的电子迁移率高于衬底，异质结区的长度大于等离子体波衰减距离且小于等于栅极长度，异质结区的厚度小于衬底厚度。本发明在提高沟道迁移率的同时，降低栅电极与沟道之间的交流泄漏电流，避免衬底交流电流对局部沟道等离子体波的形成产生干扰，从而提升探测器响应度。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹探测技术领域，特别涉及一种有效提升响应度的太赫兹探测器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波，在电磁波谱中介于毫米波与红外光之间。相比于其他波段的电磁波，太赫兹波具有低能量性(安全性)、空间分辨率高、强穿透性等特点，使得它在安全检查、无损成像、大气与环境检测等领域有着重要应用，近年来受到了国内外学者的广泛关注。
大部分太赫兹方面的应用，都离不开一个最基本的结构——太赫兹探测器。早期提出的太赫兹探测器包括肖特基二极管探测器、量子阱探测器等。Michael Dyakonov以及Michael Shur团队于20世纪末首次提出并验证了基于等离子体波的场效应晶体管能够用于太赫兹波段的探测。该类型的太赫兹探测器不仅在探测性能方面优于其他类型的探测器，在工艺方面也与目前成熟的CMOS工艺兼容，因此该类型的探测器成为了未来极具竞争力的高性能太赫兹探测器之一。
目前已有的一种基于等离子体波场效应晶体管的太赫兹探测器传统结构如图1所示，包括源电极210、栅电极212、栅氧化层213、漏电极214、漏区215、衬底216、源区217，衬底216内部两侧分别设有漏区215和源区217，漏区215上方设有与其形成欧姆接触的漏电极214，源区217上方设有与其形成欧姆接触的源电极210，栅氧化层213形成在衬底216上表面且位于漏电极214和源电极210之间，栅电极212形成在栅氧化层213上表面。然而这种传统结构的太赫兹探测器由于沟道迁移率过低或者泄漏电流过大等原因，仍然存在响应度较低的缺点，因此发展一种高响应度的太赫兹探测器具有十分重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种有效提升响应度的太赫兹探测器，通过在衬底邻接源区右边界的区域加入一块高迁移率半导体材料，提高沟道迁移率的同时，利用该材料与衬底材料的异质结特性，限制电子在沟道与衬底之间流动，从而隔绝栅电极与衬底之间的交流泄漏电流，促进靠近源极的局部沟道等离子体波的形成，同时避免了衬底交流电流对局部沟道等离子体波的形成产生干扰，从而有效提升器件响应度。
本发明的技术方案如下：
一种有效提升响应度的太赫兹探测器，包括源电极110、栅电极112、栅氧化层113、漏电极114、漏区115、衬底116和源区117；所述衬底116内部两侧分别设有漏区115和源区117，所述漏区115上方设有与其形成欧姆接触的漏电极114，源区117上方设有与其形成欧姆接触的源电极110；所述栅氧化层113形成在衬底116上表面且位于漏电极114和源电极110之间；所述栅电极112形成在栅氧化层113上表面；其特征在于，所述太赫兹探测器还包括异质结区111，所述异质结区111与源区117右边界、栅氧化层113下边界邻接，其中异质结区111的电子迁移率高于衬底116，异质结区111的长度L大于等离子体波衰减距离且小于等于栅极长度，异质结区111的厚度H小于衬底厚度。
所述等离子体波衰减距离l满足以下公式：
l＝s*(τ/ω)1/2 (1)
其中s为等离子体波速度，τ为异质结区的电子弛豫时间，ω为外部辐射频率。
本发明提供的基于等离子体波场效应晶体管的太赫兹探测器的工作方法为：在栅极施加一个固定直流偏置电压，源极或栅极施加一个正弦太赫兹信号，漏极外加一个大电容或大电阻以隔绝漏极电流，通过栅源电压的改变来引起沟道表面靠近源极部分电子浓度的改变，即在源极产生等离子体波，从而在漏极产生直流的响应电压。
进一步地，所述栅氧化层113为二氧化硅或其他栅介质，厚度为1～3nm。
进一步地，所述衬底116为P型硼掺杂的硅，掺杂浓度为1013～1018cm-3，厚度为100～500nm。
进一步地，所述异质结区111为P型硼掺杂的锗，掺杂浓度为1013～1018cm-3。
进一步地，所述源电极110、栅电极112、漏电极114的材料为多晶硅、Al、Au、Ni、Cu或Ag，厚度为1～3nm。
进一步地，所述漏区115和源区117的材料为N型磷掺杂的硅，掺杂浓度为1019～1021cm-3，厚度为10～100nm。
进一步地，在栅电极112上施加的直流偏置电压范围为0.1～0.4V。
本发明的有益效果为：
本发明通过在衬底邻接源区右边界的区域加入一块高迁移率半导体材料，提高沟道迁移率的同时，由于该高迁移率半导体材料与衬底材料的禁带宽度不同，导致能带弯曲的情况发生改变，即在高迁移率半导体材料与衬底材料间形成异质结势阱限制电子的流动。与传统场效应晶体管结构在工作状态下电子能够在衬底与沟道之间无阻碍地流动相比，本发明的太赫兹探测器在工作状态下限制了电子在衬底与沟道之间自由流动，大大降低栅电极与沟道之间的交流泄漏电流，使交流电流只在源电极与栅电极之间流动，促进靠近源极的局部沟道等离子体波的形成，同时避免衬底交流电流对局部沟道等离子体波的形成产生干扰从而提升器件的响应度。当外加太赫兹信号幅度为1mV时，本发明的最大响应度相比于传统结构提升200％以上，有效提升了太赫兹探测器的响应度。
附图说明
图1为本发明对比例得到的基于传统场效应晶体管的太赫兹探测器的主视结构示意图；
图2为本发明实施例得到的有效提升响应度的太赫兹探测器的主视结构示意图；
图3为本发明实施例与对比例得到的太赫兹探测器在外加太赫兹信号幅度为1mV时的光响应度-栅极电压曲线对比图；
图4为本发明实施例与对比例得到的太赫兹探测器在静态条件下的能带曲线对比图，横坐标为沿衬底-异质结区-栅氧化层剖线方向长度；
图5为本发明实施例与对比例得到的太赫兹探测器在漏极电压为0.1V时的衬底电流-栅极电压曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例
图2为本发明实施例得到的有效提升响应度的太赫兹探测器的主视结构示意图，包括源电极110、异质结区111、栅电极112、栅氧化层113、漏电极114、漏区115、衬底116和源区117；源漏区材料为硅(Si)，采用N型磷(Phosphorus)掺杂，掺杂浓度为1021cm-3，厚度为50nm；衬底材料为硅(Si)，采用P型硼(Boron)掺杂，掺杂浓度为1013cm-3，厚度为200nm；异质结区材料为锗(Ge)，采用P型硼(Boron)掺杂，掺杂浓度为1013cm-3，厚度为50nm，长度为100nm；栅氧化层材料为二氧化硅(SiO2)，覆盖在源漏电极之间，厚度为1nm；源电极、漏电极和栅电极采用多晶硅，厚度为1nm，源电极位于源区上方，与源区材料形成欧姆接触，漏电极位于漏区上方，与漏区材料形成欧姆接触，异质结区的左边界与源区的右边界邻接，上边界与栅氧化层的下边界邻接。
对比例
图1为本发明对比例得到的基于传统场效应晶体管的太赫兹探测器的主视结构示意图，包括源电极210、栅电极212、栅氧化层213、漏电极214、漏区215、衬底216、源区217。
对比例1：源漏区材料为硅(Si)，采用N型磷(Phosphorus)掺杂，掺杂浓度为1021cm-3，厚度为50nm；衬底材料为硅(Si)，采用P型硼(Boron)掺杂，掺杂浓度为1013cm-3，厚度为200nm；栅氧化层材料为二氧化硅(SiO2)，覆盖在源漏电极之间，厚度为1nm；源电极、漏电极和栅电极采用多晶硅，厚度为1nm，源电极位于源区上方，与源区材料形成欧姆接触，漏电极位于漏区上方，与漏区材料形成欧姆接触。
对比例2：源漏区材料为锗(Ge)，采用N型磷(Phosphorus)掺杂，掺杂浓度为1021cm-3，厚度为50nm；衬底材料为锗(Ge)，采用P型硼(Boron)掺杂，掺杂浓度为1013cm-3，厚度为200nm；栅氧化层材料为二氧化硅(SiO2)，覆盖在源漏电极之间，厚度为1nm；源电极、漏电极和栅电极采用多晶硅，厚度为1nm，源电极位于源区上方，与源区材料形成欧姆接触，漏电极位于漏区上方，与漏区材料形成欧姆接触。
图3为本发明实施例与对比例得到的太赫兹探测器在工作时的光响应度-栅极电压曲线对比图，由图可知，当外加太赫兹信号幅度为1mV时，采用本发明结构的太赫兹探测器在栅极电压为0.1～0.4V时，响应度显著提高，最大值相比对比例提升200％。因此，相比对比例的传统结构，实施例采用的异质结结构通过在对比例的基础上引入高迁移率半导体材料，在提高沟道迁移率的同时，通过该材料与衬底间的异质结特性来避免因迁移率过高而形成的较大衬底交流电流，使交流电流只在源电极与栅电极之间流动，促进靠近源极的局部沟道等离子体波的形成，同时避免衬底交流电流对靠近源极的局部沟道等离子体波的形成产生干扰，从而有效提升了太赫兹探测器的响应度。
图4是本发明实施例与对比例得到的太赫兹探测器在静态条件下的能带曲线对比图，横坐标为沿衬底-异质结区-栅氧化层剖线方向长度，由图可知，与对比例相比，采用本发明结构的太赫兹探测器的能带弯曲情况发生改变，即在高迁移率半导体材料与衬底材料间形成异质结势阱限制电子在衬底与沟道之间的流动，能够扼制衬底与栅电极之间的泄漏电流。
图5是本发明实施例与对比例得到的太赫兹探测器在漏极电压为0.1V时的衬底电流-栅极电压曲线对比图，由图可知，采用本发明结构的太赫兹探测器能有效减小衬底电流。
Claims (6)
1.一种有效提升响应度的太赫兹探测器，包括源电极(110)、栅电极(112)、栅氧化层(113)、漏电极(114)、漏区(115)、衬底(116)和源区(117)；所述衬底(116)内部两侧分别设有漏区(115)和源区(117)，所述漏区(115)上方设有与其形成欧姆接触的漏电极(114)，源区(117)上方设有与其形成欧姆接触的源电极(110)；所述栅氧化层(113)形成在衬底(116)上表面且位于漏电极(114)和源电极(110)之间；所述栅电极(112)形成在栅氧化层(113)上表面；其特征在于，所述太赫兹探测器还包括异质结区(111)，所述异质结区(111)与源区(117)右边界、栅氧化层(113)下边界邻接，其中异质结区(111)的电子迁移率高于衬底(116)，衬底(116)为P型硼掺杂的硅，异质结区(111)为P型硼掺杂的锗，漏区(115)和源区(117)的材料为N型磷掺杂的硅；异质结区(111)的长度大于等离子体波衰减距离且小于等于栅极长度，异质结区(111)的厚度小于衬底厚度。
2.根据权利要求1所述一种有效提升响应度的太赫兹探测器，其特征在于，所述栅氧化层(113)为二氧化硅，厚度为1～3nm。
3.根据权利要求1所述一种有效提升响应度的太赫兹探测器，其特征在于，所述衬底(116)的掺杂浓度为1013～1018cm-3，厚度为100～500nm。
4.根据权利要求1所述一种有效提升响应度的太赫兹探测器，其特征在于，所述异质结区的掺杂浓度为1013～1018cm-3。
5.根据权利要求1所述一种有效提升响应度的太赫兹探测器，其特征在于，所述源电极(110)、栅电极(112)和漏电极(114)的材料为多晶硅、Al、Au、Ni、Cu或Ag，厚度为1～3nm。
6.根据权利要求1所述一种有效提升响应度的太赫兹探测器，其特征在于，所述漏区(115)和源区(117)的掺杂浓度为1019～1021cm-3，厚度为10～100nm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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