JP6503093B2 - ゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ - Google Patents

ゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ Download PDF

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Description

本発明は、ゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタに関し、より詳しくは、非対称効果が最大化するゲートメタルをアンテナとして活用するリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタに関する。
テラヘルツ検出器で感度増加のためにゲート電界効果によってチャネルの電荷を２次元の形態に集めるべきであるが、従来における化合物半導体がシリコンよりも２次元チャネル電荷を形成する効率が高いことから主に使用されてきたが、化合物半導体はシリコンよりも高価の工程で製造され、形状を作るエッチング工程が容易ではなく、様々な非対称構造を作ることが困難である問題があり、また、化合物半導体の使用時に周辺部品であるアンテナと増幅器を集積することが困難であることから、商用化に多少困難である短所がある。
したがって、近来には、シリコンにおいてもアンテナと増幅器の性能向上によりシリコンＦＥＴ基盤検出器の性能が向上する場合が報告されているが、基本的に低出力であるシリコンＦＥＴの特性に応じて周辺部品の性能改善だけではテラヘルツ検出器の反応度の改善に限界がある。
一般的に、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）基盤テラヘルツ（ＴＨｚ）検出器の場合、ＦＥＴの３つの外部接続端子（ゲートＧ、ソースＳ、ドレインＤ）のうち２つの端子（Ｇ、Ｓ）間に交流信号であるＴＨｚ波信号を集光させ、ソースとドレインとの間の下部半導体チャネル領域の電荷量の非対称性を誘導し、このような非対称的な電荷分布による出力端子（ドレインＤ）の直流電圧で光反応性を検出することにより信号検出を行う。
上記のように、ＦＥＴ基盤ＴＨｚ検出器の反応度の向上のために要求される電荷量の非対称性を確保するために、ＴＨｚ波の入射のためのアンテナ効率を高めて出力端子（Ｄ）の電圧を増幅する増幅器の利益を高める方式があるが、上記のような方式を用いても基本的に対称構造であるＦＥＴにおける出力電圧は、雑音に敏感で反応度の向上レベルが極めて微小である限界がある。
このようなＦＥＴをシリコン工程の長所である自己整列型ゲート構造（ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ ｇａｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）に製造する場合にも、ゲートが予め形成された後にソース／ドレイン領域を非対称に作らなければならず、ゲートと重なるソース／ドレイン領域をいずれか一方のみを変化させるため、主に超微細高性能素子の目的のオーバラップ（ｏｖｅｒｌａｐ）のためのイオン注入工程など、複雑な追加マスク工程が求められるだけでなく、そのような非対称性のために注入されたイオンの等方性拡散によって、ＴＨｚ波が入射する端子であるゲートが向かっているソース／ドレイン非対称の比率が減少して電荷非対称の効果が大きくない。
また、高電圧電力素子の目的のアンダーラップ（ｕｎｄｅｒｌａｐ）のためのゲート側壁工程（ゲートが下部チャネルと重なる）も側壁の厚さ調整によって効率よく非対称効果を制御できるが、アンダーラップ構造の場合、予めアンダーラップができた後のゲートが向かっている非対称効果は少なく、素子の抵抗を増加させて雑音の等価電力が増加する問題がある。
このように従来におけるシリコン技術基盤ＦＥＴ工程の主な方式である自己整列型（Ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ）ゲート構造を用いて非対称ソース／ドレイン領域を作ることができても、結果的にＴＨｚ波が入射する端子であるゲートが向かっているソース／ドレイン非対称領域は変化がないか、その影響が極めて少ないことから、ソースとドレインとの間の電荷非対称の効果が極めて減少することになる。したがって、シリコン基盤ＦＥＴのソース／ドレイン間のチャネル領域を非対称構造を有しながら、同時にゲートが向かっているソース／ドレイン領域も非対称構造を効果的に作るためには、既存の自己整列方式とは異なる追加的な方案が求められ、非対称効果を最大化できるテラヘルツ検出器の構成が公開特許第２０１３−０１３３３６８号に開示されている。
前記特許は、ソース／ドレイン領域を非対称形態に構成して検出器の感度を増加させる点で優れる特性を表すが、ソース／ドレイン及びゲート形状が四角形をベースにして非対称特性を示すためには別途の工程が求められる短所がある。
本発明は、上記のような従来技術の短所を克服するために案出されたものであり、ソース／ドレイン及びゲート自体の形状だけで非対称特性を示して高い感度を実現することができ、追加的にゲートをアンテナとして活用して製造し易いゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタを提供することにその目的がある。
前記目的を達成するために本発明は、ゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタにおいて、シリコンベースと、シリコンベースの一部にドーピングによって形成されるソースと、平面上で前記ソースを取り囲む形態に形成されるチャネルと、前記チャネル外部に形成されるドレインと、前記ソース、チャネル、及びドレイン上の端部に形成される誘電体層と、前記誘電体層の上端部に位置するゲートとを含んで構成され、平面上に前記ソースの中心と前記チャネルの中心は一定の距離離隔して形成され、前記ゲートはメタル材質で前記チャネルの上端部に位置し、前記チャネルの上面を全て覆い、ソースの一部とドレインの一部とオーバラップされることを特徴とする。
好ましくは、前記ソースは円形であり、前記チャネルは環状から構成されることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記ゲートは前記チャネルと同一の形状に構成され、ソースと同一の幅にオーバラップされ、ドレインと同一の幅にオーバラップされることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記ゲートとソースがオーバラップされる幅の大きさと、前記ゲートとドレインがオーバラップされる幅の大きさとは互いに異なることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記ソース上面に位置し、前記ソースと電気的に接続されるソースメタルをさらに含むことを特徴とする。
さらに好ましくは、前記ソースメタルは円形に構成され、前記ゲートとは電気的に分離することを特徴とする。
本発明に係るゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタは、ソースをチャネルが取り囲む形状に構成して幾何学的な形態により非対称特性を導き出し、ゲートとチャネルとの間、ゲートとソースとの間の重複程度を調整して非対称性を追加的に付加することができ、形状を定義する各パラメータを自由に設定できると共に、メタル材質のゲートをアンテナとして活用することから別途のアンテナ構成を要することなく、高い集積度を実現できる効果を提供する。
本発明に係るゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタの断面図である。 図１のうちソース、チャネル、及びドレインを示した平面図である。 図２にゲートを追加した平面図である。 図３にソースメタルを追加した平面図である。
以下、本発明に係る好適な実施形態を添付した図面を参照して具体的に説明する。
本発明に係るゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）１０は、図１に示すように、シリコンベース１に形成されるソース１１、ドレイン１２、チャネル１３、誘電体層１４、ゲート１５を含んで構成される。
ここで、前記ソース１１とドレイン１２はそれぞれ不純物がドーピングされ、前記誘電体層１４の材質は通常のＦＥＴに適用されるものに使用可能であり、前記ゲート１５はメタルから構成してアンテナ機能を果たすように構成している。
したがって、テラヘルツ電磁波は前記ゲート１５に印加され、ここで、ソース１１とドレイン１２との間に発生する電圧によって印加されたテラヘルツ電磁波の特性を検出する。
また、必要な場合、前記ソース１１の上端部には別途のソースメタル１６が形成され、前記ソースメタル１６は、電気的に前記ソース１１に接続されるように構成され得るが、必須的な構成ではない。
一方、ＦＥＴ１０の平面図は図２に示すように、円形のソース１１と前記ソース１１を取り囲むチャネル１３を含んで構成される。
前記チャネル１３も円形に構成されるが、ソース１１の中心とチャネル１３の中心は偏心して非対称性を最大化にする。
したがって、前記ソース１１は孤立して構成され、電極は前記ソース１１の上面によって接続されるように構成し、必要な場合は、前記ソース１１の断面を前記ベース１の下面まで延長形成して下端部によって電極が接続されるように構成し得る。
ここで、ソース１１の直径をｄ１、チャネル１３の直径をｄ２、ソース１１の外径とチャネル１３の内径との最も短い距離をＬｇ、ソース１１の外径とチャネル１３の内径との最も長い距離をＬにすると、ｄ２はｄ１とＬｇとＬを和した値と同一である。
すなわち、本発明に係るＦＥＴ１０は、ＬとＬｇを別に構成することを特徴とし、上記のようにソース１１とチャネル１３が偏心して構成されれば、ソース１１からドレイン１２に向かう電荷の到達距離の差がＬｇからＬまで変わる構造を有するため、ゲート１５とソース１１との間の電界が強化する特性がある。
一方、前記ゲート１５は、図３に示すように、チャネル１３の形状と同一に形成するが、ソース１１の領域とオーバラップ部分ｅ１、そして、ドレイン１２の領域とオーバラップ部分ｅ２を含んで構成される。
ここで、ｅ１≠ｅ２に構成することが非対称性を高める長所を有するものの、ソース１１とドレイン１２の形状による非対称性によって、類似する大きさに構成するとしても全体的な非対称性で無理はない。
しかし、前記ｅ１とｅ２は０よりも大きく形成することが非対称性を増加させるという長所がある。
上記のように、ゲート１５がリング状に構成されているため、テラヘルツ波の偏波に対する等方位的な特性を有するアンテナとして活用され、従来におけるＦＥＴとは異なって別途のアンテナ構造を要しない長所を有する。
一方、図４に示すように、ソース１１の上端部に別途のソースメタル１６が形成される場合、ソースメタル１６とゲート１５との間の最小間隔ｄｍの調整により、特性インピーダンスデザインが可能であり、ゲート１５の下端部に位置するＦＥＴ１０とインピーダンスマッチングすることができる。
これは別途のアンテナ構造がないにも関わらず、ゲート１５そのものがアンテナの効果を期待でき、さらに、ゲート１５の非対称構造は、ゲート１５とソースメタル１６との間の狭い間隔にテラヘルツ波を集中させてＦＥＴ１０内にテラヘルツ波の非対称流入を案内する効果がある。
上記のように本発明に係るゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波の検出用電界効果トランジスタ１０は、全てシリコン工程の技術で行われるため、自体の特性が優れる高価な化合物半導体とは差別化され、今後アンテナと増幅器などの追加的な性能改善のための周辺部品との集積が技術的に可能になり、超高感度ＳｉＦＥＴ基盤の大面積の多重ピクセル（ｍｕｌｔｉ−ｐｉｘｅｌ）配列型テラヘルツ検出器集積を低いコストで可能にする長所がある。
以上では本発明を特定の好適な実施形態について図示及び説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されず、当該の発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が特許請求の範囲で請求する本発明の技術的な思想を逸脱しない範囲内で実施できる様々な形態の実施形態を全て含む。
１：シリコンベース
１０：ＦＥＴ
１１：ソース
１２：ドレイン
１３：チャネル
１４：誘電体層
１５：ゲート
１６：ソースメタル

Claims (6)

  1. ゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタにおいて、
    シリコンベースと、
    シリコンベースの一部にドーピングによって形成されるソースと、
    平面上で前記ソースを取り囲む形態に形成されるチャネルと、
    前記チャネル外部に形成されるドレインと、
    前記ソース、チャネル、及びドレインの上に形成される誘電体層と、
    前記誘電体層の上に位置するゲートと、
    を含んで構成され、
    平面上に前記ソースの中心と前記チャネルの中心は一定の距離離隔して形成され、前記ゲートは、メタルから構成され、前記誘電体層を介して前記チャネルの上に位置し、前記チャネルの上面を全て覆い、ソースの一部とドレインの一部とオーバラップされることを特徴とするゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ。
  2. 前記ソースは円形であり、前記チャネルは環状であることを特徴とする請求項１に記載のゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ。
  3. 前記ゲートは、前記チャネルと同一の形状の第１の環状部分、前記ソースとオーバラップする一定の幅の第２の環状部分及び前記ドレインとオーバラップする一定の幅の第３の環状部分を有することを特徴とする請求項２に記載のゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ。
  4. 前記第２の環状部分の幅は、前記第３の環状部分の幅と異なることを特徴とする請求項３に記載のゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ。
  5. 前記ソース上面に位置し、前記ソースと電気的に接続されるソースメタルをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ。
  6. 前記ソースメタルは円形に構成され、前記ゲートとは電気的に分離することを特徴とする請求項５に記載のゲートメタルをアンテナとして活用したリング状のテラヘルツ波検出用電界効果トランジスタ。
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