一种基于有源区材料的光学天线太赫兹探测器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太赫兹信号探测领域，更涉及一种利用光学天线作为信号接收的探测 器结构。
【背景技术】
[0002] 在本申请人CN201410263961.1(现有技术)专利申请中已经提到，使用多晶硅材料 的光学天线来代替传统的电波天线，通过调节多晶硅的掺杂浓度，使天线的等离子体频率 等于被测信号的频率，从而在天线上产生表面等离激元SPP，实现太赫兹场的局域增强，从 而提高探测器的电压响应。光学天线具有尺寸小，结构简单的特点，减小了探测器的设计难 度，有利于探测器大规模阵列的集成。
[0003] 现有技术中提到的太赫兹探测器结构如图1所示，其使用多晶硅层制成的天线为 104和105,分别置于晶体管的源101、漏102两端，103为晶体管的栅极，天线可以采用蝴蝶 结、偶极子等结构形式。探测器结构截面图如图2所示，用多晶硅层制成的光学天线204和 205分别置于晶体管源端201和漏端202的两端。通过调节多晶硅的掺杂浓度（即每cm3单位 体积的原子数1〇17~1〇2())，将多晶硅天线的等离子体频率调节到太赫兹频率波段，当入射 太赫兹射线的频率与天线的等离子体频率相等时，光学天线表面将会产生表面等离激元 SPP，在天线的间隙处实现局域电场的增强。
[0004]由于现有技术中光学天线产生的局域增强场所在的平面与晶体管沟道所在的平 面不在同一平面，若将光学天线与晶体管沟道设计在同一个平面上，晶体管的响应应该会 有更好的效果。
【发明内容】
[0005]本发明目的是，改进现有技术，采用有源区硅材料来制作太赫兹探测器的天线，将 光学天线与晶体管沟道设计在同一平面上，使晶体管沟道处的局域增强场最大，从而缩小 探测器的尺寸、探测相同强度的太赫兹信号响应会更大。
[0006]本发明通过实验验证了探测器对固定频率下的太赫兹信号的响应。
[0007] 本发明技术方案是，一种基于有源区材料的光学天线太赫兹探测器，包括光学天 线与晶体管栅极采用同一层多晶硅材料，厚度为100~300nm，掺杂通过单独工艺实现;光学 天线分别置于晶体管的源极和漏极两端，天线边缘距离晶体管栅极边缘间距为100~ 500nm，光学天线与晶体管源端、漏端和栅端通过标准半导体工艺中填充氧化物隔开;光学 天线采用偶极子天线或领结形天线结构，多晶硅材料的掺杂浓度为1〇 17~1〇2()原子/每立方 厘米;光学天线的太赫兹探测器工作方案为，在晶体管栅极上加上直流偏置电压，源极接 地，漏极浮空，信号电压从漏极输出；天线厚度与晶体管源漏端厚度相同，将天线分别与源 漏连成一整体;保证天线产生的局域增强场集中在晶体管沟道中。
[0008]本发明所描述的太赫兹探测器基本结构如图3所示，光学天线的材料为有源区硅 材料，天线形状为领结形天线或偶极子天线的组合形式，光学天线（304)和(305)分别与源 极(301)和漏极(302)的侧面连为一整体，且厚度与晶体管的源、漏极厚度相同，只是在工艺 上，源漏极经过了金属化处理，而光学天线没有进行金属化处理，（303)为晶体管的栅极。为 了更加清晰的看到探测器的结构，图4为探测器的截面图和局域电场增强区域，（404)和 (405)为光学天线的两端，（401)和(402)为晶体管的源极和漏极，405为晶体管的栅极，虚线 所围区域为场增强区域。图6为本发明所述太赫兹探测器的电压响应实验结果图，本实验结 果是对频率为650GHz的太赫兹源信号的电压响应结果，光学天线的参数分别为:D= 20微 米、L= 68微米、W= 1微米、Θ= 120度、掺杂浓度为102Q。
[0009]本发明的有益效果:本发明采用有源区硅材料来制作太赫兹探测器的天线，将光 学天线与晶体管沟道设计在同一平面上，这样可以使晶体管沟道处的局域增强场最大，从 而探测相同强度的太赫兹信号响应会更大。同样的，由于是利用光学天线产生的表面等离 子激元（SPP)实现场的局域增强，且SPP的波长比空气中太赫兹信号的波长小得多，所以光 学天线的尺寸要比传统电学天线小得多，从而探测器的尺寸也会进一步缩小，有利于大规 模探测器阵列的集成。
【附图说明】
[0010] 图1为现有技术探测器结构的平面图。
[0011] 图2为现有技术探测器结构的截面图。
[0012] 图3为本发明所述探测器结构的平面图。
[0013]图4为本发明所述探测器结构的截面图。
[0014]图5为本发明所述的探测器等效电路图。
[0015]图6为本发明所述的探测器电压响应的实验结果图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明实验结果使用的太赫兹光源的频率为650GHz，此频率对应的光学天线的参 数分别为:D= 20微米、L= 68微米、W= 1微米、Θ= 120度、掺杂浓度为102()每立方厘米。
[0017]实验中将探测器放在650GHz的太赫兹光源处，使探测器平面与太赫兹光平面相互 垂直，即保证太赫兹光垂直照在光学天线上。图5为实验的等效电路图，将晶体管源端接地， 柵端(503)加一可变电压Vgt，漏端接到锁相放大器上。若天线产生的交流信号为Va。，由于晶 体管漏端的整流特性，在漏端(502)得到的直流开路电压
，其中K是与晶体管 参数有关的参量。通过调节Vgt的大小，漏端输出的直流开路电压Va。会随之改变，最终电压 响应随Vgt的变化如图6所示。可看出探测器的电压响最大值出现在0.4V左右，即晶体管的阈 值电压附近，响应的趋势验证了本发明的正确性。
[0018]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，并不用一限制本发 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、简单改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于有源区材料的光学天线太赫兹探测器，其特征是光学天线与晶体管栅极采 用同一层多晶硅材料，厚度为100~300nm，掺杂通过单独工艺实现;光学天线分别置于晶体 管的源极和漏极两端，天线边缘距离晶体管栅极边缘间距为100~500nm，光学天线与晶体 管源端、漏端和栅端通过标准半导体工艺中填充氧化物隔开;光学天线采用偶极子天线或 领结形天线结构，多晶硅材料的掺杂浓度为1〇 17~1〇2()原子/每立方厘米;天线厚度与晶体 管源漏端厚度相同，将天线分别与源漏连成一整体。2. 根据权利要求1所述的基于有源区材料的光学天线太赫兹探测器，其特征是所述光 学天线的太赫兹探测器工作方案为，在晶体管栅极上加上直流偏置电压，源极接地，漏极浮 空，信号电压从漏极输出。
【专利摘要】一种基于有源区材料的光学天线太赫兹探测器，光学天线与晶体管栅极采用同一层多晶硅材料，厚度为100～300nm；光学天线分别置于晶体管的源极和漏极两端，天线边缘距离晶体管栅极边缘间距为100～500nm，光学天线与晶体管源端、漏端和栅端通过标准半导体工艺中填充氧化物隔开；光学天线采用偶极子天线或领结形天线结构，多晶硅材料的掺杂浓度为1017～1020原子/每立方厘米；天线厚度与晶体管源漏端厚度相同，将天线分别与源漏连成一整体。
【IPC分类】H01L31/112, H01L31/02
【公开号】CN105449030
【申请号】CN201511018027
【发明人】张佳辰, 张铁, 吴福伟
【申请人】南京大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年12月29日