一種基于光學天線的太赫茲探測器的制造方法
【專利摘要】一種基于光學天線的太赫茲探測器，包括多晶硅材料層制成的光學天線、晶體管或場效應管；光學天線分別置于晶體管的源極和漏極兩端，天線邊緣距離晶體管柵極邊緣間距為100～500nm，光學天線與晶體管源端、漏端和柵端通過標準工藝中填充氧化物隔開；光學天線與晶體管柵極采用同一層多晶硅材料，但摻雜通過其他工藝來單獨實現，其厚度為100～300nm；光學天線采用偶極子天線、領結形天線天線結構，多晶硅材料的摻雜濃度為1017～1020；光學天線的太赫茲探測器工作方案為，在晶體管柵極上加上直流偏置電壓，源極接地，漏極浮空，信號電壓從漏極輸出。
【專利說明】一種基于光學天線的太赫茲探測器
【技術領域】
[0001] 本發明涉及太赫茲信號探測領域，更涉及一種利用光學天線作為信號接收部件的 探測器結構，能夠實現更大的響應。
【背景技術】
[0002] 太赫茲是一種頻率介于紅外和微波之間的電磁波，其具有很多獨特的性能。由于 太赫茲的頻率很高，其空間分辨率和時間分辨率很高。同時許多非金屬極性材料對太赫茲 射線吸收較小，因此能夠探測材料內部信息，加之太赫茲電磁能量較小，不會對物質產生破 壞作用，且生物分子振動和轉動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在農業和食 品加工行業也有著良好的應用前景。目前太赫茲已經給寬帶通信、雷達、醫學成像、無損檢 測、安全檢查等領域帶來了深遠的影響。
[0003] 目前已經有了多種太赫茲信號探測器結構的報道，如文獻【F Schuster，Optics Express, Vol. 19, No. 8, April2011】中報道的利用頂層金屬制作微帶天線構成的太赫茲探 測器，其結構如圖1所示，頂層金屬制作的微帶天線104和105經過通孔分別與晶體管的源 101和漏102相連接，工作時在晶體管柵極103上加合適偏置電壓，微帶天線產生的交流電 壓信號加在器件源、漏上，晶體管通過自混頻的過程將交流信號整流為直流信號，通過晶體 管漏端讀出，從而實現對太赫茲信號的探測。該探測器截面如圖2所示，天線用頂層金屬 (假設是3層金屬工藝）制作并通過通孔208與第二層金屬207相連，并通過通孔206與第 一層金屬205相連，最終通過通孔204實現與晶體管的源極201和漏端202相連接。該探 測器基于標準集成電路工藝技術，能夠實現功能的高度集成化，功耗低，且具有成本優勢。
[0004] 但是上述探測器利用的仍是金屬制成的傳統電波天線，天線尺寸至少為1/2波 長，尺寸較大，不利于探測器陣列的集成。同時，電波天線的增益有限，用電波天線制成的探 測器電壓響應有限。
【發明內容】
[0005] 針對上述問題，本發明目的是，提出一種基于光學天線的新型太赫茲探測器，利用 光學天線產生的表面等離激元（surface plasmon polariton，SPP)，實現太赫茲波的局域 增強，使探測器響應更大，且探測器尺寸得到進一步的縮小。
[0006] 本發明的技術方案是，一種基于光學天線的太赫茲探測器，包括多晶硅材料層制 成的光學天線、晶體管或場效應管；光學天線分別置于晶體管的源極和漏極兩端，天線邊緣 距離晶體管柵極邊緣間距為100?500nm，光學天線與晶體管源端、漏端和柵端通過標準工 藝中填充氧化物隔開；光學天線與晶體管柵極采用同一層多晶硅材料，但摻雜通過其他工 藝來單獨實現，其厚度為100?300nm ;光學天線采用偶極子天線、領結形天線天線結構，材 料為摻雜多晶硅材料，多晶硅材料的摻雜濃度為1〇17?1〇 2° ;光學天線的太赫茲探測器工作 方案為，在晶體管柵極上加上直流偏置電壓，源極接地，漏極浮空，信號電壓從漏極輸出。
[0007] 進一步，采用多晶硅作為天線材料，晶體管柵極部位303位于天線間隙的中間， 晶體管柵極303亦為多晶硅層，柵長尺寸為50?300nm。晶體管柵極303做硅金屬化 (silicide)工藝，以改善導電性，而光學天線304和305不做娃金屬化工藝，保持半導體特 性。
[0008] 進一步，光學天線采用偶極子和領結形結構相結合的形式，其偶極子長度D范圍 為1?10微米，寬度W為1?5微米；領結形部分半徑L為5?30微米，張角角度為90? 180 度。
[0009] 進一步，通過調節多晶硅材料的摻雜濃度，使天線的等離子體頻率等于被測信號 的頻率，從而在天線上產生表面等離激元SPP，實現太赫茲場的局域增強。
[0010] 多晶硅材料的摻雜濃度為1〇17?102°。可以采用η型或P型多晶硅摻雜。且多晶 硅光學天線在工藝制造中要避免形成金屬硅化物（silicide)。
[0011] 根據文獻【R. Β· M. Schafoort, Handbook of surface plasmon resonance, The Royal Society of Chemistry, 2008】，材料的等離子體頻率與材料的電子濃度n有關，即， 其中為電子有效質量。故本發明通過調節多晶硅天線的摻雜濃度，使光學天線的等離子頻 率等于太赫茲頻段。如果太赫茲信號頻率等于光學天線的等離子頻率，當該太赫茲射線入 射到探測器上時，在光學天線表面將會產生表面等離激元SPP，從而實現太赫茲信號場的局 域增強效應。同時表面等離激元的波長要比空氣中的太赫茲信號波長小的多，故用多晶硅 制成的光學天線的尺寸要比用金屬制成的電波天線要小的多，整個探測器單元的面積能夠 大大的縮小，有利于提高探測器陣列的規模和集成度。
[0012] 本發明的有效效益為：本發明所述的太赫茲探測器利用（摻雜）多晶硅材料制成 天線，通過調節多晶硅材料的摻雜濃度，使天線的等離子體頻率等于被測信號的頻率，從而 在天線上產生表面等離激元SPP，實現太赫茲場的局域增強，從而提高探測器的電壓響應。
[0013] 本發明所述的太赫茲探測器利用光學天線產生的SPP實現場的局域增強，而SPP 的波長要比空氣中太赫茲信號的波長小的多，故光學天線的尺寸要比用金屬制成的電波天 線小的多，探測器面積得到縮小，有利于探測器大規模陣列的集成。本發明所述的太赫茲探 測器利用多晶硅材料作為天線，結構簡單，減小了探測器設計難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1為基于傳統電波天線結構的太赫茲探測器平面圖。
[0015] 圖2為基于傳統電波天線結構的太赫茲探測器截面圖。
[0016] 圖3為本發明所述基于光學天線的太赫茲探測器結構平面圖。
[0017] 圖4為本發明所述基于光學天線的太赫茲探測器截面圖。
[0018] 圖5為本發明所述的探測器等效電路圖。
[0019] 圖6為本發明所述的探測器電場增益仿真結果圖。 具體實施例
[0020] 為使本發明的內容更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細 描述。
[0021] 圖3所示為本發明所述基于光學天線的太赫茲探測器結構平面示意圖。采用多晶 硅作為天線材料，天線304和305分別置于晶體管源端301和漏端302兩端。利用多晶硅 層構成天線的兩端304和305,天線的兩端分別置于晶體管的源301、漏302兩端，晶體管柵 極303位于天線間隙的中間，晶體管柵極303亦為多晶硅層，柵長尺寸為50?300nm。晶體 管柵極303做娃金屬化（silicide)工藝，以改善導電性，而光學天線304和305不做娃金 屬化工藝，保持半導體特性。光學天線和晶體管的柵極、源極和漏極通過標準集成電路工藝 中填充氧化物隔開。
[0022] 天線采用和晶體管柵極303同樣的多晶硅材料，但天線材料的摻雜通過單獨的工 藝來實現。晶體管柵極303位于天線304和305之間間隙的中間，晶體管柵長尺寸為50? 300nm，光學天線和晶體管柵極303、源極301和漏極302通過標準集成電路工藝中填充氧化 物來隔開。多晶硅光學天線304和305可以采用蝴蝶結、偶極子二者結合等結構，制作時多 晶娃層光學天線上要避免形成娃合金化合物（Silicide)，可以利用SAB(silicide block) 層來遮擋實現，其具體工藝為，在硅金屬化生產工藝中，光學天線上面用光刻膠擋住，然后 整個晶圓暴露在鈦、鈷（視具體工藝而定）等金屬中，晶體管柵極、源極和漏極完成硅金屬 化工藝，以改善導電性，而光學天線仍保持半導體特性。探測器結構截面圖如圖4所示，用 多晶硅層制成的光學天線404和405分別置于晶體管源端401和漏端402的兩端。
[0023] 在本實施例中，光學天線采用偶極子和領結形結構相結合的形式，其偶極子長度D 范圍為1?10微米，寬度W為1?5微米；領結形部分半徑L為5?30微米，張角角度為 90?180度。本發明所述基于光學天線的太赫茲探測器工作方案為，在晶體管柵極上加上 直流偏置電壓V gt，源極接地，漏極浮空，信號電壓從漏極輸出。
[0024] 通過調節多晶硅材料的摻雜濃度，使天線的等離子體頻率等于被測信號的頻率， 從而在天線上產生表面等離激元SPP，實現太赫茲場的局域增強。
[0025] 探測器的截面圖如圖4所示，晶體管位于光學天線403和404的間隙處。
[0026] 如圖4所示，光學天線產生的局域場在天線之間的間隙中，即晶體管所在的區域， 由于晶體管的整流作用，這些高頻信號將被整流，在晶體管漏端得到一個直流偏壓。本發明 所述整個探測器等效電路如圖5所示，柵極上直流偏置電壓為V gt，光學天線產生的交流信 號表示為Va。，則晶體管漏端讀出的直流整流信號為，其中K是與晶體管參數有關的參量。
[0027] 通過調節多晶硅的摻雜濃度（1017?102°)，從而使多晶硅天線的等離子體頻率在 太赫茲頻率波段，當入射太赫茲射線的頻率與天線的等離子體頻率相等時，光學天線表面 將會產生表面等離激元SPP，太赫茲場將會局域在光學天線間隙處，如圖6所示為晶體管所 在區域電場增益仿真結果圖，可以看到通過調節天線的雜質摻雜濃度，能夠使天線的等離 子濃度調節在ITHz附近，從而實現對ITHz頻率的信號進行探測。
[0028] 本發明所述的光學天線能夠實現太赫茲場的局域增強，晶體管位于增強的太赫茲 場中，而晶體管具有整流作用，能夠將交流信號整流成直流信號從而被外部電路讀出。如圖 5所示為本發明所述的探測器等效電路圖，天線產生的交流信號為V a。，則晶體管漏端整流 得到的直流開路電壓為，其中K是與晶體管參數有關的參量。
[0029] 本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實例的示意圖，并不用一限制本發 明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明 的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種基于光學天線的太赫茲探測器，其特征是包括多晶硅材料層制成的光學天線、 晶體管或場效應管；光學天線分別置于晶體管的源極和漏極兩端，天線邊緣距離晶體管柵 極邊緣間距為100?500nm，光學天線與晶體管源端、漏端和柵端通過標準工藝中填充氧化 物隔開；光學天線與晶體管柵極采用同一層多晶硅材料，但摻雜通過其他工藝來單獨實現， 其厚度為1〇〇?300nm ;光學天線采用偶極子天線、領結形天線天線結構，材料為摻雜多晶 硅材料，多晶硅材料的摻雜濃度為1〇17?1〇 2° ;光學天線的太赫茲探測器工作方案為，在晶 體管柵極上加上直流偏置電壓，源極接地，漏極浮空，信號電壓從漏極輸出。
2. 根據權利要求1所述的基于光學天線的太赫茲探測器，其特征是采用多晶硅作為天 線材料，晶體管柵極部位303位于天線間隙的中間，晶體管柵極303亦為多晶硅層，柵長尺 寸為50?300nm。晶體管柵極303做娃金屬化（silicide)工藝，以改善導電性，而光學天 線304和305不做硅金屬化工藝，保持半導體特性。
3. 根據權利要求1所述的基于光學天線的太赫茲探測器，其特征是光學天線采用偶極 子和領結形結構相結合的形式，其偶極子長度D范圍為1?10微米，寬度W為1?5微米； 領結形部分半徑L為5?30微米，張角角度為90?180度。
4. 根據權利要求1所述的基于光學天線的太赫茲探測器，其特征是通過調節多晶硅材 料的摻雜濃度，使天線的等離子體頻率等于被測信號的頻率，從而在天線上產生表面等離 激元SPP，實現太赫茲場的局域增強。
5. 根據權利要求1所述的基于光學天線的太赫茲探測器，其特征是調節多晶硅的摻雜 濃度（1〇17?1〇 2°)，使多晶硅天線的等離子體頻率在太赫茲頻率波段，當入射太赫茲射線的 頻率與天線的等離子體頻率相等時，光學天線表面將會產生表面等離激元SPP，太赫茲場將 會局域在光學天線間隙處，通過調節天線多晶硅材料的雜質摻雜濃度，能夠使天線的等離 子體頻率〇. 1?ΙΟΤΗζ之間調節。
【文檔編號】H01L31/112GK104091837SQ201410263961
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】閆鋒, 吳福偉, 紀小麗 申請人:南京大學