[发明专利]一种基于光学天线的太赫兹探测器

说明书

技术领域

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部件的探测器结构，能够实现更大的响应。

背景技术

太赫兹是一种频率介于红外和微波之间的电磁波，其具有很多独特的性能。由于太赫兹的频率很高，其空间分辨率和时间分辨率很高。同时许多非金属极性材料对太赫兹射线吸收较小，因此能够探测材料内部信息，加之太赫兹电磁能量较小，不会对物质产生破坏作用，且生物分子振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在农业和食品加工行业也有着良好的应用前景。目前太赫兹已经给宽带通信、雷达、医学成像、无损检测、安全检查等领域带来了深远的影响。

目前已经有了多种太赫兹信号探测器结构的报道，如文献【F Schuster,Optics Express,Vol.19,No.8,April2011】中报道的利用顶层金属制作微带天线构成的太赫兹探测器，其结构如图1所示，顶层金属制作的微带天线104和105经过通孔分别与晶体管的源101和漏102相连接，工作时在晶体管栅极103上加合适偏置电压，微带天线产生的交流电压信号加在器件源、漏上，晶体管通过自混频的过程将交流信号整流为直流信号，通过晶体管漏端读出，从而实现对太赫兹信号的探测。该探测器截面如图2所示，天线用顶层金属(假设是3层金属工艺)制作并通过通孔208与第二层金属207相连，并通过通孔206与第一层金属205相连，最终通过通孔204实现与晶体管的源极201和漏端202相连接。该探测器基于标准集成电路工艺技术，能够实现功能的高度集成化，功耗低，且具有成本优势。

但是上述探测器利用的仍是金属制成的传统电波天线，天线尺寸至少为1/2波长，尺寸较大，不利于探测器阵列的集成。同时，电波天线的增益有限，用电波天线制成的探测器电压响应有限。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是，提出一种基于光学天线的新型太赫兹探测器，利用光学天线产生的表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)，实现太赫兹波的局域增强，使探测器响应更大，且探测器尺寸得到进一步的缩小。

本发明的技术方案是，一种基于光学天线的太赫兹探测器，包括多晶硅材料层制成的光学天线、晶体管或场效应管；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工艺中填充氧化物隔开；光学天线与晶体管栅极采用同一层多晶硅材料，但掺杂通过其他工艺来单独实现，其厚度为100～300nm；光学天线采用偶极子天线、领结形天线天线结构，材料为掺杂多晶硅材料，多晶硅材料的掺杂浓度为10¹⁷～10²⁰；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。

进一步，采用多晶硅作为天线材料，晶体管栅极部位303位于天线间隙的中间，晶体管栅极303亦为多晶硅层，栅长尺寸为50～300nm。晶体管栅极303做硅金属化(silicide)工艺，以改善导电性，而光学天线304和305不做硅金属化工艺，保持半导体特性。

进一步，光学天线采用偶极子和领结形结构相结合的形式，其偶极子长度D范围为1～10微米，宽度W为1～5微米；领结形部分半径L为5～30微米，张角角度为90～180度。

进一步，通过调节多晶硅材料的掺杂浓度，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。

多晶硅材料的掺杂浓度为10¹⁷～10²⁰。可以采用n型或P型多晶硅掺杂。且多晶硅光学天线在工艺制造中要避免形成金属硅化物(silicide)。