CN108281443B - 一种基于soi衬底的石墨烯/硅异质结ccd像素阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列，由像素组成阵列，像素自下而上依次为栅极、SOI基片衬底、氧化物绝缘层、源极、SOI基片的顶层硅、石墨烯薄膜与漏极；源极和漏极水平间隔布置于氧化物绝缘层上；石墨烯与SOI基片的顶层硅交叠后设于源极、漏极之间的氧化物绝缘层上，石墨烯覆盖于源极上；制备方法简便。入射光照射到器件表面，被石墨烯和半导体衬底吸收。由于石墨烯的特殊性质，其通过电容耦合有效收集载流子，产生光电流直接从单个像素输出，实现本地随机读取，无需采用像素间转移电荷方式，从而改变CCD的信号读出方式，提高响应速度、动态范围和可靠性。石墨烯/硅异质结可有效降低器件暗电流。
Description
技术领域
本发明属于图像传感器技术领域，涉及图像传感器器件结构，尤其涉及一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列及其制备方法。
背景技术
电荷耦合器件(CCD)图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号，可对被测物体进行准确的测量、分析。传统的CCD与CMOS图像传感器相比具有更好的成像品质，但由于CCD采用像素之间电荷横向传递的方式输出数据，系统的整体响应速度慢，并且只要其中有一个像素传送出现故障，就会导致一整排的数据无法正常传送，因此控制CCD的良品率较为困难。
石墨烯是由单层sp2杂化碳原子构成的蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料。石墨烯和覆盖在半导体氧化片可以构成简单的场效应结构，制备工艺简单，易于转移到任何衬底上。由于石墨烯透光性很高，能够提高传统光电器件的量子效率。和单一石墨烯结构不同，石墨烯/硅异质结可有效降低器件暗电流。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列及其制备方法，基于石墨烯和SOI工艺，从而实现石墨烯/硅异质结的CCD阵列的器件。该发明提高了紫外波段的光响应，能够应用多种场景。
本发明的一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极、SOI基片衬底、氧化物绝缘层、源极、SOI基片的顶层硅、石墨烯薄膜与漏极；所述源极和所述漏极水平间隔布置于所述氧化物绝缘层的上表面；所述石墨烯薄膜与所述SOI基片的顶层硅交叠后设于所述源极、漏极之间的氧化物绝缘层的上表面，且所述石墨烯薄膜覆盖于所述源极上方，所述SOI基片的顶层硅设于所述漏极下方。
进一步地，所述SOI基片衬底为p型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm。
进一步地，所述SOI基片衬底为n型轻掺杂硅，氧化物绝缘层为二氧化硅。
进一步地，所述SOI基片的顶层硅为n型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm。
进一步地，在所述SOI基片衬底和氧化物绝缘层之间设置有埋沟层，所述埋沟层为n型掺杂，所述SOI基片衬底为p型掺杂硅。
进一步地，所述SOI基片的顶层硅的厚度小于1μm，提高了紫外光的吸收效率。
本申请采用SOI基片作为半导体衬底及增设的SOI基片的顶层硅，便于衬底和硅层的制备，便于控制厚度，因为厚度会直接影响到吸收波段。
制备该基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的方法，包括如下步骤：
1)SOI基片顶层用光刻胶转印成阵列图形，用ICP感应离子刻蚀的方法刻蚀掉多余的顶层硅；
2)用电子束蒸发沉积15nm钛和80nm金电极，lift off后形成源极和漏极，在氮气气氛下300℃退火半个小时，使漏极与SOI基片的顶层硅形成欧姆接触；
3)用湿法转移将石墨烯薄膜转移到器件上层，光刻将石墨烯图形化，用氧等离子体刻蚀多余石墨烯，使石墨烯的边界小于电极范围，并与SOI基片的顶层硅交叠；
4)用镓铟合金与SOI基片衬底背面接触，形成栅极。
本申请的基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的工作原理如下：
石墨烯与氧化物绝缘层、半导体衬底形成MIS结构，随着栅电压逐渐增大，硅基底将从电子积累进入耗尽状态。若栅压足够大，半导体-氧化层界面将形成空穴反型层。但是若栅压为脉冲信号，由于少数载流子的产生需要一定的寿命时间，则也不会立即出现反型层，而仍然保持为耗尽的状态(这时的耗尽厚度比最大耗尽层厚度还要大)；这种多数载流子完全被耗尽了的，应该出现、而又一时不出现反型层的半导体表面状态，称为深耗尽状态。进入深耗尽状态，耗尽区宽度增大。当入射光照射到器件区域，硅耗尽区吸收入射光并产生电子-空穴对，其量子效率接近100％；若半导体衬底为n型，在高速栅电场作用下电子流被石墨烯收集，石墨烯的费米能级上升，石墨烯/硅异质的肖特基势垒下降，导致石墨烯/硅异质结的电流上升。通过异质结的电流能够同步反映出势阱内存储的电荷量，且暗电流能够被抑制，开关比高，且能降低器件功耗。
本发明的一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列及其制备方法具有以下有益效果：
1.入射光照射到本发明CCD器件表面，被石墨烯和半导体衬底吸收。脉冲偏压加到器件背栅电极，半导体衬底进入深耗尽状态，在耗尽层产生的光生载流子(空穴电子对)在器件内部电场作用下分离，电子被石墨烯收集，导致石墨烯/肖特基势垒变化，电流变大；
2.石墨烯/硅异质结能够降低暗电流，降低功耗。而且超薄的石墨烯/硅异质结能够吸收光子，提高紫外光响应；
3.顶层硅的厚度小于1μm，石墨烯/硅异质结提高了紫外光的吸收效率；
4.由于石墨烯的特殊性质，其通过电容耦合有效收集载流子，产生的光电流信号可以直接从单个像素输出，实现本地随机读取，无需采用像素间水平转移电荷方式，从根本上改变电荷耦合器件的信号读出方式，提高系统响应速度、动态范围和可靠性。
附图说明
图1为实施例1或2一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的结构示意图；
图2为实施例1或2一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的制备方法流程图；
图3为实施例3一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的结构示意图；
图4为实施例3一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
由图1所示，本实施例的一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极7、SOI基片衬底6、氧化物绝缘层5、源极1、SOI基片的顶层硅3、石墨烯薄膜2与漏极4；源极1和漏极4水平间隔布置于氧化物绝缘层5的上表面；石墨烯薄膜2与SOI基片的顶层硅3交叠后设于源极1、漏极4之间的氧化物绝缘层3的上表面，且石墨烯薄膜2覆盖于源极1上方，SOI基片的顶层硅3设于漏极4下方。
SOI基片衬底6为p型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm；
SOI基片的顶层硅3为n型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm；
SOI基片的顶层硅3的厚度小于1μm。
如图2所示，制备该基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的方法，包括如下步骤：
1)SOI基片顶层用光刻胶转印成阵列图形，用ICP感应离子刻蚀的方法刻蚀掉多余的顶层硅；
2)用电子束蒸发沉积15nm钛和80nm金电极，lift off后形成源极1和漏极4，在氮气气氛下300℃退火半个小时，使漏极4与SOI基片的顶层硅3形成欧姆接触；
3)用湿法转移将石墨烯薄膜2转移到器件上层，光刻将石墨烯图形化，用氧等离子体刻蚀多余石墨烯，使石墨烯的边界小于电极范围，并与SOI基片的顶层硅3交叠；
4)用镓铟合金与SOI基片衬底6背面接触，形成栅极7。
实施例2
由图1所示，本实施例的一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极7、SOI基片衬底6、氧化物绝缘层5、源极1、SOI基片的顶层硅3、石墨烯薄膜2与漏极4；源极1和漏极4水平间隔布置于氧化物绝缘层5的上表面；石墨烯薄膜2与SOI基片的顶层硅3交叠后设于源极1、漏极4之间的氧化物绝缘层3的上表面，且石墨烯薄膜2覆盖于源极1上方，SOI基片的顶层硅3设于漏极4下方。
SOI基片衬底6为n型轻掺杂硅，氧化物绝缘层5为二氧化硅；
SOI基片的顶层硅3为n型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm；
SOI基片的顶层硅3的厚度小于1μm。
如图2所示，制备该基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的方法，包括如下步骤：
1)SOI基片顶层用光刻胶转印成阵列图形，用ICP感应离子刻蚀的方法刻蚀掉多余的顶层硅；
2)用电子束蒸发沉积15nm钛和80nm金电极，lift off后形成源极1和漏极4，在氮气气氛下300℃退火半个小时，使漏极4与SOI基片的顶层硅3形成欧姆接触；
3)用湿法转移将石墨烯薄膜2转移到器件上层，光刻将石墨烯图形化，用氧等离子体刻蚀多余石墨烯，使石墨烯的边界小于电极范围，并与SOI基片的顶层硅3交叠；
4)用镓铟合金与SOI基片衬底6背面接触，形成栅极7。
实施例3
由图3所示，本实施例的一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极7、SOI基片衬底6、氧化物绝缘层5、源极1、SOI基片的顶层硅3、石墨烯薄膜2与漏极4；源极1和漏极4水平间隔布置于氧化物绝缘层5的上表面；石墨烯薄膜2与SOI基片的顶层硅3交叠后设于源极1、漏极4之间的氧化物绝缘层3的上表面，且石墨烯薄膜2覆盖于源极1上方，SOI基片的顶层硅3设于漏极4下方，在SOI基片衬底6和氧化物绝缘层5之间设置有埋沟层8；
SOI基片衬底6为p型掺杂硅，埋沟层8为n型掺杂。
SOI基片的顶层硅3为n型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm；
SOI基片的顶层硅3的厚度小于1μm。
如图4所示，制备该基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列的方法，包括如下步骤：
1)将带有埋沟层8的SOI基片顶层用光刻胶转印成阵列图形，用ICP感应离子刻蚀的方法刻蚀掉多余的顶层硅；
2)用电子束蒸发沉积15nm钛和80nm金电极，lift off后形成源极1和漏极4，在氮气气氛下300℃退火半个小时，使漏极4与SOI基片的顶层硅3形成欧姆接触；
3)用湿法转移将石墨烯薄膜2转移到器件上层，光刻将石墨烯图形化，用氧等离子体刻蚀多余石墨烯，使石墨烯的边界小于电极范围，并与SOI基片的顶层硅3交叠；
4)用镓铟合金与SOI基片衬底6背面接触，形成栅极7。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。本说明书所涉及的半导体衬底或其他功能层的n型掺杂、p型掺杂，只是为了方便说明，作为特例来陈述。互换掺杂类型(n型改为p型、p型改为n型)，仅使得器件载流子类型(电子或空穴)发生互换，而不会影响器件的工作原理，因此不超出本说明书的范围。
Claims (1)
1.一种基于SOI衬底的石墨烯/硅异质结CCD像素阵列，包括组成阵列的若干像素，其特征在于，所述像素自下而上依次包括栅极、SOI基片衬底、氧化物绝缘层、源极、SOI基片的顶层硅、石墨烯薄膜与漏极；所述源极和所述漏极水平间隔布置于所述氧化物绝缘层的上表面；所述石墨烯薄膜与所述SOI基片的顶层硅交叠后设于所述源极、漏极之间的氧化物绝缘层的上表面，且所述石墨烯薄膜覆盖于所述源极上方，所述SOI基片的顶层硅设于所述漏极下方；
所述SOI基片衬底为n型轻掺杂硅，氧化物绝缘层为二氧化硅；
其制备方法为：
1)SOI基片顶层用光刻胶转印成阵列图形，用ICP感应离子刻蚀的方法刻蚀掉多余的顶层硅；
2)用电子束蒸发沉积15nm钛和80nm金电极，lift off后形成源极和漏极，在氮气气氛下300℃退火半个小时，使漏极与SOI基片的顶层硅形成欧姆接触；
3)用湿法转移将石墨烯薄膜转移到器件上层，光刻将石墨烯图形化，用氧等离子体刻蚀多余石墨烯，使石墨烯的边界小于电极范围，并与SOI基片的顶层硅交叠；
4)用镓铟合金与SOI基片衬底背面接触，形成栅极。
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