CN108281453A - 一种柔性电荷耦合器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括柔性基底、栅极、半导体衬底、氧化物绝缘层、源极、漏极与石墨烯薄膜；源极和漏极水平间隔布置于氧化物绝缘层的上表面；石墨烯薄膜覆盖在源极、漏极及其之间的氧化物绝缘层的上表面；半导体衬底为SOI基片的顶层硅，制备方法简便。本发明与柔性基底配合，制成柔性器件，入射光照射到本发明的器件表面，被石墨烯和半导体衬底吸收。由于石墨烯的特殊性质，其通过电容耦合可有效收集载流子，产生的光电流信号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。

Description

一种柔性电荷耦合器件及其制备方法

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，尤其涉及一种柔性电荷耦合器件及其制备方法。

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。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种柔性电荷耦合器件及其制备方法，柔性电荷耦合器件阵列有广泛的应用，如成像和生物传感等。本发明基于石墨烯和柔性材料，将硅层减薄，从而实现CCD阵列的柔性器件。该发明能够应用智能穿戴，生物传感等多种场景，且提高了紫外波段的光响应。

本发明的一种柔性电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，所述像素自下而上依次包括柔性基底、栅极、半导体衬底、氧化物绝缘层、源极、漏极与石墨烯薄膜；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；所述石墨烯薄膜覆盖在所述源极、漏极及其之间的氧化物绝缘层的上表面；所述半导体衬底为SOI基片的顶层硅。

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，所述氧化物绝缘层为二氧化硅。

进一步地，在所述半导体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基片的顶层硅为p型掺杂硅。

进一步地，所述柔性基底为聚酰亚胺。

进一步地，所述柔性电荷耦合器件的厚度不超过3μm，便于与柔性基底配合，制成柔性器件。

进一步地，所述SOI基片的顶层硅的厚度小于2μm，提高了紫外光的吸收效率。

本申请的柔性电荷耦合器件在常规电荷耦合器件的基础上增加了柔性基底，结合整体器件厚度薄，构成柔性的电荷耦合器件，便于在多种非平面结构的载体上进行贴覆，如智能穿戴、生物传感器等多种载体上，大大增加了其使用范围。

本申请的半导体衬底采用SOI基片的顶层硅制成，SOI基片为中间埋氧化层的硅基材料，基于SOI基片的特殊结构制备硅基衬底，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。

制备该柔性电荷耦合器件的方法，包括如下步骤：

1)在SOI基片顶层用1000℃干氧生长10nm的氧化物绝缘层，然后用光刻将氧化物绝缘层图形化，用BOE刻蚀液暴露出顶层硅，形成阵列；

2)第二次光刻定义电极区域，用电子束蒸发沉积5nm铬和60nm金，用lift off工艺剥离得到源极和漏极电极；

3)用湿法转移将石墨烯薄膜转移到器件上层，第二次光刻将石墨烯图形化，使石墨烯的边界小于电极范围；

4)旋涂PMMA保护上层器件，用BOE刻蚀液刻蚀SOI的埋氧化层，从而使其上层器件脱离SOI基片；

5)在SOI基片的顶层硅背面制备欧姆接触的栅极，然后将上层器件转移至柔性基底上。

本申请的柔性电荷耦合器件的工作原理如下：

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，导致石墨烯的费米能级上升。由于石墨烯的特殊能带结构，石墨烯的电导会相应成比例的变化。这样给石墨烯施加固定的偏压后，通过石墨烯的电流能够同步反映出势阱内存储的电荷量，且无需多次转移读取。

本发明的一种柔性电荷耦合器件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，从而形成较大的光电流信号，具有较大的线性动态范围；

2.由于器件的整体厚度小于3μm，便于与柔性基底配合，制成柔性器件；

3.硅基底的厚度小于2μm，提高了紫外光的吸收效率；

4.硅基底能够被完全耗尽，能够降低器件整体功耗，提高器件的工作速度；

5.由于石墨烯的特殊性质，其通过电容耦合可有效收集载流子，产生的光电流信号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2一种柔性电荷耦合器件的结构示意图；

图2为实施例1或2一种柔性电荷耦合器件的制备方法流程图；

图3为实施例3一种柔性电荷耦合器件的结构示意图；

图4为实施例3一种柔性电荷耦合器件的制备方法流程图。

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，本实施例的一种柔性电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括聚酰亚胺的柔性基底7、栅极6、半导体衬底5、氧化物绝缘层4、源极1、漏极2与石墨烯薄膜3；源极1和漏极2水平间隔布置于氧化物绝缘层4的上表面；石墨烯薄膜3覆盖在源极1、漏极2及其之间的氧化物绝缘层4的上表面；半导体衬底5为SOI基片的顶层硅，SOI基片的顶层硅为n型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm。

该柔性电荷耦合器件的厚度不超过3μm，SOI基片的顶层硅的厚度小于2μm。

如图2所示，制备该柔性电荷耦合器件的方法，包括如下步骤：

1)在SOI基片顶层用1000℃干氧生长10nm的氧化物绝缘层4，然后用光刻将氧化物绝缘层4图形化，用BOE刻蚀液暴露出顶层硅，形成阵列；

2)第二次光刻定义电极区域，用电子束蒸发沉积5nm铬和60nm金，用lift off工艺剥离得到源极1和漏极4电极；

3)用湿法转移将石墨烯薄膜3转移到器件上层，第二次光刻将石墨烯图形化，使石墨烯的边界小于电极范围；

4)旋涂PMMA保护上层器件，用BOE刻蚀液刻蚀SOI的埋氧化层，从而使其上层器件脱离SOI基片；

5)在SOI基片的顶层硅背面制备欧姆接触的栅极6，然后将上层器件转移至柔性基底7上。

实施例2

由图1所示，本实施例的一种柔性电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括聚酰亚胺的柔性基底7、栅极6、半导体衬底5、二氧化硅绝缘层4、源极1、漏极2与石墨烯薄膜3；源极1和漏极2水平间隔布置于二氧化硅绝缘层4的上表面；石墨烯薄膜3覆盖在源极1、漏极2及其之间的二氧化硅绝缘层4的上表面；半导体衬底5为SOI基片的顶层硅，SOI基片的顶层硅为n型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm。

该柔性电荷耦合器件的厚度不超过3μm，SOI基片的顶层硅的厚度小于2μm。

如图2所示，制备该柔性电荷耦合器件的方法，包括如下步骤：

1)在SOI基片顶层用1000℃干氧生长10nm的二氧化硅绝缘层4，然后用光刻将二氧化硅绝缘层4图形化，用BOE刻蚀液暴露出顶层硅，形成阵列；

2)第二次光刻定义电极区域，用电子束蒸发沉积5nm铬和60nm金，用lift off工艺剥离得到源极1和漏极4电极；

3)用湿法转移将石墨烯薄膜3转移到器件上层，第二次光刻将石墨烯图形化，使石墨烯的边界小于电极范围；

4)旋涂PMMA保护上层器件，用BOE刻蚀液刻蚀SOI的埋氧化层，从而使其上层器件脱离SOI基片；

5)在SOI基片的顶层硅背面制备欧姆接触的栅极6，然后将上层器件转移至柔性基底7上。

实施例3

由图3所示，本实施例的一种柔性电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括聚酰亚胺的柔性基底7、栅极6、半导体衬底5、氧化物绝缘层4、源极1、漏极2与石墨烯薄膜3；源极1和漏极2水平间隔布置于氧化物绝缘层4的上表面；石墨烯薄膜3覆盖在源极1、漏极2及其之间的氧化物绝缘层4的上表面；半导体衬底5为SOI基片的顶层硅，SOI基片的顶层硅为p型掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm，半导体衬底5和氧化物绝缘层4之间设置有埋沟层8，埋沟层8为n型掺杂。

该柔性电荷耦合器件的厚度不超过3μm，SOI基片的顶层硅的厚度小于2μm。

如图4所示，制备该柔性电荷耦合器件的方法，包括如下步骤：

1)对SOI基片的顶层硅做离子掺杂，形成厚度约为0.8μm的n型轻掺杂埋沟层8；

2)在带有埋沟层8的SOI基片顶层用1000℃干氧生长10nm的氧化物绝缘层4，然后用光刻将氧化物绝缘层4图形化，用BOE刻蚀液暴露出顶层硅，形成阵列；

3)第二次光刻定义电极区域，用电子束蒸发沉积5nm铬和60nm金，用lift off工艺剥离得到源极1和漏极4电极；

4)用湿法转移将石墨烯薄膜3转移到器件上层，第二次光刻将石墨烯图形化，使石墨烯的边界小于电极范围；

5)旋涂PMMA保护上层器件，用BOE刻蚀液刻蚀SOI的埋氧化层，从而使其上层器件脱离SOI基片；

6)在SOI基片的顶层硅背面制备欧姆接触的栅极6，然后将上层器件转移至柔性基底7上。

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 (7)

1.一种柔性电荷耦合器件，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柔性基底、栅极、半导体衬底、氧化物绝缘层、源极、漏极与石墨烯薄膜；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；所述石墨烯薄膜覆盖在所述源极、漏极及其之间的氧化物绝缘层的上表面；所述半导体衬底为SOI基片的顶层硅。

2.根据权利要求1所述的一种柔性电荷耦合器件，其特征在于，所述SOI基片的顶层硅为n型轻掺杂硅，电阻率为1～10Ω·cm，所述氧化物绝缘层为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种柔性电荷耦合器件，其特征在于，在所述半导体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基片的顶层硅为p型掺杂硅。

4.根据权利要求1所述的一种柔性电荷耦合器件，其特征在于，所述柔性基底为聚酰亚胺。

5.根据权利要求1所述的一种柔性电荷耦合器件，其特征在于，所述柔性电荷耦合器件的厚度不超过3μm。

6.根据权利要求5所述的一种柔性电荷耦合器件，其特征在于，所述SOI基片的顶层硅的厚度小于2μm。

7.制备权利要求1所述的一种柔性电荷耦合器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在SOI基片顶层用1000℃干氧生长10nm的氧化物绝缘层，然后用光刻将氧化物绝缘层图形化，用BOE刻蚀液暴露出顶层硅，形成阵列；

2)第二次光刻定义电极区域，用电子束蒸发沉积5nm铬和60nm金，用lift off工艺剥离得到源极和漏极电极；

3)用湿法转移将石墨烯薄膜转移到器件上层，第二次光刻将石墨烯图形化，使石墨烯的边界小于电极范围；

4)旋涂PMMA保护上层器件，用BOE刻蚀液刻蚀SOI的埋氧化层，从而使其上层器件脱离SOI基片；

5)在SOI基片的顶层硅背面制备欧姆接触的栅极，然后将上层器件转移至柔性基底上。