CN108281483A - 一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，所述像素自下而上依次包括栅极、半导体衬底、绝缘层、源极、漏极与二维半导体薄膜；所述源极和所述漏极水平间隔布置于所述绝缘层的上表面；所述二维半导体薄膜覆盖在所述源极、漏极及其之间的绝缘层的上表面。入射光照射到本发明的电荷耦合器件表面，被半导体衬底吸收。由于二维半导体的特殊性质，其通过电容性耦合可以有效收集载流子，产生的光电流信号直接从单个像素结构输出，实现本地读取、随机读取，无需采用传统器件的像素间横向转移电荷方式，从根本上改变电荷耦合器件的信号读出方式，提高系统整体响应速度、线性动态范围和可靠性。
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，尤其涉及一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件。
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。
二维半导体薄膜，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度(1-100nm)上自由运动(平面运动)的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维半导体薄膜是伴随着2004年曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨烯而提出的，目前已成功分离、制备的二维半导体薄膜有几十种，包括黑磷、过渡金属硫化物等。二维半导体薄膜的发现给突破传统CCD的局限带来了机会。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件。
本发明的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，所述像素自下而上依次包括栅极、半导体衬底、绝缘层、源极、漏极与二维半导体薄膜；所述源极和所述漏极水平间隔布置于所述绝缘层的上表面；所述二维半导体薄膜覆盖在所述源极、漏极及其之间的绝缘层的上表面，二维半导体薄膜同时具有光电响应和场效应。
作为优选的技术方案，所述二维半导体薄膜为黑磷薄膜或过渡金属硫化物薄膜，如二硫化钼、二硫化钨或二硒化钨等。
作为优选的技术方案，所述半导体衬底为轻掺杂半导体。
作为优选的技术方案，所述半导体衬底为n型轻掺杂硅，绝缘层为二氧化硅。
作为优选的技术方案，在所述半导体衬底和绝缘层之间设置有埋沟层，所述埋沟层为n型掺杂，所述半导体衬底为p型掺杂。
作为优选的技术方案，所述半导体衬底为窄禁带宽度半导体。
作为优选的技术方案，所述半导体衬底为宽禁带宽度半导体。
作为优选的技术方案，所述绝缘层为紫外光吸收系数低的材料。
作为优选的技术方案，所述绝缘层为高介电常数介质。
作为优选的技术方案，光线由下方射入所述电荷耦合器件。
本申请中二维半导体薄膜的工作原理为：二维半导体薄膜与绝缘层、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-绝缘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二维半导体薄膜收集，导致二维半导体薄膜的费米能级上升。由于二维半导体薄膜的特殊能带结构，二维半导体薄膜的电导会相应成比例的变化。这样给二维半导体薄膜施加固定的偏压后，通过二维半导体薄膜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。
电荷耦合器件阵列有广泛的应用，如成像和监控等。本申请基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件可以使用标准半导体工艺制作光电探测器阵列。通过引线接合法，用金线或金属互连线把电荷耦合器件阵列中的每个元件的顶电极与传统的信号处理电路的电极连接起来，使用传统的信号处理电路可以获得光电探测器阵列的所有CCD像素的数据。
本发明的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件具有以下有益效果：
1.入射光照射到本申请电荷耦合器件表面，被二维半导体薄膜和半导体衬底吸收。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，电子被二维半导体薄膜收集，从而形成较大的光电流信号，具有较大的线性动态范围；
2.二维半导体薄膜作为透明电极，增强入射光吸收，相比传统的多晶硅电极，极大的提高了传统电荷耦合器件在紫外和红外波段的量子效率，拓宽了图像传感器的响应光谱；
3.由于二维半导体的特殊性质，其通过电容性耦合可以有效收集载流子，产生的光电流信号直接从单个像素结构输出，实现本地读取、随机读取，无需采用传统器件的像素间水平转移电荷方式，从根本上改变电荷耦合器件的电荷信号读出方式，提高成像系统的整体响应速度、线性动态范围和可靠性。
附图说明
图1为实施例1-6中的电荷耦合器件的结构示意图；
图2为电荷耦合器件工作在0～-30V，占空比为20％的1kHz脉冲栅压下，532nm、光能量为0～120mW/cm2激光的光学响应曲线及其在光能量在0～4mW/cm2的曲线图；
图3为在一个栅电压脉冲周期内，用不同强度的1550nm激光照射器件的光响应曲线图；
图4为实施例7中的电荷耦合器件的结构示意图。
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二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极1、n型轻掺杂硅半导体衬底2、二氧化硅绝缘层3、源极4、漏极5与黑磷薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于二氧化硅绝缘层3的上表面；黑磷薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的二氧化硅绝缘层3的上表面，黑磷薄膜6同时具有红外响应和场效应。
其中，制作栅极1的材料为镓铟合金，n型轻掺杂硅半导体衬底2的厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm，二氧化硅绝缘层3的厚度为10～100nm，源极4和漏极5所用材料为铬/金合金，黑磷薄膜6的尺寸为100μm×100μm。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在黑磷薄膜上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1V偏压，如图1所示。
制备上述电荷耦合器件像素的方法，包括以下步骤：
(1)在n型轻掺杂硅半导体衬底2的上表面氧化生长二氧化硅绝缘层3，所用n型轻掺杂硅半导体衬底2的电阻率为1～10Ω·cm；二氧化硅绝缘层3的厚度为100nm～200nm，生长温度为900～1200℃；
(2)在二氧化硅绝缘层3表面光刻出顶电极和的图形，然后采用电子束蒸发技术，首先生长厚度约为5nm的铬黏附层源极4，然后生长60nm的金电极漏极5；
(3)在顶电极(源极4和漏极5)的上表面和二氧化硅绝缘层3的上表面覆盖黑磷薄膜6；其中，黑磷薄膜6的转移方法为：用化学气相淀积或物理气相淀积方法生成单层黑磷，并将其转移到硅氧化片上，将硅片仿在在60℃热板上，用以PDMS为基底的PC薄膜将黑磷薄膜6揭起，转移到目标器件上，用80℃使PC融化，用三氯甲烷溶液洗去PC胶，再用同样的方法转移一层氮化硼薄膜作为保护层；
(5)在n型轻掺杂硅半导体衬底2背面制备与n型轻掺杂硅半导体衬底2欧姆接触的金属栅极1。
本实施例的电荷耦合器件使用n型轻掺杂硅半导体衬底2，栅电压工作在0～-30V，占空比为20％的1kHz脉冲栅压下，532nm、光能量为0～120mW/cm2激光的光学响应曲线及其在光能量在0～4mW/cm2的曲线图如图2所示。从图2可以看出，所制备的器件在0～4mW/cm2具有良好的线性度；且光电流较大，证实器件能够被应用于图像传感器阵列。
基于以上结构，利用硅-氧化硅的界面态在红外波段产生较大响应，提高电荷耦合器件的响应度。
所用半导体衬底2为n型轻掺杂硅，绝缘层3为二氧化硅，硅与二氧化硅之间的界面态会吸收红外光并产生电子空穴对，并转移至黑磷薄膜内使黑磷薄膜的电导产生变化，最终导致黑磷薄膜上的输出电流变化。虽然界面态吸收红外光的量子效率极低，但由于CCD的电荷积分作用以及黑磷薄膜自身的增益效果，依然可以得到较大的响应。如图3所示，在一个栅电压脉冲周期内，用不同强度的1550nm激光照射器件，可见其响应明显，响应度约为50mA/W，是商业上的红外探头的50倍。实测其响应波长范围为200～2000nm。
实施例2
由图1所示，本实施例的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极1、n型轻掺杂硅半导体衬底2、二氧化硅绝缘层3、源极4、漏极5与黑磷薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于二氧化硅绝缘层3的上表面；黑磷薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的二氧化硅绝缘层3的上表面。
其中，制作栅极1的材料为镓铟合金，n型轻掺杂硅半导体衬底2的厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm，二氧化硅绝缘层3的厚度为50～70nm，源极4和漏极5所用材料为铬/金合金，黑磷薄膜6的尺寸为100μm×100μm。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在黑磷薄膜上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1V偏压，如图1所示。
通过减小像素尺寸，同时减薄绝缘层厚度，进而减小器件的氧化层电容，减小器件整体的RC常数从而提高器件的工作速度。因此本实施例的像素尺寸减小为3μm×3μm左右。
由光的干涉原理可知，在绝缘层薄膜内，当其厚度满足d＝λ/(4n)时，其中λ为入射波长，n为材料的折射率，可以使光线的反射率达到最小，由此对于硅-二氧化硅这一体系，可以将二氧化硅绝缘层3的厚度缩小至50～70nm，以提高其在紫外波段的透光率，提升电荷耦合器件在紫外波段的性能。
通过减薄硅片衬底厚度至光的透射深度，并让光线从硅片衬底背面入射，减少金属电极对光线的阻挡，电荷从硅片衬底正面的黑磷薄膜6中读出。对比商业上的CCD，电荷耦合器件的量子效率提升至90％～95％。
实施例3
由图1所示，本实施例的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极1、窄禁带宽度半导体2、绝缘层3、源极4、漏极5与黑磷薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；黑磷薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面。
其中，制作栅极1的材料为镓铟合金，窄禁带宽度半导体2采用锗Ge、锑化铟InSb、铟镓砷InGaAs或Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，其厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm，绝缘层3的厚度为10～100nm，源极4和漏极5所用材料为铬/金合金，黑磷薄膜6的尺寸为100μm×100μm。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在黑磷薄膜6上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1V偏压，如图1所示。
本实施例的电荷耦合器件结构，更换窄禁带宽度半导体在红外波段产生较大响应，提高电荷耦合器件的响应度。
由于深耗尽这一状态在多种半导体中都可以实现。因此将半导体衬底2采用窄禁带宽度半导体如锗Ge、锑化铟InSb、铟镓砷InGaAs、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体等，这些半导体可以直接吸收红外光子，能够产生较大的响应度和量子效率。但需要注意的是，半导体-绝缘层界面应该具有良好的界面特性，以防止热产生速度过快而淹没光响应信号。红外波段可以扩展至5μm以上。
实施例4
由图1所示，本实施例的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极1、宽禁带宽度半导体2、绝缘层3、源极4、漏极5与黑磷薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；黑磷薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面。
其中，制作栅极1的材料为镓铟合金，宽禁带宽度半导体2的厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm，绝缘层3的厚度为10～100nm，源极4和漏极5所用材料为铬/金合金，黑磷薄膜6的尺寸为100μm×100μm。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在黑磷薄膜6上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1V偏压，如图1所示。
基于以上结构，更换宽禁带宽度半导体在紫外波段产生较大响应，提高电荷耦合器件的响应度，使电荷耦合器件仅吸收紫外波段的光。
由于深耗尽这一状态在多种半导体中都可以实现。因此将半导体衬底2采用宽禁带宽度半导体如氮化镓GaN、碳化硅SiC等，这些半导体可以直接吸收紫外光子，能够产生较大的响应度和量子效率。但需要注意的是，半导体-绝缘层界面应该具有良好的界面特性，以防止热产生速度过快而淹没光响应信号，减小可见光的干扰。
实施例5
由图1所示，本实施例的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极1、半导体衬底2、紫外光吸收系数低的材料制成的绝缘层3、源极4、漏极5与黑磷薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；黑磷薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面。
其中，制作栅极1的材料为镓铟合金，半导体衬底2的厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm，紫外光吸收系数低的材料制成的绝缘层3的厚度为10～100nm，源极4和漏极5所用材料为铬/金合金，黑磷薄膜6的尺寸为100μm×100μm。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在黑磷薄膜6上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1V偏压，如图1所示。
由于黑磷薄膜6的透光性较好，因此提高紫外响应可以从设计减少紫外光的反射率，减少绝缘层对紫外光的吸收的角度考虑，提高电荷耦合器件的在紫外波段的响应度。基于二氧化硅对紫外光的吸收较大，选用对紫外光吸收系数底的绝缘层材料，如使用氮化硅或高介电常数材料等对紫外波段光吸收较少的绝缘层材料。
实施例6
由图1所示，本实施例的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极1、半导体衬底2、高介电常数材料制成的绝缘层3、源极4、漏极5与黑磷薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；黑磷薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面。
其中，制作栅极1的材料为镓铟合金，半导体衬底2的厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm，高介电常数材料制成的绝缘层3的厚度为10～100nm，源极4和漏极5所用材料为铬/金合金，黑磷薄膜6的尺寸为100μm×100μm。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在黑磷薄膜6上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1V偏压，如图1所示。
高介电常数介质制成的绝缘层具有增强电容耦合效应、减小栅压，降低功耗的作用。
实施例7
由图4所示，本实施例的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，包括组成阵列的若干像素，像素自下而上依次包括栅极1、p型掺杂的半导体衬底2、绝缘层3、源极4、漏极5与黑磷薄膜6；源极4和漏极5水平间隔布置于绝缘层3的上表面；黑磷薄膜6覆盖在源极4、漏极5及其之间的绝缘层3的上表面；在p型掺杂的半导体衬底2和绝缘层3之间设置有n型掺杂的埋沟层7。
其中，制作栅极1的材料为镓铟合金，p型掺杂的半导体衬底2的厚度为300～500μm，电阻率为1～10Ω·cm，绝缘层3的厚度为10～100nm，源极4和漏极5所用材料为铬/金合金，黑磷薄膜6的尺寸为100μm×100μm；n型掺杂的埋沟层7的厚度为2μm，电阻率为1～10Ω·cm。
对本实施例的电荷耦合器件加脉冲栅压，使其可以进入深耗尽工作状态，实现光子吸收。源极4和漏极5直接施加固定偏压，实现势阱内电荷在黑磷薄膜6上的无损读出。其中栅电压的负极连接在器件的栅极1上，栅电压的正极连接在电荷耦合器件的源极4上，在源极4和漏极5之间加1V偏压，如图4所示。
表面沟道CCD由于表面态的存在会影响电荷的转移速度，且暗场情况下的热产生更高，而埋沟CCD表面有一层与半导体衬底掺杂类型相反的掺杂层，该薄层是完全耗尽的，积累的光生电荷离开表面，减少了表面热产生带来的暗噪声，提高了转移效率，优化电荷耦合器件的工作速率。
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 (10)
1.一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，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栅极、半导体衬底、绝缘层、源极、漏极与二维半导体薄膜；所述源极和所述漏极水平间隔布置于所述绝缘层的上表面；所述二维半导体薄膜覆盖在所述源极、漏极及其之间的绝缘层的上表面，二维半导体薄膜同时具有光电响应和场效应。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，所述二维半导体薄膜为黑磷薄膜或过渡金属硫化物薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，所述半导体衬底为轻掺杂半导体。
4.根据权利要求3所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，所述半导体衬底为n型轻掺杂硅，绝缘层为二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，在所述半导体衬底和绝缘层之间设置有埋沟层，所述埋沟层为n型掺杂，所述半导体衬底为p型掺杂。
6.根据权利要求1所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，所述半导体衬底为窄禁带宽度半导体。
7.根据权利要求1所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，所述半导体衬底为宽禁带宽度半导体。
8.根据权利要求1所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，所述绝缘层为紫外光吸收系数低的材料。
9.根据权利要求1所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，所述绝缘层为高介电常数介质。
10.根据权利要求1所述的一种基于二维半导体薄膜/绝缘层/半导体结构的电荷耦合器件，其特征在于，光线由下方射入所述电荷耦合器件。
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