CN108550650A - 一种石墨烯红外传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯红外传感器结构，包括：并列设置的石墨烯上电极和石墨烯下电极，石墨烯上电极和石墨烯下电极之间设有铁电材料层；其中，通过铁电材料层剩余极化对其上下表面的石墨烯上电极和石墨烯下电极内载流子密度产生的相反影响，以形成差分信号，从而增强对红外信号的探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路和传感器技术领域，更具体地，涉及一种优化的石墨烯红外传感器结构。
背景技术
红外传感器是红外探测技术领域中应用非常广泛的一种产品，其一般是采用在CMOS电路上集成MEMS微桥结构，利用热敏电阻(通常为负温度系数的非晶硅或氧化矾)吸收红外线，且通过CMOS电路将其变化的信号转化成电信号放大输出，据此来实现热成像功能。
石墨烯材料是由单层石墨结构构成的，其具有极好的电学和光学性能，尤其是其载流子迁移率要远高于普通的Si材料，其理论计算值大约高于Si材料载流子迁移率1-2个数量级，因此石墨烯在CMOS晶体管中的应用备受关注。
研究表明，石墨烯是目前已知迁移率较高的一种二维半导体材料，其迁移率在常温常压下为60000cm2V-1·S-1，且可弯曲，透光性好。采用石墨烯作为电流通道传输载流子，即在CMOS晶体管中将石墨烯用作沟道材料，可将红外传感器的反应速度呈几何级数加快，从而使得红外传感器的灵敏度大大提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优化的石墨烯红外传感器结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种石墨烯红外传感器结构，包括：
并列设置的石墨烯上电极和石墨烯下电极，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极之间设有铁电材料层；其中，通过铁电材料层剩余极化对其上下表面的石墨烯上电极和石墨烯下电极内载流子密度产生相反影响，形成差分信号。
优选地，所述石墨烯上电极包括N个并联的石墨烯上电极，所述石墨烯下电极包括N个并联的石墨烯下电极，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极竖直交替设置，每对石墨烯上电极和石墨烯下电极之间都设有铁电材料层，且相邻铁电材料层的剩余极化方向相反，其中，N大于1。
优选地，各所述石墨烯上电极两端分设有第一金属电极，各所述石墨烯下电极两端分设有第二金属电极，所述N个石墨烯上电极通过其两端的第一金属电极相并联，所述N个石墨烯下电极通过其两端的第二金属电极相并联。
优选地，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极水平设置，数量各为一个，所述石墨烯上电极的上表面两端上分设有第一金属电极，所述石墨烯下电极的上表面两端上分设有第二金属电极。
优选地，所述石墨烯下电极的面积大于铁电材料层和石墨烯上电极的面积，且其垂直投影完全包围铁电材料层和石墨烯上电极。
优选地，所述铁电材料层的面积大于石墨烯上电极的面积，且其垂直投影完全包围石墨烯上电极。
优选地，所述石墨烯下电极两端的第二金属电极与石墨烯上电极之间在垂直投影方向上存在部分交叠区域。
优选地，还包括第一介质层，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极、第一金属电极、第二金属电极、铁电材料层设于第一介质层中。
优选地，还包括设于第一介质层表面上并分别通过通孔连接石墨烯上电极两端第一金属电极的第一电极引出和分别通过通孔连接石墨烯下电极两端第二金属电极的第二电极引出。
优选地，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极还作为对铁电材料层进行初始极化的上电极板和下电极板。
从上述技术方案可以看出，本发明利用石墨烯薄膜具有的优异光学性能，通过在石墨烯上电极和石墨烯下电极的叠层结构之间设置铁电材料层，并使铁电材料与石墨烯薄膜相接触，在红外传感器结构吸收红外光产生温度变化后，使得铁电材料的剩余极化发生变化，从而影响到石墨烯上电极和石墨烯下电极石墨烯材料的载流子密度，并产生电流变化；本发明利用在铁电材料上下表面分别形成石墨烯薄膜，通过铁电材料剩余极化对其上下表面石墨烯薄膜内载流子密度产生的相反影响效果，以形成差分信号，从而增强对红外信号的探测灵敏度。
附图说明
图1是本发明较佳实施例一的一种石墨烯红外传感器结构示意图；
图2是本发明较佳实施例二的一种石墨烯红外传感器结构示意图；
图3是本发明的原理示意图。
具体实施方式
本发明的一种优化的石墨烯红外传感器结构，包括：并列设置的石墨烯上电极和石墨烯下电极，石墨烯上电极和石墨烯下电极之间设有铁电材料层；其中，通过铁电材料层剩余极化对其上下表面的石墨烯上电极和石墨烯下电极内载流子密度产生的相反影响，以形成差分信号，从而增强对红外信号的探测灵敏度。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明较佳实施例一的一种石墨烯红外传感器结构示意图。如图1所示，本发明的一种石墨烯红外传感器结构，包括：并列设置的石墨烯上电极1和石墨烯下电极2，以及设置在石墨烯上电极1和石墨烯下电极2之间的铁电材料层3。其中，石墨烯上电极1包括N个并联的石墨烯上电极1，石墨烯下电极2包括N个并联的石墨烯下电极2，N为大于1的正整数，例如图示的N＝3。一个石墨烯上电极1和一个石墨烯下电极2组成一对上下电极，且石墨烯上电极1和石墨烯下电极2一个一个地依次竖直交替设置。在每对石墨烯上电极1和石墨烯下电极2之间都设有铁电材料层3，铁电材料层3与其两侧的石墨烯上电极1和石墨烯下电极2紧密贴合；相邻两个铁电材料层3的剩余极化方向相反(如图中箭头所指)。
石墨烯上电极1和石墨烯下电极2可采用石墨烯薄膜制作。铁电材料层3材料可采用PZT(锆钛酸铅压电陶瓷)，或者其他适用的铁电材料。
请参阅图1。在各石墨烯上电极1的两端分别设有第一金属电极11，同时，在各石墨烯下电极2的两端分别设有第二金属电极21。图示3个石墨烯上电极1通过其两端的第一金属电极11相并联，3个石墨烯下电极2通过其两端的第二金属电极21相并联。
可将石墨烯上电极1和石墨烯下电极2、第一金属电极11、第二金属电极21、铁电材料层3都设置在一个第一介质层4中。石墨烯上电极1和石墨烯下电极2可按竖直方向设置在第一介质层4中。第一介质层4可对整个红外传感器结构提供支撑和保护。
在第一介质层4的表面上还可设有第一电极引出12和第二电极引出22；第一电极引出12和第二电极引出22的数量分别为两个。其中，两个第一电极引出12分别通过通孔13连接石墨烯上电极1两端的两个第一金属电极11；两个第二电极引出22分别通过通孔23连接石墨烯下电极2两端的第二金属电极21。
相邻两个石墨烯条受到的铁电材料剩余极化方向相反，因而作用相反。将所有石墨烯上电极1对应端的第一金属电极11分别连接并联在一起，并将所有石墨烯下电极2对应端的第二金属电极21分别连接并联在一起。这样，假设标准单个石墨烯上电极1在铁电材料层3的铁电材料极化后的电流是I1，标准单个石墨烯下电极2在铁电材料层3的铁电材料极化后的对应电流是I2，其电流差失&I，那么将N个石墨烯上电极1和石墨烯下电极2分别并联后，形成的差分信号为N倍的&I。该差分信号可以接入差分运算放大器中进行处理，从而得到更加灵敏的传感器信号。石墨烯上电极1和石墨烯下电极2采用竖直方式设置，可简化工艺步骤(整个电容结构仅需制作三层即可完成工艺)，节约成本。
石墨烯上电极1和石墨烯下电极2还可作为对铁电材料层3进行初始极化的上电极板和下电极板。
请参阅图2，图2是本发明较佳实施例二的一种石墨烯红外传感器结构示意图。如图2所示，本发明的一种石墨烯红外传感器结构，包括：并列设置的石墨烯上电极1和石墨烯下电极2，以及设置在石墨烯上电极1和石墨烯下电极2之间的铁电材料层3。其中，石墨烯上电极1和石墨烯下电极2水平设置，数量各为一个；在石墨烯上电极1的上表面两端上分别设有第一金属电极11，在石墨烯下电极2的上表面两端上分别设有第二金属电极21。
石墨烯上电极1和石墨烯下电极2可采用石墨烯薄膜制作。铁电材料层3材料可采用PZT(锆钛酸铅压电陶瓷)，或者其他适用的铁电材料。
请参阅图2。石墨烯下电极2的面积大于铁电材料层3和石墨烯上电极1的面积，且其垂直投影完全包围铁电材料层3和石墨烯上电极1。
铁电材料层3的面积大于石墨烯上电极1的面积，且其垂直投影完全包围石墨烯上电极1。
位于下方的石墨烯下电极2两端的第二金属电极21与位于其上方的石墨烯上电极1结构之间在垂直投影方向上存在部分交叠区域。这种设计结构即相当于MOS器件中栅电极与源漏的交叠。这样，可保证铁电材料层3的铁电材料剩余极化能够影响/调制到作为沟道的石墨烯部分，以便于将调制后的信号传输到对应的电极引出端，其原理如图3所示(图中上下方的源、漏电极S、D分别相当于石墨烯上电极1两端的第一金属电极11和石墨烯下电极2两端的第二金属电极21)。
可将石墨烯上电极1和石墨烯下电极2、第一金属电极11、第二金属电极21、铁电材料层3都设置在一个第一介质层4中。石墨烯上电极1和石墨烯下电极2可按水平方向设置在第一介质层4中。第一介质层4可对整个红外传感器结构提供支撑和保护。
在第一介质层4的表面上还可设有第一电极引出12和第二电极引出22；第一电极引出12和第二电极引出22的数量分别为两个。其中，两个第一电极引出12分别通过通孔13连接石墨烯上电极1两端的两个第一金属电极11；两个第二电极引出22分别通过通孔23连接石墨烯下电极2两端的第二金属电极21。
石墨烯上电极1和石墨烯下电极2还可作为对铁电材料层3进行初始极化的上电极板和下电极板。例如，对铁电材料层3进行初始极化的一种具体方法是：通过将两个第一电极引出12连接在一起作为一端，将两个第二电极引出22连接在一起作为另一端；通过这两端来施加电压对铁电材料层3进行初始极化。
综上，本发明利用石墨烯薄膜具有的优异光学性能，通过在石墨烯上电极1和石墨烯下电极2的叠层结构之间设置铁电材料层3，并使铁电材料与石墨烯薄膜相接触，在红外传感器结构吸收红外光产生温度变化后，使得铁电材料的剩余极化发生变化，从而影响到石墨烯上电极1和石墨烯下电极2石墨烯材料的载流子密度，并产生电流变化；本发明利用在铁电材料上下表面分别形成石墨烯薄膜，通过铁电材料剩余极化对其上下表面石墨烯薄膜内载流子密度产生的相反影响效果，以形成差分信号，从而增强对红外信号的探测灵敏度。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种石墨烯红外传感器结构，其特征在于，包括：
并列设置的石墨烯上电极和石墨烯下电极，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极之间设有铁电材料层；其中，通过铁电材料层剩余极化对其上下表面的石墨烯上电极和石墨烯下电极内载流子密度产生相反影响，形成差分信号。
2.根据权利要求1所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，所述石墨烯上电极包括N个并联的石墨烯上电极，所述石墨烯下电极包括N个并联的石墨烯下电极，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极竖直交替设置，每对石墨烯上电极和石墨烯下电极之间都设有铁电材料层，且相邻铁电材料层的剩余极化方向相反，其中，N大于1。
3.根据权利要求2所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，各所述石墨烯上电极两端分设有第一金属电极，各所述石墨烯下电极两端分设有第二金属电极，所述N个石墨烯上电极通过其两端的第一金属电极相并联，所述N个石墨烯下电极通过其两端的第二金属电极相并联。
4.根据权利要求1所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极水平设置，数量各为一个，所述石墨烯上电极的上表面两端上分设有第一金属电极，所述石墨烯下电极的上表面两端上分设有第二金属电极。
5.根据权利要求4所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，所述石墨烯下电极的面积大于铁电材料层和石墨烯上电极的面积，且其垂直投影完全包围铁电材料层和石墨烯上电极。
6.根据权利要求4所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，所述铁电材料层的面积大于石墨烯上电极的面积，且其垂直投影完全包围石墨烯上电极。
7.根据权利要求4所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，所述石墨烯下电极两端的第二金属电极与石墨烯上电极之间在垂直投影方向上存在部分交叠区域。
8.根据权利要求2-7任意一项所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，还包括第一介质层，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极、第一金属电极、第二金属电极、铁电材料层设于第一介质层中。
9.根据权利要求8所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，还包括设于第一介质层表面上并分别通过通孔连接石墨烯上电极两端第一金属电极的第一电极引出和分别通过通孔连接石墨烯下电极两端第二金属电极的第二电极引出。
10.根据权利要求1-7任意一项所述的石墨烯红外传感器结构，其特征在于，所述石墨烯上电极和石墨烯下电极还作为对铁电材料层进行初始极化的上电极板和下电极板。
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