CN109119507A - 一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法。该方法包括如下步骤：1)利用集成电路工艺形成SiO2/Si衬底；2)通过后CMOS工艺形成石墨烯单元像素衬底；3)将步骤2)的石墨烯单元像素衬底转移到步骤1)的SiO2/Si衬底上。本发明利用集成电路工艺生长的SiO2和Si材料具有极高的材料质量和极少的SiO2/Si界面缺陷，该制备工艺与标准集成电路工艺兼容，降低了探测器的制造成本，提升了探测器的性能和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，涉及光电探测器结构，尤其涉及一种基于基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法。
背景技术
红外探测在军事、气象、地球环境、农业、医学等方面有着广泛的应用前景。红外探测器作为红外探测技术的核心器件，一直受到科学界和业界广泛关注和研究。常用的红外探测器从探测器机理上可分为热敏型和光子型红外探测器。热敏型探测器由于室温工作，是民用领域使用最广泛的红外探测器。这类探测器在吸收红外辐射后，自身温度会发生变化，引起探测材料某一物理属性发生变化，通过读取这一变化达到探测红外目的。但探测器加热和冷却是一个缓慢的过程，因而这类热探测器的响应速度慢，响应时间大约为毫秒级。光子型红外探测器是依赖材料内部电子直接吸收入射红外辐射，具有响应速度快、体积小、可靠性高和适应能力强等优点，但这类探测器在室温附件存在较大暗电流，降低了器件响应性能，因此大部分光子型红外探测器，如基于碲镉汞，量子阱的光子型红外探测器，需要在低温致冷条件下才能发挥其高性能，使得这类探测系统成本和复杂度较高，极大地限制了这类探测器的应用和发展。
石墨烯是一种有价值的新材料，室温下具有超高的载流子迁移率和超宽的光吸收谱(从紫外至远红外)，在实现非制冷、高速、宽光谱的光子型红外探测方面极具潜力。典型的石墨烯红外探测器由石墨烯/SiO2/Si结构构成。当红外光照在石墨烯上时，会产生具有高能量的热载流子。这类载流子具有动能高于平均热运动能量，却不会将热能转移到晶格的性能特点。当器件工作在偏压下时，热载流子会有一定的机率转向石墨烯/SiO2界面方向，并通过隧穿的方式越过氧化层势垒，注入Si衬底层，产生与红外光强相关的衬底电流。这种由于热载流子效应产生的红外光电流使得石墨烯在收集红外光能量方面十分有效。
目前石墨烯红外探测器的制作一般基于实验室工艺，器件对SiO2/Si衬底结构质量要求高。SiO2层中存在的缺陷态和SiO2/Si界面存在的界面态将导致光响应速度慢，在应用领域存在性能和可靠性的局限性，亟待进一步提高。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了利用集成电路工艺中的SiO2/Si作为石墨烯红外器件衬底的制备方法。该制备方法与标准集成电路工艺技术兼容，能够实现探测器功能的高度集成化、低功耗和低成本。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法，包括如下步骤：1)利用集成电路工艺形成SiO2/Si衬底；2)获得单层石墨烯；3)将所述单层石墨烯转移到步骤1)的SiO2/Si衬底上。
步骤1)的具体过程如下：
(1)向弱p型单晶硅衬底进行磷离子的高能注入，形成n型硅阱；
(2)利用热氧化的方法形成栅二氧化硅层，然后利用CVD工艺在栅二氧化硅层表面形成多晶硅层；
(3)利用光刻工艺，形成探测器的SiO2/Si衬底；
(4)在n型硅阱和多晶硅层的表面生长二氧化硅介质层，通过刻蚀和沉积在二氧化硅介质层内部形成钨通孔，所述钨通孔与所述n型硅阱表面相连；
(5)利用集成电路后端工艺形成金属互连结构。
进一步地，步骤3)中，单层石墨烯覆盖在SiO2/Si衬底中的二氧化硅介质层的内侧壁、上表面以及栅二氧化硅层的上表面。
进一步地，所述栅二氧化硅层的厚度为2nm～10nm。
基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器，单层石墨烯-薄层SiO2-Si衬底构成，其中薄层SiO2和Si衬底是由晶体管结构中的Si衬底和SiO2栅氧化层组成的。探测机理如下：当石墨烯-SiO2-Si器件工作在一定偏压下，红外光照射石墨烯产生能量较高的热载流子，在外加电场的作用下，热载流子会有一定的机率转向石墨烯/SiO2的界面方向，并通过隧穿的方式越过氧化层势垒，注入Si衬底层，从而输出与红外光强相关的光电流，实现对红外光信号的探测。
本发明的有益效果：
(1)本发明的石墨烯红外探测器的制备工艺与标准集成电路工艺兼容，使得其制备的SiO2和Si具有很高的晶体质量和很少的缺陷，提升了探测器的性能，降低了制造成本，有利于实现产品化和集成应用；
(2)使用石墨烯作为吸收红外光的材料。该材料具有极高的载流子迁移率，又能对整个红外波段都有吸收，使得本发明所述石墨烯红外光探测器具有极快的响应速度和全波段的响应带宽；
(3)石墨烯的制备方法已经相当成熟，可以批量生产，相较于传统的红外探测器，其制造成本较低，并且本发明制备的石墨烯红外探测器能够在室温工作，拓宽了其应用领域。
附图说明
图1为本发明实施例石墨烯红外探测器的结构示意图，(a)俯视图，(b)侧视图。
图2为本发明实施例石墨烯红外探测器的制备工艺示意图，(a)形成n型硅阱，(b)生长栅二氧化硅层，(c)沉积多晶硅，(d)形成正方形的多晶硅和栅二氧化硅层，(e)沉积二氧化硅，(f)形成钨通孔，(g)沉积金属铝，(h)刻蚀二氧化硅层，(i)刻蚀多晶硅层，(j)转移单层石墨烯。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例的石墨烯红外探测器结构包括石墨烯102、栅二氧化硅层105和n型硅阱106。整个结构设计在集成电路工艺提供的弱p型单晶硅衬底107上，在二氧化硅101的内侧壁、上表面以及栅二氧化硅层105的上表面均覆盖石墨烯102。钨通孔104设置在二氧化硅101内部的两侧，n型硅阱106与钨通孔104相连，钨通孔104又与金属铝层103相连，即金属铝层103可以作为连接n型硅阱106的电极。本实施例的石墨烯红外探测器工作时，在石墨烯102与金属铝层103两端加偏置电压，当红外光入射到石墨烯102表面时，其体内产生能量较高的热载流子，在外加电场的作用下，以隧穿的方式越过栅二氧化硅层105的势垒，注入n型硅阱106，即可输出与红外光强相关的电流，实现对红外光信号的探测。
图2为本实施例石墨烯红外探测器的制备工艺示意图，具体步骤为：
(1)如图2(a)所示，在集成电路工艺提供的弱p型单晶硅衬底107上，进行磷离子的高能注入，注入温度小于600摄氏度，再退火形成n型硅阱106；
(2)如图2(b)所示，在n型硅阱106的表面用低温氧化的方法生长一层很薄的栅二氧化硅层105，栅二氧化硅层105的厚度为2nm～10nm；
(3)如图2(c)所示，在栅二氧化硅层105的表面用化学气相沉积法(CVD)沉积一层多晶硅108；
(4)如图2(d)所示，光刻后，再利用反应离子刻蚀法(RIE)刻蚀多余的多晶硅108和栅二氧化硅105，形成正方形的多晶硅108和栅二氧化硅层105，多晶硅108和栅二氧化硅层105的长宽皆为10μm～20μm；
(5)如图2(e)所示，在n型硅阱106和多晶硅层108的上表面利用化学气相沉积法(CVD)沉积一层二氧化硅101，二氧化硅层101的厚度为0.5μm～1μm；
(6)如图2(f)所示，在二氧化硅层101上，利用光刻和沉积金属钨的方法形成与n型硅阱106表面相连的钨通孔104；
(7)如图2(g)所示，在二氧化硅层101的表面沉积一层金属铝103，并且刻蚀形成与钨通孔104相连的长方形金属铝层103，其周围填充与金属铝层103厚度一致的二氧化硅101；
(8)如图2(h)所示，利用光刻形成与底部多晶硅层108对准的正方形刻蚀窗口，再利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀法刻蚀二氧化硅层101，刻蚀所用气体为C4F8，刻蚀至多晶硅层108的上表面即可；
(9)如图2(i)所示，利用湿法刻蚀多晶硅层108，刻蚀所用溶液为KOH，刻蚀至栅二氧化硅层105的上表面即可；
(10)如图2(j)所示，将以铜箔为基底的单层石墨烯旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶液，裁剪成所需大小的规则形状，将剪裁好的铜基底单层石墨烯放于铜刻蚀液的上表面，刻蚀30min，铜基底被刻蚀掉，用聚酯基片将刻蚀完成后的带有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的单层石墨烯转移至去离子水中，多次清洗，清洗完成后，将带有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的单层石墨烯转移至二氧化硅101窗口内，使二氧化硅101的内侧壁、二氧化硅101和栅二氧化硅层105的上表面覆盖石墨烯102，烘干样品，放于丙酮溶液里去除单层石墨烯上的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，即可完成单层石墨烯102的转移过程。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实例的示意图，并不用一限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)利用集成电路工艺形成SiO2/Si衬底；
2)获得单层石墨烯；
3)将所述单层石墨烯转移到步骤1)的SiO2/Si衬底上。
2.根据权利要求1所述的一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法，其特征在于，步骤1)的具体过程如下：
(1)向弱p型单晶硅衬底进行磷离子的高能注入，形成n型硅阱；
(2)利用热氧化的方法形成栅二氧化硅层，然后利用CVD工艺在栅二氧化硅层表面形成多晶硅层；
(3)利用光刻工艺，形成探测器的SiO2/Si衬底；
(4)在n型硅阱和多晶硅层的表面生长二氧化硅介质层，通过刻蚀和沉积在二氧化硅介质层内部形成钨通孔，所述钨通孔与所述n型硅阱表面相连；
(5)利用集成电路后端工艺形成金属互连结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法，其特征在于，步骤3)中，单层石墨烯覆盖在SiO2/Si衬底中的二氧化硅介质层的内侧壁、上表面以及栅二氧化硅层的上表面。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法，其特征在于，所述栅二氧化硅层的厚度为2nm～10nm。
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- 2018-09-05 CN CN201811029758.2A patent/CN109119507B/zh active Active
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| CN112366247B (zh) * | 2020-10-22 | 2021-10-08 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种转移印刷集成的顶入射InGaAs探测器的制备方法 |
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| CN109119507B (zh) | 2020-06-12 |
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