CN111328429B - 具有石墨烯作为电极和扩散阻挡层的垂直集成多光谱成像传感器 - Google Patents
具有石墨烯作为电极和扩散阻挡层的垂直集成多光谱成像传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种垂直集成多谱成像传感器包含：位于衬底上的第一金属接触层；在第一金属接触层上的SiO2层，其中第一检测器元件嵌入其中的孔中，第一石墨烯层，覆盖第一检测器元件；在所述第一石墨烯的一侧上的SiO2层上的第二金属接触层，SiO2层上的AlO3层，其中，第二检测器元件被嵌入在所述第一石墨烯层上的孔中，在所述第二检测器元件上的第二石墨烯层，以及在AlO3层上与第二石墨烯层相邻的第三金属接触层。第一检测器材料与第二检测器材料对电磁光谱的不同的波长带敏感。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及多谱成像传感器。
背景技术
多光谱成像对于许多应用(例如医学成像和地质调查)而言是关键的。多光谱图像是捕捉在电磁频谱上的多个特定波长范围内的图像数据的图像。图1说明用于获取多谱图像的典型设备。现在参考该图，常规的多谱检测器10包含可见光谱检测器11、具有lR孔13的红外(IR)检测器12和紫外(UV)检测器14。多谱检测器10还包含视觉和UV孔15、第一可调整UV反射镜16、第二固定UV反射镜18以及UV通道19。如从图中可见，每个检测器需要单独的透镜和滤光器。存在与常规多谱检测器相关联的若干挑战。这些包括高成本和制造挑战、维持多个通道的光学对准、以及有限的视场。
发明内容
本发明的示范性实施例涉及一种垂直集成多谱成像传感器，其中石墨烯用作电极和扩散阻挡层。
根据本发明的一个实施例，提供一种垂直集成多谱成像传感器，其包含安置于衬底上的第一金属接触层；在第一金属接触层上的SiO2层，其中第一检测器元件嵌入其中的孔中，第一石墨烯层，覆盖第一检测器元件；第二金属接触层，设置在第一石墨烯层一侧的SiO2层上，其中，第二金属接触层的边缘接触第一石墨烯层的一侧；SiO2层上设置的AlO3层，其中，第二检测器元件被嵌入在所述第一石墨烯层上的孔中，第二石墨烯层，设置在第二检测器元件上；以及第三金属接触层，与第二石墨烯层相邻且设置在AlO3层上，其中，所述第三金属接触层的边缘接触所述第二石墨烯层的侧面。所述第一检测器材料与第二检测器材料对电磁光谱的不同的波长带敏感。
根据本发明的另一个实施例，该衬底是由玻璃、硅晶片、或柔性材料形成的。
根据本发明的又一实施例，第一石墨烯层延伸经过第一检测器元件的边缘以部分地与SiO2层重叠。
根据本发明的又一实施例，第一金属接触层形成在衬底上纵向延伸的条带。
根据本发明的又一实施例，嵌入的第二检测器元件的侧面与第一石墨烯层的侧面同延。
根据本发明的又一实施例，第二石墨烯层延伸经过第二检测器元件的边缘以部分地与AlO3层重叠。
根据本发明的又一实施例，第二金属接触层在SiO2层上形成沿与第一金属接触层垂直的宽度方向延伸的条带。
根据本发明的又一实施例，第三金属接触层在AlO3层上形成沿垂直于第二金属接触层的长度方向延伸的条带。
根据本发明的又一实施例，第一检测器元件和第二检测器元件均选自包括PbSe、PbS或CdS的组，其中第一检测器元件与第二检测器元件不同。
根据本发明的又一实施例，第一金属接触层、第二金属接触层和第三金属接触层均由导电金属形成。
根据本发明的另一个实施例，提供一种制造垂直集成多谱成像传感器的方法，包括在衬底上沉积第一金属接触层并图案化该第一金属接触层；在该衬底和第一金属接触层上沉积SiO2层，以及对所述SiO2层进行图案化以形成在所述衬底的大致中心处暴露所述第一金属接触层的孔，将第一检测器材料沉积在所述孔中，将石墨烯层转移到SiO2层上并且图案化石墨烯层以形成覆盖第一检测材料的第一石墨烯层；在SiO2层上沉积和图案化第二金属层，其中，所述第二金属层与所述第一石墨烯层相邻并接触，在SiO2层上沉积AlO3层；其中，没有AlO3积聚在所述第一石墨烯层上以形成围绕所述第一石墨烯层的孔，在所述第一石墨烯层上的所述孔中沉积第二检测器材料；将另一石墨烯层转移到AlO3层和第二检测器材料上，并且图案化石墨烯层以形成覆盖第二检测器材料的第二石墨烯层，以及在所述AlO3层上沉积并图案化第三金属层，其中所述第三金属层与所述第二石墨烯层相邻并接触。其中，所述第一检测器材料与第二检测器材料对电磁光谱的不同的波长带敏感。
根据本发明的进一步实施例，第一金属接触层被图案化以形成在衬底上纵向延伸的条带。
根据本发明的进一步实施例，通过化学机械抛光(CMP)工艺使第一检测器材料和SiO2层的上表面平滑。
根据本发明的又一实施例，第二金属层被图案化以在SiO2层上垂直于第一金属接触层形成沿宽度方向延伸的条带。
根据本发明的进一步实施例，图案化第三金属接触层以在AlO3层上形成沿长度方向延伸并且垂直于第二金属接触层的条带。
根据本发明的进一步实施例，通过原子层沉积(ALD)来沉积AlO3层。
根据本发明的进一步实施例，第一检测器材料和第二检测器材料各自选自包括PbSe、PbS或CdS的组，其中第一检测器元件与第二检测器元件不同。
根据本发明的进一步实施方式，第一金属接触层、第二金属接触层和第三金属接触层均由导电金属形成。
附图说明
现在将参考附图仅通过举例来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了常规多谱检测器；
图2示出了根据本发明的实施例的石墨烯作为具有选择性ALD的扩散阻挡层的用途；
图3图示了根据本发明的实施例的具有石墨烯作为电极和扩散阻挡层的垂直集成的多谱成像传感器；
图4-10说明根据本发明的实施例的制造使用石墨烯作为电极和扩散阻挡层的垂直集成多谱成像传感器的方法。
具体实施方式
如本文描述的本发明的示范性实施例通常提供垂直集成的多谱成像传感器。虽然实施例易受不同修改和替代形式的影响，但其特定实施例在附图中以示例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解，并不旨在将本公开限制为所公开的特定形式，而是相反，本发明覆盖落入本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替换。
石墨烯已用作具有选择性原子层沉积(ALD)的扩散阻挡层。石墨烯是透明的且高度导电的，因为电子和孔在其导带内自由移动，但是构成石墨烯层的碳原子被充分密集地填充以防止原子和分子通过，因此石墨烯可以充当扩散阻挡层。由此，石墨烯可与对不同波长带的光敏感的检测器材料组合以形成堆叠式多谱成像传感器。由于石墨烯是透明的，因此可以放置在对不同波长带敏感的检测器之间；其导电性允许电流流出到金属触点，并且其充当不同检测器之间的扩散阻挡层。示例性的非限制性检测器包括PbSe(其具有约0.27eV的带隙并且对3至约5μm的波长带中的近红外和中红外敏感)，PbS(其具有约0.37eV的带隙并且对1至约2.5μm的波长带中的近红外敏感)和CdS(其具有约2.45eV的带隙并且对200至约600nm的波长带中的可见光、UVA、UVB以及较长波长UVC辐射敏感)。
然而，形成完整的石墨烯单层是具有挑战性的，因为容易形成空隙。参照图2，上图是扫描电子显微镜(SEM)图像，其显示在10nm的Al2O3 ALD之后在铜锌锡硫化物(CZTS)表面上的石墨烯。Al2O3均匀地涂覆CZTS，包括在石墨烯中的孔20内部暴露的CZTS。石墨烯表面没有被均匀地涂覆，因此图像的暗对比度。下部图像是石墨烯/CZTS表面的放大图像，其中均匀涂覆没有石墨烯的裂纹内部的暴露的CZTS。相比之下，在由石墨烯覆盖的区域上的Al2O3成核是更稀疏地涂覆的。
然而，通过使用AlO3执行ALD，AlO3将在孔中成核以覆盖石墨烯空隙，但是不会粘附到石墨烯本身，因为化学惰性的石墨烯将不会与AlO3结合。AlO3和石墨烯的组合形成连续的扩散阻挡层。注意，石墨烯中的空隙基本上不影响其导电性，因为电子和空穴可以容易地围绕空隙。
根据本发明的实施例，垂直集成多谱成像传感器使用石墨烯作为电极和扩散阻挡层。图3描绘使用石墨烯作为电极和扩散阻挡层的示范性垂直集成多谱成像传感器，其中两个嵌入式检测器对不同波长带敏感。为了清晰说明且简化附图，图3描绘两个嵌入式检测器，且具有两个检测器的多谱成像传感器中涉及的概念可由所属领域的技术人员扩展到具有三个或三个以上检测器的多谱成像传感器。PbSe检测器和PbS检测器的描绘是示例性的并且非限制性的，并且这两个检测器中的任一个可以用另一种检测器(如CdS检测器)替换。
现参看图，根据本发明的实施例的垂直集成多谱成像传感器包含在衬底30上的第一金属接触层31，以及在第一金属接触层31上的SiO2层32，其中嵌入PbSe检测器元件39在SiO2层32中的孔中。衬底可以是玻璃或硅晶圆，或如果需要的话是柔性材料，只要该材料可以耐受与ALD相关联的温度。金属接触层用于将石墨烯层与外部接触互连以传导在石墨烯中产生的电流，并且可以是任何合适的导电金属，例如Cu、Al或Ag。第一金属接触层31在衬底上形成纵向延伸的条带。PbSe检测器元件39被第一石墨烯层37覆盖，在一些实施例中，第一石墨烯层37延伸经过PbSe检测器元件39的边缘以部分地与SiO2层32重叠。SiO2层32被AlO3层33覆盖，AlO3层33在第一石墨烯层37上具有孔，其中，PbS检测器元件36被嵌入在PbSe检测器元件39上的第一石墨烯层37上。在一些实施例中，嵌入的PbS检测器元件36延伸使得其侧面与第一石墨烯层37的侧面同延。第二金属接触层34设置在SiO2层32与位于第一石墨烯层37的一侧的AlO3层33之间。第二金属接触层34的边缘接触第一石墨烯层37的侧面。第二金属接触层34形成沿与第一金属接触层31垂直的宽度方向延伸的条带。第二石墨烯层38覆盖PbS检测器元件36，并且在一些实施例中，第二石墨烯层38延伸经过PbS检测器元件36的边缘以部分地与AlO3层33重叠。第三金属接触层35在邻近第二石墨烯层38的AlO3层33上形成。第三金属接触层35的边缘接触第二石墨烯层38的侧面。第三金属接触层35形成在垂直于第二金属接触层34的纵向方向上延伸的条带。
石墨烯用于PbS检测器元件36的顶部上以及PbS检测器元件36和PbSe检测器元件39之间，因为石墨烯是透明的并且能够将光传输到下层。因为在PbSe检测器元件39下方没有透射光，所以在PbSe检测器元件39下方没有石墨烯层。
根据本发明的实施例，在图3的多谱成像传感器中，石墨烯层充当透明电触点和扩散阻挡层两者。例如图3中所示的多谱成像传感器具有不具有对准要求的单个光学系统和宽视场。
图4-10说明根据本公开的实施例的制造具有石墨烯作为电极和扩散阻挡层的垂直集成多谱成像传感器的方法。在图4-10中的每一个中，上部图像是衬底的平面视图或顶视图，并且下部图像是衬底在沿衬底的中间的纵向方向上的截面图。参考图4，工艺通过在衬底20上沉积第一金属接触层31并且图案化接触层31开始。第一金属接触层31可以通过任何合适的工艺沉积，并且被图案化以在衬底上形成条带。参照图5，沉积并图案化SiO2层32以形成孔52，孔52在衬底的大致中心处暴露第一金属接触层31。参见图6，通过化学机械抛光(CMP)工艺使沉积在孔52中的具有窄带隙的PbSe材料、以及沉积的PbSe材料和SiO2层32的上表面平滑以形成PbSe检测器元件39。
参考图7，石墨烯层被转移到SiO2层32上并且被图案化以形成主要覆盖PbSe检测器元件39的第一石墨烯层37，此后沉积并图案化第二金属层34。根据实施例，石墨烯单独生长在铜膜上，并且通过已知方法从铜膜去除并转移到SiO2层32上。第二金属层34被图案化以形成在SiO2层32上沿宽度方向延伸并且与第一石墨烯层37的一侧相邻，且垂直于第一金属接触层31的条带。
参考图8，AlO3层33通过ALD沉积在SiO2层32上。由于石墨烯是化学惰性的，所以AlO3将不结合到石墨烯，并且没有AlO3将积聚在石墨烯上，形成孔82，凹陷的石墨烯被AlO3层33围绕在孔82中。然而，第一石墨烯层37中的空隙填充有AlO3以形成连续层。参照图9，PbS(具有比PbSe更宽的带隙光传感器的材料)沉积在孔82中以形成PbS检测器元件36。
参照图10，在基本上类似于用于形成第一石墨烯层37的过程中，另一个石墨烯层被转移到AlO3层33和PbS检测器元件36上并且被图案化以形成覆盖PbS检测器元件36的第二石墨烯层38。沉积和图案化另一金属层，以将第三金属接触层35形成为条带，该条带在AlO3层33上沿长度方向延伸且与第二石墨烯层38的一侧相邻并且垂直于第二金属接触层34。由于第二石墨烯层38是顶部接触，所以不需要填充其中的空隙。
虽然已经参照示例性实施例详细描述了本公开的实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和替换。
Claims (18)
1.一种垂直集成多谱成像传感器，其包括：
设置在衬底上的第一金属接触层；
SiO2层，设置在第一金属接触层上，其中第一检测器元件嵌入在其中的孔中；
覆盖所述第一检测器元件的第一石墨烯层；
第二金属接触层，所述第二金属接触层设置在所述第一石墨烯层的一侧的所述SiO2层上，其中，所述第二金属接触层的边缘接触所述第一石墨烯层的一侧；
AlO3层，设置在所述SiO2层上，其中，第二检测器元件嵌入在所述第一石墨烯层上的孔中；
第二石墨烯层，设置在所述第二检测器元件上；以及
第三金属接触层，设置在所述AlO3层上且邻近所述第二石墨烯层，其中，所述第三金属接触层的边缘接触所述第二石墨烯层的一侧，
其中，所述第一检测器材料与所述第二检测器材料对电磁光谱的不同的波长带敏感。
2.根据权利要求1所述的垂直集成多谱成像传感器，其中所述衬底由玻璃、硅晶圆或柔性材料形成。
3.根据权利要求1所述的垂直集成多谱成像传感器，其中所述第一石墨烯层延伸越过所述第一检测器元件的所述边缘以部分重叠所述SiO2层。
4.根据权利要求1所述的垂直集成多谱成像传感器，其中所述第一金属接触层形成在所述衬底上纵向延伸的条带。
5.根据权利要求1所述的垂直集成多谱成像传感器，其中嵌入的所述第二检测器元件的侧面与所述第一石墨烯层的侧面同延。
6.根据权利要求1所述的垂直集成多谱成像传感器，其中所述第二石墨烯层延伸越过所述第二检测器元件的所述边缘以部分重叠所述AlO3层。
7.根据权利要求4所述的垂直集成多谱成像传感器，其中所述第二金属接触层在所述SiO2层上形成条带，所述条带在垂直于所述第一金属接触层的宽度方向上延伸。
8.根据权利要求7所述的垂直集成多谱成像传感器，其中所述第三金属接触层在所述AlO3层上形成条带，所述条带在垂直于所述第二金属接触层的纵向方向上延伸。
9.根据权利要求1所述的垂直集成多谱成像传感器，其中所述第一检测器元件和所述第二检测器元件各自选自包含PbSe、PbS或CdS的群组，其中所述第一检测器元件与所述第二检测器元件不同。
10.根据权利要求1所述的垂直集成多谱成像传感器，其中所述第一金属接触层、所述第二金属接触层及所述第三金属接触层各自由导电金属形成。
11.一种制造垂直集成多谱成像传感器的方法，包括以下步骤：
在衬底上沉积第一金属接触层并图案化所述第一金属接触层；
在衬底和第一金属接触层上沉积SiO2层，并且图案化SiO2层以形成孔，所述孔在大约衬底中心处暴露所述第一金属接触层；
将第一检测器材料沉积在所述孔中；
将石墨烯层转移到SiO2层上并且图案化石墨烯层以形成覆盖第一检测器材料的第一石墨烯层；
在所述SiO2层上沉积并图案化第二金属层，所述第二金属层与所述第一石墨烯层相邻并接触；
在所述SiO2层上沉积AlO3层，其中没有AlO3积聚在所述第一石墨烯层上以形成围绕所述第一石墨烯层的孔；
在所述第一石墨烯层上的所述孔中沉积第二检测器材料；
将另一石墨烯层转移到AlO3层和第二检测器材料上，并且图案化所述石墨烯层以形成覆盖所述第二检测器材料的第二石墨烯层；以及
在所述AlO3层上沉积和图案化第三金属层，其中所述第三金属层邻近所述第二石墨烯层并且与所述第二石墨烯层接触，
其中，所述第一检测器材料与所述第二检测器材料对电磁光谱的不同的波长带敏感。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一金属接触层被图案化以形成在所述衬底上纵向延伸的条带。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，通过化学机械抛光(CMP)工艺使所述第一检测器材料和所述SiO2层的上表面平滑。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二金属层被图案化以在垂直于所述第一金属接触层的所述SiO2层上形成沿宽度方向延伸的条带。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第三金属接触层被图案化以形成条带，所述条带在所述AlO3层上沿长度方向延伸并且垂直于所述第二金属接触层。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，通过原子层沉积(ALD)来沉积所述AlO3层。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一检测器材料和所述第二检测器材料各自选自包括PbSe、PbS或CdS的组，其中所述第一检测器元件与所述第二检测器元件不同。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一金属接触层、所述第二金属接触层和所述第三金属接触层各自由导电金属形成。
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