CN111599830B - 一种基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，自下而上设有栅极、多层石墨烯、硅衬底、氧化物绝缘层，氧化物绝缘层上表面设有源极和漏极，并覆盖单层石墨烯薄膜；入射光照射到器件表面时，可见光被半导体硅吸收，其产生的少数载流子积累到硅衬底中的深耗尽势阱；红外光穿过硅层被异质结吸收，产生的少数载流子注入到体硅的深耗尽势阱中。器件表面的石墨烯会耦合出与势阱中的空穴对应的等量电子，从石墨烯的电流中能够实时读出硅势阱中的电荷。本发明通过使用多层石墨烯，拓展了传统CCD器件的光谱响应范围，提高了传统CCD器件在红外波段的吸收效果；同时保持了硅基CCD噪声小、可靠性高、工艺成熟、成本低廉等特点。
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，尤其涉及一种基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件。
背景技术
电荷耦合器件(CCD)，是一种集成电路，由许多整齐排列的电容组成，能感应光线，并转换出模拟信号电流，信号电流再经过放大和模数转换，就可以实现图像的获取、传输和处理。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。当CCD器件应用于相机、扫描仪等设备的感光组件。其具有良好的感光效率和成像品质，但由于CCD使用电荷传递的方式输出数据，只要一排阵列中某个像素传送出现故障，就会导致整排的数据无法正常传送，因此CCD的良率不高。
石墨烯(Graphene)是一种新型二维材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度。石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料。它透明度极高，对可见光吸收率仅为2.3％；石墨烯导热系数高达5300W/m·K，常温下电子迁移率超过15000cm2/V·s，而电阻率只有约10-6Ω·cm。由于石墨烯的柔性和良好的物理性质，可以用简单的方法将其覆盖在半导体氧化片上，构成性能优异的石墨烯场效应晶体管(FET)。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件(Charge Injection Device,CID)，自下而上设有栅极、多层石墨烯、半导体硅衬底、氧化物绝缘层，所述氧化物绝缘层上表面设有源极和漏极，在氧化物绝缘层、源极及漏极上表面覆盖单层石墨烯薄膜，所述单层石墨烯薄膜与源极、漏极相接触，且不超出源极、漏极定义的范围，所述单层石墨烯薄膜的范围与多层石墨烯相对应。
进一步地，所述半导体硅衬底为n型轻掺杂硅，掺杂浓度小于10^12cm-3。
进一步地，所述氧化物绝缘层为二氧化硅，厚度为5nm～100nm。
进一步地，所述多层石墨烯的厚度为10nm～40nm。
进一步地，所述多层石墨烯的大小和形状与单层石墨烯薄膜完全相同，位置位于单层石墨烯薄膜正下方，且与单层石墨烯薄膜对齐。
进一步地，所述单层石墨烯薄膜与氧化物绝缘层、半导体硅衬底形成MIS结构，所述多层石墨烯与半导体硅衬底之间紧密接触，形成肖特基结。
进一步地，当器件工作时，在源极及栅极之间施加一个大于1V的脉冲栅压Vgs，驱动半导体硅衬底进入深耗尽状态；同时在源极和漏极之间施加一个10mV的固定偏压Vds，通过测量源极和漏极之间通过的电流判断入射光线的强度。
进一步地，当光线进入器件后，半导体硅衬底中产生的少数载流子，和多层石墨烯与半导体硅衬底之间形成的肖特基结中产生的少数载流子，均会注入到深耗尽势阱中。
进一步地，当半导体硅衬底中的深耗尽势阱有电荷积累时，有与势阱中信号电荷的等量相反的电荷从半导体硅衬底转移到单层石墨烯薄膜中。
本申请的电荷注入器件工作原理如下：
(1)在电荷注入器件的栅极和源极之间施加一定频率的脉冲电压，在半导体衬底内形成深耗尽区。如使用的半导体衬底为n型，电压正极施加在栅极。
(2)当有光线从顶部入射到器件上时，可见光进入硅中的耗尽区，耗尽区吸收光子，产生电子空穴对，并在硅衬底的电场作用下分离，其中少子被储存在深耗尽势阱中；红外光穿过硅层，被多层石墨烯与硅所形成的肖特基势垒所吸收，在电场的作用下，产生的少子被注入到深耗尽势阱中。同时与半导体势阱中光生电荷的等量的相反电荷在栅电场的作用下，被转移到单层石墨烯薄膜中，导致单层石墨烯薄膜的载流子浓度发生变化，从而改变其电导率。
(3)在漏极和源极之间施加一个固定的偏置电压，通过监测石墨烯薄膜上的电流变化量，即可计算出深耗尽势阱中所积累的载流子数量。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明在硅的背部集成了多层石墨烯作为红外感光层材料，并形成了红外感光层与硅之间的异质结，红外光在该异质结中被吸收并产生电子-空穴对，其中少数载流子在电场的作用下被注入到硅的深耗尽势阱中。可见光在硅中被吸收并激发出电子-空穴对，其中的光生电荷直接在深耗尽势阱中产生，与红外光生空穴一起进行积分，从而拓宽了传统CCD器件的光谱响应范围，并增加了红外光波段的吸收效率。
2.本发明器件结构简单，易于大规模制造，并可与CMOS工艺兼容。
3.石墨烯制备工艺成熟，造价相对较低，易于制备生产。
4.多层石墨烯转移方法简单，易于加工。
5.本发明器件具有与传统CCD器件相似的积分功能，在弱光环境下同样可以得到很大的响应。
附图说明
图1为本发明基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件的结构示意图，其中包括栅极1、多层石墨烯2，半导体硅衬底3、氧化物绝缘层4、源极5、漏极6与单层石墨烯薄膜7；
图2为本发明中实施例所制备的CID器件工作在0～-5V，占空比为50％的0.2Hz脉冲栅压下，在暗场和功率为5nW的633nm波长激光下的光学响应曲线图；
图3为单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件像素阵列的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供的一种基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件(CID)的工作原理如下：
单层石墨烯与氧化物绝缘层、半导体衬底形成MIS结构，多层石墨烯与半导体衬底形成异质结。在栅源两端施加一个高速脉冲信号，由于少数载流子的产生需要一定的时间，半导体内部不会立即出现反型层，而出现并保持为耗尽的状态，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。当半导体进入深耗尽状态，耗尽区宽度增大。当入射光照射到器件区域，硅耗尽区吸收入射的可见光，异质结吸收红外光，两部分都会产生电子-空穴对；若半导体衬底为n型，在栅电场作用下电子流入石墨烯，使得石墨烯的费米能级上升。由于石墨烯特殊的能带结构，费米能级的上升会导致石墨烯的电导率相应成比例的变化。这样给石墨烯施加固定的偏压后，通过测量石墨烯的电流能就能够同步反映出势阱内存储的电荷量，并可以做到直接读出，无需进行多次转移。
如图1所示，基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，自下而上设有栅极1、多层石墨烯2、半导体硅衬底3、氧化物绝缘层4，所述氧化物绝缘层4上表面设有源极5和漏极6，在氧化物绝缘层4、源极5及漏极6上表面覆盖单层石墨烯薄膜7，所述单层石墨烯薄膜7与源极3、漏极4相接触，且不超出源极3、漏极4定义的范围，所述单层石墨烯薄膜7的范围与多层石墨烯2相对应。
进一步地，所述多层石墨烯2的大小和形状与单层石墨烯薄膜7完全相同，位置位于单层石墨烯薄膜7正下方，且与单层石墨烯薄膜7对齐。
制备上述基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件的方法包括以下步骤：
(1)在轻掺硅衬底的上表面生长二氧化硅绝缘层，所用硅衬底的电阻率为1k～10kΩ·cm；二氧化硅绝缘层的厚度为5nm～100nm，生长温度为900～1200℃；
(2)在二氧化硅绝缘层表面使用光刻技术制作出源极和漏极的图形，然后采用电子束蒸发或热蒸发技术，首先生长厚度约为15nm的铬黏附层，然后生长80nm的金层作为电极；
(3)在源极、漏极和二氧化硅绝缘层的上表面覆盖单层石墨烯薄膜；石墨烯使用湿法转移：将单层石墨烯表面均匀旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后放入酸性刻蚀溶液中浸泡约6h腐蚀去除铜箔，留下由PMMA支撑的单层石墨烯薄膜；将PMMA支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到二氧化硅绝缘层、源极和漏极的上表面；最后用丙酮和异丙醇浸泡样品去除PMMA；其中，所述酸刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4：HCl：H2O＝10g:45ml:50ml；
(4)对器件进行二次光刻，用光刻胶覆盖所需单层石墨烯图形的定义区域。再通过氧等离子体反应离子刻蚀技术(Oxygen plasma ICP-RIE)，其功率和刻蚀时间分别为75W，3min。刻蚀掉光刻胶外的多余石墨烯，刻蚀完成后，用丙酮和异丙醇清洗去除残余光刻胶；
(5)取厚度为10nm～40nm的多层石墨烯，用丙酮浸润其中一面后转移到硅衬底的背面，通风晾干；
(6)对多层石墨烯进行光刻，用光刻胶覆盖所需多层石墨烯图形的定义区域。再通过氧等离子体反应离子刻蚀技术刻蚀多余部分，其功率和刻蚀时间分别为90W，15min；
(7)在多层石墨烯底部涂覆镓铟浆料，制备栅极，与多层石墨烯形成欧姆接触。
对上述基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件加高速脉冲栅压，驱动硅衬底进入深耗尽，异质结进入正偏，实现光吸收和电荷积累。其中栅电压的一端连接在器件的栅极1上，另一端连接在源极5上。在源极5和漏极6之间加10mV固定偏压，实现势阱内电荷在石墨烯上的无损读出。如图1所示。
本发明中实施例所制备的CID器件工作在0～-5V，占空比为50％的0.2Hz脉冲栅压下，在暗场和5nW，波长633nm的激光下的光学响应曲线如图2所示。从图2可以看出，所制备光电流较大，且能够实现对光电流的积分，证实器件能够被应用于图像传感器阵列。
光电探测器阵列在成像和监测等领域有着广泛的应用。本发明基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件可以使用实施例中所述的标准半导体工艺制作如图3所示的光电探测器阵列。通过使用引线键合，用金线把光电探测器阵列中每个元件的顶电极与信号处理电路连接起来完成封装，便可使用传统的信号处理方法来获得每个像素中的数据。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，其特征在于，自下而上设有栅极(1)、多层石墨烯(2)、半导体硅衬底(3)、氧化物绝缘层(4)，所述氧化物绝缘层(4)上表面设有源极(5)和漏极(6)，在氧化物绝缘层(4)、源极(5)及漏极(6)上表面覆盖单层石墨烯薄膜(7)，所述单层石墨烯薄膜(7)与源极(3)、漏极(4)相接触，且不超出源极(3)、漏极(4)定义的范围，所述单层石墨烯薄膜(7)的范围与多层石墨烯(2)相对应；所述单层石墨烯薄膜(7)与氧化物绝缘层(4)、半导体硅衬底(3)形成MIS结构，所述多层石墨烯(2)与半导体硅衬底(3)之间紧密接触，形成肖特基结。
2.根据权利要求1所述的基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，其特征在于，所述半导体硅衬底(2)为n型轻掺杂硅，掺杂浓度小于10^12cm-3。
3.根据权利要求1所述的基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，其特征在于，所述氧化物绝缘层(4)为二氧化硅，厚度为5nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，其特征在于，所述多层石墨烯(2)的厚度为10nm～40nm。
5.根据权利要求1所述的基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，其特征在于，所述多层石墨烯(2)的大小和形状与单层石墨烯薄膜(7)完全相同，位置位于单层石墨烯薄膜(7)正下方，且与单层石墨烯薄膜(7)对齐。
6.根据权利要求1所述的基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，其特征在于，当器件工作时，在源极(5)及栅极(1)之间施加一个大于1V的脉冲栅压Vgs，驱动半导体硅衬底(3)进入深耗尽状态；同时在源极(5)和漏极(6)之间施加一个10mV的固定偏压Vds，通过测量源极(5)和漏极(6)之间通过的电流判断入射光线的强度。
7.根据权利要求1所述的基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，其特征在于，当光线进入器件后，半导体硅衬底(3)中产生的少数载流子，和多层石墨烯(2)与半导体硅衬底(3)之间形成的肖特基结中产生的少数载流子，均会注入到深耗尽势阱中。
8.根据权利要求1所述的基于单层石墨烯/绝缘层/硅/多层石墨烯结构的电荷注入器件，其特征在于，当半导体硅衬底(3)中的深耗尽势阱有电荷积累时，有与势阱中信号电荷的等量相反的电荷从半导体硅衬底(3)转移到单层石墨烯薄膜(7)中。
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