CN111916524B - 一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器及其制备方法，属于微纳制造与光电子器件领域，其中制备方法包括：在刚性衬底表面沉积牺牲层，在牺牲层表面涂敷柔性基底；在柔性基底表面沉积绝缘层，将石墨烯薄膜转移至绝缘层表面，对石墨烯薄膜进行刻蚀，得到石墨烯阵列电极；将硫化钼薄膜转移至石墨烯阵列电极表面，将硫化钼薄膜刻蚀为多个规则图形，构成柔性器件阵列；将柔性器件阵列从刚性衬底剥离后与球形衬底表面拼接，得到球形的硫化钼光探测器。本发明制备得到的仿视网膜成像的硫化钼光探测器，可以同时满足柔性、球面共形、空间变分辨率成像的要求。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造与光电子器件领域，更具体地，涉及一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器及其制备方法。
背景技术
光电探测成像技术广泛应用于军事装备、工业生产、医学诊断等领域。仿视网膜成像传感器在全景成像与人工视觉等领域具有广阔的应用前景。仿视网膜成像器件的发展和应用，对光探测成像与柔性电子制造技术的发展具有重要的创新价值。
半导体是电子信息产业的基石。随着晶体管特征尺寸的缩小，传统的IV族与III-V族半导体(例如硅和砷化镓)由于短沟道效应等物理规律和制造成本的限制，使用其制备仿视网膜成像传感器，难以同时满足柔性、球面共形、空间变分辨率成像的要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器及其制备方法，由此解决现有技术存在难以同时满足柔性、球面共形、空间变分辨率成像的要求的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在刚性衬底表面沉积牺牲层，在牺牲层表面涂敷柔性基底；
(2)在柔性基底表面沉积绝缘层，将石墨烯薄膜转移至绝缘层表面，对石墨烯薄膜进行刻蚀，得到石墨烯阵列电极；
(3)将硫化钼薄膜转移至石墨烯阵列电极表面，将硫化钼薄膜刻蚀为多个规则图形，构成柔性器件阵列；
(4)将柔性器件阵列从刚性衬底剥离后与球形衬底表面拼接，得到球形的硫化钼光探测器。
进一步地，硫化钼薄膜的厚度为0.1nm-0.2nm，柔性器件阵列的单位成像单元由一个规则图形与其两端连接的石墨烯阵列电极组成。
进一步地，步骤(4)中剥离的具体实现方式为：刻蚀牺牲层或刻蚀刚性衬底。
进一步地，步骤(4)在剥离前还包括：
对柔性基底与绝缘层进行刻蚀，使其与球形的硫化钼光探测器的二维分解图案一致。
进一步地，步骤(4)中拼接的具体实现方式为：
利用水溶性胶带将柔性器件阵列转印至球面衬底表面，然后对水溶性胶带进行溶解，得到球形的硫化钼光探测器。
进一步地，牺牲层的材料为金属或水溶性材料，厚度介于5-10nm之间，刚性衬底为硅片、石英片或者蓝宝石片。
进一步地，柔性基底材料为SEBS、PMMA或PI，厚度介于20-50nm之间。
进一步地，绝缘层材料为Al2O3、SiO2、HfO2或Si3N4，厚度介于5nm-10nm之间。
进一步地，步骤(1)和步骤(2)中的沉积均通过镀膜工艺实现，所述镀膜工艺为磁控溅射、电子束蒸发或原子层沉积。
进一步地，步骤(2)和步骤(3)中的刻蚀为反应离子刻蚀或激光刻蚀，步骤(2)和步骤(3)中的转移为PMMA辅助湿法转移或PDMS辅助干法转移。
按照本发明的另一方面，提供了一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器，其特征在于，所述硫化钼光探测器由本发明的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法制备得到。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明利用硫化钼薄膜制备仿视网膜成像的球形的硫化钼光探测器。充分利用人眼视网膜的空间变分辨率成像特性使其能够兼顾大的视场范围和高分辨力，可以同时满足柔性、球面共形、空间变分辨率成像的要求。
(2)二维层状原子晶体材料因载流子迁移与热量扩散都被限制在二维平面内，使得这些材料表现出许多奇特的性质(带隙可调、各向异性)。硫化钼作为二维过渡金属硫化物材料，具有超高电子迁移率与可调带隙特征。当达到原子级厚度时，超薄结构使其能够完全依附于柔性材料；在可见光区域光吸收特性可用于柔性成像光敏材料。因此，本发明硫化钼薄膜的厚度为0.1nm-0.2nm，基于原子级厚度硫化钼薄膜的仿视网膜光探测器有望在可穿戴设备、电子眼和视觉障碍辅助设备得到良好的应用，同时对光探测成像及柔性电子技术的发展具有深远的意义。
(3)本发明的成像单元由一个规则图形与其两端连接的石墨烯阵列电极组成，融合了硫化钼可依附于柔性材料的优势以及图案化石墨烯电极阵列优异的电学性能。
(4)本发明在制备过程中沉积了牺牲层，使得后续剥离操作既可以通过刻蚀牺牲层实现，也可以通过刻蚀刚性衬底实现，本发明器件通过三维曲面的二维分解、水溶性胶带的转印拼接，实现了球形光探测器的有效制备，极大地促进了仿视网膜成像器件与柔性光电子器件的发展与应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的硫化钼光探测器的结构断面示意图；
图3是本发明实施例提供的硫化钼光探测器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的硫化钼光探测器的二维分解示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
10为球形衬底，11为柔性基底，12为绝缘层，13为石墨烯阵列电极，14为硫化钼薄膜，15为刚性衬底，16为单位成像单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在刚性衬底表面沉积牺牲层，在牺牲层表面涂敷柔性基底；
(2)在柔性基底表面沉积绝缘层，将石墨烯薄膜转移至绝缘层表面，对石墨烯薄膜进行刻蚀，得到石墨烯阵列电极；
(3)将硫化钼薄膜转移至石墨烯阵列电极表面，将硫化钼薄膜刻蚀为多个规则图形，构成柔性器件阵列；
(4)将柔性器件阵列从刚性衬底剥离后与球形衬底表面拼接，得到球形的硫化钼光探测器。
进一步地，硫化钼薄膜的厚度为0.1nm-0.2nm。
进一步地，步骤(4)中剥离的具体实现方式为：刻蚀牺牲层或刻蚀刚性衬底。
进一步地，步骤(4)中拼接的具体实现方式为：
利用水溶性胶带将柔性器件阵列转印至球面衬底表面，然后对水溶性胶带进行溶解，得到球形的硫化钼光探测器。
进一步地，牺牲层的材料为金属或水溶性材料，厚度介于5-10nm之间，刚性衬底为硅片、石英片或者蓝宝石片。
进一步地，柔性基底材料为SEBS、PMMA或PI，厚度介于20-50nm之间。
进一步地，绝缘层材料为Al2O3、SiO2、HfO2或Si3N4，厚度介于5nm-10nm之间。
进一步地，步骤(1)和步骤(2)中的沉积均通过镀膜工艺实现，所述镀膜工艺为磁控溅射、电子束蒸发或原子层沉积。
进一步地，步骤(2)和步骤(3)中的刻蚀为反应离子刻蚀或激光刻蚀，步骤(2)和步骤(3)中的转移为PMMA辅助湿法转移或PDMS辅助干法转移。
如图2所示，本发明制备得到的球形的硫化钼光探测器包括：球形衬底10、柔性基底11、绝缘层12、石墨烯阵列电极13、硫化钼薄14。
如图3所示，本发明制备得到的球形的硫化钼光探测器充分利用人眼视网膜的空间变分辨率成像特性使其能够兼顾大的视场范围和高分辨力，可以同时满足柔性、球面共形、空间变分辨率成像的要求。
如图4所示，对刚性衬底15上方的柔性基底与绝缘层进行刻蚀，使其与球形的硫化钼光探测器的二维分解图案一致。柔性器件阵列的单位成像单元16由一个规则图形与其两端连接的石墨烯阵列电极组成。规则图形可以是圆形、长方形、正方形。
本发明基于原子级厚度硫化钼薄膜的仿视网膜光探测器有望在可穿戴设备、电子眼和视觉障碍辅助设备得到良好的应用，同时对光探测成像及柔性电子技术的发展具有深远的意义。
实施例1
(1)选取合适大小的重掺杂硅片，清洗干净，通过磁控溅射在表面沉积一层金属作为牺牲层，其厚度为10nm。
(2)使用旋涂仪在金属牺牲层表面旋涂一层PMMA作为柔性基底，厚度为35nm，旋涂时转速为2000r/s，加速度为600r/s2。
(3)通过原子层沉积在步骤(2)的柔性基底表面生长一层Si3N4薄膜，厚度为5nm，避免后续器件制备工艺对柔性基底产生影响。
(4)利用0.74mol/L的FeCl3·6H2O溶液腐蚀铜箔，采用PMMA辅助湿法转移将石墨烯薄膜转移至Si3N4表面。
(5)经过步骤(4)转移后的石墨烯薄膜表面旋涂SU8光刻胶，通过光刻工艺，图1中电极位置的光刻胶在曝光后被保留下来，形成了石墨烯的保护层；经光刻显影后，将样品放置于氧等离子体刻蚀机中，时间为2.5min、功率为40W，经过去胶后即可得到石墨烯阵列电极。
(6)以含280nm氧化层的硅片为衬底，利用热蒸发工艺在衬底表面制备30nm MoO3，将其作为钼源放入管式炉内，在该样片上方放置另一片洁净硅片，保持两者之前平行放置且间距为2mm。在气流进入方向放入硫粉，以氩气为载体，当MoO3加热至650℃时硫粉开始加热，MoO3达到750℃时硫粉达到200℃，继续加热MoO3至800℃并保温5分钟，自然冷却后去除样品，以得到连续硫化钼薄膜。采用PDMS干法辅助转移将硫化钼薄膜转移至石墨烯阵列电极表面。
(7)在硫化钼薄膜表面旋涂光刻胶SU8，图1中光敏薄膜位置处的光刻胶被保留下来，形成了MoS2光敏薄膜的保护层；经光刻显影后，将样品放置于氧等离子体刻蚀机中，时间为2.5min、功率为40W，经过去胶后即可得到呈现孤立正方形的硫化钼光敏薄膜阵列。
(8)利用激光刻蚀技术将步骤(7)中得到的样品按照图3所示的结构对部分柔性基底与Si3N4进行刻蚀，以获得与三维球面的平面分解方案相一致的结构。
(9)通过电化学反应将器件最底部的重掺杂硅片进行刻蚀，实现柔性器件阵列的剥离。
(10)利用PVA等水溶性胶带将柔性器件阵列转印纸预制的柔性PDMS球面衬底中进行拼接，随后将PVA进行溶解，即可完成仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备。
(11)对仿视网膜成像的硫化钼光探测器进行引线键合与封装。
实施例2
(1)选取合适大小的石英片，清洗干净，通过电子束蒸发在表面蒸镀一层金属的牺牲层，其厚度为5nm。
(2)使用旋涂仪在金属牺牲层表面旋涂一层SEBS作为柔性基底，厚度为50nm，旋涂时转速为2000r/s，加速度为600r/s2。
(3)通过PECVD镀膜工艺在步骤(2)的柔性基底表面生长一层Al2O3薄膜，厚度为8nm，避免后续器件制备工艺对柔性基底产生影响。
(4)利用0.74mol/L的FeCl3·6H2O溶液腐蚀铜箔，采用PMMA辅助湿法转移将石墨烯薄膜转移至Al2O3表面。
(5)经过步骤(4)转移后的石墨烯薄膜表面旋涂SU8光刻胶，通过光刻工艺，图1中电极位置的光刻胶在曝光后被保留下来，形成了石墨烯的保护层；经光刻显影后，对样品进行反应离子刻蚀，时间为2.5min、功率为40W，经过去胶后即可得到石墨烯阵列电极。
(6)以含280nm氧化层的硅片为衬底，利用热蒸发工艺在衬底表面制备30nm MoO3，并将其作为钼源放入管式炉内，在该样片上方放置另一片洁净硅片，保持两者之前平行放置且间距为2mm。在气流进入方向放入硫粉，以氩气为载体，当MoO3加热至650℃时硫粉开始加热，MoO3达到750℃时硫粉达到200℃，继续加热MoO3至800℃并保温5分钟，自然冷却后去除样品，以得到连续硫化钼薄膜。采用PDMS干法辅助转移将硫化钼薄膜转移至石墨烯阵列电极表面。
(7)在硫化钼薄膜表面旋涂光刻胶SU8，图1中光敏薄膜位置处的光刻胶被保留下来，形成了MoS2光敏薄膜的保护层；经光刻显影后，将样品放置于氧等离子体刻蚀机中，时间为2.5min、功率为40W，经过去胶后即可得到呈现孤立正方形的硫化钼光敏薄膜阵列。
(8)利用激光刻蚀技术将步骤(7)中得到的样品按照图3所示的结构对部分柔性基底与Al2O3进行刻蚀，以获得与三维球面的平面分解方案相一致的结构。
(9)通过电化学反应将器件最底部的石英片进行刻蚀，实现柔性薄膜器件阵列的剥离。
(10)利用PVA等水溶性胶带将柔性器件阵列转印纸预制的柔性PDMS球面衬底中进行拼接，随后将PVA进行溶解，即可完成仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备。
(11)对仿视网膜成像的硫化钼光探测器进行引线键合与封装。
实施例3
(1)选取合适大小的蓝宝石片，清洗干净，通过原子层沉积在表面沉积一层水溶性材料的牺牲层，其厚度为5nm。
(2)使用旋涂仪在牺牲层表面旋涂一层PI作为柔性基底，厚度为20nm，旋涂时转速为2000r/s，加速度为600r/s2。
(3)通过PECVD镀膜工艺在步骤(2)的柔性基底表面生长一层SiO2薄膜，厚度为5nm，避免后续器件制备工艺对柔性基底产生影响。
(4)利用0.74mol/L的FeCl3·6H2O溶液腐蚀铜箔，采用PMMA辅助湿法转移将石墨烯薄膜转移至SiO2表面。
(5)经过步骤(4)转移后的石墨烯薄膜表面旋涂SU8光刻胶，通过光刻工艺，图1中电极位置的光刻胶在曝光后被保留下来，形成了石墨烯的保护层；经光刻显影后，将样品放置于氧等离子体刻蚀机中，时间为2.5min、功率为40W，经过去胶后即可得到石墨烯阵列电极。
(6)以含280nm氧化层的硅片为衬底，利用热蒸发工艺在衬底表面制备30nm MoO3，并将其作为钼源放入管式炉内，在该样片上方放置另一片洁净硅片，保持两者之前平行放置且间距为2mm。在气流进入方向放入硫粉，以氩气为载体，当MoO3加热至650℃时硫粉开始加热，MoO3达到750℃时硫粉达到200℃，继续加热MoO3至800℃并保温5分钟，自然冷却后去除样品，以得到连续硫化钼薄膜。采用PDMS干法辅助转移将硫化钼薄膜转移至石墨烯阵列电极表面。
(7)在硫化钼薄膜表面旋涂光刻胶SU8，图1中光敏薄膜位置处的光刻胶被保留下来，形成了MoS2光敏薄膜的保护层；经光刻显影后，将样品放置于氧等离子体刻蚀机中，时间为2.5min、功率为40W，经过去胶后即可得到呈现孤立正方形的硫化钼光敏薄膜阵列。
(8)利用激光刻蚀技术将步骤(7)中得到的样品按照图3所示的结构对部分柔性基底与SiO2进行刻蚀，以获得与三维球面的平面分解方案相一致的结构。
(9)通过电化学反应对器件的牺牲层进行刻蚀，实现柔性薄膜器件阵列的剥离。
(10)利用PVA等水溶性胶带将柔性器件阵列转印纸预制的柔性PDMS球面衬底中进行拼接，随后将PVA进行溶解，即可初步完成仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备。
(11)对仿视网膜成像的硫化钼光探测器进行引线键合与封装。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，其特征在于，所述仿视网膜成像的硫化钼光探测器应用于可穿戴设备、电子眼和视觉障碍辅助设备，所述制备方法包括如下步骤：
(1)在刚性衬底表面沉积牺牲层，在牺牲层表面涂敷柔性基底；
(2)在柔性基底表面沉积绝缘层，将石墨烯薄膜转移至绝缘层表面，对石墨烯薄膜进行刻蚀，得到石墨烯阵列电极；
(3)将硫化钼薄膜转移至石墨烯阵列电极表面，将硫化钼薄膜刻蚀为多个规则图形，构成柔性器件阵列，所述硫化钼薄膜的厚度为0.1nm-0.2nm；
(4)将柔性器件阵列从刚性衬底剥离后与球形衬底表面拼接，得到球形的硫化钼光探测器；
所述刻蚀为激光刻蚀，所述步骤(4)在剥离前还包括：
对柔性基底与绝缘层进行刻蚀，使其与球形的硫化钼光探测器的二维分解图案一致。
2.如权利要求1所述的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，其特征在于，所述柔性器件阵列的单位成像单元由一个规则图形与其两端连接的石墨烯阵列电极组成。
3.如权利要求1或2所述的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中剥离的具体实现方式为：刻蚀牺牲层或刻蚀刚性衬底。
4.如权利要求1或2所述的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中拼接的具体实现方式为：
利用水溶性胶带将柔性器件阵列转印至球面衬底表面，然后对水溶性胶带进行溶解，得到球形的硫化钼光探测器。
5.如权利要求1或2所述的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为金属或水溶性材料。
6.如权利要求1或2所述的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(2)中的沉积均通过镀膜工艺实现，所述镀膜工艺为磁控溅射、电子束蒸发或原子层沉积。
7.如权利要求1或2所述的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中的转移为PMMA辅助湿法转移或PDMS辅助干法转移。
8.一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器，其特征在于，所述硫化钼光探测器由权利要求1-7任一所述的一种仿视网膜成像的硫化钼光探测器的制备方法制备得到。
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