CN112420809A - 含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，包括栅极、金属硅化物红外吸收层、硅衬底、氧化物绝缘层、源极、漏极和单层石墨烯薄膜；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被积累到硅的深耗尽势阱里；红外光穿过硅层，被金属硅化物与硅形成的异质结所吸收，在电场的作用下，产生的少数载流子被注入到体硅的深耗尽势阱中。当硅中产生光生空穴积累时，器件上层的石墨烯会耦合出与势阱中的空穴对应的等量电子，从而改变石墨烯的电导率，从石墨烯的电流中能够读出硅势阱中的电荷。本发明拓展了硅基CCD器件在红外波段的光谱响应范围，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，涉及一种含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件。
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，但受限于硅较宽的带隙，光谱探测范围限制在可见光波段。为了拓宽图像传感器的光谱范围，我们通过集成金属硅化物作为红外感光层来增强硅基图像传感器的红外响应。金属硅化物与硅形成的肖特基结具有良好的红外吸收特性，制作工艺也较为成熟。此处以Pt为例，Pt硅化物是一种性能优良的金属化材料。Pt/Si界面在高温退火(>200℃)后很容易反应形成硅化物，且在Pt-Si形成过程中会自然地将界面上的杂质驱赶到硅化物的外表面，其形成的界面干净且接触性好。
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％；常温下电子迁移率超过15000cm2/V·s。石墨烯透明和柔性使得其易于进行机械转移。将石墨烯覆盖在半导体氧化片上，可以构成简单的场效应结构。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，自下而上依次包括栅极、金属硅化物、半导体硅衬底和氧化物绝缘层，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、源极和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，且不超出源极与漏极定义的范围；所述金属硅化物位于半导体硅衬底的下方，其范围完全覆盖半导体硅衬底整个区域；所述金属硅化物与半导体硅衬底之间接触良好，形成异质结。
进一步地，所述金属硅化物的厚度为100nm～200nm。
进一步地，所述金属硅化物是过渡金属与硅生成的化合物。
进一步地，所述半导体硅衬底的掺杂浓度小于10^12cm-3，厚度为200μm。
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，光线从电荷耦合器件上方(即石墨烯一面)入射；所述源极及栅极之间施加的栅压为脉冲电压，所述源极和漏极之间施加的源漏电压为恒定电压。
进一步地，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被积累到硅的深耗尽势阱里；红外光穿过硅层，被金属硅化物与硅形成的异质结所吸收，在电场的作用下，产生的少数载流子被注入到体硅的深耗尽势阱中；当硅中产生光生空穴积累时，器件上层的石墨烯会耦合出与势阱中的空穴对应的等量电子，从而改变石墨烯的电导率。
进一步地，该器件的读取利用石墨烯的场效应，实施单像素读取方式，当器件工作时，在源极及栅极之间施加一个大于5V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。
本发明提出的电荷耦合器件的工作原理如下：
(1)在电荷耦合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。如果使用的半导体衬底为n型，则电压正极施加在栅极。
(2)石墨烯与绝缘层、半导体衬底形成MIS结，随着栅电压逐渐增大，硅基底将从电子积累进入耗尽状态。若栅压足够大，半导体-绝缘层界面将形成空穴反型层。但是若栅压为脉冲信号，由于少数载流子的产生需要一定的寿命时间，也不会立即出现反型层，仍然保持为耗尽的状态，也即深耗尽状态。进入深耗尽状态，耗尽区宽度增大。
(3)当入射光照射到器件区域，硅耗尽区吸收入射光中的可见光部分并产生电子-空穴对；金属硅化物与硅形成的肖特基结吸收入射光中的红外部分，同时产生电子-空穴对，其中空穴在电场作用下注入到深耗尽区域。若半导体衬底为n型，在高速栅电场作用下电子流被石墨烯收集，导致石墨烯的费米能级上升，空穴则在深耗尽势阱中积累。
(4)由于石墨烯的特殊能带结构，石墨烯的电导会相应成比例的变化。这样给石墨烯施加固定的偏压后，通过石墨烯的电流能够同步反映出势阱内存储的电荷量，且无需多次转移读取。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明在硅的背部集成了金属硅化物作为红外感光层材料，并形成了金属硅化物与硅之间的异质结，由于石墨烯透明度高，硅对红外的吸收较弱，当光线从正面入射时，可见光被硅材料所吸收，红外光穿过体硅进入到金属硅化物与硅形成的肖特基势垒并被其吸收并产生电子-空穴对。
(2)由于该器件使用低掺杂的薄硅片做衬底，其深耗尽势阱与肖特基结非常接近，肖特基势垒处的红外光生载流子在电场的作用下很容易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，这两部分载流子在势阱中一起进行积分，从而拓宽了传统CCD器件的光谱响应范围，增加了红外光波段的吸收效率。
(3)本发明器件结构简单，易于大规模制造，并可与CMOS工艺兼容。
(4)石墨烯制备工艺成熟，造价相对较低，易于制备生产。金属硅化物的加工也非常成熟。
(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为本发明含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件的结构示意图，其中，栅极1、金属硅化物2，半导体硅衬底3、氧化物绝缘层4、源极5、漏极6、单层石墨烯薄膜7；
图2为含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件像素阵列的实拍图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件(ChargeCoupled Device,CCD)，自下而上依次包括栅极1、金属硅化物2、半导体硅衬底3和氧化物绝缘层4，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和漏极6上表面覆盖单层石墨烯薄膜7；单层石墨烯薄膜7与源极5、漏极6相接触，且不超出源极5与漏极6定义的范围；金属硅化物2位于半导体硅衬底3的下方，其范围完全覆盖半导体硅衬底3整个区域；金属硅化物2与半导体硅衬底3之间接触良好，形成异质结。本实施例中金属硅化物2采用Pt-Si层。
制备上述含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合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)使用电子束蒸发制作Pt层。在超高真空(10-7Pa)及室温条件下，使用电子束蒸发200nm的高纯金属Pt于硅衬底背面。再使用真空炉退火在300℃下退火一分钟使Pt与Si形成化合物；
(3)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；
(4)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；
(5)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；
(6)在金属硅化物的底部涂覆镓铟浆料，制备栅极，与金属硅化物形成欧姆接触。
对上述含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件加高速脉冲栅压，驱动硅衬底进入深耗尽，肖特基异质结进入正偏，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，栅电压是幅值为30V的脉冲电压。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。
该器件背面集成了PtSi-Si肖特基异质结，当光线入射时，可见光被硅材料所吸收，红外光穿过体硅进入到金属硅化物与硅形成的肖特基势垒并被其吸收，两部分光线均会激发产生电子-空穴对。该器件使用低掺杂的薄硅片做衬底并使用较大栅压驱动深耗尽势阱，其深耗尽势阱与肖特基结非常接近，肖特基势垒处的红外光生载流子在电场的作用下被注入到硅的深耗尽势阱中，和硅中可见光激发的载流子共同进行积分。
在高速栅电场作用下，硅中的电子流经外电路，被石墨烯收集，导致石墨烯的费米能级上升。由于石墨烯的特殊能带结构，石墨烯的电导会相应成比例的变化。由于石墨烯施加了固定的偏压，通过石墨烯的电流能够同步反映出势阱内存储的电荷量，且可实现单像素实时地读取。
实施例2
如图2所示，本发明中的电荷耦合器件可以使用标准半导体工艺，制作出如图2所示的光电探测器阵列。其中每个像素元的结构与实施例1中相同，都包含：栅极1、Pt-Si层、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；其中单层石墨烯薄膜7覆盖在氧化物绝缘层4、源极5及漏极6上表面，且不超出源极5与漏极6定义的范围；Pt-Si层位于半导体硅衬底3的下方，其范围完全覆盖半导体硅衬底3。
将相同结构的器件按照同等的间距，4×4排布在衬底上，就构成了一组电荷耦合器件阵列。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，就构成了电荷耦合器件像素阵列。
使用单像素信号读出方法来获得每个像素中的数据。其中栅电压的一端连接在器件的栅极上，另一端连接在源极上，栅电压是幅值为30V的脉冲电压。在源极和漏极之间加10mV固定偏压。本实例中的电荷耦合器件阵列无需多次转移读取信号，并且阵列中的每个像素都可以单独进行操作。
本发明利用金属硅化物对红外光线的良好吸收特性，拓展了硅基成像器件在红外波段的响应。本发明的读取方式利用了石墨烯的场效应特性。本发明拓展了硅基CCD器件在红外波段的光谱响应范围，保持了硅基CCD噪声小、可靠性高、工艺成熟、成本低廉等特点，且金属硅化物制备工艺成熟，可靠性较好。
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)
1.一种含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，其特征在于，自下而上依次包括栅极(1)、金属硅化物(2)、半导体硅衬底(3)和氧化物绝缘层(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)和漏极(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(5)、漏极(6)相接触，且不超出源极(5)与漏极(6)定义的范围；所述金属硅化物(2)位于半导体硅衬底(3)的下方，其范围完全覆盖半导体硅衬底(3)整个区域；所述金属硅化物(2)与半导体硅衬底(3)之间接触良好，形成异质结。
2.根据权利要求1所述的含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，其特征在于，所述金属硅化物(2)的厚度为100nm～200nm。
3.根据权利要求1所述的含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，其特征在于，所述金属硅化物(2)是过渡金属与硅生成的化合物。
4.根据权利要求1所述的含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，其特征在于，所述半导体硅衬底(3)的掺杂浓度小于10^12cm-3，厚度为200μm。
5.根据权利要求1所述的含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，其特征在于，所述氧化物绝缘层(4)为二氧化硅，厚度为5nm～100nm。
6.根据权利要求1所述的含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，其特征在于，光线从电荷耦合器件上方入射；所述源极(5)及栅极(1)之间施加的栅压为脉冲电压，所述源极(5)和漏极(6)之间施加的源漏电压为恒定电压。
7.根据权利要求1所述的含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，其特征在于，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被积累到硅的深耗尽势阱里；红外光穿过硅层，被金属硅化物与硅形成的异质结所吸收，在电场的作用下，产生的少数载流子被注入到体硅的深耗尽势阱中；当硅中产生光生空穴积累时，器件上层的石墨烯会耦合出与势阱中的空穴对应的等量电子，从而改变石墨烯的电导率。
8.根据权利要求1所述的含有金属硅化物红外吸收层的石墨烯场效应电荷耦合器件，其特征在于，该器件的读取利用石墨烯的场效应，实施单像素读取方式，当器件工作时，在源极(5)及栅极(1)之间施加一个大于5V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。
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