CN112864258A - 像素结构、红外图像传感器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种像素结构、红外图像传感器和电子设备。该像素结构中，第一绝缘层中开设有与第一阱区相对的第一过孔，石墨烯填充第一过孔并与第一阱区形成异质结，深阱区与第一阱区的下端部以及第二阱区的下端部相连；第一电极与石墨烯电接触，第二阱区的上端部与第二电极形成欧姆接触；第一阱区、第二阱区和深阱区的导电类型相同，第二阱区环绕第一阱区且二者之间设置有隔离槽。本申请的像素结构能够响应非常宽的红外光谱范围。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年3月5日申请的专利申请号为CN202110244460.9且发明名称为“像素结构、红外图像传感器和电子设备”的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请属于光电探测技术领域，具体涉及一种像素结构、图像传感器和电子设备。
背景技术
现有的红外图像传感器中，多采用铟镓砷(InGaAs)、碲镉汞(HgCdTe)等材料作为光敏层对红外线做出响应，并光敏层与读出电路(Readout Circuit)链接(具体地，将光敏层制作在读出电路上方)，由读出电路读出光敏层受红外线照射所产生的电信号。受光敏层材料能带结构所限，红外图像传感器响应的红外线的波长范围相对较窄。
发明内容
本申请的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种像素结构、红外图像传感器和电子设备。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种像素结构，包括：半导体衬底、形成在所述半导体衬底中的第一阱区、形成在所述半导体衬底中的第二阱区、形成在所述半导体衬底中的深阱区、形成在所述半导体衬底上表面上的第一绝缘层，以及包括：石墨烯、第一电极和第二电极；
所述第一绝缘层中开设有与所述第一阱区相对的第一过孔，所述石墨烯填充所述第一过孔并与所述第一阱区形成肖特基异质结，所述深阱区与所述第一阱区的下端部以及所述第二阱区的下端部相连；
所述第一电极与所述石墨烯电接触，所述第二阱区的上端部与所述第二电极形成欧姆接触；
所述第一阱区、所述第二阱区和所述深阱区的导电类型相同，所述第二阱区环绕所述第一阱区且二者之间设置有隔离槽。
在一些实施例中，所述像素结构还包括形成在所述半导体衬底中的第三阱区，所述第三阱区环绕所述第一阱区且被所述第二阱区内侧的隔离槽所环绕，所述第三阱区的上端部与所述第一电极形成欧姆接触，所述第三阱区的导电类型与所述第一阱区的导电类型相反。
在一些实施例中，所述第三阱区与所述第一阱区邻接并形成PN结。
在一些实施例中，所述第三阱区与所述深阱区邻接并形成PN结。
在一些实施例中，所述第三阱区与所述第一阱区之间以及与所述深阱区之间均留有间距。
在一些实施例中，所述像素结构还包括：第一调节电极、第二调节电极、以及覆盖所述石墨烯的第二绝缘层，所述第一调节电极和所述第二调节电极均位于所述第二绝缘层背向所述半导体衬底一侧，所述石墨烯与所述第一阱区的接触面在所述半导体衬底所处平面的正投影与所述第一调节电极在所述半导体衬底所处平面的正投影相交叠，所述石墨烯与所述第一阱区的接触面在所述半导体衬底所处平面的正投影与所述第二调节电极在所述半导体衬底所处平面的正投影相交叠。
在一些实施例中，所述第一调节电极和所述第二调节电极均呈块状。
在一些实施例中，所述第一调节电极和所述第二调节电极二者在所述半导体衬底所处平面的正投影分别与所述石墨烯与所述第一阱区的接触面在所述半导体衬底所处平面的正投影的不同半区有交叠。
在一些实施例中，所述第一电极具有搭接部，所述搭接部位于所述第一绝缘层的上表面上，所述石墨烯的高度超出所述搭接部并与所述搭接部的部分上表面电接触。
在一些实施例中，所述第一阱区、所述第二阱区和所述深阱区均为N型阱或均为P型阱。
在一些实施例中，所述半导体衬底的半导体材料为硅、磷化铟、碳化硅、砷化镓或氮化镓。
在一些实施例中，所述深阱区的掺杂浓度低于所述第一阱区的掺杂浓度。
在一些实施例中，所述第二电极在所述半导体衬底所处平面的正投影环绕所述第一电极在所述半导体衬底所处平面的正投影。
在一些实施例中，所述石墨烯与所述第一阱区接触而形成肖特基异质结。
在一些实施例中，还包括第一保护层和第二保护层，所述第一保护层设置在所述石墨烯的下表面上，所述第二保护层设置在所述石墨烯的上表面上，所述第一保护层能够被隧穿而使得所述石墨烯与所述第一阱区形成肖特基异质结，所述第一保护层和所述第二保护层均为二维晶格结构。
在一些实施例中，所述第一保护层的材料和所述第二保护层的材料均为氮化硼。
在一些实施例中，所述第一保护层的厚度小于3nm。
在一些实施例中，所述第二保护层的厚度小于3nm。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种红外图像传感器，包括前述的像素结构、以及与所述像素结构一一对应的读出电路，所述读出电路包括多个晶体管，所述读出电路分别与所述第一电极和所述第二电极电连接，所述读出电路中的晶体管的有源层形成在所述半导体衬底中，所述读出电路中的晶体管的有源层在所述半导体衬底所处平面的正投影与所述第一阱区在所述半导体衬底所处平面的正投影无交叠。
在一些实施例中，所述第一绝缘层作为所述多个晶体管的栅绝缘层。
为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：一种电子设备，包括前述的红外图像传感器。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：石墨烯与第一阱区形成肖特基异质结，该异质结工作在反向偏置状态，石墨烯中受红外光照射所产生的光生载流子进入第一阱区并产生雪崩效应，在该像素结构外部的读出电路能够读取第一电极和第二电极之间的电流大小，与该读出电路相连的处理电路可以根据该电流值实现成像。由于石墨烯是零带隙材料，石墨烯能够对近红外、中红外以及远红外的红外光均能有良好的响应，因此该像素结构能够探测到的红外光的光谱范围很宽。
附图说明
图1是根据本申请实施例的像素结构的结构示意图。
图2是图1所示像素结构中部分结构在半导体衬底所处平面的正投影。
图3是根据本申请另一实施例的像素结构的结构示意图。
图4是图3所示像素结构中部分结构在半导体衬底所处平面的正投影。
图5是根据本申请实施例的红外图像传感器的结构示意图。
图6是根据本申请另一实施例的像素结构的结构示意图。
其中，1、半导体衬底；21、第一阱区；22、第二阱区；23、深阱区；24、第三阱区；25、第四阱区；3、隔离槽；4、第一绝缘层；5、第二绝缘层；6、钝化层；7、石墨烯；81、第一保护层；82、第二保护层；P1、第一电极；P11、搭接部；P2、第二电极；P3、第一调节电极；P4、第二调节电极；S、源极；G、栅极；D、漏极。
具体实施方式
在本申请中，应理解，诸如“包括”或“具有”等术语旨在指示本说明书中存在所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，但是并不排除存在一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
下面结合附图所示的实施例对本申请作进一步说明。
如附图1、图3以及图6，所示，本申请的实施例提供一种像素结构，包括：半导体衬底1、形成在半导体衬底1中的第一阱区21、形成在半导体衬底1中的第二阱区22、形成在半导体衬底1中的深阱区23、形成在半导体衬底1上表面上的第一绝缘层4，以及包括：石墨烯7、第一电极P1和第二电极P2；第一绝缘层4中开设有与第一阱区21相对的第一过孔，石墨烯7填充第一过孔并与第一阱区21形成肖特基异质结，深阱区23与第一阱区21的下端部以及第二阱区22的下端部相连；第一电极P1与石墨烯7电接触，第二阱区22的上端部重掺杂以与第二电极P2形成欧姆接触；第一阱区21、第二阱区22和深阱区23的导电类型相同，第二阱区22环绕第一阱区21且二者之间设置有隔离槽3。
本申请对半导体衬底1中的半导体材料不做限定，例如是硅(Si)、磷化铟(InP)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)等半导体材料。半导体衬底1例如是轻掺杂P型硅，第一阱区21、第二阱区22和深阱区23例如均为N阱。第一电极P1和第二电极P2是为了将石墨烯7与第一阱区21所述形成的异质结与外部的读出电路相连。工作状态下该异质结工作在反向偏置状态。
当然，半导体衬底1也可以是轻掺杂的N型衬底。
当然，第一阱区21、第二阱区22和深阱区23也可以是P阱。
需要说明的是各个阱区的上端部与对应电极形成欧姆接触的结构不限于此，例如在各阱区的重掺杂区上方还可以形成有非常薄的轻掺杂区。
光生载流子在石墨烯7中生成，并其中的电子或空穴在电场作用下进入第一阱区21，在第一阱区21中发生雪崩效应。
其中，半导体衬底1中的耗尽层区域应当尽量地大，故深阱区23的掺杂浓度可以比第一阱区21底部的掺杂浓度更低，从而使得耗尽区进入深阱区23。
当然，深阱区23的掺杂浓度也可以是与第一阱区21底部的掺杂浓度相等的。
受红外线照射的石墨烯7所产生的光生载流子中的电子或空穴进入第一阱区21并产生雪崩效应。该像素结构外部的读出电路能够读取第一电极P1和第二电极P2之间的电流大小，进而与该读出电路相连的处理电路可以根据该电流值实现成像。由于石墨烯7是零带隙材料，石墨烯7能够对远红外、中红外以及近红外的红外线均能有良好的响应，因此该像素结构能够探测到的红外线的带宽(光谱范围)很宽。
具体地，由于在石墨烯7中产生的热电子散射和倍增作用，以及石墨烯7所具有的零带隙的能带结构，因此石墨烯7可以响应红外光而产生光生载流子。现有技术的红外感光材料只是通过其本征的带隙大小响应红外光，而石墨烯7可以通过电子的散射效应将能量低的红外光生电子提高到器件可探测的能量强度(即能够形成光生电流)，并且石墨烯7中产生的光生载流子的散射具有电流增强的效果。
以硅衬底作为半导体衬底为例，能量高的近红外光子在石墨烯中产生的光生载流子的能量高，所产生的光生载流子中电子的能量高于石墨烯7与硅的肖特基势垒，从而使得光生载流子中的电子可以直接从石墨烯7跃迁到硅中。能量稍低的中红外光子产生光生载流子，所产生的光生载流子中电子的能量低于石墨烯7与硅的肖特基势垒。然而，在此种情况下，石墨烯7中的热电子所具有的散射作用可以提高光生载流子中一部分的电子的能量，使这些电子的能量高于肖特基势垒，从而这些电子可以从石墨烯7跃迁到硅中。能量更低的远红外光子也可以产生光生载流子，然而即便是光生载流子中受散射作用的电子的能量也低于肖特基势垒，导致所有光生载流子中的电子不能从石墨烯7跃迁到硅中。在这种情况下，由于电子在耗尽层边界的聚集导致的聚集效应可以产生对应的负电流，从而可以生成可探测的光生电流。
在一些实施例中，参考图1、图3以及图4，像素结构还包括形成在半导体衬底1中的第三阱区24，第三阱区24环绕第一阱区21且被第二阱区22内侧的隔离槽3所环绕，第三阱区24的上端部重掺杂以与第一电极P1形成欧姆接触，第三阱区24的导电类型与第一阱区21的导电类型相反。
第三阱区24上端部的重掺杂区与石墨烯7均与第一电极P1电连接，第三阱区24的作用是防止第一电极下方的第一绝缘层被击穿。
例如，参考图3，第三阱区24与第一阱区21邻接并形成PN结。
又例如，参考图3，第三阱区24与深阱区23邻接并形成PN结。
再例如，第三阱区24与第一阱区21之间以及与深阱区23之间均留有间距。
在一些实施例中，参考图1、图2和图3，像素结构还包括第一调节电极P3、第二调节电极P4、以及覆盖石墨烯7的第二绝缘层5，第一调节电极P3和第二调节电极P4均位于第二绝缘层5背向半导体衬底1一侧，石墨烯7与第一阱区21的接触面在半导体衬底1所处平面的正投影与第一调节电极P3在半导体衬底1所处平面的正投影相交叠，石墨烯7与第一阱区21的接触面在半导体衬底1所处平面的正投影与第二调节电极P4在半导体衬底1所处平面的正投影相交叠。
在第一调节电极P3和第二调节电极P4上施加不同的电压可以使得在它们下方的石墨烯7的对应的区域分别呈现为P区和N区，从而可以实现石墨烯7自身的PN结结构并且能够抑制石墨烯7中的暗电流。另外，石墨烯7与硅形成的肖特基势垒也可抑制暗电流。然后，光生载流子中的电子或空穴注入到第一阱区21后可以带来雪崩增益，从而如上所述的这种结构可实现超高灵敏度，例如可以将这种结构用于单光子探测与成像。
此外，由于石墨烯7中载流子的迁移率高，并且肖特基结构是多子器件结构，结合雪崩效应可提高器件响应速度，所以这种结构还可实现超高速成像。
第一调节电极P3和第二调节电极P4还可调节石墨烯7的费米能级以及与第一阱区21形成的异质结中肖特基势垒的势垒高度，进而能够调节光生电流的大小，并且对石墨烯7所能够响应的波长进行选择。
石墨烯7的结构可以为单层至多层，厚度的上限按照第一调节电极P3和第二调节电极P4电压无法调节光生电流大小为界。现有技术的红外感光材料不能通过电压实时调节其费米能级，因此不能调节其与硅衬底形成的肖特基势垒，所以很难对光生电流进行实时的调节。
在一些实施例中，第一调节电极P3和第二调节电极P4均呈块状。
在一些实施例中，第一调节电极P3和第二调节电极P4二者在半导体衬底1所处平面的正投影分别与石墨烯7与第一阱区21的接触面在半导体衬底1所处平面的正投影的不同半区有交叠。
第一调节电极P3和第二调节电极P4与该接触面的交叠区域应当尽量大，从而更好地控制石墨烯7中不同的区域呈现出不同的极性(即N型和P型)。
参考图1和图3，第一电极P1具有搭接部，搭接部位于第一绝缘层4的上表面上，石墨烯7的高度超出搭接部并与搭接部的部分上表面电接触。
如此，实现第一电极P1与石墨烯7的电连接。当然，搭接部也可以是位于石墨烯7的上表面上。
在一些实施例中，第二电极P2在半导体衬底1所处平面的正投影环绕第一电极P1在半导体衬底1所处平面的正投影。
第一电极结构P1例如呈环形，其外轮廓例如是圆形、方形、八边形等。
图1和图3所示实施例中，石墨烯7与第一阱区21接触而形成肖特基异质结。而在图6所示的实施例中，像素结构还包括：第一保护层81和第二保护层82，第一保护层81设置在石墨烯7的下表面上，第二保护层82设置在石墨烯7的上表面上，第一保护层81能够被隧穿而使得石墨烯7与第一阱区21形成肖特基异质结，第一保护层81和第二保护层82均为二维晶格结构。
由于石墨烯7是二维晶格结构，故第一保护层81和第二保护层82也应当是二维晶格结构，从而能够与石墨烯7形成稳定的连接。第一保护层81和第二保护层82的作用是对石墨烯7形成机械保护。
第一保护层81不能影响石墨烯7与第一阱区21之间的肖特基势垒的形成。由此，第一保护层81应当尽量薄。在一些实施例中，第一保护层81的厚度小于3nm。优选第一保护层81的厚度为1nm至2nm。
在一些实施例中，第二保护层82的厚度小于3nm。第二保护层82相对较薄，这有利于提高第二保护层82与石墨烯7的贴合性以及机械一致性。
第一保护层81和第二保护层82覆盖石墨烯7的面积应当尽量大，从而对石墨烯7更好地进行保护。
在一些实施例中，第一保护层81的材料和第二保护层82的材料均为氮化硼，其中优选为六方氮化硼(Hexagonal Boron Nitride,h-BN)。这是由于六方氮化硼具有宽能量带隙、低介电常数、高热导率以及良好的机械强度，且为二维晶格，易于制成超薄结构。
本申请的实施例还提供一种红外图像传感器，包括前述的像素结构、以及与像素结构一一对应的读出电路，读出电路包括多个晶体管，读出电路分别与第一电极P1和第二电极P2电连接，所述读出电路中的晶体管的有源层形成在所述半导体衬底中，所述读出电路中的晶体管的有源层在所述半导体衬底1所处平面的正投影与所述第一阱区在所述半导体衬底1所处平面的正投影无交叠。
本申请对读出电路如何读取第一电极P1和第二电极P2之间的电流大小不做限定，可以参考现有设计。
由于读出电路与对应的像素结构是在水平方向上排布的，而非上下关系，这极大简化了红外图像传感器的制造工艺。
在一些实施例中，第一绝缘层4作为多个晶体管的栅绝缘层。
图5中的第四阱区25内形成有多个晶体管的源区和漏区，其中示出了一组源极S、漏极D和栅极G，表示一个晶体管。栅极G下方的半导体衬底1的上表面附近区域为有源层。
本申请对红外图像传感器中金属布线的层数不做限定，通常，金属布线的上部设置钝化层6。
本申请的实施例还提供一种电子设备，包括前述的红外图像传感器。电子设备例如是无人机、三维深度相机、激光雷达等携带红外图像传感器的设备。
本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
本申请的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变形而不脱离本申请的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本申请权利要求及其等同技术的范围，则本申请的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (10)
1.一种像素结构，其特征在于，包括：半导体衬底(1)、形成在所述半导体衬底(1)中的第一阱区(21)、形成在所述半导体衬底(1)中的第二阱区(22)、形成在所述半导体衬底(1)中的深阱区(23)、形成在所述半导体衬底(1)上表面上的第一绝缘层(4)，以及包括：石墨烯(7)、第一电极(P1)和第二电极(P2)；
所述第一绝缘层(4)中开设有与所述第一阱区(21)相对的第一过孔，所述石墨烯(7)填充所述第一过孔并与所述第一阱区(21)形成肖特基异质结，所述深阱区(23)与所述第一阱区(21)的下端部以及所述第二阱区(22)的下端部相连；
所述第一电极(P1)与所述石墨烯(7)电接触，所述第二阱区(22)的上端部与所述第二电极(P2)形成欧姆接触；
所述第一阱区(21)、所述第二阱区(22)和所述深阱区(23)的导电类型相同，所述第二阱区(22)环绕所述第一阱区(21)且二者之间设置有隔离槽(3)。
2.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述像素结构还包括形成在所述半导体衬底(1)中的第三阱区(24)，所述第三阱区(24)环绕所述第一阱区(21)且被所述第二阱区(22)内侧的隔离槽(3)所环绕，所述第三阱区(24)的上端部所述第一电极(P1)形成欧姆接触，所述第三阱区(24)的导电类型与所述第一阱区(21)的导电类型相反。
3.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述像素结构还包括：第一调节电极(P3)、第二调节电极(P4)、以及覆盖所述石墨烯(7)的第二绝缘层(5)，所述第一调节电极(P3)和所述第二调节电极(P4)均位于所述第二绝缘层(5)背向所述半导体衬底(1)一侧，所述石墨烯(7)与所述第一阱区(21)的接触面在所述半导体衬底(1)所处平面的正投影与所述第一调节电极(P3)在所述半导体衬底(1)所处平面的正投影相交叠，所述石墨烯(7)与所述第一阱区(21)的接触面在所述半导体衬底(1)所处平面的正投影与所述第二调节电极(P4)在所述半导体衬底(1)所处平面的正投影相交叠。
4.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，所述石墨烯(7)与所述第一阱区(21)接触而形成肖特基异质结。
5.根据权利要求1所述的像素结构，其特征在于，还包括第一保护层(81)和第二保护层(82)，所述第一保护层(81)设置在所述石墨烯(7)的下表面上，所述第二保护层(82)设置在所述石墨烯(7)的上表面上，所述第一保护层(81)能够被隧穿而使得所述石墨烯(7)与所述第一阱区(21)形成肖特基异质结，所述第一保护层(81)和所述第二保护层(82)均为二维晶格结构。
6.根据权利要求5所述的像素结构，其特征在于，所述第一保护层(81)的材料和所述第二保护层的材料均为氮化硼。
7.根据权利要求5所述的像素结构，其特征在于，所述第一保护层(81)的厚度小于3nm。
8.一种红外图像传感器，其特征在于，包括根据权利要求1-7任意一项所述的像素结构、以及与所述像素结构一一对应的读出电路，所述读出电路包括多个晶体管，所述读出电路分别与所述第一电极(P1)和所述第二电极(P2)电连接，所述读出电路中的晶体管的有源层形成在所述半导体衬底(1)中，所述读出电路中的晶体管的有源层在所述半导体衬底(1)所处平面的正投影与所述第一阱区(21)在所述半导体衬底(1)所处平面的正投影无交叠。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其特征在于，所述第一绝缘层(4)作为所述多个晶体管的栅绝缘层。
10.一种电子设备，其特征在于，包括根据权利要求8或9所述的红外图像传感器。
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