ES2945187T3 - Matriz de fotodetectores multiespectral - Google Patents
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Abstract
Una matriz de fotodetectores que comprende al menos un primer sensor y al menos un segundo sensor en la superficie horizontal del sustrato de la matriz. El al menos un primer sensor es sensible a la radiación en un primer rango de longitudes de onda que comprende longitudes de onda infrarrojas de longitud de onda larga, y el al menos un segundo sensor es sensible a la radiación en un segundo rango de longitudes de onda que comprende longitudes de onda más cortas que el infrarrojo de longitud de onda larga. El sustrato de la matriz comprende una cavidad vertical en su superficie horizontal, y el primer sensor comprende una capa de material piroeléctrico (65) que se extiende horizontalmente a través de la cavidad vertical en la primera área. Una primera parte de una capa de material estratificado bidimensional recubre al menos parcialmente la capa de material piroeléctrico (65), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Matriz de fotodetectores multiespectral
Campo de la divulgación
La presente divulgación se refiere a fotodetectores y, en particular, a fotodetectores en los que materiales laminares bidimensionales se usan como componentes de sensores eléctricamente activos. La presente divulgación trata, además, sobre matrices de fotodetectores que comprenden por lo menos un sensor para detectar radiación infrarroja de longitud de onda larga, y por lo menos un sensor para detectar radiación en longitudes de onda más cortas.
Antecedentes de la divulgación
La detección de radiación en longitudes de onda ultravioletas (UV), visibles (VIS), del infrarrojo cercano (NIR), del infrarrojo de longitud de onda corta (SWIR), del infrarrojo de onda media (MWIR) y del infrarrojo de longitud de onda larga (LWIR) es cada vez más importante para aplicaciones en astronomía, sanidad, sistemas de energía inteligentes, seguridad, monitorización de la contaminación, detección de incendios, automoción, sistemas de visión nocturna y seguimiento de movimiento. Según una clasificación convencional que se aplicará en esta divulgación, UV incluye longitudes de onda inferiores a 0.4 μm, VIS incluye longitudes de onda de 0.4 μm a 0.7 μm, NIR el intervalo 0.7 μm - 1 μm, SWIR 1 μm - 3 μm, MWlR 3 - 5 μm y LWIR por encima de 7 μm. Los límites de estos intervalos no son absolutos y también son posibles otras clasificaciones.
El documento US20140264270 divulga un sensor de imágenes de banda ancha en el que una primera matriz de fotodetectores, adecuada para detectar longitudes de onda VIS, NIR y SWIR, se combina con una segunda matriz de fotodetectores para detectar longitudes de onda MWIR y LWIR. No obstante, estas dos matrices se preparan en sustratos independientes y se deben interconectar eléctricamente en una disposición compleja. Resultaría más ventajoso utilizar únicamente un sustrato para la matriz de fotodetectores multiespectral.
Recientemente, se han hecho públicos fotodetectores de luz visible e infrarroja que utilizan materiales bidimensionales. El documento US20130032782 da a conocer un transistor de efecto de campo con una capa fotoactiva semiconductora adyacente a una capa de grafeno bidimensional. El documento EP3015833 da a conocer un bolómetro en el que un transistor de efecto de campo con un canal bidimensional está acoplado capacitivamente a un material piroeléctrico. Los documentos JP2006343229 y FR2999338 dan a conocer detectores multiespectrales que presentan un detector térmico y un detector cuántico dispuestos en dos áreas diferentes de la superficie de un sustrato matricial.
Breve descripción de la divulgación
Un objetivo de la presente divulgación es proporcionar un método para fabricar matrices de fotodetectores multiespectrales y un aparato fotodetector correspondiente que alivian las ventajas anteriores.
El método y el aparato están caracterizados por lo que se menciona en las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes se divulgan las formas de realización preferidas de la divulgación.
La divulgación se basa en la idea de, en primer lugar, preparar en un sustrato una cimentación para un fotodetector térmico, y, a continuación, preparar en el mismo sustrato una cimentación para un fotodetector cuántico. Una de las ventajas del método descrito en esta divulgación es que se puede usar una única capa de material laminar bidimensional para formar canales de transistores eléctricamente activos tanto en el fotodetector térmico como en el fotodetector cuántico.
Breve descripción de los dibujos
En lo sucesivo, se describirá con mayor detalle la divulgación por medio de formas de realización preferidas en referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales
Las figuras 1 a 3 ilustran fotodetectores cuánticos.
Las figuras 4a a 4b ilustran un fotodetector térmico.
Las figuras 5a a 5i ilustran métodos para fabricar la cimentación de un fotodetector térmico en un sustrato matricial.
Las figuras 6a a 6c ilustran métodos para fabricar la cimentación de un fotodetector cuántico en un sustrato matricial.
Las figuras 6d a 6h ilustran métodos para completar la fabricación del fotodetector térmico y del fotodetector cuántico.
Las figuras 7a a 7c ilustran un método alternativo para fabricar la cimentación de un fotodetector térmico y un fotodetector cuántico en un sustrato matricial.
Las figuras 8a a 8g ilustran un método para sensibilizar fotodetectores cuánticos en banas de longitud de onda diferentes.
Descripción detallada de la divulgación
Para detectar radiación electromagnética en las longitudes de ondas UV, VIS, NIR y SWIR se usan, típicamente, fotodetectores cuánticos que utilizan materiales laminares bidimensionales (a los que se hace referencia, también, simplemente, como materiales bidimensionales). Los fototransistores de efecto de campo pueden comprender, por ejemplo, un canal semiconductor formado por un material bidimensional. La conductividad del canal depende de la iluminación. La absorción y la sensibilidad espectral de dichos fotodetectores se puede aumentar preparando una capa fotoactiva adicional adyacente al canal bidimensional que es capaz de absorber más radiación y multiplicar el número de portadores de carga liberados por la radiación. Típicamente, la capa fotoactiva es semiconductora. Seleccionando un material fotoactivo con una banda prohibida adecuada, el fotodetector se puede sensibilizar para una banda de longitud de onda dada. Con materiales fotoactivos de banda prohibida pequeña, la sensibilidad espectral de los fotodetectores cuánticos se puede ampliar a longitudes de onda MWIR.
No obstante, en las longitudes de onda LWIR, en donde las bandas prohibidas de los semiconductores deberían ser muy pequeñas para que se produzca la fotoexcitación, la señal de respuesta de los fotodetectores cuánticos coge mucho ruido debido a portadores de carga excitados térmicamente. Sería necesario hacer funcionar los fotodetectores cuánticos en temperaturas criogénicas para medir de forma fiable la intensidad de la radiación LWIR.
Los fotodetectores térmicos, tales como, los bolómetros, pueden medir la intensidad de la radiación en longitudes de onda LWIR incluso a temperatura ambiente. Los bolómetros pueden comprender, por ejemplo, un material piroeléctrico en donde cambios de temperatura dependientes de la iluminación hacen que se acumule carga cerca de una superficie. Utilizando antenas, la sensibilidad espectral de los fotodetectores térmicos se puede ampliar también a longitudes de onda MWIR. La curva de sensibilidad espectral de un fotodetector térmico configurado para longitudes de onda MWIR se puede solapar parcialmente con la curva correspondiente para un fotodetector cuántico configurado para longitudes de onda MWIR.
Las matrices de fotodetectores descritas en esta divulgación pueden comprender algunos fotodetectores que son capaces de captar radiación con una longitud de onda tan pequeña como 200 nm, y otros fotodetectores capaces de captar radiación con una longitud de onda tan grande como 20 μm, y fotodetectores adicionales capaces de captar radiación con longitudes de onda intermedias entre estos dos valores.
Esta divulgación describe un método para preparar una matriz de fotodetectores. La matriz comprende un sustrato matricial con una superficie horizontal, y por lo menos un primer sensor y por lo menos un segundo sensor en la superficie horizontal del sustrato matricial. El por lo menos un primer sensor es sensible a radiación en un primer intervalo de longitudes de onda que comprende por lo menos el infrarrojo de longitud de onda larga. El por lo menos un segundo sensor es sensible a radiación en un segundo intervalo de longitudes de onda que comprende longitudes de onda menores que el infrarrojo de longitud de onda larga. El por lo menos un primer sensor es un fotodetector térmico y el por lo menos un segundo sensor es un fotodetector cuántico. El método comprende las siguientes etapas:
a) grabar una cavidad vertical en al menos una primera área en la superficie horizontal del sustrato matricial
b) preparar la cimentación del fotodetector térmico en la por lo menos una primera área en la superficie horizontal del sustrato matricial, en donde la preparación comprende colocar una capa de material piroeléctrico sobre la cavidad vertical en la primera área, de manera que se extienda horizontalmente a lo largo de la cavidad,
c) preparar la cimentación del fotodetector cuántico en al menos una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial, en donde la preparación comprende la deposición de una o más de las siguientes capas: una capa aislante de puerta, una capa semiconductora fotoactiva, una capa de electrodo de puerta conductor,
d) depositar una capa de material laminar bidimensional en la superficie horizontal del sustrato matricial de manera que cubra la cimentación del fotodetector térmico al menos en una parte de cada primera área de la superficie horizontal del sustrato matricial, y de manera que cubra la cimentación del fotodetector cuántico al menos en una parte de cada segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial,
e) aplantillar la capa de material laminar dimensional obteniendo por lo menos dos partes independientes, de manera que una primera o primeras partes de la capa de material laminar bidimensional cubran por lo menos una parte de la cimentación del fotodetector térmico, y una segunda o segundas partes de la capa de material laminar bidimensional cubran por lo menos una parte de la cimentación del fotodetector cuántico,
f) proporcionar conexiones eléctricas a cada primera y segunda parte del material laminar bidimensional y depositar en cada primera parte de la capa de material bidimensional una capa aislante superior, y depositar en cada capa aislante superior una capa de electrodo superior que se extiende desde un área de transistor dentro de la primera área a un área adyacente dentro de la primera área, de manera que la capa de electrodo superior está en contacto directo con la capa de material piroeléctrico en el área adyacente.
Una matriz de fotodetectores correspondiente descrita en esta divulgación comprende un sustrato matricial con una superficie horizontal, y por lo menos un primer sensor y por lo menos un segundo sensor en la superficie horizontal del sustrato matricial. El por lo menos un primer sensor es sensible a radiación en un primer intervalo de longitudes de onda que comprende longitudes de onda del infrarrojo de longitud de onda larga, y el por lo menos un segundo sensor es sensible a radiación en un segundo intervalo de longitudes de onda que comprende longitudes de onda menores que el infrarrojo de longitud de onda larga. El por lo menos un primer sensor es un fotodetector térmico y el por lo menos un segundo sensor es un fotodetector cuántico.
El sustrato matricial comprende una cavidad vertical en una primera área en su superficie horizontal. El fotodetector térmico comprende una capa de material piroeléctrico que se extiende horizontalmente a lo largo de la cavidad vertical en la primera área, y una primera parte de una capa de material laminar bidimensional que cubre al menos parcialmente la capa de material piroeléctrico. El fotodetector térmico comprende también una o más áreas de contacto eléctrico en el sustrato matricial que proporcionan conexiones eléctricas a la primera parte de una capa de material bidimensional, y una capa aislante superior en la primera parte de la capa de material bidimensional. El fotodetector térmico comprende también una capa de electrodo superior en la capa aislante superior. La capa de electrodo superior se extiende desde un área de transistor dentro de la primera área a un área adyacente dentro de la primera área, donde la capa de electrodo superior está en contacto directo con la capa de material piroeléctrico.
El fotodetector cuántico comprende una cimentación que incluye por lo menos una de las siguientes capas en una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial: una capa aislante de puerta, una capa semiconductora fotoactiva, una capa de electrodo de puerta conductor. El fotodetector cuántico comprende, también, una segunda parte de la capa de material laminar bidimensional que cubre al menos parcialmente la cimentación del fotodetector cuántico, y una o más áreas de contacto eléctrico en el sustrato matricial que proporcionan conexiones eléctricas a la segunda parte de la capa de material bidimensional.
En esta divulgación, expresiones tales como “primera área en la superficie horizontal del sustrato matricial” o “áreas de contacto en el sustrato matricial” se refieren a la superficie del sustrato matricial con todas las capas depositadas incluidas. Por ejemplo, si la capa A es la primera capa depositada en el sustrato en la primera área, la superficie superior de la capa A formará entonces la “superficie horizontal del sustrato matricial” para la siguiente capa. Se aplica lo mismo a cualesquiera otras capas que se depositan posteriormente en la primera área. En otras palabras, las cimentaciones o contactos que se preparan en la “superficie del sustrato matricial” o “en el sustrato matricial” no tienen que estar necesariamente en contacto directo con el propio sustrato matricial - puede haber capas intermedias que se depositaron en el sustrato antes de que se prepararan las cimentaciones/contactos.
En esta divulgación, términos tales como “vertical” y “horizontal” no implican nada sobre la orientación del sustrato cuando el dispositivo se está fabricando, o cuando el dispositivo se está usando. El dispositivo y el sustrato se pueden orientar en cualquier dirección adecuada durante su uso y fabricación, por ejemplo, sobre un lado de tal manera que un plano al que, en esta divulgación, se le hace referencia como “horizontal” se convierte en una superficie vertical”. En otras palabras, los términos “horizontal” y “vertical” definan meramente dos direcciones ortogonales. La dirección horizontal es paralela a una superficie principal del sustrato matricial, y la dirección vertical es normal a la superficie principal. En todas las figuras de esta divulgación, el plano del dispositivo horizontal definido por la orientación del sustrato matricial se marca como plano xy y la dirección vertical se indica como eje z.
El segundo sensor puede ser sensible a radiación en los intervalos de longitud de onda UV, VIS, NIR, SWIR y/o MWIR. Si el fotodetector comprende más de un segundo sensor, algunos de estos segundos sensores pueden ser, por ejemplo, sensibles al intervalo de longitud de onda VIS, otros a intervalos de longitud de onda UV, NIR o SWIR. La matriz de fotodetectores puede comprender múltiples sensores que son sensibles al mismo intervalo de longitudes de onda.
En esta divulgación, la expresión “matriz de fotodetectores” se refiere a un dispositivo que comprende múltiples fotodetectores en un sustrato matricial. En algunas geometrías en las que se agrupan fotodetectores en varias áreas sobre el sustrato, puede resultar apropiado decir que, en el mismo sustrato matricial, hay presencia de varias matrices. El número de sensores en el sustrato matricial es al menos dos y podría ser de varios miles o decenas de miles. Cada sensor puede formar un píxel en una matriz de fotodetectores. En ese caso, píxeles adyacentes
pueden dedicarse a medir longitudes de onda diferentes. Alternativamente, si en la matriz hay presencia de múltiples fotodetectores térmicos y fotodetectores cuánticos, entonces cada par de fotodetector térmico y fotodetector cuántico adyacentes puede formar un píxel. Como se describe en esta divulgación, los sensores que forman la matriz de fotodetectores pueden ser sensibles a radiación en longitudes de onda diferentes.
En esta divulgación, la expresión “fotodetector cuántico” se refiere a un fotodetector en el que fotones entrantes son absorbidos en un material semiconductor sensible a la luz donde liberan portadores de carga. Algunos de estos portadores de carga se pueden separar antes de recombinarse, y el cambio resultante en el balance eléctrico del detector se puede medir en un circuito eléctrico conectado al detector. La variable medida puede ser, por ejemplo, la corriente de fuente-drenador en un transistor, o el potencial eléctrico de un electrodo. Esta variable se puede hacer que sea proporcional a la intensidad de la radiación incidente. El canal puede comprender un material laminar bidimensional.
La figura 1 ilustra un ejemplo de un fotodetector cuántico. Puede comprender, por ejemplo, un electrodo de puerta conductor 13 en la superficie del sustrato matricial 12, una capa aislante de puerta 17 que cubre el electrodo de puerta 13, contactos de fuente y drenador conductores 19 en la superficie del sustrato matricial 12 y un canal 18 formado por una capa de material bidimensional tal como grafeno. Los contactos de fuente y drenador 19 pueden cubrir la capa aislante de puerta, o, tal como en la figura 1, se pueden depositar más allá de la segunda área (definida por el electrodo de puerta 13) si el canal de grafeno 18 se extiende por fuera de la segunda área.
El canal de grafeno 18 se puede depositar antes o después de los contactos de fuente y drenador 19, o un conjunto de contactos de fuente y drenador se puede depositar antes que el canal y otro conjunto después, como en la figura 1. Sobre el canal de grafeno 18, en la segunda área, se puede depositar, opcionalmente, una capa fotoactiva semiconductora 14, que puede ser una capa de nanocristales semiconductores, para aumentar la absorción de la radiación. Como se ha mencionado anteriormente, el fotodetector cuántico se puede sensibilizar para un intervalo seleccionado de longitudes de onda utilizando nanocristales de semiconductores con una banda prohibida adecuada. Opcionalmente, sobre la capa fotoactiva 14, se puede depositar un electrodo superior conductor 15. El electrodo superior 15 se puede conectar a una circuitería externa, o puede ser un electrodo flotante.
Alternativamente, tal como se ilustra en la figura 2, el fotodetector cuántico puede comprender un electrodo inferior conductor 23 en la superficie del sustrato matricial 22, una capa de nanocristales semiconductores 24 que cubre el electrodo inferior 24 en la segunda área (definida por el mismo electrodo inferior) sobre el sustrato matricial 22, y una capa de canal 28 de grafeno que cubre la capa de nanocristales semiconductores 24. Contactos de fuente y drenador 29 se pueden poner en contacto con el canal de grafeno 28 fuera de la segunda área en la superficie del sustrato matricial si el canal de grafeno 28 se extiende por fuera de la segunda área. Una capa aislante 26 puede cubrir el canal de grafeno, y un electrodo superior 25 se puede depositar sobre esta capa aislante 26.
Alternativamente, el fotodetector cuántico puede ser un dispositivo en modo de voltaje en el que la capa de grafeno forma un electrodo sensor en lugar de un canal de transistor. La figura 3 ilustra un dispositivo en modo de voltaje con un electrodo de puerta 33 en la superficie del sustrato, cubierto por una capa aislante de puerta 37. No se impulsa ninguna corriente a través de la capa de grafeno 38, que cubre parcialmente la capa aislante de puerta 37. En su lugar, la capa de grafeno 37 se utiliza como electrodo sensor, y únicamente es necesario conectar un electrodo de medición de un solo extremo 39 a la capa de grafeno 38 para determinar su potencial.
Como en las formas de realización anteriores, opcionalmente, se pueden depositar una capa fotoactiva 34 y un electrodo superior 35 sobre la capa de grafeno 38. Opcionalmente, también se puede colocar una capa aislante superior 36 entre la capa fotoactiva 34 y el electrodo superior 35. A los fotodetectores cuánticos también se les puede denominar fotodetectores de separación de carga.
Ninguna de las figuras de esta divulgación se ha dibujado a escala.
La expresión “fotodetector térmico” se refiere a un fotodetector en el que fotones entrantes (en longitudes de onda LWIR, y posiblemente MWIR) son absorbidos en un material piroeléctrico, en el que aumentan su temperatura. La mayor temperatura (o menor temperatura, si la intensidad de la radiación entrante disminuye) induce un cambio en el balance eléctrico del material piroeléctrico. Colocando un dispositivo sensible a la carga adecuado en proximidad inmediata con el material piroeléctrico, se puede medir la magnitud del cambio eléctrico en un circuito eléctrico conectado al dispositivo sensible a la carga. La variable medida puede ser, por ejemplo, la corriente de fuente-drenador en un transistor o el potencial eléctrico de un electrodo, y esta variable puede ser proporcional a la intensidad de la radiación incidente. El dispositivo sensible a la carga puede comprender, por ejemplo, un electrodo flotante que esté acoplado capacitivamente al material piroeléctrico. Este electrodo flotante puede ser, por ejemplo, el electrodo de puerta de un transistor o el electrodo sensor de un dispositivo sensible a la carga en modo de voltaje. El canal del transistor, o el electrodo sensor, puede comprender un material laminar bidimensional.
La capa de material piroeléctrico en el fotodetector térmico puede ser, por ejemplo, una membrana que se extienda a lo largo de una cavidad. La cavidad aísla las áreas sensibles a la radiación, del material piroeléctrico, térmicamente con respecto al sustrato subyacente, que actúa como sumidero de calor a temperatura constante.
La membrana se puede considerar térmicamente aislada cuando su conductividad térmica hacia el sustrato es suficientemente baja de manera que el flujo saliente de calor desde la membrana es mucho menor que el flujo entrante de calor proveniente de una radiación incidente típica, lo cual permite que la membrana experimente localmente un aumento de temperatura relativamente elevado. Los materiales piroeléctricos adecuados incluyen, aunque sin carácter limitativo, LiNbO3, LiTaO3 y circonato de plomo (PZT). Los dos primeros están disponibles típicamente en forma de monocristales en volumen. El PZT se puede hacer crecer, por ejemplo, mediante bombardeo iónico. A los fotodetectores térmicos también se les puede denominar bolómetros.
Las figuras 4a y 4b ilustran un ejemplo de un fotodetector térmico desde dos perspectivas diferentes. El fotodetector comprende una capa de grafeno 43 depositada sobre una capa de material piroeléctrico 41. Los contactos de fuente y drenador 49 impulsan una corriente a través del canal de grafeno 43. El canal de grafeno 43 está cubierto por una capa aislante 47 en el área de transistor 421. Un electrodo superior 45 cubre la capa aislante 45 en el área de transistor y forma el contacto de puerta del transistor. Cuando el dispositivo está funcionando, el electrodo superior 45 puede ser eléctricamente flotante, es decir, puede no estar fijado a ningún potencial eléctrico específico. El electrodo superior 45 es entonces libre de interaccionar eléctricamente con el material piroeléctrico.
Como se ilustra en la figura 4b (donde los electrodos de fuente y drenador se han omitido por motivos de claridad), el electrodo superior 45 se extiende desde el área de transistor 421 a un área adyacente 422 donde la capa de electrodo superior está en contacto directo con la capa de material piroeléctrico 41. El área adyacente 422 puede ser mayor que el área de transistor 421.
Cuando se absorbe radiación entrante en el material piroeléctrico 41 (o en cualquier capa absorbente adicional que puede estar opcionalmente en contacto con el material piroeléctrico), la temperatura local se incrementa y la polarización espontánea del material piroeléctrico cambia como respuesta a ello. La porción del electrodo superior 45 que descansa sobre el área 422 se carga para compensar el cambio en la densidad de carga que se produjo en la superficie de 41. Puesto que el electrodo superior 45 es una estructura de electrodo flotante con neutralidad de carga neutra, la carga en 422 debe provenir de 421, es decir, del condensador formado por la parte de electrodo superior 45 que forma la puerta superior en la estructura del transistor. Puesto que el área de 422 está diseñada para ser mayor que 421, pero la carga en ambas regiones es igual en cuanto a módulo, el campo eléctrico resultante en el área de transistor 421 es mucho mayor que el producido por el piroeléctrico en el área adyacente 422. De este modo, el electrodo superior 45 se puede considerar como un concentrador de carga. La función del transistor de efecto de campo de grafeno es expresar dicha carga concentrada (con ganancia) en forma de un cambio de su resistencia eléctrica.
La expresión “primera área” puede referirse, en esta divulgación, a un área que comprende tanto el área de transistor 421 como el área adyacente 422 ilustradas en las figuras 4a y 4b, por ejemplo, el área 48. Debe señalarse que el área de transistor 421 y el área adyacente 422 se refieren a los componentes eléctricamente activos de un fotodetector térmico, mientras que la expresión “primera área” se refiere a la cimentación del fotodetector térmico, que es una capa de material piroeléctrico que se extiende horizontalmente a lo largo de una cavidad. Puesto que las partes eléctricamente activas del fotodetector térmico no son necesariamente concurrentes con la capa piroeléctrica 41 (como se ilustra en las figuras 4a y 4b), la primera área se puede extender más allá del área de transistor 421 y del área adyacente 422. En algunos casos, el electrodo superior 45 se podría extender más allá de la primera área 48. No obstante, las áreas 421 y 422 en las que el electrodo superior 45 forma un componente eléctricamente activo del fotodetector térmico están siempre contenidas dentro de la primera área.
La sensibilidad espectral de los fotodetectores térmicos se puede personalizar en cierta medida con antenas.
En esta divulgación, se usa grafeno como ejemplo de un material laminar bidimensional. No obstante, en cualquiera de las formas de realización presentadas en esta divulgación también se pueden usar otros materiales laminares bidimensionales, tales como fosforeno (fósforo negro), siliceno, germaneno, estaneno, GaN, InN, InP, InAs, BAs, BP, o GaP Además, el material laminar bidimensional usado en cualquiera de las formas de realización presentadas en esta divulgación también puede ser un dicalcogenuro de metal de transición u óxido de metal de transición, que incluye WE2, MoE2, ScE2, TiE2, HfE2, ZrE2, VE2, CrE2, MnE2, FeE2, CoE2, NiE2, NbE2, TcE2, ReE2, PdE2, o PtE2, donde E es O, S, Se o Te. El material laminar bidimensional puede comprender de 1 a 10 capas atómicas, oscilando el grosor total de 0.3 nm a 10 nm.
Cuando se preparan como materiales laminares bidimensionales con propiedades semiconductoras, o semimetálicas, o metálicas, todos estos materiales se pueden usar como componentes sensibles a la iluminación en fotodetectores cuánticos y fotodetectores térmicos según la manera que se ha descrito anteriormente.
La capa semiconductora fotoactiva puede comprender, por ejemplo, nanocristales de semiconductores o puntos cuánticos coloidales seleccionados del grupo: PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, CuS, Cu2S, Cu2Se, CZTS, MnS, Bi2S3, Ti2O3, Ag2S, Ag2Se, HgTe, HgCdTe, HgS, HgSe, GaSe, GaAs, MoS2, WS2, CIS, InAs, InSb, InP, Ge, Si, grafeno o nanocristales de núcleo/corteza con cualquiera de los constituyentes de núcleo/corteza anteriores. Como ejemplo principal de un material fotoactivo en esta divulgación se usarán los nanocristales de semiconductores.
Alternativamente, la capa semiconductora fotoactiva puede comprender cualquiera de los nanocristales de semiconductores anteriores o puntos cuánticos coloidales incrustados en un material hospedador que comprende calcogenuro metálico, haluro metálico o perovskita híbrida de haluro. El calcogenuro metálico puede tener la fórmula general MEn, donde E es S, Se o Te, y puede ser, por ejemplo, AsEn, CdEn, CuEn, ZnEn, SnEn, SbEn, InE, MoEn, o BiEn. El haluro metálico puede tener la fórmula general MXn, donde M es Pb, Bi, Cd, In, Zn, Sn, Cu, Fe, Ga, Li o Sb y X es I, Br o Cl, y puede ser, por ejemplo, Pbh o BN3. La perovskita híbrida de haluro puede tener la fórmula general ABX3 , donde A es Cs, CH3NH3 o n H2CH=NH2 , B es Pb o Sn, y X es Cl, Br o I.
La carga de puntos cuánticos en el material hospedador puede variar entre el 1% y el 90%. El diámetro de los nanocristales de semiconductores o puntos cuánticos puede estar, por ejemplo, en el intervalo 2 - 20 nm. Los materiales semiconductores fotosensibles pueden proporcionar una absorción óptica sustancial en el intervalo de longitudes de onda de 0.2 - 5 μm, definido por la banda prohibida óptica de los materiales usados.
Los ligandos estabilizadores [del inglés, capping] de los materiales semiconductores anteriores pueden comprender moléculas orgánicas o moléculas inorgánicas, o una combinación de ambas. Los ligandos orgánicos pueden incluir, aunque sin carácter limitativo, tioles alquílicos o arílicos, tales como 1,2-etanoditiol, ácido 3-mercaptopropiónico, bencenotiol, etcétera. Los ligandos orgánicos también pueden incluir alquilaminas o arilaminas, N-heterociclos, tales como 1,2-etilendiamina, piridina, etcétera. Los ligandos inorgánicos pueden incluir halógenos atómicos (I, Br, Cl), seudohalógenos (SCN), o calcógenos (S, Se). Los ligandos inorgánicos también pueden incluir haluros metálicos o calcogenuros metálicos.
La capa fotoactiva puede ser, alternativamente, una capa semiconductora de película fina con una estructura cristalina o amorfa. La capa semiconductora de película fina puede comprender un material seleccionado del grupo: PbS, PbSe, PbTe, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, CuS, Cu2S, Cu2Se, c Zt S, MnS, Bi2S3, Ti2O3 , Ag2S, Ag2Se, HgTe, HgCdTe, HgS, HgSe, GaSe, GaAs, MoS2, WS2 , CIS, InAs, InSb, InP, Ge, o Si.
Cimentaciones de un fotodetector térmico
La etapa b) del método, donde la cimentación del fotodetector térmico se prepara en la primera área en la superficie horizontal del sustrato matricial, puede comprender unir un material piroeléctrico en volumen a la superficie horizontal del sustrato matricial, adelgazar el material piroeléctrico en volumen hasta una capa fina de material piroeléctrico mediante rectificado y pulido mecánico y aplantillar la capa fina de material piroeléctrico mediante grabado.
Alternativamente, la etapa b) puede comprender una deposición de una capa de material piroeléctrico en una primera superficie de un sustrato de transferencia, unir la primera superficie del sustrato de transferencia a la superficie horizontal del sustrato matricial, eliminar el sustrato de transferencia mediante pulido o grabado y aplantillar la capa de material piroeléctrico mediante grabado.
En las siguientes ilustraciones se presentará, como ejemplo de un sustrato matricial, un sustrato de CMOS con interconexiones conductoras eléctricamente verticales. Este sustrato puede ser un sustrato multicapa con un apilamiento de capas de circuitería activa separadas por capas aislantes por debajo de la matriz de fotodetectores. Algunas de las interconexiones eléctricamente conductoras pueden proporcionar, por ejemplo, contactos resistivos o capacitivos a los dispositivos fotodetectores en la parte superior del sustrato. En otras palabras, las capas de electrodo inferior o electrodo de puerta conductor 13, 23, 33 ilustradas en las figuras 1 a 3 se pueden sustituir, en este caso, por interconexiones conductoras verticales. Una capa aislante depositada sobre el extremo superior de una interconexión conductora puede servir entonces, por ejemplo, como capa aislante de puerta.
El sustrato matricial puede tener alternativamente una estructura más sencilla. Puede ser, por ejemplo, una oblea de silicio con contactos eléctricamente conductores depositados sobre la superficie frontal donde los fotodetectores están fabricados, como en las figuras 1 a 3.
La figura 5a ilustra un sustrato matricial en dos partes con una capa aislante 51 y una capa de circuitería activa subyacente 52. Las interconexiones verticales 53 se extienden desde la superficie superior del sustrato a través de la capa aislante 51 hacia la capa de circuitería activa 52. La superficie superior es la superficie horizontal del sustrato matricial. La figura 5b ilustra la etapa a) del método, donde se graba una cavidad vertical 54 en una primera área 58 en la superficie horizontal del sustrato matricial. Para preparar la cavidad 54 se puede usar un grabado seco o húmedo del óxido con una máscara dura sacrificial. La profundidad de la cavidad puede oscilar, por ejemplo, de 1 μm hasta varias decenas de micras. La cavidad 54 no debe extenderse típicamente hacia la capa de circuitería activa 52 si contiene circuitería eléctrica altamente compactada. En la parte inferior de la cavidad 54 se puede depositar opcionalmente una capa reflectora posterior (no ilustrada).
Las figuras 5c a 5e ilustran una primera forma de realización de la etapa b) en el método de fabricación. En la figura 5c, una oblea en volumen de material piroeléctrico 551 se ha unido al sustrato matricial de manera que se extiende por lo menos a lo largo de la cavidad 54. La unión puede ser covalente, o se puede lograr usando un
adhesivo. El grosor de la oblea en volumen 551 puede, por ejemplo, ser próximo a 500 |jm. A continuación, la oblea en volumen 551 se adelgaza mediante rectificado y pulido mecánico a un grosor de unas pocas decenas de mieras. La capa adelgazada de material piroeléctrico 551 se ilustra en la figura 5d.
En la figura 5e, la capa de material piroeléctrico 55 se ha grabado, por ejemplo en un proceso de grabado en seco basado en SF6 y Ar/O2. Se ha eliminado material piroeléctrico por lo menos de la segunda área 59 donde se preparará posteriormente el fotodetector cuántico y de otras áreas del sustrato, tales como la 57, donde pueden prepararse posteriormente contactos eléctricos. En otras palabras, la capa de material piroeléctrico 55 cubre por lo menos la primera área 58 en el sustrato matricial, y también se puede extender por fuera de la primera área, como se ilustra en la figura 5e. Sin embargo, en este caso la capa de material piroeléctrico 55 no se extiende a la segunda área 59.
En otras palabras, la primera área 58 se puede definir por una cavidad 54 que está cubierta en su totalidad por el material piroeléctrico 55. El área de transistor 421 y el área adyacente 422 (no ilustradas en la figura 5e) están contenidas dentro de la primera área 58, pero los contactos de fuente y drenador se extienden típicamente más allá de la primera área en el plano xy horizontal, y el electrodo superior también puede hacerlo así.
Las figuras 5g a 5i ilustran una segunda forma de realización de la etapa b) en el método de fabricación. Esta forma de realización incluye las etapas ilustradas en las figuras 5a y 5b para preparar el sustrato matricial. A continuación, una capa de material piroeléctrico 552 o bien se hace crecer sobre un sustrato de transferencia o bien se transfiere al sustrato de transferencia en forma de una oblea en volumen y, a continuación, se rebana, se pule y se recuece. El sustrato de transferencia puede ser un sustrato de silicio 561 con una capa de dióxido de silicio fina 562 por encima.
En la figura 5g, el sustrato de transferencia se ha unido boca abajo sobre el sustrato matricial preparado en las figuras 5a a 5b, o bien mediante unión covalente o bien usando un adhesivo. A continuación, el sustrato de transferencia 561/562 se elimina por grabado completamente, dejando solo la capa de material piroeléctrico 552 sobre el sustrato matricial, como se ilustra en la figura 5h. A continuación, la capa de material piroeléctrico 552 se puede aplantillar de manera que se deje únicamente aquella parte 55 de la capa que abarca la cavidad 54 en la primera área 58, como se ilustra en la figura 5.
La preparación de una cimentación para el fotodetector térmico se ha completado en las estructuras ilustradas 5e y 5i, donde la capa de material piroeléctrico 55 se extiende sobre la cavidad 54.
Cimentaciones de un fotodetector cuántico
La etapa c) del método, donde se prepara la cimentación del fotodetector cuántico en una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial, puede comprender la deposición de una capa de electrodo conductor en la segunda área, y la deposición de una capa aislante que cubre la capa de electrodo conductor en la segunda área, de manera que la cimentación del fotodetector cuántico comprende una capa de electrodo conductor cubierta por una capa aislante. Esta opción no se ilustrará por separado. En este caso, el fotodetector cuántico puede ser un transistor de efecto de campo, y el electrodo conductor puede formar el electrodo de puerta del transistor.
En la alternativa ilustrada, el sustrato matricial comprende por lo menos una interconexión conductora vertical en la segunda área, de manera que la interconexión conductora vertical forma una conexión eléctrica entre la superficie horizontal y circuitería dentro del sustrato matricial, la etapa c) puede comprender la deposición de una capa aislante que cubra la interconexión conductora vertical en la segunda área, de manera que la cimentación del fotodetector cuántico comprende una interconexión conductora cubierta por una capa aislante. En este caso, el fotodetector cuántico puede ser un transistor de efecto de campo, y la interconexión conductora en la segunda área puede formar el electrodo de puerta en el transistor.
La figura 6a ilustra un sustrato matricial que puede corresponderse con cualquiera de los sustratos matriciales ilustrados en las figuras 5e y 5i. Las referencias 61 a 62, 64 a 65 y 69 se corresponden con los números de referencia 51 a 52, 54 a 55 y 59, respectivamente, en las figuras 5a a 5i. La interconexión conductora 631 puede formar el electrodo de puerta en un transistor de efecto de campo. En las figuras 6b a 6c, se deposita una capa aislante 67, tal como AhO3, y la misma se aplantilla sobre el sustrato matricial de manera que cubra la segunda área 59 en la superficie horizontal del sustrato matricial. La capa aislante 67 también cubre el electrodo de puerta 631.
En algunos casos, la etapa c) puede comprender la deposición de una capa semiconductora fotoactiva en la segunda área, de manera que la cimentación del fotodetector cuántico comprende una capa semiconductora fotoactiva. La capa semiconductora fotoactiva puede cubrir un electrodo conductor en la segunda área.
Deposición y aplantillado de material bidimensional
En la figura 6d, que se corresponde con la etapa d), se ha depositado una capa de material laminar bidimensional
68, por ejemplo grafeno, sobre la superficie horizontal del sustrato matricial, de manera que cubre por lo menos la cimentación del fotodetector térmico en la primera área y la cimentación del fotodetector cuántico en la segunda área. Una de las opciones consiste en depositar una capa de grafeno 68 continúa sobre toda la superficie del sustrato matricial.
En la figura 6e, que se corresponde con la etapa e), la capa de grafeno se ha aplantillado obteniendo dos partes independientes, de manera que una primera parte de la capa 681 cubre al menos una parte de la cimentación del fotodetector térmico, y una segunda parte 682 cubre al menos una parte de la cimentación del fotodetector cuántico. Cuando se comparan las figuras 6d y 6e, puede observarse que la primera y la segunda partes de la capa de grafeno 681 y 682 están ubicadas a cierta distancia de los escalones verticales formados por el borde del material piroeléctrico 65 y la capa aislante de puerta 67, donde, en la deposición, pueden formarse discontinuidades en la capa de grafeno.
Todos los fotodetectores del sustrato matricial que incluyen una capa de material bidimensional como componente eléctricamente activo pueden recibir, de este modo, esta capa en el mismo proceso de deposición y aplantillado. Esto reduce el número de etapas de procesado y la tasa de fallos. La deposición de una capa de grafeno independiente para cada tipo de fotodetector haría que el proceso de fabricación resultase más complejo y aumentaría los costes de material y laborales.
En la figura 6f, en la superficie horizontal del sustrato matricial se han depositado y aplantillado áreas de contacto eléctrico 691 y 692 para proporcionar conexiones eléctricas al fotodetector térmico y al fotodetector cuántico. Como se ilustra en la figura 6f, las áreas de contacto 691 y 692 pueden extenderse fuera de la primera área y la segunda área, respectivamente, de manera que llegan a las interconexiones conductoras 632 y 633 que conectan los fotodetectores con circuitería de medición externa. Otras interconexiones conductoras 634 pueden dejarse, sin embargo, libres.
Compleción del fotodetector térmico
El fotodetector cuántico de la figura 6f, es un fotodetector operativo incluso sin capa fotoactiva, por lo que no requiere necesariamente de ningún otro componente. La segunda parte de la capa de grafeno 682 funciona como canal de transistor entre electrodos de fuente y drenador 692.
El fotodetector térmico requiere, sin embargo, un electrodo superior para generar un acoplamiento capacitivo dependiente de la irradiación entre el material piroeléctrico y la estructura del transistor en la cimentación del fotodetector térmico. En la figura 6g, la primera parte de la capa de grafeno 681 se ha cubierto mediante una capa aislante superior 671. Un electrodo superior 693 cubre la capa aislante 671 al menos en el área que se superpone sobre el canal de grafeno 681. El electrodo superior se extiende desde el área de transistor ilustrada en la figura 6g a un área adyacente en la que el electrodo superior está en contacto directo con la capa fina de material piroeléctrico. El fotodetector térmico es por lo tanto también operativo en la estructura ilustrada en la figura 6g.
Cimentación alternativa para el fotodetector cuántico
En algunos casos puede resultar preferible construir la cimentación del fotodetector cuántico sobre la capa de material piroeléctrico. El apilamiento de materiales en la segunda área de la superficie del sustrato matricial incluye también, entonces, la capa de material piroeléctrico. En este caso, no hay necesidad de eliminar todas las secciones de la capa de material piroeléctrico que se sitúan fuera de la primera área (y sus proximidades) después de que se haya fijado al sustrato matricial. Por el contrario, la capa de material piroeléctrico se puede extender por debajo del fotodetector cuántico, posiblemente sobre múltiples adyacentes, y el aplantillado de la capa de material piroeléctrico puede comprender únicamente el grabado de zanjas verticales para obtener conexiones eléctricas con estructuras subyacentes.
Las ventajas de este planteamiento pueden incluir que se pueden utilizar procesos de grabado que consumen menos tiempo en el aplantillado de la capa piroeléctrica y que el material bidimensional se puede depositar sobre una superficie sin bordes afilados o escalones verticales elevados. Dichos bordes y escalones pueden estar presentes, en ocasiones, en los bordes de la capa de material piroeléctrico si la misma se ha aplantillado para situarse únicamente en la primera área y sus proximidades, pero no en la segunda área.
En uno de los métodos para producir un fotodetector según esta forma de realización, después de la etapa b) la capa de material piroeléctrico también se extiende a lo largo de la por lo menos una segunda área. La etapa c) comprende, entonces, en primer lugar la deposición de una capa aislante adicional sobre el material piroeléctrico en la por lo menos una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial, a continuación la deposición de una capa de electrodo de puerta conductor sobre la capa aislante adicional en la por lo menos una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial, y, a continuación, la deposición de una capa aislante de puerta sobre la capa de electrodo de puerta conductor en la por lo menos una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial. La etapa f) comprende, entonces, la etapa adicional de proporcionar conexiones eléctricas también a la capa de electrodo de puerta conductor.
Las figuras 7a a 7c ilustran este método de forma más detallada. Los números de referencia 71, 72, 75 y 77 a 79 se corresponden con los números de referencia 51, 52, 55 y 57 a 59, respectivamente, de las figuras 5a a 5i. La figura 7a se corresponde con las figuras 5d y 5h, y la capa de material piroeléctrico 75 se puede haber fijado al sustrato matricial 71/72 con cualquiera de los métodos que precedían a esas dos figuras. No obstante, en este caso la capa de material piroeléctrico 75 se extiende a lo largo del sustrato matricial de manera que cubre el sustrato matricial en la primera área 78, la segunda área 79 y el área adicional 77.
A continuación se prepara la cimentación del fotodetector cuántico encima de la capa de material piroeléctrico en la segunda área 79. En primer lugar, se puede depositar una capa aislante adicional 741 sobre la capa de material piroeléctrico 75, y, a continuación, se puede depositar una capa de electrodo de puerta conductor 761 sobre esta capa aislante adicional 74. Este electrodo de puerta puede constituir la puerta inferior del fototransistor. A continuación, se puede depositar una capa aislante de puerta 742 en la segunda área de manera que cubra tanto la capa de electrodo de puerta conductor 761 como la capa aislante adicional 741. En este caso, la capa aislante de puerta 742 lleva a cabo la misma función que la capa 67 de la figura 6d, y el electrodo de puerta conductor 761 lleva a cabo la misma función que la interconexión conductora 631 de la figura 6d.
A continuación, el material piroeléctrico se puede aplantillar para formar zanjas 731 que se prolongan hacia las interconexiones eléctricas 73 en el sustrato matricial. Estas zanjas 731 pueden tener una forma alargada, y se pueden extender a lo largo de la capa completa de material piroeléctrico 75. Alternativamente, las zanjas pueden presentar un patrón circular o rectangular y pueden rodear o bien la primera área o bien la segunda área en la superficie del sustrato matricial. Alternativamente, las zanjas 731 pueden ser pozos que tengan aproximadamente las mismas dimensiones en el plano xy que la interconexión eléctrica subyacente 73.
Igual que en las figuras 6d a 6e, a continuación se deposita la capa de material bidimensional y la misma se aplantilla tanto en la primera como en la segunda áreas de la superficie horizontal del sustrato matricial, de manera que una primera parte 781 de esta capa cubre una parte de la cimentación del fotodetector térmico y una segunda parte 782 cubre una parte de la cimentación del fotodetector cuántico, tal como ilustra la figura 7b.
Estas dos etapas, aplantillado del material piroeléctrico y deposición y aplantillado del material bidimensional, pueden ser completamente independientes. Alternativamente, en primer lugar se puede depositar una capa de material bidimensional sobre la capa completa de material piroeléctrico 75 en la figura 7a. A continuación, se puede preparar una primera capa de enmascaramiento (no ilustrada) en el material bidimensional y se pueden grabar zanjas 731 a través tanto de la capa de material bidimensional como del material piroeléctrico 75. A continuación, se puede preparar nuevamente un segundo material de enmascaramiento (no ilustrado) sobre la capa de material bidimensional para aplantillar la primera parte 781 y la segunda parte 782.
A continuación, se pueden proporcionar conexiones eléctricas 791 y 792 a la primera y la segunda partes 781 y 782 de la capa bidimensional de la misma manera que en la figura 6f, con la diferencia de que los contactos 791 y 792 ahora se extienden hacia zanjas 731 formadas en el material piroeléctrico de manera que pueden hacer contacto con interconexiones verticales, tales como 732 y 733. Además, puesto que el electrodo de puerta 761 no es, en este caso, en sí, una interconexión vertical como el electrodo 631 de la figura 6f, ahora se debe proporcionar también una conexión eléctrica adicional a la capa de electrodo de puerta 761. Esta conexión eléctrica adicional no se ilustra en la figura 7c, pero se puede encaminar, por ejemplo, en la dirección y hacia una zanja adyacente del material piroeléctrico y una interconexión vertical subyacente.
A continuación, el fotodetector térmico se completa según la manera que se ha descrito anteriormente en referencia a la figura 6g, y el fotodetector cuántico se puede procesar opcionalmente según la manera que se describe más abajo en referencia a la figura 6h.
En el aparato resultante, la capa de material piroeléctrico 75 se extiende horizontalmente también a lo largo de la segunda área 79 de la superficie horizontal del sustrato matricial 71/72, y la cimentación del fotodetector cuántico comprende (i) una capa aislante adicional 741 encima de la capa de material piroeléctrico 75, (ii) una capa de electrodo de puerta conductor 761 encima de la capa aislante adicional y (iii) una capa aislante de puerta 742 encima de la capa de electrodo conductor 761, todas ellas (i a iii) en la segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial.
Procesado opcional
Las eficiencias y sensibilidades espectrales de los fotodetectores cuánticos en el sustrato matricial se pueden mejorar y personalizar adicionalmente con el uso de capas fotoactivas, según se ha descrito anteriormente. En particular, la segunda parte de la capa de material bidimensional en el fotodetector cuántico se puede cubrir con una capa fotoactiva semiconductora.
En la figura 6h, el canal de grafeno 682 en el fotodetector cuántico se ha cubierto con una capa de nanocristales
semiconductores 641 y un electrodo superior 694.
Con frecuencia, es deseable usar múltiples fotodetectores en la misma matriz de fotodetectores, y sensibilizar diferentes fotodetectores cuánticos de la matriz para bandas de longitud de onda independientes. Un conjunto de fotodetectores cuánticos se puede sensibilizar, por ejemplo, para UV, otro conjunto para VIS, otro para SWIR y otro conjunto para MWIR. Las figuras 8a a 8g ilustran un ejemplo de un proceso para sensibilizar fotodetectores cuánticos para longitudes de onda diferentes (puede haber presencia de fotodetectores térmicos en el mismo sustrato matricial, pero los mismos pueden quedar exentos de los procesos ilustrados en las figuras 8a a 8g y, por lo tanto, no se ilustran). Para simplificar, se ilustrarán únicamente dos fotodetectores cuánticos adyacentes sensibilizados para dos bandas de longitud de onda diferentes. El proceso se puede generalizar para números mayores de fotodetectores cuánticos y más bandas de longitud de onda de una manera directa. La figura 8a ilustra un sustrato matricial 82 con dos electrodos de puerta 831 y 832, una capa aislante de puerta 87, que, en este caso, cubre ambos electrodos de puerta, y un primer canal de grafeno 881 y un segundo canal de grafeno 882 en la capa aislante de puerta 87. En la figura 8b, se han depositado contactos de fuente y drenador 891 y 892 en los extremos del primer y del segundo canales de grafeno 881 y 882, respectivamente.
El fotodetector cuántico de la izquierda se sensibilizará para longitudes de onda NIR y SWIR. Por lo tanto, en el sustrato matricial de la figura 8c, se deposita una primera capa de nanocristales de semiconductores 841, por ejemplo mediante recubrimiento por rotación, y la misma se aplantilla en un proceso litográfico en la figura 8d de manera que cubre el primer canal de grafeno 881. El material de la capa 841 puede ser, por ejemplo, puntos cuánticos de PbS coloidales con el pico de absorción en 2000 nm, adecuado para absorber luz en longitudes de onda infrarrojas hasta 2 μm. El fotodetector cuántico de la derecha se sensibilizará para longitudes de onda VIS. A continuación, en el sustrato matricial de la figura 8e se deposita una segunda capa de nanocristales de semiconductores 842. Esta capa se ha aplantillado en la figura 8f en un proceso litográfico de manera que cubre el segundo canal de grafeno 882 y también la primera capa de puntos cuánticos 841. El material de la capa 842 puede ser, por ejemplo, puntos cuánticos de PbS coloidales con el pico de absorción en 750 nm, adecuado para absorber luz en longitudes de onda visibles. A continuación, los fotodetectores cuánticos se pueden encapsular con un encapsulante 87 al menos parcialmente transparente, según se ilustra en la figura 8g, el encapsulante puede ser, por ejemplo, una capa de AhO3.
Como se ilustra en las figuras 8f a 8g, el fotodetector cuántico puede comprender un apilamiento con varias capas de nanocristales semiconductores 841, 842 con diferentes bandas prohibidas, de manera que la capa que es la más cercana a la radiación entrante (en este caso 842) tiene una banda prohibida mayor que las capas situadas debajo. El apilamiento se fabrica protegiendo tanto el primer como el segundo fotodetectores cuánticos con una fotorresina en el proceso de grabado litográfico que produce la estructura mostrada en la figura 8e. En algunos escenarios de fabricación, puede ser aplicable un proceso de aplantillado de lift-off.
Claims (10)
1. Método para preparar una matriz de fotodetectores que comprende un sustrato matricial con una superficie horizontal, y por lo menos un primer sensor y por lo menos un segundo sensor sobre la superficie horizontal del sustrato matricial, en el que dicho por lo menos un primer sensor es sensible a radiación en un primer intervalo de longitudes de onda que comprende por lo menos un infrarrojo de longitud de onda larga, y dicho por lo menos un segundo sensor es sensible a radiación en un segundo intervalo de longitudes de onda que comprende longitudes de onda menores que el infrarrojo de longitud de onda larga, caracterizado por que dicho por lo menos un primer sensor es un fotodetector térmico y dicho por lo menos un segundo sensor es un fotodetector cuántico, y por que el método comprende las siguientes etapas:
a) grabar una cavidad vertical (54, 64) en por lo menos una primera área (58, 78) sobre la superficie horizontal del sustrato matricial,
b) preparar la cimentación del fotodetector térmico en dicha por lo menos una primera área en la superficie horizontal del sustrato matricial, comprendiendo la preparación colocar una capa de material piroeléctrico (55, 65, 75) sobre la cavidad vertical en la primera área, de manera que se extienda horizontalmente a lo largo de la cavidad,
c) preparar la cimentación del fotodetector cuántico en por lo menos una segunda área (59, 69, 79) de la superficie horizontal del sustrato matricial, comprendiendo la preparación la deposición de una o más de las siguientes capas: una capa aislante de puerta (67), una capa semiconductora fotoactiva, una capa de electrodo de puerta conductor,
d) depositar una capa de material laminar bidimensional (68) sobre la superficie horizontal del sustrato matricial de manera que cubra la cimentación del fotodetector térmico por lo menos en una parte de cada primera área de la superficie horizontal del sustrato matricial, y de manera que cubra la cimentación del fotodetector cuántico por lo menos en una parte de cada segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial,
e) aplantillar la capa de material laminar dimensional obteniendo por lo menos dos partes independientes, de manera que una o más primeras partes (681, 781) de la capa de material laminar bidimensional cubran por lo menos una parte de la cimentación del fotodetector térmico, y una o más segundas partes (682, 782) de la capa de material laminar bidimensional cubran por lo menos una parte de la cimentación del fotodetector cuántico,
f) proporcionar unas conexiones eléctricas (691, 692, 791, 792) a cada primera y segunda parte del material laminar bidimensional y depositar sobre cada primera parte de la capa de material bidimensional una capa aislante superior (671) y depositar sobre cada capa aislante superior una capa de electrodo superior (693) que se extiende desde un área de transistor dentro de la primera área a un área adyacente dentro de la primera área, de manera que la capa de electrodo superior esté en contacto directo con la capa de material piroeléctrico en el área adyacente.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que la etapa b) comprende unir un material piroeléctrico en volumen (551) a la superficie horizontal del sustrato matricial, adelgazar el material piroeléctrico en volumen hasta una capa de material piroeléctrico mediante rectificado y pulido mecánico, y aplantillar la capa de material piroeléctrico mediante grabado.
3. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que la etapa b) comprende la deposición de una capa de material piroeléctrico (552) sobre una primera superficie de un sustrato de transferencia (561 / 562), la unión de la primera superficie del sustrato de transferencia a la superficie horizontal del sustrato matricial, la eliminación del sustrato de transferencia mediante pulido o grabado, y aplantillado de la capa de material piroeléctrico mediante grabado.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la etapa c) comprende la deposición de una capa de electrodo conductor en la segunda área, y la deposición de una capa aislante que cubre la capa de electrodo conductor en la segunda área, de manera que la cimentación del fotodetector cuántico comprende una capa de electrodo conductor cubierta por una capa aislante.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el sustrato matricial comprende por lo menos una interconexión conductora vertical (631) en la segunda área, de manera que la interconexión conductora vertical forme una conexión eléctrica entre la superficie horizontal y la circuitería dentro del sustrato matricial, y la etapa c) comprende la deposición de una capa aislante (67) que cubra la interconexión conductora vertical en la segunda área, de manera que la cimentación del fotodetector cuántico comprende una interconexión conductora cubierta por una capa aislante.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la etapa c) comprende la
deposición de una capa semiconductora fotoactiva en la segunda área, de manera que la cimentación del fotodetector cuántico comprenda una capa semiconductora fotoactiva.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que, después de la etapa b), la capa de material piroeléctrico (75) también se extiende a lo largo de dicha por lo menos una segunda área (79), y por que la etapa c) comprende, en primer lugar, la deposición de una capa aislante adicional (741) sobre el material piroeléctrico en dicha por lo menos una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial, a continuación, la deposición de una capa de electrodo de puerta conductor (761) sobre la capa aislante adicional en dicha por lo menos una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial, y, a continuación, la deposición de una capa aislante de puerta (742) sobre la capa de electrodo de puerta conductor en dicha por lo menos una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial, comprendiendo la etapa f) la etapa adicional de proporcionar conexiones eléctricas también a la capa de electrodo de puerta conductor.
8. Matriz de fotodetectores que comprende un sustrato matricial con una superficie horizontal, y por lo menos un primer sensor y por lo menos un segundo sensor en la superficie horizontal del sustrato matricial, en el que dicho por lo menos un primer sensor es sensible a radiación en un primer intervalo de longitudes de onda que comprende longitudes de onda del infrarrojo de longitud de onda larga, y dicho por lo menos un segundo sensor es sensible a radiación en un segundo intervalo de longitudes de onda que comprende longitudes de onda menores que el infrarrojo de longitud de onda larga, caracterizada por que dicho por lo menos un primer sensor es un fotodetector térmico y dicho por lo menos un segundo sensor es un fotodetector cuántico, y por que
- el sustrato matricial comprende una cavidad vertical (54, 64) en una primera área (58, 78) sobre su superficie horizontal,
- el fotodetector térmico comprende una capa de material piroeléctrico (55, 65, 75) que se extiende horizontalmente a lo largo de la cavidad vertical en la primera área, una primera parte (681, 781) de una capa de material laminar bidimensional que cubre por lo menos parcialmente la capa de material piroeléctrico, una o más áreas de contacto eléctrico (691, 791) sobre el sustrato matricial que proporcionan conexiones eléctricas a la primera parte de la capa de material bidimensional, una capa aislante superior (671) sobre la primera parte de la capa de material bidimensional, y una capa de electrodo superior (693) sobre la capa aislante superior, extendiéndose el electrodo superior desde un área de transistor dentro de la primera área a un área adyacente dentro de la primera área, de manera que la capa de electrodo superior esté en contacto directo con la capa de material piroeléctrico en el área adyacente,
- el fotodetector cuántico comprende una cimentación que incluye por lo menos una de las siguientes capas sobre una segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial: una capa aislante de puerta (67), una capa semiconductora fotoactiva, una capa de electrodo de puerta conductor, y el fotodetector cuántico comprende asimismo una segunda parte (682, 782) de la capa de material laminar bidimensional que cubre por lo menos parcialmente la cimentación del fotodetector cuántico, y una o más áreas de contacto eléctrico (692, 792) sobre el sustrato matricial que proporcionan conexiones eléctricas a la segunda parte de la capa de material bidimensional.
9. Matriz de fotodetectores según la reivindicación 8, caracterizada por que el sustrato matricial es un sustrato de CMOS con interconexiones verticales (631, 632, 633) eléctricamente conductoras.
10. Matriz de fotodetectores según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, caracterizado por que la capa de material piroeléctrico (75) también se extiende horizontalmente a lo largo de la segunda área (79) de la superficie horizontal del sustrato matricial, y la cimentación del fotodetector cuántico comprende una capa aislante adicional (741) encima de la capa de material piroeléctrico, la capa de electrodo de puerta conductor (761) encima de la capa aislante adicional y la capa aislante de puerta (742) encima de la capa de electrodo conductor, todas ellas en la segunda área de la superficie horizontal del sustrato matricial.
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