硅基石墨烯光电二极管阵列及其CMOS集成方法

硅基石墨烯光电二极管阵列及其cmos集成方法
技术领域
1.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，尤其涉及一种硅基石墨烯光电二极管阵列及其cmos(互补金属氧化物半导体)集成方法。


背景技术：

2.光电探测器能感应光线，并转换出模拟信号电流，经过信号处理就可以实现图像的获取、传输和处理。光电探测器具有良好的感光效率和极高的成像品质，在高端成像化学材料分析、医疗卫生、空间技术等领域具有广泛的用途。目前主流的光电探测器制造技术主要基于传统的硅基cmos工艺，具有成本低、集成密度高、兼容性好等优势。传统的硅基cmos工艺在次10纳米技术节点正逐渐接近其性能极限，后续由于来自物理定律和制造成本的限制，性能难以继续提升。因此，需要开发新型材料的cmos集成方法，在光电探测器领域有利于拓宽光谱响应范围、提高成像质量以及拓展应用场景。
3.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10-6
ω
·
cm。石墨烯可以作为透明导电薄膜，提高器件吸收光能力的同时加快信号转移输出的速率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硅基石墨烯光电二极管阵列及其cmos集成方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种硅基石墨烯光电二极管阵列，由下至上依次包括p型半导体硅衬底、二氧化硅层、透明隔离保护层；
6.所述p型半导体硅衬底上形成阵列排布的n阱，每个n阱配置一个通过欧姆接触连接的硅基石墨烯cmos读出电路；
7.所述二氧化硅层开有与所述n阱对应的硅窗口和与所述硅基石墨烯cmos读出电路对应的硅通孔；
8.所述硅通孔上端设有范围大于所述硅通孔的金属电极，所述硅基石墨烯cmos读出电路通过所述硅通孔与所述金属电极电连接；
9.所述硅窗口上覆盖与所述n阱接触的单层石墨烯薄膜，所述单层石墨烯薄膜范围大于所述硅窗口，且一端搭接在所述二氧化硅层上，另一端搭接在所述金属电极上，形成一个光电二极管的像素单元；
10.各像素单元间通过隔离阱进行串扰隔离。
11.进一步地，所述n阱由p型半导体硅衬底的上表面进行掺杂形成，掺杂深度为10μm～15μm。
12.进一步地，所述隔离阱通过在p型半导体硅衬底上沉积出氮化硅层，利用氮化硅掩
膜经过沉积、图形化、刻蚀硅后形成槽，并在槽中填充沉积氧化物而形成，用于像素单元间的隔离，厚度为5μm～20μm；所述欧姆接触为重掺杂n型硅，掺杂浓度为10
18
cm-3
～10
19
cm-3
，掺杂深度为1～5μm。
13.进一步地，所述二氧化硅层通过locos工艺进行硅的选择氧化和图形化，厚度为5nm～20nm。
14.进一步地，所述硅基石墨烯cmos读出电路由栅压输入电路、跨阻放大器、采样放大器和模数转换器adc组成；所述栅压输入电路与欧姆接触连通；所述跨阻放大器的输入端与金属电极连通，输出端依次连接采样放大器、模数转换器。
15.进一步地，所述金属电极均为金属薄膜电极，材料为铬金合金，厚度为60nm～100nm。
16.进一步地，所述透明隔离保护层为聚酰亚胺、硅胶以及环氧树脂进行封装，起到保护作用。
17.进一步地，单层石墨烯薄膜与n阱接触形成内建电场，在栅压输入电路施加反向偏压时，在可见及近红外波段情况下，由n阱吸收并产生的光生载流子在内建电场和外加电场作用下分离，形成光电流；在短波红外和中红外波段情况下，由单层石墨烯薄膜吸收并产生光生载流子，能量高于石墨烯硅势垒高度的光生电子，越过势垒到n阱中，形成光电流。
18.本技术的硅基石墨烯光电二极管阵列工作原理如下：
19.开启栅压输入电路，在脉冲栅压时序运行过程中，每个光电二极管的输出信号由跨阻放大器进行电流电压转换，并输入至采样放大器，采样放大器在固定时序的作用下，依次在读出光电流前选取一个初始位置并采样该位置的电流i1，再对工作中的光电流i2进行采样，将两个采样值相减得到最后的输出i＝i
2-i1，输出信号进入模数转换器完成模数转换，然后硅基石墨烯cmos读出电路自动复位。
20.本发明具有以下有益效果：
21.1.本发明提出一种新的cmos集成方法，使石墨烯加入传统的硅基生产工艺，有效的拓宽光电探测器的光谱响应范围，提高其成像质量。
22.2.本发明使用石墨烯替代传统光电二极管中的金属层，极大地提高了光线的入射效率。且石墨烯制备工艺成熟，造价相对较低，易于制备生产。
23.3.本发明使用石墨烯作为红外光的吸收层，进一步提高器件在红外波段的响应度。
24.4.本发明采用选列顺序读出，时序简单，有效降低读出电路中复位噪声。
25.5.本发明在像素点间采用隔离阱工艺，实现小尺寸阵列的低串扰效应。
附图说明
26.图1为本发明硅基石墨烯光电二极管阵列的结构示意图，其中，p型半导体硅衬底1、n阱2、欧姆接触3、二氧化硅层4、金属电极5、单层石墨烯薄膜6、透明隔离保护层7、硅基石墨烯cmos读出电路8、隔离阱13；
27.图2为本发明硅基石墨烯光电二极管阵列单像素电路图，其中，欧姆接触3、金属电极5、硅基石墨烯cmos读出电路8、栅压输入电路9、跨阻放大器10、采样放大器11、模数转换器12；
28.图3为本发明实施例提供的硅基石墨烯光电二极管阵列成像效果图。
具体实施方式
29.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。
30.如图1所示，本发明提供的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，由下至上依次包括p型半导体硅衬底1、二氧化硅层4、透明隔离保护层7；所述p型半导体硅衬底1上形成阵列排布的n阱2，每个n阱2配置一个通过欧姆接触3连接的硅基石墨烯cmos读出电路8；所述二氧化硅层4开有与所述n阱2对应的硅窗口和与所述硅基石墨烯cmos读出电路8对应的硅通孔；所述硅通孔上端设有范围大于所述硅通孔的金属电极5，所述硅基石墨烯cmos读出电路8通过所述硅通孔与所述金属电极5电连接；所述硅窗口上覆盖与所述n阱2接触的单层石墨烯薄膜6，所述单层石墨烯薄膜6范围大于所述硅窗口，且一端搭接在所述二氧化硅层4上，另一端搭接在所述金属电极5上，形成一个光电二极管的像素单元；各像素单元间通过隔离阱13进行串扰隔离。
31.如图2所示，本发明提供的一种硅基石墨烯光电二极管阵列中，硅基石墨烯cmos读出电路8由栅压输入电路9、跨阻放大器10、采样放大器11和模数转换器12组成；所述栅压输入电路9与所述欧姆接触3连通；所述跨阻放大器10的输入端与所述金属电极5连通，输出端依次连接采样放大器11、模数转换器12。
32.由单层石墨烯薄膜6与n阱2形成的光电二极管的输出信号输入到硅基石墨烯cmos读出电路8中；开启栅压输入电路9，在脉冲栅压时序运行过程中，每个光电二极管的输出信号由跨阻放大器10进行电流电压转换，并输入至采样放大器11，采样放大器11在固定时序的作用下，依次在读出光电流前选取一个初始位置并采样该位置的电流i1，再对工作中的光电流i2进行采样，将两个采样值相减得到最后的输出i＝i
2-i1，输出信号进入模数转换器12完成模数转换，然后硅基石墨烯cmos读出电路8自动复位。
33.如图3所示，器件在通过选列程序进行成像实验，在可见光及红外光下，成像清晰。
34.本发明实施例还提供一种制备上述硅基石墨烯光电二极管阵列的方法，包括以下步骤：
35.(1)取用电阻率为1～10ω
·
cm的p型半导体硅衬底，在硅衬底的上表面进行掺杂，掺杂类型与硅片本身相反，掺杂深度为10μm～15μm，掺杂后得到n阱；
36.(2)在掺杂好的硅片的上表面制备硅基石墨烯cmos读出电路、欧姆接触和隔离阱，并让三者相连。其中隔离阱厚度为5μm～20μm；
37.(3)在掺杂好的硅片的上表面生长二氧化硅层，二氧化硅层的厚度为5nm～20nm；
38.(4)在二氧化硅层表面使用光刻技术制作出像素电极图形并保留通孔图形，然后采用电子束蒸发或热蒸发技术，首先生长厚度约为5～15nm的铬黏附层，然后生长55～85nm的金层作为电极；
39.(5)对二氧化硅表面进行二次光刻，用光刻胶定义所需硅窗口图形的区域；接着使用boe刻蚀液刻蚀二氧化硅图案，使二氧化硅中形成露出n阱的窗口；
40.(6)在像素电极、硅窗口和二氧化硅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硅窗口，且一端搭接在二氧化硅层上，另一端搭接在金属电极上；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；
41.(7)对器件进行三次光刻，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；
42.(8)使用聚酰亚胺、硅胶以及环氧树脂作为透明隔离保护层进行封装，起到保护作用。
43.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。