二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法技术

本发明专利技术提供一种二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法，所述二维材料柔性衬底结构包括：支撑衬底；二维材料层，位于所述支撑衬底表面；图形化柔性衬底，位于所述二维材料层表面；所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。本发明专利技术的二维材料柔性衬底结构将图形化柔性衬底与二维材料层相结合，图形化柔性衬底与二维材料层界面的范德瓦尔斯键大大削弱了上下原子之间的吸引力，界面处形成的范德瓦尔斯力的强度远远小于共价键键能，图形化柔性衬底可以完全自我调节应变吸纳和释放应力，可以最大程度消除或降低穿透位错等晶格结构缺陷，具有很大的绝对柔性度。

【技术实现步骤摘要】
二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法
本专利技术属于半导体
，涉及一种二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法。
技术介绍
短波红外(SWIR，1-3微米)InGaAs焦平面探测器阵列可以满足“全天时、多天候”的应用需求，在情报侦察识别、军用夜视、光电对抗和激光制导等军事装备领域以及在安全检测、防火预警、工业检测和驾驶视觉增强等民用领域具有广泛并且重要应用价值1-3。InGaAs材料量子效率高，材料稳定性好，能在室温工作，在相同短波红外波段器件性能超越了碲镉汞器件。InGaAs探测器成像对比度高，目标细节清晰，在目标识别方面具有高识别度。由于InGaAs吸收相应光谱和夜间大气辉光辐亮度波段完美匹配，在微光夜视具有得天独厚优势，比传统技术获得更为丰富的目标成像信息。短波红外受大气散射作用小，透雾霾、烟尘等大气障碍能力与热红外相似，但不存在热成像受环境热交叉的制约，成像更加清晰。另外，短红外InGaAs焦平面探测器还可以匹配1.06微米和1.5x微米军用激光实现隐秘的主动成像技术用于光电对抗和光电制导。短波红外目前主要采用InP基与衬底匹配的In0.53Ga0.47As材料，其吸收波长范围在0.9-1.7微米，通过采用衬底减薄到0.2微米，其探测波长低限可延伸至可见光区域，在0.7，0.5和0.3微米对应量子效率分别为50％，20％和10％。经过20多年从原型器件到产品的发展，美国FLIR和SUI已经实现1920x1280面阵，预计未来五年面阵尺寸可达到2560x2048。通过增加InGaAs材料中In的含量，吸收波长理论上可以达到2.5微米(铟组分0.82)和3.5微米(InAs)，这种拓展波长InGaAs探测器主要用于航天遥感和满足多谱成像。但受制于衬底限制，高铟组分InGaAs随着铟浓度增大材料性能急剧下降，目前仅有中国台湾CLPT开发了截至波长为2.2微米的320x256阵列产品，在253K制冷条件下峰值探测率在1x1012Jones水平，比截止波长在1.7微米的In0.53Ga0.47As探测器室温最好峰值探测率低了两个数量级。从原理上讲，当异质外延材料与衬底晶格常数不匹配时，外延材料存在一个临界厚度，在小于临界厚度以内，外延异质材料可以实现完全应变没有晶格缺陷。根据Matthews模型4，对于InP衬底上外延生长InxGa1-xAs材料，临界厚度，hc，与晶格失配，f，存在如下关系：hc＝A[ln(hc/b)+1]/f(1)其中b是Burgers矢量，A是常数。当晶格失配大于0.5％时，临界厚度只有纳米量级，而普通探测器吸收层厚度在微米量级，当外延材料大于临界厚度时，会产生大量失配和穿透位错，这些位错导致严重的暗电流使探测器性能急剧下降。吸收波长达到2.5微米(铟组分0.82)和3.5微米(InAs)时InGaAs相对于InP失配度分别为2％和3.2％。目前InP基拓展InGaAs波长探测器一般的思路是采用异变缓冲层，即在InP衬底和高铟组分InGaAs吸收层之间外延生长铟组分递变的异变缓冲层，这种缓冲层能够将穿透位错弯曲从而起到抑制穿透位错密度的作用，但即使通过这种方法，穿透位错密度还在106cm-2左右，比InP衬底位错密度高出四个量级，相应的InGaAs探测器暗电流还是很高，探测率低。柔性衬底是Y.H.Lo于1991年提出的另一种解决衬底失配的外延技术6。其原理见图5。在一个能自由延伸的薄虚拟衬底上生长与虚拟衬底晶格失配的外延材料，其弹性应变由虚拟衬底和外延材料共同分担，当外延材料厚度超过临界厚度并且该厚度远大于虚拟衬底厚度时，释放应力的位错形成于虚拟衬底的下表面并滑移至界面形成失配位错，失配位错两端的穿透位错出现在虚拟衬底而不是外延材料里。薄虚拟衬底一般通过将外延生长的虚拟材料键合到支撑衬底然后采用选择性腐蚀去除外延衬底来实现，用这种方法已经成功实现GaAs基上晶格失配达14.6％的高质量InSb柔性衬底及其上面的外延材料。但是键合面上存在的悬挂键会阻碍柔性衬底的自由延伸，只有横向尺寸小的柔性衬底才能完全实现自由延伸，如果尺寸太大，会产生表面皱褶或其他晶格缺陷。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法，用于解决现有技术中的的大面阵光探测器遇到的晶格失配这一外延生长技术瓶颈，以及采用常规手段制备的柔性衬底无法完全吸纳和释放应力，不能满足绝对柔性度的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种二维材料柔性衬底结构，所述二维材料柔性衬底结构包括：支撑衬底；二维材料层，位于所述支撑衬底表面；图形化柔性衬底，位于所述二维材料层表面；所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。作为本专利技术的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述二维材料层为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、锡烯层、BN层、MoS2层、WS2层或GaSe层。作为本专利技术的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述图形化柔性衬底的厚度小于或等于50nm。作为本专利技术的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述图形单元在所述二维材料层表面呈周期性分布。作为本专利技术的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述图形单元的横向尺寸为0.1μm～100μm。本专利技术还提供一种二维材料柔性衬底结构的制作方法，所述二维材料柔性衬底结构的制作方法包括以下步骤：1)提供一种支撑衬底；2)在所述支撑衬底的表面形成二维材料层；3)在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底，所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。作为本专利技术的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤2)中，所述二维材料层为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、锡烯层、BN层、MoS2层、WS2层或GaSe层。作为本专利技术的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤3)中，在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底包括以下步骤：3-1)提供一种生长衬底；3-2)在所述生长衬底上形成缓冲层；3-3)在所述缓冲层上形成牺牲层；3-4)在所述牺牲层上形成柔性衬底材料层；3-5)将所述柔性衬底材料层进行图形化处理，以得到所述图形化柔性衬底；3-6)将步骤3-5)得到的结构键合至所述二维材料层的表面，所述图形化柔性衬底的表面为键合面；3-7)将所述图形化柔性衬底与所述牺牲层相分离，将所述图形化柔性衬底转移至所述二维材料层的表面。作为本专利技术的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤3-5)与步骤3-6)之间，还包括对所述图形化柔性衬底的表面进行钝化处理的步骤。作为本专利技术的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤3)中，在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底包括以下步骤：3-1)提供一种生长衬底；3-2)在所述生长衬底上形成缓冲层；3-3)在所述缓冲层上形成牺牲层；3-4)在所述牺牲层上形成柔性衬底材料层；3-5)将步骤3-4)得到的结构键合至所述二维材料层的表面，所述柔性衬底材料层的表面为键合面；3-6)将所述柔性衬底材料层与所述牺牲层相分离，将所述柔性衬底材料层转移至所述二维材料层的表面；3-7)将转移至所述二维材料层表面的所述柔性衬底材料层进行图形化处理，以得到所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维材料柔性衬底结构，其特征在于，包括：支撑衬底；二维材料层，位于所述支撑衬底表面；图形化柔性衬底，位于所述二维材料层表面；所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。

【技术特征摘要】
1.一种二维材料柔性衬底结构，其特征在于，包括：支撑衬底；二维材料层，位于所述支撑衬底表面；图形化柔性衬底，位于所述二维材料层表面；所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。2.根据权利要求1所述的二维材料柔性衬底结构，其特征在于：所述二维材料层为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、锡烯层、BN层、MoS2层、WS2层或GaSe层。3.根据权利要求1所述的二维材料柔性衬底结构，其特征在于：所述图形化柔性衬底的厚度小于或等于50nm。4.根据权利要求1所述的二维材料柔性衬底结构，其特征在于：所述图形单元在所述二维材料层表面呈周期性分布。5.根据权利要求1所述的二维材料柔性衬底结构，其特征在于：所述图形单元的横向尺寸为0.1μm～100μm。6.一种二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：1)提供一种支撑衬底；2)在所述支撑衬底的表面形成二维材料层；3)在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底，所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。7.根据权利要求6所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：在步骤2)中，所述二维材料层为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、锡烯层、BN层、MoS2层、WS2层或GaSe层。8.根据权利要求6所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：在步骤3)中，在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底包括以下步骤：3-1)提供一种生长衬底；3-2)在所述生长衬底上形成缓冲层；3-3)在所述缓冲层上形成牺牲层；3-4)在所述牺牲层上形成柔性衬底材料层；3-5)将所述柔性衬底材料层进行图形化处理，以得到所述图形化柔性衬底；3-6)将步骤3-5)得到的结构键合至所述二维材料层的表面，所述图形化柔性衬底的表面为键合面；3-7...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庶民，
申请(专利权)人：超晶科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11