基于石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法及系统技术方案

本公开提供了一种基于石墨烯

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯
‑
CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法及系统


[0001]本公开涉及光电集成
，具体涉及一种基于石墨烯
‑
CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法及系统。

技术介绍

[0002]光电成像是人类在探索和研究光电效应的进程中产生和发展的。利用光电成像技术，人类不仅扩展了视界，同时也观察到了可见光波段之外的景象。以红外成像为例，目前已经广泛用于夜视技术，如夜间监控、夜间野外探测以及夜间导航等，同时在军事上也用于军事制导，在航空、航天以及医学成像方面也有长足的发展。成像的基础是光电的转化，其核心器件也就是探测器。目前的发展中，从紫外至毫米波都有对应的探测器的研究，每种探测器也都会根据不同波长选择不同的材料，为了满足更进一步的应用要求更有宽光谱的探测器问世。我们注意到目前的宽光谱探测器材料主要以MCT以及III
‑
V族材料为主，这些材料的探测器发展至今已经有比较成熟的工艺，精度也高；但是以这些材料为基础的探测器需要制冷，其探测器工艺与目前的成熟CMOS工艺不兼容，导致其成像芯片价格昂贵，无法大面积的推广，且受限于其封装工艺导致没有超大规模的成像芯片问世。
[0003]在探索常温的宽光谱探测器的过程中我们注意到石墨烯这种材料，石墨烯发现于2004年，最早由机械剥离的方式得到。这是一种零带隙的二维半导体材料，有着超高的载流子迁移率，机械强度高，具有极好的光学、热学以及电学特性。与此同时，集成电路在摩尔定律提出的50多年里一直发展，至今已经有及其成熟的工艺。在进一步的探索中我们发现以石墨烯为基础的探测器阵列与CMOS工艺是相互兼容的。
[0004]单像素成像由美国莱斯大学率先提出，经过若干年的发展被广泛用于鬼成像与压缩感知。在传统的阵列成像中需要进行每个像素点的采样，但是在后续的传输过程会对数据进行摘取和压缩，这样就会导致采样数据冗余。压缩感知恰好可以解决这种冗余，并且由于单像素成像只用了一个像素单元，可以避免阵列成像中的像元不均匀性，结构简单。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]针对上述问题，本公开提供了一种基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法及系统，用于至少部分解决传统探测器工艺与目前的成熟CMOS工艺不兼容等技术问题。
[0007](二)技术方案
[0008]本公开一方面提供了一种基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法，包括：S1，在CMOS集成电路表面沉积隔离层；S2，在隔离层中刻蚀通孔，填充金属；S3，在隔离层表面溅射金属镍层；S4，在金属镍层的表面等离子增强化学气相淀积石墨烯；S5，腐蚀去除金属镍层；S6，制备电极，得到基于石墨烯
‑
CMOS单片集成的探测器芯片。
[0009]进一步地，包括：S7，热注入生长量子点，在探测器芯片表面层层自组装沉积量子
点薄膜，探测器芯片表面包括电极、石墨烯的表面。
[0010]进一步地，S2包括：紫外光刻和干法刻蚀在隔离层中刻蚀通孔，磁控溅射金属作为连接层。
[0011]进一步地，S4包括：生长气体为CH4∶H2＝1∶8～1∶12，真空度为10mbar～25mbar，等离子体采用10kHz～20kHz射频等离子体，在金属镍层的表面等离子增强化学气相淀积石墨烯。
[0012]进一步地，S5包括：旋涂PMMA后烘干，使用硫酸铜和盐酸的混合液进行金属腐蚀，去离子水冲洗，风干后使PMMA玻璃化，随后用丙酮去除PMMA。
[0013]进一步地，量子点为PbS，S7中热注入生长量子点包括：分别将硫源、PbO溶于有机溶剂中，配成溶液A和溶液B；将溶液B加热到120～180℃后，将溶液A迅速注入到B中进行反应；停止加热，等待溶液逐步降温至室温；离心提纯，将离心产物分散于非极性有机溶剂中，完成PbS量子点的制备。
[0014]进一步地，在探测器芯片表面层层自组装沉积量子点薄膜包括：滴取量子点溶液；待表面干燥后滴取乙二硫醇溶液，启动匀胶机进行配体置换；重复上述步骤至少一次，待表面干燥后使用非极性有机溶剂和乙腈进行清洗。
[0015]进一步地，S1～S7步骤的温度不超过400℃。
[0016]本公开还有一方面提供了一种基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的红外成像系统，包括：宽光谱光源，光谱范围为760nm～2000nm，用于照射待成像物体；第一透镜，用于将待成像物体反射的光汇聚到数字微镜器件上；数字微镜器件，用于将第一透镜的光进行光路调制；第二透镜，用于将调制后的光汇聚到探测器芯片，探测器芯片是根据前述基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法得到的基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片；数据采集卡，用于对探测器芯片进行数据采集和转换。
[0017]进一步地，数据采集卡还用于配合测量矩阵导入恢复算法，实现单像素成像。
[0018](三)有益效果
[0019]本公开的基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法及系统，采用低温石墨烯生长技术，可以实现直接在IC芯片上生长石墨烯，避免了常规湿法转移对石墨烯的破坏和性能影响，实现了石墨烯与CMOS电路的光电集成；以石墨烯
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CMOS单片集成芯片为基础，设计的单像素成像系统成本低，可以实现多光谱探测成像，避免了阵列成像的像元不均匀性，是现有红外成像领域技术难点的一个有效解决方案。
附图说明
[0020]图1示意性示出了根据本公开实施例中基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法的流程图；
[0021]图2示意性示出了根据本公开实施例中基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的红外成像系统的光路设计；
[0022]图3示意性示出了根据本公开实施例中单像素成像系统成像流程图；
[0023]图4示意性示出了根据本公开实施例中基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的工艺流程图；
[0024]图5示意性示出了根据本公开实施例中石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的结
构示意图；
[0025]图6示意性示出了根据本公开实施例中导入计算机中的一个测量矩阵；
[0026]图7示意性示出了根据本公开实施例中不同采样率下的图像还原。
[0027]附图标号说明：
[0028]21：宽光谱光源；
[0029]22：待成像物体；
[0030]23：第一透镜；
[0031]24：数字微镜器件；
[0032]25：第二透镜；
[0033]26：探测器芯片；
[0034]27：数据采集卡；
[0035]28：电脑；
[0036]51：量子点薄膜；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法，其特征在于，包括：S1，在CMOS集成电路表面沉积隔离层；S2，在所述隔离层中刻蚀通孔，填充金属；S3，在所述隔离层表面溅射金属镍层；S4，在所述金属镍层的表面等离子增强化学气相淀积石墨烯；S5，腐蚀去除所述金属镍层；S6，制备电极，得到所述基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法，其特征在于，包括：S7，热注入生长量子点，在所述探测器芯片表面层层自组装沉积量子点薄膜，所述探测器芯片表面包括所述电极、所述石墨烯的表面。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述S2包括：紫外光刻和干法刻蚀在所述隔离层中刻蚀通孔，磁控溅射金属作为连接层。4.根据权利要求1所述的基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述S4包括：生长气体为CH4∶H2＝1∶8～1∶12，真空度为10mbar～25mbar，等离子体采用10kHz～20kHz射频等离子体，在所述金属镍层的表面等离子增强化学气相淀积石墨烯。5.根据权利要求1所述的基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述S5包括：旋涂PMMA后烘干，使用硫酸铜和盐酸的混合液进行金属腐蚀，去离子水冲洗，风干后使所述PMMA玻璃化，随后用丙酮去除所述PMMA。6.根据权利要求2所述的基于石墨烯
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CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法，其特征在于，所述量子点为P...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄北举，陈润，程传同，张恒杰，张欢，黄宇龙，陈弘达，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：