硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器，包括硅衬底，其表面刻蚀形成硅柱增强区并生长绝缘氧化层，其上水平设置二维材料薄膜作为读出层，读出层两端设置源极、漏极，硅衬底的下表面为多层石墨烯，可与衬底形成异质结，以增强红外波段的吸收，最底部设有背栅。光入射后在硅柱之间多次反射叠加并产生等离激元共振，增强对光的吸收和响应，氧化层可以减小对紫外光的反射，硅衬底和底部异质结吸收光并产生光生载流子，二维材料薄膜进行电容耦合输出光电流，并且可以通过背栅电压对光电流进行易失性存储。本发明专利技术可有效增强对紫外至红外波段入射光的光电转换效率，实现CMOS兼容的异质集成宽光谱探测。CMOS兼容的异质集成宽光谱探测。CMOS兼容的异质集成宽光谱探测。

【技术实现步骤摘要】
硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器


[0001]本专利技术属于图像传感器
，涉及图像传感器器件结构，尤其涉及一种硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器。

技术介绍

[0002]在图像传感器领域，电荷耦合器件(CCD)图像传感器可以将输入光信号转换成电荷信号，并进行存储和传输，其结构简单，集成度高，具有良好的感光效率和成像品质，CCD阵列是数码相机、图像采集的关键组成部分，模拟电压信号经过模数转换之后进入CPU处理，即可得到电子照片。但由于硅材料带隙较宽，传统CCD的光电转换效率和光谱响应范围有限。
[0003]二维材料薄膜由单层或少数层原子或者分子层组成，其表面自然钝化，没有悬垂的化学键，不同的材料之间存在范德华相互作用力，因此可以相互叠加，不受晶格匹配的限制，可以制备出无应变失配的异质结器件。
[0004]石墨烯是六角形结构的二维零带隙材料。石墨烯带隙较窄，因此具有非常宽的光吸收谱(紫外到红外)，同时由于其高透明度、高电导率、优秀的机械和化学稳定性等优势，以石墨烯为代表的二维材料已经被广泛的应用于各类光电探测器的研究。另外，石墨烯等二维材料可以通过化学气相沉积的方法实现大面积、可控的制备，因此可以与CMOS工艺兼容，进行大规模工业生产和应用。
[0005]表面微结构可以在纳米尺度上操纵光路，因此已经被用于小尺寸、高性能的光电探测器中，以引发等离激元共振从而提高光吸收能力。但微结构常用的材料多为贵金属，成本高昂，不适合大规模应用。而通过硅材料本身的微结构增强光响应，可以极大地降低成本和集成难度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有光电探测器件的不足，提出一种硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器，包括硅衬底，所述硅衬底的上表面刻蚀形成硅柱增强区，之后生长绝缘氧化层，在所述绝缘氧化层上水平设置二维材料薄膜作为读出层，所述二维材料读出层的两端分别设置源极、漏极，所述硅衬底的下表面为多层石墨烯，可与硅衬底形成异质结，所述多层石墨烯底部设有背栅。
[0008]进一步地，所述二维材料薄膜一般选择迁移率较高的材料，可以为石墨烯、PtSe2、MoS2或MXene中的一种，厚度小于20nm。
[0009]进一步地，所述硅衬底为轻掺杂硅衬底，掺杂浓度为10
11
cm
‑3～10
12
cm
‑3。
[0010]进一步地，所述硅衬底的上表面经过刻蚀形成若干硅柱，能够增大硅与光的相互作用面积，并使光线在硅柱之间多次反射叠加，并激发等离激元共振，使局部电场增强，最
终大幅度提升探测器对入射光的吸收，从而提高响应度。所述硅柱的直径为100nm～500nm，高度为400nm～600nm，生长绝缘氧化层后相邻硅柱间距为100～600nm。
[0011]进一步地，所述硅柱的刻蚀，由纳米小球作为掩膜，以获得比光刻更高的精度。首先用BOE溶液将硅衬底表面的氧化层去除，并用溶液法将纳米小球均匀滴涂在衬底表面，晾干后进行感应耦合等离子体(ICP)刻蚀，形成圆柱形硅柱，其直径与纳米小球直径相同，一般选择百纳米尺寸级别的小球。
[0012]进一步地，所述硅柱刻蚀后需经干氧化过程在表面生长绝缘氧化层，其材料为二氧化硅，可以减少紫外光的反射率，提高紫外波段入射光的透射率，可以通过控制氧化时间从而控制绝缘氧化层的厚度在50nm～150nm范围内。硅柱刻蚀后表面存在大量缺陷，若将硅柱与二维材料直接接触形成肖特基光电二极管，器件的暗电流和噪声将较大，且稳定性较差，而氧化的过程可以去除硅柱表面的大部分缺陷，极大地提高了器件的稳定性。氧化层同时也作为电荷电容耦合的介质层，将光吸收区域和读出层分离。
[0013]进一步地，所述多层石墨烯与硅衬底接触形成肖特基结，可以提高红外波段的吸收能力。
[0014]进一步地，所述源极和漏极所用材料为铝、银、金、钛、铬或铜中的一种或多种组合；所述背栅所用材料为镓铟合金。
[0015]进一步地，所述二维材料薄膜、绝缘氧化层、具有硅柱的硅衬底形成MOS电容结构；所述二维材料薄膜作为电荷耦合读出层；所述硅衬底与其底部多层石墨烯共同作为光吸收区域。
[0016]进一步地，该光电探测器的工作原理如下：
[0017](1)当光电探测器工作时，在背栅和源极之间施加一个脉冲栅压Vgs，电压极性由硅衬底的导电类型决定，即n型衬底加正电压、p型衬底加负电压，栅压会驱动硅衬底进入深耗尽状态；
[0018](2)当入射光从顶部入射到器件上时，首先穿透过二维材料薄膜和绝缘氧化层，在硅柱之间多次反射叠加，激发等离激元共振和局部场增强后，进入硅衬底的耗尽区，耗尽区吸收光子产生电子空穴对，底部异质结增强红外光的吸收，产生光生电子空穴对，在背栅电场的作用下分离，少数载流子被储存在深耗尽势阱中；选择合适厚度的绝缘氧化层，以使紫外光尽可能多地进入衬底中。不同高度、直径和间距的硅柱可以增强不同波长入射光的吸收率；
[0019](3)在漏极与源极之间施加固定的偏置电压，深耗尽势阱中积累的电荷使二维材料薄膜耦合出等量极性相反的电荷，改变其电导率，则光线入射前后的电流存在一定差异，通过读出源漏之间的电流变化即可获得入射光线的强度信息。
[0020]进一步地，所述光电探测器在栅压的作用下存在易失性存储特性，且读出过程属于高速、非破坏读出，器件可以完成感知、存储和计算的任务。具体为：若栅压保持不变，二维材料薄膜的电导率同样维持不变，光电流信息(即入射光强度信息)可以在二维材料薄膜中存储，直到撤去栅压，因此器件存在易失性存储特性。由于读出层和光吸收区域是分离的，因此读出过程属于高速、非破坏读出。其光电流可以由下式描述：
[0021][0022]其中V
DS
为漏极和源极之间的电压，V
GS
为背栅和源极之间的电压，R0为沟道原始电阻值，W、L为沟道的宽度和长度，P
n
为第n次曝光时入射光功率，t
n
为第n次曝光的时长，K为比例常数，与探测器光电转换效率和V
GS
有关。可以看到，在光线多次入射时，读出层的电流会分段线性下降，其斜率的绝对值与入射光强成正相关，相当于将几次入射光的信息进行了权重乘法和加法计算。并且所述光电探测器可以对单个像素进行读出，结合了CCD图像传感器的高信噪比和CMOS图像传感器的随机窗口读取能力。因此，器件同时具有感知、存储和计算功能，具有感存算一体的应用潜力。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0024](1)本专利技术中，硅材料本身可以吸收可见光，而二维材料读出层透过率高，对入射光线几乎没有衰减。特殊选择的绝缘氧化层厚度可以增加紫外光的透射率，底部硅衬底与多层石墨烯形成的异质结可以提高对红外光线响应效率，大幅拓宽了传统硅基光电探测器的响应光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器，其特征在于，包括硅衬底6，所述硅衬底6的上表面刻蚀形成硅柱增强区5，之后生长绝缘氧化层4，在所述绝缘氧化层4上水平设置二维材料薄膜3作为读出层，所述二维材料读出层3的两端分别设置源极1、漏极2，所述硅衬底6的下表面为多层石墨烯7，可与硅衬底6形成异质结，所述多层石墨烯7底部设有背栅8。2.根据权利要求1所述的硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器，其特征在于，所述硅衬底6为轻掺杂硅衬底，掺杂浓度为10
11
cm
‑3～10
12
cm
‑3。3.根据权利要求1所述的硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器，其特征在于，所述二维材料薄膜3可以为石墨烯、PtSe2、MoS2或MXene中的一种，厚度小于20nm。4.根据权利要求1所述的硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器，其特征在于，所述硅衬底6的上表面经过刻蚀形成若干硅柱，能够增大硅与光的相互作用面积，并使光线在硅柱之间多次反射叠加，并激发等离激元共振，使局部电场增强，最终大幅度提升探测器对入射光的吸收，从而提高响应度。所述硅柱的直径为100nm～500nm，高度为400nm～600nm，生长绝缘氧化层4后相邻硅柱间距为100～600nm。5.根据权利要求1所述的硅柱增强型硅基二维材料电荷耦合光电探测器，其特征在于，所述硅柱增强区5与二维材料薄膜3存在绝缘氧化层4，所述绝缘氧化层4为干氧化生成的二氧化硅，生长温度为900...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐杨，马源，张致翔，李宗文，谢云斐，何有水，俞滨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：