[發明專利]一種基于集成電路工藝的石墨烯紅外探測器制備方法

有效

• 申請號: 201811029758.2
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN109119507B
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 閆鋒;羅明成;紀小麗;王肖沐;徐挺
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/18
• 代理公司: 江蘇法德東恒律師事務所 32305
• 代理人: 胡玲

本發明一種基于集成電路工藝的石墨烯紅外探測器制備方法。該方法包括如下步驟：1)利用集成電路工藝形成SiO₂/Si襯底；2)通過后CMOS工藝形成石墨烯單元像素襯底；3)將步驟2)的石墨烯單元像素襯底轉移到步驟1)的SiO₂/Si襯底上。本發明利用集成電路工藝生長的SiO₂和Si材料具有極高的材料質量和極少的SiO₂/Si界面缺陷，該制備工藝與標準集成電路工藝兼容，降低了探測器的制造成本，提升了探測器的性能和可靠性。

技術領域

本發明涉及光電探測技術領域，涉及光電探測器結構，尤其涉及一種基于基于集成電路工藝的石墨烯紅外探測器制備方法。

背景技術

紅外探測在軍事、氣象、地球環境、農業、醫學等方面有著廣泛的應用前景。紅外探測器作為紅外探測技術的核心器件，一直受到科學界和業界廣泛關注和研究。常用的紅外探測器從探測器機理上可分為熱敏型和光子型紅外探測器。熱敏型探測器由于室溫工作，是民用領域使用最廣泛的紅外探測器。這類探測器在吸收紅外輻射后，自身溫度會發生變化，引起探測材料某一物理屬性發生變化，通過讀取這一變化達到探測紅外目的。但探測器加熱和冷卻是一個緩慢的過程，因而這類熱探測器的響應速度慢，響應時間大約為毫秒級。光子型紅外探測器是依賴材料內部電子直接吸收入射紅外輻射，具有響應速度快、體積小、可靠性高和適應能力強等優點，但這類探測器在室溫附件存在較大暗電流，降低了器件響應性能，因此大部分光子型紅外探測器，如基于碲鎘汞，量子阱的光子型紅外探測器，需要在低溫致冷條件下才能發揮其高性能，使得這類探測系統成本和復雜度較高，極大地限制了這類探測器的應用和發展。

石墨烯是一種有價值的新材料，室溫下具有超高的載流子遷移率和超寬的光吸收譜(從紫外至遠紅外)，在實現非制冷、高速、寬光譜的光子型紅外探測方面極具潛力。典型的石墨烯紅外探測器由石墨烯/SiO₂/Si結構構成。當紅外光照在石墨烯上時，會產生具有高能量的熱載流子。這類載流子具有動能高于平均熱運動能量，卻不會將熱能轉移到晶格的性能特點。當器件工作在偏壓下時，熱載流子會有一定的機率轉向石墨烯/SiO₂界面方向，并通過隧穿的方式越過氧化層勢壘，注入Si襯底層，產生與紅外光強相關的襯底電流。這種由于熱載流子效應產生的紅外光電流使得石墨烯在收集紅外光能量方面十分有效。

目前石墨烯紅外探測器的制作一般基于實驗室工藝，器件對SiO₂/Si襯底結構質量要求高。SiO₂層中存在的缺陷態和SiO₂/Si界面存在的界面態將導致光響應速度慢，在應用領域存在性能和可靠性的局限性，亟待進一步提高。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明提出了利用集成電路工藝中的SiO₂/Si作為石墨烯紅外器件襯底的制備方法。該制備方法與標準集成電路工藝技術兼容，能夠實現探測器功能的高度集成化、低功耗和低成本。

本發明解決技術問題所采用的技術方案如下：

一種基于集成電路工藝的石墨烯紅外探測器制備方法，包括如下步驟：1)利用集成電路工藝形成SiO₂/Si襯底；2)獲得單層石墨烯；3)將所述單層石墨烯轉移到步驟1)的SiO₂/Si襯底上。

步驟1)的具體過程如下：

(1)向弱p型單晶硅襯底進行磷離子的高能注入，形成n型硅阱；

(2)利用熱氧化的方法形成柵二氧化硅層，然后利用CVD工藝在柵二氧化硅層表面形成多晶硅層；

(3)利用光刻工藝，形成探測器的SiO₂/Si襯底；

(4)在n型硅阱和多晶硅層的表面生長二氧化硅介質層，通過刻蝕和沉積在二氧化硅介質層內部形成鎢通孔，所述鎢通孔與所述n型硅阱表面相連；