[發明專利]石墨烯/硅基體溝道電子倍增電荷耦合器件及其讀出方法

在審

• 申請號: 202011247033.8
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112420808A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 徐楊;呂建杭;穆尼爾;劉威;劉亦倫;劉晨;俞濱
• 申請（專利權）人: 浙江大學杭州國際科創中心
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/10;H01L29/16;H01L29/423;H01L29/768;H01L27/148
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種石墨烯/硅基體溝道電子倍增電荷耦合器件及其讀出方法，該電荷耦合器件采用了埋溝型襯底，包括柵極、半導體硅襯底、溝道層、氧化物絕緣層、源極、漏極與單層石墨烯薄膜；有光線入射時，由于石墨烯的高透明度，可見光進入體硅并被硅所吸收，其產生的少數載流子被積累到硅襯底中的深耗盡勢阱；當施加偏壓足夠大時，體硅中產生雪崩效應，可以得到比常規CCD器件更為顯著的光電流。同時由于體溝道的存在避免了表面態的影響，該器件的工作頻率和量子效率都要優于表面溝道CCD。

技術領域

本發明屬于圖像傳感器技術領域，涉及圖像傳感器器件結構，尤其涉及一種石墨烯/硅基體溝道電子倍增電荷耦合器件及其讀出方法。

背景技術

電荷耦合器件(CCD)由許多整齊排列的電容組成，能感應光線，并轉換出模擬信號電流，經過信號處理就可以實現圖像的獲取、傳輸和處理。CCD器件具有良好的感光效率和極高的成像品質，在高端成像領域具有廣泛的用途。電荷耦合器件按結構可以分為表面溝道CCD和體溝道CCD。表面溝道CCD工藝簡單，但其光生電荷緊貼半導體-絕緣體分界面，受表面態的影響，光生電荷容易被表面態復合掉，工作頻率也較低。體溝道CCD用離子注入方法在硅表面制作出一個與硅摻雜相反的溝道，當外加柵壓后溝道內被完全耗盡，使光生電荷在硅內部產生，遠離表面，避免了表面態的影響。

EMCCD技術是為了解決微弱光探測而常用的一種手段。EMCCD通過在CCD上施加大柵壓，使器件的硅內部產生雪崩效應，從而放大了光信號，極大提升了CCD器件的靈敏度。

石墨烯(Graphene)是一種新型二維材料，由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度。石墨烯是目前世界上最薄卻也是最堅硬的納米材料。它透明度極高，對可見光吸收率僅為2.3％；石墨烯導熱系數高達5300W/m·K，常溫下電子遷移率超過15000cm²/V·s，而電阻率只有約10^-6Ω·cm。由于石墨烯的極高透過率，用石墨烯取代CCD上的金屬層可以顯著提高CCD的光響應。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種石墨烯/硅基體溝道電子倍增電荷耦合器件及其讀出方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種石墨烯/硅基體溝道電子倍增電荷耦合器件(Electron Multiplying Charge-Coupled Devices，EMCCD)，自下而上依次包括柵極、半導體硅襯底、溝道層和氧化物絕緣層，所述氧化物絕緣層上表面設有源極和漏極，在氧化物絕緣層、源極和漏極上表面覆蓋單層石墨烯薄膜；所述單層石墨烯薄膜與源極、漏極相接觸，且不超出源極與漏極定義的范圍；所述半導體硅襯底位于溝道層的下方，所述溝道層完全覆蓋半導體硅襯底整個區域；所述半導體硅襯底與溝道層的摻雜類型相反，使得在外加一定頻率的三角波電壓的情況下，溝道區域為電勢最低，光生載流子就會先集聚在溝道與襯底接觸界面，而不是先集聚在襯底與氧化層的界面，減少了襯底與氧化層的界面態對光生載流子的復合。

進一步地，所述溝道層為半導體硅襯底的上表面進行摻雜而形成，摻雜深度為5μm～20μm。

進一步地，所述氧化物絕緣層為二氧化硅，厚度為5nm～100nm。

進一步地，當器件工作時，在柵極和漏極之間施加偏壓，所加偏壓依據氧化層厚度以及襯底參數，類型為三角波，驅動半導體硅襯底進入雪崩狀態，同時讀取該回路中的電流作為信號電流，得到入射光功率。

進一步地，其信號讀取采用雙采樣讀取，即在柵壓運行過程中，在讀出光電流前選取一個初始位置并讀出該點電流，將兩個采樣值相減得到最后的輸出，雙采樣讀取減少了器件因為復位帶來的噪聲，可提高器件噪聲參數和信噪比。