[發(fā)明專利]含有金屬硅化物紅外吸收層的石墨烯場效應(yīng)電荷耦合器件

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011247048.4
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112420809A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐楊;呂建杭;劉威;劉亦倫;劉晨;俞濱
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/16;H01L29/423;H01L29/768;H01L27/148
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發(fā)明公開了一種含有金屬硅化物紅外吸收層的石墨烯場效應(yīng)電荷耦合器件，包括柵極、金屬硅化物紅外吸收層、硅襯底、氧化物絕緣層、源極、漏極和單層石墨烯薄膜；入射光照射到器件表面時，可見光被半導(dǎo)體硅吸收，其產(chǎn)生的少數(shù)載流子被積累到硅的深耗盡勢阱里；紅外光穿過硅層，被金屬硅化物與硅形成的異質(zhì)結(jié)所吸收，在電場的作用下，產(chǎn)生的少數(shù)載流子被注入到體硅的深耗盡勢阱中。當(dāng)硅中產(chǎn)生光生空穴積累時，器件上層的石墨烯會耦合出與勢阱中的空穴對應(yīng)的等量電子，從而改變石墨烯的電導(dǎo)率，從石墨烯的電流中能夠讀出硅勢阱中的電荷。本發(fā)明拓展了硅基CCD器件在紅外波段的光譜響應(yīng)范圍，保持了硅基CCD噪聲小、可靠性高、工藝成熟、成本低廉等特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種含有金屬硅化物紅外吸收層的石墨烯場效應(yīng)電荷耦合器件。

背景技術(shù)

電荷耦合器件(CCD)，是一種集成電路，由許多整齊排列的電容組成，能感應(yīng)光線，并轉(zhuǎn)換出模擬信號電流，信號電流再經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，就可以實現(xiàn)圖像的獲取、傳輸和處理。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。當(dāng)CCD器件應(yīng)用于相機(jī)、掃描儀等設(shè)備的感光組件。其具有良好的感光效率和成像品質(zhì)，但受限于硅較寬的帶隙，光譜探測范圍限制在可見光波段。為了拓寬圖像傳感器的光譜范圍，我們通過集成金屬硅化物作為紅外感光層來增強(qiáng)硅基圖像傳感器的紅外響應(yīng)。金屬硅化物與硅形成的肖特基結(jié)具有良好的紅外吸收特性，制作工藝也較為成熟。此處以Pt為例，Pt硅化物是一種性能優(yōu)良的金屬化材料。Pt/Si界面在高溫退火(200℃)后很容易反應(yīng)形成硅化物，且在Pt-Si形成過程中會自然地將界面上的雜質(zhì)驅(qū)趕到硅化物的外表面，其形成的界面干凈且接觸性好。

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％；常溫下電子遷移率超過15000cm²/V·s。石墨烯透明和柔性使得其易于進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)移。將石墨烯覆蓋在半導(dǎo)體氧化片上，可以構(gòu)成簡單的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種含有金屬硅化物紅外吸收層的石墨烯場效應(yīng)電荷耦合器件。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種含有金屬硅化物紅外吸收層的石墨烯場效應(yīng)電荷耦合器件，自下而上依次包括柵極、金屬硅化物、半導(dǎo)體硅襯底和氧化物絕緣層，所述氧化物絕緣層上表面設(shè)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；所述金屬硅化物位于半導(dǎo)體硅襯底的下方，其范圍完全覆蓋半導(dǎo)體硅襯底整個區(qū)域；所述金屬硅化物與半導(dǎo)體硅襯底之間接觸良好，形成異質(zhì)結(jié)。

進(jìn)一步地，所述金屬硅化物的厚度為100nm～200nm。

進(jìn)一步地，所述金屬硅化物是過渡金屬與硅生成的化合物。

進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體硅襯底的摻雜濃度小于10^12cm^-3，厚度為200μm。

進(jìn)一步地，所述氧化物絕緣層為二氧化硅，厚度為5nm～100nm。

進(jìn)一步地，光線從電荷耦合器件上方(即石墨烯一面)入射；所述源極及柵極之間施加的柵壓為脈沖電壓，所述源極和漏極之間施加的源漏電壓為恒定電壓。

進(jìn)一步地，入射光照射到器件表面時，可見光被半導(dǎo)體硅吸收，其產(chǎn)生的少數(shù)載流子被積累到硅的深耗盡勢阱里；紅外光穿過硅層，被金屬硅化物與硅形成的異質(zhì)結(jié)所吸收，在電場的作用下，產(chǎn)生的少數(shù)載流子被注入到體硅的深耗盡勢阱中；當(dāng)硅中產(chǎn)生光生空穴積累時，器件上層的石墨烯會耦合出與勢阱中的空穴對應(yīng)的等量電子，從而改變石墨烯的電導(dǎo)率。