CN112420808A - 石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件及其读出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件及其读出方法，该电荷耦合器件采用了埋沟型衬底，包括栅极、半导体硅衬底、沟道层、氧化物绝缘层、源极、漏极与单层石墨烯薄膜；有光线入射时，由于石墨烯的高透明度，可见光进入体硅并被硅所吸收，其产生的少数载流子被积累到硅衬底中的深耗尽势阱；当施加偏压足够大时，体硅中产生雪崩效应，可以得到比常规CCD器件更为显著的光电流。同时由于体沟道的存在避免了表面态的影响，该器件的工作频率和量子效率都要优于表面沟道CCD。
Description
技术领域
本发明属于图像传感器技术领域，涉及图像传感器器件结构，尤其涉及一种石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件及其读出方法。
背景技术
电荷耦合器件(CCD)由许多整齐排列的电容组成，能感应光线，并转换出模拟信号电流，经过信号处理就可以实现图像的获取、传输和处理。CCD器件具有良好的感光效率和极高的成像品质，在高端成像领域具有广泛的用途。电荷耦合器件按结构可以分为表面沟道CCD和体沟道CCD。表面沟道CCD工艺简单，但其光生电荷紧贴半导体-绝缘体分界面，受表面态的影响，光生电荷容易被表面态复合掉，工作频率也较低。体沟道CCD用离子注入方法在硅表面制作出一个与硅掺杂相反的沟道，当外加栅压后沟道内被完全耗尽，使光生电荷在硅内部产生，远离表面，避免了表面态的影响。
EMCCD技术是为了解决微弱光探测而常用的一种手段。EMCCD通过在CCD上施加大栅压，使器件的硅内部产生雪崩效应，从而放大了光信号，极大提升了CCD器件的灵敏度。
石墨烯(Graphene)是一种新型二维材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度。石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料。它透明度极高，对可见光吸收率仅为2.3％；石墨烯导热系数高达5300W/m·K，常温下电子迁移率超过15000cm2/V·s，而电阻率只有约10-6Ω·cm。由于石墨烯的极高透过率，用石墨烯取代CCD上的金属层可以显著提高CCD的光响应。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件及其读出方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件(Electron Multiplying Charge-Coupled Devices，EMCCD)，自下而上依次包括栅极、半导体硅衬底、沟道层和氧化物绝缘层，所述氧化物绝缘层上表面设有源极和漏极，在氧化物绝缘层、源极和漏极上表面覆盖单层石墨烯薄膜；所述单层石墨烯薄膜与源极、漏极相接触，且不超出源极与漏极定义的范围；所述半导体硅衬底位于沟道层的下方，所述沟道层完全覆盖半导体硅衬底整个区域；所述半导体硅衬底与沟道层的掺杂类型相反，使得在外加一定频率的三角波电压的情况下，沟道区域为电势最低，光生载流子就会先集聚在沟道与衬底接触界面，而不是先集聚在衬底与氧化层的界面，减少了衬底与氧化层的界面态对光生载流子的复合。
进一步地，所述沟道层为半导体硅衬底的上表面进行掺杂而形成，掺杂深度为5μm～20μm。
进一步地，所述氧化物绝缘层为二氧化硅，厚度为5nm～100nm。
进一步地，当器件工作时，在栅极和漏极之间施加偏压，所加偏压依据氧化层厚度以及衬底参数，类型为三角波，驱动半导体硅衬底进入雪崩状态，同时读取该回路中的电流作为信号电流，得到入射光功率。
进一步地，其信号读取采用双采样读取，即在栅压运行过程中，在读出光电流前选取一个初始位置并读出该点电流，将两个采样值相减得到最后的输出，双采样读取减少了器件因为复位带来的噪声，可提高器件噪声参数和信噪比。
一种石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件的读出方法，该方法包括：在器件的栅极和源极之间施加一定频率的三角波电压。当电压从0开始增加并处于小偏压范围时，选取固定的采样点，读取此时流经外电路的信号I1。随后电压逐渐增加，在半导体衬底内形成深耗尽状态，此时入射光线会在硅内部积累光生电荷。电压继续增大到最高值，硅中产生雪崩。读取此时的电流I2，取两者的差值作为器件的最终读出信号。随后电压逐渐减小，器件复位。
本申请的电荷耦合器件工作原理如下：
在器件的栅极和漏极之间施加一定频率的三角波电压。三角波电压的峰值应略高于所用硅材料即半导体硅衬底层的雪崩阈值，并不对器件造成永久性损伤。
当电压从0开始增加并处于小偏压范围时，器件处于初始状态不进行工作。随后电压逐渐增加，在半导体衬底内形成深耗尽状态，此时入射光线会在硅内部积累光生电荷。电压继续增大，当到达雪崩阈值时，硅中产生雪崩。随后电压逐渐减小，器件复位。
本器件采用双采样方法，当器件处于初始状态时，读取此时流经外电路的信号I1，当栅压位于最大值时，读取此时的电流I2，取两者的差值作为器件的最终读出信号，双采样方法可以极大地消除器件的固有噪声，从而提升器件的灵敏度和微弱光探测能力。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明使用石墨烯替代传统CCD中的金属，极大地提高了光线的入射效率。且石墨烯制备工艺成熟，造价相对较低，易于制备生产。
2.本发明器件结构简单，易于大规模制造，并可与CMOS工艺兼容。
3.本发明采用埋沟型结构，减少了光生电荷在材料界面处的复合。
4.本发明通过使用电子倍增EMCCD的读取方法，结合双采样技术，极大地提升了器件在微弱光下的灵敏度和响应能力。
5.传统EMCCD依靠的是像素之间的电压差来构建强电场，依靠转移时的雪崩增益来实现信号放大。本发明强调像素内的强电场，实现像素内的雪崩增益，不需要像素间电荷转移。
附图说明
图1为本发明石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件的结构示意图，其中，栅极1、半导体硅衬底2、沟道层3、氧化物绝缘层4、源极5、漏极6、单层石墨烯薄膜7；
图2为本发明石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件信号读出示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的一种石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件，自下而上依次包括栅极1、半导体硅衬底2、沟道层3和氧化物绝缘层4，所述氧化物绝缘层4上表面设有源极5和漏极6，在氧化物绝缘层4、源极5和漏极6上表面覆盖单层石墨烯薄膜7；所述单层石墨烯薄膜7与源极5、漏极6相接触，且不超出源极5与漏极6定义的范围；所述半导体硅衬底2位于沟道层3的下方，所述沟道层3完全覆盖半导体硅衬底2整个区域；所述半导体硅衬底2与沟道层3的掺杂类型相反，使得在外加一定频率的三角波电压的情况下，沟道区域为电势最低，光生载流子就会先集聚在沟道与衬底接触界面，而不是先集聚在衬底与氧化层的界面，减少了衬底与氧化层的界面态对光生载流子的复合。
进一步地，所述沟道层3为半导体硅衬底2的上表面进行掺杂而形成，掺杂深度为5μm～20μm。所述氧化物绝缘层4为二氧化硅，厚度为5nm～100nm。
当器件工作时，在栅极1和漏极6之间施加偏压，所加偏压依据氧化层厚度以及衬底参数，类型为三角波，频率可以采用1KHZ，在这种三角波下可实现较小的栅端的泄漏电流，并可实现较大雪崩增益。
器件信号读取可以采用双采样读取，即在栅压运行过程中，在读出光电流前选取一个初始位置并读出该点电流，将两个采样值相减得到最后的输出，双采样读取减少了器件因为复位带来的噪声，可提高器件噪声参数和信噪比。
制备上述石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件的方法包括以下步骤：
(1)取用电阻率为1k～10kΩ·cm的硅衬底，在硅衬底的上表面进行掺杂，掺杂类型与硅片本身相反，掺杂深度为5μm～20μm，掺杂后得到沟道层；
(2)在掺杂好的硅片的上表面生长二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层的厚度为5nm～100nm；
(3)在二氧化硅绝缘层表面使用光刻技术制作出源极和漏极的图形，然后采用电子束蒸发或热蒸发技术，首先生长厚度约为15nm的铬黏附层，然后生长80nm的金层作为电极；
(4)在源极、漏极和二氧化硅绝缘层的上表面覆盖单层石墨烯薄膜；石墨烯使用湿法转移：将单层石墨烯表面均匀旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后放入酸性刻蚀溶液中浸泡约6h腐蚀去除铜箔，留下由PMMA支撑的单层石墨烯薄膜；将PMMA支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到二氧化硅绝缘层、源极和漏极的上表面；最后用丙酮和异丙醇浸泡样品去除PMMA；其中，所述酸刻蚀溶液由CuSO4、HCl和水组成，CuSO4：HCl：H2O＝10g:45ml:50ml；
(5)对器件进行二次光刻，用光刻胶覆盖所需单层石墨烯图形的定义区域。再通过氧等离子体反应离子刻蚀技术(Oxygen plasma ICP-RIE)，其功率和刻蚀时间分别为75W，3min。刻蚀掉光刻胶外的多余石墨烯，刻蚀完成后，用丙酮和异丙醇清洗去除残余光刻胶；
(6)在硅衬底的底部涂覆镓铟浆料，制备栅极，与硅衬底形成欧姆接触。
本发明石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件的读出方法如下：
如图2所示，在器件的栅极和源极之间施加一定频率的三角波电压。当电压从0开始增加并处于小偏压范围时，选取固定的采样点，读取此时流经外电路的信号I1。随后电压逐渐增加，在半导体衬底内形成深耗尽状态，此时入射光线会在硅内部积累光生电荷。电压继续增大到最高值，硅中产生雪崩。读取此时的电流I2，取两者的差值作为器件的最终读出信号。随后电压逐渐减小，器件复位。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (6)
1.一种石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件，其特征在于，自下而上依次包括栅极(1)、半导体硅衬底(2)、沟道层(3)和氧化物绝缘层(4)，所述氧化物绝缘层(4)上表面设有源极(5)和漏极(6)，在氧化物绝缘层(4)、源极(5)和漏极(6)上表面覆盖单层石墨烯薄膜(7)；所述单层石墨烯薄膜(7)与源极(5)、漏极(6)相接触，且不超出源极(5)与漏极(6)定义的范围；所述半导体硅衬底(2)位于沟道层(3)的下方，所述沟道层(3)完全覆盖半导体硅衬底(2)整个区域；所述半导体硅衬底(2)与沟道层(3)的掺杂类型相反。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件，其特征在于，所述沟道层(3)为半导体硅衬底(2)的上表面进行掺杂而形成，掺杂深度为5μm～20μm。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件，其特征在于，所述氧化物绝缘层(4)为二氧化硅，厚度为5nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件，其特征在于，当器件工作时，在栅极(1)和漏极(6)之间施加三角波偏压，驱动半导体硅衬底(2)进入雪崩状态，同时读取该回路中的电流作为信号电流，得到入射光功率。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件，其特征在于，其信号读取采用双采样读取，即在栅压运行过程中，在读出光电流前选取一个初始位置并读出该点电流，将两个采样值相减得到最后的输出。
6.一种权利要求1-5任一项所述的石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件的读出方法，其特征在于，该方法包括：在器件的栅极和源极之间施加一定频率的三角波电压。当电压从0开始增加并处于小偏压范围时，选取固定的采样点，读取此时流经外电路的信号I1。随后电压逐渐增加，在半导体衬底内形成深耗尽状态，此时入射光线会在硅内部积累光生电荷。电压继续增大到最高值，硅中产生雪崩。读取此时的电流I2，取两者的差值作为器件的最终读出信号。随后电压逐渐减小，器件复位。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011247033.8A Pending CN112420808A (zh) | 2020-11-10 | 2020-11-10 | 石墨烯/硅基体沟道电子倍增电荷耦合器件及其读出方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112420808A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115514909A (zh) * | 2022-09-28 | 2022-12-23 | 华东光电集成器件研究所 | 一种电子倍增ccd用三电平高压驱动转换电路 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4074302A (en) * | 1975-06-26 | 1978-02-14 | U.S. Philips Corporation | Bulk channel charge coupled semiconductor devices |
| CN104037186A (zh) * | 2014-06-25 | 2014-09-10 | 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 | 一种电荷载流子倍增寄存器的抗光晕结构 |
| CN108281455A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-07-13 | 杭州紫元科技有限公司 | 一种带有雪崩增益的电荷耦合器件 |
| CN110168734A (zh) * | 2017-01-11 | 2019-08-23 | 半导体组件工业公司 | 具有稳定电荷倍增增益的emccd图像传感器 |
| US20200335545A1 (en) * | 2019-04-18 | 2020-10-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Image sensor and control method of image sensor, and image capturing apparatus |
-
2020
- 2020-11-10 CN CN202011247033.8A patent/CN112420808A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4074302A (en) * | 1975-06-26 | 1978-02-14 | U.S. Philips Corporation | Bulk channel charge coupled semiconductor devices |
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| CN108281455A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-07-13 | 杭州紫元科技有限公司 | 一种带有雪崩增益的电荷耦合器件 |
| US20200335545A1 (en) * | 2019-04-18 | 2020-10-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Image sensor and control method of image sensor, and image capturing apparatus |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115514909A (zh) * | 2022-09-28 | 2022-12-23 | 华东光电集成器件研究所 | 一种电子倍增ccd用三电平高压驱动转换电路 |
| CN115514909B (zh) * | 2022-09-28 | 2025-06-27 | 华东光电集成器件研究所 | 一种电子倍增ccd用三电平高压驱动转换电路 |
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