[发明专利]二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法

说明书

本发明提供一种二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法，所述二维材料柔性衬底结构包括：支撑衬底；二维材料层，位于所述支撑衬底表面；图形化柔性衬底，位于所述二维材料层表面；所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。本发明的二维材料柔性衬底结构将图形化柔性衬底与二维材料层相结合，图形化柔性衬底与二维材料层界面的范德瓦尔斯键大大削弱了上下原子之间的吸引力，界面处形成的范德瓦尔斯力的强度远远小于共价键键能，图形化柔性衬底可以完全自我调节应变吸纳和释放应力，可以最大程度消除或降低穿透位错等晶格结构缺陷，具有很大的绝对柔性度。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法。

背景技术

短波红外(SWIR，1-3微米)InGaAs焦平面探测器阵列可以满足“全天时、多天候”的应用需求，在情报侦察识别、军用夜视、光电对抗和激光制导等军事装备领域以及在安全检测、防火预警、工业检测和驾驶视觉增强等民用领域具有广泛并且重要应用价值1-3。InGaAs材料量子效率高，材料稳定性好，能在室温工作，在相同短波红外波段器件性能超越了碲镉汞器件。InGaAs探测器成像对比度高，目标细节清晰，在目标识别方面具有高识别度。由于InGaAs吸收相应光谱和夜间大气辉光辐亮度波段完美匹配，在微光夜视具有得天独厚优势，比传统技术获得更为丰富的目标成像信息。短波红外受大气散射作用小，透雾霾、烟尘等大气障碍能力与热红外相似，但不存在热成像受环境热交叉的制约，成像更加清晰。另外，短红外InGaAs焦平面探测器还可以匹配1.06微米和1.5x微米军用激光实现隐秘的主动成像技术用于光电对抗和光电制导。

短波红外目前主要采用InP基与衬底匹配的In_0.53Ga_0.47As材料，其吸收波长范围在0.9-1.7微米，通过采用衬底减薄到0.2微米，其探测波长低限可延伸至可见光区域，在0.7，0.5和0.3微米对应量子效率分别为50％，20％和10％。经过20多年从原型器件到产品的发展，美国FLIR和SUI已经实现1920x1280面阵，预计未来五年面阵尺寸可达到2560x2048。通过增加InGaAs材料中In的含量，吸收波长理论上可以达到2.5微米(铟组分0.82)和3.5微米(InAs)，这种拓展波长InGaAs探测器主要用于航天遥感和满足多谱成像。但受制于衬底限制，高铟组分InGaAs随着铟浓度增大材料性能急剧下降，目前仅有中国台湾CLPT开发了截至波长为2.2微米的320x256阵列产品，在253K制冷条件下峰值探测率在1x10¹²Jones水平，比截止波长在1.7微米的In_0.53Ga_0.47As探测器室温最好峰值探测率低了两个数量级。

从原理上讲，当异质外延材料与衬底晶格常数不匹配时，外延材料存在一个临界厚度，在小于临界厚度以内，外延异质材料可以实现完全应变没有晶格缺陷。根据Matthews模型⁴，对于InP衬底上外延生长In_xGa_1-xAs材料，临界厚度，h_c，与晶格失配，f，存在如下关系：

h_c＝A[ln(h_c/b)+1]/f (1)

其中b是Burgers矢量，A是常数。当晶格失配大于0.5％时，临界厚度只有纳米量级，而普通探测器吸收层厚度在微米量级，当外延材料大于临界厚度时，会产生大量失配和穿透位错，这些位错导致严重的暗电流使探测器性能急剧下降。吸收波长达到2.5微米(铟组分0.82)和3.5微米(InAs)时InGaAs相对于InP失配度分别为2％和3.2％。目前InP基拓展InGaAs波长探测器一般的思路是采用异变缓冲层，即在InP衬底和高铟组分InGaAs吸收层之间外延生长铟组分递变的异变缓冲层，这种缓冲层能够将穿透位错弯曲从而起到抑制穿透位错密度的作用，但即使通过这种方法，穿透位错密度还在10⁶cm^-2左右，比InP衬底位错密度高出四个量级，相应的InGaAs探测器暗电流还是很高，探测率低。