[发明专利]一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法

说明书

本发明一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法。该方法包括如下步骤：1)利用集成电路工艺形成SiO₂/Si衬底；2)通过后CMOS工艺形成石墨烯单元像素衬底；3)将步骤2)的石墨烯单元像素衬底转移到步骤1)的SiO₂/Si衬底上。本发明利用集成电路工艺生长的SiO₂和Si材料具有极高的材料质量和极少的SiO₂/Si界面缺陷，该制备工艺与标准集成电路工艺兼容，降低了探测器的制造成本，提升了探测器的性能和可靠性。

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，涉及光电探测器结构，尤其涉及一种基于基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法。

背景技术

红外探测在军事、气象、地球环境、农业、医学等方面有着广泛的应用前景。红外探测器作为红外探测技术的核心器件，一直受到科学界和业界广泛关注和研究。常用的红外探测器从探测器机理上可分为热敏型和光子型红外探测器。热敏型探测器由于室温工作，是民用领域使用最广泛的红外探测器。这类探测器在吸收红外辐射后，自身温度会发生变化，引起探测材料某一物理属性发生变化，通过读取这一变化达到探测红外目的。但探测器加热和冷却是一个缓慢的过程，因而这类热探测器的响应速度慢，响应时间大约为毫秒级。光子型红外探测器是依赖材料内部电子直接吸收入射红外辐射，具有响应速度快、体积小、可靠性高和适应能力强等优点，但这类探测器在室温附件存在较大暗电流，降低了器件响应性能，因此大部分光子型红外探测器，如基于碲镉汞，量子阱的光子型红外探测器，需要在低温致冷条件下才能发挥其高性能，使得这类探测系统成本和复杂度较高，极大地限制了这类探测器的应用和发展。

石墨烯是一种有价值的新材料，室温下具有超高的载流子迁移率和超宽的光吸收谱(从紫外至远红外)，在实现非制冷、高速、宽光谱的光子型红外探测方面极具潜力。典型的石墨烯红外探测器由石墨烯/SiO₂/Si结构构成。当红外光照在石墨烯上时，会产生具有高能量的热载流子。这类载流子具有动能高于平均热运动能量，却不会将热能转移到晶格的性能特点。当器件工作在偏压下时，热载流子会有一定的机率转向石墨烯/SiO₂界面方向，并通过隧穿的方式越过氧化层势垒，注入Si衬底层，产生与红外光强相关的衬底电流。这种由于热载流子效应产生的红外光电流使得石墨烯在收集红外光能量方面十分有效。

目前石墨烯红外探测器的制作一般基于实验室工艺，器件对SiO₂/Si衬底结构质量要求高。SiO₂层中存在的缺陷态和SiO₂/Si界面存在的界面态将导致光响应速度慢，在应用领域存在性能和可靠性的局限性，亟待进一步提高。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了利用集成电路工艺中的SiO₂/Si作为石墨烯红外器件衬底的制备方法。该制备方法与标准集成电路工艺技术兼容，能够实现探测器功能的高度集成化、低功耗和低成本。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于集成电路工艺的石墨烯红外探测器制备方法，包括如下步骤：1)利用集成电路工艺形成SiO₂/Si衬底；2)获得单层石墨烯；3)将所述单层石墨烯转移到步骤1)的SiO₂/Si衬底上。

步骤1)的具体过程如下：

(1)向弱p型单晶硅衬底进行磷离子的高能注入，形成n型硅阱；

(2)利用热氧化的方法形成栅二氧化硅层，然后利用CVD工艺在栅二氧化硅层表面形成多晶硅层；

(3)利用光刻工艺，形成探测器的SiO₂/Si衬底；

(4)在n型硅阱和多晶硅层的表面生长二氧化硅介质层，通过刻蚀和沉积在二氧化硅介质层内部形成钨通孔，所述钨通孔与所述n型硅阱表面相连；