[发明专利]一种石墨烯温度传感器及其制备工艺

说明书

技术领域：

本发明属于半导体器件与半导体工艺领域，涉及一种温度传感器器件及其制备工艺，尤其是一种双栅双层石墨烯热电子温度传感器器件及其制备工艺。

背景技术：

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。在半导体技术的支持下，人们相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。但是这些传感器的敏感度还有待提高，并且它们的本征噪声较高，探测速度较低。

石墨烯是一种二维的六方晶格结构，它具有优异的电学、热学和机械特性。石墨烯在远红外到紫外波段内有很强、几乎与频率无关的光学作用，在宽波段的光电应用中很有前景。此外，石墨烯的电子-声子耦合很弱，这就意味着在相对较高的温度下，可以利用热电子效应制作快速，高敏感度的探测器。石墨烯独特的带间结构导致了其载流子遵循二维无质量的狄拉克方程，并且在从红外到紫外的一个很宽的频谱范围内，与频率无关的吸收系数是可以量化的。之前对于石墨烯光电探测器的研究主要利用了p-n结、石墨烯/金属结以及单层石墨烯/双层石墨烯界面来产生光伏效应，从而产生电信号。但是在以上应用中主要利用了一维石墨烯界面，并没有利用到二维石墨烯的性质。

发明内容：

本发明提出了一种新型的石墨烯温度传感器器件，并介绍了其制备工艺。当有光照射到该器件上时，该器件利用了热电效应来产生电信号。由于电子的比热很小，电子很快被加热，而晶格中的碳原子核保持低温，从而产生了两个具有不同电气特性的区域。正是由于石墨烯内部的温差，从而产生了可测的电信号。通过分析电信号的改变与温度之间的函数关系，我们可以得到辐射的温度。

本发明提供了一种石墨烯温度传感器，其结构从上到下依次为：顶栅电极、镍铬合金膜、上SiO₂层、氢倍半硅氧烷、双层石墨烯与源漏电极、下SiO₂层、Si衬底、背栅电极。

本发明还提供了一种石墨烯温度传感器的制备工艺，将由机械剥离得到的双层石墨烯淀积在一个带有300nm厚的SiO₂层的Si衬底上，使用电子束光刻技术在源端和漏端制造电极，热蒸发5nmCr/100nmAu。

所述制备工艺按照如下步骤：

(1)制备SiO₂/Si衬底：在Si衬底上采用干法氧化工艺生长300nm的SiO₂薄膜；

(2)制备双层石墨烯：采用机械剥离自然石墨的方法获得双层石墨烯；

(3)淀积双层石墨烯：将双层石墨烯淀积在下SiO₂层上；

(4)制作源漏电极：在双层石墨烯两端的源漏区域制作电极，其方式为先采用电子束光刻的方法制作通孔，再热蒸发5nmCr和100nmAu作为电极；

(5)淀积倍半硅氧烷：先旋涂一层50nm厚的倍半硅氧烷，然后经电子束曝光使其固化；

(6)制作顶栅介质：在氢倍半硅氧烷层上方溅射250nm的SiO₂薄膜作为顶栅介质；

(7)制作顶栅：在上SiO₂层上方使用镍铬合金膜作为半透明顶栅，所使用的镍铬合金膜薄片电阻为200Ω；

(8)制作顶栅和背栅电极：在顶栅和背栅上分别制作顶栅电极和背栅电极，其方式为先采用电子束光刻的方法制作通孔，再热蒸发5nmCr和100nmAu作为电极。