[发明专利]硅基石墨烯光电二极管阵列及其CMOS集成方法

权利要求书

1.一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，由下至上依次包括p型半导体硅衬底(1)、二氧化硅层(4)、透明隔离保护层(7)；

所述p型半导体硅衬底(1)上形成阵列排布的N阱(2)，每个N阱(2)配置一个通过欧姆接触(3)连接的硅基石墨烯CMOS读出电路(8)；

所述二氧化硅层(4)开有与所述N阱(2)对应的硅窗口和与所述硅基石墨烯CMOS读出电路(8)对应的硅通孔；

所述硅通孔上端设有范围大于所述硅通孔的金属电极(5)，所述硅基石墨烯CMOS读出电路(8)通过所述硅通孔与所述金属电极(5)电连接；

所述硅窗口上覆盖与所述N阱(2)接触的单层石墨烯薄膜(6)，所述单层石墨烯薄膜(6)范围大于所述硅窗口，且一端搭接在所述二氧化硅层(4)上，另一端搭接在所述金属电极(5)上，形成一个光电二极管的像素单元；

各像素单元间通过隔离阱(13)进行串扰隔离。

2.根据权利要求1所述的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，所述N阱(2)由p型半导体硅衬底(1)的上表面进行掺杂形成，掺杂深度为10μm～15μm。

3.根据权利要求1所述的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，所述隔离阱(13)通过在p型半导体硅衬底(1)上沉积出氮化硅层，利用氮化硅掩膜经过沉积、图形化、刻蚀硅后形成槽，并在槽中填充沉积氧化物而形成，用于像素单元间的隔离，厚度为5μm～20μm；所述欧姆接触(3)为重掺杂n型硅，掺杂浓度为10¹⁸cm^-3～10¹⁹cm^-3，掺杂深度为1～5μm。

4.根据权利要求1所述的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，所述二氧化硅层(4)通过LOCOS工艺进行硅的选择氧化和图形化，厚度为5nm～20nm。

5.根据权利要求1所述的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，所述硅基石墨烯CMOS读出电路(8)由栅压输入电路(9)、跨阻放大器(10)、采样放大器(11)和模数转换器(12)组成；所述栅压输入电路(9)与所述欧姆接触(3)连通；所述跨阻放大器(10)的输入端与所述金属电极(5)连通，输出端依次连接采样放大器(11)、模数转换器(12)。

6.根据权利要求1所述的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，所述金属电极(5)为金属薄膜电极，材料为铬金合金，厚度为60nm～100nm。

7.根据权利要求1所述的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，所述透明隔离保护层(7)由聚酰亚胺、硅胶以及环氧树脂进行封装，起到保护作用。

8.根据权利要求1所述的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，单层石墨烯薄膜(6)与N阱(2)接触形成内建电场，在栅压输入电路(9)施加反向偏压时，在可见及近红外波段情况下，由N阱(2)吸收并产生的光生载流子在内建电场和外加电场作用下分离，形成光电流；在短波红外和中红外波段情况下，由单层石墨烯薄膜(6)吸收并产生光生载流子，能量高于石墨烯硅势垒高度的光生电子，越过势垒到N阱(2)中，形成光电流。

9.根据权利要求1所述的一种硅基石墨烯光电二极管阵列，其特征在于，由单层石墨烯薄膜(6)与N阱(2)形成的光电二极管的输出信号输入到硅基石墨烯CMOS读出电路(8)中；开启栅压输入电路(9)，在脉冲栅压时序运行过程中，每个光电二极管的输出信号由跨阻放大器(10)进行电流电压转换，并输入至采样放大器(11)，采样放大器(11)在固定时序的作用下，依次在读出光电流前选取一个初始位置并采样该位置的电流I₁，再对工作中的光电流I₂进行采样，将两个采样值相减得到最后的输出I＝I₂-I₁，输出信号进入模数转换器(12)完成模数转换，然后硅基石墨烯CMOS读出电路(8)自动复位。

10.一种权利要求1-9任一项所述的硅基石墨烯光电二极管阵列的CMOS集成方法，其特征在于，先进行硅基石墨烯CMOS读出电路(8)流片工艺，并预留出感光区域；接着通过标准化硅窗口刻蚀、单层石墨烯薄膜转移和图型化工艺，构成硅基石墨烯肖特基结，并通过欧姆接触(3)与读出电路形成有效集成。