[发明专利]硅基石墨烯光电二极管阵列及其CMOS集成方法

说明书

本发明公开了一种硅基石墨烯光电二极管阵列及其CMOS集成方法，该阵列由下至上依次包括p型半导体硅衬底、二氧化硅层、透明隔离保护层；衬底上形成阵列排布的N阱，每个N阱配置一个通过欧姆接触连接的硅基石墨烯CMOS读出电路；二氧化硅层开有硅窗口和硅通孔；硅通孔上端设有金属电极，读出电路通过硅通孔与金属电极电连接；硅窗口上覆盖与N阱接触的单层石墨烯薄膜，单层石墨烯薄膜一端搭接在二氧化硅层上，另一端搭接在金属电极上，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进行串扰隔离。本发明充分利用石墨烯的宽光谱吸收特性，以及硅基技术的低噪声、低成本等优势，有利于拓宽光谱响应范围、提高成像质量以及拓展应用场景。

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，尤其涉及一种硅基石墨烯光电二极管阵列及其CMOS(互补金属氧化物半导体)集成方法。

背景技术

光电探测器能感应光线，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。光电探测器具有良好的感光效率和极高的成像品质，在高端成像化学材料分析、医疗卫生、空间技术等领域具有广泛的用途。目前主流的光电探测器制造技术主要基于传统的硅基CMOS工艺，具有成本低、集成密度高、兼容性好等优势。传统的硅基CMOS工艺在次10纳米技术节点正逐渐接近其性能极限，后续由于来自物理定律和制造成本的限制，性能难以继续提升。因此，需要开发新型材料的CMOS集成方法，在光电探测器领域有利于拓宽光谱响应范围、提高成像质量以及拓展应用场景。

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。石墨烯可以作为透明导电薄膜，提高器件吸收光能力的同时加快信号转移输出的速率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种硅基石墨烯光电二极管阵列及其CMOS集成方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种硅基石墨烯光电二极管阵列，由下至上依次包括p型半导体硅衬底、二氧化硅层、透明隔离保护层；

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

所述二氧化硅层开有与所述N阱对应的硅窗口和与所述硅基石墨烯CMOS读出电路对应的硅通孔；

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

所述硅窗口上覆盖与所述N阱接触的单层石墨烯薄膜，所述单层石墨烯薄膜范围大于所述硅窗口，且一端搭接在所述二氧化硅层上，另一端搭接在所述金属电极上，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进行串扰隔离。

进一步地，所述N阱由p型半导体硅衬底的上表面进行掺杂形成，掺杂深度为10μm～15μm。

进一步地，所述隔离阱通过在p型半导体硅衬底上沉积出氮化硅层，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；所述欧姆接触为重掺杂n型硅，掺杂浓度为10¹⁸cm^-3～10¹⁹cm^-3，掺杂深度为1～5μm。

进一步地，所述二氧化硅层通过LOCOS工艺进行硅的选择氧化和图形化，厚度为5nm～20nm。