二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法与流程

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In0.53Ga0.47As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In0.53Ga0.47As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InxGa1-xAs材料，临界厚度，hc，与晶格失配，f，存在如下关系：

hc＝A[ln(hc/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。

柔性衬底是Y.H.Lo于1991年提出的另一种解决衬底失配的外延技术6。其原理见图5。在一个能自由延伸的薄虚拟衬底上生长与虚拟衬底晶格失配的外延材料，其弹性应变由虚拟衬底和外延材料共同分担，当外延材料厚度超过临界厚度并且该厚度远大于虚拟衬底厚度时，释放应力的位错形成于虚拟衬底的下表面并滑移至界面形成失配位错，失配位错两端的穿透位错出现在虚拟衬底而不是外延材料里。薄虚拟衬底一般通过将外延生长的虚拟材料键合到支撑衬底然后采用选择性腐蚀去除外延衬底来实现，用这种方法已经成功实现GaAs基上晶格失配达14.6％的高质量InSb柔性衬底及其上面的外延材料。但是键合面上存在的悬挂键会阻碍柔性衬底的自由延伸，只有横向尺寸小的柔性衬底才能完全实现自由延伸，如果尺寸太大，会产生表面皱褶或其他晶格缺陷。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于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，用于解决现有技术中的的大面阵光探测器遇到的晶格失配这一外延生长技术瓶颈，以及采用常规手段制备的柔性衬底无法完全吸纳和释放应力，不能满足绝对柔性度的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种二维材料柔性衬底结构，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。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述二维材料层为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、锡烯层、BN层、MoS2层、WS2层或GaSe层。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述图形化柔性衬底的厚度小于或等于50nm。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述图形单元在所述二维材料层表面呈周期性分布。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述图形单元的横向尺寸为0.1μm～100μm。

本发明还提供一种二维材料柔性衬底结构的制作方法，所述二维材料柔性衬底结构的制作方法包括以下步骤：

1)提供一种支撑衬底；

2)在所述支撑衬底的表面形成二维材料层；

3)在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底，所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤2)中，所述二维材料层为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、锡烯层、BN层、MoS2层、WS2层或GaSe层。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤3)中，在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底包括以下步骤：

3-1)提供一种生长衬底；

3-2)在所述生长衬底上形成缓冲层；

3-3)在所述缓冲层上形成牺牲层；

3-4)在所述牺牲层上形成柔性衬底材料层；

3-5)将所述柔性衬底材料层进行图形化处理，以得到所述图形化柔性衬底；

3-6)将步骤3-5)得到的结构键合至所述二维材料层的表面，所述图形化柔性衬底的表面为键合面；

3-7)将所述图形化柔性衬底与所述牺牲层相分离，将所述图形化柔性衬底转移至所述二维材料层的表面。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤3-5)与步骤3-6)之间，还包括对所述图形化柔性衬底的表面进行钝化处理的步骤。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤3)中，在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底包括以下步骤：

3-1)提供一种生长衬底；

3-2)在所述生长衬底上形成缓冲层；

3-3)在所述缓冲层上形成牺牲层；

3-4)在所述牺牲层上形成柔性衬底材料层；

3-5)将步骤3-4)得到的结构键合至所述二维材料层的表面，所述柔性衬底材料层的表面为键合面；

3-6)将所述柔性衬底材料层与所述牺牲层相分离，将所述柔性衬底材料层转移至所述二维材料层的表面；

3-7)将转移至所述二维材料层表面的所述柔性衬底材料层进行图形化处理，以得到所述图形化柔性衬底。

本发明还提供一种焦平面光探测器阵列，所述焦平面光探测器阵列包括：

如上述任一方案中所述的二维材料柔性衬底结构；

光探测器结构，位于所述图形化衬底中各图形单元的表面。

作为本发明的焦平面光探测器阵列的一种优选方案，所述焦平面光探测器阵列还包括：

铟柱，位于各所述光探测器结构表面；

读出电路，位于所述铟柱表面。

本发明还提供一种焦平面光探测器阵列的制作方法，所述焦平面光探测器阵列的制作方法包括以下步骤：

1)采用如上述任一方案中所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法制作所述二维材料柔性衬底结构；

2)所述图形化衬底中各图形单元的表面形成光探测器结构。

作为本发明的焦平面光探测器阵列的制作方法的一种优选方案，在步骤2)之后还包括在各所述光探测器表面形成铟柱，并在所述铟柱表面形成读出电路的步骤。

如上所述，本发明的二维材料柔性衬底结构、焦平面光探测器阵列及制作方法，具有以下有益效果：

1)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；

2)本发明的焦平面光探测阵列基于图形化柔性衬底，对于焦平面光探测器阵列来说，没有阵列尺寸限制，很容易实现1k×1k甚至更大的面阵；所述焦平面光探测阵列具有大幅度消除位错缺陷、降低器件暗电流、提高面阵器件尺寸、拓展波长、降低成本及增加器件集成功能等优点；

3)本发明的制作方法可以应用到晶圆级尺寸，适于产业化生产，降低了生产成本。

4)本发明对实现高性能异质结材料提供了很大的灵活性，适用于多种材料体系，可以实现很宽波段范围的各种大尺寸焦平面光探测器阵列。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的二维材料柔性衬底结构的结构示意图。

图2显示为本发明实施例二中提供的二维材料柔性衬底结构的制作方法的流程图。

图3至图14显示为本发明实施例二中提供的二维材料柔性衬底结构的制作方法在各步骤中的结构示意图。

图15显示为本发明实施例三中提供的焦平面光探测器阵列的结构示意图。

图16显示为本发明实施例四中提供的二维材料柔性衬底结构的制作方法的流程图。

图17至图18显示为本发明实施例四中提供的二维材料柔性衬底结构的制作方法在各步骤中的结构示意图。

元件标号说明

10 支撑衬底

11 二维材料层

12 图形化柔性衬底

121 图形单元

13 生长衬底

14 缓冲层

15 牺牲层

16 柔性衬底材料层

17 光探测器结构

18 铟柱

19 读出电路

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图18。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种二维材料柔性衬底结构，所述二维材料柔性衬底结构包括：支撑衬底10；二维材料层11，所述二维材料层11位于所述支撑衬底10表面；图形化柔性衬底12，所述图形化柔性衬底12位于所述二维材料层11表面；所述图形化柔性衬底12为包括若干个间隔分布的图形单元121。本发明的所述二维材料柔性衬底结构将所述图形化柔性衬底12与所述二维材料层11相结合，所述图形化柔性衬底12与所述二维材料层11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，所述图形化柔性衬底12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；所述二维材料柔性衬底可以用于大面阵焦平面光探测器阵列的衬底结构，在其上制备的焦平面光探测器阵列具有大幅度消除位错缺陷、降低器件暗电流、提高面阵器件尺寸、拓展波长、降低成本及增加器件集成功能等优点。

作为示例，所述支撑衬底10可以为半导体衬底、半绝缘体衬底、绝缘体衬底、导热材料衬底或金属衬底。优选地，本实施例中，所述支撑衬底10为Si衬底。

作为示例，所述二维材料层11可以为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、锡烯层、BN层、MoS2层、WS2层或GaSe层。优选地，本实施例中，所述二维材料层11为石墨烯层。

作为示例，所述柔性衬底12的晶格常数与要形成于其表面的半导体发光器件材料层的晶格常数相匹配或适配；所述柔性衬底12的材料可以是和半导体衬底晶格匹配或晶格失配的IV族，III-V族，II-VI族、IV-VI族或其它半导体晶体材料；在示例中，所述柔性衬底12可以为但不仅限于n型InGaAs柔性衬底，更为具体的，所述柔性衬底12可以为n型In0.7Ga0.3As柔性衬底或n型In0.7Ga0.3As柔性衬底。

作为示例，所述图形化柔性衬底12的厚度可以根据实际需要进行选择，优选地，本实施例中，所述图形化柔性衬底12的厚度小于或等于50nm。

作为示例，所述图形单元121在所述二维材料层11表面呈周期性分布。当然，在其他示例中，所述图形单元121还可以在所述二维材料层11表面非周期性分布。

作为示例，所述图形单元121的横向尺寸可以根据实际需要进行设定，优选地，所述图形单元121的横向尺寸为0.1μm～100μm；相邻所述图形单元121之间的间距可以根据实际需要设定，此处不做限定。在一示例中，所述图形单元121的横向尺寸为27μm，相邻所述图形单元121的中心之间的间距为30μm。

作为示例，所述图形单元121的形状可以根据实际需要进行设定，所述图形单元121的形状可以为圆柱形、矩形柱形、梯台形、倒梯台形等等，优选地，本实施例中，所述图形单元121的形状为矩形柱形。

实施例二

请参阅图2，本发明还提供一种二维材料柔性衬底结构的制作方法，所述二维材料柔性衬底结构的制作方法包括以下步骤：

1)提供一种支撑衬底；

2)在所述支撑衬底的表面形成二维材料层；

3)在所述二维材料层表面形成图形化柔性衬底，所述图形化柔性衬底为包括若干个间隔分布的图形单元。

执行步骤1)，请参阅图2中的S1步骤及图3，提供一种支撑衬底10。

作为示例，所述支撑衬底10可以为半导体衬底、半绝缘体衬底、绝缘体衬底、导热材料衬底或金属衬底。优选地，本实施例中，所述支撑衬底10为Si衬底。

执行步骤2)，请参阅图2中的S2步骤及图4，在所述支撑衬底10的表面形成二维材料层11。

作为示例，所述二维材料层11可以为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、锡烯层、BN层、MoS2层、WS2层或GaSe层。优选地，本实施例中，所述二维材料层11为石墨烯层。

执行步骤3)，请参阅图2中的S3步骤及图5至图14，在所述二维材料层表11面形成图形化柔性衬底12，所述图形化柔性衬底12为包括若干个间隔分布的图形单元121。

在一示例中，在所述二维材料层11表面形成所述图形化柔性衬底12包括以下步骤：

3-1)提供一种生长衬底13，如图5所示；所述生长衬底13的材料可以为Si、Ge、GaAs、InP、GaSb、InAs、InSb、SiC、AlN、GaN或蓝宝石等；

3-2)在所述生长衬底13上形成缓冲层14，如图6所示；

3-3)在所述缓冲层14上形成牺牲层15，如图7所示；所述牺牲层15的材料为可以通过选择性腐蚀或氧化而容易被去除的材料；

3-4)在所述牺牲层15上形成柔性衬底材料层16，如图8所示；具体的，可以采用外延分子束外延工艺(Molecular Beam Epitaxy)或金属有机物化学气相沉积工艺(Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)在所述牺牲层15表面形成所述柔性衬底材料层16；具体的，所述柔性衬底材料层16的晶格常数与要形成于其表面的半导体发光器件材料层的晶格常数相匹配或适配；所述柔性衬底材料层16的材料可以是和半导体衬底晶格匹配或晶格失配的IV族，III-V族，II-VI族、IV-VI族或其它半导体晶体材料；在本示例中，所述柔性衬底材料层16可以为掺杂的柔性衬底材料层，也可以为不掺杂的柔性衬底材料层；所述柔性衬底材料层16的厚度可以根据实际需要进行选择，优选地，本实施例中，所述柔性衬底材料层16的厚度小于或等于50nm；

3-5)将所述柔性衬底材料层16进行图形化处理，以得到所述图形化柔性衬底12，如图9所示；具体的，先采用光刻工艺定义成所述图形化柔性衬底12的形状，然后采用刻蚀工艺去除部分所述柔性衬底材料层16以得到所述图形化柔性衬底12；优选地，刻蚀工艺过程中的刻蚀停止层为所述生长衬底13，即刻蚀工艺中，去除部分所述缓冲层14及部分牺牲层15，只保留位于所述图形单元121正下方的所述缓冲层14及所述牺牲层15，如图9所示；具体的，图形化处理后得到的所述图形单元121在所述二维材料层11表面呈周期性分布；当然，在其他示例中，所述图形单元121还可以在所述二维材料层11表面非周期性分布；所述图形单元121的横向尺寸可以根据实际需要进行设定，优选地，所述图形单元121的横向尺寸为0.1μm～100μm；相邻所述图形单元121之间的间距可以根据实际需要设定，此处不做限定。在一示例中，所述图形单元121的横向尺寸为27μm，相邻所述图形单元121的中心之间的间距为30μm；所述图形单元121的形状可以根据实际需要进行设定，所述图形单元121的形状可以为圆柱形、矩形柱形、梯台形、倒梯台形等等，优选地，本实施例中，所述图形单元121的形状为矩形柱形；

3-6)将步骤3-5)得到的结构键合至所述二维材料层11的表面，所述图形化柔性衬底12的表面为键合面，如图10所示；

3-7)采用湿法腐蚀工艺将所述图形化柔性衬底12与所述牺牲层15相分离，将所述图形化柔性衬底12转移至所述二维材料层11的表面，如图11所示。

作为示例，在步骤3-5)与步骤3-6)之间，还包括对所述图形化柔性衬底12的表面进行钝化处理的步骤。

请参阅图12至图14，在另一示例中，还可以先将柔性衬底材料层16转移至所述二维材料层11表面之后再讲所述柔性衬底材料层16进行图形化处理，以得到所述图形化柔性衬底12。

下面，以一个具体的示例来进一步说明本实施例中所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法，具体包括如下步骤：

(1)采用分子束外延在n型InP衬底上生长200nm InP缓冲层，生长温度520℃；

(2)在InP缓冲层上外延生长100nm晶格匹配的In0.52Al0.48As牺牲层，生长温度520 ℃；

(3)在In0.52Al0.48As牺牲层上外延生长15nm掺硅n型In0.7Ga0.3As薄膜，掺杂浓度在2x10¹⁸cm^-3量级，生长温度480℃；

(4)采用光刻实现1k x 1k、中心间距为30微米、台面边长为27微米的正方形面阵，刻蚀深度止于InP衬底界面；

(5)在硅基上实现单原子层石墨烯；

(6)将带有In0.52Al0.48As牺牲层的n型In0.7Ga0.3As柔性衬底面阵键合到硅基石墨烯上；

(7)采用选择性湿法腐蚀，分离InP衬底形成n型In0.7Ga0.3As柔性衬底阵列。

实施例三

请参阅图15，本发明还提供一种焦平面光探测器阵列，所述焦平面光探测器阵列包括：如实施例一中所述的二维材料柔性衬底结构，所述二维材料柔性衬底结构的具体结构请参阅实施例一，此处不再类似；光探测器结构17，所述光电探测器结构17位于所述图形化衬底12中各图形单元121的表面，即所述光探测器结构17为呈周期性阵列分布的结构。

作为示例，所述光电探测器结构17可以为但不仅限于包括In0.82Ga0.18As吸收层的2.5微米的光探测器结构。

作为示例，所述光电探测器结构17可以为上下电极结构，也可以为共面电极结构。

作为示例，所述焦平面光探测器阵列还包括：铟柱18，所述铟柱18位于各所述光探测器结构17表面；读出电路19，所述读出电路19位于所述铟柱18表面。

实施例四

请参阅图16，本发明还提供一种焦平面光探测器阵列的制作方法，所述焦平面光探测器阵列的制作方法包括以下步骤：

1)采用如实施例二所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法制作所述二维材料柔性衬底结构；

2)所述图形化衬底中各图形单元的表面形成光探测器结构。

执行步骤1)，请参阅图16中的S1步骤，采用如实施例二所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法制作所述二维材料柔性衬底结构。

作为示例，制作所述二维材料柔性衬底结构的具体方法请参阅实施例二，此次不再累述。

执行步骤2)，请参阅图16中的S2步骤及图17至图18，所述图形化衬底12中各图形单元121的表面形成光探测器结构17。

作为示例，可以采用外延分子束外延工艺(Molecular Beam Epitaxy)或金属有机物化学气相沉积工艺(Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)在所述图形化衬底12中各图形单元121的表面形成所述光探测器结构17。

作为示例，可以采用上下电极或共面电极的工艺制备所述光探测器结构17。

作为示例，步骤2)之后还包括在各所述光探测器17表面形成铟柱18，并在所述铟柱18表面形成读出电路19的步骤。

下面，以一个具体的示例来进一步说明本实施例中所述的焦平面光探测器阵列的制作方法，具体包括如下步骤：

(1)采用分子束外延在n型InP衬底上生长200nm InP缓冲层，生长温度520℃；

(2)在InP缓冲层上外延生长100nm晶格匹配的In0.52Al0.48As牺牲层，生长温度520℃；

(3)在In0.52Al0.48As牺牲层上外延生长15nm掺硅n型In0.7Ga0.3As薄膜，掺杂浓度在2x10¹⁸cm^-3量级，生长温度480℃；

(4)采用光刻实现1k x 1k、中心间距为30微米、台面边长为27微米的正方形面阵，刻蚀深度止于InP衬底界面；

(5)在硅基上实现单原子层石墨烯；

(6)将带有In0.52Al0.48As牺牲层的n型In0.7Ga0.3As柔性衬底面阵键合到硅基石墨烯上；

(7)采用选择性湿法腐蚀，分离InP衬底形成n型In0.7Ga0.3As柔性衬底阵列；

(8)在n型In0.7Ga0.3As柔性衬底阵列上采用分子束外延生长含有In0.82Ga0.18As吸收层的2.5微米光探测器结构；

(9)在各所述光探测器表面形成铟柱，并在所述铟柱表面形成读出电路。

综上所述，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。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。