基于多层石墨烯/半导体的辐射探测器阵列及其制备方法

1.本发明属于探测器技术领域，涉及辐射探测器件结构，尤其涉及一种基于多层石墨烯/半导体的辐射探测器阵列及其制备方法。


背景技术：

2.辐射探测在医学透视、无损探伤、安全检查、天文学、材料表征等方面都有着广泛的应用。其中，电离辐射的探测机制分为直接探测和间接探测，其功能分别可以通过例如半导体和闪烁体等功能材料得以实现。在间接电离辐射探测中，输入的电离辐射通过两步过程被转换为电输出信号：首先闪烁体将输入的电离辐射转换为可见光；然后通过光电二极管将可见光信号转换为电信号。但间接型电离辐射探测器由于受到闪烁体材料限制，使得其响应速度及空间分辨率较低；而直接型辐射探测器则是通过辐射吸收材料直接将电离辐射转换为光生载流子，并传输到外部读出电路中，且探测材料具有较大的载流子迁移率与寿命乘积，可以实现更强的辐射探测能力，提高空间分辨率，但其通常具有严苛的工作条件，且造价昂贵。因此，通过挖掘新的器件材料及探测阵列结构用来提升辐射探测灵敏度、降低最低探测极限是亟待解决的问题。
3.与普通金属不同，石墨烯是一种具有透明和柔性的新型二维导电材料，基于石墨烯优越的载流子迁移率、瞬态的声子驰豫时间以及强韧的力学行为等性质，多层石墨烯在热传递/扩散、电能传输、电池电极材料、柔性可穿戴传感器、光电、声波以及气体探测等领域有着广泛的应用。
4.目前基于辐射探测器阵列及其读出电路的研究相对较少，因此针对直接型辐射探测敏感元件的相关参数，设计其对应的读出电路对直接型辐射探测芯片的整体架构有着非常重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和改进需求，提出基于多层石墨烯/半导体的辐射探测器阵列及其制备方法，为大规模集成的直接型辐射探测器芯片提供了方案。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多层石墨烯/半导体的辐射探测器阵列，此辐射探测器阵列由若干单像素直接型辐射探测器组成；其中单像素直接型辐射探测器主要包括半导体衬底与多层石墨烯组成的辐射敏感异质结；所述探测器阵列是异质结单元的面阵阵列。所述辐射探测器阵列是由若干个单像素直接型辐射探测器组成的面阵列，最底层为半导体衬底，在半导体衬底上的氧化层沉积氮化硅并刻蚀形成氮化硅硬掩模隔离槽，在隔离槽中选择性生长绝缘层，形成成行成列排布的网格单元，再刻蚀氮化硅，形成隔离阱，每个网格单元中形成半导体阵列窗口，所述半导体阵列窗口中铺设多层石墨烯；所述半导体阵列窗口与多层石墨烯形成异质结，作为辐射吸收区；每个网格单元为一个像素单元；每一行的像素单元分别通过导电金属连接，最终连接至多层石墨烯接触电极上，
所述多层石墨烯接触电极安装在氧化层上；在半导体衬底上安装欧姆接触电极，所述欧姆接触电极与每一列的像素单元对应；多层石墨烯接触电极、欧姆接触电极和一个像素单元组成一个单像素直接型辐射探测器；所述若干个单像素直接型辐射探测器组成的面阵列的多层石墨烯接触电极和欧姆接触电极通过行/列驱动器连接读出电路。
7.进一步地，所述半导体衬底为硅、锗、铟镓砷、砷化镓、碲化镉、磷化铟、碳化硅或氮化镓中的一种。
8.进一步地，所述多层石墨烯为经过热处理修复缺陷后的石墨烯膜，其厚度为10 ~ 90 nm。
9.进一步地，所述氧化为氧化硅或氧化铝中的一种，厚度为10 ~ 150 nm。
10.进一步地，所述多层石墨烯接触电极和所述欧姆接触电极为导电合金或金属。
11.进一步地，当辐射粒子入射辐射探测器阵列时，所激发的辐射电子在多层石墨烯的层间及垂直传输方向行进过程中撞击束缚的电子，被撞击的电子继续撞击其它束缚电子；在施加外部偏压时，辐射电子和被撞击的电子在到达多层石墨烯/半导体界面处会触发光电效应，通过响应电流的读取，实现对辐射信号及强度的实时读出。
12.进一步地，所述读出电路实现辐射探测器阵列的行选与列选，当辐射探测器阵列的其中一行像素被选择输出时，这一行中的每一个像素的光电转换信号，均通过各自的列通道输出；当辐射探测器阵列的其中一列像素被选择输出时，这一列中的每一个像素的光电转换信号，均通过各自的行通道输出。
13.进一步地，辐射探测器阵列中每一列的像素共享一个列读出通道，每一行的像素共享一个行读出通道，通过采样放大电路对光电转换信号进行放大和模拟处理，经过列选择或行选择的光电转换信号通过可变增益的模拟放大器，输入到模拟前端电路得到模拟信号，并在模数转换电路上变换成数字信号数据，以串行或并行格式输出到读出电路芯片的引脚上，实现辐射探测器阵列信号读出。
14.进一步地，所述辐射探测器阵列与读出电路通过引线键合或倒装焊相连接，实现芯片级封装。
15.本发明提供一种基于多层石墨烯/半导体的辐射探测器阵列的制备方法，包括如下步骤：（1）在长有氧化层的半导体衬底上通过等离子增强化学气相沉积的方法沉积氮化硅，并利用光刻及刻蚀技术制作氮化硅硬掩模隔离槽，在隔离槽中经过热氧化选择性生长绝缘层，形成成行成列排布的网格单元，然后通过化学机械抛光对绝缘层进行平坦化，最后刻蚀氮化硅，形成隔离阱，每个网格单元中形成半导体阵列窗口；（2）在绝缘层上使用光刻和刻蚀技术图形化半导体衬底，形成欧姆接触电极图形，并利用电极沉积工艺与退火工艺，制备与所述半导体衬底接触的欧姆接触电极；（3）在绝缘层上使用光刻与金属沉积工艺对多层石墨烯接触电极进行图形化处理并进行金属淀积，厚度为80 nm；（4）利用具有表面张力的溶剂转移多层石墨烯到步骤（1）中的半导体阵列窗口中，通过溶剂的挥发，展开多层石墨烯的褶皱，使之与半导体衬底形成异质结；
（5）用光刻和相应的石墨烯刻蚀技术，在步骤（4）的基础上图形化多层石墨烯，形成辐射探测器阵列。
16.本发明提出的直接型辐射探测器阵列工作原理如下：（1）当单个像素工作时，在欧姆接触电极上施加反向偏压，在无辐射照射下，采样放大电路时序开启，并采集此刻该像素单元的初始信号；当有辐射照射时，高能粒子通过在多层石墨烯中和其层间、以及与半导体界面处碰撞产生的大量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，此时放大电路时序会再次开启，采集此时像素单元的光电流信号。通过产生二者差值输入进高速模拟数字转换电路中，提取器件的数字信号数据。
17.（2）当本发明的辐射探测器阵列工作时，通过行/列驱动器实现行选与列选，分别对每列的欧姆接触电极与每行的多层石墨烯接触电极间施加反向偏压，以此通过选通的方式来依次实现各个探测器单元的信号读出。
18.（3）探测器在经过高能辐射粒子入射后，多层石墨烯与半导体均会对辐射粒子进行吸收，产生的光生电子-空穴对会在外加偏压的作用下进行分离，最终被两端的电极所收集，所收集到的光响应即可反映入射粒子的辐射能量大小。
19.本发明具有以下有益效果：1. 本发明利用多层石墨烯的独特多层结构，可以在吸收高能辐射粒子之后产生高能量的电子，进而对材料中其它束缚电子进行撞击，并且由于其优于其它金属材料的更长的平均自由程，可以使电子在同样能量下运动更长的路径，进而使得更多的光生信号被收集，进一步降低了辐射探测的最低极限。
20.2. 本发明提供的多层石墨烯/半导体阵列器件结构简单，方便用于大规模制造，且与cmos工艺兼容。多层石墨烯制备工艺成熟，造价相对较低，易于生产与获得。
21.3. 本发明在各像素间设有浅槽隔离，可以有效避免阵列辐射探测的电信号串扰，提高了辐射探测的可靠性。
22.4. 本发明采用行/列选通的方式对信号进行读出，可以实现无损、低噪声的信号收集。
附图说明
23.图1为本发明实施例提供的一种基于多层石墨烯/半导体的直接型辐射探测器16
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16阵列的俯视图，图中：1.半导体衬底、2.多层石墨烯、3.绝缘层、4.多层石墨烯接触电极、5.氧化层、6.欧姆接触电极。
24.图2为本发明实施例提供的一种基于多层石墨烯/半导体的直接型辐射探测器阵列的隔离示意图，图中：1.半导体衬底、3.绝缘层、5.氧化层。
25.图3为本发明实施例提供的一种基于多层石墨烯/半导体的直接型辐射探测器16
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16阵列的制备方法流程示意图。
26.图4为本发明实施例所制备的辐射探测器阵列工作在-1 ~ 0.5 v的偏压下，在暗场和辐照剂量率为1.52的x射线下的电流响应曲线图。
27.图5为本发明基于多层石墨烯/半导体的直接型辐射探测器阵列与其读出电路的集成示意图。
具体实施方式
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例一如图1和图2所示，本实施例提供的一种多层石墨烯/半导体的直接型辐射探测器16
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16阵列，包括组成阵列的256个像素，像素半导体衬底1、多层石墨烯2、绝缘层3、多层石墨烯接触电极4、欧姆接触电极6和氧化层5。
30.所述辐射探测器阵列是由256个单像素直接型辐射探测器组成的面阵列，最底层为半导体衬底1，所述半导体衬底1为硅、锗、铟镓砷、砷化镓、碲化镉、磷化铟、碳化硅或氮化镓中的一种；在半导体衬底1上的氧化层5沉积氮化硅并刻蚀形成氮化硅硬掩模隔离槽，所述氧化层5为氧化硅或氧化铝中的一种，厚度为10 ~ 150 nm，在隔离槽中选择性生长绝缘层3，形成成行成列排布的网格单元，再刻蚀氮化硅，沿垂直向下开浅槽直至半导体衬底1区域，形成隔离阱，隔离阱位于绝缘层3处，每个网格单元中形成半导体阵列窗口，所述半导体阵列窗口中铺设多层石墨烯2，所述多层石墨烯2为经过热处理修复缺陷后的石墨烯膜，其厚度为10 ~ 90 nm；所述半导体阵列窗口与多层石墨烯2形成异质结，作为辐射吸收区；每个网格单元为一个像素单元；每一行的像素单元分别通过导电金属连接，最终连接至多层石墨烯接触电极4上，所述多层石墨烯接触电极4安装在氧化层5上；且多层石墨烯2区域不超出多层石墨烯接触电极4上的导电金属定义的范围。
31.在半导体衬底1上安装欧姆接触电极6，具体为：通过对氧化层5刻蚀形成硅窗口，在每列硅窗口处设有对应的欧姆接触电极6，所述欧姆接触电极6与每一列的像素单元对应；多层石墨烯接触电极4、欧姆接触电极6和一个像素单元组成一个单像素直接型辐射探测器；所述多层石墨烯接触电极4和所述欧姆接触电极6为导电合金或金属；所述若干个单像素直接型辐射探测器组成的面阵列的多层石墨烯接触电极4和欧姆接触电极6通过行/列驱动器连接读出电路。
32.所述辐射探测器阵列与读出电路通过引线键合或倒装焊相连接，实现芯片级封装。
33.当辐射粒子入射辐射探测器阵列时，所激发的辐射电子在多层石墨烯2的层间及垂直传输方向行进过程中撞击束缚的电子，被撞击的电子继续撞击其它束缚电子；在施加外部偏压时，辐射电子和被撞击的电子在到达多层石墨烯/半导体界面处会触发光电效应，通过响应电流的读取，实现对辐射信号及强度的实时读出。
34.所述读出电路实现辐射探测器阵列的行选与列选，当辐射探测器阵列的其中一行像素被选择输出时，这一行中的每一个像素的光电转换信号，均通过各自的列通道输出；当辐射探测器阵列的其中一列像素被选择输出时，这一列中的每一个像素的光电转换信号，均通过各自的行通道输出。辐射探测器阵列中每一列的像素共享一个列读出通道，每一行的像素共享一个行读出通道，通过采样放大电路对光电转换信号进行放大和模拟处理，经
过列选择或行选择的光电转换信号通过可变增益的模拟放大器，输入到模拟前端电路得到模拟信号，并在模数转换电路上变换成数字信号数据，以串行或并行格式输出到读出电路芯片的引脚上，实现辐射探测器阵列信号读出。
35.其中，长有100 nm氧化层的硅衬底为n型轻掺硅，厚度为200 ，电阻率为1~10 ω
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cm，绝缘层3材料采用二氧化硅，厚度为100 nm，多层石墨烯2的尺寸为200
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200 。
36.实施例二如图3所示，制备上述基于多层石墨烯/半导体的直接型辐射探测器16
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16阵列，包括以下步骤：（1）准备硅片，包括衬底和氧化层5；（2）在长有氧化层5的硅衬底上通过等离子增强化学气相沉积(pecvd)的方法沉积氮化硅，并利用光刻及刻蚀技术制作氮化硅硬掩模隔离槽，再经过热氧化法选择性生长二氧化硅作为绝缘层，然后通过化学机械抛光对绝缘层进行平坦化，最后刻蚀氮化硅，形成隔离阱；（3）在氧化层上使用光刻技术图形化硅衬底，并在boe溶液中进行刻蚀，形成欧姆接触电极图形，并利用磁控溅射技术沉积10 nm钛电极，之后先进行快速退火处理，750℃退火20秒，接着850℃退火20秒，使钛与硅衬底形成合金；然后再次通过磁控溅射工艺溅射10 nm钛电极与70 nm金电极，此步所述中的钛电极作为黏附层。之后在去胶溶液中进行剥离，以此制备出与所述硅衬底形成的良好欧姆接触电极；其中，所述boe刻蚀液由hf、nh4f和水组成，hf : nh4f : h2o = 30ml : 60g : 100ml ( hf的体积浓度为48%)。
37.（4）在氧化层上使用光刻与磁控溅射工艺对多层石墨烯接触电极进行图形化处理，生长10 nm钛电极与70 nm金电极，在去胶溶液中进行剥离；（5）利用高表面张力的溶剂如无水乙醇转移多层石墨烯到网状二氧化硅绝缘层形成的网格状硅阵列窗口中，通过使用高纯氮气，促进溶剂的挥发，展开多层石墨烯的褶皱，使之与硅衬底形成异质结；（6）对器件再次进行光刻，用光刻胶覆盖所需多层石墨烯图形的定义区域。再通过氧等离子体反应离子刻蚀技术(oxygen plasma icp-rie)，其功率和刻蚀时间分别为75 w，3分钟。刻蚀掉光刻胶外的多余石墨烯，刻蚀完成后，用丙酮和异丙醇清洗去除残余光刻胶。
38.（7）对整个阵列器件进行快速退火处理，退火温度为200℃，时间为5分钟，形成辐射探测器阵列。
39.本发明提供了一种多层石墨烯/半导体的辐射探测器阵列结构，提出了一种制备大规模多层石墨烯/半导体的辐射探测器阵列的方法。在本发明中，阵列辐射探测器通过行/列驱动器输出的辐射响应信号输入进读出电路中，实现行选与列选，当某行像素被选择输出时，这一行中的每一个像素的光电转换信号，都通过各自的列通道输出。
40.实施例三本发明中实施例所制备的辐射探测器阵列工作在地铁安检场景中时，将辐射探测器阵列放置在安检仪器中，并同步设有x射线管，本实施例使用n型硅衬底的辐射探测器阵列，器件工作在-1 ~ 0.5 v的偏压下，暗场和x射线辐照剂量率为1.52
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时的响应
曲线图如图4所示，图中虚线表示暗场下的器件电流响应，实线表示器件在剂量率为1.52 的x射线辐照下的电流响应。从图4中可以看出，所制备的器件在较低的辐射剂量率下拥有较高的响应光电流，证实本发明所提出的器件能够被应用于x射线探测，且对低剂量率的x射线有较高的灵敏度，当安检设备上有行李物体经过时，对x射线进行一部分遮挡，此时探测器阵列便可以产生敏锐的响应变化。
41.图5展示了16
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16阵列读出电路与辐射探测器阵列集成示意图，包括输入模块、模拟前端放大电路、模数转换电路及输出模块。其中，所述模拟前端电路中包含有3个mosfet及对应的电容，当施加一个固定偏压时，可以将电流输入信号转化为电压信号，可实现对辐射探测器阵列信号的转换、放大及读取且性能稳定；所述adc电路对采样电路及模拟前端电路进行模数转换，包括时序控制功能，可以提供工作脉冲信号及复位脉冲信号。通过读出电路对多路输出信号进行放大、模数转换等处理，实现高质量、低噪声的阵列信号输出。利用如图5的集成芯片模块，加入后端图像处理装置，可实现在安检设备中的成像应用。
42.辐射探测器阵列在医疗诊断、工业检测和安检等领域具有重要的应用价值。本发明基于多层石墨烯/半导体的辐射探测器可以采用标准cmos半导体工艺制作探测器阵列。同时，像素间采用浅槽隔离技术，有效减少了不同像素间串扰的发生。探测器阵列通过行/列选择器与读出电路进行片上或片外集成，并实现芯片级封装。
43.以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。