阅读说明：本技术 基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器 (Radiation detector based on graphene charge-coupled device ) 是由 徐杨 董云帆 吕建杭 刘亦伦 俞滨 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器,由若干像素组成阵列,单个像素包括栅极、半导体衬底、绝缘层、源极、漏极、石墨烯薄膜和隔离。辐射粒子由背部入射后被半导体衬底吸收,产生与入射能量成正比的电子空穴对,其中少子积累到由脉冲栅压产生的深耗尽势阱中,石墨烯耦合出与势阱中空穴对应的等量电子,通过监测石墨烯电流读出势阱中的载流子数量,像素间设有隔离防止串扰。由于石墨烯薄膜的特殊性质,其通过电容性耦合有效收集载流子,产生的电流信号直接从单个像素结构输出,实现随机无损读出,无需采用传统电荷耦合器件的像素之间横向转移电荷方式,且石墨烯本身具有增益效应,从而提高辐射探测灵敏度和探测极限。(The invention discloses a radiation detector based on a graphene charge-coupled device, which is formed by a plurality of pixels into an array, wherein each pixel comprises a grid, a semiconductor substrate, an insulating layer, a source electrode, a drain electrode, a graphene film and an isolation. Radiation particles are absorbed by the semiconductor substrate after being incident from the back, electron hole pairs in direct proportion to incident energy are generated, minority carriers are accumulated in a deep depletion potential well generated by pulse grid voltage, equal-quantity electrons corresponding to holes in the potential well are coupled out by graphene, the number of carriers in the potential well is read by monitoring current of the graphene, and isolation is arranged among pixels to prevent crosstalk. Due to the special properties of the graphene film, carriers are effectively collected through capacitive coupling, generated current signals are directly output from a single pixel structure, random lossless reading is achieved, a mode of transversely transferring charges among pixels of a traditional charge coupling device is not needed, and the graphene has a gain effect, so that the radiation detection sensitivity and the detection limit are improved.)

基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器

技术领域

本发明属于辐射探测技术领域，涉及电离辐射探测器件结构，尤其涉及一种基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器。

背景技术

辐射探测器在医疗诊断、工业检测和国防安全等领域具有重要的应用价值。其中，固体探测器可分为间接探测器和直接探测器两种。间接探测器首先利用闪烁体吸收电离辐射将其转换为可见光，再利用光电探测阵列进行信号探测。利用闪烁体进行间接探测的优点是响应速度快、造价低廉。但由于受到光学折射和散射引起的串扰影响，空间分辨率较低。直接探测器则是利用光敏半导体材料吸收高能射线后产生电子-空穴对，将粒子直接转换为电信号，可以实现更好的空间分辨率和探测最低限制，但通常价格昂贵，工作条件苛刻，可探测辐射能量较低。因此，通过采用设计新型的器件结构以提升辐射探测器的探测灵敏度和降低辐射探测极限具有非常重要的意义。

电荷耦合器件(CCD)图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，信号电流再经过放大和模数转换，就可以实现图像的获取、传输和处理。作为光电探测器，CCD图像阵列系统被应用于相机、扫描仪等设备的感光组件，具有良好的感光效率和成像品质。

石墨烯是一种新型二维材料，由单层sp²杂化碳原子构成蜂窝状二维平面晶体薄膜，具有优异的力、热、光、电等性能。石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料。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。石墨烯覆盖在半导体氧化片上可以构成简单的石墨烯场效应晶体管(FET)，制备工艺简单，易于转移到任何衬底上。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器，由若干探测器像素组成辐射探测器阵列；单个像素自下而上设有栅极、半导体衬底和绝缘层，所述绝缘层上表面水平间隔设有漏极和源极，在绝缘层、漏极和源极上表面覆盖石墨烯薄膜，所述绝缘层两侧设有隔离；所述辐射探测器阵列与读出电路接口通过引线键合的方式实现封装。

进一步地，所述隔离采用深槽隔离技术，沿垂直向下开槽直至半导体衬底区域，利用深槽区以隔离不同像素，减少探测器阵列在进行辐射探测中像素间的串扰。

进一步地，所述石墨烯薄膜覆盖在绝缘层与漏极及源极上表面，且不超出漏极与源极定义的范围。

进一步地，所述半导体衬底材料为硅、锗、碳化硅、砷化镓、碲化镉或铟镓砷中的一种。

进一步地，所述绝缘层材料为氧化硅、氧化铝或氮化硅中的一种，厚度为5nm～100nm。

进一步地，所述石墨烯薄膜为单层CVD石墨烯薄膜。

进一步地，当单个像素工作时，在所述栅极及源极之间施加一个脉冲栅压V_gs，驱动所述半导体衬底进入深耗尽状态；同时在所述漏极及源极之间施加一个固定偏压V_ds，通过读取源漏之间的电流I_ds判断辐射的剂量。

进一步地，辐射探测器的探测对象为电离辐射，包括光子辐射或亚原子粒子中的一种或几种，其中，光子辐射包括X射线和γ射线，亚原子粒子包括α粒子、β粒子和中子；探测器采用背部入射的方式进行工作，减少高能辐射对绝缘层的损害。

进一步地，当粒子进入辐射探测器后，引起深耗尽势阱内的电荷积累，同时，所述石墨烯薄膜中耦合出与势阱中空穴对应的等量电子，导致石墨烯薄膜的载流子浓度改变，从而改变其电导率。通过实时监测石墨烯薄膜两端的电流变化，对辐射信息进行随机无损读取。

进一步地，读出电路对多路输出信号进行放大、滤波、模数转换等处理，实现高质量、低噪声的阵列信号输出。

本发明提出的辐射探测器工作原理如下：

(1)在单个像素工作时，在栅极和源极之间施加一定频率的脉冲栅压，电压正极施加在栅极。石墨烯薄膜、绝缘层与半导体衬底形成MIS结，随着栅电压逐渐增大，半导体衬底会进入耗尽状态。栅压足够大时，半导体衬底-绝缘层界面形成反型层。由于栅压为脉冲信号，而少数载流子的产生需要一定的寿命时间，此时不会立即出现反型层且仍保持为耗尽状态，即半导体衬底内形成深耗尽区。

(2)探测器采用背部入射的方式进行工作，减少高能辐射对绝缘层的损害，当粒子从背部入射到器件后，进入半导体衬底的耗尽区，耗尽区吸收光子产生电子-空穴对，并在衬底的电场作用下分离，其中空穴被储存在深耗尽势阱中，并随时间不断积累，积累速率反映了入射粒子的能量。

(3)表面石墨烯耦合出与势阱中空穴对应的等量电子，导致石墨烯薄膜的载流子浓度发生变化，从而改变其电导率。在漏极与源极之间施加固定的偏置电压，通过监测石墨烯薄膜上的电流变化，即可计算出深耗尽势阱中所积累的载流子数量，进而判断辐射的能量。

(4)当阵列器件工作时，辐射探测器阵列与读出电路接口通过引线键合的方式实现封装，读出电路对多路输出信号进行放大、滤波、模数转换等处理，实现高质量、低噪声的阵列信号输出。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明将一定频率的脉冲偏压加到CCD背栅电极，使半导体衬底进入深耗尽状态，粒子由背部入射后，被半导体衬底吸收。耗尽区产生的电子空穴对在内部电场作用下分离，电子被石墨烯收集，从而形成较大的电流信号。

2.本发明器件结构简单，易于大规模制造，且与CMOS工艺兼容。石墨烯制备工艺成熟，造价相对较低，易于制备生产。

3.由于石墨烯特殊的性质，可通过电容性耦合有效收集载流子，产生的电流信号直接从单个像素结构输出，实现随机、无损和高速读出，无需采用传统CCD器件的像素之间横向转移电荷方式，提高了辐射探测的响应速度和灵敏度。

4.本发明在像素间设有深槽隔离，减少了阵列探测的串扰影响，提高了辐射探测的可靠性。

5.本发明通过石墨烯本身具有较高的增益，实现与传统CCD器件相似的积分功能，即使在低剂量环境下也能得到较大的响应，提高了辐射的最低探测极限。

附图说明

图1为本发明基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器的结构图，图中：栅极1、半导体衬底2、绝缘层3、漏极4、源极5、石墨烯薄膜6、隔离7；

图2为本发明中实施例所制备的辐射探测器工作在0～-30V，占空比为90％的0.2Hz脉冲栅压下，在暗场和剂量率为85nGy_air s^-1X射线下的响应曲线图；

图3为本发明基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器2×2阵列集成示意图。

具体实施方式

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。

如图1所示，本实施例提供的一种基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器，包括组成阵列的若干像素，像素包括栅极1、半导体衬底2、绝缘层3、漏极4、源极5、石墨烯薄膜6与隔离7。

其中，隔离7位于绝缘层3两侧，沿垂直向下开槽直至半导体衬底2区域；绝缘层3上表面水平间隔设有漏极4与源极5，绝缘层3、漏极4和源极5上表面覆盖石墨烯薄膜6，且石墨烯薄膜6区域不超出漏极4与源极5定义的范围；石墨烯薄膜6与绝缘层3、半导体衬底2形成MIS结构。

其中，栅极1由重掺杂区和接触金属组成，接触金属所用材料为铝，半导体衬底2材料为n型轻掺硅，厚度为500μm，电阻率为1K～10KΩ·cm，绝缘层3材料为二氧化硅，厚度为100nm，漏极4和源极5所用材料为铬/金合金，石墨烯薄膜6的尺寸为2mm×2mm，隔离7填充材料为氧化硅。

制备上述基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器，包括以下步骤：

(1)准备硅片，包括衬底和绝缘层；

(2)在背面光刻并注入掺杂的离子以形成栅极重掺杂区，高温退火激活掺杂，之后光刻制作出栅极金属图形，沉积铝金属层；

(3)在表面使用光刻技术制作出隔离图案，刻蚀之后利用化学气相沉积在槽中填满二氧化硅，再利用化学机械抛光，形成隔离；

(4)在表面光刻制作出源极和漏极的图形，然后采用电子束蒸发或热蒸发技术，首先生长厚度约为15nm的铬黏附层，然后生长80nm的金层作为电极；

(5)在源极、漏极和二氧化硅绝缘层的上表面覆盖单层石墨烯薄膜；石墨烯使用湿法转移：将单层石墨烯表面均匀旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，然后放入酸性刻蚀溶液中浸泡约6h腐蚀去除铜箔，留下由PMMA支撑的单层石墨烯薄膜；将PMMA支撑的石墨烯薄膜用去离子水清洗后转移到二氧化硅绝缘层、源极和漏极的上表面；最后用丙酮和异丙醇浸泡样品去除PMMA；

(6)对器件再次进行光刻，用光刻胶覆盖所需单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75W，3min。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。

如图1所示，对上述基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器加脉冲栅压，驱动衬底进入深耗尽工作状态，实现光子吸收和电荷积累。在石墨烯两端施加固定偏压，通过监测石墨烯的电流变化，实现势阱内电荷的无损读出。其中栅电压的一端连接在器件栅极上，栅电压另一端连接在器件源极上，在源极和漏极之间加固定偏压。

本发明中实施例所制备的辐射探测器使用n型硅衬底，器件工作在0～-30V，占空比为90％的0.2Hz脉冲栅压下，源漏间固定偏压为0.01V。在暗场和剂量率为85nG_yairs^-1X射线下的响应曲线图如图2所示。从图2可以看出，所制备的器件具有良好的线性度，响应光电流大，证实器件能够被应用于X射线探测。

辐射探测器阵列有广泛的应用，可应用于医学成像、剂量检测等。本发明基于石墨烯电荷耦合器件的辐射探测器可用标准半导体工艺制作探测器阵列。同时，像素间采用深槽隔离技术隔离不同像素，减少探测器阵列在进行辐射探测中像素间的串扰。探测器阵列通过片上集成或片外连接的方式与读出电路连接起来完成封装，图3展示了2×2阵列集成示意图，通过读出电路对多路输出信号进行放大、滤波、模数转换等处理，实现高质量、低噪声的阵列信号输出。

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。