具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意含及代表该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能作出清楚区分。

基于红外成像、石墨烯特有的光电性质以及单像素成像的特有优势，我们通过研究制备了石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片，并以此为核心，设计搭建了宽光谱的单像素成像系统。相较于现有红外成像系统具有低成本、易集成及宽光谱成像等诸多优势。

本公开的实施例提供了一种基于石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法，请参见图1，包括：S1，在CMOS集成电路表面沉积隔离层；S2，在隔离层中刻蚀通孔，填充金属；S3，在隔离层表面溅射金属镍层；S4，在金属镍层的表面等离子增强化学气相淀积石墨烯；S5，腐蚀去除金属镍层；S6，制备电极，得到基于石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片。

具体地，IC流片之后通过后工艺在裸片表面沉积一层氮化硅隔离层；将隔离层研磨平坦化后通过光刻工艺做出通孔图案模板，利用干法刻蚀在隔离层刻蚀出连接通孔，随后沉积金属钨做为连接层；去除光刻胶及其表层金属钨后，再将表面研磨平坦化，利用光刻工艺做出溅射金属图案模板，利用模板在氮化硅隔离层上溅射指定图案的金属镍作为石墨烯生长催化层，并去除模板之外的金属；在沉积的金属图案上通过等离子体增强化学气相沉积法生长石墨烯；随后用PMMA作为保护层腐蚀催化的金属，去除PMMA保护层后通过光刻工艺和真空蒸镀工艺做出指定电极图案，电极与通孔金属相连，从而实现石墨烯探测器与IC芯片的互联。

在上述实施例的基础上，包括：S7，热注入生长量子点，在探测器芯片表面层层自组装沉积量子点薄膜，探测器芯片表面包括电极、石墨烯的表面。

之后在探测器上通过层层自组装工艺旋涂量子点薄膜，完成石墨烯探测器的光响应增强，经外部压焊之后完成石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片。

在上述实施例的基础上，S2包括：紫外光刻和干法刻蚀在隔离层中刻蚀通孔，磁控溅射金属作为连接层。

刻蚀通孔包括：光刻工艺旋涂负胶、前烘、紫外曝光、后烘、显影在衬底上制备光刻图形，显影后暴露出来的图形即为金属通孔对应图形，这里采用钨填充通孔。

磁控溅射金属钨包括：采用射频溅射纯度为99.99％的钨靶材，在氩气氛围下，并且真空条件下进行磁控溅射。

在上述实施例的基础上，S4包括：生长气体为CH₄∶H₂＝1∶8～1∶12，真空度为10mbar～25mbar，等离子体采用10kHz～20kHz射频等离子体，在金属镍层的表面等离子增强化学气相淀积石墨烯。

等离子增强化学气相淀积法是一种低温生长石墨烯的方法，避免了在高温下生长石墨烯与CMOS工艺不兼容，而损坏CMOS集成电路的问题。

在上述实施例的基础上，S5包括：旋涂PMMA后烘干，使用硫酸铜和盐酸的混合液进行金属腐蚀，去离子水冲洗，风干后使PMMA玻璃化，随后用丙酮去除PMMA。

与标准湿法转移石墨烯方案相比更为简洁，避免了基底间的来回捞取导致石墨烯破损可能性，同时石墨烯的生长是按照金属图案生长的，减少了石墨烯的刻蚀图形化，减少了工艺步骤。

在上述实施例的基础上，量子点为PbS，S7中热注入生长量子点包括：分别将硫源、PbO溶于有机溶剂中，配成溶液A和溶液B；将溶液B加热到120℃～180℃后，将溶液A迅速注入到B中进行反应；停止加热，等待溶液逐步降温至室温；离心提纯，将离心产物分散于非极性有机溶剂中，完成PbS量子点的制备。

采用热注入法生长PbS量子点，并使用层层自组装法沉积量子点薄膜，需要注意的是，停止加热后，等待溶液逐步降温至室温，通过逐步降温的方法使得量子点生长过程中有多个温度梯度且有足够的时间进入奥斯特瓦尔德熟化，与传统量子点生长相比生长的量子点具有宽光谱响应的技术效果。

在上述实施例的基础上，在探测器芯片表面层层自组装沉积量子点薄膜包括：滴取量子点溶液；待表面干燥后滴取乙二硫醇溶液，启动匀胶机进行配体置换，重复该过程三次；待表面干燥后使用非极性有机溶剂和乙腈进行清洗。

在量子点生长过程中使用了油酸作为量子点配体试剂，这是一种长链配体不利于载流子传输，这里通过乙二硫醇溶液进行配体置换，将量子点置换成导电性能更好的短链配体，更有利于石墨烯与量子点之间异质结的形成。同时自组装过程中可以通过量子点溶液浓度、旋涂转速及旋涂次数控制量子点薄膜的厚度。

在上述实施例的基础上，S1～S7步骤的温度不超过400℃。

为避免高温损坏CMOS集成电路，整个后工艺流程不超过400℃，实现石墨烯器件与CMOS处理电路的单片集成。

本公开还提供了一种基于石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片的红外成像系统，请参见图2，包括：宽光谱光源21，光谱范围为760nm～2000nm，用于照射待成像物体22；第一透镜23，用于将待成像物体22反射的光汇聚到数字微镜器件24上；数字微镜器件24，用于将第一透镜23的光进行光路调制；第二透镜25，用于将调制后的光汇聚到探测器芯片26，探测器芯片26是前述基于石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片的制备方法得到的基于石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片；数据采集卡27，用于对探测器芯片进行数据采集和转换。

基于石墨烯-CMOS单片集成探测器芯片的单像素宽光谱红外成像系统，包括石墨烯-CMOS单片集成探测器芯片、宽光谱光源、涂镀防反射膜的凸透镜、数字微镜器件(Digtial Micromirror Devices，DMD)、ART数据采集卡和计算机。请参见图3，其中宽光谱光源21照射到待成像物体22上，经待成像物体22反射后，第一块镀膜凸透镜(第一透镜23)将反射光汇聚到DMD微镜(数字微镜器件24)上，经DMD调制后在通过第二块镀膜凸透镜(第二透镜25)将调制光汇集到石墨烯-CMOS单片集成探测器芯片26上的感光面上；通过计算机控制DMD的翻转，并给出同步信号输入到ART数据采集卡27，数据采集卡27收到同步信号后开始进行A/D转换并将采集数据以表格形式传输到计算机上进行图像恢复；石墨烯-CMOS单片集成探测器芯片及其集成方案，包括自上而下在CMOS集成电路上沉积隔离层、以金属催化剂为牺牲层生长的石墨烯、采用层层自组装方法旋涂量子点。

本公开设计了基于石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片的单像素宽光谱成像系统，以石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片为核心，实现从760nm～2000nm光谱范围内的探测成像。为避免高温损坏CMOS集成电路，整个后工艺流程不超过400℃，实现石墨烯器件与CMOS处理电路的单片集成。

在上述实施例的基础上，数据采集卡还用于配合测量矩阵导入恢复算法，实现单像素成像。

光源为760nm～2000nm宽光谱光源，透镜为镀抗反射膜凸透镜，测量矩阵为部分哈达玛矩阵，恢复算法为正交追踪基算法。光源照射物体反射后，通过红外凸透镜将红外光汇聚到DMD上，经DMD调制后再将调制光汇集到石墨烯-CMOS单片集成的探测器芯片的感光面上，经由A/D转换后配合测量矩阵导入恢复算法，即可实现单像素成像。

该单像素宽光谱红外成像系统，包括石墨烯-CMOS单片集成探测器芯片，并将其作为单像素单元，经镀膜透镜及DMD调制后可以实现760～2000nm光谱范围的多光谱成像。

本公开结合石墨烯与CMOS集成电路的特性，设计了特有的石墨烯与CMOS集成电路的光电集成方案，设计了具有宽光谱响应的探测器芯片，并以该芯片为核心，在现有的单像素成像的基础上设计搭建了宽光谱单像素红外成像系统。通过这样一种低成本方式我们实现在760～2000nm光谱范围的多光谱成像，可以有效地解决现有红外成像领域低成本、宽光谱成像的技术难点；并且单像素的成像模式可以解决现有阵列成像的阵列不均匀问题，在采样上也能对数据进行压缩，减少数据量。

下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。

参照图4，石墨烯-CMOS单片集成探测器芯片后工艺流程包括以下步骤：

第1步：使用丙酮、无水乙醇、去离子水在超声清洗机中以80％功率依次清洗5min，重复3次，保证集成电路表面洁净。

第2步：采用等离子体采用等离子增强化学气相淀积法PECVD，生长气体SiH₄和N₂O的条件下，在衬底上淀积厚度为3μm～4μm的氮化硅作为氮化硅隔离层，相当于S1。

第3～5步：利用紫外光刻和干法刻蚀在氮化硅成刻蚀出10μm×10μm的通孔，随后利用磁控溅射技术溅射金属作为连接层。

其中光刻工艺旋涂负胶(转速6000rpm，20s)、前烘(110℃，2min)、紫外曝光(300W，30s)、后烘(100℃，2min)、显影(2min 30s)在衬底上制备光刻图形，显影后暴露出来的图形即为金属钨通孔对应图形。

磁控溅射金属钨包括：使用200W的功率，射频溅射纯度为99.99％的钨靶材，在氩气氛围下，并且真空度为0.5mTorr的条件下进行磁控溅射。

第6步：利用丙酮去除氮化硅上光刻胶及多余金属钨，采用化学机械抛光法对氧化硅隔离层进行表面平坦化，选取MultiPrep精密研磨抛光系统，选取研磨盘转速为100rpm，研磨力头转速为1倍速，样品负重为0档，抛光液选取50nm碱性硅胶，抛光时间60min，使芯片表面达到nm量级的平坦度，相当于S2。

第7步：利用磁控溅射溅射金属镍作为催化层，溅射金属镍包括使用200W的功率，射频溅射纯度为99.99％的镍靶材，在氩气氛围下，并且真空度为0.5mTorr的条件下进行磁控溅射，最终溅射金属镍厚度为50nm，相当于S3。

第8～9步：利用等离子增强化学气相淀积法PECVD，在生长气体为CH₄∶H₂＝1∶8的条件下生长石墨烯，生长过程中Ar作为保护气，真空度为10mbar，等离子体采用15kHz射频等离子体，电压设置为800V，保护电流为0.15A，额定功率50W，相当于S4。

第10～12步：生长石墨烯后旋涂PMMA作为保护层，利用硫酸铜和盐酸的混合液进行金属腐蚀，具体步骤如下：

控制匀胶机转速为3000r/min，旋涂PMMA后在100℃烘干1min，随后浸入硫酸铜和盐酸的混合液刻蚀4～5h，刻蚀金属后用大量去离子水进行冲洗，风干后在150℃下使PMMA玻璃化，随后用丙酮去除PMMA保护层，相当于S5。

第13～14步：利用紫外光刻和真空蒸镀法沉积指定位置的电极，具体步骤如下：

其中光刻工艺旋涂负胶(转速6000rpm，20s)、前烘(110℃，2min)、紫外曝光(300W，30s)、后烘(100℃，2min)、显影(2min 30s)在衬底上制备光刻图形，采用真空蒸镀发蒸镀10/150nm钛金合金作为电极，最后在丙酮中去除多余光刻胶经行金属剥离，相当于S6。

第15步：采用热注入法生长PbS量子点，并使用层层自组装法沉积量子点薄膜，相当于S7，具体步骤如下：

1.铅源准备，称取0.9gPbO，量取20mL1-十八烯，3mL油酸放入三颈烧瓶中，放入搅拌磁子后用密封胶带做好密封；

2.打开真空泵，旋转布莱克系统至真空，排除铅源中的水、氧，设定磁力搅拌为400r/min，同时设定加热终点温度为90℃，铅源制备时间较长，一般为3～4个小时，直至溶液清澈透明；

3.硫源准备，首先量取大于10mL的1-十八烯于另一三颈烧瓶中，加入磁子，用密封胶带做好密封，旋转布莱克系统至真空，调整磁子转速为500r/min排除试剂水、氧。

4.将排除过水、氧的1-十八烯放入手套箱中，量取10mL1-十八烯，在手套箱中用滴管取0.28mL(双三甲基硅基)硫醚，配置成硫前驱体。

5.待铅源清澈透明之后，往其中通入氮气，再抽空，反复三次，最后通入氮气后，关闭布莱克系统，设定温度在150℃，等升温至150℃时，用注射器抽取10mL硫前驱体，快速注入铅前驱体中。

6.溶液迅速变黑，此时关闭加热系统，等待溶液降温至室温，反应结束，拆下密封胶带，将反应后溶液倒入离心管中，加入MOS级甲醇作为沉淀剂。

7.设置离心参数，离心转速设置为8000r/min，离心时间设置为8min，离心结束后倒掉上清液，加入适量正己烷溶解沉淀，随后再加入适量MOS甲醇进行离心，重复2-3次。

8.将得到的沉淀烘干，再用正己烷作为分散剂，配置浓度为30mg/mL的PbS量子点溶液。

层层自组装制备量子点薄膜步骤具体如下：

调节匀胶机转速为3000r/min，旋涂时间为20s，用滴管滴1-2滴量子点溶液；待片子表面干燥滴取1-2滴乙二硫醇溶液，启动匀胶机进行配体置换，重复该步骤3次，保证配体置换完全；待片子干燥后用量子点溶液溶剂和乙腈进行清洗。

参照图5，石墨烯-CMOS单片集成探测器芯片包括在CMOS集成电路54上沉积氮化硅隔离层53、生长石墨烯用的催化金属、石墨烯薄膜52及量子点薄膜51。其中石墨烯图形化后与量子点薄膜共同组成石墨烯-量子点异质结器件，通过通孔与下层的集成电路垂直互联。

第16步：参照图2光路设计，搭建单像素成像系统，实现单像素成像，具体如下：

1.用750～2000nm宽光谱光源照射待成像物体，经物体反射的光经第一组镀膜透镜汇聚后投射到DMD上，依次对每个像素进行光路调制。

2.将用matlab编写的测量矩阵输入到DMD控制芯片中，按照一定时许对反射光进行调制，可以使DMD数字微镜每个像素对应±12°偏转。

3.使用第二组透镜将经过DMD调制后的光源汇聚到石墨烯-CMOS探测器芯片的有源区，经过阿尔泰数据采集卡采集和转换后得到M个测量值。

4.将M个测量值导入matlab中通过求解L₀最小范数重建图片。

图6是随机测量矩阵的其中一行转换成的DMD二值控制矩阵示意图。

图7是原图以及在不同的采样率下通过正交匹配追踪基算法还原出的图像。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。