CN100447583C - 用于紫外光探测器的双层减反射膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

用于紫外光探测器的双层减反射膜及其制备方法，涉及一种光学薄膜。提供一种具有高减反射效率以及抗玷污力和抗辐射性能强的主要用于紫外光探测器的双层紫外减反膜及其制备方法。设有n⁺型4H-SiC衬底，在n⁺型4H-SiC衬底上从下到上依次生长SiO₂层和Al₂O₃层，SiO₂层厚度为d₁＝λ/2n₁，Al₂O₃层厚度为d₂＝λ/4n₂，λ为光波长，n₁、n₂为SiO₂、Al₂O₃的折射率。制备时，清洗衬底；将蒸发源和衬底放入电子束蒸发设备的蒸发腔腔体；封闭蒸发腔腔体，抽真空，真空度至少3.0×10^-3Pa；预熔蒸发源，同时通氧气，用电子束轰击蒸发源进行镀膜；对蒸发腔放气降温至室温，取出样品。

Description

用于紫外光探测器的双层减反射膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光学薄膜，尤其是涉及一种用于紫外光探测器的双层减反射薄膜的设计及其制造工艺。

背景技术

减反射膜在光电探测器(PD)、发光二极管(LED)以及太阳能电池等半导体器件上有着广泛的应用。近年来，在军用和民用等领域具有重要应用价值的SiC基和GaN基紫外探测器已经研制成功。为了进一步提高紫外探测器的性能，紫外减反射膜的研究具有很重要的意义。

为了获得具有高量子效率和响应度的探测器，应尽量减少紫外光在探测器光敏面的反射，以使光子能够最大限度地进入半导体内生成电子-空穴对。一般的方法是在探测器光敏面上生长一层光学厚度为1/4光波长的SiO₂作为减反射膜，公开号为CN1309191的发明专利申请提供一种InSb红外焦平面列阵器件减反射膜淀积方法及专用掩膜架。但SiO₂的缺点是抗离子玷污能力和抗辐射性能较差，尤其是这种单层减反射膜对4H-SiC衬底仍然具有高于3.0％的反射率，这对于高响应度探测器是不能满足其要求的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的单层SiO₂减反射膜存在效率低、抗离子玷污力差和抗辐射性能不强等缺点，提供一种具有高减反射效率以及抗玷污力和抗辐射性能强的主要用于紫外光探测器的双层紫外减反膜及其制备方法。

本发明的技术方案是从透光性、机械强度、抗辐射、抗离子玷污和附着力等方面综合考虑，采用Al₂O₃/SiO₂/4H-SiC结构，选用Al₂O₃和SiO₂制备紫外双层减反射膜，以提高探测器的量子效率和响应度。

本发明所述的用于紫外光探测器的双层减反射膜设有n⁺型4H-SiC衬底，在n⁺型4H-SiC衬底上从下到上依次生长SiO₂层和Al₂O₃层，其中SiO₂层的厚度为d₁＝λ/2n₁，Al₂O₃层的厚度为d₂＝λ/4n₂，其中λ为光波长，n₁、n₂分别为SiO₂、Al₂O₃的折射率。

当将紫外光探测器的双层减反射膜用于制备探测器时，在n⁺型4H-SiC衬底上设有电极，电极可采用Ni/Au金属电极等，在电极与Al₂O₃层上溅射焊盘，焊盘的接触金属可采用Ti/Au等。

本发明所述的用于紫外光探测器的双层减反射膜的制备方法包括以下步骤：

1)衬底的清洗：

a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗至少1遍，再用去离子水冲洗。

b.将冲洗后的衬底放入氢氟酸内浸泡至少1min。

c.将浸泡氢氟酸后的衬底放入浓硫酸煮至少10min。

d.将煮过浓硫酸的衬底依次用一号液和二号液煮至少10min，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用，一号液为氨水、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比氨水∶过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶5，二号液为盐酸、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比盐酸∶过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶5。

2)将蒸发源和清洗后的衬底放入电子束蒸发设备的蒸发腔腔体内。

3)封闭蒸发腔腔体，抽真空，真空度至少3.0×10^-3Pa。

4)预熔蒸发源，同时通氧气，用电子束轰击蒸发源进行镀膜。

5)对蒸发腔放气降温至室温，取出样品。

蒸发源最好为Al₂O₃和JGS1石英晶体。封闭蒸发腔腔体后，可升温至250～350℃。

紫外光探测器的双层减反射膜中SiO₂层和Al₂O₃层的作用分别如下：SiO₂层作为底层薄膜在衬底4H-SiC上淀积是因为SiO₂层与4H-SiC、Al₂O₃都具有较好附着力。SiO₂层的制备一是考虑钝化层的作用，对暗电流的降低具有非常好的效果；二是考虑增透膜的作用，用电子束蒸发制备的SiO₂层具有很低的消光系数(＜10^-6)，对紫外光的增透具有很好的作用。Al₂O₃层在对紫外光增透的同时，起到了抗辐射和抗玷污的作用，同时，由于它具有硬度大、稳定性好和耐腐蚀的优点，因此将其作为双层减反膜的外层，起到了至关重要的作用。

以下对本发明的原理作简单介绍。已有的4H-SiC MSM光电探测器是在衬底表面热氧化生长一层光学厚度为1/4光波长的SiO₂层作为减反射膜，它一方面对探测器起着钝化保护作用；另一方面降低入射光在光敏面的反射。但SiO₂的抗辐射性能和抗离子玷污能力都较差(尤其是Na⁺离子)，并且由于其折射率不满足 $n_f=\sqrt{n_0{n}_s}$ (其中n₀、n_f、n_s分别为空气、SiO₂层、4H-SiC衬底的折射率)的零反射条件，这种单层减反射膜对4H-SiC衬底仍然具有高于3％的反射率，这对高响应度的紫外探测器是不能满足要求的。

本发明选用SiO₂和Al₂O₃(两种在紫外波段透光性最好的氧化物硬膜材料)作为紫外探测器的减反射膜，利用Al₂O₃克服了SiO₂的抗辐射性能和抗离子玷污能力都较差的缺点，最重要的是Al₂O₃的折射率比SiO₂更接近 $n_f=\sqrt{n_0{n}_s}$ (在280nm，n_s＝2.995， $n_{{\mathrm{Al}}_2{O}_3}=1.659,$ n₀＝1.000)的零反射条件。利用SiO₂可以克服Al₂O₃层与4H-SiC衬底附着力不强的缺陷，使双层膜与衬底更好地结合，性能更加稳固，在光学上SiO₂层作为虚设层，不参与光学减反。

本发明所制备的双层减反膜在280nm附近有很好的减反效果(反射率约为0.3％)，在其他波段，尤其是可见波段，有很强的反射(400nm反射率近30％)，这与可见光盲紫外探测器的要求是一致的。

现有的4H-SiC基紫外光探测器的响应度峰值对应的光波波长为280nm，处于日盲区(245～285nm)，因此减反射膜的设计最好以280nm作为中心波长。

本发明采用Al₂O₃/SiO₂/4H-SiC结构，这种结构既可以利用Al₂O₃透光性好、抗离子玷污及抗辐射性能强的优点，又可以利用SiO₂与4H-SiC和Al₂O₃附着力好的优势。既提高了器件的量子效率，又增强了器件的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的生长在4H-SiC衬底上的Al₂O₃/SiO₂双层减反射膜的截面图。

图2为本发明实施例的具有Al₂O₃/SiO₂减反射膜的4H-SiC MSM光电探测器的平面图。

图3为本发明实施例的SiC基底上Al₂O₃/SiO₂减反射膜的反射曲线。在图3中，横坐标为测试光波长(Wavelength/nm)，纵坐标为减反射膜的反射率(R/％)。2条曲线分别代表理论曲线(Theoretical)和实验曲线(Experimental)。

具体实施方式

实施例1

参见图1和2，本发明实施例的Al₂O₃/SiO₂双层减反射膜，从下至上依次包括重掺杂的n型SiC衬底1、采用电子束蒸发方法生长的SiO₂层3、采用电子束蒸发方法生长的Al₂O₃层4以及Ti/Au金属焊盘5。通过光刻与腐蚀形成电极插指图形，用磁控溅射Ni/Au金属，通过剥离形成电极2，电极2与衬底1为肖特基接触。

以下给出用于紫外光探测器的双层减反射膜的制备方法。

1.对4H-SiC衬底样品进行标准清洗：

a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗3遍，再用去离子水冲洗。

b.将冲洗后的衬底放入稀释的氢氟酸(按体积比氟化氢∶去离子水＝1∶3)内浸泡1min。

c.将浸泡氢氟酸后的衬底放入浓硫酸煮10min。

d.将煮过浓硫酸的衬底依次用一号液和二号液煮15min，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用，一号液为氨水、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比氨水∶过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶5，二号液为盐酸、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比盐酸∶过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶5。

2.清洁电子束蒸发腔，放入蒸发源(Al₂O₃以及JGS1石英晶体)，放入清洗后的衬底样品。升温至300℃，抽真空直至真空度达到3.0×10^-3Pa。为防止喷溅和失氧，蒸镀前需要预熔材料，通氧气至氧分压为2.0×10^-3Pa，流量为14.2sccm。然后依次蒸镀SiO₂层96nm，速率为5.8

/S，Al₂O₃层42nm，速率为2.8

/S。最后将蒸发腔温度降至室温，取出衬底样品。

以下给出具有Al₂O₃/SiO₂双层减反射膜的4H-SiC MSM光电探测器的制备方法。

先制备电极，在具有Al₂O₃/SiO₂双层减反射膜表面光刻出插指图形，用温度为80℃的磷酸腐蚀掉Al₂O₃层，然后用缓冲的HF酸腐蚀掉SiO₂层，直至观察到衬底。再用磁控溅射的方法分别溅射Ni/Au，通过泡丙酮剥离出金属插指图形。最后，光刻形成焊盘区，通过磁控溅射和剥离形成Ti/Au金属焊盘，得具有Al₂O₃/SiO₂双层减反射膜的4H-SiC MSM光电探测器。

以下通过用Perkin Elmer公司生产的Lambda900光谱测试仪对器件进行测量。反射率的测量通过添加绝对反射率的测量附件进行，测量范围为200～400nm，测量精度为0.1％。为防止空气中的水、氧气等对测量结果的影响，测量过程中充入高纯氮气，氮气流量在测量过程中保持在7～10L/min。图3为用电子束蒸发方法生长的SiO₂和Al₂O₃的减反射膜反射曲线。由图3看出在中心波长280nm附近，实验值与理论值符合得很好，最低反射率达到0.3％，接近理论值的0.18％。在其他波段，尤其是可见波段具有很高的反射率(约30％，为最低反射率0.3％的100倍)，符合可见光盲紫外探测器的要求。

实施例2

与实施例1类似，其区别在于在对4H-SiC衬底样品进行标准清洗中，依次用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗2遍，再用去离子水冲洗；将冲洗后的衬底放入稀释的氢氟酸(按体积比氟化氢∶去离子水＝1∶3)内浸泡3min；将浸泡氢氟酸后的衬底放入浓硫酸煮20min；将煮过浓硫酸的衬底依次用一号液和二号液煮10min。

2.清洁电子束蒸发腔，放入蒸发源(Al₂O₃以及JGS1石英晶体)，放入清洗后的衬底样品。升温至270℃，抽真空直至真空度达到3.5×10^-3Pa。为防止喷溅和失氧，蒸镀前需要预熔材料，通氧气至氧分压为2.5×10^-3Pa，流量为13.2sccm。然后依次蒸镀SiO₂层98nm，速率为6.2/S，Al₂O₃层40nm，速率为3.1

/S。最后将蒸发腔温度降至室温，取出衬底样品。

Claims (4)

1.用于紫外光探测器的双层减反射膜，其特征在于设有n⁺型4H-SiC衬底，在n⁺型4H-SiC衬底上从下到上依次生长SiO₂层和Al₂O₃层，其中SiO₂层的厚度为d₁＝λ/2n₁，Al₂O₃层的厚度为d₂＝λ/4n₂，其中λ为光波长，n₁、n₂分别为SiO₂、Al₂O₃的折射率。

2.如权利要求1所述的用于紫外光探测器的双层减反射膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)衬底的清洗：

a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗至少1遍，再用去离子水冲洗，

b.将冲洗后的衬底放入氢氟酸内浸泡至少1min，

c.将浸泡氢氟酸后的衬底放入浓硫酸煮至少10min，

d.将煮过浓硫酸的衬底依次用一号液和二号液煮至少10min，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用，一号液为氨水、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比氨水∶过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶5，二号液为盐酸、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比盐酸∶过氧化氢∶去离子水＝1∶2∶5；

2)将蒸发源和清洗后的衬底放入电子束蒸发设备的蒸发腔腔体内；

3)封闭蒸发腔腔体，抽真空，真空度至少3.0×10^-3Pa；

4)预熔蒸发源，同时通氧气，用电子束轰击蒸发源进行镀膜；

5)对蒸发腔放气降温至室温，取出样品。

3.如权利要求2所述的用于紫外光探测器的双层减反射膜的制备方法，其特征在于蒸发源为Al₂O₃和JGS1石英晶体。

4.如权利要求2所述的用于紫外光探测器的双层减反射膜的制备方法，其特征在于封闭蒸发腔腔体后，升温至250～350℃。

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