CN101237009A - 共面栅结构的紫外光探测器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于(100)定向金刚石薄膜的共面栅结构紫外光探测器器件的制备方法。属紫外光探测器器件制备工艺技术领域。本发明共面栅紫外光探测器的特点是在金刚石薄膜表面为一对叉指电极，衬底硅背面为一背电极；采用光刻方法制作表面叉指电极；使用磁控溅射法制作背电极；在薄膜表面的叉指电极上镀覆有金薄膜，而背电极为铝金属膜。在工作时，在叉指电极的两半电极上分别加上正的高压和正的低压，背电极则加上负高压，探测信号从阳极读出，因此收集信号都是电子，由于电子迁移率高，所以探测器的灵敏度得到很大提高，而且具有极快的响应时间。

Description

共面栅结构的紫外光探测器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于(100)定向金刚石薄膜的共面栅结构紫外光探测器器件的制造方法，属紫外光探测器器件制备工艺技术领域。

背景技术

紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。仅就军事高技术而言，紫外对抗与反对抗技术、紫外制导、紫外通讯、紫外/红外复合制导及预警系统等，已引起军方的高度重视。世界各国把固态紫外探测器技术列为当今研究开发的重点课题。CVD金刚石具有优异的物理、化学、机械性能及出众的电学、光学特性，其中它的辐射硬度之高是别的材料所达不到的。因此它是制作应用于恶劣环境的紫外光探测器的理想材料，而金刚石的截止波长为225nm，可以在深紫外、真空紫外(100～300nm)范围内发展具有高性能的紫外光探测器。基于上述原因，CVD金刚石薄膜紫外光探测器是实现高性能紫外探测的焦点和热点，对其的研究也取得了丰硕的成果。

在生物医学方面，英国Mahon等人将金刚石紫外光探测器应用到生物分子成像系统中以识别电泳分离的生物分子。1999年他们又利用金刚石探测器对琼脂糖凝胶的DNA进行了探测与量化。金刚石紫外探测器对波长小于224nm的紫外光子很灵敏，此区域正是生物分子的高吸收区。在天文观测方面，Hochedez等人将金刚石紫外光探测器用于ESA(欧洲空间局)太阳人造卫星上，可实现“光盲性”探测，并且克服了传统探测器抗辐射和抗高温能力差、价格昂贵的缺点，为空间太阳人造卫星的研究开辟了新纪元。在光刻技术方面，Whitfield等人首次将金刚石薄膜探测器应用于157nmF₂-He激光光刻工艺中。研究发现金刚石薄膜紫外光探测器在0～1.4mJcm^-2通量范围内显示出良好的响应。在±30V偏压范围内，器件增益呈线性，灵敏度约为10V/mJ·cm²，非常适宜于新一代IC制造中的157nmF₂-He步进光刻系统。

紫外光探测器的性能参数主要包括响应度(R)、光谱响应曲线及响应时间(t)噪声等效功率(NEP)。对于金刚石膜紫外光探测器来说其性能很大程度上取决于金刚石膜质量和器件结构。在金刚石薄膜材料选择上，国内外大多采用多晶金刚石薄膜作为探测材料。但是多晶金刚石薄膜由于内部存在大量不规则的晶界和缺陷，这些晶界和缺陷会吸收紫外光产生的电信号，从而降低探测器的信号强度，降低探测器的响应度(R)。因此，我们利用HFCVD法生长金刚石薄膜的生长工艺，获得了均匀性好、厚度合适、光敏面积为2×2cm²的探测器级[100]定向金刚石薄膜，解决了紫外光探测器在材料方面的要求。

同样，器件结构也对紫外光探测器的性能有着重大的影响。在器件结构的设计上，目前比较常用的器件结构有光导型和肖特基型。光导型探测器的电极一般采用梳状结构UV辐照金刚石后载流子都在接近表面处形成，且表面的金刚石晶粒大，质量相对较好，电荷收集距离大，所以这种表面梳状电极可以较快地收集载流子。梳状结构的电极间距一般与晶粒平均尺寸相当，采用这种设计目的是为了让载流子尽可能只在晶粒内传输，减少晶界的影响，提高收集效率。肖特基型探测器的载流子在耗尽层上产生，传输方向与两个电极接触都垂直，即平行于晶界，把晶界的影响降到最低。耗尽层的宽度几乎与金刚石晶粒尺寸相等，光直接在耗尽层中得到吸收，其光电流比共平面器件的更高。此种结构的金刚石紫外探测器暗电流小于10pA，器件的响应时间小于20μs。并且光谱响应与暗电流几乎不受温度影响。另为，现在也出现了其他一些新型的紫外光探测器，比如基于场效应晶体管(FET)的紫外光探测器，基于金属/金刚石/真空结构的紫外光探测器等等，在紫外探测响应强度上得到了很大的提高。以上各种结构的紫外光探测器虽然在性能上实现了一定的突破，基本上实现了紫外光探测。但是离高性能还存在着较大的差距，特别是由于多晶金刚石薄膜中的空穴迁移率过低而导致器件相应速度慢这一难题亟待解决。本发明通过采用新型的器件结构，很好地解决了这一难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种共面栅结构的紫外光探测器器件的制备方法，本发明的另一目的是在高度定向的(100)金刚石薄膜材料上设计制作一种共面栅电极结构，以达到缩短探测器响应时间，提高探测器灵敏度的目的。

本发明是一种共面栅结构的紫外光探测器的制备方法，采用由传统通用的化学气相沉积装置制得带有硅沉底的高度定向的(100)金刚石薄膜材料；在该金刚石薄膜表面形成作为正极的一对叉指电极，而在硅沉底背面形成一个作为负极的背电极，最终形成共面栅电极紫外光探测器器件；其特征在于紫外光探测器器件具有以下的制备过程和步骤：

a、使用Ansys模拟软件来模拟探测器内的电场分布，在最佳的电势均匀分布条件下，设计共面栅结构中最合理的栅宽和沟宽，由此决定电极尺寸的设计；

b、使用光刻方法制作表面叉指电极：

1)样品清洗；用丙酮、乙醇和去离子水对金刚石薄膜样品清洗干净，随后放入烘箱中，在120℃下持完全烘干；

2)甩胶与前烘；用甩胶台在片子表面旋涂光刻胶6809，转速为2500rpm，旋转30s，使样品表面形成一层均匀的光刻胶，厚度达到0.6～0.7μm；随后在80℃的烘箱内前烘20分钟；

3)曝光与显影；在KarlSuss曝光机上，按设计得到的尺寸的掩模板进行对位和曝光；然后将其浸没在氯苯中5分钟，得到梯形结构的叉指电极图形；

4)金电极制作；金属材料金与金刚石膜能形成良好的欧姆接触，为了保证金电极与金刚石表面粘附牢固，采用直流溅射法制备金电极，溅射电流为2mA，时间为30分钟；

5)电极剥离；将上述溅射好金的样品放入丙酮中浸泡，并超声处理5分钟，使叉指电极图形之外的光刻胶溶掉，同时将上面的金属从表面剥离；从而形成需要的一定形状的叉指金电极；然后再用去离子水冲洗干净并吹干；

c、用磁控溅射法制作铝背电极：

1)样品清洗；把金刚石薄膜样品放入丙酮溶液里，超声清洗10分钟，去除样品表面的灰尘和油质；

2)溅射制作铝背电极；把清洗好的样品放入磁控溅射仪，同时仅时背面硅衬底受到溅射形成铝膜；溅射操作时，其真空度为3×10^-5，溅射功率为60W，溅射时间为60分钟；

3)电极退火；将上述制备好的共面栅电极器件放在500℃下退火60分钟；使Al和Si之间形成紧密接触并使器件具有良好的欧姆特性。

本发明的共面栅紫外光探测器器件，在工作时，在叉指电极的两半电极上分别加上正的高压和正的低压，而在背电极上加上负高压。读取信号以加载高压的叉指电极取得的信号减去低压叉指上的信号作为最终的探测信号。信号从阳极读出，因此收集的信号都是电子，由于电子的迁移率高，所以探测器的灵敏度得到了提高。

共面栅探测器的电势分布是影响其感应信号的重要因素，电势分布越均匀，将越有利于电子的收集。另外，边缘效应也造成电势分布的不均匀，因此在共面栅结构的设计中要合理的设计栅宽和沟宽；同时要消除边缘效应，使电势均匀分布。为了取得是探测器内电场均匀分布的电极尺寸，特采用Ansys模拟软件来模拟探测器内的电场分布并进行电极尺寸的设计。

由于金刚石薄膜的晶粒属于微米级的，因此，与金刚石薄膜晶粒大小相匹配的微米级的表面叉指电极可以提高电荷收集效率，从而提高探测器的性能。本发明中，采用了lift-off光刻技术在高度定向的(100)金刚石薄膜表面实现微米级的叉指电极。

同现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)共面栅紫外光探测器作为一种单极型器件，突破传统双极型探测器的设计思路，只获取迁移速率快的电子作为探测信号，降低了探测器的响应时间，从而提高了探测器的性能

2)一般的叉指电极为毫米级，本发明中的共面栅电极的面电极采用了与金刚石薄膜晶粒相匹配的微米级叉指电极，从而提高紫外光探测器的电荷收集效率，进一步提高了共面栅紫外光探测器的探测性能。

附图说明

图1是本发明金刚石薄膜共面栅探测器的结构示意图。

图2是图1的俯视平面图，也即是表面叉指电极的示意图。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1

本发明共面栅结构的紫外光探测器的制备过程和步骤如下：

一、模拟并设计共面栅电极

模拟的步骤如下：

1)建立CVD紫外光探测单元模型。Si衬底的厚度为～1.0mm，面积为～1×1cm²，金刚石薄膜的厚度为～15μm，电极的厚度为～300nm。共面栅电极的栅宽和沟宽取10μm，20μm，30μm，40μm，50μm进行模拟，同时取边缘栅宽为中间栅宽的1.5倍。

2)设定材料参数，本模拟中涉及到的参数仅有金刚石的介电常数(5.7)。

3)对模型进行网格划分，在计算机内存允许的情况下，将网格划分的越小，则模拟出的电场分布越精确。

4)进行模型加载，即对电极加偏压。由于电场强度随着偏压的增大而增大，大电场有利于载流子的漂移和收集，提高器件的响应。偏压所产生的电场强度应小于金刚石击穿场强，金刚石的击穿电场可高达10⁷V/cm，模拟中采用阴极加-1000V偏压，阳极高压端加+1000V，低压端加100V。

5)计算机自动进行电场的计算。

6)根据要求显示出电场分布情况。

模拟结果：根据Ansys软件的对不同共面栅尺寸条件下的电场的模拟得到，在栅宽和沟宽为20μm，边缘栅宽为30μm时，得到的电场最均匀，具体结构如图1，2所示。

二、光刻方法制作表面叉指电极

1)样品清洗。为了获得高性能的器件，在光刻工艺前首先要将样品清洗干净，实验依次采用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗。将洗完后的样品放入烘箱中，在120℃环境下持续5min，使其完全烘干。

2)甩胶与前烘。用甩胶台在片子表面旋涂光刻胶6809，转速为2500转/min，旋转30s，使样品表面形成一层均匀的光刻胶，厚度达到0.6～0.7μm。需要注意的是：光刻胶为挥发性毒性材料，需在通风柜内操作。将甩胶后的样品放在在80℃的烘箱内前烘20min。

3)曝光与显影。在KarlSuss曝光机上，用电极的掩膜版(掩模版的尺寸根据设计的结果，栅宽和沟宽都为20μm，边缘栅宽为30μm，具体如图1，2所示)进行对位和曝光。然后在通风柜中，将样品浸泡在氯苯中约5min，氯苯为易挥发有毒液体，这里之所以用氯苯浸泡，是因为要用剥离工艺形成叉指电极。氯苯使那些未受紫外光曝光的光刻胶扩张，使电极光刻得到的叉指电极图形形成正梯形结构剖面，足以用剥离工艺。使用光学显微镜检查图形，保证裸露的电极图形表面干净，没有残留胶膜。

4)金电极制作。金属材料金(Au)与金刚石膜能形成比较好的欧姆接触，一般使用电子束蒸发法来制作金电极。然而电子束蒸发得到的金属与材料的表面结合力比较差，为了保证金电极与金刚石表面粘附牢固，实验采用直流溅射法制备Au电极，溅射电流为2mA，时间为30分钟。

5)电极剥离。将溅射好Au的样品放入丙酮中浸泡，超声5分钟，使电极图形之外的光刻胶溶掉，并将上面的金属从样品表面剥离，从而形成需要的叉指金电极，然后用去离子水冲洗干净，并吹干。

三、磁控溅射法制作铝背电极

1)样品清洗。表面的灰尘和油质会影响Al与Si衬底之间的欧姆接触，把样品放入丙酮溶液里，超声清洗10分钟，去除样品表面的灰尘和油质。

2)溅射制作铝背电极。把清洗好的样品放入磁控溅射仪，真空度为3×10^-5，溅射功率为60W，溅射时间为60分钟。

3)电极退火。退火可以改进金属与半导体接触面之间的悬挂键重新键合，增强金属与半导体之间的欧姆接触。把制备好的共面栅器件放入退火炉中，在500℃下退火60分钟。

使用紫外光源对探测器进行辐照，利用Keithely 4200SCS半导体性能表征等测试系统对电流信号等进行测量测试。预期此金刚石膜紫外探测器所能达到的性能指标如下：暗电流＜1nA/cm²，响应时间～10^-11s，综合性能优于其它结构的金刚石薄膜紫外光探测器。

Claims (1)

1.一种共面栅结构的紫外光探测器的制备方法，采用由传统通用的化学气相沉积装置制得带有硅沉底的高度定向的(100)金刚石薄膜材料；在该金刚石薄膜表面形成作为正极的一对叉指电极，而在硅沉底背面形成一个作为负极的背电极，最终形成共面栅电极紫外光探测器器件；其特征在于紫外光探测器器件具有以下的制备过程和步骤：

a、使用Ansys模拟软件来模拟探测器内的电场分布，在最佳的电势均匀分布条件下，设计共面栅结构中最合理的栅宽和沟宽，由此决定电极尺寸的设计；

b、使用光刻方法制作表面叉指电极：

(1)样品清洗；用丙酮、乙醇和去离子水对金刚石薄膜样品清洗干净，随后放入烘箱中，在120℃下持完全烘干；

(2)甩胶与前烘；用甩胶台在片子表面旋涂光刻胶6809，转速为2500rpm，旋转30s，使样品表面形成一层均匀的光刻胶，厚度达到0.6～0.7μm；随后在80℃的烘箱内前烘20分钟；

(3)曝光与显影；在KarlSuss曝光机上，按设计得到的尺寸的掩模板进行对位和曝光；然后将其浸没在氯苯中5分钟，得到梯形结构的叉指电极图形；

(4)金电极制作；金属材料金与金刚石膜能形成良好的欧姆接触，为了保证金电极与金刚石表面粘附牢固，采用直流溅射法制备金电极，溅射电流为2mA，时间为30分钟；

(5)电极剥离；将上述溅射好金的样品放入丙酮中浸泡，并超声处理5分钟，使叉指电极图形之外的光刻胶溶掉，同时将上面的金属从表面剥离；从而形成需要的一定形状的叉指金电极；然后再用去离子水冲洗干净并吹干；

c、用磁控溅射法制作铝背电极：

(1)样品清洗；把金刚石薄膜样品放入丙酮溶液里，超声清洗10分钟，去除样品表面的灰尘和油质；

(2)溅射制作铝背电极；把清洗好的样品放入磁控溅射仪，同时仅时背面硅衬底受到溅射形成铝膜；溅射操作时，其真空度为3×10^-5，溅射功率为60W，溅射时间为60分钟；

(3)电极退火；将上述制备好的共面栅电极器件放在500℃下退火60分钟；使Al和Si之间形成紧密接触并使器件具有良好的欧姆特性。

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