CN102386281B - ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法 - Google Patents

ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于ZnO/纳米金晶刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。本发明主要特点在于采用高导电率的氢终端纳米金刚石薄膜作为p型层，并在此层上制备高质量的n型ZnO薄膜，从而得到ZnO/纳米晶金刚石异质结光电探测器件。本发明所得器件对350nm的紫外光具有明显的光电响应。相对于一般的ZnO/金刚石探测器，具有更好的pn结光电响应特性。

Description

ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制造方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。
背景技术
金刚石薄膜是近年来得到广泛重视和迅速发展的新型电子材料之一，由于其具有良好的透光性、耐磨性和耐化学腐蚀性，使得金刚石薄膜成为最理想的光学窗口材料、掩膜材料和光学部件涂层材料之一。
金刚石具有最高的热导率(20 W/ (cm ·K) ) ，约为Cu 的5 倍，是理想的热交换材料，禁带宽度大，介电常数低，击穿电压高，常温下具有很高的电阻率，结合(以及)高的抗辐射能力及良好的化学及热稳定性，因此常用于高温、高辐射通量等恶劣的环境中。ZnO 是一种很重要的II-VI 族半导体材料，具有许多卓越的性能。ZnO 在声表面波滤波器(SAW) 、气敏传感器、透明导电层、发光二极管，尤其在紫外光探测上有着广泛的应用。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。紫外探测器大都工作在极其恶劣的环境下，像火焰燃烧监视器、导弹羽烟探测器等，在工业上像航空、汽车、石油等工业都要求能够耐受高温和恶劣环境的光探测器。
到目前为止，关于紫外光电探测器的报道多基于多晶金刚石薄膜和氧化锌薄膜，而纳米晶薄膜的晶粒可以小到几个纳米，表面光滑平整，摩擦系数小，易于干法刻蚀，其缺陷、晶界尺度以及表面粗糙度远低于常规微米金刚石薄膜，同时它的硬度比常规金刚石薄膜低的多，有利于薄膜进行后续抛光，进而降低制备成本。
发明内容
本发明的内容是在氢终端纳米晶金刚石薄膜上，生长掺铝ZnO薄膜，制备紫外光电探测器。
本发明的主要目的在于采用高电导率的氢终端纳米晶金刚石薄膜作为p型层，并在此层上制备高质量n型ZnO薄膜，从而获得ZnO/纳米晶金刚石异质结。
为达到上述目的，本发明ZnO/纳米晶金刚石异质结光电探测器的制备采用如下技术方案及步骤。本发明一种ZnO/纳米晶金刚石异质结光电探测器的制备方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：
一、硅衬底上氢终端纳米晶金刚石薄膜的制备
（1）纳米晶金刚石薄膜制备过程：采用（100）镜面抛光硅片作为沉积衬底；采用氢氟酸（HF）超声清洗5-15分钟，以去除表面的氧化硅层。为了增加金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨10-15分钟；将研磨后的硅片放在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10-20分钟；最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入热丝辅助化学化学气相沉积（HFCVD）装置的反应室内；
用真空泵对HFCVD反应室抽真空至5-7Pa，通入丙酮、氢气的混合反应气体，调节丙酮、氢气的流量分别为40-50标准毫升/分、160-180标准毫升/分；反应室的气压设定为0.8-1.5kPa，衬底温度控制在650-750°C，热丝电压设定10-14V，在热丝与衬底间加载负偏压，偏压电流2-3A，薄膜生长时间3-4小时；在硅衬底上制得纳米金刚石薄膜；
（2）氢处理：将上述制备的纳米晶金刚石薄膜放入微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置的反应室内，用真空泵对MPCVD反应室抽真空至5-7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10-2Pa以下，通入氢气，调节氢气的流量为100-160标准毫升/分；反应室的气压设定为2-3kPa，衬底温度控制在350-450°C，微波功率设定为1800-2400W，表面处理时间0.5-1小时；最终在硅衬底上制得氢终端纳米金刚石薄膜；
二、掺铝 ZnO薄膜的制备：
采用射频反应磁控溅射法在p型纳米晶金刚石薄膜上制备掺铝ZnO薄膜；靶材为掺铝的高纯ZnO陶瓷靶；沉积过程中，工作气体是Ar气；Ar流量为7-10标准毫升/分，工作气压0.2-0.7Pa；溅射功率100-250W；
三、电极制备：
采用Ti/Au双层电极结构；分别在p型纳米晶金刚石薄膜和n型掺铝氧化锌薄膜上沉积Ti/Au双层电极；采用高纯度金属Ti（99.99%）靶，使用直流磁控溅射方法溅射金属Ti，系统的本底真空2×10-4-5×10-4Pa；通入Ar气, 调节流量为10-15标准毫升/分；气压在0.3-0.8Pa；溅射功率为100-200W；溅射时间为12-15分钟；Au采用离子溅射方法，采用Au靶，在Ti层上制备金属膜Au；溅射过程中，工作气压为0.75-0.85Pa，离子流1.8-2mA，溅射时间为12-15分钟。采用快速退火工艺，进行电极退火。退火温度为350-450℃，时间为10-20分钟；最终制的ZnO/纳米金刚石薄膜异质结光电探测器元件。
本发明同现有技术相比，有如下显著优点：
（1）：本发明使用纳米晶金刚石/氧化锌异质结，比现有的使用自支撑金刚石的异质结结构具有更优化的器件尺寸，制备工艺简单，成本低，且具有良好的光电响应特性。
（2）：采用Ti/Au电极，通过退火工艺，可以达到更好的欧姆接触，并具有较好的热稳定性。
附图说明
图1为本发明ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器结构示意图。
具体实施方式：
现将本发明的具体实施例子叙述于后。
实施例：
本实施例中的制备过程和步骤如下所述：
一、氢终端纳米晶金刚石薄膜衬底的制备
（1）纳米晶金刚石薄膜制备过程：采用（100）镜面抛光硅片作为沉积衬底。采用HF酸超声清洗10分钟，以去除表面的氧化硅层。为了增加金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨10分钟。将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗15分钟。最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入热丝化学化学气相沉积（HFCVD）装置的反应室内。
用真空泵对HFCVD反应室抽真空至5Pa，通入丙酮、氢气的混合反应气体，调节丙酮、氢气的流量分别为50标准毫升/分、160标准毫升/分；反应室的气压设定为1.5kPa，衬底温度控制在660°C，热丝电压设定13V，在热丝与沉底间加载负偏压，偏压电流3A，薄膜生长时间3.5小时；在硅衬底上制得纳米金刚石薄膜。
（2）氢处理：将制备的纳米晶金刚石薄膜放入微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置的反应室内，用真空泵对MPCVD反应室抽真空至5Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至5×10-3Pa，通入氢气的，调节氢气的流量分为100标准毫升/分；反应室的气压设定为3kPa，衬底温度控制在400°C，微波功率设定为2000W，表面处理时间0.5小时；最终在硅衬底上制得氢终端纳米金刚石薄膜。
二、掺铝ZnO薄膜的制备：
采用射频反应磁控溅射法在p型纳米金刚石薄膜上制备ZnO薄膜，靶材为掺铝的高纯ZnO陶瓷靶。沉积过程中，工作气体是Ar气。Ar流量为7.8标准毫升/分，工作气压0.3Pa。溅射功率150W。
三、电极制备：
采用Ti /Au双层电极结构。采用高纯度金属Ti（99.99%）靶，使用直流磁控溅射方法溅射金属Ti，系统的本底真空5×10-4Pa；通入Ar气, 调节流量为10标准毫升/分；气压在0.5Pa；溅射功率为100W；溅射时间为15分钟。Au采用离子溅射方法，采用Au靶，在Ti层上制备金属Au。溅射过程中，工作气压为0.8Pa，离子流2mA，溅射时间为15分钟。采用快速退火工艺，进行电极退火。退火温度为400℃，时间为15分钟。最终制得ZnO/纳米金刚石薄膜异质结光电探测器元件。
对ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器进行性能测试，结果显示金刚石薄膜颗粒大小在纳米尺度，ZnO薄膜具有高度c轴取向。器件对350nm的紫外光具有明显的光电响应，开启电压约为1.5V，相对于一般的ZnO/金刚石探测器，具有更好的pn结特性和光电响应特性。

Claims (1)

1.一种ZnO/纳米晶金刚石薄膜异质结光电探测器的制备方法，其特征在于具有以下制备过程和步骤：
一、硅衬底上氢终端纳米晶金刚石薄膜的制备：
（1）纳米晶金刚石薄膜制备过程：采用（100）镜面抛光硅片作为沉积衬底；采用氢氟酸（HF）超声清洗5-15分钟，以去除表面的氧化硅层；为了增加金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨10-15分钟；将研磨后的硅片放在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10-20分钟；最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净，烘干后放入热丝辅助化学气相沉积（HFCVD）装置的反应室内；
用真空泵对HFCVD反应室抽真空至5-7Pa，通入丙酮、氢气的混合反应气体，调节丙酮、氢气的流量分别为40-50标准毫升/分、160-180标准毫升/分；反应室的气压设定为0.8-1.5kPa，衬底温度控制在650-750℃，热丝电压设定10-14V，在热丝与衬底间加载负偏压，偏压电流2-3A，薄膜生长时间3-4小时；在硅衬底上制得纳米金刚石薄膜；
（2）氢处理：将上述制备的纳米晶金刚石薄膜放入微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）装置的反应室内，用真空泵对MPCVD反应室抽真空至5-7Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10-2Pa以下，通入氢气，调节氢气的流量为100-160标准毫升/分；反应室的气压设定为2-3kPa，衬底温度控制在350-450℃，微波功率设定为1800-2400W，表面处理时间0.5-1小时；最终在硅衬底上制得氢终端纳米金刚石薄膜；
二、掺铝 ZnO薄膜的制备：
采用射频反应磁控溅射法在p型纳米晶金刚石薄膜上制备掺铝ZnO薄膜；靶材为掺铝的高纯ZnO陶瓷靶；沉积过程中，工作气体是Ar气；Ar流量为7-10标准毫升/分，工作气压0.2-0.7Pa；溅射功率100-250W；
三、电极制备：
采用Ti/Au双层电极结构；分别在p型纳米晶金刚石薄膜和n型掺铝氧化锌薄膜上沉积Ti/Au双层电极；采用99.99%的高纯度金属Ti靶，使用直流磁控溅射方法溅射金属Ti，系统的本底真空2×10-4-5×10-4Pa；通入Ar气, 调节流量为10-15标准毫升/分；气压在0.3-0.8Pa；溅射功率为100-200W；溅射时间为12-15分钟；Au采用离子溅射方法，采用Au靶，在Ti层上制备金属膜Au；溅射过程中，工作气压为0.75-0.85Pa，离子流1.8-2mA，溅射时间为12-15分钟；采用快速退火工艺，进行电极退火；退火温度为350-450℃，时间为10-20分钟；最终制得ZnO/纳米金刚石薄膜异质结光电探测器元件。
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