CN104600155A - 一种红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红外探测器的制备方法，该方法采用磁控溅射技术在衬底上生长Mg2Si薄膜，然后在衬底下表面镀一层下电极，在Mg2Si薄膜上表面上镀一层上电极，本发明所用的材料用资源丰富、毒性小、对生态的适应性高的元素，即对环境友好的半导体材料；能回收、再生利用、能源消耗少、对环境负荷小的半导体工艺；有助于能源和环境可持续发展的太阳能电池、热电变换元素等。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外探测器及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，近年来红外探测器技术得到迅速发展，但是大多数红外探测器需要在低温工作才能获得较高性能，如:锗硅、铝镓砷等都要求在低温下使用，由于需要致冷使得红外系统体积大、笨重、价格昂贵和不利于使用，影响了它们的广泛应用，因此致冷是红外探测器获得广泛应用的主要障碍。因此，人们对室温工作的红外探测器展开了大量深入地研究，如今非致冷已经成为红外探测领域的研究的热点之一。目前，在半导体光伏型红外探测器领域使用的主要材料有镓铟砷GaInAs（中国发明专利CN 104183658 A）,镓铟砷磷GaInAsP、碲镉汞HgCdTe、铅盐化合物及含锑化合物等半导体材料(中国实用新型专利CN 203883014 U)。但这类半导体元器件含有大量的铅、汞、镉、镓、砷等各种对人体有害的物质，这些元素如果进入土壤随雨水渗到地下就会污染水源，最终将危害人类的生存，也不利于半导体材料的可持续发展。目前，红外探测技术存在的主要缺点是:(1)需要制造冷却系统，才能保证红外探测器正常工作;(2)整个红外探测系统体积和重大;(3)探测系统的功耗高;(4)性价比低，而且使用极为不方便;(5)含有对人体有害物质，不利于半导体材料的可持续发展。
发明内容
本发明的目的是：针对现有技术的缺陷，提供一种红外探测器及其制备方法，该方法所使用的材料资源丰富、对环境负荷小，以克服现有技术的不足。
本发明的技术方案
一种红外探测器的制备方法，该方法采用磁控溅射技术在衬底上生长Mg2Si薄膜，然后在衬底下表面镀一层下电极，在Mg2Si薄膜上表面上镀一层上电极。
前述的一种红外探测器的制备方法中，所述的衬底采用硅衬底或在衬底上表面镀一层硅膜。
前述的一种红外探测器的制备方法中，在Mg2Si薄膜上表面度一层减反射层且上电极伸出减反射层。
前述的一种红外探测器的制备方法中，所述的减反射层为一层SiO2薄膜。
前述的一种红外探测器的制备方法中，所述的下电极由电阻式热蒸发方法在硅衬底下表面蒸镀一层铝膜制成。
前述的一种红外探测器的制备方法中，所述的上电极通过蒸镀Ag膜制成。
前述的一种红外探测器的制备方法中，该方法的具体工艺步骤为：
步骤一、清洗衬底，吹干后备用；
步骤二、衬底采用硅衬底时，在硅衬底上利用磁控溅射方法溅射一层Mg膜；
步骤三、衬底不采用硅衬底时，先在衬底上表面镀一层硅膜，在衬底的硅膜上利用磁控溅射方法溅射一层Mg膜；
步骤四、将衬底上的Mg膜进行退火处理，得到Mg2Si薄膜，作为红外辐射的吸收层；
步骤五、在Mg2Si薄膜上溅射一层减反射层；
步骤六、在衬底下面热蒸发一层铝膜作为下接触电极层；
步骤七、在Mg2Si薄膜上的预留区域热蒸发一层银膜作为上电极层且该上电极伸出减反射层。
一种红外探测器，包括衬底，在衬底上表面设置Mg2Si薄膜，Mg2Si薄膜上表面连接上电极，在衬底下表面设置下电极。
前述的一种红外探测器中，在Mg2Si薄膜上表面镀一层减反射层，上电极穿过减反射层。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明由于是利用Mg2Si薄膜的光电特性以及它可以在室温条件下工作、无需制冷的原理而制作的一种光电红外探测器。与传统的低温制冷的光子型红外探测器比，这是一种不需要真空杜瓦瓶和制冷器的非制冷红外探测器，解决了光子型红外探测器制造成本高、设备结构复杂，探测器可靠性差的问题，同时体积小、重量轻，器件的功耗低，高性能价格比，而且使用方便，本发明探测器对探测光的波长具有灵敏的选择作用，在较薄吸收层时获得较强的光吸收，特别是对波长在1.2~1.8μm范围，提高了器件的量子效率和工作速度，降低器件暗电流，半导体Mg2Si材料是由地球上资源寿命极长的Mg、Si 元素组成，是一种环境友好半导体材料，Mg2Si薄膜可以在Si 衬底上外延生长，和传统的Si 工艺兼容。本发明使用环境友好半导体材料作为吸收层，有利于半导体材料的可持续发展，利用磁控溅射方法可以制备均匀、大面积薄膜，本发明的红外探测器，对红外辐射的吸收系数可高达73%左右。
附图说明
附图1是本发明结构示意图；
附图2是本发明中Mg2Si薄膜的X射线衍射(XRD)测量结果示意图；
附图3是本发明中Mg2Si薄膜表面的扫描电子显微镜（SEM）测量结果示意图一；
附图4本发明中Mg2Si薄膜表面的扫描电子显微镜（SEM）测量结果示意图二
附图5是本发明中Mg2Si薄膜的红外反射光谱测量结果示意图；
附图6是本发明中Mg2Si薄膜的红外吸收光谱测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明用作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
本发明的实施例一：本发明的实施例一：一种红外探测器的制备方法，该方法采用磁控溅射技术在硅衬底上生长Mg2Si薄膜，然后在衬底下表面镀一层下电极，在Mg2Si薄膜上表面上镀一层上电极。
该方法的具体工艺步骤为：
步骤一、清洗衬底，吹干后备用，具体为硅衬底依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗20 min，然后烘干，送入磁控溅射系统的样品室，并对Si衬底表面进行反溅射离子清洗，一方面去除附着在表面的杂质和氧化物，另一方面增加Si衬底表面的微观粗糙度，提高薄膜在衬底表面的附着力；
步骤二、溅射用Mg靶直径60 mm、厚度为5 mm。在溅射室里，往Si衬底上溅射沉积Mg膜前，溅射清洗Mg靶表面10 min，主要去除Mg靶表面的氧化层。
步骤三、溅射沉积过程中，溅射室背底气压为2.0x10-5Pa，溅射功率为100 W，氩气(99.999%纯度)流量20 sccm，溅射气压为 3.0 Pa，溅射时间为30 min，这样的沉积条件下，溅射沉积Mg膜的厚度约380 nm。溅射时衬底温度为室温。
步骤四、将Mg/Si样品放入高真空退火炉中退火。退火炉背底气压为4.0x10-4Pa。退火时气压保持在1.5x10-2Pa，退火时间为4 h，退火温度为400℃。
步骤五、将退火后的样品再次放入磁控溅射室，在Mg2Sii薄膜上面溅射一层SiO2 作为减反射层；
步骤六、将退火后的样品放入电阻式热蒸发炉中，蒸发的背底气压为3.0x10-4Pa，在样品的背面蒸发铝膜作为下接触电极，蒸发时间为10min，加热电流为70A；
步骤七、在Mg2Si薄膜上面预留区域热蒸发Ag膜作为上电极，蒸发的背底气压为3.0x10-4Pa，蒸发时间为10min，加热电流为100A。
根据上述方法所构建的一种红外探测器，如附图1所示，包括硅衬底2，在硅衬底2上表面设置Mg2Si薄膜3，Mg2Si薄膜3上表面连接上电极5，在硅衬底2下表面设置下电极1，在Mg2Si薄膜3上表面镀一层减反射层4，上电极5穿过减反射层4。
附图2所示为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜的X射线衍射(XRD)测量结果。结果表明，400 退火4小时得到的Mg2Si薄膜在24.3°、40.2°、47.5°、58°73.1°左右出现较强的衍射峰,这几个峰分别对应Mg2Si的(111)、(220)、（311）、（400）和（422）晶面;而且,(220)峰极强,说明该条件制备的Mg2Si薄膜的结晶程度较高。在28°左右出现的是衬底Si（111）晶面。
附图3所示为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜表面的扫描电子显微镜（SEM）测量结果。
附图4为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜截面的扫描电子显微镜（SEM）测量结果。平均厚度为1.92μm。
附图5为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜的红外反射光谱测量结果。纵坐标为反射率，横坐标为波长，图中曲线上方的“R-Mg30min”表示磁控溅射镁膜时间为30分钟，R表示反射率。、
附图6为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜的红外吸收光谱测量结果。纵坐标为吸光度，横坐标为波长，图中曲线上方的“Mg30min”表示磁控溅射镁膜时间为30分钟。
本发明的实施例二：一种红外探测器的制备方法，该方法采用磁控溅射技术在非硅衬底（在生长Mg2Si薄膜前应在非硅衬底上表面上镀一层硅膜）上生长Mg2Si薄膜，然后在衬底下表面镀一层下电极，在Mg2Si薄膜上表面上镀一层上电极。
该方法的具体工艺步骤为：
步骤一、清洗衬底，吹干后备用，所述衬底为非硅衬底，可包括其它晶向和尺寸聚合物(Polymer)膜、玻璃、陶瓷、金属衬底等(根据衬底种类不同,采用适当的清洗工艺，且该清理工艺都采用现有的技术方案)，清洗并吹干后在衬底上表面镀一层硅膜，然后烘干，送入磁控溅射系统的样品室，并对Si表面进行反溅射离子清洗，一方面去除附着在表面的杂质和氧化物，另一方面增加Si表面的微观粗糙度，提高薄膜在衬底表面的附着力；
步骤二、溅射用Mg靶直径60 mm、厚度为5 mm。在溅射室里，往Si衬底上溅射沉积Mg膜前，溅射清洗Mg靶表面10 min，主要去除Mg靶表面的氧化层。
步骤三、溅射沉积过程中，溅射室背底气压为2.0x10-5Pa，溅射功率为100 W，氩气(99.999%纯度)流量20 sccm，溅射气压为 3.0 Pa，溅射时间为30 min，这样的沉积条件下，溅射沉积Mg膜的厚度约380 nm。溅射时衬底温度为室温。
步骤四、将Mg/Si样品放入高真空退火炉中退火。退火炉背底气压为4.0x10-4Pa。退火时气压保持在1.5x10-2Pa，退火时间为4 h，退火温度为400℃。
步骤五、将退火后的样品再次放入磁控溅射室，在Mg2Si薄膜上面溅射一层SiO2 作为减反射层；
步骤六、将退火后的样品放入电阻式热蒸发炉中，蒸发的背底气压为3.0x10-4Pa，在样品的背面蒸发铝膜作为下接触电极，蒸发时间为10min，加热电流为70A；
步骤七、在Mg2Si薄膜上面预留区域热蒸发Ag膜作为上电极，蒸发的背底气压为3.0x10-4Pa，蒸发时间为10min，加热电流为100A。
根据上述方法所构建的一种红外探测器，如附图1所示，包括非硅衬底2，在非硅衬底上表面上镀一层硅膜，在非硅衬底2的硅膜上表面设置Mg2Si薄膜3，Mg2Si薄膜3上表面连接上电极5，在非硅衬底2下表面设置下电极1，在Mg2Si薄膜3上表面镀一层减反射层4，上电极5穿过减反射层4。
附图2所示为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜的X射线衍射(XRD)测量结果。结果表明，400退火4小时得到的Mg2Si薄膜在24.3°、40.2°、47.5°、58°73.1°左右出现较强的衍射峰,这几个峰分别对应Mg2Si的(111)、(220)、（311）、（400）和（422）晶面;而且,(220)峰极强,说明该条件制备的Mg2Si薄膜的结晶程度较高。在28°左右出现的是衬底Si（111）晶面。
附图3所示为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜表面的扫描电子显微镜（SEM）测量结果。
附图4为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜截面的扫描电子显微镜（SEM）测量结果。平均厚度为1.92μm。
附图5为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜的红外反射光谱测量结果。纵坐标为反射率，横坐标为波长，图中曲线上方的“R-Mg30min”表示磁控溅射镁膜时间为30分钟，R表示反射率。、
附图6为本实施本发明提出的Mg2Si薄膜的红外吸收光谱测量结果。纵坐标为吸光度，横坐标为波长，图中曲线上方的“Mg30min”表示磁控溅射镁膜时间为30分钟。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改等同替换以及改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种红外探测器的制备方法，其特征在于：该方法采用磁控溅射技术在衬底上生长Mg2Si薄膜，然后在衬底下表面镀一层下电极，在Mg2Si薄膜上表面上镀一层上电极。
2.根据权利要求1所述的一种红外探测器的制备方法，其特征在于：所述的衬底采用硅衬底或在衬底上表面镀一层硅膜。
3.根据权利要求1所述的一种红外探测器的制备方法，其特征在于：在Mg2Si薄膜上表面度一层减反射层且上电极伸出减反射层。
4.根据权利要求3所述的一种红外探测器的制备方法，其特征在于：所述的减反射层为一层SiO2薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种红外探测器的制备方法，其特征在于：所述的下电极由电阻式热蒸发方法在硅衬底下表面蒸镀一层铝膜制成。
6.根据权利要求1所述的一种红外探测器的制备方法，其特征在于：所述的上电极通过蒸镀Ag膜制成。
7.根据权利要求1所述的一种红外探测器的制备方法，其特征在于：该方法的具体工艺步骤为：
步骤一、清洗衬底，吹干后备用；
步骤二、衬底采用硅衬底时，在硅衬底上利用磁控溅射方法溅射一层Mg膜；
步骤三、衬底不采用硅衬底时，先在衬底上表面镀一层硅膜，在衬底的硅膜上利用磁控溅射方法溅射一层Mg膜；
步骤四、将衬底上的Mg膜进行退火处理，得到Mg2Si薄膜，作为红外辐射的吸收层；
步骤五、在Mg2Si薄膜上溅射一层减反射层；
步骤六、在衬底下面热蒸发一层铝膜作为下接触电极层；
步骤七、在Mg2Si薄膜上的预留区域热蒸发一层银膜作为上电极层且该上电极伸出减反射层。
8.一种红外探测器，包括衬底（2），其特征在于：在衬底（2）上表面设置Mg2Si薄膜（3），Mg2Si薄膜（3）上表面连接上电极（5），在衬底（2）下表面设置下电极（1）。
9.根据权利要求8所述的一种红外探测器，其特征在于：在Mg2Si薄膜（3）上表面镀一层减反射层（4），上电极（5）穿过减反射层（4）。
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