CN104617177B - 一种基于ecr电子照射硅基纳米结构碳膜的光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器及其制备方法：选取电阻率7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型单面抛光硅片，利用ECR等离子体加工系统，通过调节基片偏压在+10～+300V范围内变化，可实现硅基非晶纳米结构碳膜、硅基石墨烯嵌层纳米结构碳膜、硅基石墨化纳米结构碳膜三种不同结构的光电探测器的制备；操作简单，所得硅基碳薄膜光电探测器可靠性高，响应时均小于1ms；测试表明：硅基非晶纳米结构碳膜/硅基石墨烯嵌层纳米结构碳膜/硅基石墨化纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值分别为：0.175A·W‑1、0.21A·W‑1、0.188A·W‑1。
Description
【技术领域】
本发明属于硅基薄膜光电探测器件制备技术领域，具体涉及一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器及其制备方法。
【背景技术】
光电探测器件是将光能转化为电能以便于放大检测的器件，在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。随着纳米表面工程与技术的深入发展，纳米材料光电探测器成为研究热点。常见的为ZnO、ZnS等光电导型探测器，但光电导探测器只能工作在负偏压下，对工作环境要求较高。而硅基结型探测器无需外加偏压，具有更好的环境适应性。碳材料来源广泛且石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料均展现出了光伏特性。这也意味着制备新型硅基碳纳米光电探测器件成为可能。近期该类型研究主要集中于非晶碳膜和石墨烯等。其中，硅基非晶碳膜主要依赖于元素掺杂对光电探测特性的调控，但掺杂工艺复杂性且不易控制；此外，石墨烯虽然光电性能优异，但石墨烯材料通常是物理转移到硅基体表面，与硅基体的结合强度往往较低，限制了其在探测器领域内的应用。现阶段，与基体结合强度较好的碳薄膜材料大多是通过气相沉积、高能离子照射或高温退火来制备。其中，气相沉积对气体比例要求严格且需要用到氨气和碳氢化合物等有毒气体，其制备工艺复杂且有一定安全隐患。高能离子照射和高温退火均对基体材料和加工设备要求较高。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器，包括由下至上依次排布的Au薄膜电极、p(100)型Si基片、ECR电子照射硅基纳米结构碳膜和正方形网格状Au电极；Au薄膜电极和正方形网格状Au电极通过银胶与导线粘接，形成具有光电探测能力的硅基纳米结构碳膜光电探测器；所述硅基纳米结构碳膜光电探测器光谱响应度峰值为：0.175-0.21A·W-1，响应时间小于1ms。
一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)将p(100)型Si基片经超声清洗，装入真空腔中并抽真空并通入氩气；经磁线圈磁场与微波耦合作用，产生氩等离子体；加热p(100)型Si基片到200～400℃保持1h，然后施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片表面；然后接通-300～-200V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片表面沉积ECR电子照射硅基纳米结构碳膜；镀膜时基片温度为室温～400℃，基片偏压为+10V～+300V；
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面制备透光的正方形网格状Au电极；接下来，制备覆盖整个p(100)型Si基片背面的Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。
本发明进一步的改进在于：步骤2)具体包括：在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面旋涂光刻胶，通过紫外曝光在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面复制出正方形网格状掩膜图案，显影后在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到正方形网格状Au电极；接下来，去除Si基片背面自然氧化层，溅射Au膜，制备覆盖整个p(100)型Si基片背面的Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。
本发明进一步的改进在于：步骤1)中基片偏压在大于等于+10V，小于+40V，镀膜时p(100)型Si基片温度保持为400℃；得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜为非晶结构。
本发明进一步的改进在于：步骤1)中基片偏压大于等于+40V，小于+200V；镀膜时p(100)型Si基片温度保持为室温～50℃，得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜为小于5层石墨烯纳晶堆叠的石墨烯嵌层结构。
本发明进一步的改进在于：步骤1)中基片偏压在大于等于+200V，小于等于+300V；镀膜时p(100)型Si基片温度保持为室温～50℃时，得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜为石墨化纳米结构。
本发明进一步的改进在于：所述一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法具体包括以下步骤：
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min；加热p(100)型Si基片到400℃恒温，然后施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片表面；然后接通-300V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片表面沉积；同时施加+10V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片表面形成电子照射，控制沉积时间，镀膜结束后，保持p(100)型Si基片温度为400℃1h，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜；
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在硅基碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到透光的正方形网格状Au电极；接下来，用1％氢氟酸溶液去除硅基体背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p(100)型Si基片背面的面接触Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；该ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.175A·W-1，响应时间小于1ms。
本发明进一步的改进在于：所述一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法具体包括以下步骤：
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min；加热p(100)型Si基片到200℃保持1h，关闭加热装置，待p(100)型Si基片自然冷却到室温时，施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片表面；然后接通-250V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片表面沉积；同时施加+80V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片表面形成电子照射，控制沉积时间，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜；
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到透光的正方形网格状Au电极；接下来，用1％氢氟酸溶液去除硅基体背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p(100)型Si基片背面的面接触Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；该ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.21A·W-1，响应时间小于1ms。
本发明进一步的改进在于：所述一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法具体包括以下步骤：
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min；加热p(100)型Si基片到200℃保持1h，关闭加热装置，待p(100)型Si基片自然冷却到50℃时，施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片表面；然后接通-200V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片表面沉积；同时施加+200V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片表面形成电子照射，控制沉积时间，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜；
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在硅基碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到透光的正方形网格状Au电极；接下来，用1％氢氟酸溶液去除硅基体背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p(100)型Si基片背面的面接触Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；该ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.188A·W-1，响应时间小于1ms。
一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法所制备的ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。
本发明一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器，大小为5mm*5mm，由下至上依次为Au薄膜电极、p型硅衬底、电子照射碳膜、网格状Au电极。其中：Au薄膜电极利用磁控溅射制备，厚度为100nm，Si基体厚度为525μm，电阻率7～13Ω·cm，碳膜采用ECR等离子体加工系统制备，薄膜厚度为60nm，网格状Au薄膜电极利用磁控溅射制备，厚度为100nm，电极线宽60μm，间距250μm；Au电极通过银胶与导线粘接。该光电探测器可用于MEMS等纳米尺度范围内可见光波段光电信号转化的传感器。具有结构简单、安全可靠、易加工、成本低等优点。较其他薄膜光电导探测器而言，工作时不需外加偏压，且响应时间小于1ms。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明选取电阻率7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型单面抛光硅片，利用ECR等离子体加工系统，通过调节基片偏压在+10～+200V范围内变化，可实现硅基非晶纳米结构碳膜、硅基石墨烯嵌层纳米结构碳膜、硅基石墨化纳米结构碳膜三种不同结构的光电探测器的制备。操作简单，所得硅基碳薄膜光电探测器可靠性高，响应时间快。测试表明：硅基非晶纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.175A·W-1；硅基石墨烯嵌层纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.21A·W-1；硅基石墨化纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.188A·W-1；且三种硅基纳米结构探测器均光强-光电流标定线性度良好，响应时间小于1ms。
【附图说明】
图1(a)为本发明提供的一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的结构图，其中，为Au薄膜电极，为p(100)型Si基片，为ECR电子照射硅基纳米结构碳膜，为正方形网格状上电极，为银浆，为导线；图1(b1)、图1(b2)和图1(b3)均为图1(a)中虚线框部分的本发明不同基片偏压下制备纳米碳膜探测器的局部放大结构示意图。图1(b1)为实施例1中基片偏压为+10V时制备的非晶碳膜示意图；图1(b2)为实施例2中基片偏压为+80V时制备的嵌有石墨烯嵌层结构碳膜示意图；图1(b3)为实施例3中基片偏压为+200V时制备的石墨化碳膜示意图。
图2为本发明中一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法流程图；
图3为本发明不同基片偏压下制备硅基纳米碳膜探测器在AM1.5下的光伏特性I-V测试结果图。其中，图3(a)为实施例1中基片偏压为+10V时制备的硅基非晶纳米结构碳膜探测器；图3(b)为实施例2中基片偏压为+80V时制备的硅基石墨烯嵌层纳米结构碳膜探测器；图3(c)为实施例3中基片偏压为+200V时制备的硅基石墨化纳米结构碳膜探测器。
图4为本发明不同基片偏压下制备硅基纳米碳膜探测器的光谱响应度测试结果图。
图5为本发明不同基片偏压下制备硅基纳米碳膜探测器的光电流-光强标定曲线。
图6为本发明不同基片偏压下制备硅基纳米碳膜探测器的响应时间测试结果图。图6(a)为实施例1中基片偏压为+10V时制备的硅基非晶碳膜探测器；图6(b)为实施例2中基片偏压为+80V时制备的硅基石墨烯嵌层碳膜探测器；图6(c)为实施例3中基片偏压为+200V时制备的硅基石墨化碳膜探测器。
【具体实施方式】
本发明一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法，具体过程为：
1)将p(100)型Si基片2经超声清洗，装入离子体腔体中并抽真空，当其真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气；经磁线圈磁场与微波耦合作用，产生氩等离子体；加热p(100)型Si基片2到200～400℃保持1h，然后施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片2表面。然后接通-300～-200V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片2表面沉积形成碳膜；调节镀膜时的基片温度在室温～400℃变化，基片偏压在+10V～+200V变化，可以得到不同结构的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3。
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到具有良好欧姆接触的透光正方形网格状上电极4；接下来，用1％氢氟酸溶液去除p(100)型Si基片2背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p型硅衬底的面接触Au薄膜电极1；最后，上下电极分别通过银胶5与导线6粘接，150℃加热30min固化银胶。得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。
采用透射电子显微镜观察ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面结构。当基片偏压在大于等于+10V，小于+40V的范围内变化，镀膜时基片温度保持为400℃时，碳膜为非晶结构；当基片偏压杂大于等于+40V，小于+200V的范围内变化，镀膜时基片温度保持为室温～50℃时，碳膜中逐渐出现小于5层的纳晶石墨烯层堆叠结构，形成石墨烯嵌层结构碳膜；当基片偏压在大于等于+200V，小于等于+300V的范围内变化，镀膜时基片温度保持为室温～50℃时，该碳膜相对于石墨烯嵌层结构碳膜，纳晶石墨烯层堆叠层数增加(大于或等于5层)，晶粒横向尺寸增大且石墨烯纳晶之间出现相互连接，我们将其称为石墨化纳米结构碳膜。
实施例1
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片2装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min。加热p(100)型Si基片2到400℃恒温，然后施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片2表面。然后接通-300V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片2表面沉积形成碳膜；同时施加+10V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片2表面形成电子照射，控制沉积时间，镀膜结束后，保持基片温度为400℃1h，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3。如图1(b1)所示为本实施例中基片偏压+10V下制备的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3的示意图，碳膜结构属于非晶纳米结构。
2)ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到具有良好欧姆接触的透光正方形网格状Au电极4；接下来，用1％氢氟酸溶液去除p(100)型Si基片2背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p型硅衬底的Au薄膜电极1；最后，Au薄膜电极1和正方形网格状Au电极4通过银胶5与导线6粘接，150℃加热30min固化银胶。得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。该探测器光谱响应度测试结果如图4所示，光谱响应度峰值为：0.175A·W-1；光强-光电流标定结果如图5所示，线性度良好；响应时间测试结果如图6(a)所示：小于1ms。
实施例2
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片2装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min。加热p(100)型Si基片2到200℃保持1h，关闭加热装置，待p(100)型Si基片2自然冷却到室温时，施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片2表面。然后接通-250V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片2表面沉积形成碳膜；同时施加+80V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片2表面形成电子照射，控制沉积时间，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3。如图1(b2)所示为本实施例中基片偏压+80V下制备的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3的结构示意图，碳膜中出现小于5层的石墨烯层堆叠结构，碳膜属于石墨烯嵌层结构纳米碳膜。
2)ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到具有良好欧姆接触的透光正方形网格状Au电极4；接下来，用1％氢氟酸溶液去除p(100)型Si基片2背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p型硅衬底的Au薄膜电极1；最后，Au薄膜电极1和正方形网格状Au电极4通过银胶5与导线6粘接，150℃加热30min固化银胶。得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。该探测器光谱响应度测试结果如图4所示，光谱响应度峰值为：0.21A·W-1；光强-光电流标定结果如图5所示，线性度良好；响应时间测试结果如图6(b)所示：小于1ms。
实施例3
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片2装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min。加热p(100)型Si基片2到200℃保持1h，关闭加热装置，待p(100)型Si基片2自然冷却到50℃时，施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片2表面。然后接通-200V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片2表面沉积形成碳膜；同时施加+200V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片2表面形成电子照射，控制沉积时间，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3。如图1(b3)所示为本实施例中基片偏压+200V下制备的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3的结构示意图，其相对于实施例2的石墨烯嵌层结构纳米碳膜，该碳膜中的纳晶石墨烯层堆叠层数增加，晶粒横向尺寸增大且石墨烯纳晶之间出现相互连接，属于石墨化纳米结构碳膜。
2)ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜3表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到具有良好欧姆接触的透光正方形网格状Au电极4；接下来，用1％氢氟酸溶液去除p(100)型Si基片2背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p型硅衬底的Au薄膜电极1；最后，Au薄膜电极1和正方形网格状Au电极4分别通过银胶5与导线6粘接，150℃加热30min固化银胶。得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。该探测器光谱响应度测试结果如图4所示，光谱响应度峰值为：0.188A·W-1；光强-光电流标定结果如图5所示，线性度良好；响应时间测试结果如图6(c)所示：小于1ms。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将p(100)型Si基片(2)经超声清洗，装入真空腔中并抽真空并通入氩气；经磁线圈磁场与微波耦合作用，产生氩等离子体；加热p(100)型Si基片(2)到200～400℃保持1h，然后施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片(2)表面；然后接通-300～-200V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片(2)表面沉积ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)；镀膜时基片温度为室温～400℃，基片偏压为+10V～+300V；
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面制备透光的正方形网格状Au电极(4)；接下来，制备覆盖整个p(100)型Si基片(2)背面的Au薄膜电极(1)；最后，正方形网格状Au电极(4)和Au薄膜电极(1)分别通过银胶(5)与导线(6)粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；
步骤1)中基片偏压在大于等于+10V，小于+40V，镀膜时p(100)型Si基片(2)温度保持为400℃；得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)为非晶结构；
或者，步骤1)中基片偏压大于等于+40V，小于+200V；镀膜时p(100)型Si基片(2)温度保持为室温～50℃，得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)为小于5层石墨烯纳晶堆叠的石墨烯嵌层结构；
或者，步骤1)中基片偏压在大于等于+200V，小于等于+300V；镀膜时p(100)型Si基片(2)温度保持为室温～50℃时，得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)为石墨化纳米结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤2)具体包括：在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面旋涂光刻胶，通过紫外曝光在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面复制出正方形网格状掩膜图案，显影后在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到正方形网格状Au电极(4)；接下来，去除Si基片(2)背面自然氧化层，溅射Au膜，制备覆盖整个p(100)型Si基片(2)背面的Au薄膜电极(1)；最后，正方形网格状Au电极(4)和Au薄膜电极(1)分别通过银胶(5)与导线(6)粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。
3.根据权利要求1所述的一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法，其特征在于，所述一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法具体包括以下步骤：
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片(2)装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min；加热p(100)型Si基片(2)到400℃恒温，然后施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片(2)表面；然后接通-300V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片(2)表面沉积；同时施加+10V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片(2)表面形成电子照射，控制沉积时间，镀膜结束后，保持p(100)型Si基片(2)温度为400℃，保温1h，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)；
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在硅基碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到透光的正方形网格状Au电极(4)；接下来，用1％氢氟酸溶液去除硅基体背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p(100)型Si基片(2)背面的面接触Au薄膜电极(1)；最后，正方形网格状Au电极(4)和Au薄膜电极(1)分别通过银胶(5)与导线(6)粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；该ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.175A·W-1，响应时间小于1ms。
4.根据权利要求1所述的一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法，其特征在于，所述一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法具体包括以下步骤：
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片(2)装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min；加热p(100)型Si基片(2)到200℃保持1h，关闭加热装置，待p(100)型Si基片(2)自然冷却到室温时，施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片(2)表面；然后接通-250V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片(2)表面沉积；同时施加+80V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片(2)表面形成电子照射，控制沉积时间，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)；
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到透光的正方形网格状Au电极(4)；接下来，用1％氢氟酸溶液去除硅基体背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p(100)型Si基片(2)背面的面接触Au薄膜电极(1)；最后，正方形网格状Au电极(4)和Au薄膜电极(1)分别通过银胶(5)与导线(6)粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；该ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.21A·W-1，响应时间小于1ms。
5.根据权利要求1所述的一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法，其特征在于，所述一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法具体包括以下步骤：
1)将经过超声清洗的电阻率为7～13Ω·cm，厚度525μm的p(100)型Si基片(2)装入真空腔中；当系统真空度达到4×10-4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min；加热p(100)型Si基片(2)到200℃保持1h，关闭加热装置，待p(100)型Si基片(2)自然冷却到50℃时，施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(100)型Si基片(2)表面；然后接通-200V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(100)型Si基片(2)表面沉积；同时施加+200V基片偏压，吸引电子轰击p(100)型Si基片(2)表面形成电子照射，控制沉积时间，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)；
2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜(3)表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5％的NaOH溶液显影后，ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面得到线宽60μm，间距250μm的正方形网格状图案；之后，在硅基碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离去除光刻胶，得到透光的正方形网格状Au电极(4)；接下来，用1％氢氟酸溶液去除硅基体背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个p(100)型Si基片(2)背面的面接触Au薄膜电极(1)；最后，正方形网格状Au电极(4)和Au薄膜电极(1)分别通过银胶(5)与导线(6)粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；该ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为：0.188A·W-1，响应时间小于1ms。
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| CN103938170A (zh) * | 2014-04-10 | 2014-07-23 | 西安交通大学 | 一种ecr电子照射密度控制碳膜中纳晶石墨烯尺寸的方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| "Anealling effect on schottky barrier inhomogeneity of graphene/n-type Si Schottky diodes";YonJon Lin 等;《APPLIED SURFACE SCIENCE》;20140517;第311卷;第224-229页 * |
| "Photovoltaic properties of a carbon film/silicon heterojunction";P.H.FANG 等;《SOLAR CELLS》;19900531;第28卷;第315页"Summary"部分至317页第3段 * |
| "Progress on the development of a silicon -carbon nanotube photodetector";C.Aramo 等;《NUCLEAR INSTRUMENTS AND METHODS IN PHYSICS RESEARCH A》;20121110;第718卷;第554-556页 * |
| "硅纳米线阵列的制备及其光电应用";刘莉 等;《化学进展》;20130331;第25卷(第2/3期);第248-258页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104617177A (zh) | 2015-05-13 |
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