CN109309131B - 石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器及其制备方法，属于半导体探测器领域，解决了现有碳化硅辐射探测器存在的探测效率低、漏电流大的问题。该探测器包括：碳化硅衬底；设置在碳化硅衬底上的碳化硅外延层，所述碳化硅外延层为双台面结构；设置在碳化硅外延层上的石墨烯透明电极；设置在碳化硅外延层上的二氧化硅钝化层；设置在石墨烯透明电极上的阴极金属电极和阳极金属电极；分别键合在阴极金属电极和阳极金属电极上的电极引线。本发明将石墨烯透明电极应用到辐射探测器中，采用双台面工艺，提供一种具有高有效探测区域、高探测效率、低漏电流、耐高温、耐辐射的石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器及其制备方法。
Description
技术领域
本发明属于半导体探测器技术领域，尤其是涉及一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器及其制备方法。
背景技术
碳化硅材料作为第三代宽禁带半导体材料，其4H晶型碳化硅(4H-SiC)的禁带宽度达到了3.26eV。相比于第一代半导体材料(Si等)和第二代半导体材料(GaAs等)，具有禁带宽度宽、电导率高、载流子饱和漂移速率高、击穿电场大、耐高温、耐辐照等许多优异性能。碳化硅辐射探测器暗电流小、信噪比高，并且能够在高温、强辐射的环境下工作。另一方面，石墨烯是一种片层状碳原子构成的二维纳米材料，具有良好的透光性和导电性，同时还具有优异的力学性能和导热性能，作为优良的电极材料广泛应用于各种器件结构。
现有的碳化硅辐射探测器利用了碳化硅和金属电极之间的肖特基接触，其有效探测区域局限于金属电极所覆盖区域，且金属电极的厚度较厚，因此金属电极对入射光子会产生阻挡作用，使得碳化硅辐射探测器的探测效率大幅降低。并且现有的碳化硅辐射探测器采用单台面工艺，其漏电流较大。
发明内容
本发明利用石墨烯透明电极的辅助作用，同时采用在碳化硅上外延生长石墨烯的方法，将石墨烯透明电极应用到辐射探测器中，并采用双台面工艺以降低器件的漏电流，提供了一种具有高有效探测区域、高探测效率、低漏电流、耐高温、耐辐射的石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器及其制备方法，解决了现有碳化硅辐射探测器存在的探测效率低、漏电流大的问题，为石墨烯在辐射探测领域的应用提供了新思路、新方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
本发明的一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器，包括：
碳化硅衬底；
设置在碳化硅衬底上的碳化硅外延层，所述碳化硅外延层为双台面结构；
设置在碳化硅外延层上的石墨烯透明电极；
设置在碳化硅外延层上的二氧化硅钝化层；
设置在石墨烯透明电极上的阴极金属电极和阳极金属电极；
分别键合在阴极金属电极和阳极金属电极上的电极引线。
进一步的，所述双台面结构包括依次连接的第一台面、第一侧面、第二台面、第二侧面和顶面；所述第一台面和顶面分别设置有石墨烯透明电极；所述二氧化硅钝化层覆盖在第一侧面、第二台面和第二侧面上。
进一步的，所述阴极金属电极设置在位于第一台面上的石墨烯透明电极上，所述阳极金属电极设置在位于顶面上的石墨烯透明电极上。
进一步的，所述碳化硅衬底为半绝缘型碳化硅，晶型为4H或6H，厚度为200～400μm。
进一步的，所述碳化硅外延层为n型掺杂的半导体，掺杂浓度为1014～1015cm-3，晶型为4H或6H，厚度为1～10μm。
进一步的，所述石墨烯透明电极与阴极金属电极之间的接触为欧姆接触；所述石墨烯透明电极与阳极金属电极之间的接触为肖特基接触。
进一步的，所述阴极金属电极为Ni或Ti/Ni，厚度为50～500nm；所述阳极金属电极为Ni或Ti/Ni，厚度为10～100nm。
本发明提供的一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、利用化学气相沉积法在碳化硅衬底上生长碳化硅外延层；
步骤二、光刻并刻蚀碳化硅外延层两次，以使碳化硅外延层形成双台面结构；
步骤三、在碳化硅外延层上生长石墨烯透明电极，光刻并刻蚀石墨烯透明电极，以使双台面结构的第一台面和顶面均覆盖石墨烯透明电极；
步骤四、在碳化硅外延层和石墨烯透明电极上沉积二氧化硅钝化层，光刻并刻蚀二氧化硅钝化层，以使双台面结构上未被石墨烯透明电极覆盖的区域均覆盖上二氧化硅钝化层；
步骤五、在第一台面和顶面上的石墨烯透明电极上分别光刻并刻蚀出电极窗口，在电极窗口中分别光刻并蒸镀阴极金属电极和阳极金属电极；
步骤六、在阴极金属电极和阳极金属电极上分别键合电极引线；
步骤七、封装。
进一步的，在进行步骤一之前还包括以下步骤：采用丙酮和乙醇清洗碳化硅衬底，再用超纯水清洗碳化硅衬底15～20次，清洗后进行烘干处理。
进一步的，步骤三中，在碳化硅外延层上生长石墨烯透明电极，生长温度为：1500℃，生长时间为：5～20min。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在碳化硅外延层上生长石墨烯透明电极，采用石墨烯作为透明电极代替金属电极，可以有效地增大碳化硅辐射探测器的有效探测区域，同时提高探测效率，解决现有碳化硅辐射探测器探测效率低的问题。
2、目前石墨烯辅助的碳化硅器件多应用于紫外探测器，而较少应用于辐射探测器上，因此，本发明将石墨烯透明电极应用到辐射探测器中，结合石墨烯的热导率大、迁移速率高等优良特性，从而使得利用石墨烯作为透明电极的碳化硅辐射探测器的耐高温性和响应速度也会得到进一步提高。
3、本发明利用碳化硅热分解法在碳化硅外延层上生长石墨烯透明电极，这种方法可以在碳化硅外延层外延大面积均匀的石墨烯，为石墨烯作为透明电极应用于碳化硅辐射探测器上的可行性提供了基础。
4、本发明将双台面工艺引入到碳化硅辐射探测器中，电场集中于阳极金属电极的下方，有效降低了器件的漏电流，提高了器件性能，解决了现有碳化硅辐射探测器存在的漏电流较大的问题。
5、本发明的制备方法的关键步骤包括：(1)化学气相沉积法生长碳化硅外延层；(2)光刻并刻蚀碳化硅外延层两次，以形成双台面结构；(3)在碳化硅外延层上生长石墨烯，光刻并刻蚀石墨烯；(4)沉积二氧化硅钝化层，光刻并刻蚀出电极窗口；(5)光刻并蒸镀阳极金属电极和阴极金属电极；(6)在金属电极上键合电极引线；(7)封装器件。本发明利用石墨烯作为透明电极，采用双台面工艺制造了一种新型的石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器，所采用的制备方法有效降低了探测器的漏电流，增大了探测器的有效探测区域，并改善了探测器的耐高温性和响应速率。
6、本发明为石墨烯在辐射探测领域的应用提供了新方法、新思路，本发明的制备工艺简单、用途广泛，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器的侧视图。
图2为本发明的石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器的俯视图。
图3为本发明的石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器的制备方法流程图。
图中：1、碳化硅衬底，2、碳化硅外延层，2-1、第一台面，2-2、第一侧面，2-3、第二台面，2-4、第二侧面，2-5、顶面，3、石墨烯透明电极，4、阴极金属电极，5、阳极金属电极，6、第一电极引线，7、二氧化硅钝化层，8、第二电极引线，9、封装外壳。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器，主要包括：碳化硅衬底1、碳化硅外延层2、石墨烯透明电极3、阴极金属电极4、阳极金属电极5、第一电极引线6、二氧化硅钝化层7、第二电极引线8和封装外壳9。
碳化硅衬底1为半绝缘型碳化硅，晶型为4H或6H，厚度为200～400μm。
碳化硅外延层2为n型掺杂的半导体，掺杂浓度为1014～1015cm-3，晶型为4H或6H，厚度为1～10μm。碳化硅外延层2生长在碳化硅衬底1上，碳化硅外延层2是一种双台面结构，这种双台面结构主要包括第一台面2-1、第一侧面2-2、第二台面2-3、第二侧面2-4和顶面2-5，第一台面2-1、第一侧面2-2、第二台面2-3、第二侧面2-4和顶面2-5依次连接。
石墨烯透明电极3设置在碳化硅外延层2上，具体的是：在双台面结构的第一台面2-1和顶面2-5上分别设置有石墨烯透明电极3。二氧化硅钝化层7设置在碳化硅外延层2上，具体的是：二氧化硅钝化层7覆盖在双台面结构的第一侧面2-2、第二台面2-3和第二侧面2-4上，也就是说碳化硅外延层2的双台面结构上未被石墨烯透明电极3覆盖的区域(即双台面结构的第一侧面2-2、第二台面2-3和第二侧面2-4)均覆盖上二氧化硅钝化层7。
阴极金属电极4和阳极金属电极5设置在石墨烯透明电极3上，具体的是：阴极金属电极4设置在位于第一台面2-1上的石墨烯透明电极3上，阳极金属电极5设置在位于顶面2-5上的石墨烯透明电极3上。石墨烯透明电极3与阴极金属电极4之间的接触为欧姆接触；石墨烯透明电极3与阳极金属电极5之间的接触为肖特基接触。阴极金属电极4为Ni或Ti/Ni，厚度为50～500nm；阳极金属电极5为Ni或Ti/Ni，厚度为10～100nm。
电极引线分别为第一电极引线6和第二电极引线8，第一电极引线6键合在阴极金属电极4上，第二电极引线8键合在阳极金属电极5上。
封装外壳9具有窗口，可以使辐射射线辐照到碳化硅外延层2和石墨烯透明电极3上。
如图3所示，本发明的一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一、首先采用丙酮和乙醇清洗碳化硅衬底1，再用超纯水清洗碳化硅衬底1，超纯水清洗15～20次，清洗后进行烘干处理；最后利用化学气相沉积法在碳化硅衬底1上生长碳化硅外延层2；
步骤二、光刻并刻蚀碳化硅外延层2两次，以使碳化硅外延层2形成双台面结构；
该步骤中所涉及的刻蚀工艺具体可以采用电感耦合等离子体刻蚀技术或反应离子刻蚀技术；
步骤三、在碳化硅外延层2上生长石墨烯透明电极3，光刻并刻蚀石墨烯透明电极3，以使双台面结构的第一台面2-1和顶面2-5均覆盖石墨烯透明电极3；
该步骤中所涉及的刻蚀工艺具体可以采用电感耦合等离子体刻蚀技术或反应离子刻蚀技术；
步骤四、在碳化硅外延层2和石墨烯透明电极3上沉积二氧化硅钝化层7，光刻并刻蚀二氧化硅钝化层7，以使双台面结构上未被石墨烯透明电极3覆盖的区域均覆盖上二氧化硅钝化层7；
该步骤中所涉及的刻蚀工艺具体可以采用电感耦合等离子体刻蚀技术或反应离子刻蚀技术；
该步骤中所涉及的沉积工艺具体可以采用等离子体增强化学气相淀积技术；
步骤五、在第一台面2-1和顶面2-5上的石墨烯透明电极3上分别光刻并刻蚀出电极窗口，在电极窗口中分别光刻并蒸镀阴极金属电极4和阳极金属电极5；并在1000℃下退火5min以使石墨烯透明电极3与阴极金属电极4之间形成欧姆接触，而石墨烯透明电极3与阳极金属电极5之间的接触为肖特基接触；
该步骤中所涉及的刻蚀工艺具体可以采用电感耦合等离子体刻蚀技术或反应离子刻蚀技术；
该步骤中所涉及的蒸镀工艺具体可以采用金属热蒸发技术；
步骤六、在阴极金属电极4和阳极金属电极5上分别键合电极引线；
步骤七、采用封装外壳9进行封装；封装外壳9具有窗口，可以使辐射射线辐照到碳化硅外延层2和石墨烯透明电极3上。
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
步骤一、选择半绝缘型碳化硅作为碳化硅衬底1，其晶型为4H，厚度为300μm，首先采用丙酮和乙醇清洗碳化硅衬底1，再用超纯水清洗碳化硅衬底1，超纯水清洗18次，清洗后进行烘干处理，最后利用化学气相沉积法(CVD)、以高纯N2作为n型源在碳化硅衬底1上外延生长碳化硅外延层2，碳化硅外延层2为n型掺杂的半导体，掺杂浓度为1014cm-3，晶型为4H，厚度为5μm。
步骤二、利用光刻技术和电感耦合等离子体刻蚀技术(ICP)在碳化硅外延层2上刻蚀出双台面结构；该双台面结构主要包括第一台面2-1、第一侧面2-2、第二台面2-3、第二侧面2-4和顶面2-5，第一台面2-1、第一侧面2-2、第二台面2-3、第二侧面2-4和顶面2-5依次连接。
步骤三、将步骤二所得样品置于高温生长炉中，在碳化硅外延层2上生长石墨烯透明电极3，生长的最适温度为：1500℃，生长的最适时间为：5～20min。利用光刻技术和反应离子刻蚀技术(RIE)刻蚀石墨烯透明电极3，以使双台面结构的第一台面2-1和顶面2-5均覆盖石墨烯透明电极3；
步骤四、利用等离子体增强化学气相淀积技术在碳化硅外延层2和石墨烯透明电极3上沉积二氧化硅钝化层7，利用光刻技术和反应离子刻蚀技术(RIE)刻蚀二氧化硅钝化层7，以使双台面结构上未被石墨烯透明电极3覆盖的区域均覆盖上二氧化硅钝化层7；
步骤五、在第一台面2-1和顶面2-5上的石墨烯透明电极3上分别利用光刻技术和电感耦合等离子体刻蚀技术(ICP)刻蚀出电极窗口，在电极窗口中利用光刻技术和金属热蒸发技术蒸镀阴极金属电极4：Ti/Ni，厚度为275nm，并在1000℃下退火5min以使石墨烯透明电极3与阴极金属电极4之间形成欧姆接触，同时在电极窗口中利用光刻技术和金属热蒸发技术蒸镀阳极金属电极5：Ti/Ni，厚度为55nm，石墨烯透明电极3与阳极金属电极5之间形成肖特基接触；
步骤六、利用超声键合作用在阴极金属电极4和阳极金属电极5上分别键合电极引线；
步骤七、封装器件。封装外壳9具有窗口，可以使辐射射线辐照到碳化硅外延层2和石墨烯透明电极3上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器，其特征在于，包括：
碳化硅衬底；
设置在碳化硅衬底上的碳化硅外延层，所述碳化硅外延层为双台面结构；
设置在碳化硅外延层上的石墨烯透明电极；
设置在碳化硅外延层上的二氧化硅钝化层；
设置在石墨烯透明电极上的阴极金属电极和阳极金属电极；
分别键合在阴极金属电极和阳极金属电极上的电极引线；
所述双台面结构包括依次连接的第一台面、第一侧面、第二台面、第二侧面和顶面；所述第一台面和顶面分别设置有石墨烯透明电极；所述二氧化硅钝化层覆盖在第一侧面、第二台面和第二侧面上；
所述阴极金属电极设置在位于第一台面上的石墨烯透明电极上，所述阳极金属电极设置在位于顶面上的石墨烯透明电极上；
所述碳化硅衬底为半绝缘型碳化硅，晶型为4H或6H，厚度为200～400μm；
所述碳化硅外延层为n型掺杂的半导体，掺杂浓度为1014～1015cm-3，晶型为4H或6H，厚度为1～10μm。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器，其特征在于，所述石墨烯透明电极与阴极金属电极之间的接触为欧姆接触；所述石墨烯透明电极与阳极金属电极之间的接触为肖特基接触。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器，其特征在于，所述阴极金属电极为Ni或Ti/Ni，厚度为50～500nm；所述阳极金属电极为Ni或Ti/Ni，厚度为10～100nm。
4.制备权利要求1至3中任意一项所述的一种石墨烯透明电极双台面碳化硅辐射探测器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用化学气相沉积法在碳化硅衬底上生长碳化硅外延层；
步骤二、光刻并刻蚀碳化硅外延层两次，以使碳化硅外延层形成双台面结构；
步骤三、在碳化硅外延层上生长石墨烯透明电极，光刻并刻蚀石墨烯透明电极，以使双台面结构的第一台面和顶面均覆盖石墨烯透明电极；
步骤四、在碳化硅外延层和石墨烯透明电极上沉积二氧化硅钝化层，光刻并刻蚀二氧化硅钝化层，以使双台面结构上未被石墨烯透明电极覆盖的区域均覆盖上二氧化硅钝化层；
步骤五、在第一台面和顶面上的石墨烯透明电极上分别光刻并刻蚀出电极窗口，在电极窗口中分别光刻并蒸镀阴极金属电极和阳极金属电极；
步骤六、在阴极金属电极和阳极金属电极上分别键合电极引线；
步骤七、封装。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤一之前还包括以下步骤：采用丙酮和乙醇清洗碳化硅衬底，再用超纯水清洗碳化硅衬底15～20次，清洗后进行烘干处理。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤三中，在碳化硅外延层上生长石墨烯透明电极，生长温度为：1500℃，生长时间为：5～20min。
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