CN110047976B - 一种日盲紫外光敏晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种日盲紫外光敏晶体管的制备方法，包括如下步骤：步骤1：将衬底进行预处理后，通过光刻剥离技术曝光显影出栅极小岛区域，并在所述栅极小岛区域蒸镀导电膜；步骤2：再通过光刻剥离技术曝光显影出第一堆叠小岛区域，并在所述第一堆叠小岛区域化学气相沉积绝缘层后，磁控溅射光敏层；步骤3：再通过光刻剥离技术曝光显影出第二堆叠小岛区域，并在所述第二堆叠小岛区域磁控溅射背沟道层后，蒸镀叉指电极层。采用背沟道刻蚀方法和叉指电极结构在保证光电探测范围的条件下，增强了器件电学性能，提高了光电探测特性，器件制备工艺简单，在紫外探测领域具有良好应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域，更具体的是，本发明涉及一种日盲紫外光敏晶体管的制备方法。
背景技术
紫外探测技术是当今光电探测技术中的重要研究内容，紫外辐射对人类生存和发展有着深远影响。其中波长小于280nm的紫外波段，由于地球臭氧层的强烈吸收，在海平面辐射强度为0，称为日盲紫外波段。对于日盲紫外波段的探测可以避免太阳辐射的干扰，具有很高的灵敏度，在臭氧空洞监测、光学通讯、空间探测等领域应用前景广阔。
作为宽禁带半导体，氧化镓材料具有电子迁移率高、物理化学性质稳定、机械强度高等优点，而且带隙达到4.9eV，不需要进行掺杂就能够很好地满足日盲紫外探测的需求，是日盲紫外探测的优选材料之一。
发明内容
本发明设计开发了一种日盲紫外光敏晶体管的制备方法，采用背沟道刻蚀方法和叉指电极结构在保证光电探测范围的条件下，增强了器件电学性能，提高了光电探测特性。
本发明还能精确控制旋涂第一光刻胶的旋涂转速、磁控溅射沉积光敏层的氧分压以及蒸镀叉指电极层的厚度，增强了器件电学性能，提高了光电探测特性。
本发明提供的技术方案为：
一种日盲紫外光敏晶体管的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将衬底进行预处理后，通过光刻剥离技术曝光显影出栅极区域，并在所述栅极区域蒸镀导电膜；
步骤2：再通过光刻剥离技术曝光显影出第一堆叠区域，并在所述第一堆叠区域化学气相沉积绝缘层后，磁控溅射光敏层；
步骤3：再通过光刻剥离技术曝光显影出第二堆叠区域，并在所述第二堆叠区域磁控溅射背沟道层后，蒸镀叉指电极层。
优选的是，在步骤1中，衬底的预处理包括：
将所述衬底置于丙酮溶液中，室温下超声清洗3～5min；
再置于乙醇溶液中，室温下超声清洗3～5min；
再置于离子水中，室温下超声清洗3～5min；
高纯氮气吹干，放入烘箱85～90℃烘干5～7min。
优选的是，在步骤1中，通过光刻剥离技术曝光显影出栅极区域包括：
将预处理的衬底旋涂第一光刻胶，第一旋涂转速为250～260rpm，时间为6～7s，转速升至第二旋涂转速为500～520rpm，时间为7～8s，再升至第三旋涂转速3000～3050rpm，时间为28～30s；
其中，控制第一旋涂转速满足为：
控制第二旋涂转速满足为：
n2＝2n1，
控制第三旋涂转速满足为：
n3＝12n1，
式中，n1为第一旋涂转速，n2为第二旋涂转速，n3为第三旋涂转速，ξ为校正系数，ds为栅极厚度，d0为第一光刻胶的厚度，s0为衬底的面积，si为第i个栅极区域的面积，m为衬底上栅极区域的数量，sj为第j个第一堆叠区域的面积，sl为第l个第二堆叠区域的面积，n0为基础转速；
将涂好第一光刻胶衬底在90～92℃下前烘3min；
将前烘好的衬底覆盖第一光刻板，并曝光；
将曝光后的衬底置于显影液中，得到具有栅极区域的衬底，去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
优选的是，步骤1中，在所述栅极区域蒸镀导电膜包括：
通过蒸镀方法在显影后的衬底上蒸镀导电膜；
完成蒸镀后，将衬底置于丙酮中超声1～2min，用乙醇和去离子水冲洗干净，氮气吹干。
优选的是，在步骤2中，通过光刻剥离技术曝光显影出第一堆叠区域包括：
将蒸镀导电膜的衬底旋涂第二光刻胶，旋涂转速250～260rpm，时间6～7s，转速升至500～520rpm，时间为7～8s，再升至3000～3050rpm，时间为29～30s；将涂好第二光刻胶的衬底在90～92℃下前烘3min；
将前烘好的衬底堵盖第二光刻板，并曝光；
将曝光后的衬底置于显影液中，得到具有第一堆叠区域的衬底，去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
优选的是，步骤2中，在所述第一堆叠区域化学气相沉积绝缘层后，磁控溅射光敏层包括：
通过化学气相沉积在具有第一堆叠区域的衬底上沉积绝缘层；
通过测控溅射方法在绝缘层上沉积光敏层，
其中，磁控溅射的氧分压30％～50％，厚度为50～100nm，
且所述磁控溅射的氧分压满足：
式中，p为磁控溅射的氧分压，p0为磁控溅射的基础氧分压，dg为光敏层的厚度，
为校正系数；
完成磁控溅射后，将衬底置于丙酮中超声1～2min，用乙醇和去离子水冲洗干净，氮气吹干。
优选的是，在步骤3中，通过光刻剥离技术曝光显影出第二堆叠区域包括：
将沉积光敏层的衬底旋涂第三光刻胶，旋涂转速为250～260rpm，时间为6～7s，转速升至500～520rpm，时间为7～8s，再升至3000～3050rpm，时间为30～32s；
将涂好第三光刻胶的衬底在90～92℃下前烘3～4min；
将前烘好的衬底覆盖第三光刻板，并曝光；
将曝光后的衬底置于显影液中，得到具有第二堆叠区域的衬底，去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
优选的是，步骤3中，在所述第二堆叠区域磁控溅射背沟道层后，蒸镀叉指电极层包括：
通过测控溅射方法在具有第二堆叠区域的衬底上沉积背沟道层，其中，磁控溅射的氧分压0％～5％，厚度为20～50nm；
通过蒸镀方法在背沟道层上蒸镀叉指电极层，且厚度为50～70nm，
所述叉指电极层的厚度满足：
式中，d为叉指电极层的厚度，κ为校正系数，df为基础厚度；
完成蒸镀后，将衬底置于丙酮中超声1～2min，用乙醇和去离子水冲洗干净，氮气吹干。
优选的是，所述导电膜为金属或氧化物导电膜，所述绝缘层为高介电常数的氧化物绝缘体，所述光敏层为三氧化二镓，所述背沟道层为氧化镓锌，所述叉指电极层金属或导电氧化物，所述衬底为硬质衬底或者柔性衬底。
优选的是，所述导电膜为铝，所述绝缘层为二氧化硅，所述叉指电极层为铝，所述衬底为玻璃、蓝宝石、硅片、聚对苯二甲酸或者聚酰亚胺中的一种。
本发明所述的有益效果：
本发明设计开发的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，采用背沟道刻蚀方法和叉指电极结构在保证光电探测范围的条件下，增强了器件电学性能，提高了光电探测特性，即对于日盲紫外波段进行探测，提高了器件驱动电流，增强了紫外光响应度和探测度；器件制备工艺简单，在紫外探测领域具有良好应用前景。本发明还能精确控制旋涂第一光刻胶的旋涂转速、磁控溅射沉积光敏层的氧分压以及蒸镀叉指电极层的厚度，增强了器件电学性能，提高了光电探测特性。
附图说明
图1是本发明所述预处理好的衬底100的示意图。
图2是本发明所述光刻出栅极200的栅极小岛区域剖面图(样品一)。
图3是本发明所述光刻出栅极200的栅极小岛区域俯视图(样品一)。
图4是本发明所述沉积出二氧化硅绝缘层300的样本剖面图(样品二)。
图5是本发明所述沉积出Ga2O3光敏层400的样本剖面图(样品三)。
图6是本发明所述剥离出二氧化硅绝缘层300和Ga2O3光敏层400的第一堆叠小岛的样本剖面图(样品四)。
图7是本发明所述剥离出二氧化硅绝缘层300和Ga2O3光敏层4的第一堆叠小岛的样本俯视图(样品四)。
图8是本发明所述沉积出GZO背沟道层500的样本剖面图(样品五)
图9是本发明所述沉积出金属铝层600的样本剖面图(样品六)。
图10是本发明所述剥离出GZO背沟道层500和叉指电极600的第二堆叠小岛的样本剖面图(样品七)。
图11是本发明所述剥离出GZO背沟道层500和叉指电极600的第二堆叠小岛的样本俯视图(样品七)。
图12是本发明所述日盲紫外光敏晶体管单一器件剖面示意图。
图13是本发明所述日盲紫外光敏晶体管单一器件俯视图。
图14是本发明所述第一光刻板示意图。
图15是本发明所述第二光刻板示意图。
图16是本发明所述第三光刻板示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明提供一种日盲紫外光敏晶体管的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1：清洁衬底100(预处理)：
所述的衬底100可以为硬质衬底(玻璃、蓝宝石、硅片等)或柔性衬底(PET聚对苯二甲酸、PI聚酰亚胺等)，本实施例中采用玻璃衬底；
1.1.先将衬底放入丙酮溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面分子型沾污等；
1.2.然后将步骤1.1处理过的衬底置于乙醇溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面残余丙酮；
1.3.再将步骤1.2处理过的衬底用去离子水在室温下超声清洗3～5分钟，去除残余乙醇及离子型沾污；
1.4.将步骤1.3处理过的衬底用高纯氮气吹干，放入烘箱90℃烘干5分钟，得到衬底100，见图1。
步骤2：栅极200沉积：
栅极材料可以为金属或氧化物导电膜，本实施例中使用铝，以电子束蒸发方法制备；
2.1.利用光刻—剥离技术，先在衬底100上旋涂第一光刻胶，曝光显影出制备单个薄膜晶体管器件的栅极200小岛区域，具体包括：
①涂胶，将清洗好的衬底100固定在匀胶仪上，旋涂第一光刻胶，第一旋涂转速为250～260rpm，时间为6～7秒，升至第二旋涂转速为500～520rpm，时间为7～8秒，再升至第三旋涂转速为3000～3050rpm，时间为28～30秒；
其中，控制第一旋涂转速满足为：
控制第二旋涂转速满足为：
n2＝2n1，
控制第三旋涂转速满足为：
n3＝12n1，
式中，n1为第一旋涂转速，n2为第二旋涂转速，n3为第三旋涂转速，ξ为校正系数，ds为栅极厚度，d0为第一光刻胶的厚度，s0为衬底的面积，si为第i个栅极区域的面积，m为衬底上栅极区域的数量，sj为第j个第一堆叠区域的面积，sl为第l个第二堆叠区域的面积，n0为基础转速；
②前烘，涂好第一光刻胶的衬底100在90～92℃下前烘3分钟；
③曝光，涂好第一光刻胶并前烘好的衬底100用第一光刻板覆盖，见图14，放置于曝光机下曝光，此时图形部分曝光，其余部分未受到光照；
④显影，将第一光刻胶曝光后的衬底100置于显影液中，曝光部分对应的第一光刻胶溶于显影液，被去除，露出玻璃衬底，得到即将沉积栅极200的栅极小岛区域，用去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
2.2.将显影后的衬底100放入电子束蒸发装置生长室中，带有显影第一光刻胶的一面朝下，用电子束蒸发方法镀铝；
2.3.去胶，把经过步骤2.2处理后的样本放入丙酮中超声1～2分钟，第一光刻胶溶于丙酮，玻璃衬底100表面的第一光刻胶连同其上的金属铝被去除，剩余部分形成栅极小岛200；再用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，得到样品一，见图2、3。
步骤3：绝缘层300沉积：
所述的绝缘层为高介电常数的氧化物绝缘体，本实施例中使用二氧化硅，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备，具体包括：
3.1.利用光刻—剥离技术，先在样品一上旋涂第二光刻胶，曝光显影出制备单个薄膜晶体管器件的绝缘层300与光敏层400的第一堆叠小岛区域，具体包括：
①涂胶，将样品一固定在匀胶仪上，旋涂第二光刻胶，转速为250～260rpm，时间为6～7秒，升至500～520rpm，时间为7～8秒，再升至3000～3050rpm，时间29～30秒；
②前烘，涂好第二光刻胶后的样品一在90～92℃下前烘3分钟；
③曝光，涂好第二光刻胶并前烘好的样品一用第二光刻板覆盖，见图15，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖部分曝光，其余部分未受到光照；
④显影，涂好第二光刻胶曝光后的样品一置于显影液中，曝光部分对应的第二光刻胶溶于显影液，被去除，露出玻璃衬底100和部分栅极200，得到即将沉积绝缘层300与光敏层400的第一堆叠区域，用去离子水冲洗干净后，氮气吹干；
3.2.将由步骤3.1处理好的样品一置于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备生长室底座上，沉积二氧化硅绝缘层300，得到样品二，见图4。
步骤4：光敏层沉积：
所述的光敏层为Ga2O3，制备方法采用射频磁控溅射，具体包括：
4.1.将样品二置于磁控溅射设备的溅射台托盘上，悬挂托盘，沉积Ga2O3光敏层400，氧分压30％～50％，厚度为50-100nm，得到样品三，见图5；
其中，所述的磁控溅射的氧分压满足：
式中，p为磁控溅射的氧分压，p0为磁控溅射的基础氧分压，dg为光敏层的厚度，
为校正系数。
4.2.去胶，把由步骤4.1处理后的样品三放入丙酮中超声1～2分钟，第二光刻胶溶于丙酮，玻璃衬底100和部分栅极200表面的第二光刻胶连同其上的二氧化硅和Ga2O3被去除，剩余部分形成绝缘层300和光敏层400的第一堆叠小岛；再用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，得到样品四，见图6、7。
步骤5：GZO(氧化镓锌)背沟道层沉积：
制备方法仍采用射频磁控溅射，使光敏层与电极间形成良好的欧姆接触，具体包括：
5.1.利用光刻—剥离技术，先在样品四上旋涂第三光刻胶，曝光显影出制备单个薄膜晶体管器件的GZO背沟道层500与叉指电极600的第二堆叠小岛区域，具体包括：
①涂胶，将样品四固定在匀胶仪上，旋涂第三光刻胶，转速250～260rpm，时间6～7秒，升至500～520rpm，时间为7～8秒，再升至3000～3050rpm，时间30～32秒；
②前烘，涂好第三光刻胶后的样品四在90～92℃下前烘3分钟；
③曝光，涂好第三光刻胶并前烘好的样品四用第三光刻板覆盖，见图16，放置于曝光机下曝光，此时图形覆盖部分曝光，其余部分未受到光照；
④显影，涂好第三光刻胶曝光后的样品四置于显影液中，曝光部分对应的第三光刻胶溶于显影液，被去除，露出光敏层400，得到即将沉积GZO背沟道层500与叉指电极600的第二堆叠小岛区域，用去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
5.2.将5.1步骤处理后的样品四置于磁控溅射设备的溅射台托盘上，悬挂托盘，调节氧分压至0％～5％，沉积GZO背沟道层500，厚度20～50nm，得到样品五，见图8；
步骤6：叉指电极600沉积：
所述的叉指电极6为金属或导电氧化物，本实施例中使用铝，沉积方法采用电子束蒸发；具体包括：
6.1.将样品五直接放入电子束蒸发设备中，沉积金属铝，厚度为50～70nm；得到样品六，见图9。
其中，所述叉指电极层的厚度满足：
式中，d为叉指电极层的厚度，κ为校正系数，df为基础厚度。
6.2将样品六放入丙酮中超声1～2分钟，第三光刻胶溶于丙酮，光刻胶三连同其上的GZO和金属铝被去除，露出玻璃衬底100、部分栅极200和Ga2O3光敏层400，形成GZO背沟道层500和叉指电极600堆叠小岛，再用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，得到样品七，见图10、11。
本发明制备的光敏晶体管采用底栅型结构如图12、13，沟道层利用射频磁控溅射的方法，沉积厚度为50-100nm的氧化镓薄膜作为光敏层材料，实现对于日盲紫外波段光线的吸收；再采用背沟道刻蚀方法，沉积厚度为20-50nm的镓锌氧薄膜作为过渡层材料，调节开启电压，降低界面接触电阻；源、漏电极利用电子束蒸发方法，采用叉指电极结构，蒸镀厚度为50-70nm的铝电极，提高光生电流，增强光电探测响应。
本发明设计开发的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，采用背沟道刻蚀方法和叉指电极结构在保证光电探测范围的条件下，增强了器件电学性能，提高了光电探测特性，即对于日盲紫外波段进行探测，提高了器件驱动电流，增强了紫外光响应度和探测度；器件制备工艺简单，在紫外探测领域具有良好应用前景。本发明还能精确控制旋涂第一光刻胶的旋涂转速、磁控溅射沉积光敏层的氧分压以及蒸镀叉指电极层的厚度，增强了器件电学性能，提高了光电探测特性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种日盲紫外光敏晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将衬底进行预处理后，通过光刻剥离技术曝光显影出栅极区域，并在所述栅极区域蒸镀导电膜；
步骤2：再通过光刻剥离技术曝光显影出第一堆叠区域，并在所述第一堆叠区域化学气相沉积绝缘层后，磁控溅射光敏层；
步骤3：再通过光刻剥离技术曝光显影出第二堆叠区域，并在所述第二堆叠区域磁控溅射背沟道层后，蒸镀叉指电极层；
在步骤1中，衬底的预处理包括：
将所述衬底置于丙酮溶液中，室温下超声清洗3～5min；
再置于乙醇溶液中，室温下超声清洗3～5min；
再置于去 离子水中，室温下超声清洗3～5min；
高纯氮气吹干，放入烘箱85～90℃烘干5～7min；
在步骤1中，通过光刻剥离技术曝光显影出栅极区域包括：
将预处理的衬底旋涂第一光刻胶，第一旋涂转速为250～260rpm，时间为6～7s，转速升至第二旋涂转速为500～520rpm，时间为7～8s，再升至第三旋涂转速3000～3050rpm，时间为28～30s；
其中，控制第一旋涂转速满足为：
控制第二旋涂转速满足为：
n2＝2n1，
控制第三旋涂转速满足为：
n3＝12n1，
式中，n1为第一旋涂转速，n2为第二旋涂转速，n3为第三旋涂转速，ξ为校正系数，ds为栅极厚度，d0为第一光刻胶的厚度，s0为衬底的面积，si为第i个栅极区域的面积，m为衬底上栅极区域的数量，sj为第j个第一堆叠区域的面积，sl为第l个第二堆叠区域的面积，n0为基础转速；
将涂好第一光刻胶衬底在90～92℃下前烘3min；
将前烘好的衬底覆盖第一光刻板，并曝光；
将曝光后的衬底置于显影液中，得到具有栅极区域的衬底，去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
2.如权利要求1所述的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，其特征在于，步骤1中，在所述栅极区域蒸镀导电膜包括：
通过蒸镀方法在显影后的衬底上蒸镀导电膜；
完成蒸镀后，将衬底置于丙酮中超声1～2min，用乙醇和去离子水冲洗干净，氮气吹干。
3.如权利要求2所述的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，其特征在于，在步骤2中，通过光刻剥离技术曝光显影出第一堆叠区域包括：
将蒸镀导电膜的衬底旋涂第二光刻胶，旋涂转速250～260rpm，时间6～7s，转速升至500～520rpm，时间为7～8s，再升至3000～3050rpm，时间为29～30s；将涂好第二光刻胶的衬底在90～92℃下前烘3min；
将前烘好的衬底堵盖第二光刻板，并曝光；
将曝光后的衬底置于显影液中，得到具有第一堆叠区域的衬底，去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
4.如权利要求3所述的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，其特征在于，步骤2中，在所述第一堆叠区域化学气相沉积绝缘层后，磁控溅射光敏层包括：
通过化学气相沉积在具有第一堆叠区域的衬底上沉积绝缘层；
通过测控溅射方法在绝缘层上沉积光敏层，
其中，磁控溅射的氧分压30％～50％，厚度为50～100nm，
且所述磁控溅射的氧分压满足：
式中，p为磁控溅射的氧分压，p0为磁控溅射的基础氧分压，dg为光敏层的厚度，
为校正系数；
完成磁控溅射后，将衬底置于丙酮中超声1～2min，用乙醇和去离子水冲洗干净，氮气吹干。
5.如权利要求4所述的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，其特征在于，在步骤3中，通过光刻剥离技术曝光显影出第二堆叠区域包括：
将沉积光敏层的衬底旋涂第三光刻胶，旋涂转速为250～260rpm，时间为6～7s，转速升至500～520rpm，时间为7～8s，再升至3000～3050rpm，时间为30～32s；
将涂好第三光刻胶的衬底在90～92℃下前烘3～4min；
将前烘好的衬底覆盖第三光刻板，并曝光；
将曝光后的衬底置于显影液中，得到具有第二堆叠区域的衬底，去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
6.如权利要求5所述的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，其特征在于，步骤3中，在所述第二堆叠区域磁控溅射背沟道层后，蒸镀叉指电极层包括：
通过测控溅射方法在具有第二堆叠区域的衬底上沉积背沟道层，
其中，磁控溅射的氧分压0％～5％，厚度为20～50nm；
通过蒸镀方法在背沟道层上蒸镀叉指电极层，且厚度为50～70nm，
所述叉指电极层的厚度满足：
式中，d为叉指电极层的厚度，κ为校正系数，df为基础厚度；
完成蒸镀后，将衬底置于丙酮中超声1～2min，用乙醇和去离子水冲洗干净，氮气吹干。
7.如权利要求6所述的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述导电膜为金属或氧化物导电膜，所述绝缘层为高介电常数的氧化物绝缘体，所述光敏层为三氧化二镓，所述背沟道层为氧化镓锌，所述叉指电极层金属或导电氧化物，所述衬底为硬质衬底或者柔性衬底。
8.如权利要求7所述的日盲紫外光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述导电膜为铝，所述绝缘层为二氧化硅，所述叉指电极层为铝，所述衬底为玻璃、蓝宝石、硅片、聚对苯二甲酸或者聚酰亚胺中的一种。
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