CN113097330B - 一种单晶金刚石紫外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶金刚石紫外探测器及其制备方法，所述单晶金刚石紫外探测器，包括：单晶金刚石衬底、金属辅助生长单晶金刚石薄膜和叉指电极；所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜设置于所述单晶金刚石衬底上，所述叉指电极设置于所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜上；其中，所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜在生长过程中掺入钨金属原子。本发明能够有效抑制金刚石衬底NV色心缺陷，减少NV色心对紫外探测器中电子空穴对的捕获，提升金刚石紫外探测器的响应度。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，特别涉及一种单晶金刚石紫外探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，紫外探测器广泛应用在空间技术、紫外通信、国防机械和生物医学等多个领域，是目前不可或缺的光电器件。金刚石具有优异特性(例如，宽的宽禁带宽度、高载流子迁移率、高击穿电压、高导热系数、高抗辐射能力等)，是一种理想的紫外光电探测器材料。
在过去的几年中，多种金刚石紫外探测器(例如，肖特基光电二极管、PIN探测器、金属-半导体-金属探测器等)已被深入研究并取得了显著的进展。响应度作为紫外探测器重要参数之一，一直是国内外研究者研究的重点；缺陷由于作为产生-复合中心，能捕获载流子，降低载流子寿命和迁移率，将会大大影响探测器的响应度。金刚石的合成主要采用微波等离子体化学气相沉积技术；然而，为了提高金刚石的生长速度，往往在生长过程中加入氮气，氮气的加入会导致金刚石薄膜中产生深能级缺陷，尤其是NV色心。因此，为了提高金刚石紫外探测器响应度，必须要抑制金刚石薄膜中的NV色心。
综上，亟需一种新的高响应度单晶金刚石紫外探测器的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单晶金刚石紫外探测器及其制备方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够有效抑制金刚石衬底NV色心缺陷，减少NV色心对紫外探测器中电子空穴对的捕获，提升金刚石紫外探测器的响应度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种单晶金刚石紫外探测器，包括：单晶金刚石衬底、金属辅助生长单晶金刚石薄膜和叉指电极；所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜设置于所述单晶金刚石衬底上，所述叉指电极设置于所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜上；
其中，所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜在生长过程中掺入钨金属原子。
本发明的进一步改进在于，所述单晶金刚石衬底为本征金刚石材料，其均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼半峰宽小于5cm-1，X射线衍射半峰宽小于0.1°。
本发明的进一步改进在于，所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜中，钨金属原子在金刚石中的体浓度小于等于1018cm-3。
本发明的进一步改进在于，所述叉指电极的材质为钛、金、钯、钨、铝中的一种或多种。
本发明的进一步改进在于，所述叉指电极的厚度为10～200nm，叉指间距为1～50μm。
本发明的一种单晶金刚石紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)对单晶金刚石衬底进行酸碱处理，并吹干，获得处理后的单晶金刚石衬底；
2)利用微波等离子体化学沉积技术在处理后的单晶金刚石衬底表面进行金属辅助生长金刚石，获得金属辅助生长单晶金刚石薄膜；其中，金属辅助生长单晶金刚石薄膜在生长过程中掺入钨金属原子；
3)将获得的金属辅助生长单晶金刚石薄膜变为氧终端；利用光刻和金属沉积技术，在金属辅助生长单晶金刚石薄膜上形成叉指电极，获得单晶金刚石紫外探测器。
本发明的进一步改进在于，步骤2)中，在金刚石薄膜生长过程中掺入钨金属原子时，使得钨金属原子在金刚石中的体浓度小于等于1018cm-3。
本发明的进一步改进在于，步骤3)中，所述将获得的金属辅助生长单晶金刚石薄膜变为氧终端的具体步骤包括：
利用高温酸洗工艺对步骤2)获得的金属辅助生长单晶金刚石薄膜进行处理，使其变为氧终端；
其中，所述高温酸洗工艺为，将1：1的硫酸硝酸混合溶液加热到250℃，进行酸洗。
本发明的进一步改进在于，步骤3)中，所述叉指电极的材质为钛、金、钯、钨、铝中的一种或多种。
本发明的进一步改进在于，步骤3)中，所述叉指电极的厚度为10～200nm，叉指间距为1～50μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的高响应度单晶金刚石紫外探测器的制备方法，引入金属辅助生长单晶金刚石层，将金属钨原子与氮原子形成掺杂体系，提高氮原子掺杂的形成能，提高氮原子掺杂难度，减少金刚石薄膜中的氮杂质，从而有效抑制金刚石薄膜中的NV色心缺陷，减少NV色心对紫外探测器中电子空穴对的捕获，提升金刚石紫外探测器的响应度。
本发明中，引入金属辅助生长单晶金刚石层，将金属钨原子填补在空缺的金刚石晶格格点位置，与相邻的金刚石原子形成化学键，有效抑制金刚石衬底NV色心缺陷，减少NV色心对紫外探测器中电子空穴对的捕获，提升金刚石紫外探测器的响应度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种高响应度单晶金刚石紫外探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种高响应度单晶金刚石紫外探测器的制备方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中，本发明紫外探测器和常规未使用金属辅助生长金刚石薄膜的紫外探测器响应度对比示意图；其中，图3中的(a)为本发明制备的金刚石紫外探测器响应度的结果示意图，图3中的(b)为常规方法制备的金刚石紫外探测器响应度的结果示意图；
图中，1、单晶金刚石衬底；2、金属辅助生长单晶金刚石薄膜；3、叉指电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种高响应度单晶金刚石紫外探测器，包括：单晶金刚石衬底1、金属辅助生长单晶金刚石薄膜2和叉指电极3；
其中，单晶金刚石衬底1上设有金属辅助生长单晶金刚石薄膜2；金属辅助生长单晶金刚石薄膜2上设有叉指电极3。
本发明实施例中，所述的单晶金刚石衬底1为本征金刚石材料，均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼半峰宽小于5cm-1，X射线衍射半峰宽小于0.1°。
请参阅图2，本发明实施例的一种高响应度单晶金刚石紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
1)对单晶金刚石衬底进行酸碱处理，并吹干；
2)利用微波等离子体化学沉积技术在单晶金刚石衬底表面进行金属辅助生长金刚石，并获得金属辅助生长单晶金刚石薄膜；
3)利用高温酸洗工艺对步骤2)中样品进行清洗，将金属辅助生长单晶金刚石薄膜变为氧终端；
4)利用光刻和金属沉积技术，在金属辅助生长单晶金刚石薄膜上形成叉指电极，最终获得金刚石紫外探测器。
本发明实施例中，步骤2)中所述的金属辅助生长金刚石是在金刚石薄膜生长过程中掺入钨金属原子，使得钨原子在金刚石中的体浓度小于等于1018cm-3。
本发明实施例中，步骤3)中所述的高温酸洗工艺是将1：1的硫酸硝酸混合溶液加热到250℃，清洗样品2小时。
本发明实施例中，步骤4)中所述的叉指电极3材质为钛、金、钯、钨、铝的一种或多种，厚度为10-200nm，叉指间距为1-50μm。
本发明的高响应度单晶金刚石紫外探测器的制备方法，引入金属辅助生长单晶金刚石层，将金属钨原子与氮原子形成掺杂体系，提高氮原子掺杂的形成能，提高氮原子掺杂难度，减少金刚石薄膜中的氮杂质，从而有效抑制金刚石薄膜中的NV色心缺陷，减少NV色心对紫外探测器中电子空穴对的捕获，提升金刚石紫外探测器的响应度。
具体实施例
请参阅图1至图3，本发明实施例的一种高响应度单晶金刚石紫外探测器的制备方法，包含如下步骤：
1)使用标准的酸碱洗工艺对单晶金刚石衬底1进行清洗，除去表面的非金刚石相，然后使用酒精、丙酮、去离子水对单晶金刚石衬底1进行清洗，使用氮气吹干单晶金刚石衬底1。
2)使用微波等离子体气相化学沉积技术在清洗后的单晶金刚石衬底1上沉积金属辅助生长单晶金刚石薄膜2，生长功率为4000-500W，腔室压力为85Torr，总气体流量为400sccm，生长温度1000℃，金属源为含钨前驱体，加热温度60℃，得到的钨-金刚石薄膜厚度为10μm，钨原子在金刚石中体浓度为1018cm-3。
3)将1：1的硫酸硝酸混合溶液加热到250℃，清洗步骤2)获得的金刚石样品，使得金属辅助生长单晶金刚石薄膜2表面为氧终端。
4)使用酒精、丙酮和去离子水分别对酸洗后的样品进行清洗，并用氮气吹干样品，保持样品表面清洁。在样品表面旋涂一层AZ5214光刻胶，然后将样品至于100℃热板加热90秒，然后使用紫外曝光机5s，然后将样品浸泡显影液中60秒，完成叉指电极图形转移到样品上；使用电子束蒸发在样品表面沉积一层50/100nm的钛/金，实验条件为：腔压为5×10-4Pa，室温；然后将样品浸泡在丙酮中，对样品进行剥离，获得金刚石紫外探测器。
5)对该样品的紫外探测器进行电学测试，获得其响应度，如图3(a)所示。图3(b)为不采用本专利制备方法获得的常规金刚石紫外探测器的响应度测试结果。通过对比图3(a)和(b)可知，图3(a)的响应度在210nm光照下是13A/W，图3(b)的响应度为0.015A/W，因此图3(a)的响应度是图3(b)的103倍。常规金刚石紫外探测器的响应度是毫安每瓦特，而本发明的探测器的响应度可以达到安每瓦特，因此本发明的探测器的响应度比常规探测器的响应度高出3个数量级。
综上所述，本发明公开了一种高响应度单晶金刚石紫外探测器及其制备方法，该紫外探测器包含单晶金刚石衬底、金属辅助生长单晶金刚石薄膜、叉指电极。单晶金刚石衬底上设有金属辅助生长单晶金刚石薄膜；金属辅助生长单晶金刚石薄膜上设有叉指电极；本发明采用在单晶金刚石衬底和叉指电极间插入金属辅助生长单晶金刚石薄膜的方法，有效抑制金刚石NV色心缺陷，提升单晶金刚石紫外探测器的响应度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1. 一种单晶金刚石紫外探测器，其特征在于，包括：单晶金刚石衬底（1）、金属辅助生长单晶金刚石薄膜（2）和叉指电极（3）；所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜（2）设置于所述单晶金刚石衬底（1）上，所述叉指电极（3）设置于所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜（2）上；其中，所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜（2）在生长过程中掺入钨金属原子，钨金属原子填补在空缺的金刚石晶格格点位置，与相邻的金刚石原子形成化学键；所述金属辅助生长单晶金刚石薄膜（2）中，钨金属原子在金刚石中的体浓度小于等于1018 cm-3；所述叉指电极（3）的材质为钛、金、钯、钨、铝中的一种或多种；所述叉指电极（3）的厚度为10~200nm，叉指间距为1~50μm；所述单晶金刚石衬底（1）为本征金刚石材料，其均方根表面粗糙度小于0.5nm，拉曼半峰宽小于5cm-1，X射线衍射半峰宽小于0.1°；
所述单晶金刚石紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：
1）对单晶金刚石衬底进行酸碱处理，并吹干，获得处理后的单晶金刚石衬底；
2）利用微波等离子体化学沉积技术在处理后的单晶金刚石衬底表面进行金属辅助生长金刚石，获得金属辅助生长单晶金刚石薄膜；其中，金属辅助生长单晶金刚石薄膜在生长过程中掺入钨金属原子，钨金属原子填补在空缺的金刚石晶格格点位置，与相邻的金刚石原子形成化学键；
3）将获得的金属辅助生长单晶金刚石薄膜变为氧终端；利用光刻和金属沉积技术，在金属辅助生长单晶金刚石薄膜上形成叉指电极，获得单晶金刚石紫外探测器；
步骤2）中，在金刚石薄膜生长过程中掺入钨金属原子时，使得钨金属原子在金刚石中的体浓度小于等于1018 cm-3；
步骤3）中，所述将获得的金属辅助生长单晶金刚石薄膜变为氧终端的具体步骤包括：
利用高温酸洗工艺对步骤2）获得的金属辅助生长单晶金刚石薄膜进行处理，使其变为氧终端；
其中，所述高温酸洗工艺为，将1：1的硫酸硝酸混合溶液加热到250℃，进行酸洗；
所述制备方法通过引入金属辅助生长单晶金刚石层，将金属钨原子与氮原子形成掺杂体系，以提高氮原子掺杂的形成能，提高氮原子掺杂难度，减少金刚石薄膜中的氮杂质，抑制金刚石薄膜中的NV色心缺陷，减少NV色心对紫外探测器中电子空穴对的捕获，提升金刚石紫外探测器的响应度。
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