CN113130697B - 一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体工艺领域，具体涉及一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器及其制备方法，制作金刚石衬底；利用氢等离子体在所述金刚石衬底上分别形成由碳‑氢键覆盖的第一氢终端和第二氢终端；在所述第一氢终端和所述第二氢终端表面分别形成第一金属膜和第二金属膜，并对所述第一金属膜和所述第二金属膜分别进行刻蚀得到第一电极和第二电极；在未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的金刚石衬底表面形成钝化层，得到所述金刚石核探测器。具有提高电荷收集效率、改善电场分布、减少死区、提高载流子收集和提升金刚石核探测器的性能的有益效果。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺领域，具体涉及一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器及其制备方法。
背景技术
金刚石具有优异的物理特性，使其成为下一代强辐射场核探测器的理想材料。金刚石禁带宽度为5.5eV，是超宽禁带半导体材料的典型代表。大的禁带宽度使其具有很强的抗辐照能力、极高的击穿场强和良好绝缘性，因此，外加强电场也不容易使金刚石产生显著的泄漏电流。金刚石的介电常数只有5.7，对于给定的几何尺寸，金刚石比硅具有更好的时间响应，此特性体现在核电子学中还意味着更好的噪声特性。金刚石极高的热导率降低了大型探测器系统中的热负载，简化了系统热设计工作，降低了探测器发热对探测结果的影响。
核探测器工作的基本原理是核辐射与探测器材料相互作用，能量沉积在核探测器体内，从而产生电子空穴对，这些电荷被核探测器两端电极上的电场收集后，在外电路产生电信号，如果核探测器在没有射线入射时的本底暗信号(暗电流)显著低于射线入射后的电信号，则人们便知道了有射线入射，从而探测到核辐射。除此以外，核探测器材料与电极间接触不应产生较高的接触电阻，不产生明显的非线性特征，尽可能的将外加电场全部作用在能量沉积区，从而减少“死区”，提高电荷收集效率，使得核探测器有较好的线性特性。因此，对于核探测器来讲，大的能量沉积、更高的电荷收集效率、更低的暗电流特性以及优良的欧姆接触特性对核探测器极为重要。
射线与核探测器作用后，根据沉积在核探测器中的总能量，会产生大量的电子-空穴对，通常来讲，沉积的电荷Q＝e·Edep/w，此处，e为单位电荷量(1.6×10-19C)，Edep为射线在探测器中的沉积能量，w为激发出一对电子-空穴对所需的最小能量，对于金刚石为13.1eV。因此，射线在探测器中沉积的能量越大，在探测器中产生的总电荷量越大。
核探测器探测的核辐射按是否带电通常分为带电粒子和不带电粒子。带电粒子主要包括阿尔法(α)粒子、贝塔(β)粒子以及其他重粒子，α粒子的射程根据α粒子的能量不同，以及探测器材料的密度和原子量的不同从而射程不同，常见的241Am发射5.48MeV的粒子在金刚石中穿透深度可达十几μm，β粒子的穿透性较强，电离本领较弱，对于通常的300μm～500μm厚的金刚石探测器能够全部贯穿，而重粒子的穿透性较差，很容易在表面几μm处被阻止。因此，如果带电粒子的能量要全部沉积在核探测器体内，则探测器的厚度要大于粒子入射深度。常见的不带电粒子主要为x射线、γ射线和中子。x射线与γ射线与碳原子作用的吸收截面较小，穿透性较强，而通常用于制作金刚石核探测器的材料厚度不超过1mm，面积不大于10mm×10mm，因此，x射线与γ射线与金刚石作用时，沉积能量较小，绝大部分射线能量不会沉积在核探测器内，会在整个贯穿路径中产生电子-空穴对(与β粒子作用现象类似)。而中子不带电，不与金刚石发生电离作用，中子与金刚石发生的主要是核反应。
核辐射与核探测器作用后，产生的电子空穴对需要被电场收集才能产生电信号，通常这个过程称为电子-空穴对的输运。在电子-空穴对的输运过程中，电子-空穴对会被核探测器内材料的陷阱俘获，从而造成电荷收集效率的降低，有效信号的减少。电子-空穴对在材料体内的存活时间，称为寿命τ，如果电子-空穴对产生的位置离电极较远，在电场作用下，收集的时间大于τ，则产生的电荷不能被完全收集；另一种情况是产生电子-空穴对的位置没有有效的电场分布或者电场分布不均匀，造成电子-空穴对不能被电场有效的输运到电极，也会造成核探测器的电荷收集效率降低，因此，需要从射线与探测作用的机理进行合理的几何学设计，增大核探测器的电荷收集效率。
传统的金刚石核探测器结构，通常为两个电极在同一侧的共平面结构或者两个电极不在同一侧的三明治结构。表面电极相距的距离越大，接受的辐射面越大，总沉积能量越大，但是电子空穴对输运的距离也越远，不利于电荷的收集，造成电荷收集效率下降。除此以外，共平面结构探测器的电场分布不均匀，当贯穿式的射线入射核探测器后，射线在底部产生的电子-空穴对不能有效的被电场收集，造成死区范围较大，不能对穿透性较强的射线进行有效的收集，造成核探测器性能下降。由于共平面结构下，电极位于同一表面，金刚石表面的边缘漏电问题严重，造成暗电流较大，信噪比降低。传统的共平面金刚石探测器的欧姆接触电阻也没有得到很好的解决，导通时接触电阻会恶化探测器性能，时间响应较长。
而对于三明治结构，一个电极位于生长边，而另一个电极位于衬底边，α粒子辐照下产生的载流子在被收集前必须经历高缺陷的成核边，导致电荷收集效率较低。而且载流子在输运过程中也容易被金刚石材料中的缺陷俘获，导致电荷收集效率降低。
金刚石表面的漏电是由于表面会存在非晶碳和石墨碳，当电极加压后，表面的非金刚石相会造成漏电，使核探测器的暗电流增大。为了抑制表面漏电，降低暗电流，传统方法是采用强酸腐蚀，但是会带来三个问题，一个是强酸带来很大的人员安全问题，对环境不友好；第二，由于酸腐蚀法是湿法工艺，会对核探测器造成表面污染，影响探测器性能；第三，强酸腐蚀后的金刚石表面呈氧化状(氧终端)，不利于制作欧姆接触。
一般来说，在金刚石上制作欧姆接触是比较困难的。在所有半导体的表面处总是存在着一定量的表面态和界面态，表面态的存在会使表面处形成一定高度的势垒，而势垒高度又会被表面态所钉扎，即被钉扎的势垒高度固定不变。一方面，由于金刚石的共价本性，提供高浓度的界面态，费米能级被强烈地牵制在金刚石表面，因此金刚石有与金属无关的势垒；另一方面，由于它的不活泼和宽带隙，在轻度到中度掺杂半导体金刚石上生长好的欧姆接触是困难的。通常是在金刚石薄膜上沉积一种能和金刚石反应生成碳化物的金属，并经过高温处理，使金属和金刚石在界面处发生碳化反应生成碳化物。目前金刚石欧姆接触的电极结构主要采用金的单层体系和钛-铂-金三层体系。金具有优良的导电性和抗腐蚀能力，是理想的欧姆接触材料。铂起阻挡层的作用，既能阻挡金向钛和金刚石中扩散，又能阻挡钛向金中扩散，避免钛扩散到金层引起金的电阻升高。钛作为金刚石和金之间的中间层，与金刚石反应生成TiC，TiC的形成增强了附着力。但是，实验表明，钛的引入降低了欧姆接触的电阻率，同时在金刚石与钛界面形成钛的氧化物会导致极化现象和信号处理的不稳定性，而且钛的热稳定性依然不佳，很难形成良好的欧姆接触。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器及其制备方法，包括：
制作金刚石衬底；
利用氢等离子体在所述金刚石衬底上分别形成由碳-氢键覆盖的第一氢终端和第二氢终端；
在所述第一氢终端和所述第二氢终端表面分别形成第一金属膜和第二金属膜，并对所述第一金属膜和所述第二金属膜分别进行刻蚀得到第一电极和第二电极；
在未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的金刚石衬底表面形成钝化层，得到所述金刚石核探测器。
在本发明的一个实施例中，制作金刚石衬底，包括：
选取本征金刚石衬底片；
在经过有机和无机清洗的所述本征金刚石衬底上旋涂光刻胶，再通过光刻在清洗后的所述本征金刚石衬底上做出台面结构窗口图形；
采用金属蒸发的方法在做出台面结构窗口图形的所述本征金刚石衬底上制备一层300nm厚的镍膜，再对制备有镍膜的所述本征金刚石进行金属剥离得到具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底；
将所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底在丙酮中浸泡5分钟后用超声处理1分钟去除所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底表面残余的光刻胶；
将清洗后的所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底置于ICP设备腔室中30分钟，ICP设备腔室内流通有200sccm的氧气，压强为40mbar，温度为500℃，刻蚀出10μm的台面结构得到具有台面结构的本征金刚石衬底，刻蚀结束后采用盐酸浸泡5分钟，并超声处理1分钟去除所述具有台面结构的所述本征金刚石衬底表面残余的镍金属得到金刚石衬底。
在本发明的一个实施例中，所述金刚石衬底为具有圆柱形凸起的圆柱形衬底。
在本发明的一个实施例中，在所述第一氢终端和所述第二氢终端表面分别形成第一金属膜和第二金属膜，并对所述第一金属膜和所述第二金属膜分别进行刻蚀得到第一电极和第二电极，包括：
所述金刚石衬底的圆柱体衬底上为第一氢终端，所述金刚石衬底的圆柱形凸起上为第二氢终端；
在所述第一氢终端和所述第二氢终端上分别淀积第一金属膜和第二金属膜；
在所述第一金属膜和所述第二金属膜表面旋涂光刻胶，采用光刻工艺，光刻形成第一欧姆金属窗口和第二欧姆金属窗口；
利用KI溶液或I2溶液分别腐蚀掉非所述第一欧姆金属窗口和所述第二欧姆金属窗口下方的所述第一金属膜和所述第二金属膜形成第一电极和第二电极。
在本发明的一个实施例中，利用氢等离子体在所述金刚石衬底上分别形成由碳-氢键覆盖的第一氢终端和第二氢终端，包括：
将所述金刚石衬底放置于ICP设备中5～30分钟，ICP设备中氢气流量为500sccm，压强为80mbar，温度为800～950℃，并在氢气氛围中将所述金刚石衬底冷却至室温，以在所述金刚石衬底上形成第一氢终端和第二氢终端。
在本发明的一个实施例中，在未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的金刚石衬底表面形成钝化层，得到所述金刚石核探测器，包括：
将包括所述第一电极和所述第二电极的金刚石衬底置于氧等离子体中，停置5分钟，利用氧等离子体轰击未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的第一氢终端和第二氢终端表面，将所述金刚石衬底表面的碳-氢键置换为碳-氧键以此形成氧终端，即钝化层，得到所述金刚石核探测器。
本发明还提供了一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器，包括金刚石衬底、氢终端、钝化层；所述赝竖式氢氧终端金刚石核探测器由上述任一实施例所提供的方法制备而成。
本发明的有益效果：
本发明采用赝竖式结构，可以减少核辐射下产生的载流子的输运距离，减少了金刚石核探测器的时间相应，并提高了电荷收集效率，该审了电场分布，减少了死区，提高了载流子的收集，提升了金刚石核探测器的性能；在金刚石表面形成第一氢终端和第二氢终端，将吸附层界面处的费米能级钉扎在价带顶以下50meV的位置，从而在氢终端金刚石表面产生了高浓度的空穴层，使得金属和金刚石的接触势垒依赖于金属的功函数，形成了高质量的欧姆接触。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器制备方法的流程示意框图；
图2是本发明实施例提供的一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器制备方法的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器的结构示意图；
图4是图3的主视剖面图；
图5是图4的俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器制备方法的流程示意框图，包括：
制作金刚石衬底；
利用氢等离子体在所述金刚石衬底上分别形成由碳-氢键覆盖的第一氢终端和第二氢终端；
在所述第一氢终端和所述第二氢终端表面分别形成第一金属膜和第二金属膜，并对所述第一金属膜和所述第二金属膜分别进行刻蚀得到第一电极和第二电极；
在未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的金刚石衬底表面形成钝化层，得到所述金刚石核探测器。
具体的，氢终端金刚石的电子亲和能在-1.3eV到-0.4eV之间，和吸附层界面处的费米能级钉扎在价带顶以下50meV的位置，从而在氢终端金刚石表面产生了高浓度的空穴层，空穴所带正电荷由HCO3 -阴离子来补偿，最终整个系统成电中性的状态，并且氢终端金刚石表面基本没有悬挂键，因此非常稳定，沉积的金属与氢终端金刚石表面不会发生化学反应。P型半导体与金属之间的势垒高度фB满足фB＝χ+EG-фM，其中，χ为半导体表面的电子亲和能，EG为半导体禁带宽度，фM是金属的功函数。对于氢终端金刚石衬底来说，电子亲和能在-1.3到-0.4eV之间，禁带宽度为5.5eV，因此，理论上功函数在4.2-5.1eV之间的金属可以与氢终端金刚石形成负的势垒高度，进而形成良好的欧姆接触，符合该功函数要求的金属有金Au(5.10)，银Ag(4.26)，铜Cu(4.65)，铂Pt(5.65)，铝Al(4.28)，镍Ni(5.15)，钽Ta(4.25)，钛Ti(4.33)，铟In(4.12)，锡Sn(4.42)，以及锌Zn(4.33)。对于氢终端金刚石衬底，衬底与金属形成的势垒高度还与金属的电负性有关，金Au、铂Pt金属与氢终端金刚石形成的势垒高度几乎为0，因此，金Au、铂Pt可以与氢终端金刚石衬底能够形成更好的欧姆接触，电阻为10-4Ωcm2，而其他金属形成的势垒高度在0.5-1.0eV之间。
在本发明的一个实施例中，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器制备方法的流程示意图，制作金刚石衬底，包括：
选取本征金刚石衬底片；
在经过有机和无机清洗的所述本征金刚石衬底上旋涂光刻胶，再通过光刻在清洗后的所述本征金刚石衬底上做出台面结构窗口图形；
采用金属蒸发的方法在做出台面结构窗口图形的所述本征金刚石衬底上制备一层300nm厚的镍膜，再对制备有镍膜的所述本征金刚石进行金属剥离得到具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底；
将所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底在丙酮中浸泡5分钟后用超声处理1分钟去除所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底表面残余的光刻胶；
将清洗后的所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底置于ICP(InductivelyCoupled Plasma，感应耦合等离子体刻蚀)设备腔室中30分钟，ICP设备腔室内流通有200sccm的氧气，压强为40mbar，温度为500℃，刻蚀出10μm的台面结构得到具有台面结构的本征金刚石衬底，刻蚀结束后采用盐酸浸泡5分钟，并超声处理1分钟去除所述具有台面结构的所述本征金刚石衬底表面残余的镍金属得到金刚石衬底。
在本发明的一个实施例中，所述金刚石衬底为具有圆柱形凸起的圆柱形衬底。
具体的，金刚石衬底包括上层台面金刚石衬底和下层台面金刚石衬底，上层台面金刚石衬底厚度为10-20μm。
在本发明的一个实施例中，在所述第一氢终端和所述第二氢终端表面分别形成第一金属膜和第二金属膜，并对所述第一金属膜和所述第二金属膜分别进行刻蚀得到第一电极和第二电极，包括：
所述金刚石衬底的圆柱体衬底上为第一氢终端，所述金刚石衬底的圆柱形凸起上为第二氢终端；
在所述第一氢终端和所述第二氢终端上分别淀积第一金属膜和第二金属膜；
在所述第一金属膜和所述第二金属膜表面旋涂光刻胶，采用光刻工艺，光刻形成第一欧姆金属窗口和第二欧姆金属窗口；
利用KI溶液或I2溶液分别腐蚀掉非所述第一欧姆金属窗口和所述第二欧姆金属窗口下方的所述第一金属膜和所述第二金属膜形成第一电极和第二电极。
具体的，第一金属膜和第二金属膜的厚度为80nm，利用KI溶液或I2溶液后，还需将样品用丙酮浸泡5分钟，并用超声处理1分钟去除样品表面残余的光刻胶。
在本发明的一个实施例中，利用氢等离子体在所述金刚石衬底上分别形成由碳-氢键覆盖的第一氢终端和第二氢终端，包括：
将所述金刚石衬底放置于ICP设备中5～30分钟，ICP设备中氢气流量为500sccm，压强为80mbar，温度为800～950℃，并在氢气氛围中将所述金刚石衬底冷却至室温，以在所述金刚石衬底上形成第一氢终端和第二氢终端。
在本发明的一个实施例中，在未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的金刚石衬底表面形成钝化层，得到所述金刚石核探测器，包括：
将包括所述第一电极和所述第二电极的金刚石衬底置于氧等离子体中，停置5分钟，利用氧等离子体轰击未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的第一氢终端和第二氢终端表面，将所述金刚石衬底表面的碳-氢键置换为碳-氧键以此形成氧终端，即钝化层，得到所述金刚石核探测器。
具体的，利用干法刻蚀形成氧终端对金刚石核探测器进行钝化，对器件进行隔离，减少金刚石核探测器的泄漏电流；避免酸腐蚀法带来的安全问题、表面污染。
本发明还提供了一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器，请参见图3、图4、图5，图3是本发明实施例提供的一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器的结构示意图，图4是图3的主视剖面图，图5是图4的俯视图，包括金刚石衬底、氢终端、钝化层；所述赝竖式氢氧终端金刚石核探测器由上述任一实施例所提供的方法制备而成。
具体的，本发明提供的方法在实现提高电荷收集效率、改善电场分布、减少死区、提高载流子收集和提升金刚石核探测器的性能的同时，没有附加工艺，就可以实现器件特性的提高。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器的制备方法，其特征在于，包括：
制作金刚石衬底；其中，所述金刚石衬底为本征金刚石衬底片，在没有核辐射照射器件时，所述金刚石衬底自身不导电；
利用氢等离子体在所述金刚石衬底上分别形成由碳-氢键覆盖的第一氢终端和第二氢终端；
在所述第一氢终端和所述第二氢终端表面分别形成第一金属膜和第二金属膜，并对所述第一金属膜和所述第二金属膜分别进行刻蚀得到第一电极和第二电极；
在未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的金刚石衬底表面形成钝化层，得到所述金刚石核探测器；其中，所述钝化层为氧终端，通过将所述金刚石衬底表面的碳-氢键置换为碳-氧键形成。
2.根据权利要求1所述的赝竖式氢氧终端金刚石核探测器的制备方法，其特征在于，制作金刚石衬底，包括：
选取本征金刚石衬底片；
在经过有机和无机清洗的所述本征金刚石衬底上旋涂光刻胶，再通过光刻在清洗后的所述本征金刚石衬底上做出台面结构窗口图形；
采用金属蒸发的方法在做出台面结构窗口图形的所述本征金刚石衬底上制备一层300nm厚的镍膜，再对制备有镍膜的所述本征金刚石进行金属剥离得到具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底；
将所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底在丙酮中浸泡5分钟后用超声处理1分钟去除所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底表面残余的光刻胶；
将清洗后的所述具有台面刻蚀金属的本征金刚石衬底置于ICP设备腔室中30分钟，ICP设备腔室内流通有200sccm的氧气，压强为40mbar，温度为500℃，刻蚀出10μm的台面结构得到具有台面结构的本征金刚石衬底，刻蚀结束后采用盐酸浸泡5分钟，并超声处理1分钟去除所述具有台面结构的所述本征金刚石衬底表面残余的镍金属得到金刚石衬底。
3.根据权利要求2所述的赝竖式氢氧终端金刚石核探测器的制备方法，其特征在于，所述金刚石衬底为具有圆柱形凸起的圆柱形衬底。
4.根据权利要求3所述的赝竖式氢氧终端金刚石核探测器的制备方法，其特征在于，在所述第一氢终端和所述第二氢终端表面分别形成第一金属膜和第二金属膜，并对所述第一金属膜和所述第二金属膜分别进行刻蚀得到第一电极和第二电极，包括：
所述金刚石衬底的圆柱体衬底上为第一氢终端，所述金刚石衬底的圆柱形凸起上为第二氢终端；
在所述第一氢终端和所述第二氢终端上分别淀积第一金属膜和第二金属膜；
在所述第一金属膜和所述第二金属膜表面旋涂光刻胶，采用光刻工艺，光刻形成第一欧姆金属窗口和第二欧姆金属窗口；
利用KI溶液或I2溶液分别腐蚀掉非所述第一欧姆金属窗口和所述第二欧姆金属窗口下方的所述第一金属膜和所述第二金属膜形成第一电极和第二电极。
5.根据权利要求1所述的赝竖式氢氧终端金刚石核探测器的制备方法，其特征在于，利用氢等离子体在所述金刚石衬底上分别形成由碳-氢键覆盖的第一氢终端和第二氢终端，包括：
将所述金刚石衬底放置于ICP设备中5～30分钟，ICP设备中氢气流量为500sccm，压强为80mbar，温度为800～950℃，并在氢气氛围中将所述金刚石衬底冷却至室温，以在所述金刚石衬底上形成第一氢终端和第二氢终端。
6.根据权利要求1所述的赝竖式氢氧终端金刚石核探测器的制备方法，其特征在于，在未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的金刚石衬底表面形成钝化层，得到所述金刚石核探测器，包括：
将包括所述第一电极和所述第二电极的金刚石衬底置于氧等离子体中，停置5分钟，利用氧等离子体轰击未被所述第一电极和所述第二电极覆盖的第一氢终端和第二氢终端表面，将所述金刚石衬底表面的碳-氢键置换为碳-氧键以此形成氧终端，即钝化层，得到所述金刚石核探测器。
7.一种赝竖式氢氧终端金刚石核探测器，其特征在于：所述赝竖式氢氧终端金刚石核探测器由权利要求1～6所述的方法制备而成。
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