CN113644164B - 一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，包括如下步骤：步骤一、对衬底进行预处理，并在所述衬底的上方蒸镀导电膜；步骤二、在所述导电膜上曝光显影出第一堆叠区域并在所述第一堆叠区域交替沉积两个周期的Al2O3和HfO2制备出DBR薄膜；步骤三、在所述DBR薄膜上方沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层；步骤四、在所述Mg0.5Zn0.5O光敏层上曝光显影出第二堆叠区域，并在所述第二堆叠区域沉积叉指电极层，获得用于深紫外光探测的光敏晶体管。本发明具有提高器件的光电性能、增强器件的电学性能的特点。
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，本发明涉及一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法。
背景技术
微光是指能量低到不足以引起人眼视觉敏感低于10-1Lx照度的光。微光探测是指在微弱光照条件下，探测器光电转换、增强、读出、处理和显示等科学和技术问题。
微光探测就是对微弱信号进行检测，从噪声淹没的信号中，最大限度地还原有用的待测信号，所以提高信噪比，有效抑制噪声是微弱信号检测的难点和重点，同时，随着科学研究的深入和国防安全的迫切需要，对光信号的探测灵敏度要求也越来越高，极弱光甚至是单光子探测技术已经成为国内外众多科学研究的热点。
太阳辐射出来的紫外光波长范围在10-400nm之间，而由于大气中臭氧层和水蒸气颗粒物对深紫外光具有极强的吸收和散射作用，使得波长短于280nm的太阳辐射无法穿透大气层，在地球表面的辐射几乎为零，因此这一波段的光被称为日盲光。日盲光的自然背景干扰微弱，地表不存在太阳辐射中日盲区紫外光，所以在此光谱范围内工作的微光探测器具有背景噪声低、虚警率低、信噪比高、高度波长选择性和强大的抗干扰能力等优点。所以对日盲波段的微弱光信号进行微光探测，在深空探测、量子通信、环境监测、臭氧层监控、军事侦察等领域有着很广泛的应用。
发明内容
本发明的目的是设计开发了一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，以两种折射率不同的高K介电层材料制备DBR，提高光敏层对微弱光的吸收率，同时多层堆叠的DBR降低薄膜表面的粗糙度和界面态密度，提高器件的光电性能和电学性能。
本发明提供的技术方案为：
一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、对衬底进行预处理，并在所述衬底的上方蒸镀导电膜；
步骤二、在所述导电膜上曝光显影出第一堆叠区域并在所述第一堆叠区域交替沉积两个周期的Al2O3和HfO2制备出DBR薄膜；
步骤三、在所述DBR薄膜上方沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层；
步骤四、在所述Mg0.5Zn0.5O光敏层上曝光显影出第二堆叠区域，并在所述第二堆叠区域沉积叉指电极层，获得用于深紫外光探测的光敏晶体管。
优选的是，所述对衬底进行预处理包括如下步骤：
步骤1、将所述衬底放入丙酮溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟；
步骤2、再将所述衬底放入乙醇溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟；
步骤3、再将所述衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5分钟；
步骤4、再将所述衬底用高纯氮气吹干后90℃烘干5分钟。
优选的是，所述步骤一中通过电子束蒸发进行蒸镀导电膜。
优选的是，所述步骤二中的在所述导电膜上曝光显影出第一堆叠区域具体包括如下步骤：
步骤1、在所述导电膜上旋涂第一光刻胶并进行烘干；
步骤2、在所述第一光刻胶上覆盖第一光刻板并进行曝光，形成多个曝光部分；
步骤3、将曝光后的样品进行显影，在所述多个曝光部分得到第一堆叠区域，并进行清洗吹干。
优选的是，所述步骤二中在所述第一堆叠区域交替沉积两个周期的Al2O3和HfO2制备出DBR薄膜包括如下过程：
以射频磁控溅射方法将Al2O3靶材在所述样品上室温磁控溅射沉积37nm厚的Al2O3薄膜后，以射频磁控溅射方法将HfO2靶材在所述Al2O3薄膜上室温磁控溅射沉积30nm厚的HfO2薄膜，再重复磁控溅射一个周期的Al2O3薄膜和HfO2薄膜，将所述样品上剩余的第一光刻胶清洗掉后再次清洗吹干。
优选的是，在沉积所述Al2O3薄膜时，所述射频磁控溅射的射频功率为100W，溅射压力为7.5mTorr，Ar/O2混合气体[P(O2)＝10％]；
在沉积所述HfO2薄膜时，所述射频磁控溅射的射频功率为90W，溅射压力为5mTorr，Ar/O2混合气体[P(O2)＝5％]。
优选的是，所述Al2O3靶材和HfO2靶材的纯度均为99.99％。
优选的是，所述步骤三具体包括如下步骤：
步骤a、在所述样品上旋涂第一光刻胶并进行烘干；
步骤b、在所述样品上覆盖第一光刻板并进行曝光显影，暴露出第一堆叠区域，并进行清洗吹干；
步骤c、以射频磁控溅射方法将Mg0.5Zn0.5O靶材在所述样品上沉积50nm厚的Mg0.5Zn0.5O光敏层，并将所述样品上剩余的第一光刻胶清洗掉后再次清洗吹干。
优选的是，所述步骤四具体包括如下步骤：
步骤a、在所述样品上旋涂第二光刻胶并进行烘干；
步骤b、在所述样品上覆盖第二光刻板并进行曝光显影，暴露出第二堆叠区域，所述第二堆叠区域与所述第一堆叠区域相重合，且所述第二堆叠区域设置有透光的叉指结构；
步骤c、在所述样品上沉积金属铝，并将所述样品上剩余的第二光刻胶清洗掉后形成叉指电极层；
步骤d、清洗吹干后获得用于深紫外光探测的光敏晶体管。
优选的是，所述步骤1中的烘干温度为90～92℃，烘干时间为3分钟。
本发明所述的有益效果：
(1)、本发明设计开发的一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，采用Mg0.5Zn0.5O来制作光敏层，光电性能优异，且具有带隙连续可调、透过率较高等特点，同时，Mg0.5Zn0.5O薄膜的带隙达到了4.7eV，能够较好的满足日盲紫外微光探测的要求；
(2)、本发明设计开发的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，采用HfO2和Al2O3两种折射率不同的材料在光敏层下方增加分布式布拉格反射镜(DBR)，可以反射光敏层未完全吸收而穿过光敏层的光子，以此来增加光子穿过光敏层的次数，提高光敏层对微弱光的吸收率，从而增加光敏层吸收光子所产生的光生载流子数量，相应的，产生的光生载流子被源漏电极收集，器件产生的光电流也会得到提升，增强光电探测响应度与灵敏度；
(3)、本发明设计开发的一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，由高K介电常数薄膜材料以多层堆叠结构实现的绝缘层，可以降低薄膜表面的粗糙度和界面态密度，而且多层薄膜结构也可以减少晶界间的漏电流密度，从而减小暗电流，提高微光信号探测时的信噪比，因而采用以发明中所设计的多层高K介电常数材料以DBR结构制备的光敏薄膜晶体管，既增强了器件电学性能，包括：降低关态电流和亚阈值摆幅、提高载流子迁移率和电流开关比；同时器件相应的光电性能也得到改善，包括：提高了器件的光电流、光响应度、外量子效率、探测率、灵敏度、信噪比，并且降低了器件的响应时间，能够实现对于深紫外区域微光信号的探测；
(4)本发明设计开发的一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，制备工艺流程简单，并且所选用的Mg0.5Zn0.5O光敏层材料，Al2O3和HfO2材料都具有绿色环保、安全无毒等优点，在深紫外微光探测领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述衬底的结构示意图。
图2为本发明所述蒸镀导电膜后的栅极区域的剖面结构示意图。
图3为本发明所述蒸镀导电膜后的栅极区域的俯视结构示意图。
图4为本发明所述第一光刻板的结构示意图。
图5为本发明所述沉积DBR薄膜后的样品的剖面结构示意图。
图6为本发明所述沉积DBR薄膜后的样品的俯视结构示意图。
图7为本发明所述沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层后的样品的剖面结构示意图。
图8为本发明所述沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层后的样品的俯视结构示意图。
图9为本发明所述第二光刻板的结构示意图。
图10为本发明所述沉积叉指电极层后的样品的剖面结构示意图。
图11为本发明所述沉积叉指电极层后的样品的俯视结构示意图。
图12为本发明所述A部分的放大结构示意图。
图13为本发明所述用于深紫外微光探测的光敏晶体管的单一器件剖面结构示意图。
图14为本发明所述用于深紫外微光探测的光敏晶体管的单一器件俯视结构示意图。
具体实施方式
下面结合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。
本发明提供了一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、如图1所示，对衬底110进行预处理，如图2、图3所示，在所述衬底110的上方蒸镀导电膜120；
其中，所述的衬底110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。
所述对衬底110进行预处理包括如下步骤：
步骤1、将所述衬底110放入丙酮溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面分子型杂质等；
步骤2、再将所述衬底110放入乙醇溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除表面残余丙酮；
步骤3、再将所述衬底110放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5分钟，去除残余乙醇及离子型杂质；
步骤4、再将所述衬底110用高纯氮气吹干，放入烘箱90℃烘干5分钟，获得清洁完成的衬底110。
所述导电膜120为栅极，栅极材料可以为金属或氧化物导电膜，本实施例中栅极材料使用铝。
在本实施例中，将清洁完成的衬底110放入电子束蒸发装置生长室中，用电子束蒸发方法镀铝，得到样品一。
步骤二、如图5、图6所示，在所述导电膜上曝光显影出第一堆叠区域并在所述第一堆叠区域交替沉积两个周期的Al2O3和HfO2制备出DBR薄膜；
其中，利用光刻—剥离技术，先在样品一上旋涂第一光刻胶，曝光显影出制备单个薄膜晶体管器件的DBR、光敏层薄膜的第一堆叠区域，具体包括：
步骤(1)、将样品一固定在匀胶仪上，旋涂第一光刻胶，涂好第一光刻胶后的样品一在90～92℃下前烘3分钟；
步骤(2)、涂好第一光刻胶并前烘好的样品一用第一光刻板150覆盖，如图4所示，第一光刻板150上间隔设置有多个工字型的图案151，所述多个工字型的图案151为没有涂铬部分，而其余部分152为铬涂层，将所述样品一放置于曝光机下曝光，此时，所述多个工字型的图案151部分曝光，形成多个曝光部分，其余部分152未受到光照；
步骤(3)、将曝光后的样品一置于显影液中，曝光部分对应的第一光刻胶溶于显影液，被去除，露出部分导电膜(栅极)120，得到即将沉积DBR的第一堆叠区域，用去离子水冲洗干净后，氮气吹干。
所述的DBR为Al2O3和HfO2两种折射率不同的高K介电层材料，采用射频磁控溅射方法制备，在所述第一堆叠区域交替沉积两个周期的Al2O3和HfO2制备出DBR薄膜包括如下过程：
利用高纯度Al2O3靶材(纯度为99.99％)在样品一上室温磁控溅射沉积37nm厚的Al2O3薄膜后形成第一DBR-Al2O3层131，利用高纯度HfO2靶材(纯度为99.99％)在样品一上室温磁控溅射沉积30nm厚的HfO2薄膜形成第一DBR-HfO2层132，再重复磁控溅射一个周期的Al2O3薄膜和HfO2薄膜形成第二DBR-Al2O3层133和第二DBR-HfO2层134，将上述沉积DBR薄膜之后的样品放入丙酮溶液中超声清洗1分钟，所述样品一上剩余部分的第一光刻胶溶于丙酮溶液，部分栅极120表面的第一光刻胶连同其上的第一DBR-Al2O3层131、第一DBR-HfO2层132、第二DBR-Al2O3层133、第二DBR-HfO2层134被去除，剩余部分形成DBR堆叠小岛，再用无水乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，得到样品二。
其中，在沉积所述Al2O3薄膜时，所述射频磁控溅射的射频功率为100W，溅射压力为7.5mTorr，Ar/O2混合气体[P(O2)＝10％]；
在沉积所述HfO2薄膜时，所述射频磁控溅射的射频功率为90W，溅射压力为5mTorr，Ar/O2混合气体[P(O2)＝5％]。
步骤三、如图7、图8所示，利用光刻—剥离技术在所述DBR薄膜上方沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层140，具体包括如下步骤：
步骤a、将样品二固定在匀胶仪上，旋涂第一光刻胶，涂好第一光刻胶后的样品二在90～92℃下前烘3分钟；
步骤b、在所述样品二上用第一光刻板150覆盖，放置于曝光机下曝光，多个工字型的图案151部分曝光，形成多个曝光部分，暴露出第一堆叠区域，其余部分152未受到光照，将样品二置于显影液中，曝光部分对应的第一光刻胶溶于显影液，被去除，露出DBR结构中最上层薄膜第二DBR-HfO2层134的第一堆叠区域，用去离子水冲洗干净后，氮气吹干；
步骤c、将上述显影之后的样品二置于磁控溅射设备的溅射台托盘上，悬挂托盘，固定样品二的一面朝下，利用Mg0.5Zn0.5O靶材沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层140，氧分压30％～50％，厚度为50nm；
将上述沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层140之后的样品二放入丙酮溶液中超声清洗1分钟，第一光刻胶溶于丙酮溶液，部分栅极120表面的第一光刻胶连同其上的Mg0.5Zn0.5O光敏层140被去除，剩余部分形成DBR和光敏层堆叠小岛，再用无水乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，得到样品三。
步骤四、在所述Mg0.5Zn0.5O光敏层上曝光显影出第二堆叠区域，并在所述第二堆叠区域沉积叉指电极层，如图10、11所示，获得用于深紫外光探测的光敏晶体管；
具体包括如下步骤：
步骤(a)、将样品三固定在匀胶仪上，旋涂第二光刻胶，将涂好第二光刻胶的样品三在90℃下前烘3分钟；
步骤(b)、如图9所示，在所述样品三上覆盖第二光刻板160，所述第二光刻板160上具有工字型的图案161，工字型图案161中部为叉指图案163，所述工字型的图案161和叉指图案163为没有涂铬的部分，其余部分162为有铬涂层；对板后，所述工字型的图案161与Mg0.5Zn0.5O光敏层140重叠，放置于曝光机下曝光，此时所述工字型的图案161部分曝光，其余部分162未受到光照；
将第二光刻胶曝光后的样品三置于显影液中，曝光部分对应的第二光刻胶溶于显影液，被去除，暴露出第二堆叠区域，露出Mg0.5Zn0.5O光敏层140，所述第二堆叠区域与所述第一堆叠区域相重合，且所述第二堆叠区域设置有透光的叉指结构，用去离子水冲洗，得到即将沉积叉指源、漏电极的区域；
步骤(c)、如图10、图11和图12所示，将所述样品三放入电子束蒸发设备中，沉积金属铝，将经过上述步骤处理后的样品三放入丙酮溶液中超声1分钟，第二光刻胶溶于丙酮溶液，第二光刻胶连同其上的金属铝被去除，露出部分栅极120和Mg0.5Zn0.5O光敏层140，形成叉指源170、漏电极180；
步骤(d)、用乙醇、去离子水冲洗干净，用氮气吹干，获得成品，即用于深紫外光探测的光敏晶体管。
如图13、14所示，为用于深紫外微光探测的光敏晶体管的单一器件示意图。
本实施例所制备的光敏晶体管在波长254nm光照下，光电流可以达到～mA量级，光响应度可以达到～104A/W，响应时间可以达到～μs，由于栅压和高K绝缘层的控制作用，关态电流可以达到～pA量级，信噪比可以达到～106，能够很好地实现对于深紫外区域的光电探测。
本发明设计开发的一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，采用DBR和叉指源、漏电极结构，即采用Al2O3和HfO2两种折射率不同的高K介电层材料来制备光敏层下方的DBR，综合了这两种材料的优点，即Al2O3的折射率为1.63，介电常数为9，HfO2的折射率为1.95，介电常数为25，较高的介电常数可以使光敏层即使在较低的栅压下也能累积更多的单位电荷，提高载流子浓度，减小漏电流密度。
而且由于这两种材料的折射率不同，根据菲涅尔反射原理：当入射光到达折射率不同的两层材料的分界面时，一部分光会被反射，所以当部分光子未被光敏层吸收而穿过光敏层到达DBR时，DBR会反射光子重新穿过光敏层来增加光子穿过光敏层的次数，以此来提高光敏层对微弱光的吸收率，增加光电效应产生的光生载流子数量，产生的光生载流子被源漏电极收集，可以提高器件产生的光电流。
同时，由于DBR为不同材料的多层堆叠结构，所以通过采用DBR结构也可以降低薄膜表面的粗糙度和界面态密度，而且多层薄膜结构也可以减少晶界间的漏电流密度，从而减小了器件的暗电流，提高了器件的光电性能，所以，采用DBR结构制备的日盲紫外微光光敏薄膜晶体管在保证光电探测范围的条件下，增强了器件电学性能，包括：降低关态电流和亚阈值摆幅、提高器件的光电流和载流子迁移率以及电流开关比；相应的器件光电性能也得到改善，包括：提高了器件的光响应度、外量子效率、探测度和灵敏度；并且降低了器件的响应时间。
该器件制备工艺简单，所用材料安全环保，在日盲紫外微光探测领域具有良好的应用前景。
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实施例。
Claims (10)
1.一种用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、对衬底进行预处理，并在所述衬底的上方蒸镀导电膜；
步骤二、在所述导电膜上曝光显影出第一堆叠区域并在所述第一堆叠区域交替沉积两个周期的Al2O3和HfO2制备出DBR薄膜；
步骤三、在所述DBR薄膜上方沉积Mg0.5Zn0.5O光敏层；
步骤四、在所述Mg0.5Zn0.5O光敏层上曝光显影出第二堆叠区域，并在所述第二堆叠区域沉积叉指电极层，获得用于深紫外光探测的光敏晶体管。
2.如权利要求1所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述对衬底进行预处理包括如下步骤：
步骤1、将所述衬底放入丙酮溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟；
步骤2、再将所述衬底放入乙醇溶液中，在室温下超声清洗3～5分钟；
步骤3、再将所述衬底放入去离子水中，在室温下超声清洗3～5分钟；
步骤4、再将所述衬底用高纯氮气吹干后90℃烘干5分钟。
3.如权利要求1所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤一中通过电子束蒸发进行蒸镀导电膜。
4.如权利要求3所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的在所述导电膜上曝光显影出第一堆叠区域具体包括如下步骤：
步骤1、在所述导电膜上旋涂第一光刻胶并进行烘干；
步骤2、在所述第一光刻胶上覆盖第一光刻板并进行曝光，形成多个曝光部分；
步骤3、将曝光后的样品进行显影，在所述多个曝光部分得到第一堆叠区域，并进行清洗吹干。
5.如权利要求4所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤二中在所述第一堆叠区域交替沉积两个周期的Al2O3和HfO2制备出DBR薄膜包括如下过程：
以射频磁控溅射方法将Al2O3靶材在所述样品上室温磁控溅射沉积37nm厚的Al2O3薄膜后，以射频磁控溅射方法将HfO2靶材在所述Al2O3薄膜上室温磁控溅射沉积30nm厚的HfO2薄膜，再重复磁控溅射一个周期的Al2O3薄膜和HfO2薄膜，将所述样品上剩余的第一光刻胶清洗掉后再次清洗吹干。
6.如权利要求5所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，在沉积所述Al2O3薄膜时，所述射频磁控溅射的射频功率为100W，溅射压力为7.5mTorr，Ar/O2混合气体[P(O2)＝10％]；
在沉积所述HfO2薄膜时，所述射频磁控溅射的射频功率为90W，溅射压力为5mTorr，Ar/O2混合气体[P(O2)＝5％]。
7.如权利要求6所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述Al2O3靶材和HfO2靶材的纯度均为99.99％。
8.如权利要求7所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤三具体包括如下步骤：
步骤a、在所述样品上旋涂第一光刻胶并进行烘干；
步骤b、在所述样品上覆盖第一光刻板并进行曝光显影，暴露出第一堆叠区域，并进行清洗吹干；
步骤c、以射频磁控溅射方法将Mg0.5Zn0.5O靶材在所述样品上沉积50nm厚的Mg0.5Zn0.5O光敏层，并将所述样品上剩余的第一光刻胶清洗掉后再次清洗吹干。
9.如权利要求8所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤四具体包括如下步骤：
步骤a、在所述样品上旋涂第二光刻胶并进行烘干；
步骤b、在所述样品上覆盖第二光刻板并进行曝光显影，暴露出第二堆叠区域，所述第二堆叠区域与所述第一堆叠区域相重合，且所述第二堆叠区域设置有透光的叉指结构；
步骤c、在所述样品上沉积金属铝，并将所述样品上剩余的第二光刻胶清洗掉后形成叉指电极层；
步骤d、清洗吹干后获得用于深紫外光探测的光敏晶体管。
10.如权利要求4所述的用于深紫外微光探测的光敏晶体管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的烘干温度为90～92℃，烘干时间为3分钟。
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