CN114335238A - 一种金刚石粒子探测器电极结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，包括如下步骤：S1、在单晶金刚石上制作周期性凹槽结构，各凹槽对应平行；S2、将制备的单晶金刚石进行清洗；S3、首先将铝沉积在凹槽的内壁四侧及底部，然后将金沉积在铝未填满的凹槽内部，最后将铬覆盖在铝和金的上方表面，得到平面电极；S4、在单晶金刚石上沉积出指交叉电极和正、负金属电极，平面电极通过指交叉电极分别与正、负金属电极连接。本发明在单晶金刚石晶片内引入平面电极，实现金刚石内部电离的电子‑空穴对的高效快速收集，提高探测器的响应度和灵敏度；采用铝、金两层金属作电极，起到良好的欧姆接触的作用，而上方的铬可以防止金属电极氧化，增加器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种金刚石粒子探测器电极结构及其制备方法。
背景技术
目前主流的探测器类型主要包括气体探测器、闪烁体探测器和半导体探测器，半导体探测器具有能量分辨率高、探测效率高等优点，已逐渐取代其他两种探测器。半导体探测器顾名思义是以半导体为媒质的一种新型辐射探测器，随着半导体材料学的发展进步，很大程度上推动了半导体在这一领域上的应用。首先对于半导体材料来说，在没有外来粒子辐射的情况下，不会产生本底信号，其次在其灵敏体积内产生的载流子信号在外加电场的作用下可以定向漂移，这是导体和通常的绝缘体都不具备的。
半导体探测器在粒子的探测效率、脉冲响应时间及测试环境的等方面也有着不可代替的优势。但是硅基探测器及锗基探测器中的半导体材料(Si、Ge)带隙小，会响应可见光，且在室温工作时暗电流大。另外，硅基的探测器在紫外探测时响应普遍较低或不稳定，因此需要开发一种探测效率高、性能稳定的探测器。
金刚石辐射探测器是宽禁带半导体探测器的一种，具有探测精度高、不响应可见光、耐候性好、无需制冷、寿命长以及抗辐射能力强等优点，特别适合长周期、强辐射的深空探测。金刚石辐射探测器可以探测的辐射有紫外光、x射线、γ射线、中子、α粒子、β粒子、质子、介子以及重离子等，在探测粒子辐射时，金刚石探测器通常被称为金刚石粒子探测器。
现有三明治结构类型的金刚石粒子探测器采用电极-CVD金刚石材料-电极三明治夹心结构，在CVD金刚石材料表面蒸镀薄金层并形成欧姆接触。三明治结构类型的金刚石粒子探测器其中一个电极在背面，因而减少了正面电极的挡光，但是因为金刚石膜加工的难度，导致金刚石膜的整体厚度较厚，对载流子的漂移和收集效果较差，非常影响探测器的器件探测性能。
现有平面叉指状结构类型的金刚石粒子探测器通常需要掩膜版，用来行成特定的叉指状金属电极结构。电极为平面叉指结构的金刚石粒子探测器，由于正负叉指电极都需要满足一定宽度的条件，导致叉指电极几乎占据了金刚石探测面积的整个上表面，使得金刚石受辐照的面积极少，从而影响载流子的产生数量及电荷收集效率。此外，由于平面叉指状结构类型的探测器的电场主要分布于金刚石表面以下几个微米之内，电场强度分布不均匀，并且由于共面型的叉指状电极分布于金刚石表面，因此对产生于远离金刚石上表面的载流子无法进行有效的收集，从而影响探测器的灵敏度和响应度。
发明内容
为解决平面叉指状结构电场分布不均匀，导致载流子无法有效收集的问题，本发明通过设计并制备一种金刚石粒子探测器的电极结构，有效提升探测器的分辨率、收集效率、灵敏度和响应度。
本发明提供一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、在单晶金刚石上制作周期性凹槽结构，各凹槽在深度、长度及宽度方向上均对应平行；
S2、将制备的具有周期性凹槽结构的单晶金刚石进行清洗；
S3、首先将铝沉积在凹槽的内壁四侧及底部，然后更换靶材，将金沉积在铝未填满的凹槽内部，直到将凹槽内填满，再次更换靶材，将铬覆盖在铝和金的上方表面，得到平面电极；
S4、在步骤S3制备的单晶金刚石上沉积出指交叉电极和正、负金属电极，所述平面电极通过指交叉电极分别与正、负金属电极连接。
进一步地，所述步骤S1中，单晶金刚石的尺寸为3×3mm至10×10mm之间，厚度为300μm至1200μm之间，杂质含量低于2ppm。
进一步地，所述单晶金刚石可使用购入的已抛光好的单晶金刚石成品，也可采用未抛光的单晶金刚石，对其进行抛光处理，保证作为衬底的单晶金刚石具有良好的平整度即可。
进一步地，所述凹槽的深度方向可垂直于单晶金刚石衬底上表面，也可相对于衬底上表面倾斜，但要保证每个凹槽之间互相平行(即各凹槽在深度、长度及宽度方向上均对应平行)，为了便于凹槽的制备，一般情况下凹槽的深度方向均垂直于单晶金刚石衬底上表面。
进一步地，所述步骤S2中，凹槽的尺寸为长度至少为100-300μm，宽度为10μm至100μm，凹槽与凹槽之间的距离为10μm至100μm，凹槽深度在10-50μm。
进一步地，所述步骤S2中，所述凹槽的制作方式包括激光加工或微纳米加工中任意一种，设计好一套掩膜版之后，将掩膜版粘贴于金刚石上方，并按照掩膜版的形状对金刚石进行加工。
进一步地，所述步骤S2中，清洗单晶金刚石的溶液为浓硫酸与浓硝酸的混合溶液，混合比例为1：(0.8-1.2)，优选为1：1。
进一步地，所述步骤S2中，清洗单晶金刚石的溶液为浓硫酸与双氧水的混合溶液，混合比例为(6-8):3，优选为7：3。
进一步地，所述步骤S3中，金、铝两金属沉积后的上平面均与金刚石凹槽的上表面平齐。
进一步地，所述步骤S3中，铝层的厚度在5μm以内，沉积在最上方的铬层厚度在5μm以内。
进一步地，所述步骤S3中，采用磁控溅射的方法将金属材料沉积在单晶金刚石的凹槽内，首先将金属铝沉积在凹槽的内壁及底部，然后更换靶材，将金属金沉积在金属铝未填满的凹槽内部，直到将凹槽内填满(金、铝的上平面均与凹槽的上表面平齐)，最后再次更换靶材，将金属铬覆盖在铝和金的最上方，使铝和金不暴露于空气。
进一步地，所述步骤S4中，沉积制备指交叉电极和正、负金属电极的方法具体为：按照指交叉电极和正、负金属电极的目标排布形状，制作镂空掩膜板，将掩膜板覆盖在单晶金刚石表面，放置于真空沉积设备内部，沉积完成后移除掩膜版，所述指交叉电极与平面电极一一对应。
本发明还提供一种金刚石粒子探测器电极结构，是由上述的制备方法所制备。该金刚石粒子探测器的金刚石衬底表面设置有正极金属电极和负极金属电极，所述的正极和负极金属电极均连接有至少一个指交叉电极，所述指交叉电极上均连接有垂直方向的平面电极，且平面电极设置在所述金刚石衬底内部。
相比于现有技术，本发明在单晶金刚石晶片内引入平面状体电极，可以实现金刚石内部电离的电子-空穴对的高效快速收集，提高探测器的响应度和灵敏度；同时可以避开单晶金刚石表面的加工缺陷，增加了器件的稳定性，且相比于柱状电极，本发明选择的平面电极可以使电场更为均匀；因为柱状体电极相对于平面电极，正负极之间的电场线分布不均匀，电子空穴对的迁移速率在不同的位置不一致，但是本发明采用的平面电极是平行的，距离一致、电压一样，因此，电场也是均匀的。
本发明采用铝、金两层金属作为电极，可以起到良好的欧姆接触的作用，其中，金可以提高导电率，铝可以和金刚石行成良好的欧姆接触，在金刚石与金之间发挥过渡作用，最上方的电极为金属铬，可以有效保护金属电极，如果仅使用铝，则会容易氧化，加上铬的目的，就是起到封装的作用，防止铝氧化，增加器件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明金刚石粒子探测器俯视图；
图2为本发明金刚石粒子探测器正视图；
图3为本发明金刚石粒子探测器沉积的金属电极剖视示意图。
符号说明：
1-金刚石衬底，2-正极电极，3-负极电极，4-指交叉电极，5-平面电极，51-金属铝层，52-金属镁层，53-金属铬层。
具体实施方式
以下结合具体实施方式进一步说明本发明技术方案。
本发明提供的一种金刚石粒子探测器的电极结构，是由上述的制备方法所制备。如图1和图2所示，该金刚石粒子探测器的金刚石衬底表面设置有正极金属电极和负极金属电极，的正极和负极金属电极均连接有至少一个指交叉电极，所述指交叉电极上均连接有垂直方向的平面电极，且平面电极设置在所述金刚石衬底内部。该金刚石粒子探测器的电极结构具体制备方法如下：
S1、选择厚度为1000μm的单晶金刚石衬底，金刚石衬底的尺寸为3×3mm至10×10mm之间，杂质含量低于2ppm，对单晶金刚石进行抛光处理，使其表面粗糙度Ra在6nm左右；采用激光对单晶金刚石进行加工，按照目标的加工形状设计好一套掩膜版，该掩膜版材质可以为石英玻璃或感光胶，将掩膜版粘贴于金刚石上方，并按照掩膜版的形状对单晶金刚石进行加工，在金刚石衬底上制作周期性凹槽结构，各凹槽在深度、长度及宽度方向上均对应平行，凹槽的尺寸为长度为100至300μm，宽度为10μm至100μm，凹槽与凹槽之间的距离为10μm至100μm，凹槽深度在10至50μm，考虑到加上偏压之后，电离之后的载流子仅仅在表面几微米到几十微米，在50微米以内就可以有效的收集载流子，提升探测效率，因此本发明的凹槽深度为10至50μm，其他更大的深度没有实用意义；
具体的，凹槽的制作方式为激光加工，也可以是微纳米加工，但无论是从成本还是加工效率的角度，激光加工都具有显著的优势。
S2、将制备的具有周期性凹槽结构的单晶金刚石进行清洗；
具体的，清洗金刚石的溶液为浓硫酸与浓硝酸的混合溶液，混合比例为1：(0.8-1.2)，也可使用浓硫酸与双氧水的混合溶液，混合比例为(6-8):3。
S3、首先将铝沉积在凹槽的内壁及底部，然后更换靶材，将金沉积在铝未填满的凹槽内部，直到将凹槽内填满，再次更换靶材，将铬覆盖在铝和金的上方表面，得到平面电极。
具体的，金、铝两金属的沉积后的上平面均与金刚石凹槽的上表面平齐，金属铬超出凹槽上平面，与指交叉电极连接，金属铬可以看作指交叉电极的一部分，覆盖在金、铝的上部。
具体的，金属铝层的厚度在5μm以内，金属金层的厚度以能填满剩下的凹槽内部为准，沉积在最上方的金属铬层厚度在5μm以内。
具体的，本发明需将两种金属填充到凹槽中，为更好控制金属金层的厚度，优选采用磁控溅射的方法将金属金材料沉积在金刚石的凹槽内表面，也可使用电阻蒸发镀膜技术、或者电子束蒸发镀膜技术。另两种金属层也可采用上述技术进行沉积。
S4、在步骤S3制备的单晶金刚石上沉积出指交叉电极和正、负金属电极，所述平面电极通过指交叉电极分别与正、负金属电极连接。具体为：按照指交叉电极和正、负金属电极的目标排布形状，制作镂空掩膜板，掩膜版材质可以为石英玻璃或感光胶，将掩膜板覆盖在单晶金刚石表面，放置于真空沉积设备内部，沉积完成后移除掩膜版，所述指交叉电极与平面电极一一对应。
本实施例具体采用如下制备方法：
S1、选择厚度为1000μm的单晶金刚石衬底，杂质含量低于2ppm，金刚石衬底的尺寸为8×8mm，对单晶金刚石进行抛光处理，使其表面粗糙度Ra在6nm左右；
采用激光对单晶金刚石进行加工，在金刚石衬底上制作周期性凹槽结构，各凹槽在深度、长度及宽度方向上均对应平行，先设计好掩膜版，掩膜版材质为感光胶，将掩膜版粘贴于金刚石上方，并按照掩膜版的形状对金刚石进行加工，凹槽的尺寸为长度为400μm，宽度为40μm，凹槽与凹槽之间的距离为20μm，凹槽深度为40μm，加工完成后取下掩膜板；
S2、将制备的具有周期性凹槽结构的单晶金刚石用1：1的浓硫酸与浓硝酸的混合溶液进行清洗；
S3、采用磁控溅射的方法将金属沉积在金刚石的凹槽中，首先将金属铝沉积在凹槽的内壁四侧及底部，厚度4μm，然后更换靶材，将金属金沉积在金属铝未填满的凹槽内部，直到将凹槽内填满(金、铝的上平面均与凹槽的上表面平齐)，最后再次更换靶材，将金属铬覆盖在铝和金的最上方，厚度4μm，使铝和金不暴露于空气，沉积完成后即在衬底内部形成平面电极，具体结构如图3所示；
S4、在步骤S3制备的单晶金刚石上沉积出指交叉电极和正、负金属电极，平面电极通过指交叉电极分别与正、负金属电极连接。具体为：按照指交叉电极和正、负金属电极的目标排布形状，制作镂空掩膜板，掩膜版材质为感光胶，将掩膜板覆盖在单晶金刚石表面，放置于真空沉积设备内部，沉积完成后移除掩膜版，所述指交叉电极与平面电极一一对应。
Claims (10)
1.一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在单晶金刚石上制作周期性凹槽结构，各凹槽在深度、长度及宽度方向上均对应平行；
S2、将制备的具有周期性凹槽结构的单晶金刚石进行清洗；
S3、首先将铝沉积在凹槽的内壁四侧及底部，然后更换靶材，将金沉积在铝未填满的凹槽内部，直到将凹槽内填满，再次更换靶材，将铬覆盖在铝和金的上方表面，得到平面电极；
S4、在步骤S3制备的单晶金刚石上沉积出指交叉电极和正、负金属电极，所述平面电极通过指交叉电极分别与正、负金属电极连接。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，单晶金刚石的尺寸为3×3mm至10×10mm之间，厚度为300μm至1200μm之间，杂质含量低于2ppm。
3.根据权利要求2所述的一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，凹槽的尺寸为长度至少为100-300μm，宽度为10μm至100μm，凹槽与凹槽之间的距离为10μm至100μm，凹槽深度在10-50μm。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述凹槽的制作方式包括激光加工或微纳米加工中任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，清洗单晶金刚石的溶液为浓硫酸与浓硝酸的混合溶液，混合比例为1：(0.8-1.2)。
6.根据权利要求1所述的一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，清洗单晶金刚石的溶液为浓硫酸与双氧水的混合溶液，混合比例为(6-8):3。
7.根据权利要求1所述的一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，金、铝两金属的沉积后的上平面均与金刚石凹槽的上表面平齐。
8.根据权利要求1所述的一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，铝层的厚度在5μm以内，沉积在最上方的铬层厚度在5μm以内。
9.根据权利要求1所述的一种金刚石粒子探测器电极结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用磁控溅射的方法将金属材料沉积在单晶金刚石的凹槽内。
10.一种金刚石粒子探测器的电极结构，其特征在于，是由权利要求1-9任一项所述的制备方法所制得。
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