CN114664967A - 一种嵌入式msm结构的六方氮化硼深紫外光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器及其制备方法,属于半导体光电探测技术领域。本发明所述六方氮化硼深紫外光电探测器,自下而上由c轴蓝宝石衬底层、六方氮化硼层、嵌入式MSM电极结构层和六方氮化硼包层组成,其中嵌入式MSM电极结构层为叉指电极结构。本发明将MSM电极嵌入在六方氮化硼层内,并且在电极上方再覆盖一层六方氮化硼包层,相当于增大了曝光面积,可以最大程度增加光生载流子的收集范围;而六方氮化硼层内的载流子迁移率远高于层间迁移率,因而这种嵌入式MSM结构有利于提高器件的响应度和响应速度;同时电极嵌入在六方氮化硼薄膜中,也可以防止电极的脱落与沾污,从而保证器件的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电探测技术领域,具体涉及一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器及其制备方法。
背景技术
随着红外探测技术的相对成熟,紫外探测技术也越来越受到人们的重视。紫外光探测器在太阳紫外监测、紫外天文学、安全空间通信及导弹制导和预警等领域有着广泛的应用。尤其是近年来,由于民用和军事工业对能够在高温和恶劣环境下工作的紫外光电探测仪器提出了新的要求,紫外光电探测器引起了人们的极大关注。现有紫外探测器中,工作在深紫外波段的探测器种类并不多。六方氮化硼作为Ⅲ-Ⅴ族超宽禁带半导体,禁带宽度高达6.0eV,属六方晶系,层状结构,又称为白色石墨。六方氮化硼材料具有诸多优点:如化学稳定性较好、热导率高、介电常数小、本征击穿电场高等,是制作深紫外光电探测器的优选材料之一。目前,受限于六方氮化硼的结晶质量和器件结构,六方氮化硼探测器的响应度和探测灵敏度较低,无法满足实际应用。目前已经报道的六方氮化硼光电探测器绝大多数都采用普通的金属-半导体-金属(MSM)结构。本发明从器件的电极结构入手,考虑了六方氮化硼材料的层状结构特性,提出了嵌入式MSM的电极结构并应用于六方氮化硼紫外光电探测器的制备,有助于提高六方氮化硼光电探测器的响应度和响应速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器及其制备方法,理论上可以提高器件的响应度和响应速度。
作为本发明的第一个目的,提供了一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器,如图1所示,自下而上为c轴蓝宝石衬底层1、六方氮化硼层2(厚度为200~500nm)、嵌入式MSM电极结构层3(嵌入式MSM电极结构层3为叉指电极结构,叉指间距和叉指宽度均为10~20μm,对数为20~40对;80~120nm厚)、六方氮化硼包层4(10~50nm厚)。
作为本发明的第二个目的,还提供了上述嵌入式MSM电极结构的六方氮化硼深紫外光电探测器的制备方法,如图2所示,其步骤如下:
(a)利用丙酮、乙醇、去离子水依次对c轴蓝宝石衬底1进行超声清洗,然后氮气吹干;
(b)利用离子束溅射/金属有机物化学气相沉积/金属助溶剂法/磁控溅射/低压化学气相沉积等方法在c轴蓝宝石衬底1表面生长200~500nm厚的六方氮化硼层2,然后进行原位退火;
(c)在六方氮化硼层2的表面均匀涂覆一层光刻胶层;
(d)通过前烘、曝光、显影、后烘等工序,在六方氮化硼层2的表面形成与拟制备的嵌入式MSM电极结构层3结构互补的图案化光刻胶层;
(e)利用步骤(d)得到的图案化光刻胶层做掩膜,利用电感耦合等离子体刻蚀技术对六方氮化硼层2进行刻蚀,工作气体采用SF6;
(f)经过步骤(e)刻蚀后,在六方氮化硼层2表面得到与拟制备的嵌入式MSM电极结构层3结构相同的沟槽,沟槽深度为50~100nm;
(g)通过蒸镀或磁控溅射的方法,在步骤(f)刻蚀后的六方氮化硼层2表面沉积金属层(可以为钨、钛或钌等金属);
(h)将步骤(g)得到的器件放入去胶剂中超声清洗,溶解残留的光刻胶并且剥离掉嵌入式MSM电极结构层3之外的金属,在六方氮化硼层2的沟槽中得到嵌入式MSM电极结构层3,嵌入式MSM电极结构层3为叉指电极结构;
(i)通过离子束溅射、磁控溅射、低压化学气相沉积等方法在步骤(h)得到的器件表面生长一层10~50nm厚的六方氮化硼包层4,从而制备得到本发明所述的嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器。
本发明的原理:当光子能量大于六方氮化硼禁带宽度的紫外光照射在六方氮化硼薄膜表面时,六方氮化硼体内会产生大量的电子-空穴对,此时在叉指电极两侧外加偏压,在叉指电极间产生电场,光生电子-空穴对在电场的作用下被分离并被收集形成电流。传统的MSM结构六方氮化硼光电探测器具有以下不足之处:(1)其叉指电极均在样品表面,由于电极的遮挡,探测器的曝光面积减小;(2)样品表面的电极产生的电场并非全部集中于六方氮化硼层,有部分电场会泄露到空气中,如图3(a)所示,导致探测器对载流子的收集效率降低;(3)六方氮化硼是六方层状结构,层与层之间是较弱的范德华力结合,不存在共价键,因此沿c轴方向载流子迁移率低;而a轴方向上存在由sp2杂化形成的共价键组成的六方结构,在a轴平面内载流子的迁移率很高;对于传统MSM结构,载流子必须沿c轴方向输运后才能被电极收集,因而,载流子收集效率不高。为了克服这些问题,本发明提出了一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器,与传统MSM结构的六方氮化硼光电探测器相比,本发明提出的一种嵌入式MSM结构六方氮化硼深紫外光电探测器具有以下优点:
(1)将MSM电极嵌入在薄膜内,并且在电极上方再覆盖一层六方氮化硼薄膜,相当于增大了曝光面积;
(2)如图3(b)所示,嵌入式MSM结构可以保证电场全部集中于六方氮化硼中,可以最大程度增加光生载流子的收集范围;
(3)嵌入式MSM电极结构的设计考虑了六方氮化硼内载流子迁移率各向异性的特性,产生于叉指之间的电子空穴对在层内输运后即可被电极收集,而六方氮化硼层内的载流子迁移率远高于层间迁移率,因而这种嵌入式MSM结构有利于提高器件的响应度和响应速度;
(4)由于电极嵌入在六方氮化硼薄膜中,也可以防止电极的脱落与沾污,从而保证器件的稳定性。
附图说明
图1为本发明所述的嵌入式MSM电极结构的六方氮化硼深紫外光电探测器的结构示意图;图(a)为主视图,图(b)为立体图;
图2为本发明所述的嵌入式MSM电极结构的六方氮化硼深紫外光电探测器的制备工艺流程图;
图3为本发明所述的嵌入式MSM电极结构(a)与传统MSM电极结构(b)的电场分布示意图。
具体实施方式
下面结合图1对本发明的具体实施步骤作进一步的详细说明,如图1所示,本发明的一种嵌入式MSM电极结构的六方氮化硼深紫外光电探测器由c轴蓝宝石衬底层1,六方氮化硼层2,嵌入式MSM电极结构层3,六方氮化硼包层4组成。
实施例1:
(1)依次将c面蓝宝石衬底1通过丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10min,最后用氮气枪将c面蓝宝石衬底1吹干备用;
(2)将c面蓝宝石衬底1放入低压化学气相沉积设备的腔室中,通入氮气、三氯化硼和氨气,流量比为200sccm:10sccm:30sccm,在1350℃条件下生长20min,在c面蓝宝石衬底1表面得到厚度为400nm的六方氮化硼层2;
(3)将温度升值1650℃原位退火10min;
(4)在步骤(3)处理后的样品表面均匀涂覆一层光刻胶层,然后进行光刻处理:光刻胶型号为BP 212-37S,光刻工艺包括匀胶:低转速500rpm,高转速4500rpm;前烘:90℃热板烘烤20min后去除溶剂;曝光:365nm汞灯光源曝光40s;显影:将曝光后的器件放入显影液中,直至图形清晰用镊子夹出;后烘:120℃热板后烘10min,在六方氮化硼层2的表面形成与拟制备的嵌入式MSM电极结构层3结构互补的图案化光刻胶层;
(5)利用步骤(4)得到的图案化光刻胶层做掩膜,将步骤(4)处理后的器件进行电感耦合等离子体刻蚀,通入六氟化硫气体60sccm,上电极功率300W,下电极功率150W,反应腔室气压控制在20mTorr,刻蚀时间2min;在六方氮化硼层2表面得到与拟制备的嵌入式MSM电极结构层3结构相同的沟槽,沟槽深度为80nm;
(6)将步骤(5)处理后的器件放入磁控溅射仪中,在氩气80sccm的条件下,溅射钨靶材,溅射功率80W,溅射15min,得到金属钨的厚度为100nm;
(7)将步骤(6)处理后的器件放入装有去胶剂的烧杯中超声清洗3min,溶解残留的光刻胶并且剥离掉嵌入式MSM电极结构层3结构之外的金属,在六方氮化硼层2的沟槽中形成嵌入式MSM电极结构层3,嵌入式MSM电极结构层3为叉指电极结构;结构参数:30对,叉指间距和叉指宽度均为20μm。
(8)将步骤(7)处理后的器件以步骤(2)的工艺生长8min以形成厚度为20nm的六方氮化硼包层4,从而制备得到本发明所述的嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器。
实施例2:
(1)依次将c面蓝宝石衬底1通过丙酮、乙醇、去离子水各超声清洗10min,最后用氮气枪将c面蓝宝石衬底1吹干备用;
(2)将c轴蓝宝石衬底1放入磁控溅射仪中,抽真空至本底真空度5×10-3Pa,在600℃的温度下,通入氩气和氮气,流量比为50sccm:50sccm,溅射六方氮化硼靶材,溅射时间为40min,形成厚度为400nm的六方氮化硼层2。
(3)将步骤(3)处理后的器件表面均匀涂覆一层光刻胶层然后进行光刻处理:光刻胶型号为北京科华公司的BP 212-37S,光刻工艺包括匀胶:低转速500rpm,高转速4500rpm;前烘:90℃热板烘烤20min去除溶剂;曝光:365nm汞灯光源曝光40s;显影:将曝光后的样品放入显影液中,直至图形清晰用镊子夹出;后烘:120℃热板后烘10min,在六方氮化硼层2的表面形成与拟制备的嵌入式MSM电极结构层3结构互补的图案化光刻胶层;
(4)利用步骤(3)得到的图案化光刻胶层做掩膜,将步骤(3)处理后的器件进行电感耦合等离子体刻蚀,通入六氟化硫气体50sccm,上电极功率300W,下电极功率150W,反应腔室气压控制在20mTorr,刻蚀时间90s;在六方氮化硼层2表面得到与拟制备的嵌入式MSM电极结构层3结构相同的沟槽,沟槽深度为80nm;
(5)将步骤(4)处理后的器件放入射频磁控溅射仪中,在氩气流量为80sccm的条件下,溅射钨靶材,溅射功率80W,溅射15min,得到的金属钨电极的厚度为100nm;
(6)将步骤(5)处理后的器件放入装有去胶剂的烧杯中超声清洗3min,溶解残留的光刻胶并且剥离掉嵌入式MSM电极结构层3结构之外多余的金属,在六方氮化硼层2的沟槽中得到嵌入式MSM电极结构层3,嵌入式MSM电极结构层3为叉指电极结构;结构参数:30对,叉指间距和叉指宽度均为20μm。
(7)将步骤(6)处理后的器件以步骤(2)的工艺生长15min形成30nm厚的六方氮化硼包层4,从而制备得到本发明所述的嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于本发明实例中提到的薄膜制备方法,包括但不限于采用CVD技术、PVD技术和等离子体辅助化学转化技术等材料生长技术;对于电极结构的制备方法,包括但不限于磁控溅射技术、蒸镀技术和电子束蒸发等金属外延技术。
Claims (8)
1.一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器,其特征在于:自下而上由c轴蓝宝石衬底层(1)、六方氮化硼层(2)、嵌入式MSM电极结构层(3)和六方氮化硼包层(4)组成;嵌入式MSM电极结构层(3)为叉指电极结构,嵌入到六方氮化硼层(2)之中。
2.如权利要求1所述的一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器,其特征在于:叉指间距和叉指宽度均为10~20μm,对数为20~40对。
3.如权利要求1所述的一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器,其特征在于:六方氮化硼层(2)的厚度为200~500nm,嵌入式MSM电极结构层(3)的厚度为80~120nm,六方氮化硼包层(4)的厚度为10~50nm。
4.权利要求1~3任何一项所述的一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器的制备方法,其步骤如下:
(a)利用丙酮、乙醇、去离子水依次对c轴蓝宝石衬底(1)进行超声清洗,然后氮气吹干;
(b)在c轴蓝宝石衬底(1)表面生长六方氮化硼层(2),然后进行原位退火;
(c)在六方氮化硼层(2)的表面均匀涂覆一层光刻胶层;
(d)通过前烘、曝光、显影、后烘,在六方氮化硼层(2)的表面形成与拟制备的嵌入式MSM电极结构层3结构互补的图案化光刻胶层;
(e)利用步骤(d)得到的图案化光刻胶层做掩膜,对六方氮化硼层2进行刻蚀;
(f)经过步骤(e)刻蚀后,在六方氮化硼层(2)表面得到与拟制备的嵌入式MSM电极结构层(3)结构相同的沟槽,沟槽深度为50~100nm;
(g)在步骤(f)刻蚀后的六方氮化硼层(2)表面沉积金属层;
(h)将步骤(g)得到的器件放入去胶剂中超声清洗,溶解残留的光刻胶并且剥离掉嵌入式MSM电极结构层(3)之外的金属,在六方氮化硼层(2)的沟槽中得到嵌入式MSM电极结构层(3);
(i)在步骤(h)得到的器件表面生长六方氮化硼包层(4),从而制备得到嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器。
5.如权利要求4所述的一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:步骤(b)是利用离子束溅射、金属有机物化学气相沉积法、金属助溶剂法、磁控溅射法或低压化学气相沉积法在c轴蓝宝石衬底(1)表面生长六方氮化硼层(2)。
6.如权利要求4所述的一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:步骤(e)是利用电感耦合等离子体刻蚀技术对六方氮化硼层(2)进行刻蚀,工作气体采用SF6。
7.如权利要求4所述的一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:步骤(g)是通过蒸镀或磁控溅射的方法,在步骤(f)刻蚀后的六方氮化硼层(2)表面沉积金属层。
8.如权利要求4所述的一种嵌入式MSM结构的六方氮化硼深紫外光电探测器的制备方法,其特征在于:步骤(i)是通过离子束溅射法、磁控溅射法、低压化学气相沉积法在步骤(h)得到的器件表面生长六方氮化硼包层(4)。
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