CN1874009A - 紫外光探测器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高性能的紫外光探测器的制备方法，属于无机非金属材料器件制造工艺技术领域。本发明方法采用传统的、现有的热丝化学气相淀积装置，在硅片衬底上(100)晶面上淀积金刚石薄膜，再在此金刚石薄膜层上蒸镀一定厚度的金电极，并经光刻工艺形成指宽和间距均为25微米的叉指状梳状电极，并用镁铝丝引线引出，最终制成金刚石膜紫外光探测器。此金刚石膜紫外光探测器能达到的性能指标为：暗电流＜1nA/cm2，响应时间接近10－10秒，其综合性能优于其他紫外光探测器。

Description

紫外光探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种以硅片上生长的(100)定向金刚石薄膜作紫外光探测器的制造方法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。
背景技术
20世纪50年代人们开始对紫外探测技术进行研究。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。仅就军事高技术而言，紫外对抗与反对抗技术、紫外制导、紫外通讯、紫外/红外复合制导及预警系统等，已引起军方的高度重视。世界各国把固态紫外探测器技术列为当今研究开发的重点课题。目前由于硅(Si)材料的技术成熟，Si仍然是制作光探测器最主要的材料。但其对于紫外敏感性不高，探测高强度深紫外光时辐射硬度低、工作寿命短，导致Si探测器的使用受环境的限制，无法在导弹羽烟探测、空气质量监测、紫外光剂量测量等众多领域中运用，这就需要用宽禁带探测器来完成。
在宽禁带紫外探测器的研究上，过去十年主要集中在SiC、GaN、ZnO、金刚石薄膜等材料上。由于金刚石的诸多优异性质，如：禁带宽度大(约5.5eV)、辐射强度高、良好的化学和温度稳定性等，使其可以取代硅在极限条件下工作。可是探测器级的天然金刚石价格昂贵、可再生性差，限制了它作为辐射探测器的应用。近年来，由于化学气相沉积法(CVD)的发展，人工合成金刚石膜的质量和应用得到了很大的提高。目前可以制备出高纯度、低缺陷水平的几乎任何形状的金刚石薄膜，其性质在很多方面甚至优于天然金刚石。最近，在用CVD技术生长“探测器级”的金刚石薄膜方面取得的进展引起了紫外辐射探测领域的研究者们的极大兴趣。
紫外光探测器的原理是当紫外光辐射穿过金刚石后，沿入射路径会产生大量的电子-空穴对，这些自由电荷在外加电场作用下向两极漂移，产生的电信号被收集放大后得到。由探测器的探测原理可知，决定其性能优劣的是材料中电子和空穴的输运能力的强弱。“探测器级”的金刚石薄膜要求具有极强的电荷输运能力。然而由于一般方法制得的金刚石薄膜为任意取向的多晶，所表现出的性质，是各个不同方向晶粒性质和杂质、缺陷等共同作用的平均结果。而且，由于取向的不一致性，晶界等缺陷的大量存在阻碍了电荷的输运，因此无法具有天然单晶金刚石的优异性能。如天然单晶金刚石热导率高达(20W/cm·K)，而任意取向的多晶金刚石膜即使纯度很高，热导率也很低，使多晶薄膜探测器的性能不如基于单晶材料的探测器。另外，随机取向金刚石薄膜表面平整度不高，不利于表面光刻电极和信号引出。
相对其它晶面来说，金刚石的(100)晶面具有较好的表面平整度和较低的缺陷密度。如果能实现金刚石薄膜在硅片上的[100]定向生长，无疑能使得到的薄膜在平整度和缺陷密度等指标上有所改善，从而有利于充分发挥金刚石的优异性能。高度取向CVD金刚石薄膜(HOD)在生长方向上几乎表现出单晶的性质。[100]取向金刚石膜克服了缺陷多、晶界乱的缺点，有效降低载流子的复合几率，并且改善了表面的平整度，为表面光刻电极制作奠定了基础。由于金刚石是柱状生长，其生长表面的颗粒最大，质量最好。因此，如器件采用平面型梳状结构，使载流子在金刚石膜的近表面处横向传输，传输距离短，晶界少，可以减少在传输过程中的载流子复合，提高收集效率。尤其是当电荷传输距离为一个晶粒尺寸，收集效率最高。因此[100]定向金刚石薄膜紫外光探测器相对于传统的任意取向探测器来说，性能可以大大提高，应用前景广阔。
发明内容
本发明的目的是利用硅片上生长的高质量[100]取向金刚石膜，制作平面型叉指结构的紫外光探测器，并提供一种高性能的紫外光探测器的制各方法。
本发明一种紫外光探测器的制备方法，其特征在于：利用传统的现有的热丝化学气相沉积装置，采用如下工艺步骤：
a.衬底预处理：采用(100)硅片作为衬底，用HF酸超声清洗5～15分钟，以去除表面的氧化硅层；使用100nm大小的金刚石粉末进行机械研磨5～10分钟，使整个硅衬底表面上产生均匀的划痕，成为原始的成核中心；将研磨后的硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗5～15分钟，烘干后放入热丝沉积反应室内；
b.成核过程：对反应室抽真空后，通入反应气体，即丙酮与氢气的混合气体，丙酮和氢气的流量分别为50标准毫升/分和100标准毫升/分；沉积室的气压设定为1kPa；相对于热丝，对衬底加30V正向偏压；将衬底温度控制在650～700℃；成核30～60分钟；
c.生长过程：保持丙酮的流量不变，即50标准毫升/分，仅改变氢气的流量至400标准毫升/分；将衬底的正向偏压提高到70V；保持衬底温度在750～780℃左右；生长12小时后，关闭丙酮开关，只通入氢气，对生长的金刚石膜进行30分钟的氢气刻蚀，以去除膜表面上的石墨相，提高薄膜质量；
d.制作电极：将上述制得金刚石薄膜上表面，在LDM150D离子束溅射仪中蒸镀100nm～500nm厚的金电极，经光刻工艺形成指宽和间距均为25μm的叉指状的电极，并采用镁铝丝引线引出。最后将器件在氩气中500℃退火30-60分钟以形成良好的欧姆接触；最终制得金刚石膜紫外光探测器。
本发明中，硅衬底的厚度为0.5～1.0mm，面积为0.5×0.5～2×2cm2；金刚石薄膜涂层的厚度为大于10μm。
同现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)由于本发明采用在硅片上[100]定向金刚石薄膜作为制备紫外光探测器的基体材料，解决了采用探测器级天然金刚石而造成的价格昂贵的问题，降低了生产成本，有利于工业化生产。
(2)由于金刚石的(100)晶面具有较好的表面平整度和较低的缺陷密度，使得高度取向的金刚石薄膜几乎表现出单晶的性质，从而克服了任意取向金刚石存在的电荷输运能力差、热导率低以及表面平整度低，不利于表面梳状电极电荷信号引出的问题。
(3)由于金刚石薄膜是柱状生长，其生长表面的晶粒最大，质量最好。器件结构采用平面型梳状结构，使载流子在金刚石膜的近表面处横向传输，传输距离短，晶界少，可以减少在传输过程中的载流子复合，提高器件的电荷收集效率。
附图说明
图1为本发明一种紫外光探测器的结构示意图。
图2为图1示例的俯视图
具体实施方式：
现将本发明的实施例叙述于后。
实施例1，参见图1、2，本实施例的具体工艺步骤如下：
(1)衬底预处理：采用面积为1×1cm2的(100)硅片作为衬底，用HF酸超声清洗10分钟，除去表面的氧化硅层。使用100nm大小的金刚石粉末进行机械研磨5分钟，使整个硅衬底表面上产生均匀的划痕，同时许多金刚石颗粒已镶嵌在硅衬底上，这些划痕和金刚石颗粒在成核期就成为原始的成核中心，大大提高金刚石的成核密度。将研磨后的硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗10分钟，洗去表面的杂质与有机物，烘干后放入热丝沉积反应室内。
(2)成核过程：对反应室及各管道进行抽真空后，通入反应气体，即丙酮与氢气的混合气体，丙酮和氢气的流量分别为50标准毫升/分和100标准毫升/分。沉积室的气压设定为1kPa。相对于热丝，对衬底加30V正向偏压，将衬底温度控制在680℃，成核45分钟。
(3)生长过程：保持丙酮的流量不变，即50标准毫升/分，仅改变氢气的流量至400标准毫升/分。将衬底的正向偏压提高到70V，保持衬底温度在750℃左右。生长12小时后，关闭丙酮开关，只通入氢气，对生长的金刚石膜进行30分钟的氢气刻蚀，除去膜表面上的石墨相，提高薄膜质量。
(4)制作电极：将上述制得金刚石薄膜上表面，在LDM150D离子束溅射仪中蒸镀200nm厚的金电极，经光刻工艺形成指宽和间距均为25μm的叉指状的电极，并采用镁铝丝引线引出。最后将器件在氩气中500℃退火40分钟以形成良好的欧姆接触，最终制得金刚石膜紫外光探测器。
使用紫外光源对探测器进行辐照，利用Keithely 4200SCS半导体性能表征等测试系统对电流信号等进行测量测试。此金刚石膜紫外探测器所能达到的性能指标如下：暗电流＜1nA/cm2，响应时间～10-10s，综合性能优于任意取向金刚石薄膜探测器。

Claims (2)

1.一种紫外光探测器的制备方法，其特征在于：利用传统的现有热丝化学气相淀积装置，采用如下的工艺步骤：
a)衬底预处理：采用(100)硅片作为衬底，用HF酸超声清洗5～15分钟，以去除表面的氧化硅层；使用100nm大小的金刚石粉末进行机械研磨5～10分钟，使整个硅衬底表面上产生均匀的划痕，成为原始的成核中心；将研磨后的硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗5～15分钟，烘干后放入热丝淀积反应室内；
b)成核过程：对反应室抽真空后，通入反应气体，即丙酮与氢气的混和气体。丙酮和氢气的流量分别为50标准毫升/分和100标准毫升/分；淀积室的气压设定为1kPa；相对于热丝，对衬底加30V正向偏压；将衬底温度控制在650～700℃；成核30～60分钟；
c)生长过程：保持丙酮的流量不变，即50标准毫升/分，仅改变氢气的流量至400标准毫升/分；将衬底的正向偏压提高到70V；保持衬底温度在750～780℃左右；生长12小时以后，关闭丙酮开关，只通入氢气，对生长的金刚石膜进行30分钟的氢气蚀刻，以去除膜表面上的石墨相，提高薄膜质量；
d)制作电极：将上述制得金刚石薄膜上表面，在LDM150D离子束溅射仪中蒸镀100～500nm厚的金电极，经光刻工艺形成指宽和间距均为25微米的叉指状的电极，并采用镁铝丝引线引出；最后将器件在氢气中500℃退火30～60分钟，以形成良好的欧姆接触；最终制得金刚石紫外光探测器。
2.如权利要求1所述的一种紫外探测器的制备方法，其特征在于所述的衬底硅片的厚度为0.5～1.0mm，面积为0.5×0.5～2×2cm2；生长金刚石薄膜的厚度大于10μm。
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