CN112670358A - 金刚石基紫外探测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石基紫外探测器，包括金刚石薄膜、第一电极、第二电极和绝缘层；金刚石薄膜包括金刚石微柱、第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽，金刚石微柱在金刚石薄膜的表面周期性排布，金刚石微柱之间的空隙为第三沟槽，第三沟槽的两侧分别设与其联通的第一沟槽、第二沟槽；第一电极在第一沟槽、第三沟槽上；第二电极在第二沟槽、第三沟槽上方；绝缘层在第一电极、第二电极堆叠的区域之间。本发明还公开了一种金刚石基紫外探测器的制备方法。本发明利用沟槽设置堆叠的第一电极和第二电极，提高金刚石薄膜表面占空比，增加载流子数量并实现其有效收集，提高了灵敏度和响应度。

Description

金刚石基紫外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及探测器及其制法，具体为一种金刚石基紫外探测器及其制备方法。

背景技术

在宽禁带紫外探测器的研究上，金刚石薄膜紫外探测器的研究成为最具有吸引力的课题之一。金刚石的禁带宽度为5.5eV，对应于225nm的紫外波长，具有日盲特性，使器件无须配置滤光片或介电涂层就能满足在可见光背景下使用。金刚石还具有许多优异的电、光、热和机械性能及高的抗辐照强度和物理化学稳定性，如低介电常数，高击穿电压，高电子/空穴迁移率，高导热率等等。正是上述诸多特点，使金刚石在探测技术中应用广泛，尤其在高能粒子、X射线及紫外光探测技术领域的表现较为突出。

目前，金刚石基紫外探测器通常有两种：一种是在金刚石上表面沉积平面叉指结构金属电极的紫外探测器，另一种是在金刚石上、下表面都沉积金属电极的三明治夹层结构。但是，在电极为平面叉指结构的紫外探测器中，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，进一步的，平面叉指结构的电场主要分布于金刚石表面以下几个微米之内，对产生于远离金刚石上表面的载流子无法进行有效收集，从而影响探测器的灵敏度和响应度；另外，三明治夹层结构的紫外探测器一个电极在背面，减少了正面电极的挡光，但是因整体厚度较厚，对载流子的漂移和收集不利，同样影响探测器的器件性能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种灵敏度高、响应度高的金刚石基紫外探测器，本发明的另一目的是提供一种简单方便的金刚石基紫外探测器的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种金刚石基紫外探测器，包括金刚石薄膜、第一电极、第二电极和绝缘层；金刚石薄膜包括金刚石微柱、第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽，金刚石微柱在金刚石薄膜的表面周期性排布，金刚石微柱两两之间的空隙为第三沟槽，金刚石薄膜的对边分别设置第一沟槽、第二沟槽，第三沟槽的两侧分别设置与其联通的第一沟槽、第二沟槽；第一电极设置在第一沟槽、第三沟槽上；第二电极设置在第二沟槽、第三沟槽上方；绝缘层设置在第一电极、第二电极堆叠的区域之间。

第二电极的上表面不高于金刚石微柱的上表面。第一电极、第二电极均包括柄部和齿部，第一电极的齿部与第二电极的齿部在第三沟槽上方堆叠。

金刚石微柱的高度为5μm～20μm，宽度为40μm～60μm。第三沟槽的宽度为10μm～30μm。金刚石薄膜的厚度≤10μm。绝缘层的厚度为2μm～4μm。

绝缘层由二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝或氧化钛材料制成。第一电极、第二电极由金、铬或钛材料制成。

上述金刚石基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：

S1：准备好金刚石薄膜；

S2：刻蚀金刚石薄膜，在其表面形成金刚石微柱、第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽；

S3：在第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽中依次沉积第一电极、绝缘层和第二电极，并去除多余部分。其中，第一电极和第二电极部分堆叠于第三沟槽上方，绝缘层形成于第一电极和第二电极堆叠的区域之间。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：利用第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽的设置，堆叠的第一电极和第二电极，减小了金属电极占金刚石薄膜表面的面积，极大地增加了金刚石薄膜受辐照的探测面积，提高了金刚石薄膜表面的占空比，从而增加载流子的产生数量，并且使得电场可以广泛和均匀地分布于金刚石微柱和金刚石薄膜中，实现了金刚石薄膜中的所有载流子的有效收集，从而提高了探测器的灵敏度和响应度。

附图说明

图1是本发明形成有金刚石微柱101的金刚石薄膜1的剖视图；

图2是本发明形成有金刚石微柱101的金刚石薄膜1的俯视图；

图3是本发明形成第一电极2的半导体结构的俯视图；

图4是本发明形成绝缘层4的半导体结构的俯视图；

图5是本发明金刚石基紫外探测器的俯视图；

图6是本发明金刚石基紫外探测器的剖视图。

具体实施方式

一种金刚石基紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：

首先，提供一金刚石薄膜1，可以是高温高压工艺制备的基底，也可以是CVD(化学气相沉积)工艺制备的基底，还可以是自支撑金刚石薄膜。金刚石薄膜1的形状为矩形、圆形、椭圆形或者其他形状。本实施例以矩形的金刚石薄膜1为例。光刻、刻蚀的工艺及其使用装置均为现有，所使用的原材料均为购买。

如图1～2，然后刻蚀金刚石薄膜1，以在金刚石薄膜1的表面形成周期排布的金刚石微柱101，金刚石微柱101之间的空隙构成第三沟槽104，第三沟槽104的上下两侧联通有第一沟槽102、第二沟槽103。具体地，利用光刻、刻蚀工艺在金刚石薄膜1的表面获得周期性排布的金刚石微柱101，同时形成第一沟槽102、第二沟槽103和第三沟槽104。金刚石刻蚀工艺包括电感耦合等离子体(ICP)刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)等。此外，也可以利用光刻、刻蚀工艺在金刚石薄膜1的表面获得非周期性排布的金刚石微柱101。金刚石微柱101可以为长方体，金刚石微柱101的高度为5μm～20μm。金刚石微柱101底部的金刚石薄膜1保留的厚度小于或者等于10μm。金刚石微柱101在宽度上的尺寸为40μm～60μm，第三沟槽104在宽度上的尺寸为10μm～30μm。在金刚石薄膜1表面形成立体结构的金刚石微柱101，这样后续可以增加金刚石薄膜1受辐照的有效面积，提高了紫外光利用率，从而增加光生载流子的产生数量，提高器件的灵敏度。

最后在第一沟槽102、第二沟槽103和第三沟槽104中依次沉积第一电极2、绝缘层4和第二电极3。其中，第一电极2和第二电极3部分堆叠，第一电极2和第二电极4堆叠的部分位于第三沟槽104中。绝缘层4形成于第一电极2和第二电极3堆叠的区域之间，用于将第一电极2和第二电极3隔离开来，第一电极2和第二电极3均与金刚石微柱101形成欧姆接触。

具体的，如图3，第一电极2包括柄部和齿部，第一电极2沉积于第一沟槽102、第三沟槽104的底部。值得注意的是，在沉积第一电极2时，需要利用光刻和剥离工艺去除金刚石微柱101表面、第三沟槽104侧壁的多余的金属残留以及第二沟槽103中的所有的金属(另一柄部)，只保留第一沟槽102、第三沟槽104中的梳齿结构的金属作为第一电极2，第一电极2可以直接接触第一沟槽102、第三沟槽104底壁的金刚石薄膜1和金刚石微柱101侧壁。

如图4，在第一电极2上沉积绝缘层4，值得注意的是，在沉积绝缘层4时，需要利用光刻和刻蚀工艺去除金刚石微柱101表面和第一沟槽102、第二沟槽103多余的绝缘层4聚合物的残留以及第三沟槽104中的绝缘层4聚合物，只保留覆盖第一电极2的齿部位置的绝缘层4，保留的绝缘层4的边缘连接金刚石微柱101侧壁，需要保证绝缘层4后续能够将第一电极2和第二电极3完全隔离。

如图5～6，在绝缘层4上沉积第二电极3，与第一电极2类似。第二电极3包括柄部和齿部，第二电极3需要直接接触金刚石微柱101侧壁以形成欧姆接触。值得注意的是，在沉积第二电极3时，需要利用光刻和剥离工艺去除金刚石微柱101表面、第一沟槽102、第二沟槽103、第三沟槽104中多余的金属残留，只保留与第一电极2相对的另一侧的梳齿结构的金属(即第二沟槽103上方的金属)作为第二电极3，以保证第二电极3与第一电极2相对设置，以及保证第一电极2的齿部和第二电极3的齿部在第三沟槽104以上的空间完全堆叠或部分堆叠，通过绝缘层4达到完全绝缘的效果。较佳的，第一电极2和第二电极3都制备完成之后，可以将该器件放在400℃～500℃的氩气气氛中退火40min～50min，这样可以进一步优化金属电极与金刚石薄膜1接触的欧姆特性。

所制得的金刚石基紫外探测器工作时，给第一电极2和第二电极3之间加偏置电压，第一电极2和第二电极3通过金刚石微柱101的侧壁在金刚石薄膜1中形成均匀电场，与传统的平面叉指电极结构相比，利用第一沟槽102、第二沟槽103、第三沟槽104设置空间堆叠的第一电极2和第二电极3，金属电极占金刚石薄膜1表面的面积至少减小了一半，即至少增加了一倍的金刚石薄膜1(金刚石微柱101)受辐照的光响应面积，提高了金刚石薄膜1表面的占空比，提高了紫外光的利用率，从而增加载流子的产生数量，提高了器件内部电流响应度，从而提高了探测器的灵敏度和响应度。此外，设置空间堆叠的第一电极2和第二电极3使得器件的结构更加立体，使得电场可以广泛和均匀地分布于金刚石微柱101和金刚石薄膜1中，实现了金刚石薄膜1中的所有载流子的有效收集，从而进一步提高了探测器的灵敏度和响应度。

第一电极2和第二电极3的生长工艺可以采用磁控溅射工艺，也可以采用电子束蒸镀，对于第一电极2和第二电极3的生长工艺没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的金属电极沉积技术即可。第一电极2的材质和第二电极3的材质均可以选择金、铬或者钛等金属材料，上述金属材质制备的第一电极2和第二电极3与金刚石薄膜1的粘附性较好，可以与金刚石微柱101形成良好的欧姆接触。

第一电极2的齿部的厚度和第二电极3的齿部的厚度可以相同也可以不同，在本实例中，第一电极2的齿部的厚度和第二电极3的齿部的厚度都设置为300nm～400nm。绝缘层4的材质可以选择二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝或者氧化钛等绝缘材料，绝缘层4的厚度可以根据第三沟槽104的深度和第一电极2和第二电极3的厚度来设定，绝缘层4的厚度可以为2μm～4μm。根据实际情况来设置第一电极2、第二电极3以及绝缘层4的厚度，第二电极3的上表面可以低于金刚石微柱101的上表面，也可以和金刚石微柱101的上表面齐平。

如图6，上述方法所制得的金刚石基紫外探测器，包括金刚石薄膜1、第一电极2、第二电极3和绝缘层4，金刚石薄膜1的表面形成有周期排布的金刚石微柱101，金刚石微柱101之间的空隙构成第三沟槽104，第三沟槽104的两端联通有第一沟槽102、第二沟槽103。第一电极2和第二电极3相对地沉积于第一沟槽102、第二沟槽103、第三沟槽104中并且部分堆叠。绝缘层4形成于第一电极2和第二电极3堆叠的区域之间，以隔离第三沟槽104底部的第一电极2和第三沟槽104顶部的第二电极3。第一电极2和第二电极3均与金刚石微柱101形成欧姆接触。

Claims (10)

1.一种金刚石基紫外探测器，其特征在于：包括金刚石薄膜(1)、第一电极(2)、第二电极(3)和绝缘层(4)；所述金刚石薄膜(1)包括金刚石微柱(101)、第一沟槽(102)、第二沟槽(103)和第三沟槽(104)，所述金刚石微柱(101)在金刚石薄膜(1)的表面周期性排布，所述金刚石微柱(101)两两之间的空隙为第三沟槽(104)，所述第三沟槽(104)的两侧分别设置与其联通的第一沟槽(102)、第二沟槽(103)；所述第一电极(2)设置在第一沟槽(102)、第三沟槽(104)上；所述第二电极(3)设置在第二沟槽(103)、第三沟槽(104)上方；所述绝缘层(4)设置在第一电极(2)、第二电极(3)堆叠的区域之间。

2.根据权利要求1所述的金刚石基紫外探测器，其特征在于：所述第二电极(3)的上表面不高于金刚石微柱(101)的上表面。

3.根据权利要求1所述的金刚石基紫外探测器，其特征在于：所述第一电极(2)、第二电极(3)均包括柄部和齿部，所述第一电极(2)的齿部与第二电极(3)的齿部在第三沟槽(104)上方堆叠。

4.根据权利要求1所述的金刚石基紫外探测器，其特征在于：所述金刚石微柱(101)的高度为5μm～20μm，宽度为40μm～60μm。

5.根据权利要求1所述的金刚石基紫外探测器，其特征在于：所述第三沟槽(104)的宽度为10μm～30μm。

6.根据权利要求1所述的金刚石基紫外探测器，其特征在于：所述金刚石薄膜(1)的厚度≤10μm。

7.根据权利要求1所述的金刚石基紫外探测器，其特征在于：所述绝缘层(4)的厚度为2μm～4μm。

8.根据权利要求1所述的金刚石基紫外探测器，其特征在于：所述绝缘层(4)由二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝或氧化钛材料制成。

9.根据权利要求1所述的金刚石基紫外探测器，其特征在于：所述第一电极(2)、第二电极(3)由金、铬或钛材料制成。

10.根据权利要求1～9任一项所述的金刚石基紫外探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：准备好金刚石薄膜(1)；

S2：刻蚀金刚石薄膜(1)，在其表面形成金刚石微柱(101)、第一沟槽(102)、第二沟槽(103)和第三沟槽(104)；

S3：在第一沟槽(102)、第二沟槽(103)和第三沟槽(104)中依次沉积第一电极(2)、绝缘层(4)和第二电极(3)，并去除多余部分。

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