專利名稱：共面柵結(jié)構(gòu)的紫外光探測器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于(100)定向金剛石薄膜的共面柵結(jié)構(gòu)紫外光探測器器件的制造方法，屬紫外光探測器器件制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景紫外探測技術(shù)是繼紅外和激光探測技術(shù)之后發(fā)展起來的又一軍民兩用光電探測技 術(shù)。僅就軍事高技術(shù)而言，紫外對抗與反對抗技術(shù)、紫外制導、紫外通訊、紫外/紅外 復合制導及預警系統(tǒng)等，已引起軍方的高度重視。世界各國把固態(tài)紫外探測器技術(shù)列為當今研究開發(fā)的重點課題。CVD金剛石具有優(yōu)異的物理、化學、機械性能及出眾的電 學、光學特性，其中它的輻射硬度之高是別的材料所達不到的。因此它是制作應(yīng)用于惡 劣環(huán)境的紫外光探測器的理想材料，而金剛石的截止波長為225nm，可以在深紫外、真 空紫外(100 300nm)范圍內(nèi)發(fā)展具有高性能的紫外光探測器。基于上述原因，CVD 金剛石薄膜紫外光探測器是實現(xiàn)高性能紫外探測的焦點和熱點，對其的研究也取得了豐 碩的成果。在生物醫(yī)學方面，英國Mahon等人將金剛石紫外光探測器應(yīng)用到生物分子成像系 統(tǒng)中以識別電泳分離的生物分子。1999年他們又利用金剛石探測器對瓊脂糖凝膠的 DNA進行了探測與量化。金剛石紫外探測器對波長小于224nm的紫外光子很靈敏，此 區(qū)域正是生物分子的高吸收區(qū)。在天文觀測方面，Hochedez等人將金剛石紫外光探測器 用于ESA (歐洲空間局)太陽人造衛(wèi)星上，可實現(xiàn)"光盲性"探測，并且克服了傳統(tǒng)探測 器抗輻射和抗高溫能力差、價格昂貴的缺點，為空間太陽人造衛(wèi)星的研究開辟了新紀元。 在光刻技術(shù)方面，Whitfield等人首次將金剛石薄膜探測器應(yīng)用于157nmF2-He激光光刻 工藝中。研究發(fā)現(xiàn)金剛石薄膜紫外光探測器在0 1.4mJcm^通量范圍內(nèi)顯示出良好的響 應(yīng)。在士30V偏壓范圍內(nèi)，器件增益呈線性，靈敏度約為10V/mJ.cm2，非常適宜于新一 代IC制造中的157nmF2-He步進光刻系統(tǒng)。紫外光探測器的性能參數(shù)主要包括響應(yīng)度(R)、光譜響應(yīng)曲線及響應(yīng)時間(t)噪 聲等效功率(NEP)。對于金剛石膜紫外光探測器來說其性能很大程度上取決于金剛石 膜質(zhì)量和器件結(jié)構(gòu)。在金剛石薄膜材料選擇上，國內(nèi)外大多采用多晶金剛石薄膜作為探 測材料。但是多晶金剛石薄膜由于內(nèi)部存在大量不規(guī)則的晶界和缺陷，這些晶界和缺陷 會吸收紫外光產(chǎn)生的電信號，從而降低探測器的信號強度，降低探測器的響應(yīng)度(R)。 因此，我們利用HFCVD法生長金剛石薄膜的生長工藝，獲得了均勻性好、厚度合適、光敏面積為2X2cn]2的探測器級[100]定向金剛石薄膜，解決了紫外光探測器在材料方面的 要求。同樣，器件結(jié)構(gòu)也對紫外光探測器的性能有著重大的影響。在器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計上， 目前比較常用的器件結(jié)構(gòu)有光導型和肖特基型。光導型探測器的電極一般采用梳狀結(jié)構(gòu) UV輻照金剛石后載流子都在接近表面處形成，且表面的金剛石晶粒大，質(zhì)量相對較好， 電荷收集距離大，所以這種表面梳狀電極可以較快地收集載流子。梳狀結(jié)構(gòu)的電極間距 一般與晶粒平均尺寸相當，采用這種設(shè)計目的是為了讓載流子盡可能只在晶粒內(nèi)傳輸， 減少晶界的影響，提高收集效率。肖特基型探測器的載流子在耗盡層上產(chǎn)生，傳輸方向與 兩個電極接觸都垂直，即平行于晶界，把晶界的影響降到最低。耗盡層的寬度幾乎與金剛 石晶粒尺寸相等,光直接在耗盡層中得到吸收,其光電流比共平面器件的更高。此種結(jié)構(gòu) 的金剛石紫外探測器暗電流小于10pA ,器件的響應(yīng)時間小于20us。并且光譜響應(yīng)與暗 電流幾乎不受溫度影響。另為，現(xiàn)在也出現(xiàn)了其他一些新型的紫外光探測器，比如基于 場效應(yīng)晶體管(FET)的紫外光探測器，基于金屬/金剛石/真空結(jié)構(gòu)的紫外光探測器等等， 在紫外探測響應(yīng)強度上得到了很大的提高。以上各種結(jié)構(gòu)的紫外光探測器雖然在性能上 實現(xiàn)了一定的突破，基本上實現(xiàn)了紫外光探測。但是離高性能還存在著較大的差距，特 別是由于多晶金剛石薄膜中的空穴遷移率過低而導致器件相應(yīng)速度慢這一難題亟待解 決。本發(fā)明通過采用新型的器件結(jié)構(gòu)，很好地解決了這一難題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種共面柵結(jié)構(gòu)的紫外光探測器器件的制備方法，本發(fā)明的另 一目的是在高度定向的(100)金剛石薄膜材料上設(shè)計制作一種共面柵電極結(jié)構(gòu)，以達 到縮短探測器響應(yīng)時間，提高探測器靈敏度的目的。本發(fā)明是一種共面柵結(jié)構(gòu)的紫外光探測器的制備方法，采用由傳統(tǒng)通用的化學氣相 沉積裝置制得帶有硅沉底的高度定向的(100)金剛石薄膜材料；在該金剛石薄膜表面 形成作為正極的一對叉指電極，而在硅沉底背面形成一個作為負極的背電極，最終形成 共面柵電極紫外光探測器器件；其特征在于紫外光探測器器件具有以下的制備過程和步 驟a、 使用Ansys模擬軟件來模擬探測器內(nèi)的電場分布，在最佳的電勢均勻分布條件下， 設(shè)計共面柵結(jié)構(gòu)中最合理的柵寬和溝寬，由此決定電極尺寸的設(shè)計；b、 使用光刻方法制作表面叉指電極1) 樣品清洗；用丙酮、乙醇和去離子水對金剛石薄膜樣品清洗干凈，隨后放入烘 箱中，在120。C下持完全烘干；2) 甩膠與前烘；用甩膠臺在片子表面旋涂光刻膠6809，轉(zhuǎn)速為2500 rpm，旋轉(zhuǎn)30s， 使樣品表面形成一層均勻的光刻膠，厚度達到0.6 0.7pm;隨后在80。C的烘箱內(nèi)前烘 20分鐘；3) 曝光與顯影；在KarlSuss曝光機上，按設(shè)計得到的尺寸的掩模板進行對位和曝 光；然后將其浸沒在氯苯中5分鐘，得到梯形結(jié)構(gòu)的叉指電極圖形；4) 金電極制作；金屬材料金與金剛石膜能形成良好的歐姆接觸，為了保證金電極 與金剛石表面粘附牢固，采用直流濺射法制備金電極，濺射電流為2mA，時間為30分 鐘；5) 電極剝離；將上述濺射好金的樣品放入丙酮中浸泡，并超聲處理5分鐘，使叉 指電極圖形之外的光刻膠溶掉，同時將上面的金屬從表面剝離；從而形成需要的一定形 狀的叉指金電極；然后再用去離子水沖洗干凈并吹干；c、用磁控濺射法制作鋁背電極1) 樣品清洗；把金剛石薄膜樣品放入丙酮溶液里，超聲清洗10分鐘，去除樣品表 面的灰塵和油質(zhì)；2) 濺射制作鋁背電極；把清洗好的樣品放入磁控濺射儀，同時僅時背面硅襯底受 到濺射形成鋁膜；濺射操作時，其真空度為3X1(T5，濺射功率為60W，濺射時間為60 分鐘；3) 電極退火；將上述制備好的共面柵電極器件放在50(TC下退火60分鐘；使Al 和Si之間形成緊密接觸并使器件具有良好的歐姆特性。本發(fā)明的共面柵紫外光探測器器件，在工作時，在叉指電極的兩半電極上分別加上 正的高壓和正的低壓，而在背電極上加上負高壓。讀取信號以加載高壓的叉指電極取得 的信號減去低壓叉指上的信號作為最終的探測信號。信號從陽極讀出，因此收集的信號 都是電子，由于電子的遷移率高，所以探測器的靈敏度得到了提高。共面柵探測器的電勢分布是影響其感應(yīng)信號的重要因素，電勢分布越均勻，將越有 利于電子的收集。另外，邊緣效應(yīng)也造成電勢分布的不均勻，因此在共面柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計 中要合理的設(shè)計柵寬和溝寬；同時要消除邊緣效應(yīng)，使電勢均勻分布。為了取得是探測 器內(nèi)電場均勻分布的電極尺寸，特采用Ansys模擬軟件來模擬探測器內(nèi)的電場分布并進 行電極尺寸的設(shè)計。由于金剛石薄膜的晶粒屬于微米級的，因此，與金剛石薄膜晶粒大小相匹配的微米 級的表面叉指電極可以提高電荷收集效率，從而提高探測器的性能。本發(fā)明中，采用了 lift-off光刻技術(shù)在高度定向的(100)金剛石薄膜表面實現(xiàn)微米級的叉指電極。同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1) 共面柵紫外光探測器作為一種單極型器件，突破傳統(tǒng)雙極型探測器的設(shè)計思路， 只獲取遷移速率快的電子作為探測信號，降低了探測器的響應(yīng)時間，從而提高了探測器 的性能2) —般的叉指電極為毫米級，本發(fā)明中的共面柵電極的面電極采用了與金剛石薄 膜晶粒相匹配的微米級叉指電極，從而提高紫外光探測器的電荷收集效率，進一步提高 了共面柵紫外光探測器的探測性能。


圖l是本發(fā)明金剛石薄膜共面柵探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的俯視平面圖，也即是表面叉指電極的示意圖。
具體實施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。 實施例1本發(fā)明共面柵結(jié)構(gòu)的紫外光探測器的制備過程和步驟如下 一、模擬并設(shè)計共面柵電極 模擬的步驟如下1) 建立CVD紫外光探測單元模型。Si襯底的厚度為 1.0mm，面積為~1 X lcm2,金 剛石薄膜的厚度為 15pm，電極的厚度為 300nm。共面柵電極的柵寬和溝寬取lOpm, 20|am, 30pm, 40(am, 50|am進行模擬，同時取邊緣柵寬為中間柵寬的1.5倍。2) 設(shè)定材料參數(shù)，本模擬中涉及到的參數(shù)僅有金剛石的介電常數(shù)(5.7)。3) 對模型進行網(wǎng)格劃分，在計算機內(nèi)存允許的情況下，將網(wǎng)格劃分的越小，則模 擬出的電場分布越精確。4) 進行模型加載，即對電極加偏壓。由于電場強度隨著偏壓的增大而增大，大電 場有利于載流子的漂移和收集，提高器件的響應(yīng)。偏壓所產(chǎn)生的電場強度應(yīng)小于金剛石 擊穿場強，金剛石的擊穿電場可高達10 /cm，模擬中采用陰極加-1000V偏壓，陽極高 壓端加+ 1000V，低壓端加IOOV。5) 計算機自動進行電場的計算。6)根據(jù)要求顯示出電場分布情況。 模擬結(jié)果根據(jù)Ansys軟件的對不同共面柵尺寸條件下的電場的模擬得到,在柵寬和溝寬 為20pm,邊緣柵寬為3(Vm時,得到的電場最均勻，具體結(jié)構(gòu)如圖1， 2所示。二、 光刻方法制作表面叉指電極1) 樣品清洗。為了獲得高性能的器件，在光刻工藝前首先要將樣品清洗干凈，實 驗依次采用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗。將洗完后的樣品放入烘箱中，在120°C 環(huán)境下持續(xù)5min，使其完全烘干。2) 甩膠與前烘。用甩膠臺在片子表面旋涂光刻膠6809，轉(zhuǎn)速為2500轉(zhuǎn)/min，旋 轉(zhuǎn)30s，使樣品表面形成一層均勻的光刻膠，厚度達到0.6 0.7pm。需要注意的是光 刻膠為揮發(fā)性毒性材料，需在通風柜內(nèi)操作。將甩膠后的樣品放在在80°C的烘箱內(nèi)前 烘20min。3) 曝光與顯影。在KariSuss曝光機上，用電極的掩膜版(掩模版的尺寸根據(jù)設(shè)計 的結(jié)果，柵寬和溝寬都為20pm，邊緣柵寬為3(Vm，具體如圖1， 2所示)進行對位和 曝光。然后在通風柜中，將樣品浸泡在氯苯中約5min，氯苯為易揮發(fā)有毒液體，這里 之所以用氯苯浸泡，是因為要用剝離工藝形成叉指電極。氯苯使那些未受紫外光曝光的 光刻膠擴張，使電極光刻得到的叉指電極圖形形成正梯形結(jié)構(gòu)剖面，足以用剝離工藝。 使用光學顯微鏡檢查圖形，保證裸露的電極圖形表面干凈，沒有殘留膠膜。4) 金電極制作。金屬材料金(Au)與金剛石膜能形成比較好的歐姆接觸， 一般使 用電子束蒸發(fā)法來制作金電極。然而電子束蒸發(fā)得到的金屬與材料的表面結(jié)合力比較 差，為了保證金電極與金剛石表面粘附牢固，實驗采用直流濺射法制備Aii電極，濺射 電流為2mA，時間為30分鐘。5) 電極剝離。將濺射好Au的樣品放入丙酮中浸泡，超聲5分鐘，使電極圖形之外 的光刻膠溶掉，并將上面的金屬從樣品表面剝離，從而形成需要的叉指金電極，然后用去離子水沖洗干凈，并吹干。三、 磁控濺射法制作鋁背電極1) 樣品清洗。表面的灰塵和油質(zhì)會影響Al與Si襯底之間的歐姆接觸，把樣品放入丙酮溶液里，超聲清洗10分鐘，去除樣品表面的灰塵和油質(zhì)。2) 濺射制作鋁背電極。把清洗好的樣品放入磁控濺射儀，真空度為3X1(T5，濺射 功率為60W，濺射時間為60分鐘。3) 電極退火。退火可以改進金屬與半導體接觸面之間的懸掛鍵重新鍵合，增強金屬與半導體之間的歐姆接觸。把制備好的共面柵器件放入退火爐中，在50(TC下退火60 分鐘。使用紫外光源對探測器進行輻照，利用Kdthdy 4200SCS半導體性能表征等測試系 統(tǒng)對電流信號等進行測量測試。預期此金剛石膜紫外探測器所能達到的性能指標如下 暗電流dnA/cm2，響應(yīng)時間 10—"s，綜合性能優(yōu)于其它結(jié)構(gòu)的金剛石薄膜紫外光探測 器。
權(quán)利要求
1.一種共面柵結(jié)構(gòu)的紫外光探測器的制備方法，采用由傳統(tǒng)通用的化學氣相沉積裝置制得帶有硅沉底的高度定向的(100)金剛石薄膜材料；在該金剛石薄膜表面形成作為正極的一對叉指電極，而在硅沉底背面形成一個作為負極的背電極，最終形成共面柵電極紫外光探測器器件；其特征在于紫外光探測器器件具有以下的制備過程和步驟a、使用Ansys模擬軟件來模擬探測器內(nèi)的電場分布，在最佳的電勢均勻分布條件下，設(shè)計共面柵結(jié)構(gòu)中最合理的柵寬和溝寬，由此決定電極尺寸的設(shè)計；b、使用光刻方法制作表面叉指電極(1)樣品清洗；用丙酮、乙醇和去離子水對金剛石薄膜樣品清洗干凈，隨后放入烘箱中，在120℃下持完全烘干；(2)甩膠與前烘；用甩膠臺在片子表面旋涂光刻膠6809，轉(zhuǎn)速為2500rpm，旋轉(zhuǎn)30s，使樣品表面形成一層均勻的光刻膠，厚度達到0.6～0.7μm；隨后在80℃的烘箱內(nèi)前烘20分鐘；(3)曝光與顯影；在KarlSuss曝光機上，按設(shè)計得到的尺寸的掩模板進行對位和曝光；然后將其浸沒在氯苯中5分鐘，得到梯形結(jié)構(gòu)的叉指電極圖形；(4)金電極制作；金屬材料金與金剛石膜能形成良好的歐姆接觸，為了保證金電極與金剛石表面粘附牢固，采用直流濺射法制備金電極，濺射電流為2mA，時間為30分鐘；(5)電極剝離；將上述濺射好金的樣品放入丙酮中浸泡，并超聲處理5分鐘，使叉指電極圖形之外的光刻膠溶掉，同時將上面的金屬從表面剝離；從而形成需要的一定形狀的叉指金電極；然后再用去離子水沖洗干凈并吹干；c、用磁控濺射法制作鋁背電極(1)樣品清洗；把金剛石薄膜樣品放入丙酮溶液里，超聲清洗10分鐘，去除樣品表面的灰塵和油質(zhì)；(2)濺射制作鋁背電極；把清洗好的樣品放入磁控濺射儀，同時僅時背面硅襯底受到濺射形成鋁膜；濺射操作時，其真空度為3×10-5，濺射功率為60W，濺射時間為60分鐘；(3)電極退火；將上述制備好的共面柵電極器件放在500℃下退火60分鐘；使Al和Si之間形成緊密接觸并使器件具有良好的歐姆特性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于(100)定向金剛石薄膜的共面柵結(jié)構(gòu)紫外光探測器器件的制備方法。屬紫外光探測器器件制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明共面柵紫外光探測器的特點是在金剛石薄膜表面為一對叉指電極，襯底硅背面為一背電極；采用光刻方法制作表面叉指電極；使用磁控濺射法制作背電極；在薄膜表面的叉指電極上鍍覆有金薄膜，而背電極為鋁金屬膜。在工作時，在叉指電極的兩半電極上分別加上正的高壓和正的低壓，背電極則加上負高壓，探測信號從陽極讀出，因此收集信號都是電子，由于電子遷移率高，所以探測器的靈敏度得到很大提高，而且具有極快的響應(yīng)時間。
文檔編號H01L31/18GK101237009SQ20081003410
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者夏義本, 徐金勇, 王林軍, 祝雪豐, 廣 胡, 健 黃 申請人:上海大學