一种三维结构金刚石紫外探测器及其制备方法技术

一种三维结构金刚石紫外探测器及其制备方法，涉及金刚石探测科学与技术领域，尤其涉及一种三维结构金刚石紫外探测器及其制备方法。本发明专利技术为解决现有金刚石紫外探测器，采用平面电极结构，会有紫外穿透深度范围以内金刚石纵向电场太弱不足以将光生载流子导出的问题，而采用石墨柱电极结构，会有晶界阻碍载流子的输运问题。一种三维结构金刚石紫外探测器，包含光感区和电极结构，光感区为蛇形折叠形状金刚石，电极结构为两组相互交叉的叉指结构凹槽组成，每组叉指结构含有n个电极。一种三维结构金刚石紫外探测器的制备方法：基底的选择；预处理；制备刻蚀掩膜；制备三维电极结构；沉积金属薄膜和后处理。本发明专利技术应用于紫外探测领域。

Three dimensional structure diamond ultraviolet detector and preparation method thereof

The invention relates to a three-dimensional structure diamond ultraviolet detector and a preparation method thereof, relating to the field of diamond detection science and technology, in particular to a three-dimensional structure diamond ultraviolet detector and a preparation method thereof. The invention solves the problem that the existing diamond UV detector, using planar electrode structure, with UV penetration depth within the diamond longitudinal electric field is too weak to be of photocarrier derived, using graphite column electrode structure, will hinder the grain boundary transport problem of carrier. A three-dimensional structure of diamond ultraviolet detector, including light area and light area of electrode structure, serpentine folded shape diamond electrode structure for the two group cross interdigital groove, each interdigital structure containing n electrode. A method for preparing three-dimensional structure diamond ultraviolet detector: base selection; pretreatment; preparation of etching mask; preparation of three-dimensional electrode structure; deposition of metal film and post-processing. The invention is applied to the field of ultraviolet detection.

【技术实现步骤摘要】
一种三维结构金刚石紫外探测器及其制备方法
本专利技术涉及高能射线及粒子探测领域，尤其涉及一种三维结构金刚石紫外探测器及其制备方法。
技术介绍
金刚石属于典型的宽禁带材料，具有载流子迁移率高，辐射强度高，电阻率高，以及高的击穿电压等特点，是新一代探测器的理想材料之一。另外，金刚石的吸收边位于日盲区，不分昼夜，在地表光线，温度条件下的暗电流极低，特别适合作为日盲探测材料。近年来，紫外通信作为一种重要的军事通信技术，要求紫外探测器对日盲紫外有较高的探测效率，探测响应度越高，信噪比越好，通信质量越高。随着人造金刚石技术的不断进步，金刚石质量也在不断提升。依赖于金刚石品质的探测性能也在不断提升。为了进一步提高金刚石探测器的探测效率，除了改善金刚石晶体品质外，人们还在努力优化金刚石探测器的器件结构。目前，平面电极是金刚石紫外探测器通常采用的电极结构，但是，这种结构由于没有充分考虑紫外线的穿透深度以及在金刚石体内的电场分布的问题，不能最大限度地收集紫外线穿透范围以内的光生载流子。为解决上述问题，有人借助激光技术，将金刚石石墨化，制备出一种具有石墨柱电极结构的三维全碳探测器，然而，由于借助激光在实现金刚石相变的过程中，激光的热量不可避免的会在金刚石相与石墨相交界面处产生缺陷，类似于多晶金刚石晶粒之间的晶界，大大阻碍载流子的输运。
技术实现思路
三维结构金刚石紫外探测器设计的理论基础：金刚石紫外探测器基底的选择依据金刚石的探测性能取决于结晶质量与杂质含量，结晶质量越高，缺陷及杂质含量越少，探测性能就越好，借助拉曼光谱表征金刚石的品质，从而选出适合探测器的金刚石基底。紫外穿透深度的测定金刚石在紫外线照射下，有一个穿透深度的问题。穿透深度，即紫外线光强衰减为入射光强的1/e时的穿透距离。不同波长的光在金刚石体内有不同的穿透深度，测定出不同波长在金刚石体内的穿透深度，为探测器结构尺寸设计提供依据。电场分布模拟不同的电极结构，在金刚石体内会产生不同的电场分布。为了设计出结构合理的金刚石紫外探测器，对不同金刚石探测结构进行了电场分布模拟计算，进一步为探测器结构尺寸设计提供依据。结合测定的紫外穿透深度和电场分布模拟结果，确定三维结构金刚石紫外探测器在垂直于金刚石表面方向的电极深度尺寸。透过率谱显示实验所用金刚石基底在波长大于250nm的波段具有较高的透过率，波长小于223nm的波段完全被吸收，见图2和图3，吸收谱显示样品吸收边位于日盲区，可以用作理想的日盲探测材料，通过计算，在日盲区吸收波段，紫外穿透深度范围从十几微米到数百微米之间。利用有限元方法对金刚石内部进行了电场分布模拟，模型参数采用了金刚石电导率及介电常数，电极宽度为20μm，电极间距为10μm，电极个数为5，电场强度为1V/μm。结果显示，如果采用平面电极结构，在距金刚石电极平面10μm以下，电场强度就会相当弱，20μm以下，场强几乎为0。但是，如果采用三维电极结构，可以增强紫外穿透深度范围内的电场强度，见图4和图5。综合上述结果，并结合目前的实际加工水平，确定三维结构金刚石紫外探测器在垂直于金刚石表面方向的电极深度尺寸为8～50μm，其他几何参数参照现有平面电极结构尺寸确定：电极宽度为10～30μm，电极间距为10～30μm。本专利技术为解决现有金刚石平面电极结构紫外探测器存在紫外穿透深度范围以内金刚石纵向电场太弱不足以将光生载流子导出的问题，以及采用石墨柱电极结构存在晶界阻碍载流子的输运问题，从而提出一种三维结构金刚石紫外探测器及其制备方法。一种三维结构金刚石紫外探测器，包括一个折叠槽状结构和两个接线端，折叠槽状结构位于两个接线端中间，折叠槽状结构彼此临近的槽壁相互平行构成n个电极，接线端为长方形坑状结构，接线端的深度与电极的高度相同，电极及接线端表面镀有金属膜。也就是说，本专利技术所述的三维电极结构金刚石紫外探测器包含光感区和电极区，光感区为蛇形折叠形状金刚石，电极区结构为两组相互交叉的叉指结构凹槽电极组成，每组叉指结构含有n个电极，每组叉指结构中的n个电极通过一个公用焊盘连接，两个公用焊盘作为接线端，通过外接信号线为探测器提供工作偏压，同时引出探测信号。一种三维结构金刚石紫外探测器的制备方法，按以下步骤进行：步骤一、金刚石紫外探测器基底的选择对人造金刚石进行了拉曼表征，选择的标准为：出现拉曼位移1332cm-1处的金刚石特征峰，特征峰半高宽小于5cm-1；步骤二、预处理用体积比为1:1:1的硝酸、高氯酸和硫酸混合溶液清洗金刚石三遍，去除表面污染物后晾干，其中硝酸质量百分比浓度为50～60％，高氯酸质量百分比浓度为65～70％，硫酸质量百分比浓度为65～75％；步骤三、制备刻蚀掩膜用光刻胶HSQFox12涂敷在金刚石表面，再用电子束曝光出电极图形，显影液CD26显影，在金刚石表面形成刻蚀掩膜；步骤四、刻蚀金刚石制备三维电极结构用反应离子刻蚀系统对金刚石表面进行氧离子刻蚀，刻蚀参数为：氧气流量20～40sccm，施加80～120W偏压功率，舱体压强8～12mtorr,刻蚀时间30～200min，最终得到三维金刚石凹槽结构与涂有掩膜胶的金刚石光感区；步骤五、沉积金属薄膜采用磁控溅射设备依次向步骤四得到的三维金刚石凹槽结构沉积25～35nm钛金属膜和45～55nm金膜，得到镀有金属薄膜的三维电极结构；步骤六、后处理使用丙酮溶液去除经步骤五处理后的金刚石基底表面的掩膜光刻胶，随后将其置于真空退火炉中，在350～450℃条件下退火0.5～2h，自然冷却，温度降至25～30℃时，取出，得到三维结构金刚石紫外探测器。本专利技术包括以下有益效果：光强500μW的氘光源照射下，饱和电场强度1V/μm下(考虑到金刚石的固有材料属性，业界选用1V/μm的电场强度，作为考察金刚石紫外探测性能的参考场强)，三维电极结构具有约4倍于平面电极结构的电流响应度，光电流与暗电流之比约为530，而平面电极结构在1V/μm的电场强度下，光电流与暗电流之比约为133。显示出，杂质与缺陷含量同等水平下的金刚石探测基底，相同测试条件下，三维电极结构较平面电极结构有更优的信噪比与更高的探测效率。附图说明图1为实验所用金刚石基底的拉曼光谱；图2为实验所用金刚石基底的透过率曲线；图3为实验所用金刚石基底的紫外吸收谱；图4为金刚石平面电极的电场分布模拟图；图5为三维结构金刚石电极的电场分布模拟图；图6为金刚石平面电极和三维结构金刚石紫外探测器的立体示意图；图6中的a为传统的平面叉指电极金刚石紫外探测器结构。直接在金刚石抛光平坦的表面镀制一对相互交叉的叉指金属电极，金属电极厚度一般很薄(约100nm左右)，为了形象说明，图中凸起深色部分为金属叉指电极。图6中的b为本专利技术提出的三维结构金刚石紫外探测器结构。包含光感区和电极区，光感区为蛇形折叠形状金刚石，电极区结构为两组相互交叉的叉指结构凹槽电极组成，每组叉指结构含有n个电极，每组叉指结构中的n个电极通过一个公用焊盘连接，两个公用焊盘作为接线端，通过外接信号线为探测器提供工作偏压，同时引出探测信号。图7为金刚石平面电极结构与三维金刚石电极结构暗电流性能对比图；图8为金刚石平面电极结构与三维金刚石电极结构光电流性能对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维结构金刚石紫外探测器，其特征在于包括一个折叠槽状结构和两个接线端，折叠槽状结构位于两个接线端中间，折叠槽状结构彼此临近的槽壁相互平行构成n个电极，接线端为长方形坑状结构，接线端的深度与电极的高度相同，电极及接线端表面镀有金属膜。

【技术特征摘要】
1.一种三维结构金刚石紫外探测器，其特征在于包括一个折叠槽状结构和两个接线端，折叠槽状结构位于两个接线端中间，折叠槽状结构彼此临近的槽壁相互平行构成n个电极，接线端为长方形坑状结构，接线端的深度与电极的高度相同，电极及接线端表面镀有金属膜。2.如权利要求1所述的一种三维结构金刚石紫外探测器，其特征在于所述n个电极的取值范围：5≤n≤50。3.如权利要求1或2所述的一种三维结构金刚石紫外探测器，其特征在于所述电极的高度或接线端的深度为8～50μm，所述电极宽度为10～30μm，电极间距为10～30μm。4.如权利要求1所述的一种三维结构金刚石紫外探测器的制备方法，其特征在于它按以下步骤进行：步骤一、金刚石紫外探测器基底的选择对人造金刚石进行了拉曼表征，选择的标准为：出现拉曼位移1332cm-1处的金刚石特征峰，特征峰半高宽小于5cm-1；步骤二、预处理用体积比为1:1:1的硝酸、高氯酸和硫酸混合溶液清洗金刚石三遍，去除表面污染物后晾干，其中硝酸质量百分比浓度为50～60％，高氯酸质量百分比浓度为65～70％，硫酸质量百分比浓度为65～75％；步骤三、制备刻蚀掩膜用光刻胶HSQFox12涂敷在金刚石表面，再用电子束曝光出电极图形，显影液CD26显影，在金刚石表面形成刻蚀掩膜；步骤四、刻蚀金刚石制备电极结构用反应粒子刻蚀系统对金刚石表面进行氧离子刻蚀，刻蚀参数为：氧气流量20～40sccm，偏压功率80～120W，舱体...

【专利技术属性】
技术研发人员：代兵，朱嘉琦，刘康，杨磊，韩杰才，舒国阳，赵继文，高鸽，孙明琪，姚凯丽，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23