本发明专利技术涉及一种基于Ｐ型纳米金刚石薄膜／［１００］定向金刚石薄膜场效应光电探测器的制备方法，属场效应光电探测器制造工艺技术领域。本发明专利技术的特点是：采用了肖特基场效应结构，并利用Ｐ型纳米金刚石薄膜作为表面Ｐ型沟道层；纳米金刚石薄膜的Ｐ型不是通过掺杂其他元素获得，而是采用氢等离子刻蚀的方法获得Ｈ终端Ｐ型纳米金刚石层。本发明专利技术的另一个特点是采用了除去传统的硅衬底的工艺，使有利于探测器在高温、高频、大功率领域及恶劣环境中的应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于p型纳米金刚石薄膜/定向金刚石薄膜场效应光电探测器的制 备方法，属场效应光电探测器制造工艺
技术介绍
21世纪，光电子技术将在高度信息化社会起到越来越重要的作用，光子集成和光电子集 成技术对器件的功率、频率、工作温度等提出了更高的要求。传统的Si和GaAs半导体材料 出于自身结构和特性的原因，在高温、高频、大功率以及抗辐射等方面越来越显出其不足和 局限性。硅的禁带宽度较小，因此由硅材料制造的器件不能工作在高于150。C的环境中，无 法满足新一代光电探测领域高通量高辐照强度高温等苛刻环境的要求。GaAs器件虽然可以获 得优异的高频特性，但由于材料的击穿场强和热导率低，无法实现大功率工作。在科学技术 飞速发展的今天，越来越多的领域如航天、航空、军事、石油勘探、核能、通讯等迫切地需 要能够承受高温同时又在高频大功率、抗辐照等方面具有良好性能的探测器材料。目前在这方面的研究主要集中于SiC、 GaN和金刚石等宽禁带半导体材料。由于材料本身 的限制，基于SiC或GaN材料的器件无法很好地解决散热问题。从这些材料的综合性能来看， 金刚石是一种集多种优良性能于一体的探测器材料其晶格结合牢固，具有强抗辐射能力， 即使在大剂量高能粒子的辐照下，其晶格失配也很小，具有相当低的辐照损伤；禁带宽度大， 常温下具有极高的电阻率，本征载流子浓度非常低，因此其漏电流相当低，热噪声小，器件 可在高温度环境下稳定工作，且不需形成p-n结和加反向偏压来抑制漏电流，探测器结构简单； 介电系数小，信噪比高，且在强辐照下噪声电流也不会增加；载流子迁移率高，其电荷收集 时间比硅探测器快4倍。所有这些优良特性(低的辐照损伤、快的电荷收集时间、高的信噪比) 以及最高的硬度、极好的机械性能、化学稳定性、频率稳定性以及良好的温度稳定性等优异 性能，使金刚石成为一种理想的能有效工作于高温下、能高速响应、抗辐照能力强的探测器 材料。近年来随着化学气相沉积(CVD)合成金刚石薄膜方法的不断完善和p型掺杂技术地突 破，使人们大规模利用金刚石的愿望得以实现，大大促进了金刚石薄膜探测器的研究和发展。 基于金刚石薄膜的超高速、大功率和抗辐射探测器在光电子技术中具有极其重要的应用前景。金刚石薄膜探测器的性能很大程度上取决于金刚石薄膜的质量，国际上正在开发的金刚 石薄膜探测器多采用基于硅衬底的多晶金刚石薄膜，然而由于表面粗糙度和晶界的存在，器 件性能(时间响应速度、灵敏度等)受到严重限制。由于金刚石硬度很大，通过机械、化学 抛光等手段处理非常困难，成本相对太高，限制了金刚石薄膜探测器的研究和大规模地应用。国际上在对金刚石薄膜的研究中发现，与其它取向金刚石薄膜相比，定向金刚石薄膜具 有最好的表面光洁度，通过控制生长工艺就可以实现光滑、甚至纳米级的表面粗糙度。 定向金刚石薄膜具有最佳的性能，有助于克服任意取向的多晶金刚石薄膜晶界杂乱、缺陷多、 表面粗糙、均匀性不好等缺点。同时，纳米金刚石薄膜表面光滑平整，摩擦系数小，其缺陷、 晶界尺度以及表面粗糙度远低于常规金刚石薄膜，不需要后续的抛光技术就可以大幅度提高 金刚石薄膜的光洁度，有利于降低制备成本。另外，场效应光敏晶体管可实现极高速光探测，响应时间可达几十ps,可望在光电集成 中得到广泛应用。采用场效应晶体管结构制备探测器可望有效地提高探测器的性能。由于金 刚石n型掺杂技术还未突破，目前报道的所有金刚石基场效应晶体管均为p型硼(B)掺杂沟 道器件或p型非掺杂氢(H)终端表面沟道器件。由于硼受主激活能较大，甚至在高温下也不 能完全激活，导致B掺杂沟道场效应晶体管具有较小的漏极电流和跨导，且在高温、大电压 下工作时又导致大的反向泄漏电流，不利于器件工作。但是，在没有掺杂情况下，CVD金刚 石表面通过氢等离子体处理可以获得氢(H)终端p型表面导电沟道，目前已成功地制成了H 终端表面沟道场效应晶体管，这种H终端表面沟道器件的制作工艺非常简单，不需要掺杂、 氧化和钝化层沉积过程，制作成本明显低于p型B掺杂金刚石基场效应晶体管。针对目前尚未突破单晶金刚石薄膜制备技术以及P型掺杂技术的研究进展情况，我们提出 了基于纳米金刚石/定向金刚石薄膜制备场效应光电探测器，有望进一步提高金刚石薄膜 探测器的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于P型纳米金刚石薄膜/定向金刚石薄膜场效应光电探测器的制备方法。本专利技术的要点是采用了肖特基场效应结构，并利用p型纳米金刚石薄膜作为表面p型沟道层。纳米金刚石薄膜的p型不是通过掺杂获得，而是采用氢等离子刻蚀的方法获得H终端p型纳米金刚石层。本专利技术的一种，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤A.硅衬底预处理采用(100)镜面抛光硅片作为沉积衬底。采用HF酸超声清洗5 15分钟，以去除表面的氧化硅层。为了增加金刚石薄膜的成核密度，使用100nm粒径的金刚 石粉末对硅衬底机械研磨10 15分钟；将研磨后的硅片放在混有100nm金刚石粉的丙酮溶 液中超声清洗10 20分钟；最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净；烘干后放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)装置的反应室内进行下一步处理；B. 金刚石薄膜成核过程先用真空泵对反应室抽真空至5 7Pa，然后用分子泵对反应 室抽真空至l(^Pa以下，通入反应气体(甲烷与氢气的混合气体)，调节甲烷和氢气的流量分 别为40 60标准毫升/分和120 160标准毫升/分；反应室的气压设定为0.5 1.0 kPa;衬底 偏压设定为50 150V;衬底温度控制在620 680。C;微波功率设定为1200W 1600W;薄 膜成核时间0.5 1小时；C. 金刚石薄膜生长过程上述的成核过程完成后，调节甲垸和氢气的流量分别为40 60标准毫升/分和150 200标准毫升/分；反应室的气压设定为4 5 kPa;衬底温度控制在 700 750°C;微波功率设定为1600W 2000W;薄膜生长时间60 100小时，膜厚达到80 100,;D. 纳米金刚石薄膜制备过程先用真空泵对所述反应室抽真空至5 7Pa，然后用分子 泵对反应室抽真空至10—2Pa以下，通入反应气体即甲烷与氢气的混合气体，调节甲烷和氢气 的流量分别为40 60标准毫升/分和120 160标准毫升/分；反应室的气压设定为0.5 1.0 kPa;衬底偏压设定为50 150V;衬底温度控制在620 680。C;微波功率设定为1200 1600W; 薄膜生长时间为3 5小时，膜厚达到8 10pm;E. 硅衬底的去除过程将生长好的金刚石薄膜放入HN03+HF (HN03: HF=1: 3，摩尔 比)的混合溶液中浸泡6-8h，使硅衬底被完全腐蚀掉；F. 纳米金刚石薄膜/定向金刚石薄膜p型化处理过程将上述所得的纳米/定向 金刚石薄膜放入MPCVD反应室。用真空泵对反应室抽真空至5 7Pa，然后用分子泵对反应 室抽真空至10—2Pa以下，通入氢气，调节氢气的流量120 160标准毫升/分；反应室的气压 设定为2 3 kPa;微波功率设定为1200 1600W;处理时间1 3小时，使金刚石薄膜载流 子浓度达到1013 1014cm—3;G. 漏源欧姆接触层和栅肖特基接触层的制本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种金刚石薄膜场效应光电探测器的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤： Ａ．硅衬底预处理：采用（１００）镜面抛光硅片作为沉积衬底，采用ＨＦ酸超声清洗５～１５分钟，以去除表面的氧化硅层，为了增加金刚石薄膜的成核密度，使用１００ｎｍ 粒径的金刚石粉末对硅衬底机械研磨１０～１５分钟；将研磨后的硅片放在混有１００ｎｍ金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗１０～２０分钟；最后再将硅片用去离子水和丙酮分别超声清洗，直至硅片表面洁净；烘干后放入微波等离子体化学气相沉积（ＭＰＣＶＤ）装置的反应室内进行下一步处理； Ｂ．金刚石薄膜成核过程：先用真空泵对反应室抽真空至５～７Ｐａ，然后用分子泵对反应室抽真空至１０↑［－２］Ｐａ以下，通入反应气体（甲烷与氢气的混合气体），调节甲烷和氢气的流量分别为４０～６０标准毫升／分和１２０～１ ６０标准毫升／分；反应室的气压设定为０．５～１．０ｋＰａ；衬底偏压设定为５０～１５０Ｖ；衬底温度控制在６２０～６８０℃；微波功率设定为１２００Ｗ～１６００Ｗ；薄膜成核时间０．５～１小时； Ｃ．金刚石薄膜生长过程：上述的成核过程完成后，调 节甲烷和氢气的流量分别为４０～６０标准毫升／分和１５０～２００标准毫升／分；反应室的气压设定为４～５ｋＰａ；衬底温度控制在７００～７５０℃；微波功率设定为１６００Ｗ～２０００Ｗ；薄膜生长时间６０～１００小时，膜厚达到８０～１００μｍ； Ｄ．纳米金刚石薄膜制备过程：先用真空泵对所述反应室抽真空至５～７Ｐａ，然后用分子泵对反应室抽真空至１０↑［－２］Ｐａ以下，通入反应气体即甲烷与氢气的混合气体，调节甲烷和氢气的流量分别为４０～６０标准毫升／分和１２０～１６０标准毫升／分；反应室的气压设定为０．５～１．０ｋＰａ；衬底偏压设定为５０～１５０Ｖ；衬底温度控制在６２０～６８０℃；微波功率设定为１２００～１６００Ｗ；薄膜生长时间为３～５小时，膜厚达到８～１０μｍ； Ｅ．硅衬底的去除过程：将生长好的金刚石薄膜放入ＨＮＯ ↓［３］＋ＨＦ（ＨＮＯ↓［３］∶ＨＦ＝１∶３，摩尔比）的混合溶液中浸泡６－８ｈ，使硅衬底被完全腐蚀掉； Ｆ．纳米金刚石薄膜／［１００］定向金刚石薄膜ｐ型化处理过程：将上述所得的纳米／［１００］定向金刚石薄膜放入ＭＰＣＶＤ反应室。用真空泵 对反应室抽真空至５～７Ｐａ，然后用分子泵对反应室抽真空至１０↑［－２］Ｐａ以下，通入氢气，调节氢气的流量１２０～１６０标准毫升...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王林军，方谦，黄健，肖琦，王俊，张弋，夏义本，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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