利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器及其制备方法

1.本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种利用紫外光调控肖特基结的势垒高度，在不增加噪声的前提条件下提升响应度和可探测度的器件。

背景技术：

2.由于缺少可靠稳定的金刚石浅能级n型掺杂技术，金刚石日盲紫外探测器主要基于光电导的探测机制，肖特基接触电极所带来的背靠背肖特基能带结构，可以使得金刚石光导探测器拥有更低的暗电流，然而背靠背肖特基能带结构也势必影响光电流的输出效果。
3.众所周知，半导体结在光注入下会有内建电场减弱的趋势。不同于传统硅锗等窄带隙半导体材料，宽禁带属性使得金刚石可以拥有很高的表面势。经研究发现氧终端可以使得iia型金刚石表面拥有2.22ev的表面势。金刚石高表面势使得其相对于传统窄带隙半导体材料对光更加敏感。

技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有金刚石日盲紫外探测器的响应度和可探测度有待提高的问题，而提供这一种利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器及其制备方法。
5.本发明利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器包括金刚石和叉指结构电极，在金刚石表面形成氧终端，带有氧终端金刚石的表面沉积叉指结构电极，叉指结构电极是由至少2个叉指电极形成叉指结构，且叉指结构电极的沉积厚度为5～10nm。
6.本发明利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法按照以下步骤实现：
7.一、将金刚石基底依次置于丙酮、去离子水、无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的金刚石基底；
8.二、将清洗后的金刚石基底浸入浓硫酸和浓硝酸的混合液中，以150℃～180℃的温度加热处理，得到带有氧终端的金刚石基底；
9.三、清洗：将带有氧终端的金刚石基底依次采用丙酮、去离子水、无水乙醇进行超声清洗，得到清洗后的金刚石；
10.四、光刻制备掩模：使用匀胶机在清洗后的金刚石表面涂覆光刻胶，采用光刻工艺在金刚石表面形成电极掩模，得到光刻后的金刚石；
11.五、磁控镀金：在光刻后的金刚石表面磁控溅射叉指结构电极，叉指结构电极的材质为金，叉指结构电极的沉积厚度为5～10nm，得到带有叉指结构电极的金刚石；
12.六、去胶：将带有叉指结构电极的金刚石置于去胶液中，去胶后经过清洗、吹干，最后叉指结构电极引线，封装后得到利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器。
13.本发明是利用半导体的光生伏特效应产生的光生电动势调控肖特基结的表面电势，实现更高更好的探测性能。即采用厚度较薄的电极结构，此处的厚度为关键性因素，两
个厚度较薄的电极要满足紫外光的透过同时还要满足表面处于连续导电的状态。这种情况下，光电效应将在电极的下方，肖特基结的势垒区中产生光生载流子对，受肖特基结的作用电子和空穴将分别向结区两端移动，结果表现为在肖特基结的两端施加了一个正向的电压，削弱了肖特基自身的内建电场。这种电极结构在无光条件下两个电极接触方式都是势垒高度较高的肖特基接触，由于肖特基结的存在无论外加偏压是哪个方向，均有一个肖特基结处于反偏状态，大大抑制了器件的暗电流。但是当有光注入的时候，由于光生电动势对结区的抑制作用，势垒高度大大降低，降低了半导体中电子迁移到金属一侧时的势垒阻碍，结果变现为提升了器件的光电流输出。所以这种背靠背肖特基电极结构可以保证器件具有较低的暗电流，同时极大提高器件的响应度。此外由于没有改变器件的暗电流，所以器件的可探测度同样获得了较大的提升。
附图说明
14.图1是实施例一中传统结构探测器和光调控结构的探测器结构示意图；
15.图2是实施例中不同厚度的金对紫外光的透过率随波长的变化关系图，沿着箭头方向金的厚度依次为2nm，5nm，10nm，20nm，30nm，100nm；
16.图3是无光调控时肖特基结的能带示意图；
17.图4是光调控作用下的肖特基结构能带示意图；
18.图5实施例一和对比实施例中探测器器件的i-v曲线图，其中
■
代表10nm，
●
代表100nm；
19.图6实施例一和对比实施例中探测器器件的响应度和可探测度的对比图，其中
■
代表10nm，
●
代表100nm。
具体实施方式
20.具体实施方式一：本实施方式利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器包括金刚石和叉指结构电极，在金刚石表面形成氧终端，带有氧终端金刚石的表面沉积叉指结构电极，叉指结构电极是由至少2个叉指电极形成叉指结构，且叉指结构电极的沉积厚度为5～10nm。
21.本实施方式叉指结构电极的沉积厚度下限保证金膜连续导电。沉积厚度上限为了透光产生更多的光生载流子，从而产生更大的光生电动势。
22.本实施方式利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器应用作为金刚石日盲紫外探测器。
23.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的金刚石为cvd金刚石。
24.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是叉指结构电极的材质为金、银、铜、钨或者钌。
25.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是在氧终端金刚石的表面磁控溅射沉积叉指结构电极。
26.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是叉指结构电极的沉积厚度为10nm。
27.具体实施方式六：本实施方式利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法按照以下步骤实现：
28.一、将金刚石基底依次置于丙酮、去离子水、无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的金刚石基底；
29.二、将清洗后的金刚石基底浸入浓硫酸和浓硝酸的混合液中，以150℃～180℃的温度加热处理，得到带有氧终端的金刚石基底；
30.三、清洗：将带有氧终端的金刚石基底依次采用丙酮、去离子水、无水乙醇进行超声清洗，得到清洗后的金刚石；
31.四、光刻制备掩模：使用匀胶机在清洗后的金刚石表面涂覆光刻胶，采用光刻工艺在金刚石表面形成电极掩模，得到光刻后的金刚石；
32.五、磁控镀金：在光刻后的金刚石表面磁控溅射叉指结构电极，叉指结构电极的材质为金，叉指结构电极的沉积厚度为5～10nm，得到带有叉指结构电极的金刚石；
33.六、去胶：将带有叉指结构电极的金刚石置于去胶液中，去胶后经过清洗、吹干，最后叉指结构电极引线，封装后得到利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器。
34.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是步骤二在退火炉中以150℃加热处理2h。
35.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是步骤二混合液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1。
36.本实施方式浓硫酸的质量分数为98％，浓硝酸的质量分数为68％。
37.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是步骤五中所述的磁控溅射叉指结构电极过程为：在磁控溅射设备的真空腔中，以金作为靶材，抽真空至10-4
pa，通入ar气，控制气压为3-5pa启辉，然后溅射沉积叉指结构电极。
38.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至九之一不同的是步骤六中所用引线为金线。
39.实施例一：本实施例利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法按照以下步骤实现：
40.一、取3*3*0.3mm cvd金刚石，使用超声波清洗器将金刚石基底依次置于丙酮、去离子水、无水乙醇中分别超声清洗15min，去除表面污渍，得到清洗后的金刚石基底；
41.二、将清洗后的金刚石基底浸入由9ml浓硫酸和3ml浓硝酸组成的混合液中，在红外退火炉中以150℃的温度加热处理2h，得到带有氧终端的金刚石基底；
42.三、清洗：将带有氧终端的金刚石基底依次采用丙酮、去离子水、无水乙醇分别超声清洗15min，去除样品表面残余酸液，得到清洗后的金刚石；
43.四、光刻制备掩模：采用光刻工艺在金刚石表面形成电极掩模，即将清洗后的金刚石放置在匀胶机吸盘上，吸取20μl的az5214光刻胶，采用2000r/min，20s，8000r/min,60s的顺序进行匀胶，匀胶后的光刻胶厚度大约为1μm，然后采用95℃，90s的参数将光刻胶烘干，然后将金刚石样品放入光刻机工作台上进行曝光操作，取出后进行显影，然后使用去离子水将表面残余的显影液清洗干净，再使用高纯n2吹干样品，得到光刻后的金刚石；
44.五、磁控镀金：在光刻后的金刚石表面磁控溅射叉指结构电极，叉指结构电极的材质为金，叉指结构电极的沉积厚度为10nm，得到带有叉指结构电极的金刚石；
45.六、去胶：将带有叉指结构电极的金刚石置于去胶液中，去胶后经过清洗、高纯n2吹干，最后使用树脂基银胶和直径25μm的金线进行引线操作，在75℃的加热台上将银胶烘干，封装后得到利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器。
46.对比实施例：本实施例与实施例一不同的是步骤五中叉指结构电极的沉积厚度为100nm。
47.图1所示为对比实施例中传统结构探测器和实施例一中光调控结构的探测器结构示意图。图2为不同厚度的金对紫外光的透过率随波长的变化关系。从图中可以看出100nm的金对紫外光的透过率为零，而10nm的金对紫外光依然有较好的透过率。图3为无光调控时肖特基结的能带图，其半导体一侧势垒高度较高，对电子从金刚石到金一侧移动时的阻碍较大。图4为光调控作用下的肖特基结构能带图，与图3相比，半导体一侧的势垒高度发生明显的降低。通过图4可以明显看出紫外光对肖特基势垒高度的抑制作用。
48.利用半导体参数测试仪，测试器件样品的电压电流特性，其i-v曲线如图5所示，下半部分为暗电流，从图中可以看出传统厚电极的探测器和光调控探测器两者的暗电流几乎相同，上半部分为光电流，从图中可以看出光调控器件的光电流比传统结构探测器的光电流发生了显著的提升。在100v电压，0.13μw光功率下，在220nm处的光电流，无光调控时光电流为1.78*10-7
a，有光调控时光电流为3.96*10-7
a。图6为两种结构器件的响应度和可探测度的对比图，从图中可以看出响应度的峰值波段为220nm，在100v偏压下，220nm处，无光时响应度为32.8ma/w，可探测度为5.53*10
11
jones，有光调控时响应度为74.8ma/w，可探测度为1.26*10
12
jones。光调控器件和传统器件相比前者的响应度和可探测度均提高了128％。

技术特征：

1.利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器，其特征在于该探测器包括金刚石和叉指结构电极，在金刚石表面形成氧终端，带有氧终端金刚石的表面沉积叉指结构电极，叉指结构电极是由至少2个叉指电极形成叉指结构，且叉指结构电极的沉积厚度为5～10nm。2.根据权利要求1所述的利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器，其特征在于所述的金刚石为cvd金刚石。3.根据权利要求1所述的利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器，其特征在于叉指结构电极的材质为金、银、铜、钨或者钌。4.根据权利要求1所述的利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器，其特征在于在氧终端金刚石的表面磁控溅射沉积叉指结构电极。5.根据权利要求1所述的利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器，其特征在于叉指结构电极的沉积厚度为10nm。6.利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法，其特征在于利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法按照以下步骤实现：一、将金刚石基底依次置于丙酮、去离子水、无水乙醇中进行超声清洗，得到清洗后的金刚石基底；二、将清洗后的金刚石基底浸入浓硫酸和浓硝酸的混合液中，以150℃～180℃的温度加热处理，得到带有氧终端的金刚石基底；三、清洗：将带有氧终端的金刚石基底依次采用丙酮、去离子水、无水乙醇进行超声清洗，得到清洗后的金刚石；四、光刻制备掩模：使用匀胶机在清洗后的金刚石表面涂覆光刻胶，采用光刻工艺在金刚石表面形成电极掩模，得到光刻后的金刚石；五、磁控镀金：在光刻后的金刚石表面磁控溅射叉指结构电极，叉指结构电极的材质为金，叉指结构电极的沉积厚度为5～10nm，得到带有叉指结构电极的金刚石；六、去胶：将带有叉指结构电极的金刚石置于去胶液中，去胶后经过清洗、吹干，最后叉指结构电极引线，封装后得到利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器。7.根据权利要求6所述的利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法，其特征在于步骤二在退火炉中以150℃加热处理2h。8.根据权利要求6所述的利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法，其特征在于步骤二混合液中浓硫酸和浓硝酸的体积比为3：1。9.根据权利要求6所述的利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法，其特征在于步骤五中所述的磁控溅射叉指结构电极过程为：在磁控溅射设备的真空腔中，以金作为靶材，抽真空至10-4
pa，通入ar气，控制气压为3-5pa启辉，然后溅射沉积叉指结构电极。10.根据权利要求6所述的利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器的制备方法，其特征在于步骤六中所用引线为金线。

技术总结

利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器及其制备方法，本发明为了解决现有金刚石日盲紫外探测器的响应度和可探测度有待提高的问题。本发明利用紫外光原位调控肖特基势垒高度的探测器包括金刚石和叉指结构电极，在金刚石表面形成氧终端，带有氧终端金刚石的表面沉积叉指结构电极，叉指结构电极是由至少2个叉指电极形成叉指结构，且叉指结构电极的沉积厚度为5～10nm。采用光刻工艺在金刚石表面溅射沉积叉指结构电极。本发明采用厚度较薄的电极结构，利用半导体的光生伏特效应产生的光生电动势调控肖特基结的表面电势，实现更高更好的探测性能。本发明探测器相比传统器件的响应度和可探测度均提高了128％。度和可探测度均提高了128％。度和可探测度均提高了128％。