專利名稱：ZnO/納米晶金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于aio/納米晶金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器的制造方法，屬于無機非金屬材料器件制造工藝領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金剛石薄膜是近年來得到廣泛重視和迅速發(fā)展的新型電子材料之一，由于其具有良好的透光性、耐磨性和耐化學(xué)腐蝕性，使得金剛石薄膜成為最理想的光學(xué)窗口材料、掩膜材料和光學(xué)部件涂層材料之一。金剛石具有最高的熱導(dǎo)率QO W/ (cm ·Κ))，約為Cu的5倍，是理想的熱交換材料，禁帶寬度大，介電常數(shù)低，擊穿電壓高，常溫下具有很高的電阻率，結(jié)合(以及)高的抗輻射能力及良好的化學(xué)及熱穩(wěn)定性，因此常用于高溫、高輻射通量等惡劣的環(huán)境中。 ZnO是一種很重要的II-VI族半導(dǎo)體材料，具有許多卓越的性能。SiO在聲表面波濾波器 (SAW)、氣敏傳感器、透明導(dǎo)電層、發(fā)光二極管，尤其在紫外光探測上有著廣泛的應(yīng)用。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)。紫外探測器大都工作在極其惡劣的環(huán)境下，像火焰燃燒監(jiān)視器、導(dǎo)彈羽煙探測器等，在工業(yè)上像航空、汽車、石油等工業(yè)都要求能夠耐受高溫和惡劣環(huán)境的光探測器。到目前為止，關(guān)于紫外光電探測器的報道多基于多晶金剛石薄膜和氧化鋅薄膜， 而納米晶薄膜的晶粒可以小到幾個納米，表面光滑平整，摩擦系數(shù)小，易于干法刻蝕，其缺陷、晶界尺度以及表面粗糙度遠低于常規(guī)微米金剛石薄膜，同時它的硬度比常規(guī)金剛石薄膜低的多，有利于薄膜進行后續(xù)拋光，進而降低制備成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的內(nèi)容是在氫終端納米晶金剛石薄膜上，生長摻鋁ZnO薄膜，制備紫外光電探測器。本發(fā)明的主要目的在于采用高電導(dǎo)率的氫終端納米晶金剛石薄膜作為ρ型層，并在此層上制備高質(zhì)量η型ZnO薄膜，從而獲得SiO/納米晶金剛石異質(zhì)結(jié)。為達到上述目的，本發(fā)明SiO/納米晶金剛石異質(zhì)結(jié)光電探測器的制備采用如下技術(shù)方案及步驟。本發(fā)明一種aiO/納米晶金剛石異質(zhì)結(jié)光電探測器的制備方法，其特征在于具有以下的過程和步驟
一、硅襯底上氫終端納米晶金剛石薄膜的制備
(1)納米晶金剛石薄膜制備過程采用(100)鏡面拋光硅片作為沉積襯底；采用氫氟酸 (HF)超聲清洗5-15分鐘，以去除表面的氧化硅層。為了增加金剛石薄膜的成核密度，使用 IOOnm粒徑的金剛石粉末對硅襯底機械研磨10-15分鐘；將研磨后的硅片放在混有IOOnm 金剛石粉的丙酮溶液中超聲清洗10-20分鐘；最后再將硅片用去離子水和丙酮分別超聲清洗，直至硅片表面潔凈，烘干后放入熱絲輔助化學(xué)化學(xué)氣相沉積(HFCVD)裝置的反應(yīng)室內(nèi)； 用真空泵對HFCVD反應(yīng)室抽真空至5-7Pa，通入丙酮、氫氣的混合反應(yīng)氣體，調(diào)節(jié)丙酮、氫氣的流量分別為40-50標(biāo)準(zhǔn)毫升/分、160-180標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；反應(yīng)室的氣壓設(shè)定為 0. 8-1. 5kPa，襯底溫度控制在650-750° C，熱絲電壓設(shè)定10-14V，在熱絲與襯底間加載負偏壓，偏壓電流2-3A，薄膜生長時間3-4小時；在硅襯底上制得納米金剛石薄膜；
(2)氫處理將上述制備的納米晶金剛石薄膜放入微波等離子體化學(xué)氣相沉積 (MPCVD)裝置的反應(yīng)室內(nèi)，用真空泵對MPCVD反應(yīng)室抽真空至5_7Pa，然后用分子泵對反應(yīng)室抽真空至10-2 以下，通入氫氣，調(diào)節(jié)氫氣的流量為100-160標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；反應(yīng)室的氣壓設(shè)定為2-3kPa，襯底溫度控制在350-450° C，微波功率設(shè)定為1800-2400W，表面處理時間0. 5-1小時；最終在硅襯底上制得氫終端納米金剛石薄膜；
二、摻鋁ZnO薄膜的制備
采用射頻反應(yīng)磁控濺射法在P型納米晶金剛石薄膜上制備摻鋁ZnO薄膜；靶材為摻鋁的高純ZnO陶瓷靶；沉積過程中，工作氣體是Ar氣；Ar流量為7_10標(biāo)準(zhǔn)毫升/分，工作氣壓 0. 2-0. 7Pa ；濺射功率 100-250W ；
三、電極制備
采用Ti/Au雙層電極結(jié)構(gòu)；分別在ρ型納米晶金剛石薄膜和η型摻鋁氧化鋅薄膜上沉積Ti/Au雙層電極；采用高純度金屬Ti (99. 99%)靶，使用直流磁控濺射方法濺射金屬Ti， 系統(tǒng)的本底真空2X 10_4-5X 10-4 ；通入Ar氣，調(diào)節(jié)流量為10-15標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；氣壓在 0. 3-0. 8Pa ；濺射功率為100-200W ；濺射時間為12-15分鐘；Au采用離子濺射方法，采用Au 靶，在Ti層上制備金屬膜Au ；濺射過程中，工作氣壓為0. 75-0. 85Pa,離子流1. 8_2mA，濺射時間為12-15分鐘。采用快速退火工藝，進行電極退火。退火溫度為350-450°C，時間為 10-20分鐘；最終制的aiO/納米金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器元件。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下顯著優(yōu)點
(1)本發(fā)明使用納米晶金剛石/氧化鋅異質(zhì)結(jié)，比現(xiàn)有的使用自支撐金剛石的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)化的器件尺寸，制備工藝簡單，成本低，且具有良好的光電響應(yīng)特性。(2)采用Ti/Au電極，通過退火工藝，可以達到更好的歐姆接觸，并具有較好的熱穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明aiO/納米晶金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例子敘述于后。實施例
本實施例中的制備過程和步驟如下所述 一、氫終端納米晶金剛石薄膜襯底的制備
(1)納米晶金剛石薄膜制備過程采用(100)鏡面拋光硅片作為沉積襯底。采用HF酸超聲清洗10分鐘，以去除表面的氧化硅層。為了增加金剛石薄膜的成核密度，使用IOOnm 粒徑的金剛石粉末對硅襯底機械研磨10分鐘。將研磨后的硅片在混有IOOnm金剛石粉的丙酮溶液中超聲清洗15分鐘。最后再將硅片用去離子水和丙酮分別超聲清洗，直至硅片表面潔凈，烘干后放入熱絲化學(xué)化學(xué)氣相沉積(HFCVD)裝置的反應(yīng)室內(nèi)。用真空泵對HFCVD反應(yīng)室抽真空至5Pa，通入丙酮、氫氣的混合反應(yīng)氣體，調(diào)節(jié)丙酮、氫氣的流量分別為50標(biāo)準(zhǔn)毫升/分、160標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；反應(yīng)室的氣壓設(shè)定為1. 5kPa, 襯底溫度控制在660° C，熱絲電壓設(shè)定13V，在熱絲與沉底間加載負偏壓，偏壓電流3A，薄膜生長時間3. 5小時；在硅襯底上制得納米金剛石薄膜。(2)氫處理將制備的納米晶金剛石薄膜放入微波等離子體化學(xué)氣相沉積 (MPCVD)裝置的反應(yīng)室內(nèi)，用真空泵對MPCVD反應(yīng)室抽真空至5Pa，然后用分子泵對反應(yīng)室抽真空至5X10_3Pa，通入氫氣的，調(diào)節(jié)氫氣的流量分為100標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；反應(yīng)室的氣壓設(shè)定為3kPa，襯底溫度控制在400° C，微波功率設(shè)定為2000W，表面處理時間0. 5小時；最終在硅襯底上制得氫終端納米金剛石薄膜。二、摻鋁ZnO薄膜的制備
采用射頻反應(yīng)磁控濺射法在P型納米金剛石薄膜上制備ZnO薄膜，靶材為摻鋁的高純 ZnO陶瓷靶。沉積過程中，工作氣體是Ar氣。Ar流量為7. 8標(biāo)準(zhǔn)毫升/分，工作氣壓0. 3Pa。 濺射功率150W。三、電極制備
采用Ti /Au雙層電極結(jié)構(gòu)。采用高純度金屬Ti (99. 99%)靶，使用直流磁控濺射方法濺射金屬Ti，系統(tǒng)的本底真空5X 10_4Pa ；通入Ar氣，調(diào)節(jié)流量為10標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；氣壓在0. 5Pa ；濺射功率為100W ；濺射時間為15分鐘。Au采用離子濺射方法，采用Au靶，在Ti 層上制備金屬Au。濺射過程中，工作氣壓為0.8Pa，離子流2mA，濺射時間為15分鐘。采用快速退火工藝，進行電極退火。退火溫度為400°C，時間為15分鐘。最終制得SiO/納米金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器元件。對aiO/納米晶金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器進行性能測試，結(jié)果顯示金剛石薄膜顆粒大小在納米尺度，ZnO薄膜具有高度c軸取向。器件對350nm的紫外光具有明顯的光電響應(yīng)，開啟電壓約為1. 5V，相對于一般的SiO/金剛石探測器，具有更好的pn結(jié)特性和光電響應(yīng)特性。
權(quán)利要求
1. 一種aiO/納米晶金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器的制備方法，其特征在于具有以下制備過程和步驟一、硅襯底上氫終端納米晶金剛石薄膜的制備(ι)納米晶金剛石薄膜制備過程采用(100)鏡面拋光硅片作為沉積襯底；采用氫氟酸 (HF)超聲清洗5-15分鐘，以去除表面的氧化硅層；為了增加金剛石薄膜的成核密度，使用 IOOnm粒徑的金剛石粉末對硅襯底機械研磨10-15分鐘；將研磨后的硅片放在混有IOOnm 金剛石粉的丙酮溶液中超聲清洗10-20分鐘；最后再將硅片用去離子水和丙酮分別超聲清洗，直至硅片表面潔凈，烘干后放入熱絲輔助化學(xué)化學(xué)氣相沉積(HFCVD)裝置的反應(yīng)室內(nèi)；用真空泵對HFCVD反應(yīng)室抽真空至5-7Pa，通入丙酮、氫氣的混合反應(yīng)氣體，調(diào)節(jié)丙酮、氫氣的流量分別為40-50標(biāo)準(zhǔn)毫升/分、160-180標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；反應(yīng)室的氣壓設(shè)定為 0. 8-1. 5kPa，襯底溫度控制在650-750°C，熱絲電壓設(shè)定10-14V，在熱絲與襯底間加載負偏壓，偏壓電流2-3A，薄膜生長時間3-4小時；在硅襯底上制得納米金剛石薄膜；(2)氫處理將上述制備的納米晶金剛石薄膜放入微波等離子體化學(xué)氣相沉積 (MPCVD)裝置的反應(yīng)室內(nèi)，用真空泵對MPCVD反應(yīng)室抽真空至5_7Pa，然后用分子泵對反應(yīng)室抽真空至10-2 以下，通入氫氣，調(diào)節(jié)氫氣的流量為100-160標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；反應(yīng)室的氣壓設(shè)定為2-3kPa，襯底溫度控制在350-450°C，微波功率設(shè)定為1800-2400W，表面處理時間 0. 5-1小時；最終在硅襯底上制得氫終端納米金剛石薄膜；二、摻鋁ZnO薄膜的制備采用射頻反應(yīng)磁控濺射法在P型納米晶金剛石薄膜上制備摻鋁ZnO薄膜；靶材為摻鋁的高純ZnO陶瓷靶；沉積過程中，工作氣體是Ar氣；Ar流量為7_10標(biāo)準(zhǔn)毫升/分，工作氣壓 0. 2-0. 7Pa ；濺射功率 100-250W ；三、電極制備采用Ti/Au雙層電極結(jié)構(gòu)；分別在ρ型納米晶金剛石薄膜和η型摻鋁氧化鋅薄膜上沉積Ti/Au雙層電極；采用高純度金屬Ti (99. 99%)靶，使用直流磁控濺射方法濺射金屬Ti， 系統(tǒng)的本底真空2X 10_4-5X KT4Pa ；通入Ar氣，調(diào)節(jié)流量為10-15標(biāo)準(zhǔn)毫升/分；氣壓在0. 3-0. SPa ；濺射功率為100-200W ；濺射時間為12-15分鐘；Au采用離子濺射方法，采用 Au靶，在Ti層上制備金屬膜Au ；濺射過程中，工作氣壓為0. 75-0. 85Pa,離子流1. 8_2mA， 濺射時間為12-15分鐘；采用快速退火工藝，進行電極退火；退火溫度為350-450°C，時間為 10-20分鐘；最終制得aiO/納米金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于ZnO/納米晶金剛石薄膜異質(zhì)結(jié)光電探測器的制備方法，屬于無機非金屬材料器件制造工藝領(lǐng)域。本發(fā)明主要特點在于采用高導(dǎo)電率的氫終端納米金剛石薄膜作為p型層，并在此層上制備高質(zhì)量的n型ZnO薄膜，從而得到ZnO/納米晶金剛石異質(zhì)結(jié)光電探測器件。本發(fā)明所得器件對350nm的紫外光具有明顯的光電響應(yīng)。相對于一般的ZnO/金剛石探測器，具有更好的pn結(jié)光電響應(yīng)特性。
文檔編號H01L31/0224GK102386281SQ20111035960
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者劉晟, 唐可, 夏義本, 莊曉鳳, 曾慶鍇, 潘瀟雨, 王林軍, 黃健 申請人:上海大學(xué)