本發(fā)明涉及高能射線及粒子探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

金剛石屬于典型的寬禁帶材料，具有載流子遷移率高，輻射強(qiáng)度高，電阻率高，以及高的擊穿電壓等特點(diǎn)，是新一代探測(cè)器的理想材料之一。另外，金剛石的吸收邊位于日盲區(qū)，不分晝夜，在地表光線，溫度條件下的暗電流極低，特別適合作為日盲探測(cè)材料。近年來(lái)，紫外通信作為一種重要的軍事通信技術(shù)，要求紫外探測(cè)器對(duì)日盲紫外有較高的探測(cè)效率，探測(cè)響應(yīng)度越高，信噪比越好，通信質(zhì)量越高。

隨著人造金剛石技術(shù)的不斷進(jìn)步，金剛石質(zhì)量也在不斷提升。依賴于金剛石品質(zhì)的探測(cè)性能也在不斷提升。為了進(jìn)一步提高金剛石探測(cè)器的探測(cè)效率，除了改善金剛石晶體品質(zhì)外，人們還在努力優(yōu)化金剛石探測(cè)器的器件結(jié)構(gòu)。目前，平面電極是金剛石紫外探測(cè)器通常采用的電極結(jié)構(gòu)，但是，這種結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有充分考慮紫外線的穿透深度以及在金剛石體內(nèi)的電場(chǎng)分布的問(wèn)題，不能最大限度地收集紫外線穿透范圍以內(nèi)的光生載流子。為解決上述問(wèn)題，有人借助激光技術(shù)，將金剛石石墨化，制備出一種具有石墨柱電極結(jié)構(gòu)的三維全碳探測(cè)器，然而，由于借助激光在實(shí)現(xiàn)金剛石相變的過(guò)程中，激光的熱量不可避免的會(huì)在金剛石相與石墨相交界面處產(chǎn)生缺陷，類似于多晶金剛石晶粒之間的晶界，大大阻礙載流子的輸運(yùn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)：

金剛石紫外探測(cè)器基底的選擇依據(jù)

金剛石的探測(cè)性能取決于結(jié)晶質(zhì)量與雜質(zhì)含量，結(jié)晶質(zhì)量越高，缺陷及雜質(zhì)含量越少，探測(cè)性能就越好，借助拉曼光譜表征金剛石的品質(zhì)，從而選出適合探測(cè)器的金剛石基底。

紫外穿透深度的測(cè)定

金剛石在紫外線照射下，有一個(gè)穿透深度的問(wèn)題。穿透深度，即紫外線光強(qiáng)衰減為入射光強(qiáng)的1/e時(shí)的穿透距離。不同波長(zhǎng)的光在金剛石體內(nèi)有不同的穿透深度，測(cè)定出不同波長(zhǎng)在金剛石體內(nèi)的穿透深度，為探測(cè)器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

電場(chǎng)分布模擬

不同的電極結(jié)構(gòu)，在金剛石體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不同的電場(chǎng)分布。為了設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的金剛石紫外探測(cè)器，對(duì)不同金剛石探測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電場(chǎng)分布模擬計(jì)算，進(jìn)一步為探測(cè)器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

結(jié)合測(cè)定的紫外穿透深度和電場(chǎng)分布模擬結(jié)果，確定三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器在垂直于金剛石表面方向的電極深度尺寸。

透過(guò)率譜顯示實(shí)驗(yàn)所用金剛石基底在波長(zhǎng)大于250nm的波段具有較高的透過(guò)率，波長(zhǎng)小于223nm的波段完全被吸收，見圖2和圖3，吸收譜顯示樣品吸收邊位于日盲區(qū)，可以用作理想的日盲探測(cè)材料，通過(guò)計(jì)算，在日盲區(qū)吸收波段，紫外穿透深度范圍從十幾微米到數(shù)百微米之間。

利用有限元方法對(duì)金剛石內(nèi)部進(jìn)行了電場(chǎng)分布模擬，模型參數(shù)采用了金剛石電導(dǎo)率及介電常數(shù)，電極寬度為20μm，電極間距為10μm，電極個(gè)數(shù)為5，電場(chǎng)強(qiáng)度為1V/μm。結(jié)果顯示，如果采用平面電極結(jié)構(gòu)，在距金剛石電極平面10μm以下，電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)相當(dāng)弱，20μm以下，場(chǎng)強(qiáng)幾乎為0。但是，如果采用三維電極結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)紫外穿透深度范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，見圖4和圖5。

綜合上述結(jié)果，并結(jié)合目前的實(shí)際加工水平，確定三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器在垂直于金剛石表面方向的電極深度尺寸為8～50μm，其他幾何參數(shù)參照現(xiàn)有平面電極結(jié)構(gòu)尺寸確定：電極寬度為10～30μm，電極間距為10～30μm。

本發(fā)明為解決現(xiàn)有金剛石平面電極結(jié)構(gòu)紫外探測(cè)器存在紫外穿透深度范圍以內(nèi)金剛石縱向電場(chǎng)太弱不足以將光生載流子導(dǎo)出的問(wèn)題，以及采用石墨柱電極結(jié)構(gòu)存在晶界阻礙載流子的輸運(yùn)問(wèn)題，從而提出一種三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器及其制備方法。

一種三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器，包括一個(gè)折疊槽狀結(jié)構(gòu)和兩個(gè)接線端，折疊槽狀結(jié)構(gòu)位于兩個(gè)接線端中間，折疊槽狀結(jié)構(gòu)彼此臨近的槽壁相互平行構(gòu)成n個(gè)電極，接線端為長(zhǎng)方形坑狀結(jié)構(gòu)，接線端的深度與電極的高度相同，電極及接線端表面鍍有金屬膜。

也就是說(shuō)，本發(fā)明所述的三維電極結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器包含光感區(qū)和電極區(qū)，光感區(qū)為蛇形折疊形狀金剛石，電極區(qū)結(jié)構(gòu)為兩組相互交叉的叉指結(jié)構(gòu)凹槽電極組成，每組叉指結(jié)構(gòu)含有n個(gè)電極，每組叉指結(jié)構(gòu)中的n個(gè)電極通過(guò)一個(gè)公用焊盤連接，兩個(gè)公用焊盤作為接線端，通過(guò)外接信號(hào)線為探測(cè)器提供工作偏壓，同時(shí)引出探測(cè)信號(hào)。

一種三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

步驟一、金剛石紫外探測(cè)器基底的選擇

對(duì)人造金剛石進(jìn)行了拉曼表征，選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：出現(xiàn)拉曼位移1332cm^-1處的金剛石特征峰，特征峰半高寬小于5cm^-1；

步驟二、預(yù)處理

用體積比為1:1:1的硝酸、高氯酸和硫酸混合溶液清洗金剛石三遍，去除表面污染物后晾干，其中硝酸質(zhì)量百分比濃度為50～60％，高氯酸質(zhì)量百分比濃度為65～70％，硫酸質(zhì)量百分比濃度為65～75％；

步驟三、制備刻蝕掩膜

用光刻膠HSQ Fox 12涂敷在金剛石表面，再用電子束曝光出電極圖形，顯影液CD 26顯影，在金剛石表面形成刻蝕掩膜；

步驟四、刻蝕金剛石制備三維電極結(jié)構(gòu)

用反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)對(duì)金剛石表面進(jìn)行氧離子刻蝕，刻蝕參數(shù)為：氧氣流量20～40sccm，施加80～120W偏壓功率，艙體壓強(qiáng)8～12mtorr,刻蝕時(shí)間30～200min，最終得到三維金剛石凹槽結(jié)構(gòu)與涂有掩膜膠的金剛石光感區(qū)；

步驟五、沉積金屬薄膜

采用磁控濺射設(shè)備依次向步驟四得到的三維金剛石凹槽結(jié)構(gòu)沉積25～35nm鈦金屬膜和45～55nm金膜，得到鍍有金屬薄膜的三維電極結(jié)構(gòu)；

步驟六、后處理

使用丙酮溶液去除經(jīng)步驟五處理后的金剛石基底表面的掩膜光刻膠，隨后將其置于真空退火爐中，在350～450℃條件下退火0.5～2h，自然冷卻，溫度降至25～30℃時(shí)，取出，得到三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器。

本發(fā)明包括以下有益效果：

光強(qiáng)500μW的氘光源照射下，飽和電場(chǎng)強(qiáng)度1V/μm下(考慮到金剛石的固有材料屬性，業(yè)界選用1V/μm的電場(chǎng)強(qiáng)度，作為考察金剛石紫外探測(cè)性能的參考場(chǎng)強(qiáng))，三維電極結(jié)構(gòu)具有約4倍于平面電極結(jié)構(gòu)的電流響應(yīng)度，光電流與暗電流之比約為530，而平面電極結(jié)構(gòu)在1V/μm的電場(chǎng)強(qiáng)度下，光電流與暗電流之比約為133。顯示出，雜質(zhì)與缺陷含量同等水平下的金剛石探測(cè)基底，相同測(cè)試條件下，三維電極結(jié)構(gòu)較平面電極結(jié)構(gòu)有更優(yōu)的信噪比與更高的探測(cè)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)驗(yàn)所用金剛石基底的拉曼光譜；

圖2為實(shí)驗(yàn)所用金剛石基底的透過(guò)率曲線；

圖3為實(shí)驗(yàn)所用金剛石基底的紫外吸收譜；

圖4為金剛石平面電極的電場(chǎng)分布模擬圖；

圖5為三維結(jié)構(gòu)金剛石電極的電場(chǎng)分布模擬圖；

圖6為金剛石平面電極和三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器的立體示意圖；

圖6中的a為傳統(tǒng)的平面叉指電極金剛石紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)。直接在金剛石拋光平坦的表面鍍制一對(duì)相互交叉的叉指金屬電極，金屬電極厚度一般很薄(約100nm左右)，為了形象說(shuō)明，圖中凸起深色部分為金屬叉指電極。

圖6中的b為本發(fā)明提出的三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)。包含光感區(qū)和電極區(qū)，光感區(qū)為蛇形折疊形狀金剛石，電極區(qū)結(jié)構(gòu)為兩組相互交叉的叉指結(jié)構(gòu)凹槽電極組成，每組叉指結(jié)構(gòu)含有n個(gè)電極，每組叉指結(jié)構(gòu)中的n個(gè)電極通過(guò)一個(gè)公用焊盤連接，兩個(gè)公用焊盤作為接線端，通過(guò)外接信號(hào)線為探測(cè)器提供工作偏壓，同時(shí)引出探測(cè)信號(hào)。

圖7為金剛石平面電極結(jié)構(gòu)與三維金剛石電極結(jié)構(gòu)暗電流性能對(duì)比圖；

圖8為金剛石平面電極結(jié)構(gòu)與三維金剛石電極結(jié)構(gòu)光電流性能對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不局限于此，凡是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

具體實(shí)施方式一、本實(shí)施方式所述的一種三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器，包含光感區(qū)和電極結(jié)構(gòu)，光感區(qū)為蛇形折疊形狀金剛石，電極結(jié)構(gòu)為兩組相互交叉的叉指結(jié)構(gòu)凹槽組成，每組叉指結(jié)構(gòu)含有n個(gè)電極，每個(gè)電極通過(guò)公用焊盤連接。

具體實(shí)施方式二、本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的一種三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器的進(jìn)一步說(shuō)明，所述n個(gè)電極的取值范圍：5≤n≤500。

具體實(shí)施方式三、本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式一所述的一種三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器的進(jìn)一步說(shuō)明，所述電極凹槽深度為8～50μm，電極寬度為10～30μm，電極間距為10～30μm，電極表面依次沉積25～35nm鈦膜和45～55nm金膜。

具體實(shí)施方式四、本實(shí)施方式所述的一種三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器的制備方法，按以下步驟進(jìn)行：

步驟一、金剛石紫外探測(cè)器基底的選擇

對(duì)人造金剛石進(jìn)行了拉曼表征，選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：出現(xiàn)拉曼位移1332cm^-1處的金剛石特征峰，特征峰半高寬小于5cm^-1；

步驟二、預(yù)處理

用體積比為1:1:1的硝酸、高氯酸和硫酸混合溶液清洗金剛石三遍，去除表面污染物后晾干，其中硝酸質(zhì)量百分比濃度為50～60％，高氯酸質(zhì)量百分比濃度為65～70％，硫酸質(zhì)量百分比濃度為65～75％；

步驟三、制備刻蝕掩膜

用光刻膠HSQ Fox 12涂敷在金剛石表面，再用電子束曝光出電極圖形，顯影液CD 26顯影，在金剛石表面形成刻蝕掩膜；

步驟四、刻蝕金剛石制備電極結(jié)構(gòu)

用反應(yīng)粒子刻蝕系統(tǒng)對(duì)金剛石表面進(jìn)行氧離子刻蝕，刻蝕參數(shù)為：氧氣流量20～40sccm，偏壓功率80～120W，艙體壓強(qiáng)8～12mtorr,刻蝕時(shí)間20～200min，最終得到三維金剛石電極結(jié)構(gòu)；

步驟五、沉積金屬薄膜

采用磁控濺射設(shè)備依次向步驟四得到的三維金剛石電極結(jié)構(gòu)沉積25～35nm鈦膜和45～55nm金膜；

步驟六、后處理

使用去除步驟五制備好的三維金剛石電極結(jié)構(gòu)表面的光刻膠后，將其置于真空退火爐中，在350～450℃條件下退火0.4～2h，降到25～30℃時(shí)，取出，得到三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器。

具體實(shí)施方式五、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四不同之處在于：步驟四中氧氣流量25～35sccm，施加90～110W偏壓功率，其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式四相同。

具體實(shí)施方式六、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四不同之處在于：步驟四中氧氣流量30sccm，偏壓功率100W，其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式四相同。

具體實(shí)施方式七、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四不同之處在于：步驟四中艙體壓強(qiáng)9～11mtorr，刻蝕時(shí)間25～100min，其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式四相同。

具體實(shí)施方式八、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四不同之處在于：步驟四中艙體壓強(qiáng)10mtorr,刻蝕時(shí)間30min，其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式四相同。

具體實(shí)施方式九、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四至八之一不同之處在于：步驟六中在380～420℃條件下退火0.5～1.5h，自然冷卻降至26～29℃時(shí)，取出，其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式四至八之一相同。

具體實(shí)施方式十、本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式四至八之一不同之處在于：步驟六中在400℃條件下退火0.5h，自然冷卻降至27℃時(shí)，取出，其它步驟和參數(shù)與具體實(shí)施方式四至八之一相同。

為驗(yàn)證本發(fā)明的效果，作如下實(shí)驗(yàn)：

步驟一、金剛石紫外探測(cè)器基底的選擇

對(duì)人造金剛石樣品進(jìn)行了拉曼表征，選擇的標(biāo)準(zhǔn)為：除了拉曼位移1332cm^-1處的金剛石特征峰，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其它峰位，特征峰半高寬為3.8cm^-1；

步驟二、預(yù)處理

用體積比為1:1:1的硝酸、高氯酸和硫酸混合溶液清洗金剛石三遍，去除表面污染物后晾干，其中硝酸質(zhì)量百分比濃度為56％，高氯酸質(zhì)量百分比濃度為68％，硫酸質(zhì)量百分比濃度為70％；

步驟三、電極幾何尺寸的設(shè)計(jì)

為了便于對(duì)比，將平面電極結(jié)構(gòu)與三維電極結(jié)構(gòu)制備在同一金剛石基底上，在平行于金剛石表面上兩種電極結(jié)構(gòu)具有相同的電極尺寸參數(shù)，電極寬度20μm，電極間距10μm，電極個(gè)數(shù)n為5，三維電極結(jié)構(gòu)在垂直于金剛石表面方向深入金剛石體內(nèi)8μm，見圖6。

步驟四、制備平面電極

金剛石基底表面涂覆PMMA 950K光刻膠，然后用電子束曝光出平面電極圖形，用體積比1:3的二甲基異丙酮與異丙醇的混合液顯影，得到平面電極掩膜，采用磁控濺射依次沉積30nm鈦膜與50nm金膜后，用丙酮溶液去除金剛石基底表面上的光刻膠，得到平面電極。

步驟五、制備三維電極

光刻膠HSQ Fox 12涂敷在金剛石表面，同時(shí)，制備好的平面電極結(jié)構(gòu)也被涂覆保護(hù)，電子束曝光出電極圖形，顯影液CD 26顯影，形成刻蝕掩膜，然后用反應(yīng)粒子刻蝕系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行氧離子刻蝕，刻蝕參數(shù)為：氧氣流量30sccm，偏壓功率100W，艙體壓強(qiáng)10mtorr,刻蝕時(shí)間30min，最終得到刻蝕深度8μm的三維電極結(jié)構(gòu)，采用磁控濺射依次沉積30nm鈦膜與50nm金膜，用丙酮溶液去除金剛石基底表面上的光刻膠，將制備好三維電極的金剛石基底置于真空退火爐中，400℃退火1h，得到三維結(jié)構(gòu)金剛石紫外探測(cè)器。

性能測(cè)試

圖1為本實(shí)驗(yàn)使用的金剛石基底的拉曼光譜，除了拉曼位移1332cm^-1處的金剛石特征峰，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其它峰位，特征峰半高寬為3.8cm^-1，表明該樣品具有較好的結(jié)晶品質(zhì)與純度，見圖1，利用光電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)紫外探測(cè)性能進(jìn)行測(cè)試，無(wú)光源自然光條件下，兩種結(jié)構(gòu)暗電流特性相當(dāng)，處于皮安級(jí)別，這得益于金剛石探測(cè)器的日盲特性與間接寬帶隙，見圖7。光強(qiáng)500μW的氘光源照射下，飽和電場(chǎng)強(qiáng)度1V/μm下，三維電極結(jié)構(gòu)具有約4倍于平面電極結(jié)構(gòu)的電流響應(yīng)度，光電流與暗電流之比約為530，見圖8。顯示出，雜質(zhì)與缺陷含量同等水平下的金剛石探測(cè)基底，相同測(cè)試條件下，三維電極結(jié)構(gòu)較平面電極結(jié)構(gòu)有更優(yōu)的信噪比與更高的探測(cè)效率。