本发明专利技术涉及一种ＺｎＯ／纳米金刚石薄膜紫外光探测器制备方法，属纳米无机化合物能源材料制造工艺技术领域。该方法是将ＺｎＯ薄膜以磁控溅射法沉积在纳米金刚石薄膜上，以高纯ＺｎＯ陶瓷靶为溅射靶材，通入氩气，调节流量为４０标准毫升／分；调节反应气压为０．３Ｐａ；溅射功率３００Ｗ；溅射时间１．５小时；采用了剥落光刻技术在高度定向的ＺｎＯ薄膜表面实现微米级的叉指电极，制备共面栅ＺｎＯ／纳米金刚石薄膜共面栅紫外光探测器。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种基于ZnO/纳米金刚石薄膜的共面栅紫外光探测器的制造方 法，属于无机非金属材料器件制造工艺领域。技术背景人们对紫外光的研究始于19世纪80年代，20世纪50年代人们开始对紫外探测 技术进行研究，近年来，人们对紫外探测技术和器件的需求日益增长，世界各国把固 态紫外探测器技术列为当今研究开发的重点课题。在宽禁带紫外探测器的研究上，过 去十年主要集中在SiC、 GaN、 ZnO、金刚石薄膜等材料上。ZnO作为一种新型的宽 带半导体材料，其晶体结构，晶格常数与禁代宽度与GaN非常相近，与GaN相比， ZnO薄膜具有生长温度低，激子复合能量高(60meV)和较低的电子诱生缺陷，阈值 电压低等优点，极有可能实现UV探测器。因此，ZnO成为继GaN之后，蓝紫光宽 禁带半导体光电材料研究的热点。文献关于ZnO薄膜的报道一般都基于蓝宝石衬底， 但是蓝宝石价格昂贵、不导电、硬度高不宜与加工。本实验组长期从事CVD金刚石 薄膜的生长加工，目前CVD法生长金刚石薄膜在经济性以及实用性上已能满足器件 制备的各方面要求。我们实验室对纳米金刚石基ZnO薄膜研究表明，ZnO薄膜在纳 米金刚石薄膜衬底上有非常好的结晶性能。目前国际上报道的光导型和肖特基型ZnO 紫外探测器都是以蓝宝石或硅为衬底，本专利技术中我们利用纳米金刚石薄膜为衬底，用 磁控溅射法在纳米金刚石薄膜衬底上得到了高度c轴取向的ZnO/纳米金刚石薄膜。ZnO禁带宽度G.37eV)是Si的3倍，在可见和红外范围没有响应(长波截止 波长为365nm)，这对在红外和可见背景下探测器紫外光具有特殊意义，而且其热稳 定性、化学稳定性好。其中它的辐射硬度很高。因此它是制作应用于恶劣环境的紫外 光探测器的理想材料。基于上述原因，ZnO紫外光探测器是实现高性能紫外探测的焦 点和热点。紫外光探测器的性能参数主要包括响应度(R)、光谱响应曲线及响应时间(t) 噪声等效功率(NEP)。对于ZnO紫外光探测器来说其性能很大程度上取决于ZnO薄膜 质量和器件结构。在Zn0薄膜材料选择上,我们课题组通过MPCVD法生长优质纳米金刚 石薄膜，以此为衬底用磁控溅射法沉积ZnO薄膜，获得了均匀性好、厚度合适、光敏面积为lXlcm2的高度定向生长的Zn0薄膜，解决了紫外光探测器在材料方面的要求。同样，器件结构对紫外光探测器的性能也有重要的影响。
技术实现思路
本专利技术是在纳米金刚石薄膜上用磁控溅射法沉积ZnO薄膜，并设计制作共面栅 电极结构紫外光探测器，达到縮短探测器响应时间(t)，提高探测器灵敏度的目的； 并提供一种ZnO溯米金刚石共面栅紫外光探测器的制备方法。为达到上述目的，本专利技术的ZnO/纳米金刚石薄膜共面栅紫外光探测器采用如下 技术方案及步骤-(1) 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。为了增加纳米金刚石薄膜的成核密度，使 用lOOnm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。(2) 金刚石薄膜成核过程先用真空泵对反应室抽真空至3 5Pa，然后用分子 泵对反应室抽真空至10—2Pa以下，通入反应气体(甲垸与氢气的混合气体)，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2 3kPa;衬底偏压设定为50 150V;衬底温度控制在580 630。C;微波功 率设定为1200 1600W;薄膜成核时间0.5 1小时。(3) 纳米金刚石薄膜生长过程成核完成后，调节甲烷和氢气的流量分别为20 40标准毫升/分和150 200标准毫升/分；反应室的气压设定为4KPa 5kPa;衬底温 度控制在630 680。C;微波功率设定为1600W 2000W;薄膜生长时间4 6小时。(4) ZnO薄膜生长过程将纳米金刚石薄膜放入磁控溅射仪的样品台上，溅射 靶材为高纯ZnO陶瓷靶。先用真空泵对溅射室抽真空至5Pa以下，然后用分子泵对 反应室抽真空至l(^Pa以下。通入氩气，调节流量为30 60标准毫升/分；调节反应 气压为0.2 0.5Pa;溅射功率100W 500W;溅射时间0.5 2小时。(5) 共面栅电极制备过程采用剥离光刻技术在高度定向的ZnO薄膜表面制作 微米级的表面叉指阳极。在Si衬底的背面用磁控溅射制作Al阴极，最后将器件在氩 气中500°C退火1小时，得到ZnO/纳米金刚石共面栅紫外光探测器。本专利技术的方法是利用微波等离子体在硅片上生长纳米金刚石薄膜，在纳米金刚石 薄膜上用磁控溅射法生长ZnO薄膜，利用共面栅结构制备ZnO/纳米金刚石薄膜紫外 光探测器，特征是以纳米金刚石薄膜作基来生长ZnO薄膜，并制备共面栅电极结构。本专利技术同其他ZnO紫外光探测器相比，具有以下特点(1) 探测器材料选用ZnO/纳米金刚石薄膜，结构如图l所示。比起蓝宝石基或 Si基上生长ZnO薄膜具有许多特色，而且所得的ZnO薄膜取向性非常好。图2为薄 膜的XRD图。(2) 本专利技术采用共面栅电极结构，结构示意图如图3、图4所示。比起其他结 构，共面栅探测器具有更高的电子收集效率，同时降低电子收集时间，从而提高探测 器性能。附图说明图1为纳米金刚石/ZnO薄膜结构示意2为所得薄膜的XRD3为共面栅紫外光探测器表面叉指电极示意4位共面栅紫外光探测器结构示意图具体实施方式下面对本专利技术的具体实施例进行详细描述。 实施例l本实施例的工艺过程和步骤如下(1) 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10分钟，以去除表面的氧化硅层。为了增加纳米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分钟。将研磨后的硅片在混有100nm 金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗IO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。(2) 金刚石薄膜成核过程先用真空泵对反应室抽真空至5Pa，然后用分子泵对 反应室抽真空至5Xl(^Pa以下，通入反应气体(甲烷与氢气的混合气体)，调节甲垸 和氢气的流量分别为50标准毫升/分和160标准毫升/分；反应室的气压设定为2kPa; 衬底偏压设定为100V;衬底温度控制在600。C;微波功率设定为1500W;薄膜成核时间0.5小时。(3) 纳米金刚石薄膜生长过程成核完成后，调节甲垸和氢气的流量分别为30 标准毫升/分和200标准毫升/分；反应室的气压设定为5kPa;衬底温度控制在660。C; 微波功率设定为1800W;薄膜生长时间4小时。(4) ZnO薄膜生长过程将纳米金刚石薄膜放入磁控溅射仪的样品台上，溅射 靶材为高纯ZnO陶瓷靶。先用真空泵对溅射室抽真空至4Pa,然后用分子泵对反应室 抽真空至2X10—Spa。通入氩气，调节流量为40标准毫升/分；调节反应气压为0.3Pa; 溅射功率300W;溅射时间1.5小时。(5) 共面栅紫外光探测器采用A本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ＺｎＯ／纳米金刚石共面栅紫外光探测器的制备方法，其特征在于该方法具有以下的工艺过程和步骤：１）硅衬底预处理：对（１００）镜面抛光硅片用ＨＦ酸超声清洗５～１５分钟，以去除表面的氧化硅层，用１００ｎｍ粒径的金刚石粉末对硅片机械研磨１０～１５分钟，将研磨后的硅片在混有１００ｎｍ金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗１０～２０分钟，再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装置的反应室内作为沉积衬底；２）金刚石薄膜成核过程：先用真空泵对反应室抽真空至３～５Ｐａ，然后用分子泵对反应室抽真空至１０↑［－２］Ｐａ以下，通入甲烷与氢气的混合反应气体，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２～３ｋＰａ，衬底偏压设定为５０～１５０Ｖ，衬底温度控制在５８０～６３０℃，微波功率设定为１２００～１６００Ｗ，薄膜成核时间０．５～１小时；３）纳米金刚石薄膜生长过程：成核完成后，调节甲烷和氢气的流量分别为２０～４０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６５０～７００℃，微波功率设定为１６００～２０００Ｗ，薄膜生长时间４～６小时；４）ＺｎＯ薄膜生长过程：将纳米金刚石薄膜放入磁控溅射仪的样品台上，溅射靶材为高纯ＺｎＯ陶瓷靶，先用真空泵对溅射室抽真空至５Ｐａ以下，然后用分子泵对反应室抽真空至１０↑［－２］Ｐａ以下，通入氩气，调节流量为３０～６０标准毫升／分，调节反应气压为０．２～０．５Ｐａ，溅射功率１００～５００Ｗ，溅射时间０．５～２小时；５）共面栅紫外光探测器制备过程：采用剥离光刻技术在高度定向的ＺｎＯ薄膜表面实现微米级的叉指电极，在Ｓｉ衬底的背面用磁控溅射法溅射Ａｌ背电极，最后将器件在５００℃氩气气氛中退火１小时，得到ＺｎＯ／纳米金刚石共面栅紫外光探测器。...
【技术特征摘要】
1.一种ZnO/纳米金刚石共面栅紫外光探测器的制备方法，其特征在于该方法具有以下的工艺过程和步骤1)硅衬底预处理对(100)镜面抛光硅片用HF酸超声清洗5～15分钟，以去除表面的氧化硅层，用100nm粒径的金刚石粉末对硅片机械研磨10～15分钟，将研磨后的硅片在混有100nm金刚石粉的丙酮溶液中超声清洗10～20分钟，再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装置的反应室内作为沉积衬底；2)金刚石薄膜成核过程先用真空泵对反应室抽真空至3～5Pa，然后用分子泵对反应室抽真空至10-2Pa以下，通入甲烷与氢气的混合反应气体，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2～3kPa，衬底偏压设定为50～150V，衬底温度控制在580～630℃，微波功率设定为1200～1600W，薄膜成核...
【专利技术属性】
技术研发人员：王林军，赖建明，黄健，唐可，管玉兰，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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