一种高低势垒金刚石肖特基二极管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高低势垒金刚石肖特基二极管及其制备方法和应用，采用大小不对称的不同类型的金属，使金刚石两个电极处形成高低势垒，制备金刚石高低势垒肖特基二极管实现自供电的X射线探测器件。其制备方法包括：制备单晶金刚石，并在单晶金刚石上表面进行刻蚀；采用磁控溅射法在单晶金刚石上表面沉积银薄膜、下表面沉积金薄膜；在单晶金刚石沉积有银的上表面，采用光刻工艺制备n

【技术实现步骤摘要】
一种高低势垒金刚石肖特基二极管及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种高低势垒金刚石肖特基二极管及其制备方法和应用，属于光电器件制备


技术介绍

[0002]X射线是一种波长介于真空紫外和γ波长之间的电磁波。其中X射线探测器广泛应用于医学成像、工业探伤、晶体结构分析等领域，当X射线穿过不同密度和厚度的人体组织或工件时，X射线被吸收的程度也不同。因此X射线可以用来探测物体内部结构。由于材料本身和器件探测机制的限制，开发高灵敏度、高响应速度、高稳定性的X射线探测器极具挑战性。
[0003]为了解决这些问题，目前有间接型和直接型转换X射线探测器。间接型X射线探测器通过闪烁体材料吸收X射线并转化为荧光信号，之后光电二极管将荧光信号转化为电信号。间接型X射线探测器具有低的光电转换效率，由于闪烁体的长余辉效应导致低的响应速度。直接型X射线探测器的探测方式表现为无闪烁体的光转化过程，因此具有高的量子效率。常用的直接型X射线探测材料有非晶Se、PbI2、HgI2和CdTe等中低带隙的半导体材料，但是中低带隙的材料耐高压和耐辐射性能差。
[0004]随着X射线探测材料的研究与发展，以氮化镓、氧化镓、碳化硅和金刚石为代表的第三代宽禁带半导体成为理想的X射线探测材料，它们具有高击穿电场、高载流子迁移率、高热导率、耐辐射、耐高温的能力。由于金刚石的原子序数与人体肌肉和软组织的有效原子序数(肌肉7.42脂肪5.99)最接近，因此金刚石对辐射的反应能较好的代表人体受到损害的程度，是辐射医学领域制备探测器最好的材料。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种高低势垒金刚石肖特基二极管及其制备方法和应用，采用大小不对称的不同类型的金属(功函数一个大于金刚石一个小于金刚石)，使金刚石两个电极处形成高低势垒，制备金刚石高低势垒肖特基二极管实现自供电的X射线探测器件。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种高低势垒金刚石肖特基二极管，所述二极管包含金刚石衬底；所述金刚石为单晶金刚石，所述单晶金刚石的上表面刻蚀有沟道且沉积有银薄膜，单晶金刚石的下表面沉积有金薄膜。
[0008]所述银薄膜为n
×
n阵列结构，每个银薄膜像素点的尺寸为0.2
×
0.2mm2；其中，n为正整数(如4
×
4、5
×
5或6
×
6)。
[0009]所述的高低势垒金刚石肖特基二极管的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)制备单晶金刚石，并在单晶金刚石上表面进行刻蚀；
[0011](2)采用磁控溅射法在单晶金刚石上表面沉积银薄膜、下表面沉积金薄膜；
[0012](3)在单晶金刚石沉积有银的上表面，采用光刻工艺制备n
×
n相邻的二极管；其中，n为正整数。
[0013]步骤(1)的具体方法为：
[0014]1)采用微波等离子体化学气相沉积法，生长金刚石晶片，得到单晶金刚石；
[0015]2)采用激光切割机，在单晶金刚石上表面进行刻蚀，刻蚀时电流为15
‑
25A，激光切割时间为10
‑
30s，切割深度为40
‑
160μm；
[0016]3)将刻蚀后的单晶金刚石放置在王水中3h，然后在Ar气氛中，于500℃温度下进行退火处理30min。
[0017]步骤1)所得单晶金刚石的厚度为800μm。
[0018]刻蚀后，用氢等离子体去除单晶金刚石表面刻蚀留下的石墨；王水中HCl与HNO3的体积比为3：1；退火处理后，依次在丙酮、酒精、去离子水中，各超声10min。
[0019]步骤(2)的具体方法为：
[0020]采用磁控溅射法，调节温度为30℃，抽取真空度为5
×
10
‑4Pa，溅射气体为氩气，氩气流量为100sccm，调节生长压强打开直流电源；在单晶金刚石的下表面开始沉积金，沉积时间为2
‑
3min，沉积厚度80
‑
120nm；结束后，在单晶金刚石的上表面开始沉积银，采用n
×
n的金属银薄膜阵列，每个银薄膜像素点的尺寸为0.2
×
0.2mm2，沉积时间为2
‑
3min，沉积厚度80
‑
120nm；其中，n为正整数。
[0021]步骤(3)的具体方法为：
[0022]1)清洗：对单晶金刚石进行清洗、烘干，再在115℃的加热台上，加热60s；
[0023]2)涂胶、前烘：在单晶金刚石沉积有银的上表面，通过匀胶机均匀的涂一层光刻胶，然后通过加热台于115℃前烘60s；
[0024]3)曝光、中烘：在单晶金刚石上方放置掩膜版，采用微型光刻机进行紫外曝光，曝光时间为2min，曝光后进行中烘；
[0025]4)显影、后烘：
[0026]将曝光完成的单晶金刚石放入显影液中，显影完全后，用去离子水冲洗单晶金刚石，并用高纯氮气枪吹去单晶金刚石表面的水珠；之后在加热台上于115℃加热1min；
[0027]5)去胶：将单晶金刚石放入去胶液，以去除表面多余的光刻胶，最后依次使用酒精和去离子水冲洗，清洗后吹干；
[0028]6)将单晶金刚石放置在CVD真空管式炉，进行退火处理，退火温度为500℃、退火时间为30min；
[0029]7)在单晶金刚石沉积有金银镀层的两电极上分别按压铟粒，即得金刚石肖特基二极管。
[0030]所述方法得到的高低势垒金刚石肖特基二极管在X射线探测方面的应用。
[0031]所述方法得到的高低势垒金刚石肖特基二极管在阵列成像方面的应用。
[0032]本专利技术有益效果：
[0033]本专利技术选用单晶金刚石作为制备X射线探测器的探测材料，由于金刚石具有耐高温、耐高压、耐辐射性能，优异的化学稳定性和高热导率，其载流子迁移率>2000cm2V
‑1S
‑1，导热系数>2000W(m
×
k)，高击穿电场>10MV/cm，且无晶界制约的单晶金刚石的光电性能更加优势。因此，由单晶金刚石制备的X射线探测器，可在高温、高压、高辐射等复杂环境下实现
对X射线的探测，且器件在探测过程中具有良好的稳定性和散热效果。
[0034]本专利技术采用在金刚石上下表面分别沉积不对称金属薄膜的方法，其中采用大小不对称且不同类型的金属(功函数一个大于金刚石一个小于金刚石)，使金刚石两个电极处形成高低势垒。本专利技术制备得到的金刚石高低势垒肖特基二极管，在一定剂量的X射线照射下产生电子空穴对，在内建电场的作用下电子空穴快速分离形成电流，实现了自驱动并且具有高光暗电流比较高的重复性和稳定性。
[0035]本专利技术采用激光切割机对金刚石样品进行刻蚀。随着激光切割时间的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高低势垒金刚石肖特基二极管，其特征在于，所述二极管包含金刚石衬底；所述金刚石为单晶金刚石，所述单晶金刚石的上表面刻蚀有沟道且沉积有银薄膜，单晶金刚石的下表面沉积有金薄膜。2.如权利要求1所述的高低势垒金刚石肖特基二极管，其特征在于，所述银薄膜为n
×
n阵列结构，每个银薄膜像素点的尺寸为0.2
×
0.2mm2；其中，n为正整数。3.如权利要求2所述的高低势垒金刚石肖特基二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备单晶金刚石，并在单晶金刚石上表面进行刻蚀；(2)采用磁控溅射法在单晶金刚石上表面沉积银薄膜、下表面沉积金薄膜；(3)在单晶金刚石沉积有银的上表面，采用光刻工艺制备n
×
n相邻的二极管；其中，n为正整数。4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)的具体方法为：1)采用微波等离子体化学气相沉积法，生长金刚石晶片，得到单晶金刚石；2)采用激光切割机，在单晶金刚石上表面进行刻蚀，刻蚀时电流为15
‑
25A，激光切割时间为10
‑
30s，切割深度为40
‑
160μm；3)将刻蚀后的单晶金刚石放置在王水中3h，然后在Ar气氛中，于500℃温度下进行退火处理30min。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)所得单晶金刚石的厚度为800μm。6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，刻蚀后，用氢等离子体去除单晶金刚石表面刻蚀留下的石墨；王水中HCl与HNO3的体积比为3：1；退火处理后，依次在丙酮、酒精、去离子水中，各超声10min。7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)的具体方法为：采用磁控溅射法，调节温度为30℃，抽取真空度为5
×
10...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨珣，豆文杰，单崇新，周维民，范伟，王少义，臧华平，陈彦成，张镇峰，林超男，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：