一种MSM结构4H-SiC紫外光电探测器的制备方法

摘要

一种MSM结构4H‑SiC紫外光电探测器的制备方法，涉及紫外光电探测器的制备。在n型4H‑SiC衬底外延生长一层半绝缘层后，将材料样品切割成矩形条状样品，采用标准RCA程序清洗表面，进而采用电热分解生长方法，通过环境条件、温度及生长时间控制，使用DC直流电源通电于矩形条状样品两端，直接在4H‑SiC外延层的Si面热生长多层石墨烯薄膜，优化生长技术条件，通过光刻图形化，结合ICP刻蚀，在器件表面制备出MSM结构用的叉指电极；溅射沉积组合金属焊盘，再在样品表面通过等离子体增强化学气相沉积法覆盖生长一层致密的SiO

说明书

技术领域

本发明涉及紫外光电探测器的制备，尤其是涉及具有石墨烯透明电极的一种MSM结构4H-SiC紫外光电探测器的制备方法。

背景技术

MSM结构4H-SiC紫外光电探测器在国防和民用光电探测领域具有重要的应用，采用这种结构的紫外探测器具有制备工艺简便、响应速度快、量子效率高等特点，并且适用于阵列探测器件应用。相比于传统金属电极材料，石墨烯是一种由单层sp2杂化碳原子构成的新型二维导电材料,拥有良好的紫外光透过率及优异的光学、电学和力学性能，作为一种透明电极能够与半导体材料形成良好的接触，具有广泛的应用([1]Geim,A.K.,Novoselov,K.S.Nature Mater.2007,6,183-191；[2]Bonaccorso,F.,Sun,Z.,Hasan,T.,Ferrari,A.C.Graphene photonics and optoelectronics.Nature Photon.2010,4,611-622.)。在SiC紫外光电探测器件的制备工艺中，选择一种有效可行的方法制备石墨烯透明电极，应用于经典的MSM结构4H-SIC紫外探测器，能够有效改善紫外光入射面积，抑制暗电流，提高光谱响应度。但是目前各种石墨烯制备工艺考虑到应用于器件的实际工作时，在转移面积、表面质量、与半导体材料接触效果等方面仍然有改善提高的空间，因此需要探索在不同条件下石墨烯材料生长特性及调控措施，有针对性采用可以应用于紫外光电探测器件的制备方法，结合MSM结构的4H-SiC紫外光电探测器制备工艺优化，进一步提高器件的有效光透过率和相关电学特性，实现微弱紫外信号探测能力的进一步提升。

发明内容

本发明的目的在于提供具有石墨烯透明电极的一种MSM结构4H-SiC紫外光电探测器的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)在n型4H-SiC衬底外延生长一层半绝缘层后，将材料样品切割成矩形条状样品，采用标准RCA程序清洗表面，进而采用电热分解生长方法，通过环境条件、温度及生长时间控制，使用DC直流电源通电于矩形条状样品两端，直接在4H-SiC外延层的Si面热生长多层石墨烯薄膜，分别考虑薄膜厚度和质量对入射紫外光的吸收、光生电流及响应速度等影响因素，优化生长技术条件，通过光刻图形化，结合ICP刻蚀，在器件表面制备出MSM结构用的叉指电极；

2)溅射沉积组合金属焊盘，再在样品表面通过等离子体增强化学气相沉积法覆盖生长一层致密的SiO₂作为钝化层；

3)用光刻与刻蚀工艺，去除圆形焊盘区域上的SiO₂，即得MSM结构4H-SiC紫外光电探测器。

在步骤1)中，所述半绝缘层的厚度可为10μm；所述将材料样品切割成矩形条状可选择切割成约25mm×5mm大小的矩形条状样品；所述电热分解生长方法的具体方法可为：清洁电热分解生长用真空腔室及内部接触件，将清洗过的矩形条状样品垫高架空放置于真空腔室的中心台面上，长方向两端边缘使用Mo电极夹住固定，接上导线连接至真空腔室外DC直流电源正负极两端，样品表面正对真空腔室的透明玻璃窗口，以便观察及温度测量，密封腔体抽真空达到约10^-6Torr，并维持一段时间；所述使用DC直流电源通电于矩形条状样品两端，直接在4H-SiC外延层的Si面热生长多层石墨烯薄膜的具体方法可为：打开DC直流电源，调控正负两端电位差，通电加热时间，调节真空腔体中通入气体的种类和浓度比例，待真空腔室内样品中心温度达到1500℃左右，使之维持5min，在样品表面生长多层石墨烯薄膜，生长完毕后，关闭DC直流电源和分子泵，真空腔室冷却至少4h以上，待降至室温后取出样品。

在步骤2)中，所述组合金属焊盘的总厚度可为200nm；所述钝化层的厚度可为60nm。

本发明在n型4H-SiC衬底的Si面上外延生长一层厚度10um的半绝缘层，采用电热分解生长方法，在真空腔室内，对矩形样品两端直接通入电流，通过控制环境、温度及生长时间等参数，使样品表面升温，利用高温条件下Si与C原子的饱和蒸汽压的不同，Si原子升华，C原子在一定条件下重构排列，在4H-SiC外延层的Si面直接热生长多层石墨烯薄膜，在此基础上，采用刻蚀工艺，在器件表面制备MSM结构的多层石墨烯叉指电极，再溅射沉积组合金属焊盘，该结构的光生载流子收集效率高、改善紫外透过率、减小了MSM结构光敏面上的挡光面积，有效提高了器件单元在实际应用中的探测效率及进一步应用开发。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在真空腔室内，对矩形样品两端直接通入电流，使SiC材料样品表面升温，在4H-SiC外延层的Si面直接热生长大面积和高质量的多层石墨烯薄膜，制备方法简单易于实现，成本低，在转移面积、表面质量、与SiC材料接触效果等方面有较好的提高，将其应用于4H-SiC紫外光电探测器件上，制备成MSM结构叉指电极，结合材料生长和器件封装技术的优化提高，可有效提高MSM结构4H-SiC紫外光电探测器件单元的探测效率及进一步应用开发。

附图说明

图1为本发明实施例的真空腔内在4H-SiC外延层的Si面直接电热分解生长多层石墨烯薄膜的主要制备方法示意图。

图2为本发明实施例的具有石墨烯透明电极的MSM结构4H-SiC紫外光电探器主要结构示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明实施例包括以下步骤:

1)在n型4H-SiC衬底上外延一层10um厚的半绝缘层，选择切割成约25mm*5mm大小的矩形条状样品，采用标准RCA程序对样品表面进行严格清洗；

2)清洁电热分解生长用真空腔室及内部接触件，如图1所示，将清洗过的长矩形SiC样品垫高架空放置于真空腔室的中心台面上，长方向两端边缘使用Mo电极夹住固定，接上导线连接至真空腔室外DC直流电源正负极两端，样品表面正对真空腔室的透明玻璃窗口，以便观察及温度测量，密封腔体抽真空达到约10^-6Torr，并维持一段时间；

3)打开DC直流电源，调控正负两端电位差，通电加热时间，调节真空腔体中通入气体的种类和浓度比例，待真空腔室内样品中心温度达到1500℃左右，使之维持5min，在样品表面生长多层石墨烯完毕后，关闭DC直流电源和分子泵，真空腔室冷却至少4h以上，待降至室温后取出样品；

4)进一步优化调整生长工艺，如图2所示，在样品表面获得高质量的多层石墨烯薄膜后，经过光刻图形化，利用ICP刻蚀出MSM结构的多层石墨烯叉指电极(a)；

5)对已具备叉指电极的样品表面再次光刻图形化，溅射沉积总厚度为200nm的组合金属焊盘(b)；

6)通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，再覆盖生长一层厚度约为60nm的SiO₂钝化保护层于器件上，能有效降低漏电流，起到较好的抗反射效果，最后采用光刻与刻蚀工艺，去除圆形焊盘区域上的SiO₂，用于器件的封装打线。

本发明在制备过程中，通过对矩形4H-SiC材料样品直接通电加热的方法，调节DC直流电源的输出电压，控制材料表面可被加热达到的温度和反应生长时间，反应腔室的生长环境等条件，提高多层石墨烯薄膜的生长质量；采用本方法，热分解生成的多层石墨烯薄膜，拉曼光谱检测得到较理想的结晶情况和膜层质量，利用此方法制备MSM结构的4H-SiC紫外光电探测器，与传统采用金属电极的MSM结构紫外探测器相比，器件单元的光生载流子收集效率提高，紫外透过率改善，表面因电极造成的挡光面积减小，将更好地提高器件的探测效率和应用。