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金刚石具有独特的电学、光学、热学、优越的物理和化学稳定性能,使金刚石电子器件在高温、强辐射等恶劣的环境下能安全稳定的工作。金刚石的禁带宽度为5.5eV,相当于截止波长为225nm,具有“太阳盲区”特性,基于金刚石薄膜的日盲型紫外光探测器的研究已成为该领域的研究热点。研究表明,探测器电荷收集效率以及灵敏度等性能与薄膜质量与结构密切相关,目前这些方面的相互影响规律还不是很清楚,本文主要针对多晶金刚石薄膜取向性及晶粒尺寸对探测器性能的影响进行了研究。主要取得了以下结果:
采用热丝辅助化学气相沉积(HFCVD)法,通过改变生长参数,获得了不同晶粒尺寸以及晶粒尺寸相近的不同取向的金刚石薄膜。结合光学显微、SEM、AFM、XRD、Raman光谱、半导体特性表征系统等分析测试手段,研究表明(100)取向薄膜在质量、表面平整度、电学性能等方面均优于其它取向薄膜,适宜用于制作紫外光探测器。
使用ANSYS有限元模拟软件对金刚石紫外光探测器的电场分布进行了模拟。通过模拟与实际相结合,确定表面叉指电极的宽度为25μm、电极间距为50μm。在模拟设计的基础上,通过微电子加工工艺成功制备了不同取向、不同晶粒尺寸的金刚石薄膜紫外光叉指结构探测器。
研究表明,探测器性能与金刚石薄膜晶粒大小密切相关,随着晶粒尺寸的增加,光电流/暗电流之比以及净光电流均提高。在晶粒尺寸相近的情况下,(100)取向的金刚石薄膜探测器的光谱响应特性优于其它取向的金刚石薄膜探测器。同时,提出对器件采用甲烷和空气后处理工艺,明显提高了紫外光探测器的光谱响应特性。
薄膜的取向性、晶粒尺寸和后处理工艺对金刚石薄膜紫外光探测器的性能有显著的影响。获取大晶粒、高度(100)取向的薄膜以及合适的后处理工艺是制造高性能紫外光探测器的前提条件,也是今后紫外光探测器的研发方向。