一种基于ecr电子照射硅基纳米结构碳膜的光电探测器及其制备方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明属于硅基薄膜光电探测器件制备技术领域，具体涉及一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器及其制备方法。
【【背景技术】】
[0002]光电探测器件是将光能转化为电能以便于放大检测的器件，在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。随着纳米表面工程与技术的深入发展，纳米材料光电探测器成为研宄热点。常见的为ZnO、ZnS等光电导型探测器，但光电导探测器只能工作在负偏压下，对工作环境要求较高。而硅基结型探测器无需外加偏压，具有更好的环境适应性。碳材料来源广泛且石墨稀、碳纳米管等碳纳米材料均展现出了光伏特性。这也意味着制备新型娃基碳纳米光电探测器件成为可能。近期该类型研宄主要集中于非晶碳膜和石墨烯等。其中，硅基非晶碳膜主要依赖于元素掺杂对光电探测特性的调控，但掺杂工艺复杂性且不易控制；此夕卜，石墨烯虽然光电性能优异，但石墨烯材料通常是物理转移到硅基体表面，与硅基体的结合强度往往较低，限制了其在探测器领域内的应用。现阶段，与基体结合强度较好的碳薄膜材料大多是通过气相沉积、高能离子照射或高温退火来制备。其中，气相沉积对气体比例要求严格且需要用到氨气和碳氢化合物等有毒气体，其制备工艺复杂且有一定安全隐患。高能离子照射和高温退火均对基体材料和加工设备要求较高。
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【发明内容】
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[0003]本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器及其制备方法。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0005]一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器，包括由下至上依次排布的Au薄膜电极、P(10)型Si基片、ECR电子照射硅基纳米结构碳膜和正方形网格状Au电极；Au薄膜电极和正方形网格状Au电极通过银胶与导线粘接，形成具有光电探测能力的硅基纳米结构碳膜光电探测器；所述硅基纳米结构碳膜光电探测器光谱响应度峰值为:0.175-0.21A.Γ1，响应时间小于 1ms。
[0006]一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法，包括以下步骤:
[0007]I)将P(100)型Si基片经超声清洗，装入真空腔中并抽真空并通入氩气；经磁线圈磁场与微波耦合作用，产生氩等离子体；加热P (100)型Si基片到200?400°C保持lh，然后施加负基片偏压，吸引氩离子清洗P (100)型Si基片表面；然后接通-300?-200V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在P(10)型Si基片表面沉积ECR电子照射硅基纳米结构碳膜；镀膜时基片温度为室温?400°C，基片偏压为+1V?+300V ；
[0008]2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面制备透光的正方形网格状Au电极；接下来，制备覆盖整个P (100)型Si基片背面的Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。
[0009]本发明进一步的改进在于:步骤2)具体包括:在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面旋涂光刻胶，通过紫外曝光在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面复制出正方形网格状掩膜图案，显影后在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面得到线宽60 μ m，间距250 μ m的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离祛除光刻胶，得到正方形网格状Au电极；接下来，祛除Si基片背面自然氧化层，溅射Au膜，制备覆盖整个P (100)型Si基片背面的Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器。
[0010]本发明进一步的改进在于:步骤I)中基片偏压在大于等于+10V，小于+40V，镀膜时P(10)型Si基片温度保持为400°C ;得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜为非晶结构。
[0011]本发明进一步的改进在于:步骤I)中基片偏压大于等于+40V，小于+200V ;镀膜时P(10)型Si基片温度保持为室温?50°C，得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜为小于5层石墨烯纳晶堆叠的石墨烯嵌层结构。
[0012]本发明进一步的改进在于:步骤I)中基片偏压在大于等于+200V，小于等于+300V ;镀膜时P(10)型Si基片温度保持为室温?50°C时，得到的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜为石墨化纳米结构。
[0013]本发明进一步的改进在于:所述一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法具体包括以下步骤:
[0014]I)将经过超声清洗的电阻率为7?13 Ω.cm，厚度525 μπι的P (100)型Si基片装入真空腔中；当系统真空度达到4X10_4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min ;加热p(100)型Si基片到400°C恒温，然后施加负基片偏压，吸引氩离子清洗P (100)型Si基片表面；然后接通-300V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在P(10)型Si基片表面沉积；同时施加+1V基片偏压，吸引电子轰击P(10)型Si基片表面形成电子照射，控制沉积时间，镀膜结束后，保持P(10)型Si基片温度为400°C lh，得到厚度60nm的ECR电子照射硅基纳米结构碳膜；
[0015]2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5%的NaOH溶液显影后，碳膜表面得到线宽60 μm，间距250 μπι的正方形网格状图案；之后，在硅基碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离祛除光刻胶，得到透光的正方形网格状Au电极；接下来，用1%氢氟酸溶液祛除硅基体背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个P (100)型Si基片背面的面接触Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；该ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为:0.175A.W—1，响应时间小于Ims0
[0016]本发明进一步的改进在于:所述一种基于ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的制备方法具体包括以下步骤:
[0017]I)将经过超声清洗的电阻率为7?13 Ω.cm，厚度525 μπι的P (100)型Si基片装入真空腔中；当系统真空度达到4X10_4Pa时，通入氩气，在微波与磁线圈产生磁场耦合作用下产生等离子体，稳定20min ;加热p(100)型Si基片到200°C保持lh，关闭加热装置，待P(10)型Si基片自然冷却到室温时，施加负基片偏压，吸引氩离子清洗p(lOO)型Si基片表面；然后接通-250V靶材偏压，加速氩离子轰击高纯碳靶，溅射出的碳原子在p(lOO)型Si基片表面沉积；同时施加+80V基片偏压，吸引电子轰击P (100)型Si基片表面形成电子照射，控制沉积时间，得到厚度60nm的ECR电子照射娃基纳米结构碳膜；
[0018]2)在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面旋涂光刻胶EPG533，通过紫外曝光7-8秒在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面复制出正方形网格状掩膜图案，经0.5%的NaOH溶液显影后，ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面得到线宽60 μ m，间距250 μ m的正方形网格状图案；之后，在ECR电子照射硅基纳米结构碳膜表面溅射Au膜，丙酮剥离祛除光刻胶，得到透光的正方形网格状Au电极；接下来，用1%氢氟酸溶液祛除硅基体背面自然氧化层，然后溅射Au膜，形成覆盖整个P (100)型Si基片背面的面接触Au薄膜电极；最后，正方形网格状Au电极和Au薄膜电极分别通过银胶与导线粘接、固化银胶；得到ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器；该ECR电子照射制备的硅基纳米结构碳膜光电探测器的光谱响应度峰值为:0.21A.W'响应时间小于1ms。