本发明属于光电探测技术领域，涉及一种金刚石紫外探测器三维电极结构及其制作方法。
背景技术：
紫外光电探测技术是一种十分重要的技术，可广泛应用于空间火焰检测、烟雾报警、空间通信等领域。由于工作环境复杂恶劣，因此对探测器的材料要求很高。金刚石作为一种宽禁带半导体，截止波长在225纳米，具有天然的可见光滤光性，十分适合制备日盲紫外探测器。同时，金刚石具有很多优异的性能，其热导率高，热与化学稳定性好，具有良好的抗辐照性能。这些都使得金刚石在紫外探测器领域具有巨大的优势。
目前有许多人对金刚石紫外光电探测器做了研究。但是，传统金刚石紫外光电探测器电极结构主要是共平面叉指电极结构和垂直三明治结构。对垂直结构来说，电场均匀性好，有利于光生载流子的漂移运动，使得灵敏度和收集效率较高。由于紫外光在金刚石材料中穿透深度有限，于是需要金刚石薄膜做到很薄，并且成核面缺陷密度尽可能少，这样，光生电子-空穴对在电极间的漂移过程中才会尽可能少地损失，从而使得到达电极处的载流子多，对电荷收集效率和灵敏度贡献大。但是，对于金刚石外延薄膜和自支撑单晶金刚石膜而言，整体厚度较厚，对载流子的漂移和收集不利。
共平面叉指电极结构是对垂直三明治结构的改进。由于紫外光在金刚石膜中穿透深度比较小，主要集中于表面，因此在金刚石表面上制备叉指电极，可以较好地收集表面附近的光生电子-空穴对。由于紫外光在材料中衰减迅速，穿透一定深度后，对电流的贡献很小，因此叉指电极的收集效率也是比较高的。并且叉指电极相互交错，使得探测器有效探测面积增大，对探测器的响应度有很大的贡献。但是，叉指电极的电场均匀性不如垂直结构，在紫外光功率较大时，电场分布的不均匀将会对光生电子-空穴对的收集产生影响。
目前很多人都尝试制备三维结构的探测器，将三维电极埋入金刚石内部，从而改善表面附近的电场分布，提高器件的载流子收集能力。但是，这种三维电极的制备方法比较复杂，对准难度较大。为了解决这一问题，我们采用一种新型的三维电极结构，在极大简化制备工艺的同时，提高了器件的响应度和时间响应性能。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种，以解决采用垂直三明治电极结构时衬底和薄膜分离难、载流子收集时间长和收集效率低的问题，同时，解决采用共平面叉指电极结构时电场均匀性不佳的问题，从而提高探测器的响应度和时间响应性能。
本发明采用以下技术方案：一种金刚石紫外探测器三维电极结构，包括层叠设置的单晶金刚石衬底和本征单晶金刚石外延层，所述的金刚石外延层表面向外凸出设置有若干条相互平行的金刚石条，所述的金刚石外延层表面还设置有分别用于作为正极和负极的两个金属电极pad；
垂直穿过所述的金刚石条等距间隔设置有偶数个叉指电极，按照叉指电极的排列顺序依次定义叉指电极5的编号为1、2、3、…、n，则编号为奇数的叉指电极均连接至同一个金属电极pad上，编号为偶数的叉指电极均连接至另一个金属电极pad上。
进一步的，金刚石条为四棱柱，叉指电极为四棱柱。
进一步的，金刚石条凸出所述本征单晶金刚石外延层的高度为100nm-500nm，且所述金刚石条的高度不大于所述本征单晶金刚石外延层的厚度。
进一步的，金刚石条沿所述本征单晶金刚石外延层方向的宽度为100nm-10μm，两两所述金刚石条的间距为100nm-5μm，且所述金刚石条的间距小于所述金刚石条的宽度。
进一步的，叉指电极沿所述本征单晶金刚石外延层方向的宽度为100nm-10μm，两两所述叉指电极的间距为100nm-50μm，且所述叉指电极的间距不超过所述叉指电极宽度的10倍。
进一步的，单晶金刚石衬底为高温高压衬底或者cvd金刚石衬底，取向为(100)方向。
进一步的，金刚石外延层的厚度为150nm-1μm，氮元素含量低于1ppm。
本发明采用的第二种技术方案是，一种金刚石紫外探测器三维电极结构的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、采用微波等离子体化学气相沉积方法在单晶金刚石衬底上生长一层本征单晶金刚石外延层；
步骤2、在本征单晶金刚石外延层表面刻蚀出若干条相互平行的金刚石条；
步骤3、采用mpcvd方法在步骤2刻蚀过后的样品上再生长一层厚度为10-30nm的本征单晶金刚石外延层；
步骤4、在本征单晶金刚石外延层上制备分别作为正极和负极两个金属电极pad，再在本征单晶金刚石外延层上，垂直穿过所述的金刚石条等距间隔制备偶数个叉指电极，按照叉指电极的排列顺序依次定义叉指电极的编号为1、2、3、…、n，则将编号为奇数的叉指电极均连接至同一个金属电极pad上，将编号为偶数的叉指电极均连接至另一个金属电极pad上。
进一步的，步骤2中采用金刚石刻蚀技术来刻蚀金刚石条。
进一步的，步骤4中采用光刻和薄膜沉积技术制备两个金属电极pad和叉指电极。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：将载流子限制在金刚石条内实现准一维输运，同时利用大的表面积/体积比提高器件的内部增益，从而提高探测器的响应度和时间响应性能。
【附图说明】
图1为本发明一种金刚石紫外探测器三维电极结构的结构示意图。
其中：1.单晶金刚石衬底，2.本征单晶金刚石外延层，3.金刚石条，4.金属电极pad，5.叉指电极。
【具体实施方式】
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供了一种金刚石紫外探测器件的三维电极结构，包括层叠设置的单晶金刚石衬底1和本征单晶金刚石外延层2，的金刚石外延层2表面向外凸出设置有若干条相互平行的金刚石条3，的金刚石外延层2表面还设置有分别用于作为正极和负极的两个金属电极pad4；
垂直穿过的金刚石条3等距间隔设置有偶数个叉指电极5，按照叉指电极5的排列顺序依次定义叉指电极5的编号为1、2、3、…、n，则编号为奇数的叉指电极5均连接至同一个金属电极pad4上，编号为偶数的叉指电极5均连接至另一个金属电极pad4上。
单晶金刚石衬底1可以是高温高压合成衬底，也可以是cvd合成衬底，还可以是自支撑金刚石薄膜，取向均为(100)方向。单晶金刚石衬底1的形状为矩形、圆形、椭圆形或者其他形状。
本征单晶金刚石外延层2通过mpcvd技术外延生长实现，反应气体采用甲烷、氢气和氮气，生长厚度为150nm-1μm。氮气所占的体积百分比为0-0.01％，得到的本征单晶金刚石外延层中2氮元素含量低于1ppm。
金刚石条3为四棱柱，通过金刚石刻蚀技术制备，一般有感应离子耦合技术和反应离子刻蚀技术两种，所用刻蚀气体为氧气。金刚石条3凸出本征单晶金刚石外延层2的高度为100nm-500nm，并且不超过本征单晶金刚石外延层2的生长厚度。为了保证金刚石条3对载流子的约束并且兼顾大的有效面积与有效体积，金刚石条3的宽度为100nm-10μm，金刚石条3之间的间距为100nm-5μm，且金刚石条3的间距小于金刚石条3的宽度。
在金刚石条3制备完成后，需要对样品再进行一次单晶金刚石本征外延层的2生长，以修复刻蚀对表面带来的损伤。此生长过程的参数与第一次生长的参数相同，生长厚度为10-30nm。
叉指电极5为四棱柱，叉指电极5设置成与金刚石条3垂直的结构，保证载流子沿着金刚石条3方向运动，实现准一维输运。叉指电极5沿本征单晶金刚石外延层2方向的宽度为100nm-10μm，其间距为100nm-50μm，并且电极间距不超过宽度的10倍。金属电极pad4连接一个或者多个叉指电极5，便于引线测试。金属电极pad4和叉指电极5的材质可以相同，也可以不同。
本发明还提供了一种金刚石紫外探测器三维电极结构的制作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、采用微波等离子体化学气相沉积方法在单晶金刚石衬底1上生长一层本征单晶金刚石外延层2；
步骤2、在本征单晶金刚石外延层2表面刻蚀出若干条相互平行的金刚石条3；通常可以采用金刚石刻蚀技术来刻蚀金刚石条3；
步骤3、采用mpcvd方法在步骤2刻蚀过后的样品上再生长一层厚度为10-30nm的本征单晶金刚石外延层2；
步骤4、在本征单晶金刚石外延层2上制备分别作为正极和负极两个金属电极pad4，再在本征单晶金刚石外延层2上，垂直穿过的金刚石条3等距间隔制备偶数个叉指电极5，按照叉指电极5的排列顺序依次定义叉指电极5的编号为1、2、3、…、n，则将编号为奇数的叉指电极5均连接至同一个金属电极pad4上，将编号为偶数的叉指电极5均连接至另一个金属电极pad4上。通常可以采用光刻和薄膜沉积技术制备两个金属电极pad和叉指电极5。
实施例
如图1，金刚石紫外探测器三维电极结构，单晶金刚石衬底1为高温高压合成的本征单晶金刚石，尺寸为3*3*0.3mm3。采用mpcvd方法在单晶金刚石衬底1表面外延生长250nm本征单晶金刚石外延层2，生长条件为：反应气体为甲烷，氢气和氮气，生长气压80torr，气体流量为500sccm，甲烷所占的体积百分比为0.1％，氮气所占的体积百分比为0.001％，衬底温度为900℃。最终本征单晶金刚石外延层2中氮元素的浓度为0.01ppm。生长结束后，利用标准光刻工艺和磁控溅射薄膜淀积工艺在本征单晶金刚石外延层2上制备出金属ti条形阵列作为掩膜层，再利用icp刻蚀技术对暴露出来的金刚石部分进行刻蚀，刻蚀深度为200nm。刻蚀结束后用酸除ti掩膜，得到金刚石条3的阵列，其高度为200nm，宽度为10μm，间距为5μm。再次采用mpcvd方法生长30nm本征单晶金刚石外延层2，生长条件为：反应气体为甲烷，氢气和氮气，生长气压80torr，气体流量为500sccm，甲烷所占的体积百分比为0.1％，氮气所占的体积百分比为0.001％，衬底温度为900℃。最终本征单晶金刚石外延层2中氮元素的浓度为0.01ppm。生长结束后，对样品进行酸处理，将表面从氢终端变成氧终端。然后利用标准光刻工艺和电子束蒸发薄膜淀积工艺同时制备叉指电极5和金属电极pad4，金属电极pad4和叉指电极5的材料为ti/au。
最终得到的三维探测器与传统平面探测器相比，深紫外区域光电流和响应度提高了100％，深紫外与可见光的响应抑制比提高了4倍，上升时间变快了一倍，下降时间变快了四分之一。
探测器件的响应度主要依赖于材料本身特性和器件设计。就材料本身而言，光照的有效面积与有效体积越大，则其响应度越高。对准一维输运而言，需要材料的尺寸足够小，这样有效体积和有效面积就比较小。因此，需要兼顾一维输运和大的有效面积和有效体积，从而提升器件性能。
而现有的三维电极结构中，是将金属柱状电极或者石墨柱状电极埋入金刚石内部，起到改善电场的作用。在本发明中，采用的是将金刚石加工成条形结构，将电极设置成与金刚石垂直的形式，使得载流子限制在金刚石条中实现准一维输运，并且低维材料具有大的表面积/体积比，使得器件的内部光增益提高，综合提升了器件的响应度和响应时间。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。