一种金刚石位置灵敏探测器的制备方法与流程

本发明属于探测器领域，具体涉及一种金属位置灵敏探测器的制备方法。

背景技术：

位置灵敏探测器是指一种输出的数据信号与粒子束流(包括光束)施加位置呈现一定关系的半导体器件，这类探测器因此通常被用于同步辐射x射线束监测、放射性线束监测及带电粒子束监测等领域。目前，常见的平面位置灵敏探测器多是基于横向光电效应原理，横向光电效应是指当p-n结或金属-半导体结的一面被非均匀照射时，在平行于结的一面出现电势差的现象。这类探测器多具有四边型结构、两面型结构、二维枕型结构或方型结构等。

金刚石凭借其优异的电、光、热、力学等性质，成为一种优异的半导体材料。但由于金刚石难以进行n型掺杂，所以目前的金刚石位置灵敏探测器多是基于横向光电效应下的金属-金刚石结进行的。

技术实现要素：

本发明要解决现有二维位置灵敏探测器的电极作用单一，相邻电极间空隙大的问题，而提供一种金刚石位置灵敏探测器的制备方法。

本发明金刚石位置灵敏探测器的制备方法按以下步骤实现：

一、将单晶cvd金刚石置于沸腾的混酸浴内处理30～60min，然后依次在去离子水、无水乙醇和丙酮里分别超声清洗5～30min，得到清洗后的金刚石；

二、将具有四个圆心角为90°扇形结构的不锈钢掩膜板固定在清洗后的金刚石的表面，四个圆心角为90°扇形结构形成圆形，清洗后的金刚石的背面粘贴在玻璃片上，得到带有玻璃片的金刚石；

三、将au靶安装至磁控溅射靶上，将步骤二得到的带有玻璃片的金刚石置于真空磁控溅射镀膜系统内的加热台上，启动真空系统将真空仓内抽成真空，使得真空度为1.0×10^-4～8.0×10^-4pa，采用磁控溅射法，在ar气氛的保护下，控制ar气流量为10～30sccm，控制溅射功率为30～50w进行沉积金电极，沉积生长有四个圆心角为90°扇形结构的金电极，得到溅射有电极的金刚石；

四、将不锈钢掩膜板从溅射有电极的金刚石上分离下来，得到镀有金电极的金刚石；

五、将镀有金电极的金刚石固定在焊盘上，四个金电极分别用导线与焊盘上的四个条形电极连接，得到具有四电极的二维平面结构的金刚石位置灵敏探测器。

本发明当光束穿透电极时，由于光辐照在两侧电极上的面积不同导致不同电极处载流子浓度不同，进而在金属-半导体结存在电势差。本发明制备了一种新型金刚石位置灵敏探测器，具有电极结构简单、粒子束透过率高等优点。

本发明金刚石位置灵敏探测器的主要包括以下有益效果：

1、金刚石表面的电极为四个圆心角为90°扇形结构，结构简单，金刚石表面的电极不仅收集光生载流子，还能与金刚石形成金属-半导体结，进而形成内建电场，促使载流子扩散漂移；

2、电极面积大、基本覆盖金刚石表面，增强了电极对载流子的收集效率，且电极间空隙仅为0～1mm，如用于同步辐射白光光束探测领域，有更优异的灵敏性和透过率。

附图说明

图1是本发明金刚石位置灵敏探测器的结构示意图；

图2是测试过程中不同偏压下，金刚石位置灵敏探测器在正反向偏压下电流信号差异与光束位置关系曲线图，其中■代表iu＝100v+iu＝-100v，●代表iu＝80v+iu＝-80v，▲代表iu＝60v+iu＝-60v，▼代表iu＝40v+iu＝-40v，◆代表iu＝20v+iu＝-20v。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式金刚石位置灵敏探测器的制备方法按以下步骤实施：

一、将单晶cvd金刚石置于沸腾的混酸浴内处理30～60min，然后依次在去离子水、无水乙醇和丙酮里分别超声清洗5～30min，得到清洗后的金刚石；

二、将具有四个圆心角为90°扇形结构的不锈钢掩膜板固定在清洗后的金刚石的表面，四个圆心角为90°扇形结构形成圆形，清洗后的金刚石的背面粘贴在玻璃片上，得到带有玻璃片的金刚石；

三、将au靶安装至磁控溅射靶上，将步骤二得到的带有玻璃片的金刚石置于真空磁控溅射镀膜系统内的加热台上，启动真空系统将真空仓内抽成真空，使得真空度为1.0×10^-4～8.0×10^-4pa，采用磁控溅射法，在ar气氛的保护下，控制ar气流量为10～30sccm，控制溅射功率为30～50w进行沉积金电极，沉积生长有四个圆心角为90°扇形结构的金电极，得到溅射有电极的金刚石；

四、将不锈钢掩膜板从溅射有电极的金刚石上分离下来，得到镀有金电极的金刚石；

五、将镀有金电极的金刚石固定在焊盘上，四个金电极分别用导线与焊盘上的四个条形电极连接，得到具有四电极的二维平面结构的金刚石位置灵敏探测器。

本实施方式通过金属-金刚石-金属接触，制备了一种位置灵敏探测器，即输出电流信号与束流位置存在一定的线性关系。

本实施方式金相对探针的表面接触电势高于金刚石，根据功函数与接触电势的关系，推导得到金的费米能级高于金刚石。当金与金刚石接触时，金中的电子载流子向金刚石扩散，在金刚石一侧形成耗尽层，直到金与金刚石的费米能级相等时，电子的扩散停止，体系达到动态平衡。金刚石的费米能级逐渐升高，能带在耗尽层区域发生弯曲，界面处能级明显低于金刚石内部，所以形成势垒即内建电场。当施加光照后，光束穿透电极在耗尽层产生电子-空穴对，电子背着电场方向漂移，空穴向着电场方向漂移，这就导致势垒高度降低，能带弯曲程度降低，但是在无光照的电极区域，势垒高度没有降低。当施加正向偏压时，电压方向与内建电场方向一致；当施加反向偏压时，电压方向与内建电场方向相反所以产生的光电流信号在大小上存在差异。随着光照位置的改变，电流信号差异变化。电流信号差异与位置呈现线性关系。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一所述的单晶cvd金刚石的尺寸大小为3.0×3.0mm²，厚度为0.5mm。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一中的混酸是体积比为1:1:1的质量分数为68％的硝酸、质量分数为70％的高氯酸和质量分数为98％硫酸的混合酸。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中以300～600w的功率超声清洗15～30min。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤三中启动真空系统将真空仓内抽成真空，使得真空度为4.5×10-⁴pa。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三采用磁控溅射法，在ar气气氛的保护下，控制ar气流量为20sccm，控制溅射功率为40w进行沉积1～2min。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤三中金电极的厚度为20～50nm。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三中相邻金电极的间距为0～1mm。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤五将镀有金电极的金刚石用银胶固定在焊盘上。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤五中所述的导线为银线。

实施例：本实施例金刚石位置灵敏探测器的制备方法按以下步骤实施：

一、将尺寸大小为3.0×3.0mm²，厚度为0.5mm的单晶cvd金刚石置于沸腾的混酸浴内处理40min，然后依次在去离子水、无水乙醇和丙酮里分别超声清洗22.5min，得到清洗后的金刚石，其中混合强酸是由体积比为1:1:1硝酸：高氯酸：硫酸混合而成；

二、将具有四个圆心角为90°扇形结构的不锈钢掩膜板固定在清洗后的金刚石的表面，四个圆心角为90°扇形结构形成圆形，清洗后的金刚石的背面粘贴在2.0×6.0cm²的玻璃片上，得到带有玻璃片的金刚石；

三、将au靶安装至磁控溅射靶上，将步骤二得到的带有玻璃片的金刚石置于真空磁控溅射镀膜系统内的加热台上，启动真空系统将真空仓内抽成真空，使得真空度为4.5×10^-4pa，采用磁控溅射法，在ar气氛的保护下，控制ar气流量为20sccm，控制溅射功率为40w进行沉积金电极，沉积生长有四个厚度为25nm圆心角为90°扇形结构的金电极，相邻金电极的间距为0.5mm，得到溅射有电极的金刚石；

四、将不锈钢掩膜板从溅射有电极的金刚石上分离下来，得到镀有金电极的金刚石；

五、将镀有金电极的金刚石用银胶固定在尺寸大小为2×2cm²的塑料焊盘上，四个金电极分别用导线与pcb焊盘上的四个条形电极连接，得到具有四电极的二维平面结构的金刚石位置灵敏探测器。

对本实施例得到的金刚石位置灵敏探测器进行性能测试，以金电极的圆心为原点，选择图1中的a和b两个电极，施加偏压从-100v变化到100v，得到偏压大小分别为20v，40v，60v，80v，100v条件下，采用oceanoptics公司生产的型号为dh2000的激光器作为复合光源照射金电极，光斑直径为1.96mm，沿着x轴方向改变光束位置，测试得到正向偏压和反向偏压大小为u下不同位置的光电流。设i+u为一定位置下正向偏压大小为u下复色光的光电流，设i-u为一定位置下反向偏压大小为u下复色光下的光电流，电流差异为δi＝i+u+i-u；根据光电流数据，作出δi与x位置的变化关系曲线图，如图2所示。由图可知，在一定距离范围(-1.0mm<x<1.0mm)内，电流信号差异与光束位置呈现线性关系，这表明该探测器具备良好的位置灵敏探测功能。