三维沟槽硅电极探测器及其制备方法

1.本发明属于光电探测器技术领域，涉及一种三维沟槽硅电极探测器及其制备方法。


背景技术：

2.目前，硅基光电探测器的应用存在以下问题，一方面，硅基光电探测器的性能受限于硅材料的光电特性，无法集成高密度光源、低损耗高速光电调制器等问题；另一方面，硅基光电探测器对光的吸收系数小，吸收光谱窄，绝大部分红外波长的光无法吸收，大大限制了硅基光电探测器的广泛应用。
3.二维光催化材料具有丰富的表面活性位点、独特的几何结构、可调的电子结构和良好的光催化活性，在光电探测领域具有潜在的利用价值。鉴于此，本发明运用zno/c2n 异质结作为光探测器的光吸收材料对新型探测器展开了研究，并对zno/c2n异质结施加应变以实现太阳能的有效利用。


技术实现要素：

4.为实现上述目的，本发明提供一种三维沟槽硅电极探测器，解决了现有探测器对光的吸收系数小，吸收光谱窄，不能充分吸收和利用太阳能的问题。
5.本发明还提供一种三维沟槽硅电极探测器的制备方法，该方法简化了探测器整体制备流程，实现了双面刻蚀，有效的改善了电场分布消除了机体的探测盲区。
6.本发明所采用的技术方案是，三维沟槽硅电极探测器，由数个探测单元拼接而成，所述探测单元包括横截面为四边形的二氧化硅保护层，二氧化硅保护层上设有中空的直四棱柱状的外围电极，二氧化硅保护层上和外围电极内设置有硅基体和中心电极，所述硅基体包括基体部分和嵌套部分，基体部分的横截面尺寸与二氧化硅保护层的横截面相同，所述嵌套部分内嵌在外围电极内且位于基体部分上，所述中心电极与外围电极之间、嵌套部分与外围电极之间均填充隔离体，所述外围电极、中心电极和隔离体顶部均设有电极接触铝层，其中外围电极和中心电极两个电极接触铝层上均设有电极接触端口。
7.本发明所采用的另一技术方案是，一种三维沟槽硅电极探测器的制备方法，包括：
8.s1，氧化：将氧化炉清洗干净，取出芯片垂直放入石英石，在1000℃条件下，使氧气与硅经过化学反应生成氧化硅；
9.s2，标记和光刻：将芯片匀胶后放在光刻机下不断微调使得芯片上的标记与掩膜版上的标记精准吻合；将对准的芯片用紫外线曝光，最后将探测器图案转移至芯片上，通过显影价格探测器图案显现出来；
10.s3，电极制备：在20℃的环境条件下，用icp刻蚀工艺在芯片表面刻蚀出中空的沟槽，刻蚀深度为探测器高度的80％-90％，将杂质气体加入sih4气体，使混合气体在沟槽中化学沉积，不断扩散填满沟槽形成电极，电极包括中心电极(2)和外围电极(1)；在芯片另外一面刻蚀嵌套部分(3)并制备电极，其中嵌套部分(3)的刻蚀深度为探测器高度的10％；
11.s4，退火：将芯片放入退火炉，在600℃干燥的氮气环境下退火30分钟；
12.s5，电极金属化：在电极表面镀金属以便后续加压；
13.s6，封装：在芯片上划出探测器单元或阵列，用金属线把探测器上的电极点和外部管脚焊接起来，最后用塑料管壳密封包装。
14.本发明的有益效果是：引入二维光催化材料zno/c2n异质结来调节单层zno和c2n 的光吸收范围和强度，构建zno/c2n异质结使得二维材料带隙减小，伴随着带隙的减小，光吸收范围明显扩大，扩大到红外区域出现红移现象。zno/c2n异质结构中的层间耦合作用使得三维沟槽硅电极探测器光吸收强度增加，以确保探测器对太阳能的充分吸收和利用。本发明的zno/c2n异质结的构建可作为一种高效率的手段来调节单层zno和c2n 的光吸收范围和强度，以确保光探测器对太阳能的充分利用。本发明还给出了一种三维沟槽硅电极探测器的制备方法，该方法实现了探测器整体的双面刻蚀，有效的改善了电场分布消除了机体的探测盲区。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明实施例的三维沟槽硅电极探测器阵列图。
17.图2是本发明实施例的三维沟槽硅电极探测器结构示意图。
18.图3是本发明实施例的三维沟槽硅电极探测器结构侧视图。
19.图4是本发明实施例的隔离硅体上端呈棋格状凸起示意图。
20.图5是zno/c2n异质结示意图。其中，(a)是sc-i的zno/c2n异质结示意图， (b) 是sc-ii的zno/c2n异质结示意图，(c)是sc-iii的zno/c2n异质结示意图。
21.图6是zno单体，c2n单体和zno/c2n异质结吸收光谱图。
22.图7是zno/c2n异质结应变条件下的吸收光谱图。
23.图中，1.外围电极，2.中心电极，3.嵌套部分，4.电极接触铝层，5.二氧化硅保护层， 6.基体部分，7.隔离硅体。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.一种三维沟槽硅电极探测器，结构如图1所示，由数个探测单元阵列拼接而成，所述探测单元结构如图2～3所示，包括横截面为四边形的二氧化硅保护层5，二氧化硅保护层5上设有中空的直四棱柱状的外围电极1，二氧化硅保护层5上和外围电极1内设置有硅基体和中心电极2，硅基体包括基体部分6和嵌套部分3，基体部分6的横截面尺寸与二氧化硅保护层5的横截面相同，嵌套部分3内嵌在外围电极1内且位于基体部分6 上，中心电极2与外
围电极1之间、嵌套部分3与外围电极1之间均填充隔离体7，外围电极1、中心电极2和隔离体7顶部均设有电极接触铝层4，其中外围电极1和中心电极 2两个电极接触铝层4上均设有电极接触端口。
26.本发明外围电极1是n
+
重掺杂磷硅/p
+
重掺杂硼硅，其掺杂浓度为10
18
～5
×
10
19
cm-3
；中心电极2是p
+
重掺杂硼硅/n
+
重掺杂磷硅，其掺杂浓度为10
18
～5
×
10
19
cm-3
；基体部分6 是p型轻掺杂硼硅，其掺杂浓度为10
12
～10
14
cm-3
。
27.本发明的三维沟槽硅电极探测器，探测器的高度为300-500μm，可以保证粒子在入射时产生足够的强信号；二氧化硅保护层5厚度为1μm，起保护作用；基体部分6的高度为20-50μm，其目的是稳定器件的机械结构；嵌套部分3高度为30-50μm，其嵌套部分3的高度是探测器高度的10％；外围电极1的电极宽度为10μm；中心电极2的电极直径是10μm；隔离体7是二维光催化材料zno/c2n异质结，其宽度是50μm，由于探测器的电荷收集性能受到单元电极间距的限制，其间距过大或过小都会影响其阵列的大面积集成，因此本发明的隔离体7宽度选为50μm。
28.如图4所示，本发明的探测器顶部呈棋格状凸起，其中凸起部分以及每个凸起位置的四个侧面均为正方形，在图4中用阴影部分表示，正方形凸起的每个侧面的尺寸为 10
×
10μm；其凸起部分的四个侧面面积之和为增加的表面积，增加的表面积记为s，即 s＝10
×
10
×4×
60＝24000(μm2)；原三维沟槽电极硅探测器顶部接收表面积为(减去中央电极部分)：110
×
110-π5＝12021.5(μm2)；对比可知本发明的基于二维光催化材料 zno/c2n异质结的三维沟槽硅电极探测器顶部棋格状凸起的表面积约为原探测器的3倍，因此本发明基于二维光催化材料zno/c2n异质结的三维沟槽硅电极探测器对太阳能可以更好的吸收和利用。
29.本发明的三维沟槽硅电极探测器，其隔离体7是二维光催化材料zno/c2n异质结，其zno/c2n异质结由5
×
5zno超晶胞和2
×
2c2n超晶胞组成，该组合能够最大限度地减小应变对异质结的影响。本发明通过固定c2n平移zno到高对称位置的手段来构建 zno/c2n异质结，形成了具有三种堆叠结构(sc)的zno/c2n异质结。二维材料zno、 c2n在构建异质结过程中，受到不同端面接触点的影响会生成性能差异的异质结，本发明通过固定c2n平移zno到高对称点的手段形成了三种堆叠结构。计算表明sc
‑ⅲ
型的 zno/c2n异质结具有最低的形成能ef和结合能eb，因此sc
‑ⅲ
型的zno/c2n异质结结构比其他两种结构稳定，本发明隔离体7的二维光催化材料采用sc
‑ⅲ
型的zno/c2n异质结。应变不仅是异质结中常见的且不可避免的效应，也是用于改变异质结物理性质的有效手段。横向应变可以作为调节zno/c2n异质结的带隙、光吸收的有效手段，从而实现光探测器对太阳能的有效利用。
30.三种堆叠结构(sc)的zno/c2n异质结示意图如图5所示，其中(a)是sc-i的 zno/c2n异质结示意图，(b)是sc-ii的zno/c2n异质结示意图，(c)是sc-iii的 zno/c2n异质结示意图。可以看出单体zno、c2n的相对位置不同，所构建zno/c2n异质结性能有差异，本专利通过构建三种不同的堆叠结构从而选出最优的zno/c2n异质结结构。
31.热力学稳定性可以检查并确定zno/c2n异质结中最稳定的sc结构，通过以下公式计算异质结的结合能eb和形成能ef：
32.[0033][0034]
上式中，e
het
是zno/c2n异质结的总能量；s0是zno/c2n异质结的表面积；e
zno
是单层zno的能量；e
c2n
是单层c2n的能量；e
zn
、eo、ec、en分别表示单个原子zn、o、c、n在其最稳定阶段的平均能量；m
zn
、no、nc、nn分别表示zno/c2n异质结中 zn、o、c、n各原子的数量。
[0035]
三种堆叠结构(sc)的zno/c2n异质结计算结果如表1所示：
[0036]
表1 sc
‑ⅰ
，sc
‑ⅱ
，sc
‑ⅲ
异质结的晶格常数a、层间距d、形成能ef、结合能eb、带隙eg、功函数wf[0037][0038]
从上表可知，sc
‑ⅲ
型的zno/c2n异质结具有最低的形成能ff和结合能eb，因此 sc
‑ⅲ
型的zno/c2n异质结结构比其他两种结构稳定，本发明隔离体7的二维光催化材料采用sc
‑ⅲ
型的zno/c2n异质结。
[0039]
太阳能的利用首先是在光照下产生载流子，因此研究zno/c2n异质结的光学响应具有重要的意义。zno/c2n异质结的zno单层和c2n单层的吸收系数α(ω)可通过以下公式获得：
[0040][0041]
上式中，ε1(ω)是介电函数的实部；ε2(ω)是介电函数的虚部。
[0042]
二维光催化材料异质结是基于第一性原理计算(vasp)模拟设计合成的，vasp不仅能够计算得到各种体系的平衡结构和能量，而且还能够对材料的电子性质进行精确的预测，深度剖析材料的各种理化性质，vasp采用周期性边界条件(或超晶胞模型)，基于密度泛函理论对原子、分子、表面、团簇等多种体系进行几何结构优化得到稳定构型，进而获得各种结构参数，包括稳定构型的晶格常数、各原子的位置、原子间的键长和键角。其zno单体，c2n单体和zno/c2n异质结的吸收光谱如图6所示，图中对zno单体，c2n单体和zno/c2n异质结的吸收光谱进行了对比，由图6可知，zno/c2n异质结带隙较小，使其具有更宽的光学响应范围；zno/c2n异质结的吸收系数高于zno单体和 c2n单体，其系数可提高到1.2
×
105cm-1
时，zno/c2n异质结吸收性能的提高与载流子的有效分离密切相关。因此，zno/c2n异质结的构建可作为一种高效率的手段来调节单层 zno和c2n的光吸收范围和强度，以确保光探测器对太阳能的充分利用。
[0043]
应变不仅是异质结中常见的且不可避免的效应，也是用于改变异质结物理性质的有效手段。本发明选择横向应变调控zno/c2n异质结，从-6％到6％，步长设定为2％，如图7所示。图7表明横向应变可以改变zno/c2n异质结的光吸收性能，尤其是压缩应变可以拓宽光响应范围并提高吸收强度。综上所述，横向应变可以作为调节zno/c2n异质结的带隙、光
吸收的有效手段，从而实现光探测器对太阳能的有效利用。
[0044]
本发明实施例还提供了一种三维沟槽硅电极探测器的制备方法为：
[0045]
s1，氧化：将氧化炉清洗干净，取出芯片垂直放入石英石，在1000℃的高温条件下，使氧气与硅经过化学反应生成氧化硅。其中，干法氧化为si+o2＝sio2，湿法氧化为si+ 2h2o＝sio2+2h2。通常还会加入少量的氯化氢以及三氯乙烯作为杂质的吸附中心，以此来提升机体的性能。氧化是消除表面漏电流，在整个制备过程中起到保护作用。
[0046]
s2，标记和光刻：将芯片匀胶后放在光刻机下不断微调使得芯片上的标记与掩膜版上的标记精准吻合；将对准的芯片用紫外线曝光，最后将探测器图案转移至芯片上，通过显影价格探测器图案显现出来。标记和光刻可以使芯片上形成探测器单元和阵列图案。
[0047]
s3，电极制备：在20℃的环境条件下，用icp刻蚀工艺在芯片表面刻蚀出中空的沟槽，刻蚀深度为探测器高度的80％-90％，将杂质气体加入sih4气体，使混合气体在沟槽中化学沉积，不断扩散填满沟槽形成电极，电极包括中心电极2和外围电极1。本发明探测器需要双面刻蚀，因此重复此步骤，在芯片另外一面刻蚀嵌套部分3并制备电极，其中嵌套部分3的刻蚀深度为探测器高度的10％。
[0048]
s4，退火：将芯片放入退火炉，在600℃干燥的氮气环境下退火30分钟以此缺少缺陷。
[0049]
s5，电极金属化：在电极表面镀金属以便后续加压。
[0050]
s6，封装：在芯片上划出探测器单元或阵列，用金属线把探测器上的电极点和外部管脚焊接起来，最后用塑料管壳密封包装。
[0051]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围。