一種半導體器件的三維電極結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于光電探測技術領域，涉及一種半導體器件的三維電極結構。
【背景技術】
[0002]紫外光電探測技術是一種十分重要的技術，可廣泛應用于空間火焰檢測、煙霧報警、空間通信等領域。由于工作環(huán)境復雜惡劣，因此對探測器的材料要求很高。金剛石作為一種寬禁帶半導體，截止波長在225納米，具有天然的可見光濾光性，十分適合制備日盲紫外探測器。同時，金剛石具有很多優(yōu)異的性能，其熱導率高，熱穩(wěn)定性好，化學穩(wěn)定性好，具有良好的抗輻照性能。這些都使得金剛石在紫外探測器領域具有巨大的優(yōu)勢。
[0003]目前有許多人對金剛石紫外光電探測器做了研宄。但是，傳統(tǒng)金剛石紫外光電探測器電極結構主要是共平面叉指電極結構和垂直三明治結構。對垂直結構來說，電場均勻性好，有利于光生載流子的漂移運動，使得靈敏度和收集效率較高。由于紫外光在金剛石材料中穿透深度有限，于是需要金剛石薄膜做到很薄，并且成核面缺陷密度盡可能少，這樣，光生電子-空穴對在電極間的漂移過程中才會盡可能少地復合，從而使得到達電極處的載流子多，對電荷收集效率和靈敏度貢獻大。但是，對于金剛石外延薄膜和自支撐單晶金剛石膜，整體厚度較厚，對載流子的漂移和收集不利。
[0004]共平面叉指電極結構是對垂直三明治結構的改進。由于紫外光在金剛石膜中穿透深度比較小，主要集中于表面，因此在金剛石表面上制備叉指電極，可以較好地收集表面附近的光生電子-空穴對。由于紫外光在材料中衰減迅速，穿透一定深度后，對電流的貢獻很小，因此叉指電極的收集效率也是比較高的。并且叉指電極相互交錯，使得探測器有效探測面積增大，對探測器的響應度有很大的貢獻。但是，叉指電極的電場均勻性不如垂直結構，在紫外光功率較大時，電場分布的不均勻將會對光生電子-空穴對的收集產(chǎn)生影響。
[0005]粒子探測技術在核技術領域也是非常重要的技術。金剛石具有良好的抗輻照性能，在輻照下仍能保持器件的正常運行。金剛石也具有很高的熱導率，將高能粒子實驗中的熱量及時有效地傳到出去。同時，金剛石的介電系數(shù)小，在輻照下，器件的噪聲電流不會變化，從而使得器件具有很高的分辨力，而這正是粒子探測器所需要的。
[0006]由于粒子的能量很高，與金剛石的相互作用要比紫外光的作用強烈，所以金剛石粒子探測器的結構是垂直電極結構，也就是三明治結構。早期的金剛石粒子探測器是以多晶金剛石薄膜為材料，屬于硅上的異質外延，金剛石與硅的分離十分簡單，采用三明治結構基本是在均勻的金剛石薄膜中。盡管如此，受到多晶金剛石晶界、缺陷等的影響，該結構存在著載流子的收集時間長和收集效率低等問題。
[0007]隨著CVD單晶金剛石外延生長技術的突破，對金剛石粒子探測器的研宄轉向了單晶金剛石膜上，既有應用于包含單晶金剛石襯底的單晶金剛石外延生長層，也有應用于自支撐單晶金剛石膜。此時，存在著和金剛石紫外光電探測器相同的問題。金剛石粒子探測器采用三明治結構時，存在有效探測面積少、載流子漂移路徑長和收集效率低等問題。采用共平面結構時，由于高能粒子的能量高，穿透深度大，電場的不均勻分布對器件性能影響也大。
【實用新型內(nèi)容】
[0008]本實用新型的目的是提供一種半導體器件的三維電極結構，以解決采用垂直三明治電極結構時有效探測面積小、載流子收集時間長和收集效率低，采用共平面叉指電極結構時電場均勻性不佳的問題。
[0009]本實用新型半導體器件的三維電極結構，包括單晶金剛石晶片材料，單晶金剛石晶片材料上設置有分別作為正極和負極的兩個金屬電極pad，各個金屬電極pad均連接一個或多個等距間隔設置的叉指電極，各叉指電極上均連接有一個或多個相互平行、且設置在單晶金剛石晶片材料內(nèi)的柱狀金屬電極。
[0010]進一步的，柱狀金屬電極貫穿單晶金剛石晶片材料設置、或僅延伸一定深度設置。
[0011]進一步的，柱狀金屬電極為豎直設置或者傾斜設置。
[0012]進一步的，各叉指電極為平行電極或環(huán)形電極，且各叉指電極位于單晶金剛石晶片材料的表面或者內(nèi)部。
[0013]進一步的，金屬電極pad和叉指電極之間為橋接方式或者直接覆蓋式連接。
[0014]進一步的，金屬電極pad、叉指電極和柱狀金屬電極的材質相同或不同，但均要求為能與金剛石形成歐姆接觸的金屬或者能與金剛石形成導電碳化物的金屬。
[0015]進一步的，單晶金剛石晶片材料為自支撐單晶金剛石膜，或者包含單晶金剛石襯底的單晶金剛石外延層。
[0016]進一步的，單晶金剛石晶片材料的形狀為矩形、圓形、橢圓形或者其他形狀，兩個金屬電極pad設置在單晶金剛石晶片材料的側面、頂面或底面、且兩個金屬電極pad之間為共面或異面設置。
[0017]進一步的，各柱狀金屬電極與單晶金剛石晶片材料之間通過退火形成歐姆接觸。
[0018]本實用新型的有益效果是，結合平面電極結構和垂直電極結構的優(yōu)點，在自支撐單晶金剛石膜，或者包含單晶金剛石晶片襯底的單晶金剛石外延層內(nèi)引入體電極，實現(xiàn)紫外光或者粒子束激發(fā)的電子-空穴對的高效、快速收集，從而提高探測器的響應時間和靈敏度。同時，采用體電極結構，可以避開單晶金剛石晶片表面的復雜性，可以增加器件的穩(wěn)定性。并且，對粒子探測器來說，還能夠提高抗輻照性能。
【附圖說明】
[0019]圖1是本實用新型一種半導體器件的三維電極結構材料為單晶金剛石襯底與其外延生長薄膜的結構示意圖；
[0020]圖2是本實用新型一種半導體器件的三維電極結構襯底為自支撐式單晶金剛石膜的結構示意圖；
[0021]圖3是圖1中金屬電極pad為異面設置的結構示意圖；
[0022]圖4是圖2中金屬電極pad為異面設置的結構示意圖；
[0023]圖5是圖2中金屬電極pad設置在側面的結構示意圖；
[0024]圖6是圖1中柱狀金屬電極傾斜設置的結構示意圖；
[0025]圖7是本實用新型叉指電極為環(huán)形的結構示意圖；
[0026]圖8a和圖8b是本實用新型半導體器件的三維電極結構的制備方法中三維孔陣列方法的示意圖；
[0027]圖9a至圖9d是本實用新型半導體器件的三維電極結構的制備方法中三種三維孔穿入深度的示意圖；
[0028]圖1Oa至圖1Ob是本實用新型半導體器件的三維電極結構的制備方法中蒸發(fā)鍍膜金屬填充與表面電極形成的示意圖；
[0029]圖1la至圖1ld是本實用新型半導體器件的三維電極結構的制備方法中熔融金屬流填充與表面電極形成的示意圖。
[0030]圖中，1.金屬電極pad，2.叉指電極，3.柱狀金屬電極，4.自支撐式單晶金剛石膜，
5.單晶金剛石襯底，6.單晶金剛石外延生長薄膜，7.填充金屬，8.熔融金屬流，9.氧等離子體，10.掩膜。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進行詳細說明。
[0032]本實用新型提供了一種半導體器件的三維電極結構，包括單晶金剛石晶片材料，單晶金剛石晶片材料上設置有分別作為正極和負極的兩個金屬電極padl，各個金屬電極padl均連接一個或多個等距間隔設置的叉指電極2，各叉指電極2上均連接有一個或多個相互平行、且設置在單晶金剛石晶片材料內(nèi)的柱狀金屬電極3，各柱狀金屬電極3與單晶金剛石晶片材料之間通過退火形成歐姆接觸。
[0033]本實用新型在單晶金剛石晶片材料上，通過等離子體刻蝕技術，加工出三維平行孔陣列，然后利用金屬填充孔陣列，形成三維體電極。在單晶金剛石晶片表面或者體內(nèi)，用叉指電極將這些三維體電極相互連接，構成一種半導體器件的三維電極結構。
[0034]單晶金剛石晶片材料為自支撐單晶金剛石膜，或者包含單晶金剛石襯底的單晶金剛石外延薄膜。單晶金剛石晶片材料的形狀為矩形、圓形、橢圓形或者其他形狀。
[0035]其中，柱狀金屬電極3貫穿單晶金剛石晶片材料設置、或僅延伸一定深度設置。柱狀金屬電極3的位置，可以僅在外延層內(nèi)，或延伸到襯底中，還可以貫穿襯底。同樣的，也可以在自支撐金剛石膜內(nèi)，也可以貫穿自支撐金剛石膜。
[0036]柱狀金屬電極3為豎直設置或者傾斜設置，柱狀金屬電極3不僅限于垂直單晶金剛石晶片材料表面，也可以是與單晶金剛石晶片材料表面形成一定的角度傾斜設置，但要滿足柱狀金屬電極3之間相互平行。柱狀金屬電極3的形狀可以是圓柱、