高性能硅基金刚石深紫外（DUV）光电探测器，采用全碳电极并通过氧等离子体进行钝化处理

《Materials Science in Semiconductor Processing》：High-performance silicon-based diamond DUV photodetector with all-carbon electrodes and oxygen plasma passivation

　　

任梦梦|李亚鹏|吴国光|李恒|聂浩鑫|狄寅生|魏宁|张元涛|张宝林

中国吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点实验室，长春，130012

摘要

基于硅的晶片级多晶金刚石（PCD）为太阳盲深紫外（DUV）光检测提供了一个可扩展的平台，但其潜力往往受到晶界泄漏的限制。本文通过三步生长策略制备了高质量、高密度的PCD薄膜，有效缓解了晶界泄漏问题。为了优化界面接触，采用原位热解光刻胶的方法制备了全碳电极，消除了金属迁移和杂质污染的风险。此外，还使用了氧等离子体处理对表面进行了钝化。X射线光电子能谱显示表面键合转变为C=O和C-O结构，物理上切断了泄漏通道；光致发光分析证实了缺陷诱导的非辐射复合现象得到了抑制。因此，该MSM光探测器的性能与单晶器件相当，表现出极低的暗电流（0.53 pA）、3×10^12 Jones的特定检测灵敏度以及在20 V偏压下222 nm光照下的UV/可见光拒光比达到10^4。在20个独立器件上获得的高均匀性验证了该工艺的可靠性，为工业低成本PCD应用提供了可行的技术途径。

引言

在太阳盲DUV光探测器中，由于航空航天安全监测、电晕放电监测等应用的需求，人们对小型化和高密度集成提出了严格要求[[1], [2], [3]]。金刚石具有超宽的带隙（5.47 eV）和优异的热导率（2200 W m^-1 K^-1），非常适合这类应用[[4,5]]。虽然单晶金刚石（SCD）因成本高和尺寸小而受到限制，但基于硅的多晶金刚石（PCD）提供了一个可扩展的替代方案[[6], [7], [8]]。然而，PCD由于晶界处的泄漏路径而存在较高的暗电流和较低的灵敏度，导致迄今为止报道的高性能器件较为稀少[[8], [9], [10]]。因此，减轻缺陷引起的性能下降是关键挑战。

为了解决这些挑战，人们投入了大量努力设计和制造复杂的器件结构。Lagomarsino等人在PCD内部制备了三维石墨柱状电极，有效缩短了载流子漂移路径，使电荷收集效率接近100%[[11]]。Xu等人使用PCD/WO3异质结优化了能带对齐，将特定检测灵敏度（D*）提高到了6.16×10^8 Jones[[12]]。然而，这种多层结构中的晶格失配和界面效应使得对电学特性的精确控制变得复杂[[13]]。此外，工艺整合的复杂性对制造的可重复性和产量提出了严格要求[[14,15]]，这在一定程度上阻碍了基于PCD的光探测器向大规模工业应用的快速转化[[16,17]]。

我们提出了一种简便的协同策略，结合了热解全碳电极和氧等离子体钝化技术。通过光刻胶热解制备了全碳界面，完全避免了金属污染，并大大简化了器件制造过程。同时，氧等离子体处理有效钝化了金刚石表面缺陷，从而抑制了沿晶界的泄漏路径的形成。

章节摘录

实验

我们采用之前验证的三步生长策略（异质外延-抛光-同质外延）[18]，通过微波等离子体化学气相沉积在Si（111）衬底上制备了PCD薄膜。初始的异质外延过程持续21小时，H2/CH4流量为500/12 sccm（2.4% CH4），微波功率为5000 W，腔室压力为70 torr，温度为950°C。随后的短时间同质外延过程持续15分钟，H2/CH4流量为500/5 sccm（1% CH4），微波功率

结果与讨论

图2(a)显示，原始生长的异质外延金刚石薄膜具有粗糙的多面体形态。经过化学机械抛光（CMP）后，表面变得光滑平整，原子级平整度为0.22 nm（图2(b)）[19]。如图2(c)所示，拉曼光谱在1332.4 cm^-1处呈现出尖锐的金刚石峰，半高宽（FWHM）为4.40 cm^-1，未检测到非金刚石相，表明其晶体质量很高[20]。插图显示

结论

总之，我们展示了一种简单高效的基于硅的多晶金刚石全碳光探测器。该方法实现了良好的接触性能，同时避免了金属污染。经过氧等离子体钝化后，暗电流降低了近六个数量级，降至0.53 pA，PDCR达到10^4。同时，UV/可见光拒光比达到10^4，D*达到3×10^12 Jones。这项技术凸显了多晶金刚石的广泛应用潜力

CRediT作者贡献声明

任梦梦：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。李亚鹏：研究。吴国光：撰写——审稿与编辑、可视化、项目管理、资金获取。李恒：研究。聂浩鑫：研究。狄寅生：研究。魏宁：研究、可视化。张元涛：监督。张宝林：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了吉林省科技发展计划的资助，项目编号为20230201047GX。