[发明专利]一种半导体器件的三维电极结构及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及一种半导体器件的三维电极结构及其制备方法和应用。

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，热稳定性好，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复合，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，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。

粒子探测技术在核技术领域也是非常重要的技术。金刚石具有良好的抗辐照性能，在辐照下仍能保持器件的正常运行。金刚石也具有很高的热导率，将高能粒子实验中的热量及时有效地传到出去。同时，金刚石的介电系数小，在辐照下，器件的噪声电流不会变化，从而使得器件具有很高的分辨力，而这正是粒子探测器所需要的。

由于粒子的能量很高，与金刚石的相互作用要比紫外光的作用强烈，所以金刚石粒子探测器的结构是垂直电极结构，也就是三明治结构。早期的金刚石粒子探测器是以多晶金刚石薄膜为材料，属于硅上的异质外延，金刚石与硅的分离十分简单，采用三明治结构基本是在均匀的金刚石薄膜中。尽管如此，受到多晶金刚石晶界、缺陷等的影响，该结构存在着载流子的收集时间长和收集效率低等问题。

随着CVD单晶金刚石外延生长技术的突破，对金刚石粒子探测器的研究转向了单晶金刚石膜上，既有应用于包含单晶金刚石衬底的单晶金刚石外延生长层，也有应用于自支撑单晶金刚石膜。此时，存在着和金刚石紫外光电探测器相同的问题。金刚石粒子探测器采用三明治结构时，存在有效探测面积少、载流子漂移路径长和收集效率低等问题。采用共平面结构时，由于高能粒子的能量高，穿透深度大，电场的不均匀分布对器件性能影响也大。

发明内容

本发明的目的是提供一种半导体器件的三维电极结构，以解决采用垂直三明治电极结构时有效探测面积小、载流子收集时间长和收集效率低，采用共平面叉指电极结构时电场均匀性不佳的问题。

本发明半导体器件的三维电极结构，包括单晶金刚石晶片材料，单晶金刚石晶片材料上设置有分别作为正极和负极的两个金属电极pad，各个金属电极pad均连接一个或多个等距间隔设置的叉指电极，各叉指电极上均连接有一个或多个相互平行、且设置在单晶金刚石晶片材料内的柱状金属电极。

进一步的，柱状金属电极贯穿单晶金刚石晶片材料设置、或仅延伸一定深度设置。

进一步的，柱状金属电极为竖直设置或者倾斜设置。

进一步的，各叉指电极为平行电极或环形电极，且各叉指电极位于单晶金刚石晶片材料的表面或者内部。

进一步的，金属电极pad和叉指电极之间为桥接方式或者直接覆盖式连接。

进一步的，金属电极pad、叉指电极和柱状金属电极的材质相同或不同，但均要求为能与金刚石形成欧姆接触的金属或者能与金刚石形成导电碳化物的金属。

进一步的，单晶金刚石晶片材料为自支撑单晶金刚石膜，或者包含单晶金刚石衬底的单晶金刚石外延层。

进一步的，单晶金刚石晶片材料的形状为矩形、圆形、椭圆形或者其他形状，两个金属电极pad设置在单晶金刚石晶片材料的侧面、顶面或底面、且两个金属电极pad之间为共面或异面设置。