1、电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering88中子因为其特殊的物理性质，使其成为研究物体微观结构以及物体运动状态的理想工具，在军事国防、领土安全、科学研究、医学检查等许多研究领域运用广泛1。并且我国正在建成一大批中子实验仪器，这些仪器需要中子探测器，自主研发灵敏中子探测器对我国科技振兴有着重要意义。为了获得高性能的中子探测器，国内外研究人员做了不少研究工作，但是其工作主要集中在气体与闪烁体中子探测器领域。而半导体探测器材料的密度远大于气体，带电粒子在半导体中射程短
2、，产生的电子空穴对密度很高，电子和空穴在固体中的漂移速度比电子和离子在气体中的漂移速度小，横向扩散少，电荷收集距离短，因此更有利于实现高位置和时间分辨，并具有优异的 抑制能力。只是为了更好发挥其高位置、时间分辨以及强 抑制能力，还应提高半导体中子探测器的探测效率。基于上述考虑，本文提出研究一种微沟槽结构的硅肖特基探测器，相比于平面型，本探测器的微沟槽结构，可以增大中子转换层的接触面积，减少中子吸收率低和自吸收的问题，理论上能提高中子计数率。在传统工艺中，要获得微沟槽结构，需要使用干法刻蚀，容易造成材料损伤，漏电流偏高。本文利用硅片 110 面与 111面具有很高的刻蚀选择比这一特点，采用湿法刻
3、蚀工艺构建微沟槽结构，材料损伤显著降低，有利于提高探测器性能。1 探测器结构设计传统的平面型探测器是在器件表面沉积6LiF 或10B作为中子转换层2，当中子入射时，中子会和表面中子转换层反应生成次级带电粒子，这些次级带电粒子就近入射到半导体中产生电子空穴对，在探测器两端加上电压，电子空穴向两端移动，通过收集这些电信号以此来实现对中子的探测。平面型半导体中子探测器工作原理硅沟槽肖特基探测器制备及其电学性能测试杨淑婷邹继军*陈大洪葛子琪黄元美（东华理工大学机械与电子工程学院 江西省南昌市 330013）摘要：本文制作了硅沟槽型肖特基探测器，沟槽型结构相比于平面型不仅增大了中子转换层的接触面积同时还
4、能够减少自吸收问题。在工艺上，本文通过湿法刻蚀工艺，刻蚀出的沟槽垂直且刻蚀侧面光滑。对探测器进行电学性能测试，测得在电压-20V 时，其漏电流为 0.2A，在电压-30V 时，其电容值为 2.48pF。关键词：湿法刻蚀；硅微结构；肖特基探测器图 1：硅肖特基探测器结构示意图(b)沟槽型32(a)平面型电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering89如图 1(a)。对平面型半导体中子探测器来说，其性能取决于涂覆的中子转化层的厚度。如果中子转换层厚度越厚，其探测效率可能
5、就越高。但中子转换层不能无限度增厚，因为生成的次级带电粒子射程一定，如在射程之内未入射到半导体内产生电子空穴对，便会损失。该类探测器的最高探测效率仅为 4.5%3，这极大的限制了其实际应用。如图 1(b)所示，本文制作了一种具有微沟槽结构的硅肖特基探测器。微沟槽的形成，使得探测器不仅提高了中子被转换层吸收的几率，同时缩短次级带电粒子入射到半导体内的距离。以此来减小反应产物的自吸收问题，提高探测效率。3 硅微沟槽肖特基探测器的制备3.1 硅微沟槽肖特基探测器制备流程硅微沟槽探测器由（110）本征硅衬底上刻蚀沟槽型微结构后回填6LiF 而制成。硅衬底的电阻率为1104cm，厚度为 50010m，硅
6、衬底上利用化学气相沉积技术生长 Si3N4钝化层，其厚度为 50010nm。通过光刻在衬底上形成沟槽图案，其中光刻时光刻掩模版与硅片的面或面或面或面平行，这样在后续湿法刻蚀后方可形成垂直光滑的沟槽，用 BOE溶液对衬底上的 Si3N4进行刻蚀，刻蚀后将 Si3N4钝化层上的光刻胶去除，再通过氢氧化钾溶液湿法刻蚀，使其形成垂直的微沟槽，之后再通过 BOE 溶液去除 Si3N4钝化层。接下来将晶片正面沉积Au制成肖特基接触电极，晶片背面沉积 Al 制成欧姆接触电极。将6LiF 粉末与无水乙醇混合成悬浮液4，通过离心填充法5对微沟槽进行填充。其制备流程如图 2。3.2 硅微沟槽肖特基探测器制备工艺在
7、光刻前首先要对 Si 晶片进行划片，切成面积为4mm2的平行四边形，其中为了便于平整切割，平行四边形的两条边均对准 Si 晶片的解离面。在此过程中，晶片可能会沾染灰尘以及其他有机物，故在制作工艺之前先对划好的晶片进行清洗，以保证制作的探测器不受外界因素所影响。清洗主要是将样品依次置于丙酮、无水乙醇、超纯水溶液中，丙酮去除样品表面的有机物和灰尘，无水乙醇可与晶片上剩余的丙酮溶解，而超纯水可溶解无水乙醇。在清洗好后对硅表面采用化学气相沉积法生长氮化硅薄膜，其作用是在后续的湿法刻蚀中做阻挡层。之后对样品进行光刻，需要注意的是，因为湿法刻蚀是利用硅的各向异性以形成垂直微沟槽，故光刻时光刻掩模版要与硅片
8、的面或面或面或面平行。光刻后的样品表面在金相显微镜下观察如图 3(a)所示。在对样品光刻后，首先对 Si3N4钝化层进行刻蚀，去除掉暴露在光刻胶覆盖之外的 Si3N4，使得 Si3N4层形成微沟槽图案，其作为后续对 Si 刻蚀的阻挡层，以形成微结构。实验中对 Si3N4层刻蚀选用 BOE溶液，它是由氢氟酸与 NH4F 水溶液按 1:5 配置而成6，NH4F 水溶液由 20gNH4F 固体与 30g 超纯水配置而成，其约为 45ml，故 49%HF 水溶液约取 9ml。如图 3(b)所示，是样品在对 Si3N4层刻蚀后，在金相显微镜下效果图，其中紫红色的为剩余 Si3N4钝化层，其余为暴露出来的
9、硅。从图中可以看出，紫红色部分清晰，其余部分模糊，说明金相显微镜对焦在沟槽上，沟道与沟槽有高度差才会模糊，反过来也说明对 Si3N4钝化层刻蚀效果图 2：硅微沟槽肖特基探测器制备流程图图 3：样品在金相显微镜下效果图(a)50 倍镜头下光刻后样品(b)500 倍镜头下 BOE 刻蚀后样品电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering90明显。从图中量取宽度值可看出，在刻蚀Si3N4钝化层后，沟槽与沟槽间距比值依旧接近1:1，没有出现侧蚀现象，为后续对 Si 的湿法刻蚀
10、利好，同时也说明上一步光刻中选用的光刻胶与 BOE 溶液不发生反应且与样品黏合较紧。之后对 Si 进行刻蚀，对 Si 的湿法刻蚀选用 50%KOH 与无水乙醇混合的溶液，其比例 30:1。将样品放入配置好的 KOH 溶液中，因在常温下反应较慢故需将其放置在一定温度的水中加快其反应。便将装有 KOH溶液的烧杯放入恒温 60的水中，通过提高温度来加快反应速率，刻蚀时间为 150min。刻蚀后的衬底样品通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）观察其截面，样品截面 SEM 图如图 4 所示。该探测器是沟槽深度为 78m，沟槽间距为 35m，沟槽壁宽度为22
11、m。从图 4(a)中我们可以看出，湿法刻蚀后的沟槽是垂直刻下，并且完整性均匀性较好，对沟槽进行放大观察。从图 4(b)中可以看出，沟槽侧壁光滑，这有利于减小材料损伤，降低漏电流。在湿法刻蚀形成垂直深沟槽后，对样品进行沉积电极，样品正面沉积 Au 作为肖特基接触电极，样品反面沉积 Al 作为欧姆接触电极。在沉积电极之后，对样品进行中子转换层填充。称取适量6LiF 粉末与无水乙醇放入试管中混合，将试管放入超声机中超声制得6LiF 悬浮液。将样品放入装有6LiF 悬浮液的试管中，再把试管放入离心机中进行离心填充。填充好中子转换层之后将探测器与电路板相连，准备对探测器进行电学性能测试。4 硅微沟槽肖特
12、基探测器的测试4.1 硅微沟槽肖特基探测器I-V特性测试I-V 测试主要看漏电流大小，肖特基势垒的电流与电压关系为下式7：（1）式中：（2）（3）图 5 是沟槽深度为 78m，沟槽间距为 35m，沟槽壁宽度为 22m，灵敏区面积大小为 4mm2的硅单面沟槽型肖特基探测器，当反向偏压为 20V 时，器件漏电流图 4：样品沟槽截面 SEM 图(a)整体图(b)细节图图 5：硅微沟槽肖特基探测器的 I-V 特性曲线图 6：硅微沟槽肖特基探测器的 C-V 特性曲线电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Sof
13、tware Engineering91大小为 0.2A，漏电流密度为 510-6A/cm2。从图中可以看出该探测器反向截止正向导通，具有良好的肖特基势垒整流特性。这也说明正面沉积 Au 电极，反面沉积 Al电极分别与硅材料产生了肖特基和欧姆接触。4.2 硅微沟槽肖特基探测器C-V特性测试在对器件测试完 I-V 后，对器件进行 C-V 测试。如图6所示，是硅微沟槽肖特基探测器的C-V特性曲线图，在反向偏压 30V 时，探测器的电容值为 2.48pF，电容值密度为 6.210-11F/cm2。从图中我们可以看出探测器的电容随着反偏电压的增大而减小，符合实际理论。因为当电压越大时，耗尽区被拉宽，即耗
14、尽层厚度 W 增加故电容 C 减小。其电容与耗尽层的关系表达式为8：（4）5 总结本文通过湿法刻蚀工艺成功制作了硅沟槽型肖特基探测器，对探测器进行电学测试，测得探测器在反向偏压 20V 时，其漏电流为 0.2A，漏电流密度为 510-6A/cm2。在反向偏压 30V 时，其电容值为 2.48pF，电容值密度为 6.210-11F/cm2。测试数据表面通过湿法刻蚀制得的探测器具有良好的电学性能，在此基础上的探测器，有利于后续对其进行 粒子性能测试和中子计数测试。参考文献1 周健荣.二维位置灵敏 GEM 中子探测器研究 D.兰州大学,2020.2 Babcock R V,Davis R E,Rub
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16、struments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment,2003,500(1-3):272-308.4 马俊.大面积金硅面垒型核辐射探测器制备工艺及性能研究 D.东华理工大学,2018.5 Rola K P,Zubel I.Effect of molecular structure of alcohols on wet anisotropic etching of siliconJ.Sensors and Actuators A:Physical,2016,242:18-26.6 商亚峰.离子注入后氧化层BOE腐蚀工艺优化J.中国新技术新产品,2018(11):63-64.7 Zhu Z F,Peng X C,Zou J J,et al.A Study on the Electrical Properties of GaN-based Alpha Particle DetectorC/Applied Mechanic
