CN100334739C

CN100334739C - 紫外双波段氮化镓探测器

Info

Publication number: CN100334739C
Application number: CNB2005100254390A
Authority: CN
Inventors: 何政; 方家熊; 亢勇; 李雪
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: CN1677683A

Abstract

本发明公开了一种紫外双波段氮化镓(GaN)探测器，其探测波长为250-300nm和320-365nm。它的核心是通过利用电介质材料(例如HfO₂和SiO₂)构成高反射率的反射镜来取代传统需要由高Al的Al_xGa_1-xN(0.8≤x＜1)材料来构成反射镜，同时把器件的光敏部分和宝石衬底一起放入由上下反射镜构成的谐振腔中，避开了高Al含量反射镜制备上的难题，只需利用常规的半导体器件工艺就可实现探测波长为250-300nm和320-365nm的谐振腔结构的氮化镓紫外探测器的制备。

Description

紫外双波段氮化镓探测器

技术领域

本发明涉及紫外探测器，具体是指谐振腔结构的，紫外双波段氮化镓(GaN)探测器。

背景技术

一个由集成式紫外双波段探测器构成的成像系统，能在空间上同步获取目标的两个波段信息，可对复杂背景进行抑制，可大大提高系统的探测效率和准确性。因此，紫外双波段探测器在预警、搜索和跟踪系统中有着广泛的应用。

而目前GaN紫外探测器的探测波长主要集中在360nm范围，属于单波段紫外探测器。其结构为在宝石衬底上依次交替生长多个周期的Al_xGa_1-xN(x≈0.1)和AlN材料来构成反射率大约为99％的下反射镜，在下反射镜上依次排列生长Al_yGa_1-yN(0≤y≤x)隔离层、GaN吸收层、Al_yGa_1-yN(0≤y≤x)隔离层，再依次交替生长多个周期的Al_xGa_1-xN(x≈0.1)和AlN材料来构成反射率大约为70％左右的上反射镜。由于该结构的Al_xGa_1-xN中的Al含量(x≈0.1)比较低，这在目前的金属有机化学沉积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)材料生长条件下基本上能实现。

但是，如果仍然采用上述结构来实现探测波长为250-300nm和320-365nm的双波段探测，经过对上述结构的计算，特别是对250-300nm的波段，要求构成上下反射镜材料Al_xGa_1-xN中的Al含量x必须不低于0.8。这种高Al含量的Al_xGa_1-xN(0.8≤x＜1)材料在目前的MOCVD或者MBE生长条件下很难生长，这就成为谐振腔结构的探测波长为250-300nm和320-365nm双波段探测器的主要障碍。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用两种不同的电介质材料来构成高反射率的反射镜，这样可避开高Al含量的Al_xGa_1-xN(0.8≤x＜1)材料在反射镜制备上的瓶颈，再由这种反射镜来形成谐振腔式的探测波长为250-300nm和320-365nm的紫外双波段氮化镓探测器。

本发明的紫外双波段氮化镓探测器，包括：两面抛光的宝石衬底1，在宝石衬底的一面上依次排列沉积10～1000nm厚的下AlN缓冲层2，10～50nm厚的Al_0.34Ga_0.66N吸收层3，下电介质隔离层4，下反射镜5。Al_0.34Ga_0.66N吸收层3为250-300nm波段吸收层。

在宝石衬底1的另一面上的中间区域6依次排列沉积10～1000nm厚的上AlN缓冲层7，20～40nm厚的GaN吸收层8，上电介质隔离层9，上反射镜10。GaN吸收层8为320-365nm波段吸收层。在宝石衬底1的另一面上的中间区域6的二边区域11依次排列沉积上电介质隔离层12，上反射镜13。下反射镜5和上反射镜13构成探测波长为250-300nm的谐振腔。下反射镜5和上反射镜10构成探测波长为320-365nm的谐振腔。所说的第二区域11面积是中间区域6面积的8-10倍。

所说的下电介质隔离层4和电介质下反射镜5可以为下列任一组电介质材料，交替对数是指反射镜材料的交替生长周期数，每层的厚度是指反射镜材料交替生长时的每层的厚度：

隔离层材料	隔离层厚度	反射镜材料	交替对数	每层的厚度
隔离层材料	隔离层厚度	反射镜材料	交替对数	每层的厚度	SiO₂	150～250nm	HfO₂/SiO₂	3.5-5.5	28～41nm/42～60nm

SiO₂SiO₂Al₂O₃MgF₂CaF₂MgF₂MgF₂CaF₂CaF₂Al₂O₃

150～250nm150～250nm125～208nm163～272nm163～272nm163～272nm163～272nm163～272nm163～272nm125～208nm

Al₂O₃/SiO₂ZrO₂/SiO₂Al₂O₃/HfO₂MgF₂/HfO₂CaF₂/HfO₂Al₂O₃/MgF₂ZrO₂/MgF₂Al₂O₃/CaF₂ZrO₂/CaF₂Al₂O₃/ZrO₂

20.5-22.55.5-6.58.5-9.54.5-5.54.5-5.56.5-7.54.5-5.56.5-7.54.5-5.514.5-15.5

35～50nm/42～60nm30～43nm/42～60nm35～50nm/28～41nm45～65nm/28～41nm45～65nm/28～41nm35～50nm/45～65nm28～41nm/45～65nm35～50nm/45～65nm28～41nm/45～65nm35～50nm/28～41nm；

所说的上电介质隔离层9和电介质上反射镜10、13可以为下列任一组电介质材料，交替对数是指反射镜材料的交替生长周期数，每层的厚度是指反射镜材料交替生长时的每层的厚度：

隔离层材料	隔离层厚度	反射镜材料	交替对数	每层的厚度
隔离层材料	隔离层厚度	反射镜材料	交替对数	每层的厚度	SiO₂SiO₂SiO₂Al₂O₃MgF₂CaF₂MgF₂MgF₂CaF₂	150～250nm150～250nm150～250nm125～208nm63～272nm163～272nm163～272nm163～272nm163～272nm	HfO₂/SiO₂Al₂O₃/SiO₂ZrO₂/SiO₂Al₂O₃/HfO₂MgF₂/HfO₂CaF₂/HfO₂Al₂O₃/MgF₂ZrO₂/MgF₂Al₂O₃/CaF₂	1.5-2.53.5-4.51.5-2.53.5-4.51.5-2.51.5-2.52.5-3.51.5-2.52.5-3.5	28～41nm/42～60nm35～50nm/42～60nm30～43nm/42～60nm35～50nm/28～41nm45～65nm/28～41nm45～65nm/28～41nm35～50nm/45～65nm28～41nm/45～65nm35～50nm/45～65nm

CaF₂Al₂O₃

163～272nm125～208nm

ZrO₂/CaF₂Al₂O₃/ZrO₂

1.5-2.54.5-5.5

28～41nm/45～65nm35～50nm/28～41nm；

所说的上述GaN紫外探测器，若是光导器件，In/Au欧母电极层14置在GaN吸收层8上的四周边缘，上电介质隔离层9和上反射镜10的侧面，其厚度为10-40nm/100-300nm。In/Au欧母电极层15置在Al_0.34Ga_0.66N吸收层上的四周边缘，下电介质隔离层4和下反射镜5的侧面，其厚度为10-40nm/100-300nm。结构见图1。

若是肖特基器件，在GaN吸收层8和上电介质隔离层9之间还有半透明的，形成肖特基结的Ni/Au金属层16，其厚度为2-8/2-8nm；在Ni/Au金属层16上表面的中间有一凸起的加厚的Ni/Au电极层17，其厚度为10-40/100-300nm；Ti/Al/Ni/Au电极层18置在GaN吸收层上的四周边缘，上电介质隔离层9和上反射镜10的侧面，其厚度为10-40/50-150/10-40/100-300nm。在Al_0.34Ga_0.66N吸收层3和下电介质隔离层4之间还有半透明的，形成肖特基结的Ni/Au金属层19，其厚度为2-8/2-8nm；在Ni/Au金属层19上表面的中间有一凸起的加厚的Ni/Au电极层20，其厚度为10-40/100-300nm；Ti/Al/Ni/Au电极层21置在Al_0.34Ga_0.66N吸收层上的四周边缘，其厚度为10-40/50-150/10-40/100-300nm，结构见图2。

本发明是利用谐振腔对波长的选择原理和GaN和Al_0.34Ga_0.66材料对光的吸收波长不同设计了可同时监测探测波长为250-300nm和320-365nm的双波段紫外探测器件。

本发明的双波段紫外探测器的工作过程是：探测光从Al_0.34Gga_0.66N材料为的一边入射，由于上下反射镜的操作波长范围为250-365nm，当探测光波长大于365nm或小于250nm的光在谐振腔中产生的光生载流子很小，可以忽略不计；而波长在250-365nm范围内的光将在谐振腔中反复的被上下反射镜反射，来回的通过器件的吸收层直到大部分的光被相应的吸收层材料所吸收为止。当探测光的波长在250-300nm范围内时，由于Al_0.34Ga_0.66N吸收层的光敏面积将8-10于GaN吸收层所对应的光敏面积，因而，在Al_0.34Ga_0.66N为吸收材料的一边产生很强的光信号，另外由于部分探测光通过Al_0.45Ga_0.55N层到达了GaN吸收层，因此，也会在GaN为吸收层一边将产生很微弱光信号，可忽略不计；当探测光的波长在320-365nm范围内时，由于Al_0.34Ga_0.66N吸收层不吸收这个波长范围内的光，因而基本上全部透过该层被GaN吸收层所吸收，因而，不在Al_0.34Ga_0.66N吸收层这边产生信号，而在GaN吸收层这边产生强的光信号；当探测光的波长既有250-300nm又有320-365nm范围内的光时，波长在250-300nm范围内的光大部分被Al_0.34Ga_0.66N材料所吸收，而波长在320-365nm范围内的光被GaN材料所吸收，因而会在两边都产生很强的光信号。

下表列出了对该器件对探测光的判断方法：

本发明的优点是：与单色GaN紫外探测器相比，能在空间上同步获取目标的两个波段信息，可对复杂背景进行抑制，大大地提高了探测效率和和对目标识别的准确性。

附图说明

图1为双波段光导型GaN紫外探测器的结构示意图。

图2为双波段肖特基型GaN紫外探测器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例：以电介质SiO₂作为隔离层材料，由电介质SiO₂和HfO₂材料交替生长来构成的反射镜，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其具体制备步骤如下：

1.在两面抛光的宝石衬底1上利用MOCVD或者MBE在衬底的一面依次排列生长500nm的上AlN缓冲层7和30nm的GaN吸收层8，在衬底的另一面生长500nm左右的下AlN缓冲层2和30nm的Al_0.34Ga_0.66N吸收层3。

由于衬底两面的器件结构相同，因而工艺也相同，下面只阐述吸收层为GaN材料一边的器件的制备流程。

2.对上述样品表面进行处理：首先依次利用三氯甲烷、丙酮和乙醇对样品表面清洗，目的是除去表面的有机物；然后利用HNO₃∶H₂O＝1∶1或盐酸等其它的酸溶液再次对样品进行清洗，目的是除去表面的氧化物；然后利用氨水溶液对样品表面清洗，最后利用去离子水冲洗样品，在氮气下吹干备用。

3.对GaN吸收层进行第一次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)。

4.采用离子束刻蚀掉没有光刻胶掩盖的AlN和GaN层材料。

5.由于光导型和肖特基型器件的结构不同，因此它们的第5步骤工艺有差别，下面分别进行阐述：

肖特基型器件：

(1)第二次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)；

(2)利用磁控溅射生长Ti/Al电极层16，厚度为20nm/100nm；

(3)用乙醇或丙酮浮胶；

(4)利用快速退火装置在温度400-800℃，时间20s-120s分钟下退火；

(5)第三次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)

(6)利用磁控溅射生长肖特基结Ni/Au金属层16，其厚度为5nm/5nm；

(7)用乙醇或丙酮浮胶

光导型器件

(1)第二次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)；

(2)利用磁控溅射生长In/Au电极层14，其厚度为20nm/100nm；

(3)用乙醇或丙酮浮胶；

(4)第三次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)；

(5)固胶后离子束刻蚀；

(6)用乙醇或丙酮浮胶。

6.利用热电子束蒸发或者CVD生长SiO₂隔离层4和由SiO₂和HfO₂交替构成的上反射镜。

7.第四次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)。

8.利用离子束刻蚀到一定的深度，(也就是要刻蚀掉没有光刻胶保护的反射镜材料。

9.利用HF酸溶液来腐蚀掉隔离层材料SiO₂在

10.第五次光刻(涂胶、前烘、暴光、显影和后烘)。

11.利用磁控溅射生长加厚Ni/Au电极层，其厚度为10nm/300nm。

12.用乙醇或丙酮浮胶，焊电极。

Claims

1.一种紫外双波段氮化镓探测器，包括：两面抛光的宝石衬底(1)，其特征在于：在宝石衬底的一面上依次排列沉积10～1000nm厚的下AlN缓冲层(2)，10～50nm厚的Al_0.34Ga_0.66N吸收层(3)，下电介质隔离层(4)，下反射镜(5)，Al_0.34Ga_0.66N吸收层(3)为250-300nm波段吸收层；

在宝石衬底(1)的另一面上中间区域(6)依次排列沉积10～1000nm厚的上AlN缓冲层(7)，20～40nm厚的GaN吸收层(8)，上电介质隔离层(9)，上反射镜(10)，GaN吸收层(8)为320-365nm波段吸收层；在宝石衬底(1)的另一面上的中间区域(6)的二边区域(11)依次排列沉积上电介质隔离层(12)，上反射镜(13)；下反射镜(5)和上反射镜(13)构成探测波长为250-300nm的谐振腔；下反射镜(5)和上反射镜(10)构成探测波长为320-365nm的谐振腔；所说的二边区域(11)面积是中间区域(6)面积的8-10倍；

所说的下电介质隔离层(4)和电介质下反射镜(5)可以为下列任一组电介质材料，交替对数是指反射镜材料的交替生长周期数，每层的厚度是指反射镜材料交替生长时的每层的厚度：

隔离层材料隔离层厚度反射镜材料交替对数每层的厚度

SiO₂ 150～250nm HfO₂/SiO₂ 3.5-5.5 28～41nm/42～60nm

SiO₂ 150～250nm Al₂O₃/SiO₂ 20.5-22.5 35～50nm/42～60nm

SiO₂ 150～250nm ZrO₂/SiO₂ 5.5-6.5 30～43nm/42～60nm

Al₂O₃ 125～208nm Al₂O₃/HfO₂ 8.5-9.5 35～50nm/28～41nm

MgF₂ 163～272nm MgF₂/HfO₂ 4.5-5.5 45～65nm/28～41nm

CaF₂ 163～272nm CaF₂/HfO₂ 4.5-5.5 45～65nm/28～41nm

MgF₂ 163～272nm Al₂O₃/MgF₂ 6.5-7.5 35～50nm/45～65nm

MgF₂ 163～272nm ZrO₂/MgF₂ 4.5-5.5 28～41nm/45～65nm

CaF₂ 163～272nm Al₂O₃/CaF₂ 6.5-7.5 35～50nm/45～65nm

CaF₂ 163～272nm ZrO₂/CaF₂ 4.5-5.5 28～41nm/45～65nm

Al₂O₃ 125～208nm Al₂O₃/ZrO₂ 14.5-15.5 35～50nm/28～4lnm；

所说的上电介质隔离层(9)和电介质上反射镜(10、13)可以为下列任一组电介质材料，包括交替对数，每层的厚度：

隔离层材料隔离层厚度反射镜材料交替对数每层的厚度

SiO₂ 150～250nm HfO₂/SiO₂ 1.5-2.5 28～41nm/42～60nm

SiO₂ 150～250nm Al₂O₃/SiO₂ 3.5-4.5 35～50nm/42～60nm

SiO₂ 150～250nm ZrO₂/SiO₂ 1.5-2.5 30～43nm/42 ～60nm

Al₂O₃ 125～208nm Al₂O₃/HfO₂ 3.5-4.5 35～50nm/28～41nm

MgF₂ 163～272nm MgF₂/HfO₂ 1.5-2.5 45～65nm/28～41nm

CaF₂ 163～272nm CaF₂/HfO₂ 1.5-2.5 45～65nm/28～41nm

MgF₂ 163～272nm Al₂O₃/MgF₂ 2.5-3.5 35～50nm/45～65nm

MgF₂ 163～272nm ZrO₂/MgF₂ 1.5-2.5 28～41nm/45～65nm

CaF₂ 163～272nm Al₂O₃/CaF₂ 2.5-3.5 35～50nm/45～65nm

CaF₂ 163～272nm ZrO₂/CaF₂ 1.5-2.5 28～41nm/45～65nm

Al₂O₃ 125～208nm Al₂O₃/ZrO₂ 4.5-5.5 35～50nm/28～41nm；

所说的上述GaN紫外探测器，若是光导器件，In/Au欧母电极层(14)置在GaN吸收层(8)上的四周边缘，上电介质隔离层(9)和上反射镜(10)的侧面，其厚度为10-40nm/100-300nm；In/Au欧母电极层(15)置在Al_0.34Ga_0.66N吸收层上的四周边缘，下电介质隔离层(4)和下反射镜(5)的侧面，其厚度为10-40nm/100-300nm；

若是肖特基器件，在GaN吸收层(8)和上电介质隔离层(9)之间还有半透明的，形成肖特基结的Ni/Au金属层(16)，其厚度为2-8/2-8nm；在Ni/Au金属层(16)上表面的中间有一凸起的加厚的Ni/Au电极层(17)，其厚度为10-40/100-300nm；Ti/Al/Ni/Au电极层(18)置在GaN吸收层上的四周边缘，上电介质隔离层(9)和上反射镜(10)的侧面，其厚度为10-40/50-150/10-40/100-300nm；在Al_0.34Ga_0.66N吸收层(3)和下电介质隔离层(4)之间还有半透明的，形成肖特基结的Ni/Au金属层(19)，其厚度为2-8/2-8nm；在Ni/Au金属层(19)上表面的中间有一凸起的加厚的Ni/Au电极层(20)，其厚度为10-40/100-300nm；Ti/Al/Ni/Au电极层(21)置在Al_0.34Ga_0.66N吸收层上的四周边缘，下电介质隔离层(4)和下反射镜(5)的侧面，其厚度为10-40/50-150/10-40/100-300nm。