CN100365829C - 氮化镓基紫外-红外双色集成探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN基紫外-红外双色集成探测器，包括：蓝宝石衬底上依次排列生长的n⁺-GaN电极层、GaN基多量子阱、Al_xGa_1-xN紫外吸收层，所述双色集成探测器还包括位于Al_xGa_1-xN紫外吸收层上的叉指电极、位于n⁺-GaN电极层上的欧姆接触外电极。其中利用了MSM结构紫外探测器的叉指电极作为红外量子阱探测器的一维光栅，实现了外加偏压控制的可选择双色探测。本发明的双色探测器较之于传统的红外双色探测器有更大的光谱波段跨度，可以获得目标的特征波段图像，目标信息更加丰富准确。

Description

氮化镓基紫外-红外双色集成探测器

技术领域

本发明涉及光电探测器，具体是指由氮化镓(GaN)基材料制成的紫外-红外双色集成探测器。

背景技术

所有的探测技术都是向获取更多目标信息的方向发展。如果一个热成像系统能同时在两个波段获取目标信息，就可对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果，并且在预警，搜索和跟踪系统中降低虚警率，显著提高系统的性能和各种武器平台上的通用性。双波段探测器既受单波段器件发展水平和对两波段热像系统需求的限制，又有自身从其器件制备到系统应用等多方面的困难。因此总体发展水平远低于单波段同类型的探测器。一般传统双波段热成像系统多只限于红外中长波探测，且多直接用两套单波段的热成像系统组合而成。由于光谱波段跨度的限制，难以获得目标的“彩色”热图像，因此难以获得更丰富准确可靠的目标信息。

而集成化的波段跨度较大的双色探测器有利于简化系统结构，拓宽光谱波段，获得目标更丰富的信息。近年来，随着用于红外探测的量子阱材料制备工艺的日趋成熟与金属-半导体-金属(MSM)紫外探测器的发展，已使得双色探测器的集成化与光谱波段跨度的拓宽成为可能。具体而言，对于量子阱红外探测器：(1)在工艺上用MBE生长大面积均匀量子阱材料的技术已趋成熟；(2)从设计角度看，量子阱红外探测器是基于量子阱的子带跃迁机制，可以很方便的通过对组分，阱宽等参数来选择响应波长；(3)这类材料很薄，有很高的响应速度。在紫外探测方面，GaN基紫外探测器能避免传统Si探测器的弱点：(1)AlGaN不吸收可见光和红外光，做成的紫外光探测器可以做到对可见光和红外光是盲区，不需要滤光系统；(2)不需要做成浅结，这样可以大大提高量子效率；(3)AlGaN的抗辐射能力强，可以在空间环境中得到很好的应用。并且在p-i-n型，p-n型，单势垒肖特基结型，异质结型，MSM型等各种结构的紫外探测器中，MSM结构由于制作简单，平面结构，便于集成，有较高的响应率和较快的响应速度而获得更多的重视。因此，人们期望能将MSM型紫外探测器和GaN量子阱探测器集成在一起，使探测的光谱波段跨度拓宽成为可能。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种将MSM型紫外探测器和GaN量子阱探测器集成在一起的紫外-红外双色集成探测器。

本发明的双色探测器包括：蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上通过分子束外延或金属有机气相化学外延沉积方法依次排列生长的n⁺-GaN电极层、GaN基多量子阱、Al_xGa_1-xN紫外吸收层，所述双色集成探测器还包括位于Al_xGa_1-xN紫外吸收层上的叉指电极、位于n⁺-GaN电极层上的欧姆接触外电极。其中Al_xGa_1-xN紫外吸收层中的x取值与要探测的紫外波长有关。

所说的GaN基多量子阱是由以Al_yGa_1-yN势垒层开始，GaN/Al_yGa_1-yN依次交替排列生长50个周期组成的，其中Al_yGa_1-y势垒层中的y取值与探测的红外波长有关。

本发明采用GaN/Al_yGa_1-yN作为多量子阱生长材料，是因为它有较大的导带带阶，可以使得子带间跃迁的吸收波长有较大跨度(0.7微米～14微米)，通过调节GaN量子阱厚度，Al_yGa_1-yN势垒高度，可使GaN量子阱子能带间的能量恰好对应于被探测的红外辐射光子能量，即可用于红外探测。采用Al_xGa_1-xN材料作为紫外吸收层材料，是因为Al_xGa_1-xN材料是波长范围连续可调的直接带隙半导体，带隙3.4～6.2eV，对应波长范围为200～365nm，覆盖了地球上大气臭氧层吸收光谱区(230nm～280nm)，适合于制作太阳盲区紫外探测器。所以选择GaN基材料既可满足双色探测需要，又利于材料的生长制备与集成。

本发明的探测器的工作过程：

当在叉指电极的一端和与n⁺-GaN电极层形成欧姆接触的外电极之间加上偏压时，本探测器成为红外多量子阱探测器。垂直入射的红外光经过叉指电极的光栅衍射作用，入射光中有了电场振动方向与量子阱垂直的有效分量，这部分入射光穿过对红外透明的Al_xGa_1-xN紫外吸收层到达多量子阱层，可被量子阱层有效吸收。在这里GaN量子阱中采用n型掺杂，导带的基态中有电子存在，吸收红外光，将电子从基态激发到连续态，同时由于在量子阱两端外加偏置电压，在此外电场作用下，光生载流子可被读出，完成红外光的探测。

当只在叉指电极两端加上正负电压时，又指间隙做紫外光的光敏面。Al_xGa_1-xN紫外吸收层与此电极形成了MSM结构的紫外探测器。MSM结构实质上是两个背靠背串联的肖特基结。由于电极上施加电压，于是在Al_xGa_1-xN层内形成电场，当光子入射到Al_xGa_1-xN上时，电子从价带激发到导带，产生光生电子空穴对，在叉指电极所形成的电场作用下，此电子空穴对向电极移动，在外电路形成电流信号，完成紫外光的探测。

本发明的双色探测器有如下的积极效果和优点：

1.探测光谱波段跨度大，可以获得目标的双特征波段热图像，目标信息更加丰富准确。

2.本发明巧妙地采用了MSM结构紫外探测器的叉指电极作为红外量子阱探测器的一维光栅，使两个分别响应不同波段的探测器可以集成在同一芯片上，利于系统集成。

3.本发明的红外量子阱和紫外吸收层的集成化设计有利于材料生长，简化系统结构，便于器件焦平面化，同时有助于缩小体积，降低成本，便于扩大其应用范围。

附图说明

图1为紫外-红外双色集成探测器的结构和功能实施示意图。

图2为叉指电极示意图。

具体实施方式

下面以紫外吸收峰254nm-红外吸收峰2.9微米的双色探测器为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

见图1，本发明的双色探测器包括：Al₂O₃蓝宝石衬底1，在蓝宝石衬底上通过分子束外延或金属有机气相化学沉积方法依次排列生长的n⁺-GaN电极层2、GaN基多量子阱(MQW)3、Al_xGa_1-xN紫外吸收层4、所述双色探测器还包括位于Al_xGa_1-xN紫外吸收层上的叉指电极5、位于n⁺-GaN电极层上的欧姆接触外电极6。

叉指电极既作为紫外探测器的电极，又作为红外量子阱探测器的一维光栅，为获得红外波段最大的光栅耦合效率和响应宽度，本发明的光栅采用了占空比50％的光栅，具体为指长80微米，宽2微米，指间隙距离2微米，每个电极有24条指，如图2所示。

GaN/Al_yGa_1-yN多量子阱是利用半导体材料外延的典型技术，如分子束外延技术或金属有机化学气相沉积技术等，在n⁺-GaN电极层上，以Al_yGa_1-yN势垒层开始，GaN/Al_yGa_1-yN依次交替生长50个周期。GaN和Al_yGa_1-yN的层厚和y的取值与要探测的红外波长有关。这是因为量子阱红外探测器的光谱灵敏度特性或者是子带间的跃迁能量，是由GaN阱的厚度和Al_yGa_1-yN势垒的高度决定，另外暗电流(主要是流过势垒的隧穿电流)由势垒厚度决定。故可通过改变Al_yGa_1-yN的组分和各层厚度来提高器件的性能。本实施例设定红外吸收峰在2.9微米附近，所以选定生长50个周期3.5nm厚的GaN/10nm厚的Al_0.35Ga_0.65N多量子阱，其中GaN量子阱中的掺杂浓度是8×10¹⁷cm^-3.当在叉指电极的一端和与n⁺-GaN电极层形成欧姆接触的外电极间加上偏压时，本探测器成为红外多量子阱探测器。设样品无光照时的电阻是R₁，串联一负载电阻R_L1及偏置电压V₁，有光照时，样品电导率增加，电阻R₁变化，负载电阻R_L1两端的电势差将变化，从V₃上即可检测出电压的变化。

当同时在叉指电极两端加上电压时，叉指间隙做光敏面。AlGaN紫外吸收层与此电极形成了MSM结构的紫外探测器。Al_xGa_1-xN材料是波长范围连续的直接带隙半导体，随材料Al组分的变化其带隙在3.4～6.2eV之间连续变化，本实施例设定紫外吸收峰在254nm，所以生长了100nm的Al_0.148Ga_0.852N紫外吸收层。设样品无光照时的电阻是R₂，串联一负载电阻R_L2及偏置电压V₂，有光照时，样品的电导率增加，电阻R₂变化，负载电阻R_L2两端的电势差将变化，从V₄上即可看到电压的变化。

Claims (1)

1.一种紫外—红外双色集成探测器，包括：蓝宝石衬底(1)，其特征在于：

在蓝宝石衬底(1)上置有通过分子束外延或金属有机气相化学外延沉积方法依次排列生长的n⁺-GaN电极层、GaN基多量子阱、Al_xGa_1-xN紫外吸收层，所述双色集成探测器还包括位于Al_xGa_1-xN紫外吸收层上的叉指电极、位于n⁺-GaN电极层上的欧姆接触外电极；其中Al_xGa_1-xN紫外吸收层中的x取值与要探测的紫外波长有关；

所说的GaN基多量子阱是由以Al_yGa_1-yN势垒层开始，GaN/Al_yGa_1-yN依次交替生长50个周期组成的；其中Al_yGa_1-yN势垒层中的y取值与要探测的红外波长有关。