CN101586985A - 单片集成非制冷红外/紫外双色探测器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片集成非制冷红外/紫外双色探测器及其制造方法，属于光电探测器领域，它包括衬底，其紫外敏感薄膜结构与红外敏感薄膜结构集成在同一衬底材料上，从衬底向上依次为缓冲层、紫外敏感层、隔离层、红外探测结构；本发明在同一衬底上生长SiC、GaN系或AlxGa1－xN系等宽带隙高温半导体紫外敏感薄膜结构和铁电、氧化钒或非晶硅等非制冷红外敏感材料结构，用一种相对简单的材料生长方法和加工工艺实现了非制冷红外/紫外双色探测器的单片集成，拓展了响应频谱的范围，提高对目标的探测和识别概率，而且应用中无需低温要求，减小了器件体积，降低了加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器，尤其是一种单片集成非制冷红外/紫外双色探测器及其制造方法。
背景技术
红外/紫外(IR/UV)双色探测器双色探测技术可获得紫外和红外两个波段的信息，可增强对目标的识别能力，降低虚警率，是目前探测技术发展的研究热点之一，在森林火灾监测、室内外消防和安全监控等领域有重要的应用前景。目前通用的技术方案是将两套独立的红外探测器和紫外探测器简单组合而形成红外/紫外双色探测器，封装复杂，体积大、成本高；近来报道了一种基于GaN/AlGaN异质结构材料体系的单片集成红外/紫外探测器结构：在蓝宝石衬底上生长GaN/AlGaN p-n异质结，形成HEIWIP(Heterojunction InterfacialWorkfunction Internal Photoemission)探测器。其响应范围可覆盖红外和紫外波段。n+GaN emitter中，电子的势垒跃迁完成红外探测，AlxGa1-xN中电子从价带跃迁到导带完成紫外探测。但是红外响应部分一般工作在80K，需制冷。由于必须低温制冷方可获得高性能的系统应用，所以需要配以笨重而且昂贵的制冷系统才能应用，难以实现低成本的便携式系统需求。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种单片集成非制冷红外/紫外双色探测器及其制造方法，将SiC、GaN系和AlxGa1-xN系等紫外敏感宽带隙半导体薄膜和铁电、氧化钒和非晶硅等非制冷红外敏感材料薄膜结合起来生长在衬底同一侧，形成红外/紫外双色敏感薄膜，并通过半导体微细加工工艺实现单片集成非制冷红外/紫外双色探测器结构。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：一种单片集成非制冷红外/紫外双色探测器，它包括衬底，其紫外敏感薄膜结构与红外敏感薄膜结构集成在同一衬底材料上，从衬底向上依次为缓冲层、紫外敏感层、隔离层、红外探测结构，所述隔离层覆盖住紫外敏感层的一部分，红外探测结构在隔离层之上，所述紫外敏感层的另一部分上面置有叉指电极，与紫外敏感层构成紫外探测结构。
所述衬底可以是蓝宝石、硅或者碳化硅抛光衬底。
所述红外探测结构由电极和红外敏感层组成，其中电极可分别置于红外敏感层的两面或者两侧。
所述紫外敏感层为用分子束外延或金属有机物化学气相淀积系统生长的碳化硅、氮化镓-GaN或者铝镓氮-AlxGa1-xN系宽带隙半导体材料薄膜，其中AlxGa1-xN中的X值与具体应用有关。
所述红外敏感层为通过磁控溅射或者凝胶溶胶等化学合成方法制作的非制冷铁电材料、氧化钒、硫化铅或非晶硅材料层。
所述隔离层为用溶胶凝胶法或PECVD法制备的多孔二氧化硅层或者由二氧化硅牺牲层和氮化硅支撑层组成的复合层。
一种单片集成非制冷红外/紫外双色探测器制造方法，它首先在衬底上用分子束外延或金属有机物化学气相淀积方法生长紫外探测器敏感层，然后用沉积隔离层，接下来再用磁控溅射技术或其他方法沉积非制冷红外探测器敏感层，形成红外/紫外双色探测器复合材料结构，再应用常规的光刻、金属电极薄膜淀积、反应离子刻蚀半导体微细加工工艺进行红外探测器结构、紫外探测器结构制作，完成单片红外/紫外双色探测器芯片。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明在蓝宝石、硅或碳化硅衬底上生长SiC、GaN系或AlxGa1-xN系等宽带隙高温半导体紫外敏感薄膜结构，由于该类薄膜结构生长温度和器件可承受温度较高，可以避免表面继续生长铁电材料、氧化钒或非晶硅等非制冷红外敏感材料时的高温工艺而导致薄膜或器件性能的退化；同时，紫外敏感结构和红外敏感结构在衬底上方叠加生长而成，避免了复杂的双面加工工艺，从而用一种相对简单的材料生长方法和加工工艺实现了非制冷红外/紫外双色探测器的单片集成，在单个芯片上实现红外传感器和紫外传感器优势互补，可以拓展响应频谱的范围，提高对目标的探测和识别概率；通过一个集成探测器完成两个波段的探测，而且应用中无需低温要求，简化了系统的制作工艺和封装工艺，减小了器件体积，降低了加工成本。
附图说明
图1是制造红外/紫外双色探测器基本结构示意图；
图2是红外敏感层为BST材料的红外/紫外双色探测器结构示意图；
图3是红外敏感层为VOx材料的红外/紫外双色探测器结构示意图；
图4a-图4i是本发明BST/GaN红外/紫外双色探测器工艺过程示意图；
图5a-图5j是本发明VOx/GaN红外/紫外双色探测器工艺过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明提供一种单片集成非制冷红外/紫外双色探测器，制造的基本结构如图1所示，在衬底1上生长有缓冲层2，缓冲层2的上面是紫外敏感层3，紫外敏感层3的上面为隔离层4，隔离层4的上面为红外探测结构5；具体制作过程中，所述隔离层4为多孔二氧化硅隔热层或者由二氧化硅牺牲层和氮化硅支撑层组成的复合层，红外探测结构5由电极和红外敏感层组成，其中电极可分别置于红外敏感层的两面或者两侧，红外敏感层为铁电材料、氧化钒、硫化铅或非晶硅材料层，如图2所示的紫外/红外探测器结构，在衬底1上生长有缓冲层2，缓冲层2的上面是紫外敏感层3，紫外敏感层3的上面一部分是与紫外敏感层3构成紫外探测器结构的叉指电极5，另一部分被隔离层4覆盖，隔离层4是二氧化硅隔热层，隔离层4的上面为红外探测结构，该红外探测结构由红外敏感层6和位于红外敏感层6两面的电极组成，其中红外敏感层为铁电材料BST；如图3所示的紫外/红外探测器结构，在衬底1上生长有缓冲层2，缓冲层2的上面是紫外敏感层3，紫外敏感层3的上面一部分是与紫外敏感层3构成紫外探测器结构的叉指电极5，另一部被隔离层4覆盖，隔离层4是由二氧化硅牺牲层和氮化硅支撑层组成的复合层，隔离层4的上面为红外探测结构，该红外探测结构由红外敏感层6和位于红外敏感层6两侧面的电极组成，其中红外敏感层为VOx。
实施例一
该实施例是一种BST/GaN非制冷单片集成红外/紫外双色探测器的具体制作过程，应用该方法和材料制作的红外/紫外双色探测器具有如图2所示的结构，其具体步骤如下：
1)首先生长基本材料结构，在蓝宝石衬底上用MOCVD系统生长1.5μm的GaN缓冲层和2μm的非掺杂GaN紫外吸收层(Si掺杂浓度为1×1016cm-3)；用凝胶溶胶法生长2μm的多孔二氧化硅和PECVD生长200nm SiNx作为隔离层；用磁控溅射系统淀积Pt/Ti，以30nm Pt/100nm Ti复合金属薄膜作为红外探测器下电极；用磁控溅射系统淀积钛酸锶钡(BST)薄膜，厚度为500nm，温度为700℃；然后用常规半导体光刻工艺制作红外探测器上电极图形，光刻胶为AZ1500，其结构如图4a所示；
2)用磁控溅射系统淀积镍铬(NiCr)薄层金属50nm，用剥离方法形成红外探测器上电极，如图4b所示；
3)红外探测器台面图形光刻，光刻胶为AZ1500，如图4c所示；
4)用光刻胶做掩蔽，HF:H2O腐蚀液刻蚀BST到下电极Pt/Ti表面，形成红外探测器台面图形，如图4d所示；
5)光刻下电极图形，用光刻胶做掩蔽用Ar等离子反溅刻蚀PtTi形成下电极金属，如图4e所示；
6)用光刻胶做掩蔽，用反应离子刻蚀多孔二氧化硅至GaN表面形成红外探测器台面2，如图4f所示；
7)光刻紫外探测器梳状叉指电极图形，如图4g所示；
8)用电子束蒸发系统淀积Ni/Au：20nm/4000nm，剥离形成紫外探测器叉指电极，如图4h所示；
9)用光刻胶做掩蔽，感应耦合等离子刻蚀GaN层至高阻GaN缓冲层表面，如图4i所示。
实施例二
该实施例是一种VOx/GaN非制冷单片集成红外/紫外双色探测器具体制作过程，应用该方法和材料制作的红外/紫外双色探测器具有如图3所示的结构，其具体步骤如下：
1)在蓝宝石衬底上用MOCVD系统依次生长1.5μm的GaN缓冲层和2μm的非掺杂GaN紫外吸收层(Si掺杂浓度为1×1016cm-3)，如图5a所示；
2)用PECVD生长2.5μm厚度的疏松结构SiO2作为牺牲层，如图5b所示；
3)光刻桥面支撑脚图形，反应离子刻蚀去掉支撑脚位置SiO2，如图5c所示；
4)PECVD生长0.5μm Si3N5桥面支撑层，如图5d所示；
5)用磁控溅射法生长50nm VOx薄膜；用光刻胶掩蔽刻蚀出敏感元图形，如图5e所示；
6)用磁控溅射系统淀积NiCr/Au：50nm/300nm复合金属薄膜，用剥离方法形成红外敏感单元金属接触电极，如图5f所示；
7)用光刻胶做掩蔽，用反应离子刻蚀Si3N4和二氧化硅至GaN表面形成红外探测器台面，如图5g所示；
8)光刻紫外探测器梳状叉指电极图形，用电子束蒸发系统淀积Ni/Au：20nm/4000nm，剥离形成紫外探测器叉指电极，如图5h所示；
9)用光刻胶做掩蔽，感应耦合等离子刻蚀GaN层至高阻GaN缓冲层表面，形成紫外敏感元台面，如图5i所示；
10)用湿法化学腐蚀方法去掉SiO牺牲层完成VOx红外敏感单元悬臂微桥结构，如图5j所示。
在上述实施例中，衬底还可以应用硅或者抛光碳化硅等衬底，紫外敏感层材料可以使用碳化硅、或者铝镓氮系等宽带隙半导体材料，红外敏感层材料可以使用硫化铅或非晶硅等其他非制冷敏感材料。
Claims (10)
1、一种单片集成非制冷红外/紫外双色探测器，它包括衬底，其紫外敏感薄膜结构与红外敏感薄膜结构集成在同一衬底材料上，其特征在于：从衬底向上依次为缓冲层、紫外敏感层、隔离层、红外探测结构，所述隔离层覆盖住紫外敏感层的一部分，红外探测结构在隔离层之上，所述紫外敏感层的另一部分上面置有叉指电极，与紫外敏感层构成紫外探测结构。
2、根据权利要求1所述的单片集成非制冷红外/紫外双色探测器，其特征在于所述衬底可以是蓝宝石、硅或者碳化硅抛光衬底。
3、根据权利要求1所述的单片集成非制冷红外/紫外双色探测器，其特征在于所述红外探测结构由电极和红外敏感层组成，其中电极可分别置于红外敏感层的两面或者两侧。
4、根据权利要求1所述的单片集成非制冷红外/紫外双色探测器，其特征在于所述紫外敏感层为用分子束外延或金属有机物化学气相淀积系统生长的碳化硅、氮化镓-GaN或者铝镓氮-AlxGa1-xN系宽带隙半导体材料薄膜，其中AlxGa1-xN中的X值与具体应用有关。
5、根据权利要求1所述的单片集成非制冷红外/紫外双色探测器，其特征在于所述红外敏感层为通过磁控溅射方法或者凝胶溶胶化学合成方法制作的非制冷铁电材料、氧化钒、硫化铅或非晶硅材料层。
6、根据权利要求1所述的单片集成非制冷红外/紫外双色探测器，其特征在于所述隔离层为用溶胶凝胶法或PECVD法制备的多孔二氧化硅层或者由二氧化硅牺牲层和氮化硅支撑层组成的复合层。
7、一种单片集成非制冷红外/紫外双色探测器制造方法，其特征在于：在衬底上用分子束外延或金属有机物化学气相淀积方法生长紫外探测器敏感层，然后用沉积隔离层，接下来再用磁控溅射技术或其他方法沉积非制冷红外探测器敏感层，形成红外/紫外双色探测器复合材料结构，再应用常规的光刻、金属电极薄膜淀积、反应离子刻蚀半导体微细加工工艺进行红外探测器结构、紫外探测器结构制作，完成单片红外/紫外双色探测器芯片。
8、根据权利要求7所述的单片集成非制冷红外/紫外双色探测器制造方法，其特征在于所述紫外探测器敏感层为碳化硅、氮化镓-GaN或者铝镓氮-AlxGa1-xN系宽带隙半导体材料薄膜，其中AlxGa1-xN中的X值与具体应用有关。
9、根据权利要求7所述的单片集成非制冷红外/紫外双色探测器制造方法，其特征在于所述红外敏感层为铁电材料、氧化钒、硫化铅或非晶硅材料层。
10、根据权利要求7所述的单片集成非制冷红外/紫外双色探测器制造方法，其特征在于所述隔离层为用于隔热的多孔二氧化硅层或者由氮化硅支撑层、二氧化硅牺牲层组成的复合层。
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