CN101710600A - 一种实现高光谱选择性光电探测器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体光电技术领域，涉及一种实现高光谱选择性光电探测器的方法，得到可对某一很窄范围内的光谱有响应的光电探测器。本发明采用两种或多种禁带宽度不同的半导体材料，利用禁带宽度较大的材料作为探测器的窗口层，该窗口层相当于一个滤波器，从而实现只对某一较窄光谱范围内的光有响应的探测器件。该方法适用的材料体系包括但不限于ZnO/GaN，GaN/p-ZnO/n-ZnO，GaN/ZnMgO，AlGaN/ZnO，AlGaN/ZnMgO，AlGaN/GaN，AlGaAs/GaAs，GaN/InGaN，ZnO/InGaN，ZnMgO/p-ZnO/n-ZnO，ZnMgO/p-AlGaN/n-AlGaN等等。本发明的有益效果是：该方法非常简单、便宜，并且几乎不额外增加探测器的体积。

Description

一种实现高光谱选择性光电探测器的方法

技术领域

本发明属于半导体光电技术领域，涉及一种实现对某一特定波长或波段的光谱进行选择性探测的方法。

背景技术

光电探测器是指对光子进行探测的器件。光子探测技术在军事和民用领域都有着广泛而重要的应用前景，例如在民用领域，它可用于火灾监测、光通讯、环境监测、医疗保健等方面；在军事领域，它在紫外告警、紫外通讯、紫外/红外复合制导和导弹探测等方面有广泛的应用。氧化锌(ZnO)及其相关材料具有相对较低的生长温度、有更强的抗辐射性能、而且成本低，原料丰富；另外ZnO在近紫外有很高的吸收系数而在可见光范围内有很高的透过率，这些性质都有利于制备高性能的探测器。从工作方式上划分，ZnO基光电探测器可以分为三种类型，光导型、金属-半导体-金属(MSM)结构和pn结型。光电导型探测器由于持久光电导作用，响应速度较慢，暗电流较大，且需要在偏置下才能工作。肖特基势垒探测器虽然是潜在的最快的探测器，但由于其势垒高度比较小，漏电流较大；且其耗尽区较窄，在耗尽区外的光生载流子大部分复合了而对光电流没有贡献，从而导致该结构的探测效率不高。而pn结型探测器则可以有效解决以上问题，它有效区内的较强电场可以把产生的电子空穴对快速扫入两边的掺杂区，从而减少了载流子通过辐射复合和其它非辐射复合途径的损失，有利于实现高响应速度、高灵敏度的探测器件。然而，在已进行的ZnO基材料的探测器研究中还主要集中在光导型和MSM结构上，而pn结型的光子探测器还非常少。这主要是因为未掺杂的ZnO通常表现为n型导电，而实现稳定高效的ZnO的p型掺杂目前还非常困难。人们也曾尝试了用其它已有的p型材料，如Si，6H-SiC，NiO，SrCu₂O₂等，与n型ZnO组合到一起形成pn结光子探测器。但是，很多时候由于两种材料具有不同的禁带宽度，这样得到的探测器往往会对很宽的光谱范围都有响应，探测器的光谱选择性比较差，同时紫外可见抑制比较小。在很多情况下，需要对某一特定波长或波段的光谱进行探测，这时候就需要光子探测器具有很高的光谱选择性。为了实现高光谱选择性，通常需要在探测器上加一个或多个滤波器。这种滤波器一般体积较大，易碎并且价格昂贵，这就增加了探测器的复杂程度和造价，也使得探测器的适用范围大为缩小。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现高光谱选择性光电探测器的方法，该方法简单易行，成本低，并且无需额外增加器件的体积。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种实现高光谱选择性光电探测器的方法，包括如下步骤：

首先，在p-GaN/Al₂O₃衬底上用分子束外延设备制备非掺杂ZnO薄膜，生长的温度范围是700～850℃，生长的氧气流量控制在0.6～1.0sccm，该ZnO薄膜呈现n型导电，电子浓度为1×10¹⁷～8×10¹⁷cm^-3，迁移率为15～40cm²V^-1S^-1；

其次，在GaN上蒸镀镍金电极，并通过在空气中300～500℃条件下、退火处理3～8分钟的方法实现电极与薄膜的欧姆接触，在ZnO上蒸镀铟电极，实现欧姆接触，在光照条件下，将光电探测器反向偏置测量光生电流，即可实现对光子的探测。

本发明的有益效果是：该方法简单易行，成本低，并且无需额外增加器件的体积。

附图说明

图1是本发明的ZnO/GaN pn结光电探测器的结构示意图。

图2是本发明在背入射条件下ZnO/GaN光电探测器的光谱响应曲线。其中，插图为正入射条件下的响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细地描述：

本发明采用两种或多种禁带宽度不同的半导体材料形成异质结光电探测器结构，其中禁带宽度较大的材料作为探测器的“滤波器”，使得探测器只对某一非常窄的光谱范围有响应，而在其它区域没有响应。该方法适用的材料体系包括但不限于ZnO/GaN，GaN/p-ZnO/n-ZnO，GaN/ZnMgO，AlGaN/ZnO，AlGaN/ZnMgO，AlGaN/GaN，AlGaAs/GaAs，GaN/InGaN，ZnO/InGaN，ZnMgO/p-ZnO/n-ZnO，ZnMgO/p-AlGaN/n-AlGaN等等。

下面以p型GaN和n型ZnO组合形成pn结光电探测器为例，说明本发明实现高光谱选择性光电探测器的方法，其是利用GaN的禁带宽度3.43eV比ZnO的禁带宽度3.37eV稍大的特点，将GaN作为探测器的“滤波器”，从而实现高光谱选择性的光电探测器。

实施例1，在固定的生长室真空和气体流量条件下，寻找最佳的衬底温度区间，生长高质量ZnO薄膜。

利用本发明设计的ZnO异质结器件结构，通过等离子体辅助分子束外延(P-MBE)设备，在p-GaN衬底上生长非掺杂n-ZnO薄膜(500nm)。将p-GaN衬底装入样品架，射频功率为300W，Zn源温度245℃，氧气的流量为0.8sccm。经2小时生长，得到了高质量的ZnO薄膜。

采用不同的生长温度A-700℃，B-800℃，C-850℃，制备了三个不同的样品。利用X射线衍射谱(XRD)对晶体结构进行表征，衍射峰(002)的峰值半高宽B＜C＜A。其中，B样品的峰值半高宽最窄(＜0.2°)，说明生长的ZnO薄膜具有明显的c轴择优取向和良好的结晶质量，ZnO薄膜生长的最佳温度为800℃。

霍尔测试表明B样品中电子浓度为1×10¹⁷cm^-3，电子迁移率为24cm²V^-1S^-1；p-GaN中空穴浓度为3×10¹⁷cm^-3，空穴迁移率为10cm²V^-1S^-1。

光致发光谱(PL)指出ZnO中的发光主要来自于自由激子复合发光，深能级缺陷发光几乎探测不到。利用场发射电子显微镜(SEM)对样品的表面形貌进行表征，样品具有很好的结晶质量。

实施例2，在固定的生长室真空和温度条件下，采用不同的气体流量，进行高质量ZnO薄膜的生长。

采用等离子体辅助分子束外延(P-MBE)设备，在固定的生长室真空和800℃温度条件下，采用不同的氧气流量，生长三个样品A-0.6sccm，B-0.8sccm，C-1.0sccm，生长时间为120分钟。

利用X射线衍射谱(XRD)对晶体结构进行表征，衍射峰(002)的峰值半高宽B＜C＜A。其中B样品衍射峰(002)的峰值半高宽较窄(＜0.2°)，说明在0.8sccm条件下生长的ZnO薄膜具有明显的c轴择优取向和良好的结晶质量。

利用场发射电子显微镜(SEM)对样品的表面形貌进行表征，样品具有很好的结晶质量。B样品薄膜表面平整，结晶质量较高，表面的平整度最高。

利用本发明，在p-GaN衬底上采用不同的氧气流量生长了高质量的ZnO薄膜，说明在0.8sccm条件下生长的ZnO薄膜具有良好的结晶质量。

实施例3，在固定的温度条件下，采用不同的退火时间，进行低阻欧姆电极接触的制备。

采用国产真空镀膜机设备，首先选用高纯金属镍金(Ni/Au)作为p-GaN的欧姆接触材料，蒸镀在p-GaN的样品上。

利用本发明，在固定的空气和温度条件下，采用三个不同的退火时间3分钟(A)，5分钟(B)，8分钟(C)，进行低阻欧姆电极接触的制备。在450℃条件下，三个样品金属接触电阻率A＞C＞B。通过霍尔表征，B样品为理想金属欧姆电极接触。同样通过真空蒸发工艺蒸镀金属铟(In)得到了良好的n-ZnO欧姆接触，电流-电压(I-V)曲线表明器件具有很好的整流特性，开启电压为4V。通过以上的结果，说明低阻p-GaN材料金属欧姆电极接触最佳退火温度在450℃，退火时间5分钟。

实施例4，在相同的测试条件下，将器件在不同的辐照条件下测量器件的光响应谱。

利用VG V80H分子束外延设备，在GaN/Al₂O₃衬底上生长ZnO薄膜。生长温度800℃，氧气流量为0.8sccm，ZnO层的厚度为500nm，呈现n型电导，电子浓度为1×10¹⁷cm^-3，电子迁移率为24cm²V^-1S^-1。于是，n型ZnO和p型GaN形成了pn结结构。在GaN上蒸镀镍金(Ni/Au)电极，在ZnO上蒸镀铟(In)电极，并通过在空气中450℃热退火处理5分钟，实现电极与薄膜的欧姆接触。电流-电压曲线显示该结构具有明显的二极管整流特性，开启电压在4V。在背入射条件下，该pn结探测器结构的示意图如图1所示。

本发明在正入射和背入射两种不同的辐射条件下测量器件的光响应，图2显示了背入射和正入射条件下ZnO/GaN pn结光电探测器的响应光谱。从图2中可以看出，背入射时响应谱为一个半宽度仅为17nm的窄带，即探测器具有良好的光谱选择性；而正入射时，该探测器在短波长的一侧有一个明显的拖尾，即探测的光谱选择性变差了。实验结果与上述推论完全一致，从而验证了该方法对实现高光谱选择性探测器的有效性。

Claims (1)

1.一种实现高光谱选择性光电探测器的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

首先，在p-GaN/Al₂O₃衬底上用分子束外延设备制备非掺杂ZnO薄膜，生长的温度范围是700～850℃，生长的氧气流量控制在0.6～1.0sccm，该ZnO薄膜呈现n型导电，电子浓度为1×10¹⁷～8×10¹⁷cm^-3，迁移率为15～40cm²V^-1S^-1；

其次，在GaN上蒸镀镍金电极，并通过在空气中300～500℃条件下、退火处理3～8分钟的方法实现电极与薄膜的欧姆接触，在ZnO上蒸镀铟电极，实现欧姆接触，在光照条件下，将光电探测器反向偏置测量光生电流，即可实现对光子的探测。

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