CN101872798B - 一种紫外红外双色探测器及制作方法 - Google Patents

一种紫外红外双色探测器及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紫外红外双色探测器及制作方法。该紫外红外双色探测器包括：一衬底，在该衬底上进行紫外红外双色探测器用材料结构的生长；一缓冲层，生长在衬底之上；一第一n型欧姆接触层，生长在缓冲层之上，用于欧姆接触；由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层；一第二n型欧姆接触层，生长在多周期层之上，部分区域作为n型欧姆接触电极用；一禁带宽度为Eg3的本征层，生长在第二n型欧姆接触层之上，且Eg3≤Eg2；一透明电极，形成于禁带宽度为Eg3的本征层之上；一上电极，形成于透明电极上一小区域；一中电极，形成于第二n型欧姆接触层的电极窗口；以及一下电极，形成于第一n型欧姆接触层的电极窗口。

Description

一种紫外红外双色探测器及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器技术领域，尤其涉及一种紫外红外双色探测器及制作方法。
背景技术
国内外研制的双色或多色半导体探测器响应波长大多数分布在近、中、远红外范围。受半导体材料体系自身性质的限制，这些探测器无法同时探测紫外波段的辐射。
氮化镓(GaN)和氮化铝(AlN)是直接带隙半导体材料，禁带宽度分别为3.4eV、6.2eV左右。AlGaN合金材料的禁带宽度随着Al组分的增加而增加，对应的吸收峰分布在紫外光范围。利用n+-GaN/i-Al(In)GaN或n+-AlyGa1-yN/i-AlxGa1-xN(x＞y)异质结界面功函数内光电子发射效应可以实现红外探测。所以，GaN基材料(包括GaN、AlGaN、AlInGaN)为紫外红外多色探测器件的制备提供了很好的材料基础。
异质结界面功函数内光电子发射红外探测(heterojunction interfacialworkfunction internal photoemission，HEIWIP)就是利用高掺杂层和非掺杂层(高掺杂层的禁带宽度小于非掺杂层)异质结界面上的功函数差异通过内光电子发射实现红外探测，基本过程包括高掺杂层吸收红外光激发自由载流子，然后自由载流子穿越异质结界面、被加在本征层的电场收集产生电信号达到光探测目的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种紫外红外双色探测器及制作方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种紫外红外双色探测器，包括：
一衬底，在该衬底上进行紫外红外双色探测器用材料结构的生长；
一缓冲层，生长在衬底之上；
一第一n型欧姆接触层，生长在缓冲层之上，用于欧姆接触；
由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层，其中，第一本征层生长在第一n型欧姆接触层上，禁带宽度为Eg1，且为非故意掺杂；重掺杂n型层生长在第一本征层上，禁带宽度为Eg2，且Eg2＜Eg1；
一第二n型欧姆接触层，生长在多周期层之上，部分区域作为n型欧姆接触电极用；
一禁带宽度为Eg3的本征层，生长在第二n型欧姆接触层之上，且Eg3≤Eg2；
一透明电极，形成于禁带宽度为Eg3的本征层之上；
一上电极，形成于透明电极上一小区域；
一中电极，形成于第二n型欧姆接触层的电极窗口；以及
一下电极，形成于第一n型欧姆接触层的电极窗口。
上述方案中，所述衬底为蓝宝石(Al2O3)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)和氮化铝(AlN)等晶体材料中的一种，厚度在80微米至500微米之间。
上述方案中，所述缓冲层生长在衬底上，采用的材料是氮化铝和氮化镓、铝镓氮(AlGaN)、铝铟镓氮(AlInGaN)中的一种，厚度0.02微米至0.1微米。
上述方案中，所述第一n型欧姆接触层生长在缓冲层上，采用的材料是GaN或AlGaN、AlInGaN、AlN，厚度在1.5微米至5微米之间，掺杂浓度n在5×1017至5×1019cm-3，掺入的杂质为si。
上述方案中，所述禁带为Eg1的第一本征层生长在第一n型欧姆接触层上，材料为非故意掺杂的AlxGa1-xN或AlInGaN，电子载流子浓度为5×1015至5×1017cm-3，厚度为0.02至0.4微米。
上述方案中，所述禁带宽度为Eg2的重掺杂n型层生长在禁带宽度为Eg1的第一本征层上，采用的材料为AlyGa1-yN(y＜x)或AlInGaN，n型掺杂浓度浓度为5×1017至5×1019cm-3，厚度为0.02至0.4μm微米。
上述方案中，所述由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层为红外敏感区，其周期数为m，m在1～50之间。
上述方案中，所述第二n型欧姆接触层是生长在红外敏感区的多周期顶层上，部分区域将作为n型欧姆接触电极用，采用的材料为AlGaN或AlInGaN，n型掺杂浓度浓度为5×1017至5×1019cm-3，厚度在0.1至0.6μm微米之间。
上述方案中，所述禁带宽度为Eg3本征层生长在第二n型欧姆接触层上，采用的材料为GaN、AlGaN或AlInGaN，电子载流子浓度n为5×1015至5×1017cm-3，厚度在0.2至0.6μm微米之间。
上述方案中，当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积薄层金属形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，在p型层上淀积薄层金属形成透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区。
上述方案中，当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积的薄层金属是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，材料是GaN或AlGaN、AlInGaN，厚度0.01～0.2微米，p型掺杂浓度在5×1016～5×1019cm-3；在p型层上淀积薄层金属，金属材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成p型欧姆接触和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区。
上述方案中，所述上电极、中电极和下电极构成三电极结构，紫外探测用上电极与中电极，红外探测用中电极与下电极。
上述方案中，所述红外探测用的下电极制作在经刻蚀后露出的第一n型欧姆接触层上，红外探测和紫外探测共用的中电极制作在经刻蚀后露出的第二n型欧姆接触层上，两电极的材料依次为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10～20nm、150～250nm、30～80nm、150～500nm；紫外探测用的上电极制作在透明电极上的一小区域，电极材料依次为Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为5～20nm、5～250nm、30～80nm、150～500nm。
上述方案中，该探测器用于同时探测紫外红外辐射，探测紫外辐射的长波限由紫外敏感区的肖特基势垒结构或p-i-n结构中的本征层的禁带宽度Eg3确定；探测红外辐射的长波限由禁带宽度为Eg1的第一本征层与禁带宽度为Eg2重掺杂n型层构成的异质结界面上的功函数差异ΔIR确定，且Eg2＜Eg1。
一种紫外红外双色探测器的制作方法，包括：
在衬底上生长一缓冲层；
在缓冲层上生长一第一n型欧姆接触层，用于欧姆接触；
在第一n型欧姆接触层上相互交替生长第一本征层与重掺杂n型层，形成多周期顶层；
在多周期顶层生长第二n型欧姆接触层，部分区域作为n型欧姆接触电极用；
在第二n型欧姆接触层上生长一禁带宽度为Eg3(Eg3≤Eg2＜Eg1)的本征层；
在禁带宽度为Eg3的本征层上形成透明电极；
在透明电极上制作探测器上电极；
在第二n型欧姆接触层的电极窗口形成中电极；以及
在第一n型欧姆接触层的电极窗口形成下电极。
上述方案中，所述由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层为红外敏感区，其周期数为m，m在1～50之间。
上述方案中，所述在禁带宽度为Eg3的本征层上形成透明电极包括：
当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积的薄层金属是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；或
当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，材料是GaN或AlGaN、AlInGaN，厚度0.01～0.2微米，p型掺杂浓度在5×1016～5×1019cm-3；在p型层上淀积薄层金属，金属材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成p型欧姆接触和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区。
上述方案中，所述上电极、中电极和下电极构成三电极结构，紫外探测用上电极与中电极，红外探测用中电极与下电极；所述红外探测用的下电极制作在经刻蚀后露出的第一n型欧姆接触层上，红外探测和紫外探测共用的中电极制作在经刻蚀后露出的第二n型欧姆接触层上，两电极的材料依次为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10～20nm、150～250nm、30～80nm、150～500nm；紫外探测用的上电极制作在透明电极上的一小区域，电极材料依次为Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为5～20nm、5～250nm、30～80nm、150～500nm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的GaN基紫外红外双色探测器，紫外探测部分采用肖特基势垒结构或pin结构，由于红外辐射在GaN基材料中的穿透深度比紫外要大得多，本征GaN基材料的红外吸收系数也比重掺杂相应材料的小，红外探测采用在紫外吸收区下方的、多周期的n+-GaN/i-AlGaN或n+-AlyGa1-yN/i-AlxGa1-xN(x＞y)作为红外敏感区，采用多周期结构后充分利用HEIWIP效应，提高红外响应。
2、本发明提供的GaN基紫外红外双色探测器，采用三电极结构，即三电极结构中的中电极作为紫外、红外探测的公用电极，上电极和下电极分别作紫外、红外探测的另一电极，实现同时探测紫外、红外辐射。
3、本发明提供的GaN基紫外红外双色探测器，紫外探测区域采用肖特基势垒或pin结构，耗尽区较宽；肖特基势垒结构中采用厚度为4～10nm左右的Ni/Au或Pt/Au做透明电极，对紫外辐射吸收很小；p-i-n结构中顶层p型层可采用比i层禁带宽度大的薄层AlGaN合金材料，对i层材料吸收处于二者禁带宽度之间的紫外辐射来说是一透明窗口；紫外峰值响应度在器件无偏压条件下达到百毫安级/瓦。
4、本发明提供的GaN基紫外红外双色探测器，可以不用对紫外敏感区外加偏压，依靠器件本身的耗尽区电场可以实现紫外探测，即紫外探测部分由于采用肖特基势垒或pin结构，不需要外加偏压而达到探测紫外辐射的目的，可以避免GaN基材料光电导的影响。
5、本发明提供的GaN基紫外红外双色探测器，同时紫外探测部分采用肖特基势垒或pin结构，探测紫外部分具有暗电流小、响应速度快等优点。由于GaN、AlGaN材料对禁带宽度以上的紫外辐射的吸收系数大，达到105/cm数量级，紫外敏感区中的本征GaN或AlGaN对红外敏感区的材料来说是紫外滤波器，从而大大减少紫外辐射对红外敏感区的影响。
附图说明
图1是本发明紫外红外双色探测器肖特基势垒-HEIWIP结构实施例图；
图2是本发明紫外红外双色探测器p-i-n-HEIWIP结构实施例图；
图3是本发明紫外红外双色探测器肖特基势垒-HEIWIP器件结构示意图；
图4是本发明紫外红外双色探测器p-i-n-HEIWIP器件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1、图2所示，为本发明的紫外红外探测器两种材料结构示意图。在紫外红外双色探测器结构中，紫外探测区域采用肖特基势垒或pin结构，放在器件的顶部，红外探测采用多周期的n+-GaN/i-AlGaN或n+AlyGa1-yN/i-AlxGa1-xN(y＜x)作为红外敏感区，充分利用HEIWIP效应，提高红外响应。红外敏感区在器件紫外探测区域的下面，两者之间通过第二n欧姆接触层(n型浓度5×1017cm-3～5×1019cm-3)连接。
本发明提供的紫外红外双色探测器采用三电极结构，如图3、图4所示，包括：
一衬底，在该衬底上进行紫外红外双色探测器用材料结构的生长；
一缓冲层，生长在衬底之上；
一第一n型欧姆接触层，生长在缓冲层之上，用于欧姆接触；
由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层，其中，第一本征层生长在第一n型欧姆接触层上，禁带宽度为Eg1，且为非故意掺杂；重掺杂n型层生长在第一本征层上，禁带宽度为Eg2，且Eg2＜Eg1；
一第二n型欧姆接触层，生长在多周期层之上，部分区域作为n型欧姆接触电极用；
一禁带宽度为Eg3的本征层，生长在第二n型欧姆接触层之上，且Eg3≤Eg2；
一透明电极，形成于禁带宽度为Eg3的本征层之上；
一上电极，形成于透明电极上一小区域；
一中电极，形成于第二n型欧姆接触层的电极窗口；以及
一下电极，形成于第一n型欧姆接触层的电极窗口。
其中，衬底为蓝宝石、氮化镓、碳化硅和氮化铝中的一种，厚度在80微米至500微米之间。缓冲层生长在衬底上，采用的材料是氮化铝和氮化镓、铝镓氮、铝铟镓氮中的一种，厚度0.02微米至0.1微米。第一n型欧姆接触层生长在缓冲层上，采用的材料是GaN或AlGaN、AlInGaN、AlN，厚度在1.5微米至5微米之间，掺杂浓度n在5×1017至5×1019cm-3，掺入的杂质为si。禁带为Eg1的第一本征层生长在第一n型欧姆接触层上，材料为非故意掺杂的AlxGa1-xN或AlInGaN，电子载流子浓度为5×1015至5×1017cm-3，厚度为0.02至0.4微米。禁带宽度为Eg2的重掺杂n型层生长在禁带宽度为Eg1的第一本征层上，采用的材料为AlyGa1-yN或AlInGaN，y＜x，n型掺杂浓度浓度为5×1017至5×1019cm-3，厚度为0.02至0.4μm微米。由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层为红外敏感区，其周期数为m，m在1～50之间。第二n型欧姆接触层是生长在红外敏感区的多周期顶层上，部分区域将作为n型欧姆接触电极用，采用的材料为AlGaN或AlInGaN，n型掺杂浓度浓度为5×1017至5×1019cm-3，厚度在0.1至0.6μm微米之间。禁带宽度为Eg3本征层生长在第二n型欧姆接触层上，采用的材料为GaN、AlGaN或AlInGaN，电子载流子浓度n为5×1015至5×1017cm-3，厚度在0.2至0.6μm微米之间。
当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积薄层金属形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，在p型层上淀积薄层金属形成透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区。
当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积的薄层金属是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，材料是GaN或AlGaN、AlInGaN，厚度0.01～0.2微米，p型掺杂浓度在5×1016～5×1019cm-3；在p型层上淀积薄层金属，金属材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成p型欧姆接触和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区。
上电极、中电极和下电极构成三电极结构，紫外探测用上电极与中电极，红外探测用中电极与下电极。红外探测用的下电极制作在经刻蚀后露出的第一n型欧姆接触层上，红外探测和紫外探测共用的中电极制作在经刻蚀后露出的第二n型欧姆接触层上，两电极的材料依次为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10～20nm、150～250nm、30～80nm、150～500nm；紫外探测用的上电极制作在透明电极上的一小区域，电极材料依次为Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为5～20nm、5～250nm、30～80nm、150～500nm。
该探测器用于同时探测紫外红外辐射，探测紫外辐射的长波限由紫外敏感区的肖特基势垒结构或p-i-n结构中的本征层的禁带宽度Eg3确定；探测红外辐射的长波限由禁带宽度为Eg1的第一本征层与禁带宽度为Eg2重掺杂n型层构成的异质结界面上的功函数差异ΔIR确定，且Eg2＜Eg1。
基于图3和图4示出的紫外红外双色探测器的结构示意图，本发明还提供了一种紫外红外双色探测器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底上生长一缓冲层；
步骤2：在缓冲层上生长一第一n型欧姆接触层，用于欧姆接触；
步骤3：在第一n型欧姆接触层上相互交替生长第一本征层与重掺杂n型层，形成多周期顶层；
步骤4：在多周期顶层生长第二n型欧姆接触层，部分区域作为n型欧姆接触电极用；
步骤5：在第二n型欧姆接触层上生长一禁带宽度为Eg3的本征层，Eg3≤Eg2＜Eg1；
步骤6：在禁带宽度为Eg3的本征层上形成透明电极；
当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积的薄层金属是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；或当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，材料是GaN或AlGaN、AlInGaN，厚度0.01～0.2微米，p型掺杂浓度在5×1016～5×1019cm-3；在p型层上淀积薄层金属，金属材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成p型欧姆接触和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；
步骤7：在透明电极上制作探测器上电极；
步骤8：在第二n型欧姆接触层的电极窗口形成中电极；以及
步骤9：在第一n型欧姆接触层的电极窗口形成下电极。
实施例：
下面以红外紫外双色探测器采用肖特基势垒-HEIWIP结构为例，其结构是在蓝宝石衬底10上利用MOCVD或MBE设备依次生长AlN或GaN一薄层缓冲层11，厚度在0.02～0.1μm，在缓冲层11生长第一n型欧姆接触层12：n+-AlGaN或GaN，厚度在1.5～5.0μm，掺杂浓度n在5×1017cm-3～5×1019cm-3范围。在第一n型欧姆接触层12上依次生长本征层13/重掺杂层14：i-AlGaN/n+-GaN或i-AlxGa1-xN/n+-AlyGa1-yN(x＞y)，交替生长本征层l3/重掺杂层14形成多周期结构15，其中，i-AlGaN或i-AlxGa1-xN的电子载流子浓度为5×1014～5×1017cm-3，厚度为0.02～0.4μm微米；n+-GaN或n+-AlyGa1-yN的浓度n在5×1017cm-3～5×1019cm-3范围，厚度在厚度为0.02～0.3μm微米。在i-AlGaN/n+-GaN或i-AlxGa1-xN/n+-AlyGa1-yN(x＞y)多周期结构15的顶层上生长第二n欧姆接触层16：n+-GaN或n+-AlyGa1-yN，n在5×1017cm-3～5×1019cm-3范围，厚度在0.1～0.5μm微米范围。在第二n型欧姆接触层16上生长i-GaN或i-AlzGa1-zN非故意掺杂层17，电子载流子浓度为5×1014～5×1017cm-3，厚度在0.2～0.6μm微米之间。当紫外探测采用肖特基势垒结构时，外延生长结束。当紫外探测采用pin结构时，在图2的基础上，接着在非故意掺杂层17生长一层薄层18：p-GaN或p-AlGaN，空穴浓度为1×1015～5×1019cm-3范围，厚度在0.01～0.2μm微米之间。P-i-n-HEIWIP结构如图2所示。器件结构分别如图3、图4所示，其具体制作方法包括以下步骤：
步骤101：经第一次光刻工艺和干法刻蚀露出部分第二n型欧姆接触层16；再经过第二次光刻工艺和干法刻蚀露出部分第一n型欧姆接触层12，以便在其上做欧姆接触电极。
步骤102：经第三次光刻工艺形成透明金属窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备依次淀积薄层金属Ni/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，经退火后形成透明电极19。
步骤103：经第四次光刻工艺形成透明电极窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备依次淀积金属Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为10～20nm、150～250nm、30～60nm、150～500nm，形成双色探测器的上电极20。
步骤104：经第五次光刻工艺形成第一、第二重掺杂n型欧姆接触层窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备依次淀积金属Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10～20nm、150～250nm、30～60nm、150～500nm，形成双色探测器的中电极21、下电极22。
本发明的紫外红外探测器可以探测紫外红外辐射，探测紫外辐射的长波限由紫外探测区的肖特基势垒结构或pin结构中的本征层的禁带宽度Eg3确定；探测红外辐射的长波限由禁带宽度为Eg1的第一本征层与禁带宽度为Eg2(Eg2＜Eg1)重掺杂n型层构成的异质结界面上的功函数差ΔIR确定。
本发明的GaN基紫外红外双色探测器中，紫外探测部分采用肖特基势垒结构或pin结构：当采用肖特基势垒结构时为透明金属电极/本征GaN或者透明金属电极/本征AlGaN；当采用p-i-n结构时为p-(Al)GaN/i-GaN/n-GaN或者p-AlGaN/i-AlyGa1-yN/n+-AlyGa1-yN。紫外吸收区在器件的顶部。由于红外辐射在GaN基材料中的穿透深度比紫外要大得多，本征GaN基材料的红外吸收系数也比重掺杂相应材料的小，红外探测采用在紫外吸收区下方的、多周期的n+-GaN/i-AlGaN或n+-AlyGa1-yN/i-AlxGa1-xN(x＞y)作为红外敏感区，采用多周期结构后充分利用HEIWIP效应，提高红外响应。n+-GaN/i-AlGaN或n+-AlyGa1-yN/i-AlxGa1-xN(x＞y)HEIWIP红外探测器利用高掺杂的n+-GaN与i-AlGaN或高掺杂的n+-AlyGa1-yN与i-AlxGa1-xN构成的异质结界面上的功函数差ΔIR eV，通过高掺杂的GaN或AlyGa1-yN区吸收红外辐射(λ≤1.24/ΔIR μm)实现内光电子发射后穿越异质结界面、被加在本征层AlGaN或i-AlxGa1-xN的电场收集产生电信号而达到红外探测。在本发明的GaN基紫外红外双色探测器中，采用三电极结构，即三电极结构中的中电极作为紫外、红外探测的公用电极，上电极和下电极分别作紫外、红外探测的另一电极，实现同时探测紫外、红外辐射。
本发明的GaN基紫外红外双色探测器中，紫外探测区域采用肖特基势垒或pin结构，耗尽区较宽；肖特基势垒结构中采用厚度为4～10nm左右的Ni/Au或Pt/Au做透明电极，对紫外辐射吸收很小；p-i-n结构中顶层p型层可采用比i层禁带宽度大的薄层AlGaN合金材料，对i层材料吸收处于二者禁带宽度之间的紫外辐射来说是一透明窗口；紫外峰值响应度在器件无偏压条件下达到百毫安级/瓦。所发明的GaN基紫外红外双色探测器，可以不用对紫外敏感区外加偏压，依靠器件本身的耗尽区电场可以实现紫外探测，即紫外探测部分由于采用肖特基势垒或pin结构，不需要外加偏压而达到探测紫外辐射的目的，可以避免GaN基材料光电导的影响；同时紫外探测部分采用肖特基势垒或pin结构，探测紫外部分具有暗电流小、响应速度快等优点。由于GaN、AlGaN材料对禁带宽度以上的紫外辐射的吸收系数大，达到105/cm数量级，紫外敏感区中的本征GaN或AlGaN对红外敏感区的材料来说是紫外滤波器，从而大大减少紫外辐射对红外敏感区的影响。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种紫外红外双色探测器，其特征在于，包括：
一衬底，在该衬底上进行紫外红外双色探测器用材料结构的生长；
一缓冲层，生长在衬底之上；
一第一n型欧姆接触层，生长在缓冲层之上，用于欧姆接触；
由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层，其中，第一本征层生长在第一n型欧姆接触层上，禁带宽度为Eg1，且为非故意掺杂；重掺杂n型层生长在第一本征层上，禁带宽度为Eg2，且Eg2＜Eg1；
一第二n型欧姆接触层，生长在多周期层之上，部分区域作为n型欧姆接触电极用；
一禁带宽度为Eg3的本征层，生长在第二n型欧姆接触层之上，且Eg3≤Eg2；
一透明电极，形成于禁带宽度为Eg3的本征层之上；
一上电极，形成于透明电极上一小区域；
一中电极，形成于第二n型欧姆接触层的电极窗口；以及
一下电极，形成于第一n型欧姆接触层的电极窗口。
2.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、氮化镓、碳化硅和氮化铝中的一种，厚度在80微米至500微米之间。
3.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述缓冲层生长在衬底上，采用的材料是氮化铝和氮化镓、铝镓氮、铝铟镓氮中的一种，厚度0.02微米至0.1微米。
4.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述第一n型欧姆接触层生长在缓冲层上，采用的材料是GaN或AlGaN、AlInGaN、AlN，厚度在1.5微米至5微米之间，掺杂浓度n在5×1017至5×1019cm-3，掺入的杂质为si。
5.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述第一本征层采用的材料为非故意掺杂的AlxGa1-xN或AlInGaN，电子载流子浓度为5×1015至5×1017cm-3，厚度为0.02至0.4微米。
6.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述重掺杂n型层采用的材料为AlyGa1-yN或AlInGaN，y＜x，n型掺杂浓度浓度为5×1017至5×1019cm-3，厚度为0.02至0.4μm微米。
7.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层为红外敏感区，其周期数为m，m在1～50之间。
8.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述第二n型欧姆接触层是生长在红外敏感区的多周期顶层上，部分区域将作为n型欧姆接触电极用，采用的材料为AlGaN或AlInGaN，n型掺杂浓度浓度为5×1017至5×1019cm-3，厚度在0.1至0.6μm微米之间。
9.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述禁带宽度为Eg3的本征层采用的材料为GaN、AlGaN或AlInGaN，电子载流子浓度n为5×1015至5×1017cm-3，厚度在0.2至0.6μm微米之间。
10.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，
当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积薄层金属形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；
当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，在p型层上淀积薄层金属形成透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区。
11.根据权利10所述的紫外红外双色探测器，其特征在于：
当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积的薄层金属是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；
当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，材料是GaN或AlGaN、AlInGaN，厚度0.01～0.2微米，p型掺杂浓度在5×1016～5×1019cm-3；在p型层上淀积薄层金属，金属材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成p型欧姆接触和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区。
12.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述上电极、中电极和下电极构成三电极结构，紫外探测用上电极与中电极，红外探测用中电极与下电极。
13.根据权利12所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，所述红外探测用的下电极制作在经刻蚀后露出的第一n型欧姆接触层上，红外探测和紫外探测共用的中电极制作在经刻蚀后露出的第二n型欧姆接触层上，两电极的材料依次为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10～20nm、150～250nm、30～80nm、150～500nm；紫外探测用的上电极制作在透明电极上的一小区域，电极材料依次为Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为5～20nm、5～250nm、30～80nm、150～500nm。
14.根据权利1所述的紫外红外双色探测器，其特征在于，该探测器用于同时探测紫外红外辐射，探测紫外辐射的长波限由紫外敏感区的肖特基势垒结构或p-i-n结构中的本征层的禁带宽度Eg3确定；探测红外辐射的长波限由禁带宽度为Eg1的第一本征层与禁带宽度为Eg2重掺杂n型层构成的异质结界面上的功函数差异ΔIR确定，且Eg2＜Eg1。
15.一种紫外红外双色探测器的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上生长一缓冲层；
在缓冲层上生长一第一n型欧姆接触层，用于欧姆接触；
在第一n型欧姆接触层上相互交替生长第一本征层与重掺杂n型层，形成多周期顶层；
在多周期顶层生长第二n型欧姆接触层，部分区域作为n型欧姆接触电极用；
在第二n型欧姆接触层上生长一禁带宽度为Eg3的本征层，Eg3≤Eg2＜Eg1；
在禁带宽度为Eg3的本征层上形成透明电极；
在透明电极上制作探测器上电极；
在第二n型欧姆接触层的电极窗口形成中电极；以及
在第一n型欧姆接触层的电极窗口形成下电极。
16.根据权利15所述的紫外红外双色探测器的制作方法，其特征在于，所述由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层为红外敏感区，其周期数为m，m在1～50之间。
17.根据权利15所述的紫外红外双色探测器的制作方法，其特征在于，所述在禁带宽度为Eg3的本征层上形成透明电极包括：
当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上淀积的薄层金属是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成肖特基势垒和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区；或
当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为Eg3的本征层上生长一p型层，材料是GaN或AlGaN、AlInGaN，厚度0.01～0.2微米，p型掺杂浓度在5×1016～5×1019cm-3；在p型层上淀积薄层金属，金属材料是Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2～5nm/2～5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火1～5分钟形成p型欧姆接触和透明电极，禁带宽度为Eg3的本征层为紫外敏感区。
18.根据权利15所述的紫外红外双色探测器的制作方法，其特征在于，
所述上电极、中电极和下电极构成三电极结构，紫外探测用上电极与中电极，红外探测用中电极与下电极；
所述红外探测用的下电极制作在经刻蚀后露出的第一n型欧姆接触层上，红外探测和紫外探测共用的中电极制作在经刻蚀后露出的第二n型欧姆接触层上，两电极的材料依次为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10～20nm、150～250nm、30～80nm、150～500nm；紫外探测用的上电极制作在透明电极上的一小区域，电极材料依次为Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为5～20nm、5～250nm、30～80nm、150～500nm。
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