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