CN101976697A - 具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器 - Google Patents

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李超
张燕
李向阳
王建禄
孙璟兰
孟祥建
袁永刚
贾嘉
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Abstract

本发明公开一种具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器，其特征在于，器件结构包括：一衬底；一AlGaN吸收层，该吸收层生长在衬底上；一介电绝缘层，该介电绝缘层为孔型，对电极部分进行电隔离；一底电极，该底电极生长在介电绝缘层及其开孔处；一热释电薄膜层，该热释电薄膜层生长在底电极上；一金属上电极，该金属上电极与下电极交叉成十字或丁字形状等，上下电极重合面积位于介电绝缘层开孔处，为热释电薄膜层功能区。本发明的器件结构利用AlGaN薄膜作为紫外吸收层，利用紫外光吸收-热传递-热释电响应的过程避免了高铝组分AlGaN欧姆接触制备的困难，实现了热释电器件的紫外响应，突破了热释电器件响应波段的限制。

Description

具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器
技术领域
本专利涉及热释电紫外探测器技术，具体指一种具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器。
背景技术
热释电探测器是利用光-热-电效应工作的光电探测器。五十年代以来，热释电探测器由于其常温工作及光谱响应范围宽的独特优点取得了一系列研究成果。近年来，由于许多介电、热释电及机械特性优良的热释电材料的发展，热释电探测器的研究工作活跃，发展迅速，大大改观了热探测器的应用前景，目前已广泛应用于火灾预警、行为监控、热成像、安全防护等领域。
但目前存在的热释电薄膜均为宽禁带材料，特征波长位于紫外波段，能量大于禁带宽度的入射光子直接被材料吸收，无法产生热释电响应，因此普通的热释电探测器无法工作于紫外波段。
与此同时，AlGaN材料以独特的物理、化学、电学特性成为紫外材料的领军者。AlGaN材料覆盖了200-365nm波段，其器件量子效率高、灵敏度高、紫外可见抑制比大，可完全工作于低背景的日盲波段(240-280nm)。AlGaN紫外探测器可应用于生化传感器、火焰探测(火警系统、导弹及飞机尾焰探测)、紫外通信、紫外成像等军用、民用领域，可对尾焰或者羽烟中释放出大量紫外辐射的飞行目标进行实时探测或有效追踪，在微弱的背景下探测出目标。
对于AlGaN器件，p型材料的欧姆接触是当前制约其发展的重大问题。由于AlGaN材料的功函数高(pGaN：7.5eV)，很难找到合适功函数的金属制作低电阻的欧姆接触，特别是高铝组分的p欧姆接触，电极制备的困难降低了电流的收集效率；同时，材料的掺杂浓度特别是p型掺杂浓度低，激活效率低，载流子浓度小，从而增加了欧姆接触电极的制作困难，阻碍了器件响应率的提高。
发明内容
本专利的目的在于克服现有AlGaN器件制备中材料欧姆接触制备的困难，提出一种以AlGaN材料为吸收层的热释电探测器，这种热释电紫外探测器避免了AlGaN材料特别是高铝组分材料欧姆接触电极的制备，利用对紫外辐射高吸收的AlGaN材料作为热释电器件的吸收层，实现热释电器件的紫外探测。
本专利一种具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器，其特征在于，器件结构包括：
一衬底；
一紫外吸收层，该紫外吸收层生长在衬底上；
一介电绝缘层，该介电绝缘层生长在紫外吸收层上，为开孔型，对非功能区进行电隔离；
一底电极，该底电极生长在介电绝缘层及其开孔上；
一热释电薄膜层，该热释电薄膜层生长在底电极上；
一金属上电极，该金属上电极生长在热释电薄膜层上，与下电极交叉成十字或丁字形状等，其与下电极重合面积位于介电绝缘层开孔处，为热释电薄膜层的功能区面积；
其中衬底为蓝宝石、硅或氮化硅。
其中紫外吸收层为MOCVD、MBE或LPE方法生长的AlGaN单层或多层薄膜，材料厚度不小于250nm，Al组分从0变化到1。
其中介电绝缘层为溅射方法制备的二氧化硅或氮化硅绝缘层，介电绝缘层位于AlGaN半导体吸收层上，将电极引出部分与AlGaN半导体吸收层隔离起来，该介电绝缘层为开孔型，开孔处为器件功能区。
其中底电极为热蒸发低温沉积的铝电极，或溶胶凝胶法制备的LaNiO3电极。
其中热释电薄膜层生长在底电极上，热释电薄膜为各种具有热释电特性的薄膜材料，例如溶胶凝胶法或LB膜法制备的偏聚二氟乙烯(PVDF)薄膜或者溶胶凝胶法制备的锆钛酸铅(PZT)薄膜，厚度为30nm-300nm。
其中金属上电极为热蒸发低温沉积的铝电极或铂电极，该金属上电极与下电极重合面积位于介电绝缘层开孔处，为热释电薄膜功能区面积。
本专利一种具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器，其特征在于：利用AlGaN单层或多层材料作为吸收层，不直接在其上制作电极，避免了AlGaN材料特别是高铝组分p-AlGaN材料欧姆接触制备困难带来的器件量子效率降低的问题；在AlGaN吸收层上先生长介电绝缘层，对半导体吸收层和上电极引出电极实行了电隔离；利用AlGaN在紫外波段的高吸收，通过紫外光吸收-热传递-热释电响应的过程，解决了热释电材料禁带宽度对探测波长的限制，实现了热释电器件的紫外探测；通过AlGaN材料中Al组分的调节，可以实现不同波段(200-365nm)的探测；利用单层AlGaN吸收层可以实现特征波长以下的宽波段探测；利用多层AlGaN吸收层，调节各层AlGaN材料的组分可以对探测波长进行裁剪，使器件工作于200-365nm的任何窄带波段，例如仅工作于可见盲波段(300-360nm)或日盲波段(240-280nm)等；热释电探测器为简单的电容器结构，工艺简单、结构清晰、测试方便。
附图说明
图1为本专利的具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器器件的结构示意图，其中图1(a)为具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器器件的截面图，图1(b)为具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器器件的俯视图。
其中：1——衬底；
2——紫外吸收层；
3——介电绝缘层；
4——底电极；
5——热释电薄膜层；
6——金属上电极；
具体实施方式
请参阅附图1，本专利的具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器器件，其器件结构包括：
一衬底1，此衬底1是蓝宝石、硅或氮化硅材料；
一紫外吸收层2，该吸收层生长在衬底1上，为MOCVD、MBE或LPE方法生长的AlGaN单层或多层薄膜，材料厚度不小于250nm，Al组分从0变化到1；
一介电绝缘层3，该介电绝缘层3生长在AlGaN吸收层2上，该介电绝缘层3为溅射方法制备的二氧化硅或氮化硅绝缘层，将上电极引出电极与AlGaN半导体吸收层隔离起来，该介电绝缘层为开孔型，开孔处为器件功能区；
一底电极4，该底电极4生长在介电绝缘层3及其开孔上，该底电极4为热蒸发低温沉积的铝电极，或溶胶凝胶法制备的LaNiO3电极，此底电极为长方形或条形结构；
一热释电薄膜层5，该热释电薄膜层5生长在底电极4上，为各种具有热释电特性的薄膜材料，例如溶胶凝胶法或LB膜法制备的偏聚二氟乙烯(PVDF)薄膜或者溶胶凝胶法制备的锆钛酸铅(PZT)薄膜等，厚度为30nm-300nm；
一金属上电极6，该金属上电极6生长在热释电薄膜层5上，与底电极4交叉成十字或丁字等，金属上电极6与底电极4的非交叉面积为焊点部位，其与底电极4的重合面积位于介电绝缘层开孔处，为热释电薄膜层的功能区部分，该金属上电极6为热蒸发低温沉积的铝电极或铂电极。
为了进一步说明本发明提出的具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器的结构，我们以截止波长分别为365nm(Al组分为0)、280nm(Al组分为0.45)、200nm(Al组分为1)的具有单层AlGaN吸收层的热释电紫外探测器器件为例，说明该器件的结构及制备过程，具体如下：以蓝宝石为衬底1，用MOCVD设备分别生长GaN(Al组分为0，厚度为2μm)、Al0.45Ga0.55N(Al组分为0.45，厚度为600nm)及AlN薄膜(Al组分为1，厚度为500nm)2，用磁控溅射法生长SiO2介电绝缘层3(厚度为200nm)，然后利用光刻、腐蚀对其进行开孔(500μm×300μm)，随后利用热蒸发低温沉积条状底电极4(铝电极，厚度为45nm)，底电极覆盖在介电绝缘层开孔处，在底电极4上利用LB膜法制备PVDF热释电薄膜5(厚度为120nm)，然后再利用热蒸发低温沉积金属上电极6(铝电极，厚度为150nm)，最后利用光刻、腐蚀、去胶等工艺确定上电极图形，完成具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器的制备。
本专利提出的具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器器件不同于传统的热释电探测器，更不同于传统的AlGaN紫外探测器，它不直接在高铝组分材料上生长电极，引出光电信号，而是通过AlGaN材料对紫外的高吸收，将紫外光吸收后产生的热传递给热释电薄膜，再通过热释电器件产生热释电响应。
具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器器件首先在吸收层非功能区溅射生长一层介电绝缘层，然后在介电绝缘层及其开孔处制备热释电器件底电极，随后制备热释电薄膜材料，最后在其上生长器件上电极，与底电极交叉成十字或丁字等，两电极非交叉面积为电信号引出电极部分位于介电绝缘层上，上下电极重合部分位于介电绝缘层开孔处，为热释电薄膜层的功能区。此具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器避免了高铝组分AlGaN材料上制备欧姆接触的难题，同时，解决了热释电薄膜因本征吸收而不能产生紫外响应的问题，将热释电器件的高响应与AlGaN材料的高吸收结合在一起，突破了两种独立器件各自面临的局限，通过紫外吸收-热传递-热释电响应的过程提高了紫外波段的响应率及灵敏度，同时也将热释电器件的响应波段间接拓宽到紫外区域，极大推动了紫外探测及热释电器件的应用。

Claims (1)

1.一种具有AlGaN吸收层的热释电紫外探测器器件，其结构为在衬底(1)上依次生长紫外吸收层(2)、介电绝缘层(3)、底电极(4)、热释电薄膜层(5)和金属上电极(6)，其特征在于：所述的衬底(1)为蓝宝石、硅或氮化硅衬底；所述的紫外吸收层(2)为厚度不小于250nm的单层或多层AlGaN薄膜，其中Al组分从0变化到1。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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