CN102315330B - 一种高灵敏度紫外探测器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种高灵敏度紫外探测器的制备方法，该方法以调节宽禁带半导体的材料组分来实现对紫外波段的选择性探测。特别通过在该宽禁带半导体制备表面柱阵列结构，再采用紫外透光导电材料沉积并覆盖表面柱阵列结构区域作为肖特基接触电极，对入射光信号进行筛选，提高探测的信噪比。采用本发明制备方法制造的紫外探测器，极大地增大了探测器的比表面积，从而显著提高了紫外探测器的探测灵敏度，进而促进紫外探测器系统向小型化、便携式和高灵敏兼具的目标发展；同时，该制备方法具有简化工艺，降低成本的显著特效。

Description

一种高灵敏度紫外探测器的制备方法
技术领域
本发明涉及一种紫外探测器的制备方法，尤其涉及一种基于宽禁带半导体材料的高灵敏度、信噪比紫外探测器的制备方法。
背景技术
紫外探测器是常见的广泛应用于军事和民用等方面的探测器，具有重要的作用。在军事上，紫外探测器应用在紫外通讯、生化分析和早期的导弹预警等方面；在民用上，可用于如明火探测、生物医药的分析、臭氧监测、海上油监、太阳照度监测、公安侦察等。
灵敏度和探测率是紫外探测的重要性能指标。一直以来，高灵敏度紫外探测器多采用的是光电倍增管，但这种类型的探测器具有体积大、工作电压高的缺点，半导体探测器的研究尤其宽禁带半导体的发展使得探测器像小型化、低功耗和高集成度发展。多年来，人们通过设计各种结构来提高半导体紫外探测器的灵敏度和探测率。
宽禁带半导体紫外探测器是当今紫外探测器尤其是日盲段紫外探测器的主要研究方向，具有体积小、功耗小、无需低温冷却和虚警率低的优点，并可以通过调节材料组分改变响应的波长范围。同时，宽禁带半导体材料面临着材料生长困难、P型材料难掺杂和欧姆接触接触电阻高的问题。有鉴于此，肖特基型紫外探测器成为一种可行的结构方案，并具有工艺简单、响应速度快和更容易制备阵列探测器的优点。但是，传统的肖特基型紫外探测器的空间电荷区在小电压下较小，降低了其灵敏度和探测效率。采用表面柱阵列的结构，可以在不增大像素单元的前提下增大空间电荷区的有效感光面积，进而提高肖特基型紫外探测器的灵敏度和探测效率，弥补其不足之处。而如何从制备工艺角度出发，简化工艺步骤，降低紫外探测器生产成本，便是本领域技术人员一个重要的技术特破口。
发明内容
本发明的目的是提出一种高灵敏度紫外探测器的制备方法，通过选用合适的工艺方法设计制造合适尺寸和周期的表面柱阵列结构，对入射光信号进行筛选，提高探测器的信噪比。
本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
一种高灵敏度紫外探测器的制备方法，其特征在于包括步骤：
Ⅰ、在蓝宝石衬底上通过Si的原位掺杂生长制备n型GaN掺杂层，并在n型GaN掺杂层上生长宽禁带半导体层；
Ⅱ、在宽禁带半导体层上利用掩膜法进行台阶刻蚀，刻蚀台面外侧的欧姆电极区域至n型GaN掺杂层；
Ⅲ、在欧姆电极区沉积Ti/Al/Ni/Au复合金属，并退火形成欧姆接触；
Ⅳ、在步骤Ⅱ刻蚀所得的宽禁带半导体层台面上制备刻蚀掩膜，并利用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀出表面柱阵列，刻蚀深度300～500nm；
Ⅴ、利用光刻套准和磁控溅射法在表面柱阵列区域沉积紫外透光导电层，并退火形成肖特基接触；
Ⅵ、利用光刻套准和磁控溅射法分别在欧姆接触和肖特基接触表面制备加厚电极，并通过钝化、引线及封装后制成紫外探测器。
优选的，所述宽禁带半导体层至少为GaN层，ZnO层，AlxGa1-xN层及InxAl1-xN层中的一种，其中0＜x＜1。
优选的，步骤Ⅳ中制备刻蚀掩膜的方法至少包括对Ni薄膜退火法，涂覆SiO2颗粒法，投影式光刻法，纳米压印法及电子束光刻法。
优选的，步骤Ⅴ中所述紫外透光导电层至少为Ga2O3层、Ga2O3/ITO层和SiOx’Ny层，其中                                               
Figure 2011102790928100002DEST_PATH_IMAGE001
。
采用本发明制备方法制造的紫外探测器，极大地增大了探测器的比表面积，从而显著提高了紫外探测器的探测灵敏度和信噪比，进而促进紫外探测器系统向小型化、便携式和高灵敏兼具的目标发展；同时，该制备方法具有简化工艺，降低成本的显著特效。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明方法所制得的一种紫外探测器的剖面结构示意图。
具体实施方式
本发明针对现有紫外探测器在灵敏度差、应用不便和不便携等缺陷，顺应紫外探测器小型化的设计要求。从紫外探测器产品的微型化设计角度出发对生产工艺作出改进。使得一种具表面柱阵列结构的紫外探测器能得以简单、低成本的生产制造。
针对现有技术的现状及缺陷分析可得：利用刻蚀的方式来制备柱阵列结构，可以将制备过程置于微加工阶段，不再依赖于半导体材料的生长，并且可以更灵活的设计柱阵列的结构参数。柱阵列中柱单元的截面尺寸与提高探测器的灵敏度和探测效率成反比，即随着单元柱截面尺寸的减小，可以更大的提高探测器性能。随着微加工技术的发展，纳米尺度的掩膜制备成为可能。利用对Ni薄层退火、涂覆SiO2颗粒、投影式光刻、纳米压印及电子束光刻等方式可以获得纳米尺度刻蚀掩膜，再利用感应耦合等离子体刻蚀技术制备出纳米尺度的表面柱阵列结构。
设计合适的表面柱阵列结构可以降低暗电流提高信噪比。在宽禁带半导体（GaN、ZnO、AlxGa1-xN及InxAl1-xN等）的生长过程中，一个普遍的问题就是位错密度比较高，进而在半导体禁带中会形成很多陷阱能级，这些陷阱能级会在可见光或红外光的激发下导致暗电流上升或造成光淬灭现象，严重影响紫外探测器的性能。通过设计合适尺寸（100nm～1000nm）和周期的表面柱阵列结构可以对入射光信号进行筛选，提高探测器的信噪比。
另外，采用紫外透光的导电材料在表面柱阵列上制备肖特基接触及电极。对紫外波段的选择性探测主要通过调节宽禁带半导体的材料组分来实现，采用紫外透光的导电材料可以避免电极材料对紫外光的吸收造成的探测器分辨率下降。适应表面柱阵列结构的设计，紫外透光导电材料可以通过磁控溅射和化学气相沉积等方式实现，可选用的材料主要有Ga2O3、Ga2O3/ITO和SiOx’Ny等，其中
Figure 426739DEST_PATH_IMAGE001
。
为了便于直观说明，以AlxGa1-xN材料体系（其中0＜x＜1，实际发明可应用于多种半导体材料体系）为例，对本发明制备方法的实施步骤作详细介绍，以下介绍结合图1所示的产品剖面结构示意图。
步骤Ⅰ：以蓝宝石为衬底1，并在其上通过Si的原位掺杂生长制备n型GaN掺杂层2，并在n型GaN掺杂层上生长宽禁带半导体层，即AlxGa1-xN层3，其中0＜x＜1。而且Al组分在40%以上，以使材料对紫外的吸收位于日盲段。
步骤Ⅱ：利用投影式光刻技术制备台阶刻蚀掩膜；并利用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀AlxGa1-xN/n-GaN的欧姆电极区域至n型GaN掺杂层2。
步骤Ⅲ：利用光刻套准和磁控溅射技术在欧姆电极区域沉积Ti/Al/Ni/Au作为欧姆接触的金属，并在氮气气氛下进行900℃退火处理，形成良好的欧姆接触4。
步骤Ⅳ：利用对Ni薄层退火、涂覆SiO2颗粒、投影式光刻、纳米压印及电子束光刻等技术在步骤Ⅱ刻蚀后的台面上制备表面柱阵列结构的刻蚀掩膜；
再利用感应耦合等离子体刻蚀技术刻蚀出表面柱阵列结构5，刻蚀深度约300～500nm。
步骤Ⅴ：利用光刻套准和磁控溅射技术在表面柱阵列区域沉积紫外透光导电层，本实施例为Ga2O3/ITO，通过合适的退火处理形成肖特基接触6。
步骤Ⅵ：利用光刻套准和磁控溅射技术分别在欧姆电极和肖特基电极区域制备加厚电极7；经钝化、引线和封装后制成具有表面柱阵列结构的肖特基型宽禁带半导体紫外探测器。
采用表面柱阵列结构的紫外探测器能够在不改变紫外光探测材料面积的情况下增大有效感光面积，提高对紫外弱信号的响应度，使得其相对于传统的探测器具有更高的灵敏度和探测效率。而且，表面柱阵列的柱截面尺寸越小，对探测器的灵敏度和探测率提高越多。随着微加工工艺水平的不断提高，制备纳米尺度的表面柱阵列探测面成为可能，进而可以极大的增大比表面积，提高紫外探测器性能。采用本发明方法制备得到的探测器还有利于制备更小像素单元的紫外焦平面阵列，提高紫外成像精度，促进紫外探测器系统向小型化、便携式和高灵敏的发展。同时该制备方法具有简化工艺，降低成本的显著特效。

Claims (3)

1.一种高灵敏度紫外探测器的制备方法，其特征在于包括步骤：
Ⅰ、在蓝宝石衬底上通过Si的原位掺杂生长制备n型GaN掺杂层，并在n型GaN掺杂层上生长宽禁带半导体层，所述宽禁带半导体层至少为GaN层，ZnO层，AlxGa1-xN层及InxAl1-xN层中的一种，其中0＜x＜1，当宽禁带半导体层为AlxGa1-xN层时，Al组分在40%以上；
Ⅱ、在宽禁带半导体层上利用掩膜法进行台阶刻蚀，刻蚀台面外侧的欧姆电极区域至n型GaN掺杂层；
Ⅲ、在欧姆电极区沉积Ti/Al/Ni/Au复合金属，并退火形成欧姆接触；
Ⅳ、在步骤Ⅱ刻蚀所得的宽禁带半导体层台面上制备刻蚀掩膜，并利用感应耦合等离子体刻蚀法刻蚀出表面柱阵列，刻蚀深度300～500nm；
Ⅴ、利用光刻套准和磁控溅射法在表面柱阵列区域沉积紫外透光导电层，并退火形成肖特基接触；
Ⅵ、利用光刻套准和磁控溅射法分别在欧姆接触和肖特基接触表面制备加厚电极，并通过钝化、引线及封装后制成紫外探测器。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度紫外探测器的制备方法，其特征在于：步骤Ⅳ中制备刻蚀掩膜的方法至少包括对Ni薄膜退火法，涂覆SiO2颗粒法，投影式光刻法，纳米压印法及电子束光刻法。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度紫外探测器的制备方法，其特征在于：步骤Ⅴ中所述紫外透光导电层至少为Ga2O3层、Ga2O3/ITO层和SiOx’Ny层，其中                                               。
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