CN105845696A - 用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片及其制备方法。其目的是为了提供一种设计巧妙、监测准确的紫外探测器芯片及其制备方法。本发明包括采用光刻和ICP技术对探测器外延片进行刻蚀,并结合标准半导体微加工工艺在外延片上制作第一PIN二极管和第二PIN二极管,第一PIN二极管为具有滤波结构的PIN二极管,第二PIN二极管为普通PIN二极管,能分别探测不同波段的信号,通过一个紫外探测器芯片从而实现对两个特定目标波段的同时探测,特别是将该紫外探测器芯片应用到燃气燃烧设备的火焰温度探测中,可以通过第一PIN二极管与第二PIN二极管输出的光电流比获得燃气火焰的温度信息,从而实现对相关燃气燃烧参数的监控。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域,特别是涉及一种用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片及其制备方法。
背景技术
紫外探测技术是继激光探测技术和红外探测技术之后迅速发展起来的又一新型探测技术,在燃烧监测、火灾报警、导弹预警、环境监测、紫外通讯、生物化学分析以及天文学研究等军民领域有着广泛的应用。
紫外探测器是紫外探测系统中的核心部件,对系统及其性能起决定性作用。已商用化的紫外探测器有紫外光电倍增管、紫外像增强器、紫外摄像管和固态紫外探测器等,在这些器件中最常用的是紫外光电倍增管和硅基固态紫外光电二极管。紫外光电倍增管以及类似的真空器件具有高的灵敏度,但有易碎、工作电压高、体积大和成本昂贵等严重缺点,综合考虑材料成本、器件性能、制作工艺、体积等方面因素,用固态材料制作的探测器具有重要的应用优势。以硅为材料的固态紫外光电二极管虽然克服了光电倍增管的许多弱点,但存在量子效率低和需使用昂贵的滤光片滤去可见和红外光等缺点。
第三代半导体,包括了AlN、GaN、MgO、ZnO和SIC等材料,具有禁带宽度大、物理以及化学特性优等特点,用于抗辐射、耐高温的大功率器件以及工作于紫外波段的光探测器件,具有显著的材料性能优势。特别是AlxGa1-xN材料,随Al组分的变化其带隙在3.4~6.2eV之间改变,对应波长变化范围为200~365nm,特别适合制造新一代高性能紫外光电探测器件。近年来以AlN、GaN为代表的新型固态紫外探测器的已经开始商用化,基于AlN、GaN宽带隙半导体的光电探测器与传统的硅基紫外光电二级管相比具有明显的优势。例如:和硅基紫外探测器相比,宽带隙半导体紫外探测器具有:1.更高的量子效率;2.通过调整材料组分,即可直接实现探测波段选取和裁剪、无需加增滤波片;3.可在高温、强辐射等恶劣环境下工作等优点。
燃气燃烧时产生的中间产物(主要是OH分子)在衰变的过程中可辐射出波段为260nm-350nm的紫外光。在燃气燃烧火焰监测方面,现有的技术已将紫外探测器应用于燃气涡轮、燃气热水器或燃气灶等设备中的火焰辐射强度监测,可实现火焰开关状态探测、工作模式变换等功能。火焰温度是燃烧系统的重要参数,同时火焰温度信息也可用于相关燃烧参数的确定和控制,然而如CN 101251422公开的紫外电学定标热释电探测器,并不能直接用来确定火焰温度,因为火焰辐射的单一波段的紫外强度的变化并不能直接归因于温度变化引起,例如,在同一温度下火焰的大小或数目改变紫外强度也将发生变化。已有研究表明,在OH分子辐射谱中,260nm-315nm波段内的辐射强度在一定的温度范围内基本保持不变,但315nm-350nm波段内的辐射强度对温度变化较敏感,315nm-350nm波段的总辐射强度和260nm-350nm波段内的总辐射强度之比和火焰的温度有直接的对应关系。因此,通过测量燃气火焰中波段的辐射强度是一种获取燃气火焰温度信息的方法。获得与该方法相匹配的高性能双波段紫外探测器芯片,是实现这项技术需要解决的一个关键问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种设计巧妙、监测准确的用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片及其制备方法。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其中,包括衬底、多个第一PIN二极管和多个第二PIN二极管,衬底顶端并列设置多个第一PIN二极管和第二PIN二极管,所述第一PIN二极管又包括缓冲层、n型半导体材料层、i型光吸收层、p型半导体材料层和p型滤波层,缓冲层设置在衬底顶端,缓冲层顶端设置有n型半导体材料层,n型半导体材料层顶端的一侧设置有i型光吸收层,n型半导体材料层顶端的另一侧设置有n型欧姆接触电极,i型光吸收层顶端设置有p型半导体材料层,p型半导体材料层顶端设置有p型滤波层,p型滤波层顶端设置有p型欧姆接触电极;所述第二PIN二极管又包括缓冲层、n型半导体材料层、i型光吸收层和p型半导体材料层,缓冲层设置在衬底顶端,缓冲层顶端设置有n型半导体材料层,n型半导体材料层顶端的一侧设置有i型光吸收层,n型半导体材料层顶端的另一侧设置有n型欧姆接触电极,i型光吸收层顶端设置有p型半导体材料层,p型半导体材料层顶端设置有p型欧姆接触电极。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其中所述第一PIN二极管和第二PIN二极管之间设置有绝缘介质钝化层,第一PIN二极管和第二PIN二极管表面都覆盖有绝缘介质钝化层,第一PIN二极管顶端和第二PIN二极管顶端的绝缘介质钝化层上分别开设有通孔。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其中所述第一PIN二极管和第二PIN二极管之间的绝缘介质钝化层、第一PIN二极管表面的绝缘介质钝化层和第二PIN二极管表面的绝缘介质钝化层一体连接。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其中所述第一PIN二极管和第二PIN二极管的长度分别为2mm,第一PIN二极管和第二PIN二极管的宽度分别为0.1mm,相邻第一PIN二极管和第二PIN二极管的间距为0.05mm。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其中所述衬底采用蓝宝石材料制成。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其中所述第一PIN二极管的缓冲层、n型半导体材料层、i型光吸收层和p型半导体材料层采用GaN材料制成,第一PIN二极管的p型滤波层为p型Al0.25Ga0.75N滤波层,缓冲层为非掺杂层,缓冲层的厚度为2.5μm;n型半导体材料层中掺杂有Si,n型半导体材料层的厚度为1.5μm;i型光吸收层为非掺杂层,i型光吸收层的厚度为400nm;p型半导体材料层中掺杂有Mg,p型半导体材料层的厚度为40nm;p型滤波层中掺杂有Mg,p型滤波层的厚度为300nm。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其中所述第二PIN二极管的缓冲层、n型半导体材料层、i型光吸收层和p型半导体材料层采用GaN材料制成,缓冲层为非掺杂层,缓冲层的厚度为2.5μm;n型半导体材料层中掺杂有Si,n型半导体材料层的厚度为1.5μm;i型光吸收层为非掺杂层,i型光吸收层的厚度为400nm;p型半导体材料层中掺杂有Mg,p型半导体材料层的厚度为40nm。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其中所述绝缘介质钝化层采用SiO2制成,绝缘介质钝化层的厚度为200nm。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片的制备方法,其中所述
步骤一:在衬底上采用MOCVD技术生长制得外延片;
步骤二:在外延片顶端采用光刻和ICP技术分别刻蚀出第一PIN二极管和第二PIN二极管的整体台面,刻蚀后采用KOH稀溶液进行清洗处理,接着采用ICP技术同时将第一PIN二极管和第二PIN二极管的台面进行部分刻蚀,刻蚀后采用KOH稀溶液进行清洗处理;
步骤三:采用电子束蒸发和剥离技术分别在第一PIN二极管和第二PIN二极管的n型半导体材料层顶端沉淀金属层,并退火,形成n型欧姆接触电极;
步骤四:采用电子束蒸发和剥离技术分别在第一PIN二极管的p型滤波层顶端和第二PIN二极管的p型半导体材料层顶端分别设置沉淀金属层,并退火,形成p型欧姆接触电极;
步骤五:采用PEVCD技术在第一PIN二极管和第二PIN二极管表面以及第一PIN二极管与第二PIN二极管之间的位置淀积绝缘介质钝化层,采用湿法刻蚀第一PIN二极管和第二PIN二极管顶端的绝缘介质钝化层,分别在第一PIN二极管和第二PIN二极管顶端的绝缘介质钝化层上形成通孔。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片及其制备方法与现有技术不同之处在于:本发明采用光刻和ICP技术对外延片进行刻蚀,并结合标准半导体微加工工艺在外延片上制作第一PIN二极管和第二PIN二极管,第一PIN二极管为具有滤波结构的PIN二极管,第二PIN二极管为普通PIN二极管,能分别探测不同波段的信号,通过一个紫外探测器芯片从而实现对两个特定目标波段的同时探测,特别是将该紫外探测器芯片应用到燃气燃烧设备的火焰温度探测中,可以通过第一PIN二极管与第二PIN二极管输出的光电流比获得燃气火焰的温度信息,从而实现对相关燃气燃烧参数的监控。
下面结合附图对本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片及其制备方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片的主视剖视图;
图2为本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片的俯视剖视图;
图3为本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片的光谱相应曲线图;
图4为本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片中第一PIN二极管与第二PIN二极管输出的光电流比与燃气火焰温度的关系曲线图。
具体实施方式
如图1、图2所示,为本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,包括衬底101、多个第一PIN二极管Diode1和多个第二PIN二极管Diode2。衬底101顶端并列设置有多个长条形的第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2,相邻的第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2之间设置有绝缘介质钝化层109,通过绝缘介质钝化层109对相邻的第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2进行绝缘,第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2的长度分别为2mm,第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2的宽度分别为0.1mm,相邻第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2的间距为0.05mm。第一PIN二极管Diode1为具有滤波结构的PIN二极管,第一PIN二极管Diode1又包括缓冲层102、n型半导体材料层103、i型光吸收层104、p型半导体材料层105和p型滤波层106,缓冲层102直接设置在衬底101顶端,缓冲层102顶端设置有n型半导体材料层103,n型半导体材料层103顶端的一侧设置有i型光吸收层104,n型半导体材料103层顶端的另一侧设置有n型欧姆接触电极107,i型光吸收层104顶端设置有p型半导体材料层105,p型半导体材料层105顶端设置有p型滤波层106,在p型滤波层106顶端设置有半透明的p型欧姆接触电极108。在第一PIN二极管Diode1表面覆盖有绝缘介质钝化层109,在n型欧姆接触电极107和p型欧姆接触电极108顶端的绝缘介质钝化层109上分别开设有通孔,使n型欧姆接触电极107和p型欧姆接触电极108的顶端与外部连通。第二PIN二极管Diode2为普通PIN二极管,第二PIN二极管Diode2又包括缓冲层102、n型半导体材料层103、i型光吸收层104和p型半导体材料层105,缓冲层102直接设置在衬底101顶端,缓冲层102顶端设置有n型半导体材料层103,n型半导体材料层103顶端的一侧设置有i型光吸收层104,n型半导体材料103层顶端的另一侧设置有n型欧姆接触电极107,i型光吸收层104顶端设置有p型半导体材料层105,在p型半导体材料层105顶端设置有半透明的p型欧姆接触电极108。在第二PIN二极管Diode2表面覆盖有绝缘介质钝化层109,在n型欧姆接触电极107和p型欧姆接触电极108顶端的绝缘介质钝化层109上分别开设有通孔,使n型欧姆接触电极107和p型欧姆接触电极108的顶端与外部连通。位于第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2之间的绝缘介质钝化层109、位于第一PIN二极管Diode1表面的绝缘介质钝化层109和第二PIN二极管Diode2表面的绝缘介质钝化层109一体连接。
本发明的一个实施例中所采用的衬底101为蓝宝石材料制成。第一PIN二极管Diode1的缓冲层102、n型半导体材料层103、i型光吸收层104和p型半导体材料层105都采用GaN材料制成,第一PIN二极管Diode1的p型滤波层106为p型Al0.25Ga0.75N滤波层,缓冲层102为非掺杂层,缓冲层102的厚度为2.5μm;n型半导体材料层103中掺杂有Si,n型半导体材料层103的厚度为1.5μm;i型光吸收层104为非掺杂层,i型光吸收层104的厚度为400nm;p型半导体材料层105中掺杂有Mg,p型半导体材料层105的厚度为40nm;p型滤波层106中掺杂有Mg,p型滤波层106的厚度为300nm。第二PIN二极管Diode2的缓冲层102、n型半导体材料层103、i型光吸收层104和p型半导体材料层105都采用GaN材料制成,缓冲层102为非掺杂层,缓冲层102的厚度为2.5μm;n型半导体材料层103中掺杂有Si,n型半导体材料层103的厚度为1.5μm;i型光吸收层104为非掺杂层,i型光吸收层104的厚度为400nm;p型半导体材料层105中掺杂有Mg,p型半导体材料层105的厚度为40nm。绝缘介质钝化层109的材质为SiO2,绝缘介质钝化层109的厚度为200nm。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片的制备方法为:
步骤一:在衬底101上采用MOCVD技术生长制得外延片;
步骤二:在外延片上采用光刻和感应耦合等离子体(ICP)技术分别刻蚀出第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2的整体台面,刻蚀后采用KOH稀溶液进行清洗处理,接着采用ICP技术同时将第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2的台面进行部分刻蚀,以露出n型半导体材料层103,刻蚀后采用KOH稀溶液进行清洗处理;
步骤三:采用电子束蒸发和剥离技术在第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2的n型半导体材料层103顶端沉淀金属层,并置于750℃的N2氛围中退火1分钟,从而分别形成第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2的n型欧姆接触电极107;
步骤四:采用电子束蒸发和剥离技术在第一PIN二极管Diode1的p型滤波层106顶端和第二PIN二极管Diode2的p型半导体材料层105顶端设置沉淀半透明的金属层,置于500℃的空气氛围中退火5分钟,从而分别形成第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2的p型欧姆接触电极108;
步骤五:采用PEVCD技术在第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2表面以及第一PIN二极管Diode1与第二PIN二极管Diode2之间的位置淀积绝缘介质钝化层109,采用湿法刻蚀n型欧姆接触电极107和p型欧姆接触电极108顶端的绝缘介质钝化层109,从而使n型欧姆接触电极107和p型欧姆接触电极108的顶端与外部连通。
如图3所示,为本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片的光谱相应曲线图,采用了500W的氙灯作为光源,光源发出的光通过单色仪输出单色光经过光纤直接照射在本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片的正面,入射光功率由一个标准的Si基光电探测器进行标定,其中,第二PIN二极管Diode2的响应曲线范围覆盖260nm-350nm波段,在260nm和350nm处的响应度分别为42.1mA/W和147.9mA/W,第二PIN二极管Diode2响应曲线范围覆盖315nm-350nm波段,在315nm附近有明显的截止趋势,在320nm和350nm处的响应度分别为55.9mA/W和131.2mA/W。
如图4所示,发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片中第一PIN二极管与第二PIN二极管输出的光电流比与燃气火焰温度的关系曲线图,采用家用燃气灶的燃烧火焰作为测量对象,火焰温度由炉具专用测温仪测得,在1100℃-1300℃温度范围内,第一PIN二极管Diode1与第二PIN二极管Diode2输出的光电流比和火焰温度近似满足线性关系。
本发明用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片及其制备方法,采用光刻和ICP技术对外延片进行刻蚀,并结合半导体微加工工艺在外延片上制作第一PIN二极管Diode1和第二PIN二极管Diode2,第二PIN二极管Diode2为普通PIN二极管,第一PIN二极管Diode1为具有滤波结构的PIN二极管,能分别探测不同波段的信号,通过一个紫外探测器芯片从而实现对两个特定目标波段的同时探测,特别是将该紫外探测器芯片应用到燃气燃烧设备的火焰温度探测中,可以通过第一PIN二极管Diode1与第二PIN二极管Diode2输出的光电流比获得燃气火焰的温度信息,从而实现对相关燃气燃烧参数的监控。本发明设计巧妙、监测准确、应用范围广,与现有技术具有明显的优点。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其特征在于:包括衬底(101)、多个第一PIN二极管(Diode1)和多个第二PIN二极管(Diode2),衬底(101)顶端并列设置多个第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2),
所述第一PIN二极管(Diode1)又包括缓冲层(102)、n型半导体材料层(103)、i型光吸收层(104)、p型半导体材料层(105)和p型滤波层(106),缓冲层(102)设置在衬底(101)顶端,缓冲层(102)顶端设置有n型半导体材料层(103),n型半导体材料层(103)顶端的一侧设置有i型光吸收层(104),n型半导体材料层(103)顶端的另一侧设置有n型欧姆接触电极(107),i型光吸收层(104)顶端设置有p型半导体材料层(105),p型半导体材料层(105)顶端设置有p型滤波层(106),p型滤波层(106)顶端设置有p型欧姆接触电极(108);
所述第二PIN二极管(Diode2)又包括缓冲层(102)、n型半导体材料层(103)、i型光吸收层(104)和p型半导体材料层(105),缓冲层(102)设置在衬底(101)顶端,缓冲层(102)顶端设置有n型半导体材料层(103),n型半导体材料层(103)顶端的一侧设置有i型光吸收层(104),n型半导体材料层(103)顶端的另一侧设置有n型欧姆接触电极(107),i型光吸收层(104)顶端设置有p型半导体材料层(105),p型半导体材料层(105)顶端设置有p型欧姆接触电极(108)。
2.根据权利要求1所述的用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其特征在于:所述第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)之间设置有绝缘介质钝化层(109),第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)表面都覆盖有绝缘介质钝化层(109),第一PIN二极管(Diode1)顶端和第二PIN二极管(Diode2)顶端的绝缘介质钝化层(109)上分别开设有通孔。
3.根据权利要求2所述的用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其特征在于:所述第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)之间的绝缘介质钝化层(109)、第一PIN二极管(Diode1)表面的绝缘介质钝化层(109)和第二PIN二极管(Diode2)表面的绝缘介质钝化层(109)一体连接。
4.根据权利要求1所述的用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其特征在于:所述第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)的长度分别为2mm,第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)的宽度分别为0.1mm,相邻第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)的间距为0.05mm。
5.根据权利要求1所述的用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其特征在于:所述衬底(101)采用蓝宝石材料制成。
6.根据权利要求1所述的用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其特征在于:所述第一PIN二极管(Diode1)的缓冲层(102)、n型半导体材料层(103)、i型光吸收层(104)和p型半导体材料层(105)采用GaN材料制成,第一PIN二极管(Diode1)的p型滤波层(106)为p型Al0.25Ga0.75N滤波层,缓冲层(102)为非掺杂层,缓冲层(102)的厚度为2.5μm;n型半导体材料层(103)中掺杂有Si,n型半导体材料层(103)的厚度为1.5μm;i型光吸收层(104)为非掺杂层,i型光吸收层(104)的厚度为400nm;p型半导体材料层(105)中掺杂有Mg,p型半导体材料层(105)的厚度为40nm;p型滤波层(106)中掺杂有Mg,p型滤波层(106)的厚度为300nm。
7.根据权利要求1所述的用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其特征在于:所述第二PIN二极管(Diode2)的缓冲层(102)、n型半导体材料层(103)、i型光吸收层(104)和p型半导体材料层(105)采用GaN材料制成,缓冲层(102)为非掺杂层,缓冲层(102)的厚度为2.5μm;n型半导体材料层(103)中掺杂有Si,n型半导体材料层(103)的厚度为1.5μm;i型光吸收层(104)为非掺杂层,i型光吸收层(104)的厚度为400nm;p型半导体材料层(105)中掺杂有Mg,p型半导体材料层(105)的厚度为40nm。
8.根据权利要求1所述的用于监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片,其特征在于:所述绝缘介质钝化层(109)采用SiO2制成,绝缘介质钝化层(109)的厚度为200nm。
9.用于制备权利要求1中监测燃气火焰温度的紫外探测器芯片的方法,其特征在于:
步骤一:在衬底(101)上采用MOCVD技术生长制得外延片;
步骤二:在外延片顶端采用光刻和ICP技术分别刻蚀出第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)的整体台面,刻蚀后采用KOH稀溶液进行清洗处理,接着采用ICP技术同时将第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)的台面进行部分刻蚀,刻蚀后采用KOH稀溶液进行清洗处理;
步骤三:采用电子束蒸发和剥离技术分别在第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)的n型半导体材料层顶端沉淀金属层,并退火,形成n型欧姆接触电极(107);
步骤四:采用电子束蒸发和剥离技术分别在第一PIN二极管(Diode1)的p型滤波层(106)顶端和第二PIN二极管(Diode2)的p型半导体材料层(105)顶端分别设置沉淀金属层,并退火,形成p型欧姆接触电极(108);
步骤五:采用PEVCD技术在第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)表面以及第一PIN二极管(Diode1)与第二PIN二极管(Diode2)之间的位置淀积绝缘介质钝化层(109),采用湿法刻蚀第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)顶端的绝缘介质钝化层(109),分别在第一PIN二极管(Diode1)和第二PIN二极管(Diode2)顶端的绝缘介质钝化层(109)上形成通孔。
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