CN110763344A - 一种GaN基光热探测薄膜元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaN基光热探测薄膜元件，所述薄膜元件包括单晶衬底、[p‑GaN/n‑GaN]N超晶格、金属电极、引线、吸收层、减反射保护层、导热胶和热沉，所述单晶衬底为(00l)取向并沿c轴斜切，所述[p‑GaN/n‑GaN]N超晶格交替外延生长在单晶衬底上，以p‑GaN面截止并刻蚀梯形台面，所述金属电极设置在[p‑GaN/n‑GaN]N超晶格和单晶衬底的c轴倾斜方向的两侧，形成欧姆接触，所述金属电极由所述引线导出并与信号输入端连接，所述吸收层覆盖在[p‑GaN/n‑GaN]N超晶格的有效探测表面，所述减反射保护层覆盖在吸收层上，所述热沉通过导热胶与单晶衬底连接固定。本发明的薄膜探测元件体积小、灵敏度高、破坏阈值大、响应速度快，适用于大批量规模生产，能同时实现宽光谱探测和热辐射探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaN基光热探测薄膜元件，属于功能薄膜材料及器件领域。
背景技术
基于非对角元塞贝克效应的光热探测薄膜器件，通过薄膜外延取向的倾斜设计，使材料塞贝克系数张量的非对角元不为零，从而实现响应电场与温度梯度方向相互垂直。热、电输运维度的相对独立，使其在纳米尺度的单层膜内即可获得真实、灵敏的光-热-电响应信号，同时包含光电导效应、横向丹倍效应等多物理机制复合。相比传统器件，该类型薄膜器件具有响应速度快(ns量级)、无需电源驱动、结构简单、易集成阵列等优势，在高超音速风洞、弹道导弹的热流探测，以及高能高频脉冲激光探测等领域有重要应用价值。
然而，目前用于该类型光热传感器的材料体系主要为层状氧化物及其多层膜/超晶格，如高温超导YBa2Cu3O7-δ、层状钴基氧CaxCoO2、钙钛矿La1-xCaxMnO3、La1-xSrxCoO3等，均为高熔点多元金属氧化物材料，其高质量c轴倾斜外延薄膜的生长均依赖脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD)，使薄膜元器件的大规模批量生产受限。此外，为使单晶衬底与外延薄膜的晶格常数、热膨胀系数及物理化学相容性尽可能匹配，以获得最优的结晶质量和外延取向一致性，使材料的本征输运各向异性尽可能在宏观元件中体现出来，选用单晶衬底多为SrTiO3、LaAlO3、(La1-xSrx)(Al1-yTay)O3等，其室温热导率均小于10W/m·K量级，使薄膜元件在大功率连续光热辐照下难以将热量及时向金属热沉传输，导致在测量过程中薄膜上下表面度梯度持续下降、响应率持续衰减，使器件探测灵敏度和破坏阈值降低，需要加装制冷装置。
更重要的是，由于目前探测元件薄膜材料的禁带宽度均较窄，如已实现商用的YBa2Cu3O7-δ、CaxCoO2体系在室温下光学带隙为1.0eV，当探测目标的辐照光子能量大于材料带隙时，光电导等多效应复合在提供额外载流子浓度、提高器件响应速度同时，价带电子跃迁同时会对探测元件的响应率产生影响，使同一器件在不同波长辐照下的响应率变化显著，标定曲线偏离线性、外推截距不为零，使器件实际可用的热辐射探测波长范围较窄。
宽禁带第三代半导体的迅猛发展，对该类型探测器的材料体系、外延结构、制备方法和使用性能的优化提供新的启发和契机。如采用III-V族GaN体系，通过人为堆垛的超晶格多层结构和施/受主掺杂，即可获得室温ΔS～600μV/K、响应率可控的薄膜探测元件。其高质量外延薄膜可用金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical VaporDeposition,MOCVD)生长，适用于大规模批量生产，且其同质外延GaN(0001)单晶衬底，或异质外延SiC(0001)、Al2O3(0001)单晶衬底均有较高的室温热导率(35～490W/m·K)，使薄膜探测元件向热沉的热传导能力增强数倍至百倍，从而能显著提高器件的探测灵敏度和破坏阈值，而3.39eV的宽带隙则使器件的热辐射探测极限波长范围更宽、静态标定曲线线性度更优异。
由于目前材料体系、单晶衬底选择和制备工艺的限制，基于非对角元塞贝克效应的光热探测薄膜器件存在难以大规模生产、大功率连续光热探测需制冷、破坏阈值低、热辐射探测波长范围窄等问题。目前尚无基于第三代半导体的该类型薄膜探测元件的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种GaN基光热探测薄膜元件，该元件能大规模生产、大功率连续光热探测无需制冷、破坏阈值高、热辐射探测波长范围宽。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种GaN基光热探测薄膜元件，所述薄膜元件包括单晶衬底、[p-GaN/n-GaN]N超晶格、金属电极、引线、吸收层、减反射保护层、导热胶和热沉，所述单晶衬底为(00l)取向并沿c轴斜切，所述[p-GaN/n-GaN]N超晶格交替外延生长在单晶衬底上，以p-GaN面截止并刻蚀梯形台面，所述金属电极设置在[p-GaN/n-GaN]N超晶格和单晶衬底的c轴倾斜方向的两侧，形成欧姆接触，所述金属电极由所述引线导出并与信号输入端连接，所述吸收层覆盖在[p-GaN/n-GaN]N超晶格的有效探测表面，所述减反射保护层覆盖在吸收层上，所述热沉通过导热胶与单晶衬底连接固定。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述单晶衬底为可生长高质量c轴取向同质或异质外延GaN薄膜的单晶衬底，所述单晶衬底为GaN(0001)衬底、SiC(0001)衬底、Al2O3(0001)衬底中的至少一种。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述单晶衬底的c轴斜切角0°<θ≤45°，导电类型为绝缘或半绝缘，室温电阻率ρ≥1.0E+7Ω·cm，厚度为0.2～0.8mm。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述[p-GaN/n-GaN]N超晶格采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延生长法(MBE)制备，其中p型受主杂质为碳，空穴载流子浓度为1.0E+13～1.0E+18cm-3，n型施主杂质为硅，电子载流子浓度为1.0E+16～1.0E+20cm-3。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述[p-GaN/n-GaN]N超晶格的单元层厚度为5～50nm，重复周期数1≤N≤50。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述金属电极为Cu电极、Al电极、Pt电极、Au电极、Ag电极、Ti电极中的至少一种，电极厚度为50～1000nm。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述金属电极的功函数大于等于3.5eV，所述金属电极在探测目标辐照波长下的吸收率小于等于30％。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述引线为Au引线、Ag引线或Cu引线，引线直径为0.04～0.8mm。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述吸收层的厚度为0～1000nm。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述减反射保护层为SiO2减反射保护层、TiO2减反射保护层、SiNx减反射保护层、TiNx减反射保护层、Ga2O3减反射保护层中的至少一种。
作为本发明所述薄膜元件的优选实施方式，所述热沉为表面经阳极氧化处理的铝热沉。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明的GaN基光热探测薄膜元件体积小、灵敏度高、能大功率连续光热探测无需制冷、破坏阈值高、响应速度快；(2)本发明的GaN基光热探测薄膜元件热辐射探测极限波长范围宽、线性度好，能同时实现宽光谱探测和热辐射探测；(3)本发明的GaN基光热探测薄膜元件适用于大规模生产。
附图说明
图1为本发明GaN基光热探测薄膜元件的结构示意图。
图中，1-单晶衬底；2-[p-GaN/n-GaN]N超晶格；3-金属电极；4-吸收层；5-减反射保护层；6-引线；7-导热胶；8-热沉。
图2为实施例1中GaN基光热探测薄膜元件的红外辐射标定曲线图。
图3为实施例3中GaN基光热探测薄膜元件在365nm单色脉冲激光照射下的响应信号图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种GaN基光热探测薄膜元件，用于0.8～12μm连续红外热辐射探测，结构如图1所示，薄膜元件结构包括：单晶衬底1、[p-GaN/n-GaN]N超晶格2、金属电极3、吸收层4、减反射保护层5、引线6、导热胶7、热沉8。单晶衬底为5°斜切半绝缘GaN(0001)衬底，室温电阻率为1.0E+7Ω·cm，厚度为0.2mm。[p-GaN/n-GaN]N超晶格通过MOCVD法交替外延生长在5°斜切半绝缘GaN(0001)衬底上，以p-GaN面截止并刻蚀梯形台面，沿[p-GaN/n-GaN]N超晶格和GaN(0001)衬底的c轴倾斜方向两侧设置一对Au电极，形成欧姆接触，由Au引线导出并与信号输入端连接，吸收层覆盖在[p-GaN/n-GaN]N超晶格的有效探测表面，厚度为1000nm，SiO2减反射保护层覆盖在吸收层上，铝热沉表面经阳极氧化处理，通过导热胶与GaN(0001)衬底连接固定。
本实施例中，[p-GaN/n-GaN]N超晶格周期数N＝1，其中p型受主杂质为碳，空穴载流子浓度为1.0E+13cm-3，单元层厚度为50nm；n型施主杂质为硅，电子载流子浓度为1.0E+20cm-3，单元层厚度为50nm。Au电极厚度为50nm，Au引线直径为0.04mm。
本实施例GaN基光热探测薄膜元件的红外辐射标定曲线如图2所示，横坐标为辐照功率密度，纵坐标为响应电压幅值。由图2可知，在0～8.6W/cm2范围内响应电压幅值随辐照功率密度线性增大，归一化响应率为61μVcm2/W，薄膜元件的热辐射探测极限波长范围宽、破坏阈值高、线性度好，且无需制冷，适用于大规模生产。
实施例2
一种GaN基光热探测薄膜元件，用于0.35～0.8μm连续光射探测，薄膜元件结构包括：单晶衬底、[p-GaN/n-GaN]N超晶格、金属电极、吸收层、减反射保护层、引线、导热胶和热沉。单晶衬底为20°斜切半绝缘SiC(0001)衬底，室温电阻率为2.0E+7Ω·cm，厚度为0.4mm。[p-GaN/n-GaN]N超晶格通过MOCVD法交替外延生长在20°斜切半绝缘SiC(0001)衬底上，以p-GaN面截止并刻蚀梯形台面，沿[p-GaN/n-GaN]N超晶格和SiC(0001)衬底的c轴倾斜方向两侧设置一对Ti/Al/Pt/Au组合电极，形成欧姆接触，由Cu引线导出并与信号输入端连接，吸收层覆盖在[p-GaN/n-GaN]N超晶格的有效探测表面，厚度为300nm，SiNx减反射保护层覆盖在吸收层上，铝热沉表面经阳极氧化处理，通过导热胶与SiC(0001)衬底连接固定。
本实施例中[p-GaN/n-GaN]N超晶格周期数N＝20，其中p型受主杂质为碳，空穴载流子浓度为1.0E+16cm-3，单元层厚度为5nm；n型施主杂质为硅，电子载流子浓度为1.0E+19cm-3，单元层厚度为10nm。组合电极厚度为300nm，Cu引线直径为0.4mm。
本实施例的GaN基光热探测薄膜元件在大功率连续光射探测时无需制冷，破坏阈值高，适用于大规模生产。
实施例3
一种GaN基光热探测薄膜元件，用于365nm单色脉冲激光探测，薄膜元件结构包括：单晶衬底、[p-GaN/n-GaN]N超晶格、金属电极、吸收层、减反射保护层、引线、导热胶、热沉。单晶衬底为45°斜切绝缘Al2O3(0001)衬底，室温电阻率为1.0E+8Ω·cm，厚度为0.8mm。[p-GaN/n-GaN]N超晶格通过MOCVD法交替外延生长在45°斜切绝缘Al2O3(0001)衬底上，以p-GaN面截止并刻蚀梯形台面，沿[p-GaN/n-GaN]N超晶格和Al2O3(0001)衬底的c轴倾斜方向两侧设置一对Ag电极，形成欧姆接触，由Ag引线导出并与信号输入端连接，由于元件用于深紫外单色光(365nm～3.4eV)探测，故选择不设置吸收层，即吸收层厚度为0，Ga2O3减反射保护层覆盖在吸收层上，铝热沉表面经阳极氧化处理，通过导热胶与Al2O3(0001)衬底连接固定。
本实施例中[p-GaN/n-GaN]N超晶格周期数N＝50，其中p型受主杂质为碳，空穴载流子浓度为1.0E+18cm-3，单元层厚度为10nm；n型施主杂质为硅，电子载流子浓度为1.0E+16cm-3，单元层厚度为5nm。Ag电极厚度为1000nm，Ag引线直径为0.8mm。
本实施例GaN基光热探测薄膜元件在365nm单色脉冲激光照射下的响应信号标定曲线如图3所示，横坐标为激光能量密度，纵坐标为响应电压幅值。由图3可知，在0～5.1mJ/cm2范围内响应电压幅值随激光能量密度线性增大，归一化响应率为500mVcm2/mJ，薄膜元件在脉冲激光照射下破坏阈值高、响应线性度好、响应速度快，且无需制冷，适用于大规模生产。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种GaN基光热探测薄膜元件，其特征在于，所述薄膜元件包括单晶衬底、[p-GaN/n-GaN]N超晶格、金属电极、引线、吸收层、减反射保护层、导热胶和热沉，所述单晶衬底为(00l)取向并沿c轴斜切，所述[p-GaN/n-GaN]N超晶格交替外延生长在单晶衬底上，以p-GaN面截止并刻蚀梯形台面，所述金属电极设置在[p-GaN/n-GaN]N超晶格和单晶衬底的c轴倾斜方向的两侧，形成欧姆接触，所述金属电极由所述引线导出并与信号输入端连接，所述吸收层覆盖在[p-GaN/n-GaN]N超晶格的有效探测表面，所述减反射保护层覆盖在吸收层上，所述热沉通过导热胶与单晶衬底连接固定。
2.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述单晶衬底为可生长高质量c轴取向同质或异质外延GaN薄膜的单晶衬底，所述单晶衬底为GaN(0001)衬底、SiC(0001)衬底、Al2O3(0001)衬底中的至少一种。
3.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述单晶衬底的c轴斜切角0°<θ≤45°，导电类型为绝缘或半绝缘，室温电阻率ρ≥1.0E+7Ω·cm，厚度为0.2～0.8mm。
4.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述[p-GaN/n-GaN]N超晶格采用金属有机化学气相沉积法或分子束外延生长法制备，其中p型受主杂质为碳，空穴载流子浓度为1.0E+13～1.0E+18cm-3，n型施主杂质为硅，电子载流子浓度为1.0E+16～1.0E+20cm-3。
5.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述[p-GaN/n-GaN]N超晶格的单元层厚度为5～50nm，重复周期数1≤N≤50。
6.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述金属电极为Cu电极、Al电极、Pt电极、Au电极、Ag电极、Ti电极中的至少一种，电极厚度为50～1000nm。
7.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述引线为Au引线、Ag引线或Cu引线，引线直径为0.04～0.8mm。
8.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述吸收层的厚度为0～1000nm。
9.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述减反射保护层为SiO2减反射保护层、TiO2减反射保护层、SiNx减反射保护层、TiNx减反射保护层、Ga2O3减反射保护层中的至少一种。
10.如权利要求1所述的薄膜元件，其特征在于，所述热沉为表面经阳极氧化处理的铝热沉。
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