CN113140652A - 一种探测芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种探测芯片，包括：宽禁带半导体，其用于制备紫外探测器，该紫外探测器用于探测紫外辐射；温度传感器，其被配置在所述宽禁带半导体上，该温度传感器由温度敏感材料制成用于检测所述宽禁带半导体的温度。本发明利用还原氧化石墨烯的温度敏感特性以及其原料丰富、成本低廉、工艺简单的优势，同时利用宽禁带氮化物半导体对紫外辐射探测的优势，实现氮化物紫外探测器工作过程中的实时结区温度检测功能和紫外探测与温度探测单片集成的功能。

Description

一种探测芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种探测芯片及其制备方法。
背景技术
紫外探测是继红外和激光探测技术之后发展起来的一种军民两用光电探测技术，其可探测到飞机、火箭和导弹等飞行目标的尾焰或羽焰中释放的大量紫外辐射，因此被广泛应用于空间防务和报警系统、火灾监控、汽车发动机监测、石油工业和环境污染等监测。宽禁带氮化物(AlN、GaN以及AlGaN合金)半导体作为最具代表性的第三代宽禁带半导体材料，凭借其大禁带宽度、高电子迁移率、高电子饱和速度和大击穿场强等优点，具有十分广阔的应用前景。此外，宽禁带氮化物半导体材料是直接宽禁带半导体，禁带宽度从3.4eV(GaN)至6.2eV(AlN)连续可调，是制备紫外以及深紫外探测器的理想材料，基于氮化物半导体材料的紫外、深紫外探测器具有暗电流低、噪声低、抗辐射等优势。
然而，在氮化物半导体紫外探测器的许多应用中，诸如火灾预警、发动机尾焰监测、高温炉辐射监测等，一方面，紫外探测器长期工作可能积累热量，引起结区温度上升，造成器件材料内部的部分缺陷捕获或者释放载流子，引起紫外探测器性能稳定性降低；另一方面，发生警情时，紫外辐射往往滞后于温度的变化。
发明内容
因此，本发明的目的是针对上述问题提供一种将温度敏感材料与宽禁带半导体材料集成，并制备温度传感器与紫外探测器的方法。
根据本公开的第一方面，提供了一种探测芯片，包括：宽禁带半导体，其用于制备紫外探测器，该紫外探测器用于探测紫外辐射；温度传感器，其被配置在所述宽禁带半导体上，该温度传感器由温度敏感材料制成用于检测所述宽禁带半导体的温度。在宽禁带半导体制成的紫外探测器上配置温度传感器，温度传感器由温度敏感材料制成，可以迅速准确地感应到紫外探测器应用于火灾预警、发动机尾焰监测、高温炉辐射监测等场景时的热量变化，可以解决传统的紫外探测器的热量监测不准确不及时的问题。
在一些可能的实现方式中，所述温度敏感材料为氧化石墨烯。还原氧化石墨烯对温度敏感，且原料丰富、成本低廉、工艺简单。因此选择氧化石墨烯作为温度传感器的材料。
在一些可能的实现方式中，所述宽禁带半导体包括衬底材料和配置在该衬底材料上的宽禁带半导体薄膜，所述宽禁带半导体薄膜包括第一外延层和第二外延层。
在一些可能的实现方式中，所述第一外延层为氮化铝外延层，所述第二外延层为氮化镓铝外延层。以氮化铝作为第一外延层，可以提高以氮化镓铝为材料的第二外延层的质量。氮化镓铝外延层是紫外探测的光敏层，衬底是整个器件的支撑层，位于光敏层和支撑层中间的氮化铝层作为缓冲层，具有调控衬底对氮化镓铝外延层应力的作用，从氮化镓铝外延层晶体的XRD摇摆曲线半峰宽可以看出氮化铝层能够提高氮化镓铝外延层的结晶质量。
根据本公开的第二方面，提供了一种探测芯片的制备方法：在由宽禁带半导体制成的紫外探测器上配置由温度敏感材料制成的温度传感器。
在一些可能的实现方式中，该方法包括：
-在衬底材料上配置宽禁带半导体薄膜；
-在所述宽禁带半导体薄膜上配置还原氧化石墨烯层；
-将所述还原氧化石墨烯层配置为还原氧化石墨烯条带；
-在所述还原氧化石墨烯条带和宽禁带半导体薄膜上分别配置电极；
-对获得的芯片进行退火处理。
在一些可能的实现方式中，通过MOCVD、MBE或HVPE在衬底上制备所述宽禁带半导体薄膜的第一外延层以及在该第一外延层上制备第二外延层。
在一些可能的实现方式中，通过旋涂、滴涂、转移或CVD法将所述氧化石墨烯配置在所述宽禁带半导体薄膜上。
在一些可能的实现方式中，通过热还原法或者化学还原法将所述氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯层。
在一些可能的实现方式中，通过RIE、ICP或者等离子体刻蚀将所述还原氧化石墨烯层配置为还原氧化石墨烯条带。
在一些可能的实现方式中，制备所述还原氧化石墨烯条带和宽禁带半导体薄膜的电极的材料为Ti、V、Al、Ni、Pt、Au、ITO中的一种或多种。
根据上述技术方案可以看出，本公开具有以下优势：
1.还原氧化石墨烯具有温度敏感特性，且原料丰富、成本低廉、工艺简单；
2.宽禁带氮化物半导体对紫外辐射探测的优势；
3.将紫外探测器和温度探测集成，实现氮化物紫外探测器工作过程中的实时结区温度检测功能和紫外探测与温度探测的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本公开的一个实施例的探测芯片的结构示意图；
图2为本公开的一个实施例的探测芯片的制备流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本公开提供了一种探测芯片，包括：宽禁带半导体，其用于制备紫外探测器，该紫外探测器用于探测紫外辐射；温度传感器，其被配置在所述宽禁带半导体上，该温度传感器由温度敏感材料制成用于检测所述宽禁带半导体的温度。在宽禁带半导体制成的紫外探测器上配置温度传感器，温度传感器由温度敏感材料制成，可以迅速准确地感应到紫外探测器应用于火灾预警、发动机尾焰监测、高温炉辐射监测等场景时的热量变化，可以解决传统的紫外探测器的热量监测不准确不及时的问题。
在一些可能的实现方式中，所述温度敏感材料为氧化石墨烯。还原氧化石墨烯对温度敏感，且原料丰富、成本低廉、工艺简单。因此选择氧化石墨烯作为温度传感器的材料。
在一些可能的实现方式中，所述宽禁带半导体包括衬底材料和配置在该衬底材料上的宽禁带半导体薄膜，所述宽禁带半导体薄膜包括第一外延层和第二外延层。
在一些可能的实现方式中，所述第一外延层为氮化铝外延层，所述第二外延层为氮化镓铝外延层。以氮化铝作为第一外延层，可以提高以氮化镓铝为材料的第二外延层的质量。
本公开还提供了一种探测芯片的制备方法：在由宽禁带半导体制成的紫外探测器上配置由温度敏感材料制成的温度传感器。
在一些可能的实现方式中，该方法包括：
-在衬底材料上配置宽禁带半导体薄膜；
-在所述宽禁带半导体薄膜上配置还原氧化石墨烯层；
-将所述还原氧化石墨烯层配置为还原氧化石墨烯条带；
-在所述还原氧化石墨烯条带和宽禁带半导体薄膜上分别配置电极；
-对获得的芯片进行退火处理。
在一些可能的实现方式中，通过MOCVD、MBE或HVPE在衬底上制备所述宽禁带半导体薄膜的第一外延层以及在该第一外延层上制备第二外延层。
在一些可能的实现方式中，通过旋涂、滴涂、转移或CVD法将所述氧化石墨烯配置在所述宽禁带半导体薄膜上。
在一些可能的实现方式中，通过热还原法或者化学还原法将所述氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯层。
在一些可能的实现方式中，通过RIE、ICP或者等离子体刻蚀将所述还原氧化石墨烯层配置为还原氧化石墨烯条带。
在一些可能的实现方式中，制备所述还原氧化石墨烯条带和宽禁带半导体薄膜的电极的材料为Ti、V、Al、Ni、Pt、Au、ITO中的一种或多种。
本发明利用还原氧化石墨烯的温度敏感特性以及其原料丰富、成本低廉、工艺简单的优势，同时利用宽禁带氮化物半导体对紫外辐射探测的优势，实现氮化物紫外探测器工作过程中的实时结区温度检测功能和紫外探测与温度探测单片集成的功能。
一个实施例的探测芯片的结构如图1所示。所示探测芯片包括衬底1、第一外延层2、第二外延层3、还原氧化石墨烯条带4、第一电极5和第二电极6。其中，衬底1用于使氮化物生长，其衬底材料的材质为蓝宝石(Sapphire)，但可选的材料包括但不限于蓝宝石(Sapphire)，也可以是碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)以及氮化铝(AlN)。而第一外延层2是采用MOCVD、MBE或HVPE的方法配置在衬底1上，而第二外延层3同样采用MOCVD、MBE或HVPE的方法外延生长于第一外延层2上。
具体地，第一外延层2的材质为氮化铝(AlN)，第二外延层3的材质为氮化镓铝(AlGaN)。而第一外延层2的氮化铝作为第二外延层3基探测器的模板，可以提高氮化镓铝(AlGaN)的外延层质量。
优选地，第一外延层2的厚度不低于1μm，第二外延层3的的厚度也不低于1μm。还原氧化石墨烯条带4是通过对配置在第二外延层3上的还原氧化石墨烯层进行光刻或刻蚀得到的。该还原氧化石墨烯条带4的宽度优选为20μm。还原氧化石墨烯条带4的两端配置有一对第一电极5，在还原氧化石墨烯条带4的两侧的第二外延层3上配置有一对第二电极6。优选地，一对第一电极5的材料为金(Au)，厚度为100纳米；一对第二电极6的电极材料为先镀厚度为30nm镍(Ni)，再镀厚度为70nm的金(Au)。
一个实施例的探测芯片的制备方法如图2所示。该方法包括如下步骤：
S1：用蓝宝石(Sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)以及氮化铝(AlN)制备用于氮化物生长的衬底1。
S2：采用MOCVD、MBE或HVPE在衬底1上制备AlN外延层2，AlN外延层2的厚度不低于1μm。
S3：采用MOCVD、MBE或HVPE在AlN外延层2上外延生长AlGaN层3，AlGaN层3的厚度不低于1μm。
S4：在AlGaN层3上旋涂氧化石墨烯溶液。优选地，氧化石墨烯溶液的浓度为2mg/mL。
S5：将旋涂的氧化石墨烯溶液还原并得到还原氧化石墨烯层。其中，氧化石墨烯溶液的还原方法包括化学还原和热还原。优选的还原方法为热还原，在N2的氛围中进行900℃高温热退火3min。
S6：对还原氧化石墨烯层进行光刻、刻蚀，得到还原氧化石墨烯条带4，优选地，刻蚀方法为等离子体刻蚀，刻蚀得到的还原氧化石墨烯条带4宽度为20um。
S7：在还原氧化石墨烯条带4的两端通过光刻、电子束蒸发或热蒸的方式蒸镀第一电极5，优选地，第一电极5的电极材料为Au，厚度为100nm，即一对第一电极5的材料为金(Au)，厚度为100纳米。
S8：在还原氧化石墨烯条带4的两侧、AlGaN外延层3上层，通过光刻、电子束蒸发或热蒸发的方式蒸镀第二电极6，优选地，第二电极6的电极材料为Ni/Au，厚度为30/70nm。即一对第二电极6的电极材料为先镀厚度为30nm镍(Ni)，再镀厚度为70nm的金(Au)。
S9：将获得的芯片进行快速热退火，使第二电极6与AlGaN外延层3形成肖特基接触，优选地，快速热退火的温度为450℃，退火时间为3min。
尽管已经通过优选实施例进一步详细说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下从其中得出其他变型。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种探测芯片，其特征在于，包括：
宽禁带半导体，其用于制备紫外探测器，该紫外探测器用于探测紫外辐射；
温度传感器，其被配置在所述宽禁带半导体上，该温度传感器由温度敏感材料制成，用于检测所述宽禁带半导体的温度。
2.根据权利要求1所述的探测芯片，其特征在于，所述温度敏感材料为氧化石墨烯。
3.根据权利要求2所述的探测芯片，其特征在于，所述宽禁带半导体包括衬底材料和配置在该衬底材料上的宽禁带半导体薄膜，所述宽禁带半导体薄膜包括第一外延层和第二外延层。
4.根据权利要求3所述的探测芯片，其特征在于，所述第一外延层为氮化铝外延层，所述第二外延层为氮化镓铝外延层。
5.一种探测芯片的制备方法，其特征在于，在由宽禁带半导体制成的紫外探测器上配置由温度敏感材料制成的温度传感器。
6.根据权利要求5所述的探测芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括：
-在衬底材料上配置宽禁带半导体薄膜；
-在所述宽禁带半导体薄膜上配置还原氧化石墨烯层；
-将所述还原氧化石墨烯层配置为还原氧化石墨烯条带；
-在所述还原氧化石墨烯条带和宽禁带半导体薄膜上分别配置电极；
-对获得的芯片进行退火处理。
7.根据权利要求6所述的探测芯片的制备方法，其特征在于，通过MOCVD、MBE或HVPE在衬底上制备所述宽禁带半导体薄膜的第一外延层以及在该第一外延层上制备第二外延层。
8.根据权利要求7所述的探测芯片的制备方法，其特征在于，通过旋涂、滴涂、转移或CVD法将所述氧化石墨烯配置在所述宽禁带半导体薄膜上。
9.根据权利要求8所述的探测芯片的制备方法，其特征在于，通过热还原法或者化学还原法将所述氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯层。
10.根据权利要求9所述的探测芯片的制备方法，其特征在于，通过RIE、ICP或者等离子体刻蚀将所述还原氧化石墨烯层配置为还原氧化石墨烯条带。
11.根据权利要求10所述的探测芯片的制备方法，其特征在于，制备所述还原氧化石墨烯条带和宽禁带半导体薄膜的电极的材料为Ti、V、Al、Ni、Pt、Au、ITO中的一种或多种。
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