CN114068741A - 一种紫外探测器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紫外探测器芯片，该芯片包括从下到上依次层叠设置的衬底、半导体缓冲层、半导体层、第一N型半导体层、第二N型半导体层、紫外光吸收层、N型半导体隔离层、半导体倍增层、P型半导体传输层和P型半导体接触层。通过在芯片中引入半导体倍增层，使得基于该芯片所制备的紫外探测器具有倍增性能，解决了AlInGaN半导体紫外探测器响应度低的问题，明显改善了AlInGaN半导体紫外探测器的光谱响应性能，尤其是日盲波段紫外探测器响应低的问题得到明显改善，拓宽了日盲波段紫外探测器的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及紫外探测技术领域，特别是涉及一种紫外探测器芯片。
背景技术
半导体探测器件因其优异的特性在很多领域被广泛应用，尤其紫外探测器因其军事和民用领域而备受关注，紫外探测器是将一种形式的电磁辐射信号转换成另一种易被接收处理的信号形式的传感器。基于氮化铝镓（AlInGaN）材料的深紫外发光二极管具备坚固、节能、寿命长、无汞、环保等优点，正逐步渗入汞灯的传统消毒杀菌应用领域。为了感知紫外杀菌的效果及剂量等参数，日盲探测器的应用将使得杀菌技术的应用更加直观，丰富紫外杀菌的应用场景。
目前，AlGaN紫外探测器的结构主要由N型AlGaN，非掺AlGaN吸收层，P型GaN接触层组成，而这种简单的PIN结构探测器，没有倍增的性能，紫外灵敏度不够高，限制了紫外探测器的诸多应用。
基于此，亟需一种能够具有倍增性能的紫外探测器芯片。
发明内容
本发明的目的是提供一种紫外探测器芯片，引入半导体倍增层，以使紫外探测器具有倍增性能，显著提高光谱响应性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种紫外探测器芯片，所述芯片包括从下到上依次层叠设置的衬底、半导体缓冲层、半导体层、第一N型半导体层、第二N型半导体层、紫外光吸收层、N型半导体隔离层、半导体倍增层、P型半导体传输层和P型半导体接触层。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明用于提供一种紫外探测器芯片，该芯片包括从下到上依次层叠设置的衬底、半导体缓冲层、半导体层、第一N型半导体层、第二N型半导体层、紫外光吸收层、N型半导体隔离层、半导体倍增层、P型半导体传输层和P型半导体接触层。通过在芯片中引入半导体倍增层，使得基于该芯片所制备的紫外探测器具有倍增性能，解决了AlInGaN半导体紫外探测器响应度低的问题，明显改善了AlInGaN半导体紫外探测器的光谱响应性能，尤其是日盲波段紫外探测器响应低的问题得到明显改善，拓宽了日盲波段紫外探测器的应用场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例1所提供的芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例1所提供的设置有电极的芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例1所提供的芯片的制备方法流程图。
附图标记：
1-衬底；2-半导体缓冲层；3-组分交替的半导体超晶格层；4-半导体层；5-第一N型半导体层；6-第二N型半导体层；7-紫外光吸收层；8-N型半导体隔离层；9-半导体倍增层；10-P型半导体传输层；11-P型半导体应变层；12-P型半导体接触层；13-P电极；14-N电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种紫外探测器芯片，具体提供一种AlInGaN紫外探测器芯片的结构及制备方法，此探测器芯片能够探测紫外光信号，同时具有雪崩倍增效应，能探测紫外微弱信号。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
光电探测器利用光电效应，把光学辐射转化成电学信号，光电效应中，光子激发光阴极产生光电子，然后被收集放大，获得的光信号（电流等）是接收到的辐射转换值。材料科学的进步促进了氮化物半导体紫外探测器的快速发展，几种常见的探测器也被研发出来，如GaN PIN型光电二极管，金属-半导体-金属（MSM）光电二极管，PN结型光电二极管，肖特基型光电二极管。但是，由于材料的质量还不够高，结构设计还不够好，造成探测器的暗电流大，光谱响应噪声高，光谱响应度低等问题，限制了很多领域的应用。基于氮化铝镓（AlInGaN）材料的深紫外发光二极管具备坚固、节能、寿命长、无汞、环保等优点，正逐步渗入汞灯的传统消毒杀菌应用领域，但其仍然存在没有倍增性能的问题。
为了解决上述问题，本实施例用于提供一种紫外探测器芯片，如图1所示，所述芯片包括从下到上依次层叠设置的衬底1、半导体缓冲层2、半导体层4、第一N型半导体层5、第二N型半导体层6、紫外光吸收层7、N型半导体隔离层8、半导体倍增层9、P型半导体传输层10和P型半导体接触层12。通过引入半导体倍增层9，使得探测器的倍增效果明显增加。
由于AlGaN材料的质量较差，材料内部有很多的位错密度，导致AlGaN紫外探测器存在暗电流大，光谱响应度较低等问题。为了解决这一问题，本实施例的芯片还包括组分交替的半导体超晶格层3，该组分交替的半导体超晶格层3位于半导体缓冲层2和半导体层4之间。通过在芯片结构中引入组分交替的半导体超晶格层3，能够改善AlInGaN的材料质量，降低探测器的暗电流，进而在器件倍增的过程中，暗电流的倍增对器件整体的倍增效应影响较小，能够提高紫外探测器的光谱响应度。
作为一种可选的实施方式，本实施例的芯片还包括P型半导体应变层11，该P型半导体应变层11位于P型半导体传输层10和P型半导体接触层12之间。通过在P型半导体传输层10和P型半导体接触层12之间引入P型半导体应变层11，能够使结构产生应变，能带发生弯曲，电子空穴隧穿迁移效率明显提升，提高了量子效率，提高了紫外响应度。
本实施例所提供的AlInGaN半导体紫外探测器芯片为倒装芯片结构，其背面生长一层SiO2，SiO2的厚度为5～500nm，以降低紫外线在背面的反射，提高紫外线的透射机率，提高光的响应度。
以下，对图1所示的芯片所包括的各层进行进一步的介绍：
衬底1的材料为蓝宝石、SiC、AlN、石英玻璃，ZnO或氧化镓，还可为其他材料，在此不再一一列举。
半导体缓冲层2的材料为Alx1Ga1-x1N，其厚度为200～5000nm，其中，0.5≤x1≤1。优选的，半导体缓冲层2的材料为AlN。
组分交替的半导体超晶格层3为非掺杂层，其材料为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N/Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，其中，0.5≤x2≤1，0≤y2≤0.1，0.5≤x3≤1，0≤y3≤0.1，且x2≠x3。组分交替的半导体超晶格层3的周期数为2~200，每一周期包括交替生长的一层Alx2Iny2Ga1-x2-y2N和一层Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，周期厚度为2~10nm，其中Alx2Iny2Ga1-x2-y2N的厚度为1~5nm，Alx3Iny3Ga1-x3-y3N的厚度为1~5nm。高Al组份下位错密度大，会形成贯穿整个外延器件材料的位错线，而这些位错线会成为漏电通道，也就是暗电流通道，而组分交替的半导体超晶格层3（即Alx2Iny2Ga1-x2-y2N/Alx3Iny3Ga1-x3-y3N超晶格层）的引入实现了对位于其下的半导体缓冲层2产生的位错线的有效阻挡，极大地降低了整个材料层的位错密度，解决了高Al组分AlInGaN位错密度偏大导致器件暗电流大的问题，避免了紫外探测器倍增过程中因暗电流过大导致的干扰，从而使位错密度降低，极大降低暗电流。
半导体层4为非掺杂层，其材料为Alx4Iny4Ga1-x4-y4N，厚度为200～5000nm；其中，0.5≤x4≤1，0≤y4≤0.1，且x4<x1。
第一N型半导体层5的材料为Alx5Iny5Ga1-x5-y5N，厚度为100～2000nm，N型掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3。其中，0.5≤x5≤1，0≤y5≤0.1，且x5<x1。
第二N型半导体层6的材料为Alx6Iny6Ga1-x6-y6N，厚度为100～1000nm，N型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3。其中，0≤x6≤1，0≤y6≤1，且x6≤x5。
紫外光吸收层7为非掺杂层，其材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，厚度为50~500nm。
N型半导体隔离层8的材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，厚度为10~500nm，N型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3。
半导体倍增层9为非掺杂层，其材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，厚度为50~500nm。优选的，半导体倍增层9为非掺杂超晶格层，该非掺杂超晶格层的材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N/Alx8Iny8Ga1-x8-y8N，其中，x8≤x7。该非掺杂超晶格层的周期数≥2，每一周期包括交替生长的一层Alx7Iny7Ga1-x7-y7N和一层Alx8Iny8Ga1-x8-y8N，其中，Alx7Iny7Ga1-x7-y7N的厚度为2~5nm，Alx8Iny8Ga1-x8-y8N的厚度为2~5nm。通过设计半导体倍增层9的材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N/Alx8Iny8Ga1-x8-y8N超晶格层，能够有效提高电场在倍增层的分压，增加空穴的电离效率，提高倍增系数，倍增增益可以提升到105量级。
P型半导体传输层10的材料为Alx9Iny9Ga1-x9-y9N，厚度为5～500nm，P型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3，其中，x9≤x8。
P型半导体接触层12的材料为Alx10Iny10Ga1-x10-y10N，厚度为5～1000nm，P型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3，其中，0≤x10≤0.1。
P型半导体应变层11的材料采用Al组份渐变的AlInGaN，厚度为5～200nm，P型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3。其中，Al组份由x9渐变至x10。
为了便于本领域技术人员更加清楚的理解本实施例所提供的芯片，在此对本实施例所提供的紫外探测器芯片的倍增效应的原理进行说明：当紫外光从芯片背部照射进来时，光子首先在紫外光吸收层7被吸收，产生自由的电子-空穴对。在外加电场的情况下，紫外光吸收层7会有一个低电场的存在，空穴会在电场的作用下加速通过N型半导体隔离层8，进入半导体倍增层9，而在紫外光吸收层7产生的绝大多数电子会在电场的作用下进入第二N型半导体层6和第一N型半导体层5，且电场的作用使得电子不会跨过N型半导体隔离层8进入半导体倍增层9，这样就实现了纯空穴注入半导体倍增层9的效果。而空穴的离化系数要远高于电子，所以在高电场的作用下，高离化系数的空穴在半导体倍增层9强电场的加速下，产生很大的动能，进而与半导体倍增层9的晶格原子发生碰撞时，产生新电子-空穴对，碰撞产生的载流子（电子或空穴）在高电场的作用下继续发生碰撞，这个过程不断重复，自由载流子的数量急剧增加，产生雪崩倍增效应。对于由纯空穴注入的雪崩倍增，由于空穴的高离化系数，优异倍增因子比由电子发动的倍增要高很多。
另外，当半导体倍增层9采用Alx7Iny7Ga1-x7-y7N/Alx8Iny8Ga1-x8-y8N超晶格层设计时，能够有效提高电场在半导体倍增层9的分压，增加空穴的电离效率，提高倍增系数。同时，Al组份不一致的超晶格设计，使得空穴在低Al组份区域将有更高的离化能力，离化倍增效果更加明显。
在向本实施例所提供的芯片上设置电极时，如图2所示，其所用的设置方式为，P电极13位于P型半导体接触层12上，N电极14设置于第二N型半导体层6上。
以下，对本实施例所提供的芯片的制备方法进行介绍，如图3所示，其包括如下步骤：
S101：在衬底1上生长半导体缓冲层2；
S102：在半导体缓冲层2上生长组分交替的半导体超晶格层3；
S103：在组分交替的半导体超晶格层3基础上依次生长半导体层4、第一N型半导体层5和第二N型半导体层6；
S104：在第二N型半导体层6基础上生长紫外光吸收层7；
S105：在紫外光吸收层7基础上生长N型半导体隔离层8，并在N型半导体隔离层8基础上生长半导体倍增层9；
S106：在半导体倍增层9基础上生长P型半导体传输层10，随后生长P型半导体应变层11；
S107：在P型半导体应变层11基础上生长P型半导体接触层12。
以下，通过多个实例对芯片的制备方法进行进一步的说明：
实例一：
（1）蓝宝石图形衬底1放入高温MOCVD设备中，通入氢气，高温1100℃烘烤，清洗衬底1表面的氧化物和杂质；
（2）高温生长非掺的AlN层（半导体缓冲层2），AlN层的厚度控制在1.5μm；
（3）高温生长非掺的AlN/Al0.85Ga0.15N超晶格层（组分交替的半导体超晶格层3），生长的周期为50，其中AlN的厚度为1nm，Al0.85Ga0.15N层的厚度为2nm；
（4）在此超晶格层基础上生长非掺杂Al0.75Ga0.25N层（半导体层4），此非掺杂Al0.75Ga0.25N层的厚度为1μm；
（5）在此非掺杂Al0.75Ga0.25N层基础上生长N型掺杂Al0.65Ga0.35N层（第一N型半导体层5），此N型掺杂Al0.65Ga0.35N层的厚度为1μm，N型掺杂浓度5×1018cm-3；
（6）在此Al0.65Ga0.35N层上生长N型Al0.5Ga0.5N层（第二N型半导体层6），此N型Al0.5Ga0.5N层的厚度为1μm，N型掺杂浓度1×1019cm-3；
（7）将温度调至吸收层生长温度，生长非掺杂的厚度为150nm的Al0.4Ga0.6N层（紫外光吸收层7）；
（8）将温度调至隔离层生长温度，生长N型掺杂的厚度为40nm的Al0.4Ga0.6N层（N型半导体隔离层8），N型掺杂浓度为1×1018cm-3；
（9）随后生长一层150nm厚的非掺杂Al0.4Ga0.6N倍增层（半导体倍增层9）；
（10）随后生长一层100nm厚的P型Al0.4Ga0.6N传输层（P型半导体传输层10），P型掺杂浓度为1×1019cm-3；
（11）随后生长一层10nm厚的P型Al0.25Ga0.75N应变层（P型半导体应变层11），P型掺杂浓度为1×1019cm-3；
（12）最后生长一层10nm厚的P型In0.01Ga0.99N接触层（P型半导体接触层12），P型掺杂浓度为2×1019cm-3；
（13）生长的外延片进行表面清洗，进行倒装芯片制作，芯片大小为500μm×500μm。N电极14刻蚀深度为500nm，N电极14的金属为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为20nm/100nm/20nm/100nm，形成良好的欧姆接触；
（14）在此基础上，蒸镀Ni/Au合金作为P电极13，厚度分别为1nm/10nm，形成良好的P型欧姆接触；
（15）采用分光光度计测试吸收光谱及光谱响应，吸收光谱为220nm~280nm，5V偏压下测试暗电流，暗电流为10pA；
（16）反向偏压为80V的情况下，增益值为10000。
实例二：
（1）蓝宝石图形衬底1放入高温MOCVD设备中，通入氢气，高温1100℃烘烤，清洗衬底1表面的氧化物和杂质；
（2）高温生长非掺的AlN层，AlN层的厚度控制在1.5μm；
（3）高温生长非掺的AlN/Al0.85Ga0.15N超晶格层，生长的周期为50，其中AlN的厚度为1nm，Al0.85Ga0.15N层的厚度为2nm；
（4）在此超晶格层基础上生长非掺杂Al0.75Ga0.25N层，此非掺杂Al0.75Ga0.25N层的厚度为1μm；
（5）在此非掺杂Al0.75Ga0.25N层基础上生长N型掺杂Al0.65Ga0.35N层，此N型掺杂Al0.65Ga0.35N层的厚度为1μm，N型掺杂浓度5×1018cm-3；
（6）在此Al0.65Ga0.35N层上生长N型Al0.5Ga0.5N层，此N型Al0.5Ga0.5N层的厚度为1μm，N型掺杂浓度为1×1019cm-3；
（7）将温度调至吸收层生长温度，生长非掺杂的150nm厚的Al0.4Ga0.6N层；
（8）将温度调至隔离层生长温度，生长N型掺杂的40nm厚的Al0.4Ga0.6N层，N型掺杂浓度为1×1018cm-3；
（9）随后生长一层150nm厚的非掺杂Al0.25Ga0.75N倍增层；
（10）随后生长一层100nm厚的P型Al0.25Ga0.75N传输层，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（11）随后生长一层10nm厚的P型Al0.15Ga0.85N应变层，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（12）最后生长一层10nm厚的P型In0.01Ga0.99N接触层，掺杂浓度为2×1019cm-3；
（13）生长的外延片进行表面清洗，进行倒装芯片制作，芯片大小为500μm×500μm。N电极14刻蚀深度为500nm，N电极14金属为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为20nm/100nm/20nm/100nm，形成良好的欧姆接触；
（14）在此基础上，蒸镀Ni/Au合金作为P电极13，厚度分别为1nm/10nm，形成良好的P型欧姆接触；
（15）采用分光光度计测试吸收光谱及光谱响应，吸收光谱为220nm~280nm，5V偏压下测试暗电流，暗电流为10pA；
（16）反向偏压为85V的情况下，增益值为30000。
实例三：
（1）蓝宝石图形衬底1放入高温MOCVD设备中，通入氢气，高温1100℃烘烤，清洗衬底1表面的氧化物和杂质；
（2）高温生长非掺的AlN层，AlN层的厚度控制在1.5μm；
（3）高温生长非掺的AlN/Al0.85Ga0.15N超晶格层，生长的周期为50，其中AlN的厚度为1nm，Al0.85Ga0.15N层的厚度为2nm；
（4）在此超晶格基础上生长非掺杂Al0.75Ga0.25N层，此非掺杂Al0.75Ga0.25N层的厚度为1μm；
（5）在此非掺杂Al0.75Ga0.25N层基础上生长N型掺杂Al0.65Ga0.35N层，此N型掺杂Al0.65Ga0.35N层的厚度为1μm，掺杂浓度为5×1018cm-3；
（6）在此Al0.65Ga0.35N层上生长N型Al0.5Ga0.5N层，此N型Al0.5Ga0.5N层的厚度为1μm，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（7）将温度调至吸收层生长温度，生长非掺杂的150nm厚的Al0.4Ga0.6N层；
（8）将温度调至隔离层生长温度，生长N型掺杂的40nm厚的Al0.4Ga0.6N层，N型掺杂浓度为1×1018cm-3；
（9）随后生长一层10nm厚的非掺杂Al0.4Ga0.75N倍增层；
（10）随后生长一层5nm厚的非掺杂Al0.25Ga0.75N倍增层；
（11）重复生长（9）和（10）步骤10次；
（12）随后生长一层100nm厚的P型Al0.25Ga0.75N传输层，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（13）随后生长一层10nm厚的P型Al0.15Ga0.85N应变层，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（14）最后生长一层10nm厚的P型In0.01Ga0.99N接触层，掺杂浓度为2×1019cm-3；
（15）生长的外延片进行表面清洗，进行倒装芯片制作，芯片大小为500μm×500μm。N电极14刻蚀深度为500nm，N电极14金属为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为20nm/100nm/20nm/100nm，形成良好的欧姆接触；
（16）在此基础上，蒸镀Ni/Au合金作为P电极13，厚度分别为1nm/10nm，形成良好的P型欧姆接触；
（17）采用分光光度计测试吸收光谱及光谱响应，吸收光谱为220nm~280nm，5V偏压下测试暗电流，暗电流为5pA；
（18）反向偏压为85V的情况下，增益值为80000。
实例四：
（1）蓝宝石图形衬底1放入高温MOCVD设备中，通入氢气，高温1100℃烘烤，清洗衬底1表面的氧化物和杂质；
（2）高温生长非掺的AlN层，AlN层的厚度控制在1.5μm；
（3）高温生长非掺的AlN/Al0.85Ga0.15N超晶格层，生长的周期为50，其中AlN的厚度为1nm，Al0.85Ga0.15N层的厚度为2nm；
（4）在此超晶格基础上生长非掺杂Al0.75Ga0.25N层，此非掺杂Al0.75Ga0.25N层的厚度为1μm；
（5）在此非掺杂Al0.75Ga0.25N层基础上生长N型掺杂Al0.65Ga0.35N层，此N型掺杂Al0.65Ga0.35N层的厚度为1μm，掺杂浓度为5×1018cm-3；
（6）在此Al0.65Ga0.35N层上生长N型Al0.5Ga0.5N层，此N型Al0.5Ga0.5N层的厚度为1μm，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（7）将温度调至吸收层生长温度，生长非掺杂的180nm厚的Al0.4Ga0.6N层；
（8）将温度调至隔离层生长温度，生长N型掺杂的40nm厚的Al0.4Ga0.6N层，N型掺杂浓度为1×1018cm-3；
（9）随后生长一层10nm厚的非掺杂Al0.4Ga0.75N倍增层；
（10）随后生长一层5nm厚的非掺杂Al0.25Ga0.75N倍增层；
（11）重复生长（9）和（10）步骤12次；
（12）随后生长一层100nm厚的P型Al0.25Ga0.75N传输层，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（13）随后生长一层10nm厚的P型Al0.15Ga0.85N应变层，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（14）最后生长一层10nm厚的P型In0.01Ga0.99N接触层，掺杂浓度为2×1019cm-3；
（15）生长的外延片进行表面清洗，进行倒装芯片制作，芯片大小为500μm×500μm。N电极14刻蚀深度为500nm，N电极14金属为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为20nm/100nm/20nm/100nm，形成良好的欧姆接触；
（16）在此基础上，蒸镀Ni/Au合金作为P电极13，厚度分别为1nm/10nm，形成良好的P型欧姆接触；
（17）采用分光光度计测试吸收光谱及光谱响应，吸收光谱为220nm~280nm，5V偏压下测试暗电流，暗电流为1pA；
（18）反向偏压为85V的情况下，增益值为100000。
实例五：
（1）蓝宝石图形衬底1放入高温MOCVD设备中，通入氢气，高温1100℃烘烤，清洗衬底1表面的氧化物和杂质；
（2）高温生长非掺的AlN层，AlN层的厚度控制在1.5μm；
（3）高温生长非掺的AlN/Al0.85Ga0.15N超晶格层，生长的周期为50，其中AlN的厚度为1nm，Al0.85Ga0.15N层的厚度为2nm；
（4）在此超晶格基础上生长非掺杂Al0.75Ga0.25N层，此非掺杂Al0.75Ga0.25N层的厚度为1μm；
（5）在此非掺杂Al0.75Ga0.25N层基础上生长N型掺杂Al0.65Ga0.35N层，此N型掺杂Al0.65Ga0.35N层的厚度为1μm，掺杂浓度为5×1018cm-3；
（6）在此Al0.65Ga0.35N层上生长N型Al0.5Ga0.5N层，此N型Al0.5Ga0.5N层的厚度为1μm，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（7）将温度调至吸收层生长温度，生长非掺杂的180nm厚的Al0.4Ga0.6N层；
（8）将温度调至隔离层生长温度，生长N型掺杂的40nm厚的Al0.4Ga0.6N层，N型掺杂浓度为1×1018cm-3；
（9）随后生长一层10nm厚的非掺杂Al0.4Ga0.75N倍增层；
（10）随后生长一层5nm厚的非掺杂Al0.25Ga0.75N倍增层；
（11）重复生长（9）和（10）步骤12次；
（12）随后生长一层100nm厚的P型Al0.25Ga0.75N传输层，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（13）随后生长一层10nm厚的P型Al0.15Ga0.85N应变层，掺杂浓度为1×1019cm-3；
（14）最后生长一层10nm厚的P型In0.01Ga0.99N接触层，掺杂浓度为2×1019cm-3；
（15）生长的外延片进行表面清洗，进行倒装芯片制作，芯片大小为500μm×500μm。N电极14刻蚀深度为500nm，N电极14金属为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为20nm/100nm/20nm/100nm，形成良好的欧姆接触；
（16）在此基础上，蒸镀Ni/Au合金作为P电极13，厚度分别为1nm/10nm，形成良好的P型欧姆接触；
（17）在P型欧姆接触层之后，在背面生长紫外增透层，紫外增透层采用SiO2，厚度为50nm；
（18）采用分光光度计测试吸收光谱及光谱响应，吸收光谱为220nm~280nm，5V偏压下测试暗电流，暗电流为1pA；
（19）反向偏压为85V的情况下，增益值为120000。
本实施例公开了一种紫外探测器芯片，该紫外探测器芯片采用气相沉积的方式生长，经过光刻、刻蚀、蒸镀等芯片工艺获得芯片结构，其结构依次包含衬底1、半导体缓冲层2、组分交替的半导体超晶格层3、半导体层4、第一N型半导体层5、第二N型半导体层6、紫外光吸收层7、N型半导体隔离层8、半导体倍增层9、P型半导体传输层10、P型半导体应变层11和P型半导体接触层12。该紫外探测器芯片为背入射的倒装芯片，同时背面生长SiO2层，增加紫外光的透射率，以克服传统AlInGaN探测器无倍增效应，对微弱信号探测能力不高，光谱响应低等问题，采用新型的半导体倍增层9设计，同时结构还采用改善晶体材料晶体质量的设计，减少暗电流，使得AlInGaN紫外探测器的性能明显提升，倍增效果明显。本实施例所提供的芯片具有较低的暗电流，暗电流在10-9A量级，同时也保证了较高的光响应度。同时具有很强的倍增效应，能够对微弱光信号探测倍增，倍增超过105量级，因紫外探测器增益提升，此探测器能够探测紫外微弱信号，甚至可以探测紫外单光子信号，尤其对UVC日盲紫外波段探测器有很强的实用意义，能够助推紫外探测器在军事领域和民用领域的应用。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种紫外探测器芯片，其特征在于，所述芯片包括从下到上依次层叠设置的衬底、半导体缓冲层、半导体层、第一N型半导体层、第二N型半导体层、紫外光吸收层、N型半导体隔离层、半导体倍增层、P型半导体传输层和P型半导体接触层。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述芯片还包括组分交替的半导体超晶格层；所述组分交替的半导体超晶格层位于所述半导体缓冲层和所述半导体层之间。
3.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述芯片还包括P型半导体应变层；所述P型半导体应变层位于所述P型半导体传输层和所述P型半导体接触层之间。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、SiC、AlN、石英玻璃，ZnO或氧化镓；
所述半导体缓冲层的材料为Alx1Ga1-x1N，厚度为200～5000nm；其中，0.5≤x1≤1。
5.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述组分交替的半导体超晶格层的材料为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N/Alx3Iny3Ga1-x3-y3N，其中，0.5≤x2≤1，0≤y2≤0.1，0.5≤x3≤1，0≤y3≤0.1，且x2≠x3；
所述组分交替的半导体超晶格层的周期数为2~200，周期厚度为2~10nm，其中Alx2Iny2Ga1-x2-y2N的厚度为1~5nm，Alx3Iny3Ga1-x3-y3N的厚度为1~5nm。
6.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述半导体层的材料为Alx4Iny4Ga1-x4-y4N，厚度为200～5000nm；其中，0.5≤x4≤1，0≤y4≤0.1，且x4<x1；
所述第一N型半导体层的材料为Alx5Iny5Ga1-x5-y5N，厚度为100～2000nm，N型掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3；其中，0.5≤x5≤1，0≤y5≤0.1，且x5<x1；
所述第二N型半导体层的材料为Alx6Iny6Ga1-x6-y6N，厚度为100～1000nm，N型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3；其中，0≤x6≤1，0≤y6≤1，且x6≤x5；
所述紫外光吸收层的材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，厚度为50~500nm；
所述N型半导体隔离层的材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，厚度为10~500nm，N型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3；
所述半导体倍增层的材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N，厚度为50~500nm。
7.根据权利要求3所述的芯片，其特征在于，所述半导体倍增层为非掺杂超晶格层；所述非掺杂超晶格层的材料为Alx7Iny7Ga1-x7-y7N/Alx8Iny8Ga1-x8-y8N，周期数≥2；其中，x8≤x7，Alx7Iny7Ga1-x7-y7N的厚度为2~5nm，Alx8Iny8Ga1-x8-y8N的厚度为2~5nm。
8.根据权利要求7所述的芯片，其特征在于，所述P型半导体传输层的材料为Alx9Iny9Ga1-x9-y9N，厚度为5～500nm，P型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3；其中，x9≤x8；
所述P型半导体接触层的材料为Alx10Iny10Ga1-x10-y10N，厚度为5～1000nm，P型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3；其中，0≤x10≤0.1。
9.根据权利要求8所述的芯片，其特征在于，所述P型半导体应变层的材料采用Al组份渐变的AlInGaN，厚度为5～200nm，P型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3；其中，Al组份由x9渐变至x10。
10.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述紫外探测器芯片为倒装芯片；所述紫外探测器芯片的背面生长一层SiO2，SiO2的厚度为5～500nm。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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