CN208062084U - 一种应力调控紫外多波长msm光电探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种应力调控紫外多波长MSM光电探测器，利用外延于同一衬底上的两组完全应变超短周期超晶格结构完成紫外双波长的窄线宽探测，不仅极大地简化了双波段探测器件材料结构、生长过程及制备工艺，而且通过精确选择、高度集成，为多波长集成的彩色成像提供基础。本实用新型通过调控单周期超晶格的阱分子、垒分子层数，使二者达到共格界面附近力平衡状态并处于完全应变；设计生长两组完全应变的超短周期超晶格，可实现针对紫外光信号的双波长探测。本实用新型通过在外延衬底同一晶向生长不同阱垒比的多组超短周期超晶格，使多个带隙处于预设波长范围，可获得窄线宽的更多波长紫外探测，从而为集成多波长的彩色成像探测提供前提。

Description

一种应力调控紫外多波长MSM光电探测器

技术领域

本实用新型涉及半导体光电子器件技术领域，更具体地说，涉及一种应力调控紫外多波长MSM光电探测器。

背景技术

紫外探测技术作为军民两用的探测技术，在导弹制导与预警、航空航天跟踪与控制、紫外非视线光通信，以及生化医疗检测和分析等领域有着广泛的应用需求。近年来，随着紫外探测材料质量与器件性能的不断提升，人们期待性能更佳、功能更强的紫外光电探测器，以获取更丰富的目标信息。因此，现有技术的单波段紫外探测器件的功能需要拓展，如何通过精确选择、高度集成、灵敏探测多波长光信息，进一步丰富紫外区域的“色彩”，将黑白成像指引向彩色成像，已成为紫外光电探测技术中极具挑战性的前沿研究热点。

然而，当前发展双波长乃至多波长的紫外光电探测器并没有较完备的制备技术，如中国发明专利申请200510025439.0公开了一种紫外双波段氮化镓探测器，通过电介质材料构成反射镜可实现针对250-300nm和320-365nm波段的紫外探测。但两个吸收波段的结构分别外延在衬底的正面和背面，所涉及材料生长、制备工艺及光路系统都较复杂，且波长间距不够精确，不具备彩色成像的潜力，极大地限制了器件的性能与应用。

中国发明专利申请201710037368.9公开了包括探测器模块、多波段滤光片等构成的一种集成光纤的多光谱红外成像探测器，能够满足高精度、窄间距的成像探测需求。但该多波段系统相当于多个子模块的集成，随着所探测波长范围的增加，器件体积规模相应增大，使得子模块间的精准拼接难度增大。

因此，发展双波长乃至多波长集成的紫外探测器件势在必行，尤其是从材料结构设计角度出发，开发可适应精确选择波长的多波长探测结构，对提升紫外光电探测水平具有重要的指导意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应力调控紫外多波长MSM光电探测器，不仅极大地简化了双波段探测器件的材料结构、生长过程及制备工艺，而且通过精确选择、高度集成，为多波长集成的彩色成像提供基础。

本实用新型的技术方案如下：

一种应力调控紫外多波长MSM光电探测器，自下而上包括衬底、缓冲层、至少两组超短周期超晶格应变层，以及金属叉指电极；在下的超短周期超晶格应变层的阱宽大于在上的超短周期超晶格应变层的阱宽。

作为优选，金属叉指电极设置于最上层的超短周期超晶格应变层的上表面，作为所有超短周期超晶格应变层的共用电极；

或者，金属叉指电极分别独立设置于每个超短周期超晶格应变层的上表面，将各自表面附近吸收产生的光生载流子转换为光电流。

作为优选，包括在下的第一超短周期超晶格应变层、在上的第二超短周期超晶格应变层，共两组超短周期超晶格应变层。

作为优选，衬底为同质衬底或异质衬底。

作为优选，超短周期超晶格应变层由氮化镓单分子层与氮化铝单分子层交替生长形成第I类超晶格。

作为优选，单个周期氮化镓阱层宽度大于等于1个原子层且小于等于10个原子层；单个周期垒层氮化铝厚度大于等于4个原子层且小于等于10个原子层。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型所述的应力调控紫外多波长MSM光电探测器，利用外延于同一衬底上的两组完全应变超短周期超晶格结构完成紫外双波长的窄线宽探测，不仅极大地简化了双波段探测器件材料结构、生长过程及制备工艺，而且通过精确选择、高度集成，为多波长集成的彩色成像提供基础。

本实用新型通过调控单周期超晶格的阱分子、垒分子层数，使二者达到共格界面附近力平衡状态并处于完全应变；设计生长两组完全应变的超短周期超晶格，可实现针对紫外光信号的双波长探测。

本实用新型采用集成一体式双波长探测，无论是结构设计、外延生长，还是工艺制备，相较于现有技术的双波段探测制备技术更加简便，尤其是简化了协同窄带滤波片工作的光路系统，因此器件体积较小、集成度高，为实际应用提供了可能。

本实用新型不仅局限于双波长探测，通过在外延衬底同一晶向生长不同阱垒比的多组超短周期超晶格(GaN)_m1/(AlN)_n1、(GaN)_m2/(AlN)_n2······(GaN)_mx/(AlN)_ny，使多个带隙处于预设波长范围，可获得窄线宽的更多波长紫外探测，从而为集成多波长的彩色成像探测提供前提。

附图说明

图1是本实用新型的光电探测器的剖视图；

图2是整体平面型MSM金属叉指电极的光电探测器的结构示意图；

图3是多组独立的平面型MSM金属叉指电极的光电探测器的结构示意图；

图4是双波长MSM光电探测器的阴极荧光光谱示意图；

图中：1是第一超短周期超晶格应变层，2是第二超短周期超晶格应变层，3是缓冲层，4是衬底，5是金属叉指电极。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型进行进一步的详细说明。

本实用新型为了解决现有技术存在的结构复杂、生产工艺繁琐、精度不高等不足，提供一种应力调控紫外多波长MSM光电探测器，利用外延于同一衬底4上的两组完全应变超短周期超晶格结构完成紫外双波长的窄线宽探测，不仅极大地简化了双波段探测器件材料结构、生长过程及制备工艺，而且通过精确选择、高度集成，为多波长集成的彩色成像提供基础。

如图1、图2、图3所示，应力调控紫外多波长MSM光电探测器，其结构自下而上包括衬底4、缓冲层3、至少两组超短周期超晶格应变层，以及金属叉指电极5；

在下的超短周期超晶格应变层的阱宽大于在上的超短周期超晶格应变层的阱宽，以使从上方入射的紫外光优先被在上的超短周期超晶格应变层选择性吸收，其余光子穿透至在下的超短周期超晶格应变层表面附近被吸收，从而实现针对若干个波段紫外光信号的选择性探测，形成多波长集成的彩色成像探测。

本实用新型所述的探测器可以实施为整体平面型MSM金属叉指电极5与多组独立的平面型MSM金属叉指电极5两种类别的结构。

对于整体平面型MSM金属叉指电极5，金属叉指电极5设置于最上层的超短周期超晶格应变层的上表面，作为所有超短周期超晶格应变层的共用电极；

对于多组独立的平面型MSM金属叉指电极5，金属叉指电极5分别独立设置于每个超短周期超晶格应变层的上表面，将各自表面附近吸收产生的光生载流子转换为光电流。

本实用新型中，将两组甚至多组超短周期超晶格应变层叠加，可形成多波长集成的彩色成像探测。而本实施例中，包括在下的第一超短周期超晶格应变层1、在上的第二超短周期超晶格应变层2，共两组超短周期超晶格应变层；利用ICP刻蚀技术使第一超短周期超晶格应变层1有一部分外露区域，并将金属叉指电极5设置于上述外露区域之上；另一组金属叉指电极5设置于第二超短周期超晶格应变层2之上，实现紫外双波长的分别探测。

当金属叉指电极5设置于第二超短周期超晶格应变层2的上表面，第二超短周期超晶格应变层2的生长周期为20～50个；当金属叉指电极5分别独立设置于第一超短周期超晶格应变层1、第二超短周期超晶格应变层2的上表面，第二超短周期超晶格应变层2的生长周期为20～200个。

本实用新型所述的衬底4为同质衬底4或异质衬底4。本实施例中，当衬底4为同质衬底4时，为氮化镓或氮化铝单晶；当衬底4为异质衬底4，为蓝宝石或碳化硅。

本实用新型中，所述的超短周期超晶格应变层由氮化镓单分子层与氮化铝单分子层交替生长形成第I类超晶格。单个周期氮化镓阱层宽度大于等于1个原子层且小于等于10个原子层；单个周期垒层氮化铝厚度大于等于4个原子层且小于等于10个原子层。通过改变阱垒比例，可实现在230nm-280nm波长范围内的双波长吸收探测。

本实施例中，衬底4为蓝宝石异质衬底4，缓冲层3为AlN体材料；各个超短周期超晶格应变层为若干周期不同阱垒比的GaN/AlN结构。如第一超短周期超晶格应变层1、第二超短周期超晶格应变层2为交替生长的超短周期超晶格(GaN)_m1/(AlN)_n1、(GaN)_m2/(AlN)_n2材料。控制第一超短周期超晶格应变层1的阱宽m₁大于第二超短周期超晶格应变层2的阱宽m₂(当AlN垒厚保持相同时)；当包含多波长的复合紫外光从本实用新型上方入射时，以确保入射的部分紫外光子优先地被第二超短周期超晶格应变层2选择性吸收，其余光子再穿透第二超短周期超晶格应变层2到达第一超短周期超晶格应变层1表面附近，并被跃迁能量较低的载流子选择性吸收。由于超短周期超晶格应变层的阱和垒保持完全应变状态，通过改变第一超短周期超晶格应变层1、第二超短周期超晶格应变层2各自的吸收波长，从而实现针对两个波段紫外光信号的分别探测，可达到双波长探测的目标。

作为另一种实施方案，超短周期超晶格应变层的阱层或垒层采用铝镓氮混晶进行部分替代。

本实用新型所述的应力调控紫外多波长MSM光电探测器的制备方法，针对整体平面型MSM金属叉指电极5与多组独立的平面型MSM金属叉指电极5，提供了两种不同的制备方法实施例。

实施例1

整体平面型MSM金属叉指电极5的应力调控紫外多波长MSM光电探测器的制备方法，步骤如下：

1)生长缓冲层3、超短周期超晶格应变层，具体为：

1.1)运用金属有机物气相外延技术，在1100℃高温和100Torr反应室压强下，用H₂吹扫蓝宝石衬底4，去除表面沾污；预通TMA以形成富Al表面；随后降温至570℃，用高纯度H₂作载气，将NH₃通入反应室，进行衬底4氮化；

1.2)回升温度至800℃，通入TMA和NH₃生长厚度约20nm的AlN低温缓冲层3，再提高温度至1090℃，在75Torr低压下于蓝宝石衬底4面上生长厚度约1μm的AlN缓冲层3；

1.3)在步骤1.2)得到的AlN缓冲层3上继续逐层生长超短周期超晶格应变层；生长超短周期超晶格应变层的过程中，以三甲基镓(TMG)、三甲基铝(TMA)作为III族源，NH₃作为V族源；超短周期超晶格应变层采用GaN/AlN结构，通过改变单个循环GaN阱层的生长速率，调控各组超短周期超晶格应变层的阱宽；

当包括在下的第一超短周期超晶格应变层1、在上的第二超短周期超晶格应变层2，共两组超短周期超晶格应变层，并且金属叉指电极5设置于第二超短周期超晶格应变层2的上表面时，调控第一超短周期超晶格应变层1和第二超短周期超晶格应变层2的阱宽分别为2和4个原子层厚度；第一超短周期超晶格应变层1的周期数控制为200个，基于对MSM结构仅对表面附近光生载流子进行收集的特点，保持第二超短周期超晶格应变层2的生长周期为20～50个；

2)制备整体平面型MSM金属叉指电极5，具体为：

2.1)使用有机丙酮溶剂、乙醇和高纯度去离子水依次超声清洗10min；然后用王水煮沸浸泡，去除表面氧化层；再用去离子水冲洗，进一步去除表面残余有机物并用氮气吹干表面；

2.2)采用包括涂胶、甩胶、前烘、对准和曝光等标准光刻工艺，进行反转烘和泛曝实现图形反转，显影后形成目标图形；

2.3)在真空度为10^-5Torr的电子束蒸发系统中，依次沉积厚度为10nm和200nm的Ti/Au复合金属层，其中Ti用以提高Au薄膜与基片表面附着力，避免其脱落；然后用丙酮溶液去除光刻胶，剥离沉积其上的金属，保留沉积在叉指电极中的金属，最后在氮气氛围下400℃热退火5min，得到与基底肖特基接触的金属叉指电极5。制备得到的金属叉指电极5为第一超短周期超晶格应变层1和第二超短周期超晶格应变层2的共用电极。

如图4所示，本实用新型的第一超短周期超晶格应变层1和第二超短周期超晶格应变层2可同时实现针对波长为243nm和261nm附近的深紫外光信号的同时探测。

实施例2

两组独立的平面型MSM金属叉指电极5的应力调控紫外多波长MSM光电探测器的制备方法，步骤如下：

步骤1)材料结构与实施例1基本相同，主要区别在于，当金属叉指电极5分别独立设置于第一超短周期超晶格应变层1、第二超短周期超晶格应变层2的上表面时，步骤1.3)中，第二超短周期超晶格应变层2的生长周期为20～200个；

2)制备两组独立的平面型MSM金属叉指电极5，具体为：

2.1)使用与实施例1相同的化学清洗步骤，彻底去除外延材料表面的沾污、氧化层；

2.2)利用电感耦合等离子体(ICP)技术刻蚀台面，通过掩膜遮挡完整外延材料的部分区域，设定刻蚀速率和时间，将未掩膜区域蚀刻一定深度，露出第一超短周期超晶格应变层1台面；

2.3)再通过标准光刻工艺结合掩膜、蒸发及退火工艺，分别进行金属叉指电极5的制作，并将金属叉指电极5分别设置在第一超短周期超晶格应变层1和第二超短周期超晶格应变层2上。

2.4)再通过金属互连将二者集成，至此，完成分别针对紫外双波长信号识辨的光电探测器制备。

上述实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作对本实用新型的限定。只要是依据本实用新型的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种应力调控紫外多波长MSM光电探测器，其特征在于，自下而上包括衬底、缓冲层、至少两组超短周期超晶格应变层，以及金属叉指电极；在下的超短周期超晶格应变层的阱宽大于在上的超短周期超晶格应变层的阱宽。

2.根据权利要求1所述的应力调控紫外多波长MSM光电探测器，其特征在于，金属叉指电极设置于最上层的超短周期超晶格应变层的上表面，作为所有超短周期超晶格应变层的共用电极；

或者，金属叉指电极分别独立设置于每个超短周期超晶格应变层的上表面，将各自表面附近吸收产生的光生载流子转换为光电流。

3.根据权利要求2所述的应力调控紫外多波长MSM光电探测器，其特征在于，包括在下的第一超短周期超晶格应变层、在上的第二超短周期超晶格应变层，共两组超短周期超晶格应变层。

4.根据权利要求1至3任一项所述的应力调控紫外多波长MSM光电探测器，其特征在于，衬底为同质衬底或异质衬底。

5.根据权利要求1至3任一项所述的应力调控紫外多波长MSM光电探测器，其特征在于，超短周期超晶格应变层由氮化镓单分子层与氮化铝单分子层交替生长形成第I类超晶格。

6.根据权利要求5所述的应力调控紫外多波长MSM光电探测器，其特征在于，单个周期氮化镓阱层宽度大于等于1个原子层且小于等于10个原子层；单个周期垒层氮化铝厚度大于等于4个原子层且小于等于10个原子层。