红外—紫外多色探测器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种红外—紫外多色探测器及其制备方法，其包括有衬底，在衬底上依次生长AlN缓冲层、n型GaN/AlGaN发射层、非掺杂AlGaN势垒层、n型AlGaN窗口接触层、非掺杂AlGaN吸收层、p型AlGaN限制窗口层和p型GaN接触层形成的多色探测器台面；在n型GaN/AlGaN发射层上有n型下接触电极，在n型AlGaN窗口接触层上有n型中间接触电极，在p型GaN接触层上有p型上接触电极。本探测器具有结构简单易于生长，体积小，可实现三波段响应等优点。本探测器简化了器件结构的生长过程和加工工艺，提高了器件的抗辐射能力，减小了器件体积，降低了成本。本探测器在目标的成像、报警和监测等领域有重要的应用前景。

权利要求

1.一种红外-紫外多色探测器，包括有衬底，其特征在于：在衬底上依次生长AlN缓冲层、n型GaN/AlGaN发射层、非掺杂AlGaN势垒层、n型AlGaN窗口接触层、非掺杂AlGaN吸收层、p型AlGaN限制窗口层和p型GaN接触层形成的多色探测器台面；在n型GaN/AlGaN发射层上有n型下接触电极，在n型AlGaN窗口接触层上有n型中间接触电极，在p型GaN接触层上有p型上接触电极。

2.根据权利要求1所述的红外-紫外多色探测器，其特征在于所述衬底为Si、蓝宝石或碳化硅抛光衬底。

3.根据权利要求1或2所述的红外-紫外多色探测器，其特征在于在衬底上依次生长有AlN缓冲层、n型GaN/Alx5GaN发射层、非掺杂Alx4GaN势垒层、n型Alx3GaN窗口接触层、非掺杂Alx2GaN吸收层、p型Alx1GaN限制窗口层和p型GaN接触层；其中x1＞x2，x2＞x4，x3＞x4，x1、x2、x3、x4、x5与性能要求有关。

4.根据权利要求1-3所述的任意一种红外-紫外多色探测器的制备方法，其特征在于该方法采用下述工艺步骤：a、生长材料结构：在衬底上依次生长AlN缓冲层、n型GaN/AlGaN发射层、非掺杂AlGaN势垒层、n型AlGaN窗口接触层、非掺杂AlGaN吸收层、p型AlGaN限制窗口层和p型GaN接触层；

b、在p型GaN接触层上图形光刻，以光刻胶做掩蔽，刻蚀p型GaN接触层、p型AlGaN限制窗口层和非掺杂AlGaN吸收层至n型AlGaN窗口接触层上表面，形成一级凸形台面；

c、在n型AlGaN窗口接触层上图形光刻，用光刻胶做掩蔽，刻蚀n型AlGaN窗口接触层和非掺杂AlGaN势垒层至n型GaN/AlGaN发射层上表面，形成二级凸形台面；

d、在p型GaN接触层上制作p型上接触电极；

e、在n型AlGaN窗口接触层上制作n型中间接触电极，在n型GaN/AlGaN发射层上制作n型下接触电极；

f、进行器件SiO2介质钝化以及开孔互连。

5.根据权利要求4所述的红外-紫外多色探测器的制备方法，其特征在于所述步骤a中，用分子束外延或金属有机物化学气相淀积系统在衬底上生长各层。

6.根据权利要求4所述的红外-紫外多色探测器的制备方法，其特征在于所述步骤b、c中的光刻胶均为AZ1500。

7.根据权利要求4所述的红外-紫外多色探测器的制备方法，其特征在于所述步骤d是在p型GaN接触层上光刻上电极接触图形，光刻胶为AZ1500；用电子束蒸发系统淀积Ni/Au，剥离形成p型上接触电极。

8.根据权利要求7所述的红外-紫外多色探测器的制备方法，其特征在于用电子束蒸发系统淀积Ni/Au：20nm/40nm。

9.根据权利要求4所述的红外-紫外多色探测器的制备方法，其特征在于所述步骤e是在n型AlGaN窗口接触层上光刻中间电极接触图形，在n型GaN/AlGaN发射层上光刻下电极接触图形，光刻胶均为为AZ1500；用电子束蒸发系统淀积Ti/Al，剥离形成n型中间接触电极和n型下接触电极。

10.根据权利要求9所述的红外-紫外多色探测器的制备方法，其特征在于用电子束蒸发系统淀积Ti/Al：40nm/100nm。

说明书

技术领域

本发明属于光探测器技术领域，尤其是一种红外—紫外多色探测器及其制备方法。

背景技术

所有物体均发射与其温度和特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段。红外辐射占据了相当宽的电磁波段(0.8μm～1000μm)。由此可知，红外辐射提供了客观世界的丰富信息，充分利用这些信息是人们追求的目标。目前红外辐射的探测技术已经非常成熟，在军用和民用都有着广泛应用，如红外成像、红外预警、红外监测等，但由于红外波段往往背景复杂，因此探测容易出现假信号和虚警。相比之下，紫外辐射探测的虚警率要低的多，但探测距离较近。近年来综合红外/紫外探测优势的多色探测技术成为光电探测领域的一个研究热点，它可获得紫外和红外多个波段的信息，增强系统对目标的识别能力，降低虚警率，在目标成像、监测、告警等领域有重要的应用前景。目前通用的技术方案一般是将各自独立的红外波段探测器和紫外波段探测器简单组合而形成红外/紫外多色探测器，但其封装复杂，体积大、成本高，不利于系统集成。近年来国外报道了一种基于HEIWIP思想的GaN/AlGaN系单片集成红外/紫外探测器结构，但由于其设计中n+GaN发射极位于光入射一侧，且其Al组分低于AlGaN势垒区造成势垒区吸收的紫外辐射大大减少，因此其紫外响应很低。如果刻蚀掉这一发射极层又会使红外响应减小四倍，而紫外响应仅增加两倍，因此这种结构设计在很大程度上制约了探测器的性能，影响了探测器在紫外和红外波段的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种紫外响应较强，紫外和红外响应能同时优化的红外—紫外多色探测器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明包括有衬底，在衬底上依次生长AlN缓冲层、n型GaN/AlGaN发射层、非掺杂AlGaN势垒层、n型AlGaN窗口接触层、非掺杂AlGaN吸收层、p型AlGaN限制窗口层和p型GaN接触层形成的多色探测器台面；在n型GaN/AlGaN发射层上有n型下接触电极，在n型AlGaN窗口接触层上有n型中间接触电极，在p型GaN接触层上有p型上接触电极。
本发明制备方法采用下述工艺步骤：a、生长材料结构：在衬底上依次生长AlN缓冲层、n型GaN/AlGaN发射层、非掺杂AlGaN势垒层、n型AlGaN窗口接触层、非掺杂AlGaN吸收层、p型AlGaN限制窗口层和p型GaN接触层；
b、在p型GaN接触层上图形光刻，以光刻胶做掩蔽，刻蚀p型GaN接触层、p型AlGaN限制窗口层和非掺杂AlGaN吸收层至n型AlGaN窗口接触层上表面，形成一级凸形台面；
c、在n型AlGaN窗口接触层上图形光刻，用光刻胶做掩蔽，刻蚀n型AlGaN窗口接触层和非掺杂AlGaN势垒层至n型GaN/AlGaN发射层上表面，形成二级凸形台面；
d、在p型GaN接触层上制作p型上接触电极；
e、在n型AlGaN窗口接触层上制作n型中间接触电极，在n型GaN/AlGaN发射层上制作n型下接触电极；
f、进行器件SiO2介质钝化以及开孔互连。
该发明的具体思路为重新设计以往的GaN/AlGaN系HEIWIP结构，提高入射光一侧的n型GaN/AlGaN层的Al组分含量，使其高于势垒区AlGaN层Al组分含量形成具有紫外吸收窗口功能的接触层，将背对入射光的n型GaN/AlGaN层做为发射极层；在此结构上再外延GaN/AlGaN PIN结构，利用HEIWIP的n型接触层做为PIN结构的n型接触层，形成紫外增强的红外/紫外复合探测器材料结构。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提出了一种新的单片集成紫外增强型红外/紫外多色探测器的设计和制造方法，将GaN/AlGaN系PIN和带有紫外吸收窗口层的新HEIWIP结构结合起来，外延在同一衬底材料上形成紫外响应增强的红外/紫外多色敏感薄膜，并通过宽带系半导体微细加工工艺实现紫外响应增强的单片集成红外/紫外多色探测器单元或焦平面器件，具有结构简单易于生长，体积小，可实现三波段响应等优点。
上述技术方案解决了以往GaN/AlGaN系HEIWIP结构紫外响应弱、紫外和红外响应不能同时优化的问题，同时利用GaN/AlGaN PIN结构增强了紫外波段的响应，实现了以一种较为简单的结构进行红外/紫外的复合探测。这种结构在常温下可实现紫外波段的双色探测，在低温下可实现红外/紫外的多色探测，而且由于外延层均采用GaN/AlGaN薄膜，简化了器件结构的生长过程和加工工艺，提高了器件的抗辐射能力，减小了器件体积，降低了成本。
本发明适合用于紫外增强型红外/紫外多色探测器单元或焦平面器件的制作，可满足新型集成化多波段光电探测系统发展的需求，在目标的成像、报警和监测等领域有重要的应用前景。

附图说明

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。
图1是本发明的剖面结构示意图；
图2是本发明外延材料的层状结构示意图；
图3a—图3j是本发明工艺过程中的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本红外—紫外多色探测器是在衬底上依次生长AlN缓冲层、n型GaN/AlGaN发射层、非掺杂AlGaN势垒层、n型AlGaN窗口接触层、非掺杂AlGaN吸收层、p型AlGaN限制窗口层和p型GaN接触层形成的二级凸形的多色探测器台面，以n型GaN/AlGaN发射层和n型AlGaN窗口接触层为凸台。在n型GaN/AlGaN发射层的凸台上有n型下接触电极3，在n型AlGaN窗口接触层的凸台上有n型中间接触电极2，在p型GaN接触层上有p型上接触电极1。
本红外—紫外多色探测器所述衬底最好为Si、蓝宝石或碳化硅抛光衬底，为达到更好的红外/紫外探测效果，如图2所示，在衬底11上依次生长有AlN缓冲层10、n型GaN/Alx5GaN发射层9、非掺杂Alx4GaN势垒层8、n型Alx3GaN窗口接触层7、非掺杂Alx2GaN吸收层6、p型Alx1GaN限制窗口层5和p型GaN接触层4；其中x1>x2，x2>x4，x3>x4，x1、x2、x3、x4、x5与探测器的性能要求有关。
本红外—紫外多色探测器采用下述的的具体制作过程：其中步骤1为外延材料生长，步骤2—10为器件制作过程；
1、用分子束外延(MBE)或金属有机物化学气相淀积(MOCVD)系统生长材料结构，如图3a所示，制备过程为在蓝宝石衬底上依次生长厚度3um的AlN缓冲层，厚度2um、浓度2e18/cm3的n—GaN发射层(n型GaN/AlGaN发射层)，厚度1um非故意掺杂的Al0.1GaN层(非掺杂AlGaN势垒层)，厚度2um、浓度1e18/cm3的n—Al0.3GaN接触层(n型AlGaN窗口接触层)，厚度1um非故意掺杂的Al0.3GaN层(非掺杂AlGaN吸收层)，厚度0.2um、浓度1e17/cm3的p—Al0.5GaN层(p型AlGaN限制窗口层)，厚度0.05um、浓度2e17/cm3的p—GaN层(p型GaN接触层)。
2、在p—GaN层上图形光刻，光刻胶1为AZ1500，如图3b所示；
3、用光刻胶1做掩蔽，Cl2基感应耦合等离子刻蚀p—GaN层、p—Al0.5GaN层至Al0.3GaN层表面，形成如图3c所示的一级凸形台面2。
4、在n—Al0.3GaN接触层上图形光刻，光刻胶1为AZ1500，如图3d所示。
5、用光刻胶1做掩蔽，Cl2基感应耦合等离子刻蚀n—Al0.3GaN接触层、Al0.1GaN层至n—GaN发射层上表面，形成如图3e所示的二级凸形台面3。
6、用常规半导体光刻工艺在p—GaN层制作上电极接触图形，光刻胶1为AZ1500，如图3f所示。
7、用电子束蒸发系统淀积Ni/Au:20nm/40nm到上电极接触图形上，剥离形成本探测器的p型上接触电极4，如图3g所示。
8、用常规半导体光刻工艺在n—Al0.3GaN接触层上光刻中间电极接触图形，在n—GaN发射层上光刻下电极接触图形，光刻胶1均为为AZ1500；如图3h所示。
9、用电子束蒸发系统淀积Ti/Al:40nm/100nm到中间电极接触图形和下电极接触图形上，剥离形成本探测器的n型中间接触电极5和n型下接触电极6，如图3i所示；
10、进行器件SiO2介质钝化以及开孔互连，形成SiO2钝化层7，其结构如图3j所示，得到本红外—紫外多色探测器。