一种基于AlGaN的全波段紫外探测器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种基于AlGaN的全波段紫外探测器及其制备方法，属于半导体器件技术领域。所述探测器包括蓝宝石衬底，以及在所述蓝宝石衬底上依次排列生长的AlN缓冲层、Al

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于AlGaN的紫外探测器及其制备方法，尤其涉及一种基于AlGaN的全波段紫外探测器及其制备方法，属于半导体器件技术领域。

背景技术

紫外辐射又称紫外线，位于可见光短波外侧，通常指波长为1纳米～380纳米的电磁辐射。在实际应用中可把紫外辐射分为四个波段：长波紫外线，波长范围为315纳米～380纳米(UV-A)；中波紫外线，波长范围为280纳米～315纳米(UV-B)；短波紫外线，波长范围为200纳米～280纳米(UV-C)；真空紫外线，波长范围为10纳米～200纳米，它只能在真空中传播。其中，UV-C波段由于在近地大气中几乎不存在，形成所谓的“日盲”波段，而315纳米～380纳米(UV-A)在近地大气中由于大气的散射形成均匀的背景辐射，又称为“可见盲”波段。

GaN基三元系合金Al_xGa_1-xN，属于直接带隙半导体，随着Al组分由0～1的变化其带隙在3.4电子伏特～6.2电子伏特之间连续变化，其带隙变化对应的波长范围为200纳米～365纳米，正好覆盖了UV-A、UV-B和UV-C三个波段区域，这样的材料是制备紫外探测器的优秀材料之一。

具体的探测波段是根据不同的应用目的分段探测。各波段光电探测器在军事和民用方面如天文学、燃烧工程、水净化处理、火焰探测、生物效应、天际通信及环境污染监测、火箭早期发射预警和紫外空间光通信等领域都有重要的应用需求。如不同波段的紫外线对人类皮肤的辐射具有不同的生理效果、如在白天使用日盲紫外探测器进行火灾预警可以进降低虚警率、对导弹预警系统使用可见盲与日盲波段的互补探测可以进行有效探测等等。

目前使用的紫外探测器从探测波段上划分主要就是UV-A、UV-B和UV-C三个波段，但通常所用探测器是对某一波段或某几个波段同时进行探测，还没有实现在一套系统内根据要求进行不同波段之间转换探测，若使用多套探测系统不但增加了使用成本，而且多套系统的同时使用必须进行相互间的校准，这给实际工作中带来很多不便，所以从实际应用的角度出发，需要设计能够进行全光谱探测的紫外探测器。

发明内容

本发明针对通常所用探测器是对某一波段或某几个波段同时进行探测，还没有实现在一套系统内根据要求进行不同波段之间的转换探测，若使用多套探测系统不但增加了使用成本，而且多套系统的同时使用必须进行相互间的校准，这给实际工作中带来很多不便的不足，提供了一种基于AlGaN的全波段紫外探测器及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于AlGaN的全波段紫外探测器，包括蓝宝石衬底，以及在所述蓝宝石衬底上依次排列生长的AlN缓冲层、Al_0.65Ga_0.35N层、第一Al_0.45Ga_0.55N层、第二Al_0.45Ga_0.55N层、第一Al_0.2Ga_0.8N层、第二Al_0.2Ga_0.8N层、第一GaN层和第二GaN层，在所述Al_0.65Ga_0.35N层上设置有第一上电极，在所述第二Al_0.45Ga_0.55N层上设置有第二上电极，在所述第二GaN层上设置有第三上电极，其中，所述第一Al_0.45Ga_0.55N层为i型Al_0.45Ga_0.55N层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结；所述第一Al_0.2Ga_0.8N层为i型Al_0.2Ga_0.8N层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结；所述第一GaN层为i型GaN层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结。

进一步，所述AlN缓冲层的厚度为100纳米～300纳米，所述Al_0.65Ga_0.35N层的厚度为500纳米～700纳米，所述第一Al_0.45Ga_0.55N层的厚度为150纳米～200纳米，所述第二Al_0.45Ga_0.55N层的厚度为200纳米～250纳米，所述第一Al_0.2Ga_0.8N层的厚度为150纳米～200纳米，所述第二Al_0.2Ga_0.8N层的厚度为100纳米～150纳米，所述第一GaN层的厚度为150纳米～200纳米，所述第二GaN层的厚度为50纳米～100纳米。

进一步，所述Al_0.65Ga_0.35N层为p型Al_0.65Ga_0.35N层，所述第一Al_0.45Ga_0.55N层为i型Al_0.45Ga_0.55N层，所述第二Al_0.45Ga_0.55N层为重掺杂n型Al_0.45Ga_0.55N层，所述第一Al_0.2Ga_0.8N层为i型Al_0.2Ga_0.8N层，所述第二Al_0.2Ga_0.8N层为重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层，所述第一GaN层为i型GaN层，所述第二GaN层为重掺杂n型GaN层，其中，所述p型Al_0.65Ga_0.35N层和所述i型Al_0.45Ga_0.55N层之间形成pn结，所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层和所述i型Al_0.2Ga_0.8N层之间形成pn结，所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层和所述i型GaN层之间形成pn结。

进一步，所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层中掺杂的离子为Mg，掺杂的离子浓度为10¹⁷厘米^-3～10¹⁸厘米^-3；所述重掺杂n型GaN层中掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为10¹⁸厘米^-3～10¹⁹厘米-3；所述重掺杂n型Al_0.45Ga_0.55N层中掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为10¹⁸厘米^-3～10¹⁹厘米^-3。

进一步，所述第一上电极为钯金电极，所述第二上电极和第三上电极为钛铝电极。

进一步，所述Al_0.65Ga_0.35N层为n型Al_0.65Ga_0.35N层，所述第一Al_0.45Ga_0.55N层为i型Al_0.45Ga_0.55N层，所述第二Al_0.45Ga_0.55N层为p型Al_0.45Ga_0.55N层，所述第一Al_0.2Ga_0.8N层为i型Al_0.2Ga_0.8N层，所述第二Al_0.2Ga_0.8N层为重掺杂n型Al_0.2Ga_0.8N层，所述第一GaN层为i型GaN层，所述第二GaN层为重掺杂p型GaN层，其中，所述p型Al_0.45Ga_0.55N层和所述i型Al_0.45Ga_0.55N层之间形成pn结，所述p型Al_0.45Ga_0.55N层和所述i型Al_0.2Ga_0.8N层之间形成pn结，所述重掺杂p型GaN层和所述i型GaN层之间形成pn结。

进一步，所述重掺杂n型Al_0.2Ga_0.8N层中掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为10¹⁸厘米^-3～10¹⁹厘米^-3；所述重掺杂p型GaN层中掺杂的离子为Mg，掺杂的离子浓度为10¹⁷厘米^-3～10¹⁸厘米^-3。

进一步，所述第一上电极为钛铝电极，所述第二上电极为钯金电极和第三上电极为钯金电极。

本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于AlGaN的全波段紫外探测器的制备方法，包括：

步骤10：在蓝宝石衬底上依次排列生长AlN缓冲层、Al_0.65Ga_0.35N层、第一Al_0.45Ga_0.55N层、第二Al_0.45Ga_0.55N层、第一Al_0.2Ga_0.8N层、第二Al_0.2Ga_0.8N层、第一GaN层和第二GaN层，其中，所述第一Al_0.45Ga_0.55N层为i型Al_0.45Ga_0.55N层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结；所述第一Al_0.2Ga_0.8N层为i型Al_0.2Ga_0.8N层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结；所述第一GaN层为i型GaN层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结；

步骤20：采用感应耦合等离子体刻蚀技术从所述第二GaN层刻蚀至所述第二Al_0.45Ga_0.55N层，使所述第二Al_0.45Ga_0.55N层露出；

步骤30：在所述第二Al_0.45Ga_0.55N层和第二GaN层上旋涂光刻胶后，通过光刻形成电极图案，再采用电子束沉积生长电极，最后进行热退火形成第二上电极和第三上电极；

步骤40：采用感应耦合等离子体刻蚀技术从所述第二Al_0.45Ga_0.55N层刻蚀至所述Al_0.65Ga_0.35N层，使所述Al_0.65Ga_0.35N层露出；

步骤50：在所述Al_0.65Ga_0.35N层上旋涂光刻胶后，通过光刻形成电极图案，再采用电子束沉积生长电极，最后进行热退火形成第一上电极。

本发明的有益效果是：本发明基于AlGaN的全波段紫外探测器可以实现在一套系统内根据要求进行不同波段之间的转换探测，减少了使用成本，便于在实际工作中进行操作。

附图说明

图1为本发明实施例一基于AlGaN的全波段紫外探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例二基于AlGaN的全波段紫外探测器的结构示意图；

图3为本发明实施例基于AlGaN的全波段紫外探测器制备方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

图1为本发明实施例基于AlGaN的全波段紫外探测器的结构示意图。如图1所示，所述探测器包括蓝宝石衬底101，以及在所述蓝宝石衬底101上依次排列生长的AlN缓冲层102、p型Al_0.65Ga_0.35N层103、i型Al_0.45Ga_0.55N层104、重掺杂n型Al_0.45Ga_0.55N层105、i型Al_0.2Ga_0.8N层106、重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层107、i型GaN层108和重掺杂n型GaN层109，在所述p型Al_0.65Ga_0.35N层103上设置有第一上电极112，在所述n型Al_0.45Ga_0.55N层105上设置有第二上电极111，在所述重掺杂n型GaN层109上设置有第三上电极110。其中，所述p型Al_0.65Ga_0.35N层103和所述i型Al_0.45Ga_0.55N层104之间形成pn结，可以在240纳米～280纳米的波段进行探测；所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层107和所述i型Al_0.2Ga_0.8N层106之间形成pn结，可以在280纳米～315纳米的波段进行探测；所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层107和所述i型GaN层108之间形成pn结，可以在315纳米～365纳米的波段进行探测。

所述AlN缓冲层102的厚度为200纳米，所述p型Al_0.65Ga_0.35N层103的厚度为600纳米，所述i型Al_0.45Ga_0.55N层104的厚度为200纳米，所述重掺杂n型Al_0.45Ga_0.55N层105的厚度为200纳米，所述i型Al_0.2Ga_0.8N层106的厚度为200纳米，所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层107的厚度为100纳米，所述i型GaN层108的厚度为200纳米，所述重掺杂n型GaN层109的厚度为100纳米。所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层107中掺杂的离子为Mg，掺杂的离子浓度为5×10¹⁷厘米^-3；所述重掺杂n型GaN层109中掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3；所述重掺杂n型Al_0.45Ga_0.55N层105中掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3。所述第一上电极112为钯金电极，是通过在所述p型Al_0.65Ga_0.35N层103上旋涂光刻胶后，光刻形成电极图案，再采用电子束沉积生长电极，最后进行热退火即可形成。所述第二上电极111和所述第三上电极110为钛铝电极，是通过同时在所述n型Al_0.45Ga_0.55N层105和重掺杂n型GaN层109上旋涂光刻胶后，光刻形成电极图案，再采用电子束沉积生长电极，最后进行热退火即可形成。

本实施例探测器的基本工作原理如下：采取背照射入光方式进行工作，当所述第二上电极111和第三上电极110之间，所述第三上电极110加正偏压，所述第一上电极112悬空时，则位于所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层107和所述i型GaN层108之间的pn结工作，可以探测到315纳米～365纳米的波段；当所述第二上电极111和第三上电极110之间，所述第三上电极110加负偏压，所述第一上电极112悬空时，则位于所述重掺杂p型Al_0.2Ga_0.8N层107和所述i型Al_0.2Ga_0.8N层106的pn结工作，可以探测到280纳米～315纳米的波段；当所述第一上电极112和第二上电极111之间，所述第二上电极111加正偏压或者零偏压，所述第三上电极110悬空时，则位于所述p型Al_0.65Ga_0.35N层103和所述i型Al_0.45Ga_0.55N层104的pn结工作，可以探测到240纳米～280纳米的波段。

实施例二

图2为本发明实施例基于AlGaN的全波段紫外探测器的结构示意图。如图2所示，所述探测器包括蓝宝石衬底201，以及在所述蓝宝石衬底201上依次排列生长的AlN缓冲层202、n型Al_0.65Ga_0.35N层203、i型Al_0.45Ga_0.55N层204、p型Al_0.45Ga_0.55N层205、i型Al_0.2Ga_0.8N层206、重掺杂n型Al_0.2Ga_0.8N层207、i型GaN层208和重掺杂p型GaN层209，在所述n型Al_0.65Ga_0.35N层203上设置有第一上电极212，在所述p型Al_0.45Ga_0.55N层205上设置有第二上电极211，在所述重掺杂p型GaN层209上设置有第三上电极210。其中，所述p型Al_0.45Ga_0.55N层205和所述i型Al_0.45Ga_0.55N层204之间形成pn结，可以在240纳米～280纳米的波段进行探测；所述p型Al_0.45Ga_0.55N层205和所述i型Al_0.2Ga_0.8N层206之间形成pn结，可以在280纳米～315纳米的波段进行探测；所述重掺杂p型GaN层209和所述i型GaN层208之间形成pn结，可以在315纳米～365纳米的波段进行探测。

所述AlN缓冲层202的厚度为200纳米，所述n型Al_0.65Ga_0.35N层203的厚度为600纳米，所述i型Al_0.45Ga_0.55N层204的厚度为200纳米，所述p型Al_0.45Ga_0.55N层205的厚度为200纳米，所述i型Al_0.2Ga_0.8N层206的厚度为200纳米，所述重掺杂n型Al_0.2Ga_0.8N层207的厚度为100纳米，所述i型GaN层208的厚度为200纳米，所述重掺杂p型GaN层209的厚度为100纳米。所述重掺杂n型Al_0.2Ga_0.8N层207中掺杂的离子为Si，掺杂的离子浓度为5×10¹⁸厘米^-3；所述重掺杂p型GaN层209中掺杂的离子为Mg，掺杂的离子浓度为5×10¹⁷厘米^-3。所述第一上电极212为钛铝电极，是通过在所述n型Al_0.65Ga_0.35N层203上旋涂光刻胶后，光刻形成电极图案，再采用电子束沉积生长电极，最后进行热退火即可形成。所述第二上电极211和第三上电极210为钯金电极，是通过同时在所述p型Al_0.45Ga_0.55N层205和重掺杂p型GaN层209上旋涂光刻胶后，光刻形成电极图案，再采用电子束沉积生长电极，最后进行热退火即可形成。

本实施例探测器的基本工作原理如下：采取背照射入光方式进行工作，当所述第二上电极211和第三上电极210之间，所述第三上电极210加负偏压，所述第一上电极212悬空时，则位于所述重掺杂p型GaN层209和所述i型GaN层208之间的pn结工作，可以探测到315纳米～365纳米的波段；当所述第二上电极211和第三上电极210之间，所述第三上电极210加正偏压，所述第一上电极212悬空时，则位于所述p型Al_0.45Ga_0.55N层205和所述i型Al_0.2Ga_0.8N层206的pn结工作，可以探测到280纳米～315纳米的波段；当所述第一上电极212和第二上电极211之间，所述第二上电极211加负偏压或者零偏压，所述第三上电极210悬空时，则位于所述p型Al_0.45Ga_0.55N层205和所述i型Al_0.45Ga_0.55N层204的pn结工作，可以探测到240纳米～280纳米的波段。

图3为本发明实施例基于AlGaN的全波段紫外探测器制备方法流程图。如图3所示，所述实施例一和实施例二均可采用所述探测器的制备方法进行制备，其包括以下步骤：

步骤10：在蓝宝石衬底上依次排列生长AlN缓冲层、Al_0.65Ga_0.35N层、第一Al_0.45Ga_0.55N层、第二Al_0.45Ga_0.55N层、第一Al_0.2Ga_0.8N层、第二Al_0.2Ga_0.8N层、第一GaN层和第二GaN层，其中，所述第一Al_0.45Ga_0.55N层为i型Al_0.45Ga_0.55N层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结；所述第一Al_0.2Ga_0.8N层为i型Al_0.2Ga_0.8N层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结；所述第一GaN层为i型GaN层，其和一个相邻的层之间形成一个pn结。

步骤20：采用感应耦合等离子体刻蚀技术从所述第二GaN层刻蚀至所述第二Al_0.45Ga_0.55N层，使所述第二Al_0.45Ga_0.55N层露出。

步骤30：在所述第二Al_0.45Ga_0.55N层和第二GaN层上旋涂光刻胶后，通过光刻形成电极图案，再采用电子束沉积生长电极，最后进行热退火形成第二上电极和第三上电极。

在所述第二Al_0.45Ga_0.55N层和第二GaN层上旋涂的光刻胶的厚度为1.4微米～1.6微米，优选地，所述光刻胶的厚度为1.5微米；最后进行的快速热退火可以在半导体层和金属电极之间形成欧姆接触，其中，所述退火温度为800℃～900℃，优选地，所述退火温度为850℃，所述热退火时间为30秒～60秒，优选地，所述热退火时间为50秒。

步骤40：采用感应耦合等离子体刻蚀技术从所述第二Al_0.45Ga_0.55N层刻蚀至所述Al_0.65Ga_0.35N层，使所述Al_0.65Ga_0.35N层露出。

步骤50：在所述Al_0.65Ga_0.35N层上旋涂光刻胶后，通过光刻形成电极图案，再采用电子束沉积生长电极，最后进行热退火形成第一上电极。

在所述Al_0.65Ga_0.35N层上旋涂的光刻胶的厚度为1.4微米～1.6微米，优选地，所述光刻胶的厚度为1.5微米；最后进行的快速热退火可以在半导体层和金属电极之间形成欧姆接触，其中，所述退火温度为800℃～900℃，优选地，所述退火温度为850℃，所述热退火时间为30秒～60秒，优选地，所述热退火时间为50秒。

通过本发明基于AlGaN的全波段紫外探测器的制备方法制备的全波段紫外探测器可以实现在一套系统内根据要求进行不同波段之间的转换探测，减少了使用成本，便于在实际工作中进行操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。