紫外线指数监测模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种紫外线指数监测模块，包括探测器芯片及信号处理电路，所述探测器芯片用于将紫外辐射光电转换为光电流信号，所述信号处理电路用于对转换之后的光电流信号进行转换处理以得到紫外线指数；所述信号处理电路包括低噪声跨阻放大电路、A/D采样转换电路及紫外线指数计算电路，所述低噪声跨阻放大电路用于将光电流信号转换为电压信号，所述A/D采样转换电路用于将接收的电压信号转换为数字信号，所述紫外线指数计算电路用于根据所接收的数字信号并参照红斑作用光谱曲线对应的加权值计算紫外线指数。上述紫外线指数监测模块能够有效解决功能模块在智能手机、智能穿戴平台上的微型化集成、功耗、监测灵敏度、可靠性等问题。
【专利说明】紫外线指数监测模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种紫外线指数监测模块，尤其涉及一种灵巧型的紫外线指数监测模块。
【背景技术】
[0002]紫外线辐射对人类健康有重要影响，适量的紫外辐射有助于人体合成维生素D3，有益于人体健康。但过量的紫外线照射将对眼睛和皮肤的健康形成实际和持续性的伤害，可诱发细胞、纤维组织和血管退化，轻者皮肤晒伤、角膜发炎，重者可能抑制免疫系统，甚至可能导致皮肤癌。根据世界卫生组织的统计与估算，每年大约有200万到1500万人因白内障致盲，而20%以上的致盲者可能是因太阳光的紫外辐射引起的。此外，有日益增长的证据表明，紫外辐射的环境水准可能导致传染性疾病发作和接种疫苗功效受阻的危险，并且，太阳紫外辐射被认为是当前皮肤癌增长的主要原因。基于此，世界气象组织WMO于1992年3月拟定了关于紫外线强度变化的监测与模拟的国际性计划，美国联邦政府在2002年12月公布了两年一度的致癌新报告，第一次将紫外线辐射(包括太阳光与人工光源)列为已知的人类致癌物。
[0003]因此，随着人们生活水平的提高和自我保护意识的增强，紫外线指数的实时监测很有必要性。太阳光的紫外线主要分为三个部分:UVA波段(320nm?400nm)、UVB波段(280nm?320nm)、UVC波段(IOOnm?280nm)。其中，UVB与UVC部分的紫外辐射具有较强的破坏性，容易弓I起皮肤、角膜细胞突变，造成深度伤害。对于UVA，有研究表明，皮肤中的反式尿刊酸分子可与UVA反应生成损伤皮肤细胞的多种氧自由基，促进皮肤过早老化；并且，UVA辐射对皮肤的干细胞分化有一定影响，而这一作用机理与皮肤癌的成因相关。
[0004]理论上，由于平流层臭氧对UVC与UVB辐射的强烈吸收，到达地面的紫外辐射主要以UVA为主。但近年来，臭氧层遭到日趋严重的破坏，臭氧空洞逐年增多，部分地域有较多的UVB辐射到达地面，同时也接受到少量的UVC辐射。此外，由于在大气层内，100?250nm波段几乎被氧分子完全吸收，只能在大气中传播极短的距离。因此实际上，适用于太阳紫外线指数监测的光谱波段范围为250?400nm。
[0005]紫外线指数(Ultraviolet Index,UVI)是由世界卫生组织(WHO)根据紫外线对人类皮肤的可能损害所确定的标准，显示地球表面太阳紫外线辐射伤害人类皮肤的程度。紫外线指数等级分为O?15，紫外线指数越高，表示紫外线强度越强，对皮肤造成的伤害越高。紫外线指数0-2为微量级、3-4为低量级、5-6为中量级、7-9为过量级、10-15为危险级。UVI指数的确定是将所测得的紫外辐照强度与红斑作用光谱曲线内对应的加权值相结合进行计算，当UVI指数为I时，紫外线辐照度为25mW/m2。
[0006]天气预报仅能提供非常粗略的某区域某时段总剂量预测，无法针对单一个体提供特定环境下太阳光照的紫外线实时准确监测。因此，就人们的日常生活应用而言，紫外线指数的实时监测更具参考价值。而现有的紫外线实时监测技术大多存在几方面缺点:1)专用测量装置、设备成本较高，且不便于个人携带；2)探测器不适于小型智能平台的板级芯片混成，如电真空器件、正照式结构的半导体固态器件、需外加滤光片的其它非本征紫外响应探测器；3)探测器不满足智能平台低功耗的要求，如大偏置条件下工作的SiC光电探测器；4)探测器的量子效率较低，响应度偏小，如肖特基、RCE谐振腔探测器等。
【发明内容】
[0007]本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种基于背照式AlGaN/GaN氮化物光电探测器的紫外线指数实时监测模块，其能够有效解决功能模块在智能手机、智能穿戴平台上的微型化集成、功耗、监测灵敏度、可靠性等问题。
[0008]本发明所提供的一种紫外线指数监测模块，包括光电探测器及信号处理电路，所述光电探测器用于将紫外辐射光电转换为光电流信号，所述信号处理电路用于对转换之后的光电流信号进行转换处理以得到紫外线指数；所述信号处理电路包括低噪声跨阻放大电路、A/D采样转换电路及紫外线指数计算电路，所述低噪声跨阻放大电路用于将光电流信号转换为电压信号，所述A/D采样转换电路用于将接收的电压信号转换为数字信号，所述紫外线指数计算电路用于根据所接收的数字信号并参照红斑作用光谱曲线对应的加权值计算紫外线指数。
[0009]其中，所述光电探测器为背照式AlGaN/GaN异质结构的PIN型光电探测器。
[0010]其中，所述背照式AlGaN/GaN异质结构的PIN型光电探测器包括外延衬底、外延层、上电极及下电极，所述外延层包括高温AlN模板层、多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层、轻掺杂的高Al组分n—AlGaN窗口层、重掺杂的n+_AlGaN下接触层、非故意掺杂的i_GaN或1-AlGaN本征吸收层、P型掺杂的电子势垒层及P型重掺杂的p_GaN上接触层，其中所述高温AIN模板层、多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层、轻掺杂的高Al组分n—AlGaN窗口层、重掺杂的n+-AlGaN下接触层、非故意掺杂的i_GaN或1-AlGaN本征吸收层、P型掺杂的电子势垒层及P型重掺杂的P-GaN上接触层从下至上依次设置于外延衬底上。
[0011]其中，所述高温AlN模板层的厚度为Iym?1.5 μ m，生长温度不低于1200°C。
[0012]其中，所述多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层的平均Al组分大于70%，周期数不少于10。
[0013]其中，所述轻掺杂的高Al组分n-AlGaN窗口层的Al组分为65%，其厚度不低于400nmo
[0014]其中，所述重掺杂的n+_AlGaN下接触层的有效电子载流子浓度不低于5E+18cm-3，施主杂质为Si。
[0015]其中，所述非故意掺杂的1-GaN或1-AlGaN本征吸收层的背景载流子浓度不大于lE+17cm-3，厚度不小于 150nm。
[0016]其中，所述P型重掺杂的p-GaN上接触层的厚度不低于150nm，且其有效空穴载流子浓度不小于lE+18cm-3，受主杂质为Mg。
[0017]其中，所述低噪声跨阻放大电路包括第一及第二运算放大器，所述光电探测器的一端与第一电源相连，所述光电探测器的另一端通过第一电阻与第一运算放大器的正极相连，所述第一运算放大器的负极与第一运算放大器的输出端相连，所述第一运算放大器的输出端还直接依次通过第二及第三电阻与第二运算放大器的负极相连，所述第二运算放大器的负极还直接通过第四电阻与第二运算放大器的输出端相连，所述第二运算放大器的正极通过第五电阻与第二电源相连，所述第二运算放大器的正极还直接通过第六电阻接地，所述第六电阻与第一电容并联连接；所述第二运算放大器的输出端用于输出经放大之后的电压信号。
[0018]上述紫外线指数监测模块所包括的光电探测器及信号处理电路均具有结构尺寸微型化、环境适应性强及低噪声等特点，基于上述优点，本发明紫外线指数监测模块能够解决紫外线指数实时监测模块在智能手机、智能穿戴平台上的微型化集成、低功耗、高灵敏度等技术问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]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，下面将对实施例或现有技术描述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；
[0020]图1是本发明紫外线指数监测模块与智能手机相连的原理方框图。
[0021]图2及图3是图1中探测器的示意图。
[0022]图4是图2中背照式AlGaN/GaN紫外光电探测器的光谱响应曲线图。
[0023]图5是图2中背照式AlGaN/GaN紫外光电探测器的量子效率示意图。
[0024]图6是图1中信号处理电路的原理方框图。
[0025]图7是红斑作用光谱曲线图。
[0026]图8是图6中低噪声跨阻放大电路与光电探测器相连的电路图。
【具体实施方式】
[0027]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。
[0028]应当理解的是，虽然此处可以使用“第一”、“第二”等术语来描述各种元件，但是这些元件不应当由这些术语所限制。这些术语仅用来区分一个元件和另一个元件。因此，下文所讨论的“第一”元件也可以被称为“第二”元件而不偏离本发明的教导。应当理解的是，当提及一元件“连接”或者“联接”到另一元件时，其可以直接地连接或直接地联接到另一元件或者也可以存在中间元件。相反地，当提及一元件“直接地连接”或“直接地联接”到另一元件时，则不存在中间元件。
[0029]在此使用的术语仅仅用于描述具体的实施方式的目的而无意作为对本发明的限定。如此处所使用的，除非上下文另外清楚地指出，则单数形式意图也包括复数形式。
[0030]应当进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
[0031]请参见图1，以本发明紫外线指数监测模块应用于智能手机为例进行说明，当然，本发明紫外线指数监测模块亦可应用于其他手持式设备，比如智能穿戴设备或者平板电脑均可。所述紫外线指数监测模块的较佳实施方式包括光电探测器I及信号处理电路2，所述光电探测器I用于将紫外辐射光电转换为光电流信号，所述信号处理电路2用于对转换之后的光电流信号进行转换处理以得到紫外线指数，并将其传输至智能手机屏幕100进行显示。所述紫外线指数监测模块的电源则由智能手机的电源管理芯片110分配供给。
[0032]请进一步参考图2所示，所述光电探测器为背照式AlGaN/GaN异质结构的PIN型光电探测器，其包括外延材料及芯片，所述外延材料包括外延衬底12及外延层。所述外延衬底12为C面切向的蓝宝石(Sapphire)，其厚度约为350 μ m，所述外延层包括高温AlN模板层120、多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层122、轻掺杂的高Al组分n—AlGaN窗口层125、重掺杂的n+-AlGaN下接触层126、非故意掺杂的i_GaN或1-AlGaN本征吸收层127、p型掺杂的电子势垒层128及P型重掺杂的p-GaN上接触层129，所述高温AIN模板层120、多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层122、轻掺杂的高Al组分n—AlGaN窗口层125、重掺杂的n+-AlGaN下接触层126、非故意掺杂的1-GaN或1-AlGaN本征吸收层127、p型掺杂的电子势垒层128及P型重掺杂的P-GaN上接触层129从下至上依次设置于外延衬底12上，且所述高温AlN模板层120的厚度为I μ m?1.5 μ m，生长温度不低于1200°C;所述多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层122用于缓释晶格应力及抑制位错攀沿，其平均Al组分大于70%，周期数不少于10 ;所述轻掺杂的高Al组分n—AlGaN窗口层125的Al组分为65%，其厚度不低于400nm ；所述重掺杂的n+-AlGaN下接触层126的有效电子载流子浓度不低于5E+18cm_3，施主杂质为Si ;所述非故意掺杂的1-GaN或1-AlGaN本征吸收层127的背景载流子浓度不大于lE+17cm-3,厚度不小于150nm，当本征吸收层127为i_GaN时，响应截至波长为365nm，当本征吸收层127为1-AlGaN时，响应截至波长将随Al组分增大而向短波方向漂移，此时需将Al组分控制在32%以下，以匹配红斑作用响应曲线；所述P型掺杂的电子势垒层128的组分与本征吸收层127 —致；所述P型重掺杂的p-GaN上接触层129的厚度不低于150nm，且其有效空穴载流子浓度不小于lE+18cm-3，受主杂质为Mg。
[0033]所述光电探测器的芯片为利用II1-V族化合物半导体器件工艺制作的背照式PIN型AlGaN/GaN紫外光电探测器芯片，芯片结构如图3所示。所述芯片上设有五个电极，包括四个下电极130及一个上电极132，其中所述四个下电极130分布于芯片的四角，所述上电极132位于芯片的中心位置。进一步的，所述上电极132设置于P型重掺杂的p-GaN上接触层上，所述四个下电极130分别设置于重掺杂的n+-AlGaN下接触层的四个角上。
[0034]所述探测器芯片的有效光敏区大小为Φ500μπι?Φ 1500 μ m，芯片尺寸大小为800μπιΧ800μπι?1800 μ mX 1800 μ m。本实施方式中，采用表面处理、光刻、干法刻蚀、介质膜沉积、金属化、表面平坦化等工艺制作台面结构的探测器芯片，其中台面钝化介质膜采用Si02，下电极采用Ti/Al/Ti/Au或Ti/Al/Ni/Au多层金属，上电极采用Ni/Au双层金属，加厚电极采用Ti/Au或Ni/Au，倒焊点的焊盘金属采用Ti/Pt/Au，探测器芯片尺寸不大于
1.8mmX 1.8mm。
[0035]上述背照式AlGaN/GaN异质结构的PIN型光电探测器可有效的将紫外辐射进行光电转换为光电流。请进一步参考图4及图5所示，其分别为背照式AlGaN/GaN紫外光电探测器的光谱响应曲线图及背照式AlGaN/GaN紫外光电探测器的量子效率示意图，从图中可以看出，上述背照式AlGaN/GaN异质结构的PIN型光电探测器具有高抑制比、高灵敏度的性能特点。[0036]请继续参考图6所示，所述信号处理电路2包括低噪声跨阻放大电路20、A/D采样转换电路22及紫外线指数计算单元26，所述低噪声跨阻放大电路20用于将光信号转换为电压信号并将其进行放大，所述A/D采样转换电路22用于将接收的电压信号转换为数字信号，所述紫外线指数计算单元26用于根据所接收的数字信号并参照红斑作用光谱曲线对应的加权值计算紫外线指数，之后将计算所得的紫外线指数传输至智能手机并在智能手机的屏幕100上进行显示。其中，本实施方式中，所述A/D采样转换电路22所转换得到的数字信号即为紫外线辐射强度值，记为E (λ)。根据世界气象组织及世界卫生组织所建议的计算紫外线指数的方法为，将得到的紫外线辐射强度值E ( λ )与红斑作用光谱曲线S(A)相乘，然后进行积分，得到受红斑作用光谱曲线加权后的太阳光谱内所度量紫外线辐射强
度
【权利要求】
1.一种紫外线指数监测模块，其特征在于:所述紫外线指数监测模块包括光电探测器及信号处理电路，所述光电探测器用于将紫外辐射光电转换为光电流信号，所述信号处理电路用于对转换之后的光电流信号进行转换处理以得到紫外线指数；所述信号处理电路包括低噪声跨阻放大电路、A/D采样转换电路及紫外线指数计算电路，所述低噪声跨阻放大电路用于将光电流信号转换为电压信号，所述A/D采样转换电路用于将接收的电压信号转换为数字信号，所述紫外线指数计算电路用于根据所接收的数字信号并参照红斑作用光谱曲线对应的加权值计算紫外线指数。
2.如权利要求1所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述光电探测器为背照式AlGaN/GaN异质结构的PIN型光电探测器。
3.如权利要求1所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述背照式AlGaN/GaN异质结构的PIN型光电探测器包括外延衬底、外延层、上电极及下电极，所述外延层包括高温AlN模板层、多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层、轻掺杂的高Al组分n—AlGaN窗口层、重掺杂的n+-AlGaN下接触层、非故意掺杂的i_GaN或i_AlGaN本征吸收层、P型掺杂的电子势垒层及P型重掺杂的P-GaN上接触层，其中所述高温AIN模板层、多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层、轻掺杂的高Al组分n—AlGaN窗口层、重掺杂的n+_AlGaN下接触层、非故意掺杂的1-GaN或1-AlGaN本征吸收层、P型掺杂的电子势垒层及P型重掺杂的p_GaN上接触层从下至上依次设置于外延衬底上。
4.如权利要求3所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述高温AlN模板层的厚度为I μ m?1.5 μ m，生长温度不低于1200°C。
5.如权利要求3所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述多周期AlN/AlGaN超晶格缓冲层的平均Al组分大于70%，周期数不少于10。
6.如权利要求3所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述轻掺杂的高Al组分n—AlGaN窗口层的Al组分为65%，其厚度不低于400nm。
7.如权利要求3所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述重掺杂的n+-AlGaN下接触层的有效电子载流子浓度不低于5E+18cm-3，施主杂质为Si。
8.如权利要求3所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述非故意掺杂的1-GaN或1-AlGaN本征吸收层的背景载流子浓度不大于lE+17cm-3，厚度不小于150nm。
9.如权利要求3所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述P型重掺杂的P-GaN上接触层的厚度不低于150nm，且其有效空穴载流子浓度不小于lE+18cm-3，受主杂质为Mg。
10.如权利要求1所述的紫外线指数监测模块，其特征在于:所述低噪声跨阻放大电路包括第一及第二运算放大器，所述光电探测器的一端与第一电源相连，所述光电探测器的另一端通过第一电阻与第一运算放大器的正极相连，所述第一运算放大器的负极与第一运算放大器的输出端相连，所述第一运算放大器的输出端还直接依次通过第二及第三电阻与第二运算放大器的负极相连，所述第二运算放大器的负极还直接通过第四电阻与第二运算放大器的输出端相连，所述第二运算放大器的正极通过第五电阻与第二电源相连，所述第二运算放大器的正极还直接通过第六电阻接地，所述第六电阻与第一电容并联连接；所述第二运算放大器的输出端用于输出经放大之后的电压信号。
【文档编号】G01J1/42GK103616072SQ201310654529
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】周勋, 罗木昌, 申志辉, 卢杰, 龙维刚 申请人:中国电子科技集团公司第四十四研究所