专利名称：紫外传感器的制作方法
技术领域：
本发明是关于一个配备一针型光电二极管的紫外传感器。
背景技术：
组合了一个具有只传输特定波长的光的特性的滤光器和一个使用了半导体硅的光电二极管的器件用作为紫外传感器，用来监测波长接近365纳米的紫外辐射的光强度，这已经被众所周知。此外，一个包括了在n型和p型氮化镓半导体层之间的一层由i型氮化镓半导体构成的光接收层的针型氮化物半导体光接收元件用作一个选择性地探测在一特定波长范围内的光用的器件(见日本未经审查的专利申请号2002-83996)，这也为人熟知。
发明内容
然而，在上面描述的滤光器中，元件的数量不得不随着入射光强度的减弱而增加。此外，采用上述专利申请中描述的光接收元件，只选择性的探测波长接近365纳米的紫外辐射是比较困难的。
本发明的一个目的就是提供一个用来只选择性的探测波长接近365纳米的光的紫外传感器。
按照本发明的紫外传感器包括一个构成一容器的部分壁的入射光窗口和一个放置在该容器内用来对穿过入射光窗口的光束进行光电转换的针型光电二极管。其中，该入射光窗口由科瓦铁镍钴合金玻璃制成，而该针型光电二极管包括了在一n型氮化物半导体层与一p型氮化物半导体层之间的由铟x镓(1-x)氮(0＜x＜1)INxGa(1-x)N(0＜x＜1)材料组成的一光吸收层。
采用上述按照本发明的紫外传感器，因为入射光窗口由科瓦铁镍钴合金玻璃制成，所以波长约为300纳米或波长更长的光可以被选择性地传输。此外，因为放置在容器内部的针型光电二极管的光吸收层是由INxGa(1-x)N(0＜x＜1)制成的，所以波长约为400纳米或波长更短的穿过入射光窗口传输进来的光可以被选择性地光电转换。因此，只有波长约为365纳米的光可以被选择性地探测到。
由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的入射光窗口的厚度最好为200微米或更厚。这样，可以保证入射光窗口具有足够的机械强度，同时，可以保证有效地屏蔽波长小于或等于300纳米的光，而只允许波长等于或大于300纳米的光可以被选择性地传输。
光吸收层中INxGa(1-x)N的成分比x的值最好在0～0.05之间。这样，可以减弱波长大于约400纳米的光的灵敏度。
此外，对波长为405纳米的光的探测灵敏度最多是对波长为365纳米的光的探测灵敏度的1/100。这样，可以更加的精确地探测波长接近365纳米的光。
按照本发明的紫外传感器最好被用作影印石版术中光源的功率计。这样，汞灯的发射线中波长为365纳米的发射线的强度可以被精确地监控，这个波长的发射线被广泛地用作为在影印石版术中的光源，并一般被称为i线。
图1所示的是一个紫外传感器实施例的横截面示意图；图2所示的是放置在图1所示的紫外传感器内的针型光电二极管的示意图。
图3所示的是当不掺杂的INxGa(1-x)N光吸收层中铟(In)的含量比x为零时的针型光电二极管的光谱灵敏度特性的曲线图；图4所示的是INxGa(1-x)N(0＜x＜1)层中铟(In)的含量比x和光致发光(PL)的峰值波长之间的关系；图5所示的是当铟In的比例系数x分别对应图4中的点A-D时的波长和光致发光(PL)的强度之间的关系；图6所示的是当INxGa(1-x)N光吸收层中铟(In)的含量比x为0.01时的针型光电二极管的光谱灵敏度特性的曲线图；和图7所示的是当紫外传感器实施例中INxGa(1-x)N光吸收层中铟(In)的含量比x为0.01时的光谱灵敏度的曲线图。
具体实施例方式
在下文将结合附图对本发明的最佳实施例进行更详细的描述。在附图中同样的元件用同样的标号表示，并且忽略其中重复的说明。
图1所示的是一个紫外传感器实施例的横截面示意图。图2所示的是放置在图1所示的紫外传感器内的一针型光电二极管的示意图。如图1所示，一个紫外传感器1包括一个容器5，其中，一金属管壳2的上端开口被一个由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的作为入射光窗口的顶板3封闭，而下端开口被一个底板4封闭。作为入射光窗口的该顶板3通过密封金属管壳2的上端开口构成容器5的部分壁。容器5的内部空间可以填充空气或氮气，或被抽成真空。一个针型光电二极管6被放置在容器5内。如图2所示，针型光电二极管6包括一个n型接触层8、一个光吸收层9和一个p型接触层10，它们依次层叠在一个半导体基底7的上面。欧姆电极11、12分别形成在n型接触层8和p型接触层10上。
多个用来给针型光电二极管6提供电压或者从针型光电二极管6中拾取信号的电极针13设置在容器5的底板4上。电极针13通过金属导线14与欧姆电极11、12相连。
在针型光电二极管6中，光吸收层9由INxGa(1-x)N(0＜x＜1)制成。此外，n型接触层8和p型接触层10由氮化物半导体制成。氮化物半导体是一个III-V族化合物半导体，包含III族元素铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)中的至少一种，而V族元素中主要为氮(N)。
针型光电二极管6的各元件厚度将在下面描述。
半导体基底7的厚度可以适当根据所使用材料的特性，同时考虑它的机械强度应该足够防止基底在通常使用中破裂、外延生长后处理的可操纵性以及成本而决定。
当将与氮化物半导体层(通过外延生长在一基底，例如蓝宝石基底上)之间存在较大的晶格失配的该基底用作为半导体基底7时，那么最好在该基底与氮化物半导体层之间插入一层缓冲层。缓冲层的厚度根据外延生长设备的类型和生长环境适当地选择。当用诸如碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)之类的材料作为半导体基底7时，不必使用一缓冲层。
根据加工方法的可控制性适当地决定n型接触层8的厚度。在针型光电二极管6的制作过程中，首先在外延生长后通过平板印刷制作出需要的图形，然后从前表面一侧使用干刻技术让n型接触层8曝光，蚀刻出一个台面结构。
干刻的刻蚀深度通过干刻时间控制。当n型接触层8的厚度比较小，那么n型接触层8在有些情况下会因为过刻蚀而被穿透，或在有些情况下n型接触层8的表面会因为刻蚀不充分而未被曝光。此外，当n型接触层8的厚度比较大，那么外延生长时间延长，成本就提高了。因此，n型接触层8的厚度是根据考虑了上述问题的刻蚀厚度的可控制性来选择的。
当光吸收层9的厚度比较小时，不能获得对于所需波长的光足够的吸收。此外，当厚度比较大时，在光吸收层9中形成的电场被减弱，在由入射光激发的载流子中达到n型接触层8之前重新结合的载流子和p型接触层10中的比值提高了，从而降低了灵敏度。
因为入射光穿过p型接触层10到达光吸收层9，所以p型接触层10的厚度最好比较小，以便抑制由光的吸收引起的对入射光的衰减作用。然而，为了获得良好的欧姆特性，必须掺入大量的p型掺杂剂，因此p型接触层10的厚度的选择必须考虑到p型掺杂剂的扩散。
根据前面的论述，各元件的可取的/更可取的厚度范围被列在下面。对于n型接触层8和p型接触层10，只给出了可取的范围。
表1
由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的顶板3的厚度的可取值至少应为200微米，更可取的厚度是500微米或者更厚些，这样不仅可以得到足够的机械强度，满足作为入射光窗口的要求，而且可以有效地屏蔽波长小于或等于300纳米的光。此外，当顶板和商业化的金属管壳焊接时，需要顶板的厚度大约为1毫米。
使用上面描述的紫外传感器1，由于作为入射光窗口的顶板3是由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的，因此入射到顶板3上的紫外辐射波长中小于或等于约300纳米的光被顶板3吸收，波长大于或等于约300纳米的光被选择性地传输。
穿过顶板3的波长大于或等于约300纳米的光射到放置在容器5内的针型光电二极管6的光吸收层9上。由于光吸收层9由InxGa(1-x)N(0＜x＜1)制成，对于波长大于或等于约300纳米的入射光，只有波长小于或等于约400纳米的光被选择性地进行光电转换，而电子—空穴对作为输出信号从欧姆电极11、12被输出到紫外传感器1的外面。因此，采用本紫外传感器1，波长接近365纳米的光可以被选择性地探测到。
此外，本紫外传感器1有一个使用针型光电二极管6的结构，因此装置的尺寸相比于光电子管等可以被缩小，而且不需要高压电源。
然而，因为波长小于或等于300纳米的光具有较高的能量，如果光直接落在光电二极管上，那么光电二极管的电阻降低，灵敏度降低。采用本紫外传感器1，因为由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的顶板3的厚度等于200微米或更大，波长小于或等于300纳米的光被屏蔽。因此，具有较高能量的波长小于或等于300纳米的光被截断，只有能量较低的光可以射到针型光电二极管6上。因此，针型光电二极管6的长期稳定性可以被进一步提高。
本发明将在下文根据它的诸工作实例被更详细地描述，但本发明并不只局限于下面描述的诸工作实例。
在这个工作实例中，蓝宝石玻璃作为针型光电二极管的半导体基底被使用。蓝宝石基底洗干净后被置于一个有机金属的气相生长设备中，然后一个缓冲层、一个n型接触层、一个光吸收层和一个p型接触层按照所描述的顺序被相继进行外延生长。
每一层的材料和厚度在下面的表2中列出。
表2
在这里，选择n型接触层和p型接触层的能隙与光吸收层的能隙相等，或前者的大于后者的。
接触层和缓冲层并不一定必须由铟镓氮(InGaN)制成，也可以用其它氮化物半导体制成。此外，在本装置中，氮化物半导体层通过有机金属气相生长法外延生长成，但是外延生长也可以通过其它方法完成，例如氢化物气相生长法或分子外延生长法。
当有机金属气相生长设备内的温度降低到室温后，从该设备移出外延生长成的氮化物半导体层。然后，一块金属被气相蒸发在位于氮化物半导体层的前表面上的p型接触层上作为一p型欧姆电极，熔合过程在现定的温度下进行。
然后，用摄影术进行指定的图形制作，一个台面结构通过干刻法在上表面刻蚀形成。刻蚀达到n型接触层的中间部分为止。
然后用例如一切割设备将氮化物半导体切割到指定的尺寸，一个n型欧姆电极通过一机械掩膜被沉积到n型接触层上，在指定的温度下进行熔合过程。
这样就制成了针型光电二极管，然后将它用焊料模片键合到一商品化基底上。p型和n型欧姆电极通过铜线和基底上的电极针相连。
由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的、作为入射光窗口的顶板被焊接到一个金属侧管上，然后将该金属管壳焊接到底板上，这样就完成了一个紫外传感器。
在本实施例中，由金属管壳、底板和正面板构成的容器内部充满了氮气。此外，用来构建顶板的科瓦铁镍钴合金玻璃的科瓦铁镍钴合金硬玻璃(KB硬玻璃)是由NEC玻璃元件有限公司制造的。
在上述的紫外传感器中，照在作为入射光窗口的正面板的紫外辐射中，波长小于或等于约300纳米的光被由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的正面板吸收。而波长大于约300纳米的光穿过正面板照在p型接触层上。
p型接触层具有一大于或等于光吸收层的能隙的触隙以及一较小的厚度。因此，实际上所有的照在p型接触层上的光都可以通过它传出。
被传输的光被光吸收层吸收，并产生从欧姆电极上拾取的电子—空穴对以用作一输出信号。
在这个过程中，波长比对应光吸收层的能带隙的波长大的光穿过光吸收层传播。因此，这种波长的光不会被转换为针型光电二极管的输出信号。
例如，当光吸收层中铟(In)的含量比x为零，即，在氮化镓(GaN)光吸收层情况下，与它的能隙对应的波长在室温下接近350纳米。图3所示是当光吸收层中铟(In)的含量比x为零时的针型光电二极管的光谱灵敏度特性的曲线图。我们可以清楚的看到对应于作为一汞灯i线的波长为365纳米的光的灵敏度降低到峰值的1/2左右。图3纵坐标灵敏度的坐标值是用任意单位(a.u.)测量的。
因为这个原因，在本发明的该实施例中，INxGa(1-x)N(0＜x＜1)被用作光吸收层。此外，发明者已经通过实验发现为了对汞灯中波长365纳米的发射线获得较高的灵敏度，并且降低对波长为405纳米的发射线的灵敏度，INxGa(1-x)N(0＜x＜1)层中铟In的含量比x最好为0～0.05之间。
图4表示了INxGa(1-x)N层中铟(In)的含量比x和光致发光(PL)的峰值波长之间的关系。众所周知，光致发光的峰值波长大致与光吸收边缘有关。在图4中，点A-D分别指明了含量比x等于0.01、0.02、0.03、0.05的情况。从图4可知，当x＞0.05时光致发光的峰值波长为约390纳米，并且有可能获得对应于汞灯中波长为405纳米的发射线的灵敏度。
图5图示3当铟(In)的含量比x分别对应于图4中点A-D时的波长与光致发光(PL)的强度之间的关系。纵坐标强度的坐标值是用任意单位(a.u.)度量的。如图5所示，显然在铟(In)的含量比x等于0.01的曲线A的情况时，波长接近365纳米的光的强度增大，在铟(In)的含量比x等于0.05的曲线B的情况时，波长接近405纳米的光的强度增大。因此，为了降低波长为约405纳米的光的灵敏度，为了提供波长为约365纳米的光的灵敏度，INxGa(1-x)N(0＜x＜1)层中铟(In)的含量比x最好为0～0.05。
图6所示是当INxGa(1-x)N光吸收层中铟(In)的含量比x为0.01时针型光电二极管的光谱灵敏度特性的曲线图。此图表示当铟(In)的含量比x在0～0.05之间时灵敏度的峰值在接近探测目标波长为365纳米的地方出现。然而，汞灯中的另外一条波长为约254纳米的发射线的灵敏度也被显示出来，而不能直接提供仅为波长365纳米的光的灵敏度。
图7图示了紫外传感器的本实施例的一光谱灵敏度曲线，该传感器包括一个针型光电二极管，其中INxGa(1-x)N光吸收层中铟(In)的含量比x为0.01；以及，一个由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的入射光窗口。如图所示，灵敏度峰值在波长为365纳米的附近出现。表3显示了当假设365纳米波长的探测灵敏度为100时对应于405纳米波长的探测灵敏度。
表3
显然，汞灯中其中一条波长为405纳米的发射线的灵敏度比365纳米波长的灵敏度的1/100还要小。此外，在波长为254纳米处(汞灯的另外一条发射线)，灵敏度小于测量极限。这样，汞灯中波长为365纳米的光可以被本紫外传感器探测到。
因此，在汞灯的大量的，例如1014纳米、580纳米、546纳米、436纳米、405纳米、365纳米和254纳米的发射线中，只有波长为365纳米的发射线可以被精确地监控，这条发射线被广泛的用作影印石版术的光源，通常被称为i线。因此本发明的紫外传感器适合于用作影印石版术光源的功率计。
在本发明的紫外传感器中，由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的入射光窗口以及由InxGa(1-x)N(0＜x＜1)构成的针型光电二极管的光吸收层实现了选择性地探测波长接近365纳米的光。
权利要求
1.一种紫外传感器，其特征在于，包括构成容器的部分壁的入射光窗口；和被放置在所述容器内的针型光电二极管，用来对通过所述的入射光窗口传播的光进行光电转换，其中所述入射光窗口由科瓦铁镍钴合金玻璃制成，所述针型光电二极管包括光吸收层，该光吸收层在n型氮化物半导体层与p型氮化物半导体层之间由InxGa(1-x)N(0＜x＜1)材料形成。
2.依照权利要求1的紫外传感器，其特征在于，其中所述由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的入射光窗口的厚度大于或等于200微米。
3.依照权利要求1的紫外传感器，其特征在于，其中所述光吸收层中InxGa(1-x)N的成分比x在0～0.05之间。
4.依照权利要求1的紫外传感器，其特征在于，其中所述波长为405纳米的光的探测灵敏度最多是所述波长为365纳米的光的探测灵敏度的1/100。
5.依照权利要求1的紫外传感器，其特征在于，用作影印石版术光源的功率计。
全文摘要
一种紫外传感器1包含一个容器5，在该容器中一个金属管壳2的上端开口被一个由科瓦铁镍钴合金玻璃制成的、用作一个入射光窗口的顶板3封闭，它的下端开口被底板4封闭。用作入射光窗口的顶板3通过封闭金属管壳2的上端开口构成容器5的部分壁。一个针型光电二极管6被放置在容器5内。该针型光电二极管6包括了在一n型接触层8与一p型接触层10之间形成的材料为In
文档编号H01L31/08GK1503380SQ20031011990
公开日2004年6月9日 申请日期2003年11月25日 优先权日2002年11月25日
发明者新垣实, 高木康文, 中嶋和利, 铃木良孝, 铃木伸治, 利, 孝, 文, 治 申请人:浜松光子学株式会社