一种镓氮雪崩光电二极管组件及其制作方法与流程

本发明涉及紫外探测器技术领域，特别是涉及镓氮探测器所用的镓氮雪崩光电二极管技术领域，具体为一种镓氮雪崩光电二极管组件及其制作方法。

背景技术：

在电磁辐射谱中，波长在10nm-400nm之间的电磁波属于紫外光。太阳是自然界最强的紫外线光源，由于大气层中臭氧等气体分子对280nm以下的紫外光有强烈吸收和散射作用，这一波段的紫外线几乎无法到达地面，因此把波长在200nm-280nm的紫外光称为日盲区；相应地，人们将只对200nm-280nm波段紫外光产生响应信号的探测器称为日盲(或太阳盲)探测器。日盲探测器在军事与国防中有重要的应用意义。因为位于这一波段的太阳光几乎不能到达地球表面，在低空和地面探测到的该波段紫外光信号一般是来自人工发射源，如飞机或导弹等军事目标、或者火灾、环境污染等。因此，日盲紫外探测器在导弹或者卫星预警制导、战场生化试剂探测、火焰探测、臭氧监测、公安侦察、光电对抗、紫外保密通信中都有重要的应用意义。

当今已投入市场应用、比较常见的紫外探测器有光电倍增管和硅基紫外光电管。光电倍增管虽然探测灵敏度高，但是其体积庞大、工作电压高、容易破碎损坏，在实际应用中有一定的局限。而硅基探测器的探测光谱主要在可见光区，通常需要在硅探测器前端加上复杂的、价格昂贵的滤光系统来除去可见光的干扰，或者采用浅结结构和表面杂质浓度很低的所谓硅紫外增强型探测器，但是这类器件的制作工艺要求很高。

与传统的光电倍增管和硅基探测器相比，AlInGaN(铝铟镓氮)基紫外探测器具有独特的优势。这是因为AlInGaN基材料具有宽禁带、直接带隙、高迁移率和高电子饱和速率、热稳定性和化学稳定性好、抗辐照等优异的物理和化学性能。特别是三元合金AlGaN(铝镓氮)材料，随着Al、Ga组分的变化，其带隙可以在3.4eV-6.2eV之间连续可调，对应的波长覆盖了200nm-365nm范围，所以AlGaN材料在制作日盲紫外探测器方面具有独特的优势。然而，要使AlGaN探测器的工作波长处于日盲区(280nm以下)，Al组分必须高于40％。目前较高晶体质量的高Al组分AlGaN材料很难实现，一般都存在较大的缺陷和位错密度；而且实现较高浓度的P型AlGaN材料也很困难。这些问题严重制约了AlGaN紫外探测器、特别是AlGaN雪崩光电二极管的发展。这是因为一方面，雪崩光电二极管本身对晶体质量的要求就比普通探测器的高，而高Al组分AlGaN材料中存在的大缺陷和位错密度不仅会使得探测 器的暗电流和噪声急剧增加，更为糟糕的是，它们导致的微等离子效应会使得这些区域提前发生雪崩效应，迫使器件的光敏面只能做的很小，不利于大倍增因子的获得。

与AlGaN紫外探测器相比，镓氮(GaN)探测器的外延生长以及制作工艺技术都相对成熟，高晶体质量的GaN材料以及较高P型掺杂浓度的GaN材料的实现都要比AlGaN的容易得多。特别是GaN雪崩光电二极管由于具有雪崩效应提供的内部增益，可以将光生电流放大几十、上百、甚至成千上万倍，因而能够在强太阳辐射背景下探测到微弱的紫外信号，很容易满足军事、国防等应用领域对高灵敏度紫外探测的需求。但是GaN的禁带宽度为3.4eV，它对波长小于365nm的非日盲紫外光也可以发生响应，由此产生的光电流对日盲波段紫外光的准确探测形成了严重的干扰。因此，一般的GaN雪崩光电二极管并不具备日盲特性，其日盲/非日盲紫外光识别比很低，难以实现对日盲波段紫外光的准确探测。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种镓氮雪崩光电二极管组件及其制作方法，用于解决现有技术中一般的镓氮(GaN)雪崩光电二极管日盲/非日盲紫外光识别比很低的技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种镓氮(GaN)雪崩光电二极管组件，所述镓氮(GaN)雪崩光电二极管组件包括：镓氮(GaN)雪崩光电二极管和超材料，所述超材料形成于所述镓氮雪崩光电二极管的衬底的背面，使入射光通过超材料之后再进入所述镓氮雪崩光电二极管，所述超材料的电磁共振波长位于280nm-365nm之间。

优选地，所述超材料包括所述镓氮雪崩光电二极管的衬底背面上的金属薄膜，以及开孔于所述金属薄膜层上且呈周期性排列的十字架结构。

优选地，所述金属薄膜为银薄膜。

优选地，所述镓氮雪崩光电二极管的衬底为蓝宝石衬底、镓氮衬底或碳化硅衬底。

优选地，所述十字架结构由开口谐振环结构、一字型结构、H型结构或开口圆环结构代替。

为实现上述目的，本发明还提供一种镓氮雪崩光电二极管组件的制作方法，所述镓氮雪崩光电二极管组件的制作方法包括以下步骤：

S1、在镓氮雪崩光电二极管的衬底背面进行电子束曝光、光刻工艺，获得具有十字架图案的掩膜层，用于之后的超材料中的十字架结构阵列；

S2、利用电子束蒸发沉积设备或者磁控溅射设备在掩膜层上面蒸镀一层金属薄膜；

S3、利用金属剥离工艺，在衬底上得到开孔于金属薄膜上的十字架结构阵列形成超材料。

优选地，所述超材料的电磁共振波长位于280nm-365nm之间。

优选地，所述镓氮雪崩光电二极管的衬底为蓝宝石衬底、镓氮衬底或碳化硅衬底。

优选地，所述十字架结构由开口谐振环结构、一字型结构、H型结构或开口圆环结构代替。

优选地，所述金属薄膜为银薄膜。

如上所述，本发明的一种镓氮雪崩光电二极管组件及其制作方法，具有以下有益效果：

本发明无需采用生长和制作工艺均不成熟的AlGaN材料，而是采用生长工艺和制作技术相对成熟的GaN材料，通过在GaN雪崩光电二极管的衬底背面制作超材料将非日盲紫外光大幅吸收，显著减小非日盲紫外光的干扰。因此，本专利的GaN雪崩光电二极管具有灵敏度高、日盲/非日盲紫外光识别比大、工艺制作简单、成本低的优势。

附图说明

图1显示为本发明的一种镓氮雪崩光电二极管组件的结构示意图。

图2显示为本发明实施例中所涉及超材料的结构示意图。

图3显示为本发明实施例中所述超材料的透射光谱分析图。

元件标号说明

1 衬底

2 镓氮缓冲层

3 n型镓氮层

4 i型GaN层

5 p型GaN层

6 n型电极

7 p型电极

8 绝缘钝化层

9 超材料

10 入射光

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本发明的目的在于提供一种镓氮雪崩光电二极管组件及其制作方法，用于解决现有技术中硅探测器容易受可见光干扰的技术问题。以下将详细阐述本发明的一种镓氮雪崩光电二极管组件及其制作方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本发明的一种镓氮雪崩光电二极管组件及其制作方法。

本实施例提供一种镓氮雪崩光电二极管组件，如图1所示，所述镓氮雪崩光电二极管组件包括：

镓氮(GaN)雪崩光电二极管和超材料9，所述超材料9形成于所述镓氮雪崩光电二极管的衬底的背面，使入射光通过超材料9之后再进入所述镓氮雪崩光电二极管。

其中GaN雪崩光电二极管的组成结构为：在蓝宝石衬底1上依次生长有GaN缓冲层2、n型GaN层3、i型GaN层4、p型GaN层5、n型电极6、p型电极7、绝缘钝化层8。光线10从衬底的背面入射。

在本实施例中，在蓝宝石衬底1的背面还有超材料9。超材料9是由制作在蓝宝石衬底的背面上具有特定图案的银薄膜组成。也就是靠近入射光10的那一面还有一层很薄的、具有特定图案的银薄膜所形成的超材料9。超材料9的存在使得本专利探测器的性能与普通的GaN雪崩光电二极管有了很大的不同。

优选地，所述超材料9的电磁共振波长为位于280nm-365nm之间。

普通的p-i-n型GaN雪崩光电二极管的结构不包含超材料9，只包含了蓝宝石衬底1、GaN缓冲层2、n型GaN层3、i型GaN层4、p型GaN层5、n型电极6、p型电极7、绝缘钝化层8。这种普通的p-i-n型GaN雪崩光电二极管对波长小于365nm(该波长对应于GaN的带隙波长)的紫外光均可以发生响应，因此非日盲波段的紫外光也可以产生光电流，因而对日盲波段紫外光的准确探测形成严重的干扰。

优选地，所述镓氮(GaN)雪崩光电二极管采用的是p-i-n结构或p-i-n-i-n结构。

超材料的英文名称是metamaterial，它具备天然材料所不具有的超常规电磁特性。一般采用人工设计的多个结构单元来实现超材料的超常规电磁特性，结构单元的尺寸参数远小于电磁波波长。由于超材料的性质主要取决于结构单元的尺寸、单元之间的相互作用，所以这种结构单元又被称为超原子或超分子。

根据超材料和金属等离子电磁共振理论可知，组成超材料的材料特性与结构单元的尺寸参数共同决定了超材料的电磁共振波长λr。当外部入射电磁波的波长接近λr的时候，金属中 的自由电子会发生强烈的局域等离子共振，吸收大量电磁波的能量，导致该波长及其附近的电磁波出射功率急剧下降。本专利正是要利用超材料这种对电磁共振波长及其附近的光波具有强烈吸收的特性。我们通过优化设计可以使得超材料的电磁共振波长正好位于280nm-365nm波段之内。这样，当外部光入射的时候，这一波段的紫外光会被超材料大量吸收，因此它们能够进入GaN雪崩二极管的几率大幅减少，从而可以大幅降低非日盲紫外光对GaN雪崩二极管造成的干扰，获得大的日盲/非日盲紫外光识别比。

如图2所示，构成超材料的结构单元是开孔于金属银薄膜上的十字架。十字架作为超材料的结构单元，其尺寸参数(包括厚度d、臂长l、臂宽w、周期p)都是远小于探测光的波长。蓝宝石和银的材料特性以及十字架的尺寸参数共同决定了超材料的电磁共振波长λr。

具体地，在本实施例中，它是在蓝宝石衬底1上首先镀制了厚度d＝30nm的金属银薄膜，然后通过金属剥离工艺等手段在此层银薄膜上制作出多个周期排列的空十字架，即，十字架内部的金属银被去除掉了。十字架的两臂长度相等，均为l＝85nm；两臂的宽度也相等，臂宽w为20nm；十字架排列的周期p为120nm。

组成超材料的结构参数并不限于图2所述的实施例。对于图2所示的超材料结构，其电磁共振波长为322nm。当改变超材料的尺寸结构参数，电磁共振波长也会相应改变。但是，只要此波长位于280nm-365nm之内就可以了。不过，当电磁共振波长比较靠近280nm-365nm波段的中心区域的时候，超材料对减少非日盲紫外光的干扰效果会更好。

更进一步地，在本实施例中，组成超材料的结构单元也不是限于图2所述的十字架结构，也可以是开口谐振环结构、一字型结构、H型结构、开口圆环等结构。这些结构是比较常见的超材料的结构单元。但是无论怎样，组成超材料的结构单元的选取必须使得超材料的电磁共振波长处于280nm-365nm之内。而且，超材料是制作在背照式GaN雪崩光电二极管衬底的背面，也就是靠近入射光10的那一面。

为实现上述一种镓氮雪崩光电二极管组件，本实施例对应提供一种镓氮雪崩光电二极管组件的制作方法，所述方法包括以下步骤：

S1、在镓氮雪崩光电二极管的衬底1背面进行电子束曝光、光刻工艺，获得具有十字架图案的掩膜层，用于之后的超材料中的十字架结构阵列；

S2、利用电子束蒸发沉积设备或者磁控溅射设备在掩膜层上面蒸镀一层金属薄膜；

S3、利用金属剥离工艺，在衬底1上得到开孔于金属薄膜上的十字架结构阵列形成超材料9。

在上述步骤之前，首先进行日盲GaN雪崩光电二极管的制作步骤：

(1)采用分子束外延(MBE)或者金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备，在蓝宝石衬底1上依次生长厚度为3.0-4.0微米的GaN缓冲层2；厚度为1.0-2.0微米、掺杂浓度为(1-2)×10¹⁸的n型GaN层3；厚度为0.20-0.30微米、不掺杂的i型GaN层4；厚度为0.20-0.30微米、掺杂浓度为(1-2)×10¹⁸的p型GaN层5。

(2)进行光刻工艺；然后采用感应耦合等离子设备(ICP)或者反应等离子刻蚀(RIE)设备刻蚀出台面，此台面用于下一步n型电极6的制作。

(3)利用电子束蒸发沉积设备或者磁控溅射设备，依次蒸镀钛/铝/镍/金(厚度分别20nm、100nm、30nm、100nm)；之后经过金属剥离工艺、合金退火工艺得到n型电极6。

(4)进行光刻工艺；然后利用电子束蒸发沉积设备或者磁控溅射设备，依次蒸镀镍/金(厚度分别是20nm、20nm)；之后经过金属剥离工艺、合金退火工艺，得到p型电极7。

(5)利用等离子加强化学气相沉积(PECVD)设备制作出二氧化硅绝缘钝化层8，厚度300-400nm。

(6)利用光刻工艺，反刻出电极。

需要指出的是，本专利的GaN雪崩光电二极管的层次结构和参数并不是限定于上面实施例中所述。例如，在GaN雪崩光电二极管中，也可以采用GaN衬底或者碳化硅衬底来取代蓝宝石衬底1。如果采用GaN衬底的话，则GaN缓冲层2可以去掉。同理，n型GaN层3、i型GaN层4、p型GaN层5的层厚以及掺杂浓度也不一定非要局限于前面所述实施例中所给出的数据。n型电极6、p型电极7所采用的电极材料、层厚也不是限定于上面所述。例如，n型电极6材料可以采用钛/铝、或者钛/铝/钛/金、或者钛/金/钛等。p型电极7可以采用钛/金、或者钯/金、或者钛/金/钛、或者镍/金/钛/金/钛、或者镍/铑/钛/金等。绝缘钝化层8可以采用氮化硅、或者二氧化硅/氮化硅。

在图1所示的实施例中，GaN雪崩光电二极管采用的是p-i-n结构(由n型GaN层3、i型GaN层4、p型GaN层5共同构成的p-i-n结构)。除此之外，它也可以采用p-i-n-i-n结构，也就是GaN缓冲层2与n型GaN层3之间依次增加一个i型GaN层和一个n型GaN，这是一种吸收区和雪崩倍增区分离的SAM雪崩光电二极管。根据半导体光电子理论可知，这种p-i-n-i-n结构可以将吸收区和雪崩倍增区在空间上进行分离，让GaN材料中电离率较大的空穴来发动雪崩倍增效应，从而获得更大的雪崩倍增因子与更小的噪声，增加探测器的灵敏度，改善其噪声特性。总而言之，GaN雪崩光电二极管的层次结构和尺寸参数并不是限定于上面实施例中所述。

如图3所示，它给出了图2所示超材料的透射谱。可以看出，透射谱在322nm处出现了 最小值，透射率低达0.12。这个波长就是超材料的电磁共振吸收波长λr，它位于280nm-365nm波段之内。由于超材料对电磁共振波长λr及其附近的光波具有强烈吸收的特性，因此在322nm电磁共振吸收波长附近的电磁波，其透射率也很低。由此可知，图2所示的超材料结构能够将很大部分的非日盲紫外光大幅吸收，这样能够进入到GaN雪崩光电二极管内部的非日盲紫外光显著减少，因此它们对日盲紫外探测造成的干扰也相应减少，GaN雪崩光电二极管因而能够获得大的日盲/非日盲紫外光识别比。

综上所述，本发明通过在所述镓氮雪崩光电二极管的衬底上形成超材料，使入射光通过超材料之后再进入镓氮雪崩光电二极管。本发明借助超材料对280nm-365nm紫外波段的强烈电磁共振吸收作用，将这些波段的紫外光有效地阻挡在镓氮雪崩光电二极管之外，从而减小非日盲紫外光对日盲紫外探测的干扰，实现具有较高日盲/非日盲识别比的紫外探测。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。