本发明属于半导体探测技术领域,具体涉及一种深紫外探测器及其制备方法。
背景技术:
深紫外光电探测器由于不受太阳光的干扰,能在阳光环境条件下对深紫外光信号进行探测,因而在军事、国防和科研领域具有非常重要的应用。目前商用的深紫外探测器主要有硅探测器、光电倍增管和半导体探测器。硅基深紫外光电管需要滤光片,光电倍增管需要在高压下工作,而且体积大、效率低、易损坏。半导体材料相对于传统的深紫外探测器具有携带方便、造价低廉、响应度高等优点而受到了广泛的关注。
ⅲ族氮化物(主要包括氮化镓、氮化铝、氮化铟及其合金)具有直接带隙的能带结构、电子漂移饱和速度高、介电常数小及导热性好等特点,长期以来都被认为是制备光电器件的理想材料。现存全部半导体材料中,氮化铝具有超过6ev的直接能量带隙,具有高击穿场强、高导热率、高化学和热稳定性以及良好的光学和力学性能,能够用于研制波长短达200nm的深紫外光源及探测器,因此在军用及民用领域具有广泛的应用前景,在某些极限应用具有不可替代的优势。氮化铝在光电探测器等领域有着广阔的应用前景。然而由于优质氮化铝薄膜的制备比较困难,导致高性能的氮化铝探测器一直难以突破,这也使得氮化铝薄膜的光电器件一直处在研发的初始阶段,因此制备一种高性能的氮化铝探测器对于制备光电器件具有重要的意义。
技术实现要素:
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种深紫外探测器。该深紫外探测器具有光响应速度快,截止边陡峭的特点。
本发明的目的还在于提供制备所述的一种深紫外探测器的方法。该制备方法工艺简单,省时高效。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种深紫外探测器,包括:衬底、设置于所述衬底上的多晶氮化铝薄膜层、设置于所述多晶氮化铝薄膜层上的电极层。
进一步地,所述多晶氮化铝薄膜层为c轴取向的多晶氮化铝;所述深紫外探测器的光响应截止边在200~250nm,所述深紫外探测器的响应速度为10~100μs。
进一步地,所述衬底的材料为蓝宝石、表面覆盖二氧化硅层的硅片或者玻璃。
进一步地,所述多晶氮化铝薄膜层的厚度为100~500nm,吸收截止边为190~230nm。
进一步地,所述电极层为不连续电极层,厚度为30~100nm。
进一步地,所述不连续电极层为叉指电极、嵌套的环形电极或并列的方形电极。
进一步地,所述叉指电极的叉指间距为10μm,叉指宽度为10μm,叉指对数为25对,叉指长度为500μm;所述叉指电极的材料为金。
一种深紫外探测器的方法,包括如下步骤:
s1、对所述衬底进行清洗、吹干;
s2、以铝源、氮气气体源,在分子束外延生长室中生长多晶氮化铝薄膜;
s3、在所述多晶氮化铝薄膜的表面制备所述电极层;
s4、在所述电极层上按压铟粒。
进一步地,所述铝源的纯度为5n5~8n5,氮气气体流速为0.5~5sccm;氮气的射频功率为100~400w;电子束源炉电流为160~200ma;电子束源炉电压为4~6kv;生长温度为500~1000℃;生长的真空度为1×10-6~3×10-6torr。
进一步地,在生长多晶氮化铝薄膜结束后,降温速率为1~15℃/min。
进一步地,在步骤s3中,使用蒸镀后刻蚀的方法制备所述电极层,蒸镀的电流为10~140ma,蒸镀的电极原料为5~500mg。
进一步地,所述刻蚀的方法为先经光刻后再进行湿法刻蚀。
与现有技术相比,本发明有益效果如下:
本发明所述的深紫外探测器具有量子效率高、光响应速度快、暗电流低。本发明所述的深紫外探测器的制备方法制备工艺简单、便于操作,易于大规模产业化应用。
附图说明
图1为本发明所述深紫外光探测器的结构示意图;
图2为本发明实施例1中多晶氮化铝薄膜的扫描电镜断面图;
图3为本发明实施例1中多晶氮化铝薄膜的紫外—可见光吸收光谱图;
图4为本发明实施例1中深紫外探测器的瞬态响应图谱;
图5为本发明实施例1中深紫外探测器的时间响应特性曲线。
其中附图标记包括:
衬底1、多晶氮化铝薄膜层2、金叉指电极层3、铟粒4。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作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。
本发明实施例具体公开了一种深紫外探测器,包括:衬底、设置于衬底上的多晶氮化铝薄膜层、设置于多晶氮化铝薄膜层上的电极层。
优选地,多晶氮化铝薄膜层为c轴取向的多晶氮化铝;深紫外探测器的光响应截止边在200~250nm,深紫外探测器的响应速度为10~100μs。
优选地,多晶氮化铝薄膜层的厚度为100~500nm,吸收截止边为190~230nm。
优选地,电极层为不连续电极层,厚度为30~100nm。
优选地,不连续电极层为叉指电极、嵌套的环形电极或并列的方形电极。
优选地,叉指电极的材料为金,所述叉指电极的叉指间距为10μm,叉指宽度为10μm,叉指对数为25对,叉指长度为500μm。
本发明还提供一种深紫外探测器的制备方法。
制备方法实施例1
深紫外探测器的制备方法,具体步骤如下:
s1、采用蓝宝石衬底(厚度0.45~0.55mm,2英寸的圆片),使用三氯乙烯,丙酮,乙醇分别清洗衬底,使用氮气吹干衬底。
s2、将衬底置放入分子束外延生长设备中,以纯度为6n5的铝作为铝源,氮气气体源制备多晶氮化铝薄膜。
s3、将步骤s2中生长得到的带有多晶氮化铝的衬底放入真空镀膜机中,在气压为1×10-3pa的条件下制备金叉指电极层。
s4、在金叉指电极上按压铟粒得到两个间距为1cm的铟电极,所制备的深紫外探测器为msm结构。
优选地,步骤s2中的衬底放入分子束外延生长设备中,进行750℃预处理2小时后送入生长室,生长温度850℃,生长室真空度为1.6×10-6torr,氮气气体流速为1.2sccm,氮气的射频功率为350w,电子束源炉电压为5kv,电子束源炉电流为185ma。
优选地,步骤s2中的衬底在生长室生长90分钟,关闭射频气体源和电子束源炉,以5℃/min的降温速率降低温度,最终降低到室温,取出衬底,得到多晶氮化铝薄膜厚度为180nm。
优选地,使用蒸镀后刻蚀的方法制备金叉指电极层,蒸发电流为140ma,将50mg金颗粒蒸镀到多晶氮化铝薄膜表面,制备的金叉指电极的叉指间距和叉指宽度为10μm,叉指长度为500μm,叉指对数为25对,总面积为500×1000μm2,两端金电极面积为1×1mm2。
制备的深紫外探测器的结构示意图如图1所示,包括:蓝宝石衬底1、多晶氮化铝薄膜层2、金叉指电极层3、铟粒4;制备的深紫外探测器的多晶氮化铝薄膜的扫描电镜断面图如图2所示,制备的深紫外探测器的多晶氮化铝薄膜的紫外—可见光吸收光谱图如图3所示,可知多晶氮化铝薄膜光吸收截止边位于200nm附近,表明制备的深紫外探测器具有较好的光响应能力;制备的深紫外探测器的瞬态响应图谱如图4所示,可以看出制备的氮化铝薄膜导电性较弱,表明制备的深紫外探测器具有光响应速度快的优点,制备的深紫外探测器的时间响应特性曲线如图5所示,表明制备的深紫外探测器具有光响应速度快的优点。
制备方法实施例2
深紫外探测器的制备方法,具体步骤如下:
s1、采用蓝宝石衬底(厚度0.45~0.55mm,2英寸的圆片),使用三氯乙烯,丙酮,乙醇分别清洗衬底,使用氮气吹干衬底。
s2、将衬底置放入分子束外延生长设备中,以纯度为6n5的铝作为铝源,氮气气体源制备多晶氮化铝薄膜。
s3、将步骤s2中生长得到的带有多晶氮化铝的衬底放入真空镀膜机中,在气压为1×10-3pa的条件下制备金叉指电极层。
s4、在金叉指电极上按压铟粒得到msm结构的深紫外探测器。
优选地,步骤s2中的衬底放入分子束外延生长设备中,进行750℃预处理2小时后送入生长室,生长温度850℃,生长室真空度为1.6×10-6torr,氮气气体流速为1.2sccm,氮气的射频功率为400w,电子束源炉电压为5kv,电子束源炉电流为185ma。
优选地,步骤2中的衬底在生长室生长90分钟,关闭射频气体源和电子束源炉,以5℃/min的降温速率降低温度,最终降低到室温,取出衬底,得到多晶氮化铝薄膜厚度为200nm。
优选地,使用蒸镀后刻蚀的方法制备金叉指电极层,蒸发电流为140ma,将50mg金颗粒蒸镀到多晶氮化铝薄膜表面。
制备方法实施例3
深紫外探测器的制备方法,具体步骤如下:
s1、采用蓝宝石衬底(厚度0.45~0.55mm,2英寸的圆片),使用三氯乙烯,丙酮,乙醇分别清洗衬底,使用氮气吹干衬底。
s2、将衬底置放入分子束外延生长设备中,以纯度为6n5的铝作为铝源,氮气气体源制备多晶氮化铝薄膜。
s3、将步骤s2中生长得到的带有多晶氮化铝的衬底放入真空镀膜机中,在气压为1×10-3pa的条件下制备金叉指电极层。
s4、在金叉指电极上按压铟粒得到msm结构的深紫外探测器。
优选地,步骤s2中的衬底放入分子束外延生长设备中,进行750℃预处理2小时后送入生长室,生长温度850℃,生长室真空度为1.6×10-6torr,氮气气体流速为1.2sccm,氮气的射频功率为200w,电子束源炉电压为5kv,电子束源炉电流为185ma。
优选地,步骤s2中的衬底在生长室生长90分钟,关闭射频气体源和电子束源炉,以5℃/min的降温速率降低温度,最终降低到室温,取出衬底,得到多晶氮化铝薄膜厚度为150nm。
优选地,使用蒸镀后刻蚀的方法制备金叉指电极层,蒸发电流为140ma,将50mg金颗粒蒸镀到多晶氮化铝薄膜表面。
制备方法实施例4
深紫外探测器的制备方法,具体步骤如下:
s1、采用蓝宝石衬底(厚度0.45~0.55mm,2英寸的圆片),使用三氯乙烯,丙酮,乙醇分别清洗衬底,使用氮气吹干衬底。
s2、将衬底置放入分子束外延生长设备中,以纯度为6n5的铝作为铝源,氮气气体源制备多晶氮化铝薄膜。
s3、将步骤s2中生长得到的带有多晶氮化铝的衬底放入真空镀膜机中,在气压为1×10-3pa的条件下制备金方形电极层,方形电极大小为1×1mm2,电极之间的间距为1mm。
s4、在金方形电极两端按压铟粒得到msm结构的深紫外探测器。
优选地,步骤s2中的衬底放入分子束外延生长设备中,进行750℃预处理2小时后送入生长室,生长温度850℃,生长室真空度为1.6×10-6torr,氮气气体流速为1.2sccm,氮气的射频功率为200w,电子束源炉电压为5kv,电子束源炉电流为185ma。
优选地,步骤s2中的衬底在生长室生长90分钟,关闭射频气体源和电子束源炉,以5℃/min的降温速率降低温度,最终降低到室温,取出衬底,得到多晶氮化铝薄膜厚度为150nm。
优选地,使用蒸镀后刻蚀的方法制备金方形电极层,蒸发电流为140ma,将50mg金颗粒蒸镀到多晶氮化铝薄膜表面。
本发明所述的深紫外探测器具有量子效率高、光响应速度快、暗电流低。本发明所述的深紫外探测器的制备方法制备工艺简单、便于操作,易于大规模产业化应用。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式,并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形,均应包含在本发明权利要求的保护范围内。