专利名称：氮化镓基多波段探测器及其制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件领域，特别是发明了一种氮化镓基多波段 探测器及其制作方法。
背景技术：
作为第三代半导体，氮化镓(GaN)及其系列材料(包括氮化铝、铝 镓氮、铟镓氮、氮化铟)以其禁带宽度大、光谱范围宽(覆盖了从紫外到 红外全波段)、耐高温性和耐腐蚀性好，在光电子学和微电子学领域内有 巨大的应用价值。GaN基紫外探测器是一种非常重要的GaN基光电子器件，
在导弹预警、火箭羽烟探测、紫外通信、生化武器探测、飞行器制导、宇 宙飞船、臭氧层空洞探测、火灾监测等民用、军用领域有着重要的应用价 值。目前世界上在GaN基紫外探测器方面己经取得了很大进展，已研制多 种结构的单元器件和焦平面阵列。但是这些探测器对小于某一波长的光都 有响应，无法区分和探测多个离散的波段。影响了氮化镓紫外探测器的进 一步发展和应用
与单一波段探测器相比，GaN基多波段紫外探测器能够识别离散的多 个光谱，在实际应用中可以做到虚警率低、灵敏度高、抗干扰能力强等等 不可比拟的优点。同时多波段探测能够增大短距离紫外光通信系统的通信 能力，在光通讯领域发挥重要作用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种氮化镓基多波段探测器及其制作方法，这 种多波段探测器能够分别探测多个波段的光，并判断出每个波段的光的强度。
本发明提供一种氮化镓基多波段探测器，其特征在于，包括一衬底；
一短波段探测单元，包括
一第一宽带隙材料层，该第一宽带隙材料层外延生长在衬底上面一侧
的三分之一处；
一对第一背靠背肖特基电极，该对第一背靠背肖特基电极生长在第一 宽带隙材料层上；
一中波段探测单元，包括
一第二宽带隙材料层，该第二宽带隙材料层外延生长在衬底上面中间 的三分之一处，该第二宽带隙材料层与第一宽带隙材料层之间有一第一间
隙；
一第二中间带隙材料层，该第二中间带隙材料层外延生长在第二宽带 隙材料层上；
一对第二背靠背肖特基电极，该对第二背靠背肖特基电极生长在第二 中间带隙材料层上；
一长波段探测单元，包括-
一第三宽带隙材料层，该第三宽带隙材料层外延生长在衬底上面另一 侧的三分之一处，该第三宽带隙材料层与第二宽带隙材料层之间有一第二 间隙；
一第三中间带隙材料层，该第三中间带隙材料层生长在第三宽带隙材 料层上；
一第三窄带隙材料层，该第三窄带隙材料层生长在第三中间带隙材料 层上；
一对第三背靠背肖特基电极，该对第三背靠背肖特基电极生长在第三 窄带隙材料层上。
其中所述的衬底为双面抛光的蓝宝石材料。
其中所述的第一、第二、第三宽带隙材料层和第二、第三中间带隙材 料层以及第三窄带隙材料层的材料为氮化镓基材料，包括A1N、 GaN、 InN 及其三元或者多元化合物。
其中所述的第一、第二、第三宽带隙材料层的带隙宽度大于第二、第 三中间带隙材料层的带隙宽度，第二、第三中间带隙材料层的带隙宽度大于第三窄带隙材料层的带隙宽度。
其中所述的第一、第二、第三宽带隙材料层以及第二、第三中间带隙 材料层的厚度要分别大于其本征带隙对应的光的吸收长度。
其中所述的第一、第二、第三三对背靠背肖特基电极为长条形或叉指 形结构，材料为透光、半透光或者不透光的材料。
本发明提供一种氮化镓基多波段探测器的制作方法，其特征在于，包 括如下步骤
步骤1:在衬底上利用外延生长设备生长宽带隙材料层； 步骤2:在宽带隙材料层上生长中间带隙材料； 步骤3:在中间带隙材料上生长窄带隙材料层;
步骤4:在前述步骤形成的结构上，刻蚀两条沟槽状的第一和第二间 隙，该第一和第二间隙的深度至衬底为止，将衬底上的材料分成三段式的 第一段窄带隙材料层、第二段窄带隙材料层和第三段窄带隙材料层；
步骤5:将第一段上的第一窄带隙材料层和中间带隙材料以及第二段 的窄带隙材料层刻蚀掉；
步骤6:分别在第一宽带隙材料层、第二中间带隙材料层、第三窄带 隙材料层上制作第一对背靠背肖特基电极、第二对背靠背肖特基电极、第 三对背靠背肖特基电极；
步骤7:进行衬底剪薄、抛光、解理，将单管器件封装在管座上，形 成氮化镓基多波段探测器。
其中所述的衬底为双面抛光的蓝宝石材料。
其中所述的宽带隙材料层、中间带隙材料层以及窄带隙材料层的材料
为氮化镓基材料，包括A1N、 GaN、 InN及其三元或者多元化合物。
其中所述的第一、第二、第三宽带隙材料层的带隙宽度大于第二、第
三中间带隙材料层的带隙宽度，第二、第三中间带隙材料层的带隙宽度大
于第三窄带隙材料层的带隙宽度。
其中所述的宽带隙材料层和中间带隙材料层的厚度应分别大于其本
征带隙对应的光的吸收长度。
其中所述的第一、第二、第三三对背靠背肖特基电极为长条形或叉指
形结构，材料为半透光或者不透光的材料。本发明巧妙的利用了 GaN基材料体系的带隙连续可调性生长出根据需
求不同，带隙宽度不同(对应组分不同)的多层材料，刻蚀出台阶后在每 一层材料上制作肖特基电极。使不同波长的光分别在不同层材料上制作的 探测器上分别有响应。以三波段探测器为例，就是在双面抛光的衬底上依
次生长宽带隙材料层11、中间带隙材料层13和窄带隙材料层15。分别刻 蚀窄带隙材料层15和中间带隙材料层13，使中间带隙材料层和宽带隙材 料层露出来，形成两个台阶。在每一层上都制作出肖特基电极，这样每一 层就相当于一个探测单元。当光从背面入射时，短波段的光、中间波段的 光和长波段的光分别在宽带隙、中间带隙和窄带隙材料上的探测器有响 应，不同响应对应不同波段的光的强度。我们利用读出电路，能够根据不 同探测器上的响应度得到各个波段的光的具体光强。
为了进一步说明本发明的内容，下面结合具体实例和详细附图如后，
其中
图l本发明提出的氮化镓基多波段探测器器件结构示意图
图2本发明提出的氮化镓基多波段探测器材料结构示意图
图3本发明提出的氮化镓基多波段探测器刻蚀沟槽后的示意图
图4本发明提出的双波段AlGaN紫外探测器结构示意图
具体实施例方式
请参阅图1、图2、图3所示，本发明一种氮化镓基多波段探测器包
括
一衬底IO，因为探测器工作时需要光从背面入射，所以该衬底材料为 双面抛光的蓝宝石；
三段式第一、第二、第三宽带隙材料层IIA、 IIB、 IIC，它们是同时 外延生长在衬底10上。第一宽带隙材料层11A用来探测较短波段的光。 根据探测波段的需要以及氮化镓基材料(包括A1N、 GaN、 InN及其三元或 者多元化合物)的带隙连续可调性，可以设计选择材料使其带隙宽度满足 探测波段的需要。例如如果需要探测盲阳波段的光，则此第一宽带隙材料层IIA可以选用Al组分相对较高(35%以上)的AlGaN材料。另外该层的 厚度要满足一定的值，因为第二宽带隙材料层11B同时作为中波段探测单 元中的滤波窗口，需要将能量高于此层材料对应的带隙宽度的光全部吸 收，故该层材料的厚度应该大于其本征带隙对应的光的吸收长度，该第一、 第二、第三宽带隙材料层11A、 IIB、 11C之间分别有一间隙30、 40;该第 一、第二、第三宽带隙材料层IIA、 IIB、 11C大致上是分别位于衬底10 上的三分之一处。
两段式第二、第三中间带隙材料层13B、 13C，它们是直接外延生长在 第二、第三宽带隙材料层IIB和IIC上，并且第二中间带隙材料层13B和 第二宽带隙材料层IIB，第三中间带隙材料层13C和第三宽带隙材料层11C 的面积分别相等。同样该层材料的组分也要根据其探测波段的需要来设计 剪裁其带隙宽度，使其能够探测波长小于其带隙对应的波长而大于第二宽 带隙材料层宽带隙材料层11B的带隙对应的波长。同样由于第三中间带隙 材料层13C同时作为短波段探测单元中的滤波窗口，需要将能量高于此层 材料对应的带隙宽度的光全部吸收，故该层材料的厚度应该大于其本征带 隙对应的光的吸收长度；
一段式第三窄带隙材料层15C，该第三窄带隙材料层15C是直接外延 生长在第三中间带隙材料层13C上，并且该层的面积等于第三中间带隙材 料层13C的面积。同样该层材料的组分也要根据其探测波段的需要来设计 剪裁其带隙宽度，使其能够探测波长小于其带隙对应的波长而大于第三中 间带隙材料层13C的带隙对应的波长；
三对第一、第二、第三背靠背肖特基电极12、 14、 16，这三对背靠背 肖特基电极12、 14、 16是利用标准的光刻的方法分别制作在第一宽带隙 材料层11A、第二中间带隙材料层13B和第三窄带隙材料层15C上；为了 提高探测器的响应度，三对背靠背肖特基电极12、 14、 16为长条形或叉 指形结构；另外，因为该氮化镓基多波段探测器在工作时光是从器件的背 面入射，所以该三对背靠背肖特基电极12、 14、 16可以是透光、半透光 或者不透光的材料。
请再结合参阅图1、图2、图3所示，本发明一种氮化镓基多波段探 测器的制作方法包括如下步骤如图2本发明提出的氮化镓基多波段探测器材料结构示意图所示，首 先在衬底10上利用外延生长设备生长宽带隙材料层11，然后在宽带隙材 料层11上生长中间带隙材料层13，最后在中间带隙材料层13上生长窄带
隙材料层15，这样就形成了氮化镓基多波段探测器材料结构。当然根据需
要可以生长多层结构来分别探测不同的波段，这里介绍的三层结构只是做 代表性的说明。
随后将生长完成的材料上进行第一、第二间隙30、 40的深刻蚀，将 材料分成三个单元，如图3本发明提出的氮化镓基多波段探测器刻蚀所述 间隙后的示意图所示，刻蚀深度直到蓝宝石衬底10为止。这样刻蚀后三 个单元是分开的，彼此没有暗电流等的耦合的影响，可以有效地抑制噪声。
刻蚀间隙完成后所分成的三个单元，每个单元含有相同的三层结构。 继续进行刻蚀，将第一、二单元的第一、第二窄带隙材料层15A和15B进 行刻蚀，刻蚀到完全露出第一、第二中间带隙材料层13A、 13B为止，刻 蚀时应将第三窄带隙材料层15C保护起来。
同样保护好第三窄带隙材料层15C以及第二中间带隙材料13B进行第 二次刻蚀，将第一中间带隙材料层13A完全刻蚀掉，直到完全露出第一宽 带隙材料11A为止。这样就形成了如图1所示的器件结构中材料结构部分， 所述的三个单元分别为短波段探测单元A、中波段探测单元B和长波段探 测单元C。
下面制作背靠背肖特基电极。利用标准的光刻工艺以及剥离技术，分 别在第一宽带隙材料层IIA、第二中间带隙材料层13B和第三窄带隙材料 层15C上制作三对第一、第二、第三背靠背肖特基电极12、 14和16。所 述背靠背肖特基电极一般可以是Ni、 Au、 Pt等具有较高功函数的金属或 者ITO等金属氧化物。要求电极和每一层材料都能形成肖特基接触。
最后进行衬底剪薄、抛光、解理，将单管器件封装在管座上，形成氮 化镓基多波段探测器。
为了进一步说明本发明提出的氮化镓基多波段探测器及其制作方法， 以双波段AlGaN紫外探测器为例说明该器件的制备过程(结合参考图4)
具体如下
首先在双面抛光的蓝宝石衬底20上，利用M0CVD外延生长设备依次生长A1N缓冲层21，非故意掺杂Ak4Gao.6N宽带隙层22，非故意掺杂 Alo.3Ga。.7N中间带隙层23，非故意掺杂Al。.2Ga。.8N窄带隙层25。其中，非 故意掺杂Ak4GaQ.6N宽带隙材料层22用来探测能量大于其带隙宽度Eg
(Al0.4Ga0.6N)入射光；非故意掺杂Al。.3Gao.7N中间带隙材料层23作为滤 波层用来吸收透过Al。.4Ga。.6N宽带隙层22而能量大于其带隙宽度Eg
(Al0.3Ga0.7N)的入射光；非故意掺杂Alo.2Gao.8N窄带隙层25用来探测能 量范围在Al。.3Ga。.7N中间带隙层23的带隙宽度Eg (AlG.3GaQ.7N)和 Alo.2Ga。.sN窄带隙层25的带隙宽度Eg (Ak2Ga。.8N)之间的入射光。
采用干法刻蚀的方法刻蚀出间隙60，使上述材料分成两个单元A和B， 刻蚀深度直到蓝宝石衬底20为止，这样可以降低由于漏电流和两个探测 单元间的耦合带来的噪音。继续进行干法刻蚀，保护好单元B中Ak2Gao.8N 窄带隙层25B，刻蚀掉单元A中的Al0.2Ga0.8N窄带隙层25A和Al0.3Ga0.7N 中间带隙层23A使Al。.4Ga。.6N宽带隙材料层22A完全露出来，这样就形成 一个台阶。
随后采用标准光刻、镀膜、剥离等工艺分别在Alo.4G加.6N宽带隙材料 层22A和Alo.2Ga。.8N窄带隙层25B上制作背靠背肖特基电极24、 26。为了 提高势垒高度减小噪音，需要快速热退火工艺来改善肖特基接触。
最后进行管芯分割、压焊、封装，制成双波段AlGaN紫外探测器。
权利要求
1、一种氮化镓基多波段探测器，其特征在于，包括一衬底；一短波段探测单元，包括一第一宽带隙材料层，该第一宽带隙材料层外延生长在衬底上面一侧的三分之一处；一对第一背靠背肖特基电极，该对第一背靠背肖特基电极生长在第一宽带隙材料层上；一中波段探测单元，包括一第二宽带隙材料层，该第二宽带隙材料层外延生长在衬底上面中间的三分之一处，该第二宽带隙材料层与第一宽带隙材料层之间有一第一间隙；一第二中间带隙材料层，该第二中间带隙材料层外延生长在第二宽带隙材料层上；一对第二背靠背肖特基电极，该对第二背靠背肖特基电极生长在第二中间带隙材料层上；一长波段探测单元，包括一第三宽带隙材料层，该第三宽带隙材料层外延生长在衬底上面另一侧的三分之一处，该第三宽带隙材料层与第二宽带隙材料层之间有一第二间隙；一第三中间带隙材料层，该第三中间带隙材料层生长在第三宽带隙材料层上；一第三窄带隙材料层，该第三窄带隙材料层生长在第三中间带隙材料层上；一对第三背靠背肖特基电极，该对第三背靠背肖特基电极生长在第三窄带隙材料层上。
2、 根据权利要求1所述的氮化镓基多波段探测器，其特征在于，其中所述的衬底为双面抛光的蓝宝石材料。
3、 根据权利要求1所述的氮化镓基多波段探测器，其特征在于，其 中所述的第一、第二、第三宽带隙材料层和第二、第三中间带隙材料层以及第三窄带隙材料层的材料为氮化镓基材料，包括A1N、 GaN、 InN及其三 元或者多元化合物。
4、 根据权利要求1所述的氮化镓基多波段探测器，其特征在于，其 中所述的第一、第二、第三宽带隙材料层的带隙宽度大于第二、第三中间 带隙材料层的带隙宽度，第二、第三中间带隙材料层的带隙宽度大于第三 窄带隙材料层的带隙宽度。
5、 根据权利要求1所述的氮化镓基多波段探测器，其特征在于，其 中所述的第一、第二、第三宽带隙材料层以及第二、第三中间带隙材料层 的厚度要分别大于其本征带隙对应的光的吸收长度。
6、 根据权利要求1所述的氮化镓基多波段探测器，其特征在于，其 中所述的第一、第二、第三三对背靠背肖特基电极为长条形或叉指形结构， 材料为透光、半透光或者不透光的材料。
7、 一种氮化镓基多波段探测器的制作方法，其特征在于，包括如下 步骤步骤1:在衬底上利用外延生长设备生长宽带隙材料层； 步骤2:在宽带隙材料层上生长中间带隙材料； 步骤3:在中间带隙材料上生长窄带隙材料层；步骤4:在前述步骤形成的结构上，刻蚀两条沟槽状的第一和第二间 隙，该第一和第二间隙的深度至衬底为止，将衬底上的材料分成三段式的 第一段窄带隙材料层、第二段窄带隙材料层和第三段窄带隙材料层；步骤5:将第一段上的第一窄带隙材料层和中间带隙材料以及第二段 的窄带隙材料层刻蚀掉；步骤6:分别在第一宽带隙材料层、第二中间带隙材料层、第三窄带隙材料层上制作第一对背靠背肖特基电极、第二对背靠背肖特基电极、第三对背靠背肖特基电极；步骤7:进行衬底剪薄、抛光、解理，将单管器件封装在管座上，形成氮化镓基多波段探测器。
8、 根据权利要求7所述的氮化镓基多波段探测器的制作方法，其特 征在于，其中所述的衬底为双面抛光的蓝宝石材料。
9、 根据权利要求7所述的氮化镓基多波段探测器的制作方法，其特 征在于，其中所述的宽带隙材料层、中间带隙材料层以及窄带隙材料层的材料为氮化镓基材料，包括A1N、 GaN、 InN及其三元或者多元化合物。
10、 根据权利要求7所述的氮化镓基多波段探测器的制作方法，其特 征在于，其中所述的第一、第二、第三宽带隙材料层的带隙宽度大于第二、 第三中间带隙材料层的带隙宽度，第二、第三中间带隙材料层的带隙宽度 大于第三窄带隙材料层的带隙宽度。
11、 根据权利要求7所述的氮化镓基多波段探测器的制作方法，其特 征在于，其中所述的宽带隙材料层和中间带隙材料层的厚度应分别大于其 本征带隙对应的光的吸收长度。
12、 根据权利要求7所述的氮化镓基多波段探测器的制作方法，其特 征在于，其中所述的第一、第二、第三三对背靠背肖特基电极为长条形或 叉指形结构，材料为半透光或者不透光的材料。
全文摘要
一种氮化镓基多波段探测器，包括一衬底；一短波段探测单元，包括一第一宽带隙材料层生长在衬底上面一侧的三分之一处；一对第一背靠背肖特基电极生长在第一宽带隙材料层上；一中波段探测单元，包括一第二宽带隙材料层生长在衬底上面中间的三分之一处；一第二中间带隙材料层生长在第二宽带隙材料层上；一对第二背靠背肖特基电极生长在第二中间带隙材料层上；一长波段探测单元，包括一第三宽带隙材料层生长在衬底上面另一侧的三分之一处；一第三中间带隙材料层生长在第三宽带隙材料层上；一第三窄带隙材料层生长在第三中间带隙材料层上；一对第三背靠背肖特基电极生长在第三窄带隙材料层上。
文档编号H01L27/144GK101626025SQ20081011641
公开日2010年1月13日 申请日期2008年7月9日 优先权日2008年7月9日
发明者刘宗顺, 刘文宝, 苋 孙, 张书明, 朱建军, 辉 杨, 赵德刚 申请人:中国科学院半导体研究所