一种新型的氮化镓紫外探测器的制作方法

本发明属于紫外探测领域，具体涉及一种新型的氮化镓紫外探测器及其封装方法。
背景技术：
：现有技术中的紫外探测器多输出电流，需要外接放大电路将微弱的电流信号转换为电压信号再传递至处理器。外接的放大电路往往容易与内部探测电路不匹配造成误差。同时使用者还需自配放大电路，为使用带来诸多不便。一般的紫外探测器中多采用普通的光电二极管，导致产品体积过大。技术实现要素：本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种新型的氮化镓紫外探测器及其封装方法，减小产品体积和外部电路的设置。本发明提供了一种新型的氮化镓紫外探测器，其特征在于：它包括管帽和底座，管帽和底座配合形成密闭空间；管帽一端嵌设有窗口材料，所述密闭空间内设置有PCB板，PCB上设置有光电二极管和前置放大电路；光电二极管检测管帽外部空气中的光信号并将其转换为电流信号传递至前置放大电路；前置放大电路将接收到的电流信号转换为电压信号输出；底座上设置有连接前置放大电路输出端的输出引脚、连接前置放大电路电源输入端的电源引脚、连接前置放大电路接地端的接地引脚、用于与外部接地端连接的接地管脚。所述密闭空间填充氮气或者真空。所述窗口材料为石英玻璃或者滤光片。所述光电二极管采用GaN半导体材料制成。所述前置放大电路包括放大器；放大器的正极输入端接地；放大器的负极输入端连接光电二极管的阴极，光电二极管的阳极的接地；放大器的负极输入端和输出端之间连接有反馈电阻；反馈电阻两端并联有补偿电容；放大器的负极输入端经PD内阻接地；放大器的负极输入端经PD结电容接地。所述光电二极管包括镓氮雪崩光电二极管和形成于所述镓氮雪崩光电二极管的衬底的背面的超材料，以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；所述金属薄膜为银薄膜；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；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。所述光电二极管波段为200～280nm，峰值波长254nm。本发明提供了一种新型的氮化镓紫外探测器的封装方法，其特征在于包括以下步骤：按要求波段峰值波长选择光电二极管材料并制备光电二极管；选择和光电二极管输出匹配的放大器、反馈电阻和补偿电容，并在PCB板上实现放大器、反馈电阻和补偿电容的电连接形成前置放大电路；选择适合光电二极管以及PCB板尺寸大小的管帽和底座；根据实际封装需要选配石英玻璃或者滤光片作为窗口材料；将窗口材料固定于管帽上；将光电二极管固定于PCB板上实现与前置放大电路的电连接；将PCB焊接于底座上；完成管帽和底座的封装。所述的新型的氮化镓紫外探测器的封装方法，其特征在于包括以下步骤a.处理GaN半导体材料并进行外延片制备、外延片切割和制造电极，获得供封装的光电二极管；b.根据选用的光电二极管设计前置放大电路原理图，选择和光电二极管输出匹配的放大器、反馈电阻和补偿电容，并以此进行PCB设计、PCB制板、PCB贴片封装，获得供封装的带有前置放大电路的PCB板；c.管帽窗口根据需要采用石英玻璃或者滤光片，根据探测器使用需求选配；其中普通封装采用石英玻璃窗口，日盲检测或特殊要求选用特定的滤光片窗口材料；d.固定光电二极管于前置放大电路指定位置，再将PCB板与底座焊接，最后将带窗口材料的管帽与底座封装。本发明根据自主研发GaN光电二极管性能，有效节约产品的整体体积。本发明选择合适的TIA运放器件，跨阻放大器即TIA应用于弱光检测场合，可以将PD(光电二极管)输出的电流信号转化成电压信号，以实现将芯片电流输出转换为电压输出，方便用户直接使用，不需要再专门配置转换电路。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。本发明借助超材料对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。附图说明图1是本发明结构示意图；图2是前置放大电路示意图；图3是底座的结构示意图；图4是芯片典型光谱特征曲线；图5是光电二极管结构示意图；图6是光电二极管超材料的结构示意图；其中，1-管帽；2-窗口材料；3-光电二极管；4-PCB板；5-底座，6-衬底；7-镓氮缓冲层；8-n型镓氮层；9-i型GaN层；10-p型GaN层；11-n型电极；12-p型电极；13-绝缘钝化层；14-超材料；15-入射光。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。如图1所示，本发明提供了一种新型的氮化镓紫外探测器，其特征在于：它包括管帽1和底座5，管帽1和底座5配合形成密闭空间；管帽1一端嵌设有窗口材料2，所述密闭空间内设置有PCB板4，PCB板上设置有光电二极管3和前置放大电路；光电二极管3检测管帽外部空气中的光信号并将其转换为电流信号传递至前置放大电路；前置放大电路将接收到的电流信号转换为电压信号输出；底座5上设置有连接前置放大电路输出端的输出引脚out、连接前置放大电路电源输入端的电源引脚vs、连接前置放大电路接地端的接地引脚case、用于与外部接地端连接的接地管脚GND。所述光电二极管以GaN为基础的AlGaN半导体材料，光电二极管大小不等，根据实用需要探测器的响应度要求确认，其波段为200～280nm，峰值波长254nm，可实现短紫外检测，及部分环境下的日盲紫外线探测。管帽采用大窗口的TO5封装，具有较大的光窗面积。所述密闭空间填充氮气或者真空。所述窗口材料2为石英玻璃或者滤光片，根据探测器使用需求选配。其中普通封装采用石英玻璃窗口材料，日盲检测或特殊要求可选用特定的滤光片窗口材料。所述光电二极管3采用GaN半导体材料制成。所述前置放大电路包括光电二极管、放大器；放大器的正极输入端接地；放大器的负极输入端连接光电二极管的阴极，光电二极管的阳极的接地；放大器的负极输入端和输出端之间连接有反馈电阻RF；反馈电阻RF两端并联有补偿电容CF。放大器的负极输入端经PD内阻RD接地；放大器的负极输入端经PD结电容CD接地。所述光电二极管包括镓氮雪崩光电二极管和形成于所述镓氮雪崩光电二极管的衬底的背面的超材料，以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；所述金属薄膜为银薄膜；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；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。镓氮(GaN)雪崩光电二极管和超材料14，所述超材料14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14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6上依次生长有GaN缓冲层7、n型GaN层8、i型GaN层9、p型GaN层10、n型电极11、p型电极12、绝缘钝化层13。光线15从衬底的背面入射。在本实施例中，在蓝宝石衬底6的背面还有超材料14。超材料14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15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14。超材料14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。本发明提供了一种新型的氮化镓紫外探测器的封装方法，其特征在于包括以下步骤：a.处理GaN半导体材料并进行外延片制备、外延片切割和制造电极，获得供封装的光电二极管；b.根据选用的光电二极管设计前置放大电路原理图，选择和光电二极管输出匹配的放大器、反馈电阻和补偿电容，并以此进行PCB设计、PCB制板、PCB贴片封装，获得供封装的带有前置放大电路的PCB板；c.管帽窗口根据需要采用石英玻璃或者滤光片，根据探测器使用需求选配；其中普通封装采用石英玻璃窗口，日盲检测或特殊要求选用特定的滤光片窗口材料；d.固定光电二极管于前置放大电路指定位置，再将PCB板与底座焊接，最后将带窗口材料的管帽与底座封装，TO封装采用充氮气或者真空封装的方式。以45mil×45mil尺寸芯片光电二极管封装为例，其半导体材料、前置放大电路板、管帽底座准备与前面描述的相同。以此实例说明新型的紫外探测器的性能如下。(1)技术指标(Tc＝25℃)如下表参数符号数值单位光敏面积A1.3mm2响应波长范围—210～280nm响应峰值波长λmax254nm峰值波长响应度Rmax0.06A/W反应最大偏置电压Vmax10V工作温度Topt-55～+85℃(2)芯片典型光谱特征曲线如图4(3)其他说明：产品封装形式为TO封装，附齐纳二极管保护电路；封装工艺的温度不得超过220℃；响应度值以日本滨松电子公司标准Si探测器为参照。本实例的GaN紫外探测器可探测深紫外线，广泛应用于火焰探测、紫外消毒紫外灯检测等领域。选配特定的滤光片窗口封装，可以更好的达到日盲紫外探测的效果，用于户外深紫外线的有效探测，应用于军工、电力等领域。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。当前第1页1 2 3