專利名稱：太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型用于太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置，尤其是利用GaN 基和AlGaN基微型紫外探測(cè)器、
二背景技術(shù)：
當(dāng)皮膚受到紫外線的照射時(shí)，人體表皮層中的黑色素細(xì)胞開(kāi)始產(chǎn)生黑色素來(lái)吸收紫 外線，以防止皮膚受到傷害。長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射會(huì)引起大量黑色素沉積在表皮層中， 成為永久性的"曬黑"痕跡。大氣層中的臭氧層保護(hù)地球上的生命免受太陽(yáng)光強(qiáng)烈紫外 線的傷害。
近年來(lái)，由于大氣平流層臭氧遭到日趨嚴(yán)重的破壞，臭氧層的損耗使得到達(dá)地球表 面的紫外線輻射增加，地面接受的紫外線輻射量增多。接受過(guò)多紫外線輻射將引起細(xì)胞 內(nèi)DNA改變，細(xì)胞的自身修復(fù)能力減弱，免疫機(jī)制減退，使皮膚容易發(fā)生彈性組織變性、 角化以至皮膚癌變，誘發(fā)眼球晶體產(chǎn)生白內(nèi)障等。為此，世界各國(guó)的環(huán)境科學(xué)家都提醒 人們應(yīng)該十分注意紫外線輻射對(duì)人體的危害并采取必要的預(yù)防措施。
對(duì)人體有害的紫外線分為紫外線A (UVA)、紫外線B (UVB)、紫外線C (UVC)。 其中，波長(zhǎng)范圍在200nm-290nm的紫外線C將通過(guò)大氣中臭氧層大部分被吸收，不會(huì)對(duì) 人體產(chǎn)生危害。但是，波長(zhǎng)范圍在在320nm-400nm的紫外線A和290nm-320nm的紫外線 B將可通過(guò)大氣層并對(duì)人體產(chǎn)生危害。
紫外線A (UVA)在日常生活中經(jīng)常接觸到，被稱為生活紫外線，它可透射到皮膚內(nèi) 部的真皮層并影響保持皮膚彈性的膠原組織、彈性蛋白酶和色素細(xì)胞，從而加速皺紋和 彈性降低等皮膚老化和黑色素著色導(dǎo)致的色斑，它的特征與天氣狀況無(wú)關(guān)。紫外線B(UVB) 又稱激光紫外線，當(dāng)皮膚在長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)太陽(yáng)光時(shí)，在紫外線B的照射下，皮膚將被透 紅并帶有疼痛、發(fā)炎等癥狀。因此，為保護(hù)居民避免紫外照射，避免因紫外線照射而引 起的各種危害，近年來(lái)，氣象局通常像一般居民預(yù)報(bào)紫外射線指數(shù)。
紫外線指數(shù)是指，當(dāng)太陽(yáng)在天空中的位置最高時(shí)(一般是在中午前后，即從上午十 時(shí)至下午三時(shí)的時(shí)間段里)，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光線中的紫外線輻射對(duì)人體皮膚的可 能損傷程度。紫外線指數(shù)變化范圍用0 — 1 5的數(shù)字來(lái)表示，通常，夜間的紫外線指數(shù)
為0 ，熱帶、高原地區(qū)、晴天時(shí)的紫外線指數(shù)為1 5 。當(dāng)紫外線指數(shù)愈高時(shí)，表示紫外 線輻射對(duì)人體皮膚的紅斑損傷程度愈加劇，同樣地，紫外線指數(shù)愈高，在愈短的時(shí)間里 對(duì)皮膚的傷害也愈大。
由于地區(qū)和時(shí)間的不同，紫外射線的差別較大，同時(shí)，氣象局預(yù)報(bào)的紫外指數(shù)無(wú)法 適時(shí)提供準(zhǔn)確地紫外線指數(shù)。
現(xiàn)有的紫外射線測(cè)量裝置不便于個(gè)人攜帶，個(gè)人購(gòu)置成本高，不便于隨時(shí)監(jiān)測(cè)和掌 握紫外射線的輻射強(qiáng)度，及時(shí)采取防護(hù)措施。
以GaN為代表的III-V族寬直接帶隙半導(dǎo)體由于具有帶隙寬(E g=3.39e V)、發(fā)光 效率高、電子漂移飽和速度高、熱導(dǎo)率高、硬度大、介電常數(shù)小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及抗 輻射、耐高溫等特點(diǎn)，在高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光激光器和紫外探測(cè)器等光電子器 件以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的市場(chǎng)前 景，引起人們的極大興趣和廣泛關(guān)注。A1N與GaN，屬寬禁帶的III-V族化合物半導(dǎo)體， 是一種重要的紫外材料，加上它具有高的熱導(dǎo)率、低的熱膨脹系數(shù)、和壓電效應(yīng)等其他 重要的物理性質(zhì)而在電學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。AlGaN紫外探測(cè)器具有帶 隙連續(xù)可調(diào)，高的量子效率、適當(dāng)?shù)膸?、快的響?yīng)速度等特性和探測(cè)器芯片微型化， 已經(jīng)引起了人們的極大興趣。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明目的是利用M0CVD (金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延)方法合 成生長(zhǎng)的GaN基或AlGaN基結(jié)構(gòu)微型紫外探測(cè)器芯片，采用集成電路設(shè)計(jì)的微型電路驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)和微型液晶顯示或其它微型聲像系統(tǒng)集成的一種用于太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微 型探測(cè)裝置。該裝置在設(shè)計(jì)、集成和使用領(lǐng)域都具有先進(jìn)性。本發(fā)明目的尤其是采用集 成電路設(shè)計(jì)的微型電路驅(qū)動(dòng)電路和微型顯示的液晶顯示面板或其它微型聲、像、光顯示 系統(tǒng)構(gòu)成的一種太陽(yáng)光紫外線強(qiáng)度的測(cè)量顯示裝置，該裝置可廣泛用于手表、手機(jī)、玩 具等一切可移動(dòng)并可隨身攜帶的儀器設(shè)備中。具有微型、適時(shí)檢測(cè)紫外射線強(qiáng)度的功能。
本發(fā)明技術(shù)解決方案是用于太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置，采用GaN基 或AlGaN基結(jié)構(gòu)微型紫外探測(cè)器芯片，本發(fā)明是利用MOCVD (金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延) 方法合成生長(zhǎng)的，采用集成電路設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)和微型液晶顯示或其它微型聲像系 統(tǒng)集成的一種用于太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置。由驅(qū)動(dòng)電路對(duì)探測(cè)器人信號(hào) 進(jìn)行放大輸出，驅(qū)動(dòng)電路是由放大電路和AD轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理及顯示電路構(gòu)成，探測(cè)器先
接放大電路再連接AD轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理及顯示電路。
該裝置由1.5伏或3伏紐扣電池電源驅(qū)動(dòng)，可用于手表、手機(jī)、玩具等一切可移動(dòng) 并可隨身攜帶的儀器設(shè)備中。再采用集成電路設(shè)計(jì)的微型驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，微型液晶顯示 或其它微型聲像系統(tǒng)集成的一種新型用于太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置。
本發(fā)明由三部分構(gòu)成，首先設(shè)計(jì)解決的關(guān)鍵是利用微型化GaN基或AlGaN基結(jié)構(gòu) 微型紫外探測(cè)器芯片，芯片尺寸小于2-3 mm。在290nm-400nm的包含紫外線A和紫外 線B譜線范圍的適當(dāng)帶寬內(nèi)的響應(yīng)特性；其次是驅(qū)動(dòng)電路采用紐扣電池的集成電路設(shè) 計(jì)的微型驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成是由放大電路經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理及顯示電 路構(gòu)成，AD轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理及顯示電路可以一微處理器構(gòu)成，將探測(cè)器芯片對(duì)應(yīng)不同 紫外波段的響應(yīng)信號(hào)放大并經(jīng)過(guò)紫外指數(shù)校正后輸出，直接給出紫外線指數(shù)信號(hào)，使 用微處理芯片構(gòu)成的該驅(qū)動(dòng)電路集成塊尺寸小于20mm*20mm;最后是微型液晶顯示或其 它微型聲像系統(tǒng)，該系統(tǒng)和上述器件集成整體尺寸小于20腿*20咖，厚度小于5mm。
4.本發(fā)明的機(jī)理和技術(shù)特點(diǎn)
利用微型化GaN基或AlGaN基結(jié)構(gòu)微型紫外探測(cè)器對(duì)紫外射線具有帶隙連續(xù)可調(diào)， 高的量子效率、適當(dāng)?shù)膸?、快的響?yīng)速度等特性，通過(guò)微型放大集成電路和微型顯示 輸出裝置直接、適時(shí)顯示太陽(yáng)光紫外線強(qiáng)度。該裝置特點(diǎn)是對(duì)紫外線響應(yīng)靈敏，響應(yīng)速 度快，結(jié)構(gòu)微型化，成本低，適時(shí)性好等。使用1.5伏或3伏紐扣電池電源驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明采用集成電路設(shè)計(jì)的微型電路驅(qū)動(dòng)電路和微型顯示的液晶顯示面板或其它 微型聲、像、光顯示系統(tǒng)構(gòu)成的一種太陽(yáng)光紫外線強(qiáng)度的測(cè)量顯示裝置，該裝置可廣泛 用于手表、手機(jī)、玩具等一切可移動(dòng)并可隨身攜帶的儀器設(shè)備中。具有微型、適時(shí)檢測(cè) 紫外射線強(qiáng)度的功能。
四

圖1 為本發(fā)明使用AlGaN/GaN基紫外探測(cè)器芯片的電路框圖
圖2為本發(fā)明的采用一種AlGaN/GaN基RCE pin紫外探測(cè)器響應(yīng)圖。該探測(cè)器采
用Ti/Al， Ni/Au做歐姆金屬，在297nra波段，O伏偏壓下器件的響應(yīng)度為0. 0064A/W ;
在323nm波段，零伏偏壓情況下器件的響應(yīng)度為0. 005A/W。
圖3為本發(fā)明采用的一種GaN p-i-n型探測(cè)器響應(yīng)譜，在0偏壓下峰值響應(yīng)度達(dá)
0.17A/W。正、背照射GaN基AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)p-i-n型探測(cè)器，都獲得了 290_360nm的
窗口響應(yīng)。為需要窗口探測(cè)的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
圖4為本發(fā)明裝置的方框圖。整個(gè)裝置集成整體尺寸小于20mm*20ram，厚度小于 5mm。圖5為本發(fā)明包括微型紫外探測(cè)芯片的系統(tǒng)控制電路圖。 五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用M0CVD (金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延)外延生長(zhǎng)系統(tǒng)研制的GaN基和AlGaN 基紫外探測(cè)器，采用集成電路設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路芯片，和微型化的聲、像、光顯示系統(tǒng)。 具體包括以下幾步
1、 利用M0CVD (金屬有機(jī)物化學(xué)汽相外延)外延生長(zhǎng)系統(tǒng)研制的GaN基和AlGaN 基紫外探測(cè)器。探測(cè)器芯片尺寸小于2-3 ■，即4-9瞧2;在290nm-400nm的包含紫外 線A和紫外線B譜線范圍的適當(dāng)帶寬內(nèi)具有響應(yīng)特性。
2、 典型的AlGaN基紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)是GaN基紫外探測(cè)器或AlGaN基紫外探測(cè)器； 結(jié)構(gòu)之一是AlGaN基共振增強(qiáng)單色紫外探測(cè)器，在藍(lán)寶石襯底上設(shè)有厚度在50-2000nm 的低溫和高溫GaN材料，GaN材料上分別設(shè)有15-80nm和15-lOOran的5-50個(gè)周期的 AIN/AlGaN多層結(jié)構(gòu)的分布布拉格反射鏡為底鏡；在上述底鏡上設(shè)有 n-AlxGal-xN/i-GaN/p-AlxGal-xN結(jié)構(gòu)的諧振腔即設(shè)有20-80nm厚的高溫 n-AlxGal-xN， 5_30nm厚的高溫i-GaN吸收層，20_80nm厚的高溫p-AlxGal-xN， Al 組分x>0. 3作為探測(cè)器的諧振腔；最后是層厚分別為15-80nm和15-lOOnm的0-30個(gè) 周期的AIN/AlGaN多層結(jié)構(gòu)的分布布拉格反射鏡即頂鏡完成RCE紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)。
3、 圖5所示，驅(qū)動(dòng)電路由放大電路經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理及顯示電路構(gòu)成，AD轉(zhuǎn) 換和信號(hào)處理及顯示電路可以一微處理器構(gòu)成，將探測(cè)器芯片對(duì)應(yīng)不同紫外波段的響 應(yīng)信號(hào)放大并經(jīng)過(guò)紫外指數(shù)校正后輸出，直接給出紫外線指數(shù)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路采用1.5 伏或3伏紐扣電池電源驅(qū)動(dòng)的集成電路設(shè)計(jì)的微型驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)，如圖所示，該驅(qū)動(dòng) 電路將把探測(cè)器芯片對(duì)應(yīng)不同紫外波段的響應(yīng)信號(hào)放大并經(jīng)過(guò)紫外指數(shù)校正后輸出， 直接給出紫外線指數(shù)信號(hào)，該驅(qū)動(dòng)電路集成塊尺寸小于20咖*20咖。如電路框圖所示， 由探測(cè)器、信號(hào)放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)處理電路、顯示電路構(gòu)成，微處理器XTAL1 或XTAL2完成AD轉(zhuǎn)換電路和顯示電路、信號(hào)處理電路構(gòu)成，
4、 采用微型液晶顯示或其它微型聲、像、光系統(tǒng)，該系統(tǒng)和上述器件集成整 體尺寸小于20mm*20mm，厚度小于5咖。
5、 由上述單元構(gòu)成的新型用于太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置整體 尺寸小于20mm * 20 mm，厚度小于5mm。
權(quán)利要求
1、 太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置，其特征是利用GaN基和AlGaN基微型 紫外探測(cè)器、芯片尺寸小于2-3mm，在290nm-400nm波長(zhǎng)的包含紫外線A和紫外線B譜 線范圍的帶寬內(nèi)的響應(yīng)特性；并由驅(qū)動(dòng)電路對(duì)探測(cè)器人信號(hào)進(jìn)行放大輸出，驅(qū)動(dòng)電路是 由放大電路和AD轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理及顯示電路構(gòu)成，探測(cè)器先接放大電路再連接AD轉(zhuǎn)換、 信號(hào)處理及顯示電路。
2、 由權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置，其特征是紫外探 測(cè)器采用AlGaN基紫外探測(cè)器，AlGaN基共振增強(qiáng)單色紫外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石 襯底上設(shè)有厚度在50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，GaN材料上分別設(shè)有15-80nm和 15-100nm的5-50個(gè)周期的AIN/AlGaN多層結(jié)構(gòu)的分布布拉格反射鏡為底鏡；在上述底 鏡上設(shè)有n-AlxGal-xN/i-GaN/p-AlxGal-xN結(jié)構(gòu)的諧振腔即設(shè)有20-80nm厚的高溫 n-AlxGal-xN， 5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層，20-80nm厚的高溫p-AlxGal-xN， Al組 分xX). 3作為探測(cè)器的諧振腔；最后是層厚分別為15-80nm和15-lOOrm的0-30個(gè)周期 的AIN/AlGaN多層結(jié)構(gòu)的分布布拉格反射鏡即頂鏡完成RCE紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)。
3、 由權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置，其特征是AD轉(zhuǎn)換 和信號(hào)處理及顯示電路以一微處理器構(gòu)成；驅(qū)動(dòng)電路采用1. 5伏或3伏紐扣電池電源。
全文摘要
太陽(yáng)光紫外線指數(shù)監(jiān)測(cè)的微型探測(cè)裝置，是利用GaN基和AlGaN基微型紫外探測(cè)器、芯片尺寸小于2-3mm²，在290nm-400nm波長(zhǎng)的包含紫外線A和紫外線B譜線范圍的帶寬內(nèi)的響應(yīng)特性；并由驅(qū)動(dòng)電路對(duì)探測(cè)器人信號(hào)進(jìn)行放大輸出，驅(qū)動(dòng)電路是由放大電路和AD轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理及顯示電路構(gòu)成，探測(cè)器先接放大電路再連接AD轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理及顯示電路。本發(fā)明利用微型化GaN基或AlGaN基結(jié)構(gòu)微型紫外探測(cè)器對(duì)紫外射線具有帶隙連續(xù)可調(diào)，適當(dāng)?shù)膸?、快的響?yīng)速度等特性，通過(guò)微型放大集成電路和微型顯示輸出裝置直接、適時(shí)顯示太陽(yáng)光紫外線強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01J1/44GK101122519SQ20071002612
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月15日
發(fā)明者修向前, 斌 劉, 榮 張, 毅 施, 朱順明, 江若璉, 胡立群, 謝自力, 紅 趙, 鄭有炓, 平 韓, 顧書(shū)林 申請(qǐng)人:南京大學(xué)