一種紅斑響應(yīng)探測器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種紅斑響應(yīng)探測器，一種用于太陽紫外線指數(shù)監(jiān)測的芯片，屬于半導體器件技術(shù)領(lǐng)域。該芯片橫向集成了兩個不同結(jié)構(gòu)的探測單元，其一為傳統(tǒng)PIN紫外光電二極管，其二為新結(jié)構(gòu)的窄帶通PIN紫外光電二極管，兩光電二極管具有相同的感光面積。本實用新型探測器材料的結(jié)構(gòu)為依次外延襯底層、緩沖層、N型層、I型吸收層、P型層、勢壘層，短波濾波層，并利用標準半導體微加工工藝實現(xiàn)兩不同結(jié)構(gòu)探測器的單片集成。本實用新型的優(yōu)點在于巧妙地采用雙二極管集成芯片獲得精確的紅斑響應(yīng)探測器，可以避免采用昂貴復雜的濾波裝置以及濾波裝置對器件響應(yīng)率的影響，同時避免采用高鋁組分作為吸收層所面臨的材料生長困難和高暗電流問題。
【專利說明】
一種紅斑響應(yīng)探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型專利涉及半導體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體是指用于太陽紫外線指數(shù) 監(jiān)測的紅斑響應(yīng)探測器。
【背景技術(shù)】
[0002] 太陽紫外輻射是尋常輻射的主要來源，適量強度及譜段的輻射對人類是有利的， 地球的臭氧(03)層是抵制過量有害紫外輻射的天然屏障。然而地球大氣層的臭氧量正在減 少，過量紫外線輻射特別是UV-B波段的輻射對人類構(gòu)成極大的威脅，皮膚曬傷及皮膚癌的 發(fā)病率增加。研究表明：太陽的紫外輻射對農(nóng)作物、森林、草原以及江河湖海中的植物都有 很大的影響，這些影響對于全球生態(tài)環(huán)境、人類生存可能會帶來嚴重后果。因此對太陽紫外 輻射的監(jiān)測十分重要，最常見的就是大氣環(huán)境的紫外線指數(shù)的監(jiān)測。
[0003] 紫外線指數(shù)（Ultraviolet Index,簡寫為UV Index或UVI)是由世界衛(wèi)生組織 (WHO)根據(jù)紫外線對人類皮膚的損害所確定的標準，顯示地球表面太陽紫外線輻射傷害人 類皮膚的程度。紫外線指數(shù)越高，表示紫外線強度越強，對皮膚造成的傷害越高。傳統(tǒng)用于 紫外線指數(shù)監(jiān)測的紅斑響應(yīng)探測器使用濾波片來匹配紅斑響應(yīng)曲線會帶來一系列問題，如 匹配的準確性難以控制，使用復雜濾光片體積增大、價格昂貴，一些干擾光譜段難以濾除， 響應(yīng)靈敏度降低，導致測量的準確性降低。而采用高鋁組分的AlGaN材料作為吸收層的紅斑 響應(yīng)探測器，由于生長高質(zhì)量外延材料的困難，以及材料本身在UVB波段的吸收限制，導致 光譜響應(yīng)與紅斑曲線在UVB段匹配性不好，同時帶來漏電流過高等問題。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷和不足，本實用新型解決的技術(shù)問題是提供一種 體積小、量子效率高、無需外加濾波裝置、高精度的能夠監(jiān)測太陽紫外線指數(shù)的紅斑響應(yīng)探 測器。
[0005] 本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述技術(shù)目的：
[0006] -種紅斑響應(yīng)探測器，包括襯底;在所述襯底上橫向集成有第一探測單元和第二 探測單元;所述第一探測單元和第二探測單元自所述襯底向上分別依次包括下列外延層：
[0007] -緩沖層;所述緩沖層外延在所述襯底上；
[0008] - N型層;所述N型層制作在所述緩沖層上；
[0009] - I型吸收層;所述吸收層制作在所述N型層之上；
[0010] - P型層;所述P型層制作在所述I型吸收層上；
[0011] 在所述第一探測單元的P型層上還制作有一勢皇層;在所述勢皇層上還制作有一 短波濾波層。
[0012] 優(yōu)選的，所述第一探測單元還包括上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極;所述上歐 姆接觸電極制作在所述第探測單元的P型層上;所述下歐姆接觸電極制作在所述第一探測 單元的N型層上。
[0013] 優(yōu)選的，所述第二探測單元還包括上歐姆接觸電極和下歐姆接觸電極;所述上歐 姆接觸電極制作在所述第二探測單元的P型層上;所述下歐姆接觸電極制作在所述第二探 測單元的N型層上。
[0014] 優(yōu)選的，所述上歐姆接觸電極和上歐姆接觸電極的尺寸與形狀相同；所述下歐姆 接觸電極和下歐姆接觸電極的尺寸與形狀相同。
[0015] 優(yōu)選的，所述襯底為藍寶石、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵的任一材料制成的襯底。
[0016] 優(yōu)選的，所述緩沖層的厚度為100納米~300納米，所述N型層的厚度為1~2微米， 所述I型吸收層的厚度為300納米~500納米，所述P型層的厚度為100納米，所述勢皇層的厚 度為100納米~200納米，所述短波濾波層厚度為300納米~500納米。
[0017]優(yōu)選的，所述緩沖層⑵為低溫外延的A1N材料制成的緩沖層(2);
[0018] 所述N型層(3)為N型GaN材料制成的N型層(3);所述N型GaN材料的摻雜濃度大于1 X1018cm-3;
[0019] 所述I型吸收層⑷為弱N型GaN材料制成的I型吸收層(4);所述弱N型GaN材料的摻 雜濃度約為lXl〇16cnf 3;
[0020] 所述P型層(5)為P型GaN材料制成的P型層(5);所述P型GaN材料的摻雜濃度大于1 X1017cm-3;
[0021] 所述勢皇層(6)為P型AlxGai-XN材料制成的勢皇層(6)，其中0.35<χ<1;所述P型 AlxGai-XN的摻雜濃度大于1 X 1017cm-3;
[0022]所述短波濾波層（7)為P型AlQ.33GaQ.67N材料制的短波濾波層（7);所述P型 Al0.33GaQ.67N材料的摻雜濃度大于1 X 1017cm-3。
[0023]優(yōu)選的，所述第一探測單元和第二探測單元的感光面積相同。
[0024] 優(yōu)選的，光線從所述第一探測單元和第二探測單元的前端入射。
[0025] 本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
[0026] 巧妙地采用雙二極管集成芯片獲得精確的紅斑響應(yīng)探測器，可以避免采用昂貴復 雜的濾波裝置以及濾波裝置對器件響應(yīng)率的影響，避免采用高鋁組分作為吸收層所面臨的 材料生長困難和高暗電流問題。同時可以通過調(diào)節(jié)短波濾波層的厚度和組分調(diào)節(jié)第一探測 單元的短波響應(yīng)邊線型，間接獲得精確匹配紅斑響應(yīng)曲線的探測器；
[0027]采用雙探測單元集成芯片模式，優(yōu)勢表現(xiàn)在（I)能獲得與世界衛(wèi)生組織所確定的 紅斑光譜曲線十分接近的光譜響應(yīng)；（II)通過雙探測器單元匹配，吸收層全部采用容易外 延的GaN材料，避免高鋁組分作為吸收層所面臨的材料生長困難和高暗電流問題。（III)短 波濾波層采用高鋁組分材料，僅僅用于對短波紫外線的吸收，信號電流不通過該層材料，所 以對該層材料的晶體質(zhì)量要求不高；（IV)不需要采用復雜的濾波片。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本實用新型一種紅斑響應(yīng)探測器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2是本實用新型一種紅斑響應(yīng)探測器中第一探測單元和第二探測單元的光譜響 應(yīng)曲線圖；
[0030] 圖3是本實用新型一種紅斑響應(yīng)探測器的合成光譜響應(yīng)同紅斑曲線的比較曲線 圖。
【具體實施方式】
[0031] 為使對本實用新型的結(jié)構(gòu)特征及所達成的功效有更進一步的了解與認識，用以較 佳的實施例及附圖配合詳細的說明，說明如下：
[0032] 如圖1所示，在本具體實施例中，本實用新型一種紅斑響應(yīng)探測器外延結(jié)構(gòu)包括一 襯底1。在襯底1上橫向集成有第一探測單元1〇〇和第二探測單元200。
[0033]第一探測單元100和第二探測單元200自襯底1向上分別依次包括下列外延層： [0034] 一緩沖層2、一N型層3, 一I型吸收層4, 一P型層5。緩沖層2外延在襯底1上，N型層3 制作在緩沖層2上，I型吸收層4制作在N型層3之上，P型層5制作在I型吸收層4上。
[0035]其中第一探測單元100還包括一勢皇層6和一短波濾波層7。勢皇層6制作在P型層5 之上;短波濾波層7制作在勢皇層6之上。
[0036] 第一探測單元100還包括上歐姆接觸電極8和下歐姆接觸電極9;上歐姆接觸電極8 制作在第一探測單元100的P型層5上;下歐姆接觸電極9制作在第一探測單元100的N型層3 上。
[0037] 第二探測單元(200)還包括上歐姆接觸電極10和下歐姆接觸電極11;上歐姆接觸 電極10制作在第二探測單元（200)的P型層5上；下歐姆接觸電極11制作在第二探測單元 (200)的N型層3上。
[0038] 上述的第一探測單元100和第二探測單元200上的電極均完全覆蓋刻蝕區(qū)域且足 夠厚，能夠完全阻擋照射在刻蝕區(qū)域的紫外線。且上歐姆接觸電極10和上歐姆接觸電極8的 尺寸與形狀相同，下歐姆接觸電極11和上歐姆接觸電極9的尺寸與形狀相同。
[0039] 作為上述實施例的優(yōu)選方案，本實用新型提供的襯底1為藍寶石、碳化硅、氮化鎵、 砷化鎵的其中一種材料制成的襯底。緩沖層2為低溫外延的A1N材料，N型層3為摻雜的GaN材 料，摻雜濃度約為1 X l〇18cnf3，I型吸收層4為非故意摻雜的GaN材料，本征摻雜濃度為1 X 1016cm_3，P形層5為P型摻雜的GaN材料，摻雜濃度為1 X 1017cm_3，勢皇層6為P型AlxGai- xN材 料，x = 0.4,摻雜濃度為lX1017cnf3,短波濾波層7為P型AlQ. 33GaQ.67N材料，其摻雜濃度約為1 X1017cm-3〇
[0040] 本實施例采用前端照射模式，即自圖1的上方向下照射。優(yōu)化的，緩沖層2的厚度為 200納米，N型層3的厚度為1微米，I型吸收層4厚度為450納米，P型層5的厚度為100納米，勢 皇層6的厚度為100納米，短波濾波層7的厚度為400納米。
[0041] 探測器通過刻蝕分離形成兩個不同結(jié)構(gòu)單元，第一探測單元100包含六層外延材 料結(jié)構(gòu)，即傳統(tǒng)PIN紫外探測器。第二探測單元200包含四層外延結(jié)構(gòu)，即窄帶通PIN紫外探 測器。兩探測單元具有相同的感光面積，刻蝕深度進入襯底。
[0042] 如圖2所示，為本實用新型探測器兩個探測單元的光譜響應(yīng)曲線，圖3為兩個探測 單元光譜響應(yīng)曲線合成后的曲線同紅斑響應(yīng)的比較。本實用新型光譜響應(yīng)曲線合成由第二 探測單元200各探測波長對應(yīng)光譜響應(yīng)減去第一探測單元100的對應(yīng)值。
[0043]世界衛(wèi)生組織所建議的計算紫外線指數(shù)的標準方法[WH0,2002]為：
[0044] IuV = kerjEASer(X)dA
[0045] 上式積分上下限為250nm~400ηπι，Ελ太陽輻射強度，紅斑作用光譜曲線Ser(A)，光 譜響應(yīng)曲線?Μλ)，單位波長對探測器輸出電流貢獻Κλ-Ε^?Μλ)，可以得到：
[0046]
[0047] 本實用新型探測器的光譜響應(yīng)與紅斑作用光譜曲線非常匹配，則可略去上式中的 3(^〇)和1?1(\)，兩者的比值只相差一個系數(shù)4，探測器輸出電流與紫外線指數(shù)一一對應(yīng)，即：
[0048] Ιυν = Κ/?(λ)?λ = ΚΙ
[0049] 本實用新型一種紅斑響應(yīng)探測器，采用雙探測單元集成芯片模式，優(yōu)勢表現(xiàn)在(I) 能獲得與世界衛(wèi)生組織所確定的紅斑光譜曲線十分接近的光譜響應(yīng)；（II)通過雙探測器單 元匹配，吸收層全部采用容易外延的GaN材料，避免高鋁組分作為吸收層所面臨的材料生長 困難和高暗電流問題。（III)短波濾波層采用高鋁組分材料，僅僅用于對短波紫外線的吸 收，信號電流不通過該層材料，所以對該層材料的晶體質(zhì)量要求不高；（IV)不需要采用復雜 的濾波片。
[0050] 本實用新型提出的一種紅斑響應(yīng)探測器，以上的實施例僅僅是對本實用新型的優(yōu) 選實施方式進行描述，并非對本實用新型的范圍進行限定，在不脫離本實用新型設(shè)計精神 的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本實用新型的技術(shù)方案做出的各種變形和改進，均應(yīng)落 入本實用新型權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種紅斑響應(yīng)探測器，包括襯底（1);其特征在于:在所述襯底（1)上橫向集成有第一 探測單元（100)和第二探測單元(200);所述第一探測單元(100)和第二探測單元(200)自所 述襯底(1)向上分別依次包括下列外延層： 一緩沖層(2);所述緩沖層(2)外延在所述襯底(1)上； 一 N型層(3);所述N型層(3)制作在所述緩沖層(2)上； 一 I型吸收層(4);所述吸收層(4)制作在所述N型層(3)之上； 一 P型層(5);所述P型層制作在所述I型吸收層(4)上； 在所述第一探測單元（100)的P型層（5)上還制作有一勢皇層(6);在所述勢皇層(6)上 還制作有一短波濾波層(7)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅斑響應(yīng)探測器，其特征在于:所述第一探測單元（100) 還包括上歐姆接觸電極(8)和下歐姆接觸電極(9);所述上歐姆接觸電極(8)制作在所述第 二探測單元的P型層(5)上;所述下歐姆接觸電極(9)制作在所述第一探測單元（100)的N型 層⑶上。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種紅斑響應(yīng)探測器，其特征在于:所述第二探測單元(200) 還包括上歐姆接觸電極(10)和下歐姆接觸電極（11);所述上歐姆接觸電極(10)制作在所述 第二探測單元（200)的P型層（5)上；所述下歐姆接觸電極（11)制作在所述第二探測單元 (200)的N型層（3)上。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紅斑響應(yīng)探測器，其特征在于:所述上歐姆接觸電極（10) 和上歐姆接觸電極(8)的尺寸與形狀相同；所述下歐姆接觸電極（11)和下歐姆接觸電極(9) 的尺寸與形狀相同。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的一種紅斑響應(yīng)探測器，其特征在于:所述襯底（1)為藍 寶石、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵的任一材料制成的襯底(1)。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種紅斑響應(yīng)探測器，其特征在于:所述緩沖層(2)的厚度為 100納米~300納米，所述N型層(3)的厚度為1~2微米，所述I型吸收層(4)的厚度為300納米 ~500納米，所述P型層(5)的厚度為100納米，所述勢皇層(6)的厚度為100納米~200納米， 所述短波濾波層(7)厚度為300納米~500納米。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種紅斑響應(yīng)探測器，其特征在于： 所述緩沖層(2)為低溫外延的AlN材料制成的緩沖層(2); 所述N型層（3)為N型GaN材料制成的N型層（3);所述N型GaN材料的摻雜濃度大于I X 1018cm-3; 所述I型吸收層(4)為弱N型GaN材料制成的I型吸收層(4);所述弱N型GaN材料的摻雜濃 度約為IXlO16Cnf3; 所述P型層（5)為P型GaN材料制成的P型層（5);所述P型GaN材料的摻雜濃度大于I X 1017cm-3; 所述勢皇層（6)為P型AlxGa^xN材料制成的勢皇層（6)，其中0.35彡X彡1;所述P型 AlxGapxN的摻雜濃度大于I X 1017cm-3; 所述短波濾波層⑴為P型AlQ.33GaQ.67N材料制的短波濾波層(7);所述P型Al Q.33GaQ.67N材 料的摻雜濃度大于I X IO17Cnf3。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種紅斑響應(yīng)探測器，其特征在于:所述第一探測單元（100) 和第二探測單元(200)的感光面積相同。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種紅斑響應(yīng)探測器，其特征在于:光線從所述第一探測單元 (100)和第二探測單元(200)的前端入射。
【文檔編號】H01L31/105GK205564748SQ201620232775
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月22日
【發(fā)明人】王俊, 郭進, 吳浩然, 宋曼, 易媛媛, 謝峰, 王國勝
【申請人】中國電子科技集團公司第三十八研究所, 合肥公共安全技術(shù)研究院