一種以光子晶體作為入射窗的氮化鎵基紫外探測器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件制造領(lǐng)域，具體涉及一種以光子晶體作為入射窗的氮化鎵基紫外探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣層中臭氧層對200?280nm波段的紫外線有強烈的吸收作用，所以該波段光在近地空氣中幾乎不存在，使用該波段光線進行傳感探測幾乎是零自然干擾。因此，日盲區(qū)紫外探測器無論在軍用還是民用領(lǐng)域都有著重大的應(yīng)用價值，尤其在軍用方面，紫外探測在電子對抗、預(yù)警、制導(dǎo)等方面可發(fā)揮巨大的作用，誰掌握了精準(zhǔn)高效穩(wěn)定的紫外探測技術(shù)，誰就擁有了足夠好的“眼睛”與“耳朵”。在民用領(lǐng)域，紫外探測在刑事偵查、醫(yī)療保健、商業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用價值。
[0003]傳統(tǒng)紫外探測器入射窗多為晶體平面結(jié)構(gòu)或者透鏡結(jié)構(gòu)，由于入射面為較平整的平面或近球面，入射光在入射時非常容易發(fā)生反射，使入射光線的透過率大大降低，僅有很小一部分光線能入射進入探測器吸收區(qū)繼而產(chǎn)生雪崩效應(yīng)。而探測器雪崩增益區(qū)通常具有很高的增益與靈敏度，由于雜亂光線的干擾、分子熱運動等原因，探測器的熱噪聲、白噪聲等也會被同時放大，以致探測器具有非常大的背景噪聲、很高的暗電流，信噪比嚴重降低，有時甚至難以區(qū)分出有效信號。
[0004]目前在氮化鎵襯底上制備的同質(zhì)外延氮化鎵紫外雪崩光電探測器，其暗電流密度在10_6A/cm2量級，線性模式時內(nèi)部增益可達10 4，單光子探測效率約為24% ;而在藍寶石襯底上，異質(zhì)外延制備氮化鎵紫外雪崩光電探測器，其暗電流密度在10_4A/Cm2量級，線性模式內(nèi)部增益接近1000，單光子探測效率約為30%。另外，利用吸收區(qū)和倍增區(qū)分離的技術(shù)，氮化鎵紫外雪崩光電探測器的雪崩增益因子可達4.12X104。而鋁鎵氮P-1-N型紫外雪崩光電探測器的外量子效率為37%，雪崩增益因子>2500，但暗電流也非常高。
[0005]此外，當(dāng)前的紫外探測器，如圖2所示，多強調(diào)大帶寬，要求探測器吸收區(qū)和雪崩增益區(qū)的禁帶寬度很窄，才能讓較大波長范圍的光線激發(fā)雪崩增益區(qū)產(chǎn)生光電效應(yīng)。由于探測器本身的高增益與高靈敏度，稍短波長的光線也都能激發(fā)探測器發(fā)生雪崩效應(yīng)，因而導(dǎo)致探測器暗電流較大。雖然已經(jīng)有通過改變量子阱結(jié)構(gòu)及其中不同元素的組分比例，以達到控制光電探測器截止波長的文獻，但截止波長的限制僅僅是約束比探測范圍波長更長的光線，而比探測范圍波長更短的光線卻無法約束，所以很難達到有效控制暗電流、提高探測器穩(wěn)定性的目的。
[0006]上述這些問題的存在，嚴重制約了當(dāng)前日盲區(qū)紫外探測器的穩(wěn)定性及可靠性，如何制作既能保持較高增益又能保證不降低靈敏度，同時具有高的信噪比、小暗電流的紫外探測器，一直是相關(guān)行業(yè)的追求目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:本發(fā)明提供了一種以光子晶體作為入射窗的氮化鎵基紫外探測器，由于具有一定周期結(jié)構(gòu)的光子晶體對落在光子禁帶內(nèi)某些特定波長的光具有禁止傳播的作用，而對落在光子禁帶外的光具有入射增強的作用，所以使用光子晶體作為探測器入射窗，能將帶通區(qū)外的光線濾掉，同時使波長位于帶通區(qū)內(nèi)的入射光吸收增強，這樣可以很大程度上抑制背景噪聲，減小暗電流，大幅提高探測器性能。配合改變探測器吸收區(qū)與雪崩增益區(qū)AlGaN化合物中Al與Ga的組分比例，可人為控制帶通區(qū)的波長范圍，實現(xiàn)對不同波長范圍的光線進行選擇性探測。
[0008]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案:
[0009]一種以光子晶體作為入射窗的氮化鎵基紫外探測器，其特征在于，包括由下而上依次設(shè)置的陰極電極101、η型AlxlGa1I1N層102、Al.^a^^N/Al^Ga^^N多量子阱雪崩增益區(qū)103、Aly3Ga1I3NAly4Ga1I4N超晶格吸收區(qū)104、p型Alx2Ga^2N層105、環(huán)形陽極電極107和制作于P型Alx2Gah2N層105表面、但局限于陽極電極環(huán)107內(nèi)的光子禁帶隙寬度可調(diào)的光子晶體入射窗106。
[0010]優(yōu)選的，探測器入射窗106是制作于P型Alx2Gah2N層105表面，具有周期性結(jié)構(gòu)的光子禁帶隙寬度可調(diào)的納米光子晶體，光子晶體的周期可根據(jù)所需帶通區(qū)波長范圍進行調(diào)節(jié)。
[0011]優(yōu)選的，探測器入射窗的光子晶體結(jié)構(gòu)106，是二維或三維的周期性納米微結(jié)構(gòu)，其厚度在10?300nm之間，光子晶體周期在150?600nm之間。
[0012]優(yōu)選的，在光子晶體入射窗106外圍是對紫外光線不透明的環(huán)形陽極電極107，其形狀為圓環(huán)狀或多邊形狀，電極表面積不小于探測器表面積的5%，不大于50%。
[0013]優(yōu)選的，Aly3Ga1I3NAly4Ga1I4N超晶格吸收區(qū)104中超晶格的重復(fù)周期數(shù)設(shè)置為2?10，總厚度在10?10nm之間，73與y 4可根據(jù)帶通區(qū)波長范圍進行調(diào)節(jié)，并滿足:0〈y3〈l，0〈y4〈l，且 y3^ y 4°
[0014]優(yōu)選的，Al^Ga^^N/Al^Ga^^N超晶格吸收區(qū) 104 下方為 AlylGah1NAly2Ga卜y2N 多量子阱雪崩增益區(qū)103，多量子阱的重復(fù)周期數(shù)設(shè)置為2?10，單周期厚度在2?15nm之間，yi與12可根據(jù)帶通區(qū)波長范圍進行調(diào)節(jié)，并滿足:0〈y ^,(Kyyi，且y聲y 2。
[0015]優(yōu)選的，Al-GamN/Al-GawN多量子阱雪崩增益區(qū)103中AlylGai_ylN層和Aly2Ga1JN層的禁帶寬度均大于Aly3Gai_y3N/Aly4Gai_y4N超晶格吸收區(qū)104中Aly3Ga^3N層與Aly4Gapy4NM的禁帶寬度。
[0016]優(yōu)選的，陽極電極107下面設(shè)置有P型Alx2Ga^2N層105，厚度在3?300nm之間，并滿足:0〈χ2〈1。該層使用Mg元素進行摻雜，其中的載流子濃度在IX 117?IXlO2tl之間。
[0017]優(yōu)選的，多量子阱雪崩增益區(qū)103下面的η型AlxlGa^1N層102厚度在3?300nnm之間，其中的Al組分X1滿足:0〈x 'I。該層使用Si元素進行摻雜，其中載流子濃度在I X 118?I X 10 21 之間。
[0018]有益效果:由于使用了光子晶體作為探測器的入射窗，能將落在光子禁帶內(nèi)的某種特定波長的光線濾掉，同時使落在光子禁帶外且位于所需的帶通區(qū)內(nèi)的光線的入射效果得以增強，這樣可以極大程度地降低背景噪聲，有效提高信噪比。保守估計，通過設(shè)置光子晶體入射窗結(jié)構(gòu)，可提高帶通區(qū)光線在吸收區(qū)的進光量50%以上，而對波長位于帶通區(qū)外但又落在光子禁帶內(nèi)的光線，則可濾掉其進光量80%以上。通過改變探測器雪崩增益區(qū)與吸收區(qū)中的AlGaN化合物中Al與Ga的組分比例，可根據(jù)需要人為控制帶通區(qū)的波長范圍，實現(xiàn)選擇性探測。對本發(fā)明提供的探測器而言，波長不在帶通區(qū)內(nèi)的光線是“不可見”的，這樣既保證了探測器具有高靈敏度和高增益，又有效地降低了探測器的背景噪聲與暗電流，有益于提高探測器的可靠性與穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的紫外探測器的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，陰極電極101、η型AlxlGah1N 層 102、AlylGah1NZAly2Ga1I2N 多量子阱雪崩增益區(qū) 103、Α1#&1_?3Ν/Α1#&1_ΗΝ 超晶格吸收區(qū)104、P型Alx2Gah2N層105、環(huán)形陽極電極107、光子晶體入射窗106。
[0020]圖2為現(xiàn)有技術(shù)制備的紫外探測器的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，陰極電極201、η型AlxlGah1N 層 202、Alx2Gah2N 雪崩增益區(qū) 203、Alx3Ga1^3N 吸收區(qū) 204,ρ 型 Alx4Ga^4N 層 205、探測器入射窗206以及陽極電極207。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示，本發(fā)明提供的一種以光子晶體作為入射窗的氮化鎵基紫外探測器，包括由下而上依次設(shè)置的陰極電極101、η型AlxlGah1N層102、Al.^a^^N/Al^Ga^^N多量子阱雪崩增益區(qū)K^Aly3Gah3NAly4Ga1I4N超晶格吸收區(qū)104、p型Alx2Ga^2N層105、環(huán)形陽極電極107和制作于P型Alx2Gah2N層105表面、但局限于陽極電極環(huán)107內(nèi)的光子禁帶隙