CN107331718A - 基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器及制备方法，主要解决现有技术无法实现同时同位置探测的问题。其包括:衬底(1)、紫外吸收层(21)、绝缘层(3)、红外吸收层(22)、两个欧姆电极(4，5)。紫外吸收层位于衬底上；绝缘层位于紫外吸收层的左半平面,在紫外吸收层的右半平面形成一台阶面；红外吸收层左半部分位于绝缘层上，右半部分位于紫外吸收层的台阶面上，其左半部分面积小于绝缘层面积，右半部分面积小于台阶面面积；第一欧姆电极位于红外吸收层上，其面积大于红外吸收层面积，小于绝缘层面积；第二欧姆电极位于紫外吸收层台阶面上。本发明能同时进行紫外和红外双波段探测,提高了探测系统的性能和探测效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域,特别是指一种紫外-红外双波段探测器，可用于火灾、气象的探测。
背景技术
紫外一红外双波段探测技术在诸如火灾、气象等方面有着非常重要的应用价值。采用紫外一红外双波段探测,可以大大提高探测目标的识别概率。
目前,紫外一红外探测系统由于探测器或光学系统的限制,所使用的紫外一红外双波段探测系统大多采用紫外、红外两个单独探测单元探测,如氮化镓基紫外探测器，通过改变铝镓氮中铝组分实现不同紫外波段的探测；碲镉汞红外探测器，通过改变汞和镉的配比来实现各个红外光谱区段来获得最佳性能。进行紫外-红外双波段探测时，每个探测器探测不同的波段，系统接收不同波段的目标信息，经过处理，显示出来。这种使用两个单独的探测单元进行双波段探测的系统结构异常复杂，体积大，功耗大，无法实现同时和同位置探测，而且当需要光学通道配准时，还要求光学系统的精密调节，否则容易造成对同一像点，不同波段的位置错位，增加了探测难度，降低了探测效率。
若能实现紫外、红外共用同一个探测器进行紫外一红外双波段探测,不仅可以使用一个光学系统,提高系统应用性能,而且可以大大提高探测效率。因此研究用同一探测单元同时进行紫外一红外双波段探测是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器及制备方法，以实现用同一探测单元进行紫外和红外的双波段探测，减小功耗，改善系统应用性能，提高探测效率。
本发明的技术方案是这样实现的：
一.技术原理：
近年来，硒化铟在红外探测器方面的应用得到越来越多的关注。硒化铟化合物材料是一类具有特殊晶体结构的半导体材料，其独特的结构使其拥有优异光电性能。硒化铟是一种直接带隙半导体，其吸收光谱范围覆盖了红外波段，且具有特别好的响应特性，使其在双波段探测器的研究中可用作红外吸收层。另一方面，对于紫外探测器，氮化镓以其光谱范围宽，覆盖到了紫外波段，耐高温性和耐腐蚀性好，在紫外探测器方面具有巨大的应用价值。
此外，石墨烯透明电极在氮化镓基光电器件中的应用是一个新课题,在2010年以前几乎未见任何文献报道。一方面是由于石墨烯本身是一种新材料；而更重要的一个原因是石墨烯制备在2009年才取得重大进展。实验表明石墨烯具有超高的透光率，对电流的扩散效果非常明显。在372nm波长的光照下,2层石墨烯的透光率高达95％,4层的亦达89％，这些优点都使石墨烯透明电极在光电探测器的研究中有很高的应用潜能。
二.根据上述原理本发明的技术方案如下：
1.一种基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器，包括衬底、吸收层、绝缘层和两个电极，其特征在于：
吸收层，包括紫外吸收层和红外吸收层；
紫外吸收层位于衬底的上表面，绝缘层位于紫外吸收层上表面的左半平面上,以使紫外吸收层的右半平面形成一台阶面；
红外吸收层位于绝缘层和紫外吸收层的台阶面上；
第一欧姆电极位于红外吸收层的左半平面上，并将红外吸收层的左半平面完全覆盖，且超出红外吸收层的部分与绝缘层紧密接触；
第二欧姆电极位于紫外吸收层台阶面上未被红外吸收层覆盖的部分。
2.一种基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器制作方法,包括如下步骤：
1)在衬底上利用外延生长设备生长紫外吸收层；
2)在紫外吸收层上淀积一层绝缘层；
3)将紫外吸收层上的绝缘层的右半部分刻蚀,以在该紫外吸收层上的右半部分形成台阶面；
4)采用微机械剥离方法获得贴伏于热解释放带上的硒化铟薄膜窄带，该硒化铟薄膜窄带的宽度小于绝缘层的宽度，其长度大于绝缘层的长度且小于紫外吸收层的长度；
5)采用定向转移方法将贴伏于热解释放带的硒化铟的左半部分覆盖在绝缘层上，右半部分覆盖在紫外吸收层的台面上，使硒化铟分别与绝缘层和紫外吸收层紧密接触,再对其加热到100℃-120℃并缓慢撕去热解释放带，得到红外吸收层；
6)采用化学气相淀积方法制备石墨烯材料，该石墨烯的面积大于绝缘层上的红外吸收层左半部分的面积，小于绝缘层的面积，并将该石墨烯转移到带有硒化铟的绝缘层上，再进行退火使石墨烯和绝缘层及红外吸收层硒化铟紧密接触，得到第一欧姆电极；
7)在紫外吸收层上的台阶面上制作第二欧姆电极，完成基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器的制作。
本发明具有如下优点：
1.本发明将硒化铟材料转移到氮化镓上，利用氮化镓的紫外吸收特性和硒化铟的红外吸收特性，形成硒化铟和氮化镓的双吸收层结构，能实现同时进行紫外和红外双波段的探测，减小了功耗，提高了探测效率。
2.本发明中第一欧姆电极采用石墨烯材料，利用石墨烯的高透光率，改善了电流的扩散效果。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容,以下结合实施例及附图详细说明如后：
图1是本发明硒化铟和氮化镓材料的紫外一红外双波段探测器结构示意图；
图2是本发明制备硒化铟和氮化镓材料的紫外一红外双波段探测器的器件的过程示意图。
具体实施方式
参照图1,本发明基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器,包括：衬底1、吸收层2、绝缘层3和两个电极，即第一欧姆电极4和第二欧姆电极5。其中：
衬底1，采用硅、蓝宝石、砷化镓或碳化硅材料中的任意一种；
吸收层2，包括紫外吸收层21和红外吸收层22两层结构，该紫外吸收层21位于衬底1的上表面，其采用的是氮化镓材料；利用金属有机物化学气相淀积MOCVD、分子束外延MBE或者其他生长氮化镓材料的设备生长制作；
绝缘层3,位于紫外吸收层21上表面的左半平面上,以使紫外吸收层21的右半平面形成一台阶面，该绝缘层3采用三氧化二铝材料，其厚度为20-40nm，利用物理气相淀积方法制备形成；
红外吸收层22,位于绝缘层3和紫外吸收层21的台阶面上，且其左半部分位于绝缘层3上，右半部分位于紫外吸收层21的台阶面上，其左半部分的面积小于绝缘层3的面积，右半部分的面积小于台阶面的面积；该红外吸收层22采用本征硒化铟材料，利用微机械剥离方法制备形成；
第一欧姆电极4,位于红外吸收层22的左半平面上，并将红外吸收层22的左半平面完全覆盖，且超出红外吸收层22的部分与绝缘层3紧密接触；该第一欧姆电极4采用石墨烯材料，利用化学气相淀积方法制备形成；
第二欧姆电极5,位于紫外吸收层21台阶面上未被红外吸收层22覆盖的部分；该第二欧姆电极5采用金属点结构或环形结构；用干法刻蚀等方法刻出台阶结构,露出紫外吸收层21；然后用光刻、镀膜等方法制备形成。
参照图2，本发明制作基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器方法,给出如下三种实施例：
实施例1：采用蓝宝石衬底完成基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器的制作
步骤1，生长紫外吸收层21。
1a)配制氧化镓的丙酮悬浊液，用胶头滴管均匀的滴在洁净的蓝宝石衬底上，自然晾干；
1b)把蓝宝石衬底片放入石英舟中，将石英舟放入恒温管式炉中；
1c)将管式炉抽成真空后，通入氩气使炉内气压为一个大气压，加热升温至1000℃并保持；
1d)在1000℃下通入流量为60sccm的氨气1h，关闭管式炉并降温到室温，得到依附于蓝宝石衬底的黄色薄膜状氮化镓样品，形成位于蓝宝石衬底上的紫外吸收层21,如图2a。
步骤2，沉积绝缘层3。
在步骤1中得到的依附于蓝宝石衬底的氮化镓薄膜上沉积厚度为20nm的三氧化二铝薄层，形成绝缘层3，如图2b。
步骤3，刻蚀绝缘层3。
对步骤2中得到的绝缘层3的右半部分进行刻蚀,在紫外吸收层21的右半部分上形成台阶面，如图2c。
步骤4，获得红外吸收层硒化铟材料。
采用微机械剥离方法获得贴伏于热解释放带上的硒化铟薄膜窄带，该硒化铟薄膜窄带的宽度小于绝缘层3的宽度，其长度大于绝缘层3的长度且小于紫外吸收层21的长度；
步骤5，转移制作红外吸收层22。
采用定向转移方法将贴伏于热解释放带的硒化铟的左半部分覆盖在绝缘层3上，右半部分覆盖在紫外吸收层21的台面上，使硒化铟分别与绝缘层3和紫外吸收层21紧密接触,再对其加热到120℃并缓慢撕去热解释放带，得到红外吸收层22，如图2d。
步骤6，制备第一欧姆电极4。
6a)把洁净的泡沫铜放入石英舟中，将石英舟放入恒温管式炉中；
6b)将管式炉抽成真空后，通入10sccm氢气，加热升温至1030℃并保持；
6c)在1030℃下通入流量为50sccm的甲烷2h，关闭管式炉并降温到室温，得到依附于泡沫铜衬底的石墨烯；
6d)将依附于泡沫铜衬底的石墨烯用过硫酸铵溶液腐蚀后转移到带有红外吸收层硒化铟的绝缘层3上，再进行退火使石墨烯和绝缘层3及红外吸收层硒化铟紧密接触，得到第一欧姆电极4，如图2e。
步骤7，制备第二欧姆电极5。
在紫外吸收层的台阶面上用光刻和镀膜方法制备形成金属点结构的第二欧姆电极5，完成基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器的制作，如图2f。
实施例2：采用硅衬底完成基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器的制作。
步骤一，生长紫外吸收层21。
1.1)配制氧化镓的丙酮悬浊液，用胶头滴管均匀的滴在晶向为111的硅片上，自然晾干；
1.2)按照与实施例1步骤1b)-1d)相同的操作完成位于硅衬底上的紫外吸收层21制作,如图2a。
步骤二，沉积绝缘层3。
在步骤1中得到的依附于硅衬底1的氮化镓薄膜上沉积得到厚度为40nm的三氧化二铝薄层，得到绝缘层3，如图2b。
步骤三，刻蚀绝缘层3。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤3相同。
步骤四，获得红外吸收层硒化铟材料。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤4相同。
步骤五，转移制作红外吸收层22。
采用定向转移方法将贴伏于热解释放带的硒化铟的左半部分覆盖在绝缘层3上，右半部分覆盖在紫外吸收层21的台面上，使硒化铟分别与绝缘层3和紫外吸收层21紧密接触,再对其加热到100℃再缓慢撕去热解释放带，得到红外吸收层22,如图2d。
步骤六，制备第一欧姆电极4。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤6相同。
步骤七，制备第二欧姆电极5。
在紫外吸收层21上的台阶面上用光刻和镀膜方法制备形成第二欧姆电极5，该第二欧姆电极5采用金属点结构，完成基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器的制作，如图2f。
实施例3：采用碳化硅衬底完成基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器的制作。
步骤A，生长紫外吸收层21。
A1)配制氧化镓的丙酮悬浊液，用胶头滴管均匀的滴在洁净的碳化硅衬底片上，自然晾干；
A2)按照与实施例1步骤1b)-1d)相同的操作完成位于碳化硅衬底上的紫外吸收层21的制作,如图2a。
步骤B，沉积绝缘层3。
在步骤1中得到的依附于碳化硅衬底的氮化镓薄膜上沉积得到厚度为30nm的三氧化二铝薄层，得到绝缘层3；
步骤C，刻蚀绝缘层3。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤3相同。
步骤D，获得红外吸收层硒化铟材料。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤4相同。
步骤E，转移制作红外吸收层22。
采用定向转移方法将贴伏于热解释放带的硒化铟的左半部分覆盖在绝缘层3上，右半部分覆盖在紫外吸收层21的台面上，使硒化铟分别与绝缘层3和紫外吸收层21紧密接触,再对其加热到110℃并缓慢撕去热解释放带，得到红外吸收层22,如图2d；
步骤F，制备第一欧姆电极4。
本步骤的具体实现与实施例1的步骤6相同。
步骤G，制备第二欧姆电极5。
在紫外吸收层上21的台阶面上用光刻和镀膜方法制备形成第二欧姆电极5，该第二欧姆电极5采用金属环形结构，完成基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器的制作,如图2f。
以上描述仅是本发明的三个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器，包括衬底(1)、吸收层(2)、绝缘层(3)和两个电极(4，5)，其特征在于：
吸收层(2)，包括紫外吸收层(21)和红外吸收层(22)；
紫外吸收层(21)位于衬底(1)的上表面，绝缘层(3)位于紫外吸收层(21)上表面的左半平面上,以使紫外吸收层(21)的右半平面形成一台阶面；
红外吸收层(22)位于绝缘层(3)和紫外吸收层(21)的台阶面上；
第一欧姆电极(4)位于红外吸收层(22)的左半平面上，并将红外吸收层(22)的左半平面完全覆盖，且超出红外吸收层(22)的部分与绝缘层(3)紧密接触；
第二欧姆电极(5)位于紫外吸收层(21)台阶面上未被红外吸收层(22)覆盖的部分。
2.根据权利要求1所述的探测器,其中衬底(1)，采用硅、蓝宝石、砷化镓和碳化硅材料中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的探测器，其中绝缘层(3)，采用三氧化二铝材料，且厚度为20-40nm。
4.根据权利要求1所述的探测器,其中紫外吸收层(21)，采用氮化镓材料。
5.根据权利要求1所述的探测器,其中红外吸收层(22)采用本征硒化铟材料，且红外吸收层(22)的面积小于绝缘层(3)和紫外吸收层台阶面的面积。
6.根据权利要求1所述的探测器,其中第一欧姆电极(4)采用石墨烯材料，且第一欧姆电极(4)的面积小于绝缘层的面积。
7.根据权利要求1所述的探测器,其中第二欧姆电极(5)，采用金属点结构或环形结构。
8.一种基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器制作方法,包括如下步骤：
1)在衬底上利用外延生长设备生长紫外吸收层；
2)在紫外吸收层上沉积一层绝缘层；
3)将紫外吸收层上的绝缘层的右半部分刻蚀,以在该紫外吸收层上的右半部分形成台阶面；
4)采用微机械剥离方法获得贴伏于热解释放带上的硒化铟薄膜窄带，该硒化铟薄膜窄带的宽度小于绝缘层的宽度，其长度大于绝缘层的长度且小于紫外吸收层的长度；
5)采用定向转移方法将贴伏于热解释放带的硒化铟的左半部分覆盖在绝缘层上，右半部分覆盖在紫外吸收层的台面上，使硒化铟分别与绝缘层和紫外吸收层紧密接触,再对其加热到100℃-120℃并缓慢撕去热解释放带，得到红外吸收层；
6)采用化学气相淀积方法制备石墨烯材料，该石墨烯的面积大于绝缘层上的红外吸收层左半部分的面积，小于绝缘层的面积，并将该石墨烯转移到带有硒化铟的绝缘层上，再进行退火使石墨烯和绝缘层及红外吸收层硒化铟紧密接触，得到第一欧姆电极；
7)在紫外吸收层上的台阶面上制作第二欧姆电极，完成基于硒化铟和氮化镓的双波段探测器的制作。
9.根据权利要求8所述的方法,其中步骤6)中采用化学气相淀积方法制备石墨烯材料，的工艺条件如下：
衬底采用泡沫铜，
甲烷和氢气流量比为50sccm：10sccm，
生长温度为1030℃，
生长时间为2.0h。
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