CN103258869A - 基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器及其制作方法，属于半导体光电器件技术领域。所述探测器包括衬底（10），在衬底（10）上依次生长的缓冲层（11）、第一n型欧姆电极接触层（12）、红外敏感层、第二n型欧姆电极接触层（16）、紫外敏感层（17），以及设置在紫外敏感层之上的透明电极层（19），在所述第一n型欧姆电极接触层（12）、第二n型欧姆电极接触层（16）和透明电极层（19）上分别设置有底部电极（22）、中间电极（21）和顶部电极（20）。本发明采用三电极结构，即三电极结构中的中电极作为紫外、红外探测的公用电极，上电极和下电极分别作紫外、红外探测的另一电极，实现同时探测紫外、红外辐射。

Description

基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体光电器件技术领域，涉及一种基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器及其制作方法。

背景技术

现代信息化对光电子元件的要求日益升高，光电探测器要在复杂的背景和强干扰下，准确地探测目标信息。单一红外、紫外探测器的固有弱点和局限性愈发明显。

最近以GaAs/AlGaAs多量子阱和InAs/InGaSb超晶格材料等为基础的新型红外探测器获得了迅速的发展。当前，以GaAs/AlGaAs 、InAs/GaInSb等为新一代红外探测材料正在研制中。GaAs/AlGaAs QWIP的设计探测波长可以从5到25 μm，是红外探测的理想材料之一。但由于薄膜结构复杂，高质量外延生长工艺和缺陷控制等方面尚需进行大量研究，QWIP结构中量子阱厚度和势垒组分的误差要求相当苛刻，如GaAs/AlGaAs量子阱结构，一般正常550nm厚的GaAs量子阱层，误差为±20nm，势垒层的铝组分误差±1%。

波长在220-300 nm的紫外辐射式“大气背景下太阳光谱盲区”，工作在此波段的紫外探测器能对该波段目标进行有效跟踪。美、日、德国家自上世纪90年代末开始紫外探测材料的研究。

事实上，许多可见光甚至红外传感器都可以在紫外波段使用，例如Si和SiC探测器。然而，抑制可见光需要使用滤光装置，这无疑会增加制造的复杂性并降低性能。Si探测器是目前被应用的最好的紫外探测器，波长可至250 nm，但作为间接带隙半导体，无法提供锐利的截止波长是制备好的光谱响应器件的致命弱点。

近年来，国内外在紫外探测器用材料研究上取得了一定的进展，相继研制成功了基于SiC、ZnO、金刚石薄膜、GaN、AlGaN薄膜材料且能在太阳盲区下运行的紫外探测器，其探测波长在250-300 nm。但一些关键问题尚待突破，例如由于AlGaN缺少晶格匹配和热匹配的生长衬底，缺陷密度高，晶体质量难以提高，从而限制了器件效率。

为提高对探测目标的识别能力，未来的探测技术发展是在多波段上对目标的辐射信号同时进行探测。

继90年代GaN蓝光器件取得突破之后，ZnO成为人们关注的短波长光电材料的新焦点。ZnO是一种六方结构的直接带隙半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能高达60 meV，远大于GaN 的激子束缚能和室温热能（26 meV），是室温高效紫外激子发光和激光器件的理想材料。相对于GaN和SiC等宽禁带半导体材料，ZnO可以在低于500 ℃温度下形成高质量的薄膜。此外，ZnO原材料资源丰富，对环境无毒无害，热稳定性和化学稳定性高，具有巨大的应用前景。此外，ZnO对可见光的吸收非常小，这些性质都有利于制备高性能的紫外探测器。氧化锌（ZnO）和氧锌镁(MgZnO)材料由于生长温度低、缺陷密度低，且无毒、原料丰富以及带隙调制范围宽(3.37~7.8 eV, 370～159 nm)等优点，更适于探测器的制备。利用i-MgZnO /n-ZnO或者 i-Zn_yMg_1-yO / n⁺- Zn_xMg_1-xO (x>y) 异质结界面功函数内光电子发射效应(HEIWIP)可以实现红外探测。所以，ZnO材料（包括ZnO、ZnMgO）为紫外红外多色探测器件的制备提供了很好的材料基础。

紫外波段探测机制主要是利用非掺杂的ZnO或ZnMgO材料本征吸收带内跃迁实现。红外波段响应机制自由载流子吸收引起的受激载流子在高掺杂的ZnO或Zn_xMg_1-xO层和非掺杂的Zn_yMg_1-yO（x>y，保证高掺杂层的带隙小于非掺杂的本征层的带隙）层带间跃迁产生，其过程主要包括：高掺层中的自由载流子吸收；受激载流子越过高掺层与非掺层之间势垒；最后载流子在电场的作用下形成光电流，实现光电探测的目的。

发明内容

鉴于ZnO/ZnMgO结构可以制备紫外探测器件，本发明提供了一种采用ZnO/ZnMgO异质结结构的紫外红外双色探测器及其制作方法。本发明采用非掺杂的ZnO或ZnMgO材料本征吸收带内跃迁实现紫外探测，利用自由载流子吸收引起的受激载流子在高掺杂的ZnO或Zn_xMg_1-xO层和非掺杂的Zn_yMg_1-yO（x>y，保证高掺杂层的带隙小于非掺杂的本征层的带隙）层带间跃迁产生红外波段探测，从而实现紫外红外双色探测的目的。

本发明的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，器件结构包括衬底，在衬底上依次生长的缓冲层、第一n型欧姆电极接触层、红外敏感层、第二n型欧姆电极接触层、紫外敏感层，以及设置在紫外敏感层之上的透明电极层，在所述第一n型欧姆电极接触层、第二n型欧姆电极接触层和透明电极层上分别设置有底部电极、中间电极和顶部电极。

紫外探测通过检测顶部电极和中间电极之间的电流得到，红外探测通过检测中间电极和底部电极之间的电流得到，可同时实现紫外和红外双色探测。

为达到上述目的，本发明的紫外红外双色探测器具体要求如下：

衬底：采用的材料是蓝宝石、氧化锌或氧化镁。

缓冲层：生长在衬底上，采用的材料是ZnO，厚度为0.02 μm至0.2 μm。

第一n型欧姆电极接触层：生长在缓冲层上，采用的材料是ZnO，厚度在0.5 μm至1 μm之间，掺杂浓度n在                                               

至

，掺入的杂质为Al或Ga。

红外敏感层：为由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层，其周期数为m，m在1~30之间。其中，第一本征层生长在第一n型欧姆接触层上，禁带宽度为 

，材料为非故意掺杂的Zn_yMg_1-yO，电子载流子浓度为

至

，厚度为0.02至0.4 μm；重掺杂n型层生长在第一本征层上，禁带宽度为

，且

，采用的材料为ZnO或Zn_xMg_1-xO (x>y)，n型掺杂浓度浓度为

至

，厚度为0.02至0.4 μm。

第二n型欧姆电极接触层：生长在红外敏感层（多周期顶层）之上，采用的材料为ZnO，n型掺杂浓度为

至

，厚度在0.1至 0.6 μm之间。

紫外敏感层：生长在第二n型欧姆接触层之上，为禁带宽度为

的第二本征层，且

；采用的材料为ZnO或ZnMgO，电子载流子浓度n为

至

，厚度在0.2至 0.6 μm之间。

透明电极层：形成于禁带宽度为

的第二本征层之上；

顶部电极，形成于透明电极层上一小区域；

中间电极，形成于第二n型欧姆接触层的电极窗口；

底部电极，形成于第一n型欧姆接触层的电极窗口。

本发明按照如下步骤制作上述紫外红外双色探测器：

步骤1：在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、第一n型欧姆电极接触层、红外敏感层、第二n型欧姆电极接触层、紫外敏感层；

步骤2：经第一次光刻工艺和干法刻蚀露出部分第二n型欧姆接触层；再经过第二次光刻工艺和干法刻蚀露出部分第一n型欧姆接触层，以便在其上做欧姆接触电极；

步骤3：经第三次光刻工艺在紫外敏感层上形成透明金属窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备依次淀积薄层金属Ni/Au，厚度分别为2nm/2nm，经退火后形成透明电极层；

步骤4：经第四次光刻工艺在透明电极层上形成透明电极窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备在透明电极层上依次淀积金属Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为10nm/200nm/50nm/200nm，形成双色探测器的顶部电极；

步骤5：经第五次光刻工艺形成第一、第二n型欧姆接触层窗口，在步骤2和3中刻蚀露出的第二和第一n型欧姆接触层上, 用电子束镀膜设备或溅射设备依次淀积金属Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10nm/200nm/50nm/200nm，形成双色探测器的中间电极和底部电极。

本发明的ZnO基紫外红外双色探测器中，紫外探测部分采用肖特基势垒结构或p-i-n结构:当采用肖特基势垒结构时为透明电极层/本征ZnO（ZnMgO）；当采用p-i-n结构时为p-ZnO/i-ZnO/n-ZnO或者p-ZnMgO /i-ZnMgO /n-ZnMgO。紫外吸收区在器件的顶部。由于红外辐射在ZnO基材料中的穿透深度比紫外要大得多，本征ZnO基材料的红外吸收系数也比重掺杂相应材料的小，红外探测采用在紫外吸收区下方的、多周期的i-ZnMgO /n⁺ -ZnO或i- Zn_yMg_1-yO / n⁺- Zn_xMg_1-xO (x>y) 作为红外敏感区，采用多周期结构后充分利用HEIWIP效应，提高红外响应。利用高掺杂的i-ZnMgO与n⁺-ZnO或高掺杂的i-Zn_yMg_1-yO 和n⁺- Zn_xMg_1-xO构成的异质结界面上的功函数差

eV，通过高掺杂的ZnO或Zn_xMg_1-xO区吸收红外辐射(

 (μm))实现内光电子发射后穿越异质结界面、被加在本征层ZnMgO或Zn_yMg_1-yO的电场收集产生电信号而达到红外探测。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的ZnO基紫外红外双色探测器，紫外探测部分采用肖特基势垒结构或p-i-n结构，红外探测采用多周期的i-ZnMgO /n⁺ -ZnO或i- Zn_yMg_1-yO / n⁺- Zn_xMg_1-xO (x>y)作为红外敏感区，采用多周期结构后充分利用HEIWIP效应，可大幅提高红外响应。

2、本发明提供的ZnO基紫外红外双色探测器，采用三电极结构，即三电极结构中的中间电极作为紫外、红外探测的公用电极，顶部电极和底部电极分别作紫外、红外探测的另一电极，实现同时探测紫外、红外辐射。

3、本发明提供的ZnO基紫外红外双色探测器，可以不用对紫外敏感区外加偏压，依靠器件本身的耗尽区电场可以实现紫外探测，即紫外探测部分由于采用肖特基势垒或p-i-n结构，不需要外加偏压而达到探测紫外辐射的目的，可以避免ZnO基材料光电导的影响。

4、本发明提供的ZnO基紫外红外双色探测器，同时紫外探测部分采用肖特基势垒或p-i-n结构，探测紫外部分具有暗电流小、响应速度快等优点。由于ZnO、ZnMgO材料对禁带宽度以上的紫外辐射的吸收系数大，达到10⁵/cm数量级，紫外敏感区中的本征ZnO或ZnMgO对红外敏感区的材料来说是紫外滤波器，从而大大减少紫外辐射对红外敏感区的影响。

附图说明

图1是本发明紫外红外双色探测器肖特基势垒-HEIWIP结构实施例图；

图2是本发明紫外红外双色探测器p-i-n-HEIWIP结构实施例图；

图3是本发明紫外红外双色探测器肖特基势垒-HEIWIP器件结构示意图；

图4是本发明紫外红外双色探测器p-i-n-HEIWIP器件结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：在本实施方式的紫外红外双色探测器所用材料结构中，紫外探测区域采用肖特基势垒或p-i-n结构，放在器件的顶部，红外探测采用多周期的i-ZnMgO /n⁺ -ZnO或i- Zn_yMg_1-yO / n⁺- Zn_xMg_1-xO (x>y)作为红外敏感区，充分利用 HEIWIP效应，提高红外响应。红外敏感区在器件紫外探测区域的下面，两者之间通过第二n欧姆电极接触层(n型浓度

至

)连接。

本实施方式提供的紫外红外双色探测器采用三电极结构，从下至上依次包括：

衬底，在该衬底上进行紫外红外双色探测器用材料结构的生长；

缓冲层，生长在衬底之上； 

第一n型欧姆接触层，生长在缓冲层之上，用于欧姆接触；

红外敏感层，为由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层，其中，第一本征层生长在第一n型欧姆接触层上，禁带宽度为

，且为非故意掺杂；重掺杂n型层生长在第一本征层上，禁带宽度为

，且；

第二n型欧姆接触层，生长在多周期层之上，部分区域作为n型欧姆接触电极用；

紫外敏感层：禁带宽度为

的本征层，生长在第二n型欧姆接触层之上，且

；

透明电极层，形成于禁带宽度为

的本征层(即紫外敏感层)之上；

顶部电极，形成于透明电极层上一小区域；

中间电极，形成于第二n型欧姆接触层的电极窗口；

底部电极，形成于第一n型欧姆接触层的电极窗口。

其中，衬底为蓝宝石。缓冲层生长在衬底上，采用的材料是氧化锌，厚度0.02~0.2 μm。第一n型欧姆接触层生长在缓冲层上，采用的材料是ZnO，厚度在0.5至1 μm之间，掺杂浓度n在

至

，掺入的杂质为Al，Ga。禁带为

的第一本征层生长在第一n型欧姆接触层上，材料为非故意掺杂的Zn_yMg_1-yO，电子载流子浓度为

至

，厚度为0.02至0.4 μm。禁带宽度为

的重掺杂n型层生长在禁带宽度为

的第一本征层上，采用的材料为ZnO 或Zn_xMg_1-xO，(x>y), n型掺杂浓度浓度为

至

，厚度为0.02至 0.4 μm。由相互交替生长的第一本征层与重掺杂n型层构成的多周期层为红外敏感区，其周期数为m，m在1~30之间。第二n型欧姆接触层是生长在红外敏感区的多周期层上，部分区域将作为中间电极接触用，采用的材料为ZnO，n型掺杂浓度为

至

，厚度在0.1至 0.6 μm之间。禁带宽度为

本征层生长在第二n型欧姆接触层上，采用的材料为ZnO或ZnMgO，电子载流子浓度n为

至

，厚度在0.2至 0.6 μm之间。

当紫外探测部分采用肖特基势垒结构时，在禁带宽度为

的本征层上淀积薄层金属Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2~5nm/2~5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火5分钟形成透明电极层，该透明电极层与禁带宽度为

的本征层形成肖特基势垒，其中禁带宽度为

的本征层为紫外敏感区；当紫外探测部分采用p-i-n结构时，在禁带宽度为

的本征层上生长一p型层，材料是ZnO或ZnMgO，厚度0.02~0.2 μm，p型掺杂浓度在

至

；然后在p型层上淀积薄层金属Ni/Au或Pt/Au，厚度分别为2~5nm/2~5nm，在氮氧混合气体氛围500℃下退火5分钟形成透明电极层，禁带宽度为

的本征层为紫外敏感层。

顶部电极、中间电极和底部电极构成三电极结构，紫外探测用顶部电极与中间电极，红外探测用中间电极与底部电极。红外探测用的底部电极制作在经刻蚀后露出的第一n型欧姆接触层上，红外探测和紫外探测共用的中间电极制作在经刻蚀后露出的第二n型欧姆接触层上，两电极的材料依次为Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10nm/200nm/50nm/200nm；紫外探测用的顶部电极制作在透明电极层上的一小区域，电极材料依次为Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为10nm/200nm/50nm/200nm。

该探测器用于同时探测紫外红外辐射，探测紫外辐射的长波限由紫外敏感区的肖特基势垒结构或p-i-n结构中的本征层的禁带宽度

确定; 探测红外辐射的长波限由禁带宽度为

的第一本征层与禁带宽度为

重掺杂n型层构成的异质结界面上的功函数差异

确定，且

。

具体实施方式二：本实施方式以红外紫外双色探测器采用肖特基势垒—HEIWIP结构为例（材料结构如图1和器件结构如图3），具体说明紫外红外双色探测器实施步骤。如图1其结构是在蓝宝石衬底10上利用MOCVD或MBE设备依次生长缓冲层11：ZnO，厚度在0.02~0.2 μm。在缓冲层11生长第一n型欧姆接触层12：ZnO ，厚度在0.5~1 μm，掺杂浓度n在

~

范围。在第一n型欧姆接触层12上依次生长第一本征层13/重掺杂层14: i-ZnMgO/n⁺-ZnO或i- Zn_yMg_1-yO/ n⁺- Zn_xMg_1-xO (x>y)；交替生长的第一本征层13/重掺杂层14形成多周期层15，其中，i-ZnMgO的电子载流子浓度至

，厚度为0.02~0.4 μm; n⁺-ZnO或n⁺-Zn_xMg_1-xO的浓度n在

至

范围，厚度为0.02~0.4 μm；在i-ZnMgO /n⁺-ZnO或i- Zn_yMg_1-yO / n⁺- Zn_xMg_1-xO (x>y)多周期层15的顶层上生长第二n欧姆接触层16：n⁺-ZnO，n型浓度在至范围，厚度在0.1~0. 5 μm范围。在第二n型欧姆接触层16上生长第二本征层17：i-ZnO或i- ZnMgO，电子载流子浓度为

至

，厚度在0.2~0.6 μm之间。

当紫外探测采用肖特基势垒结构时，外延生长结束。器件结构如图3所示。其具体制作方法包括以下步骤：

步骤1：在蓝宝石衬底10上依次生长缓冲层11、第一n型欧姆接触层12、由交替生长的第一本征层13/重掺杂层14形成的多周期层15、第二n型欧姆接触层16、第二本征层17；

步骤2：经第一次光刻工艺和干法刻蚀露出部分第二n型欧姆接触层16；再经过第二次光刻工艺和干法刻蚀露出部分第一n型欧姆接触层12，以便在其上做欧姆接触电极。

步骤3：经第三次光刻工艺形成透明金属窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备依次淀积薄层金属Ni/Au，厚度分别为2~5nm/2~5nm，经退火后形成透明电极层19；（如图3）

步骤3：经第四次光刻工艺形成透明电极窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备在透明电极层上依次淀积金属Ni/Au/Ti/Au，厚度分别为10nm/200nm/50nm/200nm，形成双色探测器的顶部电极20；

步骤4：经第五次光刻工艺形成第一、第二n型欧姆接触层窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备依次淀积金属Ti/Al/Ti/Au，厚度分别为10nm/200nm/50nm/200nm，形成双色探测器的中间电极21、底部电极22。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，当紫外探测采用p-i-n结构时，接着在第二本征层17生长一层p型层18：p-ZnO或p-ZnMgO，空穴浓度为

至

范围，厚度0.02~0.2 μm，p-i-n—HEIWIP结构如图2所示，器件结构如图4所示。

Claims (10)

1.基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，其特征在于所述探测器包括衬底（10），在衬底（10）上依次生长的缓冲层（11）、第一n型欧姆电极接触层（12）、红外敏感层、第二n型欧姆电极接触层（16）、紫外敏感层（17），以及设置在紫外敏感层之上的透明电极层（19），在所述第一n型欧姆电极接触层（12）、第二n型欧姆电极接触层（16）和透明电极层（19）上分别设置有底部电极（22）、中间电极（21）和顶部电极（20）。

2.    根据权利要求1所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，其特征在于所述衬底（10）采用的材料是蓝宝石、氧化锌或氧化镁；缓冲层（11）采用的材料是ZnO，厚度为0.02 μm至0.2 μm。

3.根据权利要求1所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，其特征在于所述红外敏感层为由相互交替生长的第一本征层（13）与重掺杂n型层（14）构成的多周期层（15），其周期数为m，m在1~30之间；第一本征层（13）生长在第一n型欧姆接触层（12）上，禁带宽度为                                                

，材料为非故意掺杂的Zn_yMg_1-yO，电子载流子浓度为

至，厚度为0.02至0.4 μm；重掺杂n型层（14）生长在第一本征层（13）上，禁带宽度为

，且

，采用的材料为ZnO或Zn_xMg_1-xO (x>y)，n型掺杂浓度浓度为至

，厚度为0.02至0.4 μm。

4.根据权利要求1所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，其特征在于所述第一n型欧姆电极接触层（12）采用的材料是ZnO，厚度在0.5 μm至1 μm之间，掺杂浓度n在至，掺入的杂质为Al或Ga；第二n型欧姆电极接触层（16）采用的材料为ZnO，n型掺杂浓度为

至

，厚度在0.1至 0.6 μm之间。

5.根据权利要求1所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，其特征在于所述紫外敏感层（17）为禁带宽度为

的第二本征层，且

；采用的材料为ZnO或ZnMgO，电子载流子浓度n为

至

，厚度在0.2至 0.6 μm之间。

6.根据权利要求1所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，其特征在于所述透明电极层（19）为Ni/Au或Pt/Au层，厚度分别为2~5nm/2~5nm。

7.根据权利要求1所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，其特征在于所述顶部电极（20）Ni/Au/Ti/Au电极；中间电极（21）和底部电极（22）为Ti/Al/Ti/Au电极。

8.根据权利要求1所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器，其特征在于当紫外探测区域采用p-i-n结构时，所述探测器还包括P型层（18），P型层（18）生长在紫外敏感层（17）之上，透明电极层（19）设置在P型层（18）之上；P型层（18）采用的材料是ZnO或ZnMgO，厚度分别为0.02~0.2 μm，p型掺杂浓度在

至

。

9.一种权利要求1-7所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器的制作方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底（10）上依次生长缓冲层（11）、第一n型欧姆电极接触层（12）、红外敏感层、第二n型欧姆电极接触层（16）、紫外敏感层（17）；

步骤2：经第一次光刻工艺和干法刻蚀露出部分第二n型欧姆接触层（16）；再经过第二次光刻工艺和干法刻蚀露出部分第一n型欧姆接触层（12）；

步骤3：经第三次光刻工艺在紫外敏感层（17）上形成透明金属窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备依次淀积薄层金属，经退火后形成透明电极层（19）；

步骤4：经第四次光刻工艺在透明电极层（19）上形成透明电极窗口，用电子束镀膜设备或溅射设备在透明电极层（19）上淀积金属，形成双色探测器的顶部电极（20）；

步骤5：经第五次光刻工艺形成第一n型欧姆接触层窗口、第二n型欧姆接触层窗口，在步骤2和3中刻蚀露出的第二n型欧姆接触层（16）和第一n型欧姆接触层（12）上, 用电子束镀膜设备或溅射设备淀积金属，形成双色探测器的中间电极（21）和底部电极（22）。

10.根据权利要求9所述的基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器的制作方法，其特征在于所述步骤（1）中，当紫外探测采用p-i-n结构时，接着在第二本征层（17）上生长一层p型层（18）；P型层（18）采用的材料是ZnO或ZnMgO，厚度为0.02~0.2 μm，p型掺杂浓度在

至

。

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