一種鎵氮雪崩光電二極管組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及紫外探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及鎵氮探測(cè)器所用的鎵氮雪崩光電二極管技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種鎵氮雪崩光電二極管組件。
【背景技術(shù)】
[0002]在電磁輻射譜中，波長(zhǎng)在10nm-400nm之間的電磁波屬于紫外光。太陽(yáng)是自然界最強(qiáng)的紫外線光源，由于大氣層中臭氧等氣體分子對(duì)280nm以下的紫外光有強(qiáng)烈吸收和散射作用，這一波段的紫外線幾乎無(wú)法到達(dá)地面，因此把波長(zhǎng)在200nm-280nm的紫外光稱(chēng)為日盲區(qū)；相應(yīng)地，人們將只對(duì)200nm-280nm波段紫外光產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào)的探測(cè)器稱(chēng)為日盲(或太陽(yáng)盲)探測(cè)器。日盲探測(cè)器在軍事與國(guó)防中有重要的應(yīng)用意義。因?yàn)槲挥谶@一波段的太陽(yáng)光幾乎不能到達(dá)地球表面，在低空和地面探測(cè)到的該波段紫外光信號(hào)一般是來(lái)自人工發(fā)射源，如飛機(jī)或?qū)椀溶娛履繕?biāo)、或者火災(zāi)、環(huán)境污染等。因此，日盲紫外探測(cè)器在導(dǎo)彈或者衛(wèi)星預(yù)警制導(dǎo)、戰(zhàn)場(chǎng)生化試劑探測(cè)、火焰探測(cè)、臭氧監(jiān)測(cè)、公安偵察、光電對(duì)抗、紫外保密通信中都有重要的應(yīng)用意義。
[0003]當(dāng)今已投入市場(chǎng)應(yīng)用、比較常見(jiàn)的紫外探測(cè)器有光電倍增管和硅基紫外光電管。光電倍增管雖然探測(cè)靈敏度高，但是其體積龐大、工作電壓高、容易破碎損壞，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限。而硅基探測(cè)器的探測(cè)光譜主要在可見(jiàn)光區(qū)，通常需要在硅探測(cè)器前端加上復(fù)雜的、價(jià)格昂貴的濾光系統(tǒng)來(lái)除去可見(jiàn)光的干擾，或者采用淺結(jié)結(jié)構(gòu)和表面雜質(zhì)濃度很低的所謂硅紫外增強(qiáng)型探測(cè)器，但是這類(lèi)器件的制作工藝要求很高。
[0004]與傳統(tǒng)的光電倍增管和硅基探測(cè)器相比，AlInGaN(鋁銦鎵氮)基紫外探測(cè)器具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)锳lInGaN基材料具有寬禁帶、直接帶隙、高迀移率和高電子飽和速率、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、抗輻照等優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。特別是三元合金AlGaN(鋁鎵氮)材料，隨著Al、Ga組分的變化，其帶隙可以在3.4eV_6.2eV之間連續(xù)可調(diào)，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)覆蓋了 200nm-365nm范圍，所以AlGaN材料在制作日盲紫外探測(cè)器方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，要使AlGaN探測(cè)器的工作波長(zhǎng)處于日盲區(qū)(280nm以下)，A1組分必須高于40 %。目前較高晶體質(zhì)量的高A1組分AlGaN材料很難實(shí)現(xiàn)，一般都存在較大的缺陷和位錯(cuò)密度；而且實(shí)現(xiàn)較高濃度的P型AlGaN材料也很困難。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了 AlGaN紫外探測(cè)器、特別是AlGaN雪崩光電二極管的發(fā)展。這是因?yàn)橐环矫妫┍拦怆姸O管本身對(duì)晶體質(zhì)量的要求就比普通探測(cè)器的高，而高A1組分AlGaN材料中存在的大缺陷和位錯(cuò)密度不僅會(huì)使得探測(cè)器的暗電流和噪聲急劇增加，更為糟糕的是，它們導(dǎo)致的微等離子效應(yīng)會(huì)使得這些區(qū)域提前發(fā)生雪崩效應(yīng)，迫使器件的光敏面只能做的很小，不利于大倍增因子的獲得。
[0005]與AlGaN紫外探測(cè)器相比，鎵氮(GaN)探測(cè)器的外延生長(zhǎng)以及制作工藝技術(shù)都相對(duì)成熟，高晶體質(zhì)量的GaN材料以及較高P型摻雜濃度的GaN材料的實(shí)現(xiàn)都要比AlGaN的容易得多。特別是GaN雪崩光電二極管由于具有雪崩效應(yīng)提供的內(nèi)部增益，可以將光生電流放大幾十、上百、甚至成千上萬(wàn)倍，因而能夠在強(qiáng)太陽(yáng)輻射背景下探測(cè)到微弱的紫外信號(hào)，很容易滿足軍事、國(guó)防等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω哽`敏度紫外探測(cè)的需求。但是GaN的禁帶寬度為3.4eV，它對(duì)波長(zhǎng)小于365nm的非日盲紫外光也可以發(fā)生響應(yīng)，由此產(chǎn)生的光電流對(duì)日盲波段紫外光的準(zhǔn)確探測(cè)形成了嚴(yán)重的干擾。因此，一般的GaN雪崩光電二極管并不具備日盲特性，其日盲/非日盲紫外光識(shí)別比很低，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)日盲波段紫外光的準(zhǔn)確探測(cè)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種鎵氮雪崩光電二極管組件，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中一般的鎵氮(GaN)雪崩光電二極管日盲/非日盲紫外光識(shí)另I批很低的技術(shù)問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本實(shí)用新型提供一種鎵氮(GaN)雪崩光電二極管組件，所述鎵氮(GaN)雪崩光電二極管組件包括:鎵氮雪崩光電二極管和形成于所述鎵氮雪崩光電二極管的襯底的背面的超材料，以使入射光通過(guò)超材料之后再進(jìn)入所述鎵氮雪崩光電二極管；所述超材料的電磁共振波長(zhǎng)位于280nm-365nm之間。
[0008]優(yōu)選地，所述超材料包括所述鎵氮雪崩光電二極管的襯底背面上的金屬薄膜，以及開(kāi)孔于所述金屬薄膜層上且呈周期性排列的十字架結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選地，所述金屬薄膜為銀薄膜。
[0010]優(yōu)選地，所述鎵氮雪崩光電二極管的襯底為藍(lán)寶石襯底、鎵氮襯底或碳化硅襯底。[0011 ] 優(yōu)選地，所述十字架結(jié)構(gòu)由開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)、一字型結(jié)構(gòu)、Η型結(jié)構(gòu)或開(kāi)口圓環(huán)結(jié)構(gòu)代替。
[0012]如上所述，本實(shí)用新型的一種鎵氮雪崩光電二極管組件，具有以下有益效果:
[0013]本實(shí)用新型無(wú)需采用生長(zhǎng)和制作工藝均不成熟的AlGaN材料，而是采用生長(zhǎng)工藝和制作技術(shù)相對(duì)成熟的GaN材料，通過(guò)在GaN雪崩光電二極管的襯底背面制作超材料將非日盲紫外光大幅吸收，顯著減小非日盲紫外光的干擾。因此，本專(zhuān)利的GaN雪崩光電二極管具有靈敏度高、日盲/非日盲紫外光識(shí)別比大、工藝制作簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1顯示為本實(shí)用新型的一種鎵氮雪崩光電二極管組件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2顯示為本實(shí)用新型實(shí)施例中所涉及超材料的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3顯示為本實(shí)用新型實(shí)施例中所述超材料的透射光譜分析圖。
[0017]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0018]1襯底
[0019]2鎵氮緩沖層
[0020]3η型鎵氮層
[0021]4i 型 GaN 層
[0022]5p 型 GaN 層
[0023]6η型電極
[0024]7Ρ型電極
[0025]8絕緣鈍化層
[0026]9超材料
[0027]10入射光
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本實(shí)用新型還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本實(shí)用新型的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0029]本實(shí)用新型的目的在于提供一種鎵氮雪崩光電二極管組件，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中硅探測(cè)器容易受可見(jiàn)光干擾的技術(shù)問(wèn)題。以下將詳細(xì)闡述本實(shí)用新型的一種鎵氮雪崩光電二極管組件的原理及實(shí)施方式，使本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要?jiǎng)?chuàng)造性勞動(dòng)即可理解本實(shí)用新型的一種鎵氮雪崩光電二極管組件。
[0030]本實(shí)施例提供一種鎵氮雪崩光電二極管組件，如圖1所示，所述鎵氮雪崩光電二極管組件包括:
[0031]鎵氮(GaN)雪崩光電二極管和超材料9，所述超材料9形成于所述鎵氮雪崩光電二極管的襯底的背面，使入射光通過(guò)超材料9之后再進(jìn)入所述鎵氮雪崩光電二極管。
[0032]其中GaN雪崩光電二極管的組成結(jié)構(gòu)為:在藍(lán)寶石襯底1上依次生長(zhǎng)有GaN緩沖層2、η型GaN層3、i型GaN層4、ρ型GaN層5、η型電極6、ρ型電極7、絕緣鈍化層8。光線10從襯底的背面入射。
[0033]在本實(shí)施例中，在藍(lán)寶石襯底1的背面還有超材料9。超材料9是由制作在藍(lán)寶石襯底的背面上具有特定圖案的銀薄膜組成。也就是靠近入射光10的那一面還有一層很薄的、具有特定圖案的銀薄膜所形成的超材料9。超材料9的存在使得本專(zhuān)利探測(cè)器的性能與普通的GaN雪崩光電二極管有了很大的不同。
[0034]優(yōu)選地，所述超材料9的電磁共振波長(zhǎng)為位于280nm-365nm之間。
[0035]普通的p-1-n型GaN雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)不包含超材料9，只包含了藍(lán)寶石襯底1、GaN緩沖層2、η型GaN層3、i型GaN層4、ρ型GaN層5、η型電極6、ρ型電極7、絕緣鈍化層8。這種普通的p-1-n型GaN雪崩光電二極管對(duì)波長(zhǎng)小于365nm(該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于GaN的帶隙波長(zhǎng))的紫外光均可以發(fā)生響應(yīng)，因此非日盲波段的紫外光也可以產(chǎn)生光電流，因而對(duì)日盲波段紫外光的準(zhǔn)確探測(cè)形成嚴(yán)重的干擾。
[0036]優(yōu)選地，所述鎵氮(GaN)雪崩光電二極管采用的是p_i_n結(jié)構(gòu)或p-1-n-1_n結(jié)構(gòu)。
[0037]超材料的英文名稱(chēng)是metamaterial，它具備天然材料所不具有的超常規(guī)電磁特性。一般采用人工設(shè)計(jì)的多個(gè)結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)超材料的超常規(guī)電磁特性，結(jié)構(gòu)單元的尺寸參數(shù)遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)。由于超材料的性質(zhì)主要取決于結(jié)構(gòu)單元的尺寸、單元之間的相互作用，所以這種結(jié)構(gòu)單元又被稱(chēng)為超原子或超分子。
[0038]根據(jù)超材料和金屬等離子電磁共振理論可知，組成超材料的材料特性與結(jié)構(gòu)單元的尺寸參數(shù)共同決定了超材料的電磁共振波長(zhǎng)λΓ。當(dāng)外部入射電磁波的波長(zhǎng)接近λΓ的時(shí)候，金屬中的自由電子會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的局域等離子共振，吸收大量電磁波的能量，導(dǎo)致該波長(zhǎng)及其附近的電