專利名稱：一種紫外線檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紫外線檢測裝置，通過使用雙重緩沖結(jié)構(gòu)而大大提高了該紫外線檢測裝置的可靠性和壽命。
背景技術(shù)：
紫外線的應(yīng)用很廣泛，如紫外線殺菌消毒，紫外線理療，紫外線熒光分析和鑒別偵破，紫外線曝光光刻等。紫外線的破壞作用在某些場合是非常危險(xiǎn)的。如文物書畫，橡膠塑料，在長期照射下會(huì)發(fā)生老化，紫外線還會(huì)傷害眼睛，皮膚和花木等等。因此檢測紫外線的輻射強(qiáng)度和輻射量就顯得很重要了。
氮化鎵(GaN)材料具有能隙寬、耐電壓及耐溫等特性，可用于開發(fā)紫外線檢測組件。由該材料制成的紫外感測組件可應(yīng)用于能測量各種環(huán)境中的紫外線輻照劑量，例如偵測火災(zāi)、生物檢測、空氣污染偵測等工業(yè)用途。
通常，是通過在分子束磊晶成長(MBE-grown)的氮化鎵薄膜上制造氮化鎵(GaN)肖特基結(jié)(Schottky junction)來制造紫外線檢測裝置。傳統(tǒng)的紫外線檢測裝置僅僅在藍(lán)寶石基底和氮化鎵外延層之間包含有一個(gè)高溫氮化鋁(AlN)緩沖層。如此構(gòu)造的紫外線檢測裝置的可靠性和壽命均很不理想，在長時(shí)間照射高強(qiáng)度的紫外線之后，紫外線的檢測精度會(huì)大幅下降。
美國專利US5677538公開了一種紫外線檢測裝置，其中該紫外線檢測裝置是金屬-半導(dǎo)體-金屬的結(jié)構(gòu)形式(背對背的兩個(gè)肖特基結(jié))，其在正常操作過程中需要施加偏置電壓。該裝置是通過位于兩個(gè)相互交叉的肖特基結(jié)中間的半導(dǎo)體材料來進(jìn)行紫外線檢測的。該兩個(gè)肖特基結(jié)是通過在氮化鎵薄膜上沉積較厚的金屬層而形成的。另外，該裝置的材料是通過ECR等離子體源(ECR plasma source)技術(shù)來形成的。尤其重要的是，該檢測裝置的氮化鎵外延層是生長在單一的緩存層上的，具有如此結(jié)構(gòu)的紫外線檢測裝置對紫外線的檢測性能隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸降低。
因此，需要提供一種穩(wěn)定可靠、具有較強(qiáng)耐紫外線能力的檢測裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定性和耐紫外線能力均比現(xiàn)有技術(shù)有顯著提高的紫外線檢測裝置，其可在高強(qiáng)度的紫外線的長時(shí)間照射后，仍保持良好的響應(yīng)度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種紫外線檢測裝置，包括如下的結(jié)構(gòu)一藍(lán)寶石基底層；一高溫氮化鋁緩沖層，生長在該藍(lán)寶石基底層之上；一中溫氮化鎵緩沖層，生長在該高溫氮化鋁緩沖層之上；一氮化鎵外延層，沉積在該中溫氮化鎵緩沖層之上；一肖特基結(jié)層，形成在該氮化鎵外延層之上；多個(gè)電阻觸點(diǎn)，也形成在該氮化鎵外延層上；該高溫氮化鋁緩沖層和該中溫氮化鎵緩沖層形成了雙重緩沖層結(jié)構(gòu)，從而提高了該紫外線檢測裝置的穩(wěn)定性和耐輻射性。其中該高溫氮化鋁緩沖層和該中溫氮化鎵緩沖層由射頻等離子體增強(qiáng)分子束磊晶成長技術(shù)形成。
如上所述的紫外線檢測裝置，其中，該高溫氮化鋁緩沖層在740℃～820℃的溫度下成長為20nm到50nm的厚度。
如上所述的紫外線檢測裝置，其中，該中溫氮化鎵緩沖層在600℃到700℃的溫度下成長為400nm到1.2μm的厚度。
如上所述的紫外線檢測裝置，其中，該氮化鎵外延層是摻雜濃度為5×1016cm-3到5×1017cm-3的輕微的N-型半導(dǎo)體層。
如上所述的紫外線檢測裝置，其中，該氮化鎵外延層的厚度大約為0.5μm到1.5μm。
如上所述的紫外線檢測裝置，其中，該肖特基結(jié)層是半透明的，該紫外線檢測裝置的有效區(qū)域由該肖特基結(jié)層構(gòu)成。
本發(fā)明的有益效果是，通過在紫外線檢測裝置中使用三層結(jié)構(gòu)(氮化鎵外延層/氮化鎵中溫緩沖層/氮化鋁高溫緩沖層)，大大提高了該肖特基結(jié)的紫外線檢測裝置的可靠性和壽命。這使得該檢測裝置可用于長時(shí)間檢測紫外線輻射。相反，對于不具有該中溫緩沖層的現(xiàn)有技術(shù)中的檢測裝置，在長時(shí)間暴露于紫外線之下時(shí)，性能會(huì)很快下降，并且測量結(jié)果變得不精確。
本發(fā)明采用射頻等離子體增強(qiáng)分子束磊晶成長(rf-plasma enhanced MBEgrowth)技術(shù)來形成氮化鎵緩沖層和氮化鋁緩沖層。發(fā)現(xiàn)通過利用該雙層的緩存結(jié)構(gòu)，可提高氮化鎵薄膜的電子和光學(xué)特性。另外，實(shí)驗(yàn)證明該中溫緩沖層的最初的厚度增長導(dǎo)致該薄膜的電子和光學(xué)特性的穩(wěn)定提高。也就是說，該氮化鎵薄膜的光電特性隨著該中溫緩沖層的厚度的增大而提高。該中溫緩沖層的最佳厚度是大約800nm。
與美國專利US5677538中的紫外線檢測裝置相比，本發(fā)明僅包括一個(gè)肖特基結(jié)，其通過沉積一個(gè)非常薄的半透明金屬層來形成。本發(fā)明的紫外線檢測是通過讓紫外線穿過該形成肖特基結(jié)的薄金屬膜而在該肖特基結(jié)上進(jìn)行的。另外，本發(fā)明是利用射頻等離子體源來形成的。因此，本發(fā)明無論在結(jié)構(gòu)上，還是工作原理上，均與該對比文件公開的裝置明顯不同。其結(jié)果是，本發(fā)明的裝置具有比該對比文件的裝置具有更加優(yōu)異和穩(wěn)定的性能。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外線檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的紫外線檢測裝置的典型響應(yīng)曲線示意圖；圖3是顯示本發(fā)明的紫外線探測器與現(xiàn)有技術(shù)的探測器的噪聲功率譜密度的對比曲線圖；圖4是顯示本發(fā)明的紫外線探測器與現(xiàn)有技術(shù)的探測器的響應(yīng)度的對比曲線圖；圖5示出了用于放大光電流的一種典型電路。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的紫外線檢測裝置10的結(jié)構(gòu)為首先在藍(lán)寶石基底11上成長一高溫氮化鋁(AlN)緩沖層12，該氮化鋁層12在大約780℃的溫度下成長為20nm到50nm的厚度；其次，在該氮化鋁層12上生長一中溫氮化鎵(GaN)緩沖層13，該氮化鎵緩沖層13在大約600℃到680℃的溫度下成長為400nm到800nm。在該中溫緩沖層13的上面，沉積有摻雜濃度為5×1016cm-3到5×1017cm-3的輕微的n-型氮化鎵外延層14，該外延層14的厚度大約為0.5μm到1.5μm；隨后在該外延層14之上沉積半透明的肖特基結(jié)層15，該紫外線檢測裝置的有效區(qū)域由該肖特基結(jié)層15構(gòu)成，該肖特基結(jié)層15由大約5nm厚的鎳(Ni)的薄層構(gòu)成。為了便于與該半透明的鎳層形成外部接觸，在該由半透明的鎳薄膜構(gòu)成的肖特基結(jié)層15上沉積有厚的鋁結(jié)合墊17。該半透明層上的鋁墊17方便了與該肖特基結(jié)的線連接和電接觸。在該外延層14之上也形成有電阻觸點(diǎn)(Ohmic contact)16，從而構(gòu)成完整的紫外線檢測裝置10。
另外，本發(fā)明采用射頻等離子體增強(qiáng)分子束磊晶成長技術(shù)來形成氮化鎵緩沖層和氮化鋁緩沖層，該技術(shù)的工作頻率為13.6MHz。
由上述本發(fā)明的紫外線檢測裝置的結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明由氮化鋁層12和一中溫氮化鎵緩沖層13組成了一雙重緩沖結(jié)構(gòu)。經(jīng)驗(yàn)證，使用獨(dú)特的該雙重緩沖結(jié)構(gòu)而在薄膜上形成該裝置時(shí)，檢測裝置的可靠性會(huì)顯著地提高。另外，具有中溫緩沖層13的該裝置，還顯著地提高了暴露于高功率的紫外線下的耐輻射性。
具有上述結(jié)構(gòu)的紫外線檢測裝置的典型響應(yīng)顯示在圖2中。從圖2可以看出，該紫外線測試設(shè)備僅僅對紫外線敏感，不對可見光敏感。在該設(shè)備的正常操作過程中，不需要施加偏壓到該測試設(shè)備上。當(dāng)該設(shè)備受到紫外線的照射時(shí)，在該設(shè)備內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生光電流。該光電流通過一放大器進(jìn)行放大，并從電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。從而得出紫外線的輻射強(qiáng)度。圖5示出了用于放大該光電流的一種典型電路。
圖3示出了本發(fā)明的紫外線探測器與現(xiàn)有技術(shù)的探測器的噪聲功率譜密度的對比曲線圖。其中顯示了噪聲功率譜密度作為作用時(shí)間(該檢測裝置暴露在高強(qiáng)度UV輻射源之下的時(shí)間)函數(shù)的變化情況。
低頻噪聲是衡量檢測裝置性能的重要的品質(zhì)因數(shù)。由于該低頻噪聲正比于該材料的捕獲密度，該噪聲功率譜密度反映了由于高頻紫外線輻射而造成的該氮化鎵薄膜的缺損密度。
半導(dǎo)體設(shè)備中的電壓低頻噪聲頻譜密度由下式給出SV(f)=V2N2∫x∫y4NT(E)τ1+4π2τ2dxdydE---(1)]]>其中，NT(E)是能量E的捕獲密度，T是波動(dòng)時(shí)間常數(shù)，V是施加到該設(shè)備的直流電壓，N是該設(shè)備有效區(qū)域內(nèi)的全部載流子的密度。該公式(1)示出了低頻噪聲功率譜密度是直接與諸如晶體缺陷成比例的。這種缺陷對該紫外線檢測裝置的效率有顯著的影響。該缺陷密度是該設(shè)備的響應(yīng)度。較大溫度范圍內(nèi)的噪聲測量的結(jié)果顯示，通過使用該中溫緩沖層(ITBL)，降低了系統(tǒng)的低頻噪聲。該中溫緩沖層的最佳厚度被確定為800nm，在該厚度下噪聲最小。
在圖3示出的情形下，該紫外線輻射的強(qiáng)度大約是陽光中紫外線功率的1000倍。從圖3可以看出，沒有形成該中溫緩沖層的檢測裝置(由空心三角形和空心菱形表示)，在暴露于紫外線輻射下45小時(shí)之后，該噪聲功率譜密度顯著劣化，這說明了該氮化鎵薄膜的材料質(zhì)量相應(yīng)地惡化了。形成有中溫緩沖層的檢測裝置的功率譜密度甚至在90小時(shí)之后也沒有明顯的變化。由此可見，本發(fā)明的該雙重緩沖結(jié)構(gòu)可以極大地氮化鎵薄膜不受高強(qiáng)度紫外線的損壞，從而提高裝置的穩(wěn)定性和壽命。
圖4是顯示本發(fā)明的紫外線探測器與現(xiàn)有技術(shù)的探測器的響應(yīng)度(Responsivity)的對比曲線圖。其中顯示了在高強(qiáng)度紫外線輻射之前和之后，典型的響應(yīng)度變化情況。其中實(shí)線示出了形成有中溫緩沖層的檢測裝置在紫外線輻射之前的響應(yīng)度曲線，點(diǎn)線示出了形成有中溫緩沖層的檢測裝置在紫外線輻射了90小時(shí)之后的響應(yīng)度曲線；而細(xì)實(shí)線示出了沒有形成有中溫緩沖層的檢測裝置在紫外線輻射之前的響應(yīng)度曲線，虛線示出了沒有形成中溫緩沖層的檢測裝置在紫外線輻射了57小時(shí)之后的響應(yīng)度曲線。
從圖4可以看出，形成有中間緩沖層的檢測裝置在高強(qiáng)度的紫外線照射了90小時(shí)之后，響應(yīng)度沒有任何下降?？赡苡捎谠撦椛溥^程的退火效應(yīng)(annealing effect)，該檢測裝置的響應(yīng)度反而有所上升。對于沒有形成中溫緩沖層的檢測裝置，在紫外線照射了57小時(shí)之后，在350nm處響應(yīng)度下降了大約50％。更重要的是，該檢測裝置在可見區(qū)域(波長大于400nm)的信號顯著增大了。這會(huì)增大妨礙該檢測裝置正常操作的背景電流。從圖3進(jìn)一步可以看出，在進(jìn)行了35小時(shí)的紫外線輻射之后，不具有中溫緩沖層的該檢測裝置就變得不能正常工作了。沒有必要將該檢測裝置暴露在高強(qiáng)度紫外線下超過90小時(shí)，這是因?yàn)樵诩俣刻旖邮苋展廨椛?0小時(shí)的情況下，90小時(shí)的紫外線輻射總量相當(dāng)于大約30年的日光中的紫外線的輻射量。
以上所述，以舉例的方式描述了本發(fā)明。本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨后的權(quán)利要求書所確定。
權(quán)利要求
1.一種紫外線檢測裝置，其特征在于，包括如下的結(jié)構(gòu)一藍(lán)寶石基底層；一高溫氮化鋁緩沖層，生長在該藍(lán)寶石基底層之上；一中溫氮化鎵緩沖層，生長在該高溫氮化鋁緩沖層之上；一氮化鎵外延層，沉積在該中溫氮化鎵緩沖層之上；一肖特基結(jié)層，形成在該氮化鎵外延層之上；多個(gè)電阻觸點(diǎn)，也形成在該氮化鎵外延層上；該高溫氮化鋁緩沖層和該中溫氮化鎵緩沖層形成了雙重緩沖層結(jié)構(gòu)，從而提高了該紫外線檢測裝置的穩(wěn)定性和耐輻射性，其中該高溫氮化鋁緩沖層和該中溫氮化鎵緩沖層由射頻等離子體增強(qiáng)分子束磊晶成長技術(shù)形成。
2.如權(quán)利要求1所述的紫外線檢測裝置，其特征在于，該高溫氮化鋁緩沖層在740℃～820℃的溫度下成長為20nm到50nm的厚度。
3.如權(quán)利要求1所述的紫外線檢測裝置，其特征在于，該中溫氮化鎵緩沖層在600℃到700℃的溫度下成長為400nm到1.2μm的厚度。
4.如權(quán)利要求1所述的紫外線檢測裝置，其特征在于，該氮化鎵外延層是摻雜濃度為5×1016cm-3到5×1017cm-3的輕微的N-型半導(dǎo)體層。
5.如權(quán)利要求1或4所述的紫外線檢測裝置，其特征在于，該氮化鎵外延層的厚度大約為0.5μm到1.5μm。
6.如權(quán)利要求1所述的紫外線檢測裝置，其特征在于，該肖特基結(jié)層是半透明的，該紫外線檢測裝置的有效區(qū)域由該肖特基結(jié)層構(gòu)成。
全文摘要
一種紫外線檢測裝置，包括如下的結(jié)構(gòu)一藍(lán)寶石基底層；一高溫氮化鋁緩沖層，生長在該藍(lán)寶石基底層之上；一中溫氮化鎵緩沖層，生長在該高溫氮化鋁緩沖層之上；一氮化鎵外延層，沉積在該中溫氮化鎵緩沖層之上；一肖特基結(jié)層，形成在該氮化鎵外延層之上；多個(gè)電阻觸點(diǎn)，也形成在該氮化鎵外延層上；該高溫氮化鋁緩沖層和該中溫氮化鎵緩沖層形成了雙重緩沖層結(jié)構(gòu)，從而提高了該紫外線檢測裝置的穩(wěn)定性和耐輻射性。其中該高溫氮化鋁緩沖層和該中溫氮化鎵緩沖層由射頻等離子體增強(qiáng)分子束磊晶成長技術(shù)形成。
文檔編號G01J1/02GK1848461SQ20051006576
公開日2006年10月18日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者徐星全 申請人:香港理工大學(xué)