專(zhuān)利名稱(chēng)：背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電成像領(lǐng)域，涉及一種背照式ZnO基固態(tài)焦平面陣列紫外成像器件的核心部件——背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其制備方法。
背景技術(shù)：
紫外成像可廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)、紫外制導(dǎo)和預(yù)警、醫(yī)學(xué)成像、公安刑偵、非可視短距離保密通信、航空航天、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物種類(lèi)探索和鑒別等研究領(lǐng)域。紫外波段在空間天文觀察上的應(yīng)用，發(fā)展了紫外天文學(xué)。空間紫外觀測(cè)的主要作用是在于通過(guò)對(duì)外太空紫外輻射的探測(cè)，研究有關(guān)恒星大氣模型和星際物質(zhì)等。當(dāng)前，星載紫外成像儀器對(duì)其所用的探測(cè)器的要求變得越來(lái)越高，它不僅要求探測(cè)器具有大的動(dòng)態(tài)范圍，而且還要求具有低的噪聲，高的速度和高的分辨率，為了滿足未來(lái)空間紫外成像的需要，目前國(guó)際上許多天文單位相繼開(kāi)展基于寬禁帶半導(dǎo)體的新型紫外成像器件。
當(dāng)前紫外探測(cè)多采用光電倍增管配備昂貴的光學(xué)濾色片，其靈敏度受濾光片透過(guò)率和光陰極量子效率的限制，且其體積與重量大，工作電壓高，光陰極量子效率低。在空間正常工作的系統(tǒng)包括電源、姿控、熱控、電子設(shè)備、科學(xué)有效載荷等多個(gè)部分。功耗大將對(duì)電源、熱控等提出更高的要求，體積大會(huì)影響姿控與推進(jìn)系統(tǒng)。且光電倍增管為點(diǎn)探測(cè)，需掃描成像。另外一類(lèi)基于背側(cè)減薄硅基CCD探測(cè)器，其對(duì)可見(jiàn)光的靈敏度非常高，而對(duì)紫外光的靈敏度卻非常低，尤其是對(duì)真空紫外，且可見(jiàn)光對(duì)其影響也很大。此外，CCD的暗電流較大。為了抑制暗信號(hào)，CCD必須在低溫下工作，這樣一來(lái)就加大了技術(shù)難度與成本，而且冷探測(cè)器也是儀器內(nèi)部可凝玷污的一個(gè)冷陷阱。再加之CCD的耐輻照性能很差，這不但會(huì)造成圖像質(zhì)量的下降，而且還會(huì)影響通道的電荷收集效率，帶來(lái)列陣空間響應(yīng)不均勻。寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測(cè)器同時(shí)具有完全可見(jiàn)盲，低電壓，響應(yīng)速度快，耐輻照，增益高，暗電流低，壽命長(zhǎng)，利于光電集成、成本低、體積小、重量輕等優(yōu)勢(shì)，可以克服上述缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種新型的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列的結(jié)構(gòu)和制備工藝。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案一種背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列，該平面探測(cè)陣列以雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)為基底，其特征在于在所述的雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)基底上利用激光分子束外延或射頻反應(yīng)濺射法生長(zhǎng)Al重?fù)诫s的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO層作為透明導(dǎo)電膜，用于電極和UV-C光窗口層，保證UV-C波段的光充分透過(guò)；而且該層的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO的x值要盡可能的大，這樣其禁帶寬度大，對(duì)UV-C的紫外光吸收少，同時(shí)這一層也決定成像器件的短波限；在透明導(dǎo)電膜上外延生長(zhǎng)不摻雜的MgyZn1-yO層，該層的作用是充分吸收紫外光，是紫外探測(cè)單元的核心層；再生長(zhǎng)的一層Al重?fù)诫s的N-MgzZn1-zO外延層，其中z值大于等于MgyZn1-yO層的y值，以實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸；若采用肖特基接觸，則不需要生長(zhǎng)這一層，而是在MgyZn1-yO層上用蒸發(fā)鍍膜工藝制作一層金屬鍍層；最后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列像素單元結(jié)構(gòu)圖形，并在刻蝕好的圖形基礎(chǔ)上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層。
上述背照式ZnO基固態(tài)焦平面陣列紫外成像器件的制備方法，其特征在于，具體包括下列步驟
首先在雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)基底上(也可以利用MgO或石英等基底)利用激光分子束外延(L-MBE)外延生長(zhǎng)一層Al重?fù)诫s的MgxZn1-xO(BexZn1-xO)透明導(dǎo)電膜，起到電極和UV-C光窗口層的作用，亦可以利用其它對(duì)UV-C波段透明的導(dǎo)電薄膜。然后在此基礎(chǔ)上外延生長(zhǎng)不摻雜的對(duì)紫外光敏感的MgyZn1-yO層。為了避免表面態(tài)和吸附層的影響，采用SiO2或其它介質(zhì)進(jìn)行表面鈍化。接著在上面再生長(zhǎng)一層Al(或Ga、In)重?fù)诫s的MgzZn1-zO歐姆接觸外延層。其中z大于等于y即可。這樣其基本結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完成，然后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列式像素單元結(jié)構(gòu)(30×30μm2或其它更小的像素單元)。為了避免表面的影響，在刻蝕好的圖形基礎(chǔ)上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層。然后反應(yīng)離子刻蝕形成上電極的Al接觸孔(或用Au和Pt形成肖特基接觸)，接著利用蒸發(fā)鍍膜的辦法形成金屬接觸，最后利用快速退火激活紫外敏感活性層及形成良好的歐姆接觸。至此，紫外焦平面成像陣列就制作完成。
另外，上接觸電極也可以采用Au或Pt與UID-MgZnO層形成肖特基接觸，這樣每一個(gè)成像單元就是一個(gè)肖特基接觸的紫外探測(cè)單元。由于藍(lán)寶石基底本身對(duì)波長(zhǎng)大于200nm的光是透明的，所以探測(cè)的時(shí)候，紫外光是從襯底藍(lán)寶石背面接收的。
制作完成的背照式的紫外成像陣列單元可以和一個(gè)匹配的Si-CMOS讀出電路芯片，通過(guò)銦凸點(diǎn)互連。然后放在紫外透鏡的焦平面上，加上相應(yīng)的圖像處理、存儲(chǔ)電路和軟件就可以形成一個(gè)完整的紫外成像器件。


圖1本發(fā)明設(shè)計(jì)的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列單元結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明所設(shè)計(jì)的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列單元陣列與專(zhuān)用CMOS讀出電路銦凸點(diǎn)鍵合示意圖。
圖3本發(fā)明像素單元的工藝流程圖，其中，1)為依次生長(zhǎng)不同摻雜的MgZnO，2)為光刻形成圖形，3)為刻蝕臺(tái)面，4)為形成臺(tái)面，5)為沉積SiO2鈍化層，6)為光刻電極區(qū)，7)為刻蝕電極區(qū)，8)為填入Al電極，9)為形成單個(gè)像素單元；圖4本發(fā)明制備的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列的紫外光響應(yīng)譜。
以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是實(shí)現(xiàn)一種背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列及其制備方法。其每一個(gè)成像單元結(jié)構(gòu)如附件中圖1所示，制作方法如圖3所示。
該紫外成像探測(cè)陣列以雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)為基底，在所述的雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)基底上利用激光分子束外延或射頻反應(yīng)濺射法生長(zhǎng)Al重?fù)诫s的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO層作為透明導(dǎo)電膜，用于電極和UV-C光窗口層，保證UV-C波段的光充分透過(guò)；而且該層的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO的x值要盡可能的大，這樣其禁帶寬度大，對(duì)UV-C的紫外光吸收少，同時(shí)這一層也決定成像器件的短波限，(cut-on)。亦可以利用其它對(duì)UV-C波段透明的導(dǎo)電薄膜。
然后在此基礎(chǔ)上外延生長(zhǎng)不摻雜的MgyZn1-yO層，這一層的作用是充分吸收紫外光，是紫外探測(cè)單元的敏感層和核心層。為了避免表面態(tài)的影響，我們將采用SiO2或其它介質(zhì)進(jìn)行表面鈍化。
接著在上面再生長(zhǎng)的一層Al重?fù)诫s的N-MgzZn1-zO外延層，其中z值大于等于MgyZn1-yO層的y值，以實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸；若采用肖特基接觸，則不需要生長(zhǎng)這一層，而是在MgyZn1-yO層上用蒸發(fā)鍍膜工藝制作一層金屬鍍層；這樣其基本結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完成，然后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列像素單元結(jié)構(gòu)圖形(例如30×30μm2)(圖1)，為了避免表面的影響，在刻蝕好的陣列像素單元結(jié)構(gòu)圖形基礎(chǔ)上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層。然后反應(yīng)離子刻蝕形成上電極的Al接觸孔(或用Au和Pt形成肖特基接觸)，接著利用蒸發(fā)鍍膜的辦法形成金屬接觸電極，最后利用快速退火激活紫外敏感活性層及形成良好的歐姆接觸。至此，紫外焦平面成像陣列就制作完成。
制作完成的背照式的紫外成像探測(cè)陣列單元可以和一個(gè)匹配的Si-CMOS讀出電路芯片，通過(guò)銦凸點(diǎn)互連(圖2)。然后放在紫外透鏡的焦平面上，加上相應(yīng)的圖像處理、存儲(chǔ)電路和軟件就可以形成一個(gè)完整的紫外成像器件。
另外，接觸電極也可以采用Au或Pt與UID-MgZnO層形成肖特基接觸，這樣一來(lái)每一個(gè)成像單元就是一個(gè)肖特基接礎(chǔ)的紫外探測(cè)單元。這一點(diǎn)在研究中都可以靈活的實(shí)驗(yàn)。
由于藍(lán)寶石基底(或其它對(duì)紫外透過(guò)的基底)本身對(duì)波長(zhǎng)大于200nm的光是透明的，所以探測(cè)的時(shí)候，光是從襯底藍(lán)寶石背面接收的。另外，制作完成的背光照明的紫外成像陣列單元可以和一個(gè)匹配的Si-CMOS讀出電路芯片，通過(guò)銦凸點(diǎn)互連。
工藝方面利用LMBE實(shí)現(xiàn)日盲紫外焦平面成像陣列的主要結(jié)構(gòu)，利用光刻、濕法刻蝕、ICP離子刻蝕、RIE離子刻蝕實(shí)現(xiàn)其微結(jié)構(gòu)的加工。利用蒸發(fā)鍍膜和快速熱退火工藝實(shí)現(xiàn)歐姆接觸或肖特基接觸。利用磁控濺射實(shí)現(xiàn)鈍化層的沉積，利用KNS球焊機(jī)實(shí)現(xiàn)凸點(diǎn)的制作。
本發(fā)明制備的背照式ZnO基固態(tài)焦平面陣列像素單元的紫外光響應(yīng)譜參見(jiàn)圖4。由圖4可知，單個(gè)ZnO探測(cè)器單元的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)約在365nm左右，截至波長(zhǎng)約為382nm。
權(quán)利要求
1.一種背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列，該平面探測(cè)陣列以雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)為基底，其特征在于在所述的雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)基底上利用激光分子束外延或射頻反應(yīng)濺射法生長(zhǎng)Al重?fù)诫s的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO層作為透明導(dǎo)電膜，用于電極和UV-C光窗口層，保證UV-C波段的光充分透過(guò)；而且該層的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO的x值要盡可能的大，這樣其禁帶寬度大，對(duì)UV-C的紫外光吸收少，同時(shí)這一層也決定成像器件的短波限；在透明導(dǎo)電膜上外延生長(zhǎng)不摻雜的MgyZn1-yO層，該層的作用是充分吸收紫外光，是紫外探測(cè)單元的核心層；再生長(zhǎng)的一層Al重?fù)诫s的N-MgzZn1-zO外延層，以實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸；或采用肖特基接觸，直接在MgyZn1-yO層上用蒸發(fā)鍍膜工藝制作一層金屬鍍層；最后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列像素單元結(jié)構(gòu)圖形，并在刻蝕好的成陣列像素單元結(jié)構(gòu)圖形上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層。
2.權(quán)利要求1所述的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列的制備方法，其特征在于，具體包括下列步驟首先在雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)基底上利用激光分子束外延外延生長(zhǎng)一層厚度為50nm-100nm的Al重?fù)诫s的MgxZn1-xO或BexZn1-xO外延層，作為透明導(dǎo)電膜，該透明導(dǎo)電膜起到電極和UV-C光窗口層的作用；然后在透明導(dǎo)電膜上外延生長(zhǎng)非摻雜的MgyZn1-yO層作為紫外探測(cè)單元的敏感層和核心層，用于充分吸收紫外光，也可采用SiO2或其它介質(zhì)進(jìn)行表面鈍化；接著MgyZn1-yO層上面再生長(zhǎng)一層Al重?fù)诫s的MgzZn1-zO外延層，其中z值大于等于摻雜的MgyZn1-yO層的y值，用于實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸；如果采用肖特基接觸，則采用蒸發(fā)鍍膜工藝直接在MgyZn1-yO層上制作一層金屬鍍層；然后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列像素單元結(jié)構(gòu)圖形；再在刻蝕好的陣列像素單元圖形基礎(chǔ)上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層；然后用反應(yīng)離子刻蝕形成歐姆接觸Al電極的接觸孔，再利用蒸發(fā)鍍膜的方法形成金屬接觸(或用Au和Pt形成肖特基接觸)；最后利用快速退火激活紫外敏感活性層及形成良好的歐姆接觸；即可制作完成背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測(cè)陣列及制備，在雙面拋光的藍(lán)寶石(0001)基底上利用激光分子束外延生長(zhǎng)Al重?fù)诫s的Mg
文檔編號(hào)H01L31/101GK101055881SQ20071001779
公開(kāi)日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者張景文, 畢臻, 邊旭明, 侯洵, 楊曉東, 韓峰 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)