鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器及其製造方法
2023-09-18 22:08:35 2
專利名稱：鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種探測器，尤其是涉及一種鎵砷磷/磷化鎵(GaAsP/GaP)黃光窄帶探測器及其製造方法。
背景技術：
紅外上轉換材料是利用不可見的紅外光來激發產生可見光(通常是黃光)的一種光學功能材料，具有成分複雜、不易被發 現、隱蔽性好、化學穩定性強等特點，廣泛運用在防偽技術上。高效率的紅外上轉換材料使用價格比較高，因此，在進行油墨混合時，要求儘量降低轉換材料含量，這樣，上轉換油墨轉換的可見光的強度就會很弱。此外，在實際應用中，紅外雷射光功率遠大於上轉換材料發出的可見光。所以紅外雷射也是光敏檢測器件的強大「幹擾源」。因此，對於紅外上轉換材料的檢測器的探測靈敏度提出更高的要求。紅外上轉換材料的研究和應用得到大力發展的同時，與其相應的檢測技術和手段還相對較為落後。紅外功能轉換材料的檢測，要麼依靠肉眼，要麼需要煩瑣昂貴的檢測手段，如在光敏器件表面加多層濾光片、使用體積龐大的光電倍增管等。近年來，國內外一些研究機構也在積極開展上紅外轉換材料的探測方法研究，但是受限於目前市場上沒有隻對可見光(特別是黃光)具有高響應而對紅外光幾乎不響應的光敏器件，設計的測試儀器仍然較為複雜龐大目前只能用於實驗室研究，更談不上商業化的快速、自動化檢測。在紅外光的照射下，紅外上轉換材料的發射光的譜帶隨材料不同略有變化，但是通常都在黃光波段，GaP系材料對黃光具有很高的靈敏性，其光響應窗口在550 600nm，而對紅外光響應度基本為零，是製備紅外上轉換材料檢測器的優良半導體材料。中國專利CN1399351公開一種特別適合於長波與甚長波響應的高量子效率窄帶光譜響應的量子阱紅外探測器，包括窄帶濾光片，在窄帶濾光片的一表面附著厚度為幾個微米的量子阱薄層，在量子阱薄層上面還製備有一無序型光柵。其中還公開了各部分的製備過程和相關的工作模式。這類器件結構的優點是將有效地提高器件的量子效率和工作溫度，抑制器件的暗電流和背景光電流，進而大大提高器件的性能。中國專利CN101494243公開一種光子晶體耦合窄帶響應量子阱紅外探測器。將光子晶體與量子阱紅外探測單元相結合，光子晶體作為耦合單元直接嵌套在紅外探測單元內。由於周期性的表面結構及光子晶體對光子態的調製，導致量子阱紅外探測單元對特定波段的響應增強，而其它波段的響應受到抑制，達到窄波段探測的目的。與傳統的量子阱探測器相比，這種探測器有如下優點一、響應波段窄，可以通過光子晶體對光子態的調控以及量子阱本身結構控制，來調節響應峰值波長的位置。二、峰值波長探測效率高，由於實現了光子態的控制，探測效率得到了提高。三、便於用戶導向型設計，光子態的調控提供了新的設計維度，更加有利於根據用戶要求，優化產品響應波段匹配性能。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用於紅外上轉換材料檢測的鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器及其製造方法。所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器(GaAsP/GaP PIN PD)設有外延片，所述外延片自下而上依次設有n型高摻雜磷化鎵單晶襯底、非摻雜的磷化鎵緩衝層、非摻雜的GaAsai5Pa85光吸收層和非摻雜的磷化鎵帽層，在外延片的n型高摻雜磷化鎵單晶襯底的底部設n型歐姆接觸電極；在外延片的非摻雜的磷化鎵帽層上依次生長氮化矽掩膜、通過鋅擴散形成的P型高摻雜擴散層、P型歐姆接觸電極和氮化矽抗反射膜。所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄 帶探測器的製造方法包括以下步驟I)將外延片清洗；2)在外延片上生長氮化矽掩膜；3)對氮化娃掩膜進行光刻幹法腐蝕,裸露出擴散窗口 ；4)以鋅為擴散源進行開管鋅擴散，形成P型高摻雜擴散層；5)光刻，濺射p型歐姆接觸電極金屬和焊盤金屬；6)剝離出P型的歐姆接觸電極圖形和焊盤圖形；7)在流片背面濺射電極金屬，生成N型的歐姆接觸圖形；8)快速熱退火，形成P-型歐姆接觸電極和N-型歐姆接觸電極；9 )濺射氮化矽抗反射膜；10)光刻，幹法腐蝕出焊盤窗口；11)對流片進行測試、分類、劃片、封裝。本發明具有容易製備、成本低廉、對紅外光幾乎不響應等優點，可用於鈔票等的紅外上轉換材料檢測，提高驗鈔機的驗鈔能力，具有潛在的廣大市場。為了只吸收黃光，本發明在於採用GaAsai5Pa85 (鎵砷磷)作為光吸收層。為了製備工藝較簡單以及器件具有高增益、低暗電流、高量子效率、高穩定性等優點，本發明在於採用平面PIN結構。
圖I為本發明所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器實施例的平面結構示意圖。圖2為本發明所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器實施例的相對光譜響應。在圖2中,橫坐標為入射光波長(nm),縱坐標為相對光譜響應。圖3為本發明所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器實施例的伏安特性。在圖3中，橫坐標為反向偏壓/V，縱坐標為電流/A ; 為550nm光入射電流，▲為暗電流。
具體實施例方式參見圖1，所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器(GaAsP/GaP PIN PD)實施例設有外延片，所述外延片自下而上依次設有n型高摻雜磷化鎵單晶襯底2、非摻雜的磷化鎵緩衝層3、非摻雜的GaAsai5Pa85光吸收層4和非摻雜的磷化鎵帽層5，在外延片的n型高摻雜磷化鎵單晶襯底2的底部設n型歐姆接觸電極I ;在外延片的非摻雜的磷化鎵帽層5上依次生長氮化矽掩膜6、通過鋅擴散形成的p型高摻雜擴散層7、p型歐姆接觸電極8和氮化矽抗反射膜9。所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器的製造方法包括以下步驟I)將外延片(參見圖I)清洗；
2)在外延片上生長氮化矽掩膜6 ；3)對氮化娃掩膜進行光刻幹法腐蝕,裸露出擴散窗口 ；4)以鋅為擴散源進行開管鋅擴散，形成P型高摻雜擴散層7 ；5)光刻，濺射p型歐姆接觸電極金屬和焊盤金屬；6)剝離出P型的歐姆接觸電極圖形8和焊盤圖形；7)在流片背面濺射電極金 屬，生成N型的歐姆接觸圖形；8)快速熱退火，形成P-型歐姆接觸電極8和N-型歐姆接觸電極I ;9)濺射氮化矽抗反射膜9 ；10)光刻，幹法腐蝕出焊盤窗口；11)對流片進行測試、分類、劃片、封裝。根據鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器只能在黃光有響應對紅外光不響應的要求對外延片結構參數進行設計，按照設計要求製備好金屬有機化合物化學氣相沉澱(MOCVD)生長的外延片。外延片依次經過甲苯一丙酮一乙醇一去離子水超聲清洗後，用冷熱去離子水反覆衝洗，用氮氣吹乾備用。在外延片上用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)先生長一層厚度2000A呈金黃色的氮化矽。用第一塊光刻版和翻轉膠，採用常規的光刻工藝，在氮化矽上光刻並通過幹法刻蝕得到擴散窗口，供鋅擴散之用。將外延片裝入爐中進行擴散，晶片和鋅擴散源放置在石英舟。將石英舟裝入單邊封閉的石英管然後放入擴散爐。入爐時，片子靠近鼓風口一端，擴散源在擴散爐中央位置。然後抽真空通氮，反覆多次，直到爐中氧氣被排放乾淨。接著在氮氣和氫氣氛圍升溫擴散。擴散的恆溫溫度為550 580°C，恆溫時間為20 70，N2和H2氣流量分別為lL/min和0. 2^0. 25L/min。擴散時間到達後，進行鼓風水冷，直到爐子溫度降到200°C然後關氣，取出外延片。對外延片進行正面黑漆保護，背面溼法腐蝕，腐蝕溶液用2HC1: IHNO3:2H20,腐蝕時間 8 IOmin。用第二塊光刻版進行光刻，然後派射Zn50nm/Au220nm,浸泡丙酮剝離,得到p面電極和焊盤圖形。在外延片背面灘射25nmNi/50nm Ge/150nmAu作為n面電極。在四管擴散爐中，恆溫450°C退火8min。用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)生長一層折射率在I. 8，厚度為I5OOA的氮化矽作為增透膜。用第3塊光刻版，採用常規光刻，幹法腐蝕出焊盤窗口。然後進行測試、分類、劃片等工序，完成整個晶片的製作過程。本發明通過開管擴Zn工藝在550 580°C下實現了鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器(GaAsP/GaP PIN PD)光電探測器，這種鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶光電探測器，反向偏壓為5V時候的暗電流<4nA、光譜響應的峰值處於550nm，對紅外光幾乎不響應。所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器實施例的相對光譜響應圖2所示。所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器實施例的伏安特性如圖3所示。
權利要求
1.鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器，其特徵在於設有外延片，所述外延片自下而上依次設有η型高摻雜磷化鎵單晶襯底、非摻雜的磷化鎵緩衝層、非摻雜的GaAsai5Pa85光吸收層和非摻雜的磷化鎵帽層，在外延片的η型高摻雜磷化鎵單晶襯底的底部設η型歐姆接觸電極；在外延片的非摻雜的磷化鎵帽層上依次生長氮化矽掩膜、通過鋅擴散形成的P型高摻雜擴散層、P型歐姆接觸電極和氮化矽抗反射膜。
2.如權利要求I所述鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器的製造方法，其特徵在於包括以下步驟 1)將外延片清洗； 2)在外延片上生長氮化娃掩膜； 3)對氮化娃掩膜進行光刻幹法腐蝕，裸露出擴散窗口； 4)以鋅為擴散源進行開管鋅擴散，形成P型高摻雜擴散層； 5)光刻，濺射P型歐姆接觸電極金屬和焊盤金屬； 6)剝離出P型的歐姆接觸電極圖形和焊盤圖形； 7)在流片背面濺射電極金屬，生成N型的歐姆接觸圖形； 8)快速熱退火,形成P-型歐姆接觸電極和N-型歐姆接觸電極； 9)濺射氮化矽抗反射膜； 10)光刻，幹法腐蝕出焊盤窗口； 11)對流片進行測試、分類、劃片、封裝。
全文摘要
鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器及其製造方法，涉及一種探測器。提供一種用於紅外上轉換材料檢測的鎵砷磷/磷化鎵黃光窄帶探測器及其製造方法。探測器設有外延片，外延片自下而上依次設有n型高摻雜磷化鎵單晶襯底、非摻雜的磷化鎵緩衝層、非摻雜的GaAs0.15P0.85光吸收層和非摻雜的磷化鎵帽層，在外延片的n型高摻雜磷化鎵單晶襯底的底部設n型歐姆接觸電極；在外延片的非摻雜的磷化鎵帽層上依次生長氮化矽掩膜、通過鋅擴散形成的p型高摻雜擴散層、p型歐姆接觸電極和氮化矽抗反射膜。具有容易製備、成本低廉、對紅外光幾乎不響應等優點，可用於鈔票等的紅外上轉換材料檢測，提高驗鈔機的驗鈔能力。
文檔編號H01L31/18GK102820344SQ20121027726
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月6日 優先權日2012年8月6日
發明者肖雪芳, 陳朝 申請人:廈門理工學院