專利名稱：一種紫外線檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種紫外線檢測裝置，通過使用雙重緩沖結構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：
紫外線的應用很廣泛，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的。如文物書畫，橡膠塑料，在長期照射下會發生老化，紫外線還會傷害眼睛，皮膚和花木等等。因此檢測紫外線的輻射強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，可用于開發紫外線檢測組件。由該材料制成的紫外感測組件可應用于能測量各種環境中的紫外線輻照劑量，例如偵測火災、生物檢測、空氣污染偵測等工業用途。
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(Schottky junction)來制造紫外線檢測裝置。傳統的紫外線檢測裝置僅僅在藍寶石基底和氮化鎵外延層之間包含有一個高溫氮化鋁(AlN)緩沖層。如此構造的紫外線檢測裝置的可靠性和壽命均很不理想，在長時間照射高強度的紫外線之后，紫外線的檢測精度會大幅下降。
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-半導體-金屬的結構形式(背對背的兩個肖特基結)，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相互交叉的肖特基結中間的半導體材料來進行紫外線檢測的。該兩個肖特基結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，具有如此結構的紫外線檢測裝置對紫外線的檢測性能隨著時間的推移會逐漸降低。
因此，需要提供一種穩定可靠、具有較強耐紫外線能力的檢測裝置。
發明內容
本發明的目的是提供一種穩定性和耐紫外線能力均比現有技術有顯著提高的紫外線檢測裝置，其可在高強度的紫外線的長時間照射后，仍保持良好的響應度。
為了實現上述目的，本發明提供了一種紫外線檢測裝置，包括如下的結構一藍寶石基底層；一高溫氮化鋁緩沖層，生長在該藍寶石基底層之上；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；一肖特基結層，形成在該氮化鎵外延層之上；多個電阻觸點，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構，從而提高了該紫外線檢測裝置的穩定性和耐輻射性。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分子束磊晶成長技術形成。
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，該肖特基結層是半透明的，該紫外線檢測裝置的有效區域由該肖特基結層構成。
本發明的有益效果是，通過在紫外線檢測裝置中使用三層結構(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間檢測紫外線輻射。相反，對于不具有該中溫緩沖層的現有技術中的檢測裝置，在長時間暴露于紫外線之下時，性能會很快下降，并且測量結果變得不精確。
本發明采用射頻等離子體增強分子束磊晶成長(rf-plasma enhanced MBEgrowth)技術來形成氮化鎵緩沖層和氮化鋁緩沖層。發現通過利用該雙層的緩存結構，可提高氮化鎵薄膜的電子和光學特性。另外，實驗證明該中溫緩沖層的最初的厚度增長導致該薄膜的電子和光學特性的穩定提高。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，本發明僅包括一個肖特基結，其通過沉積一個非常薄的半透明金屬層來形成。本發明的紫外線檢測是通過讓紫外線穿過該形成肖特基結的薄金屬膜而在該肖特基結上進行的。另外，本發明是利用射頻等離子體源來形成的。因此，本發明無論在結構上，還是工作原理上，均與該對比文件公開的裝置明顯不同。其結果是，本發明的裝置具有比該對比文件的裝置具有更加優異和穩定的性能。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
圖1是根據本發明實施例的紫外線檢測裝置的結構示意圖；圖2是本發明的紫外線檢測裝置的典型響應曲線示意圖；圖3是顯示本發明的紫外線探測器與現有技術的探測器的噪聲功率譜密度的對比曲線圖；圖4是顯示本發明的紫外線探測器與現有技術的探測器的響應度的對比曲線圖；圖5示出了用于放大光電流的一種典型電路。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明的紫外線檢測裝置10的結構為首先在藍寶石基底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層15，該紫外線檢測裝置的有效區域由該肖特基結層15構成，該肖特基結層15由大約5nm厚的鎳(Ni)的薄層構成。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成的肖特基結層15上沉積有厚的鋁結合墊17。該半透明層上的鋁墊17方便了與該肖特基結的線連接和電接觸。在該外延層14之上也形成有電阻觸點(Ohmic contact)16，從而構成完整的紫外線檢測裝置10。
另外，本發明采用射頻等離子體增強分子束磊晶成長技術來形成氮化鎵緩沖層和氮化鋁緩沖層，該技術的工作頻率為13.6MHz。
由上述本發明的紫外線檢測裝置的結構可知，本發明由氮化鋁層12和一中溫氮化鎵緩沖層13組成了一雙重緩沖結構。經驗證，使用獨特的該雙重緩沖結構而在薄膜上形成該裝置時，檢測裝置的可靠性會顯著地提高。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。
具有上述結構的紫外線檢測裝置的典型響應顯示在圖2中。從圖2可以看出，該紫外線測試設備僅僅對紫外線敏感，不對可見光敏感。在該設備的正常操作過程中，不需要施加偏壓到該測試設備上。當該設備受到紫外線的照射時，在該設備內就會產生光電流。該光電流通過一放大器進行放大，并從電流信號轉換為電壓信號。從而得出紫外線的輻射強度。圖5示出了用于放大該光電流的一種典型電路。
圖3示出了本發明的紫外線探測器與現有技術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間(該檢測裝置暴露在高強度UV輻射源之下的時間)函數的變化情況。
低頻噪聲是衡量檢測裝置性能的重要的品質因數。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。
半導體設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是波動時間常數，V是施加到該設備的直流電壓，N是該設備有效區域內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。該缺陷密度是該設備的響應度。較大溫度范圍內的噪聲測量的結果顯示，通過使用該中溫緩沖層(ITBL)，降低了系統的低頻噪聲。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量相應地惡化了。形成有中溫緩沖層的檢測裝置的功率譜密度甚至在90小時之后也沒有明顯的變化。由此可見，本發明的該雙重緩沖結構可以極大地氮化鎵薄膜不受高強度紫外線的損壞，從而提高裝置的穩定性和壽命。
圖4是顯示本發明的紫外線探測器與現有技術的探測器的響應度(Responsivity)的對比曲線圖。其中顯示了在高強度紫外線輻射之前和之后，典型的響應度變化情況。其中實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度曲線，點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小時之后的響應度曲線；而細實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小時之后的響應度曲線。
從圖4可以看出，形成有中間緩沖層的檢測裝置在高強度的紫外線照射了90小時之后，響應度沒有任何下降。可能由于該輻射過程的退火效應(annealing effect)，該檢測裝置的響應度反而有所上升。對于沒有形成中溫緩沖層的檢測裝置，在紫外線照射了57小時之后，在350nm處響應度下降了大約50％。更重要的是，該檢測裝置在可見區域(波長大于400nm)的信號顯著增大了。這會增大妨礙該檢測裝置正常操作的背景電流。從圖3進一步可以看出，在進行了35小時的紫外線輻射之后，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度紫外線下超過90小時，這是因為在假定每天接受日光輻射10小時的情況下，90小時的紫外線輻射總量相當于大約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明。本發明的保護范圍由隨后的權利要求書所確定。
權利要求
1.一種紫外線檢測裝置，其特征在于，包括如下的結構一藍寶石基底層；一高溫氮化鋁緩沖層，生長在該藍寶石基底層之上；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；一肖特基結層，形成在該氮化鎵外延層之上；多個電阻觸點，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構，從而提高了該紫外線檢測裝置的穩定性和耐輻射性，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分子束磊晶成長技術形成。
2.如權利要求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-型半導體層。
5.如權利要求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.如權利要求1所述的紫外線檢測裝置，其特征在于，該肖特基結層是半透明的，該紫外線檢測裝置的有效區域由該肖特基結層構成。
全文摘要
一種紫外線檢測裝置，包括如下的結構一藍寶石基底層；一高溫氮化鋁緩沖層，生長在該藍寶石基底層之上；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；一肖特基結層，形成在該氮化鎵外延層之上；多個電阻觸點，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構，從而提高了該紫外線檢測裝置的穩定性和耐輻射性。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分子束磊晶成長技術形成。
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 優先權日2005年4月15日
發明者徐星全 申請人:香港理工大學