太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置的制作方法

專利名稱：太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型用于太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置，尤其是利用GaN 基和AlGaN基微型紫外探測器、
二背景技術：
當皮膚受到紫外線的照射時，人體表皮層中的黑色素細胞開始產生黑色素來吸收紫 外線，以防止皮膚受到傷害。長時間的紫外線照射會引起大量黑色素沉積在表皮層中， 成為永久性的"曬黑"痕跡。大氣層中的臭氧層保護地球上的生命免受太陽光強烈紫外 線的傷害。
近年來，由于大氣平流層臭氧遭到日趨嚴重的破壞，臭氧層的損耗使得到達地球表 面的紫外線輻射增加，地面接受的紫外線輻射量增多。接受過多紫外線輻射將引起細胞 內DNA改變，細胞的自身修復能力減弱，免疫機制減退，使皮膚容易發生彈性組織變性、 角化以至皮膚癌變，誘發眼球晶體產生白內障等。為此，世界各國的環境科學家都提醒 人們應該十分注意紫外線輻射對人體的危害并采取必要的預防措施。
對人體有害的紫外線分為紫外線A (UVA)、紫外線B (UVB)、紫外線C (UVC)。 其中，波長范圍在200nm-290nm的紫外線C將通過大氣中臭氧層大部分被吸收，不會對 人體產生危害。但是，波長范圍在在320nm-400nm的紫外線A和290nm-320nm的紫外線 B將可通過大氣層并對人體產生危害。
紫外線A (UVA)在日常生活中經常接觸到，被稱為生活紫外線，它可透射到皮膚內 部的真皮層并影響保持皮膚彈性的膠原組織、彈性蛋白酶和色素細胞，從而加速皺紋和 彈性降低等皮膚老化和黑色素著色導致的色斑，它的特征與天氣狀況無關。紫外線B(UVB) 又稱激光紫外線，當皮膚在長期暴露在強太陽光時，在紫外線B的照射下，皮膚將被透 紅并帶有疼痛、發炎等癥狀。因此，為保護居民避免紫外照射，避免因紫外線照射而引 起的各種危害，近年來，氣象局通常像一般居民預報紫外射線指數。
紫外線指數是指，當太陽在天空中的位置最高時(一般是在中午前后，即從上午十 時至下午三時的時間段里)，到達地球表面的太陽光線中的紫外線輻射對人體皮膚的可 能損傷程度。紫外線指數變化范圍用0 — 1 5的數字來表示，通常，夜間的紫外線指數
為0 ，熱帶、高原地區、晴天時的紫外線指數為1 5 。當紫外線指數愈高時，表示紫外 線輻射對人體皮膚的紅斑損傷程度愈加劇，同樣地，紫外線指數愈高，在愈短的時間里 對皮膚的傷害也愈大。
由于地區和時間的不同，紫外射線的差別較大，同時，氣象局預報的紫外指數無法 適時提供準確地紫外線指數。
現有的紫外射線測量裝置不便于個人攜帶，個人購置成本高，不便于隨時監測和掌 握紫外射線的輻射強度，及時采取防護措施。
以GaN為代表的III-V族寬直接帶隙半導體由于具有帶隙寬(E g=3.39e V)、發光 效率高、電子漂移飽和速度高、熱導率高、硬度大、介電常數小、化學性質穩定以及抗 輻射、耐高溫等特點，在高亮度藍光發光二極管、藍光激光器和紫外探測器等光電子器 件以及抗輻射、高頻、高溫、高壓等電子器件領域有著巨大的應用潛力和廣闊的市場前 景，引起人們的極大興趣和廣泛關注。A1N與GaN，屬寬禁帶的III-V族化合物半導體， 是一種重要的紫外材料，加上它具有高的熱導率、低的熱膨脹系數、和壓電效應等其他 重要的物理性質而在電學、光學等領域有著廣泛的應用前景。AlGaN紫外探測器具有帶 隙連續可調，高的量子效率、適當的帶寬、快的響應速度等特性和探測器芯片微型化， 已經引起了人們的極大興趣。

發明內容
為解決上述問題，本發明目的是利用M0CVD (金屬有機物化學汽相外延)方法合 成生長的GaN基或AlGaN基結構微型紫外探測器芯片，采用集成電路設計的微型電路驅 動系統和微型液晶顯示或其它微型聲像系統集成的一種用于太陽光紫外線指數監測的微 型探測裝置。該裝置在設計、集成和使用領域都具有先進性。本發明目的尤其是采用集 成電路設計的微型電路驅動電路和微型顯示的液晶顯示面板或其它微型聲、像、光顯示 系統構成的一種太陽光紫外線強度的測量顯示裝置，該裝置可廣泛用于手表、手機、玩 具等一切可移動并可隨身攜帶的儀器設備中。具有微型、適時檢測紫外射線強度的功能。
本發明技術解決方案是用于太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置，采用GaN基 或AlGaN基結構微型紫外探測器芯片，本發明是利用MOCVD (金屬有機物化學汽相外延) 方法合成生長的，采用集成電路設計的驅動電路系統和微型液晶顯示或其它微型聲像系 統集成的一種用于太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置。由驅動電路對探測器人信號 進行放大輸出，驅動電路是由放大電路和AD轉換和信號處理及顯示電路構成，探測器先
接放大電路再連接AD轉換、信號處理及顯示電路。
該裝置由1.5伏或3伏紐扣電池電源驅動，可用于手表、手機、玩具等一切可移動 并可隨身攜帶的儀器設備中。再采用集成電路設計的微型驅動電路系統，微型液晶顯示 或其它微型聲像系統集成的一種新型用于太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置。
本發明由三部分構成，首先設計解決的關鍵是利用微型化GaN基或AlGaN基結構 微型紫外探測器芯片，芯片尺寸小于2-3 mm。在290nm-400nm的包含紫外線A和紫外 線B譜線范圍的適當帶寬內的響應特性；其次是驅動電路采用紐扣電池的集成電路設 計的微型驅動電路系統，該驅動電路構成是由放大電路經AD轉換和信號處理及顯示電 路構成，AD轉換和信號處理及顯示電路可以一微處理器構成，將探測器芯片對應不同 紫外波段的響應信號放大并經過紫外指數校正后輸出，直接給出紫外線指數信號，使 用微處理芯片構成的該驅動電路集成塊尺寸小于20mm*20mm;最后是微型液晶顯示或其 它微型聲像系統，該系統和上述器件集成整體尺寸小于20腿*20咖，厚度小于5mm。
4.本發明的機理和技術特點
利用微型化GaN基或AlGaN基結構微型紫外探測器對紫外射線具有帶隙連續可調， 高的量子效率、適當的帶寬、快的響應速度等特性，通過微型放大集成電路和微型顯示 輸出裝置直接、適時顯示太陽光紫外線強度。該裝置特點是對紫外線響應靈敏，響應速 度快，結構微型化，成本低，適時性好等。使用1.5伏或3伏紐扣電池電源驅動。
本發明采用集成電路設計的微型電路驅動電路和微型顯示的液晶顯示面板或其它 微型聲、像、光顯示系統構成的一種太陽光紫外線強度的測量顯示裝置，該裝置可廣泛 用于手表、手機、玩具等一切可移動并可隨身攜帶的儀器設備中。具有微型、適時檢測 紫外射線強度的功能。
四

圖1 為本發明使用AlGaN/GaN基紫外探測器芯片的電路框圖
圖2為本發明的采用一種AlGaN/GaN基RCE pin紫外探測器響應圖。該探測器采
用Ti/Al， Ni/Au做歐姆金屬，在297nra波段，O伏偏壓下器件的響應度為0. 0064A/W ;
在323nm波段，零伏偏壓情況下器件的響應度為0. 005A/W。
圖3為本發明采用的一種GaN p-i-n型探測器響應譜，在0偏壓下峰值響應度達
0.17A/W。正、背照射GaN基AlGaN/GaN異質結p-i-n型探測器，都獲得了 290_360nm的
窗口響應。為需要窗口探測的應用打下了基礎。
圖4為本發明裝置的方框圖。整個裝置集成整體尺寸小于20mm*20ram，厚度小于 5mm。圖5為本發明包括微型紫外探測芯片的系統控制電路圖。 五具體實施例方式
本發明利用M0CVD (金屬有機物化學汽相外延)外延生長系統研制的GaN基和AlGaN 基紫外探測器，采用集成電路設計的驅動電路芯片，和微型化的聲、像、光顯示系統。 具體包括以下幾步
1、 利用M0CVD (金屬有機物化學汽相外延)外延生長系統研制的GaN基和AlGaN 基紫外探測器。探測器芯片尺寸小于2-3 ■，即4-9瞧2;在290nm-400nm的包含紫外 線A和紫外線B譜線范圍的適當帶寬內具有響應特性。
2、 典型的AlGaN基紫外探測器結構是GaN基紫外探測器或AlGaN基紫外探測器； 結構之一是AlGaN基共振增強單色紫外探測器，在藍寶石襯底上設有厚度在50-2000nm 的低溫和高溫GaN材料，GaN材料上分別設有15-80nm和15-lOOran的5-50個周期的 AIN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡為底鏡；在上述底鏡上設有 n-AlxGal-xN/i-GaN/p-AlxGal-xN結構的諧振腔即設有20-80nm厚的高溫 n-AlxGal-xN， 5_30nm厚的高溫i-GaN吸收層，20_80nm厚的高溫p-AlxGal-xN， Al 組分x>0. 3作為探測器的諧振腔；最后是層厚分別為15-80nm和15-lOOnm的0-30個 周期的AIN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡即頂鏡完成RCE紫外探測器結構。
3、 圖5所示，驅動電路由放大電路經AD轉換和信號處理及顯示電路構成，AD轉 換和信號處理及顯示電路可以一微處理器構成，將探測器芯片對應不同紫外波段的響 應信號放大并經過紫外指數校正后輸出，直接給出紫外線指數信號。驅動電路采用1.5 伏或3伏紐扣電池電源驅動的集成電路設計的微型驅動電路系統，如圖所示，該驅動 電路將把探測器芯片對應不同紫外波段的響應信號放大并經過紫外指數校正后輸出， 直接給出紫外線指數信號，該驅動電路集成塊尺寸小于20咖*20咖。如電路框圖所示， 由探測器、信號放大電路、AD轉換電路、信號處理電路、顯示電路構成，微處理器XTAL1 或XTAL2完成AD轉換電路和顯示電路、信號處理電路構成，
4、 采用微型液晶顯示或其它微型聲、像、光系統，該系統和上述器件集成整 體尺寸小于20mm*20mm，厚度小于5咖。
5、 由上述單元構成的新型用于太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置整體 尺寸小于20mm * 20 mm，厚度小于5mm。
權利要求
1、 太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置，其特征是利用GaN基和AlGaN基微型 紫外探測器、芯片尺寸小于2-3mm，在290nm-400nm波長的包含紫外線A和紫外線B譜 線范圍的帶寬內的響應特性；并由驅動電路對探測器人信號進行放大輸出，驅動電路是 由放大電路和AD轉換和信號處理及顯示電路構成，探測器先接放大電路再連接AD轉換、 信號處理及顯示電路。
2、 由權利要求1所述的太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置，其特征是紫外探 測器采用AlGaN基紫外探測器，AlGaN基共振增強單色紫外探測器的結構是在藍寶石 襯底上設有厚度在50-2000nm的低溫和高溫GaN材料，GaN材料上分別設有15-80nm和 15-100nm的5-50個周期的AIN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡為底鏡；在上述底 鏡上設有n-AlxGal-xN/i-GaN/p-AlxGal-xN結構的諧振腔即設有20-80nm厚的高溫 n-AlxGal-xN， 5-30nm厚的高溫i-GaN吸收層，20-80nm厚的高溫p-AlxGal-xN， Al組 分xX). 3作為探測器的諧振腔；最后是層厚分別為15-80nm和15-lOOrm的0-30個周期 的AIN/AlGaN多層結構的分布布拉格反射鏡即頂鏡完成RCE紫外探測器結構。
3、 由權利要求l所述的太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置，其特征是AD轉換 和信號處理及顯示電路以一微處理器構成；驅動電路采用1. 5伏或3伏紐扣電池電源。
全文摘要
太陽光紫外線指數監測的微型探測裝置，是利用GaN基和AlGaN基微型紫外探測器、芯片尺寸小于2-3mm²，在290nm-400nm波長的包含紫外線A和紫外線B譜線范圍的帶寬內的響應特性；并由驅動電路對探測器人信號進行放大輸出，驅動電路是由放大電路和AD轉換和信號處理及顯示電路構成，探測器先接放大電路再連接AD轉換、信號處理及顯示電路。本發明利用微型化GaN基或AlGaN基結構微型紫外探測器對紫外射線具有帶隙連續可調，適當的帶寬、快的響應速度等特性，通過微型放大集成電路和微型顯示輸出裝置直接、適時顯示太陽光紫外線強度。
文檔編號G01J1/44GK101122519SQ20071002612
公開日2008年2月13日 申請日期2007年8月15日 優先權日2007年8月15日
發明者修向前, 斌 劉, 榮 張, 毅 施, 朱順明, 江若璉, 胡立群, 謝自力, 紅 趙, 鄭有炓, 平 韓, 顧書林 申請人:南京大學