光导型双色紫外红外探测器及其制备方法.pdf

光导型双色紫外红外探测器及其制备方法，它涉及一种双色紫外红外探测器结构及其制备方法。本发明解决了现有的同时探测红外和紫外信号的双色红外紫外探测器的结构复杂及探测成本高的问题。探测器结构是在蓝宝石衬底外延依次生长有AlN层、GaN层、GaN/Alx1Ga1-x1N多量子阱、GaAs过渡层、GaAs/Alx2Ga1-x2As多量子阱和GaAs盖层；方法：一、蓝宝石衬底置于分子束外延系统中进行氮化；二、在蓝宝石衬底上生长AlN层；三、在AlN层上生长GaN层；四、在GaN层生长GaN/Alx1Ga1-x1N多量子阱；五、在GaN/Alx1Ga1-x1N多量子阱上生长GaAs；六、在GaAs上生长GaAs/Alx2Ga1-x2As多量子阱；七、GaAs/Alx2Ga1-x2As多量子阱生长GaAs盖层即得双色紫外红外探测器结构。本发明光导型双色紫外红外探测器结构简单，探测成本低。

1、  光导型双色紫外红外探测器，其特征在于所述的光导型双色紫外红外探测器是在蓝宝石衬底外延依次生长有5～40nm厚的AlN层、800～1200nm厚的GaN层、120～480nm厚10～40个周期的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱、800～1200nm厚的GaAs过渡层、2400～3600nm厚的40～60个周期的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱和50～100nm厚的GaAs盖层；其中0.2≤x1≤0.3，0.1≤x2≤0.2。

2、  根据权利要求1所述的光导型双色紫外红外探测器，其特征在于0.22≤x1≤0.28，0.12≤x2≤0.18。

3、  光导型双色紫外红外探测器的制备方法，其特征在于光导型双色紫外红外探测器的制备方法按以下步骤进行：一、将蓝宝石衬底置于分子束外延系统中氮化20～40min，氮化温度为750～850℃，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；二、在步骤一氮化后的蓝宝石衬底上生长厚度为10～30nm的AlN层，生长温度为600～750℃，生长速度为0.1～0.3μm/h，氮气流量为0.5～1sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；三、在步骤二的AlN层上生长厚度为1000～1200nm的GaN层，生长温度为700～800℃，生长速度为0.2～1.0μm/h，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；四、在步骤三的GaN层上生长厚度为120～480nm、周期为10～40的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱，GaN/Al_x1Ga_1-x1N的生长温度为700～850℃，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W，其中GaN的生长速度为0.2～0.5μm/h，Al_x1Ga_1-x1N的生长速度为0.3～0.7μm/h，0.2≤x1≤0.3；五、在步骤四的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱上生长厚度为800～1200nm的GaAs过渡层，控制生长温度为200～400℃，生长速度为0.3～1.5μm/h，As气氛束等效压强为0.5×10^-5～2×10^-5Torr，然后温度升至700～850℃在As保护气氛下退火10～20min得晶态GaAs；六、在步骤五的晶态GaAs上生长厚度为2400～3600nm、周期为40～60的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的生长温度为600～750℃，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的As气氛束等效压强为0.5×10^-5～2×10^-5Torr，其中，GaAs的生长速率为0.5～0.8μm/h，Al_x2Ga_1-x2As的生长速率为0.7～1.2μm/h，0.1≤x2≤0.2；七、在GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱生长厚度为50～100nm的GaAs盖层，GaAs的生长速率为0.5～0.8μm/h，生长温度为600～700℃；即实现了光导型双色紫外红外探测器的制备。

4、  根据权利要求3所述的光导型双色紫外红外探测器的制备方法，其特征在于步骤一中蓝宝石衬底的厚度为400μm。

5、  根据权利要求3或4所述的光导型双色紫外红外探测器的制备方法，其特征在于在步骤一、二、三和四中的氮气均采用的是纯度为6N的高纯氮气。

6、  根据权利要求5所述的光导型双色紫外红外探测器的制备方法，其特征在于步骤四的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱中GaN厚度为4nm，Al_x1Ga_1-x1N厚度为7nm；其中0.2≤x1≤0.3。

7、  根据权利要求3、4或6所述的光导型双色紫外红外探测器的制备方法，其特征在于步骤六的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As中GaAs厚度为4nm，Al_x2Ga_1-x2As厚度为56nm；其中0.1≤x2≤0.2。

光导型双色紫外红外探测器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光导型双色探测器结构及其制备方法。
背景技术
随着宽禁带半导体材料的研究，人们开始考虑将探测波长拓展到可见光以下的波段，进而开展了各类紫外和红外探测器的研究。目前成熟的紫外和红外探测器探测器主要有光导型、肖特基金属-半导体-金属型以及光电二极管型等，但是这些探测器仅能单独探测到红外或紫外的波段。由于光电干扰技术的发展，探测技术也需要作相应的改进，双色波段探测作为一个发展方向引起了广泛的关注；将紫外探测与红外探测集成进行多波段探测具有探测范围宽，能有效的排除复杂背景与虚假目标的干扰，抗干扰能力强的优点，在军用以及民用领域具有广泛的应用。但是，目前大多采用两套单色波段探测器来组合成双色红外紫外探测系统以实现红外信号和紫外信号的响应，该探测系统的结构复杂，探测成本较高。
发明内容
本发明为了解决现有的同时探测红外和紫外信号的双色红外紫外探测器系统的结构复杂及探测成本高的问题，而提供了一种光导型双色紫外红外探测器及其制备方法。
本发明的光导型双色紫外红外探测器是以蓝宝石为衬底，在蓝宝石上依次生长5～40nm厚的AlN层、800～1200nm厚的GaN层、120～480nm厚10～40个周期的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱、800～1200nm厚的GaAs过渡层、2400～3600nm厚的40～60个周期的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱和50～100nm厚的GaAs盖层；其中0.2≤x1≤0.3，0.1≤x2≤0.2。
本发明光导型双色紫外红外探测器的制备方法按以下步骤进行：一、将蓝宝石衬底置于分子束外延系统中氮化20～40min，氮化温度为750～850℃，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；二、在步骤一氮化后的蓝宝石衬底上生长厚度为10～30nm的AlN层，生长温度为600～750℃，生长速度为0.1～0.3μm/h，氮气流量为0.5～1sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；三、在步骤二的AlN层上生长厚度为1000～1200nm的GaN层，生长温度为700～800℃，生长速度为0.2～1.0μm/h，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；四、在步骤三的GaN层上生长厚度为120～480nm、周期为10～40的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱，GaN/Al_x1Ga_1-x1N的生长温度为700～850℃，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W，其中GaN的生长速度为0.2～0.5μm/h，Al_x1Ga_1-x1N的生长速度为0.3～0.7μm/h，0.2≤x1≤0.3；五、在步骤四的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱上生长厚度为800～1200nm的GaAs过渡层，控制生长温度为200～400℃，生长速度为0.3～1.5μm/h，As气氛束等效压强为0.5×10^-5～2×10^-5Torr，然后温度升至700～850℃在As保护气氛下退火10～20min得晶态GaAs；六、在步骤五的晶态GaAs上生长厚度为2400～3600nm、周期为40～60的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的生长温度为600～750℃，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的As气氛束等效压强为0.5×10^-5～2×10^-5Torr，其中，GaAs的生长速率为0.5～0.8μm/h，Al_x2Ga_1-x2As的生长速率为0.7～1.2μm/h，0.1≤x2≤0.2；七、在GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱生长厚度为50～100nm的GaAs盖层，GaAs的生长速率为0.5～0.8μm/h，生长温度为600～700℃；即实现了光导型双色紫外红外探测器的制备。
本发明的光导型双色紫外红外探测器进行光谱检测试验，试验结果显示在蓝宝石衬底上的GaN层探测到波长为300～400nm的紫外辐射，GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱探测到波长为300～360nm波段的紫外辐射，在GaAs过渡层上的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱探测到7～8μm的红外辐射，本发明的制作方法得到的光导型双色紫外红外探测器，实现了红外信号和紫外信号的双色响应，本发明光导型双色紫外红外探测器结构简单，探测成本低。
附图说明
图1为具体实施方式二十GaN层上的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱透射电子显微像图，其中x1＝0.27；图2为具体实施方式二十制作得到的光导型双色紫外红外探测器中GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱材料的紫外-可见吸收光谱的谱图，其中x1＝0.27。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式光导型双色紫外红外探测器是以蓝宝石为衬底，在蓝宝石上依次生长5～40nm厚的AlN层、800～1200nm厚的GaN层、120～480nm厚10～40个周期的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱、800～1200nm厚的GaAs过渡层、2400～3600nm厚的40～60个周期的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱和50～100nm厚的GaAs盖层；其中0.2≤x1≤0.3，0.1≤x2≤0.2。
本实施方式的光导型双色紫外红外探测器进行光谱检测试验，试验结果显示在蓝宝石衬底上的GaN层探测到波长为300～400nm的紫外辐射，GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱探测到波长为300～360nm波段的紫外辐射，在GaAs过渡层上的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱探测到7～8μm的红外辐射。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是0.22≤x1≤0.28，0.12≤x2≤0.18。他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式光导型双色紫外红外探测器的制备方法按以下步骤进行：一、将蓝宝石衬底置于分子束外延系统中氮化20～40min，氮化温度为750～850℃，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；二、在步骤一氮化后的蓝宝石衬底上生长厚度为10～30nm的AlN层，生长温度为600～750℃，生长速度为0.1～0.3μm/h，氮气流量为0.5～1sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；三、在步骤二的AlN层上生长厚度为1000～1200nm的GaN层，生长温度为700～800℃，生长速度为0.2～1.0μm/h，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；四、在步骤三的GaN层上生长厚度为120～480nm、周期为10～40的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱，GaN/Al_x1Ga_1-x1N的生长温度为700～850℃，氮气流量为1～2.5sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W，其中GaN的生长速度为0.2～0.5μm/h，Al_x1Ga_1-x1N的生长速度为0.3～0.7μm/h，0.2≤x1≤0.3；五、在步骤四的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱上生长厚度为800～1200nm的GaAs过渡层，控制生长温度为200～400℃，生长速度为0.3～1.5μm/h，As气氛束等效压强为0.5×10^-5～2×10^-5Torr，然后温度升至700～850℃在As保护气氛下退火10～20min得晶态GaAs；六、在步骤五的晶态GaAs上生长厚度为2400～3600nm、周期为40～60的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的生长温度为600～750℃，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的As气氛束等效压强为0.5×10^-5～2×10^-5Torr，其中，GaAs的生长速率为0.5～0.8μm/h，Al_x2Ga_1-x2As的生长速率为0.7～1.2μm/h，0.1≤x2≤0.2；七、在GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱生长厚度为50～100nm的GaAs盖层，GaAs的生长速率为0.5～0.8μm/h，生长温度为600～700℃；即实现了光导型双色紫外红外探测器的制备。
本实施方式的光导型双色紫外红外探测器进行光谱检测试验，试验结果显示在蓝宝石衬底上的GaN层探测到波长为300～400nm的紫外辐射，GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱探测到波长为300～360nm波段的紫外辐射，在GaAs过渡层上的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱探测到7～8μm的红外辐射。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中蓝宝石衬底的厚度为400μm。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是步骤一、二、三和四中的氮气均采用的是纯度为6N(体积纯度约为99.9999％)的高纯氮气。其他步骤及参数与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是步骤四的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱中GaN厚度为4nm，Al_x1Ga_1-x1N厚度为7nm；其中0.2≤x1≤0.3。其他步骤及参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三、四或六不同的是步骤六的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As中GaAs厚度为4nm，Al_x2Ga_1-x2As厚度为56nm；其中0.1≤x2≤0.2。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是导型双色紫外红外探测器是以蓝宝石为衬底，在蓝宝石上依次生长厚度为10～30nm的AlN层、厚度为800～1200nm的GaN层、厚度为120～480nm10～40的个周期的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱、800～1200nm的GaAs过渡层、厚度为2400～3600nm的40～60个周期的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱和厚度为50～100nm的GaAs盖层；其中0.2≤x1≤0.3，0.1≤x2≤0.2。
本实施方式的光导型双色紫外红外探测器进行光谱检测试验，试验结果显示在蓝宝石衬底上的GaN层探测到波长为300～400nm的紫外辐射，GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱探测到波长为300～360nm波段的紫外辐射，在GaAs过渡层上的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱探测到7～8μm的红外辐射。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是光导型双色紫外红外探测器是以蓝宝石为衬底，在蓝宝石上依次生长20nm厚的AlN层、600nm厚的GaN层、260nm厚的24个周期的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱、960nm厚的GaAs过渡层、2100nm厚的41个周期的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱和70nm厚的GaAs盖层；其中0.2≤x1≤0.3，0.1≤x2≤0.2。其他与具体实施方式一相同。
本实施方式的光导型双色紫外红外探测器进行光谱检测试验，试验结果显示在蓝宝石衬底上的GaN层探测到波长为280nm的紫外辐射，GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱探测到波长为340nm波段的紫外辐射，在GaAs过渡层上的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱探测到8μm的红外辐射。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是光导型双色紫外红外探测器是以蓝宝石为衬底，在蓝宝石上依次生长21nm厚的AlN层、700nm厚的GaN层、240nm厚的27个周期的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱、1000nm厚的GaAs过渡层、2400nm厚的32个周期的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱和80nm厚的GaAs盖层；其中0.2≤x1≤0.3，0.1≤x2≤0.2。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤一中氮化温度为800℃，氮气流量为2sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W；其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤二中生长温度为700℃，生长速度为0.2μm/h，氮气流量为0.75sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为400W；其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十三：：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤三中GaN层厚度为1000nm的，生长温度为760℃，生长速度为0.8μm/h，氮气流量为1.8sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为400W。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤四中GaN层上生长厚度为320nm、周期为20的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱，0.2≤x1≤0.3。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤四中GaN/Al_x1Ga_1-x1N的生长温度为720℃，氮气流量为1.3sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为400W，其中0.2≤x1≤0.3。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤四中GaN的生长速度为0.3μm/h，Al_x1Ga_1-x1N的生长速度为0.6μm/h，0.2≤x1≤0.3。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤五中GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱上生长厚度为1000nm的GaAs过渡层，控制生长温度为400℃，生长速度为1.1μm/h，As气氛束等效压强为1.2×10^-5Torr；然后将温度升至800℃在As保护气氛下退火15min得晶态GaAs。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤六中晶态GaAs上生长厚度为2600nm、周期为51的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤六中GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的生长温度为700℃，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的As气氛束等效压强为1.3×10^-5Torr，其中0.1≤x2≤0.2。其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式三不同的是步骤六中GaAs的生长速率为0.6μm/h，Al_x2Ga_1-x2As的生长速率为1.1μm/h，0.1≤x2≤0.2；其他步骤及参数与具体实施方式三相同。
具体实施方式二十：光导型双色紫外红外探测器的制备方法按以下步骤进行：一、将蓝宝石衬底置于分子束外延系统中氮化32min，氮化温度为720℃，氮气流量为1.9sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为400W；二、在步骤一氮化后的蓝宝石衬底上生长厚度为20nm的AlN层，生长温度为680℃，生长速度为0.2μm/h，氮气流量为0.8sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为400W；三、在步骤二的AlN层上生长厚度为1100nm的GaN层，生长温度为730℃，生长速度为0.6μm/h，氮气流量为1.7sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为400W；四、在步骤三的GaN层上生长厚度为200nm、周期为30的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱，GaN/Al_x1Ga_1-x1N的生长温度为760℃，氮气流量为1.9sccm，分子束外延系统中的等离子体输入功率为300～500W，其中GaN的生长速度为0.4μm/h，Al_x1Ga_1-x1N的生长速度为0.5μm/h，x1＝0.27；五、在步骤四的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱上生长厚度为1000nm的GaAs过渡层，控制生长温度为300℃，生长速度为0.9μm/h，As气氛束等效压强为1.4×10^-5Torr，然后温度升至800℃在As保护气氛下退火15min得晶态GaAs；六、在步骤五的晶态GaAs上生长厚度为2800nm、周期为50的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的生长温度为700℃，GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱的As气氛束等效压强为1.6×10^-5Torr，其中，GaAs的生长速率为0.6μm/h，Al_x2Ga_1-x2As的生长速率为1μm/h，x2＝0.18；七、在GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱生长厚度为60nm的GaAs盖层，GaAs的生长速率为0.7μm/h，生长温度为500℃；即实现了光导型双色紫外红外探测器的制备。
本实施方式步骤一中蓝宝石衬底的厚度为400μm。
本实施方式步骤一、二、三和四中的氮气均采用的是纯度为6N(体积纯度约为99.9999％)的高纯氮气。
本实施方式步骤四的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱中GaN厚度为4nm，Al_x1Ga_1-x1N厚度为7nm；x1＝0.27。
本实施方式步骤六的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As中GaAs厚度为4nm，Al_x2Ga_1-x2As厚度为56nm；x2＝0.18。
本实施方式所述的分子束外延系统采用的是法国Riber公司生产的RiberCompact 21T分子束外延设备。
本实施方式的光导型双色紫外红外探测器进行光谱检测试验，试验结果显示在蓝宝石衬底上的GaN层探测到波长为270nm的紫外辐射，GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱探测到波长为360nm波段的紫外辐射，在GaAs过渡层上的GaAs/Al_x2Ga_1-x2As多量子阱探测到7.3μm的红外辐射。
本实施方式GaN层上的GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱透射电子显微像图如图1所示；本实施方式制作得到的光导型双色紫外红外探测器中GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱材料的紫外-可见吸收光谱的谱图如图2所示。
从图1可以看出，GaN层中部分位错向上延伸到GaN/Al_x1Ga_1-x1N多量子阱结构中，GaN层和GaN/AlGaN多量子阱层结合效果好；从图2可以看出图中等间距的起伏振荡曲线由光在薄膜界面上多次反射与干涉造成，GaN/Al_x1Ga_1-x1N可探测到波长为360nm的紫外光谱。