[发明专利]基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电器件技术领域，涉及一种基于氧化锌材料的紫外红外双色探测器及其制作方法。

背景技术

现代信息化对光电子元件的要求日益升高，光电探测器要在复杂的背景和强干扰下，准确地探测目标信息。单一红外、紫外探测器的固有弱点和局限性愈发明显。

最近以GaAs/AlGaAs多量子阱和InAs/InGaSb超晶格材料等为基础的新型红外探测器获得了迅速的发展。当前，以GaAs/AlGaAs 、InAs/GaInSb等为新一代红外探测材料正在研制中。GaAs/AlGaAs QWIP的设计探测波长可以从5到25 μm，是红外探测的理想材料之一。但由于薄膜结构复杂，高质量外延生长工艺和缺陷控制等方面尚需进行大量研究，QWIP结构中量子阱厚度和势垒组分的误差要求相当苛刻，如GaAs/AlGaAs量子阱结构，一般正常550nm厚的GaAs量子阱层，误差为±20nm，势垒层的铝组分误差±1%。

波长在220-300 nm的紫外辐射式“大气背景下太阳光谱盲区”，工作在此波段的紫外探测器能对该波段目标进行有效跟踪。美、日、德国家自上世纪90年代末开始紫外探测材料的研究。

事实上，许多可见光甚至红外传感器都可以在紫外波段使用，例如Si和SiC探测器。然而，抑制可见光需要使用滤光装置，这无疑会增加制造的复杂性并降低性能。Si探测器是目前被应用的最好的紫外探测器，波长可至250 nm，但作为间接带隙半导体，无法提供锐利的截止波长是制备好的光谱响应器件的致命弱点。

近年来，国内外在紫外探测器用材料研究上取得了一定的进展，相继研制成功了基于SiC、ZnO、金刚石薄膜、GaN、AlGaN薄膜材料且能在太阳盲区下运行的紫外探测器，其探测波长在250-300 nm。但一些关键问题尚待突破，例如由于AlGaN缺少晶格匹配和热匹配的生长衬底，缺陷密度高，晶体质量难以提高，从而限制了器件效率。

为提高对探测目标的识别能力，未来的探测技术发展是在多波段上对目标的辐射信号同时进行探测。

继90年代GaN蓝光器件取得突破之后，ZnO成为人们关注的短波长光电材料的新焦点。ZnO是一种六方结构的直接带隙半导体材料，室温下的禁带宽度为3.37 eV，激子束缚能高达60 meV，远大于GaN 的激子束缚能和室温热能（26 meV），是室温高效紫外激子发光和激光器件的理想材料。相对于GaN和SiC等宽禁带半导体材料，ZnO可以在低于500 ℃温度下形成高质量的薄膜。此外，ZnO原材料资源丰富，对环境无毒无害，热稳定性和化学稳定性高，具有巨大的应用前景。此外，ZnO对可见光的吸收非常小，这些性质都有利于制备高性能的紫外探测器。氧化锌（ZnO）和氧锌镁(MgZnO)材料由于生长温度低、缺陷密度低，且无毒、原料丰富以及带隙调制范围宽(3.37~7.8 eV, 370～159 nm)等优点，更适于探测器的制备。利用i-MgZnO /n-ZnO或者 i-Zn_yMg_1-yO / n⁺- Zn_xMg_1-xO (x>y) 异质结界面功函数内光电子发射效应(HEIWIP)可以实现红外探测。所以，ZnO材料（包括ZnO、ZnMgO）为紫外红外多色探测器件的制备提供了很好的材料基础。

紫外波段探测机制主要是利用非掺杂的ZnO或ZnMgO材料本征吸收带内跃迁实现。红外波段响应机制自由载流子吸收引起的受激载流子在高掺杂的ZnO或Zn_xMg_1-xO层和非掺杂的Zn_yMg_1-yO（x>y，保证高掺杂层的带隙小于非掺杂的本征层的带隙）层带间跃迁产生，其过程主要包括：高掺层中的自由载流子吸收；受激载流子越过高掺层与非掺层之间势垒；最后载流子在电场的作用下形成光电流，实现光电探测的目的。

发明内容

鉴于ZnO/ZnMgO结构可以制备紫外探测器件，本发明提供了一种采用ZnO/ZnMgO异质结结构的紫外红外双色探测器及其制作方法。本发明采用非掺杂的ZnO或ZnMgO材料本征吸收带内跃迁实现紫外探测，利用自由载流子吸收引起的受激载流子在高掺杂的ZnO或Zn_xMg_1-xO层和非掺杂的Zn_yMg_1-yO（x>y，保证高掺杂层的带隙小于非掺杂的本征层的带隙）层带间跃迁产生红外波段探测，从而实现紫外红外双色探测的目的。