阅读说明：本技术 单片双波段集成式传感器及其制备方法 (Monolithic dual band integrated sensor and method of making same ) 是由 黎大兵 刘新科 孙晓娟 贾玉萍 石芝铭 蒋科 贲建伟 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：单片双波段集成式传感器及其制备方法涉及传感器技术领域,解决了现有集成困难、红外探测性能弱和结构复杂的问题,该装置包括依次从上至下设置的自支撑氮化镓单晶体材料、缓冲层、二维氮化物薄膜层和红外传感器电极,还包括第一紫外传感器电极和第二紫外传感器电极,均在自支撑氮化镓单晶体材料上表面上且分设缓冲层和二维氮化物薄膜层的两侧。制备方法包括依次生长或制备自支撑氮化镓单晶体材料、缓冲层、二维氮化物薄膜层和红外传感器电极；在自支撑氮化镓单晶体材料上制备第一紫外传感器电极和第二紫外传感器电极、退火。本发明的制备方法新颖简单,制备的双波段传感器结构简单、双波段探测效果明显。(A monolithic dual-band integrated sensor and a preparation method thereof relate to the technical field of sensors and solve the problems of difficult integration, weak infrared detection performance and complex structure in the prior art. The preparation method comprises the steps of growing or preparing the self-supporting gallium nitride single crystal material, the buffer layer, the two-dimensional nitride thin film layer and the infrared sensor electrode in sequence; preparing a first ultraviolet sensor electrode and a second ultraviolet sensor electrode on a self-supporting gallium nitride single crystal material, and annealing. The preparation method is novel and simple, and the prepared dual-waveband sensor is simple in structure and obvious in dual-waveband detection effect.)

单片双波段集成式传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及单片双波段集成式传感器及其制备方法。

背景技术

紫外-红外双波段探测技术在诸如火灾、气象、军事探测等方面有着非常重要的应用价值。采用紫外-红外双色探测，可以大大提高探测目标的识别概率。紫外传感器作为紫外探测技术的核心器件，几年来受到了国内外的高度重视和深入研究。紫外传感器在早期主要应用于紫外告警、紫外通信、紫外制导等军事领域，随后，紫外传感器逐渐成熟化，民用化，后来逐渐慢慢运用在紫外消毒、火灾探测、紫外固化和聚合、生物医学、光谱分析及粒子探测等其他领域。Si、GaAs等第一、第二代半导体可以用来制作紫外传感器，但是由于禁带宽度小、器件长波截止波长大、最高工作温度低等特点而使得器件的特性和使用受到了很大的限制，特别是在高温、日光照射等恶劣环境下其局限性尤为突出。而禁带宽度大于2.2eV的第三代半导体GaN，因具有禁带宽、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐射能力强等优势，很好的克服了第一、第二代半导体紫外传感器的缺点，成为当前制作紫外传感器的主要材料。GaN避免了Si传感器中复杂的滤光系统的使用，而且解决了Si传感器的光生载流子在传感器表面复合的缺点。GaN基传感器为半导体全固态传感器，具有体积小、功耗低的优点，有效克服了光电倍增管需要大的功率电源和阴极制冷等缺点。抗辐照能力强，能够在高空等恶劣环境下工作，这是Si传感器和光电倍增管无法实现的。

红外光电传感器被广泛地利用在各种领域，如火警控制系统、夜视系统、环境检测、无人驾驶、食品安全等。例如感应水龙头、感应门和感应灯、矿产资源勘探、无损探伤、气体分析、红外成像、火警预警、红外精确制导、航空探测以及气象卫星等其他应用。红外光电探测一直是人们重点关注的地方，现在目前锗、硅、砷化铟以及磷化铟等具备红外波段传感器。然而上述半导体材料以及工艺制备复杂、成本高。硅的光响应截止波段为1100nm，单一的硅很难实现红外通讯波段的光传感器。如何在硅基上集成通信波段光电传感器是相关领域面对的一个重大难题。在硅基上外延生长的砷化铟、磷化铟与硅存在大的晶格失配问题，而且流程复杂，工艺成本高。

红外-紫外双色集成传感器即把红外传感器与紫外传感器集成在一起。近些年来，集成红外-紫外的双色探测技术在国内外取得了长足的发展，尤其近些年宽禁带半导体外延生长技术日益成熟，高晶体质量材料的外延生长，都促进着传感器的发展。但目前红外-紫外双色集成传感器仍然没有很好的普及，其中晶格不匹配带来的红外-紫外光敏材料或探测系统集成困难、集成器件后红外探测系统的探测性能弱，以及双色集成传感器结构复杂等问题成为限制其发展的主要原因。

发明内容

为了解决现有解决因晶格不匹配带来的红外-紫外光敏材料或探测系统集成困难、集成器件后红外探测系统的探测性能弱以及双色集成探测器结构复杂的问题，本发明提供单片双波段集成式传感器及其制备方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

单片双波段集成式传感器，包括自支撑氮化镓单晶体材料、缓冲层、二维氮化物薄膜层、红外传感器电极、第一紫外传感器电极和第二紫外传感器电极；缓冲层、第一紫外传感器电极和第二紫外传感器电极均制备在自支撑氮化镓单晶体材料上表面上；二维氮化物薄膜层制备在缓冲层上表面上，红外传感器电极制备在二维氮化物薄膜层上表面上，缓冲层和二维氮化物薄膜层均位于第一紫外传感器电极和第二紫外传感器电极之间。

制备单片双波段集成式传感器的方法，包括以下步骤：

步骤一、生长自支撑氮化镓单晶体材料；

步骤二、在自支撑氮化镓单晶体材料上生长缓冲层；

步骤三、在缓冲层上生长二维氮化物薄膜层；

步骤四、在二维氮化物薄膜层上制备红外传感器电极；

步骤五、在自支撑氮化镓单晶体材料上制备第一紫外传感器电极和第二紫外传感器电极；

步骤六、电极退火处理。

本发明的有益效果是：

1、本发明的单片双波段集成式传感器，其红外传感器部分基于二维氮化物薄膜层与红外光发生声子激元共振的机理，以及紫外传感器部分基于禁带宽度为紫外波段的跃迁机理，利用声子激元共振和禁带宽度实现红外-紫外双色传感器。本发明的单片双波段集成式传感器实现同质基氮化镓基红外-紫外双色双波段的探测，本发明的单片双波段集成式传感器的晶格匹配，且对红外光探测性能优良，对红外-紫外双波段探测传感效果明显，集成的传感器结构简单，集成容易，具有广阔的开发与运用前景等优点。

2、本发明的单片双波段集成式传感器的制备方法新颖、工艺简单，制备的单片双波段集成式传感器双波段探测效果明显，具有广阔的开发与运用前景等优点。

3、本发明利用声子激元共振和禁带宽度实现同质氮化镓基的红外-紫外双波段传感器的新方法，为氮化镓基实现红外波段探测提供新的途径。

附图说明

图1为本发明的单片双波段集成式传感器的结构示意图。

图2为本发明的单片双波段集成式传感器的制备方法的流程图。

图中：1、自支撑氮化镓单晶体材料，2、缓冲层，3、二维氮化物薄膜层，4、红外传感器电极，5、第一紫外传感器电极，6、第二紫外传感器电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

单片双波段集成式传感器包括自支撑氮化镓单晶体材料1、缓冲层2、二维氮化物薄膜层3、红外传感器电极4、第一紫外传感器电极5和第二紫外传感器电极6。

单片双波段集成式传感器的结构图如图1，缓冲层2、第一紫外传感器电极5和第二紫外传感器电极6均制备在自支撑氮化镓单晶体材料1上。缓冲层2位于自支撑氮化镓单晶体材料1上表面上，二维氮化物薄膜层3位于缓冲层2上，第一紫外传感器电极5位于自支撑氮化镓单晶体材料1上表面上，第二紫外传感器电极6缓冲层2位于自支撑氮化镓单晶体材料1上表面上。缓冲层2和二维氮化物薄膜层3均位于第一紫外传感器电极5和第二紫外传感器电极6之间。红外传感器电极4位于二维氮化物薄膜层3上。红外传感器电极4与第一紫外传感器电极5不直接接触，红外传感器电极4与第二紫外传感器电极6也不直接接触。

自支撑氮化镓单晶体材料1为宽禁带半导体材料。自支撑氮化镓单晶体材料1的生长方法主要有氢化物气相外延法(HVPE)、NH₃与熔融Ga气相传输法、提拉法等。

缓冲层2主要采用AlN，即以AlN作为吸收紫外光的缓冲过滤层，即在红外波段与紫外波段间***AlN阻挡层，能够使入射光中的紫外波段被AlN吸收过滤掉，阻挡紫外波段进入，剩下红外波段通过。缓冲层2的生长方法主要采用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。

二维氮化物薄膜层3采用二维GaN。二维GaN是一种崭新的二维材料，在同质GaN衬底外延的GaN二维薄膜，是一种晶格匹配、缺陷少、表面态良好的薄膜。二维GaN量子尺寸效应明显，N的2s态和2p态相互作用增强，出现能带重叠，呈现较好的导电特性。二维氮化物薄膜层3能与红外光发生声子激元共振，在薄膜上通电，相当于一个强的电场施加在氮化物表面，在薄膜表面传播的红外光子在电场的作用下，与声子发生耦合极化，产生共振，这种耦合后产生新的波，能被电信号表示出来，从而实现对红外光的探测。在自支撑氮化镓单晶体材料1上同质外延一层二维氮化物薄膜层3，这样的外延生长，晶格匹配，减少了缺陷密度，提高了薄膜质量。二维氮化物薄膜层3的生长方法主要采用化学气相沉积法或者有机金属化学气相沉积法(MOCVD)。本实施方式中制备二维氮化镓薄膜的方法利用尿素为氮源，液态金属镓为镓源进行化学气相沉积。

红外传感器电极4采用金属-半导体-金属结构、欧姆结构或肖特基结构，可以根据需要进行选择。红外传感器电极4采用现有制备方法进行制备。例如Ti/Al、Ti/Au形成欧姆结构，Ni/Au、Pt形成肖特基结构。

第一紫外传感器电极5采用金属-半导体-金属结构、欧姆结构或肖特基结构，

第二紫外传感器电极6采用金属-半导体-金属结构、欧姆结构或肖特基结构，可以根据需要进行选择。第一紫外传感器电极5和第二紫外传感器电极6采用现有制备方法进行制备。其中紫外传感器和红外传感器共用第一紫外传感器电极5。第一紫外传感器电极5接地，然后对第二紫外传感器电极6和红外传感器电极4同时施加偏压，这样紫外传感器和红外传感器能同时工作。

本发明的单片双波段集成式传感器，其红外传感器部分基于二维氮化物薄膜层3与红外光发生声子激元共振的机理，以及紫外传感器部分基于禁带宽度为紫外波段的跃迁机理，利用声子激元共振和禁带宽度实现红外-紫外双色传感器。本发明的单片双波段集成式传感器实现同质基氮化镓基红外-紫外双色双波段的探测，本发明的单片双波段集成式传感器的晶格匹配，且对红外光探测性能优良，对红外-紫外双波段探测传感效果明显，集成的传感器结构简单，集成容易，具有广阔的开发与运用前景等优点。

如图2所示，本发明的单片双波段集成式传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

步骤一、生长自支撑氮化镓单晶体材料1；

步骤二、在自支撑氮化镓单晶体材料1上生长缓冲层2；

步骤三、在缓冲层2上生长二维氮化物薄膜层3；

步骤四、在二维氮化物薄膜层3上制备红外传感器电极4；

步骤五、在自支撑氮化镓单晶体材料1上制备第一紫外传感器电极5和第二紫外传感器电极6；

步骤六、电极退火处理。

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

单片双波段集成式传感器的缓冲层2具体采用AlN，二维氮化物薄膜层3具体采用二维GaN。本实施例的制备方法具体包括以下步骤：

(1)生长自支撑氮化镓单晶体材料1：先在蓝宝石衬底上先氮化变成AlN或AlN-Al₂O₃薄层促进成核，或者用有机金属化学气相沉积法(MOCVD)低温沉积一层GaN薄层作为缓冲薄层，进而改善外延薄膜质量。再在氮化层或GaN薄层上采用氢化物气相外延法(HVPE)生长高质量GaN单晶体，用HCl气体与液态金属Ga反应生成GaCl，用GaCl与NH₃反应生成GaN。最后采用激光剥离技术进行蓝宝石衬底去除，得到厚度450μm的自支撑氮化镓单晶体材料1。

(2)生长缓冲层2：采用三甲基铝(TMA)作为铝源，和氨气(NH3)作为氮源，在自支撑氮化镓单晶体材料1上利用MOCVD法生长厚度为2-3nm的AlN层，AlN层即为缓冲层2。

(3)生长二维氮化物薄膜层3：利用尿素为氮源，液态金属镓为镓源进行化学气相沉积，缓冲层2上沉积厚度为4-8nm的二维氮化镓薄膜层。

(4)红外传感器电极4制备：利用光刻技术获得金属-半导体-金属传感器掩膜图形；通过真空蒸发或者电子束蒸发在(3)中得到的二维氮化物薄膜层3上制备红外传感器电极4，做成金属-半导体-金属结构传感器；然后采用Lift off技术洗掉光刻胶，所用溶液可为NMP(N-甲基吡咯烷酮)或者丙酮。此处电极材料均为可与二维氮化物薄膜层3形成肖特基接触或者欧姆接触的金属材料，如Ti(15nm)/Al(150-200nm)、Ti(15nm)/Au(150-200nm)形成欧姆结构，Ni(15nm)/Au(150-200nm)、Pt(150-200nm)形成肖特基结构。

(5)紫外传感器电极的制备：利用光刻技术，用光刻胶遮挡中部二维氮化镓薄膜层部分，利用等离子刻蚀技术(ICP)在二维氮化镓薄膜层两端(对应图1则为左右两端)刻蚀直至露出自支撑氮化镓单晶体材料1，然后通过真空蒸发法或者电子束蒸发法在露出的自支撑氮化镓单晶体材料1上第一紫外传感器电极5和第二紫外传感器电极6，此时保留下来的缓冲层2和二维氮化物薄膜层3位于第一紫外传感器电极5和第二紫外传感器电极6之间；然后采用Lift off技术洗掉光刻胶，所用溶液可为NMP或者丙酮。所制备的第一紫外传感器电极5和第二紫外传感器电极6的材料均采用可与自支撑氮化镓单晶体材料1形成肖特基接触或者欧姆接触的金属材料，如Ti(15nm)/Al(150-200nm)、Ti(15nm)/Au(150-200nm)形成欧姆结构，Ni(15nm)/Au(150-200nm)、Pt(150-200nm)形成肖特基结构。

(6)在快速升温退火炉对(5)得到的器件进行电极退火。在N₂的氛围下，400-600度退火5-10分钟。电极退火后，单片双波段集成式传感器制备完成。

本发明的制备方法新颖、工艺简单，制备的单片双波段集成式传感器双波段探测效果明显，具有广阔的开发与运用前景等优点。

本发明利用二维氮化物薄膜红外声子激元共振来对红外光进行探测，二维氮化物薄膜层3探测红外波段，自支撑氮化镓单晶体材料1探测紫外波段，能够同时探测红外-紫外波段，解决了目前无法实现氮化镓红外波段探测及氮化镓红外-紫外波段双色集成探测的问题。本发明利用声子激元共振和禁带宽度实现同质氮化镓基的红外-紫外双波段传感器的新方法，为氮化镓基实现红外波段探测提供新的途径。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。