阅读说明：本技术 一种可调控光分布的msm紫外探测器及其制备方法 (MSM ultraviolet detector capable of regulating and controlling light distribution and preparation method thereof ) 是由 汪炼成 龙林云 李滔 胡泽林 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种可调控光分布的MSM紫外探测器及其制备方法,属于半导体技术领域,所述探测器包括衬底和在衬底上依次生长的Al<Sub>X</Sub>Ga<Sub>1-X</Sub>N基紫外光吸收层和叉指电极；所述叉指电极与Al<Sub>X</Sub>Ga<Sub>1-X</Sub>N基紫外光吸收层形成肖特基接触；所述衬底背面设有微纳结构。所述探测器的制备方法包括：首先在衬底的正面外延生长Al<Sub>X</Sub>Ga<Sub>1-X</Sub>N基紫外光吸收层；然后在Al<Sub>X</Sub>Ga<Sub>1-X</Sub>N紫外光吸收层上制备叉指电极；再在衬底的背面进行研磨,得到光滑平整背面；最后在光滑平整背面制作微纳结构,得到MSM紫外探测器。上述制备方法简单、成本低廉,提高了MSM紫外探测器的响应度和灵敏度。(The invention provides an MSM ultraviolet detector capable of regulating and controlling light distribution and a preparation method thereof, belonging to the technical field of semiconductors X Ga 1‑X an N-based ultraviolet light absorption layer and an interdigital electrode; the interdigital electrode and Al X Ga 1‑X The N-based ultraviolet light absorption layer forms Schottky contact; and the back surface of the substrate is provided with a micro-nano structure. The preparation method of the detector comprises the following steps: firstly, Al is epitaxially grown on the front surface of a substrate X Ga 1‑X An N-based ultraviolet light absorbing layer; then in Al X Ga 1‑X Preparing an interdigital electrode on the N ultraviolet light absorption layer; grinding the back surface of the substrate to obtain a smooth and flat back surface; and finally, manufacturing a micro-nano structure on the smooth and flat back surface to obtain the MSM ultraviolet detector. The above-mentioned systemThe preparation method is simple and low in cost, and improves the responsivity and sensitivity of the MSM ultraviolet detector.)

一种可调控光分布的MSM紫外探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种可调控光分布的MSM紫外探测器及其制备方法。

背景技术

紫外探测器是将一种形式的电磁辐射信号转换成另一种易被接收处理信号形式的传感器，它可以用在核辐射污染监测、臭氧监测、大气污染监控、太空紫外辐射研究、飞行器制导、血液分析、紫外光消毒监控等领域。光场调控一般可分为空域、时域以及时空域联合调控，空域调控主要是指调控光场振幅、偏振态、相位、空间相干结构等空间分布，以产生具有特殊空间分布的新型光场。传统的正入射MSM器件由于金属电极对光的阻挡，使得照射在光吸收层的光总量变少，而背入射器件可以很好解决该问题，但是背入射器件由于光的照射是均匀分布，金属电极正背面位置所产生的光生载流子需要纵向迁移，而电极正背面电场强度较弱，不利于载流子的收集。因此，如何设计和制作一种可以精准调节所有光照射在电极之间和聚焦在光吸收层最佳深度位置的MSM紫外探测器件是一个迫切需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种可调控光分布的MSM紫外探测器及其制备方法，其目的通过在传统的MSM紫外探测器背面设计和制作一种根据调控光场具体要求的超表面微纳结构，通过超表面微纳结构对光场的调控，使得入射光聚集在电极之间的光吸收层最佳位置，避免电极对入射光的遮挡，减少光生载流子的纵向迁移，提高电极对光生载流子的收集效率和收集速率，从而得到高信噪比、高响应度、高灵敏度的空间光场调控MSM紫外探测器。

为了达到上述目的，提供如下技术方案：

一种可调控光分布的MSM紫外探测器包括衬底和在衬底上依次生长的Al_XGa_1-XN基紫外光吸收层和叉指电极；所述叉指电极与Al_XGa_1-XN基紫外光吸收层形成肖特基接触；所述衬底背面设有微纳结构，所述微纳结构尺寸为9μm×9μm，包括25×25个构成模块；所述构成模块包括四个纳米杆，所述四个纳米杆呈四边形周期排列。

优选地，所述叉指电极包括右叉指电极和左叉指电极，所述右叉指电极与左叉指电极的尺寸均为100μm×100μm。

本发明还提供一种可调控光分布的MSM紫外探测器的制备方法，包括如下步骤：

(1)在衬底的正面外延生长Al_XGa_1-XN基紫外光吸收层；

(2)在Al_XGa_1-XN紫外光吸收层上制备叉指电极；

(3)在衬底的背面进行研磨，得到光滑平整背面；

(4)在步骤(3)所得光滑平整背面制作微纳结构，得到MSM紫外探测器。

优选地，所述衬底为蓝宝石或二氧化硅。

优选地，所述外延生长的方法包括金属有机气相外延、分子束外延、物理气相外延或离子束外延。

优选地，所述叉指电极由Ni、Au、Pt、Cu、Al、Ag、Cr和In中的一种或多种金属复合而成。

优选地，步骤(2)中制备叉指电极具体包括先在Al_XGa_1-XN紫外光吸收层上进行刻蚀，得到叉指电极掩膜图案，然后用磁控溅射、热蒸发或原子沉积的方法在叉指电极掩膜图案上沉积叉指电极。

优选地，步骤(4)中微纳结构是通过掩膜图案制备，掩膜图案的制备方法包括电子束曝光、激光直写、纳米压印或纳米结构自组装。

MSM型探测器制作过程简单，暗电流小，但当入射光为正入射时，金属电极会将一部分光入射光阻挡和吸收掉；因此一种空间光场调控MSM紫外探测器可以通过在光入射面设计一些微纳结构，利用微纳结构通过调节紫外光在叉指电极上的光场分布，使得紫外光吸收层能够收集到更多的光，减少了叉指电极对入射光的遮挡和吸收，减少光生载流子迁移距离，增大探测器响应度，提高了探测器的使用性能。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

超表面是指一种厚度小于波长的人工层状微纳结构材料。当光入射到超表面上，构成超表面的每个单元都将作为一个新的中心波前，对光进行散射。每个单元的散射光相互之间进行干涉，从而整体实现对入射光的调控。通过设计超表面微纳结构中每个单元的尺寸大小、旋转角度和排列，可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。本发明提供的这种超表面空间光场调控MSM紫外探测器，通过在光入射面设计微纳结构，利用超表面微纳结构调控光场的在探测器光吸收层中的分布形状和位置，使得紫外吸收层吸收到更多的入射光，同时减少了光生载流子迁移距离，在外加电场作用下，提高光生载流子的收集效率，从而提高探测器的响应度，降低响应时间。本发明通过超表面微纳结构的设计，避免了电极对紫外光入射的遮挡和吸收，增加了光的吸收率和光生载流子收集效率，提高紫外探测器的响应度。

本发明提供的可调控光分布的MSM紫外探测器的制备方法，器件制备工艺简单，器件性能好，成本低，易于实施，可以大规模推广。

附图说明

图1为本发明的可调控光分布的MSM紫外探测器的结构示意图；

图2为本发明的可调控光分布的MSM紫外探测器的俯视图；

图3为本发明的可调控光分布的MSM紫外探测器的微纳结构的示意图。

附图标记说明：1、衬底；2、Al_XGa_1-XN紫外光吸收层；301、左叉指电极；302、右叉指电极；4、微纳结构。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。

实施例1

本实施里提供的可调控光分布的MSM紫外探测器包括衬底1和在衬底1上依次生长的Al_XGa_1-XN基紫外光吸收层2和叉指电极3；所述叉指电极与Al_XGa_1-XN基紫外光吸收层2形成肖特基接触；所述衬底1背面设有微纳结构4，所述微纳结构4的尺寸为9μm×9μm，包括25×25个构成模块；所述构成模块包括四个纳米杆，所述四个纳米杆呈四边形周期排列。设计波长为375nm，该微纳结构4的尺寸为9μm×9μm(a＝b＝9μm)，设计焦距为f＝9μm，其构成模块具有2P＝0.36μm的固定周期，每个构成模块包含4个纳米杆，呈四边形周期排列，周期为P＝0.18μm，每一个纳米杆具有一定旋转角度，其角度根据整体微纳结构对光的调控作用要求并结合纳米杆在绝对坐标系中的坐标使用菲涅尔衍射聚焦与PB相位规律设计，用来调控一定的光场，该微纳结构总共包含25×25个构成模块。

所述衬底1为蓝宝石或二氧化硅。所述叉指电极包括右叉指电极302和左叉指电极301，所述右叉指电极302与左叉指电极301的尺寸均为100μm×100μm。所述叉指电极由Ni、Au、Pt、Cu、Al、Ag、Cr和In中的一种或多种金属复合而成。

实施例2

本实施例提供一种可调控光分布的MSM紫外探测器的制备方法，包括以下步骤：

(1)选择直径为2英寸的平面(0001)面蓝宝石作为衬底1，厚度约为400μm，采用MOCVD方法在蓝宝石上生长Al_0.32Ga_0.68N紫外吸收层2，厚度约为200nm，其中Al组分为0.32，Al组分为0.32的AlGaN的禁带宽度对应要探测的紫外光的波长，TMAl和TMGa分别作为Al源和Ga源，硅烷SiH₄作为Si源，实现了对Al_0.32Ga_0.68N紫外光吸收层的掺杂，Al_0.32Ga_0.68N的禁带宽度对应为要探测的紫外光的波长，约为280nm；

(2)在Al_0.32Ga_0.68N紫外光吸收层2表面进行光刻，得到叉指电极掩膜图案；

(3)用电子束蒸发沉积Ni/Au叉指电极(200/100nm)，金属叉指电极与紫外光吸收层形成肖特基接触，叉指电极包括右边叉指电极302和左边叉指电极301，单元尺寸为100μm×100μm，叉指电极的宽度和间距均为5μm，电极pad区域为100×100μm，然后剥离光刻胶，得到紫外探测器；

(4)对衬底背面进行机械研磨抛光，得到光滑的背面。然后在衬底背面通过电子束曝光方法，获得超表面微纳结构掩膜图案。设计波长为375nm，该微纳结构4的尺寸为9μm×9μm(其中，a＝b＝9μm)，设计焦距为f＝9μm，其构成模块具有2P＝0.36μm的固定周期，每个构成模块包含4个纳米杆，呈四边形周期排列，周期为P＝0.18μm，每一个纳米杆具有一定旋转角度，其角度根据整体微纳结构对光的调控作用要求并结合纳米杆在绝对坐标系中的坐标使用菲涅尔衍射聚焦与PB相位规律设计，用来调控一定的光场，该微纳结构总共包含25×25个构成模块。在类似该尺寸的微纳结构作用下，按一定规律设计的任意一个纳米杆会对光的幅值、相位、极化进行一定调控，从而将光场聚焦调控成匹配叉指电极的光场分布，避免了金属电极对光的遮挡，增加了有效光吸收面积内的光照射强度，光生载流子都产生在金属电极中间区域，载流子只需要横向迁移即可被电极所收集，避免了光生载流子的纵向迁移，增加了载流子的收集速率和收集数量。

(5)采用电子束蒸发在掩膜图案上沉积掩膜金属Ni(100nm)，将光刻胶进行剥离，获得金属掩膜图案；

(6)采用所获得的金属掩膜图案Ni对衬底背面进行ICP刻蚀，ICP功率500W，RF功率150W，Cl₂/BCl₃刻蚀气体分别为40sccm和5sccm，刻蚀时间50s，刻蚀深度一共为600nm。ICP刻蚀后将结构置于盐酸中，去除多余金属掩膜Ni，获得在蓝宝石表面的微纳结构4，完成超表面空间光场调控MSM紫外探测器的制备。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。