一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极及其制备工艺
阅读说明：本技术 一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极及其制备工艺 (AlGaN/GaN quantum well near-infrared-ultraviolet double-color detection photocathode and preparation process thereof ) 是由 邓文娟 朱斌 邹继军 彭新村 朱志甫 王壮飞 周甜 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极及其制备工艺。包括衬底,缓冲层外延在衬底上,P型下帽层制作在缓冲层上,P型势阱层制作在P型下帽层上,多量子阱层制作在P型势阱层上,P型上帽层制作在多量子阱层上,P型发射层制作在P型上帽层上,其中多量子阱层由I型势垒层、I型势阱层组成,多量子阱层为20周期,其结构是通过MOCVD进行制备。本发明可以同时探测紫外和近红外双波段,同时具有“日盲”的特性；可以通过调节不同的外延层组分或者势阱层厚度来选择不同的探测波段；与此同时有较快的时间响应,灵敏度高,量子效率高,且有较好的波段选择性,可探测微弱信号,探测成本低等。(The invention relates to an AlGaN/GaN quantum well near-infrared-ultraviolet double-color detection photocathode and a preparation process thereof. The multi-quantum well structure comprises a substrate, wherein a buffer layer is extended on the substrate, a P-type lower cap layer is manufactured on the buffer layer, a P-type potential well layer is manufactured on the P-type lower cap layer, a multi-quantum well layer is manufactured on the P-type potential well layer, a P-type upper cap layer is manufactured on the multi-quantum well layer, a P-type emitting layer is manufactured on the P-type upper cap layer, the multi-quantum well layer is composed of an I-type potential barrier layer and an I-type potential well layer, the period of the multi-quantum well layer is 20, and the structure is manufactured through MOCVD. The invention can simultaneously detect ultraviolet and near-infrared double wave bands and has the characteristic of solar blindness; different detection wave bands can be selected by adjusting different epitaxial layer compositions or the thickness of the potential well layer; meanwhile, the method has the advantages of fast time response, high sensitivity, high quantum efficiency, good waveband selectivity, capability of detecting weak signals, low detection cost and the like.)
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极及其制备工艺。
背景技术
近年来，随着信息技术、探测技术的进步以及半导体制造工艺水平的提高，红外探测器和紫外探测器由军用逐渐转变为军民两用光电探测器，其中，红外探测常用于远距离探测，如制导、热成像、夜视、矿产资源勘探、气象预报和空间定位等方面，但其受气候、温度、目标伪装影响而虚警率高；紫外探测设备具有“日盲”优点，常用于导弹预警、紫外通讯、生化分析等军事任务和环境监测、臭氧检测、火焰控制监测、紫外水净化消毒监测等民用领域，因而虚警率低，但紫外探测距离较近。而双色、多色等多波段探测，成倍扩大探测系统信息量是红外探测及紫外探测的共同发展目标之一。与单纯红外或者紫外探测相比，如能同时获得紫外和红外两个波段的信息可以增强对目标的辨识能力、降低虚警率，这将显著提高系统的性能以及在各种武器平台上的适用性。
近年来，红外探测光电阴极、紫外探测光电阴极、红外-紫外双色集成光电固体探测器被研制出来，但红外-紫外双色集成探测光电阴极尚处于起步状态。其中，紫外光电阴极、红外光电阴极具有单色探测量子效率高、时间响应快、响应灵敏度高等优点；而红外和紫外双色集成光电固体探测器具有体积小、工作电压低等特点，在一定工作场合有其优势，但是受到自身探测机理及结构的限制，存在暗电流高、响应速度慢、欧姆接触实现困难等缺点，影响了其在微弱光探测上的发展。然而在实际应用中，需要探测器既具有时间响应快、灵敏度高又可以同时探测多个波段光的能力。
目前Ⅲ族氮化物得到了较大发展，紫外-红外探测技术中晶格不匹配带来的紫外-红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等问题伴随着Ⅲ族氮化物量子阱红外探测器性能的提高、量子阱材料、二维材料等新型光敏材料以及键合结构等新型集成技术的出现而得到解决。GaN基三元合金AlxGa1-xN材料是波长范围连续的直接带隙半导体，其带隙随Al组分变化而在3.4～6.2eV连续变化，是作为紫外探测的首选材料，而伴随着Ⅲ族氮化物量子阱结构的快速发展，红外探测响应弱的问题在逐渐解决，GaN基材料逐渐成为紫外-红外双色探测光电阴极的首选材料。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极及其制备工艺的技术方案。
所述的一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极，其特征在于，其结构沿生长方向依次为衬底（101）、缓冲层（102）、P型下帽层（103）、P型势阱层（104）、多量子阱层、P型上帽层（107）和P型发射层（108），缓冲层（102）外延生长在衬底（101）上，P型下帽层（103）生长在缓冲层（102）上，P型势阱层（104）生长在P型下帽层上（103），多量子阱层生长在P型势阱层（104）上，P型上帽层（107）生长在多量子阱层上，P型发射层（108）生长在P型上帽层（107）上；所述多量子阱层包含多个周期设置的I型势阱层（106）和I型势垒层（105），每一周期由一层I型势垒层（105）和一层I型势阱层（106）组成。
所述的一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极，其特征在于所述衬底（101）为蓝宝石；缓冲层（102）为外延AlN材料；P型下帽层（103）为高浓度的P型AlxGa1-xN材料，其中0.1≤x≤0.5，掺杂浓度为1×1018cm-3；P型势阱层（104）为高浓度P型GaN材料，掺杂浓度为5×1018cm-3；多量子阱层由I型势阱层（106）和I型势垒层（105）组成，其中I型AlyGa1-yN作为势垒层，I型AlzGa1-zN作为势阱层，0.5≤y≤0.8，0.1≤z≤0.3,，一个I型势阱层（106）和一个I型势垒层（105）组成多量子阱层的一个周期，整个多量子阱层共由10-30周期组成；P型上帽层（107）为高浓度的P型AlcGa1-cN材料，其中0.1≤c≤0.5，掺杂浓度为1×1018cm-3；P型发射层（108）为高浓度的P型GaN材料，掺杂浓度为1×1017cm-3。
所述的一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极，其特征在于所述AlN缓冲层厚度为2～3㎛；P型下帽层AlxGa1-xN的Al组分变化为0.1≤x≤0.5，厚度为200～400㎚；P型势阱层GaN厚度为2～5㎚；多量子阱层中I型势垒层AlyGa1-yN厚度为2～10㎚，Al组分变化为0.5≤y≤0.8，I型势阱层AlzGa1-zN厚度为2～10㎚，Al组分变化为0.1≤z≤0.3；多量子阱层周期数为10～30；P型上帽层AlcGa1-cN的Al组分变化为0.1≤c≤0.5，厚度为30～150㎚；P型GaN发射层厚度为2～5㎚，掺杂浓度为1×1017cm-3。
所述的一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极，其特征在于所述缓冲层AlN厚度为2.5㎛；P型下帽层AlxGa1-xN厚度为300㎚，x=0.25，掺杂浓度1×1018cm-3；P型势阱层GaN厚度为3㎚，掺杂浓度5×1018cm-3；多量子阱层中I型势垒层AlyGa1-yN厚度为2㎚，y=0.5；I型势阱层AlzGa1-zN厚度为2㎚，z=0.25；P型上帽层AlcGa1-cN厚度为100㎚，c=0.25，掺杂浓度1×1018cm-3；P型发射层GaN厚度为3㎚，掺杂浓度为1×1017cm-3。
所述的一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极制备工艺，其特征在于包括如下步骤：利用MOCVD工艺在蓝宝石衬底上依次外延生长AlN缓冲层、镁掺杂P型AlGaN下帽层、镁掺杂P型GaN势阱层、由变组分AlGaN组成的多量子阱层、镁掺杂P型上帽层、镁掺杂P型发射层，多量子阱层的单量子阱层包括变组分I型AlGaN势垒层和变组分I型AlGaN势阱层。
所述的一种AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
1）取衬底蓝宝石，对衬底表面进行清洗，去除衬底表面的杂质和污迹；
2）在蓝宝石衬底上利用MOCVD工艺生长AlN缓冲层：
将衬底温度降低至1200℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为150slm，氨气流量为2000sccm，向反应室通入流量为200ummol/min的铝源，生长厚度为2.5㎛的AlN缓冲层；
3）在AlN缓冲层上生长P型下帽层Al0.25Ga0.75N：
将生长温度调至1100℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为150slm，氨气流量为2000sccm，向反应室同时通入流量为130ummol/min的铝源、500ummol/min的镓源生长厚度为300㎚的P型下帽层Al0.25Ga0.75N；
4）在P型下帽层Al0.25Ga0.75N上生长P型势阱层GaN：
将生长温度降至950℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为90slm，氨气流量为30000sccm，向反应室通入流量为40ummol/min的镓源生长厚度为3㎚的P型势阱层GaN。
5）在P型势阱层GaN上生长多量子阱层Al0.5Ga0.5N/Al0.25Ga0.75N：
将生长温度降至1100℃，保持生长压力为40Torr，氨气流量为2000sccm，先向反应室通入45ummol/min的铝源、170ummol/min的镓源，生长厚度为2㎚的Al0.5Ga0.5N势垒层，再通入140ummol/min的铝源、100ummol/min的镓源，生长厚度为2㎚的Al0.25Ga0.75N势阱层；通过重复上述的生长过程，生长周期为20的多量子阱层Al0.5Ga0.5N/Al0.25Ga0.75N；
6）在多量子阱成上生长P型上帽层Al0.25Ga0.75N：
将生长温度升至1100℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为150slm，氨气流量为2000sccm，向反应室同时通入流量为130ummol/min的铝源、500ummol/min的镓源生长厚度为100㎚的P型上帽层Al0.25Ga0.75N；
7）在P型上帽层Al0.25Ga0.75N上生长P型发射层GaN：
将生长温度降至950℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为90slm，氨气流量为30000sccm，向反应室通入流量为40ummol/min的镓源生长厚度为3㎚的P型发射层GaN。
与现有技术互相比，本发明的优点是可以同时探测紫外和红外双波段，同时具有“日盲”的特性；也可以通过调节不同的势阱层厚度和组分来选择不同的探测波段；与此同时，相较于双色集成固体探测器，它具有较快的时间响应，灵敏度高，量子效率高，且有较好的波段选择性，可探测微弱信号，探测成本低等优点。
附图说明
图1是本发明一种基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极结构示意图；
图2是本发明一种基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极的工作原理图；
图3是本发明一种基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极在红外波段下的工作原理图；
图4为
具体实施方式
一仿真得到的一种基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极的光谱响应图；
图5为具体实施方式二仿真得到的一种基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测光电阴极的光谱响应图。
具体实施方式
本发明提供一种为了解决对极微弱的辐射进行定点探测和实时跟踪，在微弱光探测显示明显的优势和潜力，有较高的量子效率，在可以探测红外和紫外波段的同时具有“日盲”效果的新型基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极及其制备工艺。
本发明的双色探测光电阴极结构包括：衬底；缓冲层，该缓冲层外延在衬底上；P型下帽层，该P型下帽层生长在缓冲层上；P型势阱层，该P型势阱层生长在P型下帽层上，多量子阱层（MQW），该多量子阱层生长在P型势阱层上；P型上帽层，该P型上帽层生长在多量子阱层上；P型发射层，该P型发射层生长在P型上帽层上；其中，多量子阱层由多个I型势垒层和I型势阱层交替生长组成。
本发明的双色探测光电阴极衬底为蓝宝石；其中在蓝宝石衬底上依次外延生长AlN缓冲层、P型下帽层AlxGa1-xN、P型势阱层GaN、I型势垒层AlyGa1-yN和I型势阱层AlzGa1-zN组成的多量子阱层（MQW）、P型上帽层AlcGa1-cN、P型发射层GaN。AlN缓冲层厚度为2～3㎛；P型AlxGa1-xN下帽层的Al组分变化为0.1≤x≤0.5，厚度为200～400㎚；P型GaN势阱层厚度为2～5㎚；多量子阱层中I型AlyGa1-yN势垒层厚度为2～10㎚，Al组分变化为0.5≤y≤0.8，I型AlzGa1-zN势阱层厚度为2～10㎚，Al组分变化为0.1≤z≤0.3；MQW层周期数为10～30；P型AlcGa1-cN上帽层的Al组分变化为0.1≤c≤0.5，厚度为30～150㎚；P型GaN发射层厚度为2～5㎚，掺杂浓度为1×1017cm-3。
本发明光电阴极制备工艺按照以下步骤进行：利用MOCVD工艺在蓝宝石衬底上依次外延生长AlN缓冲层、镁掺杂P型AlGaN下帽层、镁掺杂P型GaN势阱层、由变组分AlGaN组成的多量子阱层（一周期的单量子阱层包括变组分I型AlGaN势垒层和变组分I型AlGaN势阱层）、镁掺杂P型上帽层、镁掺杂P型发射层。
如图1所示，在具体实施中，本发明一种基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极包括一个衬底101，一个缓冲层102，一个P型下帽层103，一个P型势阱层104，一个MQW（多量子阱层）层，一个P型上帽层107，一个P型发射层108。缓冲层102外延在衬底101上，P型下帽层103生长在缓冲层102上，P型势阱层104生长在P型下帽层103上，MQW层包含多个单量子阱层，其中单量子阱层包含I型势垒层105和I型势阱层106，该MQW（多量子阱层）层生长在P型势阱层104上，P型上帽层107生长在MQW多量子阱层层上，P型发射层108生长在P型上帽层107上。其中衬底101为蓝宝石材料，缓冲层102为外延AlN材料，P型下帽层103为高浓度的P型Al0.25Ga0.75N材料，掺杂浓度为1×1018cm-3；P型势阱层104为高浓度的P型GaN材料，掺杂浓度为5×1018cm-3；MQW层由I型势垒层105和I型势阱层106组成，其中I型Al0.5Ga0.5N作为势垒层105，I型Al0.25Ga0.75N作为势阱层106，一个势阱层106和一个势垒层105组成MQW层的一个周期，整个MQW层共由20周期组成；P型上帽层107为高浓度的P型Al0.25Ga0.75N材料，掺杂浓度为1×1018cm-3；P型发射层108为高浓度的P型GaN材料，掺杂浓度为1×1017cm-3。
具体实施方式一：取蓝宝石作为衬底101；在蓝宝石衬底上生长缓冲层AlN厚度为2.5㎛；P型下帽层AlxGa1-xN厚度为300㎚，x=0.25，掺杂浓度1×1018cm-3；P型势阱层GaN厚度为3㎚，掺杂浓度5×1018cm-3；MQW层中I型势垒层AlyGa1-yN厚度为2㎚，y=0.5；I型势阱层AlzGa1-zN厚度为2㎚，z=0.25；P型上帽层AlcGa1-cN厚度为100㎚，c=0.25，掺杂浓度1×1018cm-3；P型发射层GaN厚度为3㎚。
具体实施方式一中的基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极制备工艺按照以下步骤进行：
一、取衬底蓝宝石，对衬底表面进行清洗，去除衬底表面的杂质和污迹；
二、在蓝宝石衬底上利用MOCVD工艺生长AlN缓冲层：
将衬底温度降低至1200℃，保持生长压力40Torr，氢气流量为150slm，氨气流量为2000sccm，向反应室通入流量为200ummol/min的铝源，生长厚度为2.5㎛的AlN缓冲层；
三、在AlN缓冲层上生长P型Al0.25Ga0.75N下帽层：
将生长温度调至1100℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为150slm，氨气流量为2000sccm，向反应室同时通入流量为130ummol/min的铝源、500ummol/min的镓源生长厚度为300㎚的Al0.25Ga0.75N下帽层；
四、在P型Al0.25Ga0.75N下帽层上生长P型GaN势阱层：
将生长温度降至950℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为90slm，氨气流量为30000sccm，向反应室通入流量为40ummol/min的镓源生长厚度为3㎚的GaN势阱层；
五、在P型GaN势阱层上生长Al0.5Ga0.5N/Al0.25Ga0.75N多量子阱层有源区：
将生长温度降至1100℃，保持生长压力为40Torr，氨气流量为2000sccm，先向反应室通入45ummol/min的铝源、170ummol/min的镓源，生长厚度为2㎚的Al0.5Ga0.5N势垒层，再通入140ummol/min的铝源、100ummol/min的镓源，生长厚度为2㎚的Al0.25Ga0.75N势阱层。通过重复上述的生长过程，生长周期为20的Al0.5Ga0.5N/Al0.25Ga0.75N多量子阱层有源层；
六、在多量子阱有源区上生长P型Al0.25Ga0.75N上帽层：
将生长温度升至1100℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为150slm，氨气流量为2000sccm，向反应室同时通入流量为130ummol/min的铝源、500ummol/min的镓源生长厚度为100㎚的Al0.25Ga0.75N上帽层；
七、在P型上帽层上生长P型GaN发射层：
将生长温度降至950℃，保持生长压力为40Torr，氢气流量为90slm，氨气流量为30000sccm，向反应室通入流量为40ummol/min的镓源生长厚度为3㎚的GaN发射层。
本实施方式中的基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极紫外-近红外仿真得到的光谱响应图如图4所示。
具体实施方式二：取蓝宝石作为衬底101；在蓝宝石衬底上生长缓冲层AlN厚度为2.5㎛；P型下帽层AlxGa1-xN厚度300㎚，x=0.25，掺杂浓度1×1018cm-3；P型GaN势阱层厚度3㎚，掺杂浓度5×1018cm-3；多量子阱层中I型势垒层AlyGa1-yN厚度10㎚，y=0.5；I型势阱层AlzGa1-zN厚度2㎚，z=0.25；P型上帽层AlcGa1-cN厚度100㎚，c=0.25，掺杂浓度1×1018cm-3；P型发射层GaN厚度3㎚。
具体实施方式二中的基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极制备工艺步骤与具体实施方式一的步骤基本相同。
本实施方式中的基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极紫外-近红外仿真得到的光谱响应图如图5所示。
本发明一种基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极的工作原理是当紫外光从上方P型发射层108入射时，光子会透过P型发射层108进入P型上帽层107，光子能量大于P型发射层108和P型上帽层107禁带宽度，电子吸收光子能量被激发至激发态，从价带跃迁至导带，最后电子输运至P型发射层108表面发射出去，实现紫外波段的探测，其具体原理示意图如图2所示；当红外光从上方成角度的方式对器件进行照射时，光子能量等于吸收区量子阱激发能级与基态能级能量之差，该基态能级上的电子被激发至激发态能级上，接着这些光生电子通过共振隧穿方式进入级联输运区并借助声子辅助的隧穿过程快速通过输运区各个量子阱有源区；紧接着到达输运区末端量子阱的光生电子再次通过共振隧穿进入发光区量子阱中，并与P型区注入空穴进行带间辐射复合，最终发射出可以被探测到的红外光，其原理示意图如图3所示。
本发明提出的一种基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极及其制备工艺，相比于传统的双色探测器来说，本发明提出区别于固体探测器的真空探测器，具有探测效率，响应速度快，灵敏度高等优点，且在近红外-紫外双色集成“日盲”光电阴极处于起步状态下，提出了一种新型结构。此外，本发明新型基于AlGaN/GaN量子阱近红外-紫外双色探测“日盲”光电阴极在红外探测时通过合理设计AlGaN/GaN量子阱有源区的结构，使得光电子无需外加电压即可隧穿进入发射层，并采用变带隙P型上帽层AlGaN和P型发射层GaN，有利于激发隧穿到发射层的电子往发射面漂移，从而有利于光生电子的输运与发射，实现红外探测，同时也可以通过改变变带隙P型上帽层AlGaN也可以调节紫外光波的探测范围及改善探测效率。
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