一种具有高日盲响应抑制比的氧化镓探测器

本发明涉及紫外光电传感器，具体涉及一种日盲型氧化镓紫外探测器。

背景技术：

1、当太阳光通过大气层时，由于大气中臭氧层对紫外线强烈的吸收，波长在200～280nm的紫外波段辐射难以到达地球表面，从而形成太阳紫外光在近地表面的盲区，称之为日盲区。由于大气中不存在这一波段范围内的紫外辐射，使得200～280nm这一波段的探测信号背景较为干净，有利于对于该波段信号的捕捉。日盲紫外探测技术具有增益高、信噪比高、虚警率低、功耗低和体积小等优点，是导弹预警、紫外光通讯、电晕检测等应用领域的关键核心技术。

2、日盲紫外探测器件分为真空型日盲紫外探测器和固体日盲紫外探测器两大类，真空型日盲紫外探测器工作结构比较复杂、制造成本高、功耗较大、不易系统一体化集成，因此开发高效稳定、自供能、可一体化集成的微小型化固体日盲紫外探测器成为近年来紫外探测器件发展的重要趋势。固体日盲紫外探测器件采用的敏感材料主要有铝镓氮(algan)、镁锌氧(mgzno)、氧化镓(ga2o3)等宽禁带半导体材料，其中氧化镓(ga2o3)是一种超宽禁带半导体材料，对200-280nm的日盲紫外区有较高的光谱选择性特征响应，是开发日盲紫外探测器理想的敏感材料。β相ga2o3的禁带宽度在4.9ev左右，热稳定性和化学稳定性好，通过磁控溅射、金属化合物气相沉积等多种薄膜沉积方式可获得掺杂浓度可控且晶体质量较高的n型β-ga2o3单晶和外延材料。目前采用β-ga2o3开发的固体日盲紫外器的器件结构主要包括pn结型、肖特基势垒型、金属-半导体-金属(msm)型、异质结型等。

3、在过去十余年里，人们不断优化ga2o3日盲紫外探测器的器件结构以改善其探测性能，msm结构由于制备工艺简单、器件暗电流较小、响应速度快而被广泛应用。目前msm型ga2o3日盲紫外探测器的光暗电流比i@220nm/i@365nm>105，尽管这种类型的ga2o3日盲紫外探测器已经获得了较高的光暗电流比，但是msm型探测器日盲区响应对非日盲区响应的抑制比，即i@220nm/i@300nm在很多报道中都不理想，只能达到102-103，不能满足实用化日盲紫外探测需求。要想固态ga2o3紫外探测器实现真正的日盲特性，则要求探测器在280nm之后的波段响应均达到较低水平，即i@220nm/i@300nm要求能达到104及其以上。由于日盲紫外信号通常较为微弱，因此要想准确识别日盲紫外信号，就要求非日盲区信号达到一个极低水平。如果日盲探测器在工作时同时受到非日盲区较强的信号干扰，就容易导致探测器对有用日盲信号分辨能力和识别能力下降，引起探测系统误判。

4、现有非日盲紫外光抑制的光学处理主要包括滤光片滤光和单一会聚透镜处理。滤光片滤光主要是通过多膜层干涉滤除日盲波段外的紫外光，在一定程度上能减小非日盲紫外波段的影响，但这种方法在滤除非日盲紫外光的同时也会造成日盲区紫外光的衰减，并且滤光片为多层结构，结构比较复杂，需要专用镜头进行装调，不能和固态器件一体化集成。单一会聚透镜主要是把日盲紫外光会聚到光敏面，这种方法能提高入射光与探测器之间的耦合效率，但由于只采用一个会聚透镜，因此对入射光的收集效率和视角比较有限，并且只能对较窄的入射波段达到良好的会聚效果。对于200-280nm较宽的日盲波段，单一透镜会聚会带来较大的色散，反而造成光强损失。

5、msm型ga2o3紫外探测器对大于280nm波段的紫外存在响应，归结原因主要在于下面两点：(1)n型β-ga2o3中存在sn掺杂原子，这些掺杂原子在ga2o3中形成电离杂质，对>280nm的非日盲紫外光存在非本征吸收和光电响应。(2)β-ga2o3的生长界面由于材料晶格常数失配以及应力不均匀引起生长界面缺陷，这些缺陷捕获界面处的激子，导致激子淬灭，引起200-280nm区间本征响应度降低。因此，要提高msm型ga2o3紫外探测器日盲响应对非日盲响应的抑制特性，需要从材料和器件两个层面有针对性的进行设计，采用一些新的技术手段对日盲区响应进行最大程度增强，对非日盲区响应进行最大程度抑制，以此获得具有真正日盲特性的固态ga2o3紫外探测器。

技术实现思路

1、本发明目的在于为了克服现有技术的不足，提出了一种具有高日盲响应抑制比的氧化镓探测器，以解决现有ga2o3紫外探测器日盲抑制比不高的技术问题。

2、本发明中具有高日盲响应抑制比的氧化镓探测器包括依次连接的蓝宝石层、用于钝化蓝宝石层生长界面的钝化层、n型β-ga2o3薄膜层和电极，所述蓝宝石层的入射面上形成有用于选择性的将200～280nm波段紫外光聚焦到n型β-ga2o3薄膜层的微透镜阵列。

3、进一步，所述钝化层为氮化铝薄膜或氮化硼薄膜。

4、进一步，所述氮化铝薄膜或氮化硼薄膜的厚度在2-10nm。

5、进一步，所述微透镜阵列由汇聚光波段范围分别为200-240nm，240-260nm，260-280nm的单个微透镜均匀交错布置构成。

6、进一步，所述微透镜阵列中单个微透镜直径在1～2mm之间，工作方式为折射式或折反式。

7、进一步，所述微透镜阵列的材料为紫外熔融石英或者蓝宝石。

8、进一步，所述n型β-ga2o3薄膜层的厚度为10～100nm。

9、进一步，所述n型β-ga2o3的掺杂浓度在1×1016～3×1018cm-3之间。

10、进一步，所述电极为叉指状电极。

11、进一步，所述叉指状电极的材料为功函数大于5.0ev的高功函数材料，叉指电极中正级和负极之间的间距5～30μm。

12、本发明的有益效果：

13、1、本发明中具有高日盲响应抑制比的氧化镓探测器，其将蓝宝石层的光入射面设计成只对200至280nm波段的日盲紫外光具有会聚能力的微透镜阵列，以此能提高氧化镓探测器对日盲紫外波段入射光的收集能力，并同时能抑制非日盲波段的入射，从而保证了氧化镓探测器能获得较高的日盲区响应对非日盲区响应的抑制比。与现有日盲滤光片滤光和单一透镜会聚的技术方法相比，本发明采用的微透镜阵列具有以下优点：(1)由于在入射面的不同方位都有微透镜单元，因此能对不同角度入射的紫外光进行有效收集，从而扩大紫外光的入射视角，提高氧化镓器件对紫外入射光的收集效率。(2)微透镜阵列中不同的微透镜单元设计成会聚光波段分别为200-240nm，240-260nm，260-280nm等不同的会聚透镜，从而在针对性的保证覆盖200-280nm全日盲波段的同时，也能保证微透镜受到色散影响较小，获得对全日盲波段良好的会聚特性；同时极大抑制非日盲波段被聚焦到氧化镓层。(3)微透镜阵列可以直接在蓝宝石衬底背面制作，也可以单独用紫外石英制作后再与蓝宝石层粘接，因此与氧化镓器件一体化集成度高。(4)微透镜阵列位置布局以及形状尺寸设计灵活，并且现有加工技术成熟，通过对微透镜阵列的不断优化，可获得理想的日盲紫外对非日盲紫外的抑制效果。

14、2、本发明中具有高日盲响应抑制比的氧化镓探测器，其采用aln或bn薄膜层对蓝宝石生长界面进行钝化，以此降低由界面缺陷引起的激子捕获，从而能提高日盲区响应。与现有常规sio2和al2o3等钝化材料和效果相比，本发明采用2-10nm(原子层厚度级)的aln或bn作为钝化层的优点在于：(1)通过原子层沉积制备的aln和bn，具有与β-ga2o3相匹配的六方系晶体结构，因此在它们的基底上外延β-ga2o3，降低了晶格失配的界面缺陷，有利于β-ga2o3外延晶体质量的提高。(2)aln和bn具有比β-ga2o3更宽的禁带宽度，以aln或bn作为钝化层，能够在蓝宝石与β-ga2o3界面处建立一个较高的电子势垒，阻挡蓝宝石与β-ga2o3界面处的光生载流子通过，因此可以减小光生载流子在界面处的复合，提高光生载流子的定向输运效率。(3)原子层厚度级的aln或bn的透光性极好，能使得日盲波段紫外光能过多的到达n型β-ga2o3。