專利名稱：紫外傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一個配備一針型光電二極管的紫外傳感器。
背景技術(shù)：
組合了一個具有只傳輸特定波長的光的特性的濾光器和一個使用了半導(dǎo)體硅的光電二極管的器件用作為紫外傳感器，用來監(jiān)測波長接近365納米的紫外輻射的光強度，這已經(jīng)被眾所周知。此外，一個包括了在n型和p型氮化鎵半導(dǎo)體層之間的一層由i型氮化鎵半導(dǎo)體構(gòu)成的光接收層的針型氮化物半導(dǎo)體光接收元件用作一個選擇性地探測在一特定波長范圍內(nèi)的光用的器件(見日本未經(jīng)審查的專利申請?zhí)?002-83996)，這也為人熟知。

發(fā)明內(nèi)容
然而，在上面描述的濾光器中，元件的數(shù)量不得不隨著入射光強度的減弱而增加。此外，采用上述專利申請中描述的光接收元件，只選擇性的探測波長接近365納米的紫外輻射是比較困難的。
本發(fā)明的一個目的就是提供一個用來只選擇性的探測波長接近365納米的光的紫外傳感器。
按照本發(fā)明的紫外傳感器包括一個構(gòu)成一容器的部分壁的入射光窗口和一個放置在該容器內(nèi)用來對穿過入射光窗口的光束進行光電轉(zhuǎn)換的針型光電二極管。其中，該入射光窗口由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成，而該針型光電二極管包括了在一n型氮化物半導(dǎo)體層與一p型氮化物半導(dǎo)體層之間的由銦x鎵(1-x)氮(0＜x＜1)INxGa(1-x)N(0＜x＜1)材料組成的一光吸收層。
采用上述按照本發(fā)明的紫外傳感器，因為入射光窗口由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成，所以波長約為300納米或波長更長的光可以被選擇性地傳輸。此外，因為放置在容器內(nèi)部的針型光電二極管的光吸收層是由INxGa(1-x)N(0＜x＜1)制成的，所以波長約為400納米或波長更短的穿過入射光窗口傳輸進來的光可以被選擇性地光電轉(zhuǎn)換。因此，只有波長約為365納米的光可以被選擇性地探測到。
由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的入射光窗口的厚度最好為200微米或更厚。這樣，可以保證入射光窗口具有足夠的機械強度，同時，可以保證有效地屏蔽波長小于或等于300納米的光，而只允許波長等于或大于300納米的光可以被選擇性地傳輸。
光吸收層中INxGa(1-x)N的成分比x的值最好在0～0.05之間。這樣，可以減弱波長大于約400納米的光的靈敏度。
此外，對波長為405納米的光的探測靈敏度最多是對波長為365納米的光的探測靈敏度的1/100。這樣，可以更加的精確地探測波長接近365納米的光。
按照本發(fā)明的紫外傳感器最好被用作影印石版術(shù)中光源的功率計。這樣，汞燈的發(fā)射線中波長為365納米的發(fā)射線的強度可以被精確地監(jiān)控，這個波長的發(fā)射線被廣泛地用作為在影印石版術(shù)中的光源，并一般被稱為i線。


圖1所示的是一個紫外傳感器實施例的橫截面示意圖；圖2所示的是放置在圖1所示的紫外傳感器內(nèi)的針型光電二極管的示意圖。
圖3所示的是當不摻雜的INxGa(1-x)N光吸收層中銦(In)的含量比x為零時的針型光電二極管的光譜靈敏度特性的曲線圖；圖4所示的是INxGa(1-x)N(0＜x＜1)層中銦(In)的含量比x和光致發(fā)光(PL)的峰值波長之間的關(guān)系；圖5所示的是當銦In的比例系數(shù)x分別對應(yīng)圖4中的點A-D時的波長和光致發(fā)光(PL)的強度之間的關(guān)系；圖6所示的是當INxGa(1-x)N光吸收層中銦(In)的含量比x為0.01時的針型光電二極管的光譜靈敏度特性的曲線圖；和圖7所示的是當紫外傳感器實施例中INxGa(1-x)N光吸收層中銦(In)的含量比x為0.01時的光譜靈敏度的曲線圖。
具體實施例方式
在下文將結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實施例進行更詳細的描述。在附圖中同樣的元件用同樣的標號表示，并且忽略其中重復(fù)的說明。
圖1所示的是一個紫外傳感器實施例的橫截面示意圖。圖2所示的是放置在圖1所示的紫外傳感器內(nèi)的一針型光電二極管的示意圖。如圖1所示，一個紫外傳感器1包括一個容器5，其中，一金屬管殼2的上端開口被一個由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的作為入射光窗口的頂板3封閉，而下端開口被一個底板4封閉。作為入射光窗口的該頂板3通過密封金屬管殼2的上端開口構(gòu)成容器5的部分壁。容器5的內(nèi)部空間可以填充空氣或氮氣，或被抽成真空。一個針型光電二極管6被放置在容器5內(nèi)。如圖2所示，針型光電二極管6包括一個n型接觸層8、一個光吸收層9和一個p型接觸層10，它們依次層疊在一個半導(dǎo)體基底7的上面。歐姆電極11、12分別形成在n型接觸層8和p型接觸層10上。
多個用來給針型光電二極管6提供電壓或者從針型光電二極管6中拾取信號的電極針13設(shè)置在容器5的底板4上。電極針13通過金屬導(dǎo)線14與歐姆電極11、12相連。
在針型光電二極管6中，光吸收層9由INxGa(1-x)N(0＜x＜1)制成。此外，n型接觸層8和p型接觸層10由氮化物半導(dǎo)體制成。氮化物半導(dǎo)體是一個III-V族化合物半導(dǎo)體，包含III族元素鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)中的至少一種，而V族元素中主要為氮(N)。
針型光電二極管6的各元件厚度將在下面描述。
半導(dǎo)體基底7的厚度可以適當根據(jù)所使用材料的特性，同時考慮它的機械強度應(yīng)該足夠防止基底在通常使用中破裂、外延生長后處理的可操縱性以及成本而決定。
當將與氮化物半導(dǎo)體層(通過外延生長在一基底，例如藍寶石基底上)之間存在較大的晶格失配的該基底用作為半導(dǎo)體基底7時，那么最好在該基底與氮化物半導(dǎo)體層之間插入一層緩沖層。緩沖層的厚度根據(jù)外延生長設(shè)備的類型和生長環(huán)境適當?shù)剡x擇。當用諸如碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)之類的材料作為半導(dǎo)體基底7時，不必使用一緩沖層。
根據(jù)加工方法的可控制性適當?shù)貨Q定n型接觸層8的厚度。在針型光電二極管6的制作過程中，首先在外延生長后通過平板印刷制作出需要的圖形，然后從前表面一側(cè)使用干刻技術(shù)讓n型接觸層8曝光，蝕刻出一個臺面結(jié)構(gòu)。
干刻的刻蝕深度通過干刻時間控制。當n型接觸層8的厚度比較小，那么n型接觸層8在有些情況下會因為過刻蝕而被穿透，或在有些情況下n型接觸層8的表面會因為刻蝕不充分而未被曝光。此外，當n型接觸層8的厚度比較大，那么外延生長時間延長，成本就提高了。因此，n型接觸層8的厚度是根據(jù)考慮了上述問題的刻蝕厚度的可控制性來選擇的。
當光吸收層9的厚度比較小時，不能獲得對于所需波長的光足夠的吸收。此外，當厚度比較大時，在光吸收層9中形成的電場被減弱，在由入射光激發(fā)的載流子中達到n型接觸層8之前重新結(jié)合的載流子和p型接觸層10中的比值提高了，從而降低了靈敏度。
因為入射光穿過p型接觸層10到達光吸收層9，所以p型接觸層10的厚度最好比較小，以便抑制由光的吸收引起的對入射光的衰減作用。然而，為了獲得良好的歐姆特性，必須摻入大量的p型摻雜劑，因此p型接觸層10的厚度的選擇必須考慮到p型摻雜劑的擴散。
根據(jù)前面的論述，各元件的可取的/更可取的厚度范圍被列在下面。對于n型接觸層8和p型接觸層10，只給出了可取的范圍。
表1

由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的頂板3的厚度的可取值至少應(yīng)為200微米，更可取的厚度是500微米或者更厚些，這樣不僅可以得到足夠的機械強度，滿足作為入射光窗口的要求，而且可以有效地屏蔽波長小于或等于300納米的光。此外，當頂板和商業(yè)化的金屬管殼焊接時，需要頂板的厚度大約為1毫米。
使用上面描述的紫外傳感器1，由于作為入射光窗口的頂板3是由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的，因此入射到頂板3上的紫外輻射波長中小于或等于約300納米的光被頂板3吸收，波長大于或等于約300納米的光被選擇性地傳輸。
穿過頂板3的波長大于或等于約300納米的光射到放置在容器5內(nèi)的針型光電二極管6的光吸收層9上。由于光吸收層9由InxGa(1-x)N(0＜x＜1)制成，對于波長大于或等于約300納米的入射光，只有波長小于或等于約400納米的光被選擇性地進行光電轉(zhuǎn)換，而電子—空穴對作為輸出信號從歐姆電極11、12被輸出到紫外傳感器1的外面。因此，采用本紫外傳感器1，波長接近365納米的光可以被選擇性地探測到。
此外，本紫外傳感器1有一個使用針型光電二極管6的結(jié)構(gòu)，因此裝置的尺寸相比于光電子管等可以被縮小，而且不需要高壓電源。
然而，因為波長小于或等于300納米的光具有較高的能量，如果光直接落在光電二極管上，那么光電二極管的電阻降低，靈敏度降低。采用本紫外傳感器1，因為由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的頂板3的厚度等于200微米或更大，波長小于或等于300納米的光被屏蔽。因此，具有較高能量的波長小于或等于300納米的光被截斷，只有能量較低的光可以射到針型光電二極管6上。因此，針型光電二極管6的長期穩(wěn)定性可以被進一步提高。
本發(fā)明將在下文根據(jù)它的諸工作實例被更詳細地描述，但本發(fā)明并不只局限于下面描述的諸工作實例。
在這個工作實例中，藍寶石玻璃作為針型光電二極管的半導(dǎo)體基底被使用。藍寶石基底洗干凈后被置于一個有機金屬的氣相生長設(shè)備中，然后一個緩沖層、一個n型接觸層、一個光吸收層和一個p型接觸層按照所描述的順序被相繼進行外延生長。
每一層的材料和厚度在下面的表2中列出。
表2

在這里，選擇n型接觸層和p型接觸層的能隙與光吸收層的能隙相等，或前者的大于后者的。
接觸層和緩沖層并不一定必須由銦鎵氮(InGaN)制成，也可以用其它氮化物半導(dǎo)體制成。此外，在本裝置中，氮化物半導(dǎo)體層通過有機金屬氣相生長法外延生長成，但是外延生長也可以通過其它方法完成，例如氫化物氣相生長法或分子外延生長法。
當有機金屬氣相生長設(shè)備內(nèi)的溫度降低到室溫后，從該設(shè)備移出外延生長成的氮化物半導(dǎo)體層。然后，一塊金屬被氣相蒸發(fā)在位于氮化物半導(dǎo)體層的前表面上的p型接觸層上作為一p型歐姆電極，熔合過程在現(xiàn)定的溫度下進行。
然后，用攝影術(shù)進行指定的圖形制作，一個臺面結(jié)構(gòu)通過干刻法在上表面刻蝕形成。刻蝕達到n型接觸層的中間部分為止。
然后用例如一切割設(shè)備將氮化物半導(dǎo)體切割到指定的尺寸，一個n型歐姆電極通過一機械掩膜被沉積到n型接觸層上，在指定的溫度下進行熔合過程。
這樣就制成了針型光電二極管，然后將它用焊料模片鍵合到一商品化基底上。p型和n型歐姆電極通過銅線和基底上的電極針相連。
由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的、作為入射光窗口的頂板被焊接到一個金屬側(cè)管上，然后將該金屬管殼焊接到底板上，這樣就完成了一個紫外傳感器。
在本實施例中，由金屬管殼、底板和正面板構(gòu)成的容器內(nèi)部充滿了氮氣。此外，用來構(gòu)建頂板的科瓦鐵鎳鈷合金玻璃的科瓦鐵鎳鈷合金硬玻璃(KB硬玻璃)是由NEC玻璃元件有限公司制造的。
在上述的紫外傳感器中，照在作為入射光窗口的正面板的紫外輻射中，波長小于或等于約300納米的光被由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的正面板吸收。而波長大于約300納米的光穿過正面板照在p型接觸層上。
p型接觸層具有一大于或等于光吸收層的能隙的觸隙以及一較小的厚度。因此，實際上所有的照在p型接觸層上的光都可以通過它傳出。
被傳輸?shù)墓獗还馕諏游眨a(chǎn)生從歐姆電極上拾取的電子—空穴對以用作一輸出信號。
在這個過程中，波長比對應(yīng)光吸收層的能帶隙的波長大的光穿過光吸收層傳播。因此，這種波長的光不會被轉(zhuǎn)換為針型光電二極管的輸出信號。
例如，當光吸收層中銦(In)的含量比x為零，即，在氮化鎵(GaN)光吸收層情況下，與它的能隙對應(yīng)的波長在室溫下接近350納米。圖3所示是當光吸收層中銦(In)的含量比x為零時的針型光電二極管的光譜靈敏度特性的曲線圖。我們可以清楚的看到對應(yīng)于作為一汞燈i線的波長為365納米的光的靈敏度降低到峰值的1/2左右。圖3縱坐標靈敏度的坐標值是用任意單位(a.u.)測量的。
因為這個原因，在本發(fā)明的該實施例中，INxGa(1-x)N(0＜x＜1)被用作光吸收層。此外，發(fā)明者已經(jīng)通過實驗發(fā)現(xiàn)為了對汞燈中波長365納米的發(fā)射線獲得較高的靈敏度，并且降低對波長為405納米的發(fā)射線的靈敏度，INxGa(1-x)N(0＜x＜1)層中銦In的含量比x最好為0～0.05之間。
圖4表示了INxGa(1-x)N層中銦(In)的含量比x和光致發(fā)光(PL)的峰值波長之間的關(guān)系。眾所周知，光致發(fā)光的峰值波長大致與光吸收邊緣有關(guān)。在圖4中，點A-D分別指明了含量比x等于0.01、0.02、0.03、0.05的情況。從圖4可知，當x＞0.05時光致發(fā)光的峰值波長為約390納米，并且有可能獲得對應(yīng)于汞燈中波長為405納米的發(fā)射線的靈敏度。
圖5圖示3當銦(In)的含量比x分別對應(yīng)于圖4中點A-D時的波長與光致發(fā)光(PL)的強度之間的關(guān)系。縱坐標強度的坐標值是用任意單位(a.u.)度量的。如圖5所示，顯然在銦(In)的含量比x等于0.01的曲線A的情況時，波長接近365納米的光的強度增大，在銦(In)的含量比x等于0.05的曲線B的情況時，波長接近405納米的光的強度增大。因此，為了降低波長為約405納米的光的靈敏度，為了提供波長為約365納米的光的靈敏度，INxGa(1-x)N(0＜x＜1)層中銦(In)的含量比x最好為0～0.05。
圖6所示是當INxGa(1-x)N光吸收層中銦(In)的含量比x為0.01時針型光電二極管的光譜靈敏度特性的曲線圖。此圖表示當銦(In)的含量比x在0～0.05之間時靈敏度的峰值在接近探測目標波長為365納米的地方出現(xiàn)。然而，汞燈中的另外一條波長為約254納米的發(fā)射線的靈敏度也被顯示出來，而不能直接提供僅為波長365納米的光的靈敏度。
圖7圖示了紫外傳感器的本實施例的一光譜靈敏度曲線，該傳感器包括一個針型光電二極管，其中INxGa(1-x)N光吸收層中銦(In)的含量比x為0.01；以及，一個由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的入射光窗口。如圖所示，靈敏度峰值在波長為365納米的附近出現(xiàn)。表3顯示了當假設(shè)365納米波長的探測靈敏度為100時對應(yīng)于405納米波長的探測靈敏度。
表3

顯然，汞燈中其中一條波長為405納米的發(fā)射線的靈敏度比365納米波長的靈敏度的1/100還要小。此外，在波長為254納米處(汞燈的另外一條發(fā)射線)，靈敏度小于測量極限。這樣，汞燈中波長為365納米的光可以被本紫外傳感器探測到。
因此，在汞燈的大量的，例如1014納米、580納米、546納米、436納米、405納米、365納米和254納米的發(fā)射線中，只有波長為365納米的發(fā)射線可以被精確地監(jiān)控，這條發(fā)射線被廣泛的用作影印石版術(shù)的光源，通常被稱為i線。因此本發(fā)明的紫外傳感器適合于用作影印石版術(shù)光源的功率計。
在本發(fā)明的紫外傳感器中，由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的入射光窗口以及由InxGa(1-x)N(0＜x＜1)構(gòu)成的針型光電二極管的光吸收層實現(xiàn)了選擇性地探測波長接近365納米的光。
權(quán)利要求
1.一種紫外傳感器，其特征在于，包括構(gòu)成容器的部分壁的入射光窗口；和被放置在所述容器內(nèi)的針型光電二極管，用來對通過所述的入射光窗口傳播的光進行光電轉(zhuǎn)換，其中所述入射光窗口由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成，所述針型光電二極管包括光吸收層，該光吸收層在n型氮化物半導(dǎo)體層與p型氮化物半導(dǎo)體層之間由InxGa(1-x)N(0＜x＜1)材料形成。
2.依照權(quán)利要求1的紫外傳感器，其特征在于，其中所述由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的入射光窗口的厚度大于或等于200微米。
3.依照權(quán)利要求1的紫外傳感器，其特征在于，其中所述光吸收層中InxGa(1-x)N的成分比x在0～0.05之間。
4.依照權(quán)利要求1的紫外傳感器，其特征在于，其中所述波長為405納米的光的探測靈敏度最多是所述波長為365納米的光的探測靈敏度的1/100。
5.依照權(quán)利要求1的紫外傳感器，其特征在于，用作影印石版術(shù)光源的功率計。
全文摘要
一種紫外傳感器1包含一個容器5，在該容器中一個金屬管殼2的上端開口被一個由科瓦鐵鎳鈷合金玻璃制成的、用作一個入射光窗口的頂板3封閉，它的下端開口被底板4封閉。用作入射光窗口的頂板3通過封閉金屬管殼2的上端開口構(gòu)成容器5的部分壁。一個針型光電二極管6被放置在容器5內(nèi)。該針型光電二極管6包括了在一n型接觸層8與一p型接觸層10之間形成的材料為In
文檔編號H01L31/08GK1503380SQ20031011990
公開日2004年6月9日 申請日期2003年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月25日
發(fā)明者新垣實, 高木康文, 中嶋和利, 鈴木良孝, 鈴木伸治, 利, 孝, 文, 治 申請人:浜松光子學(xué)株式會社