專利名稱：背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列及其制備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電成像領域，涉及一種背照式ZnO基固態(tài)焦平面陣列紫外成像器件的核心部件——背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列的結構設計及其制備方法。
背景技術：
紫外成像可廣泛應用于天文觀測、紫外制導和預警、醫(yī)學成像、公安刑偵、非可視短距離保密通信、航空航天、環(huán)境監(jiān)測、生物種類探索和鑒別等研究領域。紫外波段在空間天文觀察上的應用，發(fā)展了紫外天文學?？臻g紫外觀測的主要作用是在于通過對外太空紫外輻射的探測，研究有關恒星大氣模型和星際物質等。當前，星載紫外成像儀器對其所用的探測器的要求變得越來越高，它不僅要求探測器具有大的動態(tài)范圍，而且還要求具有低的噪聲，高的速度和高的分辨率，為了滿足未來空間紫外成像的需要，目前國際上許多天文單位相繼開展基于寬禁帶半導體的新型紫外成像器件。
當前紫外探測多采用光電倍增管配備昂貴的光學濾色片，其靈敏度受濾光片透過率和光陰極量子效率的限制，且其體積與重量大，工作電壓高，光陰極量子效率低。在空間正常工作的系統(tǒng)包括電源、姿控、熱控、電子設備、科學有效載荷等多個部分。功耗大將對電源、熱控等提出更高的要求，體積大會影響姿控與推進系統(tǒng)。且光電倍增管為點探測，需掃描成像。另外一類基于背側減薄硅基CCD探測器，其對可見光的靈敏度非常高，而對紫外光的靈敏度卻非常低，尤其是對真空紫外，且可見光對其影響也很大。此外，CCD的暗電流較大。為了抑制暗信號，CCD必須在低溫下工作，這樣一來就加大了技術難度與成本，而且冷探測器也是儀器內部可凝玷污的一個冷陷阱。再加之CCD的耐輻照性能很差，這不但會造成圖像質量的下降，而且還會影響通道的電荷收集效率，帶來列陣空間響應不均勻。寬禁帶半導體紫外探測器同時具有完全可見盲，低電壓，響應速度快，耐輻照，增益高，暗電流低，壽命長，利于光電集成、成本低、體積小、重量輕等優(yōu)勢，可以克服上述缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提出一種新型的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列的結構和制備工藝。
為了實現上述任務，本發(fā)明采取如下的技術解決方案一種背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列，該平面探測陣列以雙面拋光的藍寶石(0001)為基底，其特征在于在所述的雙面拋光的藍寶石(0001)基底上利用激光分子束外延或射頻反應濺射法生長Al重摻雜的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO層作為透明導電膜，用于電極和UV-C光窗口層，保證UV-C波段的光充分透過；而且該層的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO的x值要盡可能的大，這樣其禁帶寬度大，對UV-C的紫外光吸收少，同時這一層也決定成像器件的短波限；在透明導電膜上外延生長不摻雜的MgyZn1-yO層，該層的作用是充分吸收紫外光，是紫外探測單元的核心層；再生長的一層Al重摻雜的N-MgzZn1-zO外延層，其中z值大于等于MgyZn1-yO層的y值，以實現良好的歐姆接觸；若采用肖特基接觸，則不需要生長這一層，而是在MgyZn1-yO層上用蒸發(fā)鍍膜工藝制作一層金屬鍍層；最后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列像素單元結構圖形，并在刻蝕好的圖形基礎上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層。
上述背照式ZnO基固態(tài)焦平面陣列紫外成像器件的制備方法，其特征在于，具體包括下列步驟
首先在雙面拋光的藍寶石(0001)基底上(也可以利用MgO或石英等基底)利用激光分子束外延(L-MBE)外延生長一層Al重摻雜的MgxZn1-xO(BexZn1-xO)透明導電膜，起到電極和UV-C光窗口層的作用，亦可以利用其它對UV-C波段透明的導電薄膜。然后在此基礎上外延生長不摻雜的對紫外光敏感的MgyZn1-yO層。為了避免表面態(tài)和吸附層的影響，采用SiO2或其它介質進行表面鈍化。接著在上面再生長一層Al(或Ga、In)重摻雜的MgzZn1-zO歐姆接觸外延層。其中z大于等于y即可。這樣其基本結構生長完成，然后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列式像素單元結構(30×30μm2或其它更小的像素單元)。為了避免表面的影響，在刻蝕好的圖形基礎上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層。然后反應離子刻蝕形成上電極的Al接觸孔(或用Au和Pt形成肖特基接觸)，接著利用蒸發(fā)鍍膜的辦法形成金屬接觸，最后利用快速退火激活紫外敏感活性層及形成良好的歐姆接觸。至此，紫外焦平面成像陣列就制作完成。
另外，上接觸電極也可以采用Au或Pt與UID-MgZnO層形成肖特基接觸，這樣每一個成像單元就是一個肖特基接觸的紫外探測單元。由于藍寶石基底本身對波長大于200nm的光是透明的，所以探測的時候，紫外光是從襯底藍寶石背面接收的。
制作完成的背照式的紫外成像陣列單元可以和一個匹配的Si-CMOS讀出電路芯片，通過銦凸點互連。然后放在紫外透鏡的焦平面上，加上相應的圖像處理、存儲電路和軟件就可以形成一個完整的紫外成像器件。


圖1本發(fā)明設計的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列單元結構示意圖。
圖2本發(fā)明所設計的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列單元陣列與專用CMOS讀出電路銦凸點鍵合示意圖。
圖3本發(fā)明像素單元的工藝流程圖，其中，1)為依次生長不同摻雜的MgZnO，2)為光刻形成圖形，3)為刻蝕臺面，4)為形成臺面，5)為沉積SiO2鈍化層，6)為光刻電極區(qū)，7)為刻蝕電極區(qū)，8)為填入Al電極，9)為形成單個像素單元；圖4本發(fā)明制備的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列的紫外光響應譜。
以下結合附圖和發(fā)明人給出的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式
本發(fā)明是實現一種背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列及其制備方法。其每一個成像單元結構如附件中圖1所示，制作方法如圖3所示。
該紫外成像探測陣列以雙面拋光的藍寶石(0001)為基底，在所述的雙面拋光的藍寶石(0001)基底上利用激光分子束外延或射頻反應濺射法生長Al重摻雜的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO層作為透明導電膜，用于電極和UV-C光窗口層，保證UV-C波段的光充分透過；而且該層的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO的x值要盡可能的大，這樣其禁帶寬度大，對UV-C的紫外光吸收少，同時這一層也決定成像器件的短波限，(cut-on)。亦可以利用其它對UV-C波段透明的導電薄膜。
然后在此基礎上外延生長不摻雜的MgyZn1-yO層，這一層的作用是充分吸收紫外光，是紫外探測單元的敏感層和核心層。為了避免表面態(tài)的影響，我們將采用SiO2或其它介質進行表面鈍化。
接著在上面再生長的一層Al重摻雜的N-MgzZn1-zO外延層，其中z值大于等于MgyZn1-yO層的y值，以實現良好的歐姆接觸；若采用肖特基接觸，則不需要生長這一層，而是在MgyZn1-yO層上用蒸發(fā)鍍膜工藝制作一層金屬鍍層；這樣其基本結構生長完成，然后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列像素單元結構圖形(例如30×30μm2)(圖1)，為了避免表面的影響，在刻蝕好的陣列像素單元結構圖形基礎上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層。然后反應離子刻蝕形成上電極的Al接觸孔(或用Au和Pt形成肖特基接觸)，接著利用蒸發(fā)鍍膜的辦法形成金屬接觸電極，最后利用快速退火激活紫外敏感活性層及形成良好的歐姆接觸。至此，紫外焦平面成像陣列就制作完成。
制作完成的背照式的紫外成像探測陣列單元可以和一個匹配的Si-CMOS讀出電路芯片，通過銦凸點互連(圖2)。然后放在紫外透鏡的焦平面上，加上相應的圖像處理、存儲電路和軟件就可以形成一個完整的紫外成像器件。
另外，接觸電極也可以采用Au或Pt與UID-MgZnO層形成肖特基接觸，這樣一來每一個成像單元就是一個肖特基接礎的紫外探測單元。這一點在研究中都可以靈活的實驗。
由于藍寶石基底(或其它對紫外透過的基底)本身對波長大于200nm的光是透明的，所以探測的時候，光是從襯底藍寶石背面接收的。另外，制作完成的背光照明的紫外成像陣列單元可以和一個匹配的Si-CMOS讀出電路芯片，通過銦凸點互連。
工藝方面利用LMBE實現日盲紫外焦平面成像陣列的主要結構，利用光刻、濕法刻蝕、ICP離子刻蝕、RIE離子刻蝕實現其微結構的加工。利用蒸發(fā)鍍膜和快速熱退火工藝實現歐姆接觸或肖特基接觸。利用磁控濺射實現鈍化層的沉積，利用KNS球焊機實現凸點的制作。
本發(fā)明制備的背照式ZnO基固態(tài)焦平面陣列像素單元的紫外光響應譜參見圖4。由圖4可知，單個ZnO探測器單元的峰值響應波長約在365nm左右，截至波長約為382nm。
權利要求
1.一種背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列，該平面探測陣列以雙面拋光的藍寶石(0001)為基底，其特征在于在所述的雙面拋光的藍寶石(0001)基底上利用激光分子束外延或射頻反應濺射法生長Al重摻雜的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO層作為透明導電膜，用于電極和UV-C光窗口層，保證UV-C波段的光充分透過；而且該層的N-MgxZn1-xO或BexZn1-xO的x值要盡可能的大，這樣其禁帶寬度大，對UV-C的紫外光吸收少，同時這一層也決定成像器件的短波限；在透明導電膜上外延生長不摻雜的MgyZn1-yO層，該層的作用是充分吸收紫外光，是紫外探測單元的核心層；再生長的一層Al重摻雜的N-MgzZn1-zO外延層，以實現良好的歐姆接觸；或采用肖特基接觸，直接在MgyZn1-yO層上用蒸發(fā)鍍膜工藝制作一層金屬鍍層；最后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列像素單元結構圖形，并在刻蝕好的成陣列像素單元結構圖形上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層。
2.權利要求1所述的背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列的制備方法，其特征在于，具體包括下列步驟首先在雙面拋光的藍寶石(0001)基底上利用激光分子束外延外延生長一層厚度為50nm-100nm的Al重摻雜的MgxZn1-xO或BexZn1-xO外延層，作為透明導電膜，該透明導電膜起到電極和UV-C光窗口層的作用；然后在透明導電膜上外延生長非摻雜的MgyZn1-yO層作為紫外探測單元的敏感層和核心層，用于充分吸收紫外光，也可采用SiO2或其它介質進行表面鈍化；接著MgyZn1-yO層上面再生長一層Al重摻雜的MgzZn1-zO外延層，其中z值大于等于摻雜的MgyZn1-yO層的y值，用于實現良好的歐姆接觸；如果采用肖特基接觸，則采用蒸發(fā)鍍膜工藝直接在MgyZn1-yO層上制作一層金屬鍍層；然后利用光刻和ICP離子刻蝕的方法形成陣列像素單元結構圖形；再在刻蝕好的陣列像素單元圖形基礎上利用RF磁控濺射鍍上SiO2鈍化層；然后用反應離子刻蝕形成歐姆接觸Al電極的接觸孔，再利用蒸發(fā)鍍膜的方法形成金屬接觸(或用Au和Pt形成肖特基接觸)；最后利用快速退火激活紫外敏感活性層及形成良好的歐姆接觸；即可制作完成背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列。
全文摘要
本發(fā)明涉及背照式ZnO基紫外成像固態(tài)焦平面探測陣列及制備，在雙面拋光的藍寶石(0001)基底上利用激光分子束外延生長Al重摻雜的Mg
文檔編號H01L31/101GK101055881SQ20071001779
公開日2007年10月17日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權日2007年4月30日
發(fā)明者張景文, 畢臻, 邊旭明, 侯洵, 楊曉東, 韓峰 申請人:西安交通大學