关于日盲型 AlGaN 紫外阵列探测器研制的学术报告

一、研究概况

本文题为《日盲型 AlGaN 紫外阵列探测器研制》，由刘海军、张靖、申志辉、周帅、周建超、姚彬彬等人完成，由重庆光电技术研究所（Chongqing Optoelectronics Research Institute, Chongqing, 400060, China）主导，发表于期刊《传感器与微系统》（Transducer and Microsystem Technologies）2024年第43卷第4期。文章详细介绍了针对日盲紫外波段的 AlGaN 紫外阵列探测器的研发及其实验验证，编号 DOI：10.13873/j.1000-9787（2024）04-0072-03。

二、研究背景与目标

日盲紫外光（Solar-Blind Ultraviolet, 200-280 nm）在许多科学研究和技术应用中具有重要价值，例如在火焰探测、大气观测、通信和国防技术领域。传统紫外探测器如紫外光电倍增管和硅基紫外探测器存在以下不足：需复杂昂贵的真空系统支撑、耐环境性能差以及对日盲波段探测能力有限。

AlGaN（铝镓氮化物）是一种宽禁带直接带隙半导体，其禁带宽度可以通过调整铝（Al）和镓（Ga）的组分达到3.4~6.2 eV，从而实现对200-280 nm范围的高度可控波段响应，是日盲紫外探测的理想材料。国外对该领域的研究已取得了一些成果，但阵列规模较大的探测器还处于未突破阶段（如1280 × 1024像元），国内外均未见相关报道。本文的目的是设计并实现高密度1280 × 1024像素的 AlGaN 紫外阵列探测器，详细介绍其结构设计、材料生长与制造工艺，最终实现演示验证。

三、研究流程与实验设计

1. 器件结构设计与工作原理

探测器基于 PIN 二极管结构，通过在 PN 结间引入本征层（Intrinsic Layer, i-Layer），增强耗尽区宽度，提高灵敏度。器件采用背面进光的 PIN 台面结构，通过铟（In）柱实现与 CMOS ROIC（Readout Integrated Circuit）的倒焊互连。本研究的像素单元尺寸为15 μm × 15 μm，总规模达1280 × 1024，每个像素设计为独立 P 电极，所有像素共用 N 电极。探测器响应波长范围由 n-AlGaN 和 i-AlGaN 两层 Al 组分决定，设定为255~282 nm。

2. 材料的外延生长

使用 MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）技术生长外延材料，选用双面抛光蓝宝石 C 面（0001）晶圆作为衬底。外延材料分层结构包括： - 高温 AlN 模板层（1 μm）； - AlN/AlGaN 超晶格缓冲层（10~20周期）； - n-Al0.62Ga0.38N 窗口层（600 nm，载流子浓度约为1 × 10^18 cm^-3）； - n+-Al0.55Ga0.45N 导电层（100 nm，浓度5 × 10^18 cm^-3）； - 缓变 i-AlxGa1-xN 吸收层（180 nm，x = 0.55~0.48）； - p-AlGaN 和 p-GaN 层形成欧姆接触结构。

每层材料使用不同掺杂源（如硅烷SiH4用于n型，二茂镁Cp2Mg用于p型），结合氢氧化铵（NH4OH）与双氧水（H2O2）用于去除氧化物。

3. 器件制作工艺

器件的制作工艺包含以下几步： - 使用 PECVD（Plasma-Enhanced CVD）技术生长二氧化硅作为刻蚀掩模； - 应用 ICP（Inductively Coupled Plasma）刻蚀技术加工材料至 AlGaN 欧姆接触层，刻蚀气体为氩气和氯气，刻蚀深度精确控制； - 金属层制作：n-electrode 为 Ti/Al/Ti/Au，多步骤退火形成低接触电阻的界面合金层；而 p-electrode 采用 Ni/Au，同样经过快速退火优化； - 引入倒焊工艺，通过制作 In 柱凸点，将探测器与 CMOS ROIC 混合集成，通过冷压实现精密互连（精确至±1 μm）。

4. 光谱响应与成像测试

• 电特性测试：测试了100个并联像元的 I-V 特性、正反向击穿电压和暗电流等电学表现。
• 光谱测试：在255~282 nm范围内，以1 nm步进对光谱响应特性进行分析。
• 成像验证：对黑色塑料镊子进行紫外成像，检查探测器成像清晰度与盲元比例。

四、研究结果

1. 电学特性

测试结果显示，器件的正向开启电压约为10 V，反向击穿电压大于90 V。在-0.5 V偏压下，100个像元的总暗电流约为10^-14 A，单像素暗电流低至约0.1 fA。

2. 光谱响应

光谱响应范围为255~282 nm，峰值波长为270 nm，响应度大约为0.12 A/W（1 V偏压下）。实验结果验证了器件对设计波段的高度敏感性。

3. 成像性能

通过对目标场景（如塑料镊子）的紫外成像展示，整体成像清晰，但存在少量盲元。据分析，这可能与 In 柱互连部分未完全连接有关，需要进一步改进冷压工艺。

五、研究结论与意义

本文建立了完整的基础工艺，成功研制出全球首台高像元密度（1280 × 1024）日盲 AlGaN 紫外阵列探测器，并实现了光学性能演示。主要优势包括： - 本征日盲探测能力，覆盖无背景光干扰的255~282 nm紫外波段； - 极低暗电流（0.1 fA），高信噪比，精确灵敏； - 混合集成固态结构，抗辐照，耐腐蚀，体积小。

该探测器为 AlGaN 紫外探测技术的高像元化、小型化奠定了重要基础，具备广泛的科学研究和国防应急应用前景。

六、研究亮点

• 首次实现1280 × 1024像元规模的 AlGaN 紫外阵列探测器；
• 全固态日盲探测技术，避免昂贵真空和深度截止滤波系统；
• PIN台面结构结合倒焊工艺，提高材料填充因子和集成可靠性。

七、展望与应用价值

未来研究应进一步优化互连工艺以减少盲元，提高像元填充率和成像质量。此外，可通过改进材料掺杂均匀性与温控集成设备扩展器件在火灾探测、紫外通信、军事识别领域的实际应用潜力。