一种PIN型InGaN基可见光探测器及其制备方法和应用

本发明涉及光电探测，具体涉及一种pin型ingan基可见光探测器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着新一代无线通信技术的发展，可见光波段的巨大频谱资源使可见光通信技术在新一代移动通信技术中占据举足轻重的地位。可见光探测器作为一种可以将所检测到的光信号转换成电信号的半导体器件，是决定着整个可见光通信系统优劣的关键器件之一。

2、新一代高速可见光通信系统对光电探测器的性能提出新的要求，而目前商用si基可见光探测器存在蓝光波段灵敏度低、si材料抗辐射能力弱、需要复杂的滤光系统等问题，应用受到了很大的限制。氮化铟镓(inxga1-xn，0<x<1)材料具有从0.68ev到3.4ev的可调带隙，可以实现对整个可见光光谱的光探测，且还具有波长选择性良好、饱和电子迁移率高、直接带隙、带边光吸收系数高等优点，因此，ingan基可见光探测器更利于满足高速可见光通信系统的需求。pin型光电探测器具有大的内建电场，其与msm型及肖特基型光电探测器相比暗电流更低、光响应速度更快。然而，现有的pin型光电探测器存在光响应度与光响应速度之间的矛盾，在提升光响应速度的同时，pin型光电探测器普遍面临光响应度不足的问题，难以满足实际应用要求。

3、因此，开发一种兼具高的光响应度和高的光响应速度的pin型ingan基可见光探测器具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种pin型ingan基可见光探测器及其制备方法和应用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种pin型ingan基可见光探测器，其组成包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、电流扩散层、n型扩散层、ingan/gan多量子阱层、p型扩散层、介电层和金属纳米颗粒层，还包括p型金属电极层、减反膜层和n型金属电极层；所述ingan/gan多量子阱层由多个ingan层和多个gan层交替层叠构成；所述p型金属电极层设置在p型扩散层远离ingan/gan多量子阱层的那一面，且设置在介电层的两侧并与介电层接触；所述减反膜层设置在由n型扩散层、ingan/gan多量子阱层、p型扩散层、介电层和p型金属电极层构成的结构的侧面，且与电流扩散层接触；所述n型金属电极层设置在电流扩散层远离缓冲层的那一面，且不与减反膜层接触。

4、优选地，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底中的一种。

5、优选地，所述缓冲层由aln层、algan层和gan层依次层叠构成，aln层的厚度为1μm～2μm，algan层的厚度为0.5μm～1μm，gan层的厚度为2μm～3μm。

6、优选地，所述algan层由alxga1-xn构成，式中，x＝0.2～0.5。

7、优选地，所述电流扩散层为si掺杂的gan层，si的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3。

8、注：掺杂浓度是指每1cm3的材料含有的掺杂原子的个数，例如：si的掺杂浓度为1×1018cm-3表示每1cm3的si掺杂的gan层中含有1×1018个si原子。

9、优选地，所述电流扩散层的厚度为1μm～1.5μm。

10、优选地，所述n型扩散层为si掺杂的gan层，si的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3。

11、优选地，所述n型扩散层的厚度为200nm～500nm。

12、优选地，所述ingan/gan多量子阱层中的ingan层的厚度为2nm～3nm，gan层的厚度为8nm～10nm。

13、优选地，所述ingan/gan多量子阱层包含4个～18个ingan层和4个～18个gan层。

14、优选地，所述p型扩散层为mg掺杂的gan层，mg的掺杂浓度为2×1018cm-3～8×1018cm-3。

15、优选地，所述p型扩散层的厚度为100nm～300nm。

16、优选地，所述介电层为sio2层。

17、优选地，所述介电层的厚度为5nm～20nm。

18、优选地，所述金属纳米颗粒层由直径为50nm～100nm的ag纳米颗粒构成。

19、优选地，所述p型金属电极层为ti/al/ni/au合金结构，其与p型扩散层形成欧姆接触。

20、优选地，所述减反膜层由mgf2层、sio2层、mgf2层和sio2层依次层叠构成，mgf2层的厚度为71nm～123nm，sio2层的厚度为68nm～118nm。

21、优选地，所述n型金属电极层为ti/au合金结构，其与电流扩展层形成欧姆接触。

22、一种如上所述的pin型ingan基可见光探测器的制备方法包括以下步骤：

23、1)在衬底的一面依次外延生长缓冲层、电流扩散层、n型扩散层、ingan/gan多量子阱层和p型扩散层；

24、2)通过掩膜光刻并利用icp刻蚀法刻蚀步骤1)得到的外延片至n型扩散层，形成台面；

25、3)通过掩膜光刻并在p型扩散层上采用电子束蒸发法或原子束沉积法沉积介电材料，形成介电层；

26、4)通过掩膜光刻并在介电层上采用电子束蒸发法沉积金属膜，再进行退火，形成金属纳米颗粒层；

27、5)通过掩膜光刻在p型扩散层上沉积电极金属，并进行退火实现欧姆接触，形成p型金属电极层，并通过掩膜光刻在电流扩散层上沉积电极金属，并进行退火实现欧姆接触，形成n型金属电极层；

28、6)通过掩膜光刻并采用电子束蒸发法在台面侧壁沉积减反膜材料，形成减反膜层，即得pin型ingan基可见光探测器。

29、优选地，步骤4)所述金属膜的厚度为6nm～12nm。

30、优选地，步骤4)所述退火在温度为300℃～600℃的条件下进行。

31、一种可见光通信系统，其包含上述pin型ingan基可见光探测器。

32、本发明的有益效果是：本发明的pin型ingan基可见光探测器兼具高的光响应度和高的光响应速度，可以很好地满足高速可见光通信系统的需求。

33、具体来说：

34、1)本发明的pin型ingan基可见光探测器中设置有周期性的ingan/gan量子阱结构，可以改善高in组分ingan薄膜晶体质量较差的问题；

35、2)本发明的pin型ingan基可见光探测器在增强光场密度的结构设计层面，一方面通过设计金属纳米颗粒结构来引入表面等离激元效应，增强了耗尽区的光场密度，从而提升了光电探测器的光响应度，另一方面针对非垂直入射台面的光，通过设计侧壁减反膜结构来减少非垂直入射光的反射损失，提升耗尽区的光场密度，从而提升了光电探测器的光响应度；

36、3)本发明的pin型ingan基可见光探测器具有高的光响应度和快的光响应速度，可以满足下一代可见光通信系统的需求及其他应用场景。

技术特征：

1.一种pin型ingan基可见光探测器，其特征在于，组成包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、电流扩散层、n型扩散层、ingan/gan多量子阱层、p型扩散层、介电层和金属纳米颗粒层，还包括p型金属电极层、减反膜层和n型金属电极层；所述ingan/gan多量子阱层由多个ingan层和多个gan层交替层叠构成；所述p型金属电极层设置在p型扩散层远离ingan/gan多量子阱层的那一面，且设置在介电层的两侧并与介电层接触；所述减反膜层设置在由n型扩散层、ingan/gan多量子阱层、p型扩散层、介电层和p型金属电极层构成的结构的侧面，且与电流扩散层接触；所述n型金属电极层设置在电流扩散层远离缓冲层的那一面，且不与减反膜层接触。

2.根据权利要求1所述的pin型ingan基可见光探测器，其特征在于：所述缓冲层由aln层、algan层和gan层依次层叠构成，aln层的厚度为1μm～2μm，algan层的厚度为0.5μm～1μm，gan层的厚度为2μm～3μm。

3.根据权利要求1所述的pin型ingan基可见光探测器，其特征在于：所述电流扩散层为si掺杂的gan层，si的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3；所述电流扩散层的厚度为1μm～1.5μm；所述n型扩散层为si掺杂的gan层，si的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3；所述n型扩散层的厚度为200nm～500nm。

4.根据权利要求1所述的pin型ingan基可见光探测器，其特征在于：所述ingan/gan多量子阱层中的ingan层的厚度为2nm～3nm，gan层的厚度为8nm～10nm；所述ingan/gan多量子阱层包含4个～18个ingan层和4个～18个gan层。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的pin型ingan基可见光探测器，其特征在于：所述p型扩散层为mg掺杂的gan层，mg的掺杂浓度为2×1018cm-3～8×1018cm-3；所述p型扩散层的厚度为100nm～300nm。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的pin型ingan基可见光探测器，其特征在于：所述介电层为sio2层；所述介电层的厚度为5nm～20nm。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的pin型ingan基可见光探测器，其特征在于：所述金属纳米颗粒层由直径为50nm～100nm的ag纳米颗粒构成。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的pin型ingan基可见光探测器，其特征在于：所述减反膜层由mgf2层、sio2层、mgf2层和sio2层依次层叠构成，mgf2层的厚度为71nm～123nm，sio2层的厚度为68nm～118nm。

9.一种如权利要求1～8中任意一项所述的pin型ingan基可见光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种可见光通信系统，其特征在于，包含权利要求1～8中任意一项所述的pin型ingan基可见光探测器。

技术总结
本发明公开了一种PIN型InGaN基可见光探测器及其制备方法和应用。本发明的PIN型InGaN基可见光探测器的组成包括依次层叠设置的衬底、缓冲层、电流扩散层、N型扩散层、InGaN/GaN多量子阱层、P型扩散层、介电层和金属纳米颗粒层，还包括P型金属电极层、减反膜层和N型金属电极层。本发明的PIN型InGaN基可见光探测器兼具高的光响应度和高的光响应速度，可以很好地满足高速可见光通信系统的需求。

技术研发人员：李国强,陈亮,王文樑,柴吉星
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22