一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及可見光探測器的【技術領域】，更具體地，涉及一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器。一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，包括襯底及生長于襯底之上的外延層，其中，外延層自下而上的順序依次為緩沖層，n型摻雜GaN層，n型重摻雜InyGa1-yN歐姆接觸層，非故意摻雜或輕摻雜的InyGa1-yN收集層，n型重摻雜InyGa1-yN勢壘層，非故意摻雜高阻InGaN組分緩變層，變摻雜的p型InxGa1-xN吸收層，重摻雜p型InzGa1-zN擴散勢壘層，重摻雜p型InxGa1-xN層歐姆接觸層。本發(fā)明的外延層為同種材料（InGaN）,且與LED發(fā)光材料相同，有利于獲得高的響應度。且利用過沖效應提高電子飽和速度，使得器件的響應速度大大的提高，即實現(xiàn)本專利中的可見光探測器兼具濾波與高速響應雙功能。
【專利說明】一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及可見光探測器的【技術領域】，更具體地，涉及一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器。

【背景技術】
[0002]白光LED具有功耗低、壽命長、尺寸小等特點，正在逐步取代傳統(tǒng)照明而成為照明光源的主要形式。同時，由于白光LED具有高響應靈敏度和可高速調(diào)制的特點，不僅可用于照明，還能在無線數(shù)據(jù)通信中作為可見光通信的發(fā)射端，因此在無線通信領域也得到了越來越廣泛的重視。相對于現(xiàn)有的其它無線通信技術，可見光通信具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、不受電磁干擾、信息安全性高和無需無線電頻譜證等突出的優(yōu)點。
[0003]在可見光通信系統(tǒng)中，接收端的可見光探測器是其核心的部分。目前常用的可見光探測器以Si基、AlGaAs, GaP基探測器為主，其存在兩個主要的問題:(I)響應峰值與光源主發(fā)光波長不一致而導致探測靈敏度低；(2)需要添加長波長光濾波片以抑制背景噪聲而增加應用成本和設備體積。LED產(chǎn)生白光的主要方式有兩種:(1)由紅、綠、藍光LED發(fā)光合成白光；(2)由藍光LED發(fā)光激發(fā)黃色突光粉發(fā)出近似白光。其中，第二種方式結構簡單、價格便宜，是現(xiàn)在白光LED發(fā)光的主要方式。而目前的藍光、綠光LED的有源層(發(fā)光層)都是基于InxGahN材料的外延層而形成的。所以，研制具有響應光譜與LED發(fā)光光譜一致的InxGahN可見光探測器具有重要的意義。
[0004]此外，目前可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)達到I Gb/s的數(shù)量級，國內(nèi)研究機構報道的可見光傳輸速率可到3.25 Gb/s，而這個數(shù)據(jù)還在不斷被刷新。伴隨可見光通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量的提升，對可見光探測器的響應速度提出了很高的要求。通常的InGaN光電探測器主要為PIN結構或MSM結構的光電二極管探測器，其光生載流子包括光生電子和空穴，由于空穴的遷移率低于電子，探測器響應速度會受到空穴渡越時間限制。目前，文獻報道的InGaN可見光探測器的響應時間只能達到幾百皮秒(參考文獻:[I] J.0hsawa, T.Kozawa, 0.Fujishima, and H.1toh, “Narrow-band 400 nm MSM photodetectors usinga thin InGaN layer on a GaN / sapphire structure, ” Phys.Stat Sol, vol.3, n0.6，pp.2278 - 2282, 2006.)。因此，提高響應速度是發(fā)展InGaN可見光光電探測器通信應用的另一個關鍵點。在InxGahN材料中，電子的漂移速度遠大于空穴的漂移速度，其漂移速度可達 3.5?4xl07cm/s (參考文獻:[2]W.Liang, K._T.Tsen, D.K.Ferry, K.H.Kim, J.Y.Lin, and H.Jiang, “Subpicosecond Raman studies of non-equilibriumelectron transport in an Ina4Gaa6N epilayer grown on GaN, ” Proc.SPIE, vol.5352，pp.404 - 411, 2004.)，如果針對光生載流子中的電子和空穴進行調(diào)控，限制空穴，而只利用光生電子進行傳輸，將大大提高光電探測器響應速度，使其響應時間可以縮短至皮秒乃至更低的數(shù)量級，從而實現(xiàn)高響應速度可見光探測器的制作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術所述的至少一種缺陷，提供一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，可實現(xiàn)聞效、聞速、聞響應。
[0006]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其中，包括襯底及生長于襯底之上的外延層，其中，外延層自下而上的順序依次為緩沖層，η型摻雜GaN層，η型重摻雜InyGai_yN歐姆接觸層，非故意摻雜或輕摻雜的InyGa1J收集層，η型重摻雜InyGa1J勢壘層，非故意摻雜高阻InGaN組分緩變層，變摻雜的P型InxGahN吸收層，重摻雜P型InzGa1=N擴散勢壘層，重摻雜P型InxGapxN層歐姆接觸層。
[0007]本具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其利用InyGa1J層作為窗口層，允許波長在InyGai_yN材料截止波長和InxGai_xN材料截止波長的可見光信號通過，使得從背面(即從襯底一側)入射的光信號在變摻雜的P型InxGahN吸收層里被吸收，激發(fā)出電子空穴對。由于光生空穴是多數(shù)載流子，在P型吸收區(qū)內(nèi)很快會被復合掉，而只有光生電子作為載流子輸運。光生電子通過擴散和漂移到達耗盡區(qū)，然后在耗盡區(qū)強電場的作用下快速漂移到η型InyGai_yN—側，被該側加正電的電極收集。由于電子的遷移率遠大于空穴，且在耗盡區(qū)的高場作用下因速度過沖效應而具有高漂移速度，因而可大大減少載流子的渡越時間。此外，變摻雜的P型InxGahN吸收層可以形成自建電場加速電子輸運；而在結構中增加一個η型重摻雜InyGa1J勢壘層，可以拉低η型InyGa1J空間電荷區(qū)的勢壘高度，提高變摻雜的P型InxGahN吸收層與η型重摻雜InyGai_yN勢壘層間的電場強度。電子在高In組分的InxGahN中的漂移速度遠大于在低In組分InyGai_yN中的漂移速度。利用速度過沖效應，使得吸收區(qū)的電子快速到達收集區(qū)，實現(xiàn)對可見光的高速探測。同時，此結構利用入射窗口層與光吸收層的光吸收截止波長，實現(xiàn)了波長選擇帶通的可見光探測。即省去一般探測器中采用的濾光片，實現(xiàn)了高效、高速可見光探測功能與濾波功能的集成。
[0008]緩沖層用于降低材料生長時的缺陷、應力和位錯，使外延層獲得良好的材料質量；η型摻雜的GaN層優(yōu)選的厚度為0.3-5 μ m,電子濃度為2 X 1017_3 X 1018cm_3 ;n型重摻雜的InyGa1^yN歐姆接觸層的優(yōu)選厚度為0.05-1 μ m,電子濃度為5 X 1017_2 X 119 cm_3 ;非故意摻雜或輕摻雜的InyGa1J收集層的優(yōu)選厚度為0.05-1 μ m,電子濃度為I X 1016-3X1017 cm_3 ；η型重摻雜InyGa1J勢壘層的優(yōu)選厚度為0.005-0.1ym ,電子濃度為I X 1018-3 X 11W3,其作用是拉低InyGai_yN空間電荷區(qū)的勢壘高度(以上所述三層的In組分的y=0_0.3 )，提高InxGahN (In組分范圍x=0.1-0.4)吸收層與勢壘層間的電場強度；同時，三個InyGai_yN層共同構成入射光信號的窗口層；非故意摻雜高阻InGaN組分緩變層的優(yōu)選厚度為0.005-0.1ym, In組分在x-y范圍內(nèi)梯度變化或連續(xù)變化，其作用在于減緩η型摻雜InyGa1J勢壘層與變摻雜的P型InxGai_xN吸收層的能帶突變程度；變摻雜的P型InxGapxN吸收層的優(yōu)選厚度為0.05-0.3 μ m，空穴濃度為2 X 117-SX1iW3, In組分的x ^ y，其作用是在于吸收光信號，生成電子空穴對，并形成自建電場，在擴散和漂移的作用下將電子運輸?shù)椒枪室鈸诫s高阻InGaN組分緩變層；重摻雜P型InzGa1=N (In組分范圍ζ=0.1-0.4，且ζ含X)擴散勢壘層，其作用是阻擋變摻雜的P型摻InxGapxN吸收層產(chǎn)生的電子擴散到重摻雜P型InxGa1J層歐姆接觸層，優(yōu)選厚度為0.01-0.1 μ m，空穴濃度為2 X 1017_5 X 118cnT3 ;最后是重摻雜P型InxGahN層歐姆接觸層優(yōu)選的厚度為0.02-0.2 μ m，空穴濃度為3X1017-lX1019cm_3。
[0009]所述的η型重摻雜InyGai_yN歐姆接觸層、非故意摻雜或輕摻雜的InyGa1J收集層、η型重摻雜InyGa1J勢壘層與變摻雜的P型InxGa1J吸收層、重摻雜P型InxGa1J層歐姆接觸層中的X 3 y ;重摻雜P型InzGahN擴散勢壘層與變摻雜的p型InxGai_xN吸收層、重摻雜P型InxGahN層歐姆接觸層中x 3 ζ ;非故意摻雜高阻InGaN組分緩變層從下向上的In組分在y-χ范圍內(nèi)梯度變化或連續(xù)變化。
[0010]本發(fā)明中，襯底應選用對可見光透明的材料，如sapphire、SiC、GaN> AIN、LiGaCO2或LiAlCO2等,不可用S1、GaAs等材料；同時，襯底應雙面拋光以利于可見光信號從襯底一側的入射。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，有益效果是:本發(fā)明的外延層為同種材料(InGaN)，且與LED發(fā)光材料相同，有利于獲得高的響應度。本發(fā)明采用η型重摻雜InyGa1J作為窗口層，允許波長在InyGai_yN材料截止波長和InxGahN材料截止波長的可見光信號通過，在變摻雜的p型摻InxGahN吸收層上被吸收。巧妙的省略了在可見光探測中對濾光片的需求，簡化了可見光接受端的結構，同時由于特殊的器件結構，實現(xiàn)只利用電子傳輸?shù)碾娮虞斶\可見光光電探測器，且利用過沖效應提高電子飽和速度，使得器件的響應速度大大的提高，即實現(xiàn)本專利中的可見光探測器兼具濾波與高速響應雙功能。
[0012]另外，由這種結構的探測器構成的可見光光電探測器陣列也包含在本發(fā)明中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器結構示意圖。

【具體實施方式】
[0014]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸；對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。附圖中描述位置關系僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。
[0015]如圖1所示，該發(fā)明適用于制作具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，選擇波長帶通范圍包含但不限于:藍光波長430nnT470nm ;綠光波長為530nnT570nm ;紅光波長為650nm?690nm。
[0016]本實施例如圖1給出了一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，器件包括:藍寶石襯底1，利用外延生長法，如分子束外延或金屬有機化學氣相沉積外延法，依次在襯底I上生長的25mm的低溫GaN緩沖層和2 μ m的高溫非故意摻雜GaN緩沖層2，Iym厚的η型摻雜GaN層3，0.1 μπι厚η型重摻雜InyGa1J (藍光:y=0.11;綠光y=0.24 ；紅光:y=0.36)歐姆接觸層4，0.3 μ m厚非故意摻雜或輕摻雜InyGai_yN收集層5，0.01 μ m厚η型重摻雜InyGai_yN勢壘層6，0.05 μ m厚非故意摻雜的高阻IntGa1J (藍光探測器中t在
0.11?0.17間變化；綠光探測器中t在0.24?0.28間變化；紅光探測器中t在0.36?0.39間變化)組分緩變層7，0.3 μ m厚的變摻雜P型InxGahN(藍光:X=0.17 ;綠光x=0.28;紅光:x=0.39)吸收層 8，0.02 μ m 厚重摻雜 P 型 InzGa1=N(藍光:ζ=0.I ;綠光 ζ=0.2;紅光:ζ=0.3)擴散勢壘層9，0.04 μ m厚的重摻雜P型InxGapxN層歐姆接觸層10。其中窗口層，即η型重摻雜InyGai_yN歐姆接觸層4，非故意摻雜或輕摻雜的InyGai_yN收集層5，η型重摻雜InyGapyN勢壘層6允許波長在InyGai_yN材料截止波長和InxGai_xN材料截止波長的可見光信號通過，在變摻雜的P型InxGahN吸收層8上吸收，光生電子通過漂移和擴散高速到達η型層，實現(xiàn)了窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器。
[0017]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于，包括襯底(I)及生長于襯底(I)之上的外延層，其中，外延層自下而上的順序依次為緩沖層(2)，n型摻雜GaN層(3)，η型重慘雜InyGa1-JrN歐姆接觸層(4)，非故思慘雜或輕慘雜的InyGapyN收集層(5)，η型重摻雜InyGai_yN勢壘層(6)，非故意摻雜高阻InGaN組分緩變層(7)，變摻雜的p型InxGahN吸收層(8)，重摻雜p型InzGa1=N擴散勢壘層(9)，重摻雜p型InxGapxN層歐姆接觸層(10 )。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的η型摻雜GaN層(3)的厚度為0.3-5 μ m，電子濃度為2 X 1017-3 X 11W0
3.根據(jù)權利要求1所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的η型重摻雜InyGai_yN歐姆接觸層(4)的厚度為0.05-1 μ m,電子濃度為5X1017-2X1019 cnT3，In 組分范圍 y=0-0.3。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的非故意摻雜或輕摻雜的InyGahyN收集層(5)的厚度為0.05-1 μ m,電子濃度為 lX1016-3X1017cnT3，In 組分范圍 y=0-0.3。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的η型重摻雜InyGai_yN勢壘層(6)的厚度為0.05-0.1 μ m，電子濃度為lX1018-3X1018cm_3, In 組分范圍 y=0_0.3。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的非故意摻雜高阻InGaN組分緩變層(7)的厚度為0.005-0.1 μ m。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的變摻雜的P型InxGahN吸收層(8)的厚度為0.05-0.3 μ m,漸變空穴濃度為2 X 117-SX1iW3, In 組分范圍 x=0.1-0.4。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的重摻雜P型InzGa1=N擴散勢壘層(9)的厚度為0.01-0.3 μ m，空穴濃度為2 X 117-SX1iW3, In 組分范圍 z=0-0.4。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的重摻雜P型InxGahN層歐姆接觸層(10)的厚度為0.02-0.2 μ m,空穴濃度為 3 X 117-1 X 1019cnT3，In 組分范圍 x=0.1-0.4。
10.根據(jù)權利要求1至9任一所述的一種具有窄帶光譜響應的電子輸運可見光光電探測器，其特征在于:所述的η型重摻雜InyGai_yN歐姆接觸層(4)、非故意摻雜或輕摻雜的InyGa1J收集層(5)、n型重摻雜InyGa1J勢壘層(6)與變摻雜的p型InxGa1J吸收層(8)、重摻雜P型InxGahN層歐姆接觸層(10)中的x蘭y ;重摻雜P型InzGa1=N擴散勢壘層(9)與變摻雜的P型InxGa^N吸收層(8)、重摻雜p型InxGa^N層歐姆接觸層(10)中x 3 z ;非故意摻雜高阻InGaN組分緩變層(7)從下向上的In組分在y-χ范圍內(nèi)梯度變化或連續(xù)變化。
【文檔編號】H01L31/105GK104078520SQ201410295984
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權日:2014年6月27日
【發(fā)明者】江灝, 張洪先 申請人:中山大學