一种PIN型InGaN基可见光探测器及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，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

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。

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(In

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。

发明内容

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。

本发明所采取的技术方案是：

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。

优选地，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底中的一种。

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。

优选地，所述AlGaN层由Al

优选地，所述电流扩散层为Si掺杂的GaN层，Si的掺杂浓度为1×10

注：掺杂浓度是指每1cm

优选地，所述电流扩散层的厚度为1μm～1.5μm。

优选地，所述N型扩散层为Si掺杂的GaN层，Si的掺杂浓度为1×10

优选地，所述N型扩散层的厚度为200nm～500nm。

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。

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。

优选地，所述P型扩散层为Mg掺杂的GaN层，Mg的掺杂浓度为2×10

优选地，所述P型扩散层的厚度为100nm～300nm。

优选地，所述介电层为SiO

优选地，所述介电层的厚度为5nm～20nm。

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。

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。

优选地，所述减反膜层由MgF

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。

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：

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；

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；

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；

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；

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；

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。

优选地，步骤4)所述金属膜的厚度为6nm～12nm。

优选地，步骤4)所述退火在温度为300℃～600℃的条件下进行。

一种可见光通信系统，其包含上述PIN型InGaN基可见光探测器。

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。

具体来说：

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；

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；

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。

附图说明

图1为本发明的PIN型InGaN基可见光探测器的结构示意图。

附图标识说明：101、衬底；102、缓冲层；103、电流扩散层；104、N型扩散层；105、InGaN/GaN多量子阱层；106、P型扩散层；107、介电层；108、减反膜层；109、金属纳米颗粒层；110、P型金属电极层；111、N型金属电极层。

图2为实施例的PIN型InGaN基可见光探测器的HRXRD图。

图3为实施例的PIN型InGaN基可见光探测器中的金属纳米颗粒层的SEM图。

图4为实施例和对比例1的PIN型InGaN基可见光探测器的吸收光谱图。

图5为实施例和对比例2的PIN型InGaN基可见光探测器的反射光谱图。

图6为实施例和对比例3的PIN型InGaN基可见光探测器的I-V曲线和瞬态光响应曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例：

一种PIN型InGaN基可见光探测器(结构示意图如图1所示；剖面结构)，其由衬底101、缓冲层102、电流扩散层103、N型扩散层104、InGaN/GaN多量子阱层105、P型扩散层106、介电层107、减反膜层108、金属纳米颗粒层109、P型金属电极层110和N型金属电极层111组成；衬底101、缓冲层102、电流扩散层103、N型扩散层104、InGaN/GaN多量子阱层105、P型扩散层106、介电层107和金属纳米颗粒层109依次层叠设置；InGaN/GaN多量子阱层105由多个InGaN层和多个GaN层交替层叠构成；P型金属电极层110设置在P型扩散层106远离InGaN/GaN多量子阱层105的那一面，且设置在介电层107的两侧并与介电层107接触；减反膜层108设置在由N型扩散层104、InGaN/GaN多量子阱层105、P型扩散层106、介电层107和P型金属电极层110构成的结构的侧面，且与电流扩散层103接触；N型金属电极层111设置在电流扩散层103远离缓冲层102的那一面，且不与减反膜层108接触。

上述PIN型InGaN基可见光探测器的制备方法如下：

1)将蓝宝石衬底(圆片，直径2英寸)依次用丙酮、异丙醇和去离子水各超声清洗10min，再采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在蓝宝石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，缓冲层由厚度为1μm的AlN层、厚度为0.6μm的AlGaN层(由Al

2)通过掩膜光刻形成图形化平面，图形化平面直径为400μm，利用ICP设备刻蚀步骤1)得到的外延片，刻蚀深度为0.614μm，刻蚀出平台，再依次用丙酮、异丙醇和去离子水各超声清洗10min；

3)通过掩膜光刻形成图形化平面，图形化平面直径为300μm，再在P型扩散层上采用电子束蒸发法沉积厚度为10nm的SiO

4)通过掩膜光刻在平台的台面上形成直径为300μm的裸露图案，再采用电子束蒸发法在介电层上沉积厚度为10nm的Ag膜，再以15℃/s的升温速率升温至400℃后保持10min进行退火，形成金属纳米颗粒层；

5)通过掩膜光刻在平台的台面上形成裸露图案，再通过电子束蒸发在P型扩散层上依次沉积厚度为10nm的Ti层、厚度为200nm的Al层、厚度为20nm的Ni层和厚度为300nm的Au层，再以15℃/s的升温速率升温至400℃后保持30s，再以15℃/s的升温速率继续升温至800℃后保持15s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形成裸露图案，再通过电子束蒸发依次沉积厚度为20nm的Ti层和厚度为300nm的Au层，再以15℃/s的升温速率升温至300℃后保持30s实现快速退火实现欧姆接触，形成N型金属电极层；

6)通过掩膜光刻在平台的侧壁上形成裸露图案，再通过电子束蒸发依次沉积厚度为68nm的SiO

对比例1：

一种PIN型InGaN基可见光探测器，除了不含金属纳米颗粒层以外，其余与实施例1的PIN型InGaN基可见光探测器完全相同。

对比例2：

一种PIN型InGaN基可见光探测器，除了不含减反膜层以外，其余与实施例1的PIN型InGaN基可见光探测器完全相同。

对比例3：

一种PIN型InGaN基可见光探测器，除了不含金属纳米颗粒层和减反膜层以外，其余与实施例1的PIN型InGaN基可见光探测器完全相同。

性能测试：

1)实施例的PIN型InGaN基可见光探测器的高分辨率X射线衍射(HRXRD)图如图2所示。

由图2可知：可以观测到明显的卫星峰，陡峭的周期性卫星峰表明InGaN与GaN界面陡峭，材料的晶体质量高。

2)实施例的PIN型InGaN基可见光探测器中的金属纳米颗粒层的扫描电镜(SEM)图如图3所示。

由图3可知：金属纳米颗粒层中的Ag纳米颗粒的直径分布峰值在58nm。

3)实施例和对比例1的PIN型InGaN基可见光探测器的吸收光谱图如图4所示。

由图4可知：金属纳米颗粒的引入可以诱导表面等离激元效应，从而可以增强PIN型InGaN基可见光探测器在可见光波段的光吸收。

4)实施例和对比例2的PIN型InGaN基可见光探测器的反射光谱图如图5所示。

由图5可知：引入MgF

5)将实施例和对比例3的PIN型InGaN基可见光探测器用波长为420nm的可见光照射进行光电性能测试，得到的I-V曲线和瞬态光响应曲线如图6(a为实施例和对比例3的PIN型InGaN基可见光探测器的I-V曲线，b为实施例的PIN型InGaN基可见光探测器的瞬态光响应曲线)所示。

由图6可知：在引入Ag纳米颗粒以及减反膜层结构后，PIN型InGaN基可见光探测器的光响应电流显著提升，且光响应上升/下降时间分别达到了32ms/46ms，兼具高的光响应度和高的光响应速度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。