CN104078520A - 一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及可见光探测器的技术领域，更具体地，涉及一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器。一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，外延层自下而上的顺序依次为缓冲层，n型掺杂GaN层，n型重掺杂InyGa1-yN欧姆接触层，非故意掺杂或轻掺杂的InyGa1-yN收集层，n型重掺杂InyGa1-yN势垒层，非故意掺杂高阻InGaN组分缓变层，变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层，重掺杂p型InzGa1-zN扩散势垒层，重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层。本发明的外延层为同种材料（InGaN）,且与LED发光材料相同，有利于获得高的响应度。且利用过冲效应提高电子饱和速度，使得器件的响应速度大大的提高，即实现本专利中的可见光探测器兼具滤波与高速响应双功能。
Description
技术领域
本发明涉及可见光探测器的技术领域，更具体地，涉及一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器。
背景技术
白光LED具有功耗低、寿命长、尺寸小等特点，正在逐步取代传统照明而成为照明光源的主要形式。同时，由于白光LED具有高响应灵敏度和可高速调制的特点，不仅可用于照明，还能在无线数据通信中作为可见光通信的发射端，因此在无线通信领域也得到了越来越广泛的重视。相对于现有的其它无线通信技术，可见光通信具有数据传输速率高、不受电磁干扰、信息安全性高和无需无线电频谱证等突出的优点。
在可见光通信系统中，接收端的可见光探测器是其核心的部分。目前常用的可见光探测器以Si基、AlGaAs、GaP基探测器为主，其存在两个主要的问题：（1）响应峰值与光源主发光波长不一致而导致探测灵敏度低；（2）需要添加长波长光滤波片以抑制背景噪声而增加应用成本和设备体积。LED产生白光的主要方式有两种：（1）由红、绿、蓝光LED发光合成白光；（2）由 蓝光LED发光激发黄色荧光粉发出近似白光。其中，第二种方式结构简单、价格便宜，是现在白光LED发光的主要方式。而目前的蓝光、绿光LED的有源层（发光层）都是基于InxGa1-xN材料的外延层而形成的。所以，研制具有响应光谱与LED发光光谱一致的InxGa1-xN可见光探测器具有重要的意义。
此外，目前可见光通信的数据传输速率已经达到1 Gb/s的数量级，国内研究机构报道的可见光传输速率可到3.25 Gb/s，而这个数据还在不断被刷新。伴随可见光通信系统数据容量的提升，对可见光探测器的响应速度提出了很高的要求。通常的InGaN光电探测器主要为PIN结构或MSM结构的光电二极管探测器，其光生载流子包括光生电子和空穴，由于空穴的迁移率低于电子，探测器响应速度会受到空穴渡越时间限制。目前，文献报道的InGaN可见光探测器的响应时间只能达到几百皮秒（参考文献：[1] J. Ohsawa, T. Kozawa, O. Fujishima, and H. Itoh, “Narrow-band 400 nm MSM photodetectors using a thin InGaN layer on a GaN / sapphire structure,” Phys. Stat Sol, vol. 3, no. 6, pp. 2278–2282, 2006.）。因此,提高响应速度是发展InGaN可见光光电探测器通信应用的另一个关键点。在InxGa1-xN材料中，电子的漂移速度远大于空穴的漂移速度，其漂移速度可达3.5~4x107cm/s（参考文献：[2] W. Liang, K.-T. Tsen, D. K. Ferry, K. H. Kim, J. Y. Lin, and H. Jiang, “Subpicosecond Raman studies of non-equilibrium electron transport in an In0.4Ga0.6N epilayer grown on GaN,” Proc. SPIE, vol. 5352, pp. 404–411, 2004.），如果针对光生载流子中的电子和空穴进行调控，限制空穴，而只利用光生电子进行传输，将大大提高光电探测器响应速度，使其响应时间可以缩短至皮秒乃至更低的数量级，从而实现高响应速度可见光探测器的制作。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，可实现高效、高速、高响应。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其中，包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，外延层自下而上的顺序依次为缓冲层，n型掺杂GaN层，n型重掺杂InyGa1-yN欧姆接触层，非故意掺杂或轻掺杂的InyGa1-yN收集层，n型重掺杂InyGa1-yN势垒层，非故意掺杂高阻InGaN组分缓变层，变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层，重掺杂p型InzGa1-zN扩散势垒层，重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层。
本具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其利用InyGa1-yN层作为窗口层，允许波长在InyGa1-yN材料截止波长和InxGa1-xN材料截止波长的可见光信号通过，使得从背面（即从衬底一侧）入射的光信号在变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层里被吸收，激发出电子空穴对。由于光生空穴是多数载流子，在p型吸收区内很快会被复合掉，而只有光生电子作为载流子输运。光生电子通过扩散和漂移到达耗尽区，然后在耗尽区强电场的作用下快速漂移到n型InyGa1-yN一侧，被该侧加正电的电极收集。由于电子的迁移率远大于空穴，且在耗尽区的高场作用下因速度过冲效应而具有高漂移速度，因而可大大减少载流子的渡越时间。此外，变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层可以形成自建电场加速电子输运；而在结构中增加一个n型重掺杂InyGa1-yN势垒层，可以拉低n型InyGa1-yN空间电荷区的势垒高度，提高变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层与n型重掺杂InyGa1-yN势垒层间的电场强度。电子在高In组分的InxGa1-xN中的漂移速度远大于在低In组分InyGa1-yN中的漂移速度。利用速度过冲效应，使得吸收区的电子快速到达收集区，实现对可见光的高速探测。同时，此结构利用入射窗口层与光吸收层的光吸收截止波长，实现了波长选择带通的可见光探测。即省去一般探测器中采用的滤光片，实现了高效、高速可见光探测功能与滤波功能的集成。
缓冲层用于降低材料生长时的缺陷、应力和位错，使外延层获得良好的材料质量；n型掺杂的GaN层优选的厚度为0.3-5μm，电子浓度为2×1017-3×1018cm-3；n型重掺杂的InyGa1-yN欧姆接触层的优选厚度为0.05-1μm，电子浓度为5×1017-2×1019 cm-3；非故意掺杂或轻掺杂的InyGa1-yN收集层的优选厚度为0.05-1μm，电子浓度为1×1016-3×1017 cm-3；n型重掺杂InyGa1-yN势垒层的优选厚度为0.005-0.1μm ，电子浓度为1×1018-3×1018cm-3，其作用是拉低InyGa1-yN空间电荷区的势垒高度（以上所述三层的In组分的y=0-0.3），提高InxGa1-xN（In组分范围x=0.1-0.4）吸收层与势垒层间的电场强度；同时，三个InyGa1-yN层共同构成入射光信号的窗口层；非故意掺杂高阻InGaN组分缓变层的优选厚度为0.005-0.1μm，In组分在x-y范围内梯度变化或连续变化，其作用在于减缓n型掺杂InyGa1-yN势垒层与变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层的能带突变程度；变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层的优选厚度为0.05-0.3μm，空穴浓度为2×1017-5×1018cm-3，In组分的x≧y，其作用是在于吸收光信号，生成电子空穴对，并形成自建电场，在扩散和漂移的作用下将电子运输到非故意掺杂高阻InGaN组分缓变层；重掺杂p型InzGa1-zN（In组分范围z=0.1-0.4，且z≦x）扩散势垒层，其作用是阻挡变掺杂的p型掺InxGa1-xN吸收层产生的电子扩散到重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层，优选厚度为0.01-0.1μm, 空穴浓度为2×1017-5×1018cm-3；最后是重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层优选的厚度为0.02-0.2μm, 空穴浓度为3×1017-1×1019cm-3。
所述的n型重掺杂InyGa1-yN欧姆接触层、非故意掺杂或轻掺杂的InyGa1-yN收集层、n型重掺杂InyGa1-yN势垒层与变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层、重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层中的x≧y；重掺杂p型InzGa1-zN扩散势垒层与变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层、重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层中x≧z；非故意掺杂高阻InGaN组分缓变层从下向上的In组分在y-x范围内梯度变化或连续变化。
本发明中，衬底应选用对可见光透明的材料，如sapphire、SiC、GaN、AlN、LiGaCO2或LiAlCO2等，不可用Si、GaAs等材料；同时，衬底应双面抛光以利于可见光信号从衬底一侧的入射。
与现有技术相比，有益效果是：本发明的外延层为同种材料（InGaN）,且与LED发光材料相同，有利于获得高的响应度。本发明采用n型重掺杂InyGa1-yN作为窗口层，允许波长在InyGa1-yN材料截止波长和InxGa1-xN材料截止波长的可见光信号通过，在变掺杂的p型掺InxGa1-xN吸收层上被吸收。巧妙的省略了在可见光探测中对滤光片的需求，简化了可见光接受端的结构，同时由于特殊的器件结构，实现只利用电子传输的电子输运可见光光电探测器，且利用过冲效应提高电子饱和速度，使得器件的响应速度大大的提高，即实现本专利中的可见光探测器兼具滤波与高速响应双功能。
另外，由这种结构的探测器构成的可见光光电探测器阵列也包含在本发明中。
附图说明
图1是本发明具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
如图1所示，该发明适用于制作具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，选择波长带通范围包含但不限于：蓝光波长430nm~470nm；绿光波长为530nm~570nm；红光波长为650nm~690nm。
本实施例如图1给出了一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，器件包括：蓝宝石衬底1，利用外延生长法，如分子束外延或金属有机化学气相沉积外延法，依次在衬底1上生长的25mm的低温GaN缓冲层和2μm的高温非故意掺杂GaN缓冲层2，1μm厚的n型掺杂GaN层3，0.1μm厚n型重掺杂InyGa1-yN(蓝光：y=0.11; 绿光y=0.24；红光：y=0.36) 欧姆接触层4，0.3μm厚非故意掺杂或轻掺杂InyGa1-yN收集层5，0.01μm厚n型重掺杂InyGa1-yN势垒层6，0.05μm厚非故意掺杂的高阻IntGa1-tN（蓝光探测器中t在0.11~0.17间变化；绿光探测器中t在0.24~0.28间变化；红光探测器中t在0.36~0.39间变化）组分缓变层7，0.3μm厚的变掺杂p型InxGa1-xN(蓝光：x=0.17；绿光x=0.28;红光：x=0.39)吸收层8，0.02μm厚重掺杂p型InzGa1-zN（蓝光：z=0.1；绿光z=0.2;红光：z=0.3）扩散势垒层9，0.04μm厚的重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层10。其中窗口层，即n型重掺杂InyGa1-yN欧姆接触层4，非故意掺杂或轻掺杂的InyGa1-yN收集层5，n型重掺杂InyGa1-yN势垒层6允许波长在InyGa1-yN材料截止波长和InxGa1-xN材料截止波长的可见光信号通过，在变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层8上吸收，光生电子通过漂移和扩散高速到达n型层，实现了窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于，包括衬底（1）及生长于衬底（1）之上的外延层，其中，外延层自下而上的顺序依次为缓冲层（2），n型掺杂GaN层（3），n型重掺杂InyGa1-yN欧姆接触层（4），非故意掺杂或轻掺杂的InyGa1-yN收集层（5），n型重掺杂InyGa1-yN势垒层（6），非故意掺杂高阻InGaN组分缓变层（7），变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层（8），重掺杂p型InzGa1-zN扩散势垒层（9），重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层（10）。
2.根据权利要求1所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的n型掺杂GaN层（3）的厚度为0.3-5μm，电子浓度为2×1017-3×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的n型重掺杂InyGa1-yN欧姆接触层（4）的厚度为0.05-1μm，电子浓度为5×1017-2×1019 cm-3，In组分范围y=0-0.3。
4.根据权利要求1所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的非故意掺杂或轻掺杂的InyGa1-yN收集层（5）的厚度为0.05-1μm，电子浓度为1×1016-3×1017cm-3，In组分范围y=0-0.3。
5.根据权利要求1所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的n型重掺杂InyGa1-yN势垒层（6）的厚度为0.05-0.1μm，电子浓度为1×1018-3×1018cm-3，In组分范围y=0-0.3。
6.根据权利要求1所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的非故意掺杂高阻InGaN组分缓变层（7）的厚度为0.005-0.1μm。
7.根据权利要求1所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层（8）的厚度为0.05-0.3μm，渐变空穴浓度为2×1017-5×1018cm-3，In组分范围x=0.1-0.4。
8.根据权利要求1所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的重掺杂p型InzGa1-zN扩散势垒层（9）的厚度为0.01-0.3μm，空穴浓度为2×1017-5×1018cm-3，In组分范围z=0-0.4。
9.根据权利要求1所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层（10）的厚度为0.02-0.2μm，空穴浓度为3×1017-1×1019cm-3，In组分范围x=0.1-0.4。
10.根据权利要求1至9任一所述的一种具有窄带光谱响应的电子输运可见光光电探测器，其特征在于：所述的n型重掺杂InyGa1-yN欧姆接触层（4）、非故意掺杂或轻掺杂的InyGa1-yN收集层（5）、n型重掺杂InyGa1-yN势垒层（6）与变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层（8）、重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层（10）中的x≧y；重掺杂p型InzGa1-zN扩散势垒层（9）与变掺杂的p型InxGa1-xN吸收层（8）、重掺杂p型InxGa1-xN层欧姆接触层（10）中x≧z；非故意掺杂高阻InGaN组分缓变层（7）从下向上的In组分在y-x范围内梯度变化或连续变化。
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