CN113972298A - 一种自供电偏振可见光探测器及制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自供电偏振可见光探测器及制备方法与应用，所述自供电偏振可见光探测器包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、功能层、SiO2隔离层和金属电极层，其中：缓冲层为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层；功能层包括InGaN层、石墨烯层和GeS2层，石墨烯层作为GeS2层和InGaN层之间的电子传输层；SiO2隔离层在InGaN层上；金属电极层分别在GeS2层和InGaN层上。本发明通过在InGaN层上转移石墨烯并磁控溅射沉积GeS2薄膜形成异质复合薄膜，可以有效提高可见光探测性能，在提高器件的光电流与响应度的同时，能有效限制器件的暗电流与噪声，实现偏振选择探测。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信用光电探测器领域，具体涉及一种自供电偏振可见光探测器及制备方法与应用。
背景技术
近年来，可见光通信技术(Visible-Light Communication，VLC)由于频谱资源丰富、无电磁干扰、保密性强等特点受到了极大的关注，是第六代通信技术规划蓝图“空天地海一体化”网络中重要的组成部分。VLC系统中主要的组成部分有发射端光源、接收端光电探测器和可见光传输技术，目前发射端LED光源技术已经趋于成熟，但是接收端的光电探测器还处于一个起步阶段，急需突破。
III-V族化合物半导体InGaN材料由于电子迁移率高、化学稳定性好、带隙随In组分可调的特点(0.7～3.4eV)，和光源工作波长匹配，能最大程度的接收光信号，有效降低噪声和系统成本，成为可见光通信光电探测器的最具潜力的候选者。非极性InGaN材料由于极强的面内各向异性，极具成为偏振探测器的潜力，但是由于制备非极性InGaN材料需要昂贵的非极性衬底以及复杂的外延工艺，这限制了InGaN可见光偏振探测器在VLC系统中的应用。
低维四族硫系半导体材料(GeS2、GeSe2等)由于极强的面内各向异性，是制备偏振探测器的最佳候选者之一，其中GeS2具有2.7eV-3.1eV的高禁带宽度，可以完美响应蓝光波段。并且由于GeS2是天然p型材料，可以与InGaN形成PN结，这有利于发展自供电型可见光探测器。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种自供电偏振可见光探测器及制备方法与应用，通过在InGaN层上转移石墨烯并磁控溅射沉积GeS2薄膜形成异质复合薄膜，可以有效提高可见光探测性能，同时通过构建异质结构，在提高器件的光电流与响应度的同时，能有效限制器件的暗电流与噪声，并实现偏振选择探测。
本发明的第一个目的在于提供一种自供电偏振可见光探测器。
本发明的第二个目的在于提供一种自供电偏振可见光探测器的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种自供电偏振可见光探测器的应用方法。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种自供电偏振可见光探测器，包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、功能层、SiO2隔离层和金属电极层，其中：
所述缓冲层为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层；
所述功能层包括InGaN层、石墨烯层和GeS2层，石墨烯层作为GeS2层和InGaN层之间的电子传输层；
所述SiO2隔离层在所述InGaN层上；
所述金属电极层分别在所述GeS2层和所述InGaN层上。
进一步的，所述AlN层的厚度为50～150nm，所述AlGaN层的厚度为250～400nm，所述GaN层的厚度为1～3μm。
进一步的，所述InGaN层的厚度为50～150nm，所述石墨烯为单层或三层厚度，所述GeS2层的厚度为0.6～3.5nm。
进一步的，所述金属电极层为Ti/Au金属层，Ti/Au金属层为从下到上排布的Ti金属层和Au金属层，其中，Ti金属层的厚度为5～10nm，Au金属层的厚度为90～150nm。
进一步的，所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底或者LaAlO3衬底，厚度为300～450μm。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种自供电偏振可见光探测器的制备方法，所述方法包括：
采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在衬底上生长缓冲层；
采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在所述缓冲层上生长InGaN层；在所述InGaN层上表面进行光刻曝光处理后，在所述InGaN层上方转移或者生长一层石墨烯，并通过磁控溅射方法在所述石墨烯层上沉积GeS2层，从而得到包含InGaN层、石墨烯层和GeS2层的功能层；
在所述功能层表面进行光刻曝光处理后，并通过等离子体化学气相淀积方法在所述InGaN层上沉积SiO2隔离层，从而得到器件；
对所述器件进行光刻曝光处理后，并通过蒸镀工艺分别在GeS2层和InGaN层表面蒸镀金属电极层，从而得到用于可见光通信的自供电偏振可见光探测器。
进一步的，采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在衬底上从下到上依次外延生长AlN层、AlGaN层和GaN层的温度分别为1100～1200℃、1100～1200℃和1000～1150℃。
进一步的，采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在缓冲层上生长InGaN层的温度为600～750℃；
在InGaN层上采用湿法转移石墨烯；
采用磁控溅射方法在石墨烯层上沉积GeS2的功率为50～70W，Ar气流量为50～70sccm。
进一步的，采用等离子增强化学气相淀积方法沉积SiO2隔离层，等离子功率为30～50W，沉积温度为90～110℃；金属电极层的蒸镀速率为0.1～0.3nm/min。
本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种自供电偏振可见光探测器的应用方法，上述自供电偏振可见光探测器应用于可见光通信。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明提供的制备方法具有工艺简单、省时高效以及能效低的特点。
2、本发明提供的自供电偏振可见光探测器，通过GeS2/石墨烯/InGaN肖特基结实现，在内建电场的作用下，光生载流子分离，产生光电流。
3、本发明提供的自供电偏振可见光探测器，利用了石墨烯的高载流子浓度和高电子迁移率，以及GeS2的偏振特性，获得了具有高速响应和偏振特性的可见光探测器，可应用于可见光通信领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的自供电偏振可见光探测器的结构剖面示意图。
图2a-2e为本发明实施例1的自供电偏振可见光探测器的制备过程的示意图。
其中，1-衬底、2-缓冲层、3-InGaN层、4-石墨烯层、5-GeS2层、6-金属电极层、7-隔离层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种自供电偏振可见光探测器，包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、功能层、SiO2隔离层和金属电极层，其中：
缓冲层为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层，AlN层、AlGaN层和GaN层的厚度分别为50～150nm、250～400nm、1～3μm。
功能层包括InGaN层、石墨烯层和GeS2层，石墨烯层作为GeS2层和InGaN层之间的电子传输层；其中，InGaN层的厚度为50～150nm，石墨烯层为单层或三层厚度，单层厚度为0.334nm、三层总厚度为1nm；GeS2层的厚度为0.6～3.5nm。
SiO2隔离层在InGaN层上，厚度为200～300nm。
金属电极层分别在GeS2层和InGaN层上，金属电极层为Ti/Au金属层，Ti/Au金属层为从下到上排布的Ti金属层和Au金属层，Ti金属层的厚度为5～10nm、Au金属层的厚度为90～150nm。
本实施例中衬底材料为Si衬底、蓝宝石衬底或者LaAlO3衬底，厚度为300～450μm。
通过优化探测器的结构参数，提升蓝光波段的量子效率；在InGaN层表面设计石墨烯层和GeS2层进行异质结功能层设计，有效增强蓝光偏振吸收，实现高灵敏度高带宽偏振探测。
如图2a-2e所示，本实施例还提供了一种自供电偏振可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备生长法在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长InGaN层。
具体的，采用MOCVD方法在衬底上从下到上依次外延生长AlN层、AlGaN层和GaN层的温度分别为1100～1200℃、1100～1200℃和1000～1150℃。采用MOCVD方法在缓冲层上生长InGaN层的温度为600～750℃。
(2)在InGaN层表面进行光刻曝光处理后，在InGaN层上表面转移或者生长一层石墨烯，并通过磁控溅射方法在石墨烯上用化学气象沉积(CVD)生长GeS2层，从而得到包含InGaN层、石墨烯层和GeS2层的功能层。
在InGaN层上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理光刻，然后在InGaN层上方转移或者生长一层石墨烯，并通过磁控溅射方法在石墨烯层上沉积GeS2层，从而得到包含InGaN层、石墨烯层和GeS2层的功能层。
具体的，在InGaN层上采用化学气象沉积(CVD)生长一层石墨烯，或者采用湿法转移石墨烯。采用磁控溅射方法在石墨烯层上沉积GeS2的功率为50～70W，Ar气流量为50～70sccm。
(3)在GeS2层和InGaN层表面进行光刻曝光处理，并通过等离子体化学气相沉积(PECVD)方法在InGaN层上沉积SiO2隔离层。
在GeS2层和InGaN层表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，得到电极和隔绝层区域的图形，具体步骤是先光刻隔绝层部分的图案，用PECVD沉积SiO2层，之后清洗掉多余光刻胶和SiO2，再进行二次光刻，蒸镀电极。
具体的，采用等离子增强化学气相淀积(PECVD)沉积SiO2隔离层，等离子功率为30～50W，沉积温度为90～110℃
(4)对步骤(3)得到的器件进行光刻曝光处理，并通过蒸镀工艺分别在GeS2层表面和InGaN层表面蒸镀金属电极层，得到用于可见光通信的自供电偏振可见光探测器。
分别在GeS2层和InGaN层上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，并通过蒸镀工艺分别在GeS2层和InGaN层表面蒸镀Ti/Au金属，得到用于可见光通信的自供电偏振可见光探测器。
具体的，金属电极层的蒸镀速率为0.1～0.3nm/min。
实施例2：
本实施例提供了一种自供电偏振可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在厚度为300μm基底(衬底)上采用MOCVD法生长，生长原材料为三甲基镓(Ga(CH3)3和TMGa)、三甲基铟(In(CH3)3和TMIn)和三甲基铝(Al(CH3)3和TMAl)；依次生长厚度为50nm的AlN层、250nm的AlGaN层、1μm的GaN层和50nm的InGaN层。
(2)在InGaN层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，然后在InGaN层上方转移或者生长一层石墨烯；并通过磁控溅射方法在石墨烯上沉积GeS2层，功率为70W，Ar气流量为50sccm；从而得到包含InGaN层、石墨烯层和GeS2层的功能层。
(3)在GeS2/石墨烯/InGaN功能层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并通过等离子增强化学气相淀积(PECVD)沉积SiO2隔离层，等离子功率为30W，沉积温度为110℃。
(4)在GeS2/石墨烯/InGaN功能层上进行光刻，在功能层上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，并通过蒸镀工艺分别在GeS2层和InGaN层表面蒸镀Ti/Au金属，厚度分别为5nm和90nm，得到用于可见光通信的自供电偏振可见光探测器。
实施例3：
本实施例提供了一种自供电偏振可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在厚度为400μm基底上采用MOCVD法生长，生长原材料为三甲基镓(Ga(CH3)3和TMGa)、三甲基铟(In(CH3)3和TMIn)和三甲基铝(Al(CH3)3和TMAl)；依次生长厚度为100nm的AlN、300nm的AlGaN层、2μm的GaN层和100nm的InGaN层。
(2)在InGaN层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并通过磁控溅射方法在InGaN层上选区沉积GeS2层，功率为60W，Ar气流量为60sccm。
(3)在GeS2/石墨烯/InGaN功能层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并通过等离子增强化学气相淀积(PECVD)沉积SiO2隔离层，等离子功率为40W，沉积温度为100℃。
(4)在GeS2/石墨烯/InGaN功能层上进行光刻，在GeS2/石墨烯/InGaN功能层上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，并通过蒸镀工艺分别在GeS2层和InGaN层表面蒸镀Ti/Au金属，厚度分别为5nm和130nm，得到用于可见光通信的自供电偏振可见光探测器。
实施例4：
本实施例提供了一种自供电偏振可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在厚度为450μm基底上采用MOCVD法生长，生长原材料为三甲基镓(Ga(CH3)3和TMGa)、三甲基铟(In(CH3)3和TMIn)和三甲基铝(Al(CH3)3和TMAl)；依次生长厚度为150nm的AlN、400nm的AlGaN层、3μm的GaN层和150nm的InGaN层。
(2)在InGaN层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，先在InGaN表面转移一层石墨烯，并通过磁控溅射方法在InGaN功能层上沉积GeS2层，功率为50W，Ar气流量为70sccm。
(3)在GeS2/石墨烯/InGaN功能层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并通过等离子增强化学气相淀积(PECVD)沉积SiO2隔离层，等离子功率为50W，沉积温度为90℃。
(4)在GeS2/石墨烯/InGaN功能层上进行光刻，在GeS2/石墨烯/InGaN功能层上表面匀胶、烘干、曝光、显影和氧离子处理，并通过蒸镀工艺分别GeS2层和InGaN层表面蒸镀Ti/Au金属，厚度分别为10nm和150nm，得到所述的用于可见光通信的自供电可见光探测器。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了上述实施例的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
综上所述，本发明设计的自供电偏振可见光探测器包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、GeS2/石墨烯/InGaN异质结功能层、阻隔层和金属电极层，缓冲层为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层，GeS2/石墨烯/InGaN异质结功能层中InGaN层的厚度为50～150nm，石墨烯为单层或三层厚度，GeS2层为0.6～3.5nm。通过优化探测器的结构参数，提升了蓝光波段的量子效率；在InGaN层表面设计GeS2层和石墨烯层进行异质结功能层设计，有效增强蓝光偏振吸收，实现高灵敏度高带宽偏振探测。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种自供电偏振可见光探测器，其特征在于，包括从下到上依次排布的衬底、缓冲层、功能层、SiO2隔离层和金属电极层，其中：
所述缓冲层为从下到上依次排布的AlN层、AlGaN层和GaN层；
所述功能层包括InGaN层、石墨烯层和GeS2层，石墨烯层作为GeS2层和InGaN层之间的电子传输层；
所述SiO2隔离层在所述InGaN层上；
所述金属电极层分别在所述GeS2层和所述InGaN层上。
2.根据权利要求1所述的自供电偏振可见光探测器，其特征在于，所述AlN层的厚度为50～150nm，所述AlGaN层的厚度为250～400nm，所述GaN层的厚度为1～3μm。
3.根据权利要求1所述的自供电偏振可见光探测器，其特征在于，所述InGaN层的厚度为50～150nm，所述石墨烯为单层或三层厚度，所述GeS2层的厚度为0.6～3.5nm。
4.根据权利要求1所述的自供电偏振可见光探测器，其特征在于，所述金属电极层为Ti/Au金属层，Ti/Au金属层为从下到上排布的Ti金属层和Au金属层，其中，Ti金属层的厚度为5～10nm，Au金属层的厚度为90～150nm。
5.根据权利要求1所述的自供电偏振可见光探测器，其特征在于，所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底或者LaAlO3衬底，厚度为300～450μm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的自供电偏振可见光探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在衬底上生长缓冲层；
采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在所述缓冲层上生长InGaN层；在所述InGaN层上表面进行光刻曝光处理后，在所述InGaN层上方转移或者生长一层石墨烯，并通过磁控溅射方法在所述石墨烯层上沉积GeS2层，从而得到包含InGaN层、石墨烯层和GeS2层的功能层；
在所述功能层表面进行光刻曝光处理后，并通过等离子体化学气相淀积方法在所述InGaN层上沉积SiO2隔离层，从而得到器件；
对所述器件进行光刻曝光处理后，并通过蒸镀工艺分别在GeS2层和InGaN层表面蒸镀金属电极层，从而得到用于可见光通信的自供电偏振可见光探测器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在衬底上从下到上依次外延生长AlN层、AlGaN层和GaN层的温度分别为1100～1200℃、1100～1200℃和1000～1150℃。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用金属有机物化学气相沉积设备生长法在缓冲层上生长InGaN层的温度为600～750℃；
在InGaN层上采用湿法转移石墨烯；
采用磁控溅射方法在石墨烯层上沉积GeS2的功率为50～70W，Ar气流量为50～70sccm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用等离子增强化学气相淀积方法沉积SiO2隔离层，等离子功率为30～50W，沉积温度为90～110℃；金属电极层的蒸镀速率为0.1～0.3nm/min。
10.一种如权利要求1-5任一项所述的自供电偏振可见光探测器的应用方法，其特征在于，所述自供电偏振可见光探测器应用于可见光通信。
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