CN117334774A - InGaN基双波长光电探测外延晶片、制备方法和光触发布尔逻辑门器件 - Google Patents

InGaN基双波长光电探测外延晶片、制备方法和光触发布尔逻辑门器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种InGaN基双波长光电探测外延晶片、制备方法和光触发布尔逻辑门器件，涉及半导体光电探测器技术领域，该外延晶片包括衬底、n‑GaN纳米线段、功能吸收器和透明导电层，功能吸收器包括n‑InGaN纳米线段和p‑InxGaN纳米线段，并具有轴向异质结构，用于对不同波长的光束产生相反极性的光电流。相较于现有技术，本发明为入射光波长区分提供了理想的参数，以为在功能吸收器的底部n‑InGaN纳米线段中和顶部p‑InxGaN纳米线段中产生的光电流的两个极性提供能量增益，配合电子反相器，能够实现全套光触发布尔逻辑门的功能。

Description

InGaN基双波长光电探测外延晶片、制备方法和光触发布尔逻 辑门器件
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器技术领域，具体而言，涉及一种InGaN基双波长光电探测外延晶片、制备方法和光触发布尔逻辑门器件。
背景技术
常规技术中，半导体光电探测器通常被设计为对单个波段做出响应，以根据校准的光电流确定给定波长的照射光功率。
进一步地，出现了对两个波段的独特响应，以实现最终的波分复用探测的光电探测器。这为通过如下光触发逻辑门进行内置信息处理打开了大门：光触发逻辑门具有由入射光的两个不同波长表示的两个二进制输入，以及由组合光电流表示的一个二进制输出。出于这个目的，需要组合具有不同能量带隙的两个半导体吸收器，因为要避免其他复杂的光学部件，比如滤波器。
经发明人调研发现，除了对实际所需的双波长探测的双波长响应之外，还必须找到附加的独立参数来区分这两个波长，对于光电探测器来说，原因在于照射光功率和待测波长都是未知的，而对于逻辑门来说，则是为了使由两个光波长表示的两个输入通道独立。所报告的参数大部分是用于针对两个光波长不同地改变光电流的施加的外部电压，并且光电流噪声也可以是合适的。然而，这些参数不提供内在的、无动力的且定性的波长区分，从而施加了固有的限制，难以实现逻辑门的功能。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种InGaN基双波长光电探测外延晶片、制备方法和光触发布尔逻辑门器件，其具有全新的工作原理，使得光电流对于两个不同的较长波段和较短波段具有相反的符号，从而能够实现全套光触发布尔逻辑门的功能。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种InGaN基双波长光电探测外延晶片，包括：
衬底，衬底的背面形成有第一金属电极；
n-GaN纳米线段，若干n-GaN纳米线段阵列分布在衬底正面的；
功能吸收器，功能吸收器包括由下至上依次设置在n-GaN纳米线段上的n-InGaN纳米线段和p-InxGaN纳米线段；
透明导电层，透明导电层设置在功能吸收器顶部，且透明导电层远离衬底的一侧形成有第二金属电极；
其中，n-GaN纳米线段与衬底形成欧姆接触，p-InxGaN纳米线段与透明导电层形成肖特基接触，且n-InGaN纳米线段和p-InxGaN纳米线段具有轴向异质结构，功能吸收器用于对不同波长的光束产生相反极性的光电流。
第二方面，本发明提供一种InGaN基双波长光电探测外延晶片的制备方法，用于制备如前述实施方式的InGaN基双波长光电探测外延晶片，方法包括：
提供衬底；
在衬底上生长n-GaN纳米线段的阵列；
在n-GaN纳米线段上依次生长n-InGaN纳米线段和p-InxGaN纳米线段的阵列；
在p-InxGaN纳米线段上生长透明导电层；
对衬底的背面和透明导电层远离衬底的一侧表面进行金属化，以在衬底的背面形成第一金属电极，并在透明导电层的表面形成第二金属电极；
其中，n-GaN纳米线段与衬底形成欧姆接触，p-InxGaN纳米线段与透明导电层形成肖特基接触，且n-InGaN纳米线段和p-InxGaN纳米线段形成具有轴向异质结构的功能吸收器，功能吸收器用于对不同波长的光束产生相反极性的光电流。
第三方面，本发明提供一种光触发布尔逻辑门器件，光触发布尔逻辑门器件包括双波长光电探测器，双波长光电探测器选用如前述实施方式任一项的InGaN基双波长光电探测外延晶片。
本发明实施例的有益效果包括，例如：
本发明实施例提供了一种InGaN基双波长光电探测外延晶片、制备方法和光触发布尔逻辑门器件，其中基于InGaN基纳米线轴向异质结构的阵列用作功能吸收器，该功能吸收器能够对不同波长的光束产生相反极性的光电流，能够实现光电流的符号改变，以在没有任何施加的外部电压的情况下以自供电工作模式利用来自不同波段的光进行照明。常规技术中对于具有横向/径向均匀掺杂层的任何常见的异质结构设计，符号的这种改变被能量守恒禁止。但相较于现有技术，本发明为双波长光电探测和逻辑中的入射光波长区分提供了理想的参数。符号改变通过不同的径向和轴向光载流子的产生、转移和能量弛豫路径成为可能，以为在功能吸收器的底部n-InGaN纳米线段中和顶部p-InxGaN纳米线段中产生的光电流的两个极性提供能量增益。配合电子反相器，能够实现全套光触发布尔逻辑门的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例提供的InGaN基双波长光电探测外延晶片的示意图；
图2示出了本发明实施例提供的双波长光电探测器的示意图；
图3示出了图1中纳米线段的生长示意图；
图4示出了实验证明的双波长光电探测装置在斩波照明下的光电流与时间描记图；
图5是实验证明的功能吸收器的能带结构示意图；
图6是本发明实施例提供的InGaN基双波长光电探测外延晶片的制备方法的流程图；
图7示出了光触发基本布尔逻辑门器件的控制示意图；
图8示出了两个不同波段的光产生的单独光电流的两个预设的光电流和真值表。
图标：100-InGaN基双波长光电探测外延晶片；110-衬底；111第一金属电极；130-n-GaN纳米线段；150-功能吸收器；151-n-InGaN纳米线段；153-p-InxGaN纳米线段；155-InGaN芯；157-InGaN壳；170-透明导电层；171-第二金属电极；200-双波长光电探测器；300-电子反相器。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1至图3，本发明提供了一种InGaN基双波长光电探测外延晶片100，其具有全新的工作原理，使得光电流对于两个不同的较长波段和较短波段具有相反的符号，从而能够用于实现全套光触发布尔逻辑门的功能。
本实施例提供的InGaN基双波长光电探测外延晶片100，包括衬底110、n-GaN纳米线段130、功能吸收器150和透明导电层170，衬底110的背面形成有第一金属电极；若干n-GaN纳米线段阵列分布在衬底110正面的；功能吸收器150包括由下至上依次设置在n-GaN纳米线段上的n-InGaN纳米线段151和p-InxGaN纳米线段153；透明导电层170设置在功能吸收器150顶部，且透明导电层170远离衬底110的一侧形成有第二金属电极171；其中，n-GaN纳米线段130与衬底110形成欧姆接触，p-InxGaN纳米线段153与透明导电层170形成肖特基接触，且n-InGaN纳米线段151和p-InxGaN纳米线段153具有轴向异质结构，功能吸收器150用于对不同波长的光束产生相反极性的光电流。
需要说明的是，常规技术中对于具有横向/径向均匀掺杂层的任何常见的异质结构设计，符号的这种改变被能量守恒禁止。但本实施例中利用功能吸收器150为双波长光电探测和逻辑中的入射光波长区分提供了理想的参数。符号改变通过不同的径向和轴向光载流子的产生、转移和能量弛豫路径成为可能，以为在功能吸收器150的底部n-InGaN纳米线段151中和顶部p-InxGaN纳米线段153中产生的光电流的两个极性提供能量增益。配合电子反相器300，能够实现全套光触发布尔逻辑门的功能。
在一些实施例中，衬底110为Si衬底110，该衬底110可以是n型或p型衬底110，例如，Si衬底110可以是与n-GaN纳米线段130形成欧姆隧道结的p-Si的晶片或者与n-GaN纳米线段130形成直接欧姆结的n-Si的晶片。优选地，本实施例中的Si衬底110可以选用p型Si衬底110。
在一些实施例中，该外延晶片的形成方式选自以下方式中的一种：分子束外延、金属有机气相外延和化学气相沉积。优选地，本实施例中可以通过分子束外延的方式来形成外延晶片。
在一些实施例中，第一金属电极包括在衬底110的背面金属化形成的GaIn共晶金属层。具体地，为了完成底部n-接触，Si衬底110的背面优选地利用GaIn共晶金属化，从而形成了第一金属电极。
在一些实施例中，与Si衬底110形成欧姆接触的n-GaN纳米线段130的生长温度介于500℃至800℃之间。该n-GaN纳米线段130优选地由Si进行n掺杂，从而形成n型纳米线段。并且，n-GaN纳米线段130的长度介于20nm至500nm之间。
需要说明的是，本实施例中n-GaN纳米线段130采用阵列方式生长在衬底110上，其基本生长原理以及阵列结构可以参考现有的纳米线阵列。
进一步地，n-InGaN纳米线段151包括沿径向分布的InGaN芯155和InGaN壳157，InGaN芯155的In含量大于InGaN壳157的In含量，且InGaN壳157围绕在InGaN芯155周围。通过形成径向芯-壳结构的n-InGaN纳米线段151，能够与p-InxGaN纳米线形成轴向异质结构。
在一些实施例中，n-InGaN纳米线段151的生长温度介于完全In掺入与完全In解吸之间。优选地，为了调整In含量和径向尺寸，n-InGaN纳米线段151的生长温度介于500℃至600℃之间。具体地，功能吸收器150的n-InGaN纳米线段151时在完全In掺入与完全In解吸之间的生长温度范围内，依靠In解吸、In表面扩散和In掺入的相互作用自然形成的。在这种生长温度下，慢速生长的m面纳米线侧壁上的In解吸速率比快速生长的c面纳米线顶部上的In解吸速率大得多。因此与纳米线侧壁向上并到达纳米线顶部中心的定向In表面扩散结合，这形成了贫In的InGaN壳157，其围绕富In的InGaN芯155。
需要说明的是，由于用作施主的晶体学缺陷，径向芯-壳结构的n-InGaN纳米线段151被无意地n掺杂，从而形成n型半导体结构。
在一些实施例中，n-InGaN纳米线段151的平均In含量介于20％-80％之间。并且单独地，InGaN芯155的In含量介于25％至75％之间，InGaN壳157的In含量介于0％至30％之间，以便确保覆盖从近红外至UV光谱范围的波段。
在一些实施例中，n-InGaN纳米线段151的直径介于30nm至100nm之间。InGaN芯155的直径介于5nm至30nm之间，InGaN壳157的厚度介于5nm至80nm之间。n-InGaN纳米线段151的长度介于20nm至500nm之间。
在一些实施例中，p-InxGaN纳米线段153的In含量介于0％至30％之间，即x可以是0-0.3，例如，此处x可以是0，顶部采用p-GaN纳米线段。并且，p-InxGaN纳米线段153的生长温度小于500℃，使得p-InxGaN纳米线段153在低于开始In解吸时的500℃的温度下生长，以实现均匀的In掺入。这些p-InxGaN纳米线段153优选地由Mg进行p掺杂，并且p-InxGaN纳米线段153的长度介于20nm至500nm之间。
在一些实施例中，透明导电层170包括ITO膜层。可以在p-InxGaN纳米线段153的顶部上生长顶部p-接触，并且，该ITO膜层倍金属化已形成第二金属电极171。优选地，ITO膜层的厚度介于50nm至200nm之间。
在一些实施例中，第二金属电极171包括在ITO膜层的边缘拐角处金属化形成的Ni/Au金属叠层，即该ITO膜层被金属化，例如，在拐角中利用薄的10/60nm Ni/Au进行金属化，即可以采用10nm的Ni层和60nm的Au层进行叠层后形成第二金属电极171。
本发明实施例还提供了一种双波长光电探测器200，该双波长光电探测器200选用前述的InGaN基双波长光电探测外延晶片100，其余结构可以参考现有的光电探测器。下面对该双波长光电探测器200的测试结果进行介绍。
对于双波长光电探测器200的操作，本发明在图4中示出了在5s开/5s关的斩波照明下的自供电光电流与时间描记图的实验结果，其中图4(a)为405nm可见光照明，高于InGaN壳157带隙且低于GaN带隙，并且图4(b)为275nm UV光照明，高于GaN带隙。激发功率密度从10mW/cm2增加到50mW/cm2。光电流对于可见光照明始终为负，对于UV光照明始终为正。双波长光电探测装置与图8中用于逻辑门的物理证明的装置相同。
对于双波长光电探测器200的工作原理，首先，可以参考一些相关的基本原理。通常，电压的极性和能带结构的描述指的是顶部接触。对于顶部p-接触，顶部p-n底部结的正向电压则为正，由此正向电流也为正。因此，在具有向上能带弯曲(即指向顶部的正的内置电场)的该p-n结中产生的光电流为负。
在这些惯例下，对于自供电光电流满足以下条件：1、负光电流需要具有向上能带弯曲(即正的内置电场)的耗尽区，其中，光载流子被分离并被驱动向接触，空穴被驱动向顶部，并且电子被驱动向底部。2、正光电流需要具有向下能带弯曲(即负的内置电场)的耗尽区，其中，光载流子被分离并被驱动向接触，电子被驱动向顶部，并且空穴被驱动向底部。3、需要光载流子向接触整体转移以提供能量增益。
从这些基本原理可以得出结论，由可见光产生的负光电流是由于底部/中间芯-壳n-InGaN纳米线段151的具有向上能带弯曲的耗尽区造成的。由UV光产生的正光电流必须是由于顶部p-(In)GaN纳米线段中存在的具有向下能带弯曲的近表面耗尽区造成的。因此，顶部p-(In)GaN纳米线段与ITO顶部p-接触形成肖特基接触，这是非常合理的。底部接触由具有欧姆隧道结的p-Si衬底110上的n-GaN纳米线段130组成。可以认为405nm可见光仅在底部的芯-壳结构的n-InGaN纳米线段151中被吸收，而所有275nm UV光在靠近顶部p-GaN纳米线段的表面处被吸收。
然而，对于任何横向均匀的分层p型和n型掺杂半导体异质结构，通常不允许在任何不同波长下自供电光电流具有相反极性。一种极性的光电流的能量增益转变为相反极性的能量需求，以通过能量守恒来禁止光电流。因此，径向芯-壳结构的n-InGaN纳米线结构对于双波长-双极性光电探测装置是必要的，从而产生以下机制和条件，以允许可见光和UV光照明产生负光电流和正光电流。
通过405nm可见光照明产生负光电流的关键机制在于：电子和空穴在底部芯-壳结构的n-InGaN纳米线段151中激发到InGaN纳米线壳导带和价带，且最终空穴热激发到所述顶部p-InxGaN纳米线的表面处的价带。
详细地，对于负光电流产生，电子在底部芯-壳结构的n-InGaN纳米线段151中激发到所述InGaN纳米线壳导带，在耗尽区中转移到底部n-InGaN纳米线壳或芯的平带区，且当能量驰豫时，转移到具有能量增益的所述底部接触。空穴在所述底部芯-壳n-InGaN纳米线段151中激发到所述InGaN纳米线壳价带。然后，空穴在耗尽区中转移到所述InGaN/GaN界面，热激发到所述顶部p-InxGaN纳米线段153，在耗尽区中转移到顶部p-InxGaN纳米线段153的平带区，并热激发到所述顶部p-InxGaN纳米线的表面和顶部接触。这只有在所述顶部p-InxGaN纳米线的表面处的价带能高于所述底部n-InGaN纳米线壳的平带区中的价带能的情况下才是可能的。那么对于空穴转移也存在能量增益。
对于在所述底部芯-壳n-InGaN纳米线段151中激发到所述InGaN纳米线芯价带的空穴，所述顶部p-InxGaN纳米线的表面处的价带能需要高于所述底部InGaN纳米线芯的平带区中的价带能，因此空穴转移具有能量增益。然而，在这种情况下，不允许针对UV光照明产生正光电流，具体可以参见下文。
通过275nm UV光照明产生正光电流的关键机制在于：电子和空穴在所述顶部p-GaN纳米线段中激发到所述GaN导带和价带，且最终空穴能量弛豫到所述底部n-InGaN纳米线芯的价带。
详细地，对于正光电流产生，电子在所述顶部p-GaN纳米线段中激发到所述GaN导带，并且在近表面耗尽区中转移到具有能量增益的所述顶部接触。空穴在所述顶部p-InxGaN纳米线段153中激发到所述InxGaN价带。然后，空穴在近表面耗尽区中转移到所述顶部p-InxGaN纳米线段153的平带区，热激发到所述GaN/InGaN界面，能量弛豫到所述底部n-InGaN纳米线芯，热激发到所述底部n-InGaN纳米线芯的平带区，并转移到所述底部接触。这只有在所述底部n-InGaN纳米线芯的平带区中的价带能高于所述顶部p-InxGaN纳米线的表面处的价带能的情况下才是可能的。那么对于空穴转移也存在能量增益。
对于能量弛豫到所述底部InGaN纳米线壳并在其中进一步转移的空穴，所述底部InGaN纳米线壳的平带区中的价带能需要高于所述顶部p-InxGaN纳米线的表面处的价带能，以便为空穴转移提供能量增益。然而，在这种情况下，不允许针对可见光照明产生负光电流。
总之，结合参见图5，示出了在图5(a)可见光照明和图5(b)UV光照明下指示的光载流子的产生和转移，为了在可见光和UV光照明下实现具有负极性和正极性的光电流，所述顶部p-InxGaN纳米线的表面处的价带能必须介于所述底部n-InGaN纳米线壳和芯的平带区中的价带能之间，如图5(a)和图5(b)中所述径向芯-壳n-InGaN/p-InxGaN纳米线轴向异质结构功能吸收器150针对可见光和UV光照明的能带结构的示意图所示。那么对于光电流的两个极性都存在能量增益。如果所述顶部p-InxGaN纳米线表面的表面处的价带能在该范围之外，则仅允许负光电流或正光电流，并且阻挡具有相反极性的相应光电流。
如果顶部p-InxGaN纳米线的表面处的价带能高于该范围(高于所述底部InGaN纳米线芯的平带区中的价带能)，则仅允许负光电流。如果所述顶部p-(In)GaN纳米线的表面处的价带能低于该范围(低于所述底部InGaN纳米线壳的平带区中的价带能)，则仅允许正光电流。
当在范围之外时，可以通过调整所述顶部p-(In)GaN纳米线的表面处的价带能，即肖特基势垒高度和近表面向下能带弯曲，来安装双WL-双极性光电探测装置操作。选项如下：(i)改变近表面p-掺杂物浓度；(ii)沉积薄的n-掺杂GaN表面层，其厚度从完全耗尽到完全p-n结变化；以及(iii)使用具有不同功函数和密度以及界面态能的不同金属，其通过适当的表面处理改性。此外，所述底部芯-壳InGaN纳米线的导带和价带的能量可以通过生长条件、特别是生长温度以及In和Ga束流来调整，从而改变InGaN纳米线芯和壳中的In含量。
在实际的双波长光电探测装置操作中，在从光电流的符号识别照明光的波长范围之后，根据相应的可见光或UV光功率与光电流校准曲线来确定光功率。
结合参见图6，本发明实施例还提供了一种InGaN基双波长光电探测外延晶片100的制备方法，用于制备如前述实施方式的InGaN基双波长光电探测外延晶片100，该方法包括以下步骤：
S1：提供衬底110。
具体地，提供n型或p型Si衬底110，优选可以提供p-Si衬底110。
S2：在衬底110上生长n-GaN纳米线段130的阵列。
具体地，在衬底110的正面生长底部的n-GaN纳米线段130的阵列，其与衬底110一起用作底部n-接触，且与衬底110一起形成欧姆接触。
S3：在n-GaN纳米线段130上依次生长n-InGaN纳米线段151和p-InxGaN纳米线段153的阵列。
具体地，在n-GaN纳米线段130上生长径向芯-壳的n-InGaN/p-InxGaN纳米线轴向异质结构的阵列，其用作功能吸收器150。
S4：在p-InxGaN纳米线段153上生长透明导电层170。
具体地，优选在p-InxGaN纳米线段153上生长ITO膜层，以用作顶部p-接触。
S5：对衬底110的背面和透明导电层远离衬底110的一侧表面进行金属化，以在衬底110的背面形成第一金属电极，并在透明导电层的表面形成第二金属电极171。
具体地，通过金属化工艺，使得顶部的ITO膜层和衬底110的背面完成金属化。
其中，n-GaN纳米线段130与衬底110形成欧姆接触，p-InxGaN纳米线段153与透明导电层170形成肖特基接触，且n-InGaN纳米线段151和p-InxGaN纳米线段153形成具有轴向异质结构的功能吸收器150，功能吸收器150用于对不同波长的光束产生相反极性的光电流。
在一些实施例中，步骤S2和步骤S3中所有的纳米线段的长度均为20nm至500nm，直径均为30nm至100nm。单独地，n-InGaN纳米线段151包括InGaN纳米线芯和InGaN纳米线壳，InGaN纳米线芯的直径为5nm至30nm，并且InGaN纳米线壳的厚度为5nm至80nm。并且，径向芯-壳结构的n-InGaN纳米线的平均In含量介于20％至80％之间。单独地，InGaN纳米线芯的In含量为25％至75％，并且InGaN纳米线壳的In含量为0％至30％。这确保了对于产生相反极性的光电流的光的两个波长覆盖从近红外至UV的大波长范围。
在一些实施例中，该外延晶片的生长方法为分子束外延、金属有机气相外延或化学气相沉积。优选地，可以采用分子束外延的方式实现外延生长。
最后，需要由上述形成的外延晶片来制造装置。由于有效区是单独的纳米线异质结构的阵列，因此原则上对于将尺寸减小到单个纳米线异质结构没有限制。制造遵循针对光电探测器的标准程序。背面金属化通过标准金属蒸发进行。对于顶部接触，将导电透明层(比如ITO)通过掩模沉积以限定光电探测器区域，或者在沉积之后进行台面蚀刻。透明导电层170利用通过掩模在边界处蒸发、或者在蒸发之后通过剥离技术处理的小金属接触进行金属化。上述金属可以是Al(铝)、Au(金)或Ni(镍)，优选地是Ni或Au。使用相同的金属来蒸发背面接触。金属线粘合到正面和背面上的金属接触。
结合参见图7和图8，本发明实施例还提供了一种光触发布尔逻辑门器件，光触发布尔逻辑门器件包括双波长光电探测器200和电子反相器300，双波长光电探测器200选用如前述的InGaN基双波长光电探测外延晶片100，电子反相器300设置在双波长光电探测器200的输出端。图7示出了光触发布尔逻辑门器件的方案图，其通常包括双波长光电探测器200和电子反相器300，其中电子反相器300即电子非门。
一般来讲，布尔逻辑门包括两个为假或真的二进制输入0或1，以及一个为假或真的二进制输出0或1，外加具有一个二进制输入和一个二进制输出的反相器。
本实施例的光触发布尔逻辑门器件基于以下原理操作：
参见前文所述，在双波长光电探测器200中，具有较长波长和较短波长的两个光束产生相反极性的光电流。因此这两个光束用作逻辑门的两个独立的二进制输入，并且组合光电流用作逻辑门的单个二进制输出。
根据实验证明，由具有较长波长和较短波长(在下文称为可见波长和UV波长)的光束表示的两个二进制输入具有预设的单独功率，即预设的单独的所产生的光电流。对于所有7个基本布尔逻辑门的物理证明的示例，例如可以选择产生负光电流的405nm可见光和产生正光电流的275nm UV光。
对于预设的由较长波长(可见)光和较短波长(UV)光产生的光电流大小相等(|可见光电流|＝UV光电流)的情况，使二进制输出0表示零光电流，使二进制输出1表示光电流大小(＝|可见光电流|)，实现了光触发逻辑异或门。对于预设的由可见光和UV光产生的光电流大小不同(优选地|可见光电流|＝1/2UV光电流)的情况，使二进制输出0表示零光电流，使二进制输出1表示大于0的光电流大小(＝|可见光电流|或UV光电流)，实现了光触发逻辑或门。对于预设的由可见光产生的光电流大小大于由UV光产生的光电流大小(优选地也为|可见光电流|＝1/2UV光电流)的情况，使二进制输出0表示负、零和UV光产生的光电流，使二进制输出1表示更小的正光电流(＝|可见光电流|)，实现了光触发逻辑与门。结合电子反相器300，即电子非门，实现了光触发逻辑异或非、或非、及与非门。
通过将由可见光或UV光产生的光电流的大小作为单个逻辑输入，实现了光触发逻辑是门。结合电子反相器300，实现了光触发逻辑非门。用于由可见光和UV光单独产生的光电流的两个预设的光电流和真值表总结了逻辑运算以及同时光电流输出对二进制输出0和1的映射。对于全光至光电流逻辑异或、或、及与门，光电流和真值表连同物理实现如图8(a-f)所示。
该双波长光电探测装置的实验细节如下：对于通过等离子体辅助分子束外延的生长，Ga(镓)和In(铟)的束等效压力为5.4×10-7和2.6×10-7托，导致致密InGaN层的生长速率为0.2μm/h。对于略微富N(氮)的生长条件，活性N等离子体源的设置为360W射频功率和2.0标准立方厘米每分钟(sccm)分子N2流速。InGaN的生长温度为570℃，高于开始In解吸时的约500℃，导致自然形成芯-壳结构的InGaN纳米线。GaN的生长温度为670℃。n-GaN、n-InGaN和p-InxGaN的生长时间为30min，导致n-GaN/芯-壳n-InGaN/p-(In)GaN纳米线段的长度为140nm/200nm/125nm。
对于芯-壳n-InGaN纳米线段151，通过透射电子显微镜(TEM)测定，壳的厚度为约20nm，其中In含量为约11％，根据440nm处的室温PL峰位置(估计2.81eV带隙能量)测定，在高功率325nm He-Cd激光激发下出现，取弯曲参数b为2.5，并且使用Cu Kα1,2线在对称GaN(0001)和Si布拉格反射周围进行的ω-二-θX射线衍射(XRD)测量。InGaN纳米线芯的直径为约10nm，其中In含量为约31％，根据低功率532nm Nd-Yag固态激光激发时测量的607nm处的室温光致发光峰位置(估计2.04eV带隙能量)测定，取相同的弯曲参数。
120nm厚的磁控溅射的氧化铟锡(ITO)层外加拐角中的10/60nm Ni/Au金属化用作顶部p-接触。该装置的几何面积为360×280μm2。通过二极管激光器和UV灯以405nm(3.06eV)和275nm(4.51eV)的光波长(光子能量)进行照明。用校准的Si光电探测器调整扩展光束的激发功率密度。
针对7个光触发基本布尔逻辑门的最实际的完整电子读数，可以在电子反相器300旁边添加附加的电子电路，以将PC的大小、符号和中间正值映射到二进制逻辑0和1输出上，以执行任意复杂的光触发逻辑运算。
在可选的实施方式中，光触发布尔逻辑门器件用于实现光触发逻辑异或门、光触发逻辑或门、光触发逻辑与门、光触发逻辑异或非门、光触发逻辑或非门、光触发逻辑与非门以及光触发逻辑异非门。
本发明实施例的工作原理是基于InGaN基纳米线轴向异质结构的阵列用作功能吸收器150。纳米线异质结构功能吸收器150包括高平均In含量的底部/中间的芯-壳n-InGaN纳米线段151和低In含量的顶部p-InxGaN纳米线段153。对于外延晶片，功能吸收器150之前是底部n-接触，并且以顶部p-接触结束。该功能吸收器150能够实现光电流的符号改变，以在没有任何施加的外部电压的情况下以自供电工作模式利用来自不同波段的光进行照明。对于在所述底部芯-壳n-InGaN纳米线段151中吸收的较长波长的光，光电流为负。对于在顶部p-InxGaN纳米线段153中吸收的较短波长的光，光电流为正。常规技术中对于具有横向/径向均匀掺杂层的任何常见的异质结构设计，符号的这种改变被能量守恒禁止，但其为双波长光电探测和逻辑中的入射光波长区分提供了理想的参数。径向芯-壳结构中n-InGaN纳米线层的平均In含量为30％至80％，并且所述顶部p-InxGaN纳米线段153的平均In含量为0％至30％，对于双波长探测和逻辑覆盖了从UV至近红外的宽波长范围，并且最重要的是，提供了径向和轴向的光载流子的产生、转移和能量弛豫路径，以实现对于UV至近红外波长范围内的不同的较长波长和较短波长的入射光束的相反极性的光电流。符号改变通过不同的径向和轴向光载流子的产生、转移和能量弛豫路径成为可能，以为在功能吸收器150的底部芯-壳n-InGaN纳米段中和顶部p-InxGaN纳米段中产生的所述光电流的两个极性提供能量增益。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种InGaN基双波长光电探测外延晶片，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底的背面形成有第一金属电极；
n-GaN纳米线段，若干所述n-GaN纳米线段阵列分布在所述衬底正面的；
功能吸收器，所述功能吸收器包括由下至上依次设置在所述n-GaN纳米线段上的n-InGaN纳米线段和p-InxGaN纳米线段；
透明导电层，所述透明导电层设置在所述功能吸收器顶部，且所述透明导电层远离所述衬底的一侧形成有第二金属电极；
其中，所述n-GaN纳米线段与所述衬底形成欧姆接触，所述p-InxGaN纳米线段与所述透明导电层形成肖特基接触，且所述n-InGaN纳米线段和所述p-InxGaN纳米线段具有轴向异质结构，所述功能吸收器用于对不同波长的光束产生相反极性的光电流。
2.根据权利要求1所述的InGaN基双波长光电探测外延晶片，其特征在于，所述n-InGaN纳米线段包括沿径向分布的InGaN芯和InGaN壳，所述InGaN芯的In含量大于所述InGaN壳的In含量，所述InGaN壳围绕在所述InGaN芯周围；所述n-InGaN纳米线段的生长温度范围介于完全In掺入与完全In解吸之间。
3.根据权利要求2所述的InGaN基双波长光电探测外延晶片，其特征在于，所述n-InGaN纳米线段的生长温度介于500℃至600℃之间；所述n-InGaN纳米线段的平均In含量介于20％-80％之间；所述InGaN芯的In含量介于25％至75％之间，所述InGaN壳的In含量介于0％至30％之间；所述n-InGaN纳米线段的直径介于30nm至100nm之间；所述InGaN芯的直径介于5nm至30nm之间，所述InGaN壳的厚度介于5nm至80nm之间；所述n-InGaN纳米线段的长度介于20nm至500nm之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的InGaN基双波长光电探测外延晶片，其特征在于，所述p-InxGaN纳米线段的In含量介于0％至30％之间；所述p-InxGaN纳米线段的生长温度小于500℃；所述p-InxGaN纳米线段的长度介于20nm至500nm之间。
5.根据权利要求1-3任一项所述的InGaN基双波长光电探测外延晶片，其特征在于，所述衬底为Si衬底，所述Si衬底是与所述n-GaN纳米线段形成欧姆隧道结的p-Si的晶片或者与所述n-GaN纳米线段形成直接欧姆结的n-Si的晶片；所述第一金属电极包括在所述衬底的背面金属化形成的GaIn共晶金属层；所述n-GaN纳米线段的生长温度介于500℃至800℃之间；所述n-GaN纳米线段的长度介于20nm至500nm之间。
6.根据权利要求1-3任一项所述的InGaN基双波长光电探测外延晶片，其特征在于，所述透明导电层包括ITO膜层；所述ITO膜层的厚度介于50nm至200nm之间；所述第二金属电极包括在所述ITO膜层的边缘拐角处金属化形成的Ni/Au金属叠层。
7.一种InGaN基双波长光电探测外延晶片的制备方法，用于制备如权利要求1所述的InGaN基双波长光电探测外延晶片，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上生长n-GaN纳米线段的阵列；
在所述n-GaN纳米线段上依次生长n-InGaN纳米线段和p-InxGaN纳米线段的阵列；
在所述p-InxGaN纳米线段上生长透明导电层；
对所述衬底的背面和所述透明导电层远离所述衬底的一侧表面进行金属化，以在所述衬底的背面形成第一金属电极，并在所述透明导电层的表面形成第二金属电极；
其中，所述n-GaN纳米线段与所述衬底形成欧姆接触，所述p-InxGaN纳米线段与所述透明导电层形成肖特基接触，且所述n-InGaN纳米线段和所述p-InxGaN纳米线段形成具有轴向异质结构的功能吸收器，所述功能吸收器用于对不同波长的光束产生相反极性的光电流。
8.根据权利要求7所述的InGaN基双波长光电探测外延晶片的制备方法，其特征在于，所述n-InGaN纳米线段是在完全In掺入与完全In解吸之间的生长温度范围内，依靠In解吸、In表面扩散和In掺入的相互作用自然形成的，所述n-GaN纳米线段、所述n-InGaN纳米线段和所述p-InxGaN纳米线段的生长方法为分子束外延、金属有机气相外延或化学气相沉积。
9.一种光触发布尔逻辑门器件，其特征在于，所述光触发布尔逻辑门器件包括双波长光电探测器，所述双波长光电探测器选用如权利要求1-6任一项所述的InGaN基双波长光电探测外延晶片。
10.根据权利要求9所述的光触发布尔逻辑门器件，其特征在于，所述布尔逻辑门器件还包括电子反相器，所述电子反相器设置在所述双波长光电探测器的输出端，所述光触发布尔逻辑门器件用于实现光触发逻辑异或门、光触发逻辑或门、光触发逻辑与门、光触发逻辑异或非门、光触发逻辑或非门、光触发逻辑与非门以及光触发逻辑异非门。
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