本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種用于可見光通信的InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著白光發(fā)光二極管被應(yīng)用于通信系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)射端，可見光通信技術(shù)（Visible-Light Communication，VLC）成為半導(dǎo)體照明向超越照明發(fā)展的重要趨勢(shì)之一，同時(shí)VLC作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一種新技術(shù)、作為短距離通信方式的一種補(bǔ)充，引起了越來越多的關(guān)注。VLC技術(shù)是以可見光波（波長(zhǎng)為380~780nm）作為傳輸媒介的一種短距離光無線通信方式，與通常采用的WiFi、ZigBee、RFID 等無線電波通信方式相比，具有對(duì)傳輸速率快、保密性好、無電磁污染、頻譜無需授權(quán)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

然而，現(xiàn)行的VLC技術(shù)中，仍存在一些突出的問題，需要進(jìn)一步的研究。目前可見光通信常用的光電探測(cè)器主要有三種：普通光電二極管（PD）（常用材料為Si和GaP）、雪崩光電二極管（APD）、圖像傳感器（陣列集成式PD），這些光電探測(cè)器雖然具有材料體系成熟、工藝技術(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)、能夠滿足現(xiàn)有調(diào)制帶寬與傳輸速率要求。但是這些探測(cè)器也存在光電轉(zhuǎn)換效率不高、容易受到環(huán)境光背景干擾、靈敏度低、體積大、不利于集成等不足，嚴(yán)重限制了可見光通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

相對(duì)于傳統(tǒng)的Si、GaP材料，InGaN半導(dǎo)體因其較高的飽和電子遷移速率、波長(zhǎng)可調(diào)范圍廣等的優(yōu)點(diǎn)成為新型光電探測(cè)器的理想材料。同時(shí)，目前在VLC系統(tǒng)中用作發(fā)射端光源的白光LED主要有兩種形式：1）InGaN/GaN多重量子阱藍(lán)光LED激發(fā)黃光熒光粉發(fā)出白光；2）InGaN藍(lán)光LED與紅、綠LED組合發(fā)出白光，因此以InGaN為感光材料能夠使探測(cè)器的吸收光譜與光源的發(fā)射光譜保持一致，由此可見，InGaN基可見光探測(cè)器在高速高效可見光通信中具有極大潛力。

InGaN基光電探測(cè)器主要有肖特基型、MSM型、p-i-n多量子阱型等結(jié)構(gòu)類型，為保證量子效率和響應(yīng)度，均需要生長(zhǎng)比較厚的InGaN材料以增加對(duì)光子的吸收率。然而，由于InGaN的面內(nèi)晶格常數(shù)比GaN大，在GaN上生長(zhǎng)InGaN時(shí)，存在著因晶格失配引起的壓應(yīng)力，且隨著InGaN厚度的增加，壓應(yīng)力會(huì)逐漸增大，形成三維島狀結(jié)構(gòu)或者生成大量位錯(cuò)，使得晶體質(zhì)量嚴(yán)重惡化。因此，生長(zhǎng)高質(zhì)量的厚膜InGaN材料仍面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，限制了InGaN基光電探測(cè)器在VLC系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在問題和不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、制造容易、吸收率高、材料厚度小的用于可見光通信的InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的用于可見光通信的InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器，包括具有p-i-n結(jié)構(gòu)的InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器本體，其特點(diǎn)是：所述InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器本體包括由下往上依次設(shè)置的襯底、n型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和p型GaN層，其中所述p型GaN層的表面上設(shè)置有p型GaN歐姆接觸結(jié)構(gòu)，所述InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器本體的一側(cè)設(shè)置有缺口，通過所述缺口使n型GaN層露出表面，且在該表面上設(shè)置有n型GaN歐姆接觸結(jié)構(gòu)，所述InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層為(InGaN)_n/(GaN)_(n+1)的周期性結(jié)構(gòu)，周期數(shù)n為1-20，每層InGaN量子點(diǎn)的厚度為1-5nm。

其中，所述襯底為藍(lán)寶石襯底、SiC襯底、GaN襯底、AlN襯底、MoW襯底或其它可以生長(zhǎng)GaN材料的襯底。

所述n型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和p型GaN層采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相襯底外延法（MOCVD）、分子束外延法(MBE)或氫化物氣相外延法(HVPE)進(jìn)行設(shè)置。

本發(fā)明所述的用于可見光通信的InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器的制備方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：

步驟一：在一襯底上依次外延生長(zhǎng)n型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和p型GaN層，其中InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層為(InGaN)_n/(GaN)_(n+1)的周期性結(jié)構(gòu)，周期數(shù)n為1-20，每層InGaN量子點(diǎn)的厚度為1-5nm；

步驟二：通過光刻和干法刻蝕的方法去除部分的p型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和n型GaN層，使n型GaN層露出表面；

步驟三：在p型GaN的表面上制備p型GaN歐姆接觸結(jié)構(gòu)，并在n型GaN層露出的表面上制備n型GaN歐姆接觸結(jié)構(gòu)，即完成InGaN/GaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器的制備。

其中，所述襯底為藍(lán)寶石襯底、SiC襯底、GaN襯底、AlN襯底、MoW襯底或其它可以生長(zhǎng)GaN材料的襯底。

上述步驟一中外延生長(zhǎng)的方法為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相襯底外延法（MOCVD）、分子束外延法(MBE)或氫化物氣相外延法(HVPE)。

本發(fā)明所述的p-i-n結(jié)構(gòu)InGaN基量子點(diǎn)光電探測(cè)器工作原理如下：當(dāng)光子能量大于InGaN禁帶寬度時(shí)，將激發(fā)InGaN產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子和空穴作為光生載流子，一部分在量子點(diǎn)中弛豫到基態(tài)并進(jìn)行輻射復(fù)合或非輻射復(fù)合；另一部分則逸出量子點(diǎn)并在電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，其中電子移向n區(qū)，空穴移向p區(qū)，形成光生電流。本發(fā)明所述的量子點(diǎn)光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)中，光激發(fā)產(chǎn)生的電子回到基態(tài)需要幾百ps，而電子逃逸出量子點(diǎn)的時(shí)間只需要fs量級(jí)，因而電子更容易逸出量子點(diǎn)；本發(fā)明所述的量子點(diǎn)光電探測(cè)器具有p-i-n結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整p區(qū)和n區(qū)的摻雜濃度，其電場(chǎng)分布能夠平衡電子的傳輸速率去匹配空穴的傳輸速率，有利于空穴的輸運(yùn)，減少由于空穴累積而產(chǎn)生的電流阻塞效應(yīng)，使光生載流子可以持續(xù)從量子點(diǎn)傳輸出來，對(duì)光子吸收具有正反饋?zhàn)饔?，從而提高了InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器的吸收系數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提出的一種具有p-i-n結(jié)構(gòu)的InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器，因?yàn)槠渚哂懈叩墓怆娢障禂?shù)，從而提高了系統(tǒng)的量子效率，增加了器件的響應(yīng)度，實(shí)現(xiàn)了InGaN基可見光探測(cè)器在VLC中的應(yīng)用，而且只需很薄的InGaN的量子點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)可見光通信中光電探測(cè)器的需求，這就避免了傳統(tǒng)InGaN基光電探測(cè)器中因?yàn)槲障禂?shù)低，需要較厚的InGaN層作為光吸收層的缺點(diǎn)，從而解決了InGaN材料生長(zhǎng)中的一系列難題。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一制備InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器的工藝流程圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一制備的InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一：

如圖1-2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器的制造方法和通過該方法制備的芯片的結(jié)構(gòu)，其制備方法包括以下步驟：

步驟一：在襯底1（該襯底1為藍(lán)寶石襯底）上采用MOCVD依次外延生長(zhǎng)n型GaN層2、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層3和p型GaN層4，具體的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為一層GaN/InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的厚度為5nm；

步驟二：通過光刻和干法刻蝕的方法去除部分的p型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和n型GaN層，使n型GaN層2露出表面21；

步驟三：在p型GaN層4的表面41上制備p型GaN歐姆接觸結(jié)構(gòu)6，并在n型GaN層2露出的表面21上制備n型GaN歐姆接觸結(jié)構(gòu)7，即完成InGaN/GaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器的制備。

通過上述步驟制備的InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器如圖2所示，包括藍(lán)寶石襯底1、n型GaN層2、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層3、p型GaN層4、p型GaN歐姆接觸結(jié)構(gòu)6和n型GaN歐姆接觸結(jié)構(gòu)7。由于在上述步驟二中，通過光刻和干法刻蝕的方法去除了部分的p型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和n型GaN層，因此在InGaN量子點(diǎn)光電探測(cè)器的一側(cè)形成有缺口5，而該缺口5的底面即為n型GaN層2露出的表面21。

實(shí)施例二：

該實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于：

步驟一：在SiC襯底上采用MBE依次外延生長(zhǎng)n型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和p型GaN層，具體的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為一層(InGaN)₅/(GaN)₆量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的厚度為4nm。

實(shí)施例三：

該實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于：

步驟一：在GaN襯底上采用HVPE依次外延生長(zhǎng)n型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和p型GaN層，具體的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為一層(InGaN)₁₀/(GaN)₁₁量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的厚度為3nm。

實(shí)施例四：

該實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于：

步驟一：在AlN襯底上采用MBE依次外延生長(zhǎng)n型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和p型GaN層，具體的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為一層(InGaN)₁₅/(GaN)₁₆量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的厚度為2nm。

實(shí)施例五：

該實(shí)施例與實(shí)施例一的不同之處在于：

步驟一：在MoW襯底上采用MOCVD依次外延生長(zhǎng)n型GaN層、InGaN/GaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)層和p型GaN層，具體的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)為一層(InGaN)₂₀/(GaN)₂₁量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，該InGaN量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的厚度為1nm。

本發(fā)明是通過實(shí)施例來描述的，但并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制，參照本發(fā)明的描述，所公開的實(shí)施例的其他變化，如對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人士是容易想到的，這樣的變化應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求限定的范圍之內(nèi)。