[發明專利]一種具有帶通濾波功能的可見光通信用光電探測器

有效

• 申請號: 201610095413.1
• 申請日: 2016-02-22
• 公開（公告）號: CN105742377B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 江灝;張闖
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01L31/0216
• 分類號: H01L31/0216;H01L31/0304;H01L31/0352;H01L31/105;H01L31/18
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 陳衛

技術領域

本發明涉及可見光光電探測器的技術領域，更具體地，涉及一種具有帶通濾波功能的可見光通信用光電探測器。

背景技術

近年來，隨著白光發光二極管（Light Emitting Diode，LED）被應用于通信系統的信號發射端，可見光通信技術（Visible Light Communication, VLC）逐漸為人們所關注。由于白光發光二極管（LED）具有高的響應靈敏度和優良的調制特性，在其作為照明用具的同時，也能夠將信號調制到其發射波段上進行傳輸，這樣就能夠實現白光LED照明與通信的雙重功能。相比于目前的WiFi等無線通信技術，VLC具有（1）傳輸速率快；（2）保密性好；（3）不受電磁干擾；（4）無需申請無線頻譜許可證等一系列優勢。

然而，在現行的VLC技術中，暴露出一些突出的問題：在VLC通信系統中，存在著強烈的背景噪聲和固有的電路噪聲；同時隨著傳輸距離的增大，光接收器接受到的信號漸趨微弱，常導致接收端接收到的信號與噪聲的功率之比（Signal Noise Ratio, SNR）小于1。因此為了在高速傳輸下精確的接受信號，采用靈敏度高，響應速度快，噪聲小的光電探測器是構建可見光通信系統的必要條件之一。但目前被用作可見光通信系統接收端的Si基、GaAs、GaP基探測器存在響應峰值波長與光源發射波長不匹配的問題，同時還存在需要外加濾波器導致的探測器體積大、濾波損耗和成本增加等缺點。針對上述問題，為保證通信的準確度、靈敏度，亟待開發出具有濾波特性的、靈敏度高的新型可將光光電探測器。

目前在VLC系統中用作光源的白光LED主要有兩種形式：（1）InGaN/GaN多重量子阱藍光LED激發黃色熒光粉發出白光；（2）InGaN藍光LED與紅、綠LED組合，發出白光。因此以InGaN為感光材料能夠使探測器的吸收光譜與光源的發射光譜保持一致，同時InGaN材料還具有量子效率高、響應速度快和良好的波長選擇特性等優點。然而，由于InGaN外延材料的結晶質量一直有待改善，這使得目前制備的InGaN光電探測器通過材料特性實現濾波功能變得十分困難，難以達到VLC系統實際應用的要求。

眾所周知，InGaN/GaN多重量子阱LED的工作原理是在正向導通的情況下，空穴和電子在有源區量子阱層中復合發光。與LED的發光工作機制相反，在向LED芯片施加小正向偏置電壓（小于導通偏壓）或反向偏壓時，在其量子阱有源區處會存在一個耗盡區，當具有光子能量大于InGaN量子阱帶隙能量的入射光通過正向電極入射（或通過襯底一側）進入該耗盡區，會激發出光生電子-空穴對，這些光生載流子在耗盡區內電場的作用下流向器件的正負電極，形成光電流。因此，如果施加適當的偏置電壓， GaN基LED芯片可用來探測入射的可見光信號。但是，由于可見光通信系統的工作環境中通常存在著背景噪聲干擾，使得利用GaN基LED作為VLC系統接收端探測器的信噪比過低；同時，由于量子阱有源區中的極化電場作用，以及耗盡層擴展至p型GaN區域，導致了LED芯片的響應光譜峰值波長發生偏移，在短波長區有較強光響應，不利于提高SNR。

發明內容

本發明為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷，提供一種具有帶通濾波功能的可見光通信用光電探測器，利用GaN基InGaN/GaN多重量子阱LED結構作為光電探測器，并在器件芯片的光信號入射端面沉積一個多層結構的可調節濾波特性的一維缺陷鏡像對稱光子晶體濾波器，該濾波器能夠對入射的信號光進行選擇性濾波，濾去不在VLC系統信號源發射光譜范圍內的干擾信號，同時不需要外加濾波器，可集成度高，且該濾波器使用的材料結構為常見的GaN基LED結構，外延工藝成熟，從而回避了InGaN材料生長中的一系列難題。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種具有帶通濾波功能的可見光通信用光電探測器，其中，包括襯底，利用外延生長法，如分子束外延或金屬有機化學氣相沉淀外延法，依次生長在襯底上的緩沖層，n型GaN層，InGaN/GaN多重量子阱有源層，p型GaN層，利用電子束蒸發設備沉積在p型GaN層上的P型金屬電極和一維缺陷鏡像對稱光子晶體濾波器，或者沉積在對可見光透明的襯底背面上的一維缺陷鏡像對稱光子晶體濾波器，以及沉積在n型GaN層上的N型金屬電極；

探測器的制備工藝步驟是：

步驟1：在P型GaN層上旋涂一層光刻膠，光刻顯影后暴露出需要刻蝕的部分P型GaN層；

步驟2：使用干法刻蝕，刻蝕暴露出的P型GaN層，刻蝕深度到N型GaN層，形成臺階結構；