一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器及其制备方法与流程

1.本发明属于可见光通信的可见光探测器领域，具体涉及一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器及其制备方法。


背景技术：

2.随着led灯的不断普及和无线射频频谱的日益拥挤，可见光通信(vlc)以其高通信速率、低成本、频谱丰富、无电磁辐射、高保密性等特点，获得了各界的看好。在可见光通讯与蜂窝网络和wifi等技术不断交互融合的推动下，可见光通信在物联网、航空航天等领域的应用和价值体现不断涌现。vlc技术就是利用半导体照明的光线实现数据信息的传输，如上网、视频通话、语音或者是对物联网设备开关的调节都可以借助其极高的传输速率而轻松实现。虽然vlc系统的发射端也就是led技术已经很普及，但是接收端即可见光探测器技术仍然面临巨大挑战。
3.现有的可见光探测器是以si材料为基础的si基光电二极管为主，但是由于si材料带隙1.1ev，需要加外部的滤光片才能高效探测商业化led发出的蓝光，因此器件体积庞大，且si基光电二极管光灵敏度很低，抗辐射也较差，因此难以满足新一代vlc系统中对高性能可见光探测器的要求。因此迫切需要一种针对蓝光有着高响应灵敏高的可见光探测器。
4.iii
a-via族化合物(in2s3，ga2s3及其合金in
x
ga
2-x
s3)的半导体材料，近年来发展速度飞快，由于其独特的光电性能以及和可见光波段匹配的带隙(1.9～3.1ev)，当x＝0.3，则可以实现对应450nm蓝光的高响应。尽管如此，铟镓硫材料由于外延中存在空位使得其直接生长的材料为p型，其n型掺杂是个难题。此外，铟镓硫材料稳定性较差，制备的探测器寿命是个大问题，目前还未实现高性能的可见光探测器。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器及其制备方法。本发明采用了sn作为n型掺杂源，首次实现了原位生长掺杂n-in
x
ga
2-x
s3，使得有源层增强了光吸收，提高了光生载流子的密度和传输时间，获得了高灵敏和超快速光响应的可见光探测器。
6.本发明的目的通过如下技术方案实现：
7.一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器，自下至上依次包括基底、sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层、本征i-in
x
ga
2-x
s3层、p型in
x
ga
2-x
s3层；本征i-in
x
ga
2-x
s3层部分覆盖sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层，且本征i-in
x
ga
2-x
s3层在n型in
x
ga
2-x
s3层上形成台面；n电极设置在未被覆盖的n型in
x
ga
2-x
s3层上，p电极设置在p型in
x
ga
2-x
s3层上。
8.所述p型in
x
ga
2-x
s3层部分覆盖本征i-in
x
ga
2-x
s3层，形成第一台面，未覆盖的本征i-in
x
ga
2-x
s3层上表面一侧有第二台面，该台面低于本征i-in
x
ga
2-x
s3层上表面，高于sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层上表面；有第二台面的一侧为不与n电极接触的一侧(即远离n电极的一侧)，具体为与n电极接触的本征i-in
x
ga
2-x
s3层一侧的对立侧。
9.p型in
x
ga
2-x
s3层位于本征i-in
x
ga
2-x
s3层的中部，p型in
x
ga
2-x
s3层的左右两侧在本征i-in
x
ga
2-x
s3层上都形成台面。
10.n电极与本征i-in
x
ga
2-x
s3层的一侧接触。
11.所述p电极部分覆盖p型in
x
ga
2-x
s3层。
12.n电极的上表面低于本征i-in
x
ga
2-x
s3层的上表面。
13.本征i-in
x
ga
2-x
s3层在n型in
x
ga
2-x
s3层上形成台面是指本征i-in
x
ga
2-x
s3层在n型in
x
ga
2-x
s3层上表面的右侧形成台面。
14.所述基底、sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层、本征i-in
x
ga
2-x
s3层、p型in
x
ga
2-x
s3层中未被覆盖的部分设有保护层；所述保护层为pi保护层。
15.所述sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层部分覆盖基底，形成台面。n型in
x
ga
2-x
s3层左右两侧在基底上都形成台面。
16.所述sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层中sn的掺杂浓度是为2
×
10
18
～4
×
10
18
cm-3
；
17.所述基底的厚度为400～450μm。
18.所述生长的sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层厚度为200～300nm、本征i-in
x
ga
2-x
s3层厚度为1200～1500nm、p-in
x
ga
2-x
s3层厚度为200～300nm。
19.所述n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
20.(1)在基底上依次原位生长sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、本征i-in
x
ga
2-x
s3层、p-in
x
ga
2-x
s3层；
21.(2)在p-in
x
ga
2-x
s3层表面使用正胶工艺光刻曝光处理制备出p电极蒸镀区，在蒸镀区蒸镀p电极；
22.(3)采用湿法刻蚀掉部分p-in
x
ga
2-x
s3层，暴露出本征i-in
x
ga
2-x
s3层，然后刻蚀掉部分本征i-in
x
ga
2-x
s3层，暴露出sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层，使得p-in
x
ga
2-x
s3层，本征i-in
x
ga
2-x
s3层和n-in
x
ga
2-x
s3层的一侧形成台阶式；刻蚀掉p电极另一侧的p-in
x
ga
2-x
s3层，暴露出本征i-in
x
ga
2-x
s3层，本征i-in
x
ga
2-x
s3层上此时形成第一台面，然后刻蚀掉部分厚度的i-in
x
ga
2-x
s3层，i-in
x
ga
2-x
s3层上形成第二台面；
23.(4)对步骤(3)得到刻蚀处理后的器件的n-in
x
ga
2-x
s3层的表面使用正胶工艺光刻曝光处理制备出n电极蒸镀区，在蒸镀区蒸镀n电极；
24.(5)对步骤(4)得到含n电极和p电极的器件进行湿法刻蚀，刻蚀掉第二台面的部分i-in
x
ga
2-x
s3层直至暴露出基底，同时刻蚀掉n电极侧的n-in
x
ga
2-x
s3层直至暴露出基底；
25.(6)对步骤(5)得到的台面刻蚀后的器件进行涂敷pi保护层，并在n电极和p电极的正上方开孔；
26.(7)对步骤(6)得到的涂敷保护层的器件进行引出电极的制作，得到所述n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器。
27.步骤(1)所述生长方法：采用cvd法生长，生长原材料为gacl3，incl3，s粉；n型掺杂源为sni2，掺杂浓度为2
×
10
18
～4
×
10
18
cm-3
；p型掺杂源为zn金属，掺杂浓度为2
×
10
18
～4
×
10
18
cm-3
；
28.步骤(2)和(4)所述蒸镀的金属电极的厚度为40～100nm；
29.步骤(3)和(5)所述湿法刻蚀所用的溶液为热的h2so4/hcl/h3po4溶液，溶液的温度为110～140℃；
30.步骤(6)所述涂敷的pi保护层厚度为150～200nm；
31.步骤(7)所述引出的电极厚度为120～200nm。
32.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
33.(1)本发明提供了一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器，制备方法具有工艺简单、省时高效以及能耗低的特点。
34.(2)本发明的一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器采用了sn作为n型掺杂源，首次实现了原位生长掺杂n-in
x
ga
2-x
s3，使得有源层增强了光吸收，提高了光生载流子的密度和传输时间，获得了高灵敏和超快速光响应的可见光探测器
35.(3)本发明的一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器利用了pin异质结的效应，制备了可见光探测器，极大程度减小了器件的尺寸体积，对光电集成器件应用前景重大，可用于可见光通信领域，经济效益可观。
附图说明
36.图1为本发明的一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器的结构剖面示意图；1-基底、2-sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层、3-本征i-in
x
ga
2-x
s3层、4-p型in
x
ga
2-x
s3层、5-n电极、6-p电极、7-保护层；
37.图2为本发明的一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器的制备流程图；其中，1-基底、2-sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、3-本征i-in
x
ga
2-x
s3层、4-p-in
x
ga
2-x
s3层、5-n电极、6-p电极、7-外部的pi保护层。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。本发明的实施例中in
x
ga
2-x
s3中0＜x＜2。
39.图1为本发明的一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器的结构剖面示意图；所述n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器，自下至上依次包括基底1、sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层2、本征i-in
x
ga
2-x
s3层3、p型in
x
ga
2-x
s3层4；本征i-in
x
ga
2-x
s3层3部分覆盖sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层2，且本征i-in
x
ga
2-x
s3层3在n型in
x
ga
2-x
s3层2上形成台面；n电极5设置在未被覆盖的n型in
x
ga
2-x
s3层2上，p电极6设置在p型in
x
ga
2-x
s3层4上。
40.所述p型in
x
ga
2-x
s3层4部分覆盖本征i-in
x
ga
2-x
s3层3，形成第一台面，未覆盖的本征i-in
x
ga
2-x
s3层3上表面一侧有第二台面，该台面低于本征i-in
x
ga
2-x
s3层3上表面，高于sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层2上表面；有第二台面的一侧为不与n电极5接触的一侧(即远离n电极的一侧)，具体为与n电极接触的本征i-in
x
ga
2-x
s3层一侧的对立侧。
41.p型in
x
ga
2-x
s3层4位于本征i-in
x
ga
2-x
s3层3的中部，p型in
x
ga
2-x
s3层4的左右两侧在本征i-in
x
ga
2-x
s3层3上都形成台面。
42.n电极5与本征i-in
x
ga
2-x
s3层3的一侧接触。
43.所述p电极6部分覆盖p型in
x
ga
2-x
s3层4。
44.n电极5的上表面低于本征i-in
x
ga
2-x
s3层3的上表面。
45.本征i-in
x
ga
2-x
s3层3在n型in
x
ga
2-x
s3层2上形成台面是指本征i-in
x
ga
2-x
s3层3在n
型in
x
ga
2-x
s3层2上表面的右侧形成台面。
46.所述基底1、sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层2、本征i-in
x
ga
2-x
s3层3、p型in
x
ga
2-x
s3层4中未被覆盖的部分设有保护层7；所述保护层7为pi保护层。
47.所述sn掺杂的n型in
x
ga
2-x
s3层2部分覆盖基底1，形成台面。
48.图2为本发明的一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器的制备流程图；其中，1-基底、2-sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层(即sn掺杂n型in
x
ga
2-x
s3层)、3-本征i-in
x
ga
2-x
s3层、4-p-in
x
ga
2-x
s3层(即p型in
x
ga
2-x
s3层)、5-n电极、6-p电极、7-外部的pi保护层。
49.制备流程为：(1)在基底上依次生长sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、本征i-in
x
ga
2-x
s3层、p-in
x
ga
2-x
s3层；(2)p-in
x
ga
2-x
s3层上制备p电极层；(3)采用湿法刻蚀，使得p-in
x
ga
2-x
s3层，本征i-in
x
ga
2-x
s3层和n-in
x
ga
2-x
s3层的一侧形成台阶式；刻蚀掉p电极另一侧的p-in
x
ga
2-x
s3层，暴露出本征i-in
x
ga
2-x
s3层，本征i-in
x
ga
2-x
s3层上此时形成第一台面，然后刻蚀掉部分厚度的i-in
x
ga
2-x
s3层，i-in
x
ga
2-x
s3层上形成第二台面；(4)n-in
x
ga
2-x
s3层的台面上制备n电极；(5)刻蚀掉第二台面的部分i-in
x
ga
2-x
s3层直至暴露出基底，同时刻蚀掉n电极侧的n-in
x
ga
2-x
s3层直至暴露出基底；(6)在器件表面涂敷pi保护层，并在n电极和p电极的正上方开孔；(7)引出n电极和p电极。
50.实施例1
51.本实施例提供了一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器，包括基底、sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、本征i-in
x
ga
2-x
s3层、p-in
x
ga
2-x
s3层、n电极和p电极，以及外部的pi保护层。
52.本实施例还提供了一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
53.(1)在厚度为400μm基底(如：si)上采用cvd法生长，依次原位生长厚度为300nm的sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、厚度为1200nm的本征i-in
x
ga
2-x
s3层、厚度为300nm的p-in
x
ga
2-x
s3层；生长原材料为gacl3，incl3，s粉；n型掺杂源为sni2，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
；p型掺杂源为zn金属，掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
；
54.(2)在p-in
x
ga
2-x
s3层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，p-in
x
ga
2-x
s3层表面部分裸露即p电极蒸镀区，在裸露的部分蒸镀金属电极厚度为100nm的p电极，去除光刻胶；
55.(3)对步骤(2)得到的含p电极的器件进行多次的有源区下台面的湿法刻蚀，湿法刻蚀所用的溶液为热的h2so4/hcl/h3po4溶液，溶液的温度为110℃；使得本征i-in
x
ga
2-x
s3层、n-in
x
ga
2-x
s3层暴露出；
56.具体为采用湿法刻蚀掉一侧部分p-in
x
ga
2-x
s3层，暴露出本征i-in
x
ga
2-x
s3层，然后刻蚀掉部分本征i-in
x
ga
2-x
s3层，暴露出sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层，使得p-in
x
ga
2-x
s3层，本征i-in
x
ga
2-x
s3层和n-in
x
ga
2-x
s3层的一侧形成台阶式；刻蚀掉p电极另一侧的p-in
x
ga
2-x
s3层，暴露出本征i-in
x
ga
2-x
s3层，本征i-in
x
ga
2-x
s3层上此时形成第一台面，然后刻蚀掉部分厚度的i-in
x
ga
2-x
s3层，i-in
x
ga
2-x
s3层上形成第二台面；
57.(4)对步骤(3)得到刻蚀处理后的器件的n-in
x
ga
2-x
s3层的表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并蒸镀金属电极厚度为100nm的n电极；
58.(5)对步骤(4)得到含n电极和p电极的器件进行器件下台面的湿法刻蚀，湿法刻蚀所用的溶液为热的h2so4/hcl/h3po4溶液，溶液的温度为110℃；具体为刻蚀掉第二台面的部分i-in
x
ga
2-x
s3层直至暴露出基底，同时刻蚀掉n电极侧的n-in
x
ga
2-x
s3层直至暴露出基底；
59.(6)对步骤(5)得到的台面刻蚀后的器件进行涂敷pi保护层，厚度为200nm，并在n电极和p电极的正上方开孔；
60.(7)对步骤(6)得到的涂敷保护层的器件进行引出电极的制作，引出的电极厚度为120nm，得到所述n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器。
61.实施例2
62.本实施例提供了一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器，包括基底、sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、本征i-in
x
ga
2-x
s3层、p-in
x
ga
2-x
s3层、n电极和p电极，以及外部的pi保护层。
63.本实施例还提供了一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
64.(1)在厚度为450μm的基底(如：si)上采用cvd法生长，依次原位生长厚度为200nm的sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、厚度为1500nm的本征i-in
x
ga
2-x
s3层、厚度为200nm的p-in
x
ga
2-x
s3层；生长原材料为gacl3，incl3，s粉；n型掺杂源为sni2，掺杂浓度为4
×
10
18
cm-3
；p型掺杂源为zn金属，掺杂浓度为4
×
10
18
cm-3
；
65.(2)在p-in
x
ga
2-x
s3层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并蒸镀金属电极厚度为40nm的p电极；
66.(3)对步骤(2)得到的含p电极的器件进行多次的有源区下台面的湿法刻蚀，湿法刻蚀所用的溶液为热的h2so4/hcl/h3po4溶液，溶液的温度为140℃，使得本征i-in
x
ga
2-x
s3层、n-in
x
ga
2-x
s3层暴露出；
67.(4)对步骤(3)得到刻蚀处理后的器件的n-in
x
ga
2-x
s3层的表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并蒸镀金属电极厚度为40nm的n电极；
68.(5)对步骤(4)得到含n电极和p电极的器件进行器件下台面的湿法刻蚀，湿法刻蚀所用的溶液为热的h2so4/hcl/h3po4溶液，溶液的温度为140℃，选择性刻蚀未保护的部分本征i-in
x
ga
2-x
s3层、n-in
x
ga
2-x
s3层；
69.(6)对步骤(5)得到的台面刻蚀后的器件进行涂敷pi保护层，厚度为150nm，并在n电极和p电极的正上方开孔；
70.(7)对步骤(6)得到的涂敷保护层的器件进行引出电极的制作，引出的电极厚度为200nm，得到所述n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器。
71.实施例3
72.本实施例提供了一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器，包括基底、sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、本征i-in
x
ga
2-x
s3层、p-in
x
ga
2-x
s3层、n电极和p电极，以及外部的pi保护层。
73.本实施例还提供了一种n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器的制备方法，包括以下步骤：
74.(1)在厚度为420μm的基底上采用cvd法生长，依次原位生长厚度为250nm的sn掺杂n-in
x
ga
2-x
s3层、厚度为1350nm的本征i-in
x
ga
2-x
s3层、厚度为250nm的p-in
x
ga
2-x
s3层；生长原材料为gacl3，incl3，s粉；n型掺杂源为sni2，掺杂浓度为3
×
10
18
cm-3
；p型掺杂源为zn金属，掺杂浓度为3
×
10
18
cm-3
；
75.(2)在p-in
x
ga
2-x
s3层表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并蒸镀金属电极厚度为60nm的p电极；
76.(3)对步骤(2)得到的含p电极的器件进行多次的有源区下台面的湿法刻蚀，湿法
刻蚀所用的溶液为热的h2so4/hcl/h3po4溶液，溶液的温度为120℃，使得本征i-in
x
ga
2-x
s3层、n-in
x
ga
2-x
s3层暴露出；
77.(4)对步骤(3)得到刻蚀处理后的器件的n-in
x
ga
2-x
s3层的表面使用正胶工艺光刻曝光处理，并蒸镀金属电极厚度为60nm的n电极；
78.(5)对步骤(4)得到含n电极和p电极的器件进行器件下台面的湿法刻蚀，湿法刻蚀所用的溶液为热的h2so4/hcl/h3po4溶液，溶液的温度为120℃，选择性刻蚀未保护的部分本征i-in
x
ga
2-x
s3层、n-in
x
ga
2-x
s3层；
79.(6)对步骤(5)得到的台面刻蚀后的器件进行涂敷pi保护层，厚度为180nm，并在n电极和p电极的正上方开孔；
80.(7)对步骤(6)得到的涂敷保护层的器件进行引出电极的制作，引出的电极厚度为150nm，得到所述n掺杂增强铟镓硫基可见光探测器。