[发明专利]一种具有带通滤波功能的可见光通信用光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及可见光光电探测器的技术领域，更具体地，涉及一种具有带通滤波功能的可见光通信用光电探测器。

背景技术

近年来，随着白光发光二极管（Light Emitting Diode，LED）被应用于通信系统的信号发射端，可见光通信技术（Visible Light Communication, VLC）逐渐为人们所关注。由于白光发光二极管（LED）具有高的响应灵敏度和优良的调制特性，在其作为照明用具的同时，也能够将信号调制到其发射波段上进行传输，这样就能够实现白光LED照明与通信的双重功能。相比于目前的WiFi等无线通信技术，VLC具有（1）传输速率快；（2）保密性好；（3）不受电磁干扰；（4）无需申请无线频谱许可证等一系列优势。

然而，在现行的VLC技术中，暴露出一些突出的问题：在VLC通信系统中，存在着强烈的背景噪声和固有的电路噪声；同时随着传输距离的增大，光接收器接受到的信号渐趋微弱，常导致接收端接收到的信号与噪声的功率之比（Signal Noise Ratio, SNR）小于1。因此为了在高速传输下精确的接受信号，采用灵敏度高，响应速度快，噪声小的光电探测器是构建可见光通信系统的必要条件之一。但目前被用作可见光通信系统接收端的Si基、GaAs、GaP基探测器存在响应峰值波长与光源发射波长不匹配的问题，同时还存在需要外加滤波器导致的探测器体积大、滤波损耗和成本增加等缺点。针对上述问题，为保证通信的准确度、灵敏度，亟待开发出具有滤波特性的、灵敏度高的新型可将光光电探测器。

目前在VLC系统中用作光源的白光LED主要有两种形式：（1）InGaN/GaN多重量子阱蓝光LED激发黄色荧光粉发出白光；（2）InGaN蓝光LED与红、绿LED组合，发出白光。因此以InGaN为感光材料能够使探测器的吸收光谱与光源的发射光谱保持一致，同时InGaN材料还具有量子效率高、响应速度快和良好的波长选择特性等优点。然而，由于InGaN外延材料的结晶质量一直有待改善，这使得目前制备的InGaN光电探测器通过材料特性实现滤波功能变得十分困难，难以达到VLC系统实际应用的要求。

众所周知，InGaN/GaN多重量子阱LED的工作原理是在正向导通的情况下，空穴和电子在有源区量子阱层中复合发光。与LED的发光工作机制相反，在向LED芯片施加小正向偏置电压（小于导通偏压）或反向偏压时，在其量子阱有源区处会存在一个耗尽区，当具有光子能量大于InGaN量子阱带隙能量的入射光通过正向电极入射（或通过衬底一侧）进入该耗尽区，会激发出光生电子-空穴对，这些光生载流子在耗尽区内电场的作用下流向器件的正负电极，形成光电流。因此，如果施加适当的偏置电压， GaN基LED芯片可用来探测入射的可见光信号。但是，由于可见光通信系统的工作环境中通常存在着背景噪声干扰，使得利用GaN基LED作为VLC系统接收端探测器的信噪比过低；同时，由于量子阱有源区中的极化电场作用，以及耗尽层扩展至p型GaN区域，导致了LED芯片的响应光谱峰值波长发生偏移，在短波长区有较强光响应，不利于提高SNR。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种具有带通滤波功能的可见光通信用光电探测器，利用GaN基InGaN/GaN多重量子阱LED结构作为光电探测器，并在器件芯片的光信号入射端面沉积一个多层结构的可调节滤波特性的一维缺陷镜像对称光子晶体滤波器，该滤波器能够对入射的信号光进行选择性滤波，滤去不在VLC系统信号源发射光谱范围内的干扰信号，同时不需要外加滤波器，可集成度高，且该滤波器使用的材料结构为常见的GaN基LED结构，外延工艺成熟，从而回避了InGaN材料生长中的一系列难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有带通滤波功能的可见光通信用光电探测器，其中，包括衬底，利用外延生长法，如分子束外延或金属有机化学气相沉淀外延法，依次生长在衬底上的缓冲层，n型GaN层，InGaN/GaN多重量子阱有源层，p型GaN层，利用电子束蒸发设备沉积在p型GaN层上的P型金属电极和一维缺陷镜像对称光子晶体滤波器，或者沉积在对可见光透明的衬底背面上的一维缺陷镜像对称光子晶体滤波器，以及沉积在n型GaN层上的N型金属电极；

探测器的制备工艺步骤是：

步骤1：在P型GaN层上旋涂一层光刻胶，光刻显影后暴露出需要刻蚀的部分P型GaN层；

步骤2：使用干法刻蚀，刻蚀暴露出的P型GaN层，刻蚀深度到N型GaN层，形成台阶结构；