横向多孔氮化镓DBR反射镜及InGaN基谐振腔增强型探测器研究

InGaN photodetectors have a strong potential application in visible light communication, because of the same material system as the emitter, highly compatible fabrication process, meet the requirements of the integration and miniaturization of light emitter and detection. But the current limitation of their bandwidth and responsivity are still the bottleneck. In order to solve this problem, in this project we propose a new type of laterally mesoporous GaN-DBR resonant cavity structure. We are going to systematically investigate the corrosion mechanism, how to influence the reflection wavelength by porous GaN-DBR, and develop high reflectivity GaN-DBR resonant cavity, and InGaN photo detectors with improved quantum efficiency and response speed. The implementation of this project is very important, the result can not only co-optimize the quantum efficiency and modulation bandwidth of the InGaN detector, but also lay the foundation for realizing the integration of light emission and detection using nitride semiconductors for the visible light communication in the future.

InGaN基探测器与可见光通信中常用的GaN基LED光发射端，材料体系相同，制备工艺也高度兼容，在满足可见光通信一体集成化、小型化的发展需求方面极具潜力。但是目前研制的InGaN基可见光探测器在性能水平上与Si基等可见光探测器仍有较大差距，量子效率还比较低。在本项目中，我们提出一种新型的横向多孔GaN-DBR谐振腔，不仅有利于协同提高探测器的量子效率和响应速度，还具有波长选择性。我们将系统研究横向多孔GaN的腐蚀机理、叠层多孔GaN-DBR波长调控机制，以实现覆盖蓝光、绿光、黄光等多波段的一系列高质量叠层多孔GaN-DBR反射镜，然后在此基础上，研制基于多孔GaN-DBR底部反射镜谐振腔结构的InGaN基探测器，提升量子效率和响应速度。该研究不仅可以突破目前制约InGaN探测器的瓶颈，也为今后实现可见光通信发光探测一体化集成奠定基础。

InGaN基探测器与可见光通信中GaN基LED光发射端，材料体系相同，制备工艺也高度兼容，满足可见光通信一体化集成、小型化的发展需求方面极具潜力。但目前研制的InGaN基可见光探测器在性能上与Si基等可见光探测器仍有较大差距，量子效率还比较低。针对这些问题，本项目提出了一种基于叠层多孔GaN-DBR反射镜的谐振腔结构，通过揭示横向多孔GaN腐蚀机理、调控叠层多孔GaN-DBR波长，实现了覆盖可见光波段一系列高质量结构的InGaN基探测器，提升了量子效率和响应速度，还具有波长选择性。主要研究内容包括：1)系统研究了横向多孔GaN的截面形貌和孔道分布随阳极电压、掺杂浓度的变化规律。通过原位监测横向多孔GaN的实时电流并分析孔道形貌的渐变分布，得出GaN横向腐蚀开始于侧壁处的雪崩击穿过程，随后在电化学氧化和化学溶解的动态平衡下进入材料内部最终实现孔道的稳定生长。2)设计并生长了具有不同周期n+-GaN/u-GaN的叠层结构，通过电化学腐蚀，最终制备了覆盖整个可见光392-727nm波段反射率大于90%的叠层横向多孔GaN基DBR。3)设计并研制了具有底部横向多孔GaN-DBR反射镜的InGaN基谐振腔增强型光电二极管。结果表明，器件可在自驱动条件下工作，对波长466nm蓝光具有显著的窄带选择性探测特性，半高宽为13nm，响应度为0.10AW-1，量子效率为27.3%。同时，具有快速、线性光响应特性。而且器件发光特性也得到了显著改善，在不同电流下显示出良好的波长稳定性，且探测和发光实现了对准，满足光通信系统对于波长选择性、热稳定性和低功耗的要求。该研究不仅可以突破目前制约InGaN探测器的瓶颈，也为今后实现可见光通信发光探测一体化集成奠定基础。