CN101777599A

CN101777599A - 一种光通信用激子光探测器及其制备方法

Info

Publication number: CN101777599A
Application number: CN201010113644A
Authority: CN
Inventors: 赵彦立
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: CN101777599B

Abstract

本发明公开了一种光通信用激子光探测器及其的制备方法。该激子光探测器包括衬底、层叠于所述衬底之上的多层薄膜，以及制备于所述多层薄膜之上的光子晶体；所述多层薄膜按层叠顺序包括分布布拉格反射镜层、透明导电电极、光吸收层、电子受体层、金属环形电极。所述光吸收层采用单壁碳纳米管作为光吸收材料，所述光子晶体具有光栅衍射效应。本发明光通信用光探测器与传统半导体PN结探测器相比，具有高速率、长波长、高灵敏度、低噪声、易集成和低成本的特点，并且应用光子晶体结构解决了激子光探测器中激子扩散长度与光吸收效率的矛盾问题，具有普遍意义。

Description

一种光通信用激子光探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光通信用激子光探测器的制备方法。

背景技术

人类社会的信息化建设正在加速进行，即使是在全球经济发展不景气的情况下，通信和信息行业的市场需求仍十分迫切。光纤通信作为现代通信传输的主要手段，在短期内仍然是不可替代的媒介。因此，发展高速率、大容量的光通信传输技术和包括光纤到家庭（FiberToTheHome——FTTH）在内的光纤接入网技术，仍然是光通信领域当前的主要任务之一。光纤到户（FTTH）接入技术作为未来最终的、一劳永逸的宽带接入解决方案，目前存在的主要问题是设备成本价格还非常高昂。FTTH系统成本的降低最终依赖于相应的光电子器件的成本。

光探测器是光纤通信用光接收机的核心器件，光探测器是将光信号转变为电信号的器件。在半导体光探测器中，入射光子激发出的光生载流子在外加偏压下进入外电路后，形成可测量的光电流。光探测器的发展方向是高速率、长波长、高灵敏度、低噪声和易集成。Si基材料光探测器长期以来一直受到重视,但以Si作为吸收层的光探测器不能应用在长波长光纤通信系统中。In(Al)GaAs/InP系列材料的响应波长满足光纤低损耗、低色散的要求，但其很难与Si基集成电路单片集成。现在通用的半导体光探测器的制作需要复杂的工艺环境、价格高昂的工艺设备，成本很高。单壁碳纳米管（Single-walledcarbonnanotube,SWCNT）作为一种新型碳纳米材料，具有高电流运载能力、超大热导、理想的弹性输运性质和稳定的化学性质等特点。由于其在开发纳米级的光电器件及集成方面的巨大应用潜力，近年来备受瞩目。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光通信用激子光探测器及其制备方法，该光通信用激子光探测器与已通用的半导体探测器相比，具有低成本、高速率、高灵敏度、低噪声和易于集成的特点。本发明还提供了该光通信用激子光探测器的制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种光通信用激子光探测器，其特征在于，包括衬底、层叠于所述衬底之上的多层薄膜，以及制备于所述多层薄膜之上的光子晶体；所述多层薄膜按层叠顺序包括分布布拉格反射镜（DBR）层、透明导电电极、光吸收层、电子受体层、金属环形电极；所述光吸收层采用单壁碳纳米管作为光吸收材料。

作为进一步改进的方案，所述光子晶体包括一个或一个以上周期排列的孔，该孔具有可变的孔深、可变的孔周期或可变的孔直径，具有光栅衍射效应。光子晶体的这种结构，可以使垂直于光敏面的入射光在探测器中改变方向以一定的角度甚至沿着平行于光敏面方向传播，从而使在带结构的

点这种面内辐射传播地非常慢，导致了入射光与光探测器有源层SWCNTs相互作用增强，提高光转换效率。

优选的，所述分布布拉格反射镜（DBR）层包括多层SiO₂/SiN_x或者Si/SiO2或者Si/SiN，能实现对特定波长98%以上的反射。

优选的，所述透明导电电极为ITO电极，其电阻小于10欧姆。

优选的，所述光吸收层厚度为10-20nm；

优选的，所述电子受体层为C₆₀薄膜，其厚度为50-200nm。

一种光通信用激子光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、先把衬底清洗干净，利用电子束蒸发或等离子体增强型化学气相沉积或热蒸发或磁控溅射技术制备SiO₂/SiNx多层膜作为分布布拉格反射镜和ITO透明导电电极；

步骤2、在透明导电电极上制备单壁碳纳米管光吸收层：

步骤3、采用高真空热蒸发方法制备C₆₀薄膜作为电子受体层；在C₆₀薄膜上部分沉积一层或多层金属电极材料，形成金属环形电极。

步骤4、在金属环形电极内的C₆₀薄膜上采用包括但不限于光刻、电子束曝光和纳米压印技术制备光子晶体。

作为优选方案，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1、采用包括但不限于化学气相沉积、电弧放电、激光沉积，高压一氧化碳工艺制作SWCNT原材料；

步骤2-2、取10毫升氯苯、10毫克SWCNT和32毫克P3HT，在常温常压下超声搅拌45分钟；超声后得到混合物在14,000克条件下离心5-10小时，取悬浮液上部60%的液体用喷涂法制备于ITO透明导电电极上，得到用P3HT包敷的单壁碳纳米管光吸收层。

优选的，所述步骤4采用纳米压印技术和刻蚀相结合的方法制作光子晶体，该光子晶体在结构上可以是正方排列或者三角排列的圆柱形、方柱形和六角柱形。纳米压印技术是一种以模板为基础的纳米制造技术，该技术通过抗蚀剂的物理形变而不是改变其化学特性来实现图形转移，其分辨率不受光波波长的限制，可突破传统光刻工艺的分辨率极限。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一、成本低。碳纳米管激子光探测器的制作不需要复杂的工艺条件和昂贵的工艺设备，具有制作成本低、高性能的特点。

其二、易集成。碳纳米管激子光探测器制备于Si衬底上，便于与微电子器件集成，实现复杂的功能。

其三、高量子效率。应用光子晶体结构解决激子光探测器中激子扩散长度与光吸收效率的矛盾问题，具有普遍意义。在碳纳米管激子光探测器顶层制作光子晶体，不需要改变碳纳米管激子光探测器结构，制作工艺简单，可以将探测器的量子效率提高5倍以上。

总之，本发明提供的碳纳米管激子光探测器具有低成本、高速率、高灵敏度、低噪声和易于集成的特点。采用了纳米压印技术制作光栅光子晶体，具有制作成本低，生产效率高及光栅分辨率高的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1是依据本发明制作以SWCNTs作为光吸收材料的碳纳米管激子光探测器示意图。

图中：1.Si衬底;2.SiO₂/SiN_x分布布拉格反射镜（DBR）;3.ITO透明导电电极;4.P3HT/SWCNTs吸收层;5.C₆₀电子受体层;6.金属环形电极;7.光子晶体。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的碳纳米管激子光探测器包括衬底1、层叠于衬底1之上的多层薄膜；以及制备于多层薄膜之上的光子晶体7。所述多层薄膜包括DBR层2、ITO透明导电电极3、P3HT/SWCNTs光吸收层4、C₆₀电子受体层5、金属环形电极6。所述DBR层2包括多层SiO₂/SiN_x，其反射谱中心波长为光通信波长1310nm，反射率为98%以上；ITO透明导电电极的方块电阻小于10欧姆，光透过率好于90%；P3HT/CNTs光吸收层厚度为10-20nm；C₆₀薄膜厚度为50-200nm；金属薄膜厚度大于200nm。所述光子晶体7具有光栅衍射效应，可以使垂直于光敏面的入射光在探测器中改变方向以一定的角度甚至沿着平行于光敏面方向传播，从而使在带结构的

本发明提供了碳纳米管激子光探测器的制备方法，该方法包括以下步骤：

1.Si衬底上SiO₂/SiN_x多层薄膜DBR2和ITO透明导电电极3的制作：

先把衬底1清洗干净，利用电子束蒸发（EB）或等离子体增强型化学气相沉积（PECVD）或热蒸发或磁控溅射等技术制备SiO₂/SiNx多层膜2作为分布布拉格反射镜（DBR）和ITO透明导电电极3;

2.在ITO透明导电电极3上制备P3HT/CNTs光吸收层4：

1）SWCNT原材料的获得：

从应用的角度讲，化学气相沉积（CVD）是SWCNT合成最有希望的方法。本实施例采用以酒精作为碳源的CVD技术，首先在大面积的Si片上用电子束蒸发制备SiO₂/Co薄膜，SiO₂的厚度为20-1000nm,较佳条件为50-200nm，Co膜的厚度小于0.5-5nm，较佳条件为0.5-2nm。CVD温度为550-800℃，较佳条件为650-750℃，酒精流量较佳为50-200Sccm，反应时间1-60min。通过控制Co膜厚度控制单层SWCNT直径，从而调节单根SWCNT的光吸收波长。CVD所得产物经纯化得到纯度不低于90%的SWCNT。CVD方法制备的SWCNT是包括金属型SWCNT和半导体型SWCNT的混合材料，在优选条件下，还可以对提纯后的SWCNT混合材料进行进一步分离，得到纯度达到90%以上的半导体型SWCNT。采用半导体型SWCNT制作碳纳米管激子光探测器可以进一步提高探测器量子效率。

2）P3HT/SWCNTs光吸收层4的制备：

为了用P3HT包敷SWCNT，取10毫升氯苯、10毫克SWCNT和32毫克P3HT，在常温常压下超声搅拌45分钟。超声后得到混合物在14,000克条件下离心5-10小时，取悬浮液上部60%的液体用喷涂法制备于ITO透明导电电极3上。

3.C₆₀薄膜5、金属环形电极6的制备：

采用高真空（<10^-6Torr）热蒸发方法制备C₆₀薄膜5。在C₆₀薄膜5上部分沉积一层或多层电极材料6，以形成良好欧姆接触，并作为打线之用，如图1所示。该电极是金属电极或合金电极。

4.光子晶体7的制备：

光子晶体作为一种可控制光波流动的人造材料，由于其具有的特殊性能而在越来越多的领域得到了应用。但到目前为止，光子晶体的大部分应用仍然只处于实验研究阶段，其主要原因在于制作大面积、重复性好的光子晶体的工艺手段不够成熟。众所周知，微米尺度的图形通过可见光的曝光技术就可以实现。当线宽尺寸进一步缩小，这就要求用更短波长的光作为曝光的光源，导致今天深紫外的曝光工具。采用光波长为193nm的深紫外技术，其物理极限是100nm线宽的图形曝光。当线宽越来越接近这一物理极限，就需要新的曝光方法。传统光学光刻技术需利用更短波长的光源，且搭配复杂周边系统，才能实现100nm以下图案制作。包括X光曝光和电子束曝光等一系列候选的亚100nm线宽图形产生技术或是量产很低，或是价格极其昂贵。纳米压印技术是一种以模板为基础的纳米制造技术，该技术通过抗蚀剂的物理形变而不是改变其化学特性来实现图形转移，其分辨率不受光波波长的限制，可突破传统光刻工艺的分辨率极限。纳米压印技术为光子晶体的制作提供了极大的方便。

采用微纳尺度的图形制作方法，其包括但不限于光刻、电子束曝光和纳米压印技术。纳米压印技术是本发明的优选方法。纳米压印技术是一种以模板为基础的纳米制造技术，该技术通过抗蚀剂的物理形变而不是改变其化学特性来实现图形转移，其分辨率不受光波波长的限制，可突破传统光刻工艺的分辨率极限。用纳米压印和刻蚀相结合的方法直接制作二维光子晶体7，该光子晶体在结构上可以是正方排列或者三角排列的圆柱形、方柱形和六角柱形，如图1所示。所述的光子晶体7包括一个或一个以上周期排列的孔，该孔具有可变的孔深、可变的孔周期或可变的孔直径。经过上述四个步骤，就可以制备出光通信用碳纳米管激子光探测器。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种光通信用激子光探测器，其特征在于，包括衬底、层叠于所述衬底之上的多层薄膜，以及制备于所述多层薄膜之上的光子晶体；所述多层薄膜按层叠顺序包括分布布拉格反射镜层、透明导电电极、光吸收层、电子受体层、金属环形电极；所述光吸收层采用单壁碳纳米管作为光吸收材料。

2.根据权利要求1所述的光通信用激子光探测器，其特征在于，所述光子晶体具有光栅衍射效应，包括一个或一个以上周期排列的孔，该孔具有可变的孔深、可变的孔周期或可变的孔直径。

3.根据权利要求2所述的光通信用激子光探测器，其特征在于，所述分布布拉格反射镜层包括多层SiO2/SiNx或者Si/SiO2或者Si/SiN，能实现对特定波长98%以上的反射。

4.根据权利要求3所述的光通信用激子光探测器，其特征在于，所述透明导电电极为ITO电极，其电阻小于10欧姆。

5.根据权利要求4所述的光通信用激子光探测器，其特征在于，所述光吸收层厚度为10-20nm。

6.根据权利要求5所述的光通信用激子光探测器，其特征在于，所述电子受体层为C60薄膜，其厚度为50-200nm。

7.一种根据权利要求6所述的光通信用激子光探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、先把衬底清洗干净，利用电子束蒸发或等离子体增强型化学气相沉积或热蒸发或磁控溅射技术制备SiO2/SiNx多层膜作为分布布拉格反射镜和ITO透明导电电极；

步骤2、在透明导电电极上制备单壁碳纳米管光吸收层：

步骤3、采用高真空热蒸发方法制备C60薄膜作为电子受体层；在C60薄膜上部分沉积一层或多层金属电极材料，形成金属环形电极。

步骤4、在金属环形电极内的C60薄膜上采用包括但不限于光刻、电子束曝光和纳米压印技术制备光子晶体。

8.根据权利要求7所述的光通信用激子光探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

9.根据权利要求7或8所述的光通信用激子光探测器的制备方法，其特征在于，所述步骤4采用纳米压印技术和刻蚀相结合的方法制作光子晶体，该光子晶体在结构上可以是正方排列或者三角排列的圆柱形、方柱形和六角柱形。