CN103531655A - 一种与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，该器件通过CMOS兼容工艺形成于SOI衬底之上，包括一硅光波导，一二氧化硅层，一石墨烯层、一二硫化钼层、一电极层，一电极层；硅光波导位于SOI衬底之上，二氧化硅层位于硅光波导和SOI衬底之上，石墨烯层位于覆盖硅光波导的二氧化硅层之上，二硫化钼层位于石墨烯层和二氧化硅层之上，第一、第二电极层分别位于石墨烯层和二硫化钼层的一端之上，且无任何交叠，同时又在硅光波导、石墨烯层和二硫化钼薄膜的交叠区之外。本发明中的器件结构可以实现与硅集成的快速、宽带光信号探测，具有低成本、高集成度的特点，有望应用于集成化的宽带光传输系统。
Description
技术领域
本发明属于光探测器领域，具体的涉及一种与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器。
背景技术
光学通讯技术可以实现长距离、超快、宽带数据传输。开发可以与硅集成的宽带光学通讯系统可以将光、电器件集成在一个系统上，具有低成本、高集成度的特点，是实现片内和片间通讯的重要技术。尽管一个光学通讯系统中的大部分结构可以采用硅基材料来构成，比如光波导和一些被动元器件。然而，其中的主动元器件比如光探测器作为一个重要的组成部分，对光吸收材料提出了更高的要求。为了实现与硅工艺集成的宽带光学通讯，采用传统的光吸收材料来构建光探测器已经难以满足要求，这是因为传统的光吸收材料如锗和化合物半导体一方面在工艺上难以实现与硅的集成，另一方面受其禁带宽度的限制，不适用于宽带光信号探测。因此制备一种既可以与硅集成、又可以实现宽光谱光吸收的光探测器具有重要的研究意义和应用价值。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明旨在于开发了一种与CMOS工艺兼容的高速光探测器，该器件制备在硅光波导上，可以实现超快、宽带光信号探测。
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，包括一SOI衬底（Silicon-on-insulator），所述SOI衬底上通过电子束光刻和刻蚀其顶层硅形成有一硅光波导，所述硅光波导和所述SOI衬底上包覆有一二氧化硅层，所述二氧化硅层上覆盖有一石墨烯层，所述石墨烯层的一端位于所述二氧化硅层覆盖的所述硅光波导的正上方，所述石墨烯层的另一端位于远离所述硅光波导的所述二氧化硅层上；所述二氧化硅层和所述石墨烯层上覆盖有一二硫化钼层，形成异质结，所述二硫化钼层的一端与所述石墨烯层在所述硅光波导的上方发生交叠，所述二硫化钼层的另一端位于远离所述硅光波导和所述石墨烯层的所述二氧化硅层上；所述石墨烯层的一端覆盖有第一电极层，所述二硫化钼层的第一端覆盖有第二电极层，所述第一、第二电极层位于所述硅光波导的两侧，同时又分别位于所述硅光波导、所述石墨烯层和所述二硫化钼层的交叠区之外。
进一步的，所述SOI衬底的顶层硅的厚度为250-350nm。
进一步的，所述二氧化硅层位于所述硅光波导上的厚度低于10nm。
进一步的，所述石墨烯层为单层或数层。
进一步的，所述二硫化钼层的厚度为5-300nm。
进一步的，所述第一、第二电极层为铬、钛、铝或金中的一种或多种金属材料。
进一步的，所述第一、第二电极层的厚度为100-300nm。
所述的与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）对所述SOI衬底的顶层硅进行电子束光刻和刻蚀，在其上表面形成所述硅光波导；
步骤2）采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法在所述SOI衬底和所述硅光波导上覆盖一层所述二氧化硅层，再通过研磨抛光的方法减薄所述二氧化硅层的厚度，使其位于所述硅光波导上的厚度低于10nm；
步骤3）采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法，在所述二氧化硅层之上生长一层或数层石墨烯层，同时可以通过化学掺杂的方法，改变所述石墨烯层的光电特性，所述石墨烯层的一端位于所述二氧化硅层覆盖的所述硅光波导的正上方，另一端位于远离硅光波导的所述二氧化硅层之上；
步骤4）采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法或机械剥离的方法，在所述石墨烯层上制备一层5至300纳米的所述二硫化钼层，所述二硫化钼层的一端与所述石墨烯层在所述硅光波导的上方发生交叠，另一端位于远离所述硅光波导和所述石墨烯层的所述二氧化硅层之上；
步骤5）采用电子束蒸发或磁控溅射的方法分别在所述石墨烯层和所述二硫化钼层上淀积一层100～300纳米厚的第一、第二电极层，所述第一、第二电极层分别位于所述硅光波导的两侧,同时又分别位于所述硅光波导、所述石墨烯层和所述二硫化钼薄膜的交叠区之外。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
首先，石墨烯具有近弹道输运的电学性质，同时由于其独特的零带隙能带结构，石墨烯体现出宽光谱吸收特性；而且，石墨烯的制备方法简单，其加工工艺与CMOS工艺兼容，极易实现与硅的集成化。
其次，本发明的与光波导集成的石墨烯光探测器，将石墨烯覆盖光波导之上，入射光沿着光波导传输，增长了光与石墨烯的作用时间，提高了石墨烯对光的吸收；同时，在石墨烯上覆盖了一层二硫化钼，形成异质结，有效地分离了光生载流子，在无外压的条件下就可以获取光电流。本发明中的器件结构可以实现与硅集成的快速、宽带光信号探测，具有低成本、高集成度的特点，有望应用于集成化的宽带光传输系统。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明SOI衬底及其顶层硅的结构示意图；
图2是本发明SOI衬底的顶层硅经刻蚀后形成硅光波导的结构示意图。
图3是本发明覆盖二氧化硅层后的结构示意图。
图4是本发明覆盖石墨烯层后的结构示意图。
图5是本发明覆盖二硫化钼层后的结构示意图。
图6是本发明覆盖第一、第二电极层后的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例1
参见图1-6所示，一种与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，包括一SOI衬底1，所述SOI衬底1上通过电子束光刻和刻蚀其顶层硅形成有一硅光波导2，所述硅光波导2和所述SOI衬底1上包覆有一二氧化硅层3，所述二氧化硅层3上覆盖有一石墨烯层4，所述石墨烯层4的一端位于所述二氧化硅层3覆盖的所述硅光波导2的正上方，另一端位于远离所述硅光波导2的所述二氧化硅层3上；所述二氧化硅层3和所述石墨烯层4上覆盖有一二硫化钼层5，形成异质结，所述二硫化钼层5的一端与所述石墨烯层4在所述硅光波导2的上方发生交叠，另一端位于远离所述硅光波导2和所述石墨烯层4的所述二氧化硅层3上；所述石墨烯层4的一端覆盖有第一电极层6，所述二硫化钼层5的第一端覆盖有第二电极层7，所述第一、第二电极层6，7位于所述硅光波导2的两侧，同时又分别位于所述硅光波导2、所述石墨烯层4和所述二硫化钼层5的交叠区之外。
进一步的，所述SOI衬底1的顶层硅的厚度为250nm。
进一步的，所述二氧化硅层3位于所述硅光波导2上的厚度为8nm。
进一步的，所述石墨烯层4为单层。
进一步的，所述二硫化钼层5的厚度为100nm。
进一步的，所述第一、第二电极层6，7为钛、铬、铝的钛金复合金属材料。
进一步的，所述第一、第二电极层6，7的厚度为200nm。
实施例2
参见图1-6所示，一种与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，包括一SOI衬底1，所述SOI衬底1上通过电子束光刻和刻蚀其顶层硅形成有一硅光波导2，所述硅光波导2和所述SOI衬底1上包覆有一二氧化硅层3，所述二氧化硅层3上覆盖有一石墨烯层4，所述石墨烯层4的一端位于所述二氧化硅层3覆盖的所述硅光波导2的正上方，另一端位于远离所述硅光波导2的所述二氧化硅层3上；所述二氧化硅层3和所述石墨烯层4上覆盖有一二硫化钼层5，形成异质结，所述二硫化钼层5的一端与所述石墨烯层4在所述硅光波导2的上方发生交叠，另一端位于远离所述硅光波导2和所述石墨烯层4的所述二氧化硅层3上；所述石墨烯层4的一端覆盖有第一电极层6，所述二硫化钼层5的第一端覆盖有第二电极层7，所述第一、第二电极层6，7位于所述硅光波导2的两侧，同时又分别位于所述硅光波导2、所述石墨烯层4和所述二硫化钼层5的交叠区之外。
进一步的，所述SOI衬底1的顶层硅的厚度为300nm。
进一步的，所述二氧化硅层3位于所述硅光波导2上的厚度为9nm。
进一步的，所述石墨烯层4为两层。
进一步的，所述二硫化钼层5的厚度为150nm。
进一步的，所述第一、第二电极层6，7为钛、铬、金的钛金复合金属材料。
进一步的，所述第一、第二电极层6，7的厚度为250nm。
实施例3
参见图1-6所示，一种与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，包括一SOI衬底1，所述SOI衬底1上通过电子束光刻和刻蚀其顶层硅形成有一硅光波导2，所述硅光波导2和所述SOI衬底1上包覆有一二氧化硅层3，所述二氧化硅层3上覆盖有一石墨烯层4，所述石墨烯层4的一端位于所述二氧化硅层3覆盖的所述硅光波导2的正上方，另一端位于远离所述硅光波导2的所述二氧化硅层3上；所述二氧化硅层3和所述石墨烯层4上覆盖有一二硫化钼层5，形成异质结，所述二硫化钼层5的一端与所述石墨烯层4在所述硅光波导2的上方发生交叠，另一端位于远离所述硅光波导2和所述石墨烯层4的所述二氧化硅层3上；所述石墨烯层4的一端覆盖有第一电极层6，所述二硫化钼层5的第一端覆盖有第二电极层7，所述第一、第二电极层6，7位于所述硅光波导2的两侧，同时又分别位于所述硅光波导2、所述石墨烯层4和所述二硫化钼层5的交叠区之外。
进一步的，所述SOI衬底1的顶层硅的厚度为350nm。
进一步的，所述二氧化硅层3位于所述硅光波导2上的厚度位9nm。
进一步的，所述石墨烯层4为三层。
进一步的，所述二硫化钼层5的厚度为200nm。
进一步的，所述第一、第二电极层6，7为钛、铝、金的钛金复合金属材料。
进一步的，所述第一、第二电极层6，7的厚度为180nm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，其特征在于：包括一SOI衬底（1），所述SOI衬底（1）上通过电子束光刻和刻蚀其顶层硅形成有一硅光波导（2），所述硅光波导（2）和所述SOI衬底（1）上包覆有一二氧化硅层（3），所述二氧化硅层（3）上覆盖有一石墨烯层（4），所述石墨烯层（4）的一端位于所述二氧化硅层（3）覆盖的所述硅光波导（2）的正上方，所述石墨烯层（4）的另一端位于远离所述硅光波导（2）的所述二氧化硅层（3）上；所述二氧化硅层（3）和所述石墨烯层（4）上覆盖有一二硫化钼层（5），形成异质结，所述二硫化钼层（5）的一端与所述石墨烯层（4）在所述硅光波导（2）的上方发生交叠，所述二硫化钼层（5）的另一端位于远离所述硅光波导（2）和所述石墨烯层（4）的所述二氧化硅层（3）上；所述石墨烯层（4）的一端覆盖有第一电极层（6），所述二硫化钼层（5）的第一端覆盖有第二电极层（7），所述第一、第二电极层（6，7）位于所述硅光波导（2）的两侧，同时又分别位于所述硅光波导（2）、所述石墨烯层（4）和所述二硫化钼层（5）的交叠区之外。
2.根据权利要求1所述的与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，其特征在于：所述SOI衬底（1）的顶层硅的厚度为250-350nm。
3.根据权利要求1所述的与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，其特征在于：所述二氧化硅层（3）位于所述硅光波导（2）上的厚度低于10nm。
4.根据权利要求1所述的与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，其特征在于：所述石墨烯层（4）为单层或数层。
5.根据权利要求1所述的与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，其特征在于：所述二硫化钼层（5）的厚度为5-300nm。
6.根据权利要求1所述的与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，其特征在于：所述第一、第二电极层（6，7）为钛与铬、铝或金中的两种或多种钛金复合金属材料。
7.根据权利要求1或6所述的与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，其特征在于：所述第一、第二电极层（6，7）的厚度为100-300nm。
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