CN103811568B - 一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，包括：SOI衬底，由下至上依次包括硅、埋氧层和顶层硅；刻蚀该顶层硅形成的一维光栅，该一维光栅由多个二氧化硅条(6)和多个硅条(7)交替分布构成，用以调制与石墨烯层作用的光场的空间分布；形成于该一维光栅之上的石墨烯层(8)，作为有源层与其周围的光场作用产生电子空穴对；形成于该石墨烯层(8)之上的第一叉指电极(4)和第二叉指电极(5)，二者均与石墨烯接触从而在接触面形成内建电场，用以实现对光生载流子的有效收集而形成光电流。利用本发明，通过光栅结构调制入射光在石墨烯周围的光场，以实现红外探测的高响应度和高带宽。
Description
技术领域
本发明涉及到表面入射石墨烯光电探测器，尤其涉及一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器。
背景技术
2004年石墨烯被发现，短短6年后，发现它的两位科学家就获得了诺贝尔物理学奖，可见石墨烯对科学研究和工业生产意义重大。科学家们很快发现石墨烯具有很多其它材料所不具有的好性质，其同时具有优良的电学、光学、力学性质。2010年IBM成功研制出以碳化硅为衬底的截止频率达100GHz的石墨烯晶体管，短短一年之后石墨烯就成功实现集成电路。由于石墨烯具有独特的能带结构，决定了其具有独特的光学电学性质。其具有的饱和吸收特性，2009年成功实现锁模激光器；其费米能级可以通过栅压调节，2011年张翔组利用这一性质成功实现世界上最小的电吸收调制器。由于石墨烯吸收光子具有很高的内量子效率，没有长波限制以及其具有很高的载流子迁移率，将石墨烯作为探测器的有源层获得了很多研究组的关注，也取得了很多成果。
对于传统的半导体光电探测器，大多基于pin结或者pn结结构，其工作原理简单。在器件上施加一个反向偏压，当能量高于半导体禁带宽度的光子入射到耗尽区时，会产生电子空穴对，电子空穴对在电场的作用下很快分离，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，从而产生对外光电流，达到探测光子的目的。然而用石墨烯作为有源区的光电探测器的原理现在还不是很清楚，其光电流产生机理与传统的探测器有很大的不同。刚开始科学家认为光电流的产生是由于光照射到石墨烯产生热载流子而导致的光热电效应产生对外的电流。很快夏丰年等人采用光电流成像的方法，发现金属电极和石墨烯接触界面附近有内建电场分布，这种内建电场帮助分离光生载流子而产生光电流。这种内建电场是由于石墨烯和电极接触处的功函数不同而引起能带弯曲导致的。2009年他们在300nm氧化硅片上利用机械剥离的方法成功制备出世界上第一个石墨烯光电探测器。这种光电探测器的响应带宽达到40GHz，理论证明石墨烯光电探测器的带宽可高达500GHz，其带宽限制主要来自于RC时间常数。由于石墨烯具有很高的载流子迁移率，其产生的电子空穴对能够快速被电极收集，因此在不加偏压的情况下，仍然能够产生很大的光电流，这是常规探测器所不具备的特性。
由于在不加偏压的情况下，光生载流子只能自由运动几百纳米，因此探测器电极只能收集电极边缘产生的电子空穴对，也就是说这种探测器的有效探测面积会很小，为了增加有效的光探测区域，进而增加光探测效率，2010年Mueller等提出了不对称叉指电极结构的石墨烯探测器，并且将光电响应度提高了一个数量级。为了进一步增加光电响应度，2013年Pospischil和Gan与2个不同的科学家分别独立实现波导集成石墨烯探测器，利用波导结构把光波引向探测器的其中一个电极，实现光场对电极的不对称分布。这种不对称分布使两电极处产生的电子空穴对数量不同，在内建电场的作用下，电子和空穴会流向不同的电极，从而形成不同方向电流的不对称性，产生总的对外光电流。
基于以上两种思想，本发明提出一种基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器，利用光栅结构实现对光场的调制，使不同电极处的光场强度不同；利用叉指电极收集光生载流子，增大有效光探测面积。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，其具有响应度高、零偏压、高带宽等潜在的特性和优点，另外其制作工艺与CMOS工艺兼容。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，包括：S0I衬底，由下至上依次包括硅、埋氧层和顶层硅；刻蚀该顶层硅形成的一维光栅，该一维光栅由多个二氧化硅条6和多个硅条7交替分布构成，用以调制与石墨烯层作用的光场的空间分布；形成于该一维光栅之上的石墨烯层8，作为有源层与其周围的光场作用产生电子空穴对；形成于该石墨烯层8之上的第一叉指电极4和第二叉指电极5，二者均与石墨烯接触从而在接触面形成内建电场，用以实现对光生载流子的有效收集而形成光电流。
上述方案中，所述埋氧层的厚度为3μm，所述顶层硅的厚度为220nm，刻蚀该顶层硅而形成的一维光栅的厚度为120nm。其中多层结构中的6的厚度为120nm。这一厚度考虑到两个方面，一是石墨烯在光栅上能够光学可见，二是这一厚度能够很容易区分一维光栅中的硅7和二氧化硅6，便于电极的定位。
上述方案中，所述一维光栅中的多个二氧化硅条6和多个硅条7，能够实现对入射光光强分布进行调制。
上述方案中，当垂直入射光是TE偏振态时，该一维光栅能够实现光场主要集中在硅条7中；与硅条7上的单层石墨烯接触的第一叉指电极4旁边的石墨烯能够产生更多的电子空穴对，在金属与石墨烯交界面产生的内建电场的作用下，电子空穴对分离，空穴和电子被第一叉指电极4和第二叉指电极5分别收集，从而产生从第二叉指电极5到第一叉指电极4的光电流。
上述方案中，所述一维光栅调制与石墨烯层作用的光场的空间分布，实现不同电极处光场分布不同，从而在不同电极处产生不同数量的电子空穴对；由于第一叉指电极4和第二叉指电极5对称分布，其产生的光电流是反向的，当两电极处产生的光电流大小相等时，其向外输出的总光电流为0；由于一维光栅的存在，使得两电极处产生的光电流不同，因此其对外输出的总的光电流不为0。
上述方案中，所述第一叉指电极4只与硅条7上的单层石墨烯接触，所述第二叉指电极5只与氧化硅条6上的单层石墨烯接触。
上述方案中，所述第一叉指电极4和所述第二叉指电极5是同种金属Au/Ti，第一叉指电极4位于硅条7的中间，第二叉指电极5位于氧化硅条6的中间，叉指宽度为100nm，厚度为20nm/10nm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，包括一维光栅、一层石墨烯、一对叉指电极、SOI衬底等四部分，旨在提高红外探测器的响应速度和光电流产生效率。一维光栅结构以及一对叉指电极分别与硅和二氧化硅上的单层石墨烯接触，通过光栅结构调制入射光在石墨烯周围的光场，以实现红外探测的高响应度和高带宽。
2、本发明提供的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，第一叉指电极4和第二叉指电极5都由两层金属(Au/Ti)构成。其中一个叉指电极的叉指部分只与硅上的单层石墨烯接触，另一个叉指电极的叉指部分只与氧化硅上的单层石墨烯接触，和石墨烯接触的两叉指电极最小限度影响入射光和光栅作用，增强光响应度；电极交替分布，相互距离只有微米量级，能够快速收集光电流，实现高带宽。
3、本发明提供的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，首次提出CMOS工艺兼容的表面入射石墨烯光电探测器，在SOI衬底上使用一种金属材料实现光的探测，便于大批量生产。
4、本发明提供的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，借助于一维光栅结构参数的设置，首次能够实现石墨烯在SOI衬底上的光学可见，这为石墨烯在SOI衬底上大范围应用提供可能。
5、本发明提供的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，用0带隙的石墨烯作为有源层，这使得探测器的光学带宽几乎不受限制，从THz到紫外都能探测；由于石墨烯的高迁移率，其电学带宽只受限于RC常数，理论可达500GHz。
6本发明提供的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，一维光栅作为一维光子晶体，具有限制光的作用，这有效的增强了石墨烯和入射光的相互作用，从而增强光电响应。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明进一步详细说明，其中：
图1是本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器的立体结构示意图；
图2是本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器的截面示意图；
图3是本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器中光栅表面光场分布模拟图；
图4是本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器的光电流产生原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明是基于SOI衬底材料设计的石墨烯光电探测器，对于不同的埋氧层厚度以及顶层硅厚度，为达到功能要求相应的最佳设计也不同，因此为了方便进行叙述，本发明衬底材料默认为具体实施参数，即埋氧层厚度为3μm，顶层硅厚度为220nm。
图1是本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器的立体结构示意图，如图1所示，本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器，包括：
SOI衬底，由下至上依次包括硅、埋氧层和顶层硅，其中顶层硅的厚度为220nm，埋氧层的厚度为3μm；
刻蚀该顶层硅形成的一维光栅，该一维光栅由多个二氧化硅条6和多个硅条7交替分布构成，该一维光栅厚度为120nm，横向和纵向的宽度都为10μm；由于硅和二氧化硅折射率不同，可以调制与石墨烯作用的光场的空间分布；一维光栅的厚度为120nm，这一厚度考虑到两个方面，一是石墨烯在光栅上能够光学可见，二是这一厚度能够很容易区分一维光栅中的硅条7和二氧化硅条6，便于电极的定位；
形成于该一维光栅之上的石墨烯层8，该石墨烯层8作为有源层与其周围的光场作用产生电子空穴对，由于一维光栅的作用，在石墨烯层周围会产生稳定的光场分布，此光场会在石墨烯中持续产生电子空穴对；
形成于该石墨烯层8之上的第一叉指电极4和第二叉指电极5，其中第一叉指电极4只与硅条7上的单层石墨烯接触，第二叉指电极5只与氧化硅条6上的单层石墨烯接触，第一叉指电极4和第二叉指电极5的叉指长度根据石墨烯层的宽度而定，它与石墨烯接触从而在石墨烯与金属的接触面形成内建电场，可以实现对光生载流子的有效收集而形成光电流。
一维光栅中的多个二氧化硅条6和多个硅条7，能够实现对入射光光强分布进行调制。当垂直入射光是TE偏振态时，该一维光栅能够实现光场主要集中在硅条7中。与硅条7上的单层石墨烯接触的第一叉指电极4旁边的石墨烯能够产生更多的电子空穴对，在金属与石墨烯交界面产生的内建电场的作用下，电子空穴对分离，空穴和电子被第一叉指电极4和第二叉指电极5分别收集，从而产生从第二叉指电极5到第一叉指电极4的光电流。由于第一叉指电极4周围的光分布很少，在石墨烯中产生的电子空穴对很少，因此能够产生的从第一叉指电极4到第二叉指电极5的光电流很小。由于整个结构产生的对外光电流是这两个方向相反的光电流叠加之后的结果，由于两个电极出长生的方向相反的光电流大小不同，因此加和后的总电流会远离0，这都是光栅结构带来的好处。因此利用一维光栅结构能够实现较大的光电流输出。
所述的第一叉指电极4和第二叉指电极5是同种金属Au/Ti，这样给工艺带来简便，一次电子束曝光和剥离就能实现电极结构。石墨烯8是通过机械剥离直接获得的高质量免转移的单原子层，可以肯定此石墨烯8具有极高的载流子迁移率；同时由于第一叉指电极4和第二叉指电极5交叉分布，能够快速收集电子空穴对；再加上本发明的光栅结构表面是通过CMP获得的平整表面，此光电探测器可以具有很高的带宽。因此基于光栅结构的石墨烯光电探测器具有很高的响应度和极高的带宽，在高速光通信领域会有很大应用空间。
图2是本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器的截面示意图。由于本发明所用的入射光是从单模光纤引入的，单模光纤的纤芯直径为10.6μm，入射光在光栅中的分布大小和这一直径几乎相同，因此本发明的有源区面积为10×10μm2。一维光栅有5个周期，每个周期为2μm，第一叉指电极4和第二叉指电极5都有5个叉指，第一叉指电极4位于硅条7的中间，第二叉指电极5位于氧化硅条6的中间，叉指宽度为100nm，厚度为20nm/10nm(Au/Ti)。这种尺寸有利于入射光和光栅充分作用，实现石墨烯和电极周围光场的不均匀分布，从而得到最大的光电流。
图3是本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器中光栅表面光场分布模拟图。模拟区域为10×10μm2。可以发现光场主要分布在硅条7中，二氧化硅条6中光场分布很少。这样在硅条7中央制作叉指电极，与石墨烯作用能够产生大量电子空穴对，同时分布在二氧化硅条6中央的叉指电极能够产生很少的电子空穴对。这样就能得到很大的总的光电流。
图4是本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器的光电流产生原理图。图中总光电流是从硅条7流向二氧化硅条6的。由能带图可知在石墨烯和电极接触界面会产生能带弯曲，从而产生内建电势。系统平衡后在石墨烯和电极中费米能级是平的，在电极和石墨烯界面会产生电子势垒。当在石墨烯和电极界面有光场分布时，会产生电子空穴对，在内建电场的作用下，电子会流向电极，空穴流向石墨烯。由于与硅条7上的单层石墨烯接触的电极周围的光场比较强，图中的箭头密度代表光场强度，因此在硅条7处产生大量的电子空穴对，在氧化硅条6处产生很少的电子空穴对，因此总光电流是从硅条7流向氧化硅条6的。由于硅的折射率比较高，会在硅中有很强的且稳定的光场分布，这样会产生很多的电子空穴对；又由于叉指电极叉指很多，可以收集大面积的光电流，因此此探测器会产生很可观的光电流。
本发明提供的基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器，主要包括一个一维光栅，一层石墨烯和一对叉指电极，采用了一维光栅作为调制手段来调制入射光在石墨烯层中的分布，其中一个叉指电极只与硅上的单层石墨烯接触，另一个叉指电极只与氧化硅上的单层石墨烯接触，从而实现不同电极处光场的不对称分布。在引入这种不对称分布后，便可以实现增强探测器光电响应的目的。由于单层石墨烯在一般衬底上是不可见的，目前大多是在热氧化100nm和300nm氧化硅硅片上实现石墨烯的光学可见性。为了石墨烯能够在光栅上可见，根据菲涅耳公式，本发明做了大量的光栅参数模拟，得到使石墨烯衬度最大的结构参数。
本发明的一维光栅的制作工艺为：ICP刻蚀SOI片子的顶硅层，PECVD长氧化硅，CMP抛光衬底表面。之所以要对衬底表面做抛光处理，是因为石墨烯只有一个原子层厚度，只有放在高度平坦的表面才不会产生破裂，有利于提高石墨烯的载流子迁移率，从而提高器件的带宽。在做抛光的时候，本发明把氧化硅留下薄薄一层作为石墨烯和和硅的隔离层，防止光生载流子通过硅被消耗，这样本发明就节省生长隔离层的工艺步骤。
通过以上工艺，本发明得到的一维光栅是硅和氧化硅周期分布的结构，这样当入射光通过光纤垂直照射到光栅上时，光场在硅和氧化硅中产生不均匀分布。
本发明的叉指电极用的是相同的金属材料Au/Ti，其特点是其中一个叉指电极只与硅上的单层石墨烯接触，另一个叉指电极只与氧化硅上的单层石墨烯接触。因此本发明实现了入射光大部分和其中一个电极作用，这样就得到了最大的输出光电流。
本发明的石墨烯来源于直接机械剥离，由于没有经过转移，这种石墨烯是质量最好的，它具有很高的载流子迁移率，这样所得到的石墨烯探测器的光响应度会很高，并且会有很高的带宽。
由上面的分析可知，该器件可以完成光电的高速高效转换，可以在光通信网络中获得应用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了较详细具体的说明，所应理解的是，以上所述的仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神、思想和原则范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，包括：
SOI衬底，由下至上依次包括硅、埋氧层和顶层硅；
刻蚀该顶层硅形成的一维光栅，该一维光栅由多个二氧化硅条(6)和多个硅条(7)交替分布构成，用以调制与石墨烯层作用的光场的空间分布；
形成于该一维光栅之上的石墨烯层(8)，作为有源层与其周围的光场作用产生电子空穴对；
形成于该石墨烯层(8)之上的第一叉指电极(4)和第二叉指电极(5)，二者均与石墨烯接触从而在接触面形成内建电场，用以实现对光生载流子的有效收集而形成光电流；
其中，所述一维光栅中的多个二氧化硅条(6)和多个硅条(7)，能够实现对入射光光强分布进行调制；当垂直入射光是TE偏振态时，该一维光栅能够实现光场主要集中在硅条(7)中；与硅条(7)上的单层石墨烯接触的第一叉指电极(4)旁边的石墨烯能够产生更多的电子空穴对，在金属与石墨烯交界面产生的内建电场的作用下，电子空穴对分离，空穴和电子被第一叉指电极(4)和第二叉指电极(5)分别收集，从而产生从第二叉指电极(5)到第一叉指电极(4)的光电流。
2.根据权利要求1所述的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，所述埋氧层的厚度为3μm，所述顶层硅的厚度为220nm，刻蚀该顶层硅而形成的一维光栅的厚度为120nm。
3.根据权利要求1所述的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，所述一维光栅调制与石墨烯层作用的光场的空间分布，实现不同电极处光场分布不同，从而在不同电极处产生不同数量的电子空穴对；由于第一叉指电极(4)和第二叉指电极(5)对称分布，其产生的光电流是反向的，当两电极处产生的光电流大小相等时，其向外输出的总光电流为0；由于一维光栅的存在，使得两电极处产生的光电流不同，因此其对外输出的总的光电流不为0。
4.根据权利要求1所述的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，所述第一叉指电极(4)只与硅条(7)上的单层石墨烯接触，所述第二叉指电极(5)只与氧化硅条(6)上的单层石墨烯接触。
5.根据权利要求1所述的基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，所述第一叉指电极(4)和所述第二叉指电极(5)是同种金属叠层Au/Ti，在该金属叠层中Au形成于Ti之上，第一叉指电极(4)位于硅条(7)的中间，第二叉指电极(5)位于氧化硅条(6)的中间，叉指宽度为100nm，在该金属叠层中Au的厚度为20nm，Ti的厚度为10nm。
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