CN104157722A - 一种硅-石墨烯雪崩光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅-石墨烯雪崩光电探测器。包括硅纳米光波导、石墨烯细叉指、石墨烯宽叉指、石墨烯带、金属正电极和金属负电极；硅纳米光波导上两侧的侧向包层区域上均置有一条石墨烯带，两侧石墨烯带朝向中心方向各自伸出有间隔排布的石墨烯细叉指和间隔排布的石墨烯宽叉指，石墨烯细叉指、石墨烯宽叉指交错覆盖在硅纳米光波导的硅芯区上与硅芯区接触，金属正电极置于与石墨烯细叉指相连的石墨烯带上，金属负电极置于与石墨烯宽叉指相连的石墨烯带上。本发明将硅光波导与石墨烯进行单片集成，结构简单、设计方便、制作简便，不需要困难且昂贵的异质外延生长或键合工艺，可显著降低制作成本，并可用于从可见光至中红外的超大范围光探测器。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电探测器，尤其是涉及一种硅-石墨烯雪崩光电探测器。
背景技术
光电探测器在各种光电系统中占据核心地位。为实现微弱光信号的探测，往往采用雪崩光电探测器（APD）。为了获得高性能APD，一般采用分析吸收-电荷-倍增（SACM）结构，即：将吸收区、倍增区相分离，并在吸收区、倍增区之间引入一个电荷层，从而在倍增区形成高电场以发生雪崩效应。对于APD倍增区，应选用具有低k值的材料（k值为电子/空穴离子化率之比），从而获得低噪声APD。在众多材料中，硅材料是目前最好的倍增区材料之一。另一方面，对于吸收层，应根据其工作波长选取具有合适带隙的吸收材料。对于光通信波段，一般采用Ge或III-V材料作为吸收层材料。但这些材料均与硅材料存在较大的晶格失配，其材料生长往往需要特殊优化工艺，不利于其发展。
为此，近年来石墨烯作为一种新材料引起广泛关注，尤其是其诸多优异光电特性，为实现高速有源光电子器件提供了优异平台。然而，石墨烯是单原子层结构，若采用传统垂直入射方式，光场与石墨烯的相互作用很小。
尽管已有关于硅-石墨烯光电探测器的报道，将石墨烯与硅纳米光波导相结合，构成一种硅-石墨烯复合纳米光波导，使得光场传输方向平行于石墨烯表面，增强光场与石墨烯的相互作用，但仅仅是普通的光电探测器，其响应度较低，且尚未涉及雪崩光电探测器。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种硅-石墨烯雪崩光电探测器。将硅光波导石墨烯完美地集成为一体，从而可以极大的降低成本，并提高其可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括硅光波导、石墨烯细叉指、石墨烯宽叉指、石墨烯带、金属正电极和金属负电极；硅光波导包含从下到上依次排布的衬底、隔离层以及由硅芯区和侧向包层区域组成的一层，侧向包层区域位于硅芯区的两侧，两侧的侧向包层区域上均置有一条石墨烯带，两侧石墨烯带朝向中心方向各自伸出有间隔排布的石墨烯细叉指和间隔排布的石墨烯宽叉指，石墨烯细叉指、石墨烯宽叉指交错覆盖在硅光波导的硅芯区上与硅芯区接触，金属正电极置于与石墨烯细叉指相连的石墨烯带上，金属负电极置于与石墨烯宽叉指相连的石墨烯带上。
所述的石墨烯细叉指的宽度小于石墨烯宽叉指的宽度。
所述的侧向包层区域的厚度与硅芯区的厚度相等。
所述的金属正电极和金属负电极采用不同的金属材料。
所述的金属正电极、金属负电极远离硅芯区，使得金属正电极、金属负电极所在位置的倏逝场振幅降低到探测器模场峰值的1/e以下。
所述的金属正电极、金属负电极分别连接到电压源的正极、负极。
所述的石墨烯细叉指或者石墨烯宽叉指为单层或多层石墨烯材料。
所述的石墨烯细叉指、石墨烯宽叉指覆盖在硅芯区上，使得硅光波导中传输的光能量的90%以上被吸收。
本发明具有的有益效果是：
1. 本发明利用石墨烯作为光吸收材料，可用于从可见光至中红外的超大范围光探测器。
2. 本发明利用硅材料作为倍增曾材料，有利于获得低噪声APD。
3. 本发明结构简单、设计方便、制作简便，不需要困难且昂贵的异质外延生长或键合工艺，可显著降低器件制作成本。
4. 本发明将硅光波导与石墨烯进行单片集成，与标准的硅光波导设计与工艺均完美兼容，并有利于降低器件封装成本。
附图说明
图1是本发明结构俯视剖视图。
图2是图1的A-A’剖视图。
图3是图1的B-B’剖视图。
图4是图1的C-C’剖视图。
图5是图1的 D-D’剖视图。
图6是本发明实施例工作电压为10V的电场分布图。
图中：11、衬底，12、隔离层，13、侧向包层区域，14、硅芯区，2、石墨烯细叉指，3、石墨烯宽叉指，4、金属正电极，5、金属负电极，6、石墨烯带。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括硅光波导、石墨烯细叉指2、石墨烯宽叉指3、石墨烯带6、金属正电极4和金属负电极5；如图2~5所示，硅光波导包含从下到上依次排布的衬底11、隔离层12以及由硅芯区14和侧向包层区域13组成的一层，侧向包层区域13位于硅芯区14的两侧，两侧的侧向包层区域13上均置有一条石墨烯带6，两侧石墨烯带6朝向中心方向各自伸出有间隔排布的石墨烯细叉指2和间隔排布的石墨烯宽叉指3，石墨烯细叉指2、石墨烯宽叉指3交错覆盖在硅光波导的硅芯区14上与硅芯区14接触，金属正电极4置于与石墨烯细叉指2相连的石墨烯带6上，金属负电极5置于与石墨烯宽叉指3相连的石墨烯带6上，其各个剖面排布结构如如图2~5所示。
石墨烯细叉指2的宽度小于石墨烯宽叉指3的宽度。
优选地，侧向包层区域13的厚度与硅芯区14的厚度相等。
优选地，金属正电极4和金属负电极5采用不同的金属材料，但也可采用相同的金属材料。
金属正电极4、金属负电极5远离硅芯区14，使得金属正电极4、金属负电极5所在位置的倏逝场振幅降低到探测器模场峰值的1/e以下，以保证对硅光波导的光场影响几乎可以忽略。
金属正电极4、金属负电极5分别连接到电压源的正极、负极。
石墨烯细叉指2或者石墨烯宽叉指3为单层或多层石墨烯材料，优选的可为同时单层或者同时多层。
石墨烯细叉指2、石墨烯宽叉指3覆盖在硅芯区14上，覆盖足够长度使得硅光波导中传输的光能量的90%以上被吸收。
本发明的工作原理过程为：
光沿着硅光波导以基模场形式向前传播，并被覆盖于硅光波导之上的石墨烯所吸收包括石墨烯细叉指2、石墨烯宽叉指3，形成光生载流子。将金属正电极4、金属负电极5分别连接到电压源的正极、负极，从而在硅芯区14形成强电场。在此电场作用下，光生载流子进入硅芯区14并加速运动，进而发生雪崩效应，通过金属正电极4、金属负电极5上收集到更多载流子，从而产生增益，形成雪崩效应。
本发明的具体实施例如下：
在实施例中，选用标准SOI（Silicon-on-insulator）晶圆，其中SiO2隔离层厚度为3μm、硅芯层厚度为220nm。制备工艺流程如下：1）首先利用光刻、刻蚀工艺形成硅光波导芯区；2）然后在顶部沉积厚度约为1μm的SiO2薄膜，并利用刻蚀或化学机械抛光工艺将顶部处理平整，形成侧向包层区域；3）利用湿法转移工艺将单层石墨烯转移并覆盖于硅光波导之上；4）利用干法刻蚀工艺制备石墨烯带6、石墨烯细叉指2、石墨烯宽叉指3；5）沉积金属薄膜并形成用于连接外部电源的金属正电极4、金属负电极5。金属正电极4、金属负电极5与硅芯区14之间的距离为1μm，使得金属正电极4、金属负电极5所在位置的倏逝场振幅降低到探测器模场峰值的1/e以下。
在此实施例中，石墨烯细叉指2和石墨烯宽叉指3的宽度分别为150nm、1μm，石墨烯细叉指2和石墨烯宽叉指3之间缝隙的宽度为150nm，其周期数为100，此时其光吸收率达到90%以上。在金属正电极4、金属负电极5上施加10V电压时，硅芯区电场分布如图6所示，硅芯区中产生的电场最高达106V/cm，即发生雪崩效应，从而产生增益，具有显著的技术效果。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1. 一种硅-石墨烯雪崩光电探测器，其特征在于：包括硅光波导、石墨烯细叉指（2）、石墨烯宽叉指（3）、石墨烯带（6）、金属正电极（4）和金属负电极（5）；硅光波导包含从下到上依次排布的衬底(11)、隔离层（12）以及由硅芯区（14）和侧向包层区域（13）组成的一层，侧向包层区域（13）位于硅芯区（14）的两侧，两侧的侧向包层区域（13）上均置有一条石墨烯带（6），两侧石墨烯带（6）朝向中心方向各自伸出有间隔排布的石墨烯细叉指（2）和间隔排布的石墨烯宽叉指（3），石墨烯细叉指（2）、石墨烯宽叉指（3）交错覆盖在硅光波导的硅芯区（14）上与硅芯区（14）接触，金属正电极（4）置于与石墨烯细叉指（2）相连的石墨烯带（6）上，金属负电极（5）置于与石墨烯宽叉指（3）相连的石墨烯带（6）上。
2. 根据权利要求1所述的一种硅-石墨烯雪崩光电探测器，其特征在于：所述的石墨烯细叉指（2）的宽度小于石墨烯宽叉指（3）的宽度。
3. 根据权利要求3所述的一种硅-石墨烯雪崩光电探测器，其特征在于：所述的侧向包层区域（13）的厚度与硅芯区（14）的厚度相等。
4. 根据权利要求1所述的一种硅-石墨烯雪崩光电探测器，其特征在于：所述的金属正电极（4）和金属负电极（5）采用不同的金属材料。
5. 根据权利要求1所述的一种硅-石墨烯雪崩光电探测器，其特征在于：所述的金属正电极（4）、金属负电极（5）远离硅芯区（14），使得金属正电极（4）、金属负电极（5）所在位置的倏逝场振幅降低到探测器模场峰值的1/e以下。
6. 根据权利要求1所述的一种硅-石墨烯雪崩光电探测器，其特征在于：所述的金属正电极（4）、金属负电极（5）分别连接到电压源的正极、负极。
7. 根据权利要求1所述的一种硅-石墨烯雪崩光电探测器，其特征在于：所述的石墨烯细叉指（2）或者石墨烯宽叉指（3）为单层或多层石墨烯材料。
8. 根据权利要求1所述的一种硅-石墨烯雪崩光电探测器，其特征在于：所述的石墨烯细叉指（2）、石墨烯宽叉指（3）覆盖在硅芯区（14）上，使得硅光波导中传输的光能量的90%以上被吸收。
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