CN108321242A - 基于石墨烯和耦合光栅的光探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于石墨烯和耦合光栅的光探测器及其制作方法。本发明结合了石墨烯作为吸收层和耦合光栅作为加强吸收结构的优势，实现高效、高灵敏度和高响应度的光子探测。本发明制备方法采用微纳加工工艺，采用正面或背面的减法或加法工艺，结合石墨烯片上转移或石墨烯片上集成微纳制备的方法，最终实现探测器结构。本发明在探测上可以实现基于金属/石墨烯/金属型(M/G/M)和石墨烯/GaN半导体结型(G/S)原理结构的探测。
Description
技术领域
本发明涉及基于石墨烯和耦合光栅的光探测器及其制作方法，属于光电子集成电路技术领域。
背景技术
平面光子探测是光通信及光电子集成电路(OEIC)中的关键器件，其具有重要的应用，如在传感领域，集成有源探测器实现单芯片传感；在通信领域，光传送网的普及性应用要求网络的中间节点及端节点都需要进行光域和电域之间的转换，以实现信息的路由、转发和接收。
传统的探测采用的是集成有源吸收层实现平面波导光子的探测方式，但这种方法存在以下缺陷：(1)需要在平面光子器件上集成其它材料作为探测器，会有晶格失配和不同热膨胀系数等问题；(2)探测器需要复杂的制备工艺和较高的成本；(3)存在较多异质结层和界面，对光子反射和吸收损耗大；(4)多层材料有源吸收区多是用键合方法和平面光子器件进行集成，这就需要额外的工艺，且键合层会带来不必要的光损耗(G.Roelkens,etal.Optics Express,14:8154,2006.Heinz-Gunter Bach,et al.IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics,10:668,2004.)；(5)量子效率和响应速度之间存在着相互制约关系，即随着有源吸收区厚度和面积的增加，高频响应性能迅速恶化。
石墨烯是一种零带隙二维材料，是一种理想的和平面光子集成的材料(X.Cai,etal.Nature Nanotechnology,9:814,2014.)。它具有宽的光谱吸收范围，且在大的波段具有均一的吸收；单层石墨烯对垂直入射光的吸收为2.3％，多层石墨烯对光的吸收率与其层数成正比(R.R.Nair,et al.Science,320:1308,2008.)；具有光生载流子的倍增效应，每个高能量光子的激发会产生多个电子空穴对(Freitag M.,et al.Nature Photonics,7:53,2012.T.et al.Nano Letters,14:5371,2014.)；可集成于Si，SiN等多种波导材料上(Simone Schuler,et al.Nano Letters,16:7107,2016.)，实现简便的高集成度的器件；结构和制备相对简单，利于实现高频响应光探测；载流子迁移率超过200000cm2/Vs(K.I.Bolotin,et al.Solid State Communications,146:351,2008.)。石墨烯的这些特点赋予了它是作为平面波导光子探测的理想材料，可以有效解决基于其它吸收层的上述缺点。
但是石墨烯自身也存在缺点，就是相对较低的光吸收率和只有皮秒级的载流子寿命(A.Urich,et al.Nano Letters,11:2804,2011.K.-J.Yee,et al.Carbon,49:4781,2011.)，限制了光电流响应。所以，提高光电流响应度一直是石墨烯光探测研究的核心问题。
波导瞬逝场增强是平面光子探测中常用的增强吸收的方法(Simone Schuler,etal.Nano Letters,16:7107,2016.)。虽然波导瞬逝场增强一定程度上提高了探测响应度，但存在如下问题：(1)其是依靠石墨烯和波导大的接触面积来实现高效吸收，大的石墨烯工作面积会带来大的电容，这极不利于器件的快速响应；(2)需要有更大的探测面积来达到更高的响应度，所以响应度和响应速率的对立更为突出；(3)由于波导瞬逝场能量一般都很低，所以单位面积的石墨烯吸收层对光子的吸收效率很有限。
对于石墨烯作为吸收层探测平面光子，最优的改进方案无疑是通过调控波导中的光子，实现能将石墨烯置于光场更强的位置。
微纳光栅紧凑的结构，低廉的制作成本，以及当光栅微纳结构图形按特定规律排列时，会对光场产生一系列特殊、可控的调制现象，基于这种光场调制特性，十分有利于研制新型高性能光电器件，使得具有微纳结构的亚波长光栅，在光子调控方面具有突出的性能。
鉴于以上背景和问题，本发明采用微纳光栅耦合的方法来增强石墨烯对平面光子吸收，提出基于石墨烯和耦合光栅的平面光子探测器。
发明内容
本发明包括如下技术方案：
1.结构：
本发明所涉及的平面光子为基于各个波段和相应的各类各波段透明的材料，重点保护的是探测器的材料和结构设计，对各类平面光子的应用具有普适性。本发明所涉及的探测器结构由如下组成：光栅与波导耦合区；石墨烯光子吸收和光生载流子转化区；介质层和电极等组成的载流子收集结构，具体如下：
(1)探测器结构由衬底、波导光栅耦合区、石墨烯吸收层、介质层和金属电极组成；
(2)波导光栅结构是由波导材料通过微纳加工方法制备出的实现光子高效耦合的微纳结构；
(3)介质层是在光栅一侧的波导材料表面沉积一定厚度和面积的绝缘材料实现；
(4)在波导光栅耦合区的表面集成石墨烯，形成光子吸收及载流子转化区，光栅两侧的石墨烯分别位于介质层之上和波导材料之上；
(5)在光栅的周围分别是石墨烯和波导材料的欧姆接触电极，三个电极分别位于波导材料之上、波导材料的石墨烯之上和介质层的石墨烯之上；
(6)三个电极间形成分别基于金属/石墨烯/金属型(M/G/M)和石墨烯/波导材料半导体结型(G/S)的载流子收集结构，即探测原理结构。
2.制作工艺：
器件的制备工艺为通过传统的微纳加工方法实现，具体制备具有如下：
(1)将光子材料晶片正面均匀涂覆一定厚度的掩膜层，采用传统光刻或电子束光刻的方法，形成图形化的掩膜层结构；
(2)通过干法刻蚀或湿法刻蚀，将未掩膜区刻蚀一定厚度，去掉掩膜层，形成波导、光栅及其连接区的微纳光子结构；
(3)通过传统生长沉积等方法制备绝缘介质层，并结合和上述类似的光刻-刻蚀的加法或减法工艺，实现介质层的特定位置图形化结构；
(4)在其它基材上制备单层或多层石墨烯，并通过湿法或干法工艺将其转移至晶片的波导光栅区特定位置；或采用集成化的工艺，在晶片表面一定区域涂覆一定层数或厚度的GO(氧化石墨烯)，并选择性还原波导光栅区的GO，得到RGO(还原氧化石墨烯)；
(5)利用传统加法或减法微纳加工工艺，制备特定位置图形化的欧姆接触电极层。
3.工作原理及过程：
如附图中所示，V1的一对电极和石墨烯组成M/G/M结构；V2的一对电极和肖特基结区组成G/S结构。
M/G/M型是源于光电导效应(photoconductive effect,PCE)收集并形成光电流，探测具有高的速率但相对低的响应度，另有相关研究表明(Jiaqi Wang,et al.Nanoscale,8:13206,2016.)该结构通过光热电效应(photothermoelectric effect,PTE)产生更高的光电流。对于G/S型是源于光子能量足以在耗尽层激发形成载流子，由光子材料吸收光子产生电子-空穴对，然后在界面的内建电场下分开产生光电流。有些不足以激发载流子的，有研究报道(Fang Lin,et al.Applied Physics Letters,105:073103,2014.)通过光热辐射效应(photobolometric effect,PBE)穿越结区势垒，形成光电流。悬空的石墨烯由于缺少衬底表面有效的电子冷却，会产生更高能量的热电子和更高温度的吸收区，而本发明中集成在波导光栅区的石墨烯恰好具有高悬空面积的特征，利于通过PTE和PBE效应分别在这两种探测结构下产生可观的光电流响应。
有益效果
(1)利用微纳光栅耦合增强的方法实现光子的高效探测：利用光栅的耦合原理将平面波导中光子能量进行有效集中和增强，提高吸收层对平面光子的吸收率，减小探测面积，实现平面光子高效和高速的光电响应探测；
(2)基于石墨烯吸收层的可见光平面光子探测结构：将石墨烯作为平面光子吸收层，具有制备工艺简便、电流响应速率高和利于实现更加紧凑光子集成器件的特点。集成了光栅耦合增强可以极大发挥石墨烯对光子的吸收特点，共同实现高响应度的探测；
(3)本发明的探测结构集成两种探测原理，两种光生载流子收集通道并行作用，在光栅耦合增强吸收光子产生更多载流子条件下，分别实现M/G/M电极区和G/S结区的载流子收集，极大发挥和利用石墨烯的光生载流子，提高载流子收集效率，实现更高光电流响应；
(4)耦合光栅具有波长选择性，因为实现耦合的原理是其只对满足相位匹配条件的波长产生共振和传播矢量改变，有鉴于光栅的波长依赖性，可以针对不同波长设计不同的高效耦合光栅，实现波长选择性探测。
附图说明
图1所示为所发明器件的俯视图和侧视示意图。
图中包括五类材料，分别是波导光栅材料、石墨烯、介质层材料、衬底材料和电极。光栅和波导衔接区共同组成耦合区，被石墨烯材料所覆盖；石墨烯为光子吸收和光生载流子转化区；介质层和电极及其周边为载流子收集区；不同电极间建立光生电流探测结构。
图2所示为所发明器件的加工流程示意图。
图中，(a)为起始光子晶片；(b)为正面掩膜刻蚀制备出的波导和耦合光栅后的器件结构；(c)为生长沉积和图形化加工出特定位置介质层后的器件结构；(d)为集成石墨烯后的器件结构；(e)为微纳加工方法制备出图形化电极后的器件最终结构。
具体实施方式
接下来结合附图对本发明技术方案进行描述。实例在本发明整体技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。仅以此为例，但本发明的保护范围不限于下述的实例。
1.实施例一：
硅基氮化镓平面光子探测器，利用耦合光栅加强平面波导光子的谐振场强，使其与多层石墨烯吸收层具有更强交互，如附图1所示，波导光栅材料为氮化镓，石墨烯为多层化学气相沉积石墨烯，介质层为氧化铝，衬底为硅，电极为Ni/Au。
针对硅基氮化镓进行平面光子探测器件的制备，进行氮化镓表面刻蚀制作出脊型波导和微纳光栅，实现氮化镓基可见光光子波段的探测器。
(1)将硅基底氮化镓晶片进行硅基底的减薄抛光，分别在丙酮和乙醇中超声清洗10min，烘干待用；
(2)旋涂2μm厚光刻胶正胶，然后在90℃下前烘3min、用一定图形的掩膜版做掩膜进行UV曝光、显影，露出需要刻蚀氮化镓的区域，然后在105℃下后烘2min；
(3)用专用III-V族RIE刻蚀机，进行氮化镓一定厚度的刻蚀，目标深度200nm，刻蚀出耦合光栅和平面波导结构；用湿法刻蚀去除光刻胶，烘干；
(4)氮化镓表面蒸镀沉积一层300nm厚的氧化铝介质层，然后用光刻套刻和湿法刻蚀工艺实现在特定位置的图形化氧化铝；
(5)在铜箔上用化学气相沉积制备多层石墨烯，然后用湿法转移将石墨烯转移到晶片氮化镓表面的光栅耦合区同时覆盖在介质层之上；
(6)正面旋涂8μm厚光刻胶，进行烘胶后，与上一步的光刻进行套刻，显影露出要沉积金属电极的特定区域，烘干；溅射一定厚度的Ni/Au两层金属，lift-off剥离光刻胶和光刻胶上的金属，最终在特定区域留下金属电极；烘干。
2.实施例二：
绝缘层上硅(SOI)基硅红外波段平面光子探测器，利用微纳光栅耦合加强平面波导光子的谐振场强，使其与还原氧化石墨烯(RGO)吸收层具有更强交互，如附图1所示，波导光栅材料为硅，石墨烯为多层RGO石墨烯，介质层为二氧化硅，衬底为硅和氧化硅(SOI晶片)，电极为Ni/Au。
针对硅基波导光子进行平面光子探测器件的制备，进行绝缘层上硅表面刻蚀制作出脊型波导和微纳光栅，实现硅基红外光子波段的探测器。
(1)将SOI晶片进行水中清洗、丙酮清洗、乙醇清洗、烘干等预处理过程，然后备用；
(2)在硅表面旋涂300nm厚PMMA，前烘180℃后作为掩膜材料；
(3)电子束光刻(EBL)，图形化PMMA掩膜层，露出要刻蚀掉硅的区域；
(4)采用干法刻蚀硅表面，Bosch工艺，SF6和C4F8同时供气，速率600nm/min刻蚀5min，然后去除掩膜层，制备出波导和光栅结构；
(5)硅表面溅射一层200nm厚度的二氧化硅绝缘介质层，然后用光刻套刻和湿法刻蚀的工艺，选择性将二氧化硅图形化；
(6)硅表面旋涂约400nm厚度的氧化石墨烯(GO)，然后光栅波导耦合区及周边的GO采用激光选择性还原为RGO(还原氧化石墨烯)；
(7)旋涂5μm厚光刻胶，进行烘胶后，光刻套刻，显影露出要沉积金属电极的特定区域，烘干；溅射一定厚度的Ni/Au两层金属，lift-off剥离光刻胶和光刻胶上的金属，最终在特定区域留下金属电极；烘干。
Claims (3)
1.基于石墨烯和耦合光栅的光探测器，其特征在于，包括：
衬底、波导光栅耦合区、石墨烯吸收层、介质层和金属电极；
波导光栅结构是由波导材料通过微纳加工方法制备出的实现光子高效耦合的微纳结构；所述波导光栅耦合区的表面集成石墨烯，形成光子吸收及载流子转化区，光栅两侧的石墨烯分别位于介质层之上和波导材料之上；
所述介质层是在光栅一侧的波导材料表面沉积一定厚度和面积的绝缘材料实现；
在光栅的周围分别是石墨烯和波导材料的欧姆接触电极，三个电极分别位于波导材料之上、波导材料的石墨烯之上和介质层的石墨烯之上。
2.如权利要求1所述的光探测器，其特征在于，三个电极间形成分别基于金属/石墨烯/金属型即M/G/M和石墨烯/波导材料半导体结型即G/S的载流子收集结构，即探测原理结构。
3.如权利要求1或2所述的光探测器的制作方法，其特征在于，具体如下：
(1)将光子材料晶片正面均匀涂覆一定厚度的掩膜层，采用传统光刻或电子束光刻的方法，形成图形化的掩膜层结构；
(2)通过干法刻蚀或湿法刻蚀，将未掩膜区刻蚀一定厚度，去掉掩膜层，形成波导、光栅及其连接区的微纳光子结构；
(3)通过传统生长沉积等方法制备绝缘介质层，并结合和上述类似的光刻-刻蚀的加法或减法工艺，实现介质层的特定位置图形化结构；
(4)在其它基材上制备单层或多层石墨烯，并通过湿法或干法工艺将其转移至晶片的波导光栅区特定位置；或采用集成化的工艺，在晶片表面一定区域涂覆一定层数或厚度的GO即氧化石墨烯，并选择性还原波导光栅区的GO，得到RGO即还原氧化石墨烯；
(5)利用传统加法或减法微纳加工工艺，制备特定位置图形化的欧姆接触电极层。
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