CN110112250A - 石墨烯光-电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成芯片领域，公开了一种石墨烯光‑电探测器及其制备方法，包括：衬底（1）、形成于衬底（1）上的光波导（2），光波导（2）的两端分别连接光输入端（3）和光输出端（4），在光波导（2）上表面覆盖有氮化硼材料层（5），在氮化硼材料层（5）上表面覆盖有阵列石墨烯纳米带（6），阵列石墨烯纳米带（6）与光波导（2）的传输方向垂直设置；在阵列石墨烯纳米带（6）两端、光波导（2）两侧还分别覆盖第一电极（7）和第二电极（8）；在阵列石墨烯纳米带（6）中的石墨烯纳米带上表面上、光波导（2）正上方还覆盖有金属凹槽阵列结构（9）。通过本方法制备的探测器的暗电流较低，响应度较高，光‑电响应带宽较大。
Description
技术领域
本发明涉及集成芯片领域，特别涉及一种石墨烯光-电探测器及其制备方法。
背景技术
在光-电子集成芯片中，光-电探测器是接收端核心芯片之一，它将高速光数据转换成电信号。光-电探测器一般来说是利用材料具有热电效应、光电效应、电吸收效应，来探测光的强度大小。在光通信波段，目前基于的主要材料体系有III-V族材料以及锗（Ge）。虽然基于这些材料体系的探测器取得具有良好的性能并且实现商用化，但是还是有不足之处，例如，光学相应波长不够宽，器件尺寸较大，制备工艺复杂，成本较高等。
石墨烯作为一种新型材料具有优异的光电子学特性，例如，宽带光响应、与光的强相互作用，超快载流子迁移速率等，结合硅、氮化硅等材料的集成光波导结构，可以实现对光的超宽带、高响应度探测。石墨烯的载流子迁移速率很快，在充分设计优化RC电路后，探测器的3dB光电响应带宽，理论上可到500GHz以上，具有十分诱人的产品化应用前景和商业价值。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种石墨烯光-电探测器及其制备方法，通过本方法制备的探测器的暗电流较低，响应度较高，光-电响应带宽较大。
技术方案：本发明提供了一种石墨烯光-电探测器及其制备方法，包括：衬底、形成于衬底上的光波导，所述光波导的两端分别连接光输入端和光输出端，在所述光波导上表面覆盖有氮化硼材料层，在所述氮化硼材料层上表面覆盖有阵列石墨烯纳米带，所述阵列石墨烯纳米带与所述光波导的传输方向垂直设置；在所述阵列石墨烯纳米带两端、所述光波导两侧还分别覆盖第一电极和第二电极；在所述阵列石墨烯纳米带中的石墨烯纳米带上表面上、所述光波导正上方还覆盖有金属凹槽阵列结构。
本发明还提供了一种石墨烯光-电探测器的制备方法，包括以下步骤：S1：在所述衬底上表面通过电子束曝光或者光刻以及ICP（电感耦合等离子体）刻蚀工艺制备出所述光波导；S2：在所述光波导上沉积低折射率材料层，然后利用化学机械抛光技术，实现光波导表面以及两侧平坦化；S3：在所述平坦化后的光波导上表面转移所述氮化硼材料层；S4：将片状单层或者多层石墨烯机械转移至所述氮化硼材料层上表面，利用电子束曝光或者光刻、氧等离子刻蚀工艺，除去多余石墨烯，形成所述阵列石墨烯纳米带；S5：在所述阵列石墨烯纳米带的两端、所述光波导的两侧沉积金属材料层，形成所述第一电极和所述第二电极；与此同时，在所述阵列石墨烯纳米带的各石墨烯纳米带的上表面、所述光波导正上方沉积金属材料层，形成所述金属凹槽阵列结构。
优选地，所述金属凹槽阵列结构中的每个金属凹槽均为U型结构与条状结构拼凑成的矩形凹槽型结构。光波导材料层、阵列石墨烯纳米带、金属凹槽阵列结构三者会形成表面等离子共振，增强石墨烯和光场相互作用，进一步提高探测器的响应度；
优选地，所述U型结构在X方向的尺寸a为40nm-800nm，Y方向的尺寸b为200nm-900nm，Z方向的尺寸d为60-200nm；所述条状结构的在X方向的尺寸a为40nm-800nm，在Y方向和Z方向的尺寸d均为60-200nm。
优选地，所述条状结构与所述U型结构之间的间距c为10nm-200nm。根据理论仿真得到最佳间距，U型结构和条状结构之间存在相互作用。
优选地，所述金属凹槽阵列结构中相邻两个金属凹槽之间的中心间距与所述阵列石墨烯纳米带中相邻两个石墨烯纳米带的中心间距相等。
优选地，在所述阵列石墨烯纳米带中，相邻两个石墨烯纳米带的中心间距h为40nm-2um。
优选地，在所述阵列石墨烯纳米带中，每个石墨烯纳米带在X方向的尺寸为50nm-1000nm，Y方向的尺寸为宽度为300nm-1000nm，Z方向的尺寸为0.34nm-3nm。
优选地，所述第一电极和所述第二电极距离所述光波导的最小间距i均大于500nm。
优选地，所述光波导的宽度e为350nm-1000nm，厚度f为50nm-500nm，底面距离所述衬底的底面之间的间距g为2um-6um。
工作原理及有益效果：本发明中，携带高速电信号的光载波，利用光输入端耦合进入光波导，在光波导区域，由于波导上面覆盖阵列石墨烯纳米带结构，石墨烯纳米带会吸收光子，产生载流子，继而形成电流；第一电极-阵列石墨烯纳米带-第二电极形成回路，可以将高速的光信号转化为高速电信号，实现探测，即光-电转化过程；金属凹槽阵列结构、阵列石墨烯纳米带以及光波导三者形成表面等离子共振，增强石墨烯和光场的相互作用，进一步提高探测器响应度。光输出端一方面用于监测探测过程光损耗情况，另一方面也可从该端口输入光，或者两者同时输入光，实现高功率光探测。
本石墨烯光-电探测器中的阵列石墨烯纳米带（光栅结构），一方面由于是纳米带状石墨烯结构，使得其能隙不为零，可以降低石墨烯探测器的暗电流；另一方面，石墨烯阵列周期性结构，形成光栅，会降低波导里光的速度，继而增强石墨烯和光相互作用，提高探测器响应度；氮化硼的晶格结构和石墨烯相似，当石墨烯放置在氮化硼上表面时，有助于提高石墨烯的质量和载流子迁移速率，继而增加探测器光-电响应带宽；金属凹槽阵列结构、阵列石墨烯纳米带以及光波导三者形成表面等离子共振，增强石墨烯和光场的相互作用，进一步提高探测器响应度。该石墨烯探测器主要应用于光波长为1.2um-1.7um的光通信波段。
本发明中，衬底优选使用低折射率的材料制成，可为二氧化硅、氮化硅、氮化铝等，本发明中衬底为绝缘体上硅，该绝缘体上硅的结构从下至上依次为250um的硅、3~5um的二氧化硅以及220~3000nm的硅。相对于衬底材料，光波导优选使用高折射率材料制成，常见的材料有硅、氮化硅、砷化镓、氮化铝、铌酸锂、氮化镓、磷化铟等；这种高、低折射率材料分布才会形成光波导。
附图说明
图1为石墨烯光-电探测器的整体结构俯视示意图；
图2为沿图1中C1面的截面示意图；
图3为沿图1中C2面的截面示意图；
图4为沿图1中C3面的截面示意图；
图5为沿图1中C4面的截面示意图；
图6为石墨烯光-电探测器的探测区域尺寸图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
本实施方式提供了一种石墨烯光-电探测器，如图1至6所示，衬底1上具有宽度e为350nm-1000nm、厚度f为50nm-500nm的光波导2，光波导2的底面距离衬底1的底面之间的间距g为2um-6um；光波导2的两端分别连接光输入端3和光输出端4，在光波导2上表面覆盖有氮化硼材料层5，在氮化硼材料层5上表面覆盖有阵列石墨烯纳米带6，阵列石墨烯纳米带6与光波导2的传输方向垂直设置，在阵列石墨烯纳米带6中，相邻两个石墨烯纳米带的中心间距h为40nm-2um，每个石墨烯纳米带在X方向的尺寸为50nm-1000nm，Y方向的尺寸为300nm-1000nm，Z方向的尺寸为0.34nm-3nm。
在阵列石墨烯纳米带6两端、光波导2两侧还分别覆盖金属材料的第一电极7和第二电极8，第一电极7和第二电极8距离光波导2的最小间距i均大于500nm。在阵列石墨烯纳米带6中的石墨烯纳米带上表面上、光波导2正上方还覆盖有金属凹槽阵列结构9，该金属凹槽阵列结构9中相邻两个金属凹槽之间的中心间距与阵列石墨烯纳米带6中相邻两个石墨烯纳米带的中心间距h相等，均为40nm-2um。
上述金属凹槽阵列结构9中的每个金属凹槽均为U型结构901与条状结构902拼凑成的矩形凹槽型结构，U型结构901在X方向的尺寸a为40nm-800nm，Y方向的尺寸b为200nm-900nm，Z方向的尺寸d为60-200nm；条状结构902的在X方向的尺寸a为40nm-800nm，在Y方向和Z方向的尺寸d均为60-200nm；条状结构902与U型结构901之间的中心间距c为10nm-200nm。
本实施方式中的石墨烯光-电探测器的工作原理如下：携带高速电信号的光载波，利用光输入端3耦合进入光波导2，在光波导2的探测区域，由于光波导2上面覆盖阵列石墨烯纳米带6的结构，石墨烯纳米带6会吸收光子，产生载流子，继而形成电流；第一电极7-阵列石墨烯纳米带6-第二电极8形成回路，可以将高速的光信号转化为高速电信号，实现探测，即光-电转化过程；金属凹槽阵列结构9、阵列石墨烯纳米带6以及光波导2三者形成表面等离子共振，增强石墨烯和光场的相互作用，进一步提高探测器响应度。光输出端4一方面用于监测探测过程光损耗情况，另一方面也可从该端口输入光，或者两者同时输入光，实现高功率光探测。
上述石墨烯光-电探测器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底1上表面通过电子束曝光或者光刻以及ICP刻蚀工艺制备出光波导；
S2：在光波导2上沉积低折射率材料层，然后利用化学机械抛光技术，实现光波导2表面以及两侧平坦化；
S3：在平坦化后的光波导2上表面转移氮化硼材料层5；
S4：将片状单层或者多层石墨烯机械转移至氮化硼材料层5上表面，利用电子束曝光或者光刻、氧等离子刻蚀工艺，除去多余石墨烯，形成阵列石墨烯纳米带6；
S5：在阵列石墨烯纳米带6的两端、光波导2的两侧沉积金属材料层，形成第一电极7和第二电极8；与此同时，在阵列石墨烯纳米带6的各石墨烯纳米带的上表面、光波导2正上方沉积金属材料层，形成金属凹槽阵列结构9。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯光-电探测器，其特征在于，包括：衬底（1）、形成于所述衬底（1）上的光波导（2），所述光波导（2）的两端分别连接光输入端（3）和光输出端（4），在所述光波导（2）上表面覆盖有氮化硼材料层（5），在所述氮化硼材料层（5）上表面覆盖有阵列石墨烯纳米带（6），所述阵列石墨烯纳米带（6）与所述光波导（2）的传输方向垂直设置；在所述阵列石墨烯纳米带（6）两端、所述光波导（2）两侧还分别覆盖第一电极（7）和第二电极（8）；在所述阵列石墨烯纳米带（6）中的石墨烯纳米带上表面上、所述光波导（2）正上方还覆盖有金属凹槽阵列结构（9）。
2.根据权利要求1所述的石墨烯光-电探测器，其特征在于，所述金属凹槽阵列结构（9）中的每个金属凹槽均为U型结构（901）与条状结构（902）拼凑成的矩形凹槽型结构。
3.根据权利要求2所述的石墨烯探测器，其特征在于，所述U型结构（901）在X方向的尺寸a为40nm-800nm，Y方向的尺寸b为200nm-900nm，Z方向的尺寸d为60-200nm；所述条状结构（902）的在X方向的尺寸a为40nm-800nm，在Y方向和Z方向的尺寸d均为60-200nm。
4.根据权利要求2所述的石墨烯光-电探测器，其特征在于，所述条状结构（902）与所述U型结构（901）之间的间距c为10nm-200nm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯光-电探测器，其特征在于，所述金属凹槽阵列结构（9）中相邻两个金属凹槽之间的中心间距与所述阵列石墨烯纳米带（6）中相邻两个石墨烯纳米带的中心间距相等。
6.根据权利要求5所述的石墨烯光-电探测器，其特征在于，在所述阵列石墨烯纳米带（6）中，相邻两个石墨烯纳米带的中心间距h为40nm-2um。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的石墨烯光-电探测器，其特征在于，在所述阵列石墨烯纳米带（6）中，每个石墨烯纳米带在X方向的尺寸为50nm-1000nm，Y方向的尺寸为300nm-1000nm，Z方向的尺寸为0.34nm-3nm。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的石墨烯光-电探测器，其特征在于，所述第一电极（7）和所述第二电极（8）距离所述光波导（2）的最小间距i均大于500nm。
9.根据权利要求1至6任一项所述的石墨烯光-电探测器，其特征在于，所述光波导（2）的宽度e为350nm-1000nm，厚度f为50nm-500nm，底面距离所述衬底（1）的底面之间的间距g为2um-6um。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的石墨烯光-电探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在所述衬底（1）上表面通过电子束曝光或者光刻以及ICP刻蚀工艺制备出所述光波导（2）；
S2：在所述光波导（2）上沉积低折射率材料层，然后利用化学机械抛光技术，实现光波导表面以及两侧平坦化；
S3：在所述平坦化后的光波导上表面转移所述氮化硼材料层（5）；
S4：将片状单层或者多层石墨烯机械转移至所述氮化硼材料层（5）上表面，利用电子束曝光或者光刻、氧等离子刻蚀工艺，除去多余石墨烯，形成所述阵列石墨烯纳米带（6）；
S5：在所述阵列石墨烯纳米带（6）的两端、所述光波导（2）的两侧沉积金属材料层，形成所述第一电极（7）和所述第二电极（8）；与此同时，在所述阵列石墨烯纳米带（6）的各石墨烯纳米带的上表面、所述光波导（2）正上方沉积金属材料层，形成所述金属凹槽阵列结构（9）。
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