CN111864003B - 一种铌酸锂平面波导上的光电探测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种铌酸锂平面波导上的光电探测器及制备方法，自下而上分别包括铌酸锂平面波导本体、硅薄膜和叉指电极，所述铌酸锂平面波导本体自下而上依次包括铌酸锂衬底、二氧化硅层和铌酸锂薄膜，通过异质集成非晶硅薄膜的方式在LNOI上制备光电探测器，通过端面耦合的方法将光耦合到铌酸锂单晶薄膜中，利用光电探测器实现了对波导中传播光的探测，其暗电流低，制备简单，为LNOI上集成光芯片的实现探索了道路。
Description
技术领域
本公开涉及光电探测器技术领域，特别涉及一种铌酸锂平面波导上的光电探测器及制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
铌酸锂晶体是一种人工合成的多功能材料，它具有优良的电光、声光和非线性光学特性，在可见光和近红外波段都具有较高的透过率，被广泛应用于集成光学领域。近年来，通过离子注入和直接键合方式制备的绝缘体上的铌酸锂单晶薄膜(lithium niobateon insulator,LNOI)引起了人们极大的兴趣。由于铌酸锂和二氧化硅之间的高折射率差，基于LNOI材料制备的光子器件在集成度和器件性能上都得到了很大的提升。以LNOI为平台实现多器件集成已成为可能。目前已经报道了一系列光学器件，例如光波导，电光调制器，微环/微盘谐振器，波长转换器件等。
光电探测器是LNOI集成光学平台的一个重要组成部分。它可以将LNOI中的光信号转换为电信号，实现光信号的电学探测。铌酸锂是一种宽禁带绝缘材料，本身很难形成光电探测器，可以通过异质集成的方式来实现LNOI上的光电探测器。基于铌酸锂体材料上光电探测器的研究已有报道，1990年，A.Y.Yan和W.K.Chan等人在铌酸锂体材料上制备了砷化镓光电探测器并在633nm的波长下实现了光电探测；2018年，帕特波恩大学的
等人在铌酸锂体材料上通过异质集成的方法制备了超导转变边缘传感器，并在1550nm的波长下实现了探测。但是发明人在研究中发现，目前还没有关于LNOI上光电探测器的相关报道。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种铌酸锂平面波导上的光电探测器及制备方法，通过异质集成非晶硅薄膜的方式在LNOI上制备了光电探测器，通过端面耦合的方法将光耦合到铌酸锂单晶薄膜中，利用光电探测器实现了对波导中传播光的探测。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供了一种铌酸锂平面波导上的光电探测器；
一种铌酸锂平面波导上的光电探测器，自下而上依次包括铌酸锂平面波导本体、硅薄膜和叉指电极，所述铌酸锂平面波导本体自下而上依次包括铌酸锂衬底、二氧化硅层和铌酸锂薄膜。
作为可能的一些实现方式，所述叉指电极为Ni/Au叉指电极或Au叉指电极。
作为可能的一些实现方式，所述二氧化硅层的厚度为2±0.5μm，优选的为2μm；所述铌酸锂薄膜的厚度为0.5±0.1μm，优选的为0.5μm。
作为可能的一些实现方式，所述二氧化硅层为非晶硅二氧化硅层。
作为可能的一些实现方式，所述硅薄膜为非晶硅薄膜。
作为可能的一些实现方式，所述非晶硅薄膜的厚度为50nm～200nm，优选的为70nm、100nm或150nm。
第二方面，本公开提供了一种铌酸锂平面波导上的光电探测器的制备方法；
一种铌酸锂平面波导上的光电探测器的制备方法，步骤如下：
制备铌酸锂平面波导本体，自下而上依次包括铌酸锂衬底、二氧化硅层和铌酸锂薄膜；
利用PECVD在铌酸锂薄膜表面沉积一层非晶硅薄膜；
利用掩模方法通过电子束蒸发工艺在硅薄膜表面沉积Ni+Au叉指电极。
作为可能的一些实现方式，还包括如下步骤：利用化学机械抛光的方式将所述光电探测器的两端面分别进行抛光，通过端面耦合的方式进行测量，得到探测器的暗电流、响应时间等光学参量。
作为可能的一些实现方式，采用离子注入和直接键合相结合制备铌酸锂平面波导本体。
作为可能的一些实现方式，所述非晶硅薄膜的沉积在氢气或氩气环境中进行。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开所述的内容通过异质集成的方式实现了LNOI上光电探测器的制备，为LNOI上集成光芯片的实现探索了道路。
本公开所述的光电探测器的制作工艺简单，光电探测器有很多种类，本公开所制备的金属-半导体-金属(MSM)型光电探测器结构简单，不需要形成pn结，且具有高速、暗电流低及尺寸小等优势。
本公开所述的光电探测器具有较低的暗电流，在10V偏压下，在不同条件下制备的探测器的暗电流分别为9.4nA、9.7nA、1.1nA。
本公开所述的内容通过采用离子注入技术与直接键合技术相结合制作出具有高折射率差的铌酸锂平面波导本体，铌酸锂薄膜层和二氧化硅层之间存在较大的折射率差，约为0.7，从而制备出更好的LNOI，以实现与光电探测器的更完美结合，提高光电探测器的响应速率。
附图说明
图1为本公开实施例1所述的铌酸锂平面波导上的光电探测器的结构示意图。
图2为本公开实施例2所述的铌酸锂平面波导上的光电探测器的制备方法流程图。
图3为本公开实施例2所述的在10V偏压和520nm波长的光耦合入射下光电探测器的开关特性。
1-Ni/Au叉指电极；2-非晶硅薄膜；3-铌酸锂薄膜；4-非晶硅二氧化硅层；5-铌酸锂衬底。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种铌酸锂平面波导上的光电探测器，自下而上分别包括铌酸锂平面波导本体、非晶硅薄膜2和Ni/Au叉指电极1，所述铌酸锂平面波导本体自下而上依次包括铌酸锂衬底5、非晶硅二氧化硅层4和铌酸锂薄膜3。
所述非晶硅二氧化硅层4的厚度为2±0.5μm，优选的为2μm；所述铌酸锂薄膜3的厚度为0.5±0.1μm，优选的为0.5μm。
所述非晶硅薄膜2的厚度为50nm～200nm，优选的为70nm、100nm或150nm。
光电探测器的工作原理为：一个具有足够能量的光子与半导体材料(非晶硅薄膜)相互作用，将能量传递给价带中的电子，使其获得足够的能量跃迁到导带并在价带留下一个空穴，电子和空穴均可在材料中自由移动；在理想的光电探测器中，每一个被吸收的光子都能产生一个电子-空穴对，两者会在外加偏压作用下向相反方向移动形成电流，实现光信号的电学探测。
实施例2：
如图2所示，本公开实施例2提供了一种铌酸锂平面波导上的光电探测器的制备方法，步骤如下：
制备铌酸锂平面波导本体，自下而上依次包括铌酸锂衬底、二氧化硅层和铌酸锂薄膜；
利用PECVD在铌酸锂薄膜表面沉积一层非晶硅薄膜；
利用掩模方法通过电子束蒸发工艺在硅薄膜表面沉积了Ni+Au叉指电极。
利用化学机械抛光的方式将的两端面分别进行抛光，通过端面耦合的方式进行所述光电探测器的测量，得到探测器的暗电流、响应时间等光学参量。
具体测试方法为：采用端面耦合测试系统，从激光器中出射的光通过锥形透镜光纤耦合进LNOI平面波导中，探测器表面的两个叉指电极分别接keithley 2400数字源表的正负极。输出端的光由一个40倍的显微物镜聚焦至功率计，用来测量出射光的输出功率。数字源表用来对器件施加电压，并检测器件产生的光电流。通过对激光器的控制实现光电特性的测试。首先，关闭激光器，通过数字源表给光电探测器加载10V的偏压，测试探测器的暗电流；其次，通过控制激光器的开和关，测试此时光电探测器的响应时间。
采用离子注入和直接键合相结合制备铌酸锂平面波导本体，具体为将能量是250KeV，剂量是4×1016ion/cm2的He离子注入到铌酸锂单晶中，然后将注入面键合在SiO2沉底上，键合完成的样品放入退火炉中进行热处理。使注入层中的He+以氦气的形式释放出来，形成空腔，注入层最后发生断裂，铌酸锂就以薄膜的形式保留在二氧化硅上。经过后续的机械抛光和退火，即可得到高质量的单晶薄膜。
所述非晶硅薄膜的沉积在氢气或氩气环境中进行，而影响光电探测器的主要因素为硅薄膜的沉积条件，因此，本公开对不同沉积条件下光电探测器的开关特性进行了研究，具体沉积参数如表1所示：
表1非晶硅薄膜的沉积条件
通过控制激光器的开关测试了条件1，2，3下制备的光电探测器的时间响应曲线，如图3所示，为外加偏压为10V和照射波长为520nm时基于氢气氛围(条件1和条件2)和氦气氛围(条件3)沉积的硅薄膜制备的光电探测器的时间响应曲线；
与在氦气氛围下沉积的硅薄膜相比，氢气氛围下制备的硅薄膜表面悬键和内部的点缺陷较少，对光生电子的散射作用较小，因此基于氢气氛围沉积的薄膜制备的光电探测器具有较好的开关特性。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种铌酸锂平面波导上的光电探测器，其特征在于，自下而上分别包括铌酸锂平面波导本体、硅薄膜和叉指电极，所述硅薄膜为非晶硅薄膜，沉积方法为利用PECVD在铌酸锂薄膜表面沉积一层非晶硅薄膜，所述非晶硅薄膜在氢气或氦气环境中进行沉积，厚度为50nm～200nm；所述铌酸锂平面波导本体自下而上依次包括铌酸锂衬底、二氧化硅层和铌酸锂薄膜；所述二氧化硅层的厚度为2±0.5μm，所述铌酸锂薄膜的厚度为0.5±0.1μm。
2.如权利要求1所述的铌酸锂平面波导上的光电探测器，其特征在于，所述叉指电极为Ni/Au叉指电极或Au叉指电极。
3.如权利要求1所述的铌酸锂平面波导上的光电探测器，其特征在于，所述二氧化硅层为非晶硅二氧化硅层。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的铌酸锂平面波导上的光电探测器的制备方法，其特征在于，步骤如下：
制备铌酸锂平面波导本体，自下而上依次包括铌酸锂衬底、二氧化硅层和铌酸锂薄膜；
利用PECVD在铌酸锂薄膜表面沉积一层非晶硅薄膜；
利用掩模方法通过电子束蒸发工艺在硅薄膜表面沉积Ni+Au叉指电极。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
利用化学机械抛光的方式将光电探测器的两端面分别进行抛光，通过端面耦合的方式进行测量，得到光电探测器的暗电流、响应时间等光学参量。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用离子注入和直接键合相结合制备铌酸锂平面波导本体。
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