CN112993074A - 光电探测器、制备方法及光电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电探测器、制备方法及光电器件，光电探测器包括：衬底、设置在所述衬底上的绝缘层，以及设置在所述绝缘层上的氮化硅波导；所述光电探测器还包括电介质层和二维过渡金属硫化物层，所述电介质层覆盖在所述氮化硅波导和露出的绝缘层上，所述二维过渡金属硫化物层覆盖在所述电介质层上；所述露出的绝缘层指所述绝缘层表面未被所述氮化硅波导覆盖的部分。本发明利用氮化硅波导和二维过渡金属硫化物异质结构所产生的光电导效应，不仅能够实现探测波长可调，还能实现大带宽、高响应度、快响应速度和低功耗，并易于与硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件和半导体制造技术领域，具体涉及一种光电探测器、制备方法及光电器件。
背景技术
光电探测器是一种以将光信号转换成电信号为目标的光电器件，普遍应用于光通信、信号处理、环境传感、监测和成像等多个领域。现有的、比较成熟的光电探测器是基于传统半导体材料构建的，比如说锗硅光电探测器和混合III-V族光电探测器等。但是由于晶格常数和热膨胀系数不匹配，这些探测器很难与硅基光子学平台集成，且不易与互补金属氧化物半导体CMOS制造工艺兼容。另一方面，基于三维半导体材料的光电器件正接近其物理极限，其尺寸无法进一步缩小以满足摩尔定律。因而，随着新数据时代对光电探测器的尺寸、性能等方面的要求不断提高，现有基于三维半导体材料的探测器已经不再具有优势。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提出一种光电探测器、制备方法及光电器件。
具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种光电探测器，包括：衬底、设置在所述衬底上的绝缘层，以及设置在所述绝缘层上的氮化硅波导；
所述光电探测器还包括电介质层和二维过渡金属硫化物层，所述电介质层覆盖在所述氮化硅波导和露出的绝缘层上，所述二维过渡金属硫化物层覆盖在所述电介质层上；所述露出的绝缘层指所述绝缘层表面未被所述氮化硅波导覆盖的部分；所述氮化硅波导与所述电介质层，以及所述二维过渡金属硫化物层构成范德瓦尔斯接触，形成异质结；
其中，通过所述二维过渡金属硫化物层的激子和所述氮化硅波导的光波导模式的耦合作用，增强所述二维过渡金属硫化物层中的过渡金属硫化物对传输至所述光电探测器的信号光的横向吸收，提高光电响应度。
进一步地，所述光电探测器，还包括：第一氮化硅耦合器和第二氮化硅耦合器；
所述第一氮化硅耦合器设置在所述氮化硅波导的一端，所述第二氮化硅耦合器设置在所述氮化硅波导的另一端；
传输到所述光电探测器的信号光由所述第一氮化硅耦合器传入，并由所述第二氮化硅耦合器传出。
进一步地，所述光电探测器，还包括：第一电极和第二电极；所述第一电极和所述第二电极设置在所述氮化硅波导的两侧；
其中，通过调整所述第一电极、所述第二电极和所述衬底之间的电压，用来分离氮化硅和二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，以调整光电流大小；和/或，通过控制所述氮化硅波导的光波导模式，调控所述氮化硅波导与所述二维过渡金属硫化物层的激子耦合作用的强弱，以改变过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收强度。
进一步地，所述第一电极设置在所述氮化硅波导一侧的二维过渡金属硫化物层上，且在所述第一电极和所述二维过渡金属硫化物层之间设置有氧化层，所述第二电极设置在所述氮化硅波导另一侧的二维过渡金属硫化物层上，且在所述第二电极和所述二维过渡金属硫化物层之间没有氧化层；所述第一电极和所述第二电极均由金或钛形成，所述氧化层由三氧化二铝Al2O3形成。
进一步地，所述氮化硅波导为脊型波导、沟道型波导和一维光子晶体波导中的任意一种。
进一步地，所述二维过渡金属硫化物层由单层的二硫化钨WS2、二硒化钨WSe2、碲化钨WTe2、二硫化钼MoS2、二硒化钼MoSe2、二碲化钼MoTe2形成，或者由WS2、WSe2、WTe2、MoS2、MoSe2、MoTe2中的任意两种构成的范德瓦尔斯异质结形成。
进一步地，所述衬底由P++型掺杂的单晶硅形成，充当栅极，所述绝缘层由二氧化硅形成，所述绝缘层的厚度大于或等于1微米且小于或等于2微米，所述电介质层由六方氮化硼h-BN形成，所述电介质层的厚度为10-20纳米。
第二方面，本发明实施例提供了一种光电器件，包括如第一方面所述的光电探测器。
第三方面，本发明实施例提供了一种如第一方面所述的光电探测器的制备方法，包括：
在所述衬底上形成所述绝缘层；
在所述绝缘层上形成所述氮化硅波导；
在所述氮化硅波导和露出的绝缘层上形成所述电介质层；
采用低残留胶带机械剥离法制备所述二维过渡金属硫化物层，并使用干法转移到所述电介质层上。
第四方面，本发明实施例提供了一种如第一方面所述的光电探测器的使用方法，包括：
通过控制所述氮化硅波导的光波导模式，调控所述氮化硅波导与所述二维过渡金属硫化物层的激子耦合作用的强弱，以改变过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收强度；和/或，
通过调整第一电极、第二电极和衬底之间的电压，用来分离氮化硅和二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，以调整光电流大小。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的光电探测器，包括：衬底、设置在所述衬底上的绝缘层，以及设置在所述绝缘层上的氮化硅波导；所述光电探测器还包括电介质层和二维过渡金属硫化物层，所述电介质层覆盖在所述氮化硅波导和露出的绝缘层上，所述二维过渡金属硫化物层覆盖在所述电介质层上；所述露出的绝缘层指所述绝缘层表面未被所述氮化硅波导覆盖的部分；通过所述二维过渡金属硫化物层的激子和所述氮化硅波导的光波导模式的耦合作用，增强所述二维过渡金属硫化物层中的过渡金属硫化物对传输至所述光电探测器的信号光的横向吸收，提高光电响应度。由此可见，本发明实施例通过二维过渡金属硫化物的激子和氮化硅光波导模式的耦合作用增强过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收，导致该异质结中的载流子密度明显提高，进而允许大的光电流产生。本发明实施例利用氮化硅波导和二维过渡金属硫化物异质结构所产生的光电导效应，不仅能够实现探测波长可调，还能实现大带宽、高响应度、快响应速度和低功耗，并易于与硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例提供的光电探测器组成示意图；
图2是本发明另一个实施例提供的光电探测器的俯视图；
图3是本发明另一个实施例提供的光电探测器的侧视图；
图4是本发明另一个实施例提供的不同激发光波长下的氮化硅波导有效折射率的示意图；
图5是本发明一实施例提供的光电探测器的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
正如背景技术部分所述，光电探测器是一种以将光信号转换成电信号为目标的光电器件，普遍应用于光通信、信号处理、环境传感、监测和成像等多个领域。现有的、比较成熟的光电探测器是基于传统半导体材料构建的，比如说锗硅光电探测器和混合III-V族光电探测器等。但是由于晶格常数和热膨胀系数不匹配，这些探测器很难与硅基光子学平台集成，且不易与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺兼容。另一方面，基于三维半导体材料的光电器件正接近其物理极限，其尺寸无法进一步缩小以满足摩尔定律。因而，随着新数据时代对光电探测器的尺寸、性能等方面的要求不断提高，现有基于三维半导体材料的探测器已经不再具有优势。
针对该问题，作为类石墨烯的二维材料，具有优异力、热、光、电特性的过渡金属硫化物(TMDCs)成为了可以考虑的对象。在介绍本实施例提供的基于氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结的光电探测器之前，先对二维过渡金属硫化物进行简单介绍。近年来，TMDCs已成为二维材料家族的一个新成员，TMDCs的化学表达式为MX2，其中M代表过渡金属(Mo、W等)，X代表硫族元素(S、Se、Te)。单层二硫化钨(WS2)，二硒化钨(WSe2)，二硫化钼(MoS2)，和二硒化钼(MoSe2)是四个典型的例子，其直接带隙在1.0–2.5eV范围内。值得注意的是，TMDCs的带隙结构可以通过多种方法进行调节，如改变层数、诱发元素缺陷，或与其他二维材料形成范德瓦尔斯异质结，进而拥有较大的工作波长范围。由于激子特性、大的结合能和强的光-物质相互作用，单层TMDCs与多层膜相比具有独特的光致发光(PL)特性，其PL共振峰的位置在590–750纳米左右，线宽为2–6meV。具备超短PL寿命(皮秒量级)的TMDCs在高速通信中具有很好的应用前景。此外，在单层TMDCs中也发现了较强的光吸收(>10％)，是光电探测器的良好候选材料。最后，TMDCs反转对称性的破坏将导致大的光学非线性，使得光学非线性功能和全光信号处理成为可能。由于二维过渡金属硫化物是一种薄膜材料，光在薄膜中传播时相互作用距离较短，从而限制了二维过渡金属硫化物对光的吸收。
另一方面，虽然硅基光电子学在片上光通信领域非常有前景，但一个完整的光网络需要光的产生、调制和检测，而这在一个单纯的硅基平台上是很难实现的。由于晶格常数和热膨胀系数不匹配，用于光探测的锗和用于光产生的III–V材料的生长在硅衬底上具有技术挑战性。并且晶体生长过程中由于缺陷而产生的缺陷也会限制此类器件的光学和电学性能。为了解决该问题，二维过渡金属硫化物和氮化硅波导集成的混合波导可能成为理想的方案。基于此，本申请将二维过渡金属硫化物与氮化硅波导进行集成，用于实现大带宽、高响应的片上光电探测。
与此同时，TMDCs表面自然钝化无悬挂键，因而易于与氮化硅波导、硅基光波导等集成，也易于与硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，能够大规模集成到光电子网络上。此外，目前基于TMDCs的光电探测器的工作原理主要包括光电导效应、光伏效应、光热电效应等。这些探测器的功能往往只是局限于单一的功能，而无法同时实现多种功能。在实际应用过程中，发明人发现现有的基于TMDCs的光电探测器无法同时实现探测波长可调、大带宽、高响应度、快响应速度和低功耗等功能。本申请的提出可以很好地解决上述问题，下面将结合附图和具体实施例对本发明提供的方案进行详细解释和说明。
图1示意出了本发明一个实施例提供的光电探测器组成示意图；图2示意出了本发明另一个实施例提供的光电探测器的俯视图；图3示意出了本发明另一个实施例提供的光电探测器的侧视图。如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的光电探测器，包括：衬底101、设置在所述衬底上的绝缘层102，以及设置在所述绝缘层上的氮化硅波导103；
所述光电探测器还包括电介质层106和二维过渡金属硫化物层107，所述电介质层覆盖在所述氮化硅波导103和露出的绝缘层102上，所述二维过渡金属硫化物层107覆盖在所述电介质层106上；所述露出的绝缘层102指所述绝缘层表面未被所述氮化硅波导覆盖的部分；
其中，通过所述二维过渡金属硫化物层107的激子和所述氮化硅波导103的光波导模式的耦合作用，增强所述二维过渡金属硫化物层中的过渡金属硫化物对传输至所述光电探测器的信号光的横向吸收，提高光电响应度。
在本实施例中，通过二维过渡金属硫化物层107的激子和氮化硅波导103的光波导模式之间的强耦合作用，增强过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收，从而导致该异质结中的载流子密度明显提高，进而允许大的光电流产生。
在本实施例中，所述氮化硅波导103与所述电介质层106，以及所述二维过渡金属硫化物层107构成范德瓦尔斯接触，形成异质结，因而能同时获得所述氮化硅波导103和所述二维过渡金属硫化物层107的优异的光电特性。
此外，所述氮化硅波导103与所述电介质层106，以及所述二维过渡金属硫化物层107构成范德瓦尔斯接触，形成异质结还有可能引发一些新颖的低维物理现象，进而也有利于丰富光电探测器的性能。
本实施例提供的光电探测器中氮化硅波导为一维结构，可以是脊型波导、沟道型波导、一维光子晶体波导中的任意一种。
本实施例提供的光电探测器中二维TMDCs层，可以是单层TMDCs，也可以是TMDCs异质结。
本实施例在氮化硅波导上制作二维TMDCs层，利用了二维TMDCs中较强的光吸收(>10％)特性，再加上TMDCs表面自然钝化无悬挂键，因而易于与氮化硅波导集成。这种集成方式使得二维TMDCs层的激子和氮化硅波导的光波导模式耦合，增强过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收，从而导致该异质结中的载流子密度明显提高，进而允许大的光电流产生。通常，氮化硅波导的厚度为250纳米，宽度在380纳米-1500纳米之间。当激发光的波长大于0.4微米，小于2.0微米时，光电探测器即可对激发光进行探测，并且利用光电导效应把光信号转换为电信号。
具体来说，本实施例提供的光电探测器通过设计合适的一维氮化硅波导，并将二维TMDCs用作吸收材料，与一维氮化硅波导耦合，实现增强混合结构对光的横向吸收。由于二维TMDCs和氮化硅波导的强耦合作用，以及二维TMDCs优异的物理学特性，该基于氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结的光电探测器不仅能够实现探测波长可调，还能实现大带宽、高响应度、快响应速度和低功耗，并易于与硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，是解决片上光探测器的重要解决方案。具体地，设计合适的一维氮化硅波导，并将二维TMDCs用作吸收材料，与一维氮化硅波导耦合，获得具有超强横向吸收能力的混合结构用作光探测器。当一定功率的信号光从一维氮化硅波导的输入端入射，便可在经过光电导效应转化成电信号输出。由此可见，本实施例提供的基于氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结的光电探测器，在氮化硅波导和绝缘层上制作一层电介质层，并在电介质层上覆盖二维过渡金属硫化物层。通过二维过渡金属硫化物的激子和氮化硅波导的光波导模式之间的强耦合作用，增强过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收，从而导致该异质结中的载流子密度明显提高，进而允许大的光电流产生，使得在不需要高激发光功率和高偏置电压的情况下也能产生较好的光响应度。此外，二维过渡金属硫化物表面自然钝化无悬挂键，因而易于与氮化硅光波导集成，也易于与硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，能够大规模集成到光电子网络上。
综上所述，本发明实施例通过二维过渡金属硫化物的激子和氮化硅光波导模式的耦合作用增强过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收，导致该异质结中的载流子密度明显提高，进而允许大的光电流产生。本发明实施例利用氮化硅波导和二维过渡金属硫化物异质结构所产生的光电导效应，不仅能够实现探测波长可调，还能实现大带宽、高响应度、快响应速度和低功耗，并易于与硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容。
在本实施例中，所述电介质层可以为六方氮化硼h-BN电介质层，所述氮化硅波导与所述电介质层，以及二维TMDCs层构成范德瓦尔斯接触形成的异质结为氮化硅/h-BN/TMDCs异质结。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，参见图2，光电探测器，还包括：第一氮化硅耦合器104和第二氮化硅耦合器105；
所述第一氮化硅耦合器104设置在所述氮化硅波导103的一端，所述第二氮化硅耦合器105设置在所述氮化硅波导103的另一端；
传输到所述光电探测器的信号光由所述第一氮化硅耦合器104传入，并由所述第二氮化硅耦合器105传出。
在本实施例中，可以理解的是，氮化硅耦合器用于将光从与氮化硅耦合器连接的光纤中传播到氮化硅波导中，减小传输损耗。所述第一氮化硅耦合器设置在所述氮化硅波导一端，所述第二氮化硅耦合器设置在所述氮化硅波导另一端，传输到所述光电探测器的激发光由所述第一氮化硅耦合器传入，并由所述第二氮化硅耦合器传出。第一氮化硅耦合器和第二氮化硅耦合器均制作在硅衬底和绝缘层上，即绝缘体硅(SOI)。值得一提的是，绝缘体硅(SOI)平台被视为实现下一代芯片级光互联网络中的重要途径，不仅能够极大地扩大系统的带宽，还能利用其可调谐且强大的光学特性提升现有模块的性能和扩充新功能，如片上光源、光学调制器、模式复用器、光学放大器和开关等。但是基于SOI的高性能片上探测器很难同时实现探测波长可调、大带宽、高响应度快响应速度和低功耗，主要原因在于：硅是间接电子带隙结构，不能直接探测1.2微米以上的光；而现有的用于光探测的锗，由于晶格常数和热膨胀系数不匹配，其生长在硅衬底上具有技术挑战性，并且晶体生长过程中由于缺陷而产生的缺陷也会限制此类器件的光学和电学性能。因此片上光探测需要研究此类基于氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结的光电探测器。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，参见图3，光电探测器，还包括：第一电极109和第二电极110；所述第一电极109和所述第二电极110设置在所述氮化硅波导103的两侧；在调节光电导效应的过程中，可以通过在第一电极109、第二电极110和所述衬底101(栅极)之间加上合适的电压，该电压主要是用来分离氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，从而形成光电流。
例如，通过调整所述第一电极109、所述第二电极110和所述衬底101(栅极)之间的电压，用来分离氮化硅和二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，以调整光电流大小，例如形成强度大于预设阈值的光电流。
具体地，第一电极、第二电极和和所述衬底之间的电压实际上调控的是混合结构中的光电流的强度。
为了增强二维过渡金属硫化物的激子和氮化硅波导的光波导模式耦合，以获得对传输的信号光更强的横向吸收，进而获得高光响应度，本实施例在优化设计氮化硅波导的同时，也会选择不同的二维过渡金属硫化物及其异质结与氮化硅波导集成。因此，进一步地，当通过调整所述二维过渡金属硫化物层的吸收峰的波长与激发光波长相等时，二维过渡金属硫化物层的激子和氮化硅波导的光波导模式耦合作用最强，光电探测器达到最好的光响应度。
此外，在本实施例中，除了可以调整光电流大小以外，还可以通过控制所述氮化硅波导的光波导模式，调控所述氮化硅波导与所述二维过渡金属硫化物层的激子耦合作用的强弱，以改变过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收强度。需要说明的是，通过调整所述第一电极、所述第二电极和所述衬底之间的电压，用来分离氮化硅和二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，以调整光电流大小的方案与通过控制所述氮化硅波导的光波导模式，调控所述氮化硅波导与所述二维过渡金属硫化物层的激子耦合作用的强弱，以改变过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收强度的方案可以同时存在，也可以各自单独存在。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述第一电极设置在所述氮化硅波导一侧的二维过渡金属硫化物层上，且在所述第一电极和所述二维过渡金属硫化物层之间设置有氧化层，所述第二电极设置在所述氮化硅波导另一侧的二维过渡金属硫化物层上，且在所述第二电极和所述二维过渡金属硫化物层之间没有氧化层；所述第一电极和所述第二电极均由金或钛形成，所述氧化层由Al2O3形成。
在本实施例中，如图3所示，所述第一电极109设置在所述氮化硅波导103一侧的二维过渡金属硫化物层107上，且在所述第一电极109和所述二维过渡金属硫化物层107之间设置有氧化层108，所述第二电极110设置在所述氮化硅波导103另一侧的二维过渡金属硫化物层107上，且在所述第二电极110和所述二维过渡金属硫化物层107之间没有氧化层；所述第一电极109和所述第二电极110均由金或钛形成，所述氧化层108由Al2O3形成。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述氮化硅波导为脊型波导、沟道型波导和一维光子晶体波导中的任意一种；
和/或，
所述二维过渡金属硫化物层由单层的WS2、WSe2、WTe2、MoS2、MoSe2、MoTe2形成，或者由WS2、WSe2、WTe2、MoS2、MoSe2、MoTe2中的任意两种构成的范德瓦尔斯异质结形成。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述衬底由P++型掺杂的单晶硅形成，充当栅极，所述绝缘层由二氧化硅形成，所述绝缘层的厚度大于或等于1微米且小于或等于2微米，所述电介质层由h-BN形成，所述电介质层的厚度为10-20纳米。
本实施例提供的光电探测器中，基于氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结的光电导效应对信号光进行探测，不需要通过复杂的材料生长和微纳加工工艺，且不需要高激发光功率和高偏置电压。基于氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结的光电探测器的光响应度高达500A/W，响应时间为毫秒量级，入射光功率在毫瓦量级，偏置电压在几百毫伏量级，而且能在0.4-2.0微米可见光至中红外范围内进行探测，满足云计算中心的工作波长(1310纳米)、现代通信波段(1550纳米)以及其他波段(E、S、L、U波段)的需求。不需要高激发光功率和高偏置电压，克服了“基于硅基波导的光电探测器”和“硅锗基光电探测器”方案无法用于片上光互联的缺点；不需要在硅衬底上生长高质量III-V族材料，克服了“混合III-V族光电探测器”方案晶格失配、较大功率损耗以及不易集成的缺点。因此，本实施例提供的光电探测器对于片上光电探测器的实现、集成化、光响应度、光探测带宽以及响应时间的提升意义重大，对于片上光网络和未来高性能计算机的发展意义重大。
图4为本实施例提供的光电探测器中氮化硅波导有效折射率的示意图，参见图4，激发光采用垂直于一维氮化硅波导横截面的方向入射一维氮化硅波导，这种实现方式的探测器主要为平面内传输的光电探测器。经过光电导效应后，转换的电信号通过所述光电探测器的源极(第一电极)、漏极(第二电极)和栅极(P型硅衬底)传输到双通道数字源表上，用来测量电信号。
参见图4，氮化硅波导采用的是沟道型波导，两个波导的厚度和宽度均为250纳米，间隙为80纳米。当激发光波长从0.4微米增大到2.2微米时，其有效折射率从1.9降低到1.38，这是由于沟道型氮化硅波导对光的色散效应。由此可见，在基于氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结的光电探测器中，探测光波长范围是0.4微米-2.0微米。
进一步地，参见图1-3，由所述信号光通过所述光电探测器的第一氮化硅耦合器传入所述光电探测器，并从所述光电探测器的第二氮化硅耦合器传出，第二氮化硅耦合器通过锥形光纤与外接的光电探测器连接，以检测是否有信号光经过所述光电探测器；同时，经过光电导效应，转换的电信号通过所述光电探测器的源极(第一电极)、漏极(第二电极)和栅极(P型硅衬底)传输到双通道数字源表上，用来测量电信号。
以下对光电探测器的使用过程进行示例描述，光电探测器是在室温下工作，如图1-图3所示，激发光采用连续波光源，经过偏正片和分束镜导出的可见光或者红外波段的激光，功率大约为几十毫瓦,激发光是利用单模光纤与第一氮化硅耦合器相连接，然后传播到一维氮化硅波导。激发光光强足够强时，二维过渡金属硫化物与一维氮化硅波导混合结构产生高浓度的载流子，进而允许高的光响应度产生；然后，从一维氮化硅波导传出的信号光经过第二氮化硅耦合器与单模光纤相连，并由CCD相机和光谱仪采集；与此同时，使用双通道数字源表在光电探测器的源极(第一电极)、漏极(第二电极)和栅极(P型硅衬底)上施加偏置电压，经过光电导效应后，转换的电信号也传输到双通道数字源表上，用于测量光电流。
本发明另一实施例提供了一种光电器件，包括如上述实施例所述的光电探测器。
本实施例提供的光电器件可以是光谱仪、感应器等CMOS器件，当然也可以是其他包含了上述实施例所述的光电探测器光电器件，本实施例对此不作限制。
在本实施例中，需要说明的是，由于本实施例提供的光电器件包括上述实施例所述的光电探测器，因此其工作原理和有益效果类似，此处不再赘述，具体可参见上述实施例的介绍。
本发明另一实施例提供了一种如上述实施例所述的光电探测器的制备方法，如图5所述，包括如下处理过程：
步骤201：在所述衬底上形成所述绝缘层；
步骤202：在所述绝缘层上形成所述氮化硅波导；
步骤203：在所述氮化硅波导和露出的绝缘层上形成所述电介质层；
步骤204：采用低残留胶带机械剥离法制备所述二维过渡金属硫化物层，并使用干法转移到所述电介质层上。
在本实施例中，可以先在所述衬底上形成所述绝缘层，然后在所述绝缘层上形成所述氮化硅波导，接着在所述氮化硅波导一端制作所述第一氮化硅耦合器，在所述氮化硅波导另一端制作所述第二氮化硅耦合器，然后在所述氮化硅波导和露出的绝缘层上形成所述电介质层，最后采用低残留胶带机械剥离法制备了所述二维过渡金属硫化物层,然后使用干法转移到所述电介质层上。
可以理解的是，氮化硅耦合器用于将光从与氮化硅耦合器连接的光纤中传播到氮化硅波导中，减小传输损耗，或者用于将光从氮化硅波导中传出。氮化硅波导满足单模模式，具备高折射率对比度和模式限制因子,其拉曼放增益大于损耗，工作波长范围是0.4-2.0微米。h-BN电介质层制作在一维氮化硅波导之上，在二维TMDCs层之下，其厚度为10-20纳米。
进一步地，在上述各实施例的基础上，还包括：
在所述氮化硅波导一侧的二维TMDCs层上形成氧化层，在所述氧化层上通过电子束刻蚀技术形成所述第一电极；
在所述氮化硅波导另一侧的二维TMDCs层上通过电子束刻蚀技术形成所述第二电极。
具体地，二维TMDCs层是采用低残留胶带机械剥离法从单晶上剥离制作的，然后被干法转移到h-BN电介质层上。用原子层沉积法在二维TMDCs一侧表面镀一层5-20纳米的Al2O3薄膜(氧化层)，并采用电子束刻蚀技术蒸发钛/金(10纳米/65纳米),分别沉积在Al2O3薄膜上和另一侧的二维TMDCs上表面，完成第一电极和第二电极的制作。
在调节光电导效应的过程中，可以通过在第一电极和第二电极之间加上合适的电压，该电压主要是用来分离氮化硅/二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，从而形成光电流；由于二维过渡金属硫化物的激子和氮化硅光波导模式之间的强耦合作用能增强过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收，因而该异质结中的载流子密度明显提高，进而允许大的光电流产生。
本发明另一实施例提供了如上述实施例所述的光电探测器的使用方法，包括：
通过控制所述氮化硅波导的光波导模式，调控所述氮化硅波导与所述二维过渡金属硫化物层的激子耦合作用的强弱，以改变过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收强度；和/或，
通过调整第一电极、第二电极和衬底之间的电压，用来分离氮化硅和二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，以调整光电流大小。
由此可见，本实施例通过控制所述氮化硅波导的光波导模式，调控所述氮化硅波导与所述二维过渡金属硫化物层的激子耦合作用的强弱，能够改变过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收强度。此外，本实施例通过调整第一电极、第二电极和衬底之间的电压，用来分离氮化硅和二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，能够调整光电流大小。本实施例提供的光电探测器能大大增强光电探测器的光响应，本实施例能够实现大带宽、快响应速度、低功耗，高度集成化的光电探测器件。
本实例提供的光电探测器与其他光电探测器相比，具有如下优点：(1)由于二维过渡金属硫化物-氮化硅波导的强耦合作用，能增强过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收，因而该异质结中的载流子密度明显提高，进而允许高响应度。此外，二维过渡金属硫化物和氮化硅波导均具有超快响应速率，保证了基于二维过渡金属硫化物-氮化硅波导异质结的光电探测器的快速探测速度。(2)二维过渡金属硫化物和氮化硅波导都具有超大带宽。典型的二维TMDCs的直接带隙在1.0–2.5eV范围内，但带隙结构可以通过多种方法进行调节，如改变层数、诱发元素缺陷，或与其他二维材料形成范德瓦尔斯异质结，因而允许较大的工作波长范围。另外，氮化硅波导的工作带宽也覆盖了0.4-2微米的频段。因此，二维过渡金属硫化物和氮化硅波导的工作波长在很大范围内有重合，保证了基于二维过渡金属硫化物-氮化硅波导异质结的光电探测器的超大工作带宽。(3)低功耗应用。本实例提供的光电探测器使用多层石墨烯作为背栅和薄h-BN作为电介质，因而能对二维过渡金属硫化物中的载流子密度进行更有效的静电控制，降低了操作光电探测器所需的电压和激发光功率阈值。(4)易于与CMOS工艺集成。二维TMDCs表面自然钝化无悬挂键，使其易于与光子结构如硅基光波导和硅基光腔集成，也可以与其他不同的二维材料构建垂直异质结，因而能够与高度成熟的硅光电子学平台和CMOS集成工艺兼容，而不存在常规晶格失配问题。
综上，利用二维过渡金属硫化物与氮化硅波导集成，实现了对可见光至近红外范围内光的快速探测。本实施例提供的光电探测器通过设计合适的氮化硅波导，并调节二维过渡金属硫化物的能带结构，让氮化硅波导和二维过渡金属硫化物实现强耦合，能增强过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收，允许大的光电流产生。氮化硅波导几何结构的设计也需要考虑实验条件，如选取合适的激发光波长，该波长要氮化硅波导的能带内，同时应选择尽可能低的氮化硅波导的本征损耗。更重要的是，通过电学控制调节二维过渡金属硫化物中的载流子密度，对光电探测器的光响应度进行更有效的静电控制。该设计方案能大大增强光电探测器的光响应，对于大带宽、快响应速度、低功耗，高度集成化的光电探测器件发展意义重大。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种光电探测器，其特征在于，包括：衬底、设置在所述衬底上的绝缘层，以及设置在所述绝缘层上的氮化硅波导；
所述光电探测器还包括电介质层和二维过渡金属硫化物层，所述电介质层覆盖在所述氮化硅波导和露出的绝缘层上，所述二维过渡金属硫化物层覆盖在所述电介质层上；所述露出的绝缘层指所述绝缘层表面未被所述氮化硅波导覆盖的部分；所述氮化硅波导与所述电介质层，以及所述二维过渡金属硫化物层构成范德瓦尔斯接触，形成异质结；
其中，通过所述二维过渡金属硫化物层的激子和所述氮化硅波导的光波导模式的耦合作用，增强所述二维过渡金属硫化物层中的过渡金属硫化物对传输至所述光电探测器的信号光的横向吸收，提高光电响应度。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，还包括：第一氮化硅耦合器和第二氮化硅耦合器；
所述第一氮化硅耦合器设置在所述氮化硅波导的一端，所述第二氮化硅耦合器设置在所述氮化硅波导的另一端；
传输到所述光电探测器的信号光由所述第一氮化硅耦合器传入，并由所述第二氮化硅耦合器传出。
3.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，还包括：第一电极和第二电极；所述第一电极和所述第二电极设置在所述氮化硅波导的两侧；
其中，通过调整所述第一电极、所述第二电极和所述衬底之间的电压，用来分离氮化硅和二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，以调整光电流大小；和/或，通过控制所述氮化硅波导的光波导模式，调控所述氮化硅波导与所述二维过渡金属硫化物层的激子耦合作用的强弱，以改变过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收强度。
4.根据权利要求3所述的光电探测器，其特征在于，所述第一电极设置在所述氮化硅波导一侧的二维过渡金属硫化物层上，且在所述第一电极和所述二维过渡金属硫化物层之间设置有氧化层，所述第二电极设置在所述氮化硅波导另一侧的二维过渡金属硫化物层上，且在所述第二电极和所述二维过渡金属硫化物层之间没有氧化层；所述第一电极和所述第二电极均由金或钛形成，所述氧化层由三氧化二铝Al2O3形成。
5.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述氮化硅波导为脊型波导、沟道型波导和一维光子晶体波导中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述二维过渡金属硫化物层由单层的二硫化钨WS2、二硒化钨WSe2、碲化钨WTe2、二硫化钼MoS2、二硒化钼MoSe2、二碲化钼MoTe2形成，或者由WS2、WSe2、WTe2、MoS2、MoSe2、MoTe2中的任意两种构成的范德瓦尔斯异质结形成。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述衬底由P++型掺杂的单晶硅形成，充当栅极，所述绝缘层由二氧化硅形成，所述绝缘层的厚度大于或等于1微米且小于或等于2微米，所述电介质层由六方氮化硼h-BN形成，所述电介质层的厚度为10-20纳米。
8.一种光电器件，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的光电探测器。
9.一种如权利要求1～7任一项所述的光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在所述衬底上形成所述绝缘层；
在所述绝缘层上形成所述氮化硅波导；
在所述氮化硅波导和露出的绝缘层上形成所述电介质层；
采用低残留胶带机械剥离法制备所述二维过渡金属硫化物层，并使用干法转移到所述电介质层上。
10.一种如权利要求1～7任一项所述的光电探测器的使用方法，其特征在于，包括：
通过控制所述氮化硅波导的光波导模式，调控所述氮化硅波导与所述二维过渡金属硫化物层的激子耦合作用的强弱，以改变过渡金属硫化物对传输的信号光的横向吸收强度；和/或，
通过调整第一电极、第二电极和衬底之间的电压，用来分离氮化硅和二维过渡金属硫化物异质结中的载流子，以调整光电流大小。
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