CN113270517B - 集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成芯片领域，公开了一种集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，制备的光电探测器包括：衬底（1），形成于衬底（1）上的光波导（2），设置在光波导（2）的光耦合输入端（3）的1×2光分束器（4），覆盖在光波导（2）表面上的低维材料异质结薄膜（5），在低维材料异质结薄膜（5）两端、光波导（2）两侧还分别覆盖正电极（6）和负电极（7）；低维材料异质结薄膜（5）与光波导（2）的传输方向垂直设置；在光波导（2）与低维材料异质结薄膜（5）的相互作用区，光波导（2）为两个锥型波导结构相对设置的结构。通过本方法制备的光电探测器能够探测出高功率和多波段的光信号，响应度较高，光‑电响应带宽较大。
Description
分案说明
本发明为申请日为2020年1月17日，申请号为2020100536550，发明名称为“集成有波导的低维材料异质结光电探测器及其制备方法”的分案申请。
技术领域
本发明涉及集成芯片领域，特别涉及一种集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法。
背景技术
光-电探测器一般被用于探测光或其他电磁能量。目前探测器在有线或无线通信、传感、监控、国家安全领域等方面具有重要实际应用。具体在光-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、锗（Ge）、硅（Si）。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，还是有诸多不足之处，例如，光学响应波长单一，器件尺寸较大，制备工艺复杂，成本较高等。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，该制备方法制备的光电探测器能够探测出高功率和多波段的光信号，响应度较高，光-电响应带宽较大。
技术方案：本发明提供了一种集成有波导的低维材料异质结光电探测器，包括：衬底，形成于所述衬底上的光波导，设置在所述光波导的光耦合输入端的1×2光分束器，覆盖在所述光波导表面上的低维材料异质结薄膜，在所述低维材料异质结薄膜两端、所述光波导两侧还分别覆盖正电极和负电极；所述低维材料异质结薄膜与所述光波导的传输方向垂直设置；在所述光波导和所述低维材料异质结薄膜的相互作用区，所述光波导为两个锥型波导结构相对设置的结构。
优选地，所述低维材料异质结薄膜由自上而下或自下而上依次覆盖的二硫化钼薄膜材料层、氮化硼薄膜材料层和黑鳞薄膜材料层组成。由于二硫化钼薄膜材料层和黑鳞薄膜材料层分别具有不同的带隙范围，使得本探测器能够探测到波段为400-680nm和1100nm~4000nm的光信号，光-电响应带宽较大。
优选地，所述二硫化钼薄膜材料层的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为1.2eV~1.8eV。
优选地，所述黑鳞薄膜材料层的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为0.3eV~1eV。
优选地，在所述光波导的两侧还分别设置有第一石墨烯电阻加热器和第二石墨烯电阻加热器。经1×2光分束器分成两路的光信号分别从两侧光波导传输的路径会有差别，这样两侧光信号到达探测区的时间就会不同，导致探测信号质量差，本发明中在两侧光波导的一侧分别设置第一石墨烯电阻加热器和第二石墨烯电阻加热器，能够对两侧光波导进行加热，从而调节两侧光波导的折射率，进而调节两侧光信号的传播速率，使得经两侧光波导传输的光信号能够同时到达探测区，使得探测到的光信号质量较好，响应度较高。
优选地，所述第一石墨烯电阻加热器和所述第二石墨烯电阻加热器分别距离所述光波导200nm-3000nm。
优选地，所述光波导的材料为在400-4000nm光波段范围具有低传输损耗的材料。
优选地，所述光波导的材料为氮化硅材料、铌酸锂材料或氮化铝材料。
优选地，所述正电极和所述负电极距离所述光波导的最小间距均大于500nm。
本发明还提供了一种集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，包括以下步骤：S1：在衬底上表面通过电子束曝光或者光刻以及ICP刻蚀工艺制备出1×2光分束器、光波导及其光耦合输入端；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，实现所述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二硫化钼薄膜材料层；S4：将片状氮化硼薄膜材料层和黑鳞薄膜材料层依次机械转移至所述二硫化钼材料层上表面，利用电子束曝光和光刻或氧等离子刻蚀工艺，除去多余的所述二硫化钼材料薄膜层、氮化硼薄膜材料层和黑鳞薄膜材料层，形成所述低维材料异质结薄膜；S5：在所述低维材料异质结材料层两侧沉积金属材料层，形成正电极和负电极。
进一步地，在所述S3中，还在平坦化后的所述光波导上表面转移石墨烯薄膜材料层；在所述S4中，还除去多余的所述石墨烯材料层形成石墨烯电阻区域；在所述S5中，在所述光波导的两侧，所述石墨烯电阻区域还形成第一石墨烯电阻加热器和第二石墨烯电阻加热器。
有益效果：本发明中的集成有波导的低维材料异质结光电探测器中，经过光波导的光耦合输入端的较高功率的入射光被1×2光分束器分成两路，两路光信号分别经两侧的光波导传输至光波导与低维材料异质结薄膜的相互作用区后，由于在该区域光波导为两个锥型波导结构相对设置的结构，光信号在锥形波导结构中的能量释放过程较为均匀，直至两侧锥形波导结构的最细部分被吸收，使得本光电探测器能够避免很快达到饱和，能够探测到较高功率的光信号；另外，本发明中的光电探测器由于设置了1×2光分束器，使得功率较高的光信号能够被分成两路，使得本探测器能够探测到更高功率的光信号。
综上，本发明具有如下优点：
本发明得益于二硫化钼薄膜材料层和黑鳞薄膜材料层能带可调，可以探测多个波段：400-680nm和1100nm~4000nm；
本发明得益于1×2光分束器的设计，可以将高光功率信号分成两路并行探测，继而实现高输入光功率信号的探测；
本发明得益于锥形波导结构的设计，使得光在锥形波导结构与低维材料异质结薄膜的相互作用区域的传输时，能量释放过程较为均匀，有效避免本探测器过早达到饱和，使得本探测器能够探测到较高功率的光信号。
附图说明
图1为本发明中集成有波导的低维材料异质结光电探测器的结构示意图；
图2为锥型渐变光波导结构在不同位置横截面结构示意图；
图3为低维材料异质结薄膜的横截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种集成有波导的低维材料异质结光电探测器，如图1至3，主要由衬底1、光波导2、1×2光分束器4、厚度为5nm~100nm的低维材料异质结薄膜5、正电极6、负电极7、第一石墨烯电阻加热器8以及第二石墨烯电阻加热器9组成。光波导2形成于衬底1上，1×2光分束器4设置在光波导1的光耦合输入端3，低维材料异质结薄膜5覆盖在光波导2表面上，正电极6和负电极7分别覆盖在低维材料异质结薄膜5两端、光波导2两侧，正电极6和负电极7距离光波导2的最小间距均大于500nm；低维材料异质结薄膜5与光波导2的传输方向垂直设置，由自上而下或自下而上依次覆盖的二硫化钼薄膜材料层501、氮化硼薄膜材料层502和黑鳞薄膜材料层503组成，二硫化钼薄膜材料层501的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为1.2eV~1.8eV，氮化硼薄膜材料层502的厚度为1~10nm，黑鳞薄膜材料层503的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为0.3eV~1eV；在光波导2与低维材料异质结薄膜5的相互作用区，光波导2为两个锥型波导结构相对设置的结构。第一石墨烯电阻加热器8和第二石墨烯电阻加热器9分别设置在光波导2的两侧，第一石墨烯电阻加热器8和第二石墨烯电阻加热器9分别与光波导2之间具有200nm-3000nm的距离。
上述光波导2的材料为在400-4000nm光波段范围具有低传输损耗的材料，优选使用氮化硅材料、铌酸锂材料或氮化铝材料。
上述集成有波导的低维材料异质结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1×2光分束器4、光波导2及其光耦合输入端3；
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上表面转移二硫化钼薄膜材料层501和石墨烯薄膜材料层；
S4：将片状氮化硼薄膜材料层502和黑鳞薄膜材料层503依次机械转移至二硫化钼薄膜材料层501上表面，利用电子束曝光和光刻或氧等离子刻蚀工艺，除去多余的二硫化钼薄膜材料层501、氮化硼薄膜材料层502和黑鳞薄膜材料层503，形成低维材料异质结薄膜5；并除去多余的石墨烯材料层形成石墨烯电阻区域。
S5：在低维材料异质结薄膜5两侧沉积金属材料层，形成正电极6和负电极7；与此同时，在光波导2的两侧，石墨烯电阻区域还形成第一石墨烯电阻加热器8和第二石墨烯电阻加热器9。
上述集成有波导的低维材料异质结光电探测器的工作原理如下：
较高功率的入射光经过光波导2的光耦合输入端3进入光波导2后被1×2光分束器4分成两路，两路光信号分别经两侧的光波导2传输，分别经过第一石墨烯电阻加热器8和第二石墨烯电阻加热器9时，由于第一石墨烯电阻加热器8和第二石墨烯电阻加热器9能够对两侧的光波导进行加热改变其折射率，从而对光信号在光波导2内的传播速率进行调节，以使得两侧光波导2内的光信号能够同时到达光波导2与低维材料异质结薄膜5的相互作用区，使得本光电探测器能够探测到速率较高的光信号。由于在光波导2与低维材料异质结薄膜5的相互作用区光波导2为两个锥型波导结构相对设置的结构，光信号在锥形波导结构中依次从A-A至B-B，能量释放过程较为均匀，直至两侧锥形波导结构的最细部分C-C处被吸收，使得本光电探测器能够避免很快达到饱和，能够探测到较高功率的光信号；低维材料异质结薄膜5中的二硫化钼薄膜材料层501和黑鳞薄膜材料层503分别吸收光信号中的400-680nm波段和1100nm~4000nm波段的光信号，使得本光电探测器能够探测到多波段的光信号。
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)
1.一种集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，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1×2光分束器（4）、光波导（2）及其光耦合输入端（3）；
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，实现所述光波导（2）表面以及两侧平坦化；
S3：在平坦化后的所述光波导（2）上表面转移二硫化钼薄膜材料层（501）；
S4：将片状氮化硼薄膜材料层（502）和黑鳞薄膜材料层（503）依次机械转移至所述二硫化钼薄膜材料层（501）上表面，利用电子束曝光或光刻，以及氧等离子刻蚀工艺，除去多余的所述二硫化钼薄膜材料层（501）、氮化硼薄膜材料层（502）和黑鳞薄膜材料层（503），形成低维材料异质结薄膜（5）；
S5：在所述低维材料异质结薄膜（5）两侧沉积金属材料层，形成正电极（6）和负电极（7）。
2.根据权利要求1所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，在所述S3中，还在平坦化后的所述光波导（2）上表面转移石墨烯薄膜材料层；
在所述S4中，还除去多余的所述石墨烯材料层形成石墨烯电阻区域；
在所述S5中，在所述光波导（2）的两侧，所述石墨烯电阻区域还形成第一石墨烯电阻加热器（8）和第二石墨烯电阻加热器（9）。
3.根据权利要求1所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
衬底（1），形成于所述衬底（1）上的光波导（2），设置在所述光波导（2）的光耦合输入端（3）的1×2光分束器（4），覆盖在所述光波导（2）表面上的低维材料异质结薄膜（5），在所述低维材料异质结薄膜（5）两端、所述光波导（2）两侧还分别覆盖正电极（6）和负电极（7）；所述低维材料异质结薄膜（5）与所述光波导（2）的传输方向垂直设置；在所述光波导（2）与所述低维材料异质结薄膜（5）的相互作用区，所述光波导（2）为两个锥型波导结构相对设置的结构。
4.根据权利要求1所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，所述低维材料异质结薄膜（5）由自下而上依次覆盖的二硫化钼薄膜材料层（501）、氮化硼薄膜材料层（502）和黑鳞薄膜材料层（503）组成。
5.根据权利要求4所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，所述二硫化钼薄膜材料层（501）的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为1.2eV~1.8eV；
所述黑鳞薄膜材料层（503）的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为0.3eV~1eV。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，在所述光波导（2）的两侧还分别设置有第一石墨烯电阻加热器（8）和第二石墨烯电阻加热器（9）。
7.根据权利要求6所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，所述第一石墨烯电阻加热器（8）和所述第二石墨烯电阻加热器（9）分别距离所述光波导200nm-3000nm。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，所述光波导（2）的材料为在400-4000nm光波段范围具有低传输损耗的材料。
9.根据权利要求8所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，所述光波导（2）的材料为氮化硅材料、铌酸锂材料或氮化铝材料。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的集成有波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，其特征在于，所述正电极（6）和所述负电极（7）距离所述光波导的最小间距均大于500nm。
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Application publication date: 20210817 Assignee: Shanghai Houfei Energy Technology Co.,Ltd. Assignor: HUAIYIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2022320000360 Denomination of invention: Fabrication of Low Dimensional Heterojunction Photodetectors with Integrated Waveguides Granted publication date: 20220802 License type: Common License Record date: 20221210 |