CN113284962A - 集成有多端口光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，公开了一种集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器的制备方法，制备的光电探测器中：路由光波导和多端口光波导均形成于衬底上，多端口光波导由N≥4个锥形输入光波导和一个中心多模光波导组成；1×2第一光分束器设置在路由光波导的光耦合输入端，每两个锥形输入光波导的输入端连接一个分别与1×2第一光分束器连接的1×2第二光分束器；低维材料异质结薄膜覆盖在多端口光波导的表面，在其两端、中心多模光波导的四周还分别对角覆盖第一、第二正电极和第一、第二负电极；低维材料异质结薄膜与中心多模光波导的传输方向垂直设置。本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2020100551334，发明名称为“集成有多端口光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多端口光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多端口光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多端口光波导的低维材料异质结光电探测器，衬底，路由光波导和多端口光波导均形成于所述衬底上，所述多端口光波导由N个锥形输入光波导和一个中心多模光波导组成，其中N为偶数且大于等于4；1×2第一光分束器设置在所述路由光波导的光耦合输入端，每两个所述锥形输入光波导的输入端连接一个1×2第二光分束器，各所述1×2第二光分束器分别与所述1×2第一光分束器连接；低维材料异质结薄膜覆盖在所述多端口光波导的表面，第一正电极、第二正电极、第一负电极和第二负电极部分覆盖在所述低维材料异质结薄膜的四周，且第一正电极和第二正电极相对所述中心多模光波导对角设置，第一负电极和第二负电极相对所述中心多模光波导对角设置；所述低维材料异质结薄膜与所述中心多模光波导的传输方向垂直设置。
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400-690nm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~1.9eV。
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，在各所述1×2第二光分束器与各所述锥形输入光波导的输入端之间的所述路由光波导上，还分别设置有石墨烯电阻加热器。经1×2光分束器分成两路的光信号分别从两侧的路由光波导传输至各锥形输入光波导的路径会有差别，这样两侧光信号到达探测区的时间就会不同，导致探测高速的光信号质量差，本发明中在各锥形输入光波导的输入端与各1×2第二光分束器之间的路由光波导上分别设置石墨烯电阻加热器，能够对两侧的路由光波导进行加热，从而调节两侧路由光波导的折射率，进而调节两侧光信号的传播速率，使得经两侧路由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，各所述石墨烯电阻加热器分别距离各所述锥形输入光波导的输入端200nm-3000nm。
优选地，所述路由光波导和所述多端口光波导的材料均为在400-4000nm光波段范围具有低传输损耗的材料。
优选地，所述路由光波导和所述多端口光波导的材料均为氮化硅材料、铌酸锂材料或氮化铝材料。
优选地，所述第一正电极、所述第二正电极、所述第一负电极以及所述第二负电极距离所述路由光波导和所述多端口光波导的最小间距均大于900nm。
本发明还提供了一种集成有多端口光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：在所述衬底上表面通过电子束曝光或者光刻以及ICP刻蚀工艺制备出多端口光波导、1×2第一光分束器、1×2第二光分束器、路由光波导及其光耦合输入端；S2：在所述路由光波导和所述多端口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，实现所述路由光波导和所述多端口光波导表面以及两侧平坦化；S3：在所述平坦化后的多端口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、黑鳞薄膜材料层机械转移至所述二硫化钼薄膜材料层上表面，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，形成低维材料异质结薄膜；S5：在所述低维材料异质结薄膜两侧沉积金属材料层，形成第一正电极、第二正电极、第一负电极和第二负电极。
进一步地，在所述S3中，还在平坦化后的所述路由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薄膜材料层形成石墨烯电阻区域；在所述S5中，在各所述1×2第二光分束器和与其连接的各所述锥形输入光波导的输入端之间的所述路由光波导上，所述石墨烯电阻区域还形成石墨烯电阻加热器。
有益效果：本发明方法制备的集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器中，经过路由光波导的光耦合输入端的较高功率的入射光被1×2第一光分束器分成两路，两路光信号分别经两侧的路由光波导传输至各1×2第二光分束器，再由各1×2第二光分束器分别再分成两路，各路光信号再分别经两侧的路由光波导传输至多端口光波导的各锥形输入光波导内，由于为锥型波导结构，光信号在各锥形输入光波导中的能量释放过程较为缓慢均匀，直至经各锥形输入光波导传输至中心多模光波导与低维材料异质结薄膜的相互作用区被吸收，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多个1×2光分束器，使得功率较高的光信号能够被分成多路，使得本探测器能够探测到较高功率的光信号。
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：400-690nm和1100nm~4000nm；
本发明得益于多端口光波导的设计，可以将高光功率信号分成多路并行探测，继而实现高输入光功率信号的探测；
本发明得益于中心多模光波导的设计，可以将光限制在此区域，增强光和低维材料异质结薄膜相互作用，有助于提高探测器的响应度。
附图说明
图1为集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器的整体结构示意图；
图2为集成有多端口光波导的低维材料异质结光电探测器的部分结构俯视图；
图3为图2中E-E处横截面图；
图4为图2中F-F处横截面图；
图5为低维材料异质结薄膜的横截面结构示意图；
图6至8分别为不同结构的多端口光波导的俯视图。
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多端口光波导的低维材料异质结光电探测器，如图1至5，主要由衬底1、路由光波导2、多端口光波导、1×2第一光分束器5、两个1×2第二光分束器7、厚度为9nm~100nm的低维材料异质结薄膜9、第一正电极10、第二正电极11、第一负电极12、第二负电极13以及四个石墨烯电阻加热器8组成。路由光波导2和多端口光波导均形成于衬底1上，1×2第一光分束器5设置在路由光波导2的光耦合输入端6，多端口光波导由4个锥形输入光波导3和一个中心多模光波导4组成（也可以有大于说的偶数个锥形输入光波导3和一个中心多磨光波导4组成，如图6至8），每两个锥形输入光波导3的输入端连接一个1×2第二光分束器7，两个1×2第二光分束器7分别与1×2第一光分束器5连接；低维材料异质结薄膜9覆盖在多端口光波导的表面上，第一正电极10、第二正电极11、第一负电极12和第二负电极13部分覆盖在低维材料异质结薄膜9的四周，且第一正电极10和第二正电极11相对中心多模光波导4对角设置，第一负电极12和第二负电极13相对中心多模光波导4对角设置；第一正电极10、第二正电极11、第一负电极12以及第二负电极13距离路由光波导2和多端口光波导的最小间距均大于900nm。低维材料异质结薄膜9与中心多模光波导4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901、氮化硼薄膜材料层902和黑鳞薄膜材料层903组成，二硫化钼薄膜材料层901的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为1.2eV~1.9eV，氮化硼薄膜材料层902的厚度为1~10nm，黑鳞薄膜材料层903的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为0.3eV~1eV；四个石墨烯电阻加热器8分别设置在两个1×2第二光分束器7与四个锥形输入光波导3的输入端之间的路由光波导2上，四个石墨烯电阻加热器8分别与多端口光波导的四个锥形输入光波导3的输入端之间具有200nm-3000nm的距离。
上述路由光波导2和多端口光波导的材料均为在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。
上述集成有多端口光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和光刻或ICP刻蚀工艺制备出多端口光波导、路由光波导2及路由光波导2的光耦合输入端6、一个1×2第一光分束器以及两个1×2第二光分束器；
S2：在路由光波导2和多端口光波导上沉积低折射率材料层14，然后利用化学机械抛光技术，实现路由光波导2和多端口光波导表面以及两侧平坦化；
S3：在平坦化后的多端口光波导上表面转移二硫化钼薄膜材料层901；并在平坦化后的路由光波导2上表面转移石墨烯薄膜材料层；
S4：将片状氮化硼薄膜材料层902和黑鳞薄膜材料层903依次机械转移至二硫化钼薄膜材料层901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901、氮化硼薄膜材料层902和黑鳞薄膜材料层903，形成低维材料异质结薄膜9并除去多余的石墨烯薄膜材料层形成石墨烯电阻区域；
S5：在低维材料异质结薄膜9两侧沉积金属材料层，形成第一正电极10、第二正电极11、第一负电极12和第二负电极13；与此同时，在各1×2第二光分束器7和与其连接的各锥形输入光波导3的输入端之间的路由光波导2上，石墨烯电阻区域还形成四个石墨烯电阻加热器8。
上述集成有多端口光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路由光波导2的光耦合输入端6进入路由光波导2后被1×2第一光分束器5分成两路，两路光信号分别经两侧的路由光波导2传输至两个1×2第二光分束器7，经两个1×2第二光分束器7分成四路光信号，四路光信号分别经过四个石墨烯电阻加热器8时，由于石墨烯电阻加热器8能够对两侧的路由光波导2进行加热改变其折射率，从而对光信号在路由光波导2内的传播速率进行调节，以使得两侧路由光波导2内的光信号能够同时到达多端口光波导的四个锥形输入光波导3内，由于为锥型波导结构，光信号在各锥形输入光波导3中的能量释放过程较为缓慢均匀，直至经四个锥形输入光波导3传输至中心多模光波导4与低维材料异质结薄膜9的相互作用区被吸收，使得本光电探测器能够探测到质量较好的光信号。由于多端口光波导具有多个锥形输入光波导3，光信号在锥形波导结构中传递时能量释放过程较为缓慢均匀，直至到达中心多模光波导4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9中的二硫化钼薄膜材料层901和黑鳞薄膜材料层903分别吸收光信号中的400-690nm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)
1.一种集成有多端口光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刻蚀工艺制备出多端口光波导、1×2第一光分束器、1×2第二光分束器、路由光波导（2）及其光耦合输入端（6）；
S2：在所述路由光波导（2）和所述多端口光波导上沉积低折射率材料层（14），然后利用化学机械抛光技术，实现所述路由光波导（2）和所述多端口光波导表面以及两侧平坦化；
S3：在平坦化后的所述多端口光波导上表面转移二硫化钼薄膜材料层（901）；
S4：将片状氮化硼薄膜材料层（902）、黑鳞薄膜材料层（903）机械转移至所述二硫化钼薄膜材料层（901）上表面，利用电子束曝光或者光刻以及氧等离子刻蚀工艺，除去多余二硫化钼薄膜材料层（901）、氮化硼薄膜材料层（902）和黑鳞薄膜材料层（903），形成低维材料异质结薄膜（9）；
S5：在所述低维材料异质结薄膜两侧沉积金属材料层，形成第一正电极（10）、第二正电极（11）、第一负电极（12）和第二负电极（13）。
2.根据权利要求1所述的集成有多端口光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路由光波导（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薄膜材料层形成石墨烯电阻区域；
在所述S5中，在各所述1×2第二光分束器（7）和与其连接的各所述锥形输入光波导（3）的输入端之间的所述路由光波导（2）上，所述石墨烯电阻区域还形成石墨烯电阻加热器（8）。
3.根据权利要求1所述的集成有多端口光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，制备得到的光电探测器包括：衬底（1），路由光波导（2）和多端口光波导均形成于所述衬底（1）上，所述多端口光波导由N个锥形输入光波导（3）和一个中心多模光波导（4）组成，其中N为偶数且大于等于4；1×2第一光分束器（5）设置在所述路由光波导（2）的光耦合输入端（6），每两个所述锥形输入光波导（3）的输入端连接一个1×2第二光分束器（7），各所述1×2第二光分束器（7）分别与所述1×2第一光分束器（5）连接；低维材料异质结薄膜（9）覆盖在所述多端口光波导（4）的表面，第一正电极（10）、第二正电极（11）、第一负电极（12）和第二负电极（13）部分覆盖在所述低维材料异质结薄膜（9）的四周，且第一正电极（10）和第二正电极（11）相对所述中心多模光波导（4）对角设置，第一负电极（12）和第二负电极（13）相对所述中心多模光波导（4）对角设置；所述低维材料异质结薄膜（9）与所述中心多模光波导（4）的传输方向垂直设置。
4.根据权利要求1所述的集成有多端口光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（9）由自上而下或自下而上依次覆盖的二硫化钼薄膜材料层（901）、氮化硼薄膜材料层（902）和黑鳞薄膜材料层（903）组成。
5.根据权利要求4所述的集成有多端口光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（901）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（903）的厚度为1nm~20nm，带隙变化范围为0.3eV~1eV。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的集成有多端口光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，在各所述1×2第二光分束器（7）和与其连接的各所述锥形输入光波导（3）的输入端之间的所述路由光波导（2）上，还分别设置有石墨烯电阻加热器（8）。
7.根据权利要求6所述的集成有多端口光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，各所述石墨烯电阻加热器（8）分别距离所述路由光波导200nm-3000nm。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的集成有多端口光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，所述路由光波导（2）和所述多端口光波导的材料均为在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所述的集成有多端口光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，所述路由光波导（2）和所述多端口光波导的材料均为氮化硅材料、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多端口光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，所述第一正电极（10）、所述第二正电极（11）、所述第一负电极（12）以及所述第二负电极（13）距离所述路由光波导（2）和所述多端口光波导的最小间距均大于900nm。
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