CN113659016A - 一种光电探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光电探测器，涉及光电子技术领域，以通过设置有布拉格谐振腔的狭缝波导部将光信号局域至石墨烯层内，并增强光信号与石墨烯层之间的相互作用，提高光电探测器在工作时的光电探测响应度。所述光电探测器包括：基底、光波导结构、石墨烯层、第一电极和第二电极。光波导结构形成在基底上。光波导结构包括设置有布拉格谐振腔的狭缝波导部。石墨烯层至少覆盖狭缝波导部。狭缝波导部用于将光信号局域至石墨烯层内。第一电极和第二电极形成在基底的上方。第一电极与光波导结构电连接，用于在外加电场的作用下导出第一类载流子。第二电极与石墨烯层电连接，用于在外加电场的作用下导出第二类载流子。第一类载流子和第二类载流子的电性相反。

Description

一种光电探测器
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种光电探测器。
背景技术
光电探测器是基于光电效应将光信号转换为电信号，从而实现对光辐射进行测量的器件。其中，因石墨烯材料具有优良的光学特性，使得基于石墨烯的光电探测器具有功耗低、体积小和易于集成等优势，从而使得石墨烯光电探测器在光通信领域得到广泛的应用。
但是，现有的石墨烯光电探测器在正常工作时的光电探测响应度较低，导致石墨烯光电探测器的工作性能不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电探测器，以通过设置有布拉格谐振腔的狭缝波导部将光信号局域至石墨烯层内，并增强光信号与石墨烯层之间的相互作用，提高光电探测器在工作时的光电探测响应度，提升光电探测器的工作性能。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光电探测器，该光电探测器包括：基底、光波导结构、石墨烯层、第一电极和第二电极。
光波导结构形成在基底上。光波导结构包括设置有布拉格谐振腔的狭缝波导部。石墨烯层至少覆盖狭缝波导部。狭缝波导部用于将光信号局域至石墨烯层内。第一电极和第二电极形成在基底的上方。第一电极与光波导结构电连接，用于在外加电场的作用下导出第一类载流子。第二电极与石墨烯层电连接，用于在外加电场的作用下导出第二类载流子。第一类载流子和第二类载流子的电性相反。
与现有技术相比，本发明提供的光电探测器中，在基底上形成有光波导结构，该光波导结构包括设置有布拉格谐振腔的狭缝波导部。基于此，在光电探测器工作过程中，狭缝波导部用于对光信号进行传输，且其能够将布拉格谐振腔内的光信号局域至狭缝波导部具有的狭缝槽内。同时，因石墨烯层至少覆盖狭缝波导部，故狭缝波导部能够将传输的光信号局域至石墨烯层内。基于此，在实际应用中，石墨烯层在吸收光信号中光子的能量后可以激发出成对存在的第一类载流子和第二类载流子。并且，通过第一电极和第二电极可以将外加电场提供的相应电压加载到石墨烯层和光波导结构上，以使得成对存在的第一类载流子和第二类载流子在外加电场的作用下分离、并定向移动。通过第一电极导出第一类载流子、以及通过第二电极导出第二类载流子，从而形成光电流，实现对光信号的探测。
并且，在外加电场作用下使第一类载流子和第二类载流子分离并定向移动的同时，还可以增大石墨烯层的有效折射率虚部，即增大石墨烯层对光信号的吸收系数，从而可以提高光电探测器在工作时的光电探测响应度。而且，设置在狭缝波导部处的布拉格谐振腔能够使光信号在位于布拉格谐振腔范围内的石墨烯层中来回反射，增强了光信号与石墨烯层之间的相互作用，从而能够进一步提高光电探测器在工作时的光电探测响应度，提升光电探测器的工作性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的光电探测器的立体结构示意图；
图2为本发明实施例中狭缝波导部的结构俯视示意图。
附图标记：
1为基底，
2为光波导结构， 21为狭缝波导部， 211为条形波导，
212为狭缝槽， 213为布拉格谐振腔， 214为调节槽，
22为连接部，
3为石墨烯层，
4为第一电极，
5为第二电极。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，术语“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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
光电探测器是基于光电效应将光信号转换为电信号，从而实现对光辐射进行测量的器件。其中，上述光电效应可分为外光电效应和内光电效应。具体的，外光电效应是材料由吸收光子而逸出电子的行为。基于外光电效应的光电探测器在工作时，其阴极与阳极两端施加正向电压。当光信号照射到阴极表面时，阴极产生电子，并在电压作用下形成光电子流，使两极导通，实现对光信号的探测。而内光电效应(其可分为光电导效应和光生伏特效应)是指由光量子作用引起材料自身材质的变化。此时，由光子激发出的电子和空穴保留在材料内部。其中，基于光电导效应的光电探测器在受到光信号的照射激发出电子-空穴对后，其内部的载流子浓度增加，使得其自身的电导率增大，因此可以通过测量电导率的大小实现对光信号的探测。而基于光生伏特效应的光电探测器在受到光信号的照射后，激发出的电子-空穴对被内建电场分离堆积在结两侧，产生电势差。并在外电路接通后，就会形成光电流，通过测量光电流的大小实现对光信号的探测。
其中，基于石墨烯的光电探测器是基于内光电效应的一种光电探测器。并且，石墨烯材料具有优良的光学特性，使得基于石墨烯的光电探测器具有功耗低、体积小和易于集成等优势，从而使得石墨烯光电探测器在光通信领域得到广泛的应用。
但是，现有的石墨烯光电探测器在工作过程中，传输的光信号与石墨烯之间的相互作用较弱，导致石墨烯吸收的光子能量较低，进而造成光电探测器形成的光电流减小。基于此，因光电探测器的光电探测响应度与其形成的光电流成正比，故在光电流减小的情况下，使得光电探测响应度也会随之减小，进而导致石墨烯光电探测器的工作性能不佳。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光电探测器。该光电探测器中，光波导结构包括设置有布拉格谐振腔的狭缝波导部。并且，至少在狭缝波导部上覆盖有石墨烯层。基于此，在光电探测器工作时，设置在狭缝波导部处的布拉格谐振腔能够使光信号在位于布拉格谐振腔范围内的石墨烯层中来回反射，从而增强了光信号与石墨烯层之间的相互作用，进而能够提高光电探测器在工作时的光电探测响应度，提升光电探测器的工作性能。
如图1所示，本发明实施例提供了一种光电探测器。该光电探测器包括：基底1、光波导结构2、石墨烯层3、第一电极4和第二电极5。
如图1和图2所示，上述光波导结构2形成在基底1上。光波导结构2包括设置有布拉格谐振腔213的狭缝波导部21。石墨烯层3至少覆盖狭缝波导部21。狭缝波导部21用于将光信号局域至石墨烯层3内。第一电极4和第二电极5形成在基底1的上方。第一电极4与光波导结构2电连接，用于在外加电场的作用下导出第一类载流子。第二电极5与石墨烯层3电连接，用于在外加电场的作用下导出第二类载流子。第一类载流子和第二类载流子的电性相反。
具体来说，上述基底可以为其上未形成有任何膜层的半导体衬底。例如：基底可以为硅衬底、绝缘体上硅衬底等硅基衬底。
对于上述光波导结构来说，光波导结构所包括的狭缝波导部的结构和规格、以及设置在狭缝波导部上的布拉格谐振腔的规格可以根据所要探测的光信号的光学参数(例如：波长)、布拉格反射条件、以及实际需求进行设置。例如：如图2所示，狭缝波导部21可以具有至少两条条形波导211、以及位于相邻条形波导211之间的狭缝槽212。此外，该光波导结构的材质可以根据实际需求进行设置，此处不做具体限定。例如：光波导结构的材质可以为硅。
在一些情况下，如图1所示，上述光波导结构2还可以包括形成在基底1上的连接部22。第一电极4通过连接部22与狭缝波导部21电连接。其中，上述连接部22的具体结构和规格可以根据实际应用场景进行设置，只要能够通过该连接部22将第一电极4和狭缝波导部21电连接即可。例如：沿着狭缝波导部21的宽度方向，连接部22可以位于狭缝波导部21的一侧。并且，连接部22的厚度可以小于狭缝波导部21的厚度。此外，连接部22可以和狭缝波导部21一体成型。此时，可以在基底1上，基于同一膜层刻蚀形成狭缝波导部21的同时一起形成连接部22，从而可以提高光电探测器的制造效率，降低光电探测器的制造成本。
对于上述石墨烯层来说，石墨烯层的厚度可以根据实际应用场景设置。例如：如图1所示，石墨烯层3的层厚可以大于或等于狭缝波导部21的高度。此时，石墨烯层3能够将狭缝波导部21具有的狭缝槽212填充满，从而使得通过狭缝波导部21传输的光信号中的绝大部分位于石墨烯层3内，进一步增强光信号与石墨烯层3的相互作用。当然，石墨烯层的层厚也可以小于狭缝波导部的高度。
此外，石墨烯层在基底上的覆盖范围也可以根据实际应用场景设置。具体的，该石墨烯层可以仅覆盖在狭缝波导部的上方。或者，如图1所示，该石墨烯层3还可以覆盖在基底1露出光波导结构2的表面上，以便于第二电极5与石墨烯层3电连接。
对于上述第一电极和第二电极来说，第一电极和第二电极的形状和规格、以及二者在基底上方的具体位置可以根据实际应用场景设置，只要能够应用到本发明实施例提供的光电探测器中即可。此外，第一电极和第二电极的材质可以为导电的金属材料。例如：上述导电的金属材料可以为金、铜或铝等。其中，因铜和铝为CMOS工艺中常用的金属材料，故在第一电极和第二电极的材质为铜或铝的情况下，有利于光电探测器的制造工艺与CMOS工艺兼容，从而能够通过成熟的CMOS工艺制造本发明实施例提供的光电探测器，能够在提高光电探测器的制造良率的同时，利于实现光电探测器的小型化。
在实际的应用过程中，如图1和图2所示，狭缝波导部21用于对待探测的光信号进行传输，且其能够将布拉格谐振腔213内的光信号局域至狭缝波导部21具有的狭缝槽212内。同时，因石墨烯层3至少覆盖狭缝波导部21，故狭缝波导部21能够将传输的光信号局域至位于狭缝槽212内的石墨烯层3中。并且，因石墨烯的带隙为零，故在石墨烯层3吸收光信号中光子的能量后可以激发出成对存在的第一类载流子和第二类载流子。并通过第一电极4和第二电极5可以将外加电场提供的相应电压加载到石墨烯层3和光波导结构2上，以使得上述成对存在的第一类载流子和第二类载流子在外加电场的作用下分离、并定向移动。通过第一电极4导出第一类载流子、以及通过第二电极5导出第二类载流子，从而形成光电流，实现对光信号的探测。同时，在外加电场作用下还可以增大石墨烯层3的有效折射率虚部，即可以增大石墨烯层3对光信号的吸收系数，从而可以使得石墨烯层3能够吸收更多的光子能量，从而激发出更多的第一类载流子和第二类载流子，进而能够增大形成的光电流。基于此，因光电探测器的光电探测响应度与光电流成正比，故在光电流增大的情况下，光电探测器的光电探测响应度也随之增大。而且，设置在狭缝波导部21处的布拉格谐振腔213能够使光信号在位于布拉格谐振腔213范围内的石墨烯层3中来回反射，增强了光信号与石墨烯层3之间的相互作用，从而也能够使得石墨烯层3吸收更多的光子能量。同理，也能够增大光电探测器形成的光电流，进一步提高光电探测器的光电探测响应度。
其中，上述第一电极和第二电极分别与外加电场的正、负极之间的连接关系、以及通过第一电极和第二电极向光波导结构和石墨烯层上施加电压的大小可以根据施压后石墨烯层对光信号的吸收系数的改变要求、以及实际需求进行设置。此外，因第一类载流子和第二类载流子是在外加电场的作用下实现分离和定向移动，并且通过第一电极导出第一类载流子、以及通过第二电极导出第二类载流子，故上述第一载流子和第二载流子的电性可以根据第一电极和第二电极分别与外加电场的正、负极之间的连接关系来确定。例如：当第一电极与外加电场的正极电连接、以及第二电极用于将外加电场的负极电连接时，第一类载流子为空穴，第一电极用于导出空穴。第二类载流子为电子，第二电极用于导出电子。又例如：当第一电极与外加电场的负极电连接、以及第二电极用于将外加电场的正极电连接时，第一类载流子为电子，第一电极用于导出电子。第二类载流子为空穴，第二电极用于导出空穴。
由上述内容可知，本发明实施例提供的光电探测器能够通过狭缝波导部将传输的光信号局域至石墨烯层内。同时，能够通过开设在狭缝波导部处的布拉格谐振腔使光信号在位于布拉格谐振腔范围内的石墨烯层中来回反射，从而增强了光信号与石墨烯层之间的相互作用，进而能够提高光电探测器在工作时的光电探测响应度，提升光电探测器的工作性能。
在一种示例中，如图1和图2所示，沿着狭缝波导部21的延伸方向，上述狭缝波导部21上开设有呈周期性分布的多个调节结构。每个调节结构包括沿着狭缝波导部21的厚度方向贯穿狭缝波导部21、且间隔设置的多个调节槽214。布拉格谐振腔213为狭缝波导部21具有的狭缝槽212位于相邻调节结构之间的部分。
具体来说，上述调节结构的周期数可以根据对光电探测响应度的要求、第一电极和第二电极上施加电压的大小、以及实际需求等信息进行设置，此处不做具体限定。可以想到的是，如前文所述布拉格谐振腔能够使光信号在位于布拉格谐振腔范围内的石墨烯层中来回反射，从而使得光信号具有的光子能量能够被石墨烯层充分吸收，以形成更大的光电流。并且，布拉格谐振腔为狭缝波导部具有的狭缝槽位于相邻调节结构之间的部分，因此，在其他因素相同的情况下，调节结构的周期数越大，狭缝波导部上设置的布拉格谐振腔的个数越多。相应的，光信号在布拉格谐振腔内来回反射的效率越高，进而能够使得石墨烯层吸收更多的光子能量，从而使得光电探测器形成更大的光电流，进一步提高光电探测器的光电探测响应度。
具体的，每个调节结构所包括的调节槽的个数、以及调节槽的形状和规格可以根据实际需求进行设置。示例性的，上述每个调节结构所包括的多个调节槽的尺寸、以及同一调节结构中相邻调节槽的间距满足光信号对应波长下的布拉格反射条件。具体的，该布拉格反射条件的公式为：
Figure BDA0003163254630000081
其中，如图2所示，L1为调节槽214的长度。Real(neff1)为位于狭缝槽212处的狭缝波导部21的有效折射率的实部。L2为相邻调节槽214的间距。Real(neff2)为位于调节槽214处的狭缝波导部21的有效折射率的实部。m为反射级数。λ为光信号的波长。具体的，上述Real(neff1)的具体数值与狭缝槽212的宽度G1、狭缝波导部21的宽度、以及狭缝波导部21的高度有关。例如：在狭缝波导部21的宽度为500nm、且狭缝波导部21的高度为220nm的情况下，当狭缝槽212的宽度G1为100nm时，Real(neff1)的值为1.5131；当狭缝槽212的宽度G1为120nm时，Real(neff1)的值为1.4541；当狭缝槽212的宽度G1为150时，Real(neff1)的值为1.3930。上述Real(neff1)的值可以根据在相应狭缝槽212的宽度G1、狭缝波导部21的宽度、以及狭缝波导部21的高度下，通过仿真计算得出。同理，Real(neff2)具体数值与调节槽214的宽度G2、狭缝波导部21的宽度、以及狭缝波导部21的高度有关。Real(neff2)具体数值的确定方式可以参考Real(neff1)的确定方式，此处不再赘述。基于此，在实际应用过程中，因待探测的光信号对应的波长为已知量。此时，可以根据实际需求在L1、L2、Real(neff1)和Real(neff2)中通过设定一些值，计算其余值的方式来确定上述参数的大小。
此外，因上述布拉格谐振腔为狭缝波导部具有的狭缝槽位于相邻调节结构之间的部分，故布拉格谐振腔决定了相邻调节结构的间距。而布拉格谐振腔的腔长L可以根据公式
Figure BDA0003163254630000091
进行确定。其中，λ为光信号的波长。neff1为位于狭缝槽处的狭缝波导部的有效折射率。在实际应用中，因待探测的光信号对应的波长为已知量。而neff1具体数值的确定方式，可以参考前文。基于此，在已知λ和neff1的情况下，可以根据上述公式计算获得布拉格谐振腔的腔长L。
在实际的应用过程中，在图2所示的狭缝波导部21中，位于布拉格谐振腔213左侧的调节结构为第一调节结构、以及位于布拉格谐振腔213右侧的调节结构为第二调节结构为例进行说明。其中，当光信号传输至第一调节结构时，满足布拉格反射条件的部分光信号被反射回去，另外一部分光信号可以由第一调节结构透射进入布拉格谐振腔213内，并继续向前传输。在传输至第二调节结构后，满足相应布拉格反射条件的光信号会被第二调节结构反射回布拉格谐振腔213内，这部分光信号会与重新透射过第一调节结构的光信号发生干涉。基于此，来回在布拉格谐振腔213内反射光信号，使得光信号在位于布拉格谐振腔213范围内的石墨烯层3中来回传输，从而能够增强光信号与石墨烯层3的相互作用，增大光信号与石墨烯层3相互作用的有效长度。
在一种示例中，如图2所示，上述每个调节槽214可以均关于狭缝槽212的中轴线对称。在此情况下，当每个调节槽214均关于狭缝槽212的中轴线对称时，调节结构在狭缝波导部21内的分布更加规则，利于制造本发明实施例提供的光电探测器。
当然，上述调节槽也可以不关于狭缝槽的中轴线对称。具体的，每个调节槽关于狭缝槽的中轴线的上、下分布情况，可以根据实际需求进行设置，只要能够满足待探测的光信号对应波长下的布拉格反射条件即可。
在一种示例中，如图2所示，上述调节槽214可以为具有弧形倒角的矩形调节槽214。
应理解，在制造光电探测器时，通常采用较为成熟的CMOS工艺，以提高光电探测器的制造良率。基于此，在实际制造本发明实施例提供的光电探测器的过程中，在理论设计的调节槽为矩形调节槽的情况下，采用光刻和刻蚀工艺在狭缝波导部上刻蚀获得调节槽后，因制造误差的存在，使得实际获得的调节槽为具有弧形倒角的矩形调节槽，导致理论设计的结构和实际制造的结构之间存在偏差，进而使得调节槽的尺寸无法完全满足光信号对应的波长下的布拉格反射条件，导致光电探测器的工作性能较差。如图2所示，而在理论设计的调节槽214就为具有弧形倒角的矩形调节槽214的情况下，通过光刻和刻蚀后所获得的调节槽214的形貌基本与理论设计的调节槽214的形貌相一致，从而使得无论在理论设计情况下还是在实际制造后所获得调节槽214均满足光信号对应波长下的布拉格反射条件，进而能够防止因制造误差的存在而影响光电探测器的制造精度，提高光电探测器的工作性能。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种光电探测器，其特征在于，包括：基底，
形成在所述基底上的光波导结构；所述光波导结构包括设置有布拉格谐振腔的狭缝波导部；
至少覆盖所述狭缝波导部的石墨烯层；所述狭缝波导部用于将光信号局域至所述石墨烯层内；
以及形成在所述基底的上方的第一电极和第二电极；所述第一电极与所述光波导结构电连接，用于在外加电场的作用下导出第一类载流子；所述第二电极与所述石墨烯层电连接，用于在所述外加电场的作用下导出第二类载流子；所述第一类载流子和所述第二类载流子的电性相反。
2.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，沿着所述狭缝波导部的延伸方向，所述狭缝波导部上开设有呈周期性分布的多个调节结构；每个所述调节结构包括沿着所述狭缝波导部的厚度方向贯穿所述狭缝波导部、且间隔设置的多个调节槽；
所述布拉格谐振腔为所述狭缝波导部具有的狭缝槽位于相邻所述调节结构之间的部分。
3.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，每个所述调节结构所包括的多个所述调节槽的尺寸、以及同一所述调节结构中相邻所述调节槽的间距满足所述光信号对应波长下的布拉格反射条件。
4.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，每个所述调节槽均关于所述狭缝槽的中轴线对称。
5.根据权利要求2所述的光电探测器，其特征在于，所述调节槽为具有弧形倒角的矩形调节槽。
6.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述石墨烯层的层厚大于或等于所述狭缝波导部的高度。
7.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述光波导结构还包括形成在所述基底上的连接部；所述第一电极通过所述连接部与所述狭缝波导部电连接。
8.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的材质均为金、铜或铝。
9.根据权利要求1所述的光电探测器，其特征在于，所述狭缝波导部具有至少两条条形波导、以及位于相邻所述条形波导之间的狭缝槽。
10.根据权利要求1～9任一项所述的光电探测器，其特征在于，所述基底为硅基衬底；和/或，所述光波导结构的材质为硅。
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