CN113972295B - 光探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光探测器，包括：衬底；二氧化硅层，覆盖于衬底上；脊型波导结构，设置于二氧化硅层上，脊型波导结构包括：第一氮化硅层，设置于二氧化硅层上；石墨烯层，设置于第一氮化硅层上；绝缘层，设置于石墨烯层上，所述绝缘层上设有至少一对电极孔；以及第二氮化硅层，设置于绝缘层上，并位于成对的电极孔之间，使得第二氮化硅层相对于绝缘层突出，以形成脊形部；以及第一电极和第二电极，分别设置于成对的电极孔中，并与所述石墨烯层电连接。
Description
技术领域
本发明涉及光电子材料与器件领域，具体涉及一种光探测器及其制备方法。
背景技术
微电子技术的飞速发展深刻影响了每一个人的生活，但是随着器件特征尺寸的不断缩小，摩尔定律的进一步发展受到了极大地阻碍，因此，人们将目光转移至光电子领域。光电探测器是光电子领域的核心器件之一，其能够将光信号转变为电信号，再通过外接电路，最终实现光探测的功能，其在遥感、成像、通信、夜视、生物医学、环境监测、参数测量等领域发挥着重要的作用。
通常基于半导体材料的光电探测器，如InGaAs、InP、Si、Ge等材料，在单一波段具有良好的探测性能，但Si、Ge材料受限于材料本身禁带宽度、吸收系数等限制，不能有效地覆盖近红外以及波长更长的波段，而InGaAs、InP材料体系无法与现有的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺相兼容，因而提高了制备成本，不利于大规模开发。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种光探测器及其制备方法，以实现宽光谱的光探测，增强光探测器响应度。
为实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种光探测器，包括：衬底；二氧化硅层，覆盖于衬底上；脊型波导结构，设置于二氧化硅层上，脊型波导结构包括：第一氮化硅层，设置于二氧化硅层上；石墨烯层，设置于第一氮化硅层上；绝缘层，设置于石墨烯层上，所述绝缘层上设有至少一对电极孔；以及第二氮化硅层，设置于绝缘层上，并位于成对的电极孔之间，使得第二氮化硅层相对于绝缘层突出，以形成脊形部；以及第一电极和第二电极，分别设置于成对的电极孔中，并与石墨烯层电连接。
根据本发明的实施例，其中，绝缘层由氧化铝制成。
根据本发明的实施例，其中，脊形部的宽度为1～5μm。
根据本发明的实施例，其中，二氧化硅层的厚度大于光探测器工作波长的两倍。
本发明的另一个方面提供了一种光探测器的制备方法，包括：在衬底上形成二氧化硅层；在二氧化硅层上形成第一氮化硅层；利用湿法转移方法，将铜基石墨烯材料转移至第一氮化硅层上，形成石墨烯层；在石墨烯层上形成绝缘层；在绝缘层上形成第一电极和第二电极；在绝缘层上形成第二氮化硅层。
根据本发明的实施例，其中，利用湿法转移方法，将铜基石墨烯材料转移至第一氮化硅层上，包括：在铜基石墨烯材料上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯薄膜；将旋涂有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的铜基石墨烯材料浸泡于氯化铁溶液中，以腐蚀铜基材料；去除氯化铁溶液；将石墨烯转移到第一氮化硅层上；以及去除聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
根据本发明的实施例，其中，去除氯化铁溶液，包括：利用硅片将石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜从氯化铁溶液中转移至去离子水中以去除氯化铁溶液，静置并更换去离子水以去除残余氯化铁溶液。
根据本发明的实施例，其中，去除聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，包括：利用形成有第一氮化硅层的衬底将石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜从去离子水中转移出，并晾干；以及将晾干的石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜浸泡于丙酮溶液中，以去除聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
根据本发明的实施例，其中，在绝缘层上形成第一电极和第二电极，包括：利用电子束曝光技术在绝缘层上形成电极图形；利用氢氟酸湿法腐蚀绝缘层，形成电极孔；以及利用电子束蒸发技术在电极孔中蒸发金属，以形成第一电极和第二电极。
根据本发明的实施例，其中，在绝缘层上形成第二氮化硅层，包括：在由氧化铝制成的绝缘层上形成第二氮化硅层；以及刻蚀部分第二氮化硅层，使得第二氮化硅层在第一电极和第二电极之间相对于绝缘层突出，以形成脊形部。
根据本发明上述实施例的光探测器及其制备方法，石墨烯材料作为光吸收层，其载流子迁移率高，可以吸收任意波长的光且响应速度快，能够实现宽光谱的光探测；石墨烯层位于光探测器结构中间，可以增强光探测器的响应度。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例的光探测器结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例的光探测器脊型波导结构的光场分布图；
图3示意性示出了根据本发明实施例的光探测器的制备方法流程图；以及
图4(a)-(f)示意性示出了根据本发明实施例的光探测器的制备方法的结构示意图。
【附图标记说明】：
100衬底；
200二氧化硅层；
300第一氮化硅层；
400石墨烯层；
500绝缘层；
610第一电极；
620第二电极；
700第二氮化硅层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在相关技术中，石墨烯探测器在应用中存在响应度低，暗电流大等问题。本发明通过波导耦合方式进入的光被石墨烯层吸收，激发的光生载流子扩散至两个电极被收集，从而产生光电流，实现光探测的功能。本发明通过将石墨烯层设置在脊型波导中间，提升石墨烯的吸收效果，增强探测器的响应度。
图1示意性示出了根据本发明实施例的光探测器结构示意图。
如图1所示，光探测器，包括：
衬底100；
二氧化硅层200，覆盖于衬底100上；
脊型波导结构，设置于二氧化硅层200上，脊型波导结构包括：
第一氮化硅层300，设置于二氧化硅层200上；
石墨烯层400，设置于第一氮化硅层300上；
绝缘层500，设置于石墨烯层400上，绝缘层500上设有至少一对电极孔；以及
第二氮化硅层700，设置于绝缘层500上，并位于成对的电极孔之间，使得第二氮化硅层700相对于绝缘层500突出，以形成脊形部；以及
第一电极610和第二电极620，分别设置于成对的电极孔中，与石墨烯层400电连接。
图2示意性示出了根据本发明实施例的光探测器的脊型波导结构的光场分布图。
如图2所示，根据本发明实施例的光探测器，第一氮化硅层300、石墨烯层400、绝缘层500和第二氮化硅层700形成脊型波导结构。根据图2中右侧的图例可知，脊型波导结构的中心是光场强度最大的位置。石墨烯层400与绝缘层500的厚度相对于整个脊型波导结构较薄，不会影响脊型波导内光场强度的分布，与中间的脊形部第二氮化硅层700相对应位置的石墨烯层位于光场强度最大的位置。
根据本发明的实施例的光探测器被构造为波导耦合型石墨烯探测器，石墨烯层作为光吸收层位于脊型波导结构的中间，在脊型波导结构内光场强度最大的位置，有利于吸收更多的光子能量，提升了石墨烯层的吸收效果，进而增强了石墨烯探测器的响应度。
根据本发明的实施例，衬底100的材料可以包括但不限于：硅衬底、氧化硅衬底或石英衬底，衬底100的导电类型为n型或p型。
根据本发明的实施例，所述绝缘层500由氧化铝制成。氧化铝层作为绝缘层，可以有效抑制石墨烯探测器的暗电流，此外还可以改变氧化铝层的厚度，在不影响脊型波导结构的光场分布的情况下，可以提高抑制暗电流的效果。
根据本发明的实施例，石墨烯层400的层数可以为1～5层。
根据本发明的实施例，脊形部的高度可以为100～1000nm，脊宽可以为1～5μm，优选为1.3μm，脊型波导结构的厚度为200～2010nm。
根据本发明的实施例，二氧化硅层200的厚度要大于光探测器工作波长的两倍，若衬底选用氧化硅衬底或石英衬底，可以省略二氧化硅层200。
图3示意性示出了根据本发明实施例的光探测器的制备方法流程图；
图4(a)-(f)示意性示出了根据本发明实施例的光探测器的制备方法的结构示意图。
如图3所示，该方法包括步骤S301～S306。
参见图4(a)，在步骤S301中，在衬底100上形成二氧化硅层200。
根据本发明的实施例，在衬底100上制备二氧化硅层200的方法可以包括但不限于：热氧化法、常压化学气相沉积法、低压化学气相沉积法、等离子体化学气相沉积法等方法。二氧化硅层200的厚度可以为1～5μm，优选为2μm。此外，若选用氧化硅衬底或石英衬底，则可以省略二氧化硅层200。
根据本发明的实施例，二氧化硅层有助于形成脊型波导结构。通常情况下，要形成脊型波导结构，则脊型波导结构中波导层的折射率要大于外面包层的折射率，若直接在硅衬底生长氮化硅，则氮化硅的折射率(1.97)小于衬底硅的折射率(3.42)，不符合在硅衬底上形成波导结构的条件，需要在硅衬底和氮化硅层中间上生长一层二氧化硅，二氧化硅折射率(1.48)小于氮化硅的折射率，有助于形成脊型波导结构。
参见图4(b)，在步骤S302中，在二氧化硅层200上形成第一氮化硅层300。
根据本发明的实施例，制备第一氮化硅层300的方法可以包括但不限于等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积法。第一氮化硅层300的厚度可以为100～1000nm，优选为300nm。
参见图4(c)，在步骤S303中，利用湿法转移方法，将铜基石墨烯材料转移至第一氮化硅层300上，形成石墨烯层400。
根据本发明的实施例，石墨烯层400的制备方法可以包括但不限于：化学气相沉积法、机械剥离法。
根据本发明的实施例，利用湿法转移方法，将铜基石墨烯材料转移至第一氮化硅层300上形成石墨烯层400可以包括：在铜基石墨烯材料上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜；将旋涂有PMMA薄膜的铜基石墨烯材料浸泡于氯化铁溶液中，腐蚀铜衬底；腐蚀完毕后，去除氯化铁溶液，将去除氯化铁溶液的石墨烯转移至第一氮化硅层300上；最后去除PMMA薄膜。
根据本发明的实施例，去除氯化铁溶液可以包括：利用洁净的硅片将腐蚀完铜衬底后的石墨烯与PMMA薄膜从氯化铁溶液中转移至去离子水中以去除氯化铁溶液；静置后，静置时间优选为10分钟，更换去离子水，重复多次静置和更换去离子水的步骤以去除残余氯化铁溶液。
根据本发明的实施例，去除PMMA薄膜可以包括：利用形成有第一氮化硅层300的衬底将石墨烯与PMMA薄膜从去离子水中转移出，自然晾干后；将晾干的石墨烯与PMMA薄膜浸泡于丙酮溶液中以去除PMMA薄膜。
参见图4(d)，在步骤S304中，在石墨烯层400上制备绝缘层500。
根据本发明的实施例，绝缘层500的制备方法可以包括但不限于：原子层沉积法。绝缘层500的厚度可以为1～10nm，优选为10nm。
根据本发明的实施例，氧化铝层作为绝缘层，可以有效抑制石墨烯探测器的暗电流，此外还可以改变氧化铝层的厚度，在不影响脊型波导光场分布的情况下，提高抑制暗电流的效果。
参见图4(e)，在步骤S305中，在绝缘层500上形成第一电极610和第二电极620。
根据本发明的实施例，第一电极610和第二电极620是金属电极，电极材料可以包括但不限于：Ni、Cr、Ti、Au等材料中的一种或多种组合，每种金属的厚度可以为10～100nm，优选的Ti为10nm、Au为50nm。
根据本发明的实施例，在绝缘层500上形成第一电极610和第二电极620可以包括：利用电子束曝光技术在绝缘层500上形成电极图形；再利用氢氟酸溶液对形成有电极图形的绝缘层500进行湿法腐蚀，以形成电极孔；最后利用电子束蒸发技术将Ti和Au蒸发到电极孔中以形成电极。Ti的厚度优选为10nm，Au的厚度优选为50nm。
根据本发明的实施例，第一电极和第二电极用于收集石墨烯光吸收层产生的光生载流子，进而产生光电流，实现石墨烯探测器进行光探测的功能。
参见图4(f)，在步骤S306中，在绝缘层500上形成第二氮化硅层700。
根据本发明的实施例，在由氧化铝制成的绝缘层500上制备第二氮化硅层700的方法可以包括但不限于：等离子体增强化学气相沉积、低压化学气相沉积法。第二氮化硅层700的厚度可以为100～1000nm，优选为400nm。
根据本发明的实施例，对第二氮化硅层700的刻蚀方法可以包括但不限于：电子束曝光技术、反应离子刻蚀技术。利用电子束曝光技术和反应离子刻蚀技术刻蚀部分第二氮化硅层700，使得第二氮化硅层700在第一电极610和第二电极620之间相对于绝缘层500突出，以形成脊形部。刻蚀深度为400nm，脊形部的宽度为1.3μm。
根据本发明上述实施例的光探测器及其制备方法，石墨烯材料作为光吸收层，其载流子迁移率高，可以吸收任意波长的光且响应速度快，能够实现宽光谱的光探测且具有良好的性能指标；石墨烯材料与CMOS工艺相兼容，制备简单、成本较低、可大规模量产；石墨烯层与绝缘层位于脊型波导结构中间，由于石墨烯层与绝缘层厚度相对于整个脊型波导结构较薄，不会影响脊型波导内的光场分布，光场能量仍主要分布在脊型波导结构中间，即石墨烯层位于脊型波导结构中光场强度最大的位置，提升了石墨烯层的吸收效果，进而增强探测器的响应度；氧化铝层作为绝缘层，可以有效抑制石墨烯探测器的暗电流，此外还可以改变氧化铝层的厚度，在不影响脊型波导结构的光场分布的情况下，可以提高抑制暗电流的效果。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光探测器，包括：
衬底(100)；
二氧化硅层(200)，覆盖于所述衬底(100)上；
脊型波导结构，设置于所述二氧化硅层(200)上，所述脊型波导结构包括：
第一氮化硅层(300)，设置于所述二氧化硅层(200)上；
石墨烯层(400)，设置于所述第一氮化硅层(300)上，所述石墨烯层(400)的层数为1～5层；
绝缘层(500)，设置于所述石墨烯层(400)上，所述绝缘层(500)上设有至少一对电极孔；以及
第二氮化硅层(700)，设置于所述绝缘层(500)上，并位于成对的电极孔之间，使得所述第二氮化硅层(700)相对于所述绝缘层(500)突出，以形成脊形部；以及
第一电极(610)和第二电极(620)，分别设置于成对的所述电极孔中，并与所述石墨烯层(400)电连接；
其中，所述绝缘层(500)由氧化铝制成，所述绝缘层(500)的厚度为1～10nm。
2.根据权利要求1所述的光探测器，其中，所述脊形部的宽度为1～5μm。
3.根据权利要求1所述的光探测器，其中，所述二氧化硅层(200)的厚度大于所述光探测器工作波长的两倍。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的光探测器的制备方法，包括：
在衬底(100)上形成二氧化硅层(200)；
在所述二氧化硅层(200)上形成第一氮化硅层(300)；
利用湿法转移方法，将铜基石墨烯材料转移至所述第一氮化硅层(300)上，形成石墨烯层(400)；
在所述石墨烯层(400)上形成绝缘层(500)；
在所述绝缘层(500)上形成所述第一电极(610)和第二电极(620)；
在所述绝缘层(500)上形成第二氮化硅层(700)。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，利用湿法转移方法，将铜基石墨烯材料转移至所述第一氮化硅层(300)上，包括：
在铜基石墨烯材料上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯薄膜；
将旋涂有聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的铜基石墨烯材料浸泡于氯化铁溶液中，以腐蚀铜基材料；
去除氯化铁溶液；
将所述石墨烯转移到所述第一氮化硅层(300)上；以及
去除聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，去除氯化铁溶液，包括：
利用硅片将石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜从氯化铁溶液中转移至去离子水中以去除氯化铁溶液，静置并更换去离子水以去除残余氯化铁溶液。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，去除聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，包括：
利用形成有第一氮化硅层(300)的衬底将石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜从去离子水中转移出，并晾干；以及
将晾干的石墨烯与聚甲基丙烯酸甲酯薄膜浸泡于丙酮溶液中，以去除聚甲基丙烯酸甲酯薄膜。
8.根据权利要求4-7中的任一项所述的制备方法，其中，在所述绝缘层(500)上形成所述第一电极(610)和第二电极(620)，包括：
利用电子束曝光技术在所述绝缘层(500)上形成电极图形；
利用氢氟酸湿法腐蚀绝缘层(500)，形成电极孔；以及
利用电子束蒸发技术在所述电极孔中蒸发金属，以形成所述第一电极(610)和第二电极(620)。
9.根据权利要求4-7中的任一项所述的制备方法，其中，在所述绝缘层(500)上形成第二氮化硅层(700)，包括：
在由氧化铝制成的绝缘层(500)上形成第二氮化硅层(700)；以及
刻蚀部分所述第二氮化硅层(700)，使得所述第二氮化硅层(700)在第一电极(610)和第二电极(620)之间相对于所述绝缘层(500)突出，以形成脊形部。
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