一种光电探测器及其制备方法
阅读：869发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种光电探测器及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供一种光电探测器及其制备方法，在衬底上形成有 波导 ，在波导的上方形成有低维材料，在波导两侧设置有虚 电极 ，虚电极包括第一 接触 电极和第二接触电极，低维材料与位于波导一侧的虚电极的第一接触电极接触，并且和波导另一侧的第二接触电极接触，从而将多个虚电极 串联 连接，这样，通过设计蛇形 电流 走向结构，使得低维材料位于波导上方，与波导良好耦合，提高光电探测器的光伏倍增效果。，下面是一种光电探测器及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种光电探测器，其特征在于，包括：
衬底上的波导；
位于波导上方的低维材料；
位于所述波导两侧的多个虚电极，所述虚电极包括第一接触电极和第二接触电极；
其中，所述低维材料将所述多个虚电极串联连接。
2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述波导为硅波导，所述低维材料为碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述第一接触电极为高功函数金属，所述第二接触电极为低功函数金属。
4.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，还包括：
位于所述波导和所述低维材料之间的绝缘层。
5.根据权利要求4所述的探测器，其特征在于，所述绝缘层的厚度为5-20nm。
6.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述虚电极位于所述波导两侧的100nm处。
7.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述多个虚电极包括：
所述多个虚电极与所述波导平行。
8.一种光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成波导；
在所述波导上形成低维材料；
在所述波导的两侧形成多个虚电极，所述虚电极包括第一接触电极和第二接触电极；
其中，所述低维材料将所述多个虚电极串联连接。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述波导为硅波导，所述低维材料为碳纳米管。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述波导和所述低维材料之间设置有绝缘层。
一种光电探测器及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种光电探测器及其制备方法。
背景技术
发明内容
[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光电探测器，提高光伏输出。
[0004] 为实现上述目的，本发明有如下技术方案：
[0005] 一种光电探测器，包括：
[0006] 衬底上的波导；
[0007] 位于波导上方的低维材料；
[0009] 其中，所述低维材料将所述多个虚电极串联连接。
[0011] 可选的，所述第一接触电极为高功函数金属，所述第二接触电极为低功函数金属。
[0012] 可选的，还包括：
[0013] 位于所述波导和所述低维材料之间的绝缘层。
[0014] 可选的，所述绝缘层的厚度为5-20nm。
[0015] 可选的，所述虚电极位于所述波导两侧的100nm处。
[0016] 可选的，所述多个虚电极包括：
[0017] 所述多个虚电极与所述波导平行。
[0018] 一种光电探测器的制备方法，包括：
[0019] 在衬底上形成波导；
[0020] 在所述波导上形成低维材料；
[0021] 在所述波导的两侧形成虚电极，所述虚电极包括第一接触电极和第二接触电极；
[0022] 其中，所述低维材料将所述多个虚电极串联连接。
[0024] 可选的，在所述波导和所述低维材料之间设置有绝缘层。
[0025] 本发明实施例提供的一种光电探测器及其制备方法，在衬底上形成有波导，在波导的上方形成有低维材料，在波导两侧设置有虚电极，虚电极包括第一接触电极和第二接触电极，低维材料与位于波导一侧的虚电极的第一接触电极接触，并且和波导另一侧的第二接触电极接触，从而将多个虚电极串联连接，这样，通过设计蛇形电流走向结构，使得低维材料位于波导上方，与波导良好耦合，提高光电探测器的光伏倍增效果。附图说明
[0026] 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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0027] 图1示出了根据本发明实施例光电探测器的制备方法的流程示意图；
[0028] 图2示出了根据本发明实施例光电探测器的结构示意图；
[0029] 图3-7示出了根据本发明实施例的制造方法形成光电探测器过程中的剖面结构示意图；
[0030] 图8示出了根据本发明实施例光电探测器的俯视结构示意图；
[0031] 图9示出了根据本发明实施例光电探测器的I-V特性曲线图。
具体实施方式
[0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
[0033] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0034] 正如背景技术所述，光电探测器作为光电子集成电路中一种不可或缺的元件，能够完成光通信与光互连系统中的光电转换功能，实现从光域到电域的转换，但是受到材料带隙的限制，探测器的光伏输出有限。通过虚电极的引入虽然在一定程度上能够增加探测器的输出电压，但是虚电极引入后的结构难以与波导进行耦合，无法实现探测器的光伏倍增。
[0035] 为此，本申请提出一种光电探测器，在衬底上形成有波导，在波导的上方形成有低维材料，在波导两侧设置有虚电极，虚电极包括第一接触电极和第二接触电极，低维材料与位于波导一侧的虚电极的第一接触电极接触，并且和波导另一侧的第二接触电极接触，从而将多个虚电极串联在一起，这样，通过设计虚电极的排布，形成蛇形电流走向结构，使得低维材料与波导良好耦合，提高光电探测器的光伏倍增效果。
[0036] 为了更好的理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图2-8对具体的实施例进行详细的描述。
[0037] 参考图2和图8所示，图8为图2的俯视结构示意图，本申请提供了一种光电探测器，包括：
[0038] 衬底100上的波导120；
[0039] 位于波导120上方的低维材料130；
[0040] 位于所述波导120两侧的多个虚电极140，所述虚电极140包括第一接触电极141和第二接触电极142；
[0041] 其中，所述低维材料130将所述多个虚电极140串联连接。
[0042] 本申请实施例中，衬底100可以为半导体衬底，例如可以为Si衬底、Ge衬底、SiGe衬底、SOI(绝缘体上硅，Silicon On Insulator)或GOI(绝缘体上锗，Germaniun On Insulator)等。在其他实施例中，衬底100还可以包括其他元素半导体或化合物半导体衬底，例如GaAs、InP或SiC等，还可以为叠层结构，例如Si/SiGe等，还可以为其他外延结构，例如SGOI(绝缘体上硅锗)等。在本实施例中，该衬底100可以为SOI。
[0043] 本申请实施例中，在衬底100上形成有波导120，波导120可以与低维材料130良好耦合，避免光电探测器由于光子吸收方向与载流子输运方向使得探测器的光响应度与带宽之间的相互制约，波导120例如可以为硅波导、氮化硅波导。在波导120上方形成有低维材料130，低维材料130的吸收层很薄，与波导120耦合可以增强光电探测器的光吸收效率，低维材料130例如可以为碳纳米管、石墨烯或者硫化钼等。
[0044] 在波导120的两侧形成有多个虚电极140，虚电极140包括第一接触电极141和第二接触电极142，虚电极140的引入可以提高探测器的输出电压。在本实施例中，虚电极140可以平行设置于波导120的两侧，以节省衬底100的面积，简化后续工艺。在一个实施例中，可以将虚电极140设置于波导120两侧的100nm处，使得光生激子位于有效的分离区域附近。
[0045] 参考图8所示，低维材料130通过与波导120一侧的第一接触电极141以及波导120另一侧的第二接触电极142接触，将多个虚电极140串联在一起，多个虚电极140由低维材料130串联后形成蛇形电流走向结构，一个虚电极140的第一接触电极141和第二接触电极142接触连接，第二接触电极142与低维材料130接触连接，低维材料130与另一个虚电极140的第一接触电极141接触连接，从而，电流经过一个虚电极140的第一接触电极141流向第二接触电极142，而后经过低维材料130流向下一个虚电极140的第一接触电极141，依次循环，实现电流在多个串联虚电极140上的输运，多个虚电极140串联的级联结构增大探测器的输出电压，而且具有此蛇形电流走向结构的探测器中的低维材料130位于波导120的上方，实现波导120与低维材料130的有效耦合，进一步增大探测器的光伏倍增效果。在具体的应用中，输出电压与级联结构的级联级数成正比，可以根据需要调整虚电极140的级联级数。
[0046] 在本实施例中，第一接触电极141可以为高功函数金属，例如可以为钯(Pd)，第二接触电极142可以为低功函数金属，例如可以为钪(Sc)，高功函数金属和低功函数金属可以分别形成p型和n型欧姆接触，在具体的应用中，可以形成光电二极管。
[0047] 在本实施例中，在波导120和低维材料130之间形成有绝缘层150，绝缘层150将低维材料130与波导120隔离开，避免低维材料130与波导120接触产生漏电电流，绝缘层150材料例如可以为氧化硅、氮化硅NDC(Nitrogen doped Silicon Carbide，掺氮碳化硅)等介质材料中的一种或多种。在一个实施例中，绝缘层150材料的厚度可以为5-20nm，绝缘层150的厚度太薄会漏电，太厚会影响低维材料130与波导120的耦合，在具体的实施例中，绝缘层150的厚度可以为8nm。
[0048] 以上对本申请实施例的光电探测器进行了详细的描述，此外，本申请还提供了上述光电探测器的制造方法，以下结合附图1-8进行详细的说明。
[0049] 参考图1所示，在步骤S01中，在衬底100上形成波导120。
[0050] 本申请实施例中，在衬底100上形成掩膜层110，参考图3所示，以掩膜层110为掩膜板，刻蚀衬底100，直至衬底100中的绝缘材料层，在掩膜层110的遮蔽下，刻蚀SOI上方部分的衬底材料，形成波导120，而后去除波导120上方的掩膜层110，例如可以采用反应离子刻蚀，参考图4所示，波导120可以位于衬底100的中间位置，也可以位于衬底100的边缘位置。
[0051] 本实施例中，衬底100可以为SOI(绝缘体上硅，Silicon On Silicon)，在衬底100上形成掩膜层110，以掩膜层110为掩膜板，刻蚀SOI上的硅层，直至SOI中的绝缘层，可以选择刻蚀部分的绝缘层，在掩膜层110的遮蔽下，剩余SOI上方部分的硅层，从而形成波导120，而后去除波导120上方的掩膜层110。
[0052] 在步骤S02中，参考图5所示，在波导120上形成低维材料130。
[0053] 在本申请实施例中，可以采用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积法)在波导120上沉积绝缘层材料，例如可以为氧化硅、氧化铝或氧化铪等在工作波长范围内透明的绝缘介质，从而在波导120以及衬底100上方覆盖绝缘层材料，可以去除衬底100上方的部分绝缘层材料，从而仅在波导120的上方以及侧壁沉积绝缘层材料，形成绝缘层150，绝缘层150将波导120与低维材料130隔离开，避免波导120与低维材料130形成漏电电流。在一个实施例中，绝缘层150的厚度可以为5-20nm，例如可以为8nm，以便于波导120与低维材料130的良好耦合。
[0054] 随后在绝缘层150上方形成低维材料130，参考图6所示，可以直接在绝缘层150上方生长低维材料130，例如可以采用化学气相沉积生长低维材料，也可以将低维材料130转移至绝缘层150上方，绝缘层150将波导120与低维材料130隔离，避免产生漏电电流，低维材料130与波导120耦合，增大探测器的光伏输出。在具体的实施例中，波导120可以为硅波导，低维材料130可以为碳纳米管，从而形成硅波导集成碳纳米管光电探测器。
[0055] 在步骤S03中，在波导120的两侧形成多个虚电极140，虚电极140包括第一接触电极141和第二接触电极142，多个虚电极140由低维材料130连接，参考图7和图8所示，图7为图2沿AA方向的剖视结构图，图8为图2的俯视结构图。
[0056] 在本申请实施例中，可以先在波导120的一侧形成多个虚电极140，而后在波导120的另一侧形成多个虚电极140，也可以同时在波导120的两侧形成多个虚电极140，可以采用光刻或电子束刻蚀形成虚电极140，虚电极140包括第一接触电极141和第二接触电极142，低维材料130通过与波导120一侧的第一接触电极141接触，以及与波导120另一侧的第二接触电极141接触，将多个虚电极140串联在一起，使得电流从一个虚电极140的第二接触电极141经过低维材料130流向下一个虚电极140的第一接触电极141，而后流向此虚电极的第二接触电极142，再经过低维材料130流向下一个虚电极140的第一接触电极141，从而形成具有蛇形电流走向结构的级联器件，级联器件中低维材料130处于波导120上方，实现波导120与低维材料130的有效耦合，实现光伏倍增效果。在本实施例中，第一接触电极141为高功函数金属，例如可以为钯(Pd)，第二接触电极142为低功函数金属，例如可以为(Sc)。
[0057] 以上对本申请实施例的光电探测器的制备方法进行了详细的描述，根据上述方法形成光电探测器之后，可以对该探测器进一步封装，例如可以在衬底上覆盖氧化硅层包覆该探测器，在覆盖氧化硅层之后可以进行平坦化工艺，而后在覆盖层中形成通孔，通过通孔将该探测器的器件电极引出。
[0058] 本申请实施例进一步对具有8级级联结构的光电探测器的输出电压进行测量，参考图9所示，图9为探测器的级联级数为8级时在暗态下和波导模式耦合下的I-V特性曲线，横坐标表示探测器的输出电压V，纵坐标表示探测器的输出电流I，图中曲线A为在暗态下的I-V特性曲线，曲线呈现出明显的二极管整流特性，图中曲线B为在波导模式耦合下的I-V特性曲线，曲线表明与波导耦合时，输出的电压高达1.4V以上，本申请实施例中的光电探测器能够有效提高光伏倍增效果。
[0060] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
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