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一种石墨烯光电探测器及其制备方法

阅读：319发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种石墨烯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。并且本发明公开了一种石墨烯光电探测器及制备方法，其包括：衬底，其长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向；沿X方向间隔地设于所述衬底上的光输入端和光输出端；位于所述光输入端和光输出端之间的光波导结构，其包括：设于所述衬底上的第一金属电极、折射率层和第二金属电极及设于所述高折射率层表面的石墨烯层，所述第一金属电极、折射率层和第二金属电极沿Y方向依次布置并相连；所述折射率层包括沿Y方向依次布置并相连的第一低折射率层、高折射率层和第二低折射率层，所述高折射率层两端分别与光输入端和光输出端相连，石墨烯层两端沿Y方向延伸至分别覆盖所述第一金属电极和第二金属电极。本发明可以提高探测响应度及光电探测带宽。，下面是一种石墨烯光电探测器及其制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种石墨烯光电探测器，其特征在于，其包括：
衬底(1)，其长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向；
沿X方向间隔地设于所述衬底(1)上的光输入端(A)和光输出端(B)；
位于所述光输入端(A)和光输出端(B)之间的光波导结构，其包括：
-设于所述衬底(1)上的第一金属电极(2)、折射率层和第二金属电极(3)，所述第一金属电极(2)、折射率层和第二金属电极(3)沿Y方向依次布置并相连；所述折射率层包括沿Y方向依次布置并相连的第一低折射率层(4)、高折射率层(5)和第二低折射率层(6)，所述高折射率层(5)两端分别与光输入端(A)和光输出端(B)相连；
-设于所述高折射率层(5)表面的石墨烯层(7)，其两端沿Y方向延伸至分别覆盖所述第一金属电极(2)和第二金属电极(3)。
2.如权利要求1所述的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述高折射率层(5)的折射率为1.8～4.2，所述第一低折射率层(4)的折射率为1.0～2.5，所述第二低折射率层(6)的折射率为1.0～2.5，所述第一金属电极(2)和第二金属电极(3)的材质包括金、银、铜中的至少一种。
3.如权利要求1所述的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述高折射率层(5)的材料包括砷化镓、锗、硅、氮化硅中的至少一种。
4.如权利要求1所述的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述第一低折射率层(4)、第二低折射率层(6)的材料包括二氧化硅、氮化硼、氮化硅中的至少一种。
5.如权利要求1所述的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述高折射率层(5)在Z方向的尺寸为150～500nm，在Y方向上的尺寸为150～450nm。
6.如权利要求1所述的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述石墨烯层(7)为单层或者多层石墨烯，石墨烯层在Z方向上的尺寸为0.35～3.5nm。
7.如权利要求1所述的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述第一低折射率层(4)、第二低折射率层(6)在Y方向上的尺寸为10～150nm。
8.如权利要求1所述的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述石墨烯层(7)在Y方向上的尺寸为1～10um。
9.如权利要求1所述的石墨烯光电探测器，其特征在于：所述高折射率层(5)与第一金属电极(2)在Y方向上的距离为10～150nm，高折射率层(5)与第二金属电极(3)在Y方向上的距离为10～150nm。
10.一种如权利要求1所述的石墨烯光电探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对衬底(1)上的硅基片进行处理，制备高折射率层(5)；
沉积金属薄膜，制备第一金属电极(2)、第二金属电极(3)；
在所述第一金属电极(2)与高折射率层(5)之间以及第二金属电极(3)与高折射率层(5)之间分别沉积第一低折射率层(4)和第二低折射率层(6)，并进行平坦化处理；
将石墨烯薄膜转移到第一金属电极(2)、第一低折射率层(4)、高折射率层(5)、第二低折射率层(6)、第二金属电极(3)上，形成石墨烯层(7)。

说明书全文

一种石墨烯光电探测器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电探测器技术领域，具体涉及一种石墨烯光电探测器及其制备方法。

背景技术

[0002] 在光电子集成电路中，光学探测器是接收端核心集成器件之一，它将高速光数据转换成电信号。光学探测器是利用材料具有热电效应、光电效应、电吸收效应，来探测光的振幅。通常利用的材料体系有III-V材料(InP)、硅锗(Si/Ge)。

[0003] 石墨烯作为一种新型材料具有优异的光电子学特性，例如，宽带光响应、与光的强相互作用，超快载流子迁移速率等，结合硅基等材料的光波导结构，可以实现对光的超宽带、高响应度探测。超宽带、高响应度石墨烯光电探测器的基本原理是：石墨烯具有零带隙，可以和超宽光波相助作用(可见光到太赫兹)；石墨烯的载流子迁移速率很快，在充分设计优化RC电路后，探测器的3dB光电响应带宽，理论上可到500GHz；同时石墨烯和光相互作用很强，使得有利于提高响应度。

[0004] 目前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，但是还是有不足之处，例如，探测响应度低、带宽低，制备工艺复杂，成本较高等。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种石墨烯光电探测器，可以提高探测响应度及光电探测带宽。

[0006] 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种石墨烯光电探测器，其包括：

[0007] 衬底，其长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向；

[0008] 沿X方向间隔地设于所述衬底上的光输入端和光输出端；

[0009] 位于所述光输入端和光输出端之间的光波导结构，其包括：

[0010] -设于所述衬底上的第一金属电极、折射率层和第二金属电极，所述第一金属电极、折射率层和第二金属电极沿Y方向依次布置并相连；所述折射率层包括沿Y方向依次布置并相连的第一低折射率层、高折射率层和第二低折射率层，所述高折射率层两端分别与光输入端和光输出端相连；

[0011] -设于所述高折射率层表面的石墨烯层，其两端沿Y方向延伸至分别覆盖所述第一金属电极和第二金属电极。

[0012] 进一步地，所述高折射率层的折射率为1.8～4.2，所述第一低折射率层的折射率为1.0～2.5，所述第二低折射率层的折射率为1.0～2.5，所述第一金属电极和第二金属电极的材质包括金、银、铜中的至少一种。

[0013] 进一步地，所述高折射率层的材料包括砷化镓、锗、硅、氮化硅中的至少一种。

[0014] 进一步地，所述第一低折射率层、第二低折射率层的材料包括二氧化硅、氮化硼、氮化硅中的至少一种。

[0015] 进一步地，所述高折射率层在Z方向的尺寸为150～500nm，在Y方向上的尺寸为150～450nm。

[0016] 进一步地，所述石墨烯层为单层或者多层石墨烯，石墨烯层在Z方向上的尺寸为0.35～3.5nm。

[0017] 进一步地，所述第一低折射率层、第二低折射率层在Y方向上的尺寸为10～150nm。

[0018] 进一步地，所述石墨烯层在Y方向上的尺寸为1～10um。

[0019] 进一步地，所述高折射率层与第一金属电极在Y方向上的距离为10～150nm，高折射率层与第二金属电极在Y方向上的距离为10～150nm。

[0020] 本发明还提供了一种石墨烯光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

[0021] 通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对衬底上的硅基片进行处理，制备高折射率层；

[0022] 沉积金属薄膜，制备第一金属电极、第二金属电极；

[0023] 在所述第一金属电极与高折射率层之间以及第二金属电极与高折射率层之间分别沉积第一低折射率层和第二低折射率层，并进行平坦化处理；

[0024] 将石墨烯薄膜转移到第一金属电极、第一低折射率层、高折射率层、第二低折射率层、第二金属电极上，形成石墨烯层。

[0025] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0026] (1)本发明实施例提供的光波导结构可以使得TE模式的模场在高折射率层与第一金属电极之间以及高折射率层与第二金属电极之间的区域分布增多，有利于增强与上层覆盖的石墨烯层的相互作用，提高探测响应度。

[0027] 得益于本发明光波导结构，器件整体电容变得更低，使得该探测器拥有更高光电探测带宽，理论上3dB带宽可达到200GHz以上。

[0028] (2)本发明得益于石墨烯层形成在金属电极之上，使得转移后石墨烯质量很高，而且结构制备工艺简单，有利于推广。附图说明

[0029] 图1为本发明实施例提供的石墨烯光电探测器平面结构示意图；

[0030] 图2为图1中C-C处端面图；

[0031] 图3为本发明实施例提供的石墨烯光电探测器制备方法流程图。

[0032] 图中：A、光输入端；B、光输出端；1、衬底；2、第一金属电极；3、第二金属电极；4、第一低折射率层；5、高折射率层；6、第二低折射率层；7、石墨烯层；8、锥型耦合过渡区；9、金属倒锥。

具体实施方式

[0033] 以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

[0034] 参见图1所示，本发明实施例提供了一种石墨烯光电探测器，其包括衬底1、光输入端A和光输出端B、光波导结构，将衬底1长度、宽度及高度方向分别定义为X、Y、Z方向，参见图1和图2所示；

[0035] 参见图1所示，光输入端A和光输出端B沿X方向间隔地设在衬底1上；

[0036] 光波导结构位于光输入端A和光输出端B之间，光波导结构包括两个部分：

[0037] 第一部分：设置在衬底1上的第一金属电极2、折射率层和第二金属电极3，第一金属电极2、折射率层和第二金属电极3沿Y方向依次布置并依次相连；折射率层包括沿Y方向依次布置并依次相连的第一低折射率层4、高折射率层5和第二低折射率层6，高折射率层5两端分别与光输入端A和光输出端B相连；参见图1所示，本实施例中，第一金属电极2、第一低折射率层4、高折射率层5、第二低折射率层6、第二金属电极3在Y方向上是依次布置并依次相连，当然了，也可以采用如下方式：第一金属电极2、第二低折射率层6、高折射率层5、第一低折射率层4、第二金属电极3在Y方向上是依次布置并依次相连；

[0038] 第二部分：设于高折射率层5表面的石墨烯层7，其两端沿Y方向延伸至分别覆盖第一金属电极2和第二金属电极3，参见图1和2所示，石墨烯层7沿Y方向覆盖于第一金属电极2、第一低折射率层4、高折射率层5、第二低折射率层6、第二金属电极3上。

[0039] 本发明实施例提供的光波导结构可以使得TE模式的模场在高折射率层与第一金属电极之间(即第一低折射率层所在区域)以及高折射率层与第二金属电极之间(即第二低折射率层所在区域)的区域分布增多，有利于增强与上层覆盖的石墨烯层的相互作用，提高探测响应度。

[0040] 得益于本发明光波导结构，器件整体电容变得更低，使得该探测器拥有更高光电探测带宽，理论上3dB带宽可达到200GHz以上。

[0041] 另外，本发明得益于石墨烯层形成在金属电极之上，使得转移后石墨烯质量很高，而且结构制备工艺简单，有利于推广。

[0042] 本实施例中，高折射率层5的折射率为1.8～4.2，第一低折射率层4的折射率为1.0～2.5，第二低折射率层6的折射率为1.0～2.5；第一金属电极2和第二金属电极3的材质包括金、银、铜中的至少一种，具有等离子特性。

[0043] 高折射率层5的材料包括砷化镓、锗、硅、氮化硅中的至少一种。第一低折射率层4、第二低折射率层6的材料包括二氧化硅、氮化硼、氮化硅中的至少一种。

[0044] 高折射率层5在Z方向的尺寸为150～500nm，在Y方向上的尺寸为150～450nm。

[0045] 石墨烯层7为单层或者多层石墨烯，石墨烯层在Z方向上的尺寸为0.35～3.5nm。

[0046] 第一低折射率层4、第二低折射率层6在Y方向上的尺寸为10～150nm。

[0047] 石墨烯层7在Y方向上的尺寸为1～10um。

[0048] 高折射率层5与第一金属电极2在Y方向上的距离为10～150nm，高折射率层5与第二金属电极在Y方向上的距离为10～150nm。

[0049] 参见图1所示，石墨烯光电探测器还包括设于衬底1上的两个锥型耦合过渡区8：其中一个设于光输入端A和高折射率层5之间，且其两端分别与光输入端A和高折射率层5相连，该锥型耦合过渡区8在Y方向上的尺寸自光输入端A向高折射率层5逐渐减小；另一个锥型耦合过渡区8位于光输出端B和高折射率层5之间，且其两端分别与光输出端B和高折射率层5相连，该锥型耦合过渡区8在Y方向上的尺寸自光输出端B向高折射率层5逐渐减小。

[0050] 石墨烯光电探测器还包括设于衬底1上的金属倒锥9，参见图1所示，金属倒锥9有四个，其中两个沿X轴方向间隔布置并分别连接于第一金属电极2两端，另外两个沿X轴方向间隔布置并分别连接于第二金属电极3两端，与第一金属电极2相连的金属倒锥9在Y方向上的尺寸自其靠近第一金属电极2的一端朝远离第一金属电极2的一端方向逐渐减小，与第二金属电极3相连的金属倒锥9在Y方向上的尺寸自其靠近第二金属电极3的一端朝远离第二金属电极3的一端方向逐渐减小。

[0051] 金属倒锥9的锥度与锥型耦合过渡区8的锥度相适配，二者被低折射率层(第一低折射率层4、第二低折射率层6)隔开。

[0052] 参见图3所示，本发明实施例还提供了一种石墨烯光电探测器的制备方法，包括如下步骤：

[0053] S1：通过电子束曝光和电感等离子刻蚀对衬底1上的硅基片进行处理，制备高折射率层5；

[0054] S2：沉积导电金属薄膜，制备第一金属电极2、第二金属电极3；

[0055] S3：在第一金属电极2与高折射率层5之间以及第二金属电极3与高折射率层5之间分别沉积第一低折射率层4和第二低折射率层6，并进行平坦化处理；

[0056] S4：将石墨烯薄膜转移到第一金属电极2、第一低折射率层4、高折射率层5、第二低折射率层6、第二金属电极3上，形成石墨烯层7。

[0057] 本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

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