專利名稱：集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及ー種集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其包括直接連接到波導(dǎo)的光電探測(cè)器以及形成在該光電探測(cè)器的中心部分的石墨烯。
背景技術(shù)：
光電探測(cè)器是通過探測(cè)光強(qiáng)而產(chǎn)生電信號(hào)的裝置。隨著數(shù)據(jù)處理速度的増加，用于傳輸數(shù)據(jù)的互連的帶寬也逐漸增加。因此，對(duì)于可采用比電互連更低的功率傳輸更大量數(shù)據(jù)的光互連的需求增加。當(dāng)采用光互連時(shí)，數(shù)據(jù)通過調(diào)制激光束而被高速傳輸。因此，需要支持將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)的光電探測(cè)器的高速操作。在由Ge或者II1-V族化合物半導(dǎo)體制造的光電探測(cè)器中，由于通過接收光產(chǎn)生的載流子移向電極的速度是受限的，因此傳輸速度被限制為約40-50Gbps。石墨烯具有非常高的載流子遷移率，并且石墨烯在理論上能夠以1.5THz工作。

發(fā)明內(nèi)容
通過形成接觸波導(dǎo)的光電探測(cè)器并且通過在光電探測(cè)器中形成石墨烯以利用石墨烯來移動(dòng)電子，集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器提供能夠進(jìn)行高速操作的光互連。附加的方面將在以下描述中被部分地闡述以及根據(jù)以下描述將部分地清楚，或者可以通過實(shí)施所給出的實(shí)施例而知悉。根據(jù)本發(fā)明的一方面，集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器包括:波導(dǎo)，位于基板上；以及光電探測(cè)部分，連接到波導(dǎo)，并且來自波導(dǎo)的光經(jīng)過光電探測(cè)部分，其中光電探測(cè)部分包括:第一脊部，從波導(dǎo)的下部延伸；石墨烯，至少形成在第一脊部的上表面上；第ニ脊部，形成在石墨烯上，以面對(duì)第一脊部；以及第一電極和第二電極，與第一脊部分離并且電連接到石墨烯，而第二脊部接觸波導(dǎo)的上部。第一脊部和第二脊部可以由選自由硅(Si)、鍺(Ge)、硅-鍺、II1-V族半導(dǎo)體和I1-VI族半導(dǎo)體組成的組的任ー種形成。集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器還可以包括提供在第一脊部和石墨烯之間的第
ー絕緣層。第一絕緣層可以由選自由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物和六方晶系硼氮化物組成的組的任ー種形成。集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器還可以包括提供在石墨烯和第二脊部之間的第
ニ絕緣層。第二絕緣層可以由選自由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物和六方晶系硼氮化物組成的組的任ー種形成。第一絕緣層和第二絕緣層可以由六方晶系硼氮化物形成。第一絕緣層和第二絕緣層的每個(gè)形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。
石墨烯可以形成在光電探測(cè)部分的垂直表面的大致中心處。石墨烯可以是單層到六層的石墨烯層。第一脊部可以是外延生長的硅層，并且第二脊部可以是多晶硅層。第一電極和第二電極可以分別連接有從第一電極和第二電極在彼此相反的方向上延伸的多個(gè)第一指電極和多個(gè)第二指電極，并且多個(gè)第一指電極和多個(gè)第二指電極可以交替地布置在石墨烯上。波導(dǎo)和光電探測(cè)部分可以具有相同的矩形垂直截面。氧化物層可以布置在第一脊部下方，石墨烯可以從第一脊部的上表面延伸，以覆蓋第一脊部的側(cè)表面和氧化物層，并且第二絕緣層可以提供在第一電極和第二電極之間的石墨烯上。第二脊部可以形成在第二絕緣層上，以覆蓋第一脊部的側(cè)表面。波導(dǎo)和光電探測(cè)部分可以具有包括底表面和從該底表面突出的突出脊的截面。石墨烯可以從第一脊部的上表面延伸，以覆蓋第一脊部的側(cè)表面和底表面，并且第二絕緣層可以提供在第一電極和第二電極之間的石墨烯上。第二脊部可以形成在第二絕緣層上，以覆蓋第一脊部的側(cè)表面。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器包括:波導(dǎo)，位于基板上；以及光電探測(cè)部分，連接到波導(dǎo)，并且來自波導(dǎo)的光經(jīng)過光電探測(cè)部分，其中光電探測(cè)部分包括:第一脊部，從波導(dǎo)延伸；第二脊部，形成為面對(duì)第一脊部；石墨烯，提供在第一脊部和第二脊部之間；以及第一電極和第二電極，與第一脊部分離，并且電連接到石墨烯。


通過結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的以下描述，這些和/或其它方面將變得清楚且更容易理解，附圖中:圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的光電探測(cè)器的透視圖；圖2是沿著圖1的線11-11’剖取的截面圖；圖3是圖1的光電探測(cè)器的一修改示例的平面圖；圖4是圖1的光電探測(cè)器的另ー修改示例的截面圖；圖5是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施例的光電探測(cè)器的透視圖；圖6是沿著圖5的線V1-VI’剖取的截面圖；圖7是示出在將電壓施加到圖5的光電探測(cè)器時(shí)光電探測(cè)部分處的光強(qiáng)的圖示；圖8是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施例的光電探測(cè)器的透視圖；圖9是沿著圖8的線IX-1X’剖取的截面圖；以及圖10是示出在將電壓施加到圖8的光電探測(cè)器時(shí)光電探測(cè)部分處的光強(qiáng)的圖示。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將詳細(xì)描述實(shí)施例，實(shí)施例的示例被示出在附圖中，其中同樣的附圖標(biāo)記通篇指示同樣的元件。在這點(diǎn)上，本實(shí)施例可以具有不同的形式，并且不應(yīng)被解釋為限于這里給出的描述。因此，下面僅通過參考附圖描述實(shí)施例來解釋本發(fā)明的各個(gè)方面。圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的光電探測(cè)器100的透視圖。圖2是沿著圖1的線11-11’剖取的截面圖。參考圖1和圖2，氧化物層112形成在基板110上。波導(dǎo)120形成在氧化物層112上，并且光電探測(cè)部分130直接連接到波導(dǎo)120。波導(dǎo)120可以具有從波導(dǎo)120的下部124突出的突出脊122，并且光電探測(cè)部分130的形狀可以相應(yīng)于突出脊122的形狀。光電探測(cè)部分130包括從波導(dǎo)120的下部124延伸的第一脊部131以及順序地堆疊在第一脊部131上和上方的第一絕緣層132、石墨烯133、第二絕緣層134和第二脊部135。波導(dǎo)120、第一脊部131、第二脊部135和基板110可以由選自由娃(Si)、鍺(Ge)、硅-鍺、II1-V族半導(dǎo)體和I1-VI族半導(dǎo)體組成的組的任ー種形成。基板110上的氧化物層112可以是埋入氧化物層。當(dāng)基板110、波導(dǎo)120和第一脊部131由硅形成并且氧化物層112是由硅氧化物形成的埋入氧化物層時(shí)，基板110、氧化物層112、波導(dǎo)120和第一脊部131可以形成包括形成在絕緣體上硅(SOI)基板上的脊部的結(jié)構(gòu)。光電探測(cè)部分130通過從波導(dǎo)120連續(xù)地延伸而接觸波導(dǎo)120。第一脊部131從波導(dǎo)120延伸以與波導(dǎo)120 —體地形成。光電探測(cè)部分130的在第一脊部上的上部可以在光電探測(cè)部分130的第一脊部之上的相應(yīng)部分被去除之后形成。光電探測(cè)部分130的第二脊部135可以由具有與波導(dǎo)120的折射率大致相等的折射率的材料形成，以便防止經(jīng)過波導(dǎo)120的光從光電探測(cè)部分130的邊界表面反射回去或者防止所述光反射到外部。例如，當(dāng)?shù)谝患共?31由硅形成時(shí)，第二脊部135可以具有與第一脊部131的折射率相差約0.5或更小的折射率。第一絕緣層132可以由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物、六方晶系硼氮化物等形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。第一絕緣層132可以從第一脊部131的上表面131a延伸以覆蓋第一脊部131的側(cè)表面131b和底表面131c。石墨烯133可以通過將利用化學(xué)氣相沉積(CVD)エ藝制造的石墨烯轉(zhuǎn)移到第一絕緣層132上而形成。石墨烯133形成在第一脊部131的上表面131a、側(cè)表面131b和底表面131c上。石墨烯133可以是ー層到六層的石墨烯層。第一電極141和第二電極142形成在第一脊部131的底表面131c上方的石墨烯133上，以與第一脊部131分離。第一電極141和第二電極142可以由典型電極材料，例如，金(Au)、銅(Cu)、鉬(Pt)、鑰(Mo)、鈕(Pd)等形成。電流表144連接到第一電極141和第二電極142。流經(jīng)石墨烯133的電流可以由電流表144測(cè)量。覆蓋石墨烯133的第二絕緣層134形成在第一脊部131的上表面131a上。第二絕緣層134可以由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物、六方晶系硼氮化物等大致形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。當(dāng)?shù)谝唤^緣層132和第二絕緣層134的每個(gè)的厚度大于50nm時(shí)，會(huì)增加驅(qū)動(dòng)電壓。第一絕緣層132和第二絕緣層134可以由至少ー種用于絕緣的材料層形成。第一電極141和第二電極142的每個(gè)可以形成為與第一脊部131的側(cè)表面131b分離約IOOnm到幾微米。第一電極141和第二電極142與第一脊部131分離而達(dá)到不阻礙經(jīng)過波導(dǎo)120的光傳輸?shù)某潭?。在本發(fā)明中，連接到第一電極141和第二電極142的石墨烯133布置在光經(jīng)過區(qū)域(light passing area)中，并且在光經(jīng)過區(qū)域中石墨烯133是透明的。第二脊部135形成在第二絕緣層134上，以面對(duì)第一脊部131。第二脊部135的高度可以類似于第一脊部131的高度。第一脊部131和第二脊部135以及二者之間的層構(gòu)成波導(dǎo)。石墨烯133可以根據(jù)第一脊部131和第二脊部135的折射率和高度而定位為布置在光強(qiáng)分布的中心處。當(dāng)接觸其它材料時(shí)，石墨烯133的遷移率可在特性上降低。然而，當(dāng)?shù)谝唤^緣層132和第二絕緣層134由六方晶系硼氮化物形成時(shí)，石墨烯133的遷移率的劣化可以減少。第二脊部135可以由與第一脊部131相同的材料形成。例如，第一脊部131可以是外延生長的半導(dǎo)體層，而第二脊部135可以是氣相沉積的半導(dǎo)體層。例如，第一脊部131可以是硅外延層，而第二脊部135可以是多晶硅層。下面將參考圖1和圖2詳細(xì)描述根據(jù)本實(shí)施例的光電探測(cè)器100的操作。在將預(yù)定電壓施加到第一電極141和第二電極142之間時(shí)，石墨烯133的費(fèi)米能級(jí)(Fermi level)在石墨烯133的連接到被施加相對(duì)高電壓的電極的部分處增加，而在石墨烯133的連接到被施加相對(duì)低電壓的電極的另一部分處減小。因此，在光經(jīng)過波導(dǎo)120之后，光在經(jīng)過光電探測(cè)部分130的同時(shí)被光電探測(cè)部分130吸收，由此產(chǎn)生電子，也就是載流子。所產(chǎn)生的電子聚集在具有増加的費(fèi)米能級(jí)的電極處。隨著光量的増加，電子的數(shù)量也増加。因此，經(jīng)過光電探測(cè)部分130的光量可以從通過電流表144測(cè)量的第一電極141和第二電極142之間的電流強(qiáng)度而測(cè)量。因?yàn)榫哂懈叩墓馕章实氖?33布置在光電探測(cè)部分130的具有大的光強(qiáng)的中心部分處，所以經(jīng)過光電探測(cè)部分130的光的測(cè)量敏感度提高。而且，因?yàn)槭?33的載流子遷移率高，所以可以高速測(cè)量光量。圖3是圖1的光電探測(cè)器100的一修改示例的平面圖。圖3示出石墨烯133和電極的布置，同時(shí)為了便于解釋而省略了一些構(gòu)成元件。參考圖3,第一電極141和第二電極142分別連接有與其一體形成的多個(gè)第一指電極141a和多個(gè)第二指電極142a。第一指電極141a和第二指電極142a可以布置為在第ー脊部131的上表面131a上的石墨烯133’上彼此交替。第一指電極141a和第二指電極142a分別從第一電極141和第二電極142延伸，并且形成在第一脊部131的上表面131a上方。第一指電極141a和第二指電極142a減少從石墨烯133’產(chǎn)生的電子移動(dòng)到第一電極141和第二電極142的時(shí)間，由此提高光電探測(cè)器100的操作速度。如圖3所示，石墨烯133’可以僅形成在第一脊部131的上表面131a上，以與第一電極141和第二電極142分離。圖4是圖1的光電探測(cè)器100的另ー修改示例的截面圖。在圖4中，同樣的附圖標(biāo)記用于與圖1和圖2的光電探測(cè)器100實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)成元件，而且這里將省略其詳細(xì)描述。參考圖4，第二絕緣層134’覆蓋第一電極141和第二電極142之間的石墨烯133。也就是說，第二絕緣層134’從第一脊部131的上表面131a延伸，并且覆蓋第一脊部131的側(cè)表面131b和底表面131c。在根據(jù)本實(shí)施例的光電探測(cè)器102中，因?yàn)榈诙共?35’覆蓋第一脊部131的側(cè)表面131b上的石墨烯133，所以被石墨烯133吸收的光的分布可以擴(kuò)展到側(cè)表面131b。因此，可以改善光電探測(cè)器102的光探測(cè)效率。圖5是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施例的光電探測(cè)器200的透視圖。圖6是沿著圖5的線V1-VI’剖取的截面圖。在圖5和圖6中，同樣的附圖標(biāo)記用于與圖1和圖2實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)成元件，而且這里將省略其詳細(xì)描述。同時(shí)參考圖5和圖6，氧化物層212形成在基板210上。波導(dǎo)220和直接連接到波導(dǎo)220的光電探測(cè)部分230形成在氧化物層212上。波導(dǎo)220和光電探測(cè)部分230可以具有實(shí)質(zhì)上相同的垂直截面，例如，可以具有實(shí)質(zhì)上相同的矩形截面。光電探測(cè)部分230包括從波導(dǎo)220的下部延伸的第一脊部231以及順序地堆疊在第一脊部231上的第一絕緣層232、石墨烯233、第二絕緣層234和第二脊部235。波導(dǎo)220、第一脊部231、第二脊部235和基板210可以由選自由硅(Si )、鍺(Ge)、硅-鍺、II1-V族半導(dǎo)體和I1-VI族半導(dǎo)體組成的組的任ー種形成。基板210上的氧化物層212可以是埋入氧化物層。當(dāng)基板210、波導(dǎo)220以及第一脊部231由硅形成并且氧化物層212是由硅氧化物形成的埋入氧化物層時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可以通過圖案化絕緣體上硅(SOI)基板而獲得。光電探測(cè)部分230形成為接觸波導(dǎo)220。光電探測(cè)部分230的第一脊部231從波導(dǎo)220的下部延伸以與波導(dǎo)220 —體地形成。光電探測(cè)部分230的上部可以是第一脊部之上的對(duì)應(yīng)部分被去除之后形成的部分。光電探測(cè)部分230的第二脊部235可以由具有與波導(dǎo)220的折射率相似的折射率的材料形成，以便防止經(jīng)過波導(dǎo)220的光從光電探測(cè)部分230的邊界表面反射回去或者防止所述光反射到外部。例如，當(dāng)?shù)谝患共?31由硅形成吋，第二脊部235可以具有與第一脊部231的折射率相差約0.5或更小的折射率。第一絕緣層232可以由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物、六方晶系硼氮化物等形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。第一絕緣層232可以從第一脊部231的上表面231a延伸，以覆蓋第一脊部231的側(cè)表面231b以及第ー脊部231與第一電極241和第二電極242之間的氧化物層212。在圖6中，為了便于解釋，第一絕緣層232示出為僅覆蓋第一脊部231的上表面231a和側(cè)表面231b。石墨烯233可以通過將利用化學(xué)氣相沉積(CVD)エ藝制造的石墨烯轉(zhuǎn)移到第一絕緣層232上而形成。石墨烯233形成在氧化物層212上，以覆蓋第一絕緣層232。石墨烯233可以是ー層到六層的石墨烯層。第一電極241和第二電極242形成在氧化物層212上方的石墨烯233上以與第一脊部231分離。第一電極241和第二電極242可以由典型電極材料，例如，金(Au )、銅(Cu )、鉬(Pt)、鑰(Mo)、鈀(Pd)等形成。電流表244連接到第一電極241和第二電極242，以測(cè)量流經(jīng)石墨烯233的電流。覆蓋石墨烯233的第二絕緣層234形成在第一脊部231的上表面231a上。第二絕緣層234可以由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物、六方晶系硼氮化物等大致形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。當(dāng)?shù)谝唤^緣層232和第二絕緣層234的每個(gè)的厚度大于50nm時(shí)，會(huì)增加光電探測(cè)器200的驅(qū)動(dòng)電壓。第一絕緣層232和第二絕緣層234可以由至少ー種用于絕緣的材料層形成。
第一電極241和第二電極242的每個(gè)可以形成為與第一脊部231的側(cè)表面231b分離約IOOnm到幾微米。第一電極241和第二電極242與第一脊部231分離而達(dá)到不阻礙經(jīng)過波導(dǎo)220的光傳輸?shù)某潭?。在本發(fā)明中，連接到第一電極241和第二電極242的石墨烯233布置在光經(jīng)過區(qū)域中，并且在光經(jīng)過區(qū)域中石墨烯233是透明的。第二脊部235形成在第二絕緣層234上，以面對(duì)第一脊部231。第二脊部235的高度可以類似于第一脊部231的高度。第一脊部231和第二脊部235以及二者之間的層構(gòu)成波導(dǎo)。石墨烯233可以根據(jù)第一脊部231和第二脊部235的折射率和高度而定位為布置在光強(qiáng)分布的中心處。當(dāng)接觸其它材料時(shí)，石墨烯233的遷移率可在特性上降低。然而，當(dāng)?shù)谝唤^緣層232和第二絕緣層234由六方晶系硼氮化物形成時(shí)，石墨烯233的遷移率的劣化可以減少。第二脊部235可以由與第一脊部231相同的材料形成。例如，第一脊部231可以是外延生長的半導(dǎo)體層，而第二脊部235可以是氣相沉積的半導(dǎo)體層。例如，第一脊部231可以是硅外延層，而第二脊部235可以是多晶硅層。圖7是示出在將電壓施加到圖5的光電探測(cè)器時(shí)光電探測(cè)部分處的光強(qiáng)的圖示。參考圖7，可以看到，石墨烯233定位在光傳輸區(qū)域中的垂直表面上的大致中心處。也就是說，石墨烯233布置在光強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域中。在圖5和圖6的光電探測(cè)器200中，與圖1和圖2的光電探測(cè)器100相比，光的泄露減少，從而可以改善石墨烯和光的耦合效率。也就是說，可以改善光探測(cè)效率。因?yàn)楣怆娞綔y(cè)器200的操作與光電探測(cè)器100的操作實(shí)質(zhì)上相同，所以這里將省略其詳細(xì)描述。同時(shí)，光電探測(cè)器200的第一電極241和第二電極242可以分別連接有與其一體形成的圖3的指電極141a和142a。在這種情況下，石墨烯233可以僅形成在第一脊部231的上表面231a上，并且這里將省略其詳細(xì)描述。此外，光電探測(cè)器200可以包括圖4的第二絕緣層234和第二脊部235，并且這里將省略其詳細(xì)描述。圖8是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施例的光電探測(cè)器300的透視圖。圖9是沿著圖8的線IX-1X’剖取的截面圖。參考圖8和圖9，氧化物層312形成在基板310上，并且波導(dǎo)320形成在氧化物層312上。波導(dǎo)320具有矩形垂直截面。波導(dǎo)320可以具有如同圖1的第一脊部131的脊形截面。光電探測(cè)部分330布置在波導(dǎo)320的光出射區(qū)域中。光電探測(cè)部分330包括從波導(dǎo)320延伸的第一脊部331以及順序地堆疊在第一脊部331上的第一絕緣層332、石墨烯333、第二絕緣層334和第二脊部335。波導(dǎo)320和第一脊部331可以具有實(shí)質(zhì)上相同的垂
直截面。波導(dǎo)320、第一脊部331、第二脊部335和基板310可以由選自由硅(Si )、鍺(Ge)、硅-鍺、II1-V族半導(dǎo)體和I1-VI族半導(dǎo)體組成的組的任ー種形成?；?10上的氧化物層312可以是埋入氧化物層。當(dāng)基板310、波導(dǎo)320以及第一脊部331由硅形成并且氧化物層312是由硅氧化物形成的埋入氧化物層時(shí)，這種結(jié)構(gòu)可以通過圖案化絕緣體上硅(SOI)基板而獲得。
第一絕緣層332可以由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物、六方晶系硼氮化物等形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。第一絕緣層332可以從第一脊部331的上表面331a延伸，以覆蓋第一脊部331的側(cè)表面331b。第一絕緣層332可以進(jìn)ー步延伸，以覆蓋第一脊部331與第一電極341和第二電極342之間的氧化物層312。石墨烯333可以通過將利用化學(xué)氣相沉積(CVD)エ藝制造的石墨烯轉(zhuǎn)移到第一絕緣層332上而形成。石墨烯333形成在氧化物層312上，以覆蓋第一絕緣層332。石墨烯333可以是ー層到六層的石墨烯層。第一電極341和第二電極342形成在石墨烯333上以與第一脊部331分離。第一電極341和第二電極342可以由典型電極材料，例如，金(Au)、銅(Cu)、鉬(Pt)、鑰(Mo)、鈀(Pd)等形成。電流表344連接到第一電極341和第二電極342，以測(cè)量流經(jīng)石墨烯333的電流。覆蓋石墨烯333的第二絕緣層334形成在第一脊部331的上表面331a上。第二絕緣層334可以由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物、六方晶系硼氮化物等大致形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。當(dāng)?shù)谝唤^緣層332和第二絕緣層334的每個(gè)的厚度大于50nm時(shí)，可增加光電探測(cè)器300的驅(qū)動(dòng)電壓。第一絕緣層332和第二絕緣層334可以由至少ー種用于絕緣的材料層形成。第一電極341和第二電極342中的每個(gè)可以形成為與第一脊部331的側(cè)表面331b分離約IOOnm到幾微米。第一電極341和第二電極342與第一脊部331分離而達(dá)到不阻礙經(jīng)過波導(dǎo)320的光傳輸?shù)某潭取Ｔ诒景l(fā)明中，連接到第一電極341和第二電極342的石墨烯333布置在光經(jīng)過區(qū)域中，并且在光經(jīng)過區(qū)域中石墨烯333是透明的。第二脊部335形成在第二絕緣層334上，以面對(duì)第一脊部331。第二脊部335的高度可以類似于第一脊部331的高度。第一脊部331和第二脊部335以及二者之間的層構(gòu)成波導(dǎo)。第一脊部331和第二脊部335可以形成為具有類似的高度，使得石墨烯333可以位于光電探測(cè)部分330的垂直表面的大致中心處。石墨烯333可以根據(jù)第一脊部331和第二脊部335的折射率和高度而調(diào)整為布置在光強(qiáng)分布的中心處。當(dāng)接觸其它材料時(shí)，石墨烯333的遷移率可在特性上降低。然而，當(dāng)?shù)谝唤^緣層332和第二絕緣層334由六方晶系硼氮化物形成時(shí)，石墨烯333的遷移率的劣化可以減少。第二脊部335可以由具有與第一脊部331的折射率類似的折射率的材料形成。當(dāng)?shù)谝患共?31由硅形成時(shí)，第二脊部335具有與第一脊部331的折射率相差約0.5或更小的折射率。例如，第一脊部331可以是外延生長的半導(dǎo)體層，而第二脊部335可以是氣相沉積的半導(dǎo)體層。例如，第一脊部331可以是硅外延層，而第二脊部335可以是多晶硅層。圖10是示出在將電壓施加到圖8的光電探測(cè)器時(shí)光電探測(cè)部分330處的光強(qiáng)的圖示。參考圖10，可以看到，石墨烯333定位在光傳輸區(qū)域中的垂直表面上的大致中心處。而且，石墨烯233布置為接近光強(qiáng)最強(qiáng)的區(qū)域。下面將參考圖8到圖10詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的另ー實(shí)施例的光電探測(cè)器300的操作。在將預(yù)定電壓施加到第一電極341和第二電極342之間時(shí)，石墨烯333的費(fèi)米能級(jí)在石墨烯333的連接到被施加相對(duì)高電壓的電極的部分處增加,而在石墨烯333的連接到被施加相對(duì)低電壓的電極的另一部分處減小。因此，光經(jīng)過波導(dǎo)320之后，所述光經(jīng)過光電探測(cè)部分330。這樣，光被部分地分流進(jìn)入第二脊部335中。當(dāng)經(jīng)過光電探測(cè)部分330時(shí)，光被光電探測(cè)部分330吸收，并且由此產(chǎn)生電子，也就是載流子。所產(chǎn)生的電子聚集在具有増加的費(fèi)米能級(jí)的電極處。隨著光量的増加，電子的數(shù)量也増加。因此，經(jīng)過光電探測(cè)部分330的光量可以從通過電流表344測(cè)量的第一電極341和第二電極342之間的電流強(qiáng)度而測(cè)量。因?yàn)榫哂懈叩墓馕章实氖?33布置在光電探測(cè)部分330的具有大的光強(qiáng)的中心部分處，所以經(jīng)過光電探測(cè)部分330的光的測(cè)量敏感度提高。而且，因?yàn)槭?33的載流子遷移率高，所以可以高速測(cè)量光量。同時(shí)，光電探測(cè)器300可以包括分別連接有圖3所示的第一指電極141a和第二指電極142a的第一電極和第二電極，但這里將省略其詳細(xì)描述。而且，光電探測(cè)器300可以包括圖4的第二絕緣層134’和第二脊部135’，但這里將省略其詳細(xì)描述。此外，光電探測(cè)器300的波導(dǎo)320和光電探測(cè)部分330具有矩形垂直截面，但本發(fā)明并不局限于此。例如，光電探測(cè)器300的波導(dǎo)320和光電探測(cè)部分330可以具有包括如同光電探測(cè)器100的波導(dǎo)120和光電探測(cè)部分130的突出脊的截面。在這種情況下，第一絕緣層332形成為覆蓋第一脊部331的底表面,而第一電極341和第二電極342形成在第ー脊部331的底表面上。這里將省略對(duì)其它兀件的詳細(xì)描述。在根據(jù)本發(fā)明的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器中，因?yàn)榻?jīng)過波導(dǎo)的光經(jīng)過光電探測(cè)器時(shí)產(chǎn)生的電子通過形成在光電探測(cè)器的中心部分的石墨烯而被探測(cè)，所以探測(cè)速度得到改善。而且，光電探測(cè)部分中的石墨烯增加了光吸收率，使得光電探測(cè)器的敏感度得到改善。應(yīng)該理解的是，這里描述的示例性實(shí)施例應(yīng)該僅在說明性的意義上考慮，而不是為了限制。每個(gè)實(shí)施例中的特征或方面的描述應(yīng)該典型地被考慮為可用于其它實(shí)施例中的其它類似特征或方面。本申請(qǐng)要求于2011年11月2日提交到韓國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的韓國專利申請(qǐng)N0.10-2011-0113584的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，包括: 波導(dǎo)，位于基板上；以及 光電探測(cè)部分，連接到所述波導(dǎo)，并且來自所述波導(dǎo)的光經(jīng)過所述光電探測(cè)部分， 其中所述光電探測(cè)部分包括: 第一脊部，從所述波導(dǎo)的下部延伸； 石墨烯，至少形成在所述第一脊部的上表面上； 第二脊部，形成在所述石墨烯上，以面對(duì)所述第一脊部；以及 第一電極和第二電極，與所述第一脊部分離，并且電連接到所述石墨烯， 其中所述第二脊部接觸所述波導(dǎo)的上部。
2.按權(quán)利要求1所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一脊部和所述第ニ脊部由選自由硅(Si)、鍺(Ge)、硅-鍺、II1-V族半導(dǎo)體和I1-VI族半導(dǎo)體組成的組的任ー種形成。
3.按權(quán)利要求1所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，還包括提供在所述第一脊部和所述石墨烯之間的第一絕緣層。
4.按權(quán)利要求3所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一絕緣層由選自由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物和六方晶系硼氮化物組成的組的任ー種形成。
5.按權(quán)利要求3所述的集成有波導(dǎo)的 石墨烯光電探測(cè)器，還包括提供在所述石墨烯和所述第二脊部之間的第二絕緣層。
6.按權(quán)利要求5所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第二絕緣層由選自由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物和六方晶系硼氮化物組成的組的任ー種形成。
7.按權(quán)利要求6所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一絕緣層和所述第二絕緣層由六方晶系硼氮化物形成。
8.按權(quán)利要求6所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一絕緣層和所述第二絕緣層的每個(gè)形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。
9.按權(quán)利要求1所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述石墨烯形成在所述光電探測(cè)部分的垂直表面的大致中心處。
10.按權(quán)利要求1所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述石墨烯是單層到六層的石墨烯層。
11.按權(quán)利要求1所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一脊部是外延生長的硅層，并且所述第二脊部是多晶硅層。
12.按權(quán)利要求1所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一電極和所述第二電極分別連接有從所述第一電極和所述第二電極在彼此相反的方向上延伸的多個(gè)第一指電極和多個(gè)第二指電極，并且所述多個(gè)第一指電極和所述多個(gè)第二指電極交替地布置在所述石墨烯上。
13.按權(quán)利要求1所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述波導(dǎo)和所述光電探測(cè)部分具有相同的矩形垂直截面。
14.按權(quán)利要求13所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中氧化物層布置在所述第一脊部下方，所述石墨烯從所述第一脊部的上表面延伸，以覆蓋所述第一脊部的側(cè)表面和所述氧化物層，并且第二絕緣層被提供在所述第一電極和所述第二電極之間的所述石墨烯上。
15.按權(quán)利要求14所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第二脊部形成在所述第二絕緣層上，以覆蓋所述第一脊部的所述側(cè)表面。
16.按權(quán)利要求1所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述波導(dǎo)和所述光電探測(cè)部分具有包括底表面和從所述底表面突出的突出脊的截面。
17.按權(quán)利要求16所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述石墨烯從所述第一脊部的上表面延伸，以覆蓋所述第一脊部的側(cè)表面和所述底表面，并且第二絕緣層被提供在所述第一電極和所述第二電極之間的所述石墨烯上。
18.按權(quán)利要求17所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第二脊部形成在所述第二絕緣層上，以覆蓋所述第一脊部的所述側(cè)表面。
19.一種集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，包括: 波導(dǎo)，位于基板上；以及 光電探測(cè)部分，連接到所述波導(dǎo)，并且來自所述波導(dǎo)的光經(jīng)過所述光電探測(cè)部分， 其中所述光電探測(cè)部分包括: 第一脊部，從所述波導(dǎo)延伸； 第二脊部，形成為面對(duì)所述第一脊部； 石墨烯，提供在所述第一脊部和所述第二脊部之間；以及 第一電極和第二電極，與所述第一脊部分離，并且電連接到所述石墨烯。
20.按權(quán)利要求19所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一脊部和所述第二脊部由選自由硅(Si)、鍺(Ge)、硅-鍺、II1-V族半導(dǎo)體和I1-VI族半導(dǎo)體組成的組的任ー種形成。
21.按權(quán)利要求19所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，還包括提供在所述第一脊部和所述石墨烯之間的第一絕緣層。
22.按權(quán)利 要求21所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一絕緣層由選自由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物和六方晶系硼氮化物組成的組的任ー種形成。
23.按權(quán)利要求21所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，還包括提供在所述石墨烯和所述第二脊部之間的第二絕緣層。
24.按權(quán)利要求23所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第二絕緣層由選自由硅氧化物、鋁氧化物、硅氮化物、硼氮化物和六方晶系硼氮化物組成的組的任ー種形成。
25.按權(quán)利要求23所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一絕緣層和所述第二絕緣層由六方晶系硼氮化物形成。
26.按權(quán)利要求23所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一絕緣層和所述第二絕緣層中的每個(gè)形成為單層或者形成為具有約50nm的厚度。
27.按權(quán)利要求19所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述石墨烯形成在所述光電探測(cè)部分的垂直表面的大致中心處。
28.按權(quán)利要求19所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述石墨烯是單層到六層的石墨烯層。
29.按權(quán)利要求19所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一脊部是外延生長的硅層，并且所述第二脊部是多晶硅層。
30.按權(quán)利要求19所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第一電極和所述第二電極分別連接有從所述第一電極和所述第二電極在彼此相反的方向上延伸的多個(gè)第一指電極和多個(gè)第二指電極，并且所述多個(gè)第一指電極和所述多個(gè)第二指電極交替地布置在所述石墨烯上。
31.按權(quán)利要求19所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述波導(dǎo)和所述第一脊部具有相同的矩形垂直截面。
32.按權(quán)利要求31所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中氧化物層布置在所述第一脊部下方，所述石墨烯從所述第一脊部的上表面延伸，以覆蓋所述第一脊部的側(cè)表面和所述氧化物層，并且所述第二絕緣層提供在所述第一電極和所述第二電極之間的所述石星稀上。
33.按權(quán)利要求32所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第二脊部形成在所述第二絕緣層上，以覆蓋所述第一脊部的所述側(cè)表面。
34.按權(quán)利要求19所述的集成有波導(dǎo)的 石墨烯光電探測(cè)器，其中所述波導(dǎo)和所述第一脊部具有包括底表面和從所述底表面突出的突出脊的截面。
35.按權(quán)利要求34所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述石墨烯從所述第一脊部的上表面延伸，以覆蓋所述第一脊部的側(cè)表面和所述底表面，并且第二絕緣層提供在所述第一電極和所述第二電極之間的所述石墨烯上。
36.按權(quán)利要求35所述的集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其中所述第二脊部形成在所述第二絕緣層上，以覆蓋所述第一脊部的所述側(cè)表面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種集成有波導(dǎo)的石墨烯光電探測(cè)器，其包括波導(dǎo)，位于基板上；以及光電探測(cè)部分，連接到波導(dǎo)并且來自波導(dǎo)的光經(jīng)過光電探測(cè)部分。光電探測(cè)部分包括第一脊部，從波導(dǎo)的下部延伸；石墨烯，至少形成在第一脊部的上表面上；第二脊部，形成在石墨烯上，以面對(duì)第一脊部；以及第一電極和第二電極，與第一脊部分離，并且電連接到石墨烯。第二脊部接觸波導(dǎo)的上部。
文檔編號(hào)H01L31/09GK103094396SQ20121043209
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者金澤, 閔垘基 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社