集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器的制造方法
【專利摘要】一種集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，該光電探測器制作在SOI襯底上，包括：一光波導，形成在襯底縱向的上面；一絕緣透明薄膜均勻制作在襯底上，并覆蓋光波導；一石墨烯薄膜制作在絕緣透明薄膜上，并覆蓋條狀的該光波導的中間部分；一第一金屬電極，其具有一接觸端和條狀的電極端，其接觸端制作在絕緣透明薄膜上的一側，其電極端縱向制作在石墨烯薄膜上；一第二金屬電極，其具有一接觸端和條狀的電極端，其接觸端制作在絕緣透明薄膜上的一側，其電極端縱向制作在石墨烯薄膜上；一柵電極窗口，其形成于絕緣透明薄膜上，位于暴露的絕緣透明薄膜的任意表面。本發(fā)明將石墨烯光電探測器與波導、諧振腔等集成，克服了光響應度低的缺陷。
【專利說明】集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯應用于光通信、光傳感和光互連【技術領域】，具體涉及一種集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器。
【背景技術】
[0002]在未來的光通信中，集成化、高速化、小型化的光電探測器是必不可少的。石墨烯作為新興的二維材料，其制作工藝與CMOS工藝兼容，并且易于與硅基調(diào)制器集成。
[0003]石墨烯是一種單層蜂窩晶體點陣上的碳原子組成的二維晶體，單層厚度只有約
0.335nm，保證光電探測器小型化的要求。理論表明在可見光波段石墨烯會透過97.7%的光，而其余的2.3%絕大多數(shù)會被吸收，僅有約為0.1 %的光被反射。由于石墨烯的帶隙為零，因此石墨烯的吸收譜很寬，覆蓋了由紅外到可見甚至到紫外的范圍，其吸收譜在300nm-2500nm 都很平坦。
[0004]目前，國際上制備的FET型石墨烯光電探測器的響應度低于IOmA / W，遠低于實用化的要求。
[0005]目前測得低溫下石墨烯的載流子遷移率為200000cm2 / V.S，其大小遠遠超出目前質(zhì)量最好的HEMT，因此石墨烯光電探測器有高帶寬的特點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，提供一種集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，將石墨烯光電探測器與波導、諧振腔等集成，克服了光響應度低的缺陷。
[0007]為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，該光電探測器制作在SOI襯底上，包括:
[0008]一光波導，該光波導為條狀，形成在襯底縱向的上面；
[0009]一絕緣透明薄膜，該絕緣透明薄膜均勻制作在襯底上，并覆蓋光波導；
[0010]一石墨烯薄膜，其制作在絕緣透明薄膜上，并覆蓋條狀的該光波導的中間部分；
[0011]—第一金屬電極,該第一金屬電極有一接觸端和條狀的電極端，其接觸端制作在絕緣透明薄膜上的一側，其電極端縱向制作在石墨烯薄膜上，而位于條狀的光波導的一側；
[0012]一第二金屬電極，該第二金屬電極有一接觸端和條狀的電極端，其接觸端制作在絕緣透明薄膜上的一側，其電極端縱向制作在石墨烯薄膜上，而位于條狀的光波導的另一側；
[0013]一柵電極窗口，其形成于絕緣透明薄膜上，位于暴露的絕緣透明薄膜的任意表面。
[0014]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]1.本發(fā)明采用石墨烯薄層為有源層吸收光，光在波導中傳輸被石墨烯薄層吸收，由于熱光效應和光伏效應產(chǎn)生光電流，達到光電探測的目的。
[0016]2.本發(fā)明采用石墨烯薄層為有源層吸收光，石墨烯為單層碳原子，厚度約為0.335nm,遠小于傳統(tǒng)II1、V族材料制作的光電探測器厚度；本發(fā)明米用光柵I禹合而非垂直入射方式吸收光，因此無須制作上下結構的DBR反射鏡；以上兩點大大降低器件體積和制備復雜性。
[0017]3.本發(fā)明采用石墨烯薄層為有源層吸收光，石墨烯吸收光譜范圍廣，因此能很好的克服傳統(tǒng)II1、V族材料制作的光電探測器探測帶寬窄的缺陷。
[0018]4.本發(fā)明在光波導上集成了 DBR光柵構成諧振腔，能增大石墨烯薄層下方波導光場強度，克服了石墨烯探測器光響應度低的缺陷。
[0019]5.本發(fā)明提供的這種集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器可以有很大的尺寸與光譜調(diào)制范圍的設計自由度，功耗小，插入損耗低，對光信號無偏振態(tài)要求，且易于與硅基調(diào)制器集成。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例及附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中:
[0021]圖1是依照本發(fā)明實施例的集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器的三維結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]所述結構只是為了使本方案更加清晰給出的一種示例，本發(fā)明所涉及器件并不局限于附圖所示結構，在圖中為了清楚表示，放大了層和區(qū)域的厚度，作為示意圖不應該被認為嚴格反應了幾何尺寸以及各層之間的比例關系。
[0023]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，該光電探測器制作在SOI襯底I上，包括:
[0024]—光波導2,該光波導2為條狀,形成在襯底I縱向的上面，該光波導2包括一輸入率禹合光柵21、一第一 DBR光柵22、一第二 DBR光柵23和輸出稱合光柵24,該輸入稱合光柵21和第一 DBR光柵22位于石墨烯薄膜4的一側，該第二 DBR光柵23和輸出耦合光柵24位于石墨烯薄膜4的另一側,所述輸入稱合光柵21和輸出稱合光柵24的結構滿足布拉格條件，所述輸入耦合光柵21和輸出耦合光柵24的結構是均勻光柵，或是漸變光柵；
[0025]一絕緣透明薄膜3，該絕緣透明薄膜3均勻制作在襯底I上，并覆蓋光波導2 ；
[0026]一石墨烯薄膜4，其制作在絕緣透明薄膜3上，并覆蓋條狀光波導2的中間部分；
[0027]—第一金屬電極5,該第一金屬電極5有一接觸端和條狀的電極端,其接觸端制作在絕緣透明薄膜3上的一側，其電極端縱向制作在石墨烯薄膜4上，而位于條狀的光波導2的一側；
[0028]一第二金屬電極6，該第二金屬電極6有一接觸端和條狀的電極端，其接觸端制作在絕緣透明薄膜3上的一側，其電極端縱向制作在石墨烯薄膜4上，而位于條狀的光波導2的另一側；
[0029]其中所述第一金屬電極5和第二金屬電極6的材料為Pd、Pt、T1、Cu或Al,該第一金屬電極5和第二金屬電極6為同一種材料或為兩種不同材料,或是兩種或兩種以上材料的合金的組合[0030]一柵電極窗口 7，其形成于絕緣透明薄膜3上，位于暴露的絕緣透明薄膜3的任意表面，所述絕緣透明薄膜3上的柵電極窗口 7為任意大小任意形狀。
[0031 ] 其中所述第一金屬電極5為光電探測器的源極，第二金屬電極6為光電探測器的漏極，襯底I為光電探測器的柵極，柵信號通過絕緣透明薄膜3上的電極窗口 7提供。
[0032]該光電探測器為場效應晶體管(FET)結構。源極和漏極用于收集光電流，同時源漏偏壓、和柵電壓均可調(diào)控光電流的大小和方向。
[0033]器件在實際使用時，襯底I作為探測器的柵極，要有良好的導電性，因此在其他工藝之前要對襯底I進行N型或P型的重摻雜，摻雜方式可采用離子注入或熱擴散等常規(guī)方法。
[0034]在已經(jīng)重摻雜的襯底I上刻蝕掉一定深度、一定形狀的硅材料即可形成光波導2，刻蝕方法可采用ICP刻蝕等常規(guī)方法。石墨烯薄膜4對光的吸收較弱(約為2.3%)，采用石墨烯薄膜4與光波導2集成的方法可以增大石墨烯薄膜4與光的有效作用距離，從而增強石墨烯薄膜4對光的吸收。但是即使采用這種方法，由于石墨烯薄膜4和光波導2的長度受限，石墨烯薄膜4對光的吸收也是有限的。為了進一步增大石墨烯薄膜4對光的吸收，在光波導2上制作一第一 DBR光柵22、一第二 DBR光柵23,使光在兩個DBR光柵之間形成諧振，增大石墨烯薄膜4下方的光場強度，進而增強石墨烯薄膜4的光吸收。
[0035]所述輸入稱合光柵21和輸出稱合光柵24的目的是使近垂直入射的光能通過光柵結構稱合到光波導2中傳輸,因此輸入稱合光柵21和輸出稱合光柵24的光柵尺寸、光I禹合角度和光波長要滿足布拉格條件。
[0036]絕緣透明薄膜3的作用是作為柵介質(zhì)層，這要求絕緣透明薄膜3要有很強的抗拒穿能力。石墨烯薄膜4制作在絕緣透明薄膜3上，石墨烯薄膜4通過吸收光波導2的倏逝波來吸收光，這要求絕緣透明薄膜3要有良好的透光能力，并且厚度不宜過厚。綜合考慮以上要求，絕緣透明薄膜3可以采用ALD等方法生長的氧化鋁或氧化鉿等材料，也可以采用機械剝離或CVD生長等方法得到的氮化硼等二維材料。
[0037]石墨烯薄膜4制作在絕緣透明薄膜3上，并覆蓋條狀光波導2的中間部分。石墨烯薄膜4可以由機械剝離方法或在CVD生長等方法制備，再轉(zhuǎn)移到絕緣透明薄膜3上。光在光波導2中傳播時，石墨烯薄膜4會吸收光波導2的倏逝波，石墨烯薄膜4沿光波導2方向的長度越長，石墨烯薄膜4對光的吸收越強。為了進一步增強石墨烯薄膜4對光的吸收，在光波導2的兩端制作了第一 DBR光柵22和第二 DBR光柵23，使光在兩個DBR光柵之間形成諧振，在石墨烯薄膜4和光場作用的范圍內(nèi)增大光場強度，從而增強石墨烯薄膜4對光的吸收。
[0038]石墨烯薄膜4吸收光后會長生電子空穴對，由于熱光效應和光電效應形成光電流，該光電流的大小和方向受源漏偏壓和柵壓調(diào)制。
[0039]第一金屬電極5和第二金屬電極6的作用是收集、調(diào)控光電流。當?shù)谝唤饘匐姌O5和第二金屬電極6之間無偏壓時，由于熱光效應和光電效應，石墨烯薄膜4吸收光后會形成微弱的光電流，此時第一金屬電極5或第二金屬電極6到光波導2的距離必須小于等于200nm ;當?shù)谝唤饘匐姌O5和第二金屬電極6之間加一定偏壓時,光生載流子會在外加偏壓作用下分離形成較大光電流，此時第一金屬電極5和第二金屬電極6到光波導2的距離無要求。為了保護石墨烯薄膜4，生長第一金屬電極5和第二金屬電極6的方法一般采用電子束蒸鍍(EBE)法，為了增強第一金屬電極5和第二金屬電極6與絕緣透明薄膜3和石墨烯薄膜4的粘附性，一般先電子束蒸鍍一定厚度的Ti，然后再蒸鍍一定厚度的其他金屬來增大第一金屬電極5和第二金屬電極6的機械強度。
[0040]為了能將柵電極信號加在襯底I上，需要在絕緣透明薄膜3上形成一柵電極窗口
7,在不破壞光波導2、石墨烯薄膜4、第一金屬電極5和第二金屬電極6的前提下,柵電極窗口7為任意大小任意形狀。柵電極窗口的深度小于等于對襯底I離子注入的深度。當電信號從柵電極窗口 7加到襯底I上時，由于襯底I是重摻雜的，有良好的導電能力，襯底I即可被用作柵極，調(diào)控石墨烯薄膜4的費米能級，從而調(diào)控光電流的大小和方向。
[0041]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，該光電探測器制作在SOI襯底上，包括: 一光波導，該光波導為條狀，形成在襯底縱向的上面； 一絕緣透明薄膜，該絕緣透明薄膜均勻制作在襯底上，并覆蓋光波導； 一石墨烯薄膜，其制作在絕緣透明薄膜上，并覆蓋條狀的該光波導的中間部分； 一第一金屬電極，該第一金屬電極有一接觸端和條狀的電極端，其接觸端制作在絕緣透明薄膜上的一側，其電極端縱向制作在石墨烯薄膜上，而位于條狀的光波導的一側； 一第二金屬電極，該第二金屬電極有一接觸端和條狀的電極端，其接觸端制作在絕緣透明薄膜上的一側，其電極端縱向制作在石墨烯薄膜上，而位于條狀的光波導的另一側； 一柵電極窗口，其形成于絕緣透明薄膜上，位于暴露的絕緣透明薄膜的任意表面。
2.根據(jù)權利要求1所述的集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，其中光波導包括一輸入稱合光柵、一第一 DBR光柵、一第二 DBR光柵和輸出稱合光柵,該輸入率禹合光柵和第一 DBR光柵位于石墨烯薄膜的一側,該第二 DBR光柵和輸出稱合光柵位于石墨烯薄膜的另一側。
3.根據(jù)權利要求1所述的集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，其中第一金屬電極為光電探測器的源極，第二金屬電極為光電探測器的漏極，襯底為探測器的柵極，柵信號通過絕緣透明薄膜上的柵電極窗口提供。
4.根據(jù)權利要求3所述的集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，其中第一金屬電極和第二金屬電極的材料為Pd、Pt、T1、Cu或Al,該第一金屬電極和第二金屬電極為同一種材料或為兩種不同材料，或是兩種或兩種以上材料的合金的組合。
5.根據(jù)權利要求2所述的集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，其中輸入稱合光柵和輸出稱合光柵的結構滿足布拉格條件。
6.根據(jù)權利要求5所述的集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，其中輸入稱合光柵和輸出稱合光柵的結構是均勻光柵，或是漸變光柵。
7.根據(jù)權利要求1中所述的集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，其中絕緣透明薄膜上的柵電極窗口為任意大小任意形狀。
8.根據(jù)權利要求1中所述的集成分布布拉格反射光柵的增強型石墨烯波導探測器，其中絕緣透明薄膜的材料為氧化鋁或氧化鉿或氮化硼薄膜。
【文檔編號】H01L31/112GK103943715SQ201410095871
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2014年3月14日
【發(fā)明者】王玉冰, 尹偉紅, 韓勤, 楊曉紅 申請人:中國科學院半導體研究所