一種硅-石墨烯雪崩光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種硅-石墨烯雪崩光電探測器。包括硅納米光波導(dǎo)、石墨烯細(xì)叉指、石墨烯寬叉指、石墨烯帶、金屬正電極和金屬負(fù)電極；硅納米光波導(dǎo)上兩側(cè)的側(cè)向包層區(qū)域上均置有一條石墨烯帶，兩側(cè)石墨烯帶朝向中心方向各自伸出有間隔排布的石墨烯細(xì)叉指和間隔排布的石墨烯寬叉指，石墨烯細(xì)叉指、石墨烯寬叉指交錯覆蓋在硅納米光波導(dǎo)的硅芯區(qū)上與硅芯區(qū)接觸，金屬正電極置于與石墨烯細(xì)叉指相連的石墨烯帶上，金屬負(fù)電極置于與石墨烯寬叉指相連的石墨烯帶上。本發(fā)明將硅光波導(dǎo)與石墨烯進行單片集成，結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計方便、制作簡便，不需要困難且昂貴的異質(zhì)外延生長或鍵合工藝，可顯著降低制作成本，并可用于從可見光至中紅外的超大范圍光探測器。
【專利說明】一種硅-石墨烯雪崩光電探測器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光電探測器，尤其是涉及一種硅-石墨烯雪崩光電探測器。

【背景技術(shù)】
[0002] 光電探測器在各種光電系統(tǒng)中占據(jù)核心地位。為實現(xiàn)微弱光信號的探測，往往采 用雪崩光電探測器（APD)。為了獲得高性能APD，一般采用分析吸收-電荷-倍增（SACM)結(jié) 構(gòu)，即：將吸收區(qū)、倍增區(qū)相分離，并在吸收區(qū)、倍增區(qū)之間引入一個電荷層，從而在倍增區(qū) 形成高電場以發(fā)生雪崩效應(yīng)。對于AH)倍增區(qū)，應(yīng)選用具有低k值的材料（k值為電子/空 穴離子化率之比)，從而獲得低噪聲APD。在眾多材料中，硅材料是目前最好的倍增區(qū)材料之 一。另一方面，對于吸收層，應(yīng)根據(jù)其工作波長選取具有合適帶隙的吸收材料。對于光通信 波段，一般采用Ge或III-V材料作為吸收層材料。但這些材料均與硅材料存在較大的晶格 失配，其材料生長往往需要特殊優(yōu)化工藝，不利于其發(fā)展。
[0003] 為此，近年來石墨烯作為一種新材料引起廣泛關(guān)注，尤其是其諸多優(yōu)異光電特性， 為實現(xiàn)高速有源光電子器件提供了優(yōu)異平臺。然而，石墨烯是單原子層結(jié)構(gòu)，若采用傳統(tǒng)垂 直入射方式，光場與石墨烯的相互作用很小。
[0004] 盡管已有關(guān)于硅-石墨烯光電探測器的報道，將石墨烯與硅納米光波導(dǎo)相結(jié)合， 構(gòu)成一種娃-石墨烯復(fù)合納米光波導(dǎo)，使得光場傳輸方向平行于石墨烯表面，增強光場與 石墨烯的相互作用，但僅僅是普通的光電探測器，其響應(yīng)度較低，且尚未涉及雪崩光電探測 器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種硅-石墨烯雪崩光 電探測器。將硅光波導(dǎo)石墨烯完美地集成為一體，從而可以極大的降低成本，并提高其可靠 性。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下： 本發(fā)明包括硅光波導(dǎo)、石墨烯細(xì)叉指、石墨烯寬叉指、石墨烯帶、金屬正電極和金屬負(fù) 電極；硅光波導(dǎo)包含從下到上依次排布的襯底、隔離層以及由硅芯區(qū)和側(cè)向包層區(qū)域組成 的一層，側(cè)向包層區(qū)域位于硅芯區(qū)的兩側(cè)，兩側(cè)的側(cè)向包層區(qū)域上均置有一條石墨烯帶，兩 側(cè)石墨烯帶朝向中心方向各自伸出有間隔排布的石墨烯細(xì)叉指和間隔排布的石墨烯寬叉 指，石墨烯細(xì)叉指、石墨烯寬叉指交錯覆蓋在硅光波導(dǎo)的硅芯區(qū)上與硅芯區(qū)接觸，金屬正電 極置于與石墨烯細(xì)叉指相連的石墨烯帶上，金屬負(fù)電極置于與石墨烯寬叉指相連的石墨烯 帶上。
[0007] 所述的石墨烯細(xì)叉指的寬度小于石墨烯寬叉指的寬度。
[0008] 所述的側(cè)向包層區(qū)域的厚度與硅芯區(qū)的厚度相等。
[0009] 所述的金屬正電極和金屬負(fù)電極米用不同的金屬材料。
[0010] 所述的金屬正電極、金屬負(fù)電極遠(yuǎn)離硅芯區(qū)，使得金屬正電極、金屬負(fù)電極所在位 置的倏逝場振幅降低到探測器模場峰值的1/e以下。
[0011] 所述的金屬正電極、金屬負(fù)電極分別連接到電壓源的正極、負(fù)極。
[0012] 所述的石墨烯細(xì)叉指或者石墨烯寬叉指為單層或多層石墨烯材料。
[0013] 所述的石墨烯細(xì)叉指、石墨烯寬叉指覆蓋在硅芯區(qū)上，使得硅光波導(dǎo)中傳輸?shù)墓?能量的90%以上被吸收。
[0014] 本發(fā)明具有的有益效果是： 1.本發(fā)明利用石墨烯作為光吸收材料，可用于從可見光至中紅外的超大范圍光探測 器。
[0015] 2.本發(fā)明利用硅材料作為倍增曾材料，有利于獲得低噪聲APD。
[0016] 3.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計方便、制作簡便，不需要困難且昂貴的異質(zhì)外延生長或鍵 合工藝，可顯著降低器件制作成本。
[0017] 4.本發(fā)明將硅光波導(dǎo)與石墨烯進行單片集成，與標(biāo)準(zhǔn)的硅光波導(dǎo)設(shè)計與工藝均完 美兼容，并有利于降低器件封裝成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)俯視剖視圖。
[0019] 圖2是圖1的A-A'剖視圖。
[0020] 圖3是圖1的B-B'剖視圖。
[0021] 圖4是圖1的C-C'剖視圖。
[0022] 圖5是圖1的D-D'剖視圖。
[0023] 圖6是本發(fā)明實施例工作電壓為10V的電場分布圖。
[0024] 圖中：11、襯底，12、隔離層，13、側(cè)向包層區(qū)域，14、硅芯區(qū)，2、石墨烯細(xì)叉指，3、石 墨烯寬叉指，4、金屬正電極，5、金屬負(fù)電極，6、石墨烯帶。

【具體實施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明包括硅光波導(dǎo)、石墨烯細(xì)叉指2、石墨烯寬叉指3、石墨烯帶6、 金屬正電極4和金屬負(fù)電極5 ;如圖2~5所不，娃光波導(dǎo)包含從下到上依次排布的襯底11、 隔離層12以及由硅芯區(qū)14和側(cè)向包層區(qū)域13組成的一層，側(cè)向包層區(qū)域13位于硅芯區(qū) 14的兩側(cè)，兩側(cè)的側(cè)向包層區(qū)域13上均置有一條石墨烯帶6,兩側(cè)石墨烯帶6朝向中心方 向各自伸出有間隔排布的石墨稀細(xì)叉指2和間隔排布的石墨稀寬叉指3,石墨稀細(xì)叉指2、 石墨烯寬叉指3交錯覆蓋在硅光波導(dǎo)的硅芯區(qū)14上與硅芯區(qū)14接觸，金屬正電極4置于 與石墨烯細(xì)叉指2相連的石墨烯帶6上，金屬負(fù)電極5置于與石墨烯寬叉指3相連的石墨 烯帶6上，其各個剖面排布結(jié)構(gòu)如如圖2飛所示。
[0027] 石墨烯細(xì)叉指2的寬度小于石墨烯寬叉指3的寬度。
[0028] 優(yōu)選地，側(cè)向包層區(qū)域13的厚度與硅芯區(qū)14的厚度相等。
[0029] 優(yōu)選地，金屬正電極4和金屬負(fù)電極5米用不同的金屬材料，但也可米用相同的金 屬材料。
[0030] 金屬正電極4、金屬負(fù)電極5遠(yuǎn)離娃芯區(qū)14,使得金屬正電極4、金屬負(fù)電極5所在 位置的倏逝場振幅降低到探測器模場峰值的1/e以下，以保證對硅光波導(dǎo)的光場影響幾乎 可以忽略。
[0031] 金屬正電極4、金屬負(fù)電極5分別連接到電壓源的正極、負(fù)極。
[0032] 石墨烯細(xì)叉指2或者石墨烯寬叉指3為單層或多層石墨烯材料，優(yōu)選的可為同時 單層或者同時多層。
[0033] 石墨烯細(xì)叉指2、石墨烯寬叉指3覆蓋在硅芯區(qū)14上，覆蓋足夠長度使得硅光波導(dǎo) 中傳輸?shù)墓饽芰康?0%以上被吸收。
[0034] 本發(fā)明的工作原理過程為： 光沿著硅光波導(dǎo)以基模場形式向前傳播，并被覆蓋于硅光波導(dǎo)之上的石墨烯所吸收包 括石墨烯細(xì)叉指2、石墨烯寬叉指3,形成光生載流子。將金屬正電極4、金屬負(fù)電極5分別 連接到電壓源的正極、負(fù)極，從而在硅芯區(qū)14形成強電場。在此電場作用下，光生載流子進 入硅芯區(qū)14并加速運動，進而發(fā)生雪崩效應(yīng)，通過金屬正電極4、金屬負(fù)電極5上收集到更 多載流子，從而產(chǎn)生增益，形成雪崩效應(yīng)。
[0035] 本發(fā)明的具體實施例如下： 在實施例中，選用標(biāo)準(zhǔn)SOI (Silicon-on-insulator)晶圓，其中Si02隔離層厚度為 3 μ m、娃芯層厚度為220nm。制備工藝流程如下：1)首先利用光刻、刻蝕工藝形成娃光波導(dǎo) 芯區(qū)；2)然后在頂部沉積厚度約為1 μ m的Si02薄膜，并利用刻蝕或化學(xué)機械拋光工藝將 頂部處理平整，形成側(cè)向包層區(qū)域；3)利用濕法轉(zhuǎn)移工藝將單層石墨烯轉(zhuǎn)移并覆蓋于硅光 波導(dǎo)之上；4)利用干法刻蝕工藝制備石墨烯帶6、石墨烯細(xì)叉指2、石墨烯寬叉指3 ;5)沉積 金屬薄膜并形成用于連接外部電源的金屬正電極4、金屬負(fù)電極5。金屬正電極4、金屬負(fù)電 極5與硅芯區(qū)14之間的距離為1 μ m，使得金屬正電極4、金屬負(fù)電極5所在位置的倏逝場 振幅降低到探測器模場峰值的Ι/e以下。
[0036] 在此實施例中，石墨烯細(xì)叉指2和石墨烯寬叉指3的寬度分別為150nm、1 μ m，石墨 烯細(xì)叉指2和石墨烯寬叉指3之間縫隙的寬度為150nm，其周期數(shù)為100,此時其光吸收率 達到90%以上。在金屬正電極4、金屬負(fù)電極5上施加10V電壓時，娃芯區(qū)電場分布如圖6 所示，硅芯區(qū)中產(chǎn)生的電場最高達l〇 6V/cm，即發(fā)生雪崩效應(yīng)，從而產(chǎn)生增益，具有顯著的技 術(shù)效果。
[0037] 上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種硅-石墨烯雪崩光電探測器，其特征在于：包括硅光波導(dǎo)、石墨烯細(xì)叉指（2)、石 墨烯寬叉指（3)、石墨烯帶（6)、金屬正電極（4)和金屬負(fù)電極（5);硅光波導(dǎo)包含從下到上 依次排布的襯底（11)、隔離層（12)以及由硅芯區(qū)（14)和側(cè)向包層區(qū)域（13)組成的一層， 側(cè)向包層區(qū)域（13)位于硅芯區(qū)（14)的兩側(cè)，兩側(cè)的側(cè)向包層區(qū)域（13)上均置有一條石墨 烯帶（6 )，兩側(cè)石墨烯帶（6 )朝向中心方向各自伸出有間隔排布的石墨烯細(xì)叉指（2 )和間隔 排布的石墨烯寬叉指（3)，石墨烯細(xì)叉指（2)、石墨烯寬叉指（3)交錯覆蓋在硅光波導(dǎo)的硅 芯區(qū)（14)上與硅芯區(qū)（14)接觸，金屬正電極（4)置于與石墨烯細(xì)叉指（2)相連的石墨烯帶 (6)上，金屬負(fù)電極（5)置于與石墨烯寬叉指（3)相連的石墨烯帶（6)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅-石墨烯雪崩光電探測器，其特征在于：所述的石墨 烯細(xì)叉指（2)的寬度小于石墨烯寬叉指（3)的寬度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種硅-石墨烯雪崩光電探測器，其特征在于：所述的側(cè)向 包層區(qū)域（13)的厚度與硅芯區(qū)（14)的厚度相等。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅-石墨烯雪崩光電探測器，其特征在于：所述的金屬 正電極（4)和金屬負(fù)電極（5)米用不同的金屬材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅-石墨烯雪崩光電探測器，其特征在于：所述的金屬 正電極（4)、金屬負(fù)電極（5)遠(yuǎn)離娃芯區(qū)（14)，使得金屬正電極（4)、金屬負(fù)電極（5)所在位 置的倏逝場振幅降低到探測器模場峰值的Ι/e以下。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅-石墨烯雪崩光電探測器，其特征在于：所述的金屬 正電極（4)、金屬負(fù)電極（5)分別連接到電壓源的正極、負(fù)極。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅-石墨烯雪崩光電探測器，其特征在于：所述的石墨 烯細(xì)叉指（2)或者石墨烯寬叉指（3)為單層或多層石墨烯材料。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硅-石墨烯雪崩光電探測器，其特征在于：所述的石墨 烯細(xì)叉指（2)、石墨烯寬叉指（3)覆蓋在硅芯區(qū)（14)上，使得硅光波導(dǎo)中傳輸?shù)墓饽芰康?90%以上被吸收。
【文檔編號】H01L31/107GK104157722SQ201410405525
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】戴道鋅 申請人:浙江大學(xué)