一種基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，包括：SOI襯底，由下至上依次包括硅、埋氧層和頂層硅；刻蝕該頂層硅形成的一維光柵，該一維光柵由多個二氧化硅條(6)和多個硅條(7)交替分布構成，用以調制與石墨烯層作用的光場的空間分布；形成于該一維光柵之上的石墨烯層(8)，作為有源層與其周圍的光場作用產生電子空穴對；形成于該石墨烯層(8)之上的第一叉指電極(4)和第二叉指電極(5)，二者均與石墨烯接觸從而在接觸面形成內建電場，用以實現對光生載流子的有效收集而形成光電流。利用本發明，通過光柵結構調制入射光在石墨烯周圍的光場，以實現紅外探測的高響應度和高帶寬。
【專利說明】一種基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器【技術領域】
[0001]本發明涉及到表面入射石墨烯光電探測器，尤其涉及一種基于一維光柵的表面入射石墨稀光電探測器。
【背景技術】
[0002]2004年石墨烯被發現，短短6年后，發現它的兩位科學家就獲得了諾貝爾物理學獎，可見石墨烯對科學研究和工業生產意義重大。科學家們很快發現石墨烯具有很多其它材料所不具有的好性質，其同時具有優良的電學、光學、力學性質。2010年IBM成功研制出以碳化硅為襯底的截止頻率達IOOGHz的石墨烯晶體管，短短一年之后石墨烯就成功實現集成電路。由于石墨烯具有獨特的能帶結構，決定了其具有獨特的光學電學性質。其具有的飽和吸收特性，2009年成功實現鎖模激光器；其費米能級可以通過柵壓調節，2011年張翔組利用這一性質成功實現世界上最小的電吸收調制器。由于石墨烯吸收光子具有很高的內量子效率，沒有長波限制以及其具有很高的載流子遷移率，將石墨烯作為探測器的有源層獲得了很多研究組的關注，也取得了很多成果。
[0003]對于傳統的半導體光電探測器，大多基于pin結或者pn結結構，其工作原理簡單。在器件上施加一個反向偏壓，當能量高于半導體禁帶寬度的光子入射到耗盡區時，會產生電子空穴對，電子空穴對在電場的作用下很快分離，電子漂移到N區，空穴漂移到P區，從而產生對外光電流，達到探測光子的目的。然而用石墨烯作為有源區的光電探測器的原理現在還不是很清楚，其光電流產生機理與傳統的探測器有很大的不同。剛開始科學家認為光電流的產生是由于光照射到石墨烯產生熱載流子而導致的光熱電效應產生對外的電流。很快夏豐年等人采用光電流成像的方法，發現金屬電極和石墨烯接觸界面附近有內建電場分布，這種內建電場幫助分離光生載流子而產生光電流。這種內建電場是由于石墨烯和電極接觸處的功函數不同而引起能帶彎曲導致的。2009年他們在300nm氧化硅片上利用機械剝離的方法成功制備出世界上第一個石墨烯光電探測器。這種光電探測器的響應帶寬達到40GHz，理論證明石墨烯光電探測器的帶寬可高達500GHz，其帶寬限制主要來自于RC時間常數。由于石墨烯具有很高的載流子遷移率，其產生的電子空穴對能夠快速被電極收集，因此在不加偏壓的情況下，仍然能夠產生很大的光電流，這是常規探測器所不具備的特性。
[0004]由于在不加偏壓的情況下，光生載流子只能自由運動幾百納米，因此探測器電極只能收集電極邊緣產生的電子空穴對，也就是說這種探測器的有效探測面積會很小，為了增加有效的光探測區域，進而增加光探測效率，2010年Mueller等提出了不對稱叉指電極結構的石墨烯探測器，并且將光電響應度提高了一個數量級。為了進一步增加光電響應度，2013年Pospischil和Gan與2個不同的科學家分別獨立實現波導集成石墨烯探測器,利用波導結構把光波引向探測器的其中一個電極，實現光場對電極的不對稱分布。這種不對稱分布使兩電極處產生的電子空穴對數量不同，在內建電場的作用下，電子和空穴會流向不同的電極，從而形成不同方向電流的不對稱性，產生總的對外光電流。
[0005]基于以上兩種思想，本發明提出一種基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器，利用光柵結構實現對光場的調制，使不同電極處的光場強度不同；利用叉指電極收集光生載流子，增大有效光探測面積。
【發明內容】
[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，其具有響應度高、零偏壓、高帶寬等潛在的特性和優點，另外其制作工藝與CMOS工藝兼容。
[0008]( 二)技術方案
[0009]為達到上述目的，本發明提供了一種基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，包括:S0I襯底，由下至上依次包括硅、埋氧層和頂層硅；刻蝕該頂層硅形成的一維光柵，該一維光柵由多個二氧化硅條6和多個硅條7交替分布構成，用以調制與石墨烯層作用的光場的空間分布；形成于該一維光柵之上的石墨烯層8,作為有源層與其周圍的光場作用產生電子空穴對；形成于該石墨烯層8之上的第一叉指電極4和第二叉指電極5，二者均與石墨烯接觸從而在接觸面形成內建電場，用以實現對光生載流子的有效收集而形成光電流。
[0010]上述方案中，所述埋氧層的厚度為3μπι，所述頂層硅的厚度為220nm，刻蝕該頂層硅而形成的一維光柵的厚度為120nm。其中多層結構中的6的厚度為120nm。這一厚度考慮到兩個方面，一是石墨烯在光柵上能夠光學可見，二是這一厚度能夠很容易區分一維光柵中的硅7和二氧化硅6，便于電極的定位。
[0011]上述方案中，所述一維光柵中的多個二氧化娃條6和多個娃條7,能夠實現對入射光光強分布進行調制。
[0012]上述方案中，當垂直入射光是TE偏振態時，該一維光柵能夠實現光場主要集中在硅條7中；與硅條7上的單層石墨烯接觸的第一叉指電極4旁邊的石墨烯能夠產生更多的電子空穴對，在金屬與石墨烯交界面產生的內建電場的作用下，電子空穴對分離，空穴和電子被第一叉指電極4和第二叉指電極5分別收集，從而產生從第二叉指電極5到第一叉指電極4的光電流。
[0013]上述方案中，所述一維光柵調制與石墨烯層作用的光場的空間分布，實現不同電極處光場分布不同，從而在不同電極處產生不同數量的電子空穴對；由于第一叉指電極4和第二叉指電極5對稱分布，其產生的光電流是反向的，當兩電極處產生的光電流大小相等時，其向外輸出的總光電流為O ;由于一維光柵的存在,使得兩電極處產生的光電流不同，因此其對外輸出的總的光電流不為O。
[0014]上述方案中，所述第一叉指電極4只與硅條7上的單層石墨烯接觸，所述第二叉指電極5只與氧化硅條6上的單層石墨烯接觸。
[0015]上述方案中，所述第一叉指電極4和所述第二叉指電極5是同種金屬Au/Ti，第一叉指電極4位于硅條7的中間，第二叉指電極5位于氧化硅條6的中間，叉指寬度為lOOnm，厚度為 20nm/10nm。
[0016](三)有益效果
[0017]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:[0018]1、本發明提供的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器,包括一維光柵、一層石墨烯、一對叉指電極、SOI襯底等四部分，旨在提高紅外探測器的響應速度和光電流產生效率。一維光柵結構以及一對叉指電極分別與硅和二氧化硅上的單層石墨烯接觸，通過光棚結構調制入射光在石墨稀周圍的光場，以實現紅外探測的聞響應度和聞帶寬。
[0019]2、本發明提供的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，第一叉指電極4和第二叉指電極5都由兩層金屬(Au/Ti)構成。其中一個叉指電極的叉指部分只與硅上的單層石墨烯接觸，另一個叉指電極的叉指部分只與氧化硅上的單層石墨烯接觸，和石墨烯接觸的兩叉指電極最小限度影響入射光和光柵作用，增強光響應度；電極交替分布，相互距離只有微米量級，能夠快速收集光電流，實現高帶寬。
[0020]3、本發明提供的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，首次提出CMOS工藝兼容的表面入射石墨烯光電探測器，在SOI襯底上使用一種金屬材料實現光的探測，便于大批量生產。
[0021]4、本發明提供的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，借助于一維光柵結構參數的設置，首次能夠實現石墨烯在SOI襯底上的光學可見，這為石墨烯在SOI襯底上大范圍應用提供可能。
[0022]5、本發明提供的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，用O帶隙的石墨烯作為有源層，這使得探測器的光學帶寬幾乎不受限制，從THz到紫外都能探測；由于石墨烯的高遷移率，其電學帶寬只受限于RC常數，理論可達500GHz。
[0023]6本發明提供的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，一維光柵作為一維光子晶體，具有限制光的作用，這有效的增強了石墨烯和入射光的相互作用，從而增強光電響應。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖對本發明進一步詳細說明，其中:
[0025]圖1是本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器的立體結構示意圖；
[0026]圖2是本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器的截面示意圖；
[0027]圖3是本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器中光柵表面光場分布模擬圖；
[0028]圖4是本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器的光電流產生原理圖。
【具體實施方式】
[0029]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0030]本發明是基于SOI襯底材料設計的石墨烯光電探測器，對于不同的埋氧層厚度以及頂層硅厚度，為達到功能要求相應的最佳設計也不同，因此為了方便進行敘述，本發明襯底材料默認為具體實施參數，即埋氧層厚度為3 μ m，頂層硅厚度為220nm。
[0031]圖1是本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器的立體結構示意圖，如圖1所示，本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器，包括:
[0032]SOI襯底，由下至上依次包括硅、埋氧層和頂層硅，其中頂層硅的厚度為220nm，埋氧層的厚度為3 μ m ;
[0033]刻蝕該頂層硅形成的一維光柵，該一維光柵由多個二氧化硅條6和多個硅條7交替分布構成，該一維光柵厚度為120nm,橫向和縱向的寬度都為10 μ m ;由于娃和二氧化娃折射率不同，可以調制與石墨烯作用的光場的空間分布；一維光柵的厚度為120nm，這一厚度考慮到兩個方面，一是石墨烯在光柵上能夠光學可見，二是這一厚度能夠很容易區分一維光柵中的硅條7和二氧化硅條6，便于電極的定位；
[0034]形成于該一維光柵之上的石墨烯層8，該石墨烯層8作為有源層與其周圍的光場作用產生電子空穴對，由于一維光柵的作用，在石墨烯層周圍會產生穩定的光場分布，此光場會在石墨烯中持續產生電子空穴對；
[0035]形成于該石墨烯層8之上的第一叉指電極4和第二叉指電極5，其中第一叉指電極4只與硅條7上的單層石墨烯接觸，第二叉指電極5只與氧化硅條6上的單層石墨烯接觸，第一叉指電極4和第二叉指電極5的叉指長度根據石墨烯層的寬度而定，它與石墨烯接觸從而在石墨烯與金屬的接觸面形成內建電場，可以實現對光生載流子的有效收集而形成光電流。
[0036]—維光柵中的多個二氧化娃條6和多個娃條7,能夠實現對入射光光強分布進行調制。當垂直入射光是TE偏振態時，該一維光柵能夠實現光場主要集中在硅條7中。與硅條7上的單層石墨烯接觸的第一叉指電極4旁邊的石墨烯能夠產生更多的電子空穴對，在金屬與石墨烯交界面產生的內建電場的作用下，電子空穴對分離，空穴和電子被第一叉指電極4和第二叉指電極5分別收集，從而產生從第二叉指電極5到第一叉指電極4的光電流。由于第一叉指電極4周圍的光分布很少，在石墨烯中產生的電子空穴對很少，因此能夠產生的從第一叉指電極4到第二叉指電極5的光電流很小。由于整個結構產生的對外光電流是這兩個方向相反的光電流疊加之后的結果，由于兩個電極出長生的方向相反的光電流大小不同，因此加和后的總電流會遠離0，這都是光柵結構帶來的好處。因此利用一維光柵結構能夠實現較大的光電流輸出。
[0037]所述的第一叉指電極4和第二叉指電極5是同種金屬Au/Ti，這樣給工藝帶來簡便，一次電子束曝光和剝離就能實現電極結構。石墨烯8是通過機械剝離直接獲得的高質量免轉移的單原子層，可以肯定此石墨烯8具有極高的載流子遷移率；同時由于第一叉指電極4和第二叉指電極5交叉分布，能夠快速收集電子空穴對；再加上本發明的光柵結構表面是通過CMP獲得的平整表面，此光電探測器可以具有很高的帶寬。因此基于光柵結構的石墨烯光電探測器具有很高的響應度和極高的帶寬，在高速光通信領域會有很大應用空間。
[0038]圖2是本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器的截面示意圖。由于本發明所用的入射光是從單模光纖引入的，單模光纖的纖芯直徑為10.6μπι，入射光在光柵中的分布大小和這一直徑幾乎相同，因此本發明的有源區面積為IOX 10 μ m2。一維光柵有5個周期，每個周期為2 μ m,第一叉指電極4和第二叉指電極5都有5個叉指，第一叉指電極4位于硅條7的中間，第二叉指電極5位于氧化硅條6的中間，叉指寬度為lOOnm，厚度為20nm/IOnm (Au/Ti)。這種尺寸有利于入射光和光柵充分作用，實現石墨烯和電極周圍光場的不均勻分布，從而得到最大的光電流。
[0039]圖3是本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器中光柵表面光場分布模擬圖。模擬區域為ΙΟΧΙΟμπι2。可以發現光場主要分布在硅條7中，二氧化硅條6中光場分布很少。這樣在硅條7中央制作叉指電極，與石墨烯作用能夠產生大量電子空穴對，同時分布在二氧化硅條6中央的叉指電極能夠產生很少的電子空穴對。這樣就能得到很大的總的光電流。
[0040]圖4是本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器的光電流產生原理圖。圖中總光電流是從硅條7流向二氧化硅條6的。由能帶圖可知在石墨烯和電極接觸界面會產生能帶彎曲，從而產生內建電勢。系統平衡后在石墨烯和電極中費米能級是平的，在電極和石墨烯界面會產生電子勢壘。當在石墨烯和電極界面有光場分布時，會產生電子空穴對，在內建電場的作用下，電子會流向電極，空穴流向石墨烯。由于與硅條7上的單層石墨烯接觸的電極周圍的光場比較強，圖中的箭頭密度代表光場強度，因此在硅條7處產生大量的電子空穴對，在氧化硅條6處產生很少的電子空穴對，因此總光電流是從硅條7流向氧化硅條6的。由于硅的折射率比較高，會在硅中有很強的且穩定的光場分布，這樣會產生很多的電子空穴對；又由于叉指電極叉指很多，可以收集大面積的光電流，因此此探測器會產生很可觀的光電流。
[0041]本發明提供的基于一維光柵結構的表面入射石墨烯光電探測器，主要包括一個一維光柵，一層石墨烯和一對叉指電極，采用了一維光柵作為調制手段來調制入射光在石墨烯層中的分布，其中一個叉指電極只與硅上的單層石墨烯接觸，另一個叉指電極只與氧化硅上的單層石墨烯接觸，從而實現不同電極處光場的不對稱分布。在引入這種不對稱分布后，便可以實現增強探測器光電響應的目的。由于單層石墨烯在一般襯底上是不可見的，目前大多是在熱氧化IOOnm和300nm氧化硅硅片上實現石墨烯的光學可見性。為了石墨烯能夠在光柵上可見，根據菲涅耳公式，本發明做了大量的光柵參數模擬，得到使石墨烯襯度最大的結構參數。
[0042]本發明的一維光柵的制作工藝為:ICP刻蝕SOI片子的頂硅層，PECVD長氧化硅，CMP拋光襯底表面。之所以要對襯底表面做拋光處理，是因為石墨烯只有一個原子層厚度，只有放在聞度平坦的表面才不會廣生破裂，有利于提聞石墨稀的載流子遷移率，從而提聞器件的帶寬。在做拋光的時候，本發明把氧化硅留下薄薄一層作為石墨烯和和硅的隔離層，防止光生載流子通過硅被消耗，這樣本發明就節省生長隔離層的工藝步驟。
[0043]通過以上工藝，本發明得到的一維光柵是硅和氧化硅周期分布的結構，這樣當入射光通過光纖垂直照射到光柵上時，光場在硅和氧化硅中產生不均勻分布。
[0044]本發明的叉指電極用的是相同的金屬材料Au/Ti，其特點是其中一個叉指電極只與硅上的單層石墨烯接觸，另一個叉指電極只與氧化硅上的單層石墨烯接觸。因此本發明實現了入射光大部分和其中一個電極作用，這樣就得到了最大的輸出光電流。
[0045]本發明的石墨烯來源于直接機械剝離，由于沒有經過轉移，這種石墨烯是質量最好的，它具有很高的載流子遷移率，這樣所得到的石墨烯探測器的光響應度會很高，并且會有很高的帶寬。
[0046]由上面的分析可知，該器件可以完成光電的高速高效轉換，可以在光通信網絡中獲得應用。
[0047]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了較詳細具體的說明，所應理解的是，以上所述的僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神、思想和原則范圍內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，包括: SOI襯底，由下至上依次包括硅、埋氧層和頂層硅； 刻蝕該頂層硅形成的一維光柵，該一維光柵由多個二氧化硅條(6)和多個硅條(7)交替分布構成，用以調制與石墨烯層作用的光場的空間分布； 形成于該一維光柵之上的石墨烯層(8)，作為有源層與其周圍的光場作用產生電子空穴對； 形成于該石墨烯層(8)之上的第一叉指電極(4)和第二叉指電極(5)，二者均與石墨烯接觸從而在接觸面形成內建電場，用以實現對光生載流子的有效收集而形成光電流。
2.根據權利要求1所述的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，所述埋氧層的厚度為3 μ m,所述頂層娃的厚度為220nm,刻蝕該頂層娃而形成的一維光柵的厚度為120nmo
3.根據權利要求1所述的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，所述一維光柵中的多個二氧化硅條(6)和多個硅條(7)，能夠實現對入射光光強分布進行調制。
4.根據權利要求3所述的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，當垂直入射光是TE偏振態時，該一維光柵能夠實現光場主要集中在硅條(7)中；與硅條(7)上的單層石墨烯接觸的第一叉指電極(4)旁邊的石墨烯能夠產生更多的電子空穴對，在金屬與石墨烯交界面產生的內建電場的作用下，電子空穴對分離，空穴和電子被第一叉指電極(4)和第二叉指電極(5)分別收集，從而產生從第二叉指電極(5)到第一叉指電極(4)的光電流。
5.根據權利要求1所述的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，所述一維光柵調制與石墨烯層作用的光場的空間分布，實現不同電極處光場分布不同，從而在不同電極處產生不同數量的電子空穴對；由于第一叉指電極(4)和第二叉指電極(5)對稱分布，其產生的光電流是反向的，當兩電極處產生的光電流大小相等時，其向外輸出的總光電流為O ;由于一維光柵的存在，使得兩電極處產生的光電流不同，因此其對外輸出的總的光電流不為O。
6.根據權利要求1所述的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，所述第一叉指電極(4)只與硅條(7)上的單層石墨烯接觸，所述第二叉指電極(5)只與氧化硅條(6)上的單層石墨烯接觸。
7.根據權利要求1所述的基于一維光柵的表面入射石墨烯光電探測器，所述第一叉指電極(4)和所述第二叉指電極(5)是同種金屬Au/Ti，第一叉指電極(4)位于硅條(7)的中間，第二叉指電極(5)位于氧化娃條(6)的中間,叉指寬度為IOOnm,厚度為20nm/10nm。
【文檔編號】H01L31/0224GK103811568SQ201410060091
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月21日 優先權日:2014年2月21日
【發明者】黃北舉, 程傳同, 張贊, 張贊允, 陳弘達 申請人:中國科學院半導體研究所