一种基于叉指型电极结构的石墨烯光电探测器
阅读说明：本技术 一种基于叉指型电极结构的石墨烯光电探测器 (Graphene photoelectric detector based on interdigital electrode structure ) 是由 张少先 刘永 慕飒米 杜明 李侠 于 2019-11-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于叉指型电极结构的石墨烯光电探测器,所述光电探测器包括衬底层、以及设置在所述衬底层上的光波导,所述光波导上设置有介质隔离层,所述介质隔离层上设置有两片相互不接触的金属层,两片所述金属层作为电极；两片所述金属层上设置有石墨烯层,石墨烯层作为光吸收层。本发明提供了一种与CMOS工艺兼容,且具有高性能的基于叉指型电极石墨烯光电探测器。(The invention relates to a graphene photoelectric detector based on an interdigital electrode structure, which comprises a substrate layer and an optical waveguide arranged on the substrate layer, wherein a medium isolation layer is arranged on the optical waveguide, two metal layers which are not in contact with each other are arranged on the medium isolation layer, and the two metal layers are used as electrodes; graphene layers are arranged on the two metal layers and serve as light absorption layers. The invention provides an interdigital electrode-based graphene photoelectric detector which is compatible with a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) process and has high performance.)
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及基于叉指型电极结构的石墨烯光电探测器。
背景技术
高速集成光电探测器是将光纤或者波导中的光脉冲转换为电信号的器件，在集成光电子领域有着十分重要的作用。现今的高速集成光电探测器主要有PIN结结构的锗硅探测器，Ⅲ-Ⅴ族半导体光电探测器。但是他们的缺点主要在于探测速度已达到理论极限，无法进一步提高，且制作工艺较为复杂。
石墨烯具有极高的载流子迁移率，理论探测带宽可以达到500GHz，在高速光电探测领域有着十分广阔的潜在应用。高速石墨烯探测器现在已有较多的报道：美国IBM的夏丰年和Mueller T在2009年首次报道了基于石墨烯的光电探测器（见文献Xia F, Mueller T,Lin Y, et al. Ultrafast graphene photodetector[J]. Nature nanotechnology,2009, 4(12): 839.）；同年，夏丰年和Mueller T发现金属和石墨烯接触时能带弯曲范围在200nm内（见文献Mueller T, Xia F, Freitag M, et al. Role of contacts ingraphene transistors: A scanning photocurrent study[J]. Physical Review B,2009, 79(24): 245430.）。2013年，维也纳大学光子研究所报道了3dB带宽18GHz，响应度为0.03A/W的与CMOS工艺兼容的石墨烯光电探测器（见文献Pospischil A, Humer M, FurchiM M, et al. CMOS-compatible graphene photodetector covering all opticalcommunication bands[J]. Nature Photonics, 2013, 7(11): 892.）；同年，哥伦比亚大学报道了3dB带宽20GHz，响应度为0.1A/W的石墨烯探测器（见文献Gan X, Shiue R J, GaoY, et al. Chip-integrated ultrafast graphene photodetector with highresponsivity[J]. Nature Photonics, 2013, 7(11): 883.）； 2017年，德国AMICA报道了3dB带宽超过76 GHz的石墨烯光电探测器（见文献Schall D, Porschatis C, Otto M, etal. Graphene photodetectors with a bandwidth> 76 GHz fabricated in a 6 ″waferprocess line[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2017, 50(12):124004.）。
虽然石墨烯有着天然的高带宽优势，但是由于其仅仅只有2.3%的光吸收率，在做到高速的同时无法兼顾响应度，致使石墨烯光电探测器面临着无法实际应用的瓶颈。
因此，为解决现有技术中存在的问题，需研发一种与CMOS工艺兼容，且具有高性能的基于叉指型电极石墨烯光电探测器。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种与CMOS工艺兼容，且具有高性能的基于叉指型电极石墨烯光电探测器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于叉指型电极结构的石墨烯光电探测器，所述光电探测器包括衬底层、以及设置在所述衬底层上的光波导，所述光波导上设置有介质隔离层，所述介质隔离层上设置有两片相互不接触的金属层，两片所述金属层作为电极；两片所述金属层上设置有石墨烯层，石墨烯层作为光吸收层。
本发明一个较佳实施例中，光波导包括设置在衬底层上的第一介质填充层、第二介质填充层、波导，且所述第一介质填充层和第二介质填充层分别位于所述波导的两侧。
本发明一个较佳实施例中，隔离介质层为绝缘材料构成。具体的，隔离介质层是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物中的一种。
本发明一个较佳实施例中，隔离介质层的厚度为5~12nm。
本发明一个较佳实施例中，波导是矩形，且波导的材料是硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体中的一种或多种。
本发明一个较佳实施例中，衬底层、第一电介质填充层、第二电介质填充层是低折射率电介质材料，采用半导体氧化物，其折射率显著小于所述波导。
本发明一个较佳实施例中，第一金属层、第二金属层的材料采用对石墨烯材料有附着性的材料。具体的，第一金属层、第二金属层采用钛、镍、钴、钯材料中的一种或多种。
本发明一个较佳实施例中，第一金属层、第二金属层形状均为一边是梳齿结构，一边是矩形平板结构。
本发明一个较佳实施例中，第一金属层、第二金属层梳齿间隔小于或等于200nm，每一个梳齿金属电极宽度小于或等于200nm。具体的，第一金属层、第二金属层的梳齿结构一方部分放置于波导上，并且第一金属层、第二金属层的梳齿结构间隔小于或等于200nm。
本发明一个较佳实施例中，石墨烯层的材料是机械剥离的单层或多层石墨烯，或者是通过CVD气相沉积制备的单层或多层石墨烯。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明的有益效果：
本发明提供一种与CMOS工艺兼容，且具有高性能的基于叉指型电极石墨烯光电探测器。
第一，叉指电极结构由于其电极间距小于或等于200nm，其载流子复合与散射效果将极大地降低，使响应电流大幅度地增长。
第二，将石墨烯置于电极之上，避免了石墨烯在电极一下的情形中出现的极大的接触电阻。使光电流和带宽进一步提高。
第三，本发明的石墨烯不局限于机械剥离的石墨烯，通过气相沉积（CVD）制备的石墨烯依然有良好的效果，降低了工艺难度。
第四，制备工艺上可与传统的SOI CMOS工艺相兼容，易于集成。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例基于叉指电极石墨烯光电探测器顶视示意图；
图2为本发明实施例基于叉指电极石墨烯光电探测器波导横截面结构示意图；
图3为仿真计算得到的探测器带宽；
图中，1-衬底层，21-第一电介质填充层，22-第二电介质填充层，3-波导， 4-隔离介质层，51-第一金属层，52-第二金属层，6-石墨烯层。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明专利，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例公开了为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于叉指型电极结构的石墨烯光电探测器，光电探测器包括衬底层1、以及设置在衬底层1上的光波导，光波导包括设置在衬底层1上的第一介质填充层21、第二介质填充层22、波导3，且第一介质填充层21和第二介质填充层22分别设置在矩形波导3的两端；介质隔离层4覆盖在第一介质填充层21、第二介质填充层22、波导3上，介质隔离层4上设置有两片相互不接触的第一金属层51和第二金属层52，第一金属层51和第二金属层52作为电极；第一金属层51和第二金属层52之间预留有间隙，且第一金属层51和第二金属层52上设置有作为光吸收层的石墨烯层6。
本发明一个较佳实施例中，衬底层1、第一电介质填充层21、第二电介质填充层22是低折射率电介质材料，采用半导体氧化物，其折射率显著小于波导3。
本发明一个较佳实施例中，波导3的材料是硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体中的一种或多种。本发明的实施例中，波导3的材料是硅、锗、锗硅合金、III-V族半导体或II-IV族半导体中的一种。
本发明一个较佳实施例中，隔离介质层4为绝缘材料构成。隔离介质层4的厚度为5~12nm。具体的，隔离介质层4是硅氧化物、硅氮氧化物、硼氮化物中的一种。
本发明一个较佳实施例中，第一金属层51、第二金属层52形状均为一边是梳齿结构，一边是矩形平板结构。具体的，第一金属层51、第二金属层52的梳齿结构一方部分放置于波导上，第一金属层51、第二金属层52梳齿间隔小于或等于200nm，每一个梳齿金属电极宽度小于或等于200nm。更具体的，第一金属层52、第二金属层52的材料采用对石墨烯材料有附着性的材料。更进一步的，第一金属层51、第二金属层52采用钛、镍、钴、钯材料中的一种或多种。
本发明一个较佳实施例中，石墨烯层6的材料是机械剥离的单层或多层石墨烯，或者是通过CVD气相沉积制备的单层或多层石墨烯。
本发明的光电探测器工作原理为：光电探测器工作时，适当的偏置电压加在金属电极的两侧，即加在第一金属层52、第二金属层52上，当光脉冲耦合进入光波导时，由于光伏效应和光电导效应，石墨烯层6中的自由电子会大量增加，降低石墨烯层6的电阻，同时在金属电极中形成光电压，因此形成光电流，电子流入金属电极，被探测到。由于石墨烯层6的自由电子在200nm范围内能有效的被输运至金属电极，因此小于等于200nm的金属电极间隔将得到极大的光电流。同时，由于石墨烯层6载流子极高的迁移率，光电探测器将能提供极高的3dB带宽。本方案将石墨烯层6放置于金属电极即第一金属层52、第二金属层52上之上，避免了在金属电极和石墨烯层6中残留的光刻胶，提高了光电探测器的电导，也就同时优化了光电探测器的带宽和响应度。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：本实施例基于叉指电极石墨烯光电探测器的光波导横截面结构示意图如图1所示，其顶视图如图2所示。采用波长为1.55µm的光波，衬底层1、第一电介质填充层21、第二电介质填充层22为SiO2材料，矩形波导3为宽度为0.5µm高度为0.22µm的Si材料，隔离介质层4为10nm厚的Al2O3材料，SiO2、Si和Al2O3材料的光折射率分别为1.44、3.47和0.81。第一金属层51和第二金属层52的材料为Ti/Au合金，其中叉指电极为5/45nmTi/Au合金，平板部分电极为20/200nmTi/Au合金，第一金属层51中第一叉指电极和其第二叉指电极的间距为50nm，叉指电极宽度为200nm；同一金属层叉指电极的间距为200nm，由于石墨烯与金属接触时，能带弯曲距离为200nm，所以将金属电极制作为小于200nm的间距，可以大幅度提高响应电流，由于电子复合和散射的大幅度减小，使得光电探测器等效电阻减少，从而增加了光电探测器的带宽。石墨烯层6覆盖在金属电极上，相比放置在金属电极之下，接触电阻大幅减小，进一步提高带宽。
图3为仿真计算得到的探测器带宽，其中d为第一金属层51中第一叉指电极和其第二叉指电极的间距；或/和d为第二金属层52中第一叉指电极和其第二叉指电极的间距。例如，本发明选取其中一个参数由虚线标示，可以看到带宽可达到73GHz。而更大的间距虽然可以继续提升带宽，但是会减小光电响应度。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。