[發明專利]與硅光波導集成的石墨烯異質結光探測器的制備方法

無效

• 申請號: 201310518405.X
• 申請日: 2013-10-28
• 公開（公告）號: CN103531665A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 鮑橋梁
• 申請（專利權）人: 鮑橋梁
• 主分類號: H01L31/18
• 分類號: H01L31/18
• 代理公司: 上海申新律師事務所 31272
• 代理人: 劉懿

技術領域

本發明屬于光探測器領域，具體的涉及一種與硅光波導集成的石墨烯異質結光探測器的制備方法。

背景技術

光學通訊技術可以實現長距離、超快、寬帶數據傳輸。開發可以與硅集成的寬帶光學通訊系統可以將光、電器件集成在一個系統上，具有低成本、高集成度的特點，是實現片內和片間通訊的重要技術。盡管一個光學通訊系統中的大部分結構可以采用硅基材料來構成，比如光波導和一些被動元器件。然而，其中的主動元器件比如光探測器作為一個重要的組成部分，對光吸收材料提出了更高的要求。為了實現與硅工藝集成的寬帶光學通訊，采用傳統的光吸收材料來構建光探測器已經難以滿足要求，這是因為傳統的光吸收材料如鍺和化合物半導體一方面在工藝上難以實現與硅的集成，另一方面受其禁帶寬度的限制，不適用于寬帶光信號探測。因此制備一種既可以與硅集成、又可以實現寬光譜光吸收的光探測器具有重要的研究意義和應用價值。

發明內容

為克服現有技術的缺點，本發明旨在于開發了一種與CMOS工藝兼容的高速光探測器的制備方法，該器件制備在硅光波導上，可以實現超快、寬帶光信號探測。

為解決上述技術問題，本發明通過以下技術方案實現：

與硅光波導集成的石墨烯異質結光探測器，包括一SOI襯底（Silicon-on-insulator），所述SOI襯底上通過電子束光刻和刻蝕其頂層硅形成有一硅光波導，所述硅光波導和所述SOI襯底上包覆有一二氧化硅層，所述二氧化硅層上覆蓋有一石墨烯層，所述石墨烯層的一端位于所述二氧化硅層覆蓋的所述硅光波導的正上方，所述石墨烯層的另一端位于遠離所述硅光波導的所述二氧化硅層上；所述二氧化硅層和所述石墨烯層上覆蓋有一二硫化鉬層，形成異質結，所述二硫化鉬層的一端與所述石墨烯層在所述硅光波導的上方發生交疊，所述二硫化鉬層的另一端位于遠離所述硅光波導和所述石墨烯層的所述二氧化硅層上；所述石墨烯層的一端覆蓋有第一電極層，所述二硫化鉬層的第一端覆蓋有第二電極層，所述第一、第二電極層位于所述硅光波導的兩側，同時又分別位于所述硅光波導、所述石墨烯層和所述二硫化鉬層的交疊區之外。

與硅光波導集成的石墨烯異質結光探測器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1）對所述SOI襯底的頂層硅進行電子束光刻和刻蝕，在其上表面形成所述硅光波導；

步驟2）采用等離子增強化學氣相沉積（PECVD）方法在所述SOI襯底和所述硅光波導上覆蓋一層所述二氧化硅層，再通過研磨拋光的方法減薄所述二氧化硅層的厚度，使其位于所述硅光波導上的厚度低于10nm；

步驟3）采用等離子增強化學氣相沉積（PECVD）方法，在所述二氧化硅層之上生長一層或數層石墨烯層，同時可以通過化學摻雜的方法，改變所述石墨烯層的光電特性，所述石墨烯層的一端位于所述二氧化硅層覆蓋的所述硅光波導的正上方，另一端位于遠離硅光波導的所述二氧化硅層之上；

步驟4）采用等離子增強化學氣相沉積（PECVD）方法或機械剝離的方法，在所述石墨烯層上制備一層5至300納米的所述二硫化鉬層，所述二硫化鉬層的一端與所述石墨烯層在所述硅光波導的上方發生交疊，另一端位于遠離所述硅光波導和所述石墨烯層的所述二氧化硅層之上；

步驟5）采用電子束蒸發或磁控濺射的方法分別在所述石墨烯層和所述二硫化鉬層上淀積一層100～300納米厚的第一、第二電極層，所述第一、第二電極層分別位于所述硅光波導的兩側,同時又分別位于所述硅光波導、所述石墨烯層和所述二硫化鉬層的交疊區之外。

進一步的，所述SOI襯底的頂層硅的厚度為250-350nm。

進一步的，所述二氧化硅層位于所述硅光波導上的厚度低于10nm。

進一步的，所述石墨烯層為單層或數層。

進一步的，所述二硫化鉬層的厚度為5-300nm。

進一步的，所述第一、第二電極層為鈦與鉻、鋁或金中的兩種或多種鈦金復合金屬材料。

進一步的，所述第一、第二電極層的厚度為100-300nm。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

首先，石墨烯具有近彈道輸運的電學性質，同時由于其獨特的零帶隙能帶結構，石墨烯體現出寬光譜吸收特性；而且，石墨烯的制備方法簡單，其加工工藝與CMOS工藝兼容，極易實現與硅的集成化。