[發明專利]一種硅-石墨烯雪崩光電探測器

有效

• 申請號: 201410405525.3
• 申請日: 2014-08-18
• 公開（公告）號: CN104157722A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 戴道鋅
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L31/107
• 分類號: H01L31/107;H01L31/0232;H01L31/028
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

技術領域

本發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

光電探測器在各種光電系統中占據核心地位。為實現微弱光信號的探測，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）結構，即：將吸收區、倍增區相分離，并在吸收區、倍增區之間引入一個電荷層，從而在倍增區形成高電場以發生雪崩效應。對于APD倍增區，應選用具有低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材料之一。另一方面，對于吸收層，應根據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化工藝，不利于其發展。

為此，近年來石墨烯作為一種新材料引起廣泛關注，尤其是其諸多優異光電特性，為實現高速有源光電子器件提供了優異平臺。然而，石墨烯是單原子層結構，若采用傳統垂直入射方式，光場與石墨烯的相互作用很小。

盡管已有關于硅-石墨烯光電探測器的報道，將石墨烯與硅納米光波導相結合，構成一種硅-石墨烯復合納米光波導，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，其響應度較低，且尚未涉及雪崩光電探測器。

發明內容

為了解決背景技術中存在的問題，本發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。

本發明采用的技術方案如下：

本發明包括硅光波導、石墨烯細叉指、石墨烯寬叉指、石墨烯帶、金屬正電極和金屬負電極；硅光波導包含從下到上依次排布的襯底、隔離層以及由硅芯區和側向包層區域組成的一層，側向包層區域位于硅芯區的兩側，兩側的側向包層區域上均置有一條石墨烯帶，兩側石墨烯帶朝向中心方向各自伸出有間隔排布的石墨烯細叉指和間隔排布的石墨烯寬叉指，石墨烯細叉指、石墨烯寬叉指交錯覆蓋在硅光波導的硅芯區上與硅芯區接觸，金屬正電極置于與石墨烯細叉指相連的石墨烯帶上，金屬負電極置于與石墨烯寬叉指相連的石墨烯帶上。

所述的石墨烯細叉指的寬度小于石墨烯寬叉指的寬度。

所述的側向包層區域的厚度與硅芯區的厚度相等。

所述的金屬正電極和金屬負電極采用不同的金屬材料。

所述的金屬正電極、金屬負電極遠離硅芯區，使得金屬正電極、金屬負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。

所述的金屬正電極、金屬負電極分別連接到電壓源的正極、負極。

所述的石墨烯細叉指或者石墨烯寬叉指為單層或多層石墨烯材料。

所述的石墨烯細叉指、石墨烯寬叉指覆蓋在硅芯區上，使得硅光波導中傳輸的光能量的90%以上被吸收。

本發明具有的有益效果是：

1.?本發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。

2.?本發明利用硅材料作為倍增曾材料，有利于獲得低噪聲APD。

3.?本發明結構簡單、設計方便、制作簡便，不需要困難且昂貴的異質外延生長或鍵合工藝，可顯著降低器件制作成本。

4.?本發明將硅光波導與石墨烯進行單片集成，與標準的硅光波導設計與工藝均完美兼容，并有利于降低器件封裝成本。

附圖說明

圖1是本發明結構俯視剖視圖。

圖2是圖1的A-A’剖視圖。

圖3是圖1的B-B’剖視圖。

圖4是圖1的C-C’剖視圖。

圖5是圖1的?D-D’剖視圖。

圖6是本發明實施例工作電壓為10V的電場分布圖。

圖中：11、襯底，12、隔離層，13、側向包層區域，14、硅芯區，2、石墨烯細叉指，3、石墨烯寬叉指，4、金屬正電極，5、金屬負電極，6、石墨烯帶。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。