[發明專利]石墨烯光吸收特性的玻璃基波導型光電探測器及制備方法

有效

• 申請號: 201610018407.6
• 申請日: 2016-01-12
• 公開（公告）號: CN105655420B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 呂哲韜;王根成;楊龍志;趙昌云;楊建義
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L31/028
• 分類號: H01L31/028;H01L31/18
• 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

本發明屬于光電探測技術領域，涉及光電探測器件結構，特別涉及一種石墨烯光吸收特性的玻璃基波導型光電探測器及制備方法。

背景技術

光電探測器作為接收裝置在光通信網絡中占有重要地位。隨著光電子技術的發展和材料科學以及微納加工工藝水平的不斷提升，光電探測器朝著小體積、低成本、高性能的趨勢發展。

玻璃具有極低的光損耗和易于加工等特性，使玻璃基片上集成光波導得以實現。玻璃基片離子交換技術制造的光波導屬于擴散原理形成的光波導。這種光波導是集成光學線路中的基礎部件，在板級光互連中有強大的競爭力，在現在和將來的各種應用中，從數據存儲到信息傳輸，它都起著重要的作用。原因在于這類光波導有一系列誘人的性質，包括傳輸損耗低、工藝簡單、成本低、易與光纖耦合等。

石墨烯是由一系列碳原子排列成六邊形的網格狀二維平面晶體結構。作為一種零帶隙材料，石墨烯可以吸收從紫外到太赫茲波段的入射光。通過玻璃基波導使入射光與石墨烯平行，大大提高了石墨烯對光子的吸收率。石墨烯吸收光子后，會產生光生載流子形成光電流信號，通過對光電流信號的檢測可以實現光電探測的功能。利用這一特性，我們能夠制造出響應度高、功耗較低的新型光電探測器，在下一代大容量光通信系統中具有很好的應用前景。

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石墨烯光吸收特性的玻璃基波導型光電探測器及制備方法，以石墨烯為光吸收層，借助金屬摻雜的石墨烯吸收玻璃基波導中的光子后會產生光生載流子，光生載流子在外加電場作用下高速運動，從而形成光電流信號來實現光電探測器的功能。

本發明采用的技術方案如下：

一、一種基于石墨烯光吸收特性的玻璃基波導型光電探測器：

包括依次自下而上分布覆于玻璃襯底之上的玻璃基波導、石墨烯薄膜和兩塊金屬電極，玻璃基波導呈條形位于玻璃襯底中部，石墨烯薄膜覆于玻璃基波導上，兩塊金屬電極相對稱地位于石墨烯薄膜的兩側，每塊金屬電極中一部分直接覆于玻璃襯底上，另一部分覆于石墨烯薄膜上接觸。

所述的石墨烯薄膜覆于玻璃基波導中部，石墨烯薄膜的寬度大于玻璃基波導寬度，石墨烯薄膜的長度小于玻璃基波導長度。

所述的玻璃基波導為離子交換表面光波導。

所述的金屬電極的材料為鋁、金或金鉻合金。

所述的金屬電極為薄膜電極，其結構為平行結構或叉指結構；采用叉指結構，兩側金屬電極的叉指相互平行且交錯地覆于石墨烯薄膜之上。

所述的兩塊金屬電極的厚度一致，每個叉指寬度相同，相鄰叉指之間的間隙距離相同。

一、一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測器的制備方法：

1)以玻璃基片作為玻璃襯底，在玻璃基片表面處理制備獲得帶有玻璃基波導的玻璃襯底；

2)在玻璃襯底上加工放置石墨烯，形成石墨烯薄膜；

3)通過標準光刻工藝制作出金屬電極的圖形，用電子束蒸發的方式將金屬電極蒸鍍到石墨烯薄膜和玻璃襯底上。

所述步驟1)具體為：

1.1)將玻璃基片作為玻璃襯底用濃硫酸清洗液洗凈，烘干后用真空蒸鍍在玻璃基片表面蒸鍍一層鋁掩膜；

1.2)在鋁掩膜上旋涂一層光刻膠，將玻璃基片放入90℃的烘箱中前烘30分鐘，待玻璃基片冷卻至常溫，進行曝光顯影，顯影后再放入到120℃的烘箱中烘烤25分鐘，冷卻至常溫；

1.3)將玻璃基片放入到鋁腐蝕液中保持恒溫40℃進行腐蝕處理，腐蝕后取出用去離子水沖洗干凈，再依次用丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水清洗，用干凈的氮氣吹干；

1.4)接著將玻璃基片置于NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的熔鹽中熱交換2.75小時，NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的配比為210:290:0.9，交換溫度為260℃，交換完成后取出，放入交換爐中隨爐冷卻，接著將玻璃片的兩端面進行拋光，制作獲得帶有玻璃基波導的玻璃襯底；