[發明專利]一種黑磷薄膜鈮酸鋰探測器

在審

• 申請號: 202211018947.6
• 申請日: 2022-08-24
• 公開（公告）號: CN115394873A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 王俊嘉;吳曉萱;劉柳;薛煜
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L31/109
• 分類號: H01L31/109;H01L31/0264;G02B6/136;G02B6/13;G02B6/122;H01L27/30
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發明公開了一種黑磷薄膜鈮酸鋰探測器，該探測器結構自下而上依次為：第一層是本征硅襯底(1)、第二層是掩埋氧化物層(2)、第三層是薄膜鈮酸鋰波導(3)、第四層是黑磷(4)、第五層是金屬電極；其中，掩埋氧化物層直接在本征硅襯底上氧化生成；薄膜鈮酸鋰鍵合在掩埋氧化物層上通過刻蝕定義出縱向脊形的薄膜鈮酸鋰波導；黑磷橫向覆蓋在薄膜鈮酸鋰波導脊形的中段部分，通過范德華力與薄膜鈮酸鋰波導緊密連接；第一金屬電極(5?1)、第二金屬電極(5?2)分別覆蓋在黑磷和薄膜鈮酸鋰波導脊的兩邊。本發明探測器具有高速、寬頻、高響應、高集成度等特點，為片上光子集成電路的發展提供了解決方案。

技術領域

本發明屬于波導集成二維材料光電探測領域，特別涉及一種黑磷薄膜鈮酸鋰探測器。

背景技術

片上光子集成電路可以為光子計算、光纖通信、生物傳感、激光雷達等領域的革命性發展提供一個通用平臺，光子集成電路的應用與突破，一個關鍵技術就是實現高速低功耗收發模塊，這就要求發展高速、低暗電流和高響應度的波導集成光電探測器。

開發片上光子集成電路的材料多種多樣。其中，薄膜鈮酸鋰可支持波長更短的可見光傳輸，理論上可比硅光電子器件具有更高的載波帶寬，目前的研究結果已經表明薄膜鈮酸鋰波導可以實現低功耗、高線性度和超高速電光調制。然而，這種材料不能吸收光信號，在光電探測方面存在困難。為了解決這一問題，可以將二維材料和薄膜鈮酸鋰波導異質集成，實現波導集成光電探測器。

二維材料是指單層或少層的層狀材料，層中的原子以共價鍵緊密結合。此外，二維材料每一層的化學共價鍵都是完全飽和的，材料表面沒有懸垂的鍵，相鄰的層之間通過范德華力連接，因此，二維材料可以直接在襯底上形成異質集成。其中，黑磷作為一種面內各向異性的二維材料，具有較高的載流子遷移率和窄直接帶隙，其寬帶檢測、集成能力和偏振靈敏度方面的優異性能使其在其他候選者中脫穎而出，成為實現波導集成光電探測器的一種有吸引力的光子吸收材料。

發明內容

技術問題：有鑒于此，本發明實施例提出一種黑磷薄膜鈮酸鋰探測器，結合二維材料與新型波導結構的優點，實現高性能波導集成二維材料光電探測器。

技術方案：本發明提供了一種黑磷薄膜鈮酸鋰探測器，該探測器結構自下而上依次為：第一層是本征硅襯底、第二層是掩埋氧化物層、第三層是薄膜鈮酸鋰波導、第四層是黑磷、第五層是金屬電極；其中，掩埋氧化物層直接在本征硅襯底上氧化生成；薄膜鈮酸鋰鍵合在掩埋氧化物層上通過刻蝕定義出縱向脊形的薄膜鈮酸鋰波導；黑磷橫向覆蓋在薄膜鈮酸鋰波導脊形的中段部分，通過范德華力與薄膜鈮酸鋰波導緊密連接；第一金屬電極、第二金屬電極分別覆蓋在黑磷和薄膜鈮酸鋰波導脊的兩邊。

所述的本征硅襯底厚度為0.4-0.7毫米。

所述的掩埋氧化物層的材質為二氧化硅，厚度為1-3微米。

所述的薄膜鈮酸鋰波導為脊形波導，包括上半部分的脊和下半部分的平板，脊寬為0.5-12微米，脊厚度為0.15-0.45微米，平板厚度為0.15-0.45微米，脊側壁與水平面夾角為50-90度，可支持單模或多模光場。

所述的黑磷覆蓋薄膜鈮酸鋰波導，厚度為1-200納米。

所述的第一金屬電極覆蓋黑磷和薄膜鈮酸鋰波導，厚度為50-100納米。

所述的第二金屬電極覆蓋黑磷和薄膜鈮酸鋰波導，厚度為50-100納米。

工作原理為：該黑磷薄膜鈮酸鋰探測器將黑磷與薄膜鈮酸鋰波導異質集成。本征硅襯底上方設置有掩埋氧化物層，并通過位于掩埋氧化物層上方的薄膜鈮酸鋰波導進行模式限制，能夠實現較好的器件隔離作用。采用黑磷作為光子吸收材料，無光耦合條件下，器件中僅僅有很小的溝道電流通過；當光耦合至波導中，黑磷吸收光子產生光電流，完成了光信號到電信號的轉換。