集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器制造技术

一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，该光电探测器制作在SOI衬底上，包括：一光波导，形成在衬底纵向的上面；一绝缘透明薄膜均匀制作在衬底上，并覆盖光波导；一石墨烯薄膜制作在绝缘透明薄膜上，并覆盖条状的该光波导的中间部分；一第一金属电极，其具有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上；一第二金属电极，其具有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上；一栅电极窗口，其形成于绝缘透明薄膜上，位于暴露的绝缘透明薄膜的任意表面。本发明专利技术将石墨烯光电探测器与波导、谐振腔等集成，克服了光响应度低的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯应用于光通信、光传感和光互连
，具体涉及一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器。
技术介绍
在未来的光通信中，集成化、高速化、小型化的光电探测器是必不可少的。石墨烯作为新兴的二维材料，其制作工艺与CMOS工艺兼容，并且易于与硅基调制器集成。石墨烯是一种单层蜂窝晶体点阵上的碳原子组成的二维晶体，单层厚度只有约0.335nm，保证光电探测器小型化的要求。理论表明在可见光波段石墨烯会透过97.7％的光，而其余的2.3％绝大多数会被吸收，仅有约为0.1％的光被反射。由于石墨烯的带隙为零，因此石墨烯的吸收谱很宽，覆盖了由红外到可见甚至到紫外的范围，其吸收谱在300nm-2500nm都很平坦。目前，国际上制备的FET型石墨烯光电探测器的响应度低于10mA／W，远低于实用化的要求。目前测得低温下石墨烯的载流子迁移率为200000cm2／V·s，其大小远远超出目前质量最好的HEMT，因此石墨烯光电探测器有高带宽的特点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，将石墨烯光电探测器与波导、谐振腔等集成，克服了光响应度低的缺陷。为了达到上述目的，本专利技术提供一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，该光电探测器制作在SOI衬底上，包括：一光波导，该光波导为条状，形成在衬底纵向的上面；一绝缘透明薄膜，该绝缘透明薄膜均匀制作在衬底上，并覆盖光波导；一石墨烯薄膜，其制作在绝缘透明薄膜上，并覆盖条状的该光波导的中间部分；一第一金属电极，该第一金属电极有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上，而位于条状的光波导的一侧；一第二金属电极，该第二金属电极有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上，而位于条状的光波导的另一侧；一栅电极窗口，其形成于绝缘透明薄膜上，位于暴露的绝缘透明薄膜的任意表面。从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术采用石墨烯薄层为有源层吸收光，光在波导中传输被石墨烯薄层吸收，由于热光效应和光伏效应产生光电流，达到光电探测的目的。2.本专利技术采用石墨烯薄层为有源层吸收光，石墨烯为单层碳原子，厚度约为0.335nm，远小于传统III、V族材料制作的光电探测器厚度；本发明采用光栅耦合而非垂直入射方式吸收光，因此无须制作上下结构的DBR反射镜；以上两点大大降低器件体积和制备复杂性。3.本专利技术采用石墨烯薄层为有源层吸收光，石墨烯吸收光谱范围广，因此能很好的克服传统III、V族材料制作的光电探测器探测带宽窄的缺陷。4.本专利技术在光波导上集成了DBR光栅构成谐振腔，能增大石墨烯薄层下方波导光场强度，克服了石墨烯探测器光响应度低的缺陷。5.本专利技术提供的这种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器可以有很大的尺寸与光谱调制范围的设计自由度，功耗小，插入损耗低，对光信号无偏振态要求，且易于与硅基调制器集成。附图说明为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例及附图，对本专利技术进一步详细说明，其中：图1是依照本专利技术实施例的集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器的三维结构示意图。具体实施方式所述结构只是为了使本方案更加清晰给出的一种示例，本专利技术所涉及器件并不局限于附图所示结构，在图中为了清楚表示，放大了层和区域的厚度，作为示意图不应该被认为严格反应了几何尺寸以及各层之间的比例关系。请参阅图1所示，本专利技术提供一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，该光电探测器制作在SOI衬底1上，包括：一光波导2，该光波导2为条状，形成在衬底1纵向的上面，该光波导2包括一输入耦合光栅21、一第一DBR光栅22、一第二DBR光栅23和输出耦合光栅24，该输入耦合光栅21和第一DBR光栅22位于石墨烯薄膜4的一侧，该第二DBR光栅23和输出耦合光栅24位于石墨烯薄膜4的另一侧，所述输入耦合光栅21和输出耦合光栅24的结构满足布拉格条件，所述输入耦合光栅21和输出耦合光栅24的结构是均匀光栅，或是渐变光栅；一绝缘透明薄膜3，该绝缘透明薄膜3均匀制作在衬底1上，并覆盖光波导2；一石墨烯薄膜4，其制作在绝缘透明薄膜3上，并覆盖条状光波导2的中间部分；一第一金属电极5，该第一金属电极5有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜3上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜4上，而位于条状的光波导2的一侧；一第二金属电极6，该第二金属电极6有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜3上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜4上，而位于条状的光波导2的另一侧；其中所述第一金属电极5和第二金属电极6的材料为Pd、Pt、Ti、Cu或Al，该第一金属电极5和第二金属电极6为同一种材料或为两种不同材料，或是两种或两种以上材料的合金的组合一栅电极窗口7，其形成于绝缘透明薄膜3上，位于暴露的绝缘透明薄膜3的任意表面，所述绝缘透明薄膜3上的栅电极窗口7为任意大小任意形状。其中所述第一金属电极5为光电探测器的源极，第二金属电极6为光电探测器的漏极，衬底1为光电探测器的栅极，栅信号通过绝缘透明薄膜3上的电极窗口7提供。该光电探测器为场效应晶体管(FET)结构。源极和漏极用于收集光电流，同时源漏偏压、和栅电压均可调控光电流的大小和方向。器件在实际使用时，衬底1作为探测器的栅极，要有良好的导电性，因此在其他工艺之前要对衬底1进行N型或P型的重掺杂，掺杂方式可采用离子注入或热扩散等常规方法。在已经重掺杂的衬底1上刻蚀掉一定深度、一定形状的硅材料即可形成光波导2，刻蚀方法可采用ICP刻蚀等常规方法。石墨烯薄膜4对光的吸收较弱(约为2.3％)，采用石墨烯薄膜4与光波导2集成的方法可以增大石墨烯薄膜4与光的有效作用距离，从而增强石墨烯薄膜4对光的吸收。但是即使采用这种方法，由于石墨烯薄膜4和光波导2的长度受限，石墨烯薄膜4对光的吸收也是有限的。为了进一步增大石墨烯薄膜4对光的吸收，在光波导2上制作一第一DBR光栅22、一第二DBR光栅23，使光在两个DBR光栅之间形成谐振，增大石墨烯薄膜4下方的光场强度，进而增强石墨烯薄膜4的光吸收。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，该光电探测器制作在SOI衬底上，包括：一光波导，该光波导为条状，形成在衬底纵向的上面；一绝缘透明薄膜，该绝缘透明薄膜均匀制作在衬底上，并覆盖光波导；一石墨烯薄膜，其制作在绝缘透明薄膜上，并覆盖条状的该光波导的中间部分；一第一金属电极，该第一金属电极有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上，而位于条状的光波导的一侧；一第二金属电极，该第二金属电极有一接触端和条状的电极端，其接触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上，而位于条状的光波导的另一侧；一栅电极窗口，其形成于绝缘透明薄膜上，位于暴露的绝缘透明薄膜的任意表面。

【技术特征摘要】
1.一种集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波导探测器，该光电
探测器制作在SOI衬底上，包括：
一光波导，该光波导为条状，形成在衬底纵向的上面；
一绝缘透明薄膜，该绝缘透明薄膜均匀制作在衬底上，并覆盖光波导；
一石墨烯薄膜，其制作在绝缘透明薄膜上，并覆盖条状的该光波导的
中间部分；
一第一金属电极，该第一金属电极有一接触端和条状的电极端，其接
触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上，
而位于条状的光波导的一侧；
一第二金属电极，该第二金属电极有一接触端和条状的电极端，其接
触端制作在绝缘透明薄膜上的一侧，其电极端纵向制作在石墨烯薄膜上，
而位于条状的光波导的另一侧；
一栅电极窗口，其形成于绝缘透明薄膜上，位于暴露的绝缘透明薄膜
的任意表面。
2.根据权利要求1所述的集成分布布拉格反射光栅的增强型石墨烯波
导探测器，其中光波导包括一输入耦合光栅、一第一DBR光栅、一第二DBR
光栅和输出耦合光栅，该输入耦合光栅和第一DBR光栅位于石墨烯薄膜的
一侧，该第二DBR光栅和输出耦合光栅位于石墨烯薄膜的另一侧。
3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉冰，尹伟红，韩勤，杨晓红，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11