[发明专利]一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器

说明书

技术领域

本发明涉及到表面入射石墨烯光电探测器，尤其涉及一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器。

背景技术

2004年石墨烯被发现，短短6年后，发现它的两位科学家就获得了诺贝尔物理学奖，可见石墨烯对科学研究和工业生产意义重大。科学家们很快发现石墨烯具有很多其它材料所不具有的好性质，其同时具有优良的电学、光学、力学性质。2010年IBM成功研制出以碳化硅为衬底的截止频率达100GHz的石墨烯晶体管，短短一年之后石墨烯就成功实现集成电路。由于石墨烯具有独特的能带结构，决定了其具有独特的光学电学性质。其具有的饱和吸收特性，2009年成功实现锁模激光器；其费米能级可以通过栅压调节，2011年张翔组利用这一性质成功实现世界上最小的电吸收调制器。由于石墨烯吸收光子具有很高的内量子效率，没有长波限制以及其具有很高的载流子迁移率，将石墨烯作为探测器的有源层获得了很多研究组的关注，也取得了很多成果。

对于传统的半导体光电探测器，大多基于pin结或者pn结结构，其工作原理简单。在器件上施加一个反向偏压，当能量高于半导体禁带宽度的光子入射到耗尽区时，会产生电子空穴对，电子空穴对在电场的作用下很快分离，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，从而产生对外光电流，达到探测光子的目的。然而用石墨烯作为有源区的光电探测器的原理现在还不是很清楚，其光电流产生机理与传统的探测器有很大的不同。刚开始科学家认为光电流的产生是由于光照射到石墨烯产生热载流子而导致的光热电效应产生对外的电流。很快夏丰年等人采用光电流成像的方法，发现金属电极和石墨烯接触界面附近有内建电场分布，这种内建电场帮助分离光生载流子而产生光电流。这种内建电场是由于石墨烯和电极接触处的功函数不同而引起能带弯曲导致的。2009年他们在300nm氧化硅片上利用机械剥离的方法成功制备出世界上第一个石墨烯光电探测器。这种光电探测器的响应带宽达到40GHz，理论证明石墨烯光电探测器的带宽可高达500GHz，其带宽限制主要来自于RC时间常数。由于石墨烯具有很高的载流子迁移率，其产生的电子空穴对能够快速被电极收集，因此在不加偏压的情况下，仍然能够产生很大的光电流，这是常规探测器所不具备的特性。

由于在不加偏压的情况下，光生载流子只能自由运动几百纳米，因此探测器电极只能收集电极边缘产生的电子空穴对，也就是说这种探测器的有效探测面积会很小，为了增加有效的光探测区域，进而增加光探测效率，2010年Mueller等提出了不对称叉指电极结构的石墨烯探测器，并且将光电响应度提高了一个数量级。为了进一步增加光电响应度，2013年Pospischil和Gan与2个不同的科学家分别独立实现波导集成石墨烯探测器，利用波导结构把光波引向探测器的其中一个电极，实现光场对电极的不对称分布。这种不对称分布使两电极处产生的电子空穴对数量不同，在内建电场的作用下，电子和空穴会流向不同的电极，从而形成不同方向电流的不对称性，产生总的对外光电流。

基于以上两种思想，本发明提出一种基于一维光栅结构的表面入射石墨烯光电探测器，利用光栅结构实现对光场的调制，使不同电极处的光场强度不同；利用叉指电极收集光生载流子，增大有效光探测面积。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，其具有响应度高、零偏压、高带宽等潜在的特性和优点，另外其制作工艺与CMOS工艺兼容。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于一维光栅的表面入射石墨烯光电探测器，包括：S0I衬底，由下至上依次包括硅、埋氧层和顶层硅；刻蚀该顶层硅形成的一维光栅，该一维光栅由多个二氧化硅条6和多个硅条7交替分布构成，用以调制与石墨烯层作用的光场的空间分布；形成于该一维光栅之上的石墨烯层8，作为有源层与其周围的光场作用产生电子空穴对；形成于该石墨烯层8之上的第一叉指电极4和第二叉指电极5，二者均与石墨烯接触从而在接触面形成内建电场，用以实现对光生载流子的有效收集而形成光电流。

上述方案中，所述埋氧层的厚度为3μm，所述顶层硅的厚度为220nm，刻蚀该顶层硅而形成的一维光栅的厚度为120nm。其中多层结构中的6的厚度为120nm。这一厚度考虑到两个方面，一是石墨烯在光栅上能够光学可见，二是这一厚度能够很容易区分一维光栅中的硅7和二氧化硅6，便于电极的定位。

上述方案中，所述一维光栅中的多个二氧化硅条6和多个硅条7，能够实现对入射光光强分布进行调制。