[发明专利]基于石墨烯和耦合光栅的光探测器及其制作方法

说明书

本发明公开了基于石墨烯和耦合光栅的光探测器及其制作方法。本发明结合了石墨烯作为吸收层和耦合光栅作为加强吸收结构的优势，实现高效、高灵敏度和高响应度的光子探测。本发明制备方法采用微纳加工工艺，采用正面或背面的减法或加法工艺，结合石墨烯片上转移或石墨烯片上集成微纳制备的方法，最终实现探测器结构。本发明在探测上可以实现基于金属/石墨烯/金属型(M/G/M)和石墨烯/GaN半导体结型(G/S)原理结构的探测。

技术领域

本发明涉及基于石墨烯和耦合光栅的光探测器及其制作方法，属于光电子集成电路技术领域。

背景技术

平面光子探测是光通信及光电子集成电路(OEIC)中的关键器件，其具有重要的应用，如在传感领域，集成有源探测器实现单芯片传感；在通信领域，光传送网的普及性应用要求网络的中间节点及端节点都需要进行光域和电域之间的转换，以实现信息的路由、转发和接收。

传统的探测采用的是集成有源吸收层实现平面波导光子的探测方式，但这种方法存在以下缺陷：(1)需要在平面光子器件上集成其它材料作为探测器，会有晶格失配和不同热膨胀系数等问题；(2)探测器需要复杂的制备工艺和较高的成本；(3)存在较多异质结层和界面，对光子反射和吸收损耗大；(4)多层材料有源吸收区多是用键合方法和平面光子器件进行集成，这就需要额外的工艺，且键合层会带来不必要的光损耗(G.Roelkens,etal.Optics Express,14:8154,2006.Heinz-Gunter Bach,et al.IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics,10:668,2004.)；(5)量子效率和响应速度之间存在着相互制约关系，即随着有源吸收区厚度和面积的增加，高频响应性能迅速恶化。

石墨烯是一种零带隙二维材料，是一种理想的和平面光子集成的材料(X.Cai,etal.Nature Nanotechnology,9:814,2014.)。它具有宽的光谱吸收范围，且在大的波段具有均一的吸收；单层石墨烯对垂直入射光的吸收为2.3％，多层石墨烯对光的吸收率与其层数成正比(R.R.Nair,et al.Science,320:1308,2008.)；具有光生载流子的倍增效应，每个高能量光子的激发会产生多个电子空穴对(Freitag M.,et al.Nature Photonics,7:53,2012.T.et al.Nano Letters,14:5371,2014.)；可集成于Si，SiN等多种波导材料上(Simone Schuler,et al.Nano Letters,16:7107,2016.)，实现简便的高集成度的器件；结构和制备相对简单，利于实现高频响应光探测；载流子迁移率超过200000cm²/Vs(K.I.Bolotin,et al.Solid State Communications,146:351,2008.)。石墨烯的这些特点赋予了它是作为平面波导光子探测的理想材料，可以有效解决基于其它吸收层的上述缺点。

但是石墨烯自身也存在缺点，就是相对较低的光吸收率和只有皮秒级的载流子寿命(A.Urich,et al.Nano Letters,11:2804,2011.K.-J.Yee,et al.Carbon,49:4781,2011.)，限制了光电流响应。所以，提高光电流响应度一直是石墨烯光探测研究的核心问题。

波导瞬逝场增强是平面光子探测中常用的增强吸收的方法(Simone Schuler,etal.Nano Letters,16:7107,2016.)。虽然波导瞬逝场增强一定程度上提高了探测响应度，但存在如下问题：(1)其是依靠石墨烯和波导大的接触面积来实现高效吸收，大的石墨烯工作面积会带来大的电容，这极不利于器件的快速响应；(2)需要有更大的探测面积来达到更高的响应度，所以响应度和响应速率的对立更为突出；(3)由于波导瞬逝场能量一般都很低，所以单位面积的石墨烯吸收层对光子的吸收效率很有限。

对于石墨烯作为吸收层探测平面光子，最优的改进方案无疑是通过调控波导中的光子，实现能将石墨烯置于光场更强的位置。