[发明专利]亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器

说明书

亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器，涉及光通信技术领域，其包括衬底和吸收层，吸收层包括附着在衬底上的单层的石墨烯，在石墨烯上方设有缓冲层，缓冲层上设有亚波长金属光栅结构，亚波长金属光栅结构的光栅周期、狭缝宽度和光栅高度设定为可使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振的尺寸范围内，缓冲层用于促进石墨烯对电场的吸收。本发明与传统结构相比，可以明显增强石墨烯对光的吸收，提高光电探测器的响应度。

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其指一种亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器。

背景技术

随着超高速光纤通信的发展，对于超高速和高灵敏度光电探测器的需求越来越急迫。石墨烯具备极高的载流子迁移率、非常好的低维稳定性以及电子浓度的电场可调制性，是极具潜力的光电子材料。石墨烯光电探测器具有极高的载流子迁移率，在高速光通信领域中具有巨大的发展潜力，传统石墨烯光电探测器吸收层的结构是在衬底表面设置一层吸收光的石墨烯，但是由于石墨烯的光吸收效率不高，探测器的响应度较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种具备较高响应度的亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种亚波长金属光栅结构的石墨烯光电探测器，包括衬底和吸收层，所述吸收层包括附着在衬底上的单层的石墨烯，其特征在于：还包括设置在石墨烯上方的缓冲层，所述缓冲层上设有亚波长金属光栅结构，所述亚波长金属光栅结构的光栅周期、狭缝宽度和光栅高度设定为可使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振的尺寸范围内，所述缓冲层用于促进石墨烯对电场的吸收。

其中，所述亚波长金属光栅采用银作为材料，其相对介电常数为Drude模型：

式(1)中，γ和ω分别表示电子碰撞频率和入射光的角频率，i为虚数单位，ε_∞和ω_p分别为无限大频率介电常数和表面等离子体频率。

其中，所述石墨烯的相对介电常数为ε_g＝1+iσ_g/ωε₀Δ，其中Δ为单层石墨烯的厚度，ω表示入射光的角频率，i为虚数单位，ε₀是真空介电常数，σ_g为导电常数，σ_g＝σ_intra+σ_inter，其中

式(2)中e和u_c分别表示电子单位电量和化学电势，k_B和分别玻尔兹曼常数和普朗克常数，T和τ分别表示温度和电荷载流子散射动量的弛豫时间，石墨烯的物理参量分别为：u_c＝0.15eV,T＝300K,τ＝0.5ps，石墨烯载流子速度为40000cm²V^-1s^-1。

其中，所述缓冲层采用硅材料制成。

进一步地，所述光栅周期为400nm。

进一步地，所述光栅高度为240nm。

进一步地，所述狭缝宽度为100nm。

更进一步地，所述缓冲层厚度为20nm。

此外，本发明还提供一种提高石墨烯光电探测器响应度的方法，在作为吸收层的单层石墨烯上设置硅材料的缓冲层，在缓冲层上设置亚波长金属光栅结构，通过控制所述亚波长金属光栅结构的光栅周期、狭缝宽度和光栅高度使入射光在光栅狭缝近场产生表面等离子体共振，通过控制所述缓冲层的厚度促进石墨烯对电场的吸收，从而提高石墨烯光电探测器的响应度。