[发明专利]一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，包括设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜、单晶硅层和电极，所述绝缘体衬底包括支撑衬底层和光绝缘层，所述支撑衬底层设于所述光绝缘层的一侧，所述铌酸锂薄膜设于所述光绝缘层的另一侧，所述铌酸锂薄膜的另一侧设有所述单晶硅层，在所述单晶硅层上设有所述电极。相对于现有技术，本发明提出的基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率，所制备的器件具有高响应率，低电容，低暗电流和高灵敏度的优点，同时离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。

技术领域

本发明涉及半导体材料技术领域，尤其涉及一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法。

背景技术

在单个芯片上集成各种光子组件(包括光源和探测器)是实现密集光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)的关键途径。这些不仅对于数据和电信领域的传统应用，而且对于在成像，计量学，生物传感，纳米医学和量子光学中的应用，同时这些应用通常需要在可见波长范围内进行操作。

而近数十年来，铌酸锂(LiNbO₃，LN)由于其较大的二阶电光系数(χ2)和出色的宽带光学透明度(400nm–4000nm)被认为是最佳的光学材料。最近，绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜(LithiumNiobate on Insulator，LNOI)已经实现商业化，结合纳米制造技术的进展，已经实现了电信领域的超低损耗波导和高性能电光器件的实现，将光探测器(以及最终的激光源)与LNOI光子平台集成是一个重要的步骤，这可以使得使用LNOI作为新型光子集成电路平台实现复杂的功能。当前，已经有人探索了将探测器与铌酸锂集成在一起的可能，有使用传统的基于单晶体材料的，使用离子扩散技术制备的光学模场尺寸较大的LN波导，这导致了较大的探测器面积，从而限制了光电探测器的响应时间。

此外还有2019年哈佛大学课题组制备的基于LNOI衬底上沉积非晶硅来实现上述光电探测器的制备，但由于作为吸收光子的材料层——非晶硅的缺陷较多，使得所得到的器件有较大的暗电流，响应率等关键性能有所欠缺。

有鉴于此，有必要提供一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LNOI光子平台的硅光探测器及其制备方法，由于硅为单晶硅，材料中的缺陷极少，大大提高了光生载流子的收集效率，所制备的器件具有高响应率，低电容，低暗电流和高灵敏度的优点，同时离子束剥离制备的单晶硅层厚度均匀性极好，器件性能稳定，具有极大应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，包括设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜、单晶硅层和电极，所述绝缘体衬底包括支撑衬底层和光绝缘层，所述支撑衬底层设于所述光绝缘层的一侧，所述铌酸锂薄膜设于所述光绝缘层的另一侧，所述铌酸锂薄膜的另一侧设有所述单晶硅层，在所述单晶硅层上设有所述电极。

可选的，所述光绝缘层的厚度大于或等于2um。

可选的，所述单晶硅层的厚度大于或等于100nm。

可选的，所述单晶硅层的表面粗糙度小于1nm。

另一方面，本发明还提供一种基于LNOI光子平台的硅光探测器的制备方法，所述方法用于制备上述的一种基于LNOI光子平台的硅光探测器，所述方法包括：

提供一设于绝缘体衬底上的铌酸锂薄膜和具有注入面的单晶硅晶片；

对所述单晶硅晶片的所述注入面进行离子注入，使得注入离子到达预设深度并在预设深度处形成损伤层，得到具有损伤层且在损伤层上方形成单晶硅层的单晶硅晶片；