[发明专利]与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光探测器领域，具体的涉及一种与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器的制备方法。

背景技术

光学通讯技术可以实现长距离、超快、宽带数据传输。开发可以与硅集成的宽带光学通讯系统可以将光、电器件集成在一个系统上，具有低成本、高集成度的特点，是实现片内和片间通讯的重要技术。尽管一个光学通讯系统中的大部分结构可以采用硅基材料来构成，比如光波导和一些被动元器件。然而，其中的主动元器件比如光探测器作为一个重要的组成部分，对光吸收材料提出了更高的要求。为了实现与硅工艺集成的宽带光学通讯，采用传统的光吸收材料来构建光探测器已经难以满足要求，这是因为传统的光吸收材料如锗和化合物半导体一方面在工艺上难以实现与硅的集成，另一方面受其禁带宽度的限制，不适用于宽带光信号探测。因此制备一种既可以与硅集成、又可以实现宽光谱光吸收的光探测器具有重要的研究意义和应用价值。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明旨在于开发了一种与CMOS工艺兼容的高速光探测器的制备方法，该器件制备在硅光波导上，可以实现超快、宽带光信号探测。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器，包括一SOI衬底（Silicon-on-insulator），所述SOI衬底上通过电子束光刻和刻蚀其顶层硅形成有一硅光波导，所述硅光波导和所述SOI衬底上包覆有一二氧化硅层，所述二氧化硅层上覆盖有一石墨烯层，所述石墨烯层的一端位于所述二氧化硅层覆盖的所述硅光波导的正上方，所述石墨烯层的另一端位于远离所述硅光波导的所述二氧化硅层上；所述二氧化硅层和所述石墨烯层上覆盖有一二硫化钼层，形成异质结，所述二硫化钼层的一端与所述石墨烯层在所述硅光波导的上方发生交叠，所述二硫化钼层的另一端位于远离所述硅光波导和所述石墨烯层的所述二氧化硅层上；所述石墨烯层的一端覆盖有第一电极层，所述二硫化钼层的第一端覆盖有第二电极层，所述第一、第二电极层位于所述硅光波导的两侧，同时又分别位于所述硅光波导、所述石墨烯层和所述二硫化钼层的交叠区之外。

与硅光波导集成的石墨烯异质结光探测器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1）对所述SOI衬底的顶层硅进行电子束光刻和刻蚀，在其上表面形成所述硅光波导；

步骤2）采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法在所述SOI衬底和所述硅光波导上覆盖一层所述二氧化硅层，再通过研磨抛光的方法减薄所述二氧化硅层的厚度，使其位于所述硅光波导上的厚度低于10nm；

步骤3）采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法，在所述二氧化硅层之上生长一层或数层石墨烯层，同时可以通过化学掺杂的方法，改变所述石墨烯层的光电特性，所述石墨烯层的一端位于所述二氧化硅层覆盖的所述硅光波导的正上方，另一端位于远离硅光波导的所述二氧化硅层之上；

步骤4）采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法或机械剥离的方法，在所述石墨烯层上制备一层5至300纳米的所述二硫化钼层，所述二硫化钼层的一端与所述石墨烯层在所述硅光波导的上方发生交叠，另一端位于远离所述硅光波导和所述石墨烯层的所述二氧化硅层之上；

步骤5）采用电子束蒸发或磁控溅射的方法分别在所述石墨烯层和所述二硫化钼层上淀积一层100～300纳米厚的第一、第二电极层，所述第一、第二电极层分别位于所述硅光波导的两侧,同时又分别位于所述硅光波导、所述石墨烯层和所述二硫化钼层的交叠区之外。

进一步的，所述SOI衬底的顶层硅的厚度为250-350nm。

进一步的，所述二氧化硅层位于所述硅光波导上的厚度低于10nm。

进一步的，所述石墨烯层为单层或数层。

进一步的，所述二硫化钼层的厚度为5-300nm。

进一步的，所述第一、第二电极层为钛与铬、铝或金中的两种或多种钛金复合金属材料。

进一步的，所述第一、第二电极层的厚度为100-300nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

首先，石墨烯具有近弹道输运的电学性质，同时由于其独特的零带隙能带结构，石墨烯体现出宽光谱吸收特性；而且，石墨烯的制备方法简单，其加工工艺与CMOS工艺兼容，极易实现与硅的集成化。