石墨烯光吸收特性的玻璃基波导型光电探测器及制备方法

摘要

本发明公开了一种石墨烯光吸收特性的玻璃基波导型光电探测器及制备方法。包括依次自下而上分布覆于玻璃衬底之上的玻璃基波导、石墨烯薄膜和两块金属电极，玻璃基波导呈条形位于玻璃衬底中部，石墨烯薄膜覆于玻璃基波导中部，两块金属电极相对称地位于石墨烯薄膜的两侧，每块金属电极中一部分直接覆于玻璃衬底上，另一部分覆于石墨烯薄膜上。本发明通过形成光电流信号来实现光电探测器的功能，电压低，结构简单，制作成本低，响应度高，可应用于集成光学，具有大规模生产的潜力。

说明书

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，涉及光电探测器件结构，特别涉及一种石墨烯光吸收特性的玻璃基波导型光电探测器及制备方法。

背景技术

光电探测器作为接收装置在光通信网络中占有重要地位。随着光电子技术的发展和材料科学以及微纳加工工艺水平的不断提升，光电探测器朝着小体积、低成本、高性能的趋势发展。

玻璃具有极低的光损耗和易于加工等特性，使玻璃基片上集成光波导得以实现。玻璃基片离子交换技术制造的光波导属于扩散原理形成的光波导。这种光波导是集成光学线路中的基础部件，在板级光互连中有强大的竞争力，在现在和将来的各种应用中，从数据存储到信息传输，它都起着重要的作用。原因在于这类光波导有一系列诱人的性质，包括传输损耗低、工艺简单、成本低、易与光纤耦合等。

石墨烯是由一系列碳原子排列成六边形的网格状二维平面晶体结构。作为一种零带隙材料，石墨烯可以吸收从紫外到太赫兹波段的入射光。通过玻璃基波导使入射光与石墨烯平行，大大提高了石墨烯对光子的吸收率。石墨烯吸收光子后，会产生光生载流子形成光电流信号，通过对光电流信号的检测可以实现光电探测的功能。利用这一特性，我们能够制造出响应度高、功耗较低的新型光电探测器，在下一代大容量光通信系统中具有很好的应用前景。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯光吸收特性的玻璃基波导型光电探测器及制备方法，以石墨烯为光吸收层，借助金属掺杂的石墨烯吸收玻璃基波导中的光子后会产生光生载流子，光生载流子在外加电场作用下高速运动，从而形成光电流信号来实现光电探测器的功能。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种基于石墨烯光吸收特性的玻璃基波导型光电探测器：

包括依次自下而上分布覆于玻璃衬底之上的玻璃基波导、石墨烯薄膜和两块金属电极，玻璃基波导呈条形位于玻璃衬底中部，石墨烯薄膜覆于玻璃基波导上，两块金属电极相对称地位于石墨烯薄膜的两侧，每块金属电极中一部分直接覆于玻璃衬底上，另一部分覆于石墨烯薄膜上接触。

所述的石墨烯薄膜覆于玻璃基波导中部，石墨烯薄膜的宽度大于玻璃基波导宽度，石墨烯薄膜的长度小于玻璃基波导长度。

所述的玻璃基波导为离子交换表面光波导。

所述的金属电极的材料为铝、金或金铬合金。

所述的金属电极为薄膜电极，其结构为平行结构或叉指结构；采用叉指结构，两侧金属电极的叉指相互平行且交错地覆于石墨烯薄膜之上。

所述的两块金属电极的厚度一致，每个叉指宽度相同，相邻叉指之间的间隙距离相同。

一、一种基于石墨烯光吸收特性的光电探测器的制备方法：

1)以玻璃基片作为玻璃衬底，在玻璃基片表面处理制备获得带有玻璃基波导的玻璃衬底；

2)在玻璃衬底上加工放置石墨烯，形成石墨烯薄膜；

3)通过标准光刻工艺制作出金属电极的图形，用电子束蒸发的方式将金属电极蒸镀到石墨烯薄膜和玻璃衬底上。

所述步骤1)具体为：

1.1)将玻璃基片作为玻璃衬底用浓硫酸清洗液洗净，烘干后用真空蒸镀在玻璃基片表面蒸镀一层铝掩膜；

1.2)在铝掩膜上旋涂一层光刻胶，将玻璃基片放入90℃的烘箱中前烘30分钟，待玻璃基片冷却至常温，进行曝光显影，显影后再放入到120℃的烘箱中烘烤25分钟，冷却至常温；

1.3)将玻璃基片放入到铝腐蚀液中保持恒温40℃进行腐蚀处理，腐蚀后取出用去离子水冲洗干净，再依次用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水清洗，用干净的氮气吹干；

1.4)接着将玻璃基片置于NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的熔盐中热交换2.75小时，NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的配比为210:290:0.9，交换温度为260℃，交换完成后取出，放入交换炉中随炉冷却，接着将玻璃片的两端面进行抛光，制作获得带有玻璃基波导的玻璃衬底；

进一步地，所述步骤2)一种实施方式具体为：在铜箔上生长石墨烯，接着在石墨烯上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，然后将结合铜、石墨烯和PMMA的样品放入足量的FeCl₃溶液中直至铜箔被完全腐蚀，再将结合石墨烯和PMMA的样品转移到玻璃衬底上，放入超净室中自然干燥12小时以上，接着放入到150℃的烘箱中烘烤1小时，使得石墨烯薄膜和玻璃衬底紧密接触，最后去除PMMA层。

进一步地，所述步骤2)另一种实施方式具体为：通过氧离子在高定向热解石墨烯表面进行离子刻蚀，在表面刻蚀出宽度为1mm、深度为5μm的微槽后，将其粘到涂有光刻胶的玻璃衬底上；接着采用机械剥离方法将石墨烯从光刻胶上反复剥离，用丙酮溶解光刻胶，留在光刻胶上形成石墨烯薄膜并分散在丙酮溶液中，将玻璃衬底在丙酮溶液中浸泡后，再用丙醇和水冲洗，使得石墨烯薄膜转移到玻璃衬底上。

所述的石墨烯薄膜的厚度小于0.8nm，薄膜电极的厚度约为50nm。

本发明具有的有益效果是：

本发明将玻璃基波导和石墨烯薄膜相结合进行制备，增大入射光与石墨烯的接触面积，解决了传统的石墨烯光电探测器由于石墨烯对光的吸收效率低导致器件的响应度难以提高的问题。

本发明利用光子被石墨烯吸收产生光生载流子在外加电场作用下高速运动，从而形成光电流信号来实现光电探测的功能。由于单层石墨烯对光子的吸收率仅为2.3％，本发明通过玻璃基波导结构增大入射光与石墨烯的接触面积提升石墨烯对光子的吸收，将金属电极引入石墨烯薄膜上加强石墨烯和金属电极表面的电场区域，促进光生载流子的分离，从而增大探测器的响应度和动态范围。

本发明光电探测器所用材料以玻璃作为衬底材料，具有价格低、制作工艺成熟、技术简单、与光的偏振无关、易于集成等优势。

附图说明

图1是本发明中平行电极光电探测器的俯视图；

图2是本发明中平行电极光电探测器的结构示意图；

图3是本发明中叉指电极光电探测器的俯视图；

图4是实施例中铝掩膜蒸镀在玻璃衬底上的结构示意图；

图5是实施例中光刻腐蚀后的铝掩膜结构示意图；

图6是实施例中离子交换后的表面波导结构示意图；

图7是实施例中石墨烯转移到玻璃衬底上的结构示意图。

图中：1、玻璃基波导，2、石墨烯薄膜，3、金属电极，4、玻璃衬底，5、铝掩膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括依次自下而上分布覆于玻璃衬底4之上的玻璃基波导1、石墨烯薄膜2和两块金属电极3，玻璃基波导1呈条形位于玻璃衬底4中部，石墨烯薄膜2覆于玻璃基波导1上，两块金属电极3相对称地位于石墨烯薄膜2的两侧，每块金属电极3中一部分直接覆于玻璃衬底4上，另一部分覆于石墨烯薄膜2上接触。石墨烯薄膜2覆于玻璃基波导1中部，石墨烯薄膜2的宽度大于玻璃基波导1宽度，石墨烯薄膜2的长度小于玻璃基波导1长度。

上述玻璃基波导1为离子交换表面光波导，金属电极3的材料为铝、金或金铬合金。

金属电极3为薄膜电极，其结构为平行结构或叉指结构；采用叉指结构，两侧金属电极3的叉指相互平行且交错地覆于石墨烯薄膜2之上。

本发明的两块金属电极3的厚度一致，每个叉指宽度相同，相邻叉指之间的间隙距离相同。

本发明设计原理如下：

金属电极和石墨烯接触会改变石墨烯的掺杂浓度，两端电极加偏压后，金属下面的石墨烯区域形成N型或轻P型掺杂区，暴露在空气中的石墨烯区域形成重P型掺杂区。因此，在金属掺杂石墨烯和暴露在空气中的石墨烯界面会形成金属掺杂结。当入射光通过玻璃基波导照射到石墨烯/玻璃界面，石墨烯吸收入射光并产生电子-空穴对。在电场的作用下，空穴流向正电极，电子流向负电极，形成光生电流；叉指电极间可以形成很强的电场，降低能耗，提高器件的响应度。

本发明的实施例如下：

实施实例一：

1.将玻璃基片用浓硫酸清洗液清洗干净，并将玻璃放入烘箱中烘干。然后用真空蒸镀的方法在干净的玻璃基片表面蒸镀一层厚度约为200nm的铝掩膜5。

2.光刻：在铝掩膜5上旋涂一层厚度为1.5μm的光刻胶。将基片放入90℃的烘箱中前烘30分钟。待基片冷却至常温，对其进行接触式紫外曝光，曝光完成后显影，显影后将基片放入到120℃的烘箱中烘烤25分钟，待基片冷却至常温。

3.腐蚀铝膜：如图4所示，通过腐蚀工艺将光波导图形转移到铝掩膜5上。将基片放入到铝腐蚀液中(恒温40℃)，当铝掩膜被腐蚀完成后，将基片取出，用去离子水冲洗干净。然后去除基片上的光刻胶——依次将基片用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水清洗。最后将基片表面残留的去离子水用干净的氮气吹干。

4.离子热交换：如图5所示，在NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的熔盐中热交换两小时四十五分钟，NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的配比为210g:290g:0.9g，交换温度为260℃，交换完成后将基片从熔盐中取出，放入交换炉中随炉冷却并将玻璃基片上剩余的铝掩膜用铝腐蚀液腐蚀掉。最后将大的玻璃基片切割成小的玻璃片，并将玻璃片的入射端面和出射端面进行抛光，制作出宽6μm左右的玻璃基表面光波导。

5.石墨烯的转移：如图6所示，首先在铜箔上生长石墨烯，在石墨烯上旋涂一层厚度为300nm的PMMA，然后将铜/石墨烯/PMMA样品放入1mol/L的FeCl₃溶液直至铜箔被完全腐蚀。再将石墨烯/PMMA样品转移到玻璃衬底上，放入超净室中自然干燥12小时以上，然后将样品放入到150℃的烘箱中烘烤1小时，使得石墨烯薄膜和玻璃衬底紧密接触。最后用丙酮和异丙醇去除石墨烯薄膜上覆盖的PMMA层，形成如图7所示。

6.蒸镀电极：在芯片上用标准的光刻工艺制作出平行电极的图形，然后用电子束蒸发的方式将电极蒸镀到器件上，厚度约为50nm，形成如图1和图2所示。

通过本实施例可以制作响应度为0.75A/W，动态范围100nm以上的光电探测器。

实施实例二：

1.将玻璃基片用浓硫酸清洗液清洗干净，并将玻璃放入烘箱中烘干。然后用真空蒸镀的方法在干净的玻璃基片表面蒸镀一层厚度约为200nm的铝掩膜5。

2.光刻：在铝掩膜5上旋涂一层厚度为1.5μm的光刻胶。将基片放入90℃的烘箱中前烘30分钟。待基片冷却至常温，对其进行接触式紫外曝光，曝光完成后显影，显影后将基片放入到120℃的烘箱中烘烤25分钟，待基片冷却至常温。

3.腐蚀铝膜：如图4所示，通过腐蚀工艺将光波导图形转移到铝掩膜5上。将基片放入到铝腐蚀液中(恒温40℃)，当铝掩膜5被腐蚀完成后，将基片取出，用去离子水冲洗干净。然后去除基片上的光刻胶——依次将基片用丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水清洗。最后将基片表面残留的去离子水用干净的氮气吹干。

4.离子热交换：如图5所示，在NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的熔盐中热交换两小时四十五分钟，NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的配比为210g:290g:0.9g，交换温度为260℃，交换完成后将基片从熔盐中取出，放入交换炉中随炉冷却并将玻璃基片上剩余的铝掩膜用铝腐蚀液腐蚀掉。最后将大的玻璃基片切割成小的玻璃片，并将玻璃片的入射端面和出射端面进行抛光，制作出宽6μm左右的玻璃基表面光波导。

5.石墨烯的转移：如图6所示，通过氧离子在厚度为1mm的高定向热解石墨表面进行离子刻蚀。在表面刻蚀出宽度为1mm、深度为5μm的微槽后，将其粘到涂有1μm厚光刻胶的玻璃衬底上。采用机械剥离的方法将石墨烯薄膜从光刻胶上反复剥离，最后用丙酮溶解光刻胶，留在光刻胶上的较薄的石墨烯薄膜也分散在丙酮溶液中，将玻璃衬底在丙酮溶液中浸泡后，再用大量的丙醇和水冲洗，石墨烯薄膜就转移到了玻璃衬底上，形成如图7所示。

6.蒸镀电极：在芯片上用标准的光刻工艺制作出叉指电极的图形，然后用电子束蒸发的方式将电极蒸镀到器件上，厚度约为50nm，形成如图3和图2所示。

通过本实施例可以制作响应度为1A/W，动态范围100nm以上的光电探测器。

由此，完成光电探测器的制作。所制作的光电探测器的响应度可以达到1A/W，动态范围可达100nm以上。

由此可见，本发明利用金属掺杂的石墨烯吸收光波导中的光子后会产生光生载流子，光生载流子在外加电场的作用下高速运动，从而形成光电流信号来实现了光电探测器的功能。

本发明仅在表面波导的结构上添加了石墨烯薄膜和金属电极，该器件所需要施加的电压低，结构简单，制作成本低，响应度高，可应用于集成光学，具有大规模生产的潜力。