基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器的制造方法
【專利摘要】基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，涉及光探測器。提供一種可實現(xiàn)超寬帶吸收的功能的基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器。為疊層結(jié)構(gòu)，從上至下在垂直方向上依次為金屬層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層－介質(zhì)層－石墨烯層結(jié)構(gòu)；在水平方向上，石墨烯層和介質(zhì)層均采用柵狀條塊，條塊周期排列，在每層石墨烯層上加偏置電壓，用于改變石墨烯的折射率，從而動態(tài)調(diào)控每石墨烯層的空間反射率，進而調(diào)控整個結(jié)構(gòu)的空間吸收率。
【專利說明】
基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及光探測器，尤其是涉及一種基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器。
【背景技術(shù)】
[0002]光吸收在光電探測器和太陽能光伏效應的研究中是重要的一環(huán)。寬帶光探測器在很多重要的領(lǐng)域有廣泛應用，包括紅外成像、遙感、環(huán)境監(jiān)測、天文探測、光譜分析等。特別是在紅外成像領(lǐng)域，要實現(xiàn)真正意義上的多色紅外成像，探測器必須能同時探測不同波段的紅外福射如短波紅外(I?3mm)、中波紅外(3?5mm)、長波紅外(8?14mm)、甚長波紅外(>14_)、甚至是太赫茲波(30?3000mm)輻射，這是相當具有挑戰(zhàn)性的。目前，為了在一定程度上實現(xiàn)多色紅外成像，是將適于探測不同紅外波段的多個探測器集成在一起，并且確保這些探測器同步工作，導致器件結(jié)構(gòu)和工藝相當復雜。
[0003]超材料吸收體可以獲得超寬帶的吸收，在周期表面上激發(fā)等離基元效應，增強吸收。(參考文南犬:S.Thongrattanasiri，F(xiàn).H.L.Koppens，and F.Javier Garcia de Abajo,^Complete Optical Absorpt1n in Per1dically Patterned Graphene"，physicalreview letters, 108,047401,2012)至此，實現(xiàn)高靈敏度超寬帶探測器件仍有障礙，石墨稀本身的光吸收率較低，不利于實現(xiàn)高靈敏度探測。但石墨烯作為一個具有超強光電特性的穩(wěn)定材料，基于石墨烯設計的微納結(jié)構(gòu)，由于其光調(diào)制作用，在光吸收領(lǐng)域具備很大的應用前景。
[0004]石墨烯是一種碳元素的二維層狀材料結(jié)構(gòu)，單層石墨的厚度約為0.35nm，具有完全的sp2共價雜化極性結(jié)構(gòu)，是其他維度類石墨材料的基本構(gòu)建元素。自從2004年單層石墨稀被成功研制，引起了廣泛關(guān)注。石墨稀的載流子表現(xiàn)為無質(zhì)量的相對論粒子或稱迪拉克-費密子，在室溫下移動散射較小，這種特有的行為導致石墨烯中許多不一樣的現(xiàn)象。首先是石墨烯是一種在導帶和價帶之間有一點交疊的零帶隙2D半導體;其次是其顯示的強的雙極電場效應，載流子濃度高達113Cnf2，室溫下的迀移率測量值達到?10000cm—2S.1;第三，實驗觀察表明通過電場效應調(diào)節(jié)費密能級，石墨烯電子和空穴載流子具有半整數(shù)量子霍爾效應(half-1nteger quantum Halleffect，QHE)。因此被廣泛的應用于高頻納米電子器件領(lǐng)域。石墨烯同樣具有非凡的光學特性，在紫外、可見光到紅外波段(300?600nm)具有平坦的吸收帶，而且吸收特性可通過加電壓來調(diào)控(《Science》，320，206)，因此可實現(xiàn)寬帶高速的光電轉(zhuǎn)換。盡管石墨烯與光具有非常強的相互作用，單層石墨烯在上述波段的吸收就達到了驚人的2.3% (((physicalReview Letters)), 101,196405 ； ((Science))，320，1308)，然而由于石墨締太薄，利用單層或者多層的石墨締對光的有效吸收還遠低于目前的其他體材料或者量子阱結(jié)構(gòu)的效率。通過外加偏置電壓改變石墨烯的電位并影響其載流子濃度，從而改變其折射率，可以實現(xiàn)寬帶、高速的小尺寸波導型結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器。但是，波導型結(jié)構(gòu)的缺點在于:為了實現(xiàn)較大的調(diào)制深度，波導必須足夠長以增強石墨烯與光場的交互作用，這會讓波導的等效電容變大，從而使調(diào)制速度受到限制，同時還會產(chǎn)生相對較高的電磁損耗。而自由空間結(jié)構(gòu)的石墨稀光調(diào)制器不僅結(jié)合了石墨稀材料本身的高速、小尺寸等優(yōu)勢，同時還具備了波導型電光調(diào)制器穩(wěn)定、易制備等特點。這使得石墨烯空間光調(diào)制器具備了在先進光電器件中應用的潛力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可實現(xiàn)超寬帶吸收的功能的基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器。
[0006]本發(fā)明為疊層結(jié)構(gòu)，從上至下在垂直方向上依次為金屬層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨稀層一介質(zhì)層一石墨稀層一介質(zhì)層一石墨稀層(Metal-Dielectric-Graphene)結(jié)構(gòu)；在水平方向上，石墨烯層和介質(zhì)層均采用柵狀條塊，條塊周期排列，在每層石墨烯層上加偏置電壓，用于改變石墨烯的折射率，從而動態(tài)調(diào)控每石墨烯層的空間反射率，進而調(diào)控整個結(jié)構(gòu)的空間吸收率。
[0007]所述石墨稀層可采用單原子石墨稀層，石墨稀層的長度為200?300nm，寬度為240?270nm,厚度為0.34nm;每一石墨稀層加的偏置電壓大小不同，從下至上，各石墨稀層所加化學勢依次為1.26￥、16￥、0.86￥、0.76￥、0.46￥、0.66￥、0.66￥、0.56￥、0.46￥、16￥、1.26￥和1.1eV0
[0008]所述疊層結(jié)構(gòu)可設左右兩個層柱，兩個層柱結(jié)構(gòu)之間的周期為400?420nm;所述介質(zhì)層可采用氮化娃(Si3N4)層，每一介質(zhì)層的厚度為180?200nm，長度為200?300nm，寬度為240?270nm;金屬層的厚度可為150?200nm。
[0009]本發(fā)明在垂直方向上采用金屬一介質(zhì)一石墨稀(間隔疊加，石墨稀12層)的結(jié)構(gòu)；水平方向上，上層的石墨烯、介質(zhì)均采用柵狀條塊，條塊周期排列。而在每層石墨烯上加偏置電壓，用來改變石墨烯的折射率，從而動態(tài)調(diào)控每層的空間反射率，進而調(diào)控整個結(jié)構(gòu)的空間吸收率。
[0010]之所以選用石墨烯作為調(diào)控材料，是因為它具有如下特點:
[0011]I，強交互性。和那些表現(xiàn)出量子限制斯塔克效應的復合半導體對比，單層石墨烯有著更強的帶間躍迀，因此和光有著較強的交互作用。
[0012]2，寬帶特性。由于迪拉克-費密子的高頻動態(tài)電導率是常數(shù)，在通信頻段、中紅外、遠紅外，石墨烯對光的吸收率不依賴于波長。
[0013]3，高速特性。由于室溫下石墨烯具有超高的載流子迀移率，根據(jù)能帶填充效應，其費密能級可以被快速的改變，從而實現(xiàn)高速調(diào)制的特性。
[0014]正是基于如上特點，石墨烯電光調(diào)制器具備了尺寸小、操作電壓低、調(diào)制速度快、工作頻帶寬等優(yōu)勢。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0016]I，與傳統(tǒng)的超材料電光調(diào)制器對比，石墨烯調(diào)制器具有調(diào)制速度快、尺寸小、功耗低等特點，且與基于硅的電子元器件兼容，使得它更容易集成在通信系統(tǒng)中。
[0017]2，與波導型石墨烯電光調(diào)制器對比，由于該發(fā)明不是通過對石墨烯的吸收率的變化來改變整體反射率，所以不需要增加石墨烯的面積以增強石墨烯和光波之間的交互。這就使得空間石墨烯電光調(diào)制器可以做得比波導型石墨烯電光調(diào)制器更小，因此功耗也更低，同時等效電容也更小，相應的調(diào)制速度也更高。
[0018]3，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)充分利用了石墨烯的偏壓調(diào)控特性，通過設計尺寸得到超寬帶吸收效果，這在空間電光調(diào)制器的實際應用中具有重要意義。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的剖面圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的側(cè)視圖。
[0021]圖3是本發(fā)明仿真實現(xiàn)的調(diào)制吸收率曲線。
[0022 ]圖4是本發(fā)明仿真實現(xiàn)的空間反射率曲線。
[0023]圖5是本發(fā)明仿真的I?6層石墨烯的吸收率曲線。
[0024]圖6是本發(fā)明仿真的7?12層石墨烯的吸收率曲線。
【具體實施方式】
[0025]選擇單面拋光的硅片為基片，在基片上用電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍150nm金，用射頻磁控派射的方法沉積180nm的Si3N4在Al!上，然后用化學沉積的方法，讓石墨稀長在Si3N4上，再用等離子體化學沉積的方法，將180nm的Si3N4在石墨稀上形成。依次反復12次。
[0026]本發(fā)明采用的是金屬層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨稀層(Metal-Dielectric-Graphene)結(jié)構(gòu)，其組成見圖1、圖2。
[0027]在圖1和2中，標記I?12是單原子石墨烯層，單原子石墨烯層的長度較長，在200nm至300nm之間，寬度在240]11]1至270111]1之間，厚度為0.34111]1。共12層石墨稀層，每層加的偏置電壓大小不同，依次為:I加化學勢1.2eV，2加化學勢IeV，3加化學勢0.8eV，4加化學勢0.7eV，5加化學勢0.4eV，6加化學勢0.6eV，7加化學勢0.6eV，8加化學勢0.5eV，9加化學勢0.4eV，10加化學勢IeV，11加化學勢1.2eV，12加化學勢1.leV。每兩層石墨稀層之間用介質(zhì)填充，兩個層柱結(jié)構(gòu)之間的周期在400nm至420nm之間。標記13?24是氮化娃(Si3N4)層，每層厚度在180?200nm之間，這是本發(fā)明的關(guān)鍵尺寸。氮化硅(Si3N4)層的長度與單原子石墨烯層的長度相同，氮化娃(Si3N4)層的寬度和單原子石墨稀層的寬度一樣。標記25是金層，厚度在150nm?200nm之間。
[0028]本發(fā)明的主要參數(shù)分析如下:
[0029]當單原子石墨稀層的長度取250nm，寬度取240nm，厚度取0.34nm，兩個層柱結(jié)構(gòu)之間的周期取400nm，氮化硅(Si3N4)層的厚度取180nm，氮化硅(Si3N4)層的長度和寬度取250nm，金層的厚度取150nm，長度取4000nm，寬度取250nm時，經(jīng)過仿真計算，可以得到如圖3所示的整個結(jié)構(gòu)的吸收率曲線，空間的反射率曲線如圖4所示。圖3和4顯示，調(diào)制帶寬約為10?30μπι，并且吸收率保持72%以上。圖5和6顯示不同層的石墨烯，不同費密能級的反射率曲線。從圖中可以看到，當石墨烯層的位置最高或最低時，吸收率較低，石墨烯層的位置中間時，吸收率較高。因此，根據(jù)加在石墨烯上的化學勢越高，吸收率越高的原則，將化學勢較低的排列在中間層，化學勢較高的排列在兩邊層。由于最高層的石墨烯，加化學勢后吸收峰會產(chǎn)生藍移，這是因為，介質(zhì)層較厚，吸收峰藍移(J.Zhang，Z.Zhu,W.Liu，X.Yuan,S.Qin,“Towards photodetect1n with high efficiency and tunable spectralselectivity: graphene plasmonics for light trapping and absorpt1nengineering”，Nanoscale，7，13530，2015)0
[0030]本發(fā)明的工作原理如下:
[0031]石墨稀層和介質(zhì)層相接，引起表面等離激元(SurfacePlasmon)，使得場強局部增強；而改變石墨烯兩端電壓引起石墨烯的費密能級發(fā)生變化，從而使石墨烯的光電特性發(fā)生變化，石墨烯本身所引起的表面等離激元也隨著變化，從而每一層結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)也會有較大的變化;調(diào)整每一介質(zhì)層的厚度，使得阻抗匹配，吸收率得到最大值;調(diào)整每一石墨烯層的化學勢，使得帶寬增加，吸收率在整個帶寬上均勻分布。正是由于以上這四個方面的原因，本發(fā)明才具備如此優(yōu)良的調(diào)制參數(shù)。
[0032]針對空間中的太赫茲頻段入射波，可以通過加偏壓的方式對其吸收譜進行調(diào)控，且通過多層疊加，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，進而可實現(xiàn)超寬帶吸收的功能。
【主權(quán)項】
1.基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，其特征在于為疊層結(jié)構(gòu)，從上至下在垂直方向上依次為金屬層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層一介質(zhì)層一石墨烯層結(jié)構(gòu);在水平方向上，石墨烯層和介質(zhì)層均采用柵狀條塊，條塊周期排列，在每層石墨烯層上加偏置電壓，用于改變石墨烯的折射率，從而動態(tài)調(diào)控每石墨烯層的空間反射率，進而調(diào)控整個結(jié)構(gòu)的空間吸收率。2.如權(quán)利要求1所述基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，其特征在于所述石墨烯層采用單原子石墨烯層。3.如權(quán)利要求1所述基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，其特征在于所述石墨烯層的長度為200?300nm，寬度為240?270nm，厚度為0.34nmo4.如權(quán)利要求1所述基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，其特征在于每一石墨烯層加的偏置電壓大小不同，從下至上，各石墨烯層所加化學勢依次為1.2^、1^、0.8^、0.7^、0.46￥、0.66￥、0.66￥、0.56￥、0.46￥、16￥、1.26￥和1.16￥05.如權(quán)利要求1所述基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，其特征在于所述疊層結(jié)構(gòu)設左右兩個層柱，兩個層柱結(jié)構(gòu)之間的周期為400?420nm。6.如權(quán)利要求1所述基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，其特征在于所述介質(zhì)層采用氮化娃層。7.如權(quán)利要求1所述基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，其特征在于每一介質(zhì)層的厚度為180?200nm，長度為200?300nm，寬度為240?270nm。8.如權(quán)利要求1所述基于超材料結(jié)構(gòu)的石墨烯光探測器，其特征在于所述金屬層的厚度為150?200nm。
【文檔編號】H01L31/09GK105870226SQ201610387460
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月2日
【發(fā)明人】朱錦鋒, 李嘉曄, 劉海, 柳清伙
【申請人】廈門大學