一种黑磷薄膜铌酸锂探测器

1.本发明属于波导集成二维材料光电探测领域，特别涉及一种黑磷薄膜铌酸锂探测器。


背景技术：

2.片上光子集成电路可以为光子计算、光纤通信、生物传感、激光雷达等领域的革命性发展提供一个通用平台，光子集成电路的应用与突破，一个关键技术就是实现高速低功耗收发模块，这就要求发展高速、低暗电流和高响应度的波导集成光电探测器。
3.开发片上光子集成电路的材料多种多样。其中，薄膜铌酸锂可支持波长更短的可见光传输，理论上可比硅光电子器件具有更高的载波带宽，目前的研究结果已经表明薄膜铌酸锂波导可以实现低功耗、高线性度和超高速电光调制。然而，这种材料不能吸收光信号，在光电探测方面存在困难。为了解决这一问题，可以将二维材料和薄膜铌酸锂波导异质集成，实现波导集成光电探测器。
4.二维材料是指单层或少层的层状材料，层中的原子以共价键紧密结合。此外，二维材料每一层的化学共价键都是完全饱和的，材料表面没有悬垂的键，相邻的层之间通过范德华力连接，因此，二维材料可以直接在衬底上形成异质集成。其中，黑磷作为一种面内各向异性的二维材料，具有较高的载流子迁移率和窄直接带隙，其宽带检测、集成能力和偏振灵敏度方面的优异性能使其在其他候选者中脱颖而出，成为实现波导集成光电探测器的一种有吸引力的光子吸收材料。


技术实现要素：

5.技术问题：有鉴于此，本发明实施例提出一种黑磷薄膜铌酸锂探测器，结合二维材料与新型波导结构的优点，实现高性能波导集成二维材料光电探测器。
6.技术方案：本发明提供了一种黑磷薄膜铌酸锂探测器，该探测器结构自下而上依次为：第一层是本征硅衬底、第二层是掩埋氧化物层、第三层是薄膜铌酸锂波导、第四层是黑磷、第五层是金属电极；其中，掩埋氧化物层直接在本征硅衬底上氧化生成；薄膜铌酸锂键合在掩埋氧化物层上通过刻蚀定义出纵向脊形的薄膜铌酸锂波导；黑磷横向覆盖在薄膜铌酸锂波导脊形的中段部分，通过范德华力与薄膜铌酸锂波导紧密连接；第一金属电极、第二金属电极分别覆盖在黑磷和薄膜铌酸锂波导脊的两边。
7.所述的本征硅衬底厚度为0.4-0.7毫米。
8.所述的掩埋氧化物层的材质为二氧化硅，厚度为1-3微米。
9.所述的薄膜铌酸锂波导为脊形波导，包括上半部分的脊和下半部分的平板，脊宽为0.5-12微米，脊厚度为0.15-0.45微米，平板厚度为0.15-0.45微米，脊侧壁与水平面夹角为50-90度，可支持单模或多模光场。
10.所述的黑磷覆盖薄膜铌酸锂波导，厚度为1-200纳米。
11.所述的第一金属电极覆盖黑磷和薄膜铌酸锂波导，厚度为50-100纳米。
12.所述的第二金属电极覆盖黑磷和薄膜铌酸锂波导，厚度为50-100纳米。
13.工作原理为：该黑磷薄膜铌酸锂探测器将黑磷与薄膜铌酸锂波导异质集成。本征硅衬底上方设置有掩埋氧化物层，并通过位于掩埋氧化物层上方的薄膜铌酸锂波导进行模式限制，能够实现较好的器件隔离作用。采用黑磷作为光子吸收材料，无光耦合条件下，器件中仅仅有很小的沟道电流通过；当光耦合至波导中，黑磷吸收光子产生光电流，完成了光信号到电信号的转换。
14.有益效果：相比于现有技术，本发明将黑磷与薄膜铌酸锂波导异质集成。信号光在薄膜铌酸锂波导中限制传输，在有源区域被黑磷吸收并转换为电流信号。
15.本发明实施例的优点在于：
16.1)采用薄膜铌酸锂作为波导材料，可提供高速电光调制。
17.2)采用黑磷作为导电沟道材料，黑磷具有高载流子迁移率、面内各向异性和带隙可调等优点，可以实现宽频(紫外-中红外)、高速的光电探测。
18.3)该探测器具有高速、宽频、高响应、高集成度等特点，为片上光子集成电路的发展提供了解决方案。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
20.图1为本发明实施例提供的一种黑磷薄膜铌酸锂探测器的截面结构示意图。
21.图2为本发明实施例提供的一种黑磷薄膜铌酸锂探测器的俯视图。
22.图3为本发明实施例提供的一种黑磷薄膜铌酸锂探测器的模场分布图。
23.图中有：本征硅衬底1、掩埋氧化物层2、薄膜铌酸锂波导3、黑磷4、第一金属电极5-1、第二金属电极5-2。
具体实施方式
24.请参阅图1，本发明实施例提供了一种黑磷薄膜铌酸锂探测器，该探测器结构自下而上依次为：第一层是本征硅衬底1、第二层是掩埋氧化物层2、第三层是薄膜铌酸锂波导3、第四层是黑磷4、第五层是金属电极；其中，掩埋氧化物层2直接在本征硅衬底1上氧化生成；薄膜铌酸锂键合在掩埋氧化物层2上通过刻蚀定义出纵向脊形的薄膜铌酸锂波导3；黑磷4横向覆盖在薄膜铌酸锂波导3脊形的中段部分，通过范德华力与薄膜铌酸锂波导3紧密连接；第一金属电极5-1、第二金属电极5-2分别覆盖在黑磷4和薄膜铌酸锂波导3脊的两边。
25.本征硅衬底1，厚度为0.4-0.7毫米，其主要起到支撑整个光电探测器的作用。
26.掩埋氧化物层2，在本实施例中，所示掩埋氧化物衬底层可为二氧化硅，厚度为1-3微米，其主要起到支撑整个光电探测器的作用。
27.薄膜铌酸锂波导3，设置于所述掩埋氧化物层2上，波导类型为脊形，包括上半部分的脊和下半部分的平板，脊宽为0.5-12微米，脊厚度为0.15-0.45微米，平板厚度为0.15-0.45微米，脊侧壁与水平面夹角为50-90度，通过光栅耦合器入射的光限制在所述薄膜铌酸
锂波导3中传输。
28.黑磷4，设置于所述薄膜铌酸锂波导3上，厚度为1-200纳米，吸收薄膜铌酸锂波导3中引导的信号光并转换为电流信号。
29.第一金属电极5-1，设置于所述黑磷4和薄膜铌酸锂波导3的一侧，覆盖黑磷层和薄膜铌酸锂波导。
30.第二金属电极5-2，设置于所述黑磷层4和薄膜铌酸锂波导层3的另一侧，覆盖黑磷层和薄膜铌酸锂波导。
31.其中，所述第一金属电极5-1与所述第二金属电极5-2可由钛、铬、金或其他导电金属制成。所述第一金属电极5-1与所述第二金属电极5-2可采用相同的金属材料，也可采用不同的金属材料，例如，所述第一金属电极5-1可采用钛或者镀钛电极，而所述第二金属电极5-2可采用金或者镀金电极，本发明不做具体限定。所述第一金属电极5-1与所述第二金属电极5-2可采用单一金属电极，也可采用复合金属电极，例如，所述第一金属电极5-1与所述第二金属电极5-2可采用金电极，也可采用下层金属为钛、上层金属为金的复合金属电极，本发明不做具体限定。所述第一金属电极5-1与所述第二金属电极5-2与所述薄膜铌酸锂波导层3脊侧壁的横向距离可以相同也可以不同，本发明不做具体限定。
32.在本实施例中，当信号光在薄膜铌酸锂波导3中传输时，被覆盖在所述薄膜铌酸锂波导3上的黑磷4吸收，产生光载流子。随着施加偏压的外部电场作用，光载流子将在所述黑磷4中迅速分离，分别向所述第一金属电极5-1和第二金属电极5-2漂移，形成穿过所述黑磷4的光电流信号，这些光电流信号通过所述第一金属电极5-1以及第二金属电极5-2并被相应的装置所接收。
33.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。