(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 205645841 U(45)授权公告日 2016.10.12
(21)申请号 201620532181.7(22)申请日 2016.06.02
(73)专利权人 厦门大学
地址 361005 福建省厦门市思明南路422号(72)发明人 朱锦锋 李嘉晔 刘海 柳清伙 (74)专利代理机构 厦门南强之路专利事务所
(普通合伙) 35200
代理人 马应森(51)Int.Cl.
H01L 31/09(2006.01)H01L 31/028(2006.01)
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
(54)实用新型名称
一种石墨烯光探测器(57)摘要
一种石墨烯光探测器，涉及光探测器。提供一种可实现超宽带吸收的功能的基于超材料结构的石墨烯光探测器。为叠层结构，从上至下在垂直方向上依次为金属层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层结构；在水平方向上，石墨烯层和介质层均采用栅状条块，条块周期排列，在每层石墨烯层上加偏置电压，用于改变石墨烯的折射率，从而动态调控每石墨烯层的空间反射率，进而调控整个结构的空间吸收率。
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权 利 要 求 书
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1.一种石墨烯光探测器，其特征在于为叠层结构，从上至下在垂直方向上依次为金属层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层结构；在水平方向上，石墨烯层和介质层均采用栅状条块，条块周期排列，在每层石墨烯层上加偏置电压，用于改变石墨烯的折射率，从而动态调控每石墨烯层的空间反射率，进而调控整个结构的空间吸收率。
2.如权利要求1所述一种石墨烯光探测器，其特征在于所述石墨烯层采用单原子石墨烯层。
3.如权利要求1所述一种石墨烯光探测器，其特征在于所述石墨烯层的长度为200～300nm，宽度为240～270nm，厚度为0.34nm。
4.如权利要求1所述一种石墨烯光探测器，其特征在于每一石墨烯层加的偏置电压大小不同，从下至上，各石墨烯层所加化学势依次为1.2eV、1eV、0.8eV、0.7eV、0.4eV、0.6eV、0.6eV、0.5eV、0.4eV、1eV、1.2eV和1.1eV。
5.如权利要求1所述一种石墨烯光探测器，其特征在于所述叠层结构设左右两个层柱，两个层柱结构之间的周期为400～420nm。
6.如权利要求1所述一种石墨烯光探测器，其特征在于每一介质层的厚度为180～200nm，长度为200～300nm，宽度为240～270nm。
7.如权利要求1所述一种石墨烯光探测器，其特征在于所述金属层的厚度为150～200nm。
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说 明 书一种石墨烯光探测器
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技术领域
[0001]本实用新型涉及光探测器，尤其是涉及一种石墨烯光探测器。
背景技术
[0002]光吸收在光电探测器和太阳能光伏效应的研究中是重要的一环。宽带光探测器在很多重要的领域有广泛应用，包括红外成像、遥感、环境监测、天文探测、光谱分析等。特别是在红外成像领域，要实现真正意义上的多色红外成像，探测器必须能同时探测不同波段的红外辐射如短波红外(1～3mm)、中波红外(3～5mm)、长波红外(8～14mm)、甚长波红外(>14mm)、甚至是太赫兹波(30～3000mm)辐射，这是相当具有挑战性的。目前，为了在一定程度上实现多色红外成像，是将适于探测不同红外波段的多个探测器集成在一起，并且确保这些探测器同步工作，导致器件结构和工艺相当复杂。[0003]超材料吸收体可以获得超宽带的吸收，在周期表面上激发等离基元效应，增强吸收。(参考文献：S.Thongrattanasiri,F.H.L.Koppens,and F.Javier Garcia de Abajo,\"Complete Optical Absorption in Periodically Patterned Graphene\",physical review letters,108,047401,2012)至此，实现高灵敏度超宽带探测器件仍有障碍，石墨烯本身的光吸收率较低，不利于实现高灵敏度探测。但石墨烯作为一个具有超强光电特性的稳定材料，基于石墨烯设计的微纳结构，由于其光调制作用，在光吸收领域具备很大的应用前景。
[0004]石墨烯是一种碳元素的二维层状材料结构，单层石墨的厚度约为0.35nm，具有完全的sp2共价杂化极性结构,是其他维度类石墨材料的基本构建元素。自从2004年单层石墨烯被成功研制，引起了广泛关注。石墨烯的载流子表现为无质量的相对论粒子或称迪拉克-费密子,在室温下移动散射较小,这种特有的行为导致石墨烯中许多不一样的现象。首先是石墨烯是一种在导带和价带之间有一点交叠的零带隙2D半导体；其次是其显示的强的双极电场效应,载流子浓度高达1013cm-2,室温下的迁移率测量值达到～10000cm-2s-1；第三,实验观察表明通过电场效应调节费密能级，石墨烯电子和空穴载流子具有半整数量子霍尔效应(half-integer quantum Halleffect,QHE)。因此被广泛的应用于高频纳米电子器件领域。石墨烯同样具有非凡的光学特性，在紫外、可见光到红外波段(300～600nm)具有平坦的吸收带，而且吸收特性可通过加电压来调控(《Science》，320，206)，因此可实现宽带高速的光电转换。尽管石墨烯与光具有非常强的相互作用，单层石墨烯在上述波段的吸收就达到了惊人的2.3％(《physicalReview Letters》，101，196405；《Science》，320，1308)，然而由于石墨締太薄，利用单层或者多层的石墨締对光的有效吸收还远低于目前的其他体材料或者量子阱结构的效率。通过外加偏置电压改变石墨烯的电位并影响其载流子浓度，从而改变其折射率，可以实现宽带、高速的小尺寸波导型结构电光调制器。但是，波导型结构的缺点在于：为了实现较大的调制深度，波导必须足够长以增强石墨烯与光场的交互作用，这会让波导的等效电容变大，从而使调制速度受到限制，同时还会产生相对较高的电磁损耗。而自由空间结构的石墨烯光调制器不仅结合了石墨烯材料本身的高速、小尺寸等优势，同时还
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具备了波导型电光调制器稳定、易制备等特点。这使得石墨烯空间光调制器具备了在先进光电器件中应用的潜力。
发明内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是提供可实现超宽带吸收的功能的基于超材料结构的一种石墨烯光探测器。
[0006]本实用新型为叠层结构，从上至下在垂直方向上依次为金属层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层(Metal-Dielectric-Graphene)结构；在水平方向上，石墨烯层和介质层均采用栅状条块，条块周期排列，在每层石墨烯层上加偏置电压，用于改变石墨烯的折射率，从而动态调控每石墨烯层的空间反射率，进而调控整个结构的空间吸收率。
[0007]所述石墨烯层可采用单原子石墨烯层，石墨烯层的长度为200～300nm，宽度为240～270nm,厚度为0.34nm；每一石墨烯层加的偏置电压大小不同，从下至上，各石墨烯层所加化学势依次为1.2eV、1eV、0.8eV、0.7eV、0.4eV、0.6eV、0.6eV、0.5eV、0.4eV、1eV、1.2eV和1.1eV。
[0008]所述叠层结构可设左右两个层柱，两个层柱结构之间的周期为400～420nm；所述介质层可采用氮化硅(Si3N4)层，每一介质层的厚度为180～200nm，长度为200～300nm，宽度为240～270nm；金属层的厚度可为150～200nm。
[0009]本实用新型在垂直方向上采用金属－介质－石墨烯(间隔叠加，石墨烯12层)的结构；水平方向上，上层的石墨烯、介质均采用栅状条块，条块周期排列。而在每层石墨烯上加偏置电压，用来改变石墨烯的折射率，从而动态调控每层的空间反射率，进而调控整个结构的空间吸收率。
[0010]之所以选用石墨烯作为调控材料，是因为它具有如下特点：[0011]1，强交互性。和那些表现出量子限制斯塔克效应的复合半导体对比，单层石墨烯有着更强的带间跃迁，因此和光有着较强的交互作用。[0012]2，宽带特性。由于迪拉克-费密子的高频动态电导率是常数，在通信频段、中红外、远红外，石墨烯对光的吸收率不依赖于波长。[0013]3，高速特性。由于室温下石墨烯具有超高的载流子迁移率，根据能带填充效应，其费密能级可以被快速的改变，从而实现高速调制的特性。[0014]正是基于如上特点，石墨烯电光调制器具备了尺寸小、操作电压低、调制速度快、工作频带宽等优势。
[0015]与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：[0016]1，与传统的超材料电光调制器对比，石墨烯调制器具有调制速度快、尺寸小、功耗低等特点，且与基于硅的电子元器件兼容，使得它更容易集成在通信系统中。[0017]2，与波导型石墨烯电光调制器对比，由于该发明不是通过对石墨烯的吸收率的变化来改变整体反射率，所以不需要增加石墨烯的面积以增强石墨烯和光波之间的交互。这就使得空间石墨烯电光调制器可以做得比波导型石墨烯电光调制器更小，因此功耗也更
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低，同时等效电容也更小，相应的调制速度也更高。[0018]3，本实用新型的结构充分利用了石墨烯的偏压调控特性，通过设计尺寸得到超宽带吸收效果，这在空间电光调制器的实际应用中具有重要意义。附图说明
[0019]图1是本实用新型的剖面图。[0020]图2是本实用新型的侧视图。
[0021]图3是本实用新型仿真实现的调制吸收率曲线。[0022]图4是本实用新型仿真实现的空间反射率曲线。
[0023]图5是本实用新型仿真的1～6层石墨烯的吸收率曲线。[0024]图6是本实用新型仿真的7～12层石墨烯的吸收率曲线。
具体实施方式
[0025]选择单面抛光的硅片为基片，在基片上用电子束蒸发的方法蒸镀150nm金，用射频磁控溅射的方法沉积180nm的Si3N4在Au上，然后用化学沉积的方法，让石墨烯长在Si3N4上，再用等离子体化学沉积的方法，将180nm的Si3N4在石墨烯上形成。依次反复12次。
[0026]本实用新型采用的是金属层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层－介质层－石墨烯层(Metal-Dielectric-Graphene)结构，其组成见图1、图2。[0027]在图1和2中，标记1～12是单原子石墨烯层，单原子石墨烯层的长度较长，在200nm至300nm之间，宽度在240nm至270nm之间,厚度为0.34nm。共12层石墨烯层，每层加的偏置电压大小不同，依次为：1加化学势1.2eV，2加化学势1eV，3加化学势0.8eV，4加化学势0.7eV，5加化学势0.4eV，6加化学势0.6eV，7加化学势0.6eV，8加化学势0.5eV，9加化学势0.4eV，10加化学势1eV，11加化学势1.2eV，12加化学势1.1eV。每两层石墨烯层之间用介质填充，两个层柱结构之间的周期在400nm至420nm之间。标记13～24是氮化硅(Si3N4)层，每层厚度在180～200nm之间，这是本实用新型的关键尺寸。氮化硅(Si3N4)层的长度与单原子石墨烯层的长度相同，氮化硅(Si3N4)层的宽度和单原子石墨烯层的宽度一样。标记25是金层，厚度在150nm～200nm之间。
[0028]本实用新型的主要参数分析如下：[0029]当单原子石墨烯层的长度取250nm，宽度取240nm，厚度取0.34nm，两个层柱结构之间的周期取400nm，氮化硅(Si3N4)层的厚度取180nm，氮化硅(Si3N4)层的长度和宽度取250nm，金层的厚度取150nm，长度取4000nm，宽度取250nm时，经过仿真计算，可以得到如图3所示的整个结构的吸收率曲线，空间的反射率曲线如图4所示。图3和4显示，调制带宽约为10～30μm，并且吸收率保持72％以上。图5和6显示不同层的石墨烯，不同费密能级的反射率曲线。从图中可以看到，当石墨烯层的位置最高或最低时，吸收率较低，石墨烯层的位置中间时，吸收率较高。因此，根据加在石墨烯上的化学势越高，吸收率越高的原则，将化学势较低的排列在中间层，化学势较高的排列在两边层。由于最高层的石墨烯，加化学势后吸收峰会产生蓝移，这是因为，介质层较厚，吸收峰蓝移(J.Zhang,Z.Zhu,W.Liu,X.Yuan,S.Qin,
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“Towards photodetection with high efficiency and tunable spectral selectivity:graphene plasmonics for light trapping and absorption engineering”,Nanoscale,7,13530,2015)。[0030]本实用新型的工作原理如下：[0031]石墨烯层和介质层相接，引起表面等离激元(Surface Plasmon)，使得场强局部增强；而改变石墨烯两端电压引起石墨烯的费密能级发生变化，从而使石墨烯的光电特性发生变化，石墨烯本身所引起的表面等离激元也随着变化，从而每一层结构的等效介电常数也会有较大的变化；调整每一介质层的厚度，使得阻抗匹配，吸收率得到最大值；调整每一石墨烯层的化学势，使得带宽增加，吸收率在整个带宽上均匀分布。正是由于以上这四个方面的原因，本实用新型才具备如此优良的调制参数。[0032]针对空间中的太赫兹频段入射波，可以通过加偏压的方式对其吸收谱进行调控，且通过多层叠加，调整结构参数，进而可实现超宽带吸收的功能。
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