技术领域
[0001] 本发明涉及一种中红外光电探测器，尤其是涉及一种双槽波导集成的双栅二维材料中红外光电探测器。
相关背景技术
[0002] 中红外(2‑20μm)覆盖了较宽的光谱范围，该波段利用分子的特征振动跃迁对分子进行无标记鉴别和无损伤传感。由于人们无法直接处理、分析光信号，需要光电探测器来将光信号转换为电信号，因此光电探测器是光谱传感系统不可或缺的组成部分。传统光谱仪依赖于体积庞大、价格昂贵、耗能大的自由空间光学部件，而集成光子学利用光波导在片上执行传感所需的长光路，有望构造高度紧凑、低成本、低功耗的芯片实现相同的光谱分析应用。将光波导传感器与光电探测器集成是实现片上光谱传感系统的必由之路，与此同时光波导可以将光与物质的相互作用长度从光吸收材料的厚度扩展到面内维度，为器件性能优化提供了更加灵活的几何设计方案。
[0003] 传统上用于中红外光电探测的窄带隙半导体光敏材料，如HgCdTe、III‑V族半导体和II‑VI族半导体等，由于与介质波导存在巨大的晶格失配，在芯片规模上的集成是一个挑战。二维材料层内通过强的共价键结合，层间通过弱的范德瓦尔斯力结合，这种层状晶格结构不仅简化了与介质波导的单片集成，而且抑制了因表面复合而产生的暗电流，被认为是克服这一瓶颈的有潜力的替代品。作为X族过渡金属二硫化物(TMD)的一员，二硒化钯(PdSe2)具有较大的带隙可调性、高载流子迁移率、高电导率、低热导率(～4.5W/m·K)、高塞贝克系数(～300μV/K)和高空气稳定性等优良特性，具有实现高性能中红外光电探测器的可观潜力。
[0004] 结构方面，与自由空间光学相比，波导集成光电探测器可以在较长的传输距离下通过倏逝场耦合保证足够的吸收，但通过延长光与物质相互作用的距离来增强光吸收的同时也牺牲了占地面积，这将增大器件功耗，并对响应速度产生影响。为进一步提升波导集成二维材料光电探测器的性能，考虑与其他光子结构混合集成，如光学微腔、慢光波导和微纳等离激元结构等。前两种结构存在带宽小的问题，仅能在较窄的波长范围内提高器件性能，然而应用于中红外光谱传感的光电探测器恰恰需要覆盖较宽的波长范围。微纳等离激元结构可以将光场集中到亚衍射极限的维度。当入射光照射在纳米尺寸金属结构表面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，当二者的频率相匹配时就会形成共振，激发出表面等离激元，此时纳米金属结构周围电磁场就会被显著增强。微纳等离激元结构能够在相对较宽的波长范围内显著增强光与物质相互作用，更适合于中红外光谱传感应用。
[0005] 与本发明相关的已有技术发展情况如下：
[0006] 中国香港中文大学许建斌教授课题组提出一种石墨烯/硅异质结构波导集成光电二极管，具有从近红外到中红外的工作范围。为了克服基于石墨烯光电探测器的大噪声问题，这篇文章通过构造复杂的异质结构来降低暗电流，但由于缺乏有效的增强机制，波导模场与石墨烯的重叠有限，器件需要在较大的偏压下工作，并且产生的响应度也是有限的。
[0007] 剑桥大学Andrea C.Ferrari教授研究团队提出一种等离激元增强型波导集成石墨烯光电探测器，该设计依赖于金分裂栅极对石墨烯进行静电调控，并引导受限的表面等离激元波导模式。但其的固有金属损耗通常较高，这不可避免地对实现高性能光电探测器造成影响。
[0008] 丹麦科技大学的丁运鸿副教授研究团队提出一种等离激元槽波导和硅槽波导混合结构的石墨烯光电探测器，通过对双槽结构参数的巧妙设计，使光吸收显著增强的同时保持了较低的欧姆吸收损耗。但该器件无法在零偏压下工作，只能利用光辐射热效应作为单一的响应机制进行光电探测。
[0009] 维也纳科技大学研究员Simone Schuler于2016年提出一种将硅槽波导作为双栅极的石墨烯光电探测器，能够通过电调节实现不同响应机理主导的高宽带和超快速数据传输。但该设计栅控面积有限，且在转移石墨烯时缺乏机械支撑，使悬浮在槽波导上方的石墨烯易受损坏。此外，器件缺乏增强机制，需要较长的耦合距离来保证足够的光吸收。
[0010] 2018年，Simone Schuler等人又提出一种基于硅光子晶体缺陷波导的石墨烯光电探测器。相较之前的工作，光子晶体缺陷的引入不仅增大了栅控面积，还增强了光与物质的相互作用，使响应度得到提升。但光子晶体波导的慢光效应在减慢入射光群速度的同时，通常伴随着较大的群速度色散效应，这将增大槽波导的传输损耗，并使探测器带宽受限。
具体实施方式
[0043] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法、算法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
[0044] 实施例1
[0045] 本发明提供一种双槽波导集成的双栅二维材料中红外光电探测器，如图1、图2所示，包括：波导平台1、电绝缘层/栅氧化层2、亚波长光栅包层5、源极6、金属槽波导等离激元结构7、二维材料8、介质槽波导9、第一栅极10、第二栅极13、漏极14；
[0046] 所述波导平台1上的双槽波导结构包括设有亚波长光栅(SWG)包层5的介质槽波导9和金属槽波导等离激元结构7，所述介质槽波导9和金属槽波导等离激元结构7具有相同的间隙宽度，填充在双槽波导结构中的材料是空气；所述介质槽波导9的两个介质条为局部栅极，分别为第一栅极10、第二栅极13，所述电绝缘层/栅氧化层2设于介质槽波导9上方；所述二维材料8设于介质槽波导9和金属槽波导等离激元结构7之间，二维材料8为光吸收层，所述源极6和漏极14分别设于二维材料8左右两侧。
[0047] 在具体实施方式中，所述双槽波导结构包括第一模式转换器11和第二模式转换器4。由入射波导12引导的光首先通过第一模式转换器11将输入条形波导的基模转换为介质槽波导9的基模，再通过第二模式转换器4将介质槽波导9的基模转换为双槽波导结构的基模；出射光依次通过第二模式转换器4、第一模式转换器11、出射波导3。
[0048] 在具体实施方式中，所述亚波长光栅包层5能够在二维材料转移工艺中起到机械支撑的作用，并提供横向光限制，使波导两侧介质区域可扩展，增大栅控面积。SWG周期小于布拉格周期，使得具有SWG包层的波导具有较低的传播损耗。
[0049] 在具体实施方式中，采用3.55μm的中心波长光源；由具有0.5μm厚器件层和3μm厚埋氧层的SOI作为波导平台1，相应地，介质槽波导9的介质材料为Si，即介质槽波导9为Si槽波导；7nm厚的Al2O3作为电绝缘层/栅氧化层2；光吸收材料为PdSe2，其厚度和长度分别为30nm和16μm。使用Au和Ti分别作为金属槽波导等离激元结构7的贵金属材料和粘附层材料，即金属槽波导等离激元结构7为Au槽波导等离激元结构。
[0050] 图3展示了截面电场|Ey|分布，可以看到光被强烈限制在双槽结构之中，以及在Au槽波导的两根Au条左右以热点形式被增强和局域。增强的电场与PdSe2有效地重叠，这种重叠将显著提高光电探测性能。为优化结构关键参数，采用有限时域差分(FDTD)的方法对PdSe2的光吸收进行计算。图4展示了当只有Si槽波导，且默认间隙宽度G为0.1μm时，在不同Si槽波导的硅条宽度WSi下PdSe2的光吸收情况，可见随着WSi的增大，PdSe2光吸收逐渐增大，在WSi＝0.75μm时达到峰值35.6％，当WSi继续增大，PdSe2光吸收开始逐渐变小，这是因为只有当WSi与工作波长相匹配时，光场才会主要被局域在空气槽中，PdSe2与光场的重叠区域才最大。因此在WSi＝0.75μm时继续优化本实施例的Au槽波导等离激元结构，如图5所示。随着Au槽波导厚度HM的逐渐增大，PdSe2光吸收与PdSe2光吸收在总吸收中所占比率均减小，可见更薄的HM使PdSe2吸收占优势，更厚的HM使金属吸收占优势。当HM＝0.03μm时，更窄的G使双槽结构中的光限制更强，从而导致更高的PdSe2光吸收，但PdSe2光吸收比率基本保持不变。考虑到可能的制造工艺限制，设置G为0.1μm。此外，可以看到无论HM与G如何变化，PdSe2光吸收比例始终在总吸收中占绝对优势(>50％)，证明了双槽结构的低金属吸收损耗的优势。最终，确定WSi、HM和G分别为0.75μm、0.03μm和0.1μm，此时双槽结构的PdSe2光吸收可达
44.3％，比只有Si槽波导时的最优结果增大了约1.24倍。图6体现出这种增强效果，在3.35–
3.75μm波段，尽管随着波长的增大，PdSe2的光吸收率随光子能量的减小而递减，但相较于只有Si槽波导的结构，基于双槽结构的PdSe2吸收率在宽波长范围内都有显著增强，这进一步证明了微纳等离激元结构与波导混合集成时的宽谱增强能力，因此将本实施例应用于中红外光谱传感领域具有可观的发展潜力。
[0051] 固定源极6‑漏极14电压VDS＝0V，分别给两个栅极施加电压VG1、VG2，例如VG1<0,VG2>0时，会将顶部PdSe2沟道内的对应区域(双槽结构两侧)分别掺杂，形成p‑n结，产生内建电场，本实施例将可以基于PTE效应在零偏压下产生光响应。通过计算分别在光、暗状态下的所产生的电流Ilight、Idark情况，对本实施例的电学性能进行表征。图7(a)展示了作为入射光功率Pin函数的光电流Iph(Iph＝Ilight‑Idark)和响应度R(R＝Iph/Pin)，可以看出Iph几乎随Pin的增大而线性增大。在零偏压下，对波长为3.55μm的光的R约为11.3mA/W，几乎与Pin无关。R作为光波长的函数如图7(b)所示，表明本实施例具有3.45–3.75μm的宽带光响应，并且R几乎没有显示出明显的波长依赖性。这是由于光子能量随着波长的增大而减小，并且在上文的描述中PdSe2光吸收随波长的增大而递减，这使得沟道中的光生载流子在不同波长下的生成率变化不大，从而在一定Pin的光照下能够产生较为稳定的Iph，因此本实施例在不同波长下的R几乎保持稳定。
[0052] 当PdSe2对称掺杂时，由于光被强烈局域在双槽结构中使光生载流子数量剧增，引起沟道中由载流子浓度变化诱导的光电导的变化，因此本实施例将基于陷阱诱导的光电导增益机制在外加VDS时产生光响应。如图8(a)所示，当Pin＝1.06μW时，Iph的绝对值随着VDS的增加而增大，并在VDS＝‑2V时达到最大值约0.55μA，计算得到R≈0.52A/W。电流和电压之间的非线性关系由PdSe2与源6、漏14电极之间的非欧姆接触引起。若VDS进一步增加可以预期更高的R，但PdSe2层中过大的电流可能导致器件击穿。随后，在VDS＝‑2V时，R关于Pin的函数被表征，如图8(b)所示。当Pin较小时，R几乎达到饱和；当Pin继续增大，R迅速减小。这种现象可以用陷阱诱导的光电导增益来解释：PdSe2中的位错和晶界等缺陷导致PdSe2带隙中形成陷阱态，能量高于PdSe2费米能级的陷阱态是空的，能够捕获电子。光照下条件下产生电子‑空穴对，电子随后被电子陷阱捕获，这一行为抑制了电子‑空穴的复合，延长了光生载流子的寿命，并导致光导增益。而在较高的Pin下，更多的电子陷阱被光生电子占据，空电子陷阱的可用性不断降低。一旦电子陷阱被填满，当自由电子的数量不断增加时，电子‑空穴复合的概率也随之增加，从而导致R不断下降。
[0053] 为验证这一点，我们用含陷阱半导体的可饱和光响应模型来拟合测量数据：其中C为低光功率下的响应度，P为入射光功率，P0为饱和时的光功率，n为拟
合参数。可以看到当P0＝2.033μW、C＝0.635A/W、n＝1.62时拟合曲线与实验数据的匹配度良好。为解决由饱和效应引起的R减小，可进一步通过调控VG1、VG2来操纵PdSe2的费米能级从而允许更多的光吸收。
[0054] 本实施例中未详尽说明的构件均为可以在公开渠道购买的现有的构件。
[0055] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
