本發(fā)明屬于光電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及光電探測(cè)器件結(jié)構(gòu)，特別涉及一種石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測(cè)器及制備方法。

背景技術(shù)：
光電探測(cè)器作為接收裝置在光通信網(wǎng)絡(luò)中占有重要地位。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展和材料科學(xué)以及微納加工工藝水平的不斷提升，光電探測(cè)器朝著小體積、低成本、高性能的趨勢(shì)發(fā)展。玻璃具有極低的光損耗和易于加工等特性，使玻璃基片上集成光波導(dǎo)得以實(shí)現(xiàn)。玻璃基片離子交換技術(shù)制造的光波導(dǎo)屬于擴(kuò)散原理形成的光波導(dǎo)。這種光波導(dǎo)是集成光學(xué)線路中的基礎(chǔ)部件，在板級(jí)光互連中有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力，在現(xiàn)在和將來(lái)的各種應(yīng)用中，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到信息傳輸，它都起著重要的作用。原因在于這類光波導(dǎo)有一系列誘人的性質(zhì)，包括傳輸損耗低、工藝簡(jiǎn)單、成本低、易與光纖耦合等。石墨烯是由一系列碳原子排列成六邊形的網(wǎng)格狀二維平面晶體結(jié)構(gòu)。作為一種零帶隙材料，石墨烯可以吸收從紫外到太赫茲波段的入射光。通過(guò)玻璃基波導(dǎo)使入射光與石墨烯平行，大大提高了石墨烯對(duì)光子的吸收率。石墨烯吸收光子后，會(huì)產(chǎn)生光生載流子形成光電流信號(hào)，通過(guò)對(duì)光電流信號(hào)的檢測(cè)可以實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)的功能。利用這一特性，我們能夠制造出響應(yīng)度高、功耗較低的新型光電探測(cè)器，在下一代大容量光通信系統(tǒng)中具有很好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測(cè)器及制備方法，以石墨烯為光吸收層，借助金屬摻雜的石墨烯吸收玻璃基波導(dǎo)中的光子后會(huì)產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在外加電場(chǎng)作用下高速運(yùn)動(dòng)，從而形成光電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)器的功能。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一、一種基于石墨烯光吸收特性的玻璃基波導(dǎo)型光電探測(cè)器：包括依次自下而上分布覆于玻璃襯底之上的玻璃基波導(dǎo)、石墨烯薄膜和兩塊金屬電極，玻璃基波導(dǎo)呈條形位于玻璃襯底中部，石墨烯薄膜覆于玻璃基波導(dǎo)上，兩塊金屬電極相對(duì)稱地位于石墨烯薄膜的兩側(cè)，每塊金屬電極中一部分直接覆于玻璃襯底上，另一部分覆于石墨烯薄膜上接觸。所述的石墨烯薄膜覆于玻璃基波導(dǎo)中部，石墨烯薄膜的寬度大于玻璃基波導(dǎo)寬度，石墨烯薄膜的長(zhǎng)度小于玻璃基波導(dǎo)長(zhǎng)度。所述的玻璃基波導(dǎo)為離子交換表面光波導(dǎo)。所述的金屬電極的材料為鋁、金或金鉻合金。所述的金屬電極為薄膜電極，其結(jié)構(gòu)為平行結(jié)構(gòu)或叉指結(jié)構(gòu)；采用叉指結(jié)構(gòu)，兩側(cè)金屬電極的叉指相互平行且交錯(cuò)地覆于石墨烯薄膜之上。所述的兩塊金屬電極的厚度一致，每個(gè)叉指寬度相同，相鄰叉指之間的間隙距離相同。一、一種基于石墨烯光吸收特性的光電探測(cè)器的制備方法：1)以玻璃基片作為玻璃襯底，在玻璃基片表面處理制備獲得帶有玻璃基波導(dǎo)的玻璃襯底；2)在玻璃襯底上加工放置石墨烯，形成石墨烯薄膜；3)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制作出金屬電極的圖形，用電子束蒸發(fā)的方式將金屬電極蒸鍍到石墨烯薄膜和玻璃襯底上。所述步驟1)具體為：1.1)將玻璃基片作為玻璃襯底用濃硫酸清洗液洗凈，烘干后用真空蒸鍍?cè)诓ＡЩ砻嬲翦円粚愉X掩膜；1.2)在鋁掩膜上旋涂一層光刻膠，將玻璃基片放入90℃的烘箱中前烘30分鐘，待玻璃基片冷卻至常溫，進(jìn)行曝光顯影，顯影后再放入到120℃的烘箱中烘烤25分鐘，冷卻至常溫；1.3)將玻璃基片放入到鋁腐蝕液中保持恒溫40℃進(jìn)行腐蝕處理，腐蝕后取出用去離子水沖洗干凈，再依次用丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水清洗，用干凈的氮?dú)獯蹈桑?.4)接著將玻璃基片置于NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的熔鹽中熱交換2.75小時(shí)，NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的配比為210:290:0.9，交換溫度為260℃，交換完成后取出，放入交換爐中隨爐冷卻，接著將玻璃片的兩端面進(jìn)行拋光，制作獲得帶有玻璃基波導(dǎo)的玻璃襯底；進(jìn)一步地，所述步驟2)一種實(shí)施方式具體為：在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯，接著在石墨烯上旋涂一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，然后將結(jié)合銅、石墨烯和PMMA的樣品放入足量的FeCl3溶液中直至銅箔被完全腐蝕，再將結(jié)合石墨烯和PMMA的樣品轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上，放入超凈室中自然干燥12小時(shí)以上，接著放入到150℃的烘箱中烘烤1小時(shí)，使得石墨烯薄膜和玻璃襯底緊密接觸，最后去除PMMA層。進(jìn)一步地，所述步驟2)另一種實(shí)施方式具體為：通過(guò)氧離子在高定向熱解石墨烯表面進(jìn)行離子刻蝕，在表面刻蝕出寬度為1mm、深度為5μm的微槽后，將其粘到涂有光刻膠的玻璃襯底上；接著采用機(jī)械剝離方法將石墨烯從光刻膠上反復(fù)剝離，用丙酮溶解光刻膠，留在光刻膠上形成石墨烯薄膜并分散在丙酮溶液中，將玻璃襯底在丙酮溶液中浸泡后，再用丙醇和水沖洗，使得石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上。所述的石墨烯薄膜的厚度小于0.8nm，薄膜電極的厚度約為50nm。本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明將玻璃基波導(dǎo)和石墨烯薄膜相結(jié)合進(jìn)行制備，增大入射光與石墨烯的接觸面積，解決了傳統(tǒng)的石墨烯光電探測(cè)器由于石墨烯對(duì)光的吸收效率低導(dǎo)致器件的響應(yīng)度難以提高的問(wèn)題。本發(fā)明利用光子被石墨烯吸收產(chǎn)生光生載流子在外加電場(chǎng)作用下高速運(yùn)動(dòng)，從而形成光電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)的功能。由于單層石墨烯對(duì)光子的吸收率僅為2.3％，本發(fā)明通過(guò)玻璃基波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增大入射光與石墨烯的接觸面積提升石墨烯對(duì)光子的吸收，將金屬電極引入石墨烯薄膜上加強(qiáng)石墨烯和金屬電極表面的電場(chǎng)區(qū)域，促進(jìn)光生載流子的分離，從而增大探測(cè)器的響應(yīng)度和動(dòng)態(tài)范圍。本發(fā)明光電探測(cè)器所用材料以玻璃作為襯底材料，具有價(jià)格低、制作工藝成熟、技術(shù)簡(jiǎn)單、與光的偏振無(wú)關(guān)、易于集成等優(yōu)勢(shì)。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明中平行電極光電探測(cè)器的俯視圖；圖2是本發(fā)明中平行電極光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明中叉指電極光電探測(cè)器的俯視圖；圖4是實(shí)施例中鋁掩膜蒸鍍?cè)诓Ａбr底上的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是實(shí)施例中光刻腐蝕后的鋁掩膜結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是實(shí)施例中離子交換后的表面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是實(shí)施例中石墨烯轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1、玻璃基波導(dǎo)，2、石墨烯薄膜，3、金屬電極，4、玻璃襯底，5、鋁掩膜。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括依次自下而上分布覆于玻璃襯底4之上的玻璃基波導(dǎo)1、石墨烯薄膜2和兩塊金屬電極3，玻璃基波導(dǎo)1呈條形位于玻璃襯底4中部，石墨烯薄膜2覆于玻璃基波導(dǎo)1上，兩塊金屬電極3相對(duì)稱地位于石墨烯薄膜2的兩側(cè)，每塊金屬電極3中一部分直接覆于玻璃襯底4上，另一部分覆于石墨烯薄膜2上接觸。石墨烯薄膜2覆于玻璃基波導(dǎo)1中部，石墨烯薄膜2的寬度大于玻璃基波導(dǎo)1寬度，石墨烯薄膜2的長(zhǎng)度小于玻璃基波導(dǎo)1長(zhǎng)度。上述玻璃基波導(dǎo)1為離子交換表面光波導(dǎo)，金屬電極3的材料為鋁、金或金鉻合金。金屬電極3為薄膜電極，其結(jié)構(gòu)為平行結(jié)構(gòu)或叉指結(jié)構(gòu)；采用叉指結(jié)構(gòu)，兩側(cè)金屬電極3的叉指相互平行且交錯(cuò)地覆于石墨烯薄膜2之上。本發(fā)明的兩塊金屬電極3的厚度一致，每個(gè)叉指寬度相同，相鄰叉指之間的間隙距離相同。本發(fā)明設(shè)計(jì)原理如下：金屬電極和石墨烯接觸會(huì)改變石墨烯的摻雜濃度，兩端電極加偏壓后，金屬下面的石墨烯區(qū)域形成N型或輕P型摻雜區(qū)，暴露在空氣中的石墨烯區(qū)域形成重P型摻雜區(qū)。因此，在金屬摻雜石墨烯和暴露在空氣中的石墨烯界面會(huì)形成金屬摻雜結(jié)。當(dāng)入射光通過(guò)玻璃基波導(dǎo)照射到石墨烯/玻璃界面，石墨烯吸收入射光并產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在電場(chǎng)的作用下，空穴流向正電極，電子流向負(fù)電極，形成光生電流；叉指電極間可以形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，降低能耗，提高器件的響應(yīng)度。本發(fā)明的實(shí)施例如下：實(shí)施實(shí)例一：1.將玻璃基片用濃硫酸清洗液清洗干凈，并將玻璃放入烘箱中烘干。然后用真空蒸鍍的方法在干凈的玻璃基片表面蒸鍍一層厚度約為200nm的鋁掩膜5。2.光刻：在鋁掩膜5上旋涂一層厚度為1.5μm的光刻膠。將基片放入90℃的烘箱中前烘30分鐘。待基片冷卻至常溫，對(duì)其進(jìn)行接觸式紫外曝光，曝光完成后顯影，顯影后將基片放入到120℃的烘箱中烘烤25分鐘，待基片冷卻至常溫。3.腐蝕鋁膜：如圖4所示，通過(guò)腐蝕工藝將光波導(dǎo)圖形轉(zhuǎn)移到鋁掩膜5上。將基片放入到鋁腐蝕液中(恒溫40℃)，當(dāng)鋁掩膜被腐蝕完成后，將基片取出，用去離子水沖洗干凈。然后去除基片上的光刻膠——依次將基片用丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水清洗。最后將基片表面殘留的去離子水用干凈的氮?dú)獯蹈伞?.離子熱交換：如圖5所示，在NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的熔鹽中熱交換兩小時(shí)四十五分鐘，NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的配比為210g:290g:0.9g，交換溫度為260℃，交換完成后將基片從熔鹽中取出，放入交換爐中隨爐冷卻并將玻璃基片上剩余的鋁掩膜用鋁腐蝕液腐蝕掉。最后將大的玻璃基片切割成小的玻璃片，并將玻璃片的入射端面和出射端面進(jìn)行拋光，制作出寬6μm左右的玻璃基表面光波導(dǎo)。5.石墨烯的轉(zhuǎn)移：如圖6所示，首先在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯，在石墨烯上旋涂一層厚度為300nm的PMMA，然后將銅/石墨烯/PMMA樣品放入1mol/L的FeCl3溶液直至銅箔被完全腐蝕。再將石墨烯/PMMA樣品轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上，放入超凈室中自然干燥12小時(shí)以上，然后將樣品放入到150℃的烘箱中烘烤1小時(shí)，使得石墨烯薄膜和玻璃襯底緊密接觸。最后用丙酮和異丙醇去除石墨烯薄膜上覆蓋的PMMA層，形成如圖7所示。6.蒸鍍電極：在芯片上用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝制作出平行電極的圖形，然后用電子束蒸發(fā)的方式將電極蒸鍍到器件上，厚度約為50nm，形成如圖1和圖2所示。通過(guò)本實(shí)施例可以制作響應(yīng)度為0.75A/W，動(dòng)態(tài)范圍100nm以上的光電探測(cè)器。實(shí)施實(shí)例二：1.將玻璃基片用濃硫酸清洗液清洗干凈，并將玻璃放入烘箱中烘干。然后用真空蒸鍍的方法在干凈的玻璃基片表面蒸鍍一層厚度約為200nm的鋁掩膜5。2.光刻：在鋁掩膜5上旋涂一層厚度為1.5μm的光刻膠。將基片放入90℃的烘箱中前烘30分鐘。待基片冷卻至常溫，對(duì)其進(jìn)行接觸式紫外曝光，曝光完成后顯影，顯影后將基片放入到120℃的烘箱中烘烤25分鐘，待基片冷卻至常溫。3.腐蝕鋁膜：如圖4所示，通過(guò)腐蝕工藝將光波導(dǎo)圖形轉(zhuǎn)移到鋁掩膜5上。將基片放入到鋁腐蝕液中(恒溫40℃)，當(dāng)鋁掩膜5被腐蝕完成后，將基片取出，用去離子水沖洗干凈。然后去除基片上的光刻膠——依次將基片用丙酮溶液、乙醇溶液和去離子水清洗。最后將基片表面殘留的去離子水用干凈的氮?dú)獯蹈伞?.離子熱交換：如圖5所示，在NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的熔鹽中熱交換兩小時(shí)四十五分鐘，NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的配比為210g:290g:0.9g，交換溫度為260℃，交換完成后將基片從熔鹽中取出，放入交換爐中隨爐冷卻并將玻璃基片上剩余的鋁掩膜用鋁腐蝕液腐蝕掉。最后將大的玻璃基片切割成小的玻璃片，并將玻璃片的入射端面和出射端面進(jìn)行拋光，制作出寬6μm左右的玻璃基表面光波導(dǎo)。5.石墨烯的轉(zhuǎn)移：如圖6所示，通過(guò)氧離子在厚度為1mm的高定向熱解石墨表面進(jìn)行離子刻蝕。在表面刻蝕出寬度為1mm、深度為5μm的微槽后，將其粘到涂有1μm厚光刻膠的玻璃襯底上。采用機(jī)械剝離的方法將石墨烯薄膜從光刻膠上反復(fù)剝離，最后用丙酮溶解光刻膠，留在光刻膠上的較薄的石墨烯薄膜也分散在丙酮溶液中，將玻璃襯底在丙酮溶液中浸泡后，再用大量的丙醇和水沖洗，石墨烯薄膜就轉(zhuǎn)移到了玻璃襯底上，形成如圖7所示。6.蒸鍍電極：在芯片上用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝制作出叉指電極的圖形，然后用電子束蒸發(fā)的方式將電極蒸鍍到器件上，厚度約為50nm，形成如圖3和圖2所示。通過(guò)本實(shí)施例可以制作響應(yīng)度為1A/W，動(dòng)態(tài)范圍100nm以上的光電探測(cè)器。由此，完成光電探測(cè)器的制作。所制作的光電探測(cè)器的響應(yīng)度可以達(dá)到1A/W，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)100nm以上。由此可見，本發(fā)明利用金屬摻雜的石墨烯吸收光波導(dǎo)中的光子后會(huì)產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在外加電場(chǎng)的作用下高速運(yùn)動(dòng)，從而形成光電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)了光電探測(cè)器的功能。本發(fā)明僅在表面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)上添加了石墨烯薄膜和金屬電極，該器件所需要施加的電壓低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低，響應(yīng)度高，可應(yīng)用于集成光學(xué)，具有大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。