專利名稱：一種光通信用激子光探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光通信用激子光探測器的制備方法。
背景技術(shù)：
人類社會的信息化建設正在加速進行，即使是在全球經(jīng)濟發(fā)展不景氣的情況下， 通信和信息行業(yè)的市場需求仍十分迫切。光纖通信作為現(xiàn)代通信傳輸?shù)闹饕侄?，在短?內(nèi)仍然是不可替代的媒介。因此，發(fā)展高速率、大容量的光通信傳輸技術(shù)和包括光纖到家庭 (FiberToTheHome——FTTH)在內(nèi)的光纖接入網(wǎng)技術(shù)，仍然是光通信領(lǐng)域當前的主要任務之 一。光纖到戶(FTTH)接入技術(shù)作為未來最終的、一勞永逸的寬帶接入解決方案，目前存在 的主要問題是設備成本價格還非常高昂。FTTH系統(tǒng)成本的降低最終依賴于相應的光電子器 件的成本。 光探測器是光纖通信用光接收機的核心器件，光探測器是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?的器件。在半導體光探測器中，入射光子激發(fā)出的光生載流子在外加偏壓下進入外電路后， 形成可測量的光電流。光探測器的發(fā)展方向是高速率、長波長、高靈敏度、低噪聲和易集成。 Si基材料光探測器長期以來一直受到重視，但以Si作為吸收層的光探測器不能應用在長 波長光纖通信系統(tǒng)中。In(Al)GaAs/InP系列材料的響應波長滿足光纖低損耗、低色散的要 求，但其很難與Si基集成電路單片集成?，F(xiàn)在通用的半導體光探測器的制作需要復雜的工 藝環(huán)境、價格高昂的工藝設備，成本很高。單壁碳納米管(Singleialledcarbonnanotube， SWCNT)作為一種新型碳納米材料，具有高電流運載能力、超大熱導、理想的彈性輸運性質(zhì)和 穩(wěn)定的化學性質(zhì)等特點。由于其在開發(fā)納米級的光電器件及集成方面的巨大應用潛力，近 年來備受矚目。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種光通信用激子光探測器及其制備方法，該
光通信用激子光探測器與已通用的半導體探測器相比，具有低成本、高速率、高靈敏度、低
噪聲和易于集成的特點。本發(fā)明還提供了該光通信用激子光探測器的制備方法。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種光通信用激子光探測器，其特征
在于，包括襯底、層疊于所述襯底之上的多層薄膜，以及制備于所述多層薄膜之上的光子晶
體；所述多層薄膜按層疊順序包括分布布拉格反射鏡(DBR)層、透明導電電極、光吸收層、
電子受體層、金屬環(huán)形電極；所述光吸收層采用單壁碳納米管作為光吸收材料。
作為進一步改進的方案，所述光子晶體包括一個或一個以上周期排列的孔，該孔 具有可變的孔深、可變的孔周期或可變的孔直徑，具有光柵衍射效應。光子晶體的這種結(jié) 構(gòu)，可以使垂直于光敏面的入射光在探測器中改變方向以一定的角度甚至沿著平行于光敏
面方向傳播，從而使在帶結(jié)構(gòu)的r點這種面內(nèi)輻射傳播地非常慢，導致了入射光與光探測器
有源層SWCNTs相互作用增強，提高光轉(zhuǎn)換效率。 優(yōu)選的，所述分布布拉格反射鏡(DBR)層包括多層Si02/SiNx或者Si/Si02或者 Si/SiN，能實現(xiàn)對特定波長98%以上的反射。 優(yōu)選的，所述透明導電電極為ITO電極，其電阻小于10歐姆。
優(yōu)選的，所述光吸收層厚度為10-20nm;
優(yōu)選的，所述電子受體層為C6。薄膜，其厚度為50-200nm。
—種光通信用激子光探測器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
步驟1、先把襯底清洗干凈，利用電子束蒸發(fā)或等離子體增強型化學氣相沉積或熱蒸發(fā) 或磁控濺射技術(shù)制備Si02/SiNx多層膜作為分布布拉格反射鏡和ITO透明導電電極；
步驟2、在透明導電電極上制備單壁碳納米管光吸收層
步驟3、采用高真空熱蒸發(fā)方法制備C6。薄膜作為電子受體層；在C6。薄膜上部分沉積一 層或多層金屬電極材料，形成金屬環(huán)形電極。 步驟4、在金屬環(huán)形電極內(nèi)的C6。薄膜上采用包括但不限于光刻、電子束曝光和納 米壓印技術(shù)制備光子晶體。 作為優(yōu)選方案，所述步驟2包括以下步驟
步驟2-l、采用包括但不限于化學氣相沉積、電弧放電、激光沉積，高壓一氧化碳工藝制 作SWCNT原材料；
步驟2-2、取10毫升氯苯、10毫克SWCNT和32毫克P3HT，在常溫常壓下超聲攪拌45分 鐘；超聲后得到混合物在14， 000克條件下離心5-10小時，取懸浮液上部60%的液體用噴涂 法制備于ITO透明導電電極上，得到用P3HT包敷的單壁碳納米管光吸收層。
優(yōu)選的，所述步驟4采用納米壓印技術(shù)和刻蝕相結(jié)合的方法制作光子晶體，該光 子晶體在結(jié)構(gòu)上可以是正方排列或者三角排列的圓柱形、方柱形和六角柱形。納米壓印技 術(shù)是一種以模板為基礎(chǔ)的納米制造技術(shù)，該技術(shù)通過抗蝕劑的物理形變而不是改變其化學 特性來實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，其分辨率不受光波波長的限制，可突破傳統(tǒng)光刻工藝的分辨率極限。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點
其一、成本低。碳納米管激子光探測器的制作不需要復雜的工藝條件和昂貴的工藝設 備，具有制作成本低、高性能的特點。 其二、易集成。碳納米管激子光探測器制備于Si襯底上，便于與微電子器件集成， 實現(xiàn)復雜的功能。 其三、高量子效率。應用光子晶體結(jié)構(gòu)解決激子光探測器中激子擴散長度與光吸 收效率的矛盾問題，具有普遍意義。在碳納米管激子光探測器頂層制作光子晶體，不需要改 變碳納米管激子光探測器結(jié)構(gòu)，制作工藝簡單，可以將探測器的量子效率提高5倍以上。
總之，本發(fā)明提供的碳納米管激子光探測器具有低成本、高速率、高靈敏度、低噪 聲和易于集成的特點。采用了納米壓印技術(shù)制作光柵光子晶體，具有制作成本低，生產(chǎn)效率 高及光柵分辨率高的特點。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體說明。 圖1是依據(jù)本發(fā)明制作以SWCNTs作為光吸收材料的碳納米管激子光探測器示意圖。 圖中1. Si襯底；2. Si02/SiNx分布布拉格反射鏡(D服)；3. ITO透明導電電極；4. P3HT/SWCNTs吸收層；5. C6。電子受體層；6.金屬環(huán)形電極；7.光子晶體。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明提供的碳納米管激子光探測器包括襯底1、層疊于襯底1之上 的多層薄膜；以及制備于多層薄膜之上的光子晶體7。所述多層薄膜包括Dm 層2、IT0透明 導電電極3、P3HT/SWCNTs光吸收層4、C6。電子受體層5、金屬環(huán)形電極6。所述DBR層2包 括多層Si02/SiNx，其反射譜中心波長為光通信波長1310nm，反射率為98%以上；ITO透明導 電電極的方塊電阻小于10歐姆，光透過率好于90% ;P3HT/CNTs光吸收層厚度為10_20nm ; C6。薄膜厚度為50-200nm ;金屬薄膜厚度大于200nm。所述光子晶體7具有光柵衍射效應， 可以使垂直于光敏面的入射光在探測器中改變方向以一定的角度甚至沿著平行于光敏面
方向傳播，從而使在帶結(jié)構(gòu)的r點這種面內(nèi)輻射傳播地非常慢，導致了入射光與光探測器有
源層SWCNTs相互作用增強，提高光轉(zhuǎn)換效率。 本發(fā)明提供了碳納米管激子光探測器的制備方法，該方法包括以下步驟
1. Si襯底上Si02/SiNx多層薄膜DBR2和ITO透明導電電極3的制作
先把襯底1清洗干凈，利用電子束蒸發(fā)(EB)或等離子體增強型化學氣相沉積(PECVD) 或熱蒸發(fā)或磁控濺射等技術(shù)制備Si02/SiNx多層膜2作為分布布拉格反射鏡(DBR)和ITO 透明導電電極3;
2. 在ITO透明導電電極3上制備P3HT/CNTs光吸收層4 : 1) SWCNT原材料的獲得
從應用的角度講，化學氣相沉積(CVD)是SWCNT合成最有希望的方法。本實施例采 用以酒精作為碳源的CVD技術(shù)，首先在大面積的Si片上用電子束蒸發(fā)制備Si02/Co薄膜， Si02的厚度為20-1000nm，較佳條件為50-200nm， Co膜的厚度小于0. 5-5nm，較佳條件為 0. 5-2nm。 CVD溫度為550-800°C ，較佳條件為650-750°C ，酒精流量較佳為50-200Sccm，反 應時間l-60min。通過控制Co膜厚度控制單層SWCNT直徑，從而調(diào)節(jié)單根SWCNT的光吸收 波長。CVD所得產(chǎn)物經(jīng)純化得到純度不低于90%的SWCNT。 CVD方法制備的SWCNT是包括金 屬型SWCNT和半導體型SWCNT的混合材料，在優(yōu)選條件下，還可以對提純后的SWCNT混合材 料進行進一步分離，得到純度達到90%以上的半導體型SWCNT。采用半導體型SWCNT制作碳 納米管激子光探測器可以進一步提高探測器量子效率。
2) P3HT/SWCNTs光吸收層4的制備為了用P3HT包敷SWCNT，取10毫升氯苯、10毫克SWCNT和32毫克P3HT，在常溫常壓 下超聲攪拌45分鐘。超聲后得到混合物在14， 000克條件下離心5-10小時，取懸浮液上部 60%的液體用噴涂法制備于IT0透明導電電極3上。
3. C6。薄膜5、金屬環(huán)形電極6的制備
采用高真空(〈10—6TOTr)熱蒸發(fā)方法制備C6。薄膜5。在C6。薄膜5上部分沉積一層或 多層電極材料6，以形成良好歐姆接觸，并作為打線之用，如圖l所示。該電極是金屬電極或 合金電極。 4.光子晶體7的制備
光子晶體作為一種可控制光波流動的人造材料，由于其具有的特殊性能而在越來越多
的領(lǐng)域得到了應用。但到目前為止，光子晶體的大部分應用仍然只處于實驗研究階段，其主 要原因在于制作大面積、重復性好的光子晶體的工藝手段不夠成熟。眾所周知，微米尺度的 圖形通過可見光的曝光技術(shù)就可以實現(xiàn)。當線寬尺寸進一步縮小，這就要求用更短波長的 光作為曝光的光源，導致今天深紫外的曝光工具。采用光波長為193nm的深紫外技術(shù)，其 物理極限是100nm線寬的圖形曝光。當線寬越來越接近這一物理極限，就需要新的曝光方 法。傳統(tǒng)光學光刻技術(shù)需利用更短波長的光源，且搭配復雜周邊系統(tǒng)，才能實現(xiàn)100nm以下 圖案制作。包括X光曝光和電子束曝光等一系列候選的亞100nm線寬圖形產(chǎn)生技術(shù)或是量 產(chǎn)很低，或是價格極其昂貴。納米壓印技術(shù)是一種以模板為基礎(chǔ)的納米制造技術(shù)，該技術(shù)通 過抗蝕劑的物理形變而不是改變其化學特性來實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，其分辨率不受光波波長的限 制，可突破傳統(tǒng)光刻工藝的分辨率極限。納米壓印技術(shù)為光子晶體的制作提供了極大的方 便。 采用微納尺度的圖形制作方法，其包括但不限于光刻、電子束曝光和納米壓印技 術(shù)。納米壓印技術(shù)是本發(fā)明的優(yōu)選方法。納米壓印技術(shù)是一種以模板為基礎(chǔ)的納米制造技 術(shù)，該技術(shù)通過抗蝕劑的物理形變而不是改變其化學特性來實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，其分辨率不受 光波波長的限制，可突破傳統(tǒng)光刻工藝的分辨率極限。用納米壓印和刻蝕相結(jié)合的方法直 接制作二維光子晶體7，該光子晶體在結(jié)構(gòu)上可以是正方排列或者三角排列的圓柱形、方柱 形和六角柱形，如圖l所示。所述的光子晶體7包括一個或一個以上周期排列的孔，該孔具 有可變的孔深、可變的孔周期或可變的孔直徑。經(jīng)過上述四個步驟，就可以制備出光通信用 碳納米管激子光探測器。 最后所應說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制， 盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對 本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均 應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
一種光通信用激子光探測器，其特征在于，包括襯底、層疊于所述襯底之上的多層薄膜，以及制備于所述多層薄膜之上的光子晶體；所述多層薄膜按層疊順序包括分布布拉格反射鏡層、透明導電電極、光吸收層、電子受體層、金屬環(huán)形電極；所述光吸收層采用單壁碳納米管作為光吸收材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光通信用激子光探測器，其特征在于，所述光子晶體具有光 柵衍射效應，包括一個或一個以上周期排列的孔，該孔具有可變的孔深、可變的孔周期或可 變的孔直徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光通信用激子光探測器，其特征在于，所述分布布拉格反射 鏡層包括多層Si02/SiNx或者Si/Si02或者Si/SiN，能實現(xiàn)對特定波長98%以上的反射。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光通信用激子光探測器，其特征在于，所述透明導電電極為 IT0電極，其電阻小于10歐姆。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光通信用激子光探測器，其特征在于，所述光吸收層厚度為 10-20nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光通信用激子光探測器，其特征在于，所述電子受體層為C60 薄膜，其厚度為50-200nm。
7. —種根據(jù)權(quán)利要求6所述的光通信用激子光探測器的制備方法，其特征在于，包括 以下步驟步驟1、先把襯底清洗干凈，利用電子束蒸發(fā)或等離子體增強型化學氣相沉積或熱蒸發(fā) 或磁控濺射技術(shù)制備Si02/SiNx多層膜作為分布布拉格反射鏡和IT0透明導電電極； 步驟2、在透明導電電極上制備單壁碳納米管光吸收層步驟3、采用高真空熱蒸發(fā)方法制備C60薄膜作為電子受體層；在C60薄膜上部分沉積 一層或多層金屬電極材料，形成金屬環(huán)形電極。步驟4、在金屬環(huán)形電極內(nèi)的C60薄膜上采用包括但不限于光刻、電子束曝光和納米壓 印技術(shù)制備光子晶體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光通信用激子光探測器的制備方法，其特征在于，所述步驟2 包括以下步驟步驟2-l、采用包括但不限于化學氣相沉積、電弧放電、激光沉積，高壓一氧化碳工藝制 作SWCNT原材料；步驟2-2、取10毫升氯苯、10毫克SWCNT和32毫克P3HT，在常溫常壓下超聲攪拌45分 鐘；超聲后得到混合物在14， 000克條件下離心5-10小時，取懸浮液上部60%的液體用噴涂 法制備于IT0透明導電電極上，得到用P3HT包敷的單壁碳納米管光吸收層。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光通信用激子光探測器的制備方法，其特征在于，所述步 驟4采用納米壓印技術(shù)和刻蝕相結(jié)合的方法制作光子晶體，該光子晶體在結(jié)構(gòu)上可以是正 方排列或者三角排列的圓柱形、方柱形和六角柱形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光通信用激子光探測器及其的制備方法。該激子光探測器包括襯底、層疊于所述襯底之上的多層薄膜，以及制備于所述多層薄膜之上的光子晶體；所述多層薄膜按層疊順序包括分布布拉格反射鏡層、透明導電電極、光吸收層、電子受體層、金屬環(huán)形電極。所述光吸收層采用單壁碳納米管作為光吸收材料，所述光子晶體具有光柵衍射效應。本發(fā)明光通信用光探測器與傳統(tǒng)半導體PN結(jié)探測器相比，具有高速率、長波長、高靈敏度、低噪聲、易集成和低成本的特點，并且應用光子晶體結(jié)構(gòu)解決了激子光探測器中激子擴散長度與光吸收效率的矛盾問題，具有普遍意義。
文檔編號H04B10/08GK101777599SQ20101011364
公開日2010年7月14日 申請日期2010年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月25日
發(fā)明者趙彥立 申請人:華中科技大學