一种硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件及制备方法

摘要

本发明提供了一种硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件及制备方法，包括单晶LiNbO3，形成于单晶LiNbO3表面的层状MoS2层，与MoS2层部分重叠的p型材料层，以及电极，所述电极放置于单晶LiNbO3，MoS2层、p型材料以及MoS2层与p型材料重叠部分的上方或者包括p型硅基衬底，HfO2层，MoS2二维材料层，LiNbO3晶态薄膜与电极，所述HfO2层部分覆盖硅基衬底，所述MoS2二维材料层与所述HfO2层部分重叠，所述LiNbO3晶态薄膜设置于MoS2二维材料层和HfO2层重叠部分上。本发明采用LiNbO3来增强MoS2二维材料的光电性能，可以降低工艺成本；相比传统的调制器，用MoS2/LiNbO3复合型光收发器插损降低，对硅的依赖性降低，无需控制硅成分严格控制，只要通过异质结堆叠步骤，可以获得低功耗、小体积的光收发器。

权利要求

1.一种硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件，其特征在于，包括单晶LiNbO3，形成于单晶LiNbO3部分表面上的层状MoS2二维材料层，与MoS2二维材料层部分重叠的P型掺杂材料层，以及电极，所述电极包括调制电极、地电极与信号电极，调制电极设置在MoS2二维材料层的不和P型掺杂材料层重叠的部分上，地电极设置在P型掺杂材料层的和MoS2二维材料层重叠的部分上，信号电极设置在P型掺杂材料层的不和MoS2二维材料层重叠的部分上。

2.一种如权利要求1所述的硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：将LiNbO3晶片置于丙酮中或用丙酮蒸汽处理5‑15min，去除表面杂质；

步骤2)：在步骤1)得到的LiNbO3晶片定义调制器区域；将MoS2二维材料定点转移到LiNbO3晶片上；

步骤3)：将p型掺杂的二维材料定点转移到步骤2)得到的基片上，并使p型掺杂的二维材料与MoS2二维材料表面堆叠形成PN异质结；

步骤4)：在步骤3)得到的基片的MoS2、PN异质结、LiNbO3部分制作图案化电极掩模；

步骤5)：在步骤4)得到的图案化电极掩模上蒸镀一层金属膜；

步骤6)：在50～80℃的丙酮溶液中，放置步骤5)得到的基片10至20min；

步骤7)：将步骤6)得到的基片在保护氛围中，进行退火处理一段时间后，降至室温，取出基片，得到MoS2/LiNbO3复合型光收发器件；

步骤8)：对步骤7)得到的MoS2/LiNbO3复合型光收发器件进行封装处理。

3.根据权利要求2所述的硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件的制备方法，其特征在于，步骤5)中，金属膜所用的金属包括Cr或Au，Cr金属薄膜厚度在10至15nm，Au金属薄膜厚度在

50至80nm。

4.根据权利要求2所述的硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件的制备方法，其特征在于，步骤7)中，所述退火处理是在150‑180℃的条件下，恒温20‑30min。

说明书

一种硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光收发器件，尤其涉及一种插损降低，对硅的依赖性降低，无需控制硅成分严格控制，只要通过异质结堆叠步骤的硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件及制备方法。

背景技术

[0002] 二十一世纪人类社会已经迈入信息时代，互联网科技的飞速发展引发了新一次科技革命，对通信容量的需求成指数增长。光通信技术凭借其高带宽、低串扰、抗干扰、低损耗等优点，已经成为当前通信的主流技术。光收发器作为光通信技术中的核心器件，现有性能指标已经难以满足日益增长的超高速传输需求，成为超大容量光通信技术发展的瓶颈。

[0003] 在纳米科技领域中，实现高速光电器件最重要的是在片上集成回路中实现对光的调控。传统的电光调制器件都在微米量级，不利于器件的小型化和速度的提升。因此，实现纳米级别的光电调制器成为亟待解决的问题。

[0004] 目前的光收发器件依赖于硅基材料，但是硅材料的固有特性(间接带隙半导体材料，无线性电光效应等)极大地限制了光收发器件性能提升。因此，欧美日垄断企业在持续改善硅光收发器件性能的同时，也在着手研发下一代半导体光电材料。

[0005] 二硫化钼(MoS2)为代表的二维半导体TMDs材料由于其优异的半导体性能(高开关比、迁移率)、适宜的带隙宽度、高稳定性等特点使其在光电子器件应用中展现出较强优势。除此之外，二硫化钼所具有的良好的电学、光学、机械性能以及异乎寻常的比表面积，为其在光电等传感器应用领域铺平了道路。单层二硫化钼具有1.8eV的直接带隙，理论计算表明
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在室温下迁移率和电流开关比分别可达到约410cm /Vs和10 ，也是已知光电性能最优秀的二维材料之一，其热稳定性和化学稳定性良好，被广泛应用于新型纳米电子器件和光电功能器件。但是，MoS2也有难以忽视的缺点，比如不具备线性光效应，具有较高的暗电流等。为了弥补MoS2这些缺点，应用于光收发器件的MoS2须与铌酸锂(LiNbO3)复合构筑异质结构，利用铌酸锂的电光效应，调制光电信号，实现误码率低，高信噪比光电信号传输。

[0006] 现有光收发器件依赖硅材料，其性能受到材料或结构限制，并且不稳定，难以满足日益增长的光互联需求，在面对片上光互连的要求时困难极大，此外硅基光收发器需要严格控制硅的成分，工艺复杂，成本极高。

发明内容

[0007] 鉴于传统的光收发器件受硅基材料固有性质和器件结构的限制，在面对片上光互连的要求时困难极大。本发明提出一种通过MoS2/LiNbO3复合构筑，结合两者的优势获得高调制速度、高信噪比、宽带宽、误码率低、低功耗、小体积等关键参数优秀的光收发器件，以满足光通信网络和光互联要求。

[0008] 本发明还提供了上述的光收发器件的制备方法。

[0009] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0010] 本发明提供了第一种硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件，包括单晶LiNbO3，形成于单晶LiNbO3表面的层状MoS2层，与MoS2层部分重叠的p型材料层，以及电极，所述电极放置于单晶LiNbO3，MoS2层、p型材料以及MoS2层与p型材料重叠部分的上方。

[0011] 作为本发明的一种优选方案，所述电极包括调制电极、信号电极与地电极；所述调制电极与MoS2层连接，所述信号电极与p型材料层连接，所述地电极与MoS2层和p型材料重叠部分连接。

[0012] 提供第一种所述的硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件的制备方法，包括以下步骤：

[0013] 步骤1)：将LiNbO3晶片置于丙酮中或用丙酮蒸汽处理5‑15min，去除表面杂质；

[0014] 步骤2)：在步骤1)得到的LiNbO3晶片定义调制器区域；将MoS2二维材料定点转移到LiNbO3晶片上；

[0015] 步骤：3)：将p型掺杂的二维材料定点转移到步骤2)得到的基片上，并使p型掺杂的二维材料与MoS2二维材料表面堆叠形成PN异质结；

[0016] 步骤4)：在步骤3)得到的基片的MoS2、PN异质结、LiNbO3部分制作图案化电极掩模；

[0017] 步骤5)：在步骤4)得到的图案化电极掩模上蒸镀一层金属膜；

[0018] 步骤6)：在50～80℃的丙酮溶液中，放置步骤5)得到的基片10至20min；

[0019] 步骤7)：将步骤6)得到的基片在保护氛围中，进行退火处理一段时间后，降至室温，取出基片，得到MoS2/LiNbO3复合型光收发器件；

[0020] 步骤8)：对步骤7)得到的MoS2/LiNbO3复合型光收发器件进行封装处理。

[0021] 作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，金属膜所用的金属包括Cr或Au，Cr金属薄膜厚度在10至15nm，Au金属薄膜厚度在50至80nm。

[0022] 作为本发明的一种优选方案，步骤7)中，所述退火处理是在150‑180℃的条件下，恒温20‑30min。

[0023] 本发明还提供了第二种硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件，包括p型硅基衬底，HfO2层，MoS2二维材料层，LiNbO3晶态薄膜与电极，所述HfO2层部分覆盖硅基衬底，所述MoS2二维材料层与所述HfO2层部分重叠，所述LiNbO3晶态薄膜设置于MoS2二维材料层和HfO2层重叠部分上。

[0024] 作为本发明的一种优选方案，所述电极包括调制电极、信号电极与地电极；所述调制电极与MoS2二维材料层和HfO2层重叠部分连接，所述地电极与MoS2二维材料层和HfO2层重叠部分连接，所述信号电极直接与所述硅基衬底连接。

[0025] 提供所述的第二种硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

[0026] 步骤1)：采用丙酮中或用丙酮蒸汽处理p型硅基衬底5‑15min，用来除表面的杂质；

[0027] 步骤2)：在步骤1)得到的p型硅基衬底上制作一层HfO2膜，HfO2膜厚度在100至300nm，得到基片；

[0028] 步骤3)：将MoS2二维材料定点转移到步骤2)得到的基片上，并与HfO2薄膜堆叠，保证MoS2二维材料与p型Si部分接触形成PN结；

[0029] 步骤4)：将LiNbO3转移到步骤3)得到的基片上，并与MoS2二维材料区域堆叠形成异质结区域；

[0030] 步骤5)：在步骤4)得到的基片的MoS2、PN异质结、LiNbO3部分制作出图案化电极掩模；

[0031] 步骤6)：在步骤5)得到的图案化电极掩膜上蒸镀一层金属膜；

[0032] 步骤7)：在步骤6)得到的基片上留下具有调制电极形状的金属膜；

[0033] 步骤8)：将步骤7)得到的基片在保护氛围中进行退火处理一段时间后，降至室温，取出基片，得到MoS2/LiNbO3复合型光收发器件；

[0034] 步骤9)：对步骤8)得到的MoS2/LiNbO3复合型光收发器件进行封装处理。

[0035] 作为本发明的一种优选方案，步骤5)中，图案化电极掩膜是通过光刻法或电子束曝光法制得的。

[0036] 作为本发明的一种优选方案，步骤6)中，金属掩膜的采用的金属包括Cr或Au，Cr金属薄膜厚度在10至15nm，Au金属薄膜厚度在50至80nm。

[0037] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0038] 1)本发明提供一种MoS2/LiNbO3复合型光收发器件，采用LiNbO3来增强MoS2二维材料的光电性能，可以降低工艺成本；相比传统的调制器，用MoS2/LiNbO3复合型光收发器插损降低，对硅的依赖性降低，无需控制硅成分严格控制，只要通过异质结堆叠步骤，可以获得低功耗、小体积的光收发器；

[0039] 2)本发明的制备方法简单，MoS2/LiNbO3复合型光收发器件结构简单，在半导体领域和光电集成领域具有广泛的应用前景，所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0040] 3)本发明使用的MoS2半导体材料可换用WS2、MoSe2等其他二维材料；同样的，可以通过调整每个材料的堆叠顺序来达到同样的效果。

附图说明

[0041] 图1是实施例1的横截面示意图。

[0042] 图2是实施例1的平面示意图。

[0043] 图3是实施例2的横截面示意图。

[0044] 图4是实施例2的平面示意图。

[0045] 图1与图2中，1.铌酸锂晶片；2.MoS2二维材料层；3.P型掺杂材料层；4a调制电极；4b.信号电极；4c.地电极；

[0046] 图3与图4中，6.p型硅基衬底；7.HfO2层；8.MoS2二维材料层；9.铌酸锂薄膜；5a.调制电极；5b.地电极；5c.信号电极。

具体实施方式

[0047] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0048] 本发明中，若无特指，所用的原料均可从市场购得，所用方法均为现有常规方法。

[0049] 实施例1

[0050] 参见图1与图2，本实施例提供了硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件，包括：铌酸锂晶片1，形成于铌酸锂晶片1表面的层状MoS2二维材料层2，与MoS2二维材料层2部分重叠的P型掺杂材料层3，放置于铌酸锂晶片1，MoS2二维材料层2、P型掺杂材料层3以及MoS2二维材料层2与P型掺杂材料层3重叠部分的上方的电极，电极包括调制电极4a，信号电极4b与地电极4c。

[0051] 调制电极4a与MoS2二维材料层2连接，信号电极4b与P型掺杂材料层3连接，地电极4c与MoS2二维材料层2与P型掺杂材料层3重叠部分连接。

[0052] 该硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件的制备方法包括以下步骤：

[0053] 步骤1：将商用LiNbO3晶片放置于丙酮中或用丙酮蒸汽处理5‑15min，去除表面杂质；

[0054] 步骤2：在所述LiNbO3晶片定义调制器区域；

[0055] 在具体实施过程中，可以通过光刻和刻蚀工艺在LiNbO3晶片形成一个边框，以定义调制器区域；

[0056] 步骤2：采用湿法或干法转移等方法之一将MoS2二维材料定点转移到LiNbO3晶片上；

[0057] 步骤：3：采用湿法或干法转移等方法之一将p型掺杂的二维材料定点转移到上述基片上，并使之与MoS2二维材料表面堆叠形成PN异质结；

[0058] 步骤4：采用光刻或电子束曝光等技术在基片的MoS2、PN异质结、LiNbO3部分制作图案化电极掩模；

[0059] 步骤5：采用蒸发镀膜法在光刻胶掩膜上蒸镀一层金属膜，金属可采用Cr或Au，Cr金属薄膜厚度在10至15nm，Au金属薄膜厚度在50至80nm；

[0060] 步骤6：在50～80℃的丙酮溶液中，放置基片10至20min，去除调制电极表面的光刻胶；

[0061] 步骤7：将基片放在管式炉中，通入Ar气，在炉中温度升至150‑180℃的条件下，恒温20‑30min进行退火处理，增强金属膜与MoS2/p型掺杂二维材料异质结的粘附性，关闭管式炉，待炉温降至室温，取出基片，得到MoS2/LiNbO3复合型光收发器件；

[0062] 步骤8：采用微电子封装工艺对MoS2/LiNbO3复合型光收发器件进行封装处理。

[0063] 实施例2

[0064] 参见图3与图4，本实施例提供了硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件，包括：包括p型硅基衬底6，HfO2层7，MoS2二维材料层8，铌酸锂薄膜9与电极，所述HfO2层7部分覆盖p型硅基衬底6，MoS2二维材料层8与HfO2层7部分重叠，铌酸锂薄膜9设置于MoS2二维材料层8和HfO2层7重叠部分上，

[0065] 电极包括调制电极5a，地电极5b，信号电极5c，调制电极5a与MoS2二维材料层8和HfO2层7重叠部分连接，地电极5c与MoS2二维材料层8和HfO2层7重叠部分连接，信号电极5b直接与p型硅基衬底6连接。

[0066] 该硫化钼/铌酸锂复合型光收发器件的制备方法，包括以下步骤：

[0067] 步骤1：采用丙酮中或用丙酮蒸汽处理p型硅衬底5‑15min，用来除表面的杂质；

[0068] 步骤2：在p型硅上制作一层HfO2膜，HfO2膜厚度在100至300nm；

[0069] 步骤3：采用湿法转移和干法转移等方法之一将MoS2二维材料定点转移到硅基衬底上，并与HfO2薄膜堆叠，保证MoS2二维材料与p型Si部分接触形成PN结；

[0070] 步骤4：采用溶胶凝胶法制备LiNbO3、并将LiNbO3转移到Si基衬底上，并与MoS2二维材料区域堆叠形成异质结区域；

[0071] 步骤5：采用光刻或电子束曝光等技术分别在在Si基衬底的MoS2、PN异质结、LiNbO3部分制作出图案化电极掩模；

[0072] 步骤6：采用蒸发镀膜法在光刻胶掩膜上蒸镀一层金属膜，金属可采用Cr或Au，Cr金属薄膜厚度在10至15nm，Au金属薄膜厚度在50至80nm；

[0073] 步骤7：采用干法转移在硅基衬底上留下具有调制电极形状的金属膜；

[0074] 步骤8：将基片放在管式炉中，通入Ar气，在炉中温度升至150‑180℃的条件下，恒温20‑30min进行退火处理，增强金属膜与MoS2/p形掺杂二维材料异质结的粘附性，关闭管式炉，待炉温降至室温，取出基片，得到MoS2/LiNbO3复合型光收发器件；

[0075] 步骤9：采用微电子封装技术对硅基衬底MoS2/LiNbO3复合型光收发器进行封装处理。

[0076] 本发明提供一种MoS2/LiNbO3复合型光收发器，采用LiNbO3来增强MoS2二维材料的光电性能，可以降低工艺成本；相比传统的调制器，用MoS2/LiNbO3复合型光收发器插损降低，对硅的依赖性降低，无需控制硅成分严格控制，只要通过异质结堆叠步骤，可以获得低功耗、小体积的光收发器。

[0077] 本发明的制备方法简单，MoS2/LiNbO3复合型光收发器件结构简单，在半导体领域和光电集成领域具有广泛的应用前景，所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。本发明使用的MoS2半导体材料可换用WS2、MoSe2等其他二维材料；同样的，可以通过调整每个材料的堆叠顺序来达到同样的效果。

[0078] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。