一种超薄材料‑金属新型接触电极的制作方法

本发明涉及超薄材料光电探测器、光电调制器等光电子器件，尤其是涉及了一种超薄材料-金属新型接触电极，能有效地降低超薄材料与金属的接触电阻。

背景技术：

超薄材料具有很好的柔性，易于与半导体器件集成，在光学和电学方面也有着优异的性质。比如最早被发现的石墨烯超薄材料，凭借其独特的光学、电学和热学性质，受到了广泛关注。石墨烯的零带隙，使其具有紫外到远红外的宽吸收光谱；高载流子迁移率，能够用于制作高速响应的光电子器件；高热导率，相比于传统的金属加热器，具有更高的热效率；与传统半导体易于形成肖特基结构，能够制作光电导器件；易于与半导体器件集成等。因此，超薄材料在光电探测器，光电调制器，加热/导热器等光电子器件方面也有着巨大的潜力。

对于超薄材料光电探测器、光电调制器等光电子器件，除了关注其响应度、调制深度以及工作波段之外，响应速度也是一个非常重要的指标，而影响超薄材料光电子器件响应速度的一个重要物理量就是超薄材料与金属电极的接触电阻。在超薄材料与金属接触系统中，超薄材料表面缺乏与金属的键合位点，影响了超薄材料与金属之间电子的层间隧穿，导致超薄材料与金属接触电导率受限。一种方法是通过选择不同种类的金属或者金属组合以及金属电极的厚度优化，提升金属与超薄材料的接触电阻的电导率；另外一种就是采用金属与超薄材料边缘接触的方法。但是这两种方法对工艺要求很高，还需要对金属的结构进行优化设计，工艺复杂。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种超薄材料-金属新型接触电极，用于超薄材料并且具有低接触电阻，能够有效的降低材料与金属电极的接触电阻，从而大大提高超薄材料光电器件的响应速度或者调制速度。

本发明采用的技术方案：

本发明包括二氧化硅等绝缘衬底，多层金属电极和超薄材料；

包括衬底以及置于衬底上的超薄材料和多层金属电极，超薄材料的全部或者其中一部分位于金属电极间，使得超薄材料的上下表面分别与金属电极接触。

方案一是将超薄材料位于部分多层金属电极中间，

方案二是将超薄材料也可以位于全部的多层金属电极之间，具体工艺上通过外接导线的方法将不同层的金属电极连通，起到和方案一相同的作用。

本发明提出的电极结构创新点在于：电流不是从单侧电极流入二维或者薄膜材料，而是从多侧或多层金属电极流入二维或者薄膜材料。具体来说是：电流从两层金属电极流入，电流分别经多层金属电极从超薄材料的上表面和下表面流入到超薄材料中，使得金属电极和超薄材料之间的接触电阻减小。

多层金属电极可以相接触，也可以不接触，但均有电流流入二维或者薄膜材料。

一种具体实施方式是包括衬底以及置于衬底上的超薄材料和上下两层金属电极，两层金属电极置于衬底上的一侧，超薄材料其中一部分置于衬底上另一侧，超薄材料另一部分位于两层金属电极的一部分之间，两层金属电极另一部分表面直接相接触，使得超薄材料一部分的上下表面分别与上下两层金属电极接触。

一种具体实施方式是包括衬底以及置于衬底上的超薄材料和上下两层金属电极，超薄材料全部置于下层金属电极和上层金属电极之间，使得从下到上依次为下层金属电极、超薄材料和上层金属电极，超薄材料全部上下表面分别与上下两层金属电极接触，两层金属电极表面之间不接触而通过引线连接。

具体实施中下层金属电极的面积大于上层金属电极，使得方便引线连接。

一种具体实施方式是包括衬底以及置于衬底上的超薄材料和上下两层金属电极，两层金属电极置于衬底上的一侧，衬底上刻有凹槽，下层金属电极置于凹槽中，上层金属电极置于下层金属电极上，超薄材料其中一部分置于衬底上另一侧，超薄材料另一部分延伸到下层金属电极上表面上并位于上层金属电极和下层金属电极的一部分之间，两层金属电极另一部分表面直接相接触，使得超薄材料一部分的上下表面分别与上下两层金属电极接触。

一种具体实施方式是包括衬底以及置于衬底上的超薄材料、上凸结构和上下两层金属电极，两层金属电极置于衬底上的一侧，衬底上的一侧置有上凸结构，超薄材料其中一部分置于上凸结构上，超薄材料位于上层金属电极和下层金属电极的一部分之间，两层金属电极另一部分表面直接相接触，使得超薄材料一部分的上下表面分别与上下两层金属电极接触。所述的上凸结构可以为波导，也可以为其它的结构。

一种具体实施方式是包括衬底以及置于衬底上的超薄材料、条形波导和金属电极，衬底上的两侧均置有一组金属电极，每组金属电极均包括上下两层金属电极，衬底中部置有条形波导，超薄材料中部置于条形波导上，超薄材料与条形波导之间设置隔离层，超薄材料两侧分别位于两组金属电极的上层金属电极和下层金属电极的一部分之间，每组金属电极的两层金属电极另一部分表面直接相接触，使得超薄材料一部分的上下表面分别与上下两层金属电极接触。

一种具体实施方式是包括衬底以及置于衬底上的两片超薄材料、条形波导和金属电极，衬底上的两侧均置有一组金属电极，每组金属电极均包括上下两层金属电极，第一片超薄材料一侧位于其中一组金属电极的上层金属电极和下层金属电极的一部分之间，第一片超薄材料另一侧置于衬底中部上表面；第二片超薄材料一侧位于另一组金属电极的上层金属电极和下层金属电极的一部分之间，第二片超薄材料另一侧通过隔离层置于第一片超薄材料另一侧上；第二片超薄材料另一侧上置有条形波导，使得衬底中部从下到上依次为第一片超薄材料、第一层隔离层、第二片超薄材料、第二层隔离层和条形波导。所述条形波导为硅波导。

所述的超薄材料为石墨烯或者二硫化钼或者其他单层或者多层的二维材料。

所述的超薄材料替换为具有导电能力的薄膜材料，例如氧化铟锡。

所述的超薄材料的厚度是0.1nm～1μm。

本发明中新型电极结构既适用于石墨烯、二硫化钼等超薄材料，也适用与类似氧化铟锡这类具有导电能力的薄膜材料。

所述的两层金属电极也可以替换为多层金属电极。

所述的金属电极为一种金属制成的电极或者是多种金属组合制作2的金属电极。

所述的衬底采用二氧化硅等绝缘材料。

本发明具有的有益效果是：

本发明结构增加了超薄材料和金属接触区域的键合位点，使得接触电导率增加，接触电阻减小。

本发明制作工艺简单，不需要对电极进行金属种类和结构进行优化就能够显著降低金属与超薄材料的接触电阻。即实现了不需要对金属电极进行特殊的设计就能与目前金属电极的制作工艺兼容，结构简单，制作方便，利于集成，可以直接应用在目前的超薄材料光电子器件中。

附图说明

图1是本发明结构俯视图。

图2是图1的a-a’剖视图。

图3是图1的b-b’剖视图。

图4是通过引线将不同层的金属电极连通结构示意图。

图5、图6示意了超薄材料铺在不同平面(下凹、平坦、上凸)的情况。

图7是实施例1结构图。

图8是实施例2结构图。

图9是本发明中选择单层石墨烯超薄材料的具体结构示意图。

图10是实施例通过测量i-v曲线的方法得到的电阻曲线图。

图中：1、超薄材料，2、金属电极，3、金属电极，4、衬底，5、引线，6、上凸结构，7、条形波导，8、隔离层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，超薄材料并没有将上下的金属电极完全隔离开，超薄材料与部分金属电极相互接触，从而保证了上下的金属电极有一部分直接互相接触，当探针与金属电极接触时，使得电流可以从两侧的电极分别流入超薄材料。

如图4所示，当超薄材料完全将上下的电极分隔开时，通过外部接引线的方法也可以实现将电流从两侧电极引入超薄材料，实现接触电阻降低的效果。

如图3、图5、图6所示，超薄材料具有一定的柔性，可以铺设在下凹、平整、上凸的平面；电极既可以制作在平整衬底，也可以内嵌到衬底中。

如图7所示，在条形波导7两侧制作多层金属电极，超薄材料1位于多层电极2、3之间，并将两侧的电极连通，中间超薄材料1铺在条形波导7上，波导7上面存在一个隔离层8。

如图8所示，两层超薄材料1中间存在一隔离层8形成电容结构，硅波导7位于上层超薄材料1表面。

本发明的工作原理：

当探针接触两层金属直接接触的区域时，探针中的电流导入金属电极，当电流通过金属电极与超薄材料接触区域时，一部分电流会通过上层金属流进超薄材料，一部分电流通过下层金属流进超薄材料。相比于单层金属与超薄材料相互接触，通过上下两层金属与超薄材料相互接触能够增加金属与超薄材料接触的键合位点，使得超薄材料与金属电极的接触电导率显著增大，接触电阻明显降低。

实施例1

如图7所示，本实施例包括衬底4以及置于衬底4上的超薄材料1、条形波导7和金属电极2、3，衬底4上的两侧均置有一组金属电极，每组金属电极均包括上下两层金属电极2、3，衬底4中部置有条形波导7，超薄材料1中部置于条形波导7上，超薄材料1与条形波导7之间设置隔离层8，使得超薄材料1与条形波导7不直接接触，超薄材料1两侧分别位于两组金属电极的上层金属电极2和下层金属电极3的一部分之间，每组金属电极的两层金属电极2、3另一部分表面直接相接触，使得超薄材料1一部分的上下表面分别与上下两层金属电极2、3接触。

在此实施例中，选用si作为条形波导7。其制作工艺过程是：利用高温氧化工艺在硅衬底上生长一层约3μm厚的sio2薄膜，此芯层无需掺杂，因而可采用简单的热氧化工艺，而该工艺适合于大批量生产，故成本很低。再形成0.22μm厚的si薄膜。

采用电子束曝光、干法刻蚀的工艺将si薄膜刻蚀为一定宽度的条形波导，再通过高温热氧的方法制作一层sio2隔离层8。然后在探测区域通过热蒸发或者溅射的方法制作下层金属电极，ti-au电极2，采用湿法或者干法转移的方法将超薄材料转移到片上，并通过电子束曝光和o2刻蚀的方法将超薄材料1制作成设计的形状，最后在超薄材料上表面制作第二层金属电极，au电极3。实际测试中，待测光信号通过耦合光栅输入光波导7，经波导7传输到探测区域时，一部分待测光信号被波导7表面的超薄材料1吸收，超薄材料1吸收光之后会产生光生载流子。无偏压时，通过探针和导线将两侧的金属电极导通，因为两侧的金属电极与超薄材料接触会产生不同的表面势，所以超薄材料表面存在着电势的梯度变化，光生载流子被分离开，在回路中形成光电流；有偏压时，外加偏压将光生载流子分离开，光电流可以进一步增大，测得更大的响应度。超薄材料1和波导7之间制作一层隔离层8，防止超薄材料1吸收光产生的光生载流子跑到硅波导中，没有进入回路，从而降低了探测器的响应度。整个回路中，器件电阻分为两部分，一部分是超薄材料1的自身电阻，另一部分是两边金属电极与超薄材料的接触电阻。器件设计中，采用双层金属与超薄材料相接触，减小了两边金属电极与超薄材料的接触电阻，从而有效地降低整个回路中的总电阻，实现探测器响应速度的提升。

实施例2

如图7所示，本实施例包括衬底4以及置于衬底4上的两片超薄材料1、条形波导7和金属电极2、3，衬底4上的两侧均置有一组金属电极，每组金属电极均包括上下两层金属电极2、3，第一片超薄材料1一侧位于其中一组金属电极的上层金属电极2和下层金属电极3的一部分之间，第一片超薄材料1另一侧置于衬底4中部上表面；第二片超薄材料1一侧位于另一组金属电极的上层金属电极2和下层金属电极3的一部分之间，第二片超薄材料1另一侧通过隔离层8置于第一片超薄材料1另一侧上，第二片超薄材料1另一侧和第一片超薄材料1另一侧之间设置第一层隔离层8，形成电容结构；第二片超薄材料的另一侧与硅波导7之间设置第二层隔离层8，第二层的隔离层8上置有条形波导7，使得衬底4中部从下到上依次为第一片超薄材料1、第一层隔离层8、第二片超薄材料1，第二层隔离层8和条形波导7。

在此实施例中，选用si条形波导7。其制作工艺过程是：在硅衬底利用高温氧化工艺在硅衬底上生长一层sio2薄膜，此芯层无需掺杂，因而可采用简单的热氧化工艺，而该工艺适合于大批量生产，故成本很低。

先通过热蒸发或者溅射的方法制作下层金属电极，ti-au电极2，再采用湿法或者干法转移的方法将超薄材料1转移到长有sio2薄膜的衬底表面，通过光刻、o2刻蚀将超薄材料1制作成相应的形状。在超薄材料1的吸收区域沉积一层薄薄的介质作为隔离层8，再转移第二层超薄材料1，从而两层超薄材料1构成电容结构。然后通过热蒸发或者溅射的方法制作第二层金属电极，au电极3。然后通过热蒸发在超薄材料的电容结构处沉积第二层隔离层8，最后通过热蒸发在超薄材料的电容结构处沉积一层si薄膜，制作si条形波导7。作为光电调制器，在超薄材料电容结构中，上层超薄材料1和下层超薄材料1相比，上层超薄材料1距离波导7更近，起到主要的光吸收作用。当电压加载到上下两侧的超薄材料1时，超薄材料1表面会出现电荷的积累，导致超薄材料1表面的载流子浓度发生变化，导致其费米能级发生变化，从而影响超薄材料1的光吸收损耗。当加载到两层超薄材料1的电压信号是具有一定频率的调制信号时，超薄材料1的光吸收损耗也会呈现周期性的变化，从而起到调制效果。一方面可以通过增大加载的电压，增加调制器的调制深度；另一方面，也可以增加超薄材料在波导表面的长度，增加调制器的调制深度。该实例中的调制器有两层隔离层8，下层隔离层8和两层超薄材料1构成电容结构，起到加载电压改变超薄材料光吸收损耗的作用；上层隔离层8将上层的超薄材料1与硅波导7隔离开，防止上层超薄材料1表面积累的电荷转移到硅波导7，影响调制深度和调制速度。该实例中的调制器的调制速度受限于电容结构的电阻和电容，其中调制器的电阻一部分是超薄材料的电阻，另一部分是超薄材料与金属电极的接触电阻，当电容一定时，调制器采用多层金属与超薄材料相接触的电极结构，可以有效地减小接触电阻，从而实现调制器的调制速度的提升。

实施例3

如图1-3所示，具体实施包括衬底4以及置于衬底4上的超薄材料1和上下两层金属电极2、3，两层金属电极2、3置于衬底4上的一侧，超薄材料1其中一部分置于衬底4上另一侧，超薄材料1另一部分位于两层金属电极2、3的一部分之间，两层金属电极2、3另一部分表面直接相接触，使得超薄材料1一部分的上下表面分别与上下两层金属电极接触。

实施例4

如图4所示，具体实施包括衬底4以及置于衬底4上的超薄材料1和上下两层金属电极2、3，超薄材料1全部置于下层金属电极3和上层金属电极2之间，使得从下到上依次为下层金属电极3、超薄材料1和上层金属电极2，超薄材料1全部上下表面分别与上下两层金属电极接触，两层金属电极2、3表面之间不接触而通过引线5连接。

具体实施中下层金属电极3的面积大于上层金属电极2，使得方便引线5连接。

实施例5

如图5所示，具体实施包括衬底4以及置于衬底4上的超薄材料1和上下两层金属电极2、3，两层金属电极2、3置于衬底4上的一侧，衬底4上刻有凹槽，下层金属电极3置于凹槽中，下层金属电极3上表面与衬底4上表面在同一平面上，上层金属电极2置于下层金属电极3上，超薄材料1其中一部分置于衬底4上另一侧，超薄材料1另一部分平整地延伸到下层金属电极3上表面上并位于上层金属电极2和下层金属电极3的一部分之间，两层金属电极2、3另一部分表面直接相接触，使得超薄材料1一部分的上下表面分别与上下两层金属电极2、3接触。

实施例6

如图6所示，具体实施包括衬底4以及置于衬底4上的超薄材料1、上凸结构6和上下两层金属电极2、3，两层金属电极2、3置于衬底4上的一侧，衬底4上的一侧置有上凸结构6的波导，超薄材料1其中一部分置于上凸结构6上，超薄材料1位于上层金属电极2和下层金属电极3的一部分之间，两层金属电极2、3另一部分表面直接相接触，使得超薄材料1一部分的上下表面分别与上下两层金属电极2、3接触。

具体实验测试

为了进一步验证本发明中设计的电极结构的有效性，在具体实验中，选择单层石墨烯超薄材料，衬底选择去掉最上面si薄膜的soi材料。下层的金属电极3为au/ti电极，厚度分别是60nm/15nm，上层金属电极2为au电极，厚度60nm，其中石墨烯位于部分上层金属电极2和部分下层金属电极3之间，石墨烯的宽度为50μm，两侧金属电极之间的石墨烯的长度分别为5μm、10μm、20μm、40μm，具体结构如图9所示。具体的制作工艺：选择220nm厚的soi材料，然后通过干法刻蚀的方法将表面的220nm的si薄膜去掉。采用电子束曝光和热蒸发的方法制作下层金属电极3，电极结构au/ti，具体电极厚度为60nmau、15nmti。通过湿法转移的方法将单层石墨烯1转移到电极3结构区域，进一步通过电子束曝光和氧离子刻蚀的方法制作出宽度为50μm的石墨烯带。最后在下层金属电极3和石墨烯1的共同区域进一步制作第二层金属电极2,具体厚度和材料为60nmau。

石墨烯与金属电极的接触电阻和石墨烯电阻的总电阻rtotal与石墨烯尺寸的关系表示为：

rtotal＝2×ρc/w+ρ□/w×l

通过测量i-v曲线的方法，得到不同长度的石墨烯电阻和两侧金属电极与石墨烯接触电阻的总电阻，如图10所示。其中蓝线(对应三角符号数据点)表示单层金属电极实验数据，黑线(对应菱形符号数据点)表示双层金属电极实验数据，两条直线的斜率表示石墨烯的方块电阻与石墨烯宽度的比值ρ□/w，单层金属电极与双层金属电极曲线的斜率基本一致，说明两种情况下，石墨烯的方块电阻ρ□基本相等(石墨烯的宽度相同，都为50μm)。截距表示两边金属电极和石墨烯的接触电阻之和2×ρc/w，其中多层金属电极对应的截距更小。通过进一步的数值计算可以得到，单层金属电极与石墨烯的接触电阻率ρc约1500ω·μm，接触电阻rc约30ω；而多层电极与石墨烯的接触电阻率ρc约260ω·μm；接触电阻rc约5.2ω。

由此可见，本发明提出的超薄材料-金属新型接触电极可以有效地降低超薄材料与金属电极的接触电阻。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。