基于石墨烯微環(huán)結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光調(diào)制器領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于石墨烯微環(huán)結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對光調(diào)制器而言，光調(diào)制器的調(diào)制深度、光譜范圍和響應(yīng)速度是衡量其性能的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的基于IV族和II1- V族半導(dǎo)體(例如硅和砷化鎵)的光調(diào)制器的光譜范圍和調(diào)制速率受到其能帶和載流子渡越時間的限制，因此難以實現(xiàn)超快寬帶光調(diào)制器，不適用于某些對器件性能要求更加嚴(yán)格的應(yīng)用場合，如超快寬帶數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。另一方面，隨著對器件集成度的要求的提高，器件尺寸需要不斷減小，傳統(tǒng)基于IV族和II1- V族半導(dǎo)體的器件尺寸已經(jīng)接近其極限。
[0003]硅光子互聯(lián)技術(shù)由于其緊湊的尺寸、較低的能耗以及與電互聯(lián)芯片的兼容性，從而得到廣泛研究。但是純硅材料較小的光電系數(shù)以及較低的載流子迀移率，使得硅基光調(diào)制器很難獲得較高的調(diào)制性能。因此，該類器件不是受限于較大的器件尺寸、復(fù)雜的工藝流程，就是受限于熱的不穩(wěn)定性。所以，尋找一種可集成到硅基底的新材料從而在較小的器件尺寸上同時實現(xiàn)較高的調(diào)制深度和較低的能耗迫在眉睫。
[0004]石墨烯由于其優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)方面的性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于光電子領(lǐng)域。具體來講，其狄拉克費米子的線性色散關(guān)系、超快的載流子迀移率以及與光場較強(qiáng)的相互作用，使得目前已有很多高性能的石墨烯光電器件被成功研制出來，比如石墨烯光調(diào)制器，探測器以及極化器。此外，在外加電場的作用下，石墨烯的費米能級以及光的吸收都會相應(yīng)的改變?；诖斯怆娦?yīng)，石墨烯被轉(zhuǎn)移到光子晶體納米腔以及硅波導(dǎo)上，用以實現(xiàn)高速寬帶的光調(diào)制。然而，此類器件的結(jié)構(gòu)大部分是電容結(jié)構(gòu)，有著較為復(fù)雜的工藝加工流程以及較低的成品率。這一缺陷限制了它們在大規(guī)模光子集成回路中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種于石墨烯微環(huán)結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器，能保證器件具有較大的調(diào)制深度以及較快的調(diào)制速率，同時其有源區(qū)的面積只有10 μ m2，可以提高器件的單片集成度。
[0006]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種基于石墨烯微環(huán)結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器，包括作為基底的絕緣襯底上硅，所述絕緣襯底上硅上相鄰設(shè)置有直波導(dǎo)和環(huán)形諧振腔，所述直波導(dǎo)和環(huán)形諧振腔上方設(shè)置有一層方塊狀的石墨烯導(dǎo)電層，所述石墨烯導(dǎo)電層另一端上方設(shè)置有第一電極層和第二電極層，所述第一電極層和第二電極層之間無交疊。
[0007]進(jìn)一步的，所述直波導(dǎo)兩端有光柵。
[0008]優(yōu)選的，所述直波導(dǎo)和環(huán)形諧振腔間距50-150nm。
[0009]優(yōu)選的，所述絕緣襯底上硅包括I ym厚的氧化硅埋氧層以及氧化硅埋氧層上的頂層娃。
[0010]—種基于石墨烯微環(huán)結(jié)構(gòu)熱光調(diào)制器的制造方法，包括以下步驟:
步驟I)使用絕緣襯底上硅作為基底，絕緣襯底上硅包括氧化硅埋氧層和氧化硅埋氧層上的頂層硅；
步驟2)采用電子束曝光技術(shù)在頂層硅上刻畫圖形，然后采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕頂層硅，最終得到直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔；
步驟3)在直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔之上生長一層石墨烯導(dǎo)電層，然后光刻和使用氧等離子體將石墨烯刻蝕成微米帶狀結(jié)構(gòu)；
步驟4)先使用光刻定義圖形區(qū)域，再由磁控濺射方法或電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)的方法沉積一層100-300 nm厚的金屬薄膜，然后通過剝離工藝制成第一電極層和第二電極層。
[0011 ] 優(yōu)選的，所述石墨烯導(dǎo)電層為單層或數(shù)層石墨烯。
[0012]優(yōu)選的，所述石墨烯導(dǎo)電層采用機(jī)械剝離法或CVD法生長，之后通過轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移在直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔上。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:
因為硅較大的熱光系數(shù)，熱光調(diào)制器在過去數(shù)十年得到廣泛深入的研究。該類器件與石墨烯的結(jié)合很有可能克服電光調(diào)制器所遺留下來的問題。值得注意的是，石墨烯的熱導(dǎo)率高達(dá)5300 W(mk) \這表明石墨烯能夠高效快速的傳導(dǎo)熱量。本發(fā)明中，石墨烯直接與硅微環(huán)波導(dǎo)接觸，通過調(diào)控石墨烯上加載的電壓來改變其產(chǎn)生的熱量，最終實現(xiàn)硅微環(huán)中光的調(diào)制。這樣的一種結(jié)構(gòu)，制備較為簡單，而且微環(huán)諧振腔非常敏感，加之硅較大的熱光系數(shù)，最終可實現(xiàn)很強(qiáng)的光學(xué)調(diào)制。另外石墨烯超快的熱導(dǎo)率，對于該器件的動態(tài)響應(yīng)也會有較大的提升。
[0014]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。本發(fā)明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細(xì)給出。
【附圖說明】
[0015]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1為制造方法步驟一結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為制造方法步驟二結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為制造方法步驟三結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為熱光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖；。
【具體實施方式】
[0016]下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0017]參照圖4所示，該熱光調(diào)制器形成于絕緣襯底上硅12之上，絕緣襯底上硅12包括氧化硅埋氧層I和氧化硅埋氧層I上的頂層硅2，頂層硅2上設(shè)置有直波導(dǎo)3、環(huán)形諧振腔4、一層方塊狀的石墨烯導(dǎo)電層5、第一電極層6，第二電極層7。所述直波導(dǎo)3與環(huán)形諧振腔4在一個平面內(nèi)，均在頂層硅2上，它們之間有很小的間距，在50-150nm左右，直波導(dǎo)兩端有光柵，以耦合光進(jìn)出波導(dǎo)(光柵在圖中未標(biāo)示);所述石墨烯導(dǎo)電層5位于直波導(dǎo)3以及環(huán)形諧振腔4之上，中間無任何絕緣層；所述第一電極層6和第二電極層7均位于石墨烯導(dǎo)電層5上，第一電極層6和第二電極層7之間無任何交疊。
[0018]該光調(diào)制器的制造方法的具體示例由圖2至圖4所示，包括以下步驟:
步驟I)如圖1所示，使用絕緣襯底上硅作12為基底，絕緣襯底上硅包括I μπι厚的氧化硅埋氧層I和氧化硅埋氧層I上的頂層硅2，頂層硅2刻蝕前為340nm。
[0019]步驟2)如圖2所示，采用電子束曝光技術(shù)在頂層硅2上刻畫圖形，然后采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕頂層硅2，最終得到直波導(dǎo)3與環(huán)形諧振腔4。
[0020]步驟3)如圖3所示，在直波導(dǎo)3與環(huán)形諧振腔4之上生長一石墨烯導(dǎo)電層5，可以為單層或數(shù)層石墨烯，也可采用機(jī)械剝離法或CVD法生長，之后通過轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移在直波導(dǎo)3與環(huán)形諧振腔4上。然后光刻和使用氧等離子體將石墨烯刻蝕成微米帶狀結(jié)構(gòu)。此時，石墨烯導(dǎo)電層5和環(huán)形諧振腔4直接接觸，這樣石墨烯產(chǎn)生的熱量可以直接快速地轉(zhuǎn)移到微環(huán)諧振腔4上，大大提高光調(diào)制器的調(diào)制效率。
[0021]步驟4)如圖4所示，先使用光刻定義圖形區(qū)域，再由磁控濺射方法或電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)的方法沉積一層100-300 nm厚的金屬薄膜，然后通過剝離工藝制成第一電極層6和第二電極層7。第一電極層6和第二電極層7可以為金屬材料，如鉻、鈦、鋁或金等，也可為透明導(dǎo)電材料，如氧化銦錫(ITO)或氧化鋅鋁(AZO)等。第一電極層6和第二電極層7可以為同一種材料，也可以為不同的材料。此時第一電極層6和第二電極層7與石墨烯導(dǎo)電層5有一定的交疊，但電極6和電極7之間無任何交疊。
[0022]上述步驟完成后即可進(jìn)入器件的測試階段。
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于石墨烯微環(huán)結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器，其特征在于:包括作為基底的絕緣襯底上硅(12)，所述絕緣襯底上硅(12)上相鄰設(shè)置有直波導(dǎo)(3)和環(huán)形諧振腔(4)，所述直波導(dǎo)(3)和環(huán)形諧振腔(4)上方設(shè)置有一層方塊狀的石墨烯導(dǎo)電層(5)，所述石墨烯導(dǎo)電層(5)另一端上方設(shè)置有第一電極層(6)和第二電極層(7)，所述第一電極層(6)和第二電極層(7)之間無交疊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱光調(diào)制器，其特征在于:所述直波導(dǎo)(3)兩端有光柵。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱光調(diào)制器，其特征在于:所述直波導(dǎo)(3)和環(huán)形諧振腔(4)間距 50-150nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱光調(diào)制器，其特征在于:所述絕緣襯底上硅(12)包括Iμπι厚的氧化硅埋氧層(I)以及氧化硅埋氧層(I)上的頂層硅(2 )。5.一種基于石墨烯微環(huán)結(jié)構(gòu)熱光調(diào)制器的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I)使用絕緣襯底上硅作為基底，絕緣襯底上硅包括氧化硅埋氧層和氧化硅埋氧層上的頂層硅； 步驟2)采用電子束曝光技術(shù)在頂層硅上刻畫圖形，然后采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)刻蝕頂層硅，最終得到直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔； 步驟3)在直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔之上生長一層石墨烯導(dǎo)電層，然后光刻和使用氧等離子體將石墨烯刻蝕成微米帶狀結(jié)構(gòu)； 步驟4)先使用光刻定義圖形區(qū)域，再由磁控濺射方法或電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)的方法沉積一層100-300 nm厚的金屬薄膜，然后通過剝離工藝制成第一電極層和第二電極層。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于:所述石墨烯導(dǎo)電層為單層或數(shù)層石墨稀。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造方法，其特征在于:所述石墨烯導(dǎo)電層采用機(jī)械剝離法或CVD法生長，之后通過轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移在直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于石墨烯微環(huán)結(jié)構(gòu)的熱光調(diào)制器，包括作為基底的絕緣襯底上硅，所述絕緣襯底上硅上相鄰設(shè)置有直波導(dǎo)和環(huán)形諧振腔，所述直波導(dǎo)和環(huán)形諧振腔上方設(shè)置有一層方塊狀的石墨烯導(dǎo)電層，所述石墨烯導(dǎo)電層另一端上方無交疊的設(shè)置有第一電極層和第二電極層。本發(fā)明中，石墨烯直接與硅微環(huán)波導(dǎo)接觸，通過調(diào)控石墨烯上加載的電壓來改變其產(chǎn)生的熱量，最終實現(xiàn)硅微環(huán)中光的調(diào)制。這樣的一種結(jié)構(gòu)，制備較為簡單，而且微環(huán)諧振腔非常敏感，加之硅較大的熱光系數(shù)，最終可實現(xiàn)很強(qiáng)的光學(xué)調(diào)制。另外石墨烯超快的熱導(dǎo)率，對于該器件的動態(tài)響應(yīng)也會有較大的提升。
【IPC分類】G02F1/01
【公開號】CN105044929
【申請?zhí)枴緾N201510279999
【發(fā)明人】鮑橋梁, 甘勝, 李紹娟, 李鵬飛
【申請人】蘇州大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年5月28日