基于石墨烯的空間電光調(diào)制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電光調(diào)制器，尤其是涉及一種基于石墨烯的空間電光調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，集成的高速、小尺寸、寬頻光調(diào)制器一直是學(xué)術(shù)界乃至工業(yè)界研究的熱點(diǎn)，尤其是以半導(dǎo)體為材料的傳統(tǒng)電光調(diào)制器。然而，以硅為基礎(chǔ)的調(diào)制器由于其較弱的電光交互特性，因此有著毫米量級(jí)的大尺寸；而以鍺或復(fù)合半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的調(diào)制器則面臨著與現(xiàn)存硅光電平臺(tái)存在兼容性的問題。在硅調(diào)制器里加入高品質(zhì)因子的光學(xué)諧振腔可以增強(qiáng)調(diào)制強(qiáng)度，但這些器件由于諧振腔本身的特點(diǎn)，有著較窄的調(diào)制帶寬并要求較高的制作工藝和苛刻的環(huán)境溫度。因此，找到一種與互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容的高速、高強(qiáng)度的材料成了學(xué)術(shù)界的興趣所在，同時(shí)也是工業(yè)界的當(dāng)務(wù)之急。
[0003]石墨烯是一種平面的單層碳原子緊密組合的二維蜂巢狀晶格結(jié)構(gòu)(參考文南犬:A.N.Grigorenko, M.Polini and K.S.Novoselov, "Graphene plasmonics", naturephotonics, 6，262，2012),具有完全的sp2共價(jià)雜化極性結(jié)構(gòu)，是其他維度類石墨材料的基本構(gòu)建元素。它卷起來成為零維的富勒希，一維的碳納米管或堆垛成三維的石墨。石墨烯的載流子表現(xiàn)為無質(zhì)量的相對論粒子或稱迪拉克-費(fèi)密子，在室溫下移動(dòng)散射較小，這種特有的行為導(dǎo)致石墨烯中許多不一樣的現(xiàn)象。首先是石墨烯是一種在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間有一點(diǎn)交疊的零帶隙2D半導(dǎo)體；其次是其顯示的強(qiáng)的雙極電場效應(yīng)，載流子濃度高達(dá)113Cm 2，室溫下的迀移率測量值達(dá)到?10000cm 2S %第三，實(shí)驗(yàn)觀察表明，通過電場效應(yīng)調(diào)節(jié)費(fèi)密能級(jí)，石墨稀電子和空穴載流子具有半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)(half-1nteger quantumHal I effect, QHE)。此外，石墨稀還具有高的熱導(dǎo)率和可見光透過率，在一定條件下石墨稀表現(xiàn)為半導(dǎo)體，屬直接帶隙，可以用來制造三極管等。
[0004]通過外加偏置電壓改變石墨烯的電位并影響其載流子濃度，從而改變其折射率，可以實(shí)現(xiàn)寬帶、高速的小尺寸波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)電光調(diào)制器。但是，波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)在于:為了實(shí)現(xiàn)較大的調(diào)制深度，波導(dǎo)必須足夠長以增強(qiáng)石墨烯與光場的交互作用，這會(huì)讓波導(dǎo)的等效電容變大，從而使調(diào)制速度受到限制，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生相對較高的電磁損耗。而自由空間結(jié)構(gòu)的石墨烯光調(diào)制器不僅結(jié)合了石墨烯材料本身的高速、小尺寸等優(yōu)勢，同時(shí)還具備了波導(dǎo)型電光調(diào)制器穩(wěn)定、易制備等特點(diǎn)。這使得石墨烯空間光調(diào)制器具備了在先進(jìn)光電器件中應(yīng)用的潛力(參考文獻(xiàn):Y.Yao et al.，"Electrically Tunable MetasurfacePerfect Absorbers for Ultrathin Mid-1nfrared Optical Modulators", NanoLetters., 2014, 14, 6526-6532)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供基于石墨烯的超薄微納結(jié)構(gòu)，針對空間中的近紅外入射波，可以通過加偏壓的方式對其反射譜進(jìn)行調(diào)控，且不依賴于入射的角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間電光調(diào)制功能的一種基于石墨烯的空間電光調(diào)制器。
[0006]本發(fā)明為5層結(jié)構(gòu)，從上至下依次設(shè)有上銀層、上六方氮化硼(hBN)層、石墨烯單原子層、下六方氮化硼(hBN)層和下銀層；所述上銀層上設(shè)有至少I條縫隙。
[0007]所述上銀層、上六方氮化硼(hBN)層、石墨烯單原子層、下六方氮化硼(hBN)層和下銀層的長度均可為200?300nm，所述上銀層、上六方氮化硼(hBN)層、石墨烯單原子層、下六方氮化硼(hBN)層和下銀層的寬度均可為140?170nm ;上銀層的厚度可為10?30nm ；所述縫隙的寬度可為5?20nm，所述上六方氮化硼(hBN)層的厚度可為lnm，石墨稀單原子層的厚度可為0.3?0.8nm，下六方氮化硼(hBN)層的厚度可為15?50nm，下銀層的厚度可為100?2000nm ;本發(fā)明的總厚度可為126.3?281.8nm。
[0008]本發(fā)明在垂直方向上采用金屬一介質(zhì)一石墨烯一介質(zhì)一金屬的結(jié)構(gòu)；水平方向上，最上層金屬采用柵狀條塊，金屬條塊相互之間形成微小狹縫。而在石墨烯與底層金屬之間加偏置電壓，用來改變石墨烯的折射率，從而動(dòng)態(tài)調(diào)控該結(jié)構(gòu)的空間反射率。
[0009]之所以選用石墨烯作為調(diào)控材料，是因?yàn)樗哂腥缦绿攸c(diǎn):
[0010]1，強(qiáng)交互性。與那些表現(xiàn)出量子限制斯塔克效應(yīng)的復(fù)合半導(dǎo)體相比，單層石墨烯有著更強(qiáng)的帶間躍迀，因此與光有著較強(qiáng)的交互作用。
[0011]2，寬帶特性。由于迪拉克-費(fèi)密子的高頻動(dòng)態(tài)電導(dǎo)率是常數(shù)，在通信頻段、中紅外、遠(yuǎn)紅外，石墨烯對光的吸收率不依賴于波長。
[0012]3，高速特性。由于室溫下石墨烯具有超高的載流子迀移率，根據(jù)能帶填充效應(yīng)，其費(fèi)密能級(jí)可以被快速改變，從而實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制的特性。
[0013]4，與互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容。在晶片級(jí)別和CMOS的兼容性讓石墨烯可以被大量應(yīng)用在高頻電子元器中。
[0014]正是基于如上特點(diǎn)，石墨烯電光調(diào)制器具備了尺寸小、操作電壓低、調(diào)制速度快、工作頻帶寬等優(yōu)勢。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0016]1.與傳統(tǒng)的電光調(diào)制器對比，本發(fā)明具有調(diào)制速度快、尺寸小、功耗低等特點(diǎn)，且與基于硅的電子元器件兼容，使得它更容易集成在通信系統(tǒng)中。
[0017]2.與波導(dǎo)型石墨烯電光調(diào)制器對比，由于本發(fā)明不是通過對石墨烯的吸收率的變化來改變整體反射率，所以不需要增加石墨烯的面積以增強(qiáng)石墨烯和光波之間的交互。這就使得本發(fā)明可以做得比波導(dǎo)型石墨烯電光調(diào)制器更小，因此功耗也更低，同時(shí)等效電容也更小，相應(yīng)的調(diào)制速度也更高。
[0018]3.本發(fā)明的結(jié)構(gòu)具備入射光角度不依賴性，這在空間電光調(diào)制器的實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明仿真實(shí)現(xiàn)的調(diào)制反射率曲線。
[0021]圖3是本發(fā)明仿真的多角度入射圖。在圖3中，a為化學(xué)勢:0.3eV，b為化學(xué)勢:
1.0eV0
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0023]以下實(shí)施例選擇單面拋光的硅片為基片，在基片上用電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍150nm銀，用射頻磁控派射的方法沉積16nm的hBN在Ag上，然后用化學(xué)沉積的方法，讓石墨烯長在hBN上，再用等離子體化學(xué)沉積的方法，將Inm的hBN在石墨烯上形成。最后通過納米壓印的方法，得到頂層的銀條塊。
[0024]本發(fā)明采用的是金屬層一介質(zhì)層一金屬層(Metal-Dielectric-Metal)結(jié)構(gòu)，其組成見圖1。
[0025]本發(fā)明為5層結(jié)構(gòu)，從上至下依次設(shè)有上銀層1、上六方氮化硼(hBN)層2、石墨烯單原子層3、下六方氮化硼(hBN)層4和下銀層5 ;所述上銀層I上設(shè)有至少I條縫隙11。
[0026]所述上銀層1、上六方氮化硼(hBN)層2、石墨烯單原子層3、下六方氮化硼(hBN)層4和下銀層5的長度均可為200?300nm，所述上銀層1、上六方氮化硼(hBN)層2、石墨烯單原子層3、下六方氮化硼(hBN)層4和下銀層5的寬度均可為140?170nm ;上銀層I的厚度可為10?30nm ;所述縫隙11的寬度可為5?20nm，所述上六方氮化硼(hBN)層2的厚度可為lnm，石墨稀單原子層3的厚度可為0.3?0.8nm，下六方氮化硼(hBN)層4的厚度可為15?50nm，下銀層5的厚度可為100?2000nm ;本發(fā)明的總厚度可為126.3?281.8nm。
[0027]石墨烯單原子層3設(shè)于上六方氮化硼(hBN)層2和下六方氮化硼(hBN)層4之間，是為了防止石墨烯直接與金屬接觸，避免載流子在石墨烯和金屬之間直接傳輸。上銀層I和下銀層5構(gòu)成Metal-Dielectric-Metal結(jié)構(gòu)中的金屬部分(Metal)，上六方氮化硼(hBN)層2、石墨烯單原子層3、下六方氮化硼(hBN)層4構(gòu)成介質(zhì)層(Dielectric)。整個(gè)結(jié)構(gòu)的長度為200?300nm，寬度為140?170nm，高度為126.3?281.8nm。因此本發(fā)明的尺寸非常小，比現(xiàn)有的電光調(diào)制器小了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0028]當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的長度為250nm，寬度為160nm，高度為126.3?281.8nm ;上銀層的厚度為10nm，縫隙的寬度為5nm;上六方氮化硼(hBN)層的厚度為lnm，石墨稀單原子層的厚度為0.5nm，下六方氮化硼(hBN)層的厚度為16nm，下銀層的厚度為150nm時(shí)，經(jīng)過仿真計(jì)算，可以得到如圖2所示的不同費(fèi)密能級(jí)的反射率曲線。從圖2中可以看到，當(dāng)費(fèi)密能級(jí)從0.1eV增加到0.3eV時(shí)，諧振波長從2060nm紅移到2110nm ;相反地，當(dāng)費(fèi)密能級(jí)從0.3eV增加到1.0^時(shí)，諧振波長從211011111藍(lán)移到1950nm。這是因?yàn)?，?dāng)費(fèi)密能級(jí)大于0.3eV時(shí)，石墨烯介電常數(shù)的實(shí)部開始變成負(fù)數(shù)，表現(xiàn)出金屬性，因此可以引起表面等離激元。在1950nm這個(gè)波長上，調(diào)制器的調(diào)制深度可以達(dá)到87.5%。插入損耗則為負(fù)3.19dB。調(diào)制帶寬可以達(dá)到200nm，調(diào)制速度理論上可以達(dá)到500GHz。且從圖3可以看出，該調(diào)制器對入射光的角度不依賴，即光波不管從什么角度入射，所得到的反射率曲線的波谷基本一致，這確保了調(diào)制器工作的穩(wěn)定性。
[0029]基于石墨烯的空間調(diào)制器工作原理:表面銀條塊之間形成狹小的縫隙，引起表面等離激元(Surface Plasmon)，可以把入射光“限制”在縫隙中，使得縫隙中的場強(qiáng)局部增強(qiáng)；而改變石墨烯兩端電壓引起石墨烯的費(fèi)密能級(jí)發(fā)生變化，從而使石墨烯的光電特性發(fā)生變化，石墨烯本身所引起的表面等離激元也隨著變化，從而整個(gè)結(jié)構(gòu)的等效介電常數(shù)也會(huì)有較大的變化。正是由于以上這兩方面的原因，該調(diào)制器才具備如此優(yōu)良的調(diào)制參數(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于石墨烯的空間電光調(diào)制器，其特征在于為5層結(jié)構(gòu)，從上至下依次設(shè)有上銀層、上六方氮化硼層、石墨烯單原子層、下六方氮化硼層和下銀層；所述上銀層上設(shè)有至少I條縫隙。2.如權(quán)利要求1所述基于石墨烯的空間電光調(diào)制器，其特征在于所述上銀層、上六方氮化硼層、石墨烯單原子層、下六方氮化硼層和下銀層的長度均為200?300nm，所述上銀層、上六方氮化硼層、石墨烯單原子層、下六方氮化硼層和下銀層的寬度均為140?170nm ;上銀層的厚度為10?30nm ;所述縫隙的寬度為5?20nm，所述上六方氮化硼層的厚度為lnm，石墨稀單原子層的厚度為0.3?0.8nm，下六方氮化硼層的厚度為15?50nm，下銀層的厚度為100?2000nm ;基于石墨稀的空間電光調(diào)制器的總厚度為126.3?281.8nm。
【專利摘要】基于石墨烯的空間電光調(diào)制器，涉及電光調(diào)制器。為5層結(jié)構(gòu)，從上至下依次設(shè)有上銀層、上六方氮化硼層、石墨烯單原子層、下六方氮化硼層和下銀層；上銀層上設(shè)有至少1條縫隙。上銀層、上六方氮化硼層、石墨烯單原子層、下六方氮化硼層和下銀層的長度均可為200～300nm，寬度均可為140～170nm；上銀層的厚度為10～30nm；縫隙的寬度可為5～20nm，上六方氮化硼層的厚度為1nm，石墨烯單原子層的厚度為0.3～0.8nm，下六方氮化硼層的厚度可為15～50nm，下銀層的厚度為100～2000nm；總厚度為126.3～281.8nm。尺寸小、操作電壓低、調(diào)制速度快、工作頻帶寬。
【IPC分類】G02F1/03
【公開號(hào)】CN105068278
【申請?zhí)枴緾N201510591902
【發(fā)明人】朱錦鋒, 蔡藝軍, 嚴(yán)爽, 張麗蓉, 柳清伙
【申請人】廈門大學(xué)
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年9月17日