CN107833868B - 基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，包括集成电路区，以及位于集成电路周围的光制冷区。本发明提供的周期性电介质结构的集成电路制冷系统，可利用参数不同的结构分别形成光子带隙和声子带隙，局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机耦合腔。通过对光子和声子缺陷模式的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。

Description

基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统

技术领域

本发明涉及集成电路和硅基微纳光子器件技术领域，尤其是一种周期性电介质结构的集成电路制冷系统。

背景技术

随着通信电子产品及设备向高速高频化、高集成度、小型化方向发展促使电子元器件集成度不断提高，相应的使得电子元器件内部功率密度不断突破新高，使得电子元器件发热量越来越大，影响了电子元器件的工作寿命。高温不但对其介电材料、孔内镀层和表面焊接点存在直接威胁，而且还间接影响到高频信号的传输质量。

传统的解决方法是通过散热来降低器件的温度，按照散热方式可以分成主动式散热和被动式散热两种。主动式散热方式就是通过使用热传导材料(例如：铝，铜)制成的散热片将电子元器件散发的热量直接传导出来，然后借助热辐射、自然对流自然地将热量散发至周围环境中去，其散热效果和散热片的大小成正比。被动式散热就是通过散热设备将散热片发出的热量带走，其散热效率得到提高。但是传统散热方法器件集成度不高，设备稳定性不好，且成本较高。

随着新世纪现代物理学的发展，人们开始探索介观，甚至宏观物体的量子现象。腔光机力学(Cavity Optomechanics)作为探索介观量子物理的方向，近年来受到了广泛关注并迅速发展。声子是物质晶格机械振动的量子化描述，腔光机力学研究光子-声子的相互作用，在腔光机系统中同时支持光学模式和机械模式，光通过光力影响机械振动，机械振动又反过来通过改变光模，实现光模和机械模式的相互作用，也就是光子和声子的相互耦合。光机晶体是一种具有一定周期结构的微纳器件，同时支持光子和声子能带。这使得光机晶体可以同时操控光子和声子，利用光机晶体微腔同时局域和调控光子-声子，甚至可以将介观/宏观尺度的片上系统致冷至量子基态，即不含声子的“超冷”真空态，这一结果是十分诱人的。

利用光机晶体腔来实现集成电路系统的制冷具有美好的研究前景，但在实验研究上仍有许多待解决的问题。例如：如何增强光子和热声子的耦合强度等。

发明内容

本发明是为了解决如何利用不同设计参数的光机耦合腔，最终实现光子和声子的高效耦合，从而实现高效制冷。

为解决上述技术问题，本发明一种基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统。通过在多层集成电路层周围引入周期性介质结构，形成光机耦合腔，将所述层产生的热转换为光能输出，所述热的所述转换可沿着所述层的全部长度。

本发明具体是这样实现的：

一种基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，包括：

集成电路区，以及位于集成电路周围的光制冷区。

更进一步的方案是：

所述的光制冷区为横向光机晶体腔，所述的横向光机晶体腔包括：硅衬底、二氧化硅隔离层、硅平板、顶层二氧化硅层和空气隔离区；

所述硅衬底，用于承载整个横向光机晶体腔；

所述二氧化硅隔离层，用于隔离所述硅衬底和硅平板；

所述硅平板，位于所述二氧化硅隔离层之上，所述硅平板包括不同大小的空气孔阵列，其用于局域光子和热声子缺陷模式，实现光子和热声子的耦合；其中集成电路区位于硅平板的中间；

所述顶层二氧化硅层，位于所述硅平板之上，其与所述二氧化硅隔离层配合以保护所述硅平板；

所述空气隔离区，位于横向光机晶体腔的下部，且位于硅衬底与硅平板之间。

其中，所述空气孔沿集成电路区两侧对称分布，且空气孔的半径从外至内依次减小；

所述硅平板的波导宽度为300nm-800nm，厚度为200nm-500nm；

所述二氧化硅隔离层和顶层二氧化硅层的厚度为300nm～3μm。

采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成输入波导区、横向光机晶体腔、输出波导区。

更进一步的方案是：

所述的光制冷区为纵向DBR腔，包括：多层周期性介质层和位于多层周期性介质层之间的集成电路区；

所述多层周期性介质层，由交替的多层高折射率和低折射率材料组成；

所述集成电路区为多层集成电路层，采用3D裸片堆叠技术；

所述裸片包括有源表面和衬底；

所述有源表面将多个层间电路通道耦合在一起；

所述层间电路通道在所述裸片间隙之间形成；

所述衬底，用于支撑电路结构。

其中，所述多层周期性介质层厚度为300nm-400nm；多层周期性介质层是由AlN(XX1)和GaN(XX2)两种材料交替而成，其折射率分别为2.30(n1)和2.43(n2)。

区别于背景技术，本发明提供的周期性电介质结构的集成电路制冷系统，可利用参数不同的结构分别形成光子带隙和声子带隙，局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机耦合腔。通过对光子和声子缺陷模式的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的横向光机晶体腔制冷系统示意图；

图2是本发明实施例1提供的横向光机晶体腔的三维孔结构单元；

图3是本发明实施例1提供的横向光机晶体腔的示意图；

图4是本发明实施例1提供的横向光机晶体腔的光子能带图；

图5是本发明实施例1提供的横向光机晶体腔的声子能带图；

图6是本发明实施例2提供的纵向DBR腔制冷系统示意图；

图7是本发明实施例2提供的纵向DBR腔的周期介质层结构；

图8是本发明实施例2提供的集成电路层结构示意图；

图9是本发明实施例2提供的纵向DBR腔的光子能带图；

图10是本发明实施例2提供的纵向DBR腔的声子能带图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

请参阅图1至图3，图3为本发明实施例1提供的横向光机晶体腔的示意图，所述光机晶体腔包括：硅衬底1、二氧化硅隔离层2、硅平板3、顶层二氧化硅层4和空气隔离区5。

所述硅衬底1，用于承载整个光机晶体腔。

所述二氧化硅隔离层2，用于隔离所述硅衬底1和硅平板3。

所述硅平板3，位于所述二氧化硅隔离层2之上，所述硅平板包括不同大小的空气孔阵列，其用于局域光子和热声子缺陷模式，实现光子和热声子的耦合；

所述顶层二氧化硅层4，位于所述硅平板3之上，其与所述二氧化硅隔离层2配合以保护所述硅平板3。

所述空气隔离区5，位于所述二氧化硅隔离层2和顶层二氧化硅层4之间。

图2是本发明实施例1提供的横向光机晶体腔的三维孔结构单元，通过改变不同几何结构参数，最终实现光子和声子的高效耦合，从而实现高效制冷。

图1是本发明实施例1提供的横向光机晶体腔制冷系统示意图，其光子能带和声子能带请参阅图4和图5。

可选的，所述硅平板3的波导宽度为300nm-800nm。

可选的，所述二氧化硅层4的厚度为300nm～3μm。

可选的，采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成输入波导区、光机晶体腔区、输出波导区。

实施例2

请参阅图6至图8，图7为本发明实施例2提供的纵向DBR腔的周期介质层结构，包括：高折射率介质层6，低折射率介质层8、集成电路层7。

图8为本发明实施例2提供的集成电路层结构示意图，采用3D裸片堆叠技术；

所述裸片11包括有源表面9和衬底10；

所述有源表面将多个层间电路通道12耦合在一起；

所述层间电路通道在所述裸片间隙之间形成；

所述衬底，用于支撑电路结构。

图6为本发明实施例2提供的纵向DBR腔制冷系统示意图，其光子能带和声子能带请参阅图9和图10。

可选的，所述多层周期性介质层厚度为300nm-400nm。

可选的，所述多层周期性介质层是由AlN(XX1)和GaN(XX2)两种材料交替而成，其折射率分别为2.30(n1)和2.43(n2)。

基于上述描述，本发明提供的周期性电介质结构的集成电路制冷系统，可利用结构类似但参数不同来分别形成光子带隙和声子带隙，局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机耦合腔。通过对光子和声子缺陷模式的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (2)

1.一种基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，其特征在于，包括：

集成电路区，以及位于集成电路周围的光制冷区，所述的光制冷区具有以下结构：

所述的光制冷区为纵向DBR腔，包括：多层周期性介质层和位于多层周期性介质层之间的集成电路区；所述多层周期性介质层，由交替的多层高折射率和低折射率材料组成；所述集成电路区为多层集成电路层，采用3D裸片堆叠技术，裸片包括有源表面和衬底；所述有源表面将多个层间电路通道耦合在一起；所述层间电路通道在所述裸片间隙之间形成；所述衬底，用于支撑电路结构。

2.根据权利要求1所述的基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，其特征在于：

所述多层周期性介质层厚度为300nm-400nm；多层周期性介质层是由AlN和GaN两种材料交替而成，其折射率分别为2.30和2.43。

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