CN113805364A - 一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光子晶体微腔‑石墨烯电光调制器及其制备方法，其特征包括硅基光子晶体微腔、石墨烯层以及中间绝缘层构成的平行板电容器。通过在该电光调制器第一和第二电极层上施加不同电压信号，可以对石墨烯层载流子浓度进行调节，从而调节石墨烯层费米能级，实现石墨烯层上电介质常数的实部和虚部的电调制；进一步，借助电调制的石墨烯层与硅基光子晶体微腔的共振模场相耦合，可实现硅基光子晶体微腔共振信号的高性能电调制。有益效果包括：结构紧凑，具备高调制深度、超快频率响应、低能耗等显著特征，制备过程所需工艺简单，可集成于光子芯片上提高器件单片集成度，与现有CMOS工艺完全兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，属于光电技术领域。
背景技术
芯片上光互连技术借助光子的超高传输速率和带宽积、超低传输损耗和延迟、抗电磁串扰等优点，有望解决下一代信息处理微芯片发展中的一些瓶颈问题。另一方面， 随着硅基光子学和微电子技术的不断成熟，硅基光电子集成为片上光互连提供了最接 近实用化的解决方案。但若要利用其实现芯片上信息处理，需要光电和光子器件在功 耗、物理尺寸、响应速率等性能上与电子器件的性能相比更具有竞争性。硅属于非直 接带隙的半导体材料，且带隙约为1.1eV，导致在硅基芯片上形成波长在1.55微米附 近的有效光辐射存在巨大挑战。若要在硅基芯片上实现光信号处理和通信，一种有效 的手段是采用外加光源耦合进硅芯片，同时结合硅芯片上调制器来加载和处理信息。 因此，硅芯片上的调制器是实现芯片上光电互连至关重要的一种主动器件。
但现有的片上光调制器在性能和集成工艺上仍与电子器件存在一定差距，制约了片上光电集成的发展。例如硅基光调制器由于硅折射率受载流子影响很小而一般利用 干涉光路、环形微腔或异质结电吸收等结构来实现。虽然基于干涉光路的调制器实现 了报道的最高响应速率(～50GHz)，但为实现较高消光比，其尺寸一般在几百微米甚 至毫米量级，且功耗在10pJ/bit量级。利用高品质因子微腔可有效缩小调制器的尺寸 和功耗，但由于其仅工作在共振波长，需精确调节工作波长且易受温度等环境影响。 基于异质结电吸收调制器可以将尺寸控制在10微米，且功耗可低至10fJ/bit量级，但 是在硅材料上选择性生长和掺杂锗等吸收材料需要非常复杂的工艺。
发明内容
要解决的技术问题
为克服现有技术的缺点，本发明旨在提供一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器。该调制器最显著的特性是具有高调制深度，超快频率响应、低能耗、超紧凑结构等。 所提出的制备方法所需工序简单，而且可以提高器件的单片集成度，与现有的CMOS (互补金属氧化物半导体)集成工艺完全兼容。
技术方案
为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，其特征在于包括硅基光子晶体微腔、石墨烯层以及中间绝缘层构成的平行板电容器；所述硅基光子晶体微腔上依次覆盖有中间 绝缘层和石墨烯层；所述平行板电容器的下极板为硅基光子晶体微腔；所述平行板电 容器的上极板为石墨烯层；所述硅基光子晶体微腔为具有狭缝波导缺陷的微腔，并与 一个线缺陷通道波导通过侧面耦合实现所述光子晶体微腔-石墨烯调制器光信号的输 入和输出；所述狭缝波导将所述硅基光子晶体微腔分为相互电隔离的上半部分和下半 部分；所述硅基光子晶体微腔上半部分硅平板被重掺杂而具有高导电性，并在位于光 子晶体边缘的掺杂区域设有第一电极层；所述石墨烯层被选择性刻蚀，大部分区域位 于所述硅基光子晶体微腔下半部分外侧的上方，并在上述区域设有第二电极层；所述 石墨烯层在所述硅基光子晶体微腔上具有的宽度与所述硅基光子晶体微腔沿波导方向 宽度相同；所述石墨烯层通过位于所述硅基光子晶体微腔下半部分外侧的上方区域经 过所述硅基光子晶体微腔下半部分延伸至所述的狭缝波导另一侧，但长度仅保证与所 述的硅基光子晶体微腔共振模式完全重合为止。
进一步的，所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器两侧与硅纳米线波导相连接，所述硅纳米线波导延伸至硅芯片边缘；所述纳米线波导在硅芯片边缘的部分上覆盖有大 横向尺寸的低折射率模式转换波导，保证所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器具有高 耦合输入和输出。
进一步的，所述硅基光子晶体微腔制备在SOI(氧化物上的硅)芯片上，通过电 子束曝光或高精度紫外曝光、等离子体刻蚀、氢氟酸腐蚀工艺实现。
进一步的，所述硅基光子晶体微腔中围绕所述狭缝波导的中间区域，两侧的空气孔向外平移形成缺陷，产生高品质因子的共振模式。
进一步的，所述硅基光子晶体微腔狭缝波导与所述线缺陷通道波导之间被三层空气孔隔离，达到有效光场耦合的同时，保证所述硅基光子晶体微腔具有较高品质因子。
进一步的，所述硅基光子晶体微腔上半部分外侧的硅平板掺杂通过选择性光刻和高能离子注入过程实现，并且掺杂浓度达到低电阻率；所述硅基光子晶体微腔上半部 分空气孔区域也被选择性掺杂以实现第一电极层至所述狭缝波导的电阻尽量小，但在 所述狭缝波导外两排空气孔区域未掺杂以保证所述硅基光子晶体微腔共振模式具有较 高品质因子。
进一步的，所述硅基光子晶体微腔上半部分及外侧硅平板与整个硅芯片之间具有一定宽度的沟槽以达到与整个硅芯片之间的电隔离。
进一步的，所述中间绝缘层为利用原子层蒸镀的氧化物，如：氧化铪、氧化铝、 二氧化硅。
进一步的，所述石墨烯层为外延生长或化学气相沉积(Chemical VaporDeposition， CVD)的方法形成；所述石墨烯层通过依附在一层聚合物薄膜上整片地转移至硅基芯 片上；上述转移后的石墨烯层可以通过选择性的氧等离子体刻蚀手段形成所述光子晶 体微腔-石墨烯电光调制器所需要的石墨烯结构。
优选的，所述第一电极层和所述第二电极层为金属材料，包括铬、钛、铝或金， 由磁控溅射方法或电子束蒸发或热蒸发方法形成，厚度为10～300纳米。
进一步的，所述第一电极层和第二电极层可以为同一种材料，也可以为不同的材料。
进一步的，通过在所述第一电极层和第二电极层上施加电压，可以为所述平行板电容器充电和放电，从而改变所述硅基石墨烯层上的载流子浓度。
本发明器件所采用的工作原理，其特征在于如下：
信号光通过所述模式转换波导和所述硅纳米线波导被耦合进所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器内。信号光在被所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器调制后通过纳 米线波导和模式转换波导耦合出。通过在所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器第一电 极层和第二电极层上施加不同电压信号，可以对所述石墨烯层上载流子浓度进行调节， 从而可以调节所述石墨烯层上的费米能级EF。所述石墨烯层上的费米能级EF改变导 致所述石墨烯层上的光学电导率σ的实部和虚部同时改变，从而对应所述石墨烯层上 电介质常数的实部和虚部同时发生改变。所述石墨烯层与所述硅基光子晶体微腔的共 振模场相耦合。所述石墨烯层电介质常数的实部变化导致所述硅基光子晶体微腔共振 模的共振波长发生移动；所述石墨烯层电介质常数的虚部变化导致所述硅基光子晶体 微腔共振模的光谱带宽以及光谱强度发生改变。在外加电压信号的作用下，在所述光 子晶体微腔-石墨烯电光调制器上，所述硅基光子晶体微腔共振模式的光谱位置和光谱 宽度以及光谱高度同时发生变化，可以实现硅基光子晶体微腔共振信号的高性能调制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果
a.本发明所采用的硅基光子晶体微腔具有狭缝波导结构，被狭缝波导分隔出 的一部分作为平行板电容器一个极板，且所述部分与整个硅基芯片是电隔 离的。构成平行板电容器另一极板的石墨烯层位于被狭缝波导分隔的光子 晶体微腔另一部分的上方。因此，平行板电容器的两个极板之间仅在具有 微腔共振模的区域形成电容，在芯片上的其余区域不存在寄生电容，可保 证超小的器件电容。
b.本发明所提供的电光调制器具有超高速响应频率和超低的功耗。所采用的 由硅基光子晶体微腔、中间绝缘层和石墨烯层构成的平行板电容器所具有 的有效电容面积仅为微腔共振模区域。如果选择硅基光子晶体微腔共振波 长在通信波段，所采用狭缝微腔的共振模尺寸仅为1μm2。若选择二氧化硅 作为绝缘层(厚度为10nm，介电常数为3.9)，可计算该平行板电容器的电 容C约为3.5fF。另外，考虑石墨烯以及重掺杂硅基底均具有较小接触电阻 和通道电阻，整个器件电路电阻R小于500Ω。因此，器件的3dB响应速 度(1/2πRC)可超过100GHz。在功耗方面，经估算，对器件施加一个5V 的直流偏置后，仅需1.5V的信号摆动电压便可实现泡利阻挡的开和关，所 对应功耗(CV2/2)不超过4fJ/bit。
c.本发明采用的硅基光子晶体微腔为具有狭缝波导结构的微腔，所形成的共 振模场位于狭缝内的空气中，可以保证石墨烯对共振模的强烈调制，经计 算，可以实现高于10dB的调制深度。
d.本发明所提出的光子晶体微腔-石墨烯电光调制器制备方法具有工序简单、 成本低等优点，所涉及的加工工艺均与现有的成熟半导体工艺相兼容。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图 中：
图1为本发明的器件俯视示意图；图中，1-狭缝波导，2-石墨烯层，3-重掺杂硅平板，4-第一电极层，5-第二电极层，7-线缺陷通道波导，8-纳米线硅波导，9-模式转换 波导，10-硅基光子晶体微腔上半部分，11-硅基光子晶体微腔下半部分，12-电隔离沟 槽。
图2为本发明的器件所包含的电容器区域俯视放大图；图中，1-狭缝波导，2-石 墨烯层，3-重掺杂硅平板，7-线缺陷通道波导，10-硅基光子晶体微腔上半部分，11- 硅基光子晶体微腔下半部分，13-有效电容区域。
图3为本发明的器件采用硅基光子晶体狭缝微腔的示例扫描电镜像以及共振模场数值模拟结果。
图4为本发明的器件前视示意图；图中，1-狭缝波导，2-石墨烯层，3-重掺杂硅平板，4-第一电极层，5-第二电极层，6-中间绝缘层，7-线缺陷通道波导，10-硅基光子 晶体微腔上半部分，11-硅基光子晶体微腔下半部分，15-绝缘层上硅芯片上的二氧化 硅层，16-绝缘层上硅芯片的硅衬底。
图5为本发明的器件制备方法示意图；图中，1-狭缝波导，2-石墨烯层，3-重掺杂硅平板，4-第一电极层，5-第二电极层，6-中间绝缘层，7-线缺陷通道波导，10-硅基 光子晶体微腔上半部分，11-硅基光子晶体微腔下半部分。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参见图1、图2和图4所示，一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，包括制备于 绝缘层上硅材料(silicon-on-insulator,SOI)上的光子晶体微腔、石墨烯层2以及中间 绝缘层6构成的平行板电容器；所述硅基光子晶体微腔上依次覆盖有中间绝缘层6和 石墨烯层2；所述平行板电容器的下极板为硅基光子晶体微腔；所述平行板电容器的 上极板为石墨烯层2；所述硅基光子晶体微腔为具有狭缝波导1缺陷的微腔，并与一 个线缺陷通道波导7通过侧面耦合实现所述光子晶体微腔-石墨烯调制器光信号的输 入和输出；所述狭缝波导1将所述硅基光子晶体微腔分为相互电隔离的上半部分10 和下半部分11；所述硅基光子晶体微腔上半部分硅平板3被重掺杂而具有高导电性， 并在位于光子晶体边缘的掺杂区域设有第一电极层4；所述石墨烯层2被选择性刻蚀， 大部分区域位于所述硅基光子晶体微腔下半部分外侧的上方，并在上述区域设有第二 电极层5；所述石墨烯层2在所述硅基光子晶体微腔上具有的宽度与所述硅基光子晶 体微腔沿波导方向宽度相同；所述石墨烯层通过位于所述硅基光子晶体微腔下半部分 外侧的上方区域经过所述光子晶体微腔下半部分11延伸至所述的狭缝波导1另一侧， 但长度仅保证与所述的硅基光子晶体微腔共振模式完全重合为止；所述光子晶体微腔- 石墨烯电光调制器两侧与硅纳米线波导8相连接，所述硅纳米线波导延伸至硅芯片边 缘；所述纳米线波导在硅芯片边缘的部分上覆盖有大横向尺寸的低折射率模式转换波 导9，保证所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器具有高耦合输入和输出；所述硅基光 子晶体微腔上半部分10及外侧硅平板与整个硅芯片之间具有一定宽度的沟槽12以达 到与整个硅芯片之间的电隔离。
本发明实施例提出的制备波导耦合石墨烯光电探测器的材料和方法是：
整个芯片是制备在应用于传统半导体工艺中的绝缘层上硅材料 (silicon-on-insulator,SOI)基板上。SOI基板是一种三明治结构的材料，其上层是220 纳米的硅平板，中间层是厚度为2微米的二氧化硅绝缘层，最下层是厚度为500微米 的块状硅基底。光子晶体微腔被加工在上层的硅平板上；衬底15是SOI的中间绝缘 层，即二氧化硅，厚度为2微米。
参见图5所示，本发明器件的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一：结合传统半导体工艺中的电子束曝光和等离子体刻蚀技术，在SOI上首先制备出具有狭缝波导缺陷的所述硅基光子晶体微腔、所述纳米线通道波导8以及用 于电隔离的所述沟槽12。为保证本发明器件工作在1550纳米附近的通信波段，构成 所述硅基光子晶体微腔的空气孔可以选择具有半径为150纳米，周期为450纳米，所 述狭缝波导1的宽度可以选择为80纳米。参见图3所示，构成所述硅基光子晶体微腔 的狭缝波导缺陷可以通过平移空气孔构成，并且微腔共振模场局域在狭缝的空气中。 所述硅基光子晶体微腔狭缝波导1与所述线缺陷通道波导7之间被三层空气孔隔离， 达到有效光场耦合的同时，保证所述硅基光子晶体微腔具有较高品质因子。
步骤二：利用光刻和离子注入工艺对所述硅基光子晶体微腔上半部分10外侧的硅平板进行选择性的掺杂，形成所述重掺杂区域3，以保证硅平板作为所述平行板电容 器的下极板具有较低的通道电阻；所述硅基光子晶体微腔上半部分10空气孔区域也被 选择性掺杂以实现所述第一电极层4至所述狭缝波导1的电阻尽量小，但在所述狭缝 波导1外两排空气孔区域未掺杂以保证所述硅基光子晶体微腔共振模式具有较高品质 因子。
步骤三：结合光刻和磁控溅射方法或电子束蒸发或热蒸发的方法，在所述重掺杂区域3上淀积一层100～300纳米厚的金属薄膜，然后通过剥离工艺制成金属形成所述 第一电极层4。所述第一电极层4可以为金属材料，如铬、钛、铝或金等。
步骤四：利用原子层蒸镀或电子束蒸发或等离子体增强化学气相沉积等方法，在整个所述硅基芯片上蒸镀一层10～20纳米厚的所述中间绝缘层6。所述中间绝缘层6 可以为二氧化硅、氧化铪、氧化铝等。
步骤五：在所述硅基芯片上通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯层，所述石墨烯层可以为单层或数层石墨烯；生长所述石墨烯的方法可以为CVD法或外延法，之后 通过转移技术转移到所述硅基芯片上，然后通过光刻和氧等离子体刻蚀形成所述的石 墨烯层2的结构。
步骤六：结合光刻和磁控溅射方法或电子束蒸发或热蒸发的方法，在所述石墨烯层2上淀积一层100～300纳米厚的金属薄膜，然后通过剥离工艺制成金属形成所述第 二电极层5。所述第二电极层5可以为金属材料，如铬、钛、铝或金等。
Claims (13)
1.一种光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，其特征在于包括带有狭缝波导缺陷(1)的硅基光子晶体微腔上半部分(10)与下半部分(11)、石墨烯层(2)、重掺杂硅平板(3)、中间绝缘层(6)、线缺陷通道波导(7)、纳米线硅波导(8)、模式转换波导(9)、沟槽(12)以及两个金属电极层(4、5)。
2.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，其特征在于：由所述硅基光子晶体微腔上半部分(10)与下半部分(11)构成的硅基光子晶体微腔(10、11)上依次覆盖中间绝缘层(6)和石墨烯层(2)，构成平行板电容器，平行板电容器下极板为硅基光子晶体微腔，平行板电容器上极板为石墨烯层。
3.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，其特征在于：所述硅基光子晶体微腔被狭缝波导缺陷(1)分为相互隔离的上半部分(10)和下半部分(11)，并与线缺陷通道波导(7)通过侧面耦合实现所述调制器光信号的输入和输出。
4.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，其特征在于：所述硅基光子晶体微腔上半部分(10)为部分被重掺杂的硅平板(3)，并在边缘掺杂区域设有第一电极层(4)。
5.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，其特征在于：所述石墨烯层(2)被选择性刻蚀，大部分区域位于硅基光子晶体微腔下半部分(11)外侧的上方，并设有第二电极层(5)；所述石墨烯层在所述硅基光子晶体微腔上具有的宽度与所述硅基光子晶体微腔沿波导方向宽度相同；所述石墨烯层通过位于所述光子晶体微腔下半部分外侧的上方区域经过所述硅基光子晶体微腔下半部分(11)延伸至所述狭缝波导缺陷(1)的另一侧，但长度仅保证与所述硅基光子晶体微腔共振模式完全重合为止。
6.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，其特征在于：所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器与硅纳米线波导(8)相连接，所述硅纳米线波导延伸至芯片边缘；所述硅纳米线波导在硅芯片边缘部分上覆盖有模式转换波导(9)。
7.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，所述硅基光子晶体微腔(10、11)制备在SOI(氧化物上的硅)芯片上，通过电子束曝光或高精度紫外曝光、等离子体刻蚀、氢氟酸腐蚀实现，微腔中狭缝波导缺陷(1)中间区域两侧空气孔向外平移形成缺陷；所述狭缝波导缺陷(1)与线缺陷通道波导(7)之间被三层空气孔隔离。
8.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，所述重掺杂硅平板(3)通过选择性光刻和高能离子注入过程实现，所述硅基光子晶体微腔上半部分(10)除所述狭缝波导缺陷(1)外两排空气孔区域均被重掺杂。
9.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，所述硅基光子晶体微腔上半部分(10)及外侧硅平板与整个硅芯片之间具有一定宽度的沟槽(12)。
10.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，所述中间绝缘层(6)为利用原子层蒸镀的氧化物，如：氧化铪、氧化铝、二氧化硅。
11.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，所述石墨烯层(2)为外延生长或化学气相沉积形成。所述石墨烯层(2)通过依附在一层聚合物薄膜上整片地转移至硅光子芯片上，转移后通过选择性的氧等离子体刻蚀形成所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器所需要的石墨烯结构。
12.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，所述第一电极层(4)和所述第二电极层(5)为金属材料，包括铬、钛、铝或金，由磁控溅射方法或电子束蒸发或热蒸发方式形成，厚度为10～300纳米。两个金属电极层可以是同一种材料，也可以为不同的材料。
13.根据权利要求1所述光子晶体微腔-石墨烯电光调制器，在所述第一电极层(4)和所述第二电极层(5)上施加电压，可以为所述平行板电容器充电和放电，从而改变所述石墨烯层(2)上的载流子浓度，实现石墨烯层上电介质常数的实部和虚部的电调制；进一步，借助电调制的所述石墨烯层与硅基光子晶体微腔的共振模式相耦合，所述硅基光子晶体微腔共振模式的光谱位置和光谱宽度以及光谱高度同时发生变化，可以实现硅基光子晶体微腔共振信号的高性能电调制。
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