DE112022002328T5

DE112022002328T5 - Elektrooptischer Modulator und Verfahren zu dessen Bildung

Info

Publication number: DE112022002328T5
Application number: DE112022002328.7T
Authority: DE
Inventors: Thomas James Badcock; Ivor Guiney
Original assignee: Paragraf Ltd
Current assignee: Paragraf Ltd
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2024-02-22
Also published as: GB202106149D0; GB2606203B; CN117280273A; WO2022229282A1; GB202107209D0; GB2606203A; GB2607281A

Abstract

Es wird ein elektrooptischer Modulator bereitgestellt, der umfasst: ein Substrat, das einen darin eingebetteten ersten Kanal des Wellenleitermaterials aufweist, wobei das Substrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen, eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche hinweg; eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über mindestens einem ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials angeordnet ist; und eine zweite Isolierschicht, die auf und über die Graphenschicht hinweg bereitgestellt ist; wobei die Graphenschicht eine erste Elektrode bereitstellt und wobei eine vorzugsweise nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode entweder: (i) mindestens auf der Isolierschicht bereitgestellt ist, die mindestens den ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials überlappt, oder (ii) innerhalb des Substrats bereitgestellt ist, das den ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials unterschneidet.

Description

Die vorliegende Erfindung stellt einen elektrooptischen Modulator und ein Verfahren zum Bilden eines elektrooptischen Modulators bereit. Insbesondere umfasst der elektrooptische Modulator eine Graphenschicht als erste Elektrode und eine Nicht-Graphen-Schicht als zweite Elektrode. Die vorliegende Erfindung stellt außerdem Verfahren zum Bilden elektrooptischer Modulatoren bereit, die eine derartige Graphenschicht als Elektrode umfassen, insbesondere Verfahren, die das Bilden einer Siliziumnitridschicht durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung umfassen.
Zweidimensionale Materialien, von denen Graphen eines der bekanntesten ist, stehen derzeit im Mittelpunkt intensiver Forschung. Insbesondere Graphen hat sowohl theoretisch als auch in den letzten Jahren praktisch außergewöhnliche Eigenschaften gezeigt. Die elektronischen Eigenschaften von Graphen sind besonders bemerkenswert und haben die Produktion von elektronischen Vorrichtungen ermöglicht, die im Vergleich zu Vorrichtungen wesentlich besser sind, die nicht auf Graphen basieren. Graphen weist auch einzigartige optische Eigenschaften auf, sodass Graphen in elektrooptischen Vorrichtungen wie etwa elektrooptischen Modulatoren verwendet wird. Ein elektrooptischer Modulator (EOM) ist eine Vorrichtung, die verwendet werden kann, um die Leistung oder Amplitude, Phase, Frequenz oder die Polarisation von Licht mit einem elektrischen Steuersignal zu steuern. Das Funktionsprinzip basiert auf dem elektrooptischen Effekt, der in der Veränderung des Brechungsindex eines Mediums besteht, die durch ein elektrisches Feld verursacht wird.
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 23(1), 94-100 (2017), „Graphene Modulators and Switches Integrated on Silicon and Silicon Nitride Waveguide“ offenbart elektrooptische Modulatoren, die Einzelschichtgraphen-Konfigurationen (SLG-Konfigurationen, SLG = Single Layer Graphene) und Doppelschichtgraphen-Konfigurationen (DLG-Konfigurationen, DLG = Double Layer Graphene) umfassen. Nanoscale Research Letters (2015) 10:199, „Graphene-based optical modulators“ stellt eine detaillierte Untersuchung graphenbasierter elektrooptischer Modulatoren und ihrer Funktionsmechanismus bereit. J. Phys. D: Appl. Phys. 53:233002 (2020), „Review of graphene modulators from the low to the high figure of merits“ stellt eine neuere Untersuchung und umfassende Übersicht Graphenmodulatoren bereit, die nach dem Stand der Technik bekannt sind. Graphen wird bei elektrooptischen Modulatoren verwendet, wodurch die Modulation durch aktives Abstimmen des Fermi-Niveaus einer einschichtigen Graphenlage und damit ihrer Transparenz erreicht wird.
Nature 474(7349), 64-67 (2011), „A graphene-based broadband optical modulator“ offenbart einen Gigahertz-Graphenmodulator, der eine Elektroabsorptionsmodulation von 0,1 dB µm^-1 aufweist und unter Umgebungsbedingungen über Wellenlängen von 1,35 µm bis 1,6 µm arbeitet. Der starke Elektroabsorptionseffekt resultiert aus der einzigartigen elektronischen Struktur des zweidimensionalen Materials. Graphen wird durch mechanische Übertragung auf einen Si-Wellenleiter in die Vorrichtung eingeführt. US 2014/056551 A1 betrifft denselben Gegenstand der gleichen Erfinder und Autoren.
In ähnlicher Weise offenbaren Nat. Photon. 9(8), 511-514 (2015), „30 GHz Zeno-based Graphene Electro-optic Modulator“ und Nanophotonies 10(1), 99-104 (2021), „Highperformance integrated graphene electro-optic modulator at cryogenic temperature“ Graphen-EOMs, die einen Zweischicht-Graphenkondensator umfassen, der in einen Siliziumnitridwellenleiter integriert ist, wobei die Graphenlagen durch eine Aluminiumoxidschicht getrennt sind. Das Graphen wird durch CVD auf einem Kupfersubstrat aufgewachsen und durch elektrochemische Delaminierung transferiert. WO 2016/073995 A1 betrifft denselben Gegenstand der gleichen Erfinder und Autoren.
CN 110989216 A betrifft eine Ausgestaltung einer Struktur eines optischen Graphenmodulators unter Verwendung einer Wellenleiterschicht, die vorzugsweise aus einem Satz von Wellenleitern mit einem hohen Brechungsindex und einem Wellenleiter mit einem niedrigen Brechungsindex zusammengesetzt ist.
CN 105022178 A stellt einen optischen Graphenphasenmodulator basierend auf einem planaren Wellenleiter bereit.
US 2020/149152 A1 betrifft ein Verfahren zum Synthetisieren eines Graphenmusters und einen elektrooptischen Modulator, der durch direkte Synthese eines Graphenmusters hergestellt werden kann.
Nat. Photon. 12, 40-44 (2018), „Graphene-silicon phase modulators with gigahertz bandwidth“ offenbart einen Graphenphasenmodulator, der in eine Mach-Zehnder-Interferometerkonfiguration integriert ist.
„Platform for ultra-strong modulation in hybrid silicon nitride/2D material photonic structures“, 2020 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2020), betrifft einen Graphen-TMD-Modulator, der auf einer Siliziumnitridphotonenplattform integriert ist.
ACS Nano 15, 3171-3187 (2021), „Wafer-Scale Integration of Graphene-Based Photonic Devices“ offenbart einen vollständigen Prozessablauf für SLG-basierte Photonik im Wafermaßstab.
Graphen bietet weitere Vorteile als Material, das mit CMOS-Prozessen kompatibel ist. Dementsprechend weist Graphen das Potenzial auf, die Grundfläche der Vorrichtung über siliziumbasierte Modulatoren zu reduzieren und in bestehende siliziumbasierte elektronische Fertigungsprozesse integriert werden zu können. Es besteht jedoch ein Bedarf an elektrooptischen Modulatoren, die das Potenzial von Graphen bieten können, EOMs bereitzustellen, die in kommerziellen Photonikvorrichtungen verwendet werden können. Ebenso besteht ein Bedarf an geeigneten Verfahren, die solche Vorrichtungen mit ausreichender Konsistenz und Zuverlässigkeit für die Herstellung handelsüblicher Vorrichtungen fertigen können. Graphentransferprozesse erfüllen diese strenge Anforderung nicht und sind dennoch nicht für den Maßstab der Massenherstellung von graphenbasierten Vorrichtungen geeignet.
Die EP 2-584-397 A1 offenbart einen optischen Elektroabsorptionsmodulator, der zwei Graphenlagen und einen auf der oberen Oberfläche einer Halbleiterschicht ausgebildeten Steglichtwellenleiter einschließt. Der Graphentransferprozess ermöglicht das Aufbringen von Graphen über den Steglichtwellenleiter, wodurch die Wellenleiteroberfläche und eine Seitenoberfläche abgedeckt werden.
US 10,775,651 B2 offenbart doppelschichtige optische Graphenmodulatoren und -verfahren zu deren Herstellung. Die Vorrichtung schließt ein Substrat, ein erstes elektrisch isolierendes Material, das über dem Substrat angeordnet ist, eine erste Graphenschicht und eine zweite Graphenschicht ein, die in dem ersten elektrisch isolierenden Material angeordnet ist und durch das erste elektrisch isolierende Material getrennt ist. Ein Wellenleiter ist auf dem ersten elektrisch isolierenden Material angeordnet, wobei der Wellenleiter sowohl die erste als auch die zweite Graphenschicht überlagert.
Die vorliegende Erfindung fällt im Allgemeinen in das Gebiet der integrierten Photonikschaltungen (Photonic Integrated Circuits, PICs), die auch als integrierte optische Schaltungen bezeichnet werden. Trotz des Potenzials für Graphen, um viele Felder einschließlich integrierter Photonik zu revolutionieren, stellt der Stand der Technik keine zuverlässigen Verfahren und/oder Vorrichtungen bereit, die in der Lage sind, die einzigartigen Eigenschaften von Graphen zu liefern, insbesondere für die Massenfertigung solcher elektronischer Vorrichtungen.
Die Erfinder entwickelten die vorliegende Erfindung mit dem Ziel, die Probleme im Stand der Technik zu überwinden und verbesserte elektrooptische Modulatoren und zugehörige Herstellungsverfahren bereitzustellen, oder mindestens handelsübliche Alternativen bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen elektrooptischen Modulator bereit, der umfasst:

ein Substrat, das einen darin eingebetteten ersten Kanal des Wellenleitermaterials aufweist, wobei das Substrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen,
eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche hinweg;
eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über mindestens einem ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials angeordnet ist; und
eine zweite Isolierschicht, die auf und über die Graphenschicht hinweg bereitgestellt ist;
wobei die Graphenschicht eine erste Elektrode bereitstellt und wobei eine vorzugsweise nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode entweder:
- (i) auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist, die mindestens den ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials überlappt, oder
- (ii) innerhalb des Substrats mindestens den ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials unterschneidend bereitgestellt ist.

Die vorliegende Offenbarung wird nun weiter beschrieben. In den folgenden Passagen werden verschiedene Aspekte/Ausführungsformen der Offenbarung näher definiert. Jede(r) so definierte Aspekt/Ausführungsform kann mit einem/einer beliebigen anderen Aspekt/Ausführungsform oder Aspekten/Ausführungsformen kombiniert werden, sofern nicht eindeutig das Gegenteil angegeben ist. Insbesondere kann ein beliebiges als bevorzugt oder vorteilhaft angegebene Merkmal mit (einem) beliebigen anderen als bevorzugt oder vorteilhaft angegebenen Merkmal oder Merkmalen kombiniert werden.
Bekannte graphenbasierte elektrooptische Modulatoren umfassen entweder eine einzelne Graphenschicht als Elektrode oder ein doppelschichtiges Graphen, das unter anderen ungewöhnlichen Konfigurationen sandwichartig von einer Isolierschicht umgeben ist. Graphen bei diesen Modulatoren wird durch bekannte mechanische Transferprozesse bereitgestellt. Die Autoren der vorliegenden Erfindung haben den vorliegenden elektrooptischen Modulator entwickelt, der Graphen umfasst, das durch CVD erhältlich ist, die nicht unter den Nachteilen in Zusammenhang mit transferiertem Graphen leidet (wie etwa Kupfer- und Polymerkontamination zusammen mit physischen Schäden wie etwa Reißen und Knitterbildung). Die Autoren der vorliegenden Erfindung haben versucht, qualitativ hochwertiges Graphen direkt durch CVD einzuführen, entdeckten aber Probleme, die in Zusammenhang mit derartigen Verfahren stehen. Dementsprechend haben die Autoren der vorliegenden Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik festgestellt, dass ein elektrooptischer Modulator, der eine nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode umfasst, einen vorteilhaften technischen Nutzen in Kombination mit CVD-Graphen bereitstellt. CVD-Graphen kann einen reduzierten Kontakt und Lagenwiderstand bereitstellen, wodurch der Energieverbrauch verringert wird. Die reduzierten Verunreinigungen können gleichzeitig eine verbesserte Trägermobilität ergeben, die die Modulationsgeschwindigkeit der Vorrichtung erhöht.
Der elektrooptische Modulator der vorliegenden Erfindung umfasst ein Substrat, das einen ersten Kanal des darin eingebetteten Wellenleitermaterials aufweist. Das Substrat, das ein eingebettetes Wellenleitermaterial aufweist, kann ein beliebiges Substrat sein, das einen Wellenleiter umfasst, wie nach dem Stand der Technik bekannt ist. Mit „eingebettet“ ist gemeint, dass das Wellenleitermaterial einen Teil des Körpers des Substrats bildet und einen Teil einer im Wesentlichen flachen oberen Oberfläche bildet, ein herkömmlicher Begriff nach dem Stand der Technik im Gegensatz zu erhöhten Wellenleitern. Nach dem Stand der Technik kann das umgebende Medium des Substrats als „Ummantelung“ bezeichnet werden, die zum Eingrenzen des Lichts in dem Wellenleiter verwendet wird. Wellenleiter und Wellenleitermaterialien sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt und bilden das Basiselement vieler integrierter optischer Vorrichtungen. Ein Wellenleiter liegt in der Regel in Form eines Kanals mit Abmessungen vor, die ausreichen, um Licht in zwei Dimensionen einzugrenzen. Dementsprechend ist ein Querschnitt senkrecht zu der dritten Dimension (d. h. der Richtung des Lichtwegs) eines eingebetteten Wellenleiters in der Regel im Wesentlichen rechteckig, obwohl es sich versteht, dass der Wellenleiterkanal eine beliebige andere nach dem Stand der Technik bekannte Form annehmen kann und/oder Teil einer größeren Struktur sein kann (wie etwa eines kreisförmigen Ringresonators, wobei die Richtung des Lichtwegs als Tangente angenommen werden kann). In ähnlicher Weise kann der Wellenleiter sich verzweigen oder Kanäle kreuzen und gekrümmte oder gebogene Strukturen aufweisen und als nanophotonische Drähte betrachtet werden. Wellenleiter können zur Strahlteilung verzweigt und zum gegenseitigen Schneiden gekreuzt sein.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von Breite zu Höhe des Wellenleitermaterials 1,5:1 bis 10:1. Vorzugsweise beträgt die Querschnittshöhe des eingebetteten Wellenleitermaterials (eine Abmessung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Graphenschicht ist) mindestens 100 nm, vorzugsweise mindestens 200 nm. Die Höhe kann weniger als 500 nm, vorzugsweise weniger als 400 nm wie etwa 100 nm bis 500 nm, vorzugsweise 200 nm bis 400 nm betragen. Die Breite (eine Abmessung, die im Wesentlichen parallel zu der Graphenschicht und senkrecht zu der Lichtrichtung verläuft) kann mindestens 150 nm, vorzugsweise mindestens 300 nm, vorzugsweise mindestens 500 nm betragen. Dementsprechend kann die Breite als 1500 nm, vorzugsweise weniger als 1200 nm betragen. Siliziumnitrid ist ein bevorzugtes Wellenleitermaterial, wie hierin beschrieben, das im Allgemeinen einen geringeren Streuverlust im Vergleich zu anderen Wellenleitermaterialien aufweist und daher vorzugsweise breiter sein kann. Das Verhältnis von Breite zu Höhe eines Siliziumnitridwellenleiters kann vorzugsweise von 3:1 bis 10: 1 betragen, während das Verhältnis eines Siliziumwellenleiters vorzugsweise von 1,5:1 bis 5:1 betragen kann.
Es versteht sich, dass das Wellenleitermaterial einen höheren Brechungsindex aufweist als das Substratmaterial, in dem es eingebettet ist. Ein übliches Substrat, das zur Verwendung in dem EOM der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, ist ein Siliziumdioxidsubstrat. Das Siliziumdioxid kann eine obere Schicht auf einem Siliziummassensubstrat bilden, wobei das Wellenleitermaterial in dem Siliziumdioxid eingebettet ist. Vorzugsweise kann das Substrat ein CMOS-Wafer sein, der eine zugehörige Schaltung aufweisen kann, die innerhalb des Substrats eingebettet ist. Dementsprechend kann das Substrat des vorliegenden EOM entweder einen Siliziumwafer oder einen CMOS-Wafer umfassen. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat einen III/V-Halbleiter umfassen.
Vorzugsweise ist das Wellenleitermaterial Siliziumnitrid, unbeabsichtigt dotiertes Silizium oder n-dotiertes Silizium. Wie hierin verwendet bezieht sich Siliziumnitrid gleichfalls auf SiN_x, das im Stand der Technik gut bekannt ist, und schließt das idealisierte stöchiometrische Verhältnis ein, wobei x 1,33 (d. h. Si₃N₄) beträgt. Siliziumreiche Schichten, bei denen x nur 0,5 beträgt, sind nach dem Stand der Technik noch als Siliziumnitrid bekannt. Unbeabsichtigt dotiertes Silizium soll sich auf im Wesentlichen undotiertes Silizium beziehen, obwohl das Silizium eine unvermeidbare oder minimale Dotierung aufweisen kann. Die spezifische Ladungsträgerdichte von Silizium beträgt üblicherweise etwa 10¹⁰ cm^-3, und dotiertes Silizium weist in der Regel eine Ladungsträgerdichte von etwa 10¹³ cm^-3 oder mehr und/oder etwa 10²⁰ cm^-3 oder weniger etwa 5×10¹⁹ cm^-3 oder weniger oder etwa 10¹⁹ cm^-3 oder weniger auf. n-Dotierstoffelemente sind in der Regel ausgewählt aus Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut und Lithium, während andere Elemente Germanium, Stickstoff, Gold und Platin einschließen. Unbeabsichtigt dotiertes Silizium kann daher als in einem Bereich von etwa 10¹⁰ cm^-3 bis etwa 10¹³ cm^-3, vorzugsweise etwa 10¹⁰ bis etwa 10¹² cm^-3 liegend betrachtet werden.
Andere geeignete Wellenleitermaterialien sind nach dem Stand der Technik bekannt und schließen Materialien wie etwa Lithiumniobat (LiNbO₃) und Lithiumtantalat (LiTaO₃) zusammen mit Kaliumtitanylarsenat (KTA: KTiOAsO₄) und Kaliumtitanylphosphat (KTP: KTiOPO₄) ein, die im Allgemeinen unter die Formel MTiOXO₄ fallen, wobei M ein Alkalimetall oder Ammoniak ist und X Phosphor und/oder Arsen ist. Gleichermaßen kann das Substrat (als Ummantelung) aus einem beliebigen geeigneten Material mit niedrigem Brechungsindex gebildet sein, das die vorstehend genannten Materialien einschließt, die angemessen wie etwa mit MgO oder ZnO dotiert wurden. Alternativ kann das Substrat (die Ummantelung) MgO oder ZnO oder SiO₂ sein, wie vorstehend erörtert. Gleichermaßen kann das Substrat weitere darunter liegende Schichten wie Silizium umfassen, auf denen der Wellenleiter und die Ummantelung bereitgestellt sind. Andere übliche Wellenleitermaterialien schließen III-V-Halbleiter wie etwa diejenigen ein, die Indiumarsenid und/oder Galliumphosphid wie etwa InGaAsP und AlInGaAs umfassen. Germanium ist ebenfalls ein geeignetes Wellenleitermaterial.
Der EOM weist eine erste Isolierschicht auf und über die im Wesentlichen flache obere Oberfläche des eingebetteten Wellenleitersubstrats auf. Wie hierin beschrieben, bedeutet „auf“ direkt auf, so dass die erste Isolierschicht des EOM in direktem Kontakt mit der oberen Oberfläche des Substrats und des Wellenleitermaterials steht. Die im Wesentlichen flache obere Oberfläche weist vorzugsweise eine arithmetische Oberflächenrauheit (Ra) von weniger als 2 nm, vorzugsweise weniger als 1 nm, mehr bevorzugt weniger als 0,5 nm und noch mehr bevorzugt weniger als 0,25 nm auf. Eine derartige glatte Oberfläche ermöglicht, qualitativ hochwertiges Graphen durch CVD direkt darauf zu bilden, das dann selbst im Wesentlichen flach ist. Die Erfinder haben festgestellt, dass Knitter und andere Defekte in der Graphenschicht zu einer Verschlechterung der elektronischen und optischen Eigenschaften von Graphen führen, zum Beispiel durch Ladungsstreuung. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Ladungsstreuung negativ auf die Vorrichtungsleistung wie etwa die Modulationswirkungsgrad und das Auslöschungsverhältnis wirkt und daher eine verbesserte Vorrichtung erhalten wird, indem Graphen direkt auf der ersten Isolierschicht durch CVD bereitgestellt wird.
Die Isolierschicht ist elektrisch isolierend. Derartige Materialien sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt und weisen vorzugsweise eine Leitfähigkeit auf, die bei Raumtemperatur (22 °C) mit weniger als 10^-5 S/cm, vorzugsweise weniger als 10^-6 S/cm gemessen wird. Alternativ kann dies in Bezug auf die Bandlücke der Materialien gemessen werden; Silizium weist eine Bandlücke von etwa 1,1 eV bis etwa 1,6 eV auf, während die eines Isolators viel größer ist, in der Regel größer als 3 eV, vorzugsweise größer als 4 eV.
Die Dicke der ersten Isolierschicht beträgt vorzugsweise von etwa 1 nm bis etwa 100 nm, vorzugsweise von etwa 2 nm bis etwa 50 nm, mehr bevorzugt von etwa 3 nm bis etwa 50 nm und noch mehr bevorzugt von etwa 5 nm bis etwa 30 nm. Dickere Schichten sind aufgrund der Auswirkung auf den Modulationswirkungsgrad weniger bevorzugt. Während die erste Isolierschicht vorzugsweise so dünn wie möglich sein kann, um den „Ansteuerungswirkungsgrad“ (Gating Efficiency) (d. h. die Empfindlichkeit der Fermi-Energie des Graphens gegenüber der angelegten Vorspannung) zu verbessern, erhöht eine dünne Isolierschicht außerdem die Kapazität, was zu einer Verringerung der Bandbreite führt. Dementsprechend kann die erste Isolierschicht eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen, um den Ansteuerungswirkungsgrad zu verbessern (d. h. die sogenannten „Dielektrika mit hohem k-Wert“ wie etwa die hierin beschriebenen Materialien umfassen oder vorzugsweise daraus bestehen). Die Dielektrizitätskonstante (k) der Isolierschicht kann höher als 2, vorzugsweise höher als 3 und noch mehr bevorzugt höher als 4 sein (bei 1 kHz bei Raumtemperatur gemessen). Die Dielektrizitätskonstante kann viel höher sein, wie etwa höher als 10. Zum Beispiel kann k etwa 16 betragen.
Vorzugsweise umfasst die erste Isolierschicht mehr als eine Schicht unterschiedlicher Isoliermaterialien. Dementsprechend kann ein geeignetes Isoliermaterial auf der oberen Oberfläche des Substrats und der Wellenleiter gebildet werden, während bevorzugte Materialien für das Graphenwachstum darauf gebildet werden können. Dementsprechend umfasst bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform die erste Isolierschicht eine Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht auf der oberen Oberfläche des Substrats und des Wellenleiters vorzugsweise Siliziumnitrid. Wie hierin beschrieben, kann SiN_x durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (Low Pressure Chemical Vapour Deposition, LPCVD) gebildet werden. Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen ist der eingebettete Wellenleiter ebenfalls Siliziumnitrid.
Es ist auch bevorzugt, dass die erste Isolierschicht eine Metalloxidschicht umfasst oder daraus besteht. Die Schicht kann eines oder mehreres der Metalloxide Al₂O₃, HfO₂, MgO, MgAl₂O₄, ZnO, Ga₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, Ta₂O₅, LiNbO₃, Y₂O₃, Y-stabilisiertes ZrO₂ (YSZ), ZrO₂, Y₃Al₅O₁₂ (YAG) sein. Noch mehr bevorzugt umfasst die erste Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren aus Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid.
Vorzugsweise wird die Metalloxidschicht auf der Siliziumoxid- oder Siliziumnitridschicht wie vorstehend beschrieben bereitgestellt, um eine Isolierschicht zu bilden, die mehr als eine Schicht umfasst. Die Metalloxidschicht stellt eine obere Oberfläche bereit, auf der dann Graphen bereitgestellt wird, vorzugsweise durch CVD gewachsen, wie hierin beschrieben. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Wellenleiterstruktur nach dem Graphenwachstum bei den relativ hohen Temperaturen intakt bleibt, die für die CVD erforderlich sind, wobei der Wellenleiter seine scharfen/glatten Schnittstellen beibehält. Dementsprechend erfordert der EOM der vorliegenden Erfindung eine flache Oberfläche, auf der Graphen bereitgestellt werden kann, um sich über und oberhalb des Wellenleitermaterials zu erstrecken (im Gegensatz zu Stegwellenleitern kann das übertragene Graphen in der Technik über die Seiten des vorstehenden Stegs des Wellenleitermaterials gefaltet werden). Das im Wesentlichen flache Graphen, das durch CVD erhältlich ist, ist von besonders hoher Qualität, sodass die vorteilhaften Nutzwerte, die dem Zweifachmaterial zugeordnet sind, in der endgültigen Vorrichtung beibehalten werden können. Insbesondere ist das zweidimensionale Material ein Halbmetall, dessen Dichte auf dem Fermi-Niveau aufgrund seiner elektronischen Struktur in Form von zwei Kegeln, die sich an dem sogenannten Dirac-Punkt treffen, im Wesentlichen null ist. In der Nähe des Dirac-Punktes können Ladungsträger als masselose Fermions modelliert werden, und bei ursprünglichem Graphen können Elektronen durch auftreffende Photonen mit einem breiten Bereich von Energien angeregt werden, in denen nur Zwischenbandübergänge zulässig sind. Die Lichtdurchlässigkeit von reinem Graphen ist im Wesentlichen frequenzunabhängig, was zu einer konstanten Absorption von etwa 2,3 % pro einzelner Monoschicht führt. Dementsprechend kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung über ein breites Spektrum von Wellenlängen hinweg arbeiten, die vorzugsweise von sichtbaren bis mittleren IR-Wellenlängen betrieben werden, wie in der Technik üblich.
Vorzugsweise dient die Vorrichtung zur Modulation von Licht von mindestens 300 nm bis zu 8000 nm, vorzugsweise von 500 nm bis zu 4000 nm, vorzugsweise von 1000 nm bis 2000 nm, am meisten bevorzugt von 1250 nm bis 1600 nm. Bei einer Ausführungsform sind Telekommunikationswellenlängen von 1500 nm bis 1600 nm bevorzugt. Dieser Bereich von etwa 1550 nm ist die sogenannte „lange Wellenlänge“ für die faseroptische Übertragung, die üblicherweise bei Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit und höherer Bandbreite verwendet wird. Übertragungsbereiche mit sogenannter „kurzer Wellenlänge“ reichen vorzugsweise von 800 bis 900 nm (d. h. etwa 850 nm und in der Regel Mehrmoden-Lichtleiter) zusammen mit von 1250 nm bis 1350 nm (d. h. etwa 1300 nm) bei anderen bevorzugten Ausführungsformen. Normalerweise werden Monomode-Fasern in der Telekommunikation verwendet, die bei den höheren Wellenlängen von 1300 nm und 1550 nm arbeiten.
Es versteht sich, dass ein Wellenleitermaterial mit geeigneter Transparenz für den Betrieb bei den gewünschten Wellenlängen ausgewählt werden muss. Beispielsweise ist Silizium für Licht über etwa 1,1 µm bis zu etwa 8 µm transparent. Lithiumniobat ist von etwa 250 nm bis etwa 4 µm und Siliziumnitrid von etwa 250 nm bis etwa 8 µm transparent. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass das Wellenleitermaterial für Licht über den Bereich von 1250 nm bis 1600 nm und wie vorstehend erörtert transparent ist, SiN_x, n-dotiertes Silizium oder unbeabsichtigt dotiertes Silizium sind geeignete bevorzugte Beispiele. Das Fermi-Niveau von Graphen kann durch Anlegen einer Gate-Spannung elektrisch abgestimmt werden. Durch Abstimmen des Fermi-Niveaus kann die Dichte von Zuständen abgestimmt werden, die für Zwischenbandübergänge verfügbar sind. Dementsprechend ermöglicht das Anlegen einer Gate-Spannung, dass das Graphen im Wesentlichen transparent wird eine Übertragung von Licht infolge einer sogenannten Pauli-Blockade zulässt. Dies geschieht, wenn die Fermi-Energie über die Hälfte der Photonenenergie erhöht wird, wodurch die Trägererregung aus dem Valenz- in das Leitungsband unterbunden wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Modulation mit höherer Qualität und gleichmäßigeren Graphen verbessert werden kann, das direkt durch CVD erhältlich sind.
Dementsprechend umfasst der elektrooptische Modulator eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über mindestens einem ersten Abschnitt des ersten Kanals aus Wellenleitermaterial angeordnet ist. Die Graphenschicht kann durch Laser- oder Plasmaätzen strukturiert werden, wie nach dem Stand der Technik bekannt ist. Das Graphen ist derart strukturiert, dass sich mindestens ein Abschnitt der Graphenschicht direkt über einen ersten Abschnitt des darunter liegenden Wellenleiters erstreckt. Mit anderen Worten sitzt mindestens ein Abschnitt des Wellenleiterkanals in einer Position, die sich in einer Richtung senkrecht zu der zweidimensionalen Graphenschicht befindet. Der erste Abschnitt bezieht sich auf einen Anteil der Breite des Wellenleiterkanals. Vorzugsweise beträgt der erste Abschnitt mindestens 50 % der Breite, vorzugsweise mindestens 75 % der Breite. Noch mehr bevorzugt ist das Graphen über mindestens die gesamte Breite des Wellenleiterkanals angeordnet. Es wird klar sein, dass sich das Graphen nur über einen Abschnitt der gesamten Länge des Wellenleiterkanals erstrecken kann, der in das darunterliegende Substrat eingebettet ist. Bei einer Ausführungsform erstreckt sich die Graphenschicht über mehrere Abschnitte der Länge des Wellenleiterkanals, die eine gitterartige Struktur bereitstellt. Die Länge des Wellenleitermaterials, über das sich das Graphen erstreckt (d. h. mindestens in jedem einzelnen kontinuierlichen Abschnitt und/oder als Summe mehrerer Abschnitte), kann mindestens 5 µm, vorzugsweise mindestens 10 µm, vorzugsweise mindestens 30 µm, mehr bevorzugt mindestens 50 µm, noch mehr bevorzugt mindestens 100 µm und/oder höchstens 1 cm, vorzugsweise höchstens 1 mm, mehr bevorzugt höchstens 500 µm, noch mehr bevorzugt höchstens 250 µm betragen. Es gibt keine spezifische Obergrenze, da mit abnehmender Rückkehr bei größeren Längen eine höhere Absorption erreicht wird; es ist allgemein bevorzugt, dass Vorrichtungen möglichst klein sind. Dementsprechend ist es bei einigen Ausführungsformen bevorzugt, dass die Länge höchstens 100 µm, vorzugsweise höchstens 75 µm und mehr bevorzugt höchstens 50 µm beträgt.
Es ist in der Fachwelt bekannt, dass Graphen direkt auf nicht-metallischen Oberflächen von Substraten synthetisiert, hergestellt und gebildet werden kann. Hierzu gehören Silizium und Saphir zusammen mit anderen exotischen Oberflächen wie III-V-Halbleitern. Die vorliegenden Erfinder stellten fest, dass das effektivste Verfahren zum Herstellen von hochwertigem Graphen, insbesondere direkt auf solchen nicht-metallischen Oberflächen, das in WO 2017/029470 offenbarte ist und hierin ausführlicher beschrieben ist. Das Verfahren von WO 2017/029470 wird idealerweise unter Verwendung eines MOCVD-Reaktors durchgeführt. MOCVD steht zwar für metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, da sie ursprünglich zur Herstellung von Halbleitermaterialien wie AlN und GaN aus metallorganischen Vorläufern wie AlMe₃ (TMA1) und GaMe₃ (TMGa) diente, doch sind solche Vorrichtungen und Reaktoren auch für nichtmetallorganische Vorläufer geeignet, wie Fachleuten bekannt ist. MOCVD kann synonym mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) verwendet werden.
Graphen ist ein sehr bekanntes zweidimensionales Material, das sich auf ein Allotrop von Kohlenstoff bezieht, das eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen in einem hexagonalen Gitter umfasst. Im hierin verwendeten Sinne bezeichnen die Begriffe Graphen und Graphenschicht eine oder mehrere Graphenschichten. Vorzugsweise ist die Graphenschicht eine Graphen-Monoschicht, die auch als Monoschicht-Graphenlage bezeichnet werden kann. Bei anderen Anwendungen kann mehrschichtiges Graphen verwendet werden, bei dem 2 oder 3 Graphenschichten bevorzugt werden können. Bei einigen Ausführungsformen kann das Graphen dotiert sein (n- oder p-dotiert), wie nach dem Stand der Technik bekannt ist. Verfahren zum Bilden von dotiertem Graphen sind auch in WO 2017/029470 beschrieben. Dotiertes Graphen kann vorzugsweise eine Ladungsträgerdichte von bis zu 10¹³ cm^-2, vorzugsweise bis zu 5×10¹² cm^-2 aufweisen.
Der EOM umfasst ferner eine zweite Isolierschicht, die auf und über die Graphenschicht hinweg bereitgestellt ist. Wenn das Graphen strukturiert wurde, wodurch die erste Isolierschicht freigelegt wurde, befindet sich die zweite Isolierschicht ebenfalls auf den freigelegten Abschnitten der ersten Isolierschicht, wodurch die Graphenschicht im Wesentlichen durch Isolatormaterial verkapselt wird. Dadurch wird die Graphenschicht vor atmosphärischer Kontamination geschützt, die ansonsten zu einer unerwünschten Drift der Ladungsträgerdichte und des Fermi-Niveaus der Graphenschicht führen würde. Dementsprechend wird der Betrieb des EOM durch eine derartige atmosphärische Kontamination negativ beeinflusst. Wie hierin beschrieben, können ein oder mehrere Abschnitte geätzt oder anderweitig entfernt werden, um die Bildung von ohmschen Kontakten mit der Graphenschicht zu ermöglichen.
Die hierin beschriebenen Materialien für die erste Isolierschicht können gleichermaßen für die zweite Isolierschicht verwendet werden. In ähnlicher Weise entspricht die Dicke der Beschreibung für die erste Isolierschicht und beträgt vorzugsweise weniger als 100 nm beschrieben. Dies ermöglicht eine feine Vorspannungsabstimmung des Fermi-Niveaus des Graphens. Vorzugsweise umfasst die zweite Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium. Vorzugsweise ist das Oxid Aluminiumoxid oder Hafniumoxid. Es ist auch bevorzugt, dass die zweite Isolierschicht aus dem gleichen Material wie die obere Schicht der ersten Isolierschicht gebildet ist. Wie hierin beschrieben, kann eine solche Schicht durch ein Verfahren wie ALD gebildet werden, das besonders geeignet ist, um direkt auf Graphen zu wachsen, ohne dass die Graphenschicht unbeabsichtigt dotiert oder beschädigt wird und in einigen Ausführungsformen dazu dient, eine weitere im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitzustellen, auf der eine Nicht-Graphen-Elektrode bereitgestellt werden kann.
Die Graphenschicht stellt eine erste Elektrode für den elektrooptischen Modulator bereit. Das heißt, wenn der elektrooptische Modulator in einer in einen Stromkreis geschaltet und in Betrieb ist, kann ein elektrischer Strom an die Graphenschicht angelegt werden kann. Elektrische Kontakte wie ohmsche Kontakte, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, können verwendet werden, um die Graphenschicht zur Verbindung in eine elektronische Schaltung zu kontaktieren.
Der elektrooptische Modulator umfasst ferner eine zweite Elektrode, die vorzugsweise eine nicht aus Graphen bestehende Elektrode ist. Während die zweite Elektrode hierin als eine nicht aus Graphen bestehende Elektrode erörtert wird, sollte bei einer weniger bevorzugten Ausführungsform klar sein, dass die Elektrode in allen Fällen stattdessen eine Graphenelektrode sein könnte.
Wie bei der ersten Graphenelektrode kann die zweite, nicht aus Graphen bestehende Elektrode ebenfalls mit Kontakten wie etwa ohmschen Kontakten versehen sein, um eine Verbindung mit einer elektronischen Schaltung zu ermöglichen. Vorzugsweise wird die zweite Elektrode durch ein Verfahren bereitgestellt, das kein Erwärmen eines Zwischenprodukts des elektrooptischen Modulators, der die erste Graphenelektrode umfasst, auf eine Temperatur von mehr als 500 °C einschließt, vorzugsweise durch ein Verfahren, das kein Erwärmen auf eine Temperatur von mehr als 400 °C, vorzugsweise nicht mehr als 300 °C, vorzugsweise nicht mehr als 200 °C, vorzugsweise nicht mehr als 100 °C und einschließt noch mehr bevorzugt im Wesentlichen ohne ein beliebiges Erwärmen einschließt (d. h. keine spezifisches Erwärmen des Zwischenprodukts, obwohl es klar sein wird, dass die Temperatur während der Abscheidung der zweiten Elektrode je nach verwendetem Verfahren schwanken kann). Dementsprechend ist es bevorzugt, dass die zweite Elektrode nicht durch chemische Dampfabscheidungsverfahren (Chemical Vapour Deposition - CVD-Verfahren) bereitgestellt (oder ausgebildet oder abgeschieden) wird. Vorzugsweise wird die zweite Elektrode durch physikalische Dampfabscheidung (Physical Vapor Deposition - PVD) bereitgestellt.
Bei einer Ausführungsform wird die nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht über mindestens einem Abschnitt des ersten Abschnitts des ersten Kanals des Wellenleitermaterials bereitgestellt. Mit anderen Worten, die zweite Elektrode überlappt mindestens den ersten Abschnitt, um sich über mindestens einen Teil des ersten Abschnitts zu erstrecken (wobei der erste Abschnitt vorzugsweise die gesamte Breite des Wellenleiterkanals ist, wie hierin beschrieben). Ebenso bevorzugt ist die zweite Elektrode über mindestens die gesamte Breite des Wellenleiterkanals angeordnet (wodurch sie über der Gesamtheit des ersten Abschnitts liegt). Die zweite Isolierschicht stellt eine im Wesentlichen flache Oberfläche bereit, auf der die zweite Elektrode bereitgestellt werden kann. Die zweite Elektrode wird über mindestens den ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials und damit über den entsprechenden Abschnitt der Graphenelektrode bereitgestellt. Die zwei Elektroden bilden daher eine Kondensatortyp-Anordnung.
Wenn die zweite Elektrode über der Graphenschicht bereitgestellt ist, kann sich die Elektrode innerhalb des optischen Modus des Wellenleitermaterials befinden. In einem solchen Fall ist es besonders bevorzugt, dass die zweite Elektrode eine transparente Elektrode ist. Geeignete Materialien sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt, von denen Indium-Zinnoxid (ITO), Indium-Gallium-Zinkoxid (InGaZnO; auch als IGZO bekannt) und amorphes Silizium bevorzugt sind. Dementsprechend umfasst die zweite Elektrode vorzugsweise ITO, IGZO oder amorphes Silizium.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt, das den ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials mindestens unterschneidet. Mit anderen Worten unterschneidet die zweite Elektrode mindestens den ersten Abschnitt, um sich unter mindestens einem Teil des ersten Abschnitts zu erstrecken (wobei der erste Abschnitt vorzugsweise die gesamte Breite des Wellenleiterkanals ist, wie hierin beschrieben). Ebenso bevorzugt ist die zweite Elektrode unter mindestens der gesamten Breite des Wellenleiterkanals angeordnet (wodurch sie unter der Gesamtheit des ersten Abschnitts liegt). Vorzugsweise ist die zweite Elektrode innerhalb des Substrats mit dem ersten Kanal des Wellenleitermaterials einstückig gebildet. Dementsprechend kann der erste Kanal des Wellenleitermaterials bei einigen Ausführungsformen selbst als zweite Elektrode fungieren. Infolgedessen ist das Wellenleitermaterial elektrisch leitfähig. Vorzugsweise beträgt die elektrische Leitfähigkeit mindestens 10^-2 S/cm (Ω^-1 cm^-1), vorzugsweise mindestens 10^-1 S/cm, mehr bevorzugt mindestens 10⁰ S/cm. Vorzugsweise umfasst die zweite Elektrode, wenn die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt ist, n-dotiertes Silizium. Vorzugsweise beträgt die Trägerkonzentration mindestens 10¹² cm^-3, vorzugsweise mindestens 10¹³ cm^-3. Normalerweise ist die Dotierung des Siliziums nicht höher als etwa 10¹⁹ cm^-3, n-dotiertes Silizium ist besonders bevorzugt als elektrisch leitfähiges Material, das als Wellenleitermaterial geeignet ist. Es wird klar sein, dass die zweite Elektrode weitere Kanäle aus zum Beispiel n-dotiertem Silizium umfasst, die innerhalb des Substrats eingebettet sind und sich zu einer freiliegenden Oberfläche des Substrats zur Verbindung mit einer elektronischen Schaltung erstrecken. Derartige eingebettete Elektroden (einschließlich derjenigen, die einstückig mit dem Wellenleitermaterial gebildet sind) sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt. Bei einigen Ausführungsformen ist das Wellenleitermaterial ein schwach n-dotiertes Silizium (z. B. mindestens 10¹² cm^-3 bis zu 10¹⁴ cm^-3), und der Verbindungskanal der zweiten Elektrode ist ein stark n-dotiertes Silizium (z. B. mindestens 10¹⁴ cm^-3 bis zu 10¹⁹ cm^-3) für eine verbesserte Leitung, ohne den Brechungsindex des Wellenleitermaterials zu beeinflussen.
Wie hierin beschrieben, umfassen bevorzugte Ausführungsformen des elektrooptischen Modulators eine erste Isolierschicht, die ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid umfasst. Ferner umfasst die erste Isolierschicht vorzugsweise ferner eine Siliziumnitridschicht direkt auf der oberen Oberfläche des Substrats, wobei die Isolierschicht das Oxid auf der Siliziumnitridschicht umfasst.
Bei einigen spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das Wellenleitermaterial SiN_x umfasst, die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist und die zweite Elektrode ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium umfasst.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wellenleitermaterial unbeabsichtigt dotiertes Silizium, die zweite Elektrode ist auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt, und die zweite Elektrode umfasst ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt, und die zweite Elektrode und das Wellenleitermaterial sind einstückig aus n-dotiertem Silizium gebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der elektrooptische Modulator ferner einen zweiten Kanal aus Wellenleitermaterial parallel zu und ausgerichtet über dem ersten Kanal des Wellenleitermaterials. Die Ausrichtung des zweiten Kanals über den ersten Kanal ermöglicht eine Modulation von Licht durch die einzelne Graphenschicht. Vorzugsweise sind die Querschnittsabmessungen des zweiten Wellenleiters im Wesentlichen die gleichen wie bei dem ersten Wellenleiter.
Wenn die zweite Elektrode innerhalb des Substrats eingebettet ist, wird der zweite Kanal des Wellenleitermaterials vorzugsweise auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt.
Alternativ kann bei Ausführungsformen, bei denen die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist, der zweite Kanal des Wellenleitermaterials vorzugsweise an der zweiten Elektrode bereitgestellt sein. Es versteht sich, dass sich der zweite Kanal parallel zu dem ersten Kanal aus Wellenleitermaterial und über das „aktive Gebiet“ hinaus erstreckt, das die Graphen- und Nicht-Graphen-Elektroden umfasst. Dementsprechend ist der zweite Kanal auch auf der zweiten Isolierschicht abschnittsweise bereitgestellt, wobei der erste Kanal des Wellenleitermaterials nicht direkt unter einer Graphenschicht und/oder insbesondere der zweiten Elektrode liegt.
Alternativ ist es auch bevorzugt, dass der elektrooptische Modulator ferner eine dritte Isolierschicht (wie etwa ein hierin beschriebenes Oxid) umfasst, die auf der zweiten Isolierschicht und der zweiten Elektrode bereitgestellt wird, wenn die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist. Vorzugsweise bestehen die zweite und dritte Isolierschicht aus dem gleichen Material. Der zweite Kanal des Wellenleitermaterials kann dann auf der dritten Isolierschicht und über dem ersten Kanal des Wellenleitermaterials, dem ersten Abschnitt der Graphenschicht und der zweiten Elektrode bereitgestellt werden. Durch Einschließen einer dritten Isolierschicht über das Zwischenprodukt vor dem Bilden des zweiten Wellenleiters kann ein einheitlicherer Wellenleiter als Ergebnis des Abscheidens des Kanals über eine einzelne Materialoberfläche der dritten Isolierschicht hinweg gebildet werden. Darüber hinaus wirkt die dritte Isolierschicht, um die zweite Elektrode während der Bildung des zweiten Wellenleiters zu schützen.
Wie hierin beschrieben, kann der EOM ferner Kontakte umfassen, um eine Verbindung der ersten und der zweiten Elektrode mit einer Schaltung zu ermöglichen. Vorzugsweise sind die Kontakte ohmsche Kontakte und sind jeweils in Kontakt mit der ersten oder der zweiten Elektrode bereitgestellt. Dies kann durch Ätzen der geeigneten Isolierschicht erreicht werden, um die Elektrode freizulegen. Bei einigen Ausführungsformen können ein Abschnitt der geeigneten Isolierschicht und ein entsprechender Abschnitt der darunterliegenden Elektrode gleichzeitig geätzt werden, wodurch ein Rand der Elektrode freigelegt wird. Dementsprechend ist es bevorzugt, dass ein ohmscher Kontakt in Kontakt mit einem Rand der Elektrode, vorzugsweise der Graphenschicht, bereitgestellt ist. Durch Bereitstellen eines ohmschen Kontakts an dem Rand der Graphenschicht kann ein unbeabsichtigtes Dotieren der Graphenschicht durch Minimieren der Kontaktfläche zwischen Graphen und dem ohmschen Kontakt vermieden werden. Darüber hinaus haben die Erfinder festgestellt, dass die Ladungsinjektion im Vergleich zu ohmschen Kontakten, die auf einer Oberfläche des Graphen bereitgestellt sind, an dem Graphenrand effizienter ist.
Ohmsche Kontakte werden typischerweise in einer Entfernung von dem Wellenleiter bereitgestellt, die ausreicht, um die Ausbreitung von Licht nicht zu beeinflussen. Bei einigen Ausführungsformen werden die Kontakte mindestens 300 nm, vorzugsweise mindestens 500 nm von dem Wellenleiter entfernt bereitgestellt. Vorzugsweise sind die ohmschen Kontakte Metallkontakte, die vorzugsweise ausgewählt sind aus einem oder mehreren von Titan, Nickel, Chrom, Platin, Palladium und Aluminium. Besonders bevorzugte Kontakte sind Ti/Al und Ni/Al. Vorzugsweise umfassen die Kontakte kein Gold.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Schaltung bereit, die den elektrooptischen Modulator nach einem vorstehenden Anspruch umfasst. Dementsprechend stellen die erste und die zweite Elektrode die Konnektivität der Vorrichtung mit dem Rest der Schaltung bereit. Es versteht sich, dass ein elektrooptischer Modulator bei Verwendung eine Lichtquelle Licht in den Kanal aus Wellenleitermaterial leitet. Die Lichtquelle kann zum Beispiel eine Glasfaser, in der Regel Silika (Siliziumdioxid) sein.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen verschiedene Verfahren zum Bilden verschiedener spezifischer Ausführungsformen des elektrooptischen Modulators des ersten Aspekts und insbesondere elektrooptische Modulatoren bereit, wobei die erste Isolierschicht ferner eine Siliziumnitridschicht direkt auf der oberen Oberfläche umfasst, die durch das Substrat und das eingebettete Wellenleitermaterial bereitgestellt wird.
Dementsprechend wird bei einem Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Bilden eines elektrooptischen Modulators, insbesondere eines, bei dem das Wellenleitermaterial SiN_x umfasst, die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt, und die zweite Elektrode umfasst ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium, wobei das Verfahren umfasst:

Bereitstellen eines Substrats, das einen darin geätzten ersten Kanal aufweist,
Füllen des ersten Kanals mit SiN_x und Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat hinweg durch Niederdruck-CVD;
mindestens teilweise Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche,
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphen-Monoschicht über die erste Isolierschicht hinweg durch CVD;
Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden; und
Bereitstellen der zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht.

Bei einem weiteren Verfahren zum Bilden eines elektrooptischen Modulators, insbesondere eines, bei dem das Wellenleitermaterial unbeabsichtigt dotiertes Silizium umfasst, wird die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt, und die zweite Elektrode umfasst ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium, umfasst das Verfahren:

Bereitstellen eines Substrats, das einen darin geätzten ersten Kanal aufweist,
Füllen des ersten Kanals mit unbeabsichtigt dotiertem Silizium;
Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal hinweg durch Niederdruck-CVD;
teilweises Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphen-Monoschicht über die erste Isolierschicht hinweg durch CVD;
Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden; und
Bereitstellen der zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht.

Bei noch einem weiteren Verfahren zum Bilden eines elektrooptischen Modulators, insbesondere eines, bei dem die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt wird und die zweite Elektrode und das Wellenleitermaterial einstückig aus n-dotiertem Silizium gebildet sind, umfasst das Verfahren:

Bereitstellen eines Substrats, das einen darin eingebetteten n-dotierten Siliziumkanal aufweist, wenn der Kanal ferner die zweite Elektrode umfasst, die einstückig aus n-dotiertem Silizium gebildet ist, das sich durch das Substrat erstreckt,
Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal hinweg durch Niederdruck-CVD;
teilweises Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden;
Bilden einer Graphen-Monoschicht über die erste Isolierschicht hinweg durch CVD;
Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden;
Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden.

Bei jedem der vorstehend beschriebenen Verfahrensaspekte könnte die zweite Elektrode alternativ als Graphenelektrode bereitgestellt sein. Verfahren zum Herstellen derartiger Elektroden werden hierin in Bezug auf die erste Elektrode (d. h. die Graphen-Monoschicht) erörtert. Die zweite Elektrode bei diesen Ausführungsformen wäre vorzugsweise ebenfalls eine Monoschicht.
Somit umfasst das Verfahren bei einem Aspekt zum Bilden eines EOM das Bereitstellen eines Substrats, das einen darin geätzten Kanal aufweist. Dies kann zum Beispiel durch Laser-, Plasma- und/oder reaktives Ionenätzen eines geeigneten Substrats (wie etwa eines Siliziumdioxids auf Siliziumsubstrat) erreicht werden, um einen Kanal in die Oberfläche des Substrats zu ätzen. Derartige Ätztechniken sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt.
Ein geeignetes Wellenleitermaterial wird innerhalb des geätzten Kanals der gewünschten Abmessungen abgeschieden, um den ersten Kanal des Wellenleitermaterials zu bilden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wellenleitermaterial Siliziumnitrid, und das Siliziumnitrid wird durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) in den geätzten Kanal abgeschieden. LPCVD ist besonders bevorzugt, um verlustarm im Wesentlichen SiN_x zu erreichen, und wird üblicherweise bei der Abscheidung bei Temperaturen von etwa 650 °C bis 900 °C durchgeführt. Normalerweise ist der Restwasserstoffkontakt in durch PECVD aufgewachsenem Siliziumnitrid viel höher, was zu einer höheren optischen Absorption insbesondere bei Telekommunikationswellenlängen führt. Außerdem weist das durch PECVD aufgewachsene Siliziumnitrid in der Regel eine höhere Porendichte auf.
Siliziumnitrid wird abgeschieden, um den geätzten Kanal für den Wellenleiter zu füllen, und ferner wird die Abscheidung fortgesetzt, um eine Schicht aus Siliziumnitrid über den Wellenleiterkanal und den Rest des Substrats hinweg bereitzustellen. Das Verfahren umfasst ferner das teilweise Ätzen der Siliziumnitridschicht, um eine im Wesentlichen flache Wachstumsoberfläche bereitzustellen (d. h. eine flache Oberfläche, auf die ein Isolieroxid abgeschieden werden kann).
Vorzugsweise wird das teilweise Ätzen der Siliziumnitridschicht durch chemisches mechanisches Polieren (CMP) oder Planarisieren durchgeführt. Vorzugsweise beträgt die Oberflächenrauheit der Siliziumnitridschicht bei Messung anhand ihres arithmetischen Mittels (Ra) weniger als 2 nm, vorzugsweise weniger als 1 nm, mehr bevorzugt weniger als 0,5 nm, noch mehr bevorzugt weniger als 0,25 nm. Ra wird vorzugsweise durch Atomkraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy, AFM) gemessen. Die Erfinder haben festgestellt, dass das Wachstum von Siliziumnitrid durch LPCVD, gefolgt von teilweisem Ätzen, vorteilhafterweise eine geeignet glatte und gleichmäßige Wachstumsoberfläche von Siliziumnitrid bereitstellt, auf der eine gleichmäßige Isolierschicht bereitgestellt werden kann. Die Erfinder haben festgestellt, dass besonders hochwertiges Graphen durch CVD direkt auf ein isolierendes Oxid aufgewachsen werden kann, das selbst eine glatte obere Oberfläche aufweist, insbesondere ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, wodurch der Aufbau eines EOM ermöglicht wird, der von den einzigartigen elektrooptischen Eigenschaften von Graphen profitieren kann. Die Verfahren schließen einen Schritt des Abscheidens eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf die Oberfläche der geätzten Siliziumnitridschicht, d. h. der Wachstumsoberfläche, ein, um die erste Isolierschicht zu bilden. Ein derartiger Schritt kann unter Verwendung einer beliebigen nach dem Stand der Technik bekannten Technik durchgeführt werden. E-Strahlabscheidung, PECVD, PEALD und ALD sind bevorzugte Techniken. Insbesondere wird die Atomlagenabscheidung bevorzugt, da die Erfinder festgestellt haben, dass die Oxidschicht bei Aufwachsen durch ALD sehr gleichmäßig bleibt, was die Bildung von sehr gleichmäßigem Graphen darauf durch CVD ermöglicht.
Die Verfahren umfassen ferner den Schritt des Bildens einer Graphen-Monoschicht über die erste Isolierschicht hinweg durch CVD. Das Graphen, das direkt auf der ersten Isolierschicht gebildet wird, bedeutet, dass das Graphen frei von beliebigem Kupfer oder einem anderen katalytischen Metall, einer Kontamination oder jeglichen Transfer-Polymerresten ist, die bei Prozessen nach dem Stand der Technik aufgrund von transferiertem Graphen unvermeidbar sind.
Vorzugsweise wird das Graphen durch CVD gemäß der Offenbarung von WO 2017/029470 aufgewachsen (deren Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist). Diese Veröffentlichung offenbart Verfahren zum Herstellen von Graphen; diese beruhen in erster Linie auf dem Erwärmen eines Substrats, das sich in einer Reaktionskammer befindet, auf eine Temperatur, die innerhalb des Zersetzungsbereichs eines auf Kohlenstoff basierenden Vorläufers des Graphenwachstums liegt, dem Einleiten des Vorläufers in die Reaktionskammer durch einen relativ kühlen Einlass, um einen ausreichend steilen Wärmegradienten hervorzurufen, der sich von der Substratoberfläche zu dem Punkt erstreckt, an dem der Vorläufer in die Reaktionskammer eintritt, sodass der Anteil des Vorläufers, der in der Gasphase reagiert, niedrig genug ist, um die Bildung von Graphen aus dem von dem zersetzten Vorläufer freigesetzten Kohlenstoff zu ermöglichen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Brausekopf mit mehreren Vorläufereintrittsstellen oder -einlässen, deren Trennung von der Substratoberfläche unterschiedlich sein kann und vorzugsweise weniger als 100 mm beträgt.
Das Aufwachsen von Graphen ist gleichbedeutend mit dem Synthetisieren, dem Fertigen, dem Herstellen und dem Bilden von Graphen. Die Verfahren umfassen das Bilden einer Graphen-Monoschicht durch CVD, die in einer CVD-Reaktionskammer stattfindet. Dieser Schritt des Bildens von Graphen umfasst in der Regel das Einleiten eines Vorläufers in einer Gasphase und/oder in einem Gas suspendiert in die CVD-Reaktionskammer. CVD bezieht sich im Allgemeinen auf eine Reihe von chemischen Dampfabscheidungstechniken, bei denen jeweils eine Vakuumabscheidung erfolgt, um dünne Schichten, z. B. zweidimensionale kristalline Materialien wie Graphen, zu produzieren. Flüchtige Vorläufer, die sich in der Gasphase befinden oder in einem Gas suspendiert sind, werden zersetzt, um die notwendigen Spezies freizusetzen, um das gewünschte Material, also Kohlenstoff im Falle von Graphen, zu bilden. Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Bilden von Graphen durch thermische CVD, wobei die Zersetzung eine Folge des Erwärmens des Vorläufers ist. Vorzugsweise ist die verwendete CVD-Reaktionskammer eine Kaltwand-Reaktionskammer, wobei eine mit dem Substrat gekoppelte Heizung die einzige Wärmequelle für die Kammer ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die CVD-Reaktionskammer einen nahe gekoppelten Brausekopf, der eine Vielzahl oder eine Anordnung von Vorläufereintrittsstellen aufweist. Derartige CVD-Einrichtungen, die einen nahe gekoppelten Brausekopf umfassen, sind für den Einsatz bei MOCVD-Prozessen bekannt. Dementsprechend kann das Verfahren alternativ auch durch einen MOCVD- und/oder unter Verwendung eines MOCFD-Reaktors durchgeführt werden, der einen nahe gekoppelten Brausekopf umfasst. In jedem Fall ist der Brausekopf vorzugsweise konfiguriert, eine Mindesttrennung von weniger als 100 mm, mehr bevorzugt von weniger als 25 mm, noch mehr bevorzugt von weniger als 10 mm, zwischen der Oberfläche der ersten Isolierschicht und der Vielzahl von Vorläufereintrittsstellen bereitzustellen. Es ist zu beachten, dass unter einer konstanten Trennung zu verstehen ist, dass die Mindesttrennung zwischen der Oberfläche des Substrats und jeder Vorläufereintrittsstelle im Wesentlichen dieselbe ist. Die Mindesttrennung bezieht sich auf die kleinste Trennung zwischen einer Vorläufereintrittsstelle und der Oberfläche der ersten Isolierschicht. Dementsprechend beinhaltet eine solche Ausführungsform eine „vertikale“ Anordnung, bei der die Ebene, die die Vorläufereintrittsstellen enthält, im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Oberfläche verläuft.
Die Vorläufereintrittsstellen in die Reaktionskammer werden vorzugsweise gekühlt. Die Einlässe oder, falls verwendet, der Brausekopf, werden vorzugsweise durch ein externes Kühlmittel, z. B. Wasser, aktiv gekühlt, um eine relativ kühle Temperatur der Vorläufereintrittsstellen aufrechtzuerhalten, so dass die Temperatur des Vorläufers beim Durchgang durch die mehreren Vorläufereintrittsstellen und in die Reaktionskammer weniger als 100 °C, vorzugsweise weniger als 50 °C beträgt.
Vorzugsweise erzeugt eine Kombination aus einer ausreichend geringen Trennung zwischen der Oberfläche und der Vielzahl von Vorläufereintrittsstellen und der Kühlung der Vorläufereintrittsstellen in Verbindung mit dem Erwärmen des Substrats auf innerhalb eines Zersetzungsbereichs des Vorläufers, im Allgemeinen auf über 700 °C, einen ausreichend steilen Wärmegradienten, der sich von der Substratoberfläche zu den Vorläufereintrittsstellen erstreckt, um die Graphenbildung auf der Substratoberfläche zu ermöglichen. Wie in WO 2017/029470 offenbart, können sehr steile Wärmegradienten verwendet werden, um die Bildung von hochwertigem und gleichmäßigem Graphen direkt auf nichtmetallischen Substraten vorzugsweise über die gesamte Oberfläche des Substrats hinweg zu ermöglichen. Das Substrat kann einen Durchmesser von mindestens 5 cm (2 Zoll), mindestens 15 cm (6 Zoll) oder mindestens 30 cm (12 Zoll) haben. Zu besonders geeigneten Einrichtungen für das hierin beschriebene Verfahren gehören ein Aixtron®-Close-Coupled-Showerhead®-Reaktor und ein Veeco®-TurboDisk-Reaktor.
Demzufolge umfasst in einer besonders bevorzugten Ausführungsform, wobei die Bildung von Graphen das Verwenden des Verfahrens beinhaltet, wie es in WO 2017/029470 offenbart ist:

Bereitstellen des Substrats, das die Schicht SiN_x und die erste Isolierschicht auf einem erwärmten Suszeptor in einer geschlossenen Reaktionskammer, wobei die nahe gekoppelte Reaktionskammer eine Vielzahl von gekühlten Einlässen aufweist, die so angeordnet ist, dass im Gebrauch die Einlässe über die Oberfläche der ersten Isolierschicht hinweg verteilt sind und eine konstante Trennung von der Oberfläche der ersten Isolierschicht aufweisen;
Kühlen der Einlässe auf weniger als 100 °C;
Einleiten eines Vorläufers in einer Gasphase und/oder suspendiert in einem Gas durch die Einlässe und in die CVD-Reaktionskammer, um dadurch den Vorläufer zu zersetzen und Graphen auf der Oberfläche der Isolierschicht zu bilden; und
Erwärmen des Suszeptors auf eine Temperatur von mindestens 50 °C über der Zersetzungstemperatur des Vorläufers, um einen Wärmegradienten zwischen der Oberfläche der ersten Isolierschicht und den Einlässen zu erzeugen, der steil genug ist, um die Bildung von Graphen aus dem von dem zersetzten Vorläufer freigesetzten Kohlenstoff zu ermöglichen;
wobei die konstante Trennung weniger als 100 mm, vorzugsweise weniger als 25 mm, noch mehr bevorzugt weniger als 10 mm beträgt.

Die Verfahren umfassen ferner die Schritte des Ätzens der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden, und einen zweiten Schritt des Abscheidens eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden.
Der Schritt des Ätzens des Graphens ermöglicht das Strukturieren des Graphens in eine gewünschte Form und Konfiguration. Bei einer Ausführungsform wird die zweite Isolierschicht vor dem Schritt des Ätzens des Graphens auf die Graphenschicht abgeschieden. Dementsprechend umfasst bei einer derartigen Ausführungsform der Schritt des Ätzens der Graphenschicht gleichzeitig das Ätzen von Abschnitten der darauf abgeschiedenen zweiten Isolierschicht. Eine derartige Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da das Graphen durch die zweite Isolierschicht vor Kontamination geschützt bleibt. Darüber hinaus werden durch Ätzen und Strukturieren des Graphens gleichzeitig mit der zweiten Isolierschicht nur die Ränder des Graphen freigelegt. Infolgedessen können Kontakte derartiger metallohmscher Kontakte abgeschieden werden, um nur einen Abschnitt des Randes der geätzten Graphen-Monoschicht zu berühren.
Verschiedene Verfahren umfassen ferner das Bereitstellen der transparenten zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht, wobei die Elektrode ITO, IGZO oder amorphes Silizium umfasst. Eine derartige Elektrode kann durch eine beliebige nach dem Stand der Technik bekannte Technik gebildet werden. Derartige Elektroden sind allgemein bekannte transparente Elektroden.
Zwar nutzen die bisherigen Graphen umfassenden elektrooptischen Modulatoren Graphen sowohl als erste als auch als zweite Elektrode, die Autoren der vorliegenden Erfindung haben jedoch festgestellt, dass unter den Bedingungen, die erforderlich sind, um Graphen durch CVD aufzuwachsen, durch Bereitstellen einer zweiten Graphenelektrode durch CVD die erste Graphenschicht durch die isolierenden Oxidschichten unerwünscht dotiert wird und der Prozess die EOM-Struktur beschädigt. Dennoch bietet die erste Graphenschicht, die durch CVD direkt auf die erste Isolierschicht aufgewachsen wurde, viele Vorteile gegenüber Graphen, das transferiert wurde. Ein derartiges Graphen ist von geringerer Qualität und kann aufgrund der unvermeidbaren Beschädigung und Dotierung, die während der Transferprozesse auftreten, keine einzigartigen elektronischen Eigenschaften bieten. Normalerweise bleibt Graphen, das durch CVD auf Kupferfolie aufgewachsen wurde, unbeabsichtigt und unvermeidlich mit Kupferatomen dotiert. Des Weiteren wird, um das Graphen aus der Kupferfolie zu entfernen, das Graphen verschiedenen Lösungsmitteln und Ätzlösungen ausgesetzt, die das Graphen und die Polymerbeschichtung, die zum Unterstützen des Graphens während des Prozesses verwendet werden, weiter kontaminieren und oftmals nie vollständig von der Graphenoberfläche entfernt werden. Schließlich führt der physische Transfer von Graphen zur Bildung von Rissen, zu Knittern und anderen Verformungen, die nicht vorhanden sind, wenn Graphen direkt auf das Substrat der Vorrichtung aufgewachsen wird. Dementsprechend haben die Erfinder versucht, die wünschenswerten elektronischen Eigenschaften der ersten Graphenschicht aufrechtzuerhalten, indem weitere Schritte vermieden werden, die andernfalls das Graphen unbeabsichtigt dotieren können. Dadurch wird die Leistung des graphenbasierten EOM verbessert.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner das Bilden von ohmschen Kontakten, um jede der ersten und der zweiten Elektrode (d. h. der Graphenelektrode und der nicht aus Graphen bestehenden Elektrode) zu berühren. Derartige Kontakte können durch E-Strahlabscheidung geeigneter Metalle wie etwa Titan, Nickel und/oder Aluminium gebildet werden.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird zunächst ein Substrat bereitgestellt, das einen darin eingebetteten n-dotierten Siliziumkanal aufweist und mit dem Wellenleiter einstückig gebildet ist, wodurch der Kanal des Wellenleitermaterials als zweite Elektrode betrieben werden kann. Ein derartiger eingebetteter Kanal ist nach dem Stand der Technik allgemein bekannt und kann unter Verwendung von Standard-Photolithographietechniken hergestellt werden. Der Kanal wird vorzugsweise so bereitgestellt, dass er sich auf die obere Oberfläche des Substrats erstreckt, sodass eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann. Bei alternativen Ausführungsformen kann das Substrat geätzt werden, um einen Abschnitt des Kanals und einen ohmschen Kontakt freizulegen, der auf dem n-dotierten Silizium abgeschieden ist.
Die vorliegende Offenbarung stellt außerdem eine Anordnung von elektrooptischen Modulatoren wie hierin beschrieben bereit, die gemeinsam ein Substrat nutzen. Dementsprechend ermöglichen die hierin beschriebenen Verfahren die Fertigung einer Vielzahl von elektrooptischen Modulatoren in einem einzigen Prozess. Vorzugsweise wird die Anordnung auf einem Substrat gefertigt, das einen Durchmesser von mindestens 5 cm (2 Zoll), mindestens 15 cm (6 Zoll) oder mindestens 30 cm (12 Zoll) aufweist. Ein derartiges Verfahren ermöglicht die Massenproduktion und Vermarktung von graphenbasierten elektrooptischen Modulatoren. Bisherige EOMs beruhen auf dem Transfer von Graphen, das nicht für eine Massenproduktion einer Vielzahl von Vorrichtungen über derartig große Substrate hinweg geeignet ist. Zwar werden Transfertechniken für die Produktion im Wafermaßstab wie etwa in ACS Nano 15, 3171-3187, (2021) verwendet, es ist jedoch ein komplexer mehrstufiger Transferprozess erforderlich, um die Risiken, die mit dem Graphentransfer verbunden sind, bei den Bemühungen zur Erzielung von Reproduzierbarkeit zu minimieren. Zusätzlich schließt der Transferprozess den Transferprozess mehrerer Kacheln von etwa 2 × 2,5 cm ein, die einzelne Domänen von Graphenkristallen umfassen. Die vorliegende Vorrichtung stellt qualitativ hochwertiges Graphen direkt auf der Oberfläche des Vorrichtungssubstrats bereit, wodurch die mit Transferprozessen verbundenen Risiken vermieden werden und die dann leicht in eine gewünschte Form geätzt werden können. Dementsprechend ermöglicht ein derartiges Verfahren die reproduzierbare Fertigung einer Vielzahl von EOMs mit einheitlicher elektronischer Leistung.
Bei einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen elektrooptischen Modulator bereit, der umfasst:

ein Substrat, das eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellt;
eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche hinweg;
eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht angeordnet ist;
eine zweite Isolierschicht, die auf und über die Graphenschicht hinweg bereitgestellt ist; und
einen ersten Kanal des Wellenleitermaterials, der auf der zweiten Isolierschicht angeordnet ist und über mindestens einem ersten Abschnitt der Graphenschicht angeordnet ist;
wobei die Graphenschicht eine erste Elektrode bereitstellt und wobei eine vorzugsweise nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode entweder:
- (i) das Substrat ist oder
- (ii) innerhalb des Substrats unter mindestens dem ersten Abschnitt der Graphenschicht bereitgestellt ist.

Der elektrooptische Modulator dieses weiteren Aspekts kann als äquivalent zu dem elektrooptischen Modulator des ersten Aspekts betrachtet werden, wobei ein zweites Wellenleitermaterial über der Graphenschicht (und dem ersten Kanal des Wellenleitermaterials) mit der Ausnahme angeordnet ist, dass der eingebettete Wellenleiter bei dem EOM dieses weiteren Aspekts nicht vorhanden ist. Infolgedessen kann die nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode einfach das Substrat selbst sein oder kann in einer äquivalenten Weise innerhalb des Substrats eingebettet sein, wie hierin in Bezug auf den EOM des ersten Aspekts beschrieben. Es versteht sich, dass es nicht maßgeblich ist, dass die eingebettete Elektrode aus einem geeigneten Wellenleitermaterial gebildet ist und/oder innerhalb einer geeigneten Ummantelung eingebettet ist, um als Wellenleiter zu wirken.
Vorzugsweise ist die nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode Silizium, das entweder (i) durch ein Siliziumsubstrat oder (ii) durch einen Abschnitt von Silizium innerhalb eines Substrats bereitgestellt wird. Es versteht sich, dass das Substrat eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die Elektrode, wenn sie innerhalb des Substrats bereitgestellt wird. Vorzugsweise ist, wenn die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt ist, das Silizium n-dotiertes Silizium innerhalb eines Siliziumdioxid- oder Siliziumsubstrats, oder das Silizium ist ein unbeabsichtigt dotiertes Silizium innerhalb eines Siliziumdioxidsubstrats.
Figuren
Die vorliegende Erfindung wird nun ferner in Bezug auf die folgende nicht einschränkende Figur weiter beschrieben, in denen:

1A eine Querschnittsansicht eines elektrooptischen Modulators gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
1B eine perspektivische Ansicht eines äquivalenten elektrooptischen Modulators ist.
2 eine Querschnittsansicht eines elektrooptischen Modulators gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
3 eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrooptischen Modulators gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
4 eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrooptischen Modulators gemäß der vorliegenden Erfindung ist.

1A ist eine Querschnittsansicht eines EOM 100 senkrecht zu der Richtung des Lichtwegs, wenn der EOM 100 in Gebrauch ist. Der Modulator 100 umfasst ein Substrat 105, das einen darin eingebetteten Kanal des Wellenleitermaterials 110 aufweist, sodass der Kanal des Wellenleitermaterials 110 und das Substrat 105 zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen, auf der eine erste Isolierschicht (115a und 115b) bereitgestellt ist. Der Kanal des Wellenleitermaterials ist unbeabsichtigt dotiertes Silizium, das eine Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹² cm^-3 aufweist. Der Wellenleiter 110 ist im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Lichtwegs und weist eine Querschnittsbreite von etwa 1200 nm und eine Höhe von etwa 250 nm auf.
Die erste Isolierschicht besteht aus einer unteren Schicht 115a und einer oberen Schicht 115b, wobei die untere Schicht 115a direkt auf der oberen Oberfläche durch das Substrat 105 und den Wellenleiter 110 bereitgestellt wird. Die untere Schicht 115a ist aus Siliziumnitrid gebildet und weist eine Dicke von etwa 15 nm auf. Die erste Isolierschicht umfasst eine obere Schicht 115b aus Aluminiumoxid, die eine Dicke von etwa 10 nm aufweist.
Der Modulator 100 umfasst ferner eine Monoschicht von Graphen 120, die auf der ersten Isolierschicht (115a und 115b) und insbesondere auf der oberen Aluminiumoxidschicht 115b und über die gesamte Breite des Kanals des Wellenleitermaterials 110 angeordnet ist. Die Monoschicht aus Graphen 120 wurde über die gesamte obere Aluminiumoxidschicht 115b hinweg durch CVD bei einer Temperatur von mehr als 900 °C gebildet, wobei das Graphen durch Laserätzen strukturiert wurde, sodass ein Abschnitt verbleibt, der sich über den Wellenleiter 110 erstreckt. Die Dicke der Siliziumnitrid- und der Aluminiumoxidschicht 115a und 115b wird zwischen dem Wellenleiter 110 und der Graphenschicht 120 gemessen.
Der Modulator 100 umfasst ferner eine zweite Isolierschicht 115c, die aus Aluminiumoxid gebildet ist, das auf und über die Graphen-Monoschicht 120 hinweg bereitgestellt ist. Dementsprechend ist in den Gebieten, in denen das Graphen geätzt und entfernt wurde (wie Gebieten, die nicht über dem Wellenleiter 110 liegen), das Aluminiumoxid der zweiten Isolierschicht 115c auch auf der oberen Schicht 115b der ersten Isolierschicht (115a und 115b) ausgebildet, die selbst auch aus Aluminiumoxid ausgebildet ist.
Die Graphen-Monoschicht 120 stellt eine erste Elektrode des EOM 100 bereit, und eine zweite Elektrode 125 aus Indium-Zinnoxid (ITO) ist auf der zweiten Isolierschicht 115c bereitgestellt und überlappt den gesamten Abschnitt der Graphen-Monoschicht 120, die über dem Wellenleiter 110 angeordnet ist. Dementsprechend erstreckt sich die ITO-Elektrode 125 auch über die gesamte Breite des Wellenleiters 110.
1B stellt eine perspektivische Ansicht eines äquivalenten elektrooptischen Modulators 100 bereit. Das Substrat 105 des Modulators 100 ist aus einer oberen Schicht 105a und einer unteren Schicht 105b gebildet. Die obere Schicht 105a kann nach dem Stand der Technik als Ummantelung bezeichnet werden und ist aus Siliziumdioxid gebildet. Der Wellenleiter 110 ist innerhalb der oberen Siliziumdioxidschicht 105a eingebettet. Das Substrat 105 umfasst ferner eine untere Schicht 105b, die aus Silizium gebildet ist.
2 stellt eine Querschnittsansicht eines weiteren elektrooptischen Modulators 200 bereit, der ein Siliziumdioxidsubstrat 205 umfasst, das einen darin eingebetteten Kanal aus Siliziumnitrid 210 als Wellenleiter aufweist, dessen Höhe etwa 300 nm und Breite etwa 700 nm betragen. Der Modulator 200 umfasst eine erste Isolierschicht (215a und 215b), die aus einer unteren Schicht aus Siliziumnitrid 215a gebildet ist, die durch LPCVD in demselben Schritt wie der Siliziumnitridwellenleiter 210 gebildet wurde. Die Höhe des Wellenleiters 210 wird in der Ebene gemessen, die die flache obere Oberfläche enthält, durch die die im Wesentlichen flache Grenze zwischen dem Substrat 205 und der unteren Siliziumnitridschicht 215a definiert ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass Siliziumnitrid ein besonders wirksames Wellenleitermaterial für elektrooptische Modulatoren ist und ferner die untere Schicht aus Siliziumnitrid 215a konformes Wachstum der oberen Oxidschicht 215b ermöglicht. Die erste Isolierschicht (215a und 215b) stellt eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche aus Hafniumoxid 215b bereit, auf der sehr einheitliches Graphen durch CVD einschließlich von dotiertem Graphen aufgewachsen werden kann, das den Modulator 200 mit verbesserter Leistung gegenüber bekannten Vorrichtungen bereitstellt. Dementsprechend umfasst der Modulator 200 nach dem Strukturieren eine dotierte Graphen-Monoschicht 220, die sich mindestens über die gesamte Breite des Wellenleiters 210 erstreckt. Dadurch wird sichergestellt, dass eine optimale Modulation erreicht werden kann.
Der Modulator 200 umfasst ferner eine zweite Isolierschicht, die wiederum aus dem gleichen Material wie das der oberen Schicht 215b der ersten Isolierschicht (215a und 215b) gebildet sein kann, obwohl ein beliebiges geeignete Material verwendet werden kann, wie hierin beschrieben. Die zweite Isolierschicht 215c wird daher aus Hafniumdioxid gebildet, auf dem eine nicht aus Graphen bestehende transparente Elektrode 225 bereitgestellt wird. Die Elektrode 225 kann aus IGZO gebildet sein und erstreckt sich mindestens teilweise über einen Abschnitt der Graphenschicht 220, der sich über den Wellenleiterkanal 210 erstreckt.
3 stellt eine Querschnittsansicht eines elektrooptischen Modulators bereit, der einen zweiten Kanal aus Wellenleitermaterial 335 umfasst. Wie bei den Modulatoren 100 und 200 umfasst der Modulator 300 ein Substrat 305, das wiederum vorzugsweise aus Siliziumdioxid gebildet ist, das einen darin eingebetteten Siliziumnitridwellenleiter 310 aufweist, obwohl eine beliebige andere geeignete Kombination von Substraten und Wellenleitern verwendet werden kann, wie nach dem Stand der Technik bekannt. Der Wellenleiter 310 kann eine Höhe von etwa 600 nm und eine Breite von etwa 800 nm aufweisen.
Der Modulator 300 umfasst eine erste Isolierschicht 315b, die aus Aluminium-Magnesiumoxid gebildet ist, auf dem eine Graphenschicht 320 bereitgestellt ist, die aus zwei Graphen-Monoschichten besteht. Es versteht sich, dass eine Graphenschicht ebenfalls bevorzugt sein kann. Die Graphenschicht 320 erstreckt sich mindestens über die gesamte Breite des Wellenleiterkanals 310, auf dem eine zweite Isolierschicht 315c aus weiterem Aluminium-Magnesiumoxid gebildet ist. Eine zweite Elektrode 325 ist auf der zweiten Isolierschicht 315c gebildet und aus amorphem Silizium gebildet, um sich ebenfalls über die gesamte Breite des Wellenleiters 310 und sich daher über den äquivalenten Abschnitt der Graphenschicht 310 zu erstrecken und diese zu überlappen, die sich über den Wellenleiter 310 erstreckt. Der zweite Kanal des Wellenleitermaterials 335 ist auf einer dritten Isolierschicht 315d bereitgestellt, die aus Aluminium-Magnesiumoxid gebildet ist und im Wesentlichen parallel zu dem ersten eingebetteten Kanal des Wellenleitermaterials 310 bereitgestellt ist. Dementsprechend unterschreiten die erste und die zweite Elektrode (320 und 325) den zweiten Wellenleiter 335 gleichermaßen und erstrecken sich über seine gesamte Breite.
Der Modulator 300 umfasst ferner ohmsche Kontakte (330a und 330b) in direktem Kontakt mit der ersten und der zweiten Elektrode (320 und 325). Insbesondere ist ein ohmscher Titan/Aluminium-Kontakt 330a auf der Oberfläche der Graphenschicht 320 über 800 nm horizontal von den Wellenleitern (310 und 335) bereitgestellt. In ähnlicher Weise ist ein Titan/Aluminium-Kontakt 330b auf der Oberfläche des amorphen Siliziumkontakts 325 mit einem ähnlichen Abstand von den Wellenleitern (310 und 335) bereitgestellt.
4 ist eine Querschnittsansicht eines elektrooptischen Modulators 400, der ein Substrat 205 und einen Kanal aus Wellenleitermaterial 410 umfasst, das aus mäßig n-dotiertem Silizium gebildet ist (das eine Dotierstoffkonzentration von etwa 10¹⁵ cm³ aufweist). Das Substrat 405 ist ferner mit einem Kanal des stark n-dotierten Siliziums 425 in Kontakt und einstückig mit dem Wellenleiter 410 gebildet. Zusammen stellen der Kanal 425 und der Wellenleiter 410 die zweite Elektrode des EOM 400 bereit, wodurch zwangsläufig die Graphen-Monoschicht 420 unterschnitten wird, die sich über die gesamte Breite des Wellenleiters erstreckt. Die Dotierstoffkonzentration des Kanals 425 beträgt etwa 10¹⁸ cm^-3 und ermöglicht dem Wellenleiter 410 aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des n-dotierten Siliziums als nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode zu arbeiten.
Der Modulator 400 umfasst ferner eine erste Isolierschicht (415a und 415b), die aus einer unteren Schicht aus Siliziumnitrid 415a und einer oberen Schicht gebildet ist, die ganz wie der Modulator 100 aus Aluminiumoxid gebildet ist. In ähnlicher Weise umfasst der Modulator 400 ferner eine Graphen-Monoschicht 420 auf der oberen Aluminiumoxidschicht 415a der ersten Isolierschicht, und eine zweite Schutzaluminiumoxid-Isolierschicht 415c ist auf der und über die Graphenschicht 420 hinweg bereitgestellt.
Die erste und die zweite Isolierschicht (415a, 415b und 415c) wurden geätzt, um den Kanal des n-dotierten Siliziums 425 an der Oberfläche des Substrats 405 freizulegen. In ähnlicher Weise wurde die zweite Isolierschicht zusammen mit einem Abschnitt der darunterliegenden Graphenschicht 420 geätzt, um den Rand der Graphenschicht 420 freizulegen. Die freiliegenden Abschnitte der Graphenelektrode 420 und der n-dotierte Siliziumkanal 425 stehen selbst mit einem ohmschen Nickel/Aluminium-Kontakt (430a bzw. 430b) in Kontakt. Infolgedessen bleibt die Graphenschicht 420 im Wesentlichen eingekapselt und vor atmosphärischer Kontamination geschützt, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung verbessert wird, da während des Gebrauchs atmosphärische Verunreinigungen daran gehindert werden, das Graphen unerwünscht zu dotieren.
Im hierin verwendeten Sinne schließt die Singularform von „ein“, „eine“ und „der“, „die“, „das“ Verweise auf den Plural mit ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorschreibt. Die Verwendung des Begriffs „umfassend“ ist so auszulegen, dass er derartige Merkmale umfasst, aber andere Merkmale nicht ausschließt, und er soll auch die Option einschließen, dass die Merkmale notwendigerweise auf die beschriebenen beschränkt werden. Mit anderen Worten beinhaltet der Begriff auch die Einschränkungen „im Wesentlichen bestehend aus“ (gemeint ist, dass bestimmte weitere Komponenten vorhanden sein können, sofern sie die wesentliche Eigenschaft des beschriebenen Merkmals nicht erheblich beeinträchtigen) und „bestehend aus“ (gemeint ist, dass kein weiteres Merkmal eingeschlossen werden darf, so dass, wenn die Komponenten als Prozentsätze nach ihren Anteilen ausgedrückt würden, diese sich auf 100 % summieren würden, unter Berücksichtigung unvermeidbarer Verunreinigungen), es sei denn, der Kontext schreibt eindeutig etwas anderes vor.
Es versteht sich, dass die Begriffe „erste/r/s“, „zweite/r/s“ usw. in diesem Schriftstück unter Umständen dazu verwendet werden, verschiedene Elemente, Schichten und/oder Anteile zu beschreiben, wobei die Elemente, Schichten und/oder Anteile aber durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden sollten. Diese Begriffe werden nur verwendet, um ein Element, eine Schicht oder einen Anteil von einem anderen oder einem weiteren Element, einer weiteren Schicht oder einem weiteren Anteil zu unterscheiden. Es versteht sich, dass der Begriff „auf“ „direkt auf“ derart bedeuten soll, dass keine dazwischenliegenden Schichten zwischen einem Material vorhanden sind, das als „auf“ einem anderen Material befindlich bezeichnet werden kann. Räumlich relative Begriffe wie etwa „unten“, „unterhalb“, „unterer/e/s“, „oben“, „oberhalb“, „oberer/e/s“ und dergleichen können hierin zur einfacheren Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu (einem) anderen Element(en) oder (einem) anderen Merkmal(en) zu beschreiben. Es versteht sich, dass die raumbezogenen Begriffe zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb einschließen sollen. Wenn zum Beispiel ein Substrat oder eine Vorrichtung umgedreht wird, die hierin beschrieben sind, wären Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ von anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben werden, „über“ oder „oberhalb“ der anderen Elemente oder Merkmale orientiert. Somit kann der beispielhafte Begriff „unten“ sowohl eine Orientierung von über oder unter umfassen. Der EOM kann anderweitig orientiert sein; und die hierin verwendeten räumlich relativen Deskriptoren können entsprechend interpretiert werden.
Die vorstehende detaillierte Beschreibung dient der Erläuterung und Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht einschränken. Viele Variationen der hierin veranschaulichten gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein und bleiben innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/056551 A1 [0004]
WO 2016/073995 A1 [0005]
CN 110989216 A [0006]
CN 105022178 A [0007]
US 2020149152 A1 [0008]
EP 2584397 A1 [0013]
US 10775651 B2 [0014]
WO 2017029470 [0034, 0035, 0065, 0069, 0070]

Claims

Elektrooptischer Modulator, umfassend: ein Substrat, das einen darin eingebetteten ersten Kanal des Wellenleitermaterials aufweist, wobei das Substrat und das Wellenleitermaterial zusammen eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche bereitstellen, eine erste Isolierschicht auf und über die obere Oberfläche hinweg; eine Graphenschicht, die auf der ersten Isolierschicht und über mindestens einem ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials angeordnet ist; und eine zweite Isolierschicht, die auf und über die Graphenschicht hinweg bereitgestellt ist; wobei die Graphenschicht eine erste Elektrode bereitstellt und wobei eine vorzugsweise nicht aus Graphen bestehende zweite Elektrode entweder: (i) auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist, die mindestens den ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials überlappt, oder (ii) innerhalb des Substrats mindestens den ersten Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials unterschneidend bereitgestellt ist.
Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine obere Schicht aus Siliziumdioxid auf einer unteren Schicht aus Silizium umfasst und der erste Kanal des Wellenleitermaterials in der oberen Schicht aus Siliziumdioxid eingebettet ist.
Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Wellenleitermaterial für Licht über den Bereich von 1250 nm bis 1600 nm transparent ist, vorzugsweise, wobei das Wellenleitermaterial SiN_x, n-dotiertes Silizium oder unbeabsichtigt dotiertes Silizium umfasst.
Elektrooptischer Modulator nach einem vorstehenden Anspruch, wobei das Graphen eine optional dotierte einschichtige Graphenlage ist.
Elektrooptischer Modulator nach einem vorstehenden Anspruch, wobei sich der erste Abschnitt des ersten Kanals des Wellenleitermaterials über eine Breite des ersten Kanals des Wellenleitermaterials hinweg erstreckt.
Elektrooptischer Modulator nach einem vorstehenden Anspruch, wobei die zweite Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid umfasst.
Elektrooptischer Modulator nach einem vorstehenden Anspruch, wobei die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist und transparent ist, vorzugsweise, wobei die zweite Elektrode ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium umfasst.
Elektrooptischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt ist und n-dotiertes Silizium umfasst.
Elektrooptischer Modulator nach einem vorstehenden Anspruch, ferner umfassend einen zweiten Kanal aus Wellenleitermaterial, der parallel zu und über dem ersten Kanal des Wellenleitermaterials ausgerichtet und bereitgestellt ist: (i) auf der zweiten Isolierschicht, wenn die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt ist; oder (ii) auf der zweiten Isolierschicht und auf der zweiten Elektrode, wenn die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist; oder (iii) auf einer dritten Isolierschicht bereitgestellt ist, die auf der zweiten Isolierschicht und der zweiten Elektrode bereitgestellt ist, wenn die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist.
Elektrooptischer Modulator nach einem vorstehenden Anspruch, wobei die erste Isolierschicht ein Oxid von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, vorzugsweise Aluminiumoxid oder Hafniumoxid umfasst.
Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 10, wobei die erste Isolierschicht ferner eine Siliziumnitridschicht direkt auf der oberen Oberfläche umfasst.
Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 11, wobei das Wellenleitermaterial SiN_x umfasst, die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist und die zweite Elektrode ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium umfasst.
Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 11, wobei das Wellenleitermaterial unbeabsichtigt dotiertes Silizium umfasst, die zweite Elektrode auf der zweiten Isolierschicht bereitgestellt ist und die zweite Elektrode ITO, InGaZnO oder amorphes Silizium umfasst.
Elektrooptischer Modulator nach Anspruch 11, wobei die zweite Elektrode innerhalb des Substrats bereitgestellt ist und die zweite Elektrode und das Wellenleitermaterial Integral aus n-dotiertem Silizium gebildet sind.
Schaltung, umfassend den elektrooptischen Modulator nach einem vorstehenden Anspruch.
Anordnung, umfassend eine Vielzahl von elektrooptischen Modulatoren nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren zum Bilden des elektrooptischen Modulators nach Anspruch 12, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats, das einen darin geätzten ersten Kanal aufweist; Füllen des ersten Kanals mit SiN_x und Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat hinweg durch Niederdruck-CVD; mindestens teilweise Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche, Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden; Bilden einer Graphen-Monoschicht über die erste Isolierschicht hinweg durch CVD; Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden; Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden; und Bereitstellen der zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht.
Verfahren zum Bilden des elektrooptischen Modulators nach Anspruch 13, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats, das einen darin geätzten ersten Kanal aufweist; Füllen des ersten Kanals mit unbeabsichtigt dotiertem Silizium; Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal hinweg durch Niederdruck-CVD; teilweises Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche; Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden; Bilden einer Graphen-Monoschicht über die erste Isolierschicht hinweg durch CVD; Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden; Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden; und Bereitstellen der zweiten Elektrode auf der zweiten Isolierschicht.
Verfahren zum Bilden des elektrooptischen Modulators nach Anspruch 14, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Substrats, das einen darin eingebetteten n-dotierten Siliziumkanal aufweist, wenn der Kanal ferner die zweite Elektrode umfasst, die einstückig aus n-dotiertem Silizium gebildet ist, das sich durch das Substrat erstreckt; Bilden einer Schicht aus SiN_x über das Substrat und den ersten Kanal hinweg durch Niederdruck-CVD; teilweises Ätzen der SiN_x-Schicht zum Bilden einer im Wesentlichen flachen Wachstumsoberfläche; Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium auf der Wachstumsoberfläche, um die erste Isolierschicht zu bilden; Bilden einer Graphen-Monoschicht über die erste Isolierschicht hinweg durch CVD; Ätzen der Graphen-Monoschicht, um die erste Elektrode zu bilden; Abscheiden eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium, um die zweite Isolierschicht zu bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Schritt des Abscheidens eines Oxids von einem oder mehreren von Aluminium, Hafnium und Magnesium zum Bilden der ersten und/oder der zweiten Isolierschicht durch ALD, E-Strahl, PECVD oder PEALD, vorzugsweise ALD erfolgt.