本發(fā)明涉及硅基光電子集成芯片領(lǐng)域，具體涉及的是一種高帶寬的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器。

背景技術(shù)：

1、信息的感知與傳輸是信息科技的基石，硅光是一項(xiàng)有機(jī)融合光電子與微電子的器件技術(shù)，其在光通信上相較傳統(tǒng)分立光模塊具有更高帶寬、更低能耗、更高集成度等顯著優(yōu)勢。硅光強(qiáng)度調(diào)制器作為調(diào)諧光載波強(qiáng)度信號的關(guān)鍵功能器件，決定了發(fā)射光信號的碼率、質(zhì)量和傳輸距離。然而，基于硅材料載流子色散效應(yīng)的強(qiáng)度調(diào)制器存在著速度受限、調(diào)制效率低且制備繁瑣等性能瓶頸。石墨烯作為一種單原子層厚度的二維材料，具有超高的遷移率、較硅更大的電光系數(shù)及兼容硅光工藝等特點(diǎn)，有望為實(shí)現(xiàn)高帶寬的硅光強(qiáng)度調(diào)制器帶來新的機(jī)遇。

2、石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器的高頻帶寬決定于器件的電阻-電容（rc）參數(shù)。在現(xiàn)有的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器中，由于石墨烯與柵介質(zhì)異質(zhì)集成的過程中，其硅基室溫載流子遷移率與剩余載流子濃度等材料電學(xué)品質(zhì)會出現(xiàn)明顯退化，導(dǎo)致器件電阻-電容（rc）參數(shù)增大，降低了器件整體的高頻響應(yīng)帶寬。因此，發(fā)展一種可保持石墨烯材料品質(zhì)的柵介質(zhì)集成技術(shù)，進(jìn)而獲得高帶寬的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種高帶寬的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，該調(diào)制器利用無機(jī)分子晶體氧化銻/氧化鋁作為復(fù)合高 k柵介質(zhì)以保持石墨烯載流子遷移率等電學(xué)品質(zhì)，進(jìn)而有效降低器件電阻-電容（rc）參數(shù)；該調(diào)制器具有高帶寬及高調(diào)制效率優(yōu)勢。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，其包括硅光波導(dǎo)襯底、石墨烯-高 k柵介質(zhì)-石墨烯電容器結(jié)構(gòu)、偏壓端和接地端；

4、所述硅光波導(dǎo)襯底上設(shè)置石墨烯-高 k柵介質(zhì)-石墨烯電容器結(jié)構(gòu)；所述石墨烯-高 k柵介質(zhì)-石墨烯電容器結(jié)構(gòu)由上、下兩層石墨烯和上、下兩層石墨烯中間的高 k柵介質(zhì)組成；所述上、下兩層石墨烯兩端分別設(shè)置偏壓端和接地端；

5、所述上、下兩層石墨烯作為有源區(qū)吸光材料，用于對波導(dǎo)中光載波的吸收；所述偏壓端和接地端收集器件的光強(qiáng)度調(diào)制信號。

6、上述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器中，所述硅光波導(dǎo)襯底由寬400-1000?nm，高150-300?nm的條形硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及波導(dǎo)上層高度為10-40?nm的二氧化硅介質(zhì)層組成。

7、上述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器中，所述石墨烯為單層石墨烯；

8、所述上、下兩層石墨烯的交疊區(qū)域?qū)挾葹?00-1000?nm。

9、上述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器中，所述高k柵介質(zhì)為厚度1-5?nm的氧化銻加上厚度5-30?nm的氧化鋁；優(yōu)選為1-2?nm的氧化銻加10-30?nm的氧化鋁。

10、上述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器中，所述偏壓端和接地端與硅光波導(dǎo)之間的距離為0.5-1.5?μm；優(yōu)選為1-1.5?μm。

11、上述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器中，所述偏壓端施加的電壓為5-15?v。

12、上述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器中，所述偏壓端和接地端為厚度5-10?nm的鈀加上厚度50-100?nm的金；優(yōu)選為5-10?nm的鈀加50-60?nm的金；

13、所述石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器的高頻模擬帶寬為20-40?ghz。

14、所述石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器用于1550?nm通信波段的光信號強(qiáng)度調(diào)制。

15、所述石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器的長度為50-100?μm。

16、進(jìn)一步的，本發(fā)明還提供了上述石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器的制備方法，包括如下步驟：

17、（1）利用干法轉(zhuǎn)移將銅基cvd石墨烯轉(zhuǎn)移到硅光波導(dǎo)上，并對其進(jìn)行刻蝕，得到下層石墨烯；

18、（2）在（1）中所述下層石墨烯上蒸鍍鈀，然后再蒸鍍金；最后去除多余金屬；

19、（3）在（1）中所述下層石墨烯上蒸鍍氧化銻，然后再采用原子層沉積法沉積氧化鋁；

20、（4）采用與步驟（1）相同的方法制備上層石墨烯；

21、（5）采用與步驟（2）相同的方法蒸鍍鈀和金。

22、本發(fā)明的方法利用無機(jī)分子晶體氧化銻/氧化鋁作為復(fù)合高 k柵介質(zhì)，氧化銻作為無機(jī)分子晶體，其表面無懸掛鍵，可以與石墨烯形成范德華界面，石墨烯與氧化銻之間弱的界面相互作用使得保持石墨烯材料品質(zhì)成為可能；同時(shí)，氧化銻的表面高親水性可有效促進(jìn)后續(xù)原子層沉積過程中前驅(qū)體的吸附及后續(xù)氧化鋁的形成，加之原子層沉積的厚度精準(zhǔn)可控特性，因此氧化銻/氧化鋁復(fù)合柵介質(zhì)可以保持石墨烯電學(xué)品質(zhì)并降低器件電阻-電容（rc）參數(shù)，提高器件的高頻帶寬。該器件工藝簡單且可實(shí)現(xiàn)高速信號調(diào)制，有望促進(jìn)石墨烯/硅光通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。

23、本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

24、（1）本發(fā)明的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器利用無機(jī)分子晶體氧化銻/氧化鋁作為復(fù)合高 k柵介質(zhì)以保持石墨烯載流子遷移率等電學(xué)品質(zhì)，進(jìn)而有效降低了器件電阻-電容（rc）參數(shù)，提升了器件的高頻響應(yīng)帶寬，其帶寬最高可達(dá)20-40?ghz；

25、（2）本發(fā)明的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器的靜態(tài)調(diào)制消光比達(dá)到2-6?db，在50-100?μm的石墨烯長度下可以實(shí)現(xiàn)(0.8-3)×10-2db/v/μm的靜態(tài)調(diào)制效率。

技術(shù)特征：

1.一種石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，其包括硅光波導(dǎo)襯底、石墨烯-高k柵介質(zhì)-石墨烯電容器結(jié)構(gòu)、偏壓端和接地端；

2.?根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于：所述硅光波導(dǎo)襯底由寬400-1000?nm，高150-300?nm的條形硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及波導(dǎo)上層高度為10-40?nm的二氧化硅介質(zhì)層組成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于：所述石墨烯為單層石墨烯；

4.?根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于：所述高k柵介質(zhì)為厚度1-5?nm的氧化銻加上厚度5-30?nm的氧化鋁。

5.?根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于：所述偏壓端和接地端與硅光波導(dǎo)之間的距離為0.5-1.5?μm。

6.?根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于：所述偏壓端施加的電壓為5-15?v。

7.?根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于：所述偏壓端和接地端為厚度5-10?nm的鈀加上厚度50-100?nm的金。

8.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器的制備方法，包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種高帶寬的石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器，屬于硅基光電子集成芯片領(lǐng)域。該調(diào)制器包括硅光波導(dǎo)襯底、石墨烯?高k柵介質(zhì)?石墨烯電容器結(jié)構(gòu)、偏壓端和接地端；所述硅光波導(dǎo)襯底上設(shè)置石墨烯?高k柵介質(zhì)?石墨烯電容器結(jié)構(gòu)；所述石墨烯?高k柵介質(zhì)?石墨烯電容器結(jié)構(gòu)由上、下兩層石墨烯和上、下兩層石墨烯中間的高k柵介質(zhì)組成；所述上、下兩層石墨烯兩端分別設(shè)置偏壓端和接地端。本發(fā)明的調(diào)制器利用無機(jī)分子晶體氧化銻/氧化鋁作為復(fù)合高k柵介質(zhì)，可以有效保持石墨烯的硅基室溫載流子遷移率、剩余載流子濃度等材料電學(xué)品質(zhì)，從而減小器件的電阻?電容參數(shù)，為提升石墨烯/硅光強(qiáng)度調(diào)制器的高頻模擬帶寬提供了新的解決方案。

技術(shù)研發(fā)人員：彭海琳,錢君,武欽慈,邢露文,高欣,王興軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9