CN117761920B - 一种基于“bp-aha”异质集成的多模式微环谐振调制器 - Google Patents
一种基于“bp-aha”异质集成的多模式微环谐振调制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于“BP‑AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器包括，全通型微环，以及沉积在全通型微环内部的漏极、沉积在全通型微环外部的源极；源极和漏极之间由BP‑AHA结构连接，并且在BP‑AHA结构顶部沉积栅极。本发明可以通过栅极施加电压进行电压调制，也可以通过空间激光进行调制，实现了单器件的多模式调制，有一定的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及硅光子器件技术领域，特别是涉及一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器。
背景技术
为应对大数据“爆炸式”增长，延长“摩尔定律”的适用时效，“光互连集成电路”因其超大带宽、低功耗和低串扰等优势，有望替代传统“电互连”，实现高速信息交换。因此，光电链路中基于硅基光波导器件的研究相继展开，其与成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺兼容，并且伴随着各类有源、无源的硅基光子器件的实现逐渐成为最具前景的技术。而调制器的功能在于将数字或模拟数据调制成光波，以便在光学网络中进行传输和处理。在光电链路中的地位可谓重中之重。因此制造出高速率、低功耗、集成度高的调制器越来越成为电路转光路必须要克服的一个问题。
目前常见电光调制器中，利用微环谐振腔进行光路选择与干涉，响应速度较快的MRR型调制器，应用范围广，研究较为深入。但由于谐振对于温度以及波长较为敏感，因此MRR型调制器的带宽较小于其他类型如MZI型调制器，且微环结构对制作工艺提出了更高要求。因此，研究者们一直在寻求新的可以用于光调制的材料和器件结构，希望同时满足调制速率、功耗、集成度等一系列要求。以黑磷、石墨烯为代表的二维材料因其原子层厚度和优异的机械灵活性，可以无缝集成到硅光子电路或光纤系统中，并且因为其超快的载流子跃迁和弛豫时间，理论调制速度远远超过100GHz，在超快光调制方面有很大的应用前景。
二维材料黑磷(BP)，由于在垂直方向上存在对BP薄膜的电子约束，BP的带隙大小随着层数的减少而呈线性增加，使其具有从可见光至中波红外波段的光吸收。另外，BP的带隙可进一步通过化学掺杂或电场调控来调整。具有这些优异特性的BP为开发通信波长至中红外波长范围的高性能光电器件提供了新的机会，其可调能带结构非常适合开发新型调制器。而目前基于黑磷的调制器通过施加在黑磷上的偏压进行电压调控，改变电导率从而改变光吸收特性达到对光的调制；也有通过脉冲光源照射黑磷表面，进而达到以光调制光的目的。但目前这两种调制器各有功耗大，调制速率低等缺点，更重要的是二者适用范围大不相同，对于复杂多光路系统难以为继。
发明内容
为了解决现有技术中微环谐振调制器功耗大，调制速率低等缺点，对于复杂多光路系统难以为继的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器，所述微环谐振调制器包括，全通型微环；
以及沉积在所述全通型微环内部的漏极、沉积在所述全通型微环外部的源极；
所述源极和所述漏极之间由BP-AHA结构连接，并且在所述BP-AHA结构顶部沉积栅极。
优选地，所述源极采用Pt材料沉积在所述全通型微环外部，所述漏极采用Ti材料沉积在所述全通型微环内部。
优选地，所述BP-AHA结构包括沉积在所述全通型微环上的多层BP薄片，以及沉积在所述多层BP薄片上的AHA叠层异质结构；
其中，所述AHA叠层异质结构包括沉积在所述多层BP薄片上的第一Al2O3阻挡层，沉积在所述第一Al2O3阻挡层上的HfO2存储层，沉积在所述HfO2存储层上的第二Al2O3阻挡层。
本发明提供的一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器，采用二维材料黑磷与AHA叠层异质结构(Al2O3/HfO2/Al2O3)集成作为调制的应变材料，顶部栅极采用ITO(铟锡氧化物)作为电极，可通过栅极对器件施加电压进行电调制，同时ITO材料的透明性保证了该异质结构可通过空间光源照射进行光调制，实现了一个器件拥有两种调制模式，在“光计算”、“光互连”领域未来愈加复杂的光路环境下提出了一种可行的解决办法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器的结构图。
图2示出了图1中C-C方向截面图。
图3示出了本发明一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器的栅极电压调制的效果图。
图4示出了本发明一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器的空间脉冲激光调制的效果图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例，提供一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器包括，全通型微环1，以及沉积在全通型微环1内部的漏极2、沉积在全通型微环1外部的源极3。
进一步地，源极3采用Pt材料沉积在全通型微环1外部，漏极2采用Ti材料沉积在全通型微环1内部。
源极3和漏极2之间由BP-AHA结构4连接，并且在BP-AHA结构4顶部沉积栅极5。进一步地，栅极5采用ITO(铟锡氧化物)沉积在BP-AHA结构4顶部。
BP-AHA结构4包括沉积在全通型微环1上的多层BP薄片(多层二维材料黑磷薄片)401，以及沉积在多层BP薄片401上的AHA叠层异质结构(Al2O3/HfO2/Al2O3)402。
AHA叠层异质结构402包括沉积在多层BP薄片401上的第一Al2O3阻挡层4021，沉积在第一Al2O3阻挡层4021上的HfO2存储层4022，沉积在HfO2存储层4022上的第二Al2O3阻挡层4023。栅极5采用ITO(铟锡氧化物)沉积在第二Al2O3阻挡层4023上。
多层BP薄片401作为微环谐振调制器的BP沟道，AHA叠层异质结构402，用于微环谐振调制器的栅极电介质和电荷存储。
本发明针对现有微环型调制器调制方式单一的问题，以二维材料黑磷(BP)作为调制材料，与AHA叠层异质结构(Al2O3/HfO2/Al2O3)集成，倏逝波耦合于微环谐振腔波导，进而实现基于2D材料混合集成的多模式微环谐振调制器。
本发明的提供的一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器的制备方法包括：
制作源极3和漏极2，利用原子层沉积(ALD)系统沉积5nm的氧化铝薄膜作为绝缘层，制作完薄膜后，用电子束蒸发(E-beam evaporator,EBE)将设计好的电极图形转移到光刻胶上，然后使用电子束蒸发(E-beam evaporator,EBE)来蒸发Pt和Ti。最后将电极图剥离至硅片上，完成源极3和漏极2的制作。
通过机械剥离制作多层BP薄片401，将其转移至全通型微环1上，其间要注意方式BP氧化降解。通过原子层沉积(ALD)系统制作AHA叠层异质结构402。
在BP-AHA结构4顶部沉积栅极5。栅极5由ITO(氧化铟锡)制成，可以通过EBL(E-beam lithography，EBL)和脉冲溅射系统沉积制作。
本发明AHA叠层异质结构(Al2O3/HfO2/Al2O3)和二维材料黑磷(BP)的集成，使电荷(电子或空穴)可以从BP沟道隧穿，通过第一Al2O3阻挡层4021和第二Al2O3阻挡层4023阻挡，存储在HfO2存储层4022中，通过栅极5利用场效应有效地调制BP沟道。另外，第一Al2O3阻挡层4021与HfO2存储层4022之间，以及第二Al2O3阻挡层4023与HfO2存储层4022之间的电子亲和能势差提供了一个较高的隧穿势垒，大大提高了整个器件的稳定性与可靠性。
电压调制通过向栅极5施加电压脉冲以实现从BP沟道到HfO2存储层4022的电荷隧穿来对器件进行调制。
首先可以使用抑制脉冲(-3V振幅，50ms持续时间)将器件置为低电导的完全关闭状态。之后，可以通过施加具有0-6V范围幅度和20ms固定持续时间的正电压脉冲来对其进行调制。不同电压下全通型微环1上的多层BP薄片401对波导里的倏逝波吸收效果不同，从而引起谐振峰的变化，调制效果如图3所示。
本发明除了通过栅极5控制电压进行电调制，栅极5采用ITO(铟锡氧化物)沉积在BP-AHA结构4顶部，可以避免遮挡空间光，使得该器件还可以通过空间脉冲激光照射多层BP薄片401，进而达到脉冲光调制的目的，因此可以通过可见光的脉冲光照射以调制。
可以使用波长为780nm的光脉冲以10μW的功率对器件进行光调制，根据照射时间的不同使脉冲能量在10nJ和2μJ之间变化。不同的能量的光照使得材料的表面电导率等参数改变从而也可以使得全通型微环1里光被吸收的程度不同，从而达到调制的效果，调制效果如图4所示。
本发明可以通过栅极施加电压进行电压调制，也可以通过空间激光进行调制，实现了单器件的多模式调制，有一定的应用场景。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (1)
1.一种基于“BP-AHA”异质集成的多模式微环谐振调制器，其特征在于，所述微环谐振调制器包括，全通型微环；
以及沉积在所述全通型微环内部的漏极、沉积在所述全通型微环外部的源极；
所述源极和所述漏极之间由BP-AHA结构连接，并且在所述BP-AHA结构顶部沉积栅极；
所述源极采用Pt材料沉积在所述全通型微环外部，所述漏极采用Ti材料沉积在所述全通型微环内部；
所述BP-AHA结构包括沉积在所述全通型微环上的多层BP薄片，以及沉积在所述多层BP薄片上的AHA叠层异质结构；
其中，所述AHA叠层异质结构包括沉积在所述多层BP薄片上的第一Al2O3阻挡层，沉积在所述第一Al2O3阻挡层上的HfO2存储层，沉积在所述HfO2存储层上的第二Al2O3阻挡层。
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