基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统技术方案

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

Optical refrigeration integrated circuit system based on periodic dielectric structure

The invention discloses an optical cooling integrated circuit system based on periodic dielectric structure, comprising an integrated circuit area and a light cooling area located around the integrated circuit. The integrated circuit refrigeration system provided by cyclical dielectric structure can use different parameters to form photonic band gap and phonon band gap, local photon defect mode and phonon defect mode respectively, and form optical mechanical coupling cavity. The efficient coupling of photon and phonon is achieved by the local domain of photon and phonon defect mode.

【技术实现步骤摘要】
基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统
本专利技术涉及集成电路和硅基微纳光子器件
，尤其是一种周期性电介质结构的集成电路制冷系统。
技术介绍
随着通信电子产品及设备向高速高频化、高集成度、小型化方向发展促使电子元器件集成度不断提高，相应的使得电子元器件内部功率密度不断突破新高，使得电子元器件发热量越来越大，影响了电子元器件的工作寿命。高温不但对其介电材料、孔内镀层和表面焊接点存在直接威胁，而且还间接影响到高频信号的传输质量。传统的解决方法是通过散热来降低器件的温度，按照散热方式可以分成主动式散热和被动式散热两种。主动式散热方式就是通过使用热传导材料(例如：铝，铜)制成的散热片将电子元器件散发的热量直接传导出来，然后借助热辐射、自然对流自然地将热量散发至周围环境中去，其散热效果和散热片的大小成正比。被动式散热就是通过散热设备将散热片发出的热量带走，其散热效率得到提高。但是传统散热方法器件集成度不高，设备稳定性不好，且成本较高。随着新世纪现代物理学的发展，人们开始探索介观，甚至宏观物体的量子现象。腔光机力学(CavityOptomechanics)作为探索介观量子物理的方向，近年来受到了广泛关注并迅速发展。声子是物质晶格机械振动的量子化描述，腔光机力学研究光子-声子的相互作用，在腔光机系统中同时支持光学模式和机械模式，光通过光力影响机械振动，机械振动又反过来通过改变光模，实现光模和机械模式的相互作用，也就是光子和声子的相互耦合。光机晶体是一种具有一定周期结构的微纳器件，同时支持光子和声子能带。这使得光机晶体可以同时操控光子和声子，利用光机晶体微腔同时局域和调控光子-声子，甚至可以将介观/宏观尺度的片上系统致冷至量子基态，即不含声子的“超冷”真空态，这一结果是十分诱人的。利用光机晶体腔来实现集成电路系统的制冷具有美好的研究前景，但在实验研究上仍有许多待解决的问题。例如：如何增强光子和热声子的耦合强度等。
技术实现思路
本专利技术是为了解决如何利用不同设计参数的光机耦合腔，最终实现光子和声子的高效耦合，从而实现高效制冷。为解决上述技术问题，本专利技术一种基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统。通过在多层集成电路层周围引入周期性介质结构，形成光机耦合腔，将所述层产生的热转换为光能输出，所述热的所述转换可沿着所述层的全部长度。本专利技术具体是这样实现的：一种基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，包括：集成电路区，以及位于集成电路周围的光制冷区。更进一步的方案是：所述的光制冷区为横向光机晶体腔，所述的横向光机晶体腔包括：硅衬底、二氧化硅隔离层、硅平板、顶层二氧化硅层和空气隔离区；所述硅衬底，用于承载整个横向光机晶体腔；所述二氧化硅隔离层，用于隔离所述硅衬底和硅平板；所述硅平板，位于所述二氧化硅隔离层之上，所述硅平板包括不同大小的空气孔阵列，其用于局域光子和热声子缺陷模式，实现光子和热声子的耦合；其中集成电路区位于硅平板的中间；所述顶层二氧化硅层，位于所述硅平板之上，其与所述二氧化硅隔离层配合以保护所述硅平板；所述空气隔离区，位于横向光机晶体腔的下部，且位于硅衬底与硅平板之间。其中，所述空气孔沿集成电路区两侧对称分布，且空气孔的半径从外至内依次减小；所述硅平板的波导宽度为300nm-800nm，厚度为200nm-500nm；所述二氧化硅隔离层和顶层二氧化硅层的厚度为300nm～3μm。采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成输入波导区、横向光机晶体腔、输出波导区。更进一步的方案是：所述的光制冷区为纵向DBR腔，包括：多层周期性介质层和位于多层周期性介质层之间的集成电路区；所述多层周期性介质层，由交替的多层高折射率和低折射率材料组成；所述集成电路区为多层集成电路层，采用3D裸片堆叠技术；所述裸片包括有源表面和衬底；所述有源表面将多个层间电路通道耦合在一起；所述层间电路通道在所述裸片间隙之间形成；所述衬底，用于支撑电路结构。其中，所述多层周期性介质层厚度为300nm-400nm；多层周期性介质层是由AlN(XX1)和GaN(XX2)两种材料交替而成，其折射率分别为2.30(n1)和2.43(n2)。区别于
技术介绍
，本专利技术提供的周期性电介质结构的集成电路制冷系统，可利用参数不同的结构分别形成光子带隙和声子带隙，局域光子缺陷模式和声子缺陷模式，形成光机耦合腔。通过对光子和声子缺陷模式的局域，最终实现光子和声子的高效耦合。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的横向光机晶体腔制冷系统示意图；图2是本专利技术实施例1提供的横向光机晶体腔的三维孔结构单元；图3是本专利技术实施例1提供的横向光机晶体腔的示意图；图4是本专利技术实施例1提供的横向光机晶体腔的光子能带图；图5是本专利技术实施例1提供的横向光机晶体腔的声子能带图；图6是本专利技术实施例2提供的纵向DBR腔制冷系统示意图；图7是本专利技术实施例2提供的纵向DBR腔的周期介质层结构；图8是本专利技术实施例2提供的集成电路层结构示意图；图9是本专利技术实施例2提供的纵向DBR腔的光子能带图；图10是本专利技术实施例2提供的纵向DBR腔的声子能带图。具体实施方式为使本专利技术的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。实施例1请参阅图1至图3，图3为本专利技术实施例1提供的横向光机晶体腔的示意图，所述光机晶体腔包括：硅衬底1、二氧化硅隔离层2、硅平板3、顶层二氧化硅层4和空气隔离区5。所述硅衬底1，用于承载整个光机晶体腔。所述二氧化硅隔离层2，用于隔离所述硅衬底1和硅平板3。所述硅平板3，位于所述二氧化硅隔离层2之上，所述硅平板包括不同大小的空气孔阵列，其用于局域光子和热声子缺陷模式，实现光子和热声子的耦合；所述顶层二氧化硅层4，位于所述硅平板3之上，其与所述二氧化硅隔离层2配合以保护所述硅平板3。所述空气隔离区5，位于所述二氧化硅隔离层2和顶层二氧化硅层4之间。图2是本专利技术实施例1提供的横向光机晶体腔的三维孔结构单元，通过改变不同几何结构参数，最终实现光子和声子的高效耦合，从而实现高效制冷。图1是本专利技术实施例1提供的横向光机晶体腔制冷系统示意图，其光子能带和声子能带请参阅图4和图5。可选的，所述硅平板3的波导宽度为300nm-800nm。可选的，所述二氧化硅层4的厚度为300nm～3μm。可选的，采用电子束曝光和干法刻蚀工艺在所述硅平板上形成输入波导区、光机晶体腔区、输出波导区。实施例2请参阅图6至图8，图7为本专利技术实施例2提供的纵向DBR腔的周期介质层结构，包括：高折射率介质层6，低折射率介质层8、集成电路层7。图8为本专利技术实施例2提供的集成电路层结构示意图，采用3D裸片堆叠技术；所述裸片11包括有源表面9和衬底10；所述有源表面将多个层间电路通道12耦合在一起；所述层间电路通道在所述裸片间隙之间形成；所述衬底，用于支撑电路结构。图6为本专利技术实施例2提供的纵向DBR腔制冷系统示意图，其光子能带和声子能带请参阅图9和图10。可选的，所述多层周期性介质层厚度为300nm-400nm。可选的，所述多层周期性介质层是由AlN(XX1)和GaN(XX2)两种材料交替而成，其折射率分别为2.30(n1)和2.43(n2)。基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，其特征在于，包括：集成电路区，以及位于集成电路周围的光制冷区。

【技术特征摘要】
1.一种基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，其特征在于，包括：集成电路区，以及位于集成电路周围的光制冷区。2.根据权利要求1所述的基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，其特征在于：所述的光制冷区为横向光机晶体腔，所述的横向光机晶体腔包括：硅衬底、二氧化硅隔离层、硅平板、顶层二氧化硅层和空气隔离区；所述硅衬底，用于承载整个横向光机晶体腔；所述二氧化硅隔离层，用于隔离所述硅衬底和硅平板；所述硅平板，位于所述二氧化硅隔离层之上，所述硅平板包括不同大小的空气孔阵列，其用于局域光子和热声子缺陷模式，实现光子和热声子的耦合；其中集成电路区位于硅平板的中间；所述顶层二氧化硅层，位于所述硅平板之上，其与所述二氧化硅隔离层配合以保护所述硅平板；所述空气隔离区，位于横向光机晶体腔的下部，且位于硅衬底与硅平板之间。3.根据权利要求2所述的基于周期性电介质结构的光制冷集成电路系统，其特征在于：所述空气孔沿集成电路区两侧对称分布，且空气孔的半径从外至内依次减小；所述硅平板的波导宽度为300nm-800nm，厚度为200...

【专利技术属性】
技术研发人员：张也平，艾杰，向艳军，马烈华，李涛，马景芳，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51