一种片上集成改变石墨烯能带的结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种片上集成改变石墨烯能带的结构及其制备方法，涉及片上集成光电子器件领域，该结构包括衬底，其宽度、长度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；形成于衬底表面上的高折射率光波导层以及未被高折射率光波导层覆盖的衬底表面上的第一低折射率材料层；形成于高折射率光波导层与第一低折射率材料层表面上的第一氮化硼材料层；形成于第一氮化硼材料层表面上的石墨烯材料层；形成于石墨烯材料层表面上的第二氮化硼材料层；形成于第二氮化硼材料层表面上的第二低折射率材料层；形成于第二低折射率材料层表面上的金属热电极；以及光输入端和光输出端。本发明专利技术提供的片上集成改变石墨烯能带的结构的制备方法简单、成本较低。

【技术实现步骤摘要】
一种片上集成改变石墨烯能带的结构及其制备方法
本专利技术涉及片上集成光电子器件领域，具体涉及一种片上集成改变石墨烯能带的结构及其制备方法。
技术介绍
在光电子集成电路中，光学调制器是最重要的集成器件之一，它将电信号转换成高码率的光数据。光学调制器是利用材料具有热光效应、电光效应、磁光效应、电吸收效应，来调制光的相位、振幅、偏振。通常设计的器件结构类型有马赫曾德干涉仪、环谐振器、光子晶体，但他们都存在很多缺点，如：调制效率不高、响应速率慢、操作带宽小、温度敏感、体积大等。石墨烯作为一种新型材料具有优异的光电子学特性，例如，宽带光响应、与光的强相互作用，超快载流子迁移速率等，结合硅基光波导结构，可以实现对光的宽带、高效调制。石墨烯光调制器的基本原理是调节石墨烯的费米能级(能带结构)，实现光强度变化(即开关)。目前基于金属-氧化物-半导体(MOS)结构改变石墨烯能带的方法过于复杂，制备难度大、成本相对较高。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种片上集成改变石墨烯能带的结构及其制备方法。本专利技术基于热变形导致石墨烯能带的改变的原理提出的改变石墨烯能带的结构的制备方法简单，易于片上集成，且制备成本较低。为达到以上目的，本专利技术第一方面提供了一种片上集成改变石墨烯能带的结构，其包括：衬底，其宽度、长度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；形成于所述衬底表面上的高折射率光波导层以及未被所述高折射率光波导层覆盖的衬底表面上的第一低折射率材料层；形成于所述高折射率光波导层与所述第一低折射率材料层表面上的第一氮化硼材料层；形成于所述第一氮化硼材料层表面上的石墨烯材料层；形成于所述石墨烯材料层表面上的第二氮化硼材料层；形成于所述第二氮化硼材料层表面上的第二低折射率材料层；形成于所述第二低折射率材料层表面上的金属热电极；以及光输入端和光输出端；其中，所述第I方向上具有相对设置的第一端和第二端；所述光输入端与所述第一端连接，所述光输出端与所述第二端连接。在上述技术方案的基础上，所述高折射率光波导层的折射率为1.9-4.2。在上述技术方案的基础上，所述高折射率光波导层的材料包括砷化镓、锗、硅和氮化硅中的一种或多种。在上述技术方案的基础上，所述高折射率光波导层的厚度为150-1000nm，所述高折射率光波导层在所述第II方向上的长度为450-800nm。在上述技术方案的基础上，所述石墨烯材料层包括单层或多层石墨烯；所述石墨烯材料层的厚度为0.35-3.5nm。在上述技术方案的基础上，所述第一低折射率材料层和第二低折射率材料层的折射率相同或不相同，各自独立地为1.2-1.8。在上述技术方案的基础上，所述第一低折射率材料层和所述第二低折射率材料层的材料相同或不相同，各自独立地包括二氧化硅、氮化硼和氮化硅中的一种或多种。在上述技术方案的基础上，所述金属热电极的材质包括铬、氮化钛和氮化坦中的一种或多种。在上述技术方案的基础上，所述金属热电极与所述高折射率光波导层在所述第III方向上的距离为500-5000nm。本专利技术第二方面提供了一种根据本专利技术第一方面所述的片上集成改变石墨烯能带的结构的制备方法，其包括如下步骤：在所述衬底的表面上形成高折射率光波导层；在未被所述高折射率光波导层覆盖的衬底表面上以及所述高折射率光波导层的表面上沉积第一低折射率材料层；在所述高折射率光波导层与所述第一低折射率材料层表面上形成第一氮化硼材料层；在所述第一氮化硼材料层表面上形成石墨烯材料层；在所述石墨烯材料层表面上形成第二氮化硼材料层；在所述第二氮化硼材料层表面上沉积第二低折射率材料层；在所述第二低折射率材料层表面上沉积金属热电极。本专利技术第三方面提供了一种片上集成改变石墨烯能带的方法，其采用根据本专利技术第一方面所述的片上集成改变石墨烯能带的结构或根据本专利技术第二方面所述的制备方法制备的片上集成改变石墨烯能带的结构，所述方法包括：将耦合光经所述光输入端进入所述高折射率光波导层；对所述金属热电极施加电流，使得所述石墨烯材料层中的石墨烯在所述第二低折射率材料层由于所述金属热电极的热作用下形变而产生的压力下发生能带的改变；根据所述光输出端与所述光输入端之间的光强度大小变化，确定所述石墨烯材料层中石墨烯能带的改变程度。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术提供的片上集成改变石墨烯能带的结构包含金属热电极、第二低折射率材料层、第二氮化硼材料层、石墨烯材料层、第一氮化硼材料层以及高折射率光波导层，可实现基于热变形改变石墨烯的带隙结构。(2)本专利技术提供的片上集成改变石墨烯能带的结构的制备方法在衬底上依次形成高折射率光波导层、第一低折射率材料层、第一氮化硼材料层、石墨烯材料层、第二氮化硼材料层、第二低折射率材料层以及金属热电极，形成片上集成改变石墨烯能带的结构，该制备方法简单、制备成本较低。(3)本专利技术提供的片上集成改变石墨烯能带的方法利用金属热电极对第二低折射率材料层进行加热，以对石墨烯材料层中的石墨烯施加压力，继而引起石墨烯能带的改变，可以实现对高折射率光波导层传输模式的调节。附图说明图1为本专利技术实施例的片上集成改变石墨烯能带的结构的示意图；图2为本专利技术实施例的片上集成改变石墨烯能带的结构的制备方法的流程图；图3为本专利技术实施例中的衬底的结构示意图；图4为本专利技术实施例中形成高折射率光导层后的结构的示意图；图5为本专利技术实施例中形成第一低折射率材料层后的结构示意图；图6为本专利技术实施例中对第一低折射率材料层进行平坦化后的结构的示意图；图7为本专利技术实施例中形成第一氮化硼材料层、石墨烯材料层以及第二氮化硅材料层后的结构的示意图；图8为本专利技术实施例中形成第二低折射率材料层后的结构的示意图；图9为本专利技术实施例的片上集成改变石墨烯能带的方法的流程图。图中，相同的结构采用相同的附图标记表示，附图标记的含义如下：10-衬底，11-有硅基片，201-高折射率光波导层，301-第一低折射率材料层，202-第一氮化硼材料层，203-石墨烯材料层，204-第二氮化硼材料层，302-第二低折射率材料层，401-金属热电极。具体实施方式为使本专利技术更加容易理解，以下结合附图及具体实施例来详细说明本专利技术。应当理解，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术提供了一种片上集成改变石墨烯能带的结构，包括：衬底10，其宽度、长度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；形成于衬底10表面上的高折射率光波导层201以及未被高折射率光波导层201覆盖的衬底10表面上的第一低折射率材料层301；形成于高折射率光波导层201与第一低折射率材料层301表面上的第一氮化硼材料层202；形成于第一氮化硼材料层202表面上的石墨烯材料层203；形成于石墨烯材料层203表面上的第二氮化硼材料层204；形成于第二氮化硼材料层204表面上的第二低折射率材料层302；形成于第二低折射率材料层302表面上的金属热电极401；以及光输入端和光输出端。第I方向上具有相对设置的第一端和第二端；光输入端与第一端连接，光输出端与第二端连接(图中未示出)。优选地，高折射率光波导层201的折射率为1.9-4.2。优选地，高折射率光波导层201的材料包括砷化镓(GaAs)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片上集成改变石墨烯能带的结构，其包括：衬底(10)，其宽度、长度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；形成于所述衬底(10)表面上的高折射率光波导层(201)以及未被所述高折射率光波导层(201)覆盖的衬底(10)表面上的第一低折射率材料层(301)；形成于所述高折射率光波导层(201)与所述第一低折射率材料层(301)表面上的第一氮化硼材料层(202)；形成于所述第一氮化硼材料层(202)表面上的石墨烯材料层(203)；形成于所述石墨烯材料层(203)表面上的第二氮化硼材料层(204)；形成于所述第二氮化硼材料层(204)表面上的第二低折射率材料层(302)；形成于所述第二低折射率材料层(302)表面上的金属热电极(401)；以及光输入端和光输出端；其中，所述第I方向上具有相对设置的第一端和第二端；所述光输入端与所述第一端连接，所述光输出端与所述第二端连接。

【技术特征摘要】
1.一种片上集成改变石墨烯能带的结构，其包括：衬底(10)，其宽度、长度和高度方向分别定义为第I方向、第II方向和第III方向；形成于所述衬底(10)表面上的高折射率光波导层(201)以及未被所述高折射率光波导层(201)覆盖的衬底(10)表面上的第一低折射率材料层(301)；形成于所述高折射率光波导层(201)与所述第一低折射率材料层(301)表面上的第一氮化硼材料层(202)；形成于所述第一氮化硼材料层(202)表面上的石墨烯材料层(203)；形成于所述石墨烯材料层(203)表面上的第二氮化硼材料层(204)；形成于所述第二氮化硼材料层(204)表面上的第二低折射率材料层(302)；形成于所述第二低折射率材料层(302)表面上的金属热电极(401)；以及光输入端和光输出端；其中，所述第I方向上具有相对设置的第一端和第二端；所述光输入端与所述第一端连接，所述光输出端与所述第二端连接。2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述高折射率光波导层(201)的折射率为1.9-4.2。3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述高折射率光波导层(201)的材料包括砷化镓、锗、硅和氮化硅中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述高折射率光波导层(201)的厚度为150-1000nm，所述高折射率光波导层(201)在所述第II方向上的长度为450-800nm。5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述石墨烯材料层(203)包括单层或多层石墨烯；所述石墨烯材料层(203)的厚度为0.35-3.5nm。6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一低折射率材料层(301)和第二低折射率材料层(302)的折射率相同或不相同，各自独立地为1.2-1.8。7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一低...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡晓，肖希，张宇光，陈代高，李淼峰，王磊，冯朋，余少华，
申请(专利权)人：武汉邮电科学研究院有限公司，武汉光谷信息光电子创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42