[发明专利]一种片上集成改变石墨烯能带的结构及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明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。本发明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，本发明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。