基于硅基石墨烯器件热光性能的研究
发布时间：2020-05-13 03:46
【摘要】：硅基光子器件,依托于成熟的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺体系,具有低成本、低功耗、体积小、可大规模集成等突出优势,被视为是构建集成光电子器件的理想平台。由于硅材料本身具有较高的热光系数(~1.84×10~( 4)/K),热光调节被广泛应用于各类热光功能器件,包括光滤波器,光开关,光调制器等。传统的热光器件采用金属作为加热源。然而,为了避免金属带来的光吸收损耗,一层较薄的二氧化硅层会被沉积到硅基器件之上。由于二氧化硅具有较低的导热系数(~1.44 W/m·K),这极大降低了热光器件的热调效率和响应时间。因此,如何提高热光功能器件的热调效率成为研究热点。石墨烯,六边形堆积的单层碳原子,凭借其优异的性能引起人们的广泛关注。如常温下,高达200,000 cm~2v~( 1)s~( 1)的载流子迁移率,超宽的光吸收带宽和可调节费米能级等。因而,石墨烯被应用于实现各种新奇的光电器件,如超快的光调制器,超宽的光探测器和超敏感的光传感器。特别地,在垂直入射光条件下,单层石墨烯对光的吸收率仅为2.3%。这意味着其能和硅基器件直接接触。同时,石墨烯的热导系数高达5300 W/m·K,这一数值比钛高300多倍。正是由于这些优秀的性能,石墨烯作为一种理想的材料被应用于硅基热光器件中。此外,我们发现器件具有强的光与物质相互作用,会提高热调效率。强的光与物质相互作用可以通过减小器件的光模场体积来实现。如果器件的光模场体积缩小,覆盖光模场体积的热场体积也相应减小,热效率也就增强。本论文的研究主要依托于拥有超小光模场体积的硅基纳米梁谐振腔器件,研究硅基石墨烯器件的热光性能。首先,我们设计出具有超小光模场体积的硅基纳米梁(Nanobeam)谐振腔,纳米梁谐振腔是在直波导上刻蚀出一排空气孔形成的,整个谐振腔由反射区和锥形区组成。锥形区由11个空气孔构成,这样设计是用来降低散射损耗和避免模式失配。呈对称分布的反射区由18个空气孔构成,目的是确保光被尽可能多的反射回中间位置。我们通过FDTD仿真,得到了消光比为14 dB,品质因数为5000,光模场体积为0.145μm~3的纳米梁谐振腔器件。为了分析所提出结构的热调效率,我们利用COMSOL软件对其进行了3D热学仿真。在仿真中,我们将石墨烯、硅和二氧化硅的热导系数依次设置为2,000 W/m·K、80W/m·K和1.38 W/m·K。将空气的热对流系数设置为5 W/m~2·K,石墨烯的厚度为0.5 nm。在加热功率为1 mW时,得到了nanobeam谐振腔中的硅温度升高了30 K。最后,我们依据仿真结果,对器件进行了加工及测试。器件的热调效率为1.5 nm/mW,远高于传统的热光器件的热调效率。我们同时测试了器件的响应时间,上升沿时间常数为1.11μs,下降沿时间常数为1.47μs。
【图文】：
上海交通大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论1.1 硅基光子学的研究背景和发展现状伴随着信息革命的浪潮，人类社会得到了前所未有的发展与进步。高速、大容量的信息传输极大的便利了人们的交流和生活。硅基集成电路作为信息产业的主力军，在过去 50 年得到了前所未有的发展。1965 年，Intel 创始人戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律[1]。他指出在成本相同的集成电路中，每隔 18-24 个月，其上集成的晶体管的数目将增加一倍，其性能也将提升一倍。然而，在这个信息爆炸的时代，网络通信容量急剧上升，依托于传统的硅基集成芯片的电计算和信息处理，在速率上逐渐达到了物理上的极限。在 2016 年，，国际知名学术期刊《自然》发文写道，在下个月出版的半导体技术路线图中，不再以摩尔定律为目标[2]。这意味着摩尔定律不再成为硅基集成芯片的发展准则。
上海交通大学硕士学位论文 第一章电路制造业的各项加工及制作的标准化流程。让其具备了低成本、高稳定性、可大规模集成的突出优势[3]。上世纪 80 年代，R.A.Soref 教授发现了硅材料中的自由载流子等离子色散效应, 这一开创性的研究奠定了硅基光子器件的物理基础[4-6]。在此之后的三十多年中，各类硅基光子器件应运而生，硅基光子学在学术界和工业界均受到大力追捧。2004 年，科技巨头 Intel 公司在 Nature 期刊上报道一种新型的硅基光波导调制器，能够实现电对光的高速相位调制，其调制带宽达到了 1GHz[7]。此后，包括 Luxtera、IBM、CISCO 等公司均投入对硅光器件的研究。2006 年，Luxtera 采用标准的 CMOS工艺，首次将光学芯片和电学技术完美集成在一起[8]。IBM 公司也在 2008 年提出了自己对于硅光器件的发展蓝图，通过在电芯片上集成一光层来实现一种 3D 硅基处理芯片结构[9]。2016 年, 在旧金山举办的 Intel IDF 大会上, Intel 公司向世界宣布首款100G 硅光电子收发器正式投入商用[10]。在全世界范围内，越来越多的研究机构、高校及公司等，均投入了对硅基光子学的研究。包括美国的哥伦比亚大学、加州大学伯克利分校、比利时的根特大学、新加坡的微电子所及中国的北京大学、上海交通大学和浙江大学等[11]。图 1-2 中，亦详细的罗列了参与硅基集成光子系统研发的公司[12]。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TN36
本文编号：2661327
【图文】：
上海交通大学硕士学位论文 第一章第一章 绪论1.1 硅基光子学的研究背景和发展现状伴随着信息革命的浪潮，人类社会得到了前所未有的发展与进步。高速、大容量的信息传输极大的便利了人们的交流和生活。硅基集成电路作为信息产业的主力军，在过去 50 年得到了前所未有的发展。1965 年，Intel 创始人戈登·摩尔提出了著名的摩尔定律[1]。他指出在成本相同的集成电路中，每隔 18-24 个月，其上集成的晶体管的数目将增加一倍，其性能也将提升一倍。然而，在这个信息爆炸的时代，网络通信容量急剧上升，依托于传统的硅基集成芯片的电计算和信息处理，在速率上逐渐达到了物理上的极限。在 2016 年，，国际知名学术期刊《自然》发文写道，在下个月出版的半导体技术路线图中，不再以摩尔定律为目标[2]。这意味着摩尔定律不再成为硅基集成芯片的发展准则。
上海交通大学硕士学位论文 第一章电路制造业的各项加工及制作的标准化流程。让其具备了低成本、高稳定性、可大规模集成的突出优势[3]。上世纪 80 年代，R.A.Soref 教授发现了硅材料中的自由载流子等离子色散效应, 这一开创性的研究奠定了硅基光子器件的物理基础[4-6]。在此之后的三十多年中，各类硅基光子器件应运而生，硅基光子学在学术界和工业界均受到大力追捧。2004 年，科技巨头 Intel 公司在 Nature 期刊上报道一种新型的硅基光波导调制器，能够实现电对光的高速相位调制，其调制带宽达到了 1GHz[7]。此后，包括 Luxtera、IBM、CISCO 等公司均投入对硅光器件的研究。2006 年，Luxtera 采用标准的 CMOS工艺，首次将光学芯片和电学技术完美集成在一起[8]。IBM 公司也在 2008 年提出了自己对于硅光器件的发展蓝图，通过在电芯片上集成一光层来实现一种 3D 硅基处理芯片结构[9]。2016 年, 在旧金山举办的 Intel IDF 大会上, Intel 公司向世界宣布首款100G 硅光电子收发器正式投入商用[10]。在全世界范围内，越来越多的研究机构、高校及公司等，均投入了对硅基光子学的研究。包括美国的哥伦比亚大学、加州大学伯克利分校、比利时的根特大学、新加坡的微电子所及中国的北京大学、上海交通大学和浙江大学等[11]。图 1-2 中，亦详细的罗列了参与硅基集成光子系统研发的公司[12]。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TN36
【参考文献】
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1 刘首鹏,周锋,金爱子,杨海方,马拥军,李辉,顾长志,吕力,姜博,郑泉水,王胜,彭练矛;人工裁剪制备石墨纳米结构[J];物理学报;2005年09期
本文编号：2661327
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