一种波导集成石墨烯电光调制器及制备方法与流程

本发明涉及半导体光电材料与器件，特别涉及一种波导集成石墨烯电光调制器及制备方法。

背景技术：

1、光学调制是利用其它形式的能量来改变光信号的特征，光调制器是微波光子学信号产生和处理系统中的关键功能元器件，探索用于芯片上光学器件互联的高速、大带宽、小体积的集成光学调制器，成为了调制器的发展趋势。

2、石墨烯作为近几年被广泛研究的二维材料，具有优异的机械性能、高的热导率、超宽带的光学响应谱、极高的载流子迁移率、强大的电流密度承载能力等多项优于传统电光材料的优越特性，石墨烯有希望能够同时兼具对调制器小尺寸、低功耗、大带宽的要求，是集成微波光子学的理想材料。因为单层石墨烯存在光吸收率不足的问题，所以将石墨烯与波导结合，利用波导周边的倏逝波增强石墨烯与光的相互作用并增加作用距离，是提高石墨烯与光相互作用的重要途径，这些优异的性质使石墨烯在光电器件领域具有得天独厚的优势。

3、目前大面积单层石墨烯采用cvd(chemical vapor deposition，化学气相沉积)方法生长在铜衬底上，然后再采用湿法转移转工艺将石墨烯转移至波导表面，但是波导表面的台阶高度一般在200-300nm，单层石墨烯转移在波导台阶处很容易出现断裂。常规的解决办法是采用波导表面平坦化工艺，可以减少石墨烯断裂问题，但是同时也减小了石墨烯与波导的接触面积，降低石墨烯与光的相互作用。因此，需要一种新方法解决转移石墨烯在波导台阶处容易断裂的问题，提高调制器器件性能。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种波导集成石墨烯电光调制器及制备方法，使得单层石墨烯转移在波导台阶处不再出现断裂，同时增强石墨烯与光的相互作用。

2、技术方案：本发明一方面提供一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法，该制备方法采用如下步骤：

3、步骤1，制备si波导层：

4、在soi衬底上，采用平面光刻显影方法制备波导图形，再通过干法刻蚀对波导图形进行刻蚀；

5、步骤2，制备si波导电极层：

6、将金属放置在si波导层上表面的一侧，采用平面光刻显影方法在金属上制备电极图形，蒸发金属完成金属化，再通过溶胶剥离方法剥离电极图形之外的金属；

7、步骤3，制备介质层：

8、使用原子层沉积方法在波导层上表面生长一层介质层，并对介质层的上表面进行疏水化处理；

9、步骤4，制备石墨烯材料层：

10、采用湿法转移方法将石墨烯转移到介质层的上表面，并在石墨烯的表面采用光刻显影方法制备出隔离图形，隔离图形位于波导上方，再使用干法氧化去除隔离图形区外的石墨烯材料；

11、步骤5，制备石墨烯金属电极层：

12、在石墨烯表面采用平面光刻显影方法制备出电极图形，电极图形位于石墨烯图形边缘区域，蒸发金属完成金属化，再通过溶胶剥离方法剥离电极图形之外的金属。

13、进一步，在步骤3中对介质层的上表面进行疏水化处理的过程包括：

14、采用干法刻蚀方法，使用sf6或cf4气体轻度刻蚀介质层的上表面，使上表面转变为疏水状态，刻蚀功率为10～15w，时间为5～10s，气体流量为100～200sccm。

15、进一步，si波导层的台阶高度为200～300nm，波导宽度为400～600nm。

16、进一步，介质层为高k介质，介质层厚度为1～50nm。

17、进一步，介质层为al2o3或hfo2。

18、进一步，si波导电极层中金属材料为al，金属厚度为0.2～1μm。

19、进一步，石墨烯金属电极层中金属材料为au，金属厚度为0.2～1μm。

20、本发明另一方面提供一种波导集成石墨烯电光调制器，该电光调制器包括：

21、soi衬底层，作为波导层；

22、si波导电极，利用设置在soi衬底层上表面的金属制备而成的电极图形；

23、介质层，生长在soi衬底层的上表面，且经过疏水化处理；

24、石墨烯材料层，通过湿法转移至介质层的上表面；

25、石墨烯金属电极层，通过设置在石墨烯材料层上表面的金属制备而成的电极图形。

26、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

27、本发明采用干法刻蚀工艺，使用sf6或cf4等气体轻度刻蚀波导介质表面，使波导介质表面转变为疏水状态，湿法转移石墨烯时可以使石墨烯与波导侧壁更贴合，表面烘干后可以有效减小石墨烯在波导台阶处断裂现象；本发明在解决波导台阶处断裂的基础上保留原来的波导台阶，进而增大石墨烯与波导的接触面积，可以增强石墨烯与光的相互作用，提高石墨烯电光调制器的调制效率。

技术特征：

1.一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，该制备方法采用如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，在步骤3中对介质层的上表面进行疏水化处理的过程包括：

3.根据权利要求1所述的一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，si波导层的台阶高度为200～300nm，波导宽度为400～600nm。

4.根据权利要求1所述的一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，介质层为高k介质，介质层厚度为1～50nm。

5.根据权利要求1所述的一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，介质层为al2o3或hfo2。

6.根据权利要求1所述的一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，si波导电极层中金属材料为al，金属厚度为0.2～1μm。

7.根据权利要求1所述的一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法，其特征在于，石墨烯金属电极层中金属材料为au，金属厚度为0.2～1μm。

8.一种波导集成石墨烯电光调制器，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的一种波导集成石墨烯电光调制器的制备方法制备而成，该电光调制器包括：

技术总结本发明公开了一种波导集成石墨烯电光调制器及制备方法，在制备过程中采用干法刻蚀工艺，使用SF6或CF4等气体轻度刻蚀波导介质表面，使波导介质表面转变为疏水状态，湿法转移石墨烯时可以使石墨烯与波导侧壁更贴合，表面烘干后可以有效减小石墨烯在波导台阶处断裂现象；本发明在解决波导台阶处断裂的基础上保留原来的波导台阶，进而增大石墨烯与波导的接触面积，可以增强石墨烯与光的相互作用，提高石墨烯电光调制器的调制效率。技术研发人员：曹正义,吴云,李忠辉,陶然,古宸溢,张广琦受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/29