【摘要】：硅基光子器件,依托于成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝體系,具有低成本、低功耗、體積小、可大規(guī)模集成等突出優(yōu)勢,被視為是構(gòu)建集成光電子器件的理想平臺。由于硅材料本身具有較高的熱光系數(shù)(~1.84×10~( 4)/K),熱光調(diào)節(jié)被廣泛應(yīng)用于各類熱光功能器件,包括光濾波器,光開關(guān),光調(diào)制器等。傳統(tǒng)的熱光器件采用金屬作為加熱源。然而,為了避免金屬帶來的光吸收損耗,一層較薄的二氧化硅層會被沉積到硅基器件之上。由于二氧化硅具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)(~1.44 W/m·K),這極大降低了熱光器件的熱調(diào)效率和響應(yīng)時(shí)間。因此,如何提高熱光功能器件的熱調(diào)效率成為研究熱點(diǎn)。石墨烯,六邊形堆積的單層碳原子,憑借其優(yōu)異的性能引起人們的廣泛關(guān)注。如常溫下,高達(dá)200,000 cm~2v~( 1)s~( 1)的載流子遷移率,超寬的光吸收帶寬和可調(diào)節(jié)費(fèi)米能級等。因而,石墨烯被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)各種新奇的光電器件,如超快的光調(diào)制器,超寬的光探測器和超敏感的光傳感器。特別地,在垂直入射光條件下,單層石墨烯對光的吸收率僅為2.3%。這意味著其能和硅基器件直接接觸。同時(shí),石墨烯的熱導(dǎo)系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K,這一數(shù)值比鈦高300多倍。正是由于這些優(yōu)秀的性能,石墨烯作為一種理想的材料被應(yīng)用于硅基熱光器件中。此外,我們發(fā)現(xiàn)器件具有強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用,會提高熱調(diào)效率。強(qiáng)的光與物質(zhì)相互作用可以通過減小器件的光模場體積來實(shí)現(xiàn)。如果器件的光模場體積縮小,覆蓋光模場體積的熱場體積也相應(yīng)減小,熱效率也就增強(qiáng)。本論文的研究主要依托于擁有超小光模場體積的硅基納米梁諧振腔器件,研究硅基石墨烯器件的熱光性能。首先,我們設(shè)計(jì)出具有超小光模場體積的硅基納米梁(Nanobeam)諧振腔,納米梁諧振腔是在直波導(dǎo)上刻蝕出一排空氣孔形成的,整個諧振腔由反射區(qū)和錐形區(qū)組成。錐形區(qū)由11個空氣孔構(gòu)成,這樣設(shè)計(jì)是用來降低散射損耗和避免模式失配。呈對稱分布的反射區(qū)由18個空氣孔構(gòu)成,目的是確保光被盡可能多的反射回中間位置。我們通過FDTD仿真,得到了消光比為14 dB,品質(zhì)因數(shù)為5000,光模場體積為0.145μm~3的納米梁諧振腔器件。為了分析所提出結(jié)構(gòu)的熱調(diào)效率,我們利用COMSOL軟件對其進(jìn)行了3D熱學(xué)仿真。在仿真中,我們將石墨烯、硅和二氧化硅的熱導(dǎo)系數(shù)依次設(shè)置為2,000 W/m·K、80W/m·K和1.38 W/m·K。將空氣的熱對流系數(shù)設(shè)置為5 W/m~2·K,石墨烯的厚度為0.5 nm。在加熱功率為1 mW時(shí),得到了nanobeam諧振腔中的硅溫度升高了30 K。最后,我們依據(jù)仿真結(jié)果,對器件進(jìn)行了加工及測試。器件的熱調(diào)效率為1.5 nm/mW,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的熱光器件的熱調(diào)效率。我們同時(shí)測試了器件的響應(yīng)時(shí)間,上升沿時(shí)間常數(shù)為1.11μs,下降沿時(shí)間常數(shù)為1.47μs。
【圖文】：

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章第一章 緒論1.1 硅基光子學(xué)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀伴隨著信息革命的浪潮，人類社會得到了前所未有的發(fā)展與進(jìn)步。高速、大容量的信息傳輸極大的便利了人們的交流和生活。硅基集成電路作為信息產(chǎn)業(yè)的主力軍，在過去 50 年得到了前所未有的發(fā)展。1965 年，Intel 創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了著名的摩爾定律[1]。他指出在成本相同的集成電路中，每隔 18-24 個月，其上集成的晶體管的數(shù)目將增加一倍，其性能也將提升一倍。然而，在這個信息爆炸的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)通信容量急劇上升，依托于傳統(tǒng)的硅基集成芯片的電計(jì)算和信息處理，在速率上逐漸達(dá)到了物理上的極限。在 2016 年，，國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)文寫道，在下個月出版的半導(dǎo)體技術(shù)路線圖中，不再以摩爾定律為目標(biāo)[2]。這意味著摩爾定律不再成為硅基集成芯片的發(fā)展準(zhǔn)則。

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章電路制造業(yè)的各項(xiàng)加工及制作的標(biāo)準(zhǔn)化流程。讓其具備了低成本、高穩(wěn)定性、可大規(guī)模集成的突出優(yōu)勢[3]。上世紀(jì) 80 年代，R.A.Soref 教授發(fā)現(xiàn)了硅材料中的自由載流子等離子色散效應(yīng), 這一開創(chuàng)性的研究奠定了硅基光子器件的物理基礎(chǔ)[4-6]。在此之后的三十多年中，各類硅基光子器件應(yīng)運(yùn)而生，硅基光子學(xué)在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界均受到大力追捧。2004 年，科技巨頭 Intel 公司在 Nature 期刊上報(bào)道一種新型的硅基光波導(dǎo)調(diào)制器，能夠?qū)崿F(xiàn)電對光的高速相位調(diào)制，其調(diào)制帶寬達(dá)到了 1GHz[7]。此后，包括 Luxtera、IBM、CISCO 等公司均投入對硅光器件的研究。2006 年，Luxtera 采用標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS工藝，首次將光學(xué)芯片和電學(xué)技術(shù)完美集成在一起[8]。IBM 公司也在 2008 年提出了自己對于硅光器件的發(fā)展藍(lán)圖，通過在電芯片上集成一光層來實(shí)現(xiàn)一種 3D 硅基處理芯片結(jié)構(gòu)[9]。2016 年, 在舊金山舉辦的 Intel IDF 大會上, Intel 公司向世界宣布首款100G 硅光電子收發(fā)器正式投入商用[10]。在全世界范圍內(nèi)，越來越多的研究機(jī)構(gòu)、高校及公司等，均投入了對硅基光子學(xué)的研究。包括美國的哥倫比亞大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、比利時(shí)的根特大學(xué)、新加坡的微電子所及中國的北京大學(xué)、上海交通大學(xué)和浙江大學(xué)等[11]。圖 1-2 中，亦詳細(xì)的羅列了參與硅基集成光子系統(tǒng)研發(fā)的公司[12]。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TN36

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉首鵬,周鋒,金愛子,楊海方,馬擁軍,李輝,顧長志,呂力,姜博,鄭泉水,王勝,彭練矛;人工裁剪制備石墨納米結(jié)構(gòu)[J];物理學(xué)報(bào);2005年09期

本文編號：2661327