光电探测器和形成光电探测器的方法与流程

光电探测器和形成光电探测器的方法
1.本发明提供了光电探测器和形成光电探测器的方法
。
特别地，光电探测器包括布置在第一绝缘层上的石墨烯层，该第一绝缘层包括硅氮化物和
/
或铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物
。
本发明还提供了用于形成包括这样的石墨烯层的光电探测器的方法，特别是包括通过低压化学气相沉积形成硅氮化物层的方法
。
本发明还涉及包括光电探测器和电光调制器的系统，特别是其中，光电探测器和电光调制器一体地形成在基板上
。
2.当前，二维材料
(
石墨烯是其中最突出的材料之一
)
是密集研究的焦点
。
特别是石墨烯，无论是理论上还是近年来实践上都已经显示出非凡的特性
。
石墨烯的电子特性是特别显著的，并且已经使得能够生产与基于非石墨烯的器件相比数量级改进的电子器件
。
石墨烯还表现出独特的光学特性，使得石墨烯已经被用于电光器件，例如电光调制器
。
电光调制器
(eom)
是可以用于利用电控制信号控制光的功率或振幅
、
相位
、
频率或偏振的器件
。
工作原理是基于电光效应，电光效应是由电场引起的对介质的折射率的改变
。
3.ieee journal of selected topics in quantum electronics 23(1),94-100(2017)
，“graphene modulators and switches integrated on silicon and silicon nitride waveguide”公开了包括单层石墨烯
(slg)
和双层石墨烯
(dlg)
配置的电光调制器
。nanoscale research letters(2015)10:199
，“graphene-based optical modulators”提供了对基于石墨烯的电光调制器及其功能机制的纳米研究
。j.phys.d:appl.phys.53:233002(2020)
，“review of graphene modulators from the low to the high figure of merits”提供了对本领域已知的石墨烯调制器的最新综述和全面概述
。
石墨烯已经用于电光调制器中，由此通过主动地调整单层石墨烯片的费米级以及因此其透明度来实现调制
。
4.nature 474(7349),64-67(2011)
，“agraphene-based broadband optical modulator”公开了这样的千兆赫石墨烯调制器，其具有
0.1db
μ
m-1
的电吸收调制，在环境条件下在
1.35
μm至
1.6
μm的波长上操作
。
强的电吸收效应源于二维材料的独特的电子结构
。
石墨烯通过机械转移到
si
波导上被引入到器件中
。us2014/056551 a1
涉及相同的主题，其发明者和作者相同
。
5.类似地，
nat.photon.9(8),511-514(2015)“30ghz zeno-based graphene electro-optic modulator”和
nanophotonics 10(1),99-104(2021)“high-performance integrated graphene electro-optic modulator at cryogenic temperature”公开了石墨烯
eom
，其包括与硅氮化物波导集成的双层石墨烯电容器，石墨烯片由铝氧化物层分开
。
石墨烯是
cvd
生长在铜基板上并通过电化学分层转移的
。wo 2016/073995 a1
涉及相同的主题，其发明者和作者相同
。
6.acs nano 15,3171-3187(2021)
，“wafer-scale integration of graphene-based photonic devices”公开了晶片级的基于
slg
的光子学的完整工艺流程
。
7.作为与
cmos
过程兼容的材料，石墨烯具有另外的优点
。
因此，石墨烯与基于硅的光子器件相比具有减少器件占用空间的潜力，并且可以与现有的基于硅的电子制造过程集成
。
然而，仍然需要诸如电光调制器和光电探测器的光子器件，其可以展现石墨烯的潜力以
提供商业光子器件
。
同样，仍然需要可以制造具有足够一致性和可靠性的这样的器件的合适方法，以用于商业器件生产
。
石墨烯转移过程不满足这种严格要求，并且仍然不适合大规模制造基于石墨烯的器件
。
8.ep 2 584 397a1
公开了包括形成在半导体层的上表面上的脊状光波导和两个石墨烯片的光电吸收调制器
。
石墨烯转移过程允许石墨烯被施加在脊状光波导上，从而覆盖波导上表面和侧表面
。
9.us10,775,651b2
公开了双层石墨烯光调制器及其制造方法
。
器件包括基板
、
设置在基板上的第一电绝缘材料
、
设置在第一电绝缘材料中并且由第一电绝缘材料分开的第一石墨烯层和第二石墨烯层
。
在第一电绝缘材料上设置波导，其中，波导覆盖第一石墨烯层和第二石墨烯层两者
。
10.acs nano 6(5),3677-3694(2012)“graphene photonics,plasmonics,and broadband optoelectronic devices”提供了石墨烯光子学的综述
。
11.nature review materials 3,392-414(2018)“graphene-based integrated photonics for next-generation datacom and telecom”提供了集成石墨烯
si
光子学的综述，并且公开了波导集成光电探测器
。
12.acs photonics 1,781-784(2014)“50gbit/s photodetectors based on wafer-scale graphene for integrated silicon photonic communication systems”公开了这样的波导集成石墨烯光电探测器，其使用铜箔上通过
cvd
生长的石墨烯并将其转移到覆盖
si
波导的
hsq
包层上
。
13.wo 2014/089454 a2
涉及石墨烯光电探测器的系统和方法
。
14.us2014/103213 a1
涉及这样的化学传感器，其包括具有光芯的至少一个光导元件，所述光导元件包括石墨烯层，该石墨烯层位于足够接近芯的位置以在芯中引导的至少一种光学模式中表现出光能的倏逝波吸收
。
15.us2013/026442 a1
公开了下述光电探测器，该光电探测器包括：基板；位于基板上的第一电介质材料；位于第一电介质材料上的光波导；位于光波导上的第二电介质材料；位于第二电介质材料上的石墨烯层；以及位于石墨烯层上的第一电极和第二电极
。
16.us2020/124795 a1
涉及光子电路，特别涉及其中在耦合到光子器件的光波导之间逐步转移光的光子电路
。
17.本发明一般属于光子集成电路
(pic)
领域，
pic
也称为集成光电路
。
尽管石墨烯有潜力革新包括集成光子学的许多领域，但是现有技术未能提供能够展现石墨烯的独特特性的可靠方法和
/
或器件，特别是用于这样的电子器件的大规模生产
。
18.发明人开发了本发明
——
其目的在于克服现有技术中的问题，并且提供了改进的基于石墨烯的光子学，包括光电探测器和电光调制器以及相关联的制造方法，或者至少提供了商业上有用的替选方案
。
19.根据第一方面，本发明提供了一种光电探测器，该光电探测器包括：
20.基板，其中嵌入有波导材料的第一通道，基板和波导材料一起提供基本平坦的上表面，
21.在上表面上并跨上表面的第一绝缘层；
22.在第一绝缘层上并在波导材料的第一通道上方布置的石墨烯层；以及
23.至少两个欧姆接触件，其各自被设置成与石墨烯层接触并且被布置在波导材料的第一通道的两侧；
24.其中，第一绝缘层包括硅氮化物和
/
或铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物
。
25.现在将进一步描述本公开内容
。
在以下段落中，更详细地限定了本公开内容的不同方面
/
实施方式
。
除非明确地相反地指出，否则如此限定的每个方面
/
实施方式可以与任何其他方面
/
实施方式或多个方面
/
实施方式组合
。
特别地，指示为优选或有利的任何特征可以与指示为优选或有利的任何一个或多个其他特征组合
。
26.在另一方面，本发明提供了一种形成光电探测器的方法，该方法包括：
27.设置其中蚀刻有第一通道的基板；
28.用
sin
x
或非故意掺杂硅填充第一通道；
29.通过低压
cvd
跨基板和第一通道形成
sin
x
层；
30.至少部分地蚀刻
sin
x
层以形成基本平坦的生长表面；
31.在生长表面上沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第一绝缘层；
32.通过
cvd
跨第一绝缘层形成石墨烯单层；
33.对石墨烯单层进行图案化；以及
34.形成至少两个欧姆接触件，其各自与图案化的石墨烯单层接触并且被布置在第一通道的两侧
。
35.在另一方面，本发明还提供了一种包括本文所述的光电探测器和电光调制器的系统
。
具体地，一种用于数据的光传输的系统，该系统包括光电探测器
、
电光调制器和光源，其中，光电探测器和电光调制器共用共同的波导，并且其中，光源被配置成使光沿波导穿过，以及
/
或者其中，光电探测器和电光调制器共用共同的基板
。
将进一步参照光电探测器和电光调制器以及系统描述本公开内容
。
如本文所述，光电探测器可以与电光调制器同时一体地形成在基板上，其中，这两个器件由已适当地图案化的相同层形成并且共用共同的基板和共同的波导
。
本发明的光电探测器可以被称为波导集成石墨烯光电探测器
。
文本中这些器件可以被称为光子器件
。
36.在另一方面，本发明提供了一种形成用于数据的光传输的系统的方法，该方法包括：
37.设置其中蚀刻有第一通道的基板；
38.用
sin
x
或非故意掺杂硅填充第一通道；
39.通过低压
cvd
跨基板和第一通道形成
sin
x
层；
40.至少部分地蚀刻
sin
x
层以形成基本平坦的生长表面；
41.在生长表面上沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第一绝缘层；
42.通过
cvd
跨第一绝缘层形成石墨烯单层；
43.对石墨烯单层进行图案化，以形成各自被布置在波导材料的第一通道上方的探测器部分和分开的调制器部分；
44.形成至少两个探测器欧姆接触件，所述至少两个探测器欧姆接触件与石墨烯单层的探测器部分接触并且被布置在第一通道的两侧，以形成光电探测器；
45.形成至少一个调制器欧姆接触件，所述至少一个调制器欧姆接触件与石墨烯单层的调制器部分接触并且被布置在第一通道的任一侧，以形成调制器；
46.在石墨烯单层的至少调制器部分上并跨石墨烯单层的至少调制器部分沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物，以形成至少第二调制器绝缘层；以及
47.在第二调制器绝缘层上设置优选非石墨烯的电极以形成电光调制器
。
48.光电探测器
49.贯穿本描述，术语“探测器”与“光电探测器”同义使用
。
50.已知光电探测器中的石墨烯是通过已知的机械转移过程提供的
。
本发明人已经开发了包括能够通过
cvd
获得的石墨烯的本光电探测器，其不经受与转移的石墨烯相关联的缺点
(
例如，铜和聚合物污染以及诸如撕裂和起皱的物理损伤
)。
本发明人试图通过
cvd
直接引入高质量石墨烯，但是发现了与这样的方法相关联的问题
。cvd
石墨烯可以提供减少的接触和薄层电阻，从而减少能量消耗
。
同时，减少的杂质可以产生提高的载流子迁移率，这会提高器件的速度
。
51.本发明的光电探测器包括基板，该基板在其上嵌入有波导材料的第一通道
。
具有嵌入式波导材料的基板可以是本领域已知的包括波导的任何基板
。
所谓“嵌入”，意指波导材料形成基板的主体的一部分并且形成基本平坦的上表面的一部分，其是与凸起波导相对的本领域常规术语
。
在本领域中，基板的周围介质可以称为“包层
(cladding)”并且用于将光限制在波导中
。
波导和波导材料在本领域是众所周知的，并且形成许多集成光学器件的基本元件
。
波导通常呈通道的形式，其尺寸足以在两个维度上限制光
。
因此，垂直于嵌入式波导的第三维度
(
即，光行进的方向
)
的截面通常是大致矩形的，但是将认识到，波导通道可以采用本领域已知的任何其他形状以及
/
或者可以是较大结构
(
例如，圆环谐振器，在这种情况下，光行进的方向可以被认为是切线
)
的一部分
。
类似地，波导可以分支或者通道可以交叉，并且具有弯曲或弯折结构，并且可以被认为是纳米光子线
。
波导可以分支用于分束，以及交叉用于相交
。
52.优选地，波导材料的宽高比为
1.5:1
至
10:1。
优选地，嵌入式波导材料的截面高度
(
基本垂直于石墨烯层的尺寸
)
为至少
100nm
，优选地至少
200nm。
高度可以小于
500nm
，优选地小于
400nm
，例如
100nm
至
500nm
，优选地
200nm
至
400nm。
宽度
(
基本平行于石墨烯层且垂直于光行进的方向的尺寸
)
可以为至少
150nm
，优选地至少
300nm
，优选地至少
500nm。
宽度可以小于
1500nm
，优选地小于
1200nm。
硅氮化物是如本文所述的优选波导材料，其与其他波导材料相比通常具有较低的散射损耗，并且因此可以优选地为较宽
。
硅氮化物波导的宽高比可以优选地为
3:1
至
10:1
，而硅波导的宽高比可以优选地为
1.5:1
至
5:1。
53.如将认识到的，波导材料将具有与其中嵌入有波导材料的基板材料相比更高的折射率
。
用于本发明的光电探测器的常见基板是硅氧化物基板
。
硅氧化物可以在体硅基板上形成上层，波导材料嵌入硅氧化物中
。
优选地，基板可以是
cmos
晶片，其可以在基板内嵌入有相关联的电路
。
因此，本光电探测器的基板可以包括硅晶片或
cmos
晶片
。
在其他实施方式中，基板可以包括
iii/v
族半导体材料
。
54.优选地，波导材料是硅氮化物
、
非故意掺杂硅或n掺杂硅
。
优选地，光电探测器的波导材料是硅氮化物或非故意掺杂硅
。
如本文所使用的，硅氮化物同样是指本领域众所周知的
sin
x
，并且包括理想化的化学计量比，其中，
x
为
1.33(
即，
si3n4)。
其中
x
低至
0.5
的富硅层在本领域仍被称为硅氮化物
。
非故意掺杂硅旨在是指基本上未掺杂的硅，但是硅可能具有不可避免的或极少量的掺杂
。
硅的本征电荷载流子密度通常约为
10
10
cm-3
，并且掺杂硅通常
具有约为
10
13
cm-3
或更多和
/
或约
10
20
cm-3
或更少
、
约
5x10
19
cm-3
或更少
、
或约
10
19
cm-3
或更少的电荷载流子密度
。n
型掺杂元素通常选自磷
、
砷
、
锑
、
铋和锂，但是其他元素包括锗
、
氮
、
金和铂
。
因此，非故意掺杂硅可以被认为范围在约
10
10
cm-3
至
10
13
cm-3
，优选地约
10
10
cm-3
至约
10
12
cm-3
。
55.其他合适的波导材料是本领域已知的，并且包括诸如铌酸锂
(linbo3)、
钽酸锂
(litao3)
和钛酸钡
(batio3)
以及砷酸钛氧钾
(kta
：
ktioaso4)
和磷酸钛氧钾
(ktp
：
ktiopo4)
的材料，它们通常具有通式
mtioxo4，其中m是碱金属或氨，并且
x
是磷和
/
或砷
。
同样，基板
(
作为包层
)
可以由任何适当的较低折射率材料形成，该较低折射率材料包括已经适当掺杂的以上提及的材料，例如
mgo
或
zno。
替选地，基板
(
包层
)
可以是
mgo
或
zno
，或者如上所论述的
sio2。
同样，基板可以包括例如硅的另外的下面的层，在其上设置有波导和包层
。
其他常见的波导材料包括
iii-v
族半导体，例如包括砷化铟和
/
或磷化镓
(
例如，
ingaasp
和
alingaas)
的半导体
。
锗也是合适的波导材料
。
56.光电探测器包括第一绝缘层，其在波导嵌入基板的基本平坦的上表面上并跨该上表面
。
如本文所述的，“在
……
上”意指直接“在
……
上”，使得光电探测器的第一绝缘层与基板的上表面和波导材料直接接触
。
基本平坦的上表面的算术表面粗糙度
(ra)
优选地为小于
2nm
，优选地小于
1nm
，更优选地小于
0.5nm
，甚至更优选地小于
0.25nm。
这样的光滑表面允许通过
cvd
直接在其上形成高品质石墨烯，其本身然后是基本平坦的
。
发明人已经发现，石墨烯层中的褶皱和其他缺陷例如通过电荷散射导致石墨烯的电子特性和光学特性的劣化
。
发明人已经发现，电荷散射对器件性能例如电荷分离效率
(
即，光电流的产生
)、
调制效率和消光比产生负面影响，并且因此通过在第一绝缘层上通过
cvd
直接提供石墨烯获得改进的器件
。
57.绝缘层是电绝缘的
。
这样的材料是本领域公知的，并且优选地具有在室温
(22℃)
下测量的小于
10-5
s/cm
的电导率，优选地小于
10-6
s/cm
的电导率
。
替选地，这可以相对于材料带隙来测量；硅的带隙约为
1.1ev
至约
1.6ev
，而绝缘体的带隙大得多，通常大于
3ev
，优选地大于
4ev。
58.第一绝缘层的厚度优选地为约
1nm
至约
100nm
，优选地为约
2nm
至约
50nm
，更优选地为约
3nm
至约
50nm
，甚至更优选地为约
5nm
至约
30nm。
因此，第一绝缘层可以具有高介电常数以提高选通效率
(
即，包括所谓的“高k电介质”例如本文所述的材料或优选地由其组成
)。
绝缘材料的介电常数
(k)
可以大于2，优选地大于3，甚至更优选地大于
4(
当在室温下以
1khz
测量时
)。
介电常数可以大得多，例如大于
10。
例如，k可以约为
16。
59.优选地，第一绝缘层包括多于一层的不同绝缘材料
。
因此，可以在波导和基板的上表面上形成合适的绝缘材料，同时可以在其上形成用于石墨烯生长的优选材料
。
因此，在特别优选的实施方式中，第一绝缘层在波导和基板的上表面上包括硅氧化物或硅氮化物层，优选地为硅氮化物
。
如本文所述的，
sin
x
可以通过低压化学气相沉积
(lpcvd)
形成
。
在一些优选实施方式中，嵌入式波导也是硅氮化物
。
60.同样优选的是，第一绝缘层包括金属氧化物层或由金属氧化物层组成
。
该层可以是以下金属氧化物中的一种或更多种：
al2o3、hfo2、mgo、mgal2o4、zno、ga2o3、tio2、srtio3、laalo3、yalo3、ta2o5、linbo3、y2o3、y-稳定
zro2(ysz)、zro2、y3al5o
12
(yag)。
第一绝缘层可以包括
caf2或由
caf2组成
。
甚至更优选地，第一绝缘层包括以下氧化物中的一种或更多种：铝
、
2017/029470
中公开的方法，并且在本文中进行更详细地描述
。
理想地使用
mocvd
反应器来执行
wo2017/029470
的方法
。
虽然
mocvd
由于其源于从金属有机前体例如
alme3(tmal)
和
game3(tmga)
制造半导体材料例如
aln
和
gan
的目的而代表金属有机化学气相沉积，但是这样的装置和反应器是本领域技术人员公知的并且理解为适合与非金属有机前体一起使用
。mocvd
可以与金属有机气相外延
(movpe)
同义使用
。
66.石墨烯是众所周知的二维材料，其是指在六方晶格中包括单层碳原子的碳的同素异形体
。
如本文所使用的石墨烯和石墨烯层是指一层或更多层石墨烯
。
优选地，石墨烯层是石墨烯单层，其也可以称为单层石墨烯片
。
然而，可以使用多层石墨烯，在这种情况下，2层或3层石墨烯可能是优选的
。
在一些实施方式中，石墨烯可以掺杂的
(n
型或
p
型
)
，如本领域众所周知的
。
在
wo2017/029470
中还描述了形成掺杂石墨烯的方法
。
掺杂石墨烯可以优选地具有多至
10
13
cm-2
，优选地多至
5x10
12
cm-2
的电荷载流子密度
。
67.光电探测器优选地还包括在石墨烯层上并跨石墨烯层的第二绝缘层
。
在石墨烯可能已经被图案化从而露出第一绝缘层的情况下，第二绝缘层也在第一绝缘层的露出部分上，从而通过绝缘体材料基本上包封石墨烯层
。
这保护石墨烯层不受大气污染，否则将导致石墨烯层的电荷载流子密度和费米级的不期望的漂移
。
因此，这样的大气污染会对光电探测器的操作产生负面影响
。
如本文所述，可以蚀刻或以其他方式去除一个或更多个部分，以使得能够形成与石墨烯层的欧姆接触件
。
替选地，可以在第二绝缘层之前沉积欧姆接触件
。
68.本文中描述的用于第一绝缘层的材料同样可以用于第二绝缘层
。
类似地，厚度如针对第一绝缘层所描述的，并且优选地小于
100nm。
优选地，第二绝缘层包括铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物，优选地由铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物组成
。
优选地，氧化物是铝氧化物或铪氧化物
。
还优选的是，第二绝缘层由与第一绝缘层的上层相同的材料形成
。
如本文所述，这样的层可以通过诸如
ald
的方法形成，
ald
特别适于直接在石墨烯上生长而不会不期望地掺杂或损坏石墨烯层
。
69.在优选实施方式中，光电探测器还包括波导材料的第二通道，该第二通道平行于波导材料的第一通道并在其上方对准
。
第二通道在第一通道上的对准通过单个石墨烯层进一步提高光检测效率
。
优选地，第二波导的截面尺寸与第一波导基本相同
。
70.波导材料的第二通道可以直接设置在石墨烯层上
。
优选地，光电探测器包括在波导材料的沉积期间保护石墨烯的第二绝缘层，并且波导材料的第二通道优选地设置在第二绝缘层上
。
如将认识到的，第二通道平行于波导材料的第一通道延伸并且超出包括石墨烯层的“有源区域”。
因此，在其中波导材料的第一通道不直接在石墨烯层下方的部分中，第二通道也设置在第二绝缘层上
。
71.光电探测器还包括至少两个欧姆接触件
。
至少两个欧姆接触件中的每一个与石墨烯层接触
。
欧姆接触件可以设置在石墨烯层上和
/
或接触石墨烯层的边缘，从而也在下面的第一绝缘层上
。
两个接触件被布置在波导材料的第一通道的两侧
。
因此，设置接触件，其在与光穿过波导传播充分垂直的方向上
(
与石墨烯层共面
)
与石墨烯层接触，从而在波导材料的第一通道的两侧
。
72.在一些实施方式中，在距波导至少
300nm
，优选地至少
500nm
处设置接触件
。
优选地，欧姆接触是金属接触件，优选地选自钛
、
镍
、
铬
、
铂
、
钯和铝中的一种或更多种
。
特别优选的接触件是
ti/al
和
ni/al。
优选地，接触件不包括金
。
73.在一个实施方式中，至少两个接触件是不对称的
。
欧姆接触件的不对称性有助于电荷载流子
(
即，在吸收光子时产生的电子空穴对
)
的收集，其产生光电流
。
因此，在一个实施方式中，第一接触件可以优选地由与第二接触件不同的金属形成
。
也就是说，第一接触件的功函数可以不同于第二接触的功函数
。
仅作为示例，第一欧姆接触件可以是
ti/al
，并且第二欧姆接触件可以是
ni/al
，或者第一接触件和第二接触件可以分别是
ti
和
pd。
74.替选地，所述至少两个欧姆接触件中的第一欧姆接触件和第二欧姆接触件在基板的平面中与波导材料的第一通道的间距优选地不同
。
即，第一欧姆接触件与波导材料的第一通道的间距
(
间隔或距离
)
不同于第二欧姆接触件与波导材料的第一通道的间距
。
如将认识到的，在基板的平面
(
即，石墨烯层的平面
)
中测量间距，使得欧姆接触件关于波导材料的第一通道不对称地设置
。
优选地，第一欧姆接触件与波导材料的第一通道的间隔是第二欧姆接触件与波导材料的第一通道的间隔的
1.1
倍，优选地是至少
1.2
倍，更优选地是至少
1.5
倍，并且最优选地是至少2倍
。
75.在其中接触件为对称的实施方式中，光电探测器可以包括一个或更多个栅极接触件，其在使用中可以用于施加外部栅极电压以提供电场，以有助于电荷分离和光电流的产生
。
76.本发明的另一方面提供了一种电路，该电路包括本文所述的光电探测器
。
因此，至少两个接触件将提供器件与电路其余部分的连接性
。
如将认识到的，在使用时，光源将光引导到波导材料的通道中
。
光源例如可以是光纤，通常是二氧化硅
(
硅氧化物
)。
77.如上所述，本发明的一个方面提供了一种形成光电探测器的方法，该方法包括：
78.设置其中蚀刻有第一通道的基板；
79.用
sin
x
或非故意掺杂硅填充第一通道；
80.通过低压
cvd
跨基板和第一通道形成
sin
x
层；
81.至少部分地蚀刻
sin
x
层以形成基本平坦的生长表面；
82.在生长表面上沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第一绝缘层；
83.通过
cvd
跨第一绝缘层形成石墨烯单层；
84.对石墨烯单层进行图案化；以及
85.形成至少两个欧姆接触件，其各自与图案化的石墨烯单层接触并且被布置在第一通道的两侧
。
86.该方法包括设置其中蚀刻有通道的基板
。
这可以例如通过激光
、
等离子体和
/
或反应离子蚀刻合适的基板
(
例如，硅基板上的硅氧化物
)
以在基板的表面蚀刻出通道来实现
。
这样的技术是本领域公知的
。
87.在具有期望尺寸的蚀刻通道内沉积合适的波导材料以形成波导材料的第一通道
。
在一个优选实施方式中，波导材料是硅氮化物，并且通过低压化学气相沉积
(lpcvd)
将硅氮化物沉积到蚀刻的通道中
。lpcvd
对于获得基本低损耗的
sin
x
是特别优选的，并且通常在约
650℃
至
900℃
的沉积温度下进行
。
通常，
pecvd
生长的硅氮化物中的残余氢接触件高得多，导致较大的光吸收，特别是在电信波长下
。
另外，
pecvd
生长的硅氮化物通常具有较高的针孔密度
。
88.沉积硅氮化物以填充波导的蚀刻的通道，并且进一步地，继续沉积以提供跨波导通道和基板的其余部分的硅氮化物层
。
方法还包括部分地蚀刻硅氮化物层，以提供基本平
坦的生长表面
(
即，其上可以沉积绝缘氧化物的平坦表面
)。
89.优选地，通过化学机械抛光
(cmp)
或平面化进行硅氮化物层的部分蚀刻
。
优选地，硅氮化物层的表面粗糙度按其算术平均值
(ra)
测量为小于
2nm
，优选地小于
1nm
，更优选地小于
0.5nm
，甚至更优选地小于
0.25nm。
优选地由原子力显微镜
(afm)
测量
ra。
本发明人已经发现，通过
lpcvd
生长硅氮化物然后进行部分蚀刻，有利地提供了硅氮化物的适当光滑和均匀的生长表面，在该生长表面上可以提供均匀的绝缘氧化物层
。
本发明人已经发现，可以通过
cvd
直接在本身具有光滑上表面的绝缘氧化物
(
特别是铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物
)
上生长特别高质量的石墨烯，从而使得能够构造可以受益于石墨烯的独特电光特性的光电探测器
。
90.方法包括以下步骤：将铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物沉积到蚀刻的硅氮化物层的表面即生长表面上以形成第一绝缘层
。
这样的步骤可以使用本领域已知的任何技术来进行
。
电子束沉积
、pecvd、peald
和
ald
是优选技术
。
原子层沉积是特别优选的，因为本发明人已经发现，当通过
ald
生长时，氧化物层保持高度均匀，从而允许通过
cvd
在其上形成高度均匀的石墨烯
。
91.方法还包括以下步骤：通过
cvd
跨第一绝缘层形成石墨烯单层
。
石墨烯直接形成在第一绝缘层上意味着石墨烯没有任何铜或其他催化金属污染，也没有任何转移聚合物残余，而这些在基于转移的石墨烯的现有技术工艺中是不可避免的
。
92.优选地，根据
wo 2017/029470
的公开内容
(
其内容通过引用并入本文
)
通过
cvd
生长石墨烯
。
该出版物公开了用于制造石墨烯的方法；这些主要依赖于将保持在反应室内的基板加热至在用于石墨烯生长的碳基前体的分解范围内的温度，通过相对冷的入口将前体引入反应室中以建立足够陡的热梯度，该热梯度离开基板表面朝向前体进入反应室的点延伸，使得在气相中反应的前体的一部分足够低到使得能够由从分解的前体释放的碳形成石墨烯
。
优选地，装置包括具有多个前体进入点或入口的喷头，所述多个前体进入点或入口与基板表面的间隔可以变化，并且优选地小于
100mm。
93.生长石墨烯与合成
、
制造
、
生产和形成石墨烯同义使用
。
方法包括通过
cvd
形成石墨烯单层，这将在
cvd
反应室中发生
。
形成石墨烯的步骤通常将包括将气相中和
/
或悬浮在气体中的前体引入
cvd
反应室中
。cvd
通常是指一系列化学气相沉积技术，这些技术各自涉及真空沉积以产生薄膜材料，例如二维结晶材料如石墨烯
。
气相中或悬浮在气体中的挥发性前体被分解以释放必要的核素
(
在石墨烯的情况下为碳
)
以形成期望材料
。
优选地，方法包括通过热
cvd
形成石墨烯，使得分解是将前体加热的结果
。
优选地，使用的
cvd
反应室是冷壁反应室，其中，联接至基板的加热器是该室的唯一热源
。
94.在特别优选的实施方式中，
cvd
反应室包括具有多个前体进入点或前体进入点的阵列的紧密联接的喷头
。
这样的包括紧密联接的喷头的
cvd
装置可能已知用于
mocvd
工艺
。
因此，替选地，可以说方法是通过
mocvd
和
/
或使用包括紧密联接的喷头的
mocvd
反应器来执行的
。
在任一情况下，喷头优选地被配置成在第一绝缘层的表面与多个前体进入点之间提供小于
100mm、
更优选地小于
25mm、
甚至更优选地小于
10mm
的最小间隔
。
如将认识到的，所谓恒定的间隔，意味着第一绝缘层的表面与每个前体进入点之间的最小间隔基本相同
。
最小间隔是指前体进入点与第一绝缘层的表面之间的最小间隔
。
因此，这样的实施方式涉及“竖直”布置，由此包含前体进入点的平面基本平行于表面的平面
。
95.到反应室的前体进入点优选地是冷却的
。
入口或当使用时的喷头优选地通过外部冷却剂例如水主动冷却，以保持前体进入点的相对冷的温度，使得前体在其穿过多个前体进入点并进入反应室时的温度小于
100℃
，优选地小于
60℃
，例如
40℃
至
60℃。
96.优选地，表面与多个前体进入点之间的足够小的间隔和前体进入点的冷却的组合，结合将基板加热到前体的分解范围
(
通常超过
700℃)
内，产生从基板表面延伸到前体进入点的足够陡的热梯度，以使得能够在基板表面上形成石墨烯
。
如在
wo 2017/029470
中所公开的，可以使用非常陡的热梯度以有助于直接在非金属基板上
、
优选地跨基板的整个表面形成高质量且均匀的石墨烯
。
基板可以具有至少
5cm(2
英寸
)、
至少
15cm(6
英寸
)
或至少
30cm(12
英寸
)
的直径
。
对于本文描述的方法特别适合的装置包括
close-coupled
反应器和
turbodisk
反应器
。
97.因此，在特别优选的实施方式中，其中，石墨烯的形成涉及使用
wo 2017/029470
中公开的方法，石墨烯的形成包括：
98.将具有第一绝缘层的基板设置在紧密联接的反应室中的加热基座上，该紧密联接的反应室具有多个冷却的入口，所述多个冷却的入口被布置成使得在使用时，入口跨第一绝缘层的表面分布并且与第一绝缘层的表面具有恒定的间隔；
99.将入口冷却到低于
100℃
；
100.通过入口将气相中和
/
或悬浮在气体中的前体引入
cvd
反应室，从而分解前体并在第一绝缘层的表面形成石墨烯；以及
101.将基座加热到超过前体的分解温度至少
50℃
的温度，以在第一绝缘层的表面与入口之间提供热梯度，该热梯度足够陡以使得能够由从分解的前体释放的碳形成石墨烯；
102.其中，恒定的间隔小于
100mm
，优选地小于
25mm
，更优选地小于
10mm。
103.方法还包括以下步骤：对石墨烯单层进行图案化，以及形成至少两个欧姆接触件，其各自与图案化的石墨烯单层接触并且被布置在第一通道的两侧
。
104.对石墨烯进行图案化的步骤允许将石墨烯图案化成期望的形状和构造
。
例如，可以对石墨烯进行图案化，以提供在波导上方具有期望的长度和
/
或期望的宽度的石墨烯层，以使得能够在与波导的不同间距处并且与石墨烯的边缘接触地设置两个接触件
。
105.优选地，方法还包括在石墨烯单层上并跨石墨烯单层沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物，以形成第二绝缘层
。
在一个实施方式中，在对石墨烯进行图案化
/
蚀刻的步骤之前在石墨烯单层上沉积第二绝缘层
。
因此，这样的实施方式，对石墨烯单层进行蚀刻的步骤同时包括对沉积在其上的第二绝缘层的部分进行蚀刻
。
这样的实施方式是特别优选的，因为石墨烯仍然受到第二绝缘层保护，不被污染
。
另外，通过与第二绝缘层同时对石墨烯进行蚀刻和图案化，仅露出石墨烯的边缘
。
因此，可以沉积诸如金属欧姆接触件的接触件，以接触蚀刻的石墨烯单层的的边缘的仅一部分
。
在另一优选的实施方式中，在第二绝缘层之前形成接触件
。
106.通过
cvd
直接生长在第一绝缘层上的第一石墨烯层提供了优于被转移的石墨烯的许多益处
。
这样的石墨烯的质量较低，并且由于在转移过程期间发生的不可避免的损坏和掺杂，因此无法展现石墨烯的独特的电子特性
。
通常，通过
cvd
生长在铜箔上的石墨烯仍然会无意中不可避免地掺杂有铜原子
。
此外，为了从铜箔去除石墨烯，石墨烯暴露于各种溶剂和蚀刻溶液，进一步污染石墨烯，并且在该过程期间用于支承石墨烯的聚合物涂层通常从
未完全从石墨烯表面去除
。
最后，石墨烯的物理转移导致裂缝
、
褶皱和其他变形的形成，这些裂缝
、
褶皱和其他变形在石墨烯直接生长在器件的基板上时不存在
。
因此，发明人试图通过避免可能以其他方式无意中掺杂石墨烯的另外的步骤来保持第一石墨烯层的期望电子特性
。
因此，基于石墨烯的光电探测器的性能得到了改善
。
107.形成光电探测器的方法包括形成至少两个欧姆接触件，其各自与图案化的石墨烯单层接触并且被布置在第一通道的两侧
。
可以通过诸如钛
、
镍和
/
或铝的合适的金属的电子束沉积来形成这样的接触件
。
在一个优选实施方式中，沉积具有不同功函数的不同金属以向光电探测器提供不对称接触件，以有助于电子空穴对分离
。
替选地，还优选的是，将接触件与波导材料的通道分开不同的距离
。
108.本发明的另一方面提供了一种电路，该电路包括本文所述的探测器
。
因此，欧姆接触件将提供器件与电路其余部分的连接性
。
如将认识到的，作为探测器，在使用时，光源将光引导到波导材料的通道中
。
光源例如可以是光纤，通常是二氧化硅
(
硅氧化物
)。
109.本发明的另一方面提供了本文所述的探测器的阵列，这些探测器共用共同的基板
。
因此，本文描述的方法允许在单个过程中制造多个探测器
。
优选地，在直径为至少
5cm(2
英寸
)、
至少
15cm(6
英寸
)
或至少
30cm(12
英寸
)
的基板上制造阵列
。
这样的方法使得能够大规模生产和商业化基于石墨烯的光电探测器
。
110.系统
111.本发明的另一方面提供了一种用于数据的光传输的系统，所述系统包括：
112.本文所述的光电探测器；
113.电光调制器，以及
114.光源，
115.其中：
116.(i)
光电探测器和电光调制器共用共同的波导，并且其中，光源被配置成使光沿波导穿过，以及
/
或者
117.(ii)
光电探测器和电光调制器共用共同的基板
。
118.优选地，电光调制器是本文在题为“电光调制器”小节所述的电光调制器
。
119.为了清楚起见，在题为“光电探测器”小节中参照诸如“第一部分”或“第一层”的特征描述了探测器
。
在提供包含探测器和调制器两者的系统的情况下，应当认识到，这应当被理解为“第一探测器部分”或“第一探测器层”。
即，术语探测器可以用于描述在本说明书的“光电探测器”小节描述的探测器的任何部分
。
120.同样，为了清楚起见，在题为“电光调制器”小节中参照诸如“第一部分”或“第一层”的特征描述了调制器
。
在提供包含探测器和调制器两者的系统的情况下，应当认识到，这应当被理解为“第一调制器部分”或“第一调制器层”。
即，术语调制器可以用于描述在本说明书的“电光调制器”小节描述的调制器的任何部分
。
121.优选地，系统的电光调制器是本文在本说明书的“电光调制器”小节描述的电光调制器
。
因此，系统的电光调制器优选地包括：
122.调制器基板，其具有嵌入其中的波导材料的第一调制器通道，调制器基板和波导材料的第一调制器通道一起提供基本平坦的调制器上表面，
123.在调制器上表面上并跨调制器上表面的第一调制器绝缘层；
124.在第一调制器绝缘层上并在波导材料的第一调制器通道的至少第一调制器部分上方布置的调制器石墨烯层；以及
125.在调制器石墨烯层上并跨调制器石墨烯层设置的第二调制器绝缘层；
126.其中，调制器石墨烯层提供第一调制器电极，并且其中，优选非石墨烯的第二调制器电极：
127.(i)
被设置在第二调制器绝缘层上，至少与波导材料的第一调制器通道的第一调制器部分交叠，或者
128.(ii)
被设置在调制器基板内，至少从波导材料的第一调制器通道的第一调制器部分下面伸出
。
129.本文还描述了一种用于数据的光传输的系统，该系统包括：
130.光电探测器；
131.本文所述的电光调制器，以及
132.光源，
133.其中：
134.(i)
光电探测器和电光调制器共用共同的波导，并且其中，光源被配置成使光沿波导穿过，以及
/
或者
135.(ii)
光电探测器和电光调制器共用共同的基板
。
136.在一个实施方式中，探测器和调制器共用共同的波导，使得这两个器件彼此进行光通信
。
因此，存在于系统中的光源被配置成使用本领域的任何常规方法使光沿波导穿过
。
探测器和调制器可以经由光纤进行光通信
。
即，调制器的波导材料的通道可以与光纤耦合，该光纤允许光行进至调制器的波导材料的通道
。
光纤对于长距离数据传输是优选的
。
因此，共用共同的波导的探测器和调制器将被理解为处于光通信，使得光被配置成穿过每个器件的波导
。
波导材料可以是不连续的，并且每个分开的器件经由例如与每个器件的波导耦合的光纤线缆光学地连接，以允许光穿过
。
如本文所述，在其他实施方式中，探测器和调制器共用共同的波导可以优选地包括共用由单个材料形成的连续波导
。
137.在本发明的特别优选和有利的实施方式中，光电探测器和电光调制器是一体地形成的，并且共用共同的基板，并且优选地，波导材料的第一通道与波导材料的第一调制器通道连续
。
因此，如本文所述，探测器和调制器可以同时形成在共同的基板上，并且与诸如
cmos
基板的已知基板集成以用于大规模制造集成光子器件，从而提供工艺效率
。
138.不希望受理论的约束，发明人相信，通过提供在相同步骤中由相同材料形成的光电探测器和
eom
，使得它们集成在共同的基板上，由具有基本相同特性例如非故意掺杂的两个器件产生益处
。
因此，鉴于每个器件中的石墨烯在同一步骤中形成并且具有基本相同的质量和电荷载流子密度，光电探测器和调制器两者可以具有类似的对光的响应
。
因此，对于系统的每个部分，例如在温度波动期间的器件响应将是类似的
。
139.其中光电探测器和电光调制器共用共同的基板的系统的优选实施方式是收发器，这些是能够经由发送器和接收器同时发送和接收光
(
光数据
)
的公知器件
。
系统的光源将被配置成使光沿调制器波导穿过以由调制器进行调制
。
收发器可以被连接以与一个或更多个收发器进行光通信，使得发送的光
(
其是来自第一收发器的调制器的输出
)
是第二收发器的接收器
(
光电探测器
)
的输入
。
这样的系统还可以包括多路复用器
/
解复用器
。
因此，收发器
的光电探测器和电光调制器各自包括分开的波导
(
即，波导不是两个器件共用的，但是优选地如本文所述在同一形成步骤中一体地形成
)。
而是，一个系统的每个光电探测器和电光调制器的波导与另一系统的电光调制器或光电探测器进行光通信
。
140.本发明的另一方面提供了一种形成用于数据的光传输的系统的方法，该方法包括：
141.设置其中蚀刻有第一通道的基板；
142.用
sin
x
或非故意掺杂硅填充第一通道；
143.通过低压
cvd
跨基板和第一通道形成
sin
x
层；
144.至少部分地蚀刻
sin
x
层以形成基本平坦的生长表面；
145.在生长表面上沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第一绝缘层；
146.通过
cvd
跨第一绝缘层形成石墨烯单层；
147.对石墨烯单层进行图案化，以形成各自被布置在波导材料的第一通道上方的探测器部分和分开的调制器部分；
148.形成至少两个探测器欧姆接触件，所述至少两个探测器欧姆接触件与石墨烯单层的探测器部分接触并且被布置在第一通道的两侧，以形成光电探测器；
149.形成至少一个调制器欧姆接触件，所述至少一个调制器欧姆接触件与石墨烯单层的调制器部分接触；
150.在石墨烯单层的至少调制器部分上并跨石墨烯单层的至少调制器部分沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物，以形成至少第二调制器绝缘层；以及
151.在第二调制器绝缘层上设置优选非石墨烯的电极以形成电光调制器
。
152.方法特别适合于形成本文描述的系统，其中探测器和调制器共用至少一个共同且连续的波导或共同的基板，优选地共用这两者，即本文所述的系统
。
153.如将认识到的，形成探测器和调制器的方法非常类似
。
因此，关于形成探测器的方法描述的所有特征同样适用
。
当形成本方面的系统时，方法包括提供如本文所述的合适的基板和波导以及通过
cvd
形成石墨烯的单层的步骤
。
方法还包括例如通过激光或等离子体蚀刻对石墨烯进行图案化，以形成石墨烯的至少两个分开的部分
。
第一部分形成探测器部分
(
即，如本文所述的光电探测器的石墨烯层
)
，并且第二部分形成调制器部分
(
即，如本文所述的电光调制器的石墨烯层，其向调制器提供石墨烯电极
)。
其各自被布置在波导材料的第一通道上方，所述波导材料的第一通道因此对每个器件都是共同的
。
换言之，
(
探测器的
)
波导材料的第一通道与波导材料的第一调制器通道连续
。
154.如本文针对光电探测器和电光调制器中的每一个所描述的，形成系统的方法包括以下步骤：形成至少两个接触件以形成光电探测器
(
即，至少两个光电探测器接触件
)
，其中，两个接触件被布置成与波导的两侧的图案化石墨烯单层的光电探测器部分接触
。
155.同样，方法包括：在石墨烯单层的至少调制器部分上并跨石墨烯单层的至少调制器部分沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物，以形成至少第二调制器绝缘层；以及在第二调制器绝缘层上设置优选非石墨烯的电极以形成电光调制器
。
156.优选地，形成至少第二调制器绝缘层的步骤还包括在石墨烯单层的探测器部分上并跨石墨烯单层的探测器部分形成第二探测器绝缘层
。
换言之，方法优选地包括形成跨图案化石墨烯单层的探测器和调制器部分的连续第二绝缘层的单个步骤
。
157.方法还包括形成与石墨烯单层的调制器部分接触的至少一个欧姆接触件
(
即调制器欧姆接触件
)
，以有助于调制器与附加电路的电连接
。
158.在本发明的系统中，光电探测器和电光调制器中的每一个共用共同且连续的波导
(
其中，波导在单个步骤中形成
)
是特别有益的
。
通过避免需要将波导与例如中间光纤耦合，系统表现出损耗
(
即光功率的损耗
)
的降低
。
如将认识到的，在系统例如是收发器的情况下，光电探测器和电光调制器可以各自包括波导材料的分开的
(
即非连续
)
通道，所述通道是在相同材料到共同基板的蚀刻通道中的相同沉积步骤期间形成的
。
159.在一些优选实施方式中，系统包括多个光源
(
例如多个激光器
)
，所述多个光源各自被配置成提供不同波长的光，并且每个光源被配置成使光沿多个电光调制器中之一的波导穿过
。
优选地，系统还包括多个对应的光电探测器
。
160.电光调制器
161.贯穿本说明书，术语“调制器”与“电光调制器”或“eom”同义使用
。
162.本文描述了电光调制器，该电光调制器包括：
163.基板，其中嵌入有波导材料的第一通道，基板和波导材料一起提供基本平坦的上表面，
164.在上表面上并跨上表面的第一绝缘层；
165.布置在第一绝缘层上并在波导材料的第一通道的至少第一部分上方的石墨烯层；以及在石墨烯层上并跨石墨烯层设置的第二绝缘层；
166.其中，石墨烯层提供第一电极，并且其中，优选非石墨烯的第二电极：
167.(i)
被设置在第二绝缘层上，至少与波导材料的第一通道的第一部分交叠，或者
168.(ii)
被设置在基板内，至少从与波导材料的第一通道的第一部分下面伸出
。
169.本发明的系统中的电光调制器包括其中嵌入有波导材料的第一通道的基板
。
具有嵌入式波导材料的基板可以是本领域已知的包括波导的任何基板
。
所谓“嵌入”，意指波导材料形成基板的主体的一部分并且形成基本平坦的上表面的一部分，其是本领域中与凸起波导相对的常规术语
。
在本领域中，基板的周围介质可以称为“包层”并且用于将光限制在波导中
。
波导和波导材料在本领域是众所周知的，并且形成许多集成光学器件的基本元件
。
波导通常呈通道的形式，其尺寸足以在两个维度上限制光
。
因此，垂直于嵌入式波导的第三维度
(
即，光行进的方向
)
的截面通常是大致矩形的，但是将认识到，波导通道可以采用本领域已知的任何其他形状以及
/
或者可以是较大结构
(
例如，圆环谐振器，在这种情况下，光行进的方向可以被认为是切线
)
的一部分
。
类似地，波导可以分支或者通道可以交叉，并且具有弯曲或弯折结构，并且可以被认为是纳米光子线
。
波导可以分支用于分束，以及交叉用于相交
。
170.优选地，波导材料的宽高比为
1.5:1
至
10:1。
优选地，嵌入式波导材料的截面高度
(
基本垂直于石墨烯层的尺寸
)
为至少
100nm
，优选地至少
200nm。
高度可以小于
500nm
，优选地小于
400nm
，例如
100nm
至
500nm
，优选地
200nm
至
400nm。
宽度
(
基本平行于石墨烯层且垂直于光行进的方向的尺寸
)
可以为至少
150nm
，优选地至少
300nm
，优选地至少
500nm。
宽度可以小于
1500nm
，优选地小于
1200nm。
硅氮化物是如本文所述的优选波导材料，其与其他波导材料相比通常具有较低的散射损耗，并且因此可以优选地为较宽
。
硅氮化物波导的宽高比可以优选地为
3:1
至
10:1
，而硅波导的宽高比可以优选地为
1.5:1
至
5:1。
171.如将认识到的，波导材料将具有与其中嵌入有波导材料的基板材料相比更高的折射率
。
在本发明的系统中用于
eom
的常见基板优选地是硅氧化物基板
。
硅氧化物可以在体硅基板上形成上层，波导材料嵌入硅氧化物中
。
优选地，基板可以是
cmos
晶片，其可以在基板内嵌入有相关联的电路
。
因此，本
eom
的基板可以包括硅晶片或
cmos
晶片
。
在其他实施方式中，基板可以包括
iii/v
族半导体材料
。
172.优选地，波导材料是硅氮化物
、
非故意掺杂硅或n掺杂硅
。
如本文所使用的，硅氮化物同样是指本领域众所周知的
sin
x
，并且包括理想化的化学计量比，其中，
x
为
1.33(
即，
si3n4)。
其中
x
低至
0.5
的富硅层在本领域仍被称为硅氮化物
。
非故意掺杂硅旨在是指基本上未掺杂的硅，但是硅可能具有不可避免的或极少量的掺杂
。
硅的本征电荷载流子密度通常约为
10
10
cm-3
，并且掺杂硅通常具有约为
10
13
cm-3
或更多和
/
或约
10
20
cm-3
或更少
、
约
5x10
19
cm-3
或更少
、
或约
10
19
cm-3
或更少的电荷载流子密度
。n
型掺杂元素通常选自磷
、
砷
、
锑
、
铋和锂，但是其他元素包括锗
、
氮
、
金和铂
。
因此，非故意掺杂硅可以被认为范围在约
10
10
cm-3
至
10
13
cm-3
，优选地约
10
10
cm-3
至约
10
12
cm-3
。
173.其他合适的波导材料是本领域已知的，并且包括诸如铌酸锂
(linbo3)、
钽酸锂
(litao3)
以及砷酸钛氧钾
(kta
：
ktioaso4)
和磷酸钛氧钾
(ktp
：
ktiopo4)
的材料，它们通常具有通式
mtioxo4，其中m是碱金属或氨，并且
x
是磷和
/
或砷
。
同样，基板
(
作为包层
)
可以由任何适当的较低折射率材料形成，该较低折射率材料包括已经适当掺杂的以上提及的材料，例如
mgo
或
zno。
替选地，基板
(
包层
)
可以是
mgo
或
zno
，或者如上所论述的
sio2。
同样，基板可以包括另外的下面的层例如硅，在其上设置有波导和包层
。
其他常见的波导材料包括
iii-v
族半导体，例如包括砷化铟和
/
或磷化镓
(
例如，
ingaasp
和
alingaas)
的半导体
。
锗也是合适的波导材料
。
174.eom
包括第一绝缘层，其在波导嵌入基板的基本平坦的上表面上并跨该上表面
。
如本文所述的，“在
……
上”意指直接“在
……
上”，使得
eom
的第一绝缘层与基板的上表面和波导材料直接接触
。
基本平坦的上表面的算术表面粗糙度
(ra)
优选地为小于
2nm
，优选地小于
1nm
，更优选地小于
0.5nm
，甚至更优选地小于
0.25nm。
这样的光滑表面允许通过
cvd
直接在其上形成高品质石墨烯，其本身然后是基本平坦的
。
发明人已经发现，石墨烯层中的褶皱和其他缺陷例如通过电荷散射导致石墨烯的电子特性和光学特性的劣化
。
发明人发现，电荷散射会对诸如调制效率和消光比的器件性能产生负面影响，并且因此，通过由
cvd
直接在第一绝缘层上设置石墨烯，获得改进的器件
。
175.绝缘层是电绝缘的
。
这样的材料是本领域公知的，并且优选地具有在室温
(22℃)
下测量的小于
10-5
s/cm
的电导率，优选地小于
10-6
s/cm
的电导率
。
替选地，这可以相对于材料带隙来测量；硅的带隙约为
1.1ev
至约
1.6ev
，而绝缘体的带隙大得多，通常大于
3ev
，优选地大于
4ev。
176.第一绝缘层的厚度优选地为约
1nm
至约
100nm
，优选地为约
2nm
至约
50nm
，更优选地为约
3nm
至约
50nm
，甚至更优选地为约
5nm
至约
30nm。
由于对调制效率的影响，较厚的层不太优选
。
虽然为了提高“选通效率”(
即石墨烯的费米能对施加的偏置电压的敏感性
)
第一绝缘层优选地为尽可能薄，但是薄的绝缘层也会增加电容，这导致带宽的减小
。
因此，第一绝缘层可以具有高介电常数以提高选通效率
(
即，包括所谓的“高k电介质”例如本文所述的材料或优选地由其组成
)。
绝缘材料的介电常数
(k)
可以大于2，优选地大于3，甚至更优选地大于
4(
当在室温下以
1khz
测量时
)。
介电常数可以大得多，例如大于
10。
例如，k可以约为
16。
177.优选地，第一绝缘层包括多于一层的不同绝缘材料
。
因此，可以在波导和基板的上表面上形成合适的绝缘材料，同时可以在其上形成用于石墨烯生长的优选材料
。
因此，在特别优选的实施方式中，第一绝缘层在波导和基板的上表面上包括硅氧化物或硅氮化物层，优选地为硅氮化物
。
如本文所述的，
sin
x
可以通过低压化学气相沉积
(lpcvd)
形成
。
在一些优选实施方式中，嵌入式波导也是硅氮化物
。
178.同样优选的是，第一绝缘层包括金属氧化物层或由金属氧化物层组成
。
该层可以是以下金属氧化物中的一种或更多种：
al2o3、hfo2、mgo、mgal2o4、zno、ga2o3、tio2、srtio3、laalo3、yalo3、ta2o5、linbo3、y2o3、y-稳定
zro2(ysz)、zro2、y3al5o
12
(yag)。
第一层可以包括
caf2或由
caf2组成
。
甚至更优选地，第一绝缘层包括以下氧化物中的一种或更多种：铝
、
铪和镁，优选地为铝氧化物或铪氧化物
。
179.优选地，如上所述在硅氧化物或硅氮化物层上设置金属氧化物层，以形成包括多于一层的绝缘层
。
金属氧化物层提供上表面，然后在该上表面上设置石墨烯，优选地通过如本文所述的
cvd
生长石墨烯
。
因此，本发明的系统中的
eom
需要平坦表面，在该平坦表面上可以将石墨烯设置成在波导材料上和上方延伸
(
与本领域中的脊状波导相比，其中，转移的石墨烯可以在波导材料的突出脊的侧上折叠
)。
能够通过
cvd
获得的基本平坦的石墨烯具有特别高的质量，使得与两种材料相关联的有利益处可以保留在最终的器件中
。
特别地，二维材料是半金属，由于其电子结构采取在所谓的狄拉克点处相遇的两个锥体的形式，该半金属在费米级上的状态的密度基本上为零
。
在狄拉克点附近，电荷载流子可以被建模为无质量费米子，并且在原始石墨烯中，电子可以被入射光子激发出宽的能量范围，其中仅允许带间跃迁
。
原始石墨烯的透射率基本上与频率无关，导致每个单个单层的恒定吸收率约为
2.3
％
。
因此，本发明的系统中的器件可以跨宽的波长光谱工作，优选地在可见光至中
ir
波长工作，如本领域惯常的那样
。
180.优选地，器件用于调制至少
300nm
多至
8000nm
的光，优选地是
500nm
多至
4000nm
的光，优选地是
1000nm
至
2000nm
的光，最优选地是
1250nm
至
1600nm
的光
。
在一个实施方式中，
1500nm
至
1600nm
的电信波长是优选的
。
这种约
1550nm
的范围是光纤传输中所谓的“长波长”，其通常用于较高速和较高带宽应用
。
所谓的“短波长”传输范围优选地是
800nm
至
900nm(
即，约
850nm
，并且通常是多模光纤
)
，以及在其他优选实施方式中是
1250nm
至
1350nm(
即，约
1300nm)。
通常，单模光纤用于在
1300nm
和
1550nm
的较高波长下工作的电信中
。
181.如将认识到的，需要选择具有适当透明度的波导材料以用于在期望波长下工作
。
作为示例，硅对
1.1
μm以上多至约8μm的光透明
。
铌酸锂在约
250nm
至约4μm是透明的，硅氮化物在约
250nm
至约8μm是透明的
。
因此，优选的是，波导材料对在
1250nm
至
1600nm
的范围上的光透明，并且如上所论述的，
sin
x
、n
掺杂硅或非故意掺杂硅均是合适的优选材料
。
石墨烯的费米级可以通过栅极电压的施加进行电调整
。
通过调整费米级，可以调整可用于带间跃迁的状态密度
。
因此，由于所谓的“泡利
(pauli)
阻塞”，栅极电压的施加允许石墨烯变得基本透明并且允许光的透射
。
这在费米能增加到光子能量的一半以上的情况下发生，从而抑制载流子从价带到导带的激发
。
发明人发现，利用通过
cvd
可直接获得的更高质量且更均匀的石墨烯，可以改善调制
。
182.因此，电光调制器包括在第一绝缘层上并在波导材料的第一通道的至少第一部分
上方布置的石墨烯层
。
可以例如通过本领域已知的激光或等离子蚀刻对石墨烯层进行图案化
。
石墨烯被图案化成使得石墨烯层的至少一部分直接在下面的波导的第一部分上方延伸
。
换言之，波导通道的至少一部分位于处于与二维石墨烯层垂直的方向的位置
。
第一部分是指波导通道的宽度的一部分
。
优选地，第一部分为宽度的至少
50
％，优选地宽度的至少
75
％
。
甚至更优选地，石墨烯被布置在波导通道的至少整个宽度上方
。
如将认识到的，石墨烯可能仅在嵌入下面的基板中的波导通道的整个长度的一部分上方延伸
。
在实施方式中，石墨烯层在波导通道的长度的多个部分上方延伸，从而提供栅格型结构
。
石墨烯在其上方延伸的波导材料的长度
(
即，至少在任何单独的连续部分中以及
/
或者作为多个部分的总和
)
可以是至少5μm，优选地至少
10
μm，优选地至少
30
μm，更优选地至少
50
μm，甚至更优选地至少
100
μm，以及
/
或者至多
1cm
，优选地至多
1mm
，更优选地至多
500
μm，甚至更优选地至多
250
μ
m。
没有具体的上限，因为在较大长度下，实现较大的吸收，回报递减；通常优选的是使装置尽可能小
。
因此，在一些实施方式中，优选的是长度是至多
100
μm，优选地至多
75
μm，并且更优选地至多
50
μ
m。
183.本领域众所周知的是，可以直接在基板的非金属表面上合成
、
制造
、
形成石墨烯
。
这些包括硅和蓝宝石以及其他更特殊的表面，例如
iii-v
族半导体
。
本发明人发现，制造高质量石墨烯，特别是直接在这样的非金属表面上制造高质量石墨烯的最有效方法是
wo2017/029470
中公开的方法，并且在本文中进行更详细地描述
。
理想地使用
mocvd
反应器来执行
wo2017/029470
的方法
。
虽然
mocvd
由于其源于从金属有机前体例如
alme3(tmal)
和
game3(tmga)
制造半导体材料例如
aln
和
gan
的目的而代表金属有机化学气相沉积，但是这样的装置和反应器是本领域技术人员公知的并且理解为适合与非金属有机前体一起使用
。mocvd
可以与金属有机气相外延
(movpe)
同义使用
。
184.石墨烯是公所周知的二维材料，其是指在六方晶格中包括单层碳原子的碳的同素异形体
。
如本文所使用的石墨烯和石墨烯层是指一层或更多层石墨烯
。
优选地，石墨烯层是石墨烯单层，其也可以称为单层石墨烯片
。
然而，可以使用多层石墨烯，在这种情况下，2层或3层石墨烯可能是优选的
。
在一些实施方式中，石墨烯可以掺杂
(n
型或
p
型
)
，如本领域众所周知的
。
在
wo2017/029470
中还描述了形成掺杂石墨烯的方法
。
掺杂石墨烯可以优选地具有多至
10
13
cm-2
，优选地多至
5x10
12
cm-2
的电荷载流子密度
。
185.eom
还包括在石墨烯层上并跨石墨烯层设置的第二绝缘层
。
在石墨烯可能已经被图案化从而露出第一绝缘层的情况下，第二绝缘层也在第一绝缘层的露出部分上，从而通过绝缘体材料基本上包封石墨烯层
。
这保护石墨烯层不受大气污染，否则将导致石墨烯层的电荷载流子密度和费米级的不期望的漂移
。
因此，这样的大气污染会对
eom
的操作产生负面影响
。
如本文所述，可以蚀刻或以其他方式去除一个或更多个部分，以使得能够形成与石墨烯层的欧姆接触件
。
186.本文中描述的用于第一绝缘层的材料同样可以用于第二绝缘层
。
类似地，厚度如针对第一绝缘层所描述的，并且优选地小于
100nm。
这使得能够对石墨烯的费米级进行灵敏的偏置调整
。
优选地，第二绝缘层包括铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物，优选地由铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物组成
。
优选地，氧化物是铝氧化物或铪氧化物
。
还优选的是，第二绝缘层由与第一绝缘层的上层相同的材料形成
。
如本文所述，这样的层可以通过诸如
ald
的方法形成，其特别适于直接在石墨烯上生长而不会不期望地掺杂或损坏石墨烯层，
并且在一些实施方式中，这样的方法用于提供进一步的基本平坦的上表面，在该上表面上可以设置非石墨烯电极
。
187.石墨烯层为电光调制器提供第一电极
。
也就是说，当电光调制器连接到电路中时，并且在使用时，电流可以施加至石墨烯层
。
诸如如本领域已知的欧姆接触件的电接触件可以用于接触石墨烯层以连接到电子电路中
。
188.电光调制器还包括第二电极，该第二电极优选地是非石墨烯电极
。
虽然本文讨论的第二电极是非石墨烯电极，但是在不太优选的实施方式中，应当认识到，在所有实例中，该电极也可以是石墨烯电极
。
189.与第一石墨烯电极一样，非石墨烯第二电极也可以设置有诸如欧姆接触件的接触件，以使得能够与电子电路连接
。
优选地，通过以下方法提供第二电极，该方法不涉及将包括第一石墨烯电极的电光调制器的中间体加热到大于
500℃
的温度，优选地通过以下方法提供第二电极，该方法不涉及加热到大于
400℃
的温度，优选地不大于
300℃
，优选地不大于
200℃
，优选地不大于
100℃
，甚至更优选地基本没有任何加热
(
即，不对中间体进行特定加热，但是将认识到，取决于采用的方法，在第二电极的沉积期间温度可能波动
)。
因此，优选的是，第二电极不是通过化学气相沉积
(cvd)
方法提供
(
或形成，或沉积
)
的
。
优选地，第二电极是通过物理气相沉积
(pvd)
方法提供的
。
190.在一个实施方式中，在第二绝缘层上并在波导材料的第一通道的第一部分的至少一部分上方设置非石墨烯第二电极
。
换言之，第二电极至少与第一部分交叠，以在第一部分的至少一部分上方延伸
(
其中，第一部分优选地为本文所述的波导通道的整个宽度
)。
同样，第二电极优选地被布置在波导通道的至少整个宽度上方
(
从而位于在整个第一部分上方
)。
第二绝缘层提供基本平坦的表面，可以在该表面上设置第二电极
。
第二电极被设置在波导材料的第一通道的至少第一部分上方，并且因此在石墨烯电极的对应部分上方
。
因此，这两个电极形成电容器型布置
。
191.在第二电极被设置在石墨烯层上方时，电极可以在波导材料的光学模式内
。
在这样的情况下，特别优选的是，第二电极是透明电极
。
合适的材料是本领域众所周知的，其中优选的是铟锡氧化物
(ito)、
铟镓锌氧化物
(ingazno
；也称为
igzo)
和非晶硅
。
因此，第二电极优选地包括
ito、igzo
或非晶硅
。
192.在另一实施方式中，第二电极被设置在基板内，至少从波导材料的第一通道的第一部分下面伸出
。
换言之，第二电极至少从第一部分下面伸出，以在第一部分的至少一部分下方延伸
(
其中，第一部分优选地是本文所述的波导通道的整个宽度
)。
同样，第二电极优选地被布置在波导通道的至少整个宽度下方
(
从而位于整个第一部分下方
)。
优选地，第二电极与波导材料的第一通道一体地形成在基板内
。
因此，在一些实施方式中，波导材料的第一通道本身可以用作第二电极
。
因此，波导材料是导电的
。
优选地，导电率为至少
10-2
s/cm(
ω-1
cm-1
)
，优选地至少
10-1
s/cm
，更优选地至少
100s/cm。
优选地，当第二电极被设置在基板内时，第二电极包括n掺杂硅
。
优选地，载流子浓度为至少
10
12
cm-3
，优选地至少
10
13
cm-3
。
通常，硅的掺杂不大于约
10
19
cm-3
。n
掺杂硅作为适用于波导材料的导电材料是特别优选的
。
如将认识到的，第二电极包括例如n掺杂硅的另外的通道，其嵌入基板内并延伸至基板的露出表面以用于连接至电子电路
。
这样的嵌入式电极
(
包括与波导材料一体地形成的电极
)
在本领域是众所周知的
。
在一些实施方式中，波导材料是n轻掺杂硅
(
例如，至少
10
12
cm-3
至
10
14
cm-3
)
，并且第二电极的连接通道是n重掺杂硅
(
例如，至少
10
14
cm-3
至
10
19
cm-3
)
，以用于改善传导而不影响波导材料的折射率
。
193.如本文所述，优选的是，电光调制器包括第一绝缘层，该第一绝缘层包括铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物，优选地铝氧化物或铪氧化物
。
此外，第一绝缘层优选地还包括直接在基板的上表面上的硅氮化物层，由此绝缘层包括硅氮化物层上的氧化物
。
194.在一些具体实施方式中，优选的是，波导材料包括
sin
x
，第二电极被设置在第二绝缘层上，并且第二电极包括
ito、ingazno
或非晶硅
。
195.在另一优选的具体实施方式中，波导材料包括非故意掺杂硅，第二电极被设置在第二绝缘层上，并且第二电极包括
ito、ingazno
或非晶硅
。
196.在另一优选的具体实施方式中，第二电极被设置在基板内，并且第二电极和波导材料由n掺杂硅一体地形成
。
197.在优选实施方式中，电光调制器还包括波导材料的第二通道，该第二通道平行于波导材料的第一通道并在其上方对准
。
第二通道在第一通道上方的对准使得能够由单个石墨烯层对光进行调制
。
优选地，第二波导的截面尺寸与第一波导基本相同
。
198.在第二电极嵌入基板内的情况下，波导材料的第二通道优选地被设置在第二绝缘层上
。
替选地，在其中第二电极被设置在第二绝缘层上的实施方式中，波导材料的第二通道可以优选地被设置在第二电极上
。
如将认识到的，第二通道平行于波导材料的第一通道并且超出包括石墨烯和非石墨烯电极的“有源区域”延伸
。
因此，在其中波导材料的第一通道不直接在石墨烯层和
/
或特别地第二电极下方的部分中，第二通道也设置在第二绝缘层上
。
199.替选地，还优选的是，电光调制器还包括第三绝缘层
(
诸如本文所述的氧化物
)
，当第二电极被设置在第二绝缘层上时，该第三绝缘层被设置在第二绝缘层和第二电极上
。
优选地，第二绝缘层和第三绝缘层由相同材料组成
。
波导材料的第二通道于是可以被设置在第三绝缘层上并且在波导材料的第一通道
、
石墨烯层的第一部分和第二电极上方
。
通过在形成第二波导之前跨中间体包括第三绝缘层，由于跨第三绝缘层的单个材料表面沉积通道，因此可以形成更均匀的波导
。
此外，第三绝缘层用于在第二波导的形成期间保护第二电极
。
200.如本文所述，
eom
还可以包括接触件，以使得能够将第一电极和第二电极连接至电路
。
优选地，接触件是欧姆接触件并且各自被设置成与第一电极或第二电极接触
。
这可以通过蚀刻适当的绝缘层以露出电极来实现
。
在一些实施方式中，可以同时蚀刻适当绝缘层的一部分和下面的电极的对应部分，从而露出电极的边缘
。
因此，优选的是，将欧姆接触件设置成接触电极的边缘，优选地石墨烯层的边缘
。
通过在石墨烯层的边缘处设置欧姆接触件，可以通过使石墨烯与欧姆接触件之间的接触面积最小化来避免石墨烯层的非故意掺杂
。
此外，发明人发现，与欧姆接触件设置在石墨烯的表面相比，在石墨烯边缘处，电荷注入更高效
。
201.欧姆接触件通常设置在距波导足够的距离处，以免影响光的传播
。
在一些实施方式中，在距波导至少
300nm
，优选地至少
500nm
处设置接触件
。
优选地，欧姆接触件是金属接触件，优选地选自钛
、
镍
、
铬
、
铂
、
钯和铝中的一种或更多种
。
特别优选的接触件是
ti/al
和
ni/al。
优选地，接触件不包括金
。
202.如将认识到的，形成探测器和调制器的方法非常类似
。
因此，关于形成探测器的方
法描述的所有特征同样适用
。
因此，在形成电光调制器特别是如下电光调制器的一种方法中，在该电光调制器中波导材料包括
sin
x
、
第二电极被设置在第二绝缘层上并且第二电极包括
ito、ingazno
或非晶硅，所述方法包括：
203.设置其中蚀刻有第一通道的基板，
204.用
sin
x
填充第一通道，并且通过低压
cvd
跨基板形成
sin
x
层；
205.至少部分地蚀刻
sin
x
层以形成基本平坦的生长表面；
206.在生长表面上沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第一绝缘层；
207.通过
cvd
跨第一绝缘层形成石墨烯单层；
208.对石墨烯单层进行蚀刻以形成第一电极；
209.沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第二绝缘层；以及
210.在第二绝缘层上设置第二电极
。
211.在形成电光调制器特别是如下电光调制器的另一方法中，在该电光调制器中波导材料包括非故意掺杂硅
、
第二电极被设置在第二绝缘层上并且第二电极包括
ito、ingazno
或非晶硅，所述方法包括：
212.设置其中蚀刻有第一通道的基板，
213.用非故意掺杂硅填充第一通道；
214.通过低压
cvd
跨基板和第一通道形成
sin
x
层；
215.部分地蚀刻
sin
x
层以形成基本平坦的生长表面；
216.在生长表面上沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第一绝缘层；
217.通过
cvd
跨第一绝缘层形成石墨烯单层；
218.对石墨烯单层进行蚀刻以形成第一电极；
219.沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第二绝缘层；以及
220.在第二绝缘层上设置第二电极
。
221.在形成电光调制器特别是如下电光调制器的另一方法中，在该电光调制器中第二电极被设置在基板内并且第二电极和波导材料由n掺杂硅一体地形成，所述方法包括：
222.设置其中嵌入有n掺杂硅通道的基板，通道还包括由延伸穿过基板的n掺杂硅一体地形成的第二电极，
223.通过低压
cvd
跨基板和第一通道形成
sin
x
层；
224.部分地蚀刻
sin
x
层以形成基本平坦的生长表面；
225.在生长表面上沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第一绝缘层；
226.通过
cvd
跨第一绝缘层形成石墨烯单层；
227.对石墨烯单层进行蚀刻以形成第一电极；
228.沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第二绝缘层
。
229.因此，形成
eom
的方法包括设置其中蚀刻有通道的基板
。
这可以例如通过激光
、
等离子体和
/
或反应离子蚀刻合适的基板
(
例如，硅基板上的硅氧化物
)
以在基板的表面蚀刻出通道来实现
。
这样的技术是本领域公知的
。
230.方法还包括以下第二步骤：沉积铝
、
铪和镁中的一种或更多种的氧化物以形成第二绝缘层
。
231.各种方法还包括在第二绝缘层上设置透明的第二电极，该电极包括
ito、igzo
或非
晶硅
。
这样的电极可以通过本领域已知的任何技术形成
。
这样的电极是众所周知的透明电极
。
232.虽然包括石墨烯的现有电光调制器利用石墨烯作为第一电极和第二电极两者，但是发明人已经发现，在通过
cvd
生长石墨烯所必需的条件下，通过由
cvd
设置第二石墨烯电极，第一石墨烯层被绝缘氧化物层不期望地掺杂，并且该过程具有损坏
eom
结构的风险
。
然而，通过
cvd
直接生长在第一绝缘层上的第一石墨烯层提供了优于被转移的石墨烯的许多益处
。
这样的石墨烯的质量较低，并且由于在转移过程期间发生的不可避免的损坏和掺杂，因此无法展现石墨烯的独特的电子特性
。
通常，通过
cvd
生长在铜箔上的石墨烯仍然会无意中不可避免地掺杂有铜原子
。
此外，为了从铜箔去除石墨烯，石墨烯暴露于各种溶剂和蚀刻溶液，进一步污染石墨烯，并且在该过程期间用于支承石墨烯的聚合物涂层通常从未完全从石墨烯表面去除
。
最后，石墨烯的物理转移导致裂缝
、
褶皱和其他变形的形成，这些裂缝
、
褶皱和其他变形在石墨烯直接生长在器件的基板上时不存在
。
因此，发明人试图通过避免可能以其他方式无意中掺杂石墨烯的另外的步骤来保持第一石墨烯层的期望电子特性
。
因此，基于石墨烯的
eom
的性能得到了改善
。
233.优选地，方法还包括形成欧姆接触件，以接触第一电极和第二电极
(
即石墨烯电极和非石墨烯电极
)
中的每一个
。
可以通过诸如钛
、
镍和
/
或铝的合适的金属的电子束沉积来形成这样的接触件
。
234.在另一优选方法中，首先设置基板，该基板在其中嵌入有n掺杂硅通道，并且与波导一体地形成，使得波导材料的通道能够作为第二电极操作
。
这样的嵌入式通道在本领域是众所周知的，并且可以使用标准的光刻技术来准备
。
通道优选地被设置以延伸至基板的上表面，使得可以进行电连接
。
在替选实施方式中，可以对基板进行蚀刻，以露出沉积在n掺杂硅上的欧姆接触件和通道的一部分
。
235.本公开内容还提供了本文所述并且共用共同的基板的电光调制器的阵列
。
因此，本文描述的方法允许在单个过程中制造多个电光调制器
。
优选地，在直径为至少
5cm(2
英寸
)、
至少
15cm(6
英寸
)
或至少
30cm(12
英寸
)
的基板上制造阵列
。
这样的方法使得能够进行基于石墨烯的电光调制器的大规模生产和商业化
。
先前的
eom
依赖于石墨烯的转移，这不适合跨如此大的基板的多个器件的大规模生产
。
虽然转移技术已经用于晶片规模生产，如
acsnano15,3171-3187(2021)
中那样，但是为了使与石墨烯转移相关联的风险最小化以努力实现可再现性，需要复杂的多阶段转移过程
。
另外，转移过程涉及包括石墨烯晶体的单独畴的约
2x2.5cm
的多个块的转移
。
本器件直接在器件基板的表面上提供了高质量的石墨烯，从而避免了与转移过程相关联的风险，并且其于是可以容易地被蚀刻成期望形状
。
因此，这样的方法允许具有一致电子性能的多个
eom
的可再现的制造
。
236.本文描述了用于本发明的系统的电光调制器，该电光调制器包括：
237.提供基本平坦的上表面的基板；
238.在上表面上并跨上表面的第一绝缘层；
239.在第一绝缘层上布置的石墨烯层；
240.在石墨烯层上并跨石墨烯层设置的第二绝缘层；以及
241.在第二绝缘层上并在石墨烯层的至少第一部分上方布置的波导材料的第一通道；
242.其中，石墨烯层提供第一电极，并且其中，优选非石墨烯的第二电极：
243.(i)
是基板，或
244.(ii)
被设置在基板内在石墨烯层的至少第一部分下方
。
245.这样的电光调制器可以被认为等同于其中第二波导材料被布置在石墨烯层
(
以及波导材料的第一通道
)
上方的电光调制器，除了嵌入式波导不存在于
eom
中之外
。
因此，非石墨烯第二电极可以简单地是基板本身，或者可以以与本文关于第一方面的
eom
所述的方式等同的方式嵌入基板内
。
如将认识到的，嵌入式电极由合适的波导材料形成和
/
或嵌入合适的包层内以用作波导不是必需的
。
246.优选地，非石墨烯第二电极是由以下提供的硅：(i)硅基板，或
(ii)
基板内的硅的一部分
。
如将认识到的，如果在基板内设置电极，则基板的导电率将低于电极的导电率
。
优选地，在第二电极设置在基板内的情况下，硅是硅氧化物或硅基板内的n掺杂硅，或者硅是硅氧化物基板内的非故意掺杂硅
。
247.附图
248.现在将参照以下非限制性附图进一步描述本发明，在附图中：
249.图
1a
是适用于根据本发明的系统的电光调制器的截面图
。
250.图
1b
是等效电光调制器的立体图
。
251.图2是适用于根据本发明的系统的另一电光调制器的截面图
。
252.图3是适用于根据本发明的系统的另一电光调制器的截面图
。
253.图4是适用于根据本发明的系统的另一电光调制器的截面图
。
254.图5是根据本发明的光电探测器的截面图
。
255.图6是根据本发明的系统的平面图
。
256.图
1a
是
eom 100
使用时
eom 100
的垂直于光行进的方向的截面图
。
调制器
100
包括基板
105
，该基板
105
具有嵌入其中的波导材料的通道
110
，使得波导材料的通道
110
和基板
105
一起提供基本平坦的上表面，在该上表面上设置有第一绝缘层
(115a
和
115b)。
波导材料的通道是掺杂剂浓度约为
10
12
cm-3
的非故意掺杂硅
。
波导
110
基本上是垂直于光行进的方向的矩形，并且具有约
1200nm
的截面宽度和约
250nm
的高度
。
257.第一绝缘层由下层
115a
和上层
115b
组成，下层
115a
直接在由基板
105
和波导
110
提供的上表面上
。
下层
115a
由硅氮化物形成，并且具有约
15nm
的厚度
。
第一绝缘层包括具有约
10nm
的厚度的铝氧化物的上层
115b。
258.调制器
100
还包括石墨烯的单层
120
，其被布置在第一绝缘层
(115a
和
115b)
上，并且特别是在上铝氧化物层
115b
上，以及在波导材料的通道
110
的整个宽度上方
。
石墨烯的单层
120
在超过
900℃
的温度下通过
cvd
跨整个上铝氧化物层
115b
形成，通过激光蚀刻对石墨烯进行图案化，以留下在波导
110
上方延伸的部分
。
硅氮化物层
115a
和铝氧化物层
115b
的厚度是在波导
110
与石墨烯单层
120
之间测量的
。
259.调制器
100
还包括在石墨烯单层
120
上并跨石墨烯单层
120
设置的由铝氧化物形成的第二绝缘层
115c。
因此，在其中石墨烯被蚀刻和去除的区域
(
诸如不在波导
110
上方的区域
)
中，第二绝缘层
115c
的铝氧化物也形成在第一绝缘层
(115a
和
115b)
的上层
115b
上，该上层
115b
本身也由铝氧化物形成
。
260.石墨烯单层
120
提供
eom 100
的第一电极，并且由铟锡氧化物
(ito)
形成的非石墨烯第二电极
125
被设置在第二绝缘层
115c
上，并且与石墨烯单层
120
的布置在波导
110
上方
的整个部分交叠
。
因此，
ito
电极
125
也在波导
110
的整个宽度上方延伸
。
261.图
1b
提供了等效电光调制器
100
的立体图
。
调制器
100
的基板
105
由上层
105a
和下层
105b
形成
。
上层
105a
在本领域可以称为包层，并且由硅氧化物形成
。
波导
110
嵌入硅氧化物上层
105a
内
。
基板
105
还包括由硅形成的下层
105b。
262.图2提供了另一电光调制器
200
的截面图，该电光调制器
200
包括硅氧化物基板
205
，在该硅氧化物基板
205
中嵌入有作为波导的硅氮化物的通道
210
，其高度约为
300nm
，并且宽度约为
700nm。
调制器
200
包括第一绝缘层
(215a
和
215b)
，其由在与硅氮化物波导
210
相同的步骤中通过
lpcvd
形成的硅氮化物
215a
的下层形成
。
波导
210
的高度是相对于如下平面测量的，该平面包含由基板
205
与下硅氮化物层
215a
之间的基本平坦的边界限定的平坦上表面
。
263.发明人发现，硅氮化物是用于电光调制器的特别有效的波导材料，并且此外，硅氮化物的下层
215a
允许氧化物上层
215b
的保形生长
。
第一绝缘层
(215a
和
215b)
提供铪氧化物
215b
的基本平坦的上表面，在该上表面上可以通过
cvd
生长高度均匀的石墨烯，包括掺杂的石墨烯，这向调制器
200
提供了优于已知器件的改善的性能
。
因此，在图案化之后，调制器
200
包括掺杂的石墨烯单层
220
，其至少在波导
210
的整个宽度上方延伸
。
这确保可以实现最佳的调制
。
264.调制器
200
还包括第二绝缘层，该第二绝缘层再次可以由与第一绝缘层
(215a
和
215b)
的上层
215b
的材料相同的材料形成，但是可以使用本文所述的任何合适的材料
。
第二绝缘层
215c
因此由铪氧化物形成，在其上设置有透明的非石墨烯电极
225。
电极
225
可以由
igzo
形成，并且至少部分地在石墨烯层
220
的在波导通道
210
上方延伸的一部分上方延伸
。
265.图3提供了包括波导材料的第二通道
335
的电光调制器的截面图
。
与调制器
100
和
200
一样，调制器
300
包括基板
305
，该基板
305
再次优选地由硅氧化物形成，在其中嵌入有硅氮化物波导
310
，但是可以使用本领域已知的任何其他合适的基板和波导组合
。
波导
310
可以具有约
600nm
的高度和约
800nm
的宽度
。
266.调制器
300
包括由铝镁氧化物形成的第一绝缘层
315b
，在该第一绝缘层
315b
上设置有由两个石墨烯单层组成的石墨烯层
320。
如将认识到的，石墨烯单层也可以是优选的
。
石墨烯层
320
至少在波导通道
310
的整个宽度上方延伸，在该波导通道
310
上形成有另外的镁铝氧化物的第二绝缘层
315c。
非石墨烯第二电极
325
形成在第二绝缘层
315c
上并且由非晶硅形成，以便同样延伸并交叠波导
310
的整个宽度，并且因此延伸并交叠石墨烯层
310
的在波导
310
上方延伸的等效部分
。
波导材料的第二通道
335
被设置在由铝镁氧化物形成的第三绝缘层
315d
上，并且被设置成基本平行于波导材料的第一嵌入式通道
310。
因此，第一电极
(320)
和第二电极
(325)
等同地在第二波导
335
下方交叠，并且跨第二波导
335
的整个宽度延伸
。
267.调制器
300
还包括与第一电极和第二电极
(320
和
325)
直接接触的欧姆接触件
(330a
和
330b)。
具体地，钛
/
铝欧姆接触件
330a
被设置在石墨烯层
320
的表面上，在水平方向上距波导
(310
和
335)800nm
以上
。
类似地，在距波导
(310
和
335)
类似距离处在非晶硅接触件
325
的表面上设置钛
/
铝接触件
330b。
268.图4是电光调制器
400
的截面图，该电光调制器
400
包括基板
205
和波导材料的通道
410
，该波导材料的通道
410
由n中掺杂硅
(
掺杂剂浓度约
10
15
cm3)
形成
。
基板
405
还设置有与
波导
410
接触并一体地形成的n重掺杂硅的通道
425。
通道
425
和波导
410
一起提供
eom 400
的第二电极，从而必然从在波导的整个宽度上方延伸的石墨烯单层
420
下面伸出
。
通道
425
的掺杂剂浓度约为
10
18
cm-3
，并且由于n掺杂硅的导电性，使得波导
410
能够作为第二非石墨烯电极操作
。
269.调制器
400
还包括第一绝缘层
(415a
和
415b)
，该第一绝缘层由硅氮化物的下层
415a
以及由铝氧化物形成的上层形成，与调制器
100
相似
。
类似地，调制器
400
还包括在第一绝缘层的铝氧化物上层
415a
上的石墨烯单层
420
，并且在石墨烯层
420
上并跨石墨烯层
420
设置保护性铝氧化物第二绝缘层
415c。
270.第一绝缘层
(415a
和
415b)
和第二绝缘层
(415c)
被蚀刻，以在基板
405
的表面处露出n掺杂硅的通道
425。
类似地，第二绝缘层与下面的石墨烯层
420
的一部分一起被蚀刻，以露出石墨烯层
420
的边缘
。
石墨烯电极
420
和n掺杂硅通道
425
的露出部分本身与镍
/
铝欧姆接触件
(
分别为
430a
和
430b)
接触
。
因此，石墨烯层
420
基本保持被包封并且被保护免受大气污染，从而使得能够提高器件的使用寿命，因为在使用期间，防止了大气污染物不期望地掺杂石墨烯
。
271.调制器
100、200
和
300
是特别优选的，因为它们可以容易地与本发明的光电探测器在共同的基板上一体地形成，其中，每个器件的另外的等效层在同一步骤中一体地形成
。
例如，可以对石墨烯层进行适当的图案化，以提供石墨烯层的探测器部分和调制器部分
。
诸如第一绝缘层的层可以是连续的，并且跨探测器与调制器两者之间的共同的基板延伸
。
272.图5是光电探测器
500
的截面图，该光电探测器
500
包括硅氧化物基板
505
和嵌入其中的由硅氮化物形成的波导材料的通道
510。
光电探测器
500
还包括在通过
lpcvd
沉积硅氮化物以形成波导
510
期间形成的硅氮化层
515a。
硅氮化物层
515a
有利地提供基本平坦的生长表面，在该生长表面上可以例如通过
ald
沉积铝氧化物层
515b。
273.由硅氮化物
(515a)
和铝氧化物
(515b)
形成的第一绝缘层提供基本平坦的铝氧化物
515b
的上表面，在该上表面上可以通过
cvd
生长高度均匀的石墨烯，这向光电探测器
500
提供优于已知器件的改善的性能
。
因此，在图案化之后，光电探测器
500
包括石墨烯单层
520
，该石墨烯单层
520
在波导
510
的整个宽度上并且跨整个宽度延伸，使得可以在石墨烯层上在其边缘处沉积由
ti/al
形成的两个欧姆接触件
(530a、530b)
，并且其中，第一接触件
530a
与波导
510
的间隔
(
在基板的平面上测量的，相当于在石墨烯层的平面上测量
)
是第二接触件
530b
与波导
510
的间隔的至少
1.5
倍
。
274.光电探测器
500
还包括第二绝缘层
515c
，该第二绝缘层
515c
再次可以由与第一绝缘层
(515a
和
515b)
的上层
515b
的材料相同的材料形成，但是可以使用本文所述的任何合适的材料
。
因此，第二绝缘层
515c
由铝氧化物形成并且保护石墨烯不受大气污染，原因在于第二层
515c
与欧姆接触件
(530a、530b)
一起完全包封图案化石墨烯层
520
的上表面
。
275.图6示出了系统
600
的平面图，该系统
600
包括多个电光调制器
(610a、610b)
和多个光电探测器
(615a、615b)
，该系统适用于数据的光传输
。
探测器和调制器一体地形成在其中嵌入有波导材料的第一通道
620
的共同的基板
625
上
。
基板
625
包括硅氧化物包层的上层和硅的下支承层
。
同样，基板可以是具有附加相关联电路的
cmos
晶片
/
基板
。
276.系统包括输入耦合器
605
，该输入耦合器
605
提供光源，被配置成使光沿波导
620
穿过
。
波导材料的第一通道分割以提供两个平行且等效的波导材料的第一通道，在这两个通
道上形成多个调制器
(610a、610b)
和探测器
(615a、615b)。
沿波导材料的第一通道
620
的第一分支，系统包括第一电光调制器
610a
，该第一电光调制器
610a
被布置在输入耦合器
605
与第一光电探测器
615a
之间
。
沿波导材料的第一通道
620
的第二分支，系统包括第二电光调制器
610b
，该第二电光调制器
610b
被布置在输入耦合器
605
与第二光电探测器
615b
之间
。
波导材料的第一通道的两个分支被布置成在基板
625
内并且在每个光电探测器
(615a、615b)
之后重新结合，其中，系统还包括输出耦合器
630。
277.如本文所使用的，除非上下文另外明确指定，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数形式指代
。
术语“包括”的使用旨在解释为包括这样的特征，但不排除其他特征，并且还旨在包括必然限于所描述的那些特征的选项
。
换言之，术语还包括“基本由
……
组成”(
旨在意指可以存在特定的其他组分，只要它们不会对所描述的特征的基本特性产生实质性影响
)
和“由
……
组成”(
旨在意指不可以包括任何其他特征，使得在考虑任何不可避免的杂质的情况下，如果组分按其比例表示为百分比，则这些将相加为
100
％
)
的限制，除非上下文另外明确指示
。
278.将理解，尽管术语“第一”、“第二”等在本文中可以用于描述各元件
、
层和
/
或部分，但是所述元件
、
层和
/
或部分不应当受这些术语的限制
。
这些术语仅用于将一个元件
、
层或部分与另一或另外的元件
、
层或部分区分开
。
将理解，术语“在
……
上”旨在意指“直接在
……
上”，使得在一种材料被说成是“在另一种材料上”的时候，没有任何中间层
。
为了描述方便，空间相关术语例如“之下”、“下方”、“下面”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等，在本文中可以用于描述一个元件或特征与另外的元件或特征的关系
。
将理解，除了附图中描绘的取向之外，空间相关术语旨在包括器件在使用或操作中的不同取向
。
例如，如果如本文所述的基板或器件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件将被定向成在其他元件或特征“之上”或“上方”。
因此，示例术语“之下”可以包括之上和之下这两种取向
。eom
可以以其他方式定向，并且本文中使用的空间相关描述相应地解释
。
279.前述详细描述已通过说明和举例的方式提供，并且不旨在限制所附权利要求的范围
。
对于本领域普通技术人员而言，本文所说明的目前优选的实施方式的许多变型将是明显的，并且仍然在所附权利要求及其等同方案的范围内
。