基于石墨烯的光调制器关键技术的研究

In the past few years, a lot of research of silicon-based optical modulators have been done. However, due to its weak electro-optical properties, millimeter level of the foot print density, narrow bandwidth, complicated optical design and harsh temperature limit, silicon-based optical modulator is difficult to meet the needs of the LSIC. Nowadays, people try to find materials having sufficient speed and intensity of optical modulation while compatible with metal oxide semiconductor (CMOS). This project is focusing on the structure, energy band and functionalization of graphene kind 2-D materials. By analysing these characteristics and advantages, we can provide theoretical basis for device structure and manufacture technology based on graphene kind materials. We also try to control the carrier mobility and band gap by introducing hetero atoms into graphene sheet. Carrier lifetime and photo interaction mechanism with graphene (like the third-order nonlinear response) will be studied. This project will make foundation of designing graphene-based optical modulators which have high modulation speed, wide modulation bandwidth as well as small foot print.

过去几年中，人们对硅基光调制器进行了大量的研究。但由于其脆弱的电光属性、毫米级别的阵脚密度、窄带宽、复杂的光学设计，苛刻的温度限制等影响，难以满足大规模集成电路的需要。找到一种具备有足够的光调制速度和强度，又能够与氧化物金属半导体（CMOS）互补相兼容的材料，成为目前学术界研究热点。本项目主要研究石墨烯类二维材料的结构、能带和性能调控，重点围绕石墨烯类二维材料的特点，充分发挥其材料结构的优势，为石墨烯类二维材料的器件结构和制造提供理论依据。研究不同元素在石墨烯中的掺杂，在石墨烯片层中引入碳原子外的其他杂原子实现对其载流子迁移率和能带宽度的控制。探究石墨烯类二维材料中载流子的寿命和三阶非线性响应等对光子相互作用的机制，研究与硅融合的石墨烯类二维材料的光调制器件集成关键科学问题，并对其相关特性进行深入剖析，为实现调制速度高，调制带宽大，阵脚密度小石墨烯类二维材料光调制器件的应用打下坚实的基础。

针对本项目的目标，本项目的研究重点是实现高质量石墨烯的制备及基本物性和新型石墨烯类二维原子晶体及器件的探索。.a)本项目研究了大面积、高质量石墨烯类（如硅烯等）二维材料的可控制备及转移技术。研究了新型石墨烯类材料的结构、能带和性能调控，探究了适合的器件结构和制造技术工艺。.b)研究了石墨烯类二维材料中的散射机制、寿命和迁移率，模拟光调制特性、优化器件结构及参数，研究石墨烯类二维材料光调制器件的建模方法，为高质量的石墨烯类二维材料及其器件结构设计和优化以及机理研究提供理论基础和设计工具。探究影响调制器性能的深层机理，以满足制备高性能光学调制器件的需求。.c)探索了化学修饰的微观机理，发现和研究了石墨烯类二维材料光电响应机制，调制石墨烯类二维材料的电子结构。开展了石墨烯类二维材料中载流子寿命的时间分辨研究。.d)本项目是围绕实现高质量石墨烯及探索石墨烯类新型二维材料的制备及基本物性及来开展研究。通过制备高质量的石墨烯类二维材料实现 B、N等外来原子对高质量石墨烯的掺杂和物性调控；通过优化石墨烯类二维材料的结构实现对其物性的调控。实现了不同元素对石墨烯的掺杂，实验探究了石墨烯类二维材料不同的原子结构、能带对其光学性质的影响，探索通过优化石墨烯类二维材料的结构来调控其物性的手段。.e)开展了石墨烯类二维材料三阶非线性光学性质的研究，为器件结构及参数设计提供了技术基础。研究介质层材料与相关工艺对石墨烯类二维材料光学特性的影响及工艺改进。研究了混合集成石墨烯类二维材料和Si 基光子晶体波导结构，研制出多波导通道的光调制器，提高调制幅度和调制带宽。.f)以新型二维材料制备为突破点，研究了高质量二维晶体及其异质结制备工艺方法，研究了二维晶体异质结构中的电子转移过程，开展了基于新型二维晶体的高性能低功耗场效应管器件研制和性能提升，研制出了基于硫化物纳米二维晶体的低功耗场效应晶体管。