[發明專利]基于周期性電介質結構的光制冷集成電路系統

有效

• 申請號: 201711065253.7
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN107833868B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 張也平;艾杰;向艷軍;馬烈華;李濤;馬景芳
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: H01L23/34
• 分類號: H01L23/34
• 代理公司: 51213 四川省成都市天策商標專利事務所
• 代理人: 劉興亮;李潔

本發明公開了一種基于周期性電介質結構的光制冷集成電路系統，包括集成電路區，以及位于集成電路周圍的光制冷區。本發明提供的周期性電介質結構的集成電路制冷系統，可利用參數不同的結構分別形成光子帶隙和聲子帶隙，局域光子缺陷模式和聲子缺陷模式，形成光機耦合腔。通過對光子和聲子缺陷模式的局域，最終實現光子和聲子的高效耦合。

技術領域

本發明涉及集成電路和硅基微納光子器件技術領域，尤其是一種周期性電介質結構的集成電路制冷系統。

背景技術

隨著通信電子產品及設備向高速高頻化、高集成度、小型化方向發展促使電子元器件集成度不斷提高，相應的使得電子元器件內部功率密度不斷突破新高，使得電子元器件發熱量越來越大，影響了電子元器件的工作壽命。高溫不但對其介電材料、孔內鍍層和表面焊接點存在直接威脅，而且還間接影響到高頻信號的傳輸質量。

傳統的解決方法是通過散熱來降低器件的溫度，按照散熱方式可以分成主動式散熱和被動式散熱兩種。主動式散熱方式就是通過使用熱傳導材料(例如：鋁，銅)制成的散熱片將電子元器件散發的熱量直接傳導出來，然后借助熱輻射、自然對流自然地將熱量散發至周圍環境中去，其散熱效果和散熱片的大小成正比。被動式散熱就是通過散熱設備將散熱片發出的熱量帶走，其散熱效率得到提高。但是傳統散熱方法器件集成度不高，設備穩定性不好，且成本較高。

隨著新世紀現代物理學的發展，人們開始探索介觀，甚至宏觀物體的量子現象。腔光機力學(Cavity Optomechanics)作為探索介觀量子物理的方向，近年來受到了廣泛關注并迅速發展。聲子是物質晶格機械振動的量子化描述，腔光機力學研究光子-聲子的相互作用，在腔光機系統中同時支持光學模式和機械模式，光通過光力影響機械振動，機械振動又反過來通過改變光模，實現光模和機械模式的相互作用，也就是光子和聲子的相互耦合。光機晶體是一種具有一定周期結構的微納器件，同時支持光子和聲子能帶。這使得光機晶體可以同時操控光子和聲子，利用光機晶體微腔同時局域和調控光子-聲子，甚至可以將介觀/宏觀尺度的片上系統致冷至量子基態，即不含聲子的“超冷”真空態，這一結果是十分誘人的。

利用光機晶體腔來實現集成電路系統的制冷具有美好的研究前景，但在實驗研究上仍有許多待解決的問題。例如：如何增強光子和熱聲子的耦合強度等。

發明內容

本發明是為了解決如何利用不同設計參數的光機耦合腔，最終實現光子和聲子的高效耦合，從而實現高效制冷。

為解決上述技術問題，本發明一種基于周期性電介質結構的光制冷集成電路系統。通過在多層集成電路層周圍引入周期性介質結構，形成光機耦合腔，將所述層產生的熱轉換為光能輸出，所述熱的所述轉換可沿著所述層的全部長度。

本發明具體是這樣實現的：

一種基于周期性電介質結構的光制冷集成電路系統，包括：

集成電路區，以及位于集成電路周圍的光制冷區。

更進一步的方案是：

所述的光制冷區為橫向光機晶體腔，所述的橫向光機晶體腔包括：硅襯底、二氧化硅隔離層、硅平板、頂層二氧化硅層和空氣隔離區；

所述硅襯底，用于承載整個橫向光機晶體腔；

所述二氧化硅隔離層，用于隔離所述硅襯底和硅平板；

所述硅平板，位于所述二氧化硅隔離層之上，所述硅平板包括不同大小的空氣孔陣列，其用于局域光子和熱聲子缺陷模式，實現光子和熱聲子的耦合；其中集成電路區位于硅平板的中間；

所述頂層二氧化硅層，位于所述硅平板之上，其與所述二氧化硅隔離層配合以保護所述硅平板；

所述空氣隔離區，位于橫向光機晶體腔的下部，且位于硅襯底與硅平板之間。