石墨烯/硅基異質(zhì)集成光電子器件綜述

石墨烯/硅基異質(zhì)集成的光子器件研究在近年來(lái)取得了巨大進(jìn)展，因石墨烯所具有的諸多獨(dú)特的物理性質(zhì)如超高載流子遷移率、超高非線性系數(shù)等，石墨烯/硅基異質(zhì)集成器件展現(xiàn)出了諸如超大帶寬、超低功耗等優(yōu)異性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，華中科技大學(xué)唐明研究團(tuán)隊(duì)介紹了近年來(lái)報(bào)道的典型石墨烯/硅基異質(zhì)集成器件，包括石墨烯/硅基電光調(diào)制器、石墨烯/硅基熱光調(diào)制器和石墨烯/硅基光電探測(cè)器，簡(jiǎn)要闡述了其原理與性能，并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用與發(fā)展做出了展望。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“石墨烯/硅基異質(zhì)集成光電子器件”為題發(fā)表在《半導(dǎo)體光電》期刊上。

石墨烯的光電性能

在光電子領(lǐng)域，石墨烯具有許多獨(dú)特且優(yōu)異的物理性質(zhì)，典型的性質(zhì)包括：（1）高載流子遷移率；（2）高導(dǎo)熱性；（3）低光吸收率；（4）高光損傷閾值，機(jī)械穩(wěn)定性優(yōu)異。以上石墨烯的優(yōu)秀特性與其特殊的晶格與能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。，相較于傳統(tǒng)半導(dǎo)體，石墨烯是一種零帶隙材料（導(dǎo)帶和價(jià)帶在K點(diǎn)處簡(jiǎn)并，如圖1），因此不會(huì)受到帶隙的束縛，可吸收光波長(zhǎng)范圍從紫外延伸至遠(yuǎn)紅外，從理論上可實(shí)現(xiàn)超寬光譜的探測(cè)。這些良好的性質(zhì)為石墨烯在硅基光電器件中的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖1 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)

石墨烯/硅基調(diào)制器

調(diào)制器是光通信和信息處理系統(tǒng)中重要的部件，它通過(guò)外部輸入電信號(hào)，對(duì)光信號(hào)的相位、振幅等信息進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)將電信號(hào)向光信號(hào)的加載。調(diào)制器按調(diào)制原理可分為熱光調(diào)制和電光調(diào)制，熱光調(diào)制器利用金屬熱電極產(chǎn)生的焦耳熱改變波導(dǎo)材料的折射率，從而改變?cè)谄渲袀鞑サ墓庑盘?hào)相位，并結(jié)合干涉結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制；電光調(diào)制器則基于材料的電光效應(yīng)，通過(guò)外加電場(chǎng)改變材料折射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光相位、振幅等參數(shù)的調(diào)制。傳統(tǒng)的硅基熱光調(diào)制器通常調(diào)制速度較慢，而基于載流子色散效應(yīng)的電光調(diào)制器雖然調(diào)制速度較快，但在相位調(diào)制過(guò)程中不可避免地會(huì)引入強(qiáng)度調(diào)制，從而對(duì)信號(hào)質(zhì)量造成影響。基于石墨烯/硅異質(zhì)集成的熱光/電光調(diào)制器則有望突破傳統(tǒng)硅基調(diào)制器的諸多性能瓶頸。下面將對(duì)石墨烯熱光調(diào)制器和電光調(diào)制器原理和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析和介紹。

熱光調(diào)制器

考慮到石墨烯所具有的超高熱導(dǎo)率以及較低的光吸收系數(shù)，研究人員提出了將石墨烯作為加熱器的材料與硅波導(dǎo)集成的方案。石墨烯對(duì)光的低吸收系數(shù)使其能夠與硅波導(dǎo)緊密接觸，避免了傳統(tǒng)硅基熱光調(diào)制器中的氧化層導(dǎo)致的熱量損失，從而顯著提高調(diào)諧效率。而石墨烯首次被直接應(yīng)用到熱光調(diào)制器領(lǐng)域則可追溯到2013年，來(lái)自韓國(guó)的研究人員展示了一種基于石墨烯等離子體波導(dǎo)的石墨烯/硅基熱光調(diào)制器，如圖2（a）。如圖２（b）所示，Gan等在2015年報(bào)道了一種石墨烯/硅基微環(huán)異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)，通過(guò)將石墨烯鋪設(shè)在硅基微環(huán)諧振器上，并結(jié)合微環(huán)的諧振特性。

為了提升熱光調(diào)制效率，浙江大學(xué)的Yu等將石墨烯與硅基微盤諧振器進(jìn)行了異質(zhì)集成，并通過(guò)對(duì)石墨烯熱電極形狀的設(shè)計(jì)，使其與諧振腔光場(chǎng)的重疊程度大幅度增加，避免了熱量的損失，從而顯著提升了加熱效率，其具體結(jié)構(gòu)如圖２（c）所示。來(lái)自華中科技大學(xué)的研究人員與丹麥科技大學(xué)合作，提出了一種硅光子晶體波導(dǎo)與石墨烯加熱器異質(zhì)集成的方案，借助光子晶體波導(dǎo)中慢光效應(yīng)，顯著促進(jìn)光與石墨烯相互作用，來(lái)大幅度降低加熱功耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速的熱光調(diào)制。其結(jié)構(gòu)如圖２（d）所示。

圖2 典型石墨烯/硅基熱光調(diào)制器

得益于石墨烯的超高熱導(dǎo)率以及對(duì)硅光芯片結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，石墨烯/硅基熱光調(diào)制器展現(xiàn)出了比傳統(tǒng)硅基熱光調(diào)制器更顯著的性能優(yōu)勢(shì)，具有更快的響應(yīng)速度和更高的加熱效率，有望未來(lái)在大規(guī)模硅基光電集成芯片和光學(xué)相控陣芯片等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

電光調(diào)制器

由于硅材料不具有Pockels效應(yīng)，傳統(tǒng)的硅基電光調(diào)制器僅能利用等離子色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。等離子色散效應(yīng)是一種間接電光效應(yīng)，它通過(guò)外加電場(chǎng)改變有源區(qū)自由載流子濃度，進(jìn)而影響硅材料折射率的實(shí)部和虛部，從而調(diào)制輸出光波的相位和幅值。但是由于受到硅材料載流子復(fù)合壽命的限制，在調(diào)制效率和速率上面臨瓶頸，因此在具體應(yīng)用上存在較大的局限性。

由于單層石墨烯的帶間躍遷與電吸收特性較強(qiáng)烈，使得石墨烯可作為光學(xué)電光調(diào)制器的有源部分。相較于傳統(tǒng)硅基電光調(diào)制器，基于石墨烯的硅基電光調(diào)制器有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。早期的石墨烯調(diào)制器大多基于電吸收調(diào)制原理，屬于強(qiáng)度調(diào)制器。石墨烯/硅基調(diào)制器都屬于強(qiáng)度調(diào)制器，能夠?qū)崿F(xiàn)電信號(hào)向光信號(hào)幅度的轉(zhuǎn)換。除了強(qiáng)度調(diào)制器，石墨烯/硅基相位調(diào)制器在近年來(lái)同樣受到了廣泛關(guān)注。由于通過(guò)外加電壓調(diào)控石墨烯費(fèi)米能級(jí)的同時(shí)，石墨烯的實(shí)部折射率也會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，可以制作出石墨烯相位調(diào)制器。

圖3 典型的石墨烯/硅基電光調(diào)制器

石墨烯/硅基調(diào)制器相比傳統(tǒng)硅基調(diào)制器，具有調(diào)制速度快、光學(xué)帶寬大、尺寸小、驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)勢(shì)，使得其成為提升硅基調(diào)制器性能的一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力方案。該異質(zhì)集成方案有望在保留硅基調(diào)制器低成本和與CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，顯著提升調(diào)制器的關(guān)鍵性能指標(biāo)，以應(yīng)對(duì)光通信系統(tǒng)對(duì)調(diào)制器性能的嚴(yán)苛要求。

石墨烯/硅基光電探測(cè)器

光電探測(cè)器是一種將吸收的光子轉(zhuǎn)換為電輸出信號(hào)的器件。其中，傳統(tǒng)的硅/鍺基光電探測(cè)器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，其制作工藝成熟、性能穩(wěn)定，然而硅材料本身的間接帶隙特征導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率難以進(jìn)一步提升，而硅材料較寬的禁帶寬度又導(dǎo)致其探測(cè)波段無(wú)法進(jìn)一步拓展至紅外范圍。為了突破這些限制，人們陸續(xù)制備出一些基于新材料的光電探測(cè)器，其中石墨烯/硅基探測(cè)器憑借高載流子遷移率、寬帶吸收等優(yōu)異性能，吸引了人們的注意。目前石墨烯/硅基光電探測(cè)器從探測(cè)原理上可分為三大類：光伏效應(yīng)、光電熱電效應(yīng)、輻射熱測(cè)量效應(yīng)。而描述光電探測(cè)器性能的典型參數(shù)包括光響應(yīng)度、3 dBb探測(cè)帶寬和暗電流等。下面具體介紹基于不同光電效應(yīng)的石墨烯探測(cè)器。

光伏效應(yīng)是最早被應(yīng)用于石墨烯探測(cè)器的效應(yīng)，該效應(yīng)指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光輻射熱效應(yīng)是指由入射光子產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致溝道電導(dǎo)發(fā)生變化的現(xiàn)象?；诠廨椛錈嵝?yīng)下的石墨烯基光電探測(cè)器具有小熱容和弱電子－聲子耦合作用，因此具有響應(yīng)波段寬、靈敏度高及等效噪聲功率低的優(yōu)勢(shì)。

圖4 典型的自由空間輻射型石墨烯/硅基光電探測(cè)器

光熱電效應(yīng)（PTE）是指光導(dǎo)致熱電子因溫度梯度發(fā)生定向移動(dòng)，從而在外部產(chǎn)生光電流/光電壓的一種工作模式，在實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)度的同時(shí)能夠避免暗電流的影響。早期的工作證明了PTE效應(yīng)是石墨烯中主要的光載流子生成機(jī)制。隨著微納加工水平的提高，人們得以將一些光學(xué)微結(jié)構(gòu)（包括光子晶體、光波導(dǎo)等）集成到石墨烯探測(cè)器上，以有效調(diào)控光的傳播方向、相位等屬性，這些方法為石墨烯探測(cè)器的發(fā)展拓寬了道路。此外，研究者們還創(chuàng)造性地將石墨烯與其他具有更優(yōu)良性能的半導(dǎo)體材料結(jié)合來(lái)彌補(bǔ)石墨烯自身的不足，使石墨烯中的載流子壽命延長(zhǎng)且遷移率提高，則其光探測(cè)器具有較高的光增益和響應(yīng)度。

圖5 典型的石墨烯/硅基光電探測(cè)器

石墨烯探測(cè)器相較于傳統(tǒng)硅基探測(cè)器，在探測(cè)帶寬上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，但單層石墨烯對(duì)光的吸收較弱，使得石墨烯/硅基探測(cè)器的響應(yīng)度通常受限，并且暗電流一般較高，這是未來(lái)石墨烯/硅基探測(cè)器的研究需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

總結(jié)與展望

綜上所述，石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)為傳統(tǒng)光電器件帶來(lái)了新的機(jī)遇，石墨烯/硅基異質(zhì)集成光電子器件包括調(diào)制器與探測(cè)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如高調(diào)制速度、寬光譜范圍、小尺寸、低功耗以及與CMOS工藝的高度兼容性。然而，在充分利用石墨烯的優(yōu)異特性方面仍存在一些挑戰(zhàn)。

從縱向角度看，如何推進(jìn)石墨烯的物理性質(zhì)充分應(yīng)用在調(diào)制器和探測(cè)器的性能提升上，同時(shí)挖掘石墨烯與硅光器件異質(zhì)集成的新穎物理現(xiàn)象，是未來(lái)石墨烯/硅基器件的兩個(gè)重要課題；而從橫向看，如何將石墨烯/硅基異質(zhì)集成器件從實(shí)驗(yàn)室真正推向產(chǎn)業(yè)，則是科學(xué)界和工業(yè)界需要共同思考的問(wèn)題。

論文信息：

DOI: 10.16818/j.issn1001-5868.2022112203