具有高響應(yīng)度和高帶寬的硅波導(dǎo)集成扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯光探測(cè)器

5G通信和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)光通信的能耗、帶寬、成本等提出了更高的要求。在光通信中，硅光技術(shù)借鑒了硅基集成電路工藝，將光信號(hào)傳輸、信息加載與解調(diào)、數(shù)據(jù)計(jì)算等功能集成在一個(gè)芯片上（即硅光芯片），因此集成度更高、功耗和成本更低。然而，硅光芯片中的光電元器件受制于硅鍺等材料的帶隙、遷移率等限制，在截止波長(zhǎng)、帶寬、效率等性能上仍有很大的提升空間，因此尋找兼容硅光技術(shù)的功能光電材料及器件結(jié)構(gòu)，探索硅基光電異質(zhì)集成方案，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

石墨烯在與硅光芯片集成上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：無(wú)層間懸掛鍵，可以避免與硅晶圓間的晶格失配及界面電荷散射；具有高載流子遷移率，其帶寬上限較高；可直接轉(zhuǎn)移至硅光基底并兼容硅基微納加工工藝，滿(mǎn)足器件小型化及高密度的集成需求等。然而，由于單層石墨烯光吸收較弱，目前石墨烯光探測(cè)器響應(yīng)度較低，限制了其在高性能光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

針對(duì)這一問(wèn)題，北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授課題組、尹建波研究員課題組與北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳課題組合作，利用扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯作為光吸收材料，實(shí)現(xiàn)了兼具高響應(yīng)度和高帶寬的硅波導(dǎo)集成扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯光探測(cè)器的制備，相關(guān)工作以“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”為題，于2024年5月1日，發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications) 期刊上。

在此工作中，聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)將扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯（tBLG）與硅光集成，通過(guò)對(duì)扭轉(zhuǎn)角度的設(shè)計(jì)，使tBLG能帶中范霍夫奇點(diǎn)（vHs）的能級(jí)差與1,550 nm通信波段的光子能量相匹配，顯著增強(qiáng)了與光的耦合效率；另外，tBLG能帶在接近狄拉克點(diǎn)處的線(xiàn)性色散關(guān)系使其具有與單層石墨烯接近的超高遷移率，保證了器件具有優(yōu)秀的高頻性能。仿真結(jié)果表明，tBLG相比于單層石墨烯具有約3倍的耦合效率提升，可以有效縮短溝道長(zhǎng)度，并提升光響應(yīng)度。

圖1 波導(dǎo)集成tBLG探測(cè)器的結(jié)構(gòu)、器件設(shè)計(jì)及表征

通過(guò)理論計(jì)算，當(dāng)tBLG的扭轉(zhuǎn)角為4.1°時(shí)，vHs距狄拉克點(diǎn)相差0.4 eV，正好為1,550 nm（0.8 eV）光子能量的一半，此時(shí)光耦合效率最高。結(jié)合器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可在僅8 μm的器件長(zhǎng)度下實(shí)現(xiàn)最高0.65 A/W的高光響應(yīng)度，多個(gè)器件平均光響應(yīng)度為0.54 A/W，顯著優(yōu)于單層石墨烯及AB堆疊的雙層石墨烯器件。該石墨烯硅光器件在具有高的光響應(yīng)度之外還兼具高的工作帶寬，其3 dB帶寬可達(dá)到65 GHz（受限于測(cè)量?jī)x器），在50 Gbit/s的通斷鍵控調(diào)制格式下顯示出清晰的眼圖信號(hào)，器件的功耗低達(dá)0.8 pJ/bit，展現(xiàn)出在光通信中的應(yīng)用潛力。

為驗(yàn)證將大面積tBLG與硅光集成的可能性，該研究基于石墨烯薄膜可控疊層轉(zhuǎn)移技術(shù)構(gòu)筑了大面積的波導(dǎo)集成tBLG光探測(cè)器陣列，展現(xiàn)出36 ± 2 GHz的高帶寬及0.46 ± 0.07 A/W的高響應(yīng)度，具有良好的均一性能，證明了大規(guī)模集成tBLG并制備高性能光通信器件的可能性。

圖2 大面積波導(dǎo)集成tBLG探測(cè)器陣列的制備及性能表征

該研究首次實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯與硅波導(dǎo)集成的光電探測(cè)器的制備，結(jié)合tBLG獨(dú)特的vHs能帶結(jié)構(gòu)及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，展現(xiàn)了具有0.65 A/W的高響應(yīng)度及65 GHz（受限于測(cè)量設(shè)備）的3 dB帶寬等優(yōu)異性能。另外，通過(guò)大面積tBLG器件陣列的制備，以及高響應(yīng)度（0.46 ± 0.07 A/W）及帶高寬（36 ± 2 GHz）性能的驗(yàn)證，證明了具有vHs和線(xiàn)性色散能帶結(jié)構(gòu)的tBLG與硅光異質(zhì)集成制備大規(guī)模高性能光通信器件的優(yōu)質(zhì)潛力，特別是考慮到可控扭轉(zhuǎn)角的tBLG晶圓級(jí)生長(zhǎng)和石墨烯晶圓級(jí)轉(zhuǎn)移技術(shù)的發(fā)展。

彭海琳教授、王興軍教授、尹建波研究員為該文的通訊作者，北京石墨烯研究院、北京大學(xué)博士生武欽慈、博士后錢(qián)君、博士生王悅晨、碩士生邢露文是該文的共同第一作者。其他合作者還包括北京大學(xué)電子學(xué)院舒浩文研究員、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范院士、劉洪濤副研究員、北京大學(xué)電子學(xué)院碩士生魏子義、北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院博士生高欣、李雨芮。該研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心、新基石基金會(huì)等機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目的資助，并得到了北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分子材料與納米加工實(shí)驗(yàn)室（MMNL）儀器平臺(tái)、北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47925-x

審核編輯：劉清