硅基光子平臺(tái)由于其低成本、高集成密度、低損耗等特性，被認(rèn)為是下一代光通信的解決方案，有望取代傳統(tǒng)的三五族半導(dǎo)體光模塊，進(jìn)一步縮小器件體積，提高光通信系統(tǒng)集成度。然而，硅材料的固有性質(zhì)限制了其作為有源器件如探測(cè)器、調(diào)制器的應(yīng)用，亟需與其他材料的異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)高性能片上光通信器件的制備。
石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)及光電性能，作為
光電探測(cè)器展現(xiàn)出高通信帶寬和可與硅光集成的顯著優(yōu)勢(shì)，在光通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于單層石墨烯較弱的光吸收特性，石墨烯光探測(cè)器普遍具有較低的光響應(yīng)度，限制了其在高性能光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，是目前石墨烯硅光集成探測(cè)器所面臨的瓶頸難題。
針對(duì)以上問(wèn)題，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授課題組與北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、尹建波研究員合作，提出了高響應(yīng)度石墨烯探測(cè)器的設(shè)計(jì)策略，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(Nature Commun. 2024, 15, 3688)。
論文封面
近年來(lái)，彭海琳課題組主要從事二維材料物理化學(xué)與納米器件研究，致力于高遷移率二維材料(石墨烯、拓?fù)浣^緣體、氧硫族半導(dǎo)體)的控制合成、界面調(diào)控和器件應(yīng)用研究。與合作者在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了4英寸超平整單晶晶圓石墨烯的生長(zhǎng)(ACS Nano2017,11, 12337)和可規(guī)?；苽?ScienceBull. 2019, 64, 659)，并實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的生長(zhǎng)(Nat. Commun.2021, 12, 2391)，構(gòu)筑了基于扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的光電探測(cè)器件(Nat. Commun.2016, 7, 10699)，以及大面積超平整石墨烯單晶晶圓轉(zhuǎn)移-集成型熱電子發(fā)光器件(Nat. Commun.2022, 13, 5410)。
最近，彭海琳課題組將扭轉(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1550nm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)及材料表征。(a)波導(dǎo)集成tBLG探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)tBLG的能帶結(jié)構(gòu)；(c)在1550 nm的入射光下tBLG的光學(xué)電導(dǎo)率；(d)波導(dǎo)集成tBLG探測(cè)器的光吸收效率仿真結(jié)果；(e)tBLG的
光學(xué)顯微鏡照片；(f)tBLG的透射電子顯微鏡表征
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0.4eV，正好為1550nm(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8μm的器件長(zhǎng)度下實(shí)現(xiàn)最高0.65A/W的高光響應(yīng)度，多個(gè)器件平均光響應(yīng)度為0.54A/W，顯著優(yōu)于單層石墨烯及AB堆疊的雙層石墨烯器件。
圖2 波導(dǎo)集成tBLG探測(cè)器的光響應(yīng)度表征
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3dB帶寬可達(dá)到65GHz(受限于測(cè)量?jī)x器)，在50Gbit/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)0.8pJ/bit，展現(xiàn)出在光通信中的應(yīng)用潛力。
圖3 硅波導(dǎo)集成tBLG探測(cè)器的高頻響應(yīng)表征
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±2GHz的高帶寬及0.46±0.07A/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4 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0.65A/W的高響應(yīng)度及65GHz(受限于測(cè)量設(shè)備)的3dB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±0.07A/W)及帶高寬(36±2GHz)性能的驗(yàn)證，證明了具有vHs和線性色散能帶結(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。
彭海琳與王興軍、尹建波為該文的共同通訊作者，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士生武欽慈、博士后錢(qián)君、博士生王悅晨和北京大學(xué)電子學(xué)院研究生邢露文是該文的共同第一作者。其他主要合作者還包括北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉忠范教授、劉洪濤副研究員、北京大學(xué)電子學(xué)院舒浩文研究員等。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)的支持。
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