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特的物理性質(zhì)如超高載流子遷移率、超高非線(xiàn)性系數等，石墨烯/硅基異質(zhì)集成器件展現出了諸如超大帶寬、超低功耗等優(yōu)異性能。

據麥姆斯咨詢(xún)報道，華中科技大學(xué)唐明研究團隊介紹了近年來(lái)報道的典型石墨烯/硅基異質(zhì)集成器件，包括石墨烯/硅基電光調制器、石墨烯/硅基熱光調制器和石墨烯/硅基光電探測器，簡(jiǎn)要闡述了其原理與性能，并對其未來(lái)的應用與發(fā)展做出了展望。相關(guān)研究?jì)热菀浴笆?硅基異質(zhì)集成光電子器件”為題發(fā)表在《半導體光電》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）高導熱性；（3）低光吸收率；（4）高光損傷閾值，機械穩定性?xún)?yōu)異。以上石墨烯的優(yōu)秀特性與其特殊的晶格與能帶結構緊密相關(guān)。，相較于傳統半導體，石墨烯是一種零帶隙材料（導帶和價(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(cháng)范圍從紫外延伸至遠紅外，從理論上可實(shí)現超寬光譜的探測。這些良好的性質(zhì)為石墨烯在硅基光電器件中的廣泛應用奠定了堅實(shí)的理論基礎。

圖1 石墨烯的能帶結構

石墨烯/硅基調制器

調制器是光通信和信息處理系統中重要的部件，它通過(guò)外部輸入電信號，對光信號的相位、振幅等信息進(jìn)行調制，實(shí)現將電信號向光信號的加載。調制器按調制原理可分為熱光調制和電光調制，熱光調制器利用金屬熱電極產(chǎn)生的焦耳熱改變波導材料的折射率，從而改變在其中傳播的光信號相位，并結合干涉結構，最終實(shí)現強度調制；電光調制器則基于材料的電光效應，通過(guò)外加電場(chǎng)改變材料折射率，從而實(shí)現對入射光相位、振幅等參數的調制。傳統的硅基熱光調制器通常調制速度較慢，而基于載流子色散效應的電光調制器雖然調制速度較快，但在相位調制過(guò)程中不可避免地會(huì )引入強度調制，從而對信號質(zhì)量造成影響?；谑?硅異質(zhì)集成的熱光/電光調制器則有望突破傳統硅基調制器的諸多性能瓶頸。下面將對石墨烯熱光調制器和電光調制器原理和發(fā)展現狀進(jìn)行分析和介紹。

熱光調制器

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

為了提升熱光調制效率，浙江大學(xué)的Yu等將石墨烯與硅基微盤(pán)諧振器進(jìn)行了異質(zhì)集成，并通過(guò)對石墨烯熱電極形狀的設計，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(zhù)提升了加熱效率，其具體結構如圖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與石墨烯加熱器異質(zhì)集成的方案，借助光子晶體波導中慢光效應，顯著(zhù)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)現快速的熱光調制。其結構如圖２（d）所示。

圖2 典型石墨烯/硅基熱光調制器

得益于石墨烯的超高熱導率以及對硅光芯片結構的巧妙設計，石墨烯/硅基熱光調制器展現出了比傳統硅基熱光調制器更顯著(zhù)的性能優(yōu)勢，具有更快的響應速度和更高的加熱效率，有望未來(lái)在大規模硅基光電集成芯片和光學(xué)相控陣芯片等領(lǐng)域得到廣泛應用。

電光調制器

由于硅材料不具有Pockels效應，傳統的硅基電光調制器僅能利用等離子色散效應實(shí)現調制。等離子色散效應是一種間接電光效應，它通過(guò)外加電場(chǎng)改變有源區自由載流子濃度，進(jìn)而影響硅材料折射率的實(shí)部和虛部，從而調制輸出光波的相位和幅值。但是由于受到硅材料載流子復合壽命的限制，在調制效率和速率上面臨瓶頸，因此在具體應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烈，使得石墨烯可作為光學(xué)電光調制器的有源部分。相較于傳統硅基電光調制器，基于石墨烯的硅基電光調制器有其獨特的優(yōu)點(diǎn)。早期的石墨烯調制器大多基于電吸收調制原理，屬于強度調制器。石墨烯/硅基調制器都屬于強度調制器，能夠實(shí)現電信號向光信號幅度的轉換。除了強度調制器，石墨烯/硅基相位調制器在近年來(lái)同樣受到了廣泛關(guān)注。由于通過(guò)外加電壓調控石墨烯費米能級的同時(shí)，石墨烯的實(shí)部折射率也會(huì )發(fā)生變化，根據這個(gè)特點(diǎn)，可以制作出石墨烯相位調制器。

圖3 典型的石墨烯/硅基電光調制器

石墨烯/硅基調制器相比傳統硅基調制器，具有調制速度快、光學(xué)帶寬大、尺寸小、驅動(dòng)電壓低等優(yōu)勢，使得其成為提升硅基調制器性能的一個(gè)極具競爭力方案。該異質(zhì)集成方案有望在保留硅基調制器低成本和與CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)的基礎上，顯著(zhù)提升調制器的關(guān)鍵性能指標，以應對光通信系統對調制器性能的嚴苛要求。

石墨烯/硅基光電探測器

光電探測器是一種將吸收的光子轉換為電輸出信號的器件。其中，傳統的硅/鍺基光電探測器已經(jīng)被廣泛應用于多個(gè)領(lǐng)域，其制作工藝成熟、性能穩定，然而硅材料本身的間接帶隙特征導致其光電轉換效率難以進(jìn)一步提升，而硅材料較寬的禁帶寬度又導致其探測波段無(wú)法進(jìn)一步拓展至紅外范圍。為了突破這些限制，人們陸續制備出一些基于新材料的光電探測器，其中石墨烯/硅基探測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/硅基光電探測器從探測原理上可分為三大類(lèi)：光伏效應、光電熱電效應、輻射熱測量效應。而描述光電探測器性能的典型參數包括光響應度、3 dBb探測帶寬和暗電流等。下面具體介紹基于不同光電效應的石墨烯探測器。

光伏效應是最早被應用于石墨烯探測器的效應，該效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現象。光輻射熱效應是指由入射光子產(chǎn)生的熱量導致溝道電導發(fā)生變化的現象?；诠廨椛錈嵝碌氖┗怆娞綔y器具有小熱容和弱電子－聲子耦合作用，因此具有響應波段寬、靈敏度高及等效噪聲功率低的優(yōu)勢。

圖4 典型的自由空間輻射型石墨烯/硅基光電探測器

光熱電效應（PTE）是指光導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)現高響應度的同時(shí)能夠避免暗電流的影響。早期的工作證明了PTE效應是石墨烯中主要的光載流子生成機制。隨著(zhù)微納加工水平的提高，人們得以將一些光學(xué)微結構（包括光子晶體、光波導等）集成到石墨烯探測器上，以有效調控光的傳播方向、相位等屬性，這些方法為石墨烯探測器的發(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)良性能的半導體材料結合來(lái)彌補石墨烯自身的不足，使石墨烯中的載流子壽命延長(cháng)且遷移率提高，則其光探測器具有較高的光增益和響應度。

圖5 典型的石墨烯/硅基光電探測器

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

總結與展望

綜上所述，石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)為傳統光電器件帶來(lái)了新的機遇，石墨烯/硅基異質(zhì)集成光電子器件包括調制器與探測器具有明顯的優(yōu)勢，如高調制速度、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。

從縱向角度看，如何推進(jìn)石墨烯的物理性質(zhì)充分應用在調制器和探測器的性能提升上，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