ACS Photonics更新 | 集成到硅基光電子波導(dǎo)中的石墨烯熱紅外發(fā)射器

逍遙設(shè)計自動化

引言從環(huán)境監(jiān)測到醫(yī)療診斷，各行各業(yè)對緊湊、高效和經(jīng)濟(jì)的氣體傳感器的需求正在快速增長。傳統(tǒng)的氣體傳感方法通常依賴于化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致傳感器隨時間退化。吸收光譜法，特別是在中紅外（mid-IR）區(qū)域，為精確和穩(wěn)定的氣體檢測提供了替代方法。
1 k/ }: s$ V- N4 r本文探討了將石墨烯熱紅外發(fā)射器集成到硅基光電子波導(dǎo)中的技術(shù)，這一突破可能徹底改變片上氣體傳感技術(shù)。我們將研究這些創(chuàng)新設(shè)備的設(shè)計、制造和性能，強(qiáng)調(diào)它們在創(chuàng)建完全集成的光電子氣體傳感器方面的潛力。
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9 q; e% [# f! t背景
為什么選擇中紅外氣體傳感?
. D1 W  ?# ?- O, a5 m9 c' D中紅外區(qū)域，波長范圍為3至10μm，通常被稱為氣體傳感的"指紋區(qū)"。許多痕量氣體和溫室氣體在這個范圍內(nèi)有特征吸收線，允許高度特異性檢測。例如，二氧化碳（CO2）在4.2μm處有強(qiáng)吸收峰。

集成中紅外光源的挑戰(zhàn)
3 W- ^9 ?9 e  g雖然光電子集成芯片（PIC）在微型化光譜設(shè)備方面顯示出潛力，但往往依賴外部光源。將中紅外發(fā)射器直接集成在芯片上可以顯著降低系統(tǒng)尺寸、成本和復(fù)雜性，同時可能提高性能。
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石墨烯：理想候選材料
石墨烯是以六角晶格排列的單層碳原子，由于其獨(dú)特的特性，成為集成熱發(fā)射器的優(yōu)秀材料：

高發(fā)射率，與薄金屬發(fā)射器相當(dāng)

能達(dá)到熱發(fā)射所需的高溫

超薄特性，允許與波導(dǎo)進(jìn)行最佳近場耦合

覆蓋整個中紅外范圍的寬帶發(fā)射

與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝兼容
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- V8 B6 U; [0 d3 M: M5 z1 e" [集成中紅外光源的挑戰(zhàn)
波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
% X; J/ `2 \5 z$ [光電子集成芯片建立在硅絕緣體（SOI）襯底上，具有以下關(guān)鍵組件：

埋氧化層（BOx）：3μm厚

頂層硅：220nm厚

肋型波導(dǎo)：3μm寬，50nm臺階高度（170nm肋高）

光柵耦合器：刻蝕到頂層硅中，用于光的輸入/輸出
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石墨烯發(fā)射器集成
+ _5 a) E8 j/ H$ b7 a7 X! Q石墨烯發(fā)射器通過以下過程集成到波導(dǎo)上：

蒸鍍并圖案化鈀（Pd）接觸（40nm厚）

使用PMMA輔助方法將單層石墨烯濕法轉(zhuǎn)移到芯片上

使用氧等離子體反應(yīng)離子刻蝕（RIE）對石墨烯進(jìn)行圖案化

沉積40nm氧化鋁（Al2O3）層進(jìn)行封裝
: X) O- w. Z3 U" V  C4 V# n[/ol]
6 m2 I9 V: t6 n/ [# T圖1說明了器件結(jié)構(gòu)：
- T1 }' Z( J' {0 J

) `3 \' R" y; q2 I# {  U" g圖1：石墨烯波導(dǎo)集成熱發(fā)射器的示意橫截面。

& J! x5 ?% S& `/ |# L+ _8 ]性能分析
! D4 c3 ]/ G- ?- Z5 D3 ?耦合效率
4 [% @$ r; L/ Z7 H) @. W/ c使用以下公式估算耦合效率（η）：
η = IEin / （IEout + IEin）
. v8 R/ G' M9 [) q3 r其中：

IEin：發(fā)射到波導(dǎo)中的光強(qiáng)度

IEout：發(fā)射器上方發(fā)射的光強(qiáng)度
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考慮到波導(dǎo)損耗和光柵耦合器效率，在電功率為123mW時，估算的最大耦合效率為68%。
% Y$ _' x5 ~$ U. l溫度估算
進(jìn)行了電熱仿真以估算石墨烯發(fā)射器的溫度。模擬了兩種配置：

懸空石墨烯（僅由金屬焊盤和波導(dǎo)支撐）

完全支撐的石墨烯（貼合所有底層結(jié)構(gòu)）[/ol]
6 X+ Y  y3 ^! U+ F結(jié)果顯示，在穩(wěn)定工作區(qū)間，發(fā)射器溫度可以遠(yuǎn)超500K，證實(shí)了它們作為中紅外光源的適用性。
7 h1 j) ]% u9 K8 ^& x! @& @工作區(qū)間
識別出兩個不同的工作區(qū)間：

穩(wěn)定工作：低于約200mW

不穩(wěn)定工作：在250-350mW之間，特征是波動和熱失控[/ol]
. C, i0 Q$ w4 d, b: J/ K# O2 u長期穩(wěn)定性測試顯示，在穩(wěn)定區(qū)間可連續(xù)工作超過50分鐘。
! h; b( Z0 r2 I6 Q- L/ v與最先進(jìn)技術(shù)的比較
表1比較了石墨烯發(fā)射器與其他熱發(fā)射和電致發(fā)光源的性能：


4 E7 E* v0 D' w% T. F) M表1：石墨烯發(fā)射器與其他熱發(fā)射和電致發(fā)光源的比較。（*模擬值）。
結(jié)論和未來展望本文介紹了集成到硅基光電子波導(dǎo)中的石墨烯熱紅外發(fā)射器，作為片上氣體傳感的一種有前途的技術(shù)，主要優(yōu)勢包括：

覆蓋整個"指紋"區(qū)域的寬帶中紅外發(fā)射

高耦合效率到波導(dǎo)模式

與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造工藝兼容

具有晶圓級生產(chǎn)潛力[/ol]
未來的研究方向可能包括：

優(yōu)化發(fā)射器設(shè)計以獲得更高溫度和改善穩(wěn)定性

將石墨烯發(fā)射器與片上探測器集成，形成完整的傳感系統(tǒng)

利用寬帶發(fā)射探索多種氣體傳感能力

開發(fā)新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)光氣相互作用[/ol]
隨著這項(xiàng)技術(shù)的成熟，有潛力為廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)新一代緊湊、經(jīng)濟(jì)高效和高靈敏度的氣體傳感器。
8 d# y4 y$ @) n) k+ G參考文獻(xiàn)[1]N. Negm et al., "Graphene Thermal Infrared Emitters Integrated into Silicon Photonic Waveguides," ACS Photonics, 2024, [Online]. Available: https://doi.org/10.1021/acsphotonics.3c01892
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2 g* p6 @) U7 R" {1 L深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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