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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' Q4 P0 }/ ^+ s' E
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。; `8 t$ G" r. L+ T$ u: @# V
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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9 z) ]$ _. }+ b; f) u2 X6 P
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)9 X" Q+ D* a ?9 @% t, W
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:3 t- y' q5 Z) d
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):
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) `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。' h2 V; I- O7 y9 V( g! S7 u
& 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):' m3 x) E3 F! K+ y+ B, ?0 Z! @
η = IEin / (IEout + IEin)
. v8 R/ G' M9 [) q3 r其中:1 H; ]/ C% ~5 _0 v. G& |1 @
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4 V' g" `( \" P0 H. s% s
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0 g3 Y1 {- m$ U' ?
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$ I3 z& _( g" {
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:# L# l. M2 G' m! d5 P0 l
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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)。; x. c7 C1 W4 H& V8 }
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]- U& K% ]. L' e" a0 a3 c9 p
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]# ]- [- E) t9 R3 _
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)。) N5 |$ ?6 o0 B' i, Q: N5 L* J
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