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引言從環(huán)境監(jiān)測(cè)到醫(yī)療診斷,各行各業(yè)對(duì)緊湊、高效和經(jīng)濟(jì)的氣體傳感器的需求正在快速增長(zhǎng)。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(shí)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(cè)提供了替代方法。
7 Y" [9 t9 ^8 `7 v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(jì)、制造和性能,強(qiáng)調(diào)它們?cè)趧?chuàng)建完全集成的光電子氣體傳感器方面的潛力。
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: D u" T) }4 T& P
: i1 I6 B" m3 c" ^背景
5 _- ^2 @% \" T9 V e- O0 E為什么選擇中紅外氣體傳感?; V6 S$ ?3 u! c" P* _% s3 u1 L
中紅外區(qū)域,波長(zhǎng)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(gè)范圍內(nèi)有特征吸收線,允許高度特異性檢測(cè)。例如,二氧化碳(CO2)在4.2μm處有強(qiáng)吸收峰。3 ^( v1 c' d2 M1 [1 M' h2 J$ L/ O# N
* L6 T3 q h+ G* {集成中紅外光源的挑戰(zhàn)3 K u1 T7 G# d" e. p
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(shí)可能提高性能。
4 N1 l9 p" g, x9 F# W ?2 t+ x" @
$ w8 _1 F# U3 S3 O石墨烯:理想候選材料
, A0 H5 e" Z- M2 N6 ~6 \- g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(chǎng)耦合覆蓋整個(gè)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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集成中紅外光源的挑戰(zhàn)
3 l8 c# z b( v/ m1 L% D波導(dǎo)結(jié)構(gòu); n; N4 L' x2 v/ {3 p: [" r
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:
: X/ E" g, Q2 q埋氧化層(BOx):3μm厚頂層硅:220nm厚肋型波導(dǎo):3μm寬,50nm臺(tái)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% t6 u( {# o7 i- t7 z- J
, g t/ [9 I9 d; i1 i石墨烯發(fā)射器集成3 u6 v, I$ d/ p c1 c; s/ J% h
石墨烯發(fā)射器通過(guò)以下過(guò)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(duì)石墨烯進(jìn)行圖案化沉積40nm氧化鋁(Al2O3)層進(jìn)行封裝 d) l2 m. H& P) \* k" i9 b q9 r
[/ol]( a- d3 g7 X, h1 J* Q
圖1說(shuō)明了器件結(jié)構(gòu):
+ [6 r+ q( e! p
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4 w! ~7 M. k1 b( B& v. S4 k! ^圖1:石墨烯波導(dǎo)集成熱發(fā)射器的示意橫截面。
6 X2 r; S6 }* f6 {. E$ R% O
2 j, r, ]2 v$ F) X性能分析
6 }* o# {0 z1 q+ V( u& u+ ^耦合效率$ A9 Y- g, G4 b6 g1 p
使用以下公式估算耦合效率(η):
0 B$ V# Q" x3 P1 q$ `6 I+ f1 `η = IEin / (IEout + IEin)
) q( Q6 ^% @+ f$ G/ [其中:5 F# B6 Q; h' S
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% A( q: e$ G. ]+ u% C. a3 n. T2 B
; H- D* e* @' Q/ j' g
考慮到波導(dǎo)損耗和光柵耦合器效率,在電功率為123mW時(shí),估算的最大耦合效率為68%。
) ~$ l4 q( z# h% Z( U" p溫度估算7 y+ a. C/ H% F S, J! }
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]
$ F+ m: D1 A6 t |" S3 L! P+ h& n' f7 t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。+ Y r* t/ p$ Q; _' a
工作區(qū)間# v" l, A, R8 k: J5 i# O8 z, l
識(shí)別出兩個(gè)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(dòng)和熱失控[/ol]
/ N% h N/ r: B o長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試顯示,在穩(wěn)定區(qū)間可連續(xù)工作超過(guò)50分鐘。1 ^8 U% t8 U- A( M& [3 ?: x. I8 I
與最先進(jìn)技術(shù)的比較
& R4 i+ } I8 |4 _& |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:5 x8 x- q6 Q" R+ ^; k
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. Y; _' Z7 S: S0 f' F3 |" S3 W/ K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)。+ a; C8 O" Y V3 T
結(jié)論和未來(lái)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(shì)包括:覆蓋整個(gè)"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(jí)生產(chǎn)潛力[/ol]
( K ^6 d2 R- o) z未來(lái)的研究方向可能包括:優(yōu)化發(fā)射器設(shè)計(jì)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(cè)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]; @8 b2 Y9 u* \
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。" Z* c0 S1 e4 q+ m# U5 b `
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.3c018922 n4 M0 u% W" s* l. |
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& v; K5 |9 K& J9 [* k9 ?3 E軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。
+ e# {/ F# z& s6 i9 u; M5 w! |; E/ Q: ?點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)1 Z" \( X! ]4 V. p: Q' z I+ W
, k% A0 Z& M7 y- U8 A歡迎轉(zhuǎn)載* w7 B1 ?' p6 U! q) y
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& G/ o! Q9 ]1 I( j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(jì)自動(dòng)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(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)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)。6 M8 c8 X1 ~* e. h8 E; h' G
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