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(jì)自動(dòng)化

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。
* M- Q) s, ?/ M7 @


: 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?
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。

* L6 T3 q  h+ G* {集成中紅外光源的挑戰(zhàn)
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
& S% T: P) j( y; `+ @% U9 _1 _% _[/ol]
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)
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

, g  t/ [9 I9 d; i1 i石墨烯發(fā)射器集成
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
[/ol]
圖1說(shuō)明了器件結(jié)構(gòu)：
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9 j9 m0 ]' E9 E: L. p; G4 G  y
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
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：

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

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
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。
工作區(qū)間
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。
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：

# O- V* t9 }% ]1 O
. 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）。
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]
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。
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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