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(lài)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。
/ q) R) Y3 a3 o' Z+ }2 I( P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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背景
# z! U: j1 U/ r2 p# l2 T1 J為什么選擇中紅外氣體傳感?
; [4 h' V7 ?2 u+ h3 f中紅外區(qū)域，波長(zhǎng)范圍為3至10μm，通常被稱(chēng)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(xiàn)，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。
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$ `- H+ t/ |# P! D, l( c集成中紅外光源的挑戰(zhàn)
+ L6 Y$ R1 ^' f) X# U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(lài)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。
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石墨烯：理想候選材料
- f, ~" l( \. S8 c- [: {3 T( V* H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
[/ol]
集成中紅外光源的挑戰(zhàn)
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：
( y) \( L! F# R! ~6 k" v% H

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
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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]
5 ]+ E+ U; L/ X+ D圖1說(shuō)明了器件結(jié)構(gòu)：


圖1：石墨烯波導(dǎo)集成熱發(fā)射器的示意橫截面。

性能分析
3 n! z* X" f# ^/ C9 \5 `( v6 t耦合效率
$ ^; n& V8 c8 b9 F3 @; Q使用以下公式估算耦合效率（η）：
* [/ t. f, `/ i3 y" P' mη = IEin / （IEout + IEin）
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

1 m- y+ o8 z0 u  r* A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%。
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(pán)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]
- T- o0 P" O# f+ c: f; n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]
  l8 l% o- ~0 ^. l# S! q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。
, N! V2 N( D) ~/ e9 a0 S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：

- a  e' z; J; Y9 h2 B0 @8 g
  q1 u, S; A) z- s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）。
# v% g, g4 O; i& F" {" d( ?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]
, W( Z3 m/ K) K5 u, Q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(kāi)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。
: ]" M0 e+ v' q* Z" q; U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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