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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(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。
+ l+ L! M/ u# z3 {) f, S' z5 l! D9 @; H. Z+ c
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9 w) @9 v( f; e+ L$ o
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集成中紅外光源的挑戰(zhàn)1 z* U" i% s. a/ q; S. ^
波導(dǎo)結(jié)構(gòu)7 z, ~+ U9 @% \& i O
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. V) d. @( [! J( h* ?4 L, {# u
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) X' q9 ]0 b# D1 f
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5 ]+ E+ U; L/ X+ D圖1說(shuō)明了器件結(jié)構(gòu):+ F5 } c1 ]: {% F% k, b7 b' ~
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圖1:石墨烯波導(dǎo)集成熱發(fā)射器的示意橫截面。4 r) Z' z6 X7 X) O" A
* ]) c4 @, ` s" Z+ a
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)+ u0 p1 W& w7 n3 K/ S- ?) I" x
其中:( G2 n: E0 \0 m: a
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3 p* `0 L+ z- f! h( V+ T
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%。- G) D; u) f2 _! p' w
溫度估算0 y( I8 m7 l2 _/ G; {
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。# C( l- e8 D$ l. a) L( v
工作區(qū)間- d7 [7 M: q; [; I0 F$ h0 T3 }
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+ E n. k* z$ F2 [% X- U! T" l# h
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:: H; u( o% d( J0 e1 q. _
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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]/ J# P: }1 W, E# } ?) n$ }
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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7 _% A% s" m, N9 _* t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。0 u$ I; \) n& T. v$ ^$ ~
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3 V$ N: w0 ?4 @) |! a5 q* n7 `4 B8 k歡迎轉(zhuǎn)載! ]1 s$ O2 d2 C& y$ `& `. B
' }" E' L6 r+ Y$ o- v轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!+ }" G2 r, J, j
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專(zhuān)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(kāi)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(hù)。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠(chǎng)及硅光/MEMS中試線(xiàn)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(hù)提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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