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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。
) P2 h7 F m1 Q, t9 |5 E$ t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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背景5 E# Q' U* D& m& O
為什么選擇中紅外氣體傳感?
/ F2 J) r/ |0 Q! D! u9 a. G, `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。
5 Z# y" o: ^9 R/ O/ g6 y6 d. W, [) I+ h2 Y& Q; r
集成中紅外光源的挑戰(zhàn)( _9 v0 s1 H6 m+ W9 F9 N" R
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。8 F$ T' d6 m& }
- F. f9 o( d Q9 h0 a, O7 z% @石墨烯:理想候選材料 i+ {; ^1 G) B( y k) e
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9 ^4 j5 T4 R" S; q& |
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集成中紅外光源的挑戰(zhàn)2 J+ S2 P" P/ I& \0 V
波導(dǎo)結(jié)構(gòu)- p4 w9 V! @% B2 L
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:
& u- s7 Q* b7 U5 z! `( G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$ H# g9 Z3 ]+ s4 ]. \7 V
8 \5 x# @) r8 K( [* e& s石墨烯發(fā)射器集成
, ]( k3 P3 `2 @9 t, S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. s& W. m5 j& u" `" l
[/ol]
( z2 S) A/ Y# f; a* x圖1說明了器件結(jié)構(gòu):
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1 q. ?5 P7 D; {, [: u0 C圖1:石墨烯波導(dǎo)集成熱發(fā)射器的示意橫截面。 a0 ~3 |5 ^& q( o$ p
4 b t+ M n6 V8 h# a' L性能分析8 a$ U+ r$ B4 e# I; f- ?! f5 m+ H. x
耦合效率* Q) M, v: {7 W4 j1 q
使用以下公式估算耦合效率(η):
( A* s4 o+ v7 L! x$ {/ G: @η = IEin / (IEout + IEin)
2 L* [, W) I s其中:* V& Z I. ^* I% H3 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, N) z, d: |5 \, R; n. |
8 a/ L3 H! z% K& I, o F! w" o- A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%。! P, D4 M: `% Z8 x$ ^! a4 I$ c+ m
溫度估算
4 X6 M' z% v3 y1 d/ B+ V2 J" X) o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]3 z% X# M8 M" `
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。
% i f2 P% s2 O' ~4 H* T! b2 N工作區(qū)間
2 w( w+ m( ~& w- _. |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]
& B9 m; u% V6 g( Z5 D( n% ~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。
+ ?3 `& P& K% F9 d9 `3 T與最先進(jìn)技術(shù)的比較
% Y' A! L* ~" C: x: J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:
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! f5 q" \5 |5 n( S' r" ^8 ^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)。
" R; U' v' I5 I9 W- E3 y% w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]
5 c7 W. i/ L3 e/ A: a0 M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]
" N. {0 I- f! P+ D0 |/ y/ v% a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 j. p( f) l" B: q1 C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.3c018927 f/ _* g0 w0 B9 o4 \ y7 m
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( u" ~, l+ z% d軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。3 b) E. y% ?) x: D b! I& `1 T
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請# G9 B- h( ~" b+ S
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: h, ]+ N# h. V, A# D, S* a: j% a+ v轉(zhuǎn)載請注明出處,請勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!& u5 f. p; I$ a+ v) m6 o8 n
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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)。
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