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)計自動化

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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3 ]/ `) I: Z7 V, V3 n% N
( R$ M+ i7 e" C0 V+ n7 t, n
背景
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
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，同時可能提高性能。

- F. f9 o( d  Q9 h0 a, O7 z% @石墨烯：理想候選材料
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
[/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：
& 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

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
[/ol]
( z2 S) A/ Y# f; a* x圖1說明了器件結(jié)構(gòu)：
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+ R4 n; F. l* `" H) a
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。

4 b  t+ M  n6 V8 h# a' L性能分析
耦合效率
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：

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

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%。
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]
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：
: g; w6 Z7 y6 Z6 b# C. g. u7 }. g
! |# {; I) x$ A  f
! 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.3c01892

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