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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。9 r. ?% w: E' A& h/ r
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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& W' r. Z) g) g) s背景6 k6 u+ F: V( E5 _+ v3 C# L- x6 g+ w' |
為什么選擇中紅外氣體傳感?
. Y& K# V% n& L E4 @6 j N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。
: K& g( W$ h8 O
8 B- Q0 [9 z S集成中紅外光源的挑戰(zhàn)* ^* n/ B w6 ^* j. ?
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。
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石墨烯:理想候選材料" I @: Y, D' H) U2 D* V0 P) k0 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
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" k' V, ]! ~/ M. z' H+ h1 T" Z集成中紅外光源的挑戰(zhàn)" Q$ R: t" E. ]& Q/ L* o. e0 |
波導(dǎo)結(jié)構(gòu)% N' K! D x5 m; ~1 K1 {% Z4 k
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:
, F6 s( Q& y9 r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
* y' |# ` a( \5 {& }! E+ 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(duì)石墨烯進(jìn)行圖案化沉積40nm氧化鋁(Al2O3)層進(jìn)行封裝
9 h0 I6 {$ I- D) q$ b' g[/ol]# {" _( M0 ^. ]0 L: {% Q
圖1說明了器件結(jié)構(gòu):2 z; N) r4 ]- E/ e: y; \
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* H+ f5 k2 N: m圖1:石墨烯波導(dǎo)集成熱發(fā)射器的示意橫截面。
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, n& S; _$ f5 m7 H2 [6 z: x" K6 g性能分析* L; O$ T6 D% F- I( R
耦合效率% ~8 O$ H- Z$ n8 e: V3 C6 `3 R R
使用以下公式估算耦合效率(η):' ~7 F$ R& q+ _+ h
η = IEin / (IEout + IEin)# [% a" ?' b% w
其中:
$ ~2 q/ N" D3 B, R ]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
7 h8 a4 E+ L; a j# y% @' |- z2 |" K
8 D, I+ m2 w) ^2 t$ b2 @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%。
" S( @- C% H( I( Z溫度估算# N H9 T4 ^9 F1 y7 M0 A1 J
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 {" O% M6 j4 i) S. _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。
* Z* @3 }- k" K- v工作區(qū)間
7 a# l$ k$ a# U/ K& c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] t; I% M% M: C1 l1 q5 d; O% 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50分鐘。' c+ V( l6 Z8 M$ r2 D
與最先進(jìn)技術(shù)的比較1 E) A1 o' v d7 d ]% r
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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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)。
6 {6 I3 `: H" Q0 ]# l' @7 k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(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] }1 G( x) o' B, i! o0 R9 B
未來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]2 H O8 L3 F9 E+ r* T1 \- I) E( x
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。/ t* G* L- k0 T
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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" _8 x) F: ` @歡迎轉(zhuǎn)載2 \& e- }+ w% e9 M6 w
+ h! P8 i G* o1 E6 x轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
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. D- _. l. b8 e: v; I6 \關(guān)于我們:
H7 H- S& M" K6 U7 e9 y1 A; R9 ^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(jì)自動(dòng)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(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。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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