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。
4 R  R& Y! G2 ~( j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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5 g  [+ m: K2 _: N, }% {1 f) O背景
" H: n5 y- C+ E3 ]2 Z( g: g7 N/ e* v0 l4 B為什么選擇中紅外氣體傳感?
! s0 M/ z; s5 r4 \1 r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。
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1 _7 R0 V2 v7 a( j; E% H集成中紅外光源的挑戰(zhàn)
% n* r6 c  Y% ~/ b* Q$ i+ O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。

5 n- N' T% c: c; Z  W8 N/ a) }( H石墨烯：理想候選材料
7 m) n, `& \" d$ W2 G  r" A# C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]
; f! A/ A+ H) y) M" s) M2 F集成中紅外光源的挑戰(zhàn)
1 J  L  P: L5 r/ `$ ~+ t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：
, q( b( O: L1 O& [; T4 ]

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
. L' j" h; F# y& B8 d; a* \6 M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
[/ol]
" y- n6 n* M  L8 k2 j' q' N# \7 X4 j圖1說(shuō)明了器件結(jié)構(gòu)：
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8 _3 E4 ?8 [* h6 w9 b圖1：石墨烯波導(dǎo)集成熱發(fā)射器的示意橫截面。
) g5 z5 ^" ^( f8 `$ v
2 v; g% p  g8 G* O4 Y性能分析
耦合效率
3 A( e. u* k& \& ~- s使用以下公式估算耦合效率（η）：
, G# ?2 z7 k' y5 V( _1 a- D3 h% ?2 _η = 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

8 s- S9 Y* \. w& L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%。
* M, l' B0 N" l0 ?  ?( }1 X0 C溫度估算
% _- Z$ P" s2 U* k* k4 ~. 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]
4 K8 p6 i0 s# W" F7 Y) X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。
/ v9 _/ X$ Q3 G$ Z; \! M3 ]. n, v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]
9 I: ?; |' u% Q; S; z2 e/ O5 p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。
$ Y- _) t7 |- _3 U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：


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）。
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]
: r% Q3 U( S6 N+ P9 H$ k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

開發(fā)新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)光氣相互作用[/ol]
* F% ]: o' a+ h: ?1 g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。
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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