综述：石墨烯/硅基异质集成光电子器件

MEMS 2024-04-25 00:01

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石墨烯/硅基异质集成的光子器件研究在近年来取得了巨大进展，因石墨烯所具有的诸多独特的物理性质如超高载流子迁移率、超高非线性系数等，石墨烯/硅基异质集成器件展现出了诸如超大带宽、超低功耗等优异性能。

据麦姆斯咨询报道，华中科技大学唐明研究团队介绍了近年来报道的典型石墨烯/硅基异质集成器件，包括石墨烯/硅基电光调制器、石墨烯/硅基热光调制器和石墨烯/硅基光电探测器，简要阐述了其原理与性能，并对其未来的应用与发展做出了展望。相关研究内容以“石墨烯/硅基异质集成光电子器件”为题发表在《半导体光电》期刊上。

石墨烯的光电性能

在光电子领域，石墨烯具有许多独特且优异的物理性质，典型的性质包括：（1）高载流子迁移率；（2）高导热性；（3）低光吸收率；（4）高光损伤阈值，机械稳定性优异。以上石墨烯的优秀特性与其特殊的晶格与能带结构紧密相关。，相较于传统半导体，石墨烯是一种零带隙材料（导带和价带在K点处简并，如图1），因此不会受到带隙的束缚，可吸收光波长范围从紫外延伸至远红外，从理论上可实现超宽光谱的探测。这些良好的性质为石墨烯在硅基光电器件中的广泛应用奠定了坚实的理论基础。

图1 石墨烯的能带结构

石墨烯/硅基调制器

调制器是光通信和信息处理系统中重要的部件，它通过外部输入电信号，对光信号的相位、振幅等信息进行调制，实现将电信号向光信号的加载。调制器按调制原理可分为热光调制和电光调制，热光调制器利用金属热电极产生的焦耳热改变波导材料的折射率，从而改变在其中传播的光信号相位，并结合干涉结构，最终实现强度调制；电光调制器则基于材料的电光效应，通过外加电场改变材料折射率，从而实现对入射光相位、振幅等参数的调制。传统的硅基热光调制器通常调制速度较慢，而基于载流子色散效应的电光调制器虽然调制速度较快，但在相位调制过程中不可避免地会引入强度调制，从而对信号质量造成影响。基于石墨烯/硅异质集成的热光/电光调制器则有望突破传统硅基调制器的诸多性能瓶颈。下面将对石墨烯热光调制器和电光调制器原理和发展现状进行分析和介绍。

热光调制器

考虑到石墨烯所具有的超高热导率以及较低的光吸收系数，研究人员提出了将石墨烯作为加热器的材料与硅波导集成的方案。石墨烯对光的低吸收系数使其能够与硅波导紧密接触，避免了传统硅基热光调制器中的氧化层导致的热量损失，从而显著提高调谐效率。而石墨烯首次被直接应用到热光调制器领域则可追溯到2013年，来自韩国的研究人员展示了一种基于石墨烯等离子体波导的石墨烯/硅基热光调制器，如图2（a）。如图２（b）所示，Gan等在2015年报道了一种石墨烯/硅基微环异质集成结构，通过将石墨烯铺设在硅基微环谐振器上，并结合微环的谐振特性。为了提升热光调制效率，浙江大学的Yu等将石墨烯与硅基微盘谐振器进行了异质集成，并通过对石墨烯热电极形状的设计，使其与谐振腔光场的重叠程度大幅度增加，避免了热量的损失，从而显著提升了加热效率，其具体结构如图２（c）所示。来自华中科技大学的研究人员与丹麦科技大学合作，提出了一种硅光子晶体波导与石墨烯加热器异质集成的方案，借助光子晶体波导中慢光效应，显著促进光与石墨烯相互作用，来大幅度降低加热功耗，同时实现快速的热光调制。其结构如图２（d）所示。

图2 典型石墨烯/硅基热光调制器

得益于石墨烯的超高热导率以及对硅光芯片结构的巧妙设计，石墨烯/硅基热光调制器展现出了比传统硅基热光调制器更显著的性能优势，具有更快的响应速度和更高的加热效率，有望未来在大规模硅基光电集成芯片和光学相控阵芯片等领域得到广泛应用。

电光调制器

由于硅材料不具有Pockels效应，传统的硅基电光调制器仅能利用等离子色散效应实现调制。等离子色散效应是一种间接电光效应，它通过外加电场改变有源区自由载流子浓度，进而影响硅材料折射率的实部和虚部，从而调制输出光波的相位和幅值。但是由于受到硅材料载流子复合寿命的限制，在调制效率和速率上面临瓶颈，因此在具体应用上存在较大的局限性。

由于单层石墨烯的带间跃迁与电吸收特性较强烈，使得石墨烯可作为光学电光调制器的有源部分。相较于传统硅基电光调制器，基于石墨烯的硅基电光调制器有其独特的优点。早期的石墨烯调制器大多基于电吸收调制原理，属于强度调制器。石墨烯/硅基调制器都属于强度调制器，能够实现电信号向光信号幅度的转换。除了强度调制器，石墨烯/硅基相位调制器在近年来同样受到了广泛关注。由于通过外加电压调控石墨烯费米能级的同时，石墨烯的实部折射率也会发生变化，根据这个特点，可以制作出石墨烯相位调制器。

图3 典型的石墨烯/硅基电光调制器

石墨烯/硅基调制器相比传统硅基调制器，具有调制速度快、光学带宽大、尺寸小、驱动电压低等优势，使得其成为提升硅基调制器性能的一个极具竞争力方案。该异质集成方案有望在保留硅基调制器低成本和与CMOS工艺兼容的优点的基础上，显著提升调制器的关键性能指标，以应对光通信系统对调制器性能的严苛要求。

石墨烯/硅基光电探测器

光电探测器是一种将吸收的光子转换为电输出信号的器件。其中，传统的硅/锗基光电探测器已经被广泛应用于多个领域，其制作工艺成熟、性能稳定，然而硅材料本身的间接带隙特征导致其光电转换效率难以进一步提升，而硅材料较宽的禁带宽度又导致其探测波段无法进一步拓展至红外范围。为了突破这些限制，人们陆续制备出一些基于新材料的光电探测器，其中石墨烯/硅基探测器凭借高载流子迁移率、宽带吸收等优异性能，吸引了人们的注意。目前石墨烯/硅基光电探测器从探测原理上可分为三大类：光伏效应、光电热电效应、辐射热测量效应。而描述光电探测器性能的典型参数包括光响应度、3 dBb探测带宽和暗电流等。下面具体介绍基于不同光电效应的石墨烯探测器。

光伏效应是最早被应用于石墨烯探测器的效应，该效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。光辐射热效应是指由入射光子产生的热量导致沟道电导发生变化的现象。基于光辐射热效应下的石墨烯基光电探测器具有小热容和弱电子－声子耦合作用，因此具有响应波段宽、灵敏度高及等效噪声功率低的优势。

图4 典型的自由空间辐射型石墨烯/硅基光电探测器

光热电效应（PTE）是指光导致热电子因温度梯度发生定向移动，从而在外部产生光电流/光电压的一种工作模式，在实现高响应度的同时能够避免暗电流的影响。早期的工作证明了PTE效应是石墨烯中主要的光载流子生成机制。随着微纳加工水平的提高，人们得以将一些光学微结构（包括光子晶体、光波导等）集成到石墨烯探测器上，以有效调控光的传播方向、相位等属性，这些方法为石墨烯探测器的发展拓宽了道路。此外，研究者们还创造性地将石墨烯与其他具有更优良性能的半导体材料结合来弥补石墨烯自身的不足，使石墨烯中的载流子寿命延长且迁移率提高，则其光探测器具有较高的光增益和响应度。