5G通信和物联网时代数据量呈指数增长，对光通信的能耗、带宽、成本等提出了更高的要求。在光通信中，硅光技术借鉴了硅基集成电路工艺，将光信号传输、信息加载与解调、数据计算等功能集成在一个芯片上（即硅光芯片），因此集成度更高、功耗和成本更低。然而，硅光芯片中的光电元器件受制于硅锗等材料的带隙、迁移率等限制，在截止波长、带宽、效率等性能上仍有很大的提升空间，因此寻找兼容硅光技术的功能光电材料及器件结构，探索硅基光电异质集成方案，是当前研究热点。
石墨烯在与硅光芯片集成上具有独特的优势：无层间悬挂键，可以避免与硅晶圆间的晶格失配及界面电荷散射；具有高载流子迁移率，其带宽上限较高；可直接转移至硅光基底并兼容硅基微纳加工工艺，满足器件小型化及高密度的集成需求等。然而，由于单层石墨烯光吸收较弱，目前石墨烯光探测器响应度较低，限制了其在高性能光通信系统中的应用。
针对这一问题，北京大学电子学院王兴军教授课题组、尹建波研究员课题组与北京大学化学与分子工程学院彭海琳课题组合作，利用扭转双层石墨烯作为光吸收材料，实现了兼具高响应度和高带宽的硅波导集成扭转双层石墨烯光探测器的制备，相关工作以“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”为题，于2024年5月1日，发表在《自然·通讯》(Nature Communications) 期刊上。
在此工作中，联合研发团队将扭转双层石墨烯（tBLG）与硅光集成，通过对扭转角度的设计，使tBLG能带中范霍夫奇点（vHs）的能级差与1,550 nm通信波段的光子能量相匹配，显著增强了与光的耦合效率；另外，tBLG能带在接近狄拉克点处的线性色散关系使其具有与单层石墨烯接近的超高迁移率，保证了器件具有优秀的高频性能。仿真结果表明，tBLG相比于单层石墨烯具有约3倍的耦合效率提升，可以有效缩短沟道长度，并提升光响应度。
图1 波导集成tBLG探测器的结构、器件设计及表征
通过理论计算，当tBLG的扭转角为4.1°时，vHs距狄拉克点相差0.4 eV，正好为1,550 nm（0.8 eV）光子能量的一半，此时光耦合效率最高。结合器件结构的设计，可在仅8 μm的器件长度下实现最高0.65 A/W的高光响应度，多个器件平均光响应度为0.54 A/W，显著优于单层石墨烯及AB堆叠的双层石墨烯器件。该石墨烯硅光器件在具有高的光响应度之外还兼具高的工作带宽，其3 dB带宽可达到65 GHz（受限于测量仪器），在50 Gbit/s的通断键控调制格式下显示出清晰的眼图信号，器件的功耗低达0.8 pJ/bit，展现出在光通信中的应用潜力。为验证将大面积tBLG与硅光集成的可能性，该研究基于石墨烯薄膜可控叠层转移技术构筑了大面积的波导集成tBLG光探测器阵列，展现出36 ± 2 GHz的高带宽及0.46 ± 0.07 A/W的高响应度，具有良好的均一性能，证明了大规模集成tBLG并制备高性能光通信器件的可能性。
图2 大面积波导集成tBLG探测器阵列的制备及性能表征
该研究首次实现了扭转双层石墨烯与硅波导集成的光电探测器的制备，结合tBLG独特的vHs能带结构及器件结构设计，展现了具有0.65 A/W的高响应度及65 GHz（受限于测量设备）的3 dB带宽等优异性能。另外，通过大面积tBLG器件阵列的制备，以及高响应度（0.46 ± 0.07 A/W）及带高宽（36 ± 2 GHz）性能的验证，证明了具有vHs和线性色散能带结构的tBLG与硅光异质集成制备大规模高性能光通信器件的优质潜力，特别是考虑到可控扭转角的tBLG晶圆级生长和石墨烯晶圆级转移技术的发展。
彭海琳教授、王兴军教授、尹建波研究员为该文的通讯作者，北京石墨烯研究院、北京大学博士生武钦慈、博士后钱君、博士生王悦晨、硕士生邢露文是该文的共同第一作者。其他合作者还包括北京大学电子学院舒浩文研究员、北京大学化学与分子工程学院刘忠范院士、刘洪涛副研究员、北京大学电子学院硕士生魏子义、北京大学前沿交叉学科研究院博士生高欣、李雨芮。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心、新基石基金会等机构和项目的资助，并得到了北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台、北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的支持。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47925-x
