ACS Photonics更新 | 集成到硅基光电子波导中的石墨烯热红外发射器

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引言从环境监测到医疗诊断，各行各业对紧凑、高效和经济的气体传感器的需求正在快速增长。传统的气体传感方法通常依赖于化学反应，导致传感器随时间退化。吸收光谱法，特别是在中红外（mid-IR）区域，为精确和稳定的气体检测提供了替代方法。
, i9 r# E* e; f$ H( {本文探讨了将石墨烯热红外发射器集成到硅基光电子波导中的技术，这一突破可能彻底改变片上气体传感技术。我们将研究这些创新设备的设计、制造和性能，强调它们在创建完全集成的光电子气体传感器方面的潜力。

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背景
2 A1 O; @8 @8 H+ a4 B5 i为什么选择中红外气体传感?
) \% ^4 F! T$ `- K0 T中红外区域，波长范围为3至10μm，通常被称为气体传感的"指纹区"。许多痕量气体和温室气体在这个范围内有特征吸收线，允许高度特异性检测。例如，二氧化碳（CO2）在4.2μm处有强吸收峰。

9 j$ k8 {" q& V  W/ m$ R8 ]集成中红外光源的挑战
虽然光电子集成芯片（PIC）在微型化光谱设备方面显示出潜力，但往往依赖外部光源。将中红外发射器直接集成在芯片上可以显着降低系统尺寸、成本和复杂性，同时可能提高性能。
  u3 n) {4 H3 ?  Z5 j3 g4 k; M
7 N( ^& K! `# Z7 O/ ~2 ]. v石墨烯：理想候选材料
7 f: d4 u% }# [, }+ A; A石墨烯是以六角晶格排列的单层碳原子，由于其独特的特性，成为集成热发射器的优秀材料：

高发射率，与薄金属发射器相当

能达到热发射所需的高温

超薄特性，允许与波导进行最佳近场耦合

覆盖整个中红外范围的宽带发射

与标准半导体制造工艺兼容
; Y/ W2 E4 P+ ]# |# j; G# k+ }[/ol]
2 ~, r8 h; m. R. B5 l+ P* t- F集成中红外光源的挑战
3 u& |$ p9 i* [; I6 ~! `- I! n' ^波导结构
$ e3 J6 H9 x  \  ^光电子集成芯片建立在硅绝缘体（SOI）衬底上，具有以下关键组件：

埋氧化层（BOx）：3μm厚

顶层硅：220nm厚

肋型波导：3μm宽，50nm台阶高度（170nm肋高）

光栅耦合器：刻蚀到顶层硅中，用于光的输入/输出

石墨烯发射器集成
石墨烯发射器通过以下过程集成到波导上：

蒸镀并图案化钯（Pd）接触（40nm厚）

使用PMMA辅助方法将单层石墨烯湿法转移到芯片上

使用氧等离子体反应离子刻蚀（RIE）对石墨烯进行图案化

沉积40nm氧化铝（Al2O3）层进行封装
[/ol]
1 E$ d5 o4 M! X! j. w: n! N0 s7 O图1说明了器件结构：

/ M+ i0 ~) s: P; [& T* \- Z0 p# L

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9 X; s( P! Z& Z* k/ b/ ~' p2 w' U图1：石墨烯波导集成热发射器的示意横截面。
: M; l7 S: k& W- X9 a) r
性能分析
耦合效率
+ W& K0 d4 T# M% L9 J3 o9 T使用以下公式估算耦合效率（η）：
5 k* |: ?1 K( z( q8 ^8 Pη = IEin / （IEout + IEin）
8 _# N" I) W) E/ y$ _1 R& C1 k其中：
" N, [5 s3 n) A0 ?/ c) u2 U

IEin：发射到波导中的光强度

IEout：发射器上方发射的光强度
" p* {+ n# w9 y9 I6 g! c
1 S3 M" ?, X8 z& t4 L考虑到波导损耗和光栅耦合器效率，在电功率为123mW时，估算的最大耦合效率为68%。
温度估算
进行了电热仿真以估算石墨烯发射器的温度。模拟了两种配置：

悬空石墨烯（仅由金属焊盘和波导支撑）

完全支撑的石墨烯（贴合所有底层结构）[/ol]
结果显示，在稳定工作区间，发射器温度可以远超500K，证实了它们作为中红外光源的适用性。
, X- s) N8 p! U1 V工作区间
7 d- C7 e# {7 c4 o5 G7 r0 W8 f5 K识别出两个不同的工作区间：

稳定工作：低于约200mW

不稳定工作：在250-350mW之间，特征是波动和热失控[/ol]
! C* w' }7 n8 p) U. y* m+ k长期稳定性测试显示，在稳定区间可连续工作超过50分钟。
与最先进技术的比较
1 [* ~" P' s5 q. k& }, V- f表1比较了石墨烯发射器与其他热发射和电致发光源的性能：

5 V; c5 c7 ?! X8 X2 V

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# h. M3 b6 }9 B  R0 x' z表1：石墨烯发射器与其他热发射和电致发光源的比较。（*模拟值）。
+ R5 ?$ M$ E  S! m7 b0 u+ J结论和未来展望本文介绍了集成到硅基光电子波导中的石墨烯热红外发射器，作为片上气体传感的一种有前途的技术，主要优势包括：

覆盖整个"指纹"区域的宽带中红外发射

高耦合效率到波导模式

与标准半导体制造工艺兼容

具有晶圆级生产潜力[/ol]
9 R  `6 Z- I* Q& h9 P( C5 e2 r未来的研究方向可能包括：

优化发射器设计以获得更高温度和改善稳定性

将石墨烯发射器与片上探测器集成，形成完整的传感系统

利用宽带发射探索多种气体传感能力

开发新型波导结构以增强光气相互作用[/ol]
. d$ I" C7 o) @  k* K" l8 d随着这项技术的成熟，有潜力为广泛的应用领域实现新一代紧凑、经济高效和高灵敏度的气体传感器。
参考文献[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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7 H4 T$ e, N6 \5 R/ \8 c深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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