北京大學(xué)在高響應(yīng)度光通信探測器研究中取得進(jìn)展
硅基光子平臺由于其低成本、高集成密度、低損耗等特性，被認(rèn)為是下一代光通信的解決方案，有望取代傳統(tǒng)的三五族半導(dǎo)體光模塊，進(jìn)一步縮小器件體積，提高光通信系統(tǒng)集成度。然而，硅材料的固有性質(zhì)限制了其作為有源器件如探測器、調(diào)制器的應(yīng)用，亟需與其他材料的異質(zhì)集成實(shí)現(xiàn)高性能片上光通信器件的制備。 1< \cMY6
石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)及光電性能，作為光電探測器展現(xiàn)出高通信帶寬和可與硅光集成的顯著優(yōu)勢，在光通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于單層石墨烯較弱的光吸收特性，石墨烯光探測器普遍具有較低的光響應(yīng)度，限制了其在高性能光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，是目前石墨烯硅光集成探測器所面臨的瓶頸難題。 ls*^ 3^O
針對以上問題，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院彭海琳教授課題組與北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、尹建波研究員合作，提出了高響應(yīng)度石墨烯探測器的設(shè)計(jì)策略，利用扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯作為光吸收材料，實(shí)現(xiàn)了兼具高響應(yīng)度和高帶寬的硅波導(dǎo)集成扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯光探測器的制備，相關(guān)工作以“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”為題，于2024年5月1日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上（Nature Commun. 2024, 15, 3688）。 Dj!J 4uD
近年來，彭海琳課題組主要從事二維材料物理化學(xué)與納米器件研究，致力于高遷移率二維材料（石墨烯、拓?fù)浣^緣體、氧硫族半導(dǎo)體）的控制合成、界面調(diào)控和器件應(yīng)用研究。與合作者在國際上率先實(shí)現(xiàn)了4英寸超平整單晶晶圓石墨烯的生長（ACS Nano2017,11, 12337）和可規(guī)�；苽洌⊿cienceBull. 2019, 64, 659），并實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的生長（Nat. Commun.2021, 12, 2391），構(gòu)筑了基于扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的光電探測器件（Nat. Commun.2016, 7, 10699），以及大面積超平整石墨烯單晶晶圓轉(zhuǎn)移-集成型熱電子發(fā)光器件（Nat. Commun.2022, 13, 5410）。 Y2<#%@%4
最近，彭海琳課題組將扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯（tBLG）與硅光集成，通過對扭轉(zhuǎn)角度的設(shè)計(jì)，使tBLG能帶中范霍夫奇點(diǎn)（vHs）的能級差與1550nm通信波段的光子能量相匹配，顯著增強(qiáng)了與光的耦合效率；另外，tBLG能帶在接近狄拉克點(diǎn)處的線性色散關(guān)系使其具有與單層石墨烯接近的超高遷移率，保證了器件具有優(yōu)秀的高頻性能。仿真結(jié)果表明，tBLG相比于單層石墨烯具有約3倍的耦合效率提升，可以有效縮短溝道長度，并提升光響應(yīng)度。 I$f:K]|.m!
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圖1.波導(dǎo)集成tBLG探測器的結(jié)構(gòu)、器件設(shè)計(jì)及材料表征。（a）波導(dǎo)集成tBLG探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；（b）tBLG的能帶結(jié)構(gòu)；（c）在1550 nm的入射光下tBLG的光學(xué)電導(dǎo)率；（d）波導(dǎo)集成tBLG探測器的光吸收效率仿真結(jié)果；（e）tBLG的光學(xué)顯微鏡照片；（f）tBLG的透射電子顯微鏡表征 ?rBj{]=
通過理論計(jì)算，當(dāng)tBLG的扭轉(zhuǎn)角為4.1°時(shí)，vHs距狄拉克點(diǎn)相差0.4eV，正好為1550nm（0.8 eV）光子能量的一半，此時(shí)光耦合效率最高。結(jié)合器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可在僅8μm的器件長度下實(shí)現(xiàn)最高0.65A/W的高光響應(yīng)度，多個器件平均光響應(yīng)度為0.54A/W，顯著優(yōu)于單層石墨烯及AB堆疊的雙層石墨烯器件。 xmiF!R
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圖2.波導(dǎo)集成tBLG探測器的光響應(yīng)度表征 _"WQi}Mm
該石墨烯硅光器件在具有高的光響應(yīng)度之外還兼具高的工作帶寬，其3dB帶寬可達(dá)到65GHz（受限于測量儀器），在50Gbit/s的通斷鍵控調(diào)制格式下顯示出清晰的眼圖信號，器件的功耗低達(dá)0.8pJ/bit，展現(xiàn)出在光通信中的應(yīng)用潛力。 a*SJHBB
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圖3.硅波導(dǎo)集成tBLG探測器的高頻響應(yīng)表征 @Wx_4LOhf
為驗(yàn)證將大面積tBLG與硅光集成的可能性，該研究基于石墨烯薄膜可控疊層轉(zhuǎn)移技術(shù)構(gòu)筑了大面積的波導(dǎo)集成tBLG光探測器陣列，展現(xiàn)出36±2GHz的高帶寬及0.46±0.07A/W的高響應(yīng)度，具有良好的均一性能，證明了大規(guī)模集成tBLG并制備高性能光通信器件的可能性。 0*g
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