北京大学化学学院彭海琳课题组与合作者在高响应度光通信探测器研究中取得进展

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硅基光子平台由于其低成本、高集成密度、低损耗等特性,被认为是下一代光通信的解决方案,有望取代传统的三五族半导体光模块,进一步缩小器件体积,提高光通信系统集成度。然而,硅材料的固有性质限制了其作为有源器件如探测器、调制器的应用,亟需与其他材料的异质集成实现高性能片上光通信器件的制备。

石墨烯具有优异的电学及光电性能,作为光电探测器展现出高通信带宽和可与硅光集成的显著优势,在光通信领域具有广阔的应用前景。然而,由于单层石墨烯较弱的光吸收特性,石墨烯光探测器普遍具有较低的光响应度,限制了其在高性能光通信系统中的应用,是目前石墨烯硅光集成探测器所面临的瓶颈难题。

针对以上问题,北京大学化学与分子工程学院彭海琳教授课题组与北京大学电子学院王兴军教授、尹建波研究员合作,提出了高响应度石墨烯探测器的设计策略,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/n)期刊上(Nature Commun. 2024, 15, 3688)。

近年来,彭海琳课题组主要从事二维材料物理化学与纳米器件研究,致力于高迁移率二维材料(石墨烯、拓扑绝缘体、氧硫族半导体)的控制合成、界面调控和器件应用研究。与合作者在国际上率先实现了4英寸超平整单晶晶圆石墨烯的生长(ACS Nano/n2017,11, 12337)和可规模化制备(ScienceBull./n 2019, 64, 659),并实现了高质量扭转双层石墨烯的生长(Nat. Commun./n2021, 12, 2391),构筑了基于扭转双层石墨烯的光电探测器件(Nat. Commun./n2016, 7, 10699),以及大面积超平整石墨烯单晶晶圆转移-集成型热电子发光器件(Nat. Commun./n2022, 13, 5410)。

最近,彭海琳课题组将扭转双层石墨烯(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1550nm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、器件设计及材料表征。(a)波导集成tBLG探测器的结构示意图;(b)tBLG的能带结构;(c)在1550 nm的入射光下tBLG的光学电导率;(d)波导集成tBLG探测器的光吸收效率仿真结果;(e)tBLG的光学显微镜照片;(f)tBLG的透射电子显微镜表征

通过理论计算,当tBLG的扭转角为4.1°时,vHs距狄拉克点相差0.4eV,正好为1550nm(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8μm的器件长度下实现最高0.65A/W的高光响应度,多个器件平均光响应度为0.54A/W,显著优于单层石墨烯及AB堆叠的双层石墨烯器件。

图2 波导集成tBLG探测器的光响应度表征

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3dB带宽可达到65GHz(受限于测量仪器),在50Gbit/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0.8pJ/bit,展现出在光通信中的应用潜力。

图3 硅波导集成tBLG探测器的高频响应表征

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±2GHz的高带宽及0.46±0.07A/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4 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0.65A/W的高响应度及65GHz(受限于测量设备)的3dB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±0.07A/W)及带高宽(36±2GHz)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。

彭海琳与王兴军、尹建波为该文的共同通讯作者,北京大学化学与分子工程学院博士生武钦慈、博士后钱君、博士生王悦晨和北京大学电子学院研究生邢露文是该文的共同第一作者。其他主要合作者还包括北京大学化学学院刘忠范教授、刘洪涛副研究员、北京大学电子学院舒浩文研究员等。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)仪器平台的支持。

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