石墨烯硅光电子器件研究进展

摘要本文综述了石墨烯硅光电子器件的研究进展.随着科技的发展，人们对信息容量、传输速度、处理速度、能耗及成本提出了更高的要求.基于石墨烯特有的光学特性和电学特性，自发现以来备受关注.近年来，随着低成本、高速和高密度集成的硅基光电子技术的蓬勃发展，石墨烯硅基光电子器件的研究迅速地成为了研究的热点，并取得了突破性进展.石墨烯硅基光电子器件相比于传统的硅基光电子器件具有低功耗、温漂小、大带宽、带隙可控等优势.本文从调制器、探测器、偏振控制器等几个方面详细介绍了石墨烯硅基光电子器件的发展现状.

关键词石墨烯；光调制器；光电探测器；光电子器件；光互联

中图分类号O436

文献标志码A

0引言

随着“互联网+”的发展，人们对信息容量、处理速度、传输速率、能耗及成本提出了更高的要求.结合硅基微电子高密度集成、工艺成熟、价格低廉和光电子的带宽高、传输快和抗干扰等优势的硅基光电子学成为了业界普遍认可的最有潜力的方案之一.20世纪80年代，Soref等[13]首先开展了硅基光电子器件的研究.近年来，国内外硅基光电子器件与集成取得了突破性进展.2002年加州大学洛杉矶分校的Jalali课题组首次提出了基于拉曼效应实现硅基激光器和光放大器[4]，2004年该课题组首次实现了硅基拉曼激光器[5]，2005年实现了可调硅基拉曼激光器[6].2004年，Intel公司在《Nature》杂志上报道了调制带宽超过1 GHz的硅基调制器[7]；2007年硅基光调制器的3 dB调制带宽提高到了30 GHz[8]，达到了商业ⅢⅤ族和铌酸锂外调制器的水平.同年，美国Luxtera公司展示了第一块基于130 nm CMOS制作工艺的单片集成超高速CMOS光子收发模块，传输速率为40 Gb/s[9].2012年，IBM基于90 nm CMOS 集成納米光子技术，第一次真正意义上实现了单片光电集成的25 Gb/s WDM光通信系统[10].近年来，IBM公司[11]、IMEC公司[12]、加州大学伯克利分校[13]、中国科学院半导体研究所[1416]、北京大学[17]等单位多方面对硅基光电子器件开展了研究，均获得了突破性进展.

石墨烯作为一种二维原子晶体薄膜材料，具有卓越的电子、热和光学特性，自被发现以来，石墨烯器件的研究迅速地成为了研究热点.2007年Geim等[18]曾指出石墨烯作为一种全新的材料，将突破硅材料的限制成为未来的发展方向，也是光电子领域中未来发展方向之一.与硅相比，石墨烯具有超高的载流子迁移率和热导率，与传统的半导体材料相比，石墨烯具有很高的光学损伤阈值和非线性系数，且温度不敏感.石墨烯独特的光学特性[19]，如具有线性色散，可以在很宽的频率范围内实现光吸收，可被应用于很大的带宽范围内，如可调微波[20]、太赫兹[21]和光子器件[19].石墨烯在狄拉克点的载流子态密度很低，因而可以通过很低的电压来调节费米能级[18]，实现低功耗.石墨烯只有一个原子层的厚度，单层石墨烯能在从太赫兹到可见光频段这样一个很宽的光谱范围内与光波进行有效的相互作用，因而，石墨烯自2004年被发现以来迅速成为了光电子学领域的研究热点.近几年，由于石墨烯的特殊光学性质，石墨烯基光电子器件也取得了一定的成果.2009年，

美国IBM公司的Xia等[22]利用石墨烯实现了40 GHz的超快的光探测，仿真研究结果表明石墨烯探测器的本征带宽可高达500 GHz.2009年，Bao等[23]报道了基于石墨烯饱和吸收体的超快脉冲激光器，在通信波段中，基于锁模激光器结构产生了756 fs的超短光孤子脉冲.2011年，Liu等[24]首次制备出了基于石墨烯的超宽带光调制器，在135～16 μm范围内实现1 GHz光调制，证明了石墨烯光调制器的宽带调制可行性.2012年，Chen等[25]和Fei等[26]分别在《Nature》杂志上报道了石墨烯表面等离子体激元的发现，进一步促进了石墨烯光电器件的发展.基于石墨烯内部结构特征，石墨烯硅基光电子器件与CMOS工艺相兼容，易于实现器件的集成.2012年，Bao等[27]首次提出了基于石墨烯的宽带光通信系统回路芯片的设想，将石墨烯光子器件集成到硅基平台上，实现了高速宽带的光调制、放大和探测.

近年来，石墨烯与多种材料相结合，被广泛应用于光电子器件、表面等离子体、光伏和显示器件中.由于石墨烯与硅基光电子器件的CMOS工艺相兼容，因而石墨烯硅混合光电器件也是石墨烯研究的一个重要研究分支.本文将回顾近年来石墨烯硅基光电子器件的发展现状，重点介绍调制器、探测器的发展，对其他方面，如偏振控制器、相移器等方面也进行了简单的回顾.

1调制器

光调制器是将信号加载到光上，从而改变光信号特征的一种器件.调制器的调制带宽和调制速率是衡量调制器性能的重要指标.基于石墨烯特有的能带结构，在通信波段，通过对石墨烯费米能级的调节可以实现光调制.2011年美国加州大学伯克利分校Liu等[24]首次证明了基于石墨烯的波导集成光调制器可行性，实现了石墨烯硅光调制的突破.研究小组将化学气相沉积法生长的单层石墨烯转移到硅基条形波导上，结构示意如图1所示（图1a为器件的三维结构示意，图1b为有限元仿真的截面光场）.测试结果表明，石墨烯调制器能在135～16 μm超宽带范围内实现光调制.

2012年，Koester等[28]研究了双层石墨烯光调制器，其中下层的石墨烯被作为可调的吸收体，上层石墨烯作为一个透明的电极，两层石墨烯之间采用绝缘层进行隔离.设计的波导结构如图2所示.仿真研究结果表明，在155 μm附近的3 dB调制带宽超过120 GHz，但是调制深度仅仅为005 dB/μm.

2012年Liu 等[29]首次在实验室进行了双层石墨烯调制实验.双层石墨烯调制器的结构和制作过程如图3所示.图3a和3b分别为器件的结构截面示意和三维示意.图3c—3f为双层石墨烯器件的制作过程.实验中的双层石墨烯调制器，采用商用的SOI wafer，在宽400 nm、高340 nm硅基波导上制作了双层石墨烯，双层石墨烯填充了一个氧化层Al2O3.首先通过原子层沉积技术在硅波导上镀有一层5 nm厚的Al2O3用以隔离载流子；然后转移下层石墨烯，采用Ebeam的方法刻蚀出有源区图形；在刻蚀后的石墨烯上用沉积法生长一层12 nm高介电常数材料Al2O3；再用机械的方法转移上层的石墨烯，并用Ebeam刻蚀出与下层一致的有源区图形.实验结果表明，双层结构能有效地提高石墨烯和光的相互作用.石墨烯硅基调制器具有较高的调制深度，可以达到016 dB/μm.

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