研究背景

5G通信和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增長，對(duì)光通信的能耗、帶寬、成本等提出了更高的要求。在光通信中，硅光技術(shù)借鑒了硅基集成電路工藝，將光信號(hào)傳輸、信息加載與解調(diào)、數(shù)據(jù)計(jì)算等功能集成在一個(gè)芯片上（即硅光芯片），因此集成度更高、功耗和成本更低。然而，硅光芯片中的光電元器件受制于硅鍺等材料的帶隙、遷移率等限制，在截止波長、帶寬等性能上仍有很大的提升空間，因此尋找兼容硅光技術(shù)的功能光電材料及器件結(jié)構(gòu)，是當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

石墨烯在與硅光芯片集成上具有獨(dú)特的優(yōu)勢：無層間懸掛鍵，可以避免與硅晶圓間的晶格失配及界面電荷散射；具有高載流子遷移率，其帶寬上限較高；可直接轉(zhuǎn)移至硅光基底并兼容硅基微納加工工藝，滿足器件小型化及高密度的集成需求等。然而，由于單層石墨烯光吸收較弱，目前石墨烯光探測器響應(yīng)度較低，限制了其在高性能光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。

成果介紹

針對(duì)以上問題，北京石墨烯研究院、北京大學(xué)的彭海琳課題組、尹建波課題組與北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授課題組合作，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）。

近年來，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院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 Nano 2017,11,12337）和可規(guī)?；苽?/span>（Science Bull. 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）。

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(duì)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(jí)差與1,550 nm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。

圖1 波導(dǎo)集成tBLG探測器的結(jié)構(gòu)、器件設(shè)計(jì)及表征。

圖2 大面積波導(dǎo)集成tBLG探測器陣列的制備及性能表征。

該研究首次實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯與硅波導(dǎo)集成的光電探測器的制備，結(jié)合tBLG獨(dú)特的vHs能帶結(jié)構(gòu)及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，展現(xiàn)了具有0.65 A/W的高響應(yīng)度及65 GHz（受限于測量設(shè)備）的3 dB帶寬等優(yōu)異性能。另外，通過大面積tBLG器件陣列的制備，以及高響應(yīng)度（0.46 ± 0.07 A/W）及帶高寬（36 ± 2 GHz）性能的驗(yàn)證，證明了具有vHs和線性色散能帶結(jié)構(gòu)的tBLG與硅光異質(zhì)集成制備大規(guī)模高性能光通信器件的優(yōu)質(zhì)潛力，特別是考慮到可控扭轉(zhuǎn)角的tBLG晶圓級(jí)生長和石墨烯晶圓級(jí)轉(zhuǎn)移技術(shù)的發(fā)展。

彭海琳教授、王興軍教授、尹建波研究員為該文的通訊作者，北京石墨烯研究院、北京大學(xué)博士生武欽慈、博士后錢君、博士生王悅晨和北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍課題組研究生邢露文是該文的共同第一作者。其他主要合作者還包括北京石墨烯研究院院長、北京大學(xué)劉忠范院士、北京大學(xué)舒浩文研究員、劉洪濤副研究員等。該研究工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京分子科學(xué)國家研究中心、新基石基金會(huì)等機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目的資助，并得到了北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院分子材料與納米加工實(shí)驗(yàn)室（MMNL）儀器平臺(tái)、北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-47925-x