5G通信和物聯網時代數據量呈指數增長，對光通信的能耗、帶寬、成本等提出了更高的要求。在光通信中，硅光技術借鑒了硅基集成電路工藝，將光信號傳輸、信息加載與解調、數據計算等功能集成在一個芯片上（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、效率等性能上仍有很大的提升空間，因此尋找兼容硅光技術的功能光電材料及器件結構，探索硅基光電異質集成方案，是當前研究熱點。
石墨烯在與硅光芯片集成上具有獨特的優勢：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度較低，限制了其在高性能光通信系統中的應用。
針對這一問題，北京大學電子學院王興軍教授課題組、尹建波研究員課題組與北京大學化學與分子工程學院彭海琳課題組合作，利用扭轉雙層石墨烯作為光吸收材料，實現了兼具高響應度和高帶寬的硅波導集成扭轉雙層石墨烯光探測器的制備，相關工作以“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”為題，于2024年5月1日，發表在《自然·通訊》(Nature Communications) 期刊上。
在此工作中，聯合研發團隊將扭轉雙層石墨烯（tBLG）與硅光集成，通過對扭轉角度的設計，使tBLG能帶中范霍夫奇點（vHs）的能級差與1,550 nm通信波段的光子能量相匹配，顯著增強了與光的耦合效率；另外，tBLG能帶在接近狄拉克點處的線性色散關系使其具有與單層石墨烯接近的超高遷移率，保證了器件具有優秀的高頻性能。仿真結果表明，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，并提升光響應度。
圖1 波導集成tBLG探測器的結構、器件設計及表征
通過理論計算，當tBLG的扭轉角為4.1°時，vHs距狄拉克點相差0.4 eV，正好為1,550 nm（0.8 eV）光子能量的一半，此時光耦合效率最高。結合器件結構的設計，可在僅8 μm的器件長度下實現最高0.65 A/W的高光響應度，多個器件平均光響應度為0.54 A/W，顯著優于單層石墨烯及AB堆疊的雙層石墨烯器件。該石墨烯硅光器件在具有高的光響應度之外還兼具高的工作帶寬，其3 dB帶寬可達到65 GHz（受限于測量儀器），在50 Gbit/s的通斷鍵控調制格式下顯示出清晰的眼圖信號，器件的功耗低達0.8 pJ/bit，展現出在光通信中的應用潛力。為驗證將大面積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移技術構筑了大面積的波導集成tBLG光探測器陣列，展現出36 ± 2 GHz的高帶寬及0.46 ± 0.07 A/W的高響應度，具有良好的均一性能，證明了大規模集成tBLG并制備高性能光通信器件的可能性。
圖2 大面積波導集成tBLG探測器陣列的制備及性能表征
該研究首次實現了扭轉雙層石墨烯與硅波導集成的光電探測器的制備，結合tBLG獨特的vHs能帶結構及器件結構設計，展現了具有0.65 A/W的高響應度及65 GHz（受限于測量設備）的3 dB帶寬等優異性能。另外，通過大面積tBLG器件陣列的制備，以及高響應度（0.46 ± 0.07 A/W）及帶高寬（36 ± 2 GHz）性能的驗證，證明了具有vHs和線性色散能帶結構的tBLG與硅光異質集成制備大規模高性能光通信器件的優質潛力，特別是考慮到可控扭轉角的tBLG晶圓級生長和石墨烯晶圓級轉移技術的發展。
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、北京大學博士生武欽慈、博士后錢君、博士生王悅晨、碩士生邢露文是該文的共同第一作者。其他合作者還包括北京大學電子學院舒浩文研究員、北京大學化學與分子工程學院劉忠范院士、劉洪濤副研究員、北京大學電子學院碩士生魏子義、北京大學前沿交叉學科研究院博士生高欣、李雨芮。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心、新基石基金會等機構和項目的資助，并得到了北京大學化學與分子工程學院分子材料與納米加工實驗室（MMNL）儀器平臺、北京大學電子學院區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47925-x
