光电|欧盟石墨烯旗舰项目实现基于石墨烯的光子器件的晶圆规模生产
欧洲石墨烯旗舰（Graphene Flagship）计划的研究人员开发出一种晶圆规模的制造技术，可以将石墨烯集成到硅片上，为大规模生产铺平道路，研究成果发表在《ACS Nano》。
研究团队
该成果的取得是石墨烯旗舰生态系统促进合作的一个很好例子。研究团队来自石墨烯旗舰计划合作伙伴，如意大利CNIT、意大利理工学院(IIT)、英国剑桥大学剑桥石墨烯中心、石墨烯旗舰项目成员和衍生公司CamGraphIC，以及石墨烯旗舰计划关联的第三方INPHOTEC和意大利Tecip研究所。INPHOTEC和Tecip研究所提供了石墨烯光子学集成电路的制造。通过晶圆级集成工作和Metrograph等先锋项目，石墨烯旗舰计划促进了学术界和领先产业界之间的合作，以开发高科技成熟度的原型和产品，直到它们能够进入市场开发。
技术进展
新制造技术通过采用单晶石墨烯阵列实现。研究的共同领导者、IIT石墨烯实验室的协调员Camilla Coletti解释说：“传统上，当提到晶圆级集成时，会先生长出一层晶圆大小的石墨烯，然后将其转移到硅上。在硅片上转移一层原子厚度的石墨烯并保持其完整性和质量是一项挑战。此次进展中采用的晶体播种、生长和转移技术确保了晶圆级的高流动性石墨烯正好在被需要的地方：对于可微缩的光子器件（如调制器）的制造是一个巨大优势。”
据估计，到2023年，全球将有超过280亿台联网设备，其中大部分将需要5G。这些具有挑战性的要求将需要新的技术。石墨烯旗舰合作伙伴CNIT、关联第三方INPHOTEC和关联成员CamGraphiC的Marco Romagnoli说：“仅是硅和锗就有局限性，但石墨烯提供了许多优势，这种方法可以让我们在一片晶圆中获得超过12000个石墨烯晶体，与我们对基于石墨烯的光子器件所需的配置和放置相匹配。”此外，该工艺与现有的自动化制造系统兼容，将加速其工业化的实施。
成果演示
石墨烯旗舰计划合作伙伴CNIT、意大利IIT、诺基亚及其在意大利和德国的团队与INPHOTEC和Tecip的研究人员演示了这种方法。研究成果发表在《自然-通讯》上。Coletti说：“我们用该技术设计了高速石墨烯光电探测器，这些进展将共同加速基于石墨烯的光子器件的商业化实施。”
重要意义
石墨烯支持的光子器件具有多种优势。可以吸收从紫外线到远红外线的光--这使得超宽带通信成为可能。石墨烯器件可以拥有超高载流子迁移率--电子和空穴--使数据传输超过了性能最好的以太网，突破了每秒100千兆比特的障碍。
减少电信和数据通信的能源需求是提供更可持续的解决方案的根本。目前，信息和通信技术已经占到所有温室气体排放的近4%，与航空业的碳排放相当，预计到2040年将增加到14%左右。Romagnoli补充道：“在石墨烯中，几乎所有的光能都可以转化为电信号，这就大规模地降低了功耗，并最大限度地提高了效率。”
石墨烯旗舰计划光电领域负责人Frank Koppens表示：“这是高品质石墨烯首次在晶圆尺度上被集成。这项工作展示了高吞吐量和高速吸收调制器。这些令人印象深刻的成就使石墨烯器件在5G通信中的商业化进一步迈进。”
石墨烯旗舰计划的科技官员及其管理小组主席Andrea C.Ferrari补充说：“这项工作是石墨烯旗舰计划的一个重要里程碑。学术界和工业界合作伙伴之间的紧密合作，终于开发出了石墨烯集成晶圆级工艺。石墨烯制造不再是一个遥远的目标，而应是从今天开始。”
Marco A. Giambra, Vaidotas Mišeikis, Sergio Pezzini, Simone Marconi, Alberto Montanaro, Filippo Fabbri, Vito Sorianello, Andrea C. Ferrari, Camilla Coletti, Marco Romagnoli. Wafer-Scale Integration of Graphene-Based Photonic Devices. ACS Nano, 2021; DOI: 10.1021/acsnano.0c09758
S. Marconi, M. A. Giambra, A. Montanaro, V. Mišeikis, S. Soresi, S. Tirelli, P. Galli, F. Buchali, W. Templ, C. Coletti, V. Sorianello, M. Romagnoli. Photo thermal effect graphene detector featuring 105 Gbit s−1 NRZ and 120 Gbit s−1 PAM4 direct detection. Nature Communications, 2021; 12 (1) DOI: 10.1038/s41467-021-21137-z
https://www.semiconductor-digest.com/wafer-scale-production-of-graphene-based-photonic-devices/