基于石墨烯的光子器件的晶圆级生产

我们的世界比以往任何时候都更需要可靠的电信。然而，经典设备在尺寸和成本方面存在局限性，尤其是功耗——这与温室气体排放直接相关。石墨烯可以改变这一点并改变宽带的未来。现在，Graphene Flagship 研究人员设计了一种晶圆级制造技术，借助预先确定的石墨烯单晶模板，该技术可以集成到硅晶圆中，实现自动化并为大规模生产铺平道路。

这项工作发表在著名的ACS Nano期刊上，是石墨烯旗舰生态系统促进合作的一个很好的例子。它依赖于几个石墨烯旗舰合作机构的参与，如的 CNIT 和理工学院 (IIT)、英国剑桥大学的剑桥石墨烯中心以及石墨烯旗舰相关成员和分拆出来的 CamGraphIC。此外，石墨烯旗舰相关的第三方 INPHOTEC 和 Tecip 研究所的研究人员提供了石墨烯光子集成电路制造。通过晶圆级集成工作包和 Metrograph 等先锋项目，石墨烯旗舰促进学术界和领先行业之间的合作，以开发高科技就绪水平的原型和产品，直到它们能够进入市场开发。

新的制造技术是通过采用单晶石墨烯阵列实现的。“传统上，当以晶圆级集成为目标时，人们会生长出晶圆大小的石墨烯层，然后将其转移到硅上，”共同领导该研究的 IIT 石墨烯实验室协调员 Camilla Coletti 解释说。“在保持其完整性和质量的同时，在晶圆上转移原子厚度的石墨烯层具有挑战性，”她补充道。“这项工作中采用的晶种、生长和转移技术确保了晶圆级高迁移率石墨烯正好在需要的地方：这是调制器等光子器件可扩展制造的巨大优势，”Coletti 继续说道。

据估计，到 2023 年，全球将有超过 280 亿台连接设备，其中大部分将需要 5G。这些具有挑战性的要求将需要新技术。“仅硅和锗就有局限性;然而，石墨烯提供了许多优势，”来自石墨烯旗舰合作伙伴 CNIT、关联第三方 INPHOTEC 和相关成员 CamGraphiC 的 Marco Romagnoli 说，他们共同领导了这项研究。“这种方法使我们能够在一个晶片中获得超过 12,000 个石墨烯晶体，与我们需要石墨烯光子器件所需的精确配置和配置相匹配，”他补充道。此外，该工艺与现有的自动化制造系统兼容，这将加速其工业应用和实施。

在Nature Communications 的另一篇出版物中，来自 Graphene Flagship 合作伙伴 CNIT、技术研究所 (IIT)、诺基亚的研究人员——包括他们在和德国的团队、与 Graphene Flagship 相关的第三方 INPHOTEC 和 Tecip 的研究人员使用了这种方法演示实际实施：“我们使用我们的技术设计了高速石墨烯光电探测器，”Coletti 说。“总的来说，这些进步将加速基于石墨烯的光子器件的商业实施，”她补充道。

启用石墨烯的光子器件具有多种优势。它们吸收从紫外线到远红外线的光——这允许超宽带通信。石墨烯设备可以具有超高的载流子迁移率——电子和空穴——使数据传输超过性能最佳的以太网网络，打破每秒 100 吉比特的障碍。

减少电信和数据通信的能源需求是提供更可持续解决方案的基础。目前，信息和通信技术已经占所有温室气体排放量的近 4%，与航空业的碳足迹相当，预计到 2040 年将增加到 14% 左右。“在石墨烯中，几乎所有的光能都可以被转换成电信号，这大大降低了功耗并最大限度地提高了效率，” Romagnoli 补充道。

石墨烯光子学和光电子学旗舰负责人 Frank Koppens 说：“这是第一次将高质量石墨烯集成到晶圆级。这项工作通过揭示高产率和高速吸收调制器显示出直接相关性。这些令人印象深刻的成就使石墨烯设备的商业化非常接近于 5G 通信。”

Graphene Flagship 科技官兼管理小组主席 Andrea C. Ferrari 补充说：“这项工作是 Graphene Flagship 的一个重要里程碑。学术和工业合作伙伴之间的密切合作终于开发出了一种晶圆级工艺，用于石墨烯集成。石墨烯铸造厂不再是一个遥远的目标，但它从今天开始。”

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