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歐洲石墨烯旗艦（Graphene Flagship）計劃的研究人員開發(fā)出一種晶圓規(guī)模的制造技術(shù)，可以將石墨烯集成到硅片上，為大規(guī)模生產(chǎn)鋪平道路，研究成果發(fā)表在《ACS Nano》。

研究團隊

該成果的取得是石墨烯旗艦生態(tài)系統(tǒng)促進合作的一個很好例子。研究團隊來自石墨烯旗艦計劃合作伙伴，如意大利CNIT、意大利理工學院(IIT)、英國劍橋大學劍橋石墨烯中心、石墨烯旗艦項目成員和衍生公司CamGraphIC，以及石墨烯旗艦計劃關(guān)聯(lián)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學集成電路的制造。通過晶圓級集成工作和Metrograph等先鋒項目，石墨烯旗艦計劃促進了學術(shù)界和領先產(chǎn)業(yè)界之間的合作，以開發(fā)高科技成熟度的原型和產(chǎn)品，直到它們能夠進入市場開發(fā)。

技術(shù)進展

新制造技術(shù)通過采用單晶石墨烯陣列實現(xiàn)。研究的共同領導者、IIT石墨烯實驗室的協(xié)調(diào)員Camilla Coletti解釋說：“傳統(tǒng)上，當提到晶圓級集成時，會先生長出一層晶圓大小的石墨烯，然后將其轉(zhuǎn)移到硅上。在硅片上轉(zhuǎn)移一層原子厚度的石墨烯并保持其完整性和質(zhì)量是一項挑戰(zhàn)。此次進展中采用的晶體播種、生長和轉(zhuǎn)移技術(shù)確保了晶圓級的高流動性石墨烯正好在被需要的地方：對于可微縮的光子器件（如調(diào)制器）的制造是一個巨大優(yōu)勢。”

據(jù)估計，到2023年，全球?qū)⒂谐^280億臺聯(lián)網(wǎng)設備，其中大部分將需要5G。這些具有挑戰(zhàn)性的要求將需要新的技術(shù)。石墨烯旗艦合作伙伴CNIT、關(guān)聯(lián)第三方INPHOTEC和關(guān)聯(lián)成員CamGraphiC的Marco Romagnoli說：“僅是硅和鍺就有局限性，但石墨烯提供了許多優(yōu)勢，這種方法可以讓我們在一片晶圓中獲得超過12000個石墨烯晶體，與我們對基于石墨烯的光子器件所需的配置和放置相匹配。”此外，該工藝與現(xiàn)有的自動化制造系統(tǒng)兼容，將加速其工業(yè)化的實施。

成果演示

石墨烯旗艦計劃合作伙伴CNIT、意大利IIT、諾基亞及其在意大利和德國的團隊與INPHOTEC和Tecip的研究人員演示了這種方法。研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上。Coletti說：“我們用該技術(shù)設計了高速石墨烯光電探測器，這些進展將共同加速基于石墨烯的光子器件的商業(yè)化實施。”

重要意義

石墨烯支持的光子器件具有多種優(yōu)勢?？梢晕諒淖贤饩€到遠紅外線的光--這使得超寬帶通信成為可能。石墨烯器件可以擁有超高載流子遷移率--電子和空穴--使數(shù)據(jù)傳輸超過了性能最好的以太網(wǎng)，突破了每秒100千兆比特的障礙。

減少電信和數(shù)據(jù)通信的能源需求是提供更可持續(xù)的解決方案的根本。目前，信息和通信技術(shù)已經(jīng)占到所有溫室氣體排放的近4%，與航空業(yè)的碳排放相當，預計到2040年將增加到14%左右。Romagnoli補充道：“在石墨烯中，幾乎所有的光能都可以轉(zhuǎn)化為電信號，這就大規(guī)模地降低了功耗，并最大限度地提高了效率。”

石墨烯旗艦計劃光電領域負責人Frank Koppens表示：“這是高品質(zhì)石墨烯首次在晶圓尺度上被集成。這項工作展示了高吞吐量和高速吸收調(diào)制器。這些令人印象深刻的成就使石墨烯器件在5G通信中的商業(yè)化進一步邁進。”

石墨烯旗艦計劃的科技官員及其管理小組主席Andrea C.Ferrari補充說：“這項工作是石墨烯旗艦計劃的一個重要里程碑。學術(shù)界和工業(yè)界合作伙伴之間的緊密合作，終于開發(fā)出了石墨烯集成晶圓級工藝。石墨烯制造不再是一個遙遠的目標，而應是從今天開始。”

信息來源

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/