这篇Nature Nanotechnology把石墨烯用得很巧妙！

▲第一作者：Zhuoran Fang

通讯作者：Zhuoran Fang, Arka Majumdar

通讯单位：美国华盛顿大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-022-01153-w

研究背景

硅光子学正在从实验室研究迈向现实世界的应用，有可能改变许多传统技术，包括光学神经网络和量子信息处理。这些应用的一个关键元素是以超低编程能量运行的可重构开关，这对传统热光开关或自由载流子开关来说是一个具有挑战性的命题。虽然基于相变材料的非易失性可编程硅光子学的进展为零静态功率的节能光子开关提供了一种有吸引力的解决方案，但编程能量密度仍然很高(每立方纳米可达百阿托焦耳)。

研究问题

本文开发了一种利用单层石墨烯加热器的非易失性电可重构硅光子平台，其具有高能效和耐用性。本文展示了基于成熟技术的相变材料（PCM）Ge₂Sb₂Te₅的宽带开关和采用新兴的低损耗PCM Sb₂Se₃的移相器。石墨烯辅助的光子开关表现出超过1000个循环的耐久性和8.7 ± 1.4 aJ nm^-3的编程能量密度，即在PCM热力学开关能量极限(~1.2 aJ nm^-3)的数量级内，与现有技术相比，开关能量至少降低了20倍。本文的工作表明，石墨烯是一种可靠且节能的加热器，与包括Si₃N₄在内的介质平台兼容，可用于技术相关的非易失性可编程硅光子学。

▲图 1|石墨烯-PCM可重构硅光子平台。

要点：

1. 本文的石墨烯-PCM混合开关平台由一个图案化的石墨烯桥组成，它横跨一个平面化的220 nm SOI波导（图1a，b）。图1b中的分层视图显示PCM位于石墨烯上方，石墨烯被转移到波导上。40 nm厚的顶部Al₂O₃层封装了PCM和石墨烯，以防止在切换过程中氧化和PCM回流。

2. 石墨烯与金属的接触面积大（9.75 μm×100 μm）以降低接触电阻，并且在电桥处变窄以限制流向PCM区域的电流，并且最大限度地减少石墨烯的吸收损失。桥接区域的宽度W设计为比PCM的长度长200 nm，长度L固定在1.1μm = （0.3 μm ×2）+ 0.5 μm。图1c显示了所制造器件的光学显微照片，图1d显示了波导上2.85 μm×400 nm GST贴片的伪彩色扫描电子显微镜（SEM）图像，从而揭示了光刻对准的极高的精度。

▲图 2|基于GST的石墨烯辅助宽带光波导开关。

要点：

1. 图2a显示了使用图1c，d所示的器件结构在连续八个周期的低(晶态GST)和高(非晶态GST)传输状态之间的可逆切换。频谱的阴影区域表示八个切换周期的标准偏差，清楚地显示了出色的周期重复性。

2. 非晶化的总开关能量为5.55 nJ，相当于127.6 aJ nm^-3的能量密度，而石墨烯加热器单独消耗的能量仅为0.380 ± 0.062 nJ，相当于8.74 ± 1.42 aJ nm^-3的能量密度。这表示与现有技术相比，该编程能量密度降低了20倍以上，并且在~1.2 aJ nm^-3限制的数量级内。最后，本文通过在石墨烯-GST光子开关上执行1500次开关事件来证明该器件的高耐用性(图2b)。在第600次开关事件（脉冲条件保持不变）左右观察到开关对比度提高了约0.5 dB，这可能是由于在初始“调节”步骤之后形成更大的晶体域。

▲图3 |基于微环中Sb₂Se₃的石墨烯辅助移相器。

要点：

本文利用Sb₂Se₃在近红外的透明窗口，在1550 nm处使用缩减方法提取了Sb₂Se₃加载的波导的可以忽略不计的插入损耗0.002 ±0.002 dB µm^-1。图3a显示了该器件的原理图，图3b显示了器件的光学显微照片，图3c显示了波导上长6 µm、宽400 nm、厚30 nm的Sb₂Se₃贴片的假彩色扫描电子显微镜图像。图3d显示了微环共振在1549 nm处的可逆调谐，本文绘制了三个周期的光谱，阴影区域表示了周期的标准偏差。

▲图4 |使用石墨烯-Sb₂Se₃移相器进行准连续相位调制。

要点：

1. 众所周知，PCM可以支持多电平操作，并且这一特性在电子存储器、光子存储器以及最近的光神经网络中被广泛利用。在实现双稳态开关后，本文进一步发现，通过控制编程能量，移相器可以进行准连续调谐，从而获得多个光位相能级。图4a显示，随着编程电压以0.1 V的步长从5.5 V单调增加到6.4 V(脉冲宽度和下降沿分别固定在400 ns和8 ns)，谐振凹陷逐渐向更短的波长移动，中间状态对应于部分非晶态的相变材料。这种影响是由于加热器中心的热点越来越大，导致相变材料的面积越来越大所致。结果表明，共振吸收逐渐向更短的波长移动，这些中间态对应于部分非晶态的相变材料。在幅度增加10个脉冲后，使用4 V的设置脉冲(脉冲宽度100 µs，后沿120 µs)将谐振恢复到原始位置。如图4a中的灰色虚线所示，SET态的共振波长与初始晶态的共振波长完全匹配。

2. 本文还通过以0.2 V的增量将编程电压从5.5 V增加到6.9 V来研究时间动态响应，并且对与时间相关的传输进行连续监控，如图4b所示。每次重置操作后，使用4 V的相同SET脉冲，PCM返回到初始晶体状态。8个不同的透射级可以清晰地分辨，相邻电平之间的对比度约为1 分贝。

3. 为了更好地量化多电平相位调制，本文从每个重置脉冲的谐振波长的变化中提取相移，并将相移与编程能量绘制在一起(图4c)。当编程能量从6 nJ增加到9.5 nJ时，获得了14个位相能级，并且位相随编程能量线性增加。图4d显示从相位调制产生的传输变化与图4c匹配。

小结

本文报道了两个利用单层石墨烯加热器的非易失性、电可切换硅光子平台的例子：基于GST的宽带波导开关和Sb₂Se₃包层移相器。在驱动电压(5V)和电流(≤2.78 mA)下，获得了超低的编程能量密度(8.7± 1.4 aJ nm^-3)和高耐久(>1000个循环)。本文的结果证明，石墨烯不仅是一种可靠的加热器，它可以由CMOS进行电子控制，而且还可以与包括Si₃N₄在内的介质平台兼容，并且可以与任意衬底搭配使用。此外，尽管已经报道了晶圆规模的合成、转移和与光子器件的集成，但石墨烯转移还不能在商业CMOS中使用。晶片规模的石墨烯转移可以完全自动化，这是在标准CMOS工艺中的硅波导的平坦化和金属化之间添加的额外步骤实现的。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01153-w