石墨烯器件的晶圆级集成用于电光器件

最近发表在《Laser & Photonics Reviews》上的一篇出版物展示了IMEC和Graphenea之间的成功合作，从而将石墨烯集成到CMOS工艺中。这一突破实现了石墨烯器件的晶圆级集成和升级，是石墨烯旗舰工作包10（WP10）的一部分，专注于“晶圆级集成”。

这篇科学论文讨论了在现实系统中使用石墨烯的潜力，以及展示其竞争性能、可靠性和大规模制造途径的必要性。研究人员使用单层石墨烯电吸收调制器作为测试工具，并将它们集成到 300mm 试点 CMOS 铸造环境中。通过分析来自每个晶圆数百个器件的数据，他们确定并优化了特定处理步骤对性能的影响。优化后，他们展示了 50 dB/mm 的调制深度和高达 15.1 GHz 的电光带宽，用于 25μm 长的设备。这些结果是使用 CMOS 兼容工艺实现的，该工艺允许大批量、低成本制造。研究人员认为，这项工作解决了石墨烯晶圆级集成的瓶颈，CMOS 兼容工艺使基于石墨烯的设备能够与同一芯片上的其他光子学和电子学构建块共同集成。

图:晶圆级石墨烯制造。图片来自Wu et al, Laser & Photonics Reviews 2023.

研究人员对使用化学气相沉积 (CVD) 生长的 6 英寸石墨烯层进行处理，并使用 Graphenea 的专利转移工艺转移到半导体晶圆上。根据行业标准，使用镶嵌接触和硬掩模光刻在石墨烯层上构建晶圆级设备。研究人员发现，影响最终器件调制深度（电光性能）的石墨烯质量和电场均匀性都受到表面平整度的影响。为了提高平坦度，添加了均匀的覆盖层，从而提高了器件产量。覆盖层还减少了后续集成步骤对石墨烯层的影响。此外，构建镶嵌接触所涉及的时间延迟会影响电吸收调制器 (EAM) 的接触电阻和 3dB 带宽。通过优化这三个关键工艺步骤并实施与 CMOS 兼容的专用集成方法，研究人员实现了超过 95% 的器件良率，其损耗值、消光比和 3dB 带宽可与之前仅在小得多的 CVD 石墨烯器件上展示的相媲美规模和实验室条件。

这项研究的发现可以扩展到开发一个复杂的基于石墨烯的光电设备库，例如调制器、光电探测器和传感器。研究人员的工作将支持基于石墨烯的光子学设备的工业应用，并为下一代数据通信和电信应用铺平道路。