將高速發(fā)光體集成到硅芯片上可支持硅基光電子學(xué)的新架構(gòu)。但迄今為止，由于基于化合物半導(dǎo)體的發(fā)光體難以在硅襯底上直接制造，因此將其集成到硅基平臺(tái)面臨著重大挑戰(zhàn)。 

近日，來自日本科學(xué)技術(shù)局的研究人員開發(fā)了高速、高度集成的基于石墨烯的硅基芯片發(fā)射器。這些發(fā)射體工作在近紅外區(qū)域，包括電信波長(zhǎng)(約1550nm)。研究團(tuán)隊(duì)表示，新型發(fā)射器“比傳統(tǒng)化合物半導(dǎo)體發(fā)射器具有更大的優(yōu)勢(shì)”。這是首次實(shí)現(xiàn)基于石墨烯基發(fā)光體實(shí)時(shí)光通信，證明了石墨烯發(fā)射體有能力作為光通信的新型光源。此外，該項(xiàng)研究發(fā)表在Nature Communications雜志上。 

圖為石墨烯發(fā)射器原理示意圖

該研究團(tuán)隊(duì)首次在包括電信波長(zhǎng)的近紅外區(qū)域中證明了基于石墨烯的集成、高速片上黑體發(fā)射器。該發(fā)射器有著約為100ps的快速響應(yīng)時(shí)間，比先前的石墨烯發(fā)射器響應(yīng)時(shí)間快了約105倍，該響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)在單層和少層石墨烯上被證實(shí)。器件的響應(yīng)時(shí)間取決于石墨烯層的數(shù)量，可以通過石墨烯與襯底接觸來控制發(fā)射響應(yīng)。 

基于包括石墨烯和襯底在內(nèi)的發(fā)射體的熱模型，通過對(duì)熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行理論計(jì)算研究人員闡明了高速發(fā)射器的工作機(jī)制。模擬結(jié)果表明，快速響應(yīng)特性不僅可以通過石墨烯中的面內(nèi)熱傳導(dǎo)的經(jīng)典熱傳遞以及向基板的熱耗散來理解，而且可以通過經(jīng)由表面極性聲子(SPoPh)的遠(yuǎn)程量子熱傳遞。 

研究人員表示：“我們制造出了集成的二維陣列發(fā)射器，通過化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)出了大尺寸石墨烯，該發(fā)射器可工作在空氣中，并且由于它們的平面器件結(jié)構(gòu)占用的空間小，因此能夠?qū)⒐饫w直接耦合到發(fā)射器中。” 

研究人員總結(jié)道：“我們展示了實(shí)時(shí)光通信、高度集成的二維陣列發(fā)射器，可在空氣中操作的、能夠?qū)⒐饫w直接耦合到發(fā)射器的帶帽發(fā)射器。該發(fā)射器可以為實(shí)現(xiàn)高度集成的光電子和硅光子晶體管，小尺寸和高速發(fā)射器開辟新的路徑。