石墨烯场效应管光电混频器与硅基光电子单片异质集成芯片研究

GFET O-E mixer combines the electrical nonlinearity and excellent photo response characteristics of GFET, which can replace detector, amplifier and mixer in optoelectronic circuits. Thus, GFET O-E mixer helps to simplify the optoelectronic circuit structure and improve system performance by reducing parasitic parameters caused by packaging and bonding. In this project, GFET and silicon-based optoelectronic circuits are monolithically integrated to develop GFET O-E mixer chips with good performances..The project is focused on three kinds of chips: firstly, silicon-based optical waveguide parallel with GFET channel. By using metal-graphene-metal light detection mechanism, this kind of GFET O-E mixer can achieve good frequency characteristics and frequency conversion efficiency. Secondly, silicon-based optical waveguide perpendicular to GFET channel. This kind of GFET O-E mixer exploits the Si-graphene-metal Schottky light detection mechanism and provides positive gain to photocurrent. It is also a novel structure different from any previous GFET O-E mixers. Thirdly, the out-of-plain coupling comb back gated GFET O-E mixing chip. The chip achieves integration of GFET O-E mixer and silicon-based active circuits. These three kinds of carbon-based GFET and silicon-based optoelectronic hetero-structure monolithic integrated O-E mixer chips might be of great importance to research community and industry applications.

石墨烯场效应晶体管（GFET）光电混频器结合了GFET的电学非线性和优良的光响应特性，可以替代光电子回路中的探测器、放大器和混频器三种器件，有助于简化回路结构，减少封装键合带来的系统性能恶化。本项目拟借鉴近期GFET在微电子和光电子领域取得的新进展，将GFET和硅基光电子单片异质集成，研制性能良好的GFET光电混频器。.项目围绕三种芯片展开研究：1、硅基光波导与GFET沟道平行的光电混频器芯片，该芯片采用M-G-M光探测机制，有良好的频率特性和变频效率。2、硅基光波导与GFET沟道垂直的光电混频器芯片，该芯片采用Si-G-M肖特基光探测机制，可为光生电流提供增益，是一种不同于以往结构的光电混频器。3、平面外耦合梳状背栅GFET光电混频芯片，该芯片实现有源光电子芯片和GFET单片集成。这三种将碳基GFET和硅基光电子单片异质集成的光电混频芯片，具有重要的科研价值和良好的行业前景。

本项目研究了石墨烯场效应晶体管型光电混频器与硅基光电子单片集成芯片，使用单个石墨烯场效应晶体管即可实现光电探测与混频的功能，简化了传统电光调制器+光电探测器的光电混频链路方案，并通过与硅基光电子单片异质集成，用新材料新器件拓展了传统硅基光电子的功能，同时利用传统硅基光电子集成回路，提升了新材料器件的性能。.项目的主要研究内容包括以下六个方面：1）石墨烯场效应器件光电混合调制机理。在本项目支持下，我们的研究指出，量子电容是石墨烯场效应器件实现光电混合调制的重要机理，2）石墨烯的转移与界面处理工艺。我们提出了一种基于BCB的石墨烯转移处理方法，适用于光电子器件的制作，解决了石墨烯区域移位、脱落等降低成品率的问题。3）石墨烯场效应管相位调制器。我们提出并实验验证了一种高频模拟相位调制器，在8GHz和8.5GHz的工作频率下实测证明了栅控量子电容对石墨烯场效应晶体管输出信号相位特性的影响至关重要，可在高达30GHz频率上实现连续模拟相位调制。4）石墨烯异质结光探测增强器件。为解决石墨烯场效应器件光电转化效率低的问题，我们提出异质结光探测增强器件，实现了探测能力最大值为1.75e14 Jones的石墨烯异质结器件，且具有10e-3 A/s的光生电流转化率，非常适合与硅基光电子器件集成。5）石墨烯光电子器件与硅光器件单片集成。我们制备了石墨烯异质结与硅基光电子单片异质集成器件，单片异质集成器件展示了良好的性能优势，光电倍增系数可达50。6）波导集成光电混频器。我们重点开发出SOI脊波导石墨烯光电混频器，并将器件应用于光载射频组件和微波光子雷达光传组件。