石墨烯与CMOS电路单片集成高速光接口芯片研究

This project researches monolithic opto-electronic integrated chip based on two-dimensional material, especially the monolithic integration of Graphene photodetector/ opto-electronic mixer and Silicon integrated chip. Aiming at interdisciplinary studies, Graphene nanotechnology combined with Silicon microelectronic technique, we develop the original research on the opto-electronic integrated chip based on Graphene. According to the fact that it is hard to realize the large scale integration of microelectronic devices and opto-electronic devices based on Graphene, we propose the solution of integration. Starting from the theoretical and experimental aspects, we study the scientific issues such as basic theory, design methods, fabrication methods, test, system integration. By post CMOS process, and optimization design of optoelectronic device structures and fabrication processes of Graphene, we realize the high performance of monolithic opto-electronic integrated chip based on Graphene. The Graphene opto-electronic integrated chip fully combines of excellent optical properties of Graphene and excellent electrical properties of Silicon, is the important ways to break through the bottleneck of Silicon integrated chip, showing the great scientific value and potential application prospects.

本项目以石墨烯光电探测器/光电混频器与硅基CMOS电路单片集成为目标，瞄准国际前沿光电交叉学科，结合石墨烯纳米光电子技术和硅基微电子技术，开展石墨烯与硅基CMOS电路单片集成高速光接口芯片研究。针对现有石墨烯微电子器件难以实现大规模集成，以及石墨烯光电子器件制作工艺复杂、难以实现和微电子器件集成的难点，创新性提出石墨烯光电集成方案。研究基于石墨烯/黑磷等二维材料的光电子器件和标准CMOS工艺兼容的基础理论、设计方法、制作工艺、测试表征和系统集成等一系列科学问题。通过CMOS后工艺，优化设计石墨烯光电子器件结构和制作工艺流程, 在集成电路芯片表面制作石墨烯光电器件，实现石墨烯与CMOS电路单片集成高速光接口芯片。石墨烯光电集成充分结合了石墨烯优良的光电特性和硅基集成电路绝佳的电学特性，是突破后摩尔时代集成电路芯片性能瓶颈的重要途径，具有重要的科学研究价值和潜在的应用前景。

本项目研制了石墨烯与硅CMOS电路单片光电集成芯片，实现了石墨烯光电探测器与CMOS集成电路芯片三维集成。通过优化石墨烯生长条件，优化石墨烯光电子器件结构和制作工艺流程，研制了高性能石墨烯光电探测器和光电混频器。通过CMOS后工艺，实现了石墨烯与硅CMOS电路单片光电集成芯片。（1）、石墨烯材料制备及能带调控方面，我们提出了石墨烯生长的新方法，利用聚对二甲苯制备单层石墨烯，获得了良好的拉曼光谱图；我们提出一种在SiC衬底上的特定区域制备图形化石墨烯的方法。（2）、高响应度石墨烯探测器方面，我们利用二氧化钛和石墨烯界面的陷阱俘获电子，降低光生载流子的复合几率，从而提高光探测器的增益。我们提出了石墨烯/TiO2异质结构光探测器，实现了大于80mA/W的光响应度和大于400nm-1600nm光谱响应范围。（3）、在二维材料和有机小分子材料相结合的光电器件方面，我们在无机二维材料MoS2上通过范德瓦尔斯沉积的方式外延生长单层有机小分子材料MePTCDI来研究小分子薄膜来对MoS2材料性能的提升，实现了探测器响应度的有效提高。（4）、在石墨烯成像芯片的读出电路方面，针对石墨烯探测器暗电流大的特点，设计了暗电流消除读出电路。一方面，通过盲元电阻补偿法消除石墨烯探测器的暗电流，提取出有用的信号。另一方面，通过设计零偏压的读出电路，从根本上抑制暗电流的形成，同时也可以降低整个芯片的功耗。（5）、在石墨烯光电探测器与CMOS集成电路单片集成方面，利用CMOS后工艺，在硅IC芯片表面制备石墨烯探测器，实现了顶层石墨烯探测器和底层CMOS接收电路的三维集成光接收机芯片。