北京大学 Adv. Mater. ：基于化学气相沉积石墨烯与范德华混合介质的高速电光调制器

成果介绍

基于石墨烯的光电器件已展现出高带宽和易于集成至硅光子学的优势。然而，由于石墨烯是单原子层材料且具有极高的比表面积，其光电器件的优异性能极易受到界面态和电介质悬挂键等环境因素的影响，导致依赖均匀电场的石墨烯电光调制器性能退化。

近日，北京大学彭海琳教授、王兴军教授、尹建波研究员、舒浩文研究员（共同通讯作者）报道了一种在化学气相沉积（CVD）石墨烯上集成Sb₂O₃/Al₂O₃混合电介质的电吸收调制器方案。作为界面层的Sb₂O₃分子晶体不仅能促使Al₂O₃介质均匀生长，更与石墨烯形成范德华界面，可显著减少界面散射中心（如悬挂键），从而保持石墨烯的电子特性——平均载流子迁移率（𝜇）达10880 cm²·V⁻¹·s⁻¹，残余载流子浓度（n^*）为1.35×10¹¹ cm⁻²。与单一介质器件相比，具有范德华界面的电吸收调制器调制效率提升1.6倍（0.0054 dB·V⁻¹·μm⁻¹），带宽扩大5.8倍（约35 GHz），且调制速率高达30 Gbit·s⁻¹。本研究为石墨烯光电器件提供了一种极具前景的介质解决方案。

图文导读

图1. 迁移率（𝜇）与有效氧化层厚度（EOT）对应的模拟效率-带宽（f_3dB）关系。在固定迁移率条件下，增大EOT会同时带来更高f_3dB和更低调制效率，揭示了EOT制约下效率与带宽的内在权衡关系。而在固定EOT条件下，提升迁移率可同时改善效率与f_3dB，从而突破该权衡关系的”上限”。

图2. 器件概念图及与材料特性相关的带宽模拟。a) 石墨烯电吸收调制器示意图，展示DLG电容器器件结构。石墨烯-电介质界面的横截面被示意性放大。采用分子晶体Sb₂O₃作为特殊界面缓冲层，既可与石墨烯形成vdW界面，又能促进Al₂O₃的均匀沉积。b) 计算的f_3dB随𝜇和EOT的变化关系，表明更高载流子迁移率可提升f_3dB。

图3. 不同电介质石墨烯场效应晶体管电学特性及电吸收调制器静态性能表征。a) 背栅石墨烯FET在制备初始态与沉积Sb₂O₃/Al₂O₃（或纯Al₂O₃）后的转移特性曲线。b) 制备初始态与沉积Sb₂O₃/Al₂O₃（或纯Al₂O₃）后提取的载流子迁移率及残余载流子浓度对比。沉积Sb₂O₃/Al₂O₃异质结构后，背栅石墨烯FET的电子特性保持稳定；而沉积纯Al₂O₃的FET则出现电子特性显著退化。c) 三种不同电介质石墨烯调制器的传输曲线随偏压V_b（下轴）与载流子密度（上轴）变化关系。

图4. 动态电光性能表征。a) 电光带宽测试系统示意图。VNA：矢量网络分析仪；EDFA：掺铒光纤放大器；BPF：带通滤波器；PD：光电探测器；PC：偏振控制器；DUT：待测器件。b) 数据传输速率测试系统示意图。BPG：比特图案发生器；RTO：实时示波器。c) 采用Sb₂O₃/Al₂O₃与纯Al₂O₃两种电介质的石墨烯调制器实测f_3dB。d) 20、25、30 Gbit/s传输速率下的眼图测试结果。

图5. 不同EOT条件下集成Sb₂O₃/Al₂O₃混合电介质的石墨烯调制器动态与静态电光性能。a) 计算所得的f_3dB随EOT与𝜇变化关系。b) 混合电介质体系下计算得到的E_F随EOT与V_b变化关系。c) 三种不同EOT值石墨烯调制器的传输曲线随偏压变化关系。d) 从九个器件中提取的静态调制效率统计直方图。

结论与展望

本研究表明，Sb₂O₃/Al₂O₃混合电介质可作为石墨烯电吸收调制器的理想介质方案。分子晶体Sb₂O₃层不仅能促进电介质的均匀生长，更重要的是可与石墨烯形成vdW界面。该结构使石墨烯器件呈现出10880 cm²·V⁻¹·s⁻¹的平均迁移率及1.35×10¹¹ cm⁻²的残余载流子浓度。得益于石墨烯电子特性的保持，该调制器相较于单一Al₂O₃介质器件实现了1.6倍的调制效率提升]和5.8倍的带宽增长]。本研究成果凸显了介质/石墨烯界面调控的重要性，为石墨烯光电器件的介质与钝化层设计提供了创新解决方案。

文献信息

J. Qian, Q. Wu, L. Xing, et al. “High-Speed Electro-Optic Modulator Based on Chemical-Vapor-Deposited Graphene with van der Waals Hybrid Dielectric.” Adv. Mater. (2025): e17865.

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202517865