Wafer-skala produktion af grafen-baserede fotoniske enheder

Vores verden har mere end nogensinde før brug for pålidelig telekommunikation. Imidlertid, klassiske enheder har begrænsninger med hensyn til størrelse og pris og, især, strømforbrug - som er direkte relateret til drivhusemissioner. Grafen kunne ændre dette og transformere fremtiden for bredbånd. Nu, Graphene Flagship forskere har udtænkt en wafer-skala fabrikationsteknologi, der, takket være forudbestemte grafen enkrystal skabeloner, giver mulighed for integration i silicium wafers, muliggør automatisering og baner vejen for storskalaproduktion.

Dette arbejde, offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift ACS Nano , er et godt eksempel på et samarbejde fremmet af Graphene Flagship-økosystemet. Det regnede med deltagelse af flere Graphene Flagship-partnerinstitutioner som CNIT og Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), i Italien, Cambridge Graphene Center ved University of Cambridge, Storbritannien, og Graphene Flagship Associated Member og spin-off CamGraphIC. Desuden, Graphene Flagship-linked tredjepart INPHOTEC og forskere ved Tecip Institute i Italien leverede grafen fotonik integrerede kredsløb fabrikation. Gennem Wafer-scale Integration Work Package og Spearhead-projekter som Metrograph, Graphene Flagship fremmer samarbejde mellem den akademiske verden og førende industrier for at udvikle højteknologiske prototyper og produkter, indtil de kan udnytte markedet.

Den nye fremstillingsteknik er muliggjort af vedtagelsen af ​​enkeltkrystalgrafen-arrays. "Traditionelt når man sigter mod wafer-skala integration, man dyrker et lag af grafen i waferstørrelse og overfører det derefter til silicium, " forklarer Camilla Coletti, koordinator for IIT's Graphene Labs, som var med til at lede undersøgelsen. "At overføre et atom-tykt lag af grafen over wafere og samtidig bevare dets integritet og kvalitet er udfordrende," tilføjer hun. "Krystalsåningen, vækst- og overførselsteknik, der er vedtaget i dette arbejde, sikrer højmobilitetsgrafen i wafer-skala, præcis hvor det er nødvendigt:en stor fordel for den skalerbare fremstilling af fotoniske enheder som modulatorer, " fortsætter Coletti.

Det vurderes, at inden 2023, verden vil se over 28 milliarder tilsluttede enheder, hvoraf de fleste vil kræve 5G. Disse udfordrende krav vil kræve nye teknologier. "Silicium og germanium alene har begrænsninger; dog, grafen giver mange fordele, " siger Marco Romagnoli fra Graphene Flagship partner CNIT, tilknyttet tredjepart INPHOTEC, og associeret medlem CamGraphiC, som var med til at lede undersøgelsen. "Denne metode giver os mulighed for at opnå over 12.000 grafenkrystaller i en wafer, matcher den nøjagtige konfiguration og disposition, vi har brug for til grafen-aktiverede fotoniske enheder, " tilføjer han. Desuden processen er kompatibel med eksisterende automatiserede fremstillingssystemer, hvilket vil fremskynde dets industrielle udbredelse og implementering.

I en anden publikation i Naturkommunikation , forskere fra Graphene Flagship-partnerne CNIT, Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), i Italien, Nokia – inklusive deres hold i Italien og Tyskland, Graphene Flagship-linked tredjepart INPHOTEC og forskere hos Tecip, brugte denne tilgang til at demonstrere en praktisk implementering:"Vi brugte vores teknik til at designe højhastigheds grafen fotodetektorer, " siger Coletti. "Sammen, disse fremskridt vil fremskynde den kommercielle implementering af grafen-baserede fotoniske enheder, " tilføjer hun.

Grafen-aktiverede fotoniske enheder tilbyder flere fordele. De absorberer lys fra ultraviolet til langt infrarødt - dette giver mulighed for ultrabredbåndskommunikation. Grafenenheder kan have ultrahøj mobilitet af bærere - elektroner og huller - hvilket muliggør datatransmission, der overstiger de bedst ydende ethernet-netværk, bryde barrieren på 100 gigabit i sekundet.

At reducere de energiske krav til tele- og datakommunikation er grundlæggende for at levere mere bæredygtige løsninger. På nuværende tidspunkt Informations- og kommunikationsteknologier er allerede ansvarlige for næsten 4 % af alle drivhusemissioner, sammenlignelig med CO2-fodaftrykket i luftfartsindustrien, forventes at stige til omkring 14 % i 2040. "I grafen, næsten al lysets energi kan omdannes til elektriske signaler, som massivt reducerer strømforbruget og maksimerer effektiviteten, " tilføjer Romagnoli.

Frank Koppens, Grafen-flagskibsleder for fotonik og optoelektronik, siger:"Dette er første gang, at grafen af ​​høj kvalitet er blevet integreret på wafer-skalaen. Arbejdet viser direkte relevans ved at afsløre højtydende og højhastighedsabsorptionsmodulatorer. Disse imponerende resultater bringer kommercialisering af grafenenheder ind i 5G-kommunikation meget tæt på."

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer for Graphene Flagship og formand for dets Management Panel tilføjede:"Dette arbejde er en vigtig milepæl for Graphene Flagship. Et tæt samarbejde mellem akademiske og industrielle partnere har endelig udviklet en wafer-skala proces til grafen integration. Graphene Støberi er ikke længere et fjernt mål, men det starter i dag."