日本開發出可在硅晶元上運行的石墨烯高速發光元件

科技 04-11

在日本JST戰略性創造研究推進事業中，慶應義塾大學理工學部物理信息工學科副教授牧英之等人組成的研發小組，開發出了在硅晶元上動作的高速石墨烯發光元件。該發小組還用此次開發的光元件實施了光通信實驗，同時還新發現了可以高速改變（高速調製）光信號開關的機制。本研究位牧英之副教授等人與九州大學全球創新中心的吾鄉浩樹教授共同實施。

牧英之的研發小組採用可以在納米級別進行控制的碳材料石墨烯作材料，成功開發出了可以直接在硅晶元上形成的超小型新式發光元件。實驗證實，這種發光元件儘管是黑體輻射，但能以響應時間為100ps（100億分之1秒，調製速度相當於10GHz）的超高速度進行調製，而且這種高速調製性是通過量子熱傳導實現的。另外，研發小組還採用該發光元件實際進行了光通信演示，證實可以通過化學氣相沉積（CVD）法實現陣列元件，在空氣環境下也能動作。

作為能在硅晶元上集成的高速、超小型光源，這種發光元件有望應用於光互連和硅光子等高集成光技術。

相關研究成果已發表在2018年3月29日（英國時間）發行的國際科學雜誌《自然通訊》（Nature Communications）上。

＜研究內容＞

研發小組採用新材料石墨烯，在硅晶元上實現了「超小型」、「超高速」的發光元件（圖1）。

實驗顯示，雖然該元件在通電加熱後會黑體輻射發光，但能實現最高10GHz （響應時間100ps：100億分之1秒）的超高速調製（圖2）。這個速度與以往採用金屬絲的黑體輻射光源（響應速度約為100Hz）相比，可以達到後者100萬倍以上。

在本研究中，研發小組查明了這種超高速調製的原理，發現其高速調製性是通過石墨烯元件的量子熱傳導實現的。這種量子熱傳導與普通的熱傳導不同，石墨烯傳導載體的能量遠程傳遞至SiO2基板的表面極性聲子，而且聲子作為波在基板表面傳播現象中佔主導地位。

另外，此次的研究還利用化學氣相沉積法（CVD法）製作了大面積石墨烯膜，並成功地大量排列了石墨烯發光元件，通過在這種石墨烯發光元件的表面形成保護膜（Cap層），可以防止其與氧氣發生反應對石墨烯造成損傷，由此，發光元件可以在空氣環境中工作。此外，利用接收光信號並將其轉換為電信號的元件（光接收器）實施的光通信演示也獲得了成功。

＜參考圖＞