石墨烯即将造就新一代 PIC

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作者：Ivan Nikitskiy, PHOTONICS TECHNOLOGIES公司项目经理，欧洲光电产业联盟（EPIC）

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石墨烯具有独特的光学和电学特性，以及强度大且轻薄等优势，因而被视为生产下一代更快、更高效的电子和光子器件的理想材料，以支持数据通信和5G行业的全球数据流量的指数级增长。

本文介绍欧洲石墨烯光电子学的发展和商品化现状，以及实现光子集成电路（PIC）中石墨烯的大规模集成所需应对的挑战。

石墨烯是赋予扁平单层碳原子或具有蜂窝状晶格结构的二维（2D）形态石墨的名称。虽然原子薄的碳结构的理论研究差不多100年前就开始了，但是，原子单层材料一直被认为只是较大的三维（3D）结构的组成部分，通常外延生长在具有匹配晶格的单晶体的表面上。过去，人们想当然地认为2D材料是不以自由状态存在的，将其描述为纯学术模型。可是，这些学术模型在2004年突然变成了现实，两位俄罗斯物理学家，Andre Geim和Kostya Novoselov，意外地发现了不依附于任何物质的独立石墨烯，他们是最早以实验的方式研究石墨烯独特材料属性的科学家，同时证明了以独立的2D形式获得多种其他材料的可能性。2010年，Andre Geim和KostyaNovoselov获得诺贝尔物理学奖，石墨烯的崛起已然开始了。

纯石墨烯是迄今发现的最薄、最轻、强度最大的材料，而且韧性很强，几乎完全透明，并具有超强的导电性和超高的导热系数。因此，石墨烯被誉为一种神奇材料，适合于复合材料和涂层、透明和柔性电子产品、太阳能电池板和电池、药物输送和DNA测序等领域中的应用。但最重要的是，石墨烯优越的光子特性使其非常适用于超快速光学和数据通信组件，能够实现超高的空间带宽密度、低功耗电路板连接及数据中心之间的连接。除此之外，石墨烯的极限薄度有利于它与新式硅基光电元器件兼容，可以作为下一代光子集成电路的平台。

石墨烯在欧洲被发现后，迅速成为欧洲优先处理的“从实验室到晶圆厂”技术转让课题之一，由于认识到了这种材料的发展潜力，欧盟委员会于2013年设立了石墨烯旗舰（GRAPHENE FLAGSHIP）计划。该旗舰计划的任务是，在10年的时间里，借助10亿欧元的资金，将石墨烯和相关的层状材料从实验室阶段引向工业领域，旨在推动多个行业实现变革，并在欧洲创造经济增长和新的就业机会。

2D-EPL实验生产线：该旗舰项目的最新计划是推出二维材料实验生产线（2D-EPL），以将石墨烯和石墨烯相关材料（GRM）集成到半导体平台中。这里需要指出的是，近年来，人们采用可扩展合成方法获得了各种各样具有电子特性的其他2D材料，从半金属、直接和间接禁带半导体、到超导体等均在其列。

相应地，2D-EPL的任务是缩小基于石墨烯和GRM的光电器件的实验室制造和大批量生产之间的差距。这项为期4年的计划始于2020年，旨在使用2000万欧元的专款经费建立一个欧洲生态系统，此生态系统面向基于2D材料的电子、光子和传感器的原型产品试产。该项目包括两个部分：一是针对150mm和200mm晶圆，以多项目晶圆（MPW）生产性运行和定制设计集成的形式提供原型设计服务；二是开发200mm和300mm晶圆的全自动化工艺流程，包括高晶体质量石墨烯和GRM的生长和转移。2D-EPL项目拥有11家合作伙伴，他们涵盖了整个价值链，包括生产工具制造商、化学品和材料供应商、以及产品研发晶圆代工厂，2D-EPL提供原型设计服务的对象不仅包括核心石墨烯旗舰计划，还包括外部合作伙伴。

METROGRAPH项目：作为其先锋项目Spearhead Projects（即：产业领航计划，旨在提高基于石墨烯之技术的技术就绪水平[TRL]）的一部分，2020年，石墨烯旗舰计划推出了METROGRAPH项目，以开发采用石墨烯的光收发器。考虑到快速增长的PIC市场，以及对在高带宽通信中实现集成的相关需求，此项目的目标是开发基于石墨烯光子芯片的波长无关相干光收发器，用于低成本、高带宽通信。该器件在常规波段和长波长波段中的工作速率为200Gb/s，覆盖1530～1625nm的波长范围。基于石墨烯的光子电路将被封装，并连同一个最先进的数字信号处理器，在实验室和一个具有TRL=8的网络线路接口卡中进行测试。它们的功能将在用于200～1000km地铁和地铁区域距离的设备上进行演示。

△图1：晶圆规模石墨烯生产（Graphenea公司提供）

R&D合作：在欧洲，与石墨烯旗舰计划开展合作的最大的研究中心是比利时微电子中心（IMEC），它是一家活跃在纳米电子学和数字技术领域的国际研发组织。与意大利全国电信大学校际联盟（CNIT）携手，IMEC开发了晶圆级集成的工作包（work package）。该工作包面向从学术实验室到基于晶圆的制备技术的过渡。IMEC探索性材料和模块集成项目经理兼2D-EPL部门主管Cedric Huyghebaert解释说：“许多基于石墨烯的概念已经成功地进行了演示。但是，大多数演示都局限在实验室里，而且使用的是小的片状石墨烯。真正的挑战是使这些概念成熟起来，从基于片状石墨烯的器件逐步成长为真正可以上市销售的产品。这就要求在真实的生产环境中实现晶圆级的材料集成。”

另一家参与石墨烯旗舰计划的研究机构是AMO GmbH公司，它是位于德国亚琛的非营利研究型纳米技术中小企业，可以提供从咨询到原型开发的一系列服务。AMO拥有一间占地400平方米的洁净室，它的目标是有效地缩小高校研究与工业应用之间的差距。近年来，该公司已成为面向电子和光子领域的2D材料研究的全球化参与者。在2D-EPL计划的框架中，AMO将提供两个多项目晶圆（MPW）生产性运行，在此过程中，高校、研究机构和公司厂商可以将其设计作为晶片纳入联合晶圆（joint wafers）。

总部位于德国的艾思强（AIXTRON）公司是为半导体行业提供沉积设备的世界领先供应商之一，并且是2D-EPL计划的主要合作伙伴。作为一家生产工具制造商，AIXTRON开发生长和转移工具，以及石墨烯和GRM生产所必需的工艺制程。AIXTRON开发了一款金属有机物化学气相沉积（MOCVD）反应器，采用其专有的紧密耦合喷淋头（Close Coupled Showerhead®）技术直接在大衬底（最大300mm）上生长石墨烯和GRM。对于前端应用，直接生长使得工业级2D材料及其相关异质结构能够原位生长。为了实现高效的后端集成（back-end integration），AIXTRON正在探究新颖的工艺制程，并开发一种用于将2D材料结构转移到器件晶圆（device wafers）上的自动化转移系统。这些平台将为试点生产线提供重要的能力，有助于在逻辑、存储、光子和传感器件中实现石墨烯和GRM的大规模集成。

Spanish Graphenea是一家石墨烯生产商，服务的客户分布在55个国家，超过800家。该公司的产品系列包括采用晶圆规模化学气相沉积（CVD）工艺生产的石墨烯薄膜、石墨烯氧化物、具有石墨烯场效应晶体管的芯片、以及石墨烯晶圆代工厂服务。在Graphenea公司的经营活动中，大约65%与医学生物传感器有关，另外的35%则涉及光敏传感器和光开关等光子器件。Graphenea最重要的产品是遵循单一业务模型（其基于垂直整合方案）的晶圆代工厂服务。这使得石墨烯能够在同一场所内完成生长、转移和加工处理，从而实现对制造过程的持续监测，并根据客户的特定需求提供高质量的可靠石墨烯器件。

Applied NanoLayers（ANL）于2012年创立于荷兰，是一家高容量晶圆代工厂和低缺陷密度GRM薄片（比如用于BEOL硅集成的六方氮化硼）生产商。正如ANL指出的那样，就石墨烯的电子特性来说，石墨烯的CVD生长是唯一能够与剥离工艺相媲美的技术，而且，他们先进的CVD系统可以使直径50～200mm的晶圆获得最优的薄膜形貌。此外，CVD工艺还能针对工业高容量晶圆级批量生产进行调整，这样每个石墨烯薄片的质量都可以持续受控。这种2D材料（包括石墨烯和六方氮化硼）的晶圆级冷薄膜转移（cold fifilm transfer）能实现与Si、GaAs和InP等现有衬底的整合。

△图2：包含2D材料集成电路的晶圆片（IMEC提供）

目前，位于剑桥附近的英国Paragraf公司生产基于石墨烯的商用品质电子器件，采用的是兼具可扩展性及与现有电子器件制造生产工艺兼容性的无污染技术。他们开发了一种新颖的生产工艺，借助该工艺，就能在可兼容半导体的衬底（如硅、氮化硅、碳化硅和许多介质材料）上直接生产石墨烯，因而使得该工艺适合商业上可行的电子器件。通过运用此项技术，Paragraf已经能够在传感器中集成高纯度石墨烯，并且还打算开发诸如晶体管和光调制器等固态器件，因为他们的高电子迁移率石墨烯为这些器件的规模化生产提供了符合大规模制造要求的途径。

同样地处剑桥的CamGraPhIC公司准备改善数据中心和5G基础设施中的光通信。他们的核心产品是一款用于数据转换的石墨烯光子芯片，该芯片视应用的不同而存在细微的差异，它构成了适用于数据通信和电信行业的单一平台。

这家公司的目标是将石墨烯调制器和光电探测器集成到硅芯片中，以充分利用石墨烯跨多个电信频段（1280～1310nm、1525～1565nm、和1565～1610nm）的独特性能。他们的石墨烯集成光子（GIP）技术平台旨在实现下一代高性能（传输速度高达200Gbps）、低成本、低功耗的光电器件。CamGraPhIC管理着INPHOTEC公司，这是一家位于意大利比萨的高科技研发和原型设计中心，它拥有一间占地面积550平方米的洁净室。石墨烯通过CVD工艺以单晶体或连续型薄膜格式进行合成，该装置提供了多种技术平台，如硅光子、石墨烯光子、玻璃、SiN光子、铌酸锂单晶薄膜（LNOI）、以及先进的光子封装。

位于德国亚琛的Black Semiconductor公司正在开发一种高性能光子器件大规模生产的技术，可以适用任何电子产品，从而实现超快速片内和片外数据传输，或者完成光子信号处理（就像在AI系统中使用的那样）。他们的方法很有希望打造全新一代的高效率和高性能微芯片，这些芯片将实现超快速CPU、GPU和AI系统。

此外，Black Semiconductor还在开发首个集成型高密度芯片，在统一的大规模生产工艺中实现了电子和光子电路的整合（无需黏合）。这种方法与已建立的硅晶圆代工厂所使用的现有机器设备和技术是兼容的，这一点（再加上集成到芯片的后端中）是其成本效益型石墨烯光子器件的独特特性。

尽管一些市场研究和分析报告各不相同，但是所做的预测都认为，未来5年全球石墨烯电子产品市场将会有快速增长。例如，Market Study Report预计，该市场将从2019年的2.965亿美元增长到2025年的6.131亿美元，年复合增长率（CAGR）为19.9%。石墨烯的独特特性是市场成长驱动因素专注的焦点，这些特性是速度更快、效率更高的电子器件所需要的，而此类电子器件对于支持IoT应用的日益普及和全球数据流量的指数性增长是不可或缺的。更重要的是，现有的技术平台，包括新兴的硅光子学，由于存在固有的技术局限，将无法支持当前的发展路线图。

不过，这些预测要成为现实，就必需应对多项挑战。首先，由于许多前景看好的石墨烯基光子和光电子器件都依赖于单层石墨烯，且运用CVD工艺制造，因此，至关重要的是，需要找到针对仍然存在的技术挑战的解决方案。例如，怎样优化高质量生长、转移工具（它能够保证高良率和完整性）和工艺，以在晶圆规模上制备器件。另外，还有一些由于业界不太愿意接受新的颠覆性技术而带来的挑战。从这个意义上说，对于基于石墨烯的光子器件，某些市场会被归类为准垄断市场，在此类市场上，新的颠覆性技术被视为风险。最后，和许多其他光子技术一样，有必要实施标准化，例如，术语、特征描述、工艺制程、质量控制。如果没有标准可依，那么制备高质量石墨烯基器件，以及确保整条供应链上下游厂商之间的可靠沟通交流，将是很困难的。

CamGraPhIC公司CTO Alessio Pirastu说的更具体一些：需要的是用于性能验证的清晰的原型设计路径；技术验证协议的早期定义；先期规划或期望的确认活动。

此外，关于扩大制造规模，他认为有必要定义可兼容CMOS的现有晶圆厂可以做的工作，比如，通过工艺制程设计套件（PDK）实现CMOS电子器件与石墨烯基光子器件的单片集成。同样重要的是，必需解决石墨烯光子器件制造在中期有可能面临的技术问题，如高质量石墨烯、交叉污染、可扩展性和成本。最后，应该实施几种制备解决方案（例如，连续型石墨烯薄膜、单晶石墨烯），以支持多种技术解决方案的开发和部署。

虽然不应低估这些挑战，但是，迄今为止取得的成就还是展现了良好的前景。首先，在石墨烯旗舰计划的促进之下，目前已形成了一个成熟稳固的生态系统，该生态系统协调了22个国家的将近170个学术和业界合作伙伴，并在其各个不同的项目中拥有90多位协会会员。该生态系统制定了产业领航计划（旨在提高基于石墨烯的技术的TRL），目前已为解决上面提到的许多技术难题做好了充分的准备。一些公司业已在欧洲朝着商业化的方向努力，其中有不少已经成为EPIC（欧洲光电产业联盟）的成员。这当中包括几家由石墨烯旗舰计划创立的子公司，以及那些参与欧洲2D-EPL试点生产线项目的公司，2022年2月，2D-EPL宣布进行首次使用石墨烯的多项目晶圆流水线生产。最后，有一些在本文中评介的公司（特别是Black Semiconductors和CamGraPhIC），如今正在构建用于石墨烯集成光子器件的生产平台，包括下一代光电探测器、调制器和收发器。

综上所述，这些发展预示着石墨烯光电子技术在欧洲拥有光明的发展前景，就像IMEC的研究经理Cedric Huyghebaert断言的那样，我们极有可能在未来的2～3年里在市场上看到首批石墨烯PIC亮相。

参考文献

1.Geim,A.,Novoselov,K.The rise of graphene.Nature Materials6,183–191,2007.

2.Romagnoli,M.,Sorianello,V.,Midrio,M.et al.Graphene-based

integrated photonics for next-generation datacom and telecom.Nat Rev Mater 3, 392–414(2018).

3.Global Graphene Electronics Market 2020 by Manufacturers, Regions,Type, and Application, Forecast to 2025. Market Study Report,2020.