Productie op waferschaal van fotonische apparaten op grafeenbasis

Onze wereld heeft meer dan ooit betrouwbare telecommunicatie nodig. Klassieke apparaten hebben echter beperkingen in termen van grootte en kosten, en vooral wat betreft het stroomverbruik, dat rechtstreeks verband houdt met de uitstoot van broeikasgassen. Grafeen zou dit kunnen veranderen en de toekomst van breedband kunnen veranderen. Nu hebben Graphene Flagship-onderzoekers een fabricagetechnologie op wafelschaal ontwikkeld die, dankzij vooraf bepaalde grafeen-monokristallijne sjablonen, integratie in siliciumwafels mogelijk maakt, waardoor automatisering mogelijk wordt en de weg wordt geëffend voor grootschalige productie.

Dit werk, gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift ACS Nano, is een geweldig voorbeeld van een samenwerking die wordt gestimuleerd door het Graphene Flagship-ecosysteem. Het rekende op de deelname van verschillende Graphene Flagship-partnerinstellingen zoals CNIT en het Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), in Italië, het Cambridge Graphene Centre aan de Universiteit van Cambridge, VK, en Graphene Flagship Associated Member en spin-off CamGraphIC. Bovendien zorgden INPHOTEC, een aan Graphene Flagship gekoppelde derde partij, en onderzoekers van het Tecip Institute in Italië voor de fabricage van de geïntegreerde schakelingen van grafeenfotonica. Door middel van het integratiewerkpakket op waferschaal en speerpuntprojecten zoals Metrograph, bevordert het Graphene Flagship de samenwerking tussen de academische wereld en toonaangevende industrieën om prototypes en producten op hoog technologisch niveau te ontwikkelen, totdat ze op de markt kunnen worden geëxploiteerd.

De nieuwe fabricagetechniek wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van monokristallijne grafeen-arrays. “Traditioneel, wanneer men streeft naar integratie op waferschaal, kweekt men een laag grafeen ter grootte van een wafel en brengt deze vervolgens over op silicium”, legt Camilla Coletti uit, coördinator van IIT’s Graphene Labs, die de studie mede leidde. “Het is een uitdaging om een ​​atoomdikke laag grafeen over wafers te brengen met behoud van de integriteit en kwaliteit ervan”, voegt ze eraan toe. “De kristalzaai-, groei- en overdrachtstechniek die in dit werk wordt toegepast, zorgt ervoor dat grafeen met hoge mobiliteit op waferschaal precies daar waar nodig is: een groot voordeel voor de schaalbare fabricage van fotonische apparaten zoals modulatoren”, vervolgt Coletti.

Geschat wordt dat de wereld in 2023 meer dan 28 miljard verbonden apparaten zal zien, waarvan de meeste 5G nodig hebben. Deze uitdagende eisen vragen om nieuwe technologieën. “Silicium en germanium alleen hebben beperkingen; grafeen biedt echter veel voordelen”, zegt Marco Romagnoli van Graphene Flagship-partner CNIT, verbonden derde partij INPHOTEC, en geassocieerd lid CamGraphiC, die het onderzoek mede leidde. “Deze methodologie stelt ons in staat om meer dan 12.000 grafeenkristallen in één wafer te verkrijgen, die exact overeenkomen met de configuratie en dispositie die we nodig hebben voor fotonische apparaten met grafeen,” voegt hij eraan toe. Bovendien is het proces compatibel met bestaande geautomatiseerde fabricagesystemen, wat de industriële acceptatie en implementatie ervan zal versnellen.

In een andere publicatie in Nature Communications, onderzoekers van Graphene Flagship-partners CNIT, Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), in Italië, Nokia – inclusief hun teams in Italië en Duitsland, Graphene Flagship-linked derde partij INPHOTEC en onderzoekers van Tecip, gebruikten deze aanpak om een ​​praktische implementatie te demonstreren: “We hebben onze techniek gebruikt om zeer snelle fotodetectoren van grafeen te ontwerpen”, zegt Coletti. “Samen zullen deze vorderingen de commerciële implementatie van op grafeen gebaseerde fotonische apparaten versnellen”, voegt ze eraan toe.

Fotonische apparaten met grafeen bieden verschillende voordelen. Ze absorberen licht van ultraviolet tot ver-infrarood – dit maakt ultrabreedbandcommunicatie mogelijk. Grafeen-apparaten kunnen een ultrahoge mobiliteit van dragers hebben – elektronen en gaten – waardoor datatransmissie mogelijk is die de best presterende ethernetnetwerken overtreft en de barrière van 100 gigabit per seconde doorbreekt.

Het verminderen van de energetische eisen van telecom en datacom is fundamenteel om duurzamere oplossingen te bieden. Op dit moment zijn informatie- en communicatietechnologieën al verantwoordelijk voor bijna 4% van alle broeikasgasemissies, vergelijkbaar met de koolstofvoetafdruk van de luchtvaartindustrie, die naar verwachting zal toenemen tot ongeveer 14% in 2040. “In grafeen kan bijna alle energie van licht worden omgezet in elektrische signalen, waardoor het stroomverbruik enorm wordt verminderd en de efficiëntie wordt gemaximaliseerd “, voegt Romagnoli toe.

Frank Koppens, Graphene Flagship Leader voor fotonica en opto-elektronica, zegt: “Dit is de eerste keer dat hoogwaardig grafeen op waferschaal is geïntegreerd. Het werk toont directe relevantie door de onthulling van hoogrenderende en snelle absorptiemodulatoren. Deze indrukwekkende prestaties brengen de commercialisering van grafeenapparaten in 5G-communicatie heel dichtbij. “

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship en voorzitter van het Management Panel voegde toe: “Dit werk is een belangrijke mijlpaal voor het Graphene Flagship. Een nauwe samenwerking tussen academische en industriële partners heeft eindelijk een proces op wafelschaal ontwikkeld voor grafeenintegratie. De grafeengieterij is niet langer een doel in de verte, maar het begint vandaag. ”