Рамановское картирование монослойного графена на кремниевых микрокольцевых резонаторах: выявление эффектов легирования и деформации

Аннотация

Представлено детальное исследование методом рамановского картирования G- и 2D-пиков монослойного графена на полосноволноводных микрокольцевых резонаторах (МКР) из кремния. Коррелируя положения пиков, их интенсивности и ширины с пространственным расположением, показано, что подвешенный графен остается электрически интринсичным, в то время как в зонах контакта с кремниевым/SiO₂ волноводом он становится умеренно p-легированным (≈3×10¹² см⁻²). Сдвиг уровня Ферми вниз на ~0,2 эВ обусловлен застревающими интерфейсными зарядами, а не геометрией, что подтверждается идентичными результатами для устройств с радиусом 10 и 20 мкм. Асимметрия G-пика над волноводом объясняется жесткостью фононов из-за легирования и снижением вырожденности вследствие вывихрований подвешенного графена.

Введение

Интеграция графена с кремниевой фотоникой обещает прорывы в фотодетекции, модуляции и биосенсорике благодаря совместимости с CMOS-технологиями и низкой стоимости производства. Однако процесс переноса может вводить дефекты и непреднамеренное легирование, меняющие зонную структуру и характеристики материала. Рамановская спектроскопия, чувствительная к деформации, легированию и плотности дефектов, является основным методом характеристики таких изменений. Её три главных пика — D (~1350 см⁻¹, беспорядок), G (~1580 см⁻¹, в плоскости фонон) и 2D (~2700 см⁻¹, второй порядок D) — дают четкие отпечатки числа слоев, деформации и концентрации носителей.

Двумерная электронная структура графена позволяет электростатическим гейтингом настраивать оптическое поглощение через блокирование Паули, обеспечивая сверхбыструю (ГГц) модуляцию. Предыдущие работы по графену на кремниевых волноводах сообщали о сильно разнящихся коэффициентах поглощения, что указывает на критическое влияние химии переноса и качества интерфейса. Наше исследование заполняет этот пробел путем пространственного картирования рамановских сигнатур через графеновые МКР.

Методы / Эксперимент

МКР изготавливались на SOI-подложке с толщиной верха 220 нм и зарытой оксидной прослойкой 2 мкм, используя полосные волноводы шириной 335 нм для максимизации перекрытия с графеном. Изучались два тракцевых резонатора с радиусами 10 и 20 мкм. Устройства очищали (ацетон, изопропиловый спирт, дистиллированная вода, NMP), обрабатывали кислородной плазмой 40 с, затем переносили полимером CVD-графен мокрым способом. Определение области покрытия графеном и плазменная травка кислородом задавали геометрию; отжиг при 270 °C в восстановительной атмосфере удалял остатки фоторезиста.

Рамановское картирование проводили при комнатной температуре на спектрометре Horiba LabRAM HR Evolution (решетка 600 штр/мм, лазер He-Ne 633 нм, объектив ×50, NA = 0,75). Плотность мощности лазера была <2 мВт для предотвращения нагрева. Сетка 120×120 точек с шагом 0,25 мкм давала высокорешающие карты положений, интенсивностей и ширин G- и 2D-пиков. Параметры пиков извлекали аппроксимацией Лоренца; инструментальное разрешение ~4,6 см⁻¹ (по пику Si).

Результаты и обсуждение

Начальные точечные спектры (возбуждение 514 нм) подтвердили монослойный графен: слабый D-пик, сильный симметричный 2D-пик, G-пик ~1587 см⁻¹ (≈1581,6 + 11/(1+n)¹·⁶), соответствующий литературе для n=1. На рис. 2c–d показаны карты G- и 2D-пиков: оба демонстрируют сдвиг к большим волновым числам ~11 и ~8 см⁻¹ в зонах, где графен лежит на волноводе, по сравнению с подвешенными областями.

Так как деформация сдвигала бы 2D-пик примерно в 6 раз сильнее G-пика, сравнимые сдвиги свидетельствуют о пренебрежимо малой деформации. Направление и величина сдвигов соответствуют p-типу легирования: G-пик сдвигается вверх при электронном и дырочном легировании, тогда как 2D-пик поднимается только при умеренном p-легировании (~15 см⁻¹ при 3×10¹³ см⁻²). Эмпирические соотношения (1) и (2) дают сдвиг уровня Ферми ≈−0,2 эВ (концентрация дыр ≈3×10¹² см⁻²) на волноводе, в то время как подвешенный графен остается интринсичным.

Уравнение (1): \[\left|E_{F}\right|\times 41,5=\Delta\omega_{G}=\omega(G)-\omega_{0}(G)\]
Уравнение (2): \[\left|E_{F}\right|\times 31,5=\Delta\omega_{2D}=\omega(2D)-\omega_{0}(2D)\]

Асимметрия G-пика, смоделированная двойным лоренцем (G⁺ и G⁻), показывает сужение G⁺ на ~25% (10→7,5 см⁻¹) и G⁻ на ~35% (20→13 см⁻¹) в опорных зонах, что согласуется с жесткостью фононов от легирования и снижением вырожденности из-за локальных вывихрований подвешенного графена.

Отношение интенсивностей I₂D/I_G падает с ~3 (подвешенный) до ~2,5 (опорный), указывая на усиленное рассеявание носителей на фононах, хотя изменение невелико по сравнению со сдвигом G-пика. Интегральное отношение площадей A_G/A_2D дополнительно подтверждает более высокую дырочную концентрацию на волноводе, позволяя извлечь E_F через уравнение (3): \[\sqrt{A_{G}/A_{2D}}=C\left[\gamma_{e-ph}+|E_{F}|f\left(e^{2}/\varepsilon v_{f}\right)\right]\]

Пространственные линейные сканирования (рис. 4) показывают гауссовидный пик уровня Ферми (~−0,2 эВ), выровненный по волноводу, идентичный для обоих радиусов резонаторов, что подтверждает субстратно-индуцированное легирование, а не геометрические эффекты.

Векторная декомпозиция положений G- и 2D-пиков (рис. 5) размещает данные подвешенного графена у начала координат (интринсичный) и данные опорного — вдоль вектора p-легирования, с пренебрежимо малым вкладом деформации. Анализ дает среднюю концентрацию носителей (2–3)×10¹² см⁻², в соответствии с уравнением (4): \[n=(E_{F}/\hbar\nu_{F})^{2}/\pi\]

Заключение

Монослойный CVD-графен, интегрированный на кремниевые микрокольцевые резонаторы, демонстрирует интринсичное поведение в подвешенном состоянии, но подвергается умеренному p-легированию (~3×10¹² см⁻²) в зонах контакта с кремниевым/SiO₂ волноводом, сдвигая уровень Ферми вниз на ~0,2 эВ. Асимметрия G-пика отражает как легирование-индуцированную жесткость фононов, так и подъем вырожденности из-за кривизны. Эти субстратно-индуцированные эффекты необходимо учитывать при проектировании графеновых фотонических устройств, особенно модуляторов и сенсоров, для корректной интерпретации оптоэлектронных свойств графена.

Аббревиатуры

CCD

Матрица зарядо-связанных устройств

CEA-LETI

Комиссариат по атомной энергии и альтернативным энергиям — лаборатория электроники и информационных технологий

CMOS

Комплементарный металл-оксид-полупроводник

CVD

Химическое осаждение из газовой фазы

DR

Двойной резонанс

FWHM

Половина ширины на полувысоте

MRR

Микрокольцевой резонатор

NMP

N-Метил-2-пирролидон

Si

Кремний

SiO₂

Диоксид кремния

SWCNT

Однослойный углеродный нанотрубка