硅微环谐振器上单层石墨烯的拉曼映射：揭示掺杂与应变效应

摘要

本文展示了硅条形波导微环谐振器（MRRs）上单层石墨烯G峰和2D峰的详细拉曼映射研究。通过将峰位、强度和宽度与空间位置相关联，我们证明了悬空石墨烯保持电学本征性，但与硅/SiO₂波导接触的区域会变成中等p型掺杂（≈3×10¹² cm⁻²）。这种费米能级下钉约0.2 eV的现象归因于界面陷阱电荷，而非几何效应，这通过10 µm和20 µm半径器件的相同结果得到确认。波导上观察到的G峰不对称性可由掺杂引起的声子硬化和悬空石墨烯面外皱褶导致的简并度降低来解释。

背景

将石墨烯与硅光子学集成有望在光电探测、调制和生物传感方面取得突破，得益于CMOS兼容、低成本的制造工艺。然而，转移过程可能引入缺陷和非意向掺杂，改变材料的带结构和性能。拉曼光谱对应变、掺杂和缺陷密度敏感，是表征这些变化的首选技术。其三个主要特征峰——D峰（≈1350 cm⁻¹，无序）、G峰（≈1580 cm⁻¹，面内声子）和2D峰（≈2700 cm⁻¹，D峰的二级谐波）——为层数、应变和载流子浓度提供了清晰的指纹特征。

石墨烯的二维电子结构允许通过静电栅极调节其光吸收（通过泡利阻塞），实现超快（GHz级）调制。先前关于石墨烯-硅波导的工作报告了差异很大的吸收系数，表明转移化学和界面质量至关重要地影响器件行为。我们的研究通过在石墨烯覆盖的MRRs上空间映射拉曼特征来填补这一空白。

方法/实验

MRRs在220 nm厚的SOI晶圆上制备，具有2 µm厚的埋氧层，使用335 nm宽的条形波导以最大化与石墨烯的重叠。研究了两个10 µm和20 µm半径的跑道型谐振器。器件经丙酮、异丙醇、去离子水、NMP清洗，氧等离子刻蚀40秒，然后通过聚合物介导的湿法CVD石墨烯工艺转移。光刻和氧等离子刻蚀定义石墨烯覆盖范围；270°C还原气氛退火去除残留光刻胶。

拉曼映射在室温下使用Horiba LabRAM HR Evolution光谱仪进行（600 g/mm光栅，633 nm He-Ne激光，×50物镜，NA=0.75）。激光功率密度<2 mW以避免加热。120×120点网格（0.25 µm步长）产生了G峰和2D峰位置、强度和宽度的高分辨率映射。洛伦兹拟合提取峰参数；仪器分辨率约4.6 cm⁻¹（来自Si峰）。

结果与讨论

初始单点光谱（514 nm激发）确认了单层石墨烯：弱D峰、强对称2D峰，G峰位于~1587 cm⁻¹（≈1581.6 + 11/(1+n)¹·⁶），与n=1的文献值吻合。图2c-d显示G峰和2D峰映射：两者在石墨烯覆盖波导处均上移约11和8 cm⁻¹，相对于悬空区域。

因为应变会使2D峰位移约为G峰的6倍，而G峰和2D峰的位移幅度相当，表明应变可忽略。相反，位移的方向和大小与p型掺杂一致：G峰随电子和空穴掺杂均上移，而2D峰仅在中等空穴掺杂（~3×10¹³ cm⁻²时约15 cm⁻¹）下上移。经验关系式（1）和（2）给出波导上费米能级位移≈-0.2 eV（空穴浓度≈3×10¹² cm⁻²），而悬空石墨烯保持本征。

公式（1）：|E_F| × 41.5 = Δω_G = ω(G) - ω₀(G)

公式（2）：|E_F| × 31.5 = Δω_2D = ω(2D) - ω₀(2D)

用双洛伦兹函数（G⁺和G⁻）建模的G峰不对称性显示，当石墨烯被支撑时，G⁺峰宽度缩窄约25%（10→7.5 cm⁻¹），G⁻峰宽度缩窄约35%（20→13 cm⁻¹），这与掺杂诱导的声子硬化和悬空石墨烯局部皱褶导致的简并度降低一致。

强度比I_2D/I_G从悬空区的~3降至支撑区的~2.5，表明载流子-声子散射增加，但与G峰位移相比变化较小。积分强度比A_G/A_2D进一步证实波导上空穴浓度较高，允许通过公式（3）提取E_F：√(A_G/A_2D) = C[γ_e-ph + |E_F|f(e²/εv_f)]

空间线扫描（图4）显示与波导对齐的高斯形费米能级峰值（~-0.2 eV），两种谐振器半径结果相同，确认为衬底诱导掺杂而非几何效应。

G峰与2D峰位置的矢量分解（图5）将悬空数据置于原点附近（本征），支撑数据沿p型掺杂矢量分布，应变贡献可忽略。该分析得出平均载流子密度为(2-3)×10¹² cm⁻²，与公式（4）一致：n = (E_F/ħv_F)²/π

结论

集成在硅微环谐振器上的单层CVD石墨烯在悬空时表现出本征行为，但在接触硅/SiO₂波导处发生中等p型掺杂（~3×10¹² cm⁻²），费米能级下移约0.2 eV。拉曼G峰不对称性反映了掺杂诱导的声子硬化和曲率诱导的简并度解除。设计基于石墨烯的光子器件（特别是调制器和传感器）时必须考虑这些衬底诱导效应，以确保准确解读石墨烯的光电特性。

缩写

CCD

电荷耦合器件

CEA-LETI

法国原子能与替代能源委员会信息技术电子实验室

CMOS

互补金属氧化物半导体

CVD

化学气相沉积

DR

双共振

FWHM

半峰全宽

MRR

微环谐振器

NMP

N-甲基-2-吡咯烷酮

Si

硅

SiO₂

二氧化硅

SWCNT

单壁碳纳米管