Nature Nanotechnology：用于硅光子集成電路的碲化鉬基發光二極管和光電探測器

【引言】

光子器件目前的挑戰在于開發高速、節能、集成的光通信設備，用于處理高速運算系統的互聯瓶頸。但是，在光源和光電探測器方面還存在著挑戰。常用的光源包括基于III-V族材料的一個或幾個片外或晶圓貼片激光器，但目前系統架構研究表明在發射機位置直接調節光源具有一定的優勢。在硅光子處理器中最先進的光電探測器基于鍺，但是額外鍺的生長會增加系統成本。新興的二維過渡金屬的硫族化合物（TMDs）為光學互聯元件提供了一種新的可能，通過后端可以將這些光學互聯元件與硅基光子器件、互補型金屬氧化物半導體處理工藝（CMOS）相結合。

【成果簡介】

麻省理工學院的Ya-Qing Bie, Pablo Jarillo-Herrero 教授（共同通訊作者）于10月23日在Nature Nanotechnology上發表了題為“A MoTe2-based light-emitting diode and photodetector for silicon photonic integrated circuits”的研究論文，報道了帶有靜電分離柵配置的MoTe2基的橫向P-N結，這種配置可以有多樣化的功能，包括晶體管、發光二極管和光電探測器，可以與硅基光子晶體波導管集成。

【圖文導讀】

圖1：波導管集成的LED和光電探測器設計

(a)LED模式（上），來自于P-N結發射出的光通過波導并且在光柵耦合器被耦合。光電探測模式（下），入射光通過光柵耦合器被耦合進波導并且被P-N結檢測。

(b)硅基光子晶體波導頂端密封的雙分子層MoTe₂ P-N結的截面示意圖。分離的石墨柵極控制MoTe₂中載流子濃度，兩個柵極的距離為400μm，氮化硼作為MoTe₂頂端的介電層，厚度為80nm。連接著鉻/金導線的薄石墨片作為源和漏電極。

(c)通過三維時域有限差分模擬電場強度的橫截面。利用封裝在氮化硼內部的光子晶體波導頂端10nm位置的y-極化偶極子源模擬P-N結發出的光與波導的耦合。

(d)器件的顯微圖像。白色虛線限定了雙分子層MoTe₂薄片。粉紅色線為光子晶體波導，邊緣黑色為兩個光柵耦合器。圖片內的黑色線是為了避免短路刻蝕的槽。

圖2：室溫下柵控雙分子層MoTe₂ P-N結電性能

(a)性能范圍內，在不同摻雜等級下的I_ds-V_ds曲線。柵壓為±30V。

(b)紫色線和綠色線分別為為PN結和NP結的∣I_ds∣-V_ds 的半對數曲線。

(c)固定偏壓V_ds=1V下，流經器件的電流∣I_ds∣作為V_lg（左柵壓）和V_rg（右柵壓）的函數。

(d)固定偏壓V_ds=-1V下，流經器件的電流∣I_ds∣作為V_lg和V_rg的函數。

(e)在V_g=V_lg=V_rg的同時掃頻下，(c)(藍色線)和(d)(黃色線)的∣I_ds∣對角線切割曲線。

(f)(c)(藍色線)和(d)(黃色線)的削減非對角線表明電流∣I_ds∣作為非對稱柵壓V_j=(V_lg-V_rg)/2的函數依懶性

圖3：雙分子層MoTe₂-硅波導耦合器件的光性能

(a)室溫和6K的溫度下，雙分子層MoTe₂薄片的光致發光和MoTe₂的P-N結的場致發光光譜。在偏壓V_ds=2V下,P-N結的柵壓為相反極性的V_lg=8V，V_rg=8V。

(b)在6K溫度時，雙分子層的MoTe₂的光致發光強度作為柵壓的函數V_g=V_lg=V_rg。電荷中性點在V_CNP=0.8V。(a),(b)中介電層氮化硼的厚度為35nm。

(c)室溫下的場致發光圖像覆蓋到了器件的偽彩色光學圖像的上面。來自光柵耦合器的兩個額外放射點表明光學與波導的耦合。

(d)MoTe₂轉移前后波導的傳輸，其中黃色線和綠色線分別為轉移前與后。藍色線為光柵耦合器的放射譜，對于其他的雙分子層器件，頂端和底端氮化硼的厚度分別為80和100nm。

圖4：集成了雙分子層MoTe₂ NP結的硅波導室溫下光電流響應

(a)在V_lg=-V_rg=15V,光柵耦合器的入射激光功率在0-19μW下，半對數范圍內I_ds-V_ds的擬合曲線。

(b)不同激光功率下，短路光電流I_sc (V_ds=0V）。

(c)0偏壓下，光電流的開關隨著調制激光激發P-N結閃爍（分別為高和低信號）

(d)波導集成光探測器的波長依賴響應。

【小結】

研究結果展示了發光二極管與具有硅光子晶體波導技術的雙分子層MoTe₂ P-N結光電探測器的集成。TMD發光二極管集成到硅光子器件可以實現點對點光學鏈接，此外，通過將TMD增益材料與光子晶體納米腔集成可以使窄帶激光器實現。窄帶激光器可與波導耦合進一步提高光耦合效率并允許芯片波導分多路復用。考慮到2維范德維爾斯材料的快速發展，可以預期新穎的功能和更好的性能。例如，層間激子發射和靜電門控效應為發射波長提供額外的協調能力，異結構的使用可以實現激子近紅外(NIR)范圍內的發射，為光的發射提供更有效的活性層，通過與大帶寬的石墨烯調制器集成，可以期待更高速度的數據通信。此外，研究表明對于點對點連接的所有光學元件可以使用2D TMD器件轉移到其他被動光子集成電路。研究強調硅基波導層不是唯一的選擇。該篇文章報道的方法與被動波導層兼容，在大多數CMOs工藝的頂層成為可能，例如氮化硅。簡易集成在廣泛的電子處理器和存儲器，具有極大的潛能簡化計算和傳感系統中高速互聯的設計。

文獻鏈接：Bie Y Q, Heuck M, Grosso G, et al. A MoTe2 based light emitting diode and photodetector for silicon photonic integrated circuits[J]. Bulletin of the American Physical Society, 2017, 62.

本文有材料人編輯部趙春林編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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